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相干光通信系统中偏振态旋转追踪及补偿算法研究

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相干光通信系统中偏振态旋转追踪及补偿算法研究

作者：彭小乙北京邮电大学

学位级别：硕士

最近几年,移动通信、互联网、云计算等技术不断发展,对高速、大容量、高可靠性通信的需求越来越高。相干光通信技术因其传输速率高、抗干扰性强和安全性高等优点,广泛应用于高速光纤通信领域中,而偏振复用技术的发展进一步提高了系统的... 详细信息

最近几年,移动通信、互联网、云计算等技术不断发展,对高速、大容量、高可靠性通信的需求越来越高。相干光通信技术因其传输速率高、抗干扰性强和安全性高等优点,广泛应用于高速光纤通信领域中,而偏振复用技术的发展进一步提高了系统的传输速率和可靠性。然而,实际光纤链路中的偏振态旋转(Rotation of State of Polarization,RSOP)已成为偏振复用光通信系统中无法忽视的损伤,传统的恒模算法无法追踪高速率的RSOP。卡尔曼滤波器具有动态追踪性能好、收敛速度快的优势。在光纤通信系统中,该算法被广泛用于RSOP的追踪和补偿问题。因此,研究相干光通信系统中偏振态旋转追踪及补偿算法具有重要的理论意义和实际应用价值。本论文针对光纤信道传输中产生的快速RSOP效应进行深入研究,包括基于残差判决的自适应对角扩展卡尔曼滤波算法研究、基于平均判决误差协方差的自适应容积卡尔曼滤波算法、基于自适应强跟踪的容积卡尔曼滤波算法。论文的主要研究工作如下:(1)针对自适应扩展卡尔曼滤波算法中调优参量频繁更新,计算复杂度高,系统整体性能低的问题,提出了基于残差判决的自适应对角扩展卡尔曼滤波算法。该算法采用残差判决和对角化协方差矩阵的方法,避免了调优参量的频繁更新。仿真结果表明,提出算法相较于对角扩展卡尔曼滤波算法自适应更新调优参量,误码率性能在满足开销为7%的前向纠错阈值条件下实现了两个数量级的降低;相较于自适应扩展卡尔曼滤波算法,在相同条件下可以容忍更高的RSOP速度,最大可追踪130Mrad/s方位角变化速率。(2)针对容积卡尔曼滤波算法中调优参量自适应性能差的问题,提出了基于平均判决误差协方差的自适应容积卡尔曼滤波算法。该算法利用恢复信号计算得到平均判决误差协方差,从而实现调优参量的动态更新。仿真结果表明,提出算法能够在不同场景下自适应地更新调优参数,提升了算法的自适应性能。相较于容积卡尔曼滤波算法,误码率性能在满足开销为7%的前向纠错阈值条件下实现两个数量级的降低。(3)针对实际光通信应用中,光纤在各种自然或人为因素的影响下产生超高速的突变RSOP扰动的情况,提出了基于自适应强跟踪的容积卡尔曼滤波算法。该算法通过渐消因子来动态更新误差协方差矩阵,进而动态调整滤波增益。仿真结果表明,提出算法在突变RSOP情况下,误码率性能依然可以满足开销为7%的前向纠错阈值条件且保持平稳,即便跟踪到100Mrad/s的方位角变化速率时,也基本稳定。

关键词：相干光通信系统偏振态旋转数字信号处理卡尔曼滤波

基于新型自适应平方根容积卡尔曼滤波的RSOP均衡算法

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光学学报 2024年第11期44卷 23-29页

作者：翁国翔田清华王富田凤张琦杨雷静忻向军北京邮电大学电子工程学院信息光子学与光通信国家重点实验室天地互联与融合北京市重点实验室北京100876 北京理工大学信息与电子学院北京100081

针对相干光通信系统中,传统容积卡尔曼滤波(CKF)算法和平方根容积卡尔曼滤波(SCKF)算法对偏振态旋转(RSOP)均衡存在鲁棒性不足、泛化性弱等问题,提出了一种新型的自适应SCKF算法,以实现对RSOP的跟踪补偿。该算法通过引入平方根因子直接... 详细信息

