光ofdm系统中光调制器非线性补偿的预失真算法研究大学毕业设计论文Word文件下载.docx
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数字预失真IAbstract
Abstract
OpticalorthogonalfrequencydivisionmultiplexingOOFDMisanovelfibertransmission
technologyproposedrecentlywithahighspectralefficiency.Quicklyithasbecomeoneofthe
researchtopicsintheopticalcommunicationsociety.Theopticalchannelisdividedintoseveral
orthogonalsub-channelsintheOOFDMsystembyemployingpopulardigitalsignalprocessing
technology.Thedataaretransmittedthroughthesesub-channelsbybeingcarriedonasetof
orthogonalopticalsubcarriers.Thiskindofopticalmulticarriermodulationisinspiredbythe
wirelesscommunication.Thehightoleranceofthefiberchanneldistortionsuchaschromatic
dispersion,polarizationmodedispersionandtheflexibilitiesofOOFDMduetoitsintrinsic
softwaredefinitionmakeitoneofthemostcompetitivecandidatesinthenextgenerationof
opticalnetworks
However,theOOFDMsignalissensitivetothenonlineardistortion.Theintermodulation
distortionwillcausetheOOFDMsystemsevereperformancedegradation.Thebottleneckofthe
OOFDMtransmitterswithhighermodulationformatswillbeconventionalopticalmodulators,
suchasMach-Zehndermodulators,electro-absorptionmodulatedlasers,whichhavenonlinear
transferfunctions.Toreducethenonlineareffect,theopticalmodulationdepthmusthavea
back-off,butthiswilllowertheeffectiveopticalsignal-to-noiseratioaswell.Therefore,the
nonlinearcompensationtechniqueoftheopticalmodulatorsisveryimportanttotheOOFDM
systemsanditcanbebroadenedtoalltheopticaltransmissionsystemswhichhavepoor
tolerancetothenonlinearities.Digitalpre-distortionDPDalgorithmisonekindofeffective
methodstocompensateforthenonlinearitiesinducedbytheopticalmodulatorsbyestimatingthe
nonlineartransferfunctionofthemodulatorswithamathmodelandpre-distortingtheinput
signalbytheinversefunctionofthemathmodel.Besides,theDPDschemeneedsafew
componentsonlysothatithasahugeadvantage
Keywords:
OOFDM;
opticalmodulator;
nonlinearitycompensation;
digitalpre-distortionII目录
摘要I
AbstractII
目录III
第一章绪论.1
1.1引言1
1.1.1光纤通信的发展.1
1.1.2光调制格式2
1.1.3光调制器.3
1.1.4光调制器非线性失真5
1.2光调制器非线性补偿研究现状及分析6
1.3本论文的研究工作和创新点.7
第二章高速OOFDM系统8
2.1OOFDM技术简介.8
2.1.1OOFDM发射11
2.1.2OOFDM接收12
2.2实数调制OOFDM系统14
2.3复数调制OOFDM系统18
2.4本章小结23
第三章基于多项式的光调制器非线性估计以及补偿24
3.1非线性模型.24
3.1.1Volterra模型.25
3.1.2广义记忆多项式模型26
3.2DPD算法框架与原理26
3.2.1直接训练式DPD算法.27
3.2.2间接训练式DPD算法.27
3.3基于DPD算法的OOFDM系统设计、优化以及针对波分OOFDM系统的改进.29
