基于单边带调制的PDM-OOFDM系统中关键技术的研究
作者单位：北京邮电大学
学位级别：硕士
导师姓名：马健新
授予年度：2020年
主 题：单边带调制 光正交频分复用 拍频干扰消除 保护带宽 偏振模色散
摘 要：随着宽带互联网时代的到来以及云计算和大数据等技术的兴起,对网络的带宽需求快速增长,通信网络的容量正面临巨大挑战。近年来,光正交频分复用(Optical orthogonal frequency division multiplexing,OOFDM)由于其高频谱效率(Spectral efficiency,SE)和强大的抵抗由色度色散(Chromatic dispersion,CD)引入的符号间干扰的能力而受到越来越多的青睐。相干光OFDM(Coherent optical OFDM,CO OFDM)系统具有更高的SE和接收灵敏度以及对CD和偏振模色散(Polarization mode dispersion,PMD)更好的鲁棒性,CO OFDM 有望应用于长距离传输;但是,CO OFDM系统需要线宽非常窄的激光器和复杂的接收机应对频率偏移和相位噪声。直接探测OOFDM(Direct detection OOFDM,DD OOFDM)的接收机可以通过平方律光电二极管(Photodiode,PD)外差拍频光载波和OOFDM信号来恢复电OFDM信号,结构简单。因为光载波和OOFDM信号来自同一激光器,具有完全同步的频偏和相位漂移,所以降低了对频偏和相漂估计和校正的要求。然而,信号与信号间拍频干扰(Signal-to-signal beat interference,SSBI)可能会在频域中与射频OFDM信号重叠,从而降低链路性能并限制SE。因此,对SSBI消除接收机的研究显得极为重要。为了进一步提升光通信系统容量,偏振分复用(Polarization division multiplexing,PDM)技术通过光波的两个正交偏振模式传输两路信号来使系统容量和SE倍增。但是,由于非理想光纤的偏振模色散(Polarization mode dispersion,PMD)会使两个正交的偏振模随机旋转,因此这两个模式在经过偏振分束器(Polarization Beam Splitter,PBS)后所携带的OOFDM信号会相互耦合,并且在没有昂贵的偏振稳定器的情况下无法通过PBS直接分离。因此,对于PDM SSB-OOFDM系统,不仅要消除SSBI,还要避免PMD引起的干扰。本文首先介绍了 OFDM在光通信中的研究背景与意义,接着综述了 OOFDM技术的研究现状,并分析了当前OOFDM系统存在的问题及本文提出的解决办法,接着阐述了 OFDM调制、解调原理及OFDM的数字实现、OFDM循环前缀与导频设计,然后分析了 DD SSB-OOFDM 系统中产生 SSBI 的原因,DD SSB-OOFDM 中 ICRBD消除SSBI的原理以及DD SSB-OOFDM系统中BICR消除SSBI的原理;基于上述原理分析,提出了两种针对PDMSSB-OOFDM信号的链路方案,这两种系统不仅可以消除SSBI还可以避免PMD的干扰。本文主要工作和创新点包括:(1)提出了一种基于ICRBD的错位光载波(Misaligned Optical Carrier,MOC)PDM SSB-OOFDM系统,用于传输偏振复用的两路SSB-OOFDM信号。该PDM SSB-OOFDM系统消除了 SSBI,并简化了接收机。由于接收机仅由一个光梳状滤波器(InterLeaver,IL)、一个2×2的3dB光耦合器(Optical Coupler,OC)和一个平衡光电探测器(Balanced Photoelectric Detector,BPD)构成,而没有偏振分束器 PBS和复杂的多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术处理,因此该系统对PMD不敏感,且易于实现,而且保护带宽(Guard Band,GB)减小,因此SE得到了提高。通过仿真验证了提出的MOC PDM SSB-OOFDM方案,并在120km标准单模光纤(Standard single-mode fiber,SSMF)上传输了两路速率为 40 Gb/s 的 16-QAM OFDM 信号,误差矢量幅值(Error Vector Magnitude,EVM)低于 16.3%。(2)提出了一种基于BICR的PDM SSB-OOFDM系统,用于消除PDM SSB-OOFDM信号的SSBI,传输偏振复用的两路SSB-OOFDM信号,其对应的两个光载波分别位于SSB-OOFDM信号边带的两侧。在接收端,由1×4光功分器将PDM SSB-OOFDM信号等功率分成四束,分别滤除一个或两个光载波,然后将其馈送到两个BPD进行光电转换,恢复出两路射频OFDM信号而SSBI被消除。PDM SSB-OOFDM系统接收机所用的光功分器、光滤波器、BPD都是偏振不敏感器件,因此该链路对PMD不敏感;由于消除了 SSBI,且理论上不需要GB,因此提高了 SE。验证仿真平台实现了所提出的基于BICR 的 PDM SSB-OOFDM 链路,数据速率为 112Gbps 的 16-QAM PDM SSB-OOFDM信号在120 km SSMF传输后,EVM仍能保持在前向纠错误差上限16.3%以下。
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