针对相干光通信系统中,传统容积卡尔曼滤波(CKF)算法和平方根容积卡尔曼滤波(SCKF)算法对偏振态旋转(RSOP)均衡存在鲁棒性不足、泛化性弱等问题,提出了一种新型的自适应SCKF算法,以实现对RSOP的跟踪补偿。该算法通过引入平方根因子直接对过程噪声协方差矩阵的平方根进行自适应更新,避免了正定分解。同时引入残差判决检测机制,对当前时刻残差值与滑窗内残差均值进行比较,将比较结果作为是否进行自适应更新的判断条件,以提升算法运行速度。仿真结果表明,所提算法在RSOP方位角变化速率为40 Mrad/s时,误码率性能满足开销为7%的前向纠错阈值条件,且相对于CKF和SCKF算法,所提算法在不同调优参量初始值下均能稳定运行。所提算法能够快速跟踪补偿RSOP,即便在初始条件不理想的情况也能稳定运行,具有鲁棒性强的优点。

关键词：光通信平方根容积卡尔曼滤波算法偏振复用偏振态旋转残差判决

基于数字偏振态扰动的偏分复用相干光通信系统物理层加密技术研究

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基于数字偏振态扰动的偏分复用相干光通信系统物理层加密技术研究

作者：郜传伟北京邮电大学

学位级别：硕士

从稍早前物联网、虚拟现实、增强现实的方兴未艾,到近年来5G、元宇宙、人工智能等新概念新技术的提出,全球互联网业务进入了扩张的快车道,数据总量的规模也呈现出指数级的增长速度,这给通信技术提出了新的要求,需要速率、带宽等性能更... 详细信息

从稍早前物联网、虚拟现实、增强现实的方兴未艾,到近年来5G、元宇宙、人工智能等新概念新技术的提出,全球互联网业务进入了扩张的快车道,数据总量的规模也呈现出指数级的增长速度,这给通信技术提出了新的要求,需要速率、带宽等性能更好的通信技术来支撑网络数据的传输,以满足互联网业务的需求。偏分复用相干光通信系统(Coherent Optical Polarization Division Multiplexing,CO-PDM)技术具有频谱利用率高、容量大、便于在接收端使用数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)技术进行损伤均衡等特点,已成为目前光纤传输系统的主要技术之一。随着数据量的飙升,数据安全问题也显得愈发重要,近年来大规模的公司及政府敏感数据泄露事件时有发生,对数字经济的平稳发展造成了巨大隐患。在以往提高数据安全的方案中,大多聚焦于对通信网络上层进行系统加密,但是从复杂度以及加密数据覆盖范围等角度比较而言,对通信系统在物理层进行加密是更加安全也更加经济的方式。因此本论文中主要对CO-PDM系统的物理层加密技术进行研究。在物理层上对通信系统进行加密具有多样性,方式十分灵活。在调研其他光物理层加密的方法和发展趋势后,并结合CO-PDM系统的相关特性,本论文选择使用数字偏振器件矩阵在电域中对信号进行数据扰动从而实现数据的加密,并采用对称加密结构,这样的加密方法易于实现且灵活多变,成本较低。本论文在详细研究CO-PDM系统的基本原理和结构基础上,使用数字偏振态扰动技术对CO-PDM系统的数据进行加密,从而提升系统安全性。主要的研究工作如下:(1)利用CO-PDM系统对偏振效应的敏感性,使用偏振作为一个新的加密维度对CO-PDM系统进行加密,有效的对信号星座图进行了置乱。由于CO-PDM系统使用了光信号的偏振维度,因此调制光信号会受到偏振态旋转(Rotation of State of Polarization,RSOP)等损伤的影响,且传统的恒模算法(Constant Modulus Algorithm,CMA)对RSOP的补偿能力有限,仅有2Mrad/s。本文提出的加密方案利用这一特点在电域中使用数字偏振器件对信号进行扰动,由于调制器的近似线性调制特性,即会在调制光信号中引入人为可控的高速RSOP,其中RSOP速度可以高达50Mrad/s,增加了非法接收方获得有效信息的难度,提高了系统的安全性。(2)本文设计实现了三种不同的加密模式及相应的参数序列生成方案,在电域使用数字偏振器件对信号进行加密扰动。搭建40Gbps的PDM-QPSK相干光通信仿真系统验证了该加密方案的可行性,在接收端三种加密模式下非法接收方误码率(Bit Error Rate,BER)均为0.5左右,这表明在三种加密模式下成功对数据实现了加密。(3)对三种加密模式进行了传输性能和加密性能分析。结果显示,对于合法接收方,当系统光信噪比(Optical Signal Noise Ratio,OSNR)大于9.5 dB时,三种模式下的BER均小于硬判决下的前向纠错门限;加密系统的最大无中继传输距离约为140km。由于三种加密模式的密钥空间较小,可能无法抵御窃听者的穷举攻击,本文在生成参数序列过程中引入混沌系统对加密方案进行了优化,使得加密方案的密钥空间达到1052量级,能够增强系统抵御穷举攻击带来的安全性威胁的能力。