3.3.1基于DPD的高速OOFDM发射机框架.30
3.3.2系统噪声以及优化.30
3.3.3DPD补偿方案用于波分OOFDM系统的改进32
3.4实验结果33
3.4.130Gb/s基于EML的复数调制OOFDM系统的DPD算法移植34
3.4.220Gb/s基于MZM的实数调制OOFDM系统的DPD算法移植39
3.5本章小结41
第四章总结和展望42
参考文献44
附录A缩略词50
攻读硕士学位期间发表的论文.53
致谢54
III第一章绪论
第一章绪论
1.1引言
1.1.1光纤通信的发展
自从远古时代人类就已经开始利用光信号作为传递信息的一种方式。
然而,人类真正
将光视为一种通信载体则是开始于1960年代,当时激光的一些特性引起了一批非常有远
[1]
见的通信研究学者们的注意。
随后低损耗单模光纤和半导体激光器的诞生使得现代光纤
通信技术全面快速发展,并在最近的二三十年中迅速得以商用和产业化。
除此之外,最令
人振奋的是2009年诺贝尔物理学奖授予华裔科学家高锟（CharlesK.Kao）博士,以表彰
[2]
他在玻璃材料损耗方面的研究以及对整个光纤通信领域的卓越贡献,同时这也是对光纤
通信技术在人类文明进步道路上的充分肯定。
光纤通信系统最早开始于1980年代,当时达到顶峰的成果为1988年由AT&
T公司搭
建跨越大西洋的代号为“TAT-8”的光纤传输系统,传输5600公里,速率达到280Mb/s,
[3]
比当时铜缆传输速率快一个数量级。
也是从1980年代开始,光纤通信技术的创新如同按
照“摩尔定律”一般层出不穷,单根光纤的传输速率基本上以10年100倍的速度增长。
商用系统一般只落后实验室研究成果5至7年,在这段光纤通信高速发展期间中诞生了许
多最令人惊叹的新技术,包括低损耗单模光纤,单频激光器,掺铒光纤放大器以及波分复
用技术。
2000年之后,光通信领域开始朝着低成本,高速率,长距离,低功耗,更高功能性和
[4]
高稳定性的方向发展。
随着以指数增长的信息流量对光纤骨干网容量要求的不断提高,
[5]
曾经使用在无线领域中的技术开始被提出使用到光纤通信中,如前向纠错编码（FEC）
等。
有些技术也给光纤通信系统容量带来了戏剧性的提升。
在这些技术当中,最吸引人的
就是无线领域中使用的高级调制格式以及相应的数字信号处理技术,它们对现在以及将来
的光调制方式产生了深远的影响。
然而直到最近,现有架设的光纤通信系统中大部分使用的仍然是最传统的光通断调制
方式,这显然无法达到在不久将来400Gbps/1Tbps物理层传输的指标要求,因此高级的调
制格式以及相应配套的数字信号处理技术逐渐成为光纤通信领域专家们的研究热点。
同
1暨南大学硕士学位论文
时,光调制器作为实现新型光调制方式的关键器件,光调制器的性能以及其能否实现高级
的调制格式在光纤通信技术的发展中也受到相当的重视。
1.1.2光调制格式
光纤通信以光作为载体,光的相位,幅度或者强度能够通过光调制器改变以携带高速
比特信息。
与其他通信形式如无线通信、卫星通信系统类似,光纤通信中的调制格式也经
历了从最简单的通断键控On/offKeyingOOK码型发展到以高速数字信号处理技术为基
础的正交频分复用OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexingOFDM等的复杂技术。
高
[6]
阶光调制格式给光纤通信带来频谱效率巨大的提升,成倍扩大了在ITU-T规定的光纤通
信波段上的容量。
以下是现有光纤通信历史发展中按时间先后经历的最典型的四种调制格
式:
图1.1光调制格式的光场示意图（a）光OOK调制光场分布图;
（b）光DQPSK调制光场分布图;
（c）光16-QAM
调制光场分布图;
（d）OOFDM光子载波示意图。
1光OOK调制
光OOK调制是光纤通信中一种早期的光调制格式,即通过光信号的开关来进行比
特传输,OOK调制的光场分布如图1.1（a）所示。
这种调制格式具有频谱效率几
乎是所有光调制格式中最低的缺点,但是系统结构简单。
又由于早期光器件和电
器件发展水平限制无法实现高级的调制格式,因此OOK成为了光通信发展历史中
非常重要的一种技术。
该调制格式对光调制器要求不高,因为它只需要在光载波
的光场任意一个方向上调制通断信号。
接收端也只需要一个PD（photodetector,
光电探测器）进行解调,系统实现的成本相对低廉,也因此能够最早实现商用化。
在目前光纤到户系统中光网络单元（ONU）用户节点处也常常采用这种可以最易
实现的OOK格式来降低系统成本。
2光DQPSK调制
2第一章绪论
光DQPSK（Differentialquadraturephaseshiftkeying,差分相移键控）相比于光OOK
频谱效率则提升了一倍,1个DQPSK符号可以携带2个比特,光场分布如图1.1
（b）所示。
相比于OOK,光DQPSK发射机中通常需要更高级的光调制器,这是
由于其需要在光载波的0?
和90?
两个方向上都进行调制,解调也不同于OOK,需
[7]
要平衡接收机（Balancedphotodetector,BPD）。
因此从成本角度上看,光DQPSK
不如OOK,然而光DQPSK技术由于高频谱效率在当时在光纤通信领域中引起了
[8]
广泛的兴趣,它也是当时世界上最早的实现单波长100Gb/s的解决方案之一。
3光QAM调制
光QAM（quadratureamplitudemodulation,正交幅度调制）是指在光载波的0?
和
90?