关键词：偏分复用相干光通信系统光物理层加密数据安全偏振态旋转

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基于密度矩阵理论的偏振损伤联合补偿方案

光子学报 2023年第8期52卷 64-71页

作者：郭瑶张霞杜秋萍杨震山张晓光聊城大学物理科学与信息工程学院聊城252000 山东省光通信科学与技术重点实验室聊城252000 北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室北京100876

利用密度矩阵理论构建的损伤模型结构简单,无需任何辅助矩阵,因此分析复杂度较低,在对光通信系统中光信号的损伤进行分析与补偿时凸显出巨大优势。将该理论初步应用至模式数目为2的偏分复用系统中,建立偏振模色散与偏振态旋转并存时的... 详细信息

利用密度矩阵理论构建的损伤模型结构简单,无需任何辅助矩阵,因此分析复杂度较低,在对光通信系统中光信号的损伤进行分析与补偿时凸显出巨大优势。将该理论初步应用至模式数目为2的偏分复用系统中,建立偏振模色散与偏振态旋转并存时的损伤模型,搭建了28 GBaud偏分复用正交相移键控相干光通信仿真传输系统,实现了30~170 ps大范围差分群时延与300 krad/s~2 Mrad/s快速偏振态旋转的联合补偿,验证了基于密度矩阵理论的损伤模型以及联合补偿方案在光通信系统中的有效性。该研究为下一步推广至N维模分复用系统中光信号的损伤分析与补偿提供了有效的途径。

关键词：相干光通信密度矩阵理论偏振模色散偏振态旋转信号损伤补偿

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光纤通信系统快速偏振态损伤补偿方法研究

光纤通信系统快速偏振态损伤补偿方法研究

作者：汪明鑫北京邮电大学

学位级别：硕士

随着5G、云计算和虚拟现实等技术的发展,并且接入互联网的用户和设备数量与日俱增,数据传输容量产生了翻天覆地变化,全球数据流量爆炸性增长,对通信网络的容量的提高刻不容缓。当前对网络容量的追求对高速超长距离光纤通信网络的传输带... 详细信息

随着5G、云计算和虚拟现实等技术的发展,并且接入互联网的用户和设备数量与日俱增,数据传输容量产生了翻天覆地变化,全球数据流量爆炸性增长,对通信网络的容量的提高刻不容缓。当前对网络容量的追求对高速超长距离光纤通信网络的传输带宽和数据处理能力提出了更高的要求。偏振复用技术利用光的两个正交的偏振态,在每一路上传输独立的信息,从而将通信容量翻倍。但是对偏振效应的利用还需要考虑偏振相关损伤。偏振复用光信号不仅会在光纤中受到扰动造成偏振态旋转(Rotation of State of Polarization,RSOP),而且还会受到某些偏振敏感通信设备的影响。甚至在雷击或附近有振动源存在的情况下,光信号的偏振态会发生极快速的变化。利用数字信号处理算法对偏振态旋转损伤进行补偿是一个研究热点。本文研究了偏振态旋转和卡尔曼滤波算法的关键原理。重点研究了基于扩展卡尔曼滤波算法的RSOP联合补偿方案、基于容积卡尔曼滤波算法的RSOP及相位偏移补偿方案、基于强跟踪滤波的突变RSOP跟踪方案。论文的主要研究工作和创新点如下:(1)针对信号受到的残余载波频偏、载波相位噪声和RSOP损伤,提出了一种基于星座导向扩展卡尔曼滤波的RSOP联合信道补偿方案,并仿真研究了其性能。研究结果表明提出的方案利用联合损伤信道能够实现残余载波频偏和相位偏移补偿的同时实现对快速变化的RSOP的跟踪和补偿。相较于MMA算法,提出的方案可以在较低的SNR要求下,实现快速时变的RSOP跟踪能力。(2)针对EKF和UKF算法精度受限和计算复杂度高的问题,提出了一种基于容积卡尔曼滤波算法的偏振态旋转跟踪和补偿方案,搭建了 14GBaud的PDM-16QAM光通信系统仿真平台,并仿真研究了其RSOP跟踪性能。仿真结果表明,提出的方案与EKF和UKF算法相比有着更高的RSOP容限和较低的SNR需求,并且对过程噪声协方差不敏感。(3)针对雷击和风振等极端条件导致的光纤信道中突变的RSOP和滤波参数失配的问题,提出了一种基于强跟踪滤波的容积卡尔曼滤波算法,并仿真验证了其性能。仿真结果表明该方案对卡尔曼滤波器参数和初始状态不敏感,并且有着合适的复杂度。与容积卡尔曼滤波算法相比,在RSOP突变和初始状态不匹配的情况下,提出的方案具有更少的SNR需求、更大的滤波参数取值范围和较好的误码率表现。此外,为了降低复杂度,给出了基于阈值的强跟踪容积卡尔曼滤波算法。

关键词：卡尔曼滤波偏振态旋转数字信号处理光纤通信

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色散补偿光纤模块的研究

色散补偿光纤模块的研究

作者：汪家乐武汉理工大学

学位级别：硕士

色散是指不同频率的光信号在传输媒介中由于群速度不同而产生分离的现象。产生这种现象的实质是当一束电磁波与电介质的束缚电子相互作用时,介质响应通常与光波频率有关,这体现在折射率对频率的依赖关系上,此关系称之为光纤色散特性。... 详细信息

色散是指不同频率的光信号在传输媒介中由于群速度不同而产生分离的现象。产生这种现象的实质是当一束电磁波与电介质的束缚电子相互作用时,介质响应通常与光波频率有关,这体现在折射率对频率的依赖关系上,此关系称之为光纤色散特性。光纤色散会使光脉冲在传输中时域展宽,强度降低,导致通信系统的误码增加,限制了光脉冲无中继传输距离。目前,色散补偿光纤是现在2.5G和10G商用光纤通信主干道中解决色散问题的主要方式之一,比例约占80%以上。但是由于该方法在偏振模色散和精确度上无法满足更高速率更大带宽的通信系统,例如40G带宽的主干道,更不用说将来的100G系统。所以,色散补偿光纤正在逐步被光纤光栅淘汰。但是光纤的制造技术已经非常成熟,成本低廉,如果能解决偏振模问题,那么在即将建设的40G系统中大大地降低了系统成本。本文首先介绍了色散补偿光纤模块的相关原理,然后介绍了四端口光无源器件的结构原理及其光波导传输原理,最后对整个模块进行仿真和实际测试。

关键词：色散色散补偿光纤偏振模色散偏振态旋转

面向短距光互联的斯托克斯矢量接收机信号处理算法研究

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面向短距光互联的斯托克斯矢量接收机信号处理算法研究

作者：毛雪哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

视频流、云计算、嵌入式安全、机器学习、人工智能和物联网等应用形式不断出现,推动了电信和数据通信市场发展。特别是通信数据爆炸式地增加,使得短距互联通信系统出现速率瓶颈问题。为了提升数据中心传输速率,短距离光互联系统得到了... 详细信息