方向上调制多电平信号（Multi-levelsignal）的调制格式,最常见的如光16-QAM,
光64-QAM等,光16-QAM的光场分布如图1.1（c）所示。
该调制格式相比于以
上两种具有更高的频谱效率,发射端需要采用光IQ调制器,接收技术也比前两种
[9]
更为复杂,需要相干接收配合数字信号处理（DSP）技术。
4OOFDM
OOFDM（Opticalorthogonalfrequencydivisionmultiplexing,光正交频分复用）是近
几年来最具突破的光调制格式之一,从物理角度而言这是一种可以实现在若干个
[10][11]
正交的光子载波上调制信息的技术,又由于其在频谱上有部分混叠,因此相
比于以上提到的三种调制格式具有最高的频谱效率,因此也是下一代光网络物理
传输层中最具竞争力的候选技术之一。
由于OOFDM信号为多载波信号,其光场
分布如同噪声,因此给出OOFDM光谱的子载波分布示意图,如图1.1（d）所示。
OOFDM可以采用复杂灵活的DSP技术,抵抗主要由色度色散和偏振模色散带来
的光纤信道传输失真,从而获得高质量的光纤信号传输。
1.1.3光调制器
实现大容量光纤通信技术除了采用新型光调制格式之外,另一个重要的因素就是光发
射端的关键器件?
?
光调制器的物理性能和器件发展水平。
光调制器种类繁多,各种物理
机制也不尽相同,本论文中主要介绍三种最典型最常用的光调制器。
1直接调制激光器
3暨南大学硕士学位论文
Power
Current
time
DML图1.2直调激光器DML
直接调制激光器（Directedmodulatedlaser,DML）,如图1.2所示,是一种可以
被直接加载其上的电流信号调制的激光器,驱动电流的变化会导致激光器输出功
[12]
率变化,该种调制方式又简称直调。
除此之外,其他所有调制器实现的调制方
式都属于外调制。
DML具有线性度好、高输出光功率、成本低廉、体积小的优点,
因此常用于短距离接入PON（Passiveopticalnetworks,无源光网络）发射机。
然
而,DML直调啁啾大,该特性严重限制了DML调制信号的传输距离。
2电吸收调制器
Voltage
0V
-2V
Active
P
InPInP
region
InPNInP
Waveguide
EAM
DFBlaser
EML图1.3电吸收调制器EAM以及与DFB激光器集成的电吸收调制激光器EML
电吸收调制器（Electro-absorptionmodulator,EAM）,如图1.3所示,可以与一
个分布式反馈激光器（DFBlaser）集成在单片上成为电吸收调制激光器EML
（Electro-absorptionmodulatedlaser）。
其原理是利用半导体材料中Franz-Keldysh
效应或者量子阱结构中的量子约束Stark效应（Quantum-confinedStarkeffect）来
[13]
实现对光信号强度的调制。
通过改变EAM的外加电场,可以改变半导体材料对
光子的吸收特性,进而改变光束的通断,如图1.3中所示,在PN结偏置电压为0
时,有源区域的能隙（Bandgap）非常宽,以致光子可以透明通过,而当PN结的
反向偏置电压足够大（约-2~-3V）时,其有效能隙小到能够使得有源区域吸收激光,
4第一章绪论
以致输出光强的减小。
EAM具有低啁啾、低驱动电压的优点,但是其线性度不如
直接通过电流直接改变光强的DML。
3马赫-曾德调制器
Microwaveelectrodes
LiNbOCrystal
3
Gnd
OpticalinputOpticaloutput
CWlaser
Data图1.4MZM调制器结构图
马赫-曾德调制器（Mach-Zehndermodulator,MZM）也是光纤通信中非常重要的
一种调制器。
该调制器结构如图1.4所示,基于马赫-曾德干涉仪,输入光信号首
先被分为相同的两束进入由铌酸锂（LiNbO）晶体制备的光波导的两臂,光波导
两臂都处于电极（Electrodes）缝隙之中。
在外加Data电信号的电场影响下,两臂
的折射率发生相反的改变,两臂中光信号因此而产生光相位差,然后再将这两束
[14]
激光信号耦合在一起输出。
由于干涉,输出端的光信号功率与光波导两臂中光
信号相位差有关,而该相位差又与外加Data信号有关,从而实现电信号到光信号
的调制。
1.1.4光调制器非线性失真
44
MZM
430.8
EML
DMLEML
2
0.4
1
abc
000.0
-4-3-2-10-3-3-2-2-1-100
04812
BiasedvoltageV
BiasedvoltageVBiasedvoltageVBiasedvoltageV图1.5光调制器传输函数（a）DML（b）EML（c）MZM
外调制器能够进行光调制均是由材料的电光效应决定的。
但是通常情况下,材料的电
光效应并不具有理想的线性特性,如图1.5a、b以及c所示,我们实际测量了三个商用
5
OutputpowermW
OutputpowermW暨南大学硕士学位论文
光调制器,分别为DML,EML以及MZM的功率传输函数。
可以看到除了DML具有较为
理想的电-光功率传输曲线之外,EML和MZM电光特性都是非线性的。
可以说,这种非
线性的传输函数几乎是所有光外调制器的共性。
对于相对简单的光OOK调制格式而言,
调制器非线性失真并不是
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