视频流、云计算、嵌入式安全、机器学习、人工智能和物联网等应用形式不断出现,推动了电信和数据通信市场发展。特别是通信数据爆炸式地增加,使得短距互联通信系统出现速率瓶颈问题。为了提升数据中心传输速率,短距离光互联系统得到了高度关注。长期以来,强度调制-直接检测系统在短距光互联传输中占据主导地位。然而,数据容量需求的高速增长,将传输容量推向100 G和400 G,传统的一维强度调制方式已经无法满足短距容量需求。出于短距光互联对系统低成本、大传输容量和高信号频谱利用率的需求考虑,急需探究满足需求的一种新型接收方案。本文对斯托克斯矢量直接探测接收方案展开研究,这是介于直接探测和相干探测的一种新型的直接探测接收方案。该方案支持发射端信号的偏振复用,实现了基于载波与正交幅度调制格式和脉冲调制格式与正交幅度调制格式偏振复用的系统。其中PAM与QAM偏振复用实现了信号的3维调制,提高系统传输容量和频谱效率。将斯托克斯矢量接收与数字信号处理技术相结合,使其成为短距光互联中最具潜力的传输方案之一。为了改善斯托克斯矢量接收机性能,对基于载波与正交幅度调制信号和PAM与QAM偏振复用传输系统中的偏振态、偏振相关损耗和色散效应跟踪补偿技术展开研究。恢复信号的误码率、系统的光信噪比代价和偏振速率容忍度作为跟踪技术的主要评价标准。基于载波与正交调制格式偏振复用的斯托克斯矢量直接探测系统（PDM SC-m QAM SV-DD）的接收机信号处理主要包括偏振态旋转跟踪、偏振相关损耗和色散补偿。基于脉冲调制格式与正交幅度调制格式偏振复用的斯托克斯矢量直接探测系统（PDM PAM-QAM SV-DD）的接收机信号处理主要是偏振态旋转跟踪补偿。本文提出基于扩展卡尔曼滤波器和粒子滤波器偏振态旋转跟踪算法,并用PDM SC-m QAM SV-DD仿真平台验证算法性能。在大容量传输系统中,扩展卡尔曼滤波器跟踪技术实现了高阶调制格式偏振态旋转跟踪,数值仿真证明了扩展卡尔曼滤波技术有更高的偏振旋转速率容忍度和更低光信噪比代价;在很低的光信噪比代价下,粒子滤波器跟踪技术的偏振旋转速率容忍度相比于最小二乘法和扩展卡尔曼滤波器算法大幅提升,并且收敛速度快,跟踪精度高;针对PDM PAM-QAM SV-DD系统信道中的偏振态旋转,提出了基于MIMO偏振态跟踪算法,数值仿真证明了在很低光信噪比代价下,该算法具备较高的偏振容忍度,且跟踪稳定性良好。本文提出基于盲自适应均衡和扩展卡尔曼滤波器的偏振态旋转和偏振相关损耗协同跟踪算法,并用PDM SC-m QAM SV-DD仿真平台验证算法性能。这两种算法都降低了斯托克斯矢量接收机的算法复杂度。数值结果表明即使在高速偏振旋转下,盲自适应均衡算法可以稳定的跟踪偏振相关损耗和偏振态旋转,但是对于高阶调制的跟踪性能不佳。因此提出了基于扩展卡尔曼滤波器的偏振态与偏振相关损耗协同跟踪算法,相比于盲自适应均衡算法,扩展卡尔曼滤波器具备更低信噪比代价。即使在高阶调制格式中,也能够稳定快速跟踪时变信道中偏振态和偏振相关损耗。针对PDM SC-m QAM SV-DD系统信道中的偏振态旋转和色散效应,本文提出基于斯托克斯空间平均功率判决的扩展卡尔曼滤波器和背向传输联合补偿技术。数值结果证明实现了残余色散信号中的偏振态旋转跟踪,不受色散影响,对信道中偏振态旋转具备较高的偏振容速率忍度,且跟踪稳定性良好。本文提出的斯托克斯矢量接收机关键算法提高了斯托克斯矢量直接探测系统性能,并推动其在中长距传输的应用。

关键词：短距光互联斯托克斯矢量接收机偏振态旋转偏振相关损耗扩展卡尔曼滤波器粒子滤波器