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超奈奎斯特相干光传输系统载波频偏估计算法

光学学报 2023年第4期43卷 18-27页

作者：杨桃赵菁秦英凯由家林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

提出一种基于训练序列相位差+调频Z变换(CZT)的两级频偏估计算法。该方案采用设计的时域训练序列块并结合块内和块间多次平均平滑噪声影响,以较低开销实现频偏的稳定粗估计,并进一步基于第一级频偏粗估计设定第二级CZT估计范围,以较低... 详细信息

提出一种基于训练序列相位差+调频Z变换(CZT)的两级频偏估计算法。该方案采用设计的时域训练序列块并结合块内和块间多次平均平滑噪声影响,以较低开销实现频偏的稳定粗估计,并进一步基于第一级频偏粗估计设定第二级CZT估计范围,以较低计算复杂度完成最终高精度频偏估计。三载波128 GBaud偏振复用十六进制正交幅度调制(PM-16QAM)超奈奎斯特(FTN)波分复用(WDM)系统的仿真结果表明,加速因子为0.95、0.90、0.85时,所提算法训练开销仅为1.56%,即可实现-8~8 GHz范围内的稳定频偏估计,残余频偏分别为2、2.5、3 MHz左右。与估计精度基本相当的传统盲四次方FFT频偏估计算法相比,所提算法的总体计算复杂度显著降低,约为传统算法的8%。

关键词：光通信超奈奎斯特相干光传输载波频偏估计低复杂度

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相干光传输系统色散估计算法研究

相干光传输系统色散估计算法研究

作者：姜宇北京邮电大学

学位级别：硕士

随着5G、云计算、数据中心等新兴网络产业的快速发展,对大容量光纤通信的需求不断上升。高谱效的偏振复用相干检测并结合数字信号处理的大容量、长距离光传输系统作为数据流量的主要承载者,不仅需要更高效的调制解调技术支撑,也需要准... 详细信息

随着5G、云计算、数据中心等新兴网络产业的快速发展,对大容量光纤通信的需求不断上升。高谱效的偏振复用相干检测并结合数字信号处理的大容量、长距离光传输系统作为数据流量的主要承载者,不仅需要更高效的调制解调技术支撑,也需要准确可靠的传输损伤监测/估计技术以保障系统安全稳定运行。然而,在(超)奈奎斯特波分复用(Fast-than-Nyquist/Nyquist Wavelength Division Multiplexing,FTN/Nyquist-WDM)系统中,不理想且严厉的成型滤波引入严重的码间干扰,且长距离光纤传输也导致更复杂的链路损伤。传统色度色散(Chromatic Dispersion,CD)估计算法面临着复杂度和估计精度相互矛盾、对偏振模色散(Polarization Mode Dispersion,PMD)损伤敏感的问题,同时CD和PMD联合估计算法也面临着复杂度高的问题。本文针对上述难题开展研究,主要研究工作和创新性研究成果如下。1、针对FTN系统中,传统CD估计算法复杂度和估计精度矛盾突出的问题,提出了一种基于训练序列和分数阶傅里叶(Fractional Fourier Transform,FrFT)变换的低复杂度CD估计算法,所提算法利用单块符号长度256的训练序列完成粗CD估计,缩小了细CD估计搜索范围。在需要一定开销的条件下,其复杂度仅为同等估计精度下基于 FrFT、基于峰值平均功率比(Peak-to-average Power Ratio,PAPR)全盲CD估计算法的3%和6%。加速因子为0.95/0.9/0.85时,64GBaud PM-16QAM FTN-WDM 仿真和 60GBaud PM-QPSK/16QAM FTN 离线实验结果分别表明,可实现15360ps/nm和11520ps/nm范围内的CD估计,估计误差优于65ps/nm和70ps/nm。2、针对传统CD估计算法存在较大PMD损伤时,CD估计误差大的问题,提出了一种适用于FTN系统的高PMD容忍CD估计算法,该算法通过叠加对PMD损伤不敏感的训练序列完成了粗CD估计,并利用时钟相位检测一致性参数完成了精细CD估计。64GBaud PM-16QAM FTN-WDM仿真结果表明,加速因子为0.85累积色散量15360ps/nm、CD估计误差200ps/nm时,PMD的容忍度约为100ps,其复杂度和PMD容忍度分别为基于PAPR全盲CD估计算法的24%、2.5 倍。3、针对CD和PMD联合估计算法复杂度高的问题,提出了一种适用于Nyquist系统的低复杂度CD和PMD联合估计算法,该算法利用时钟信息对CD和PMD损伤敏感的特性,完成联合估计。其复杂度仅为基于FrFT的时频重构和多任务深度神经网络联合估计算法的 2.1%。32GBaud PM-16QAMNyquist-WDM 仿真结果表明,可实现20480ps/nm范围内的CD估计,估计误差优于150ps/nm。此外,可支持30ps范围内的PMD准确估计,估计误差优于2ps。

关键词：相干光传输 (超)奈奎斯特色度色散偏振模色散估计

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高速相干光传输系统链路优化方案

光通信研究 2016年第3期3期(25)卷 7-9,18页

作者：李雄刘博黎偲胡荣国网河南省电力公司信息通信公司郑州450018 武汉邮电科学研究院武汉430074

针对高速相干光传输系统的链路优化配置问题,提出了基于逐次优化思想的链路EDFA(掺铒光纤放大器)增益配置方案,以优化不规则链路配置条件下的系统性能和调节代价。优化目标是在系统性能达到要求或接近最优的同时,尽量降低链路中所需调节... 详细信息

针对高速相干光传输系统的链路优化配置问题,提出了基于逐次优化思想的链路EDFA(掺铒光纤放大器)增益配置方案,以优化不规则链路配置条件下的系统性能和调节代价。优化目标是在系统性能达到要求或接近最优的同时,尽量降低链路中所需调节的EDFA个数,以尽可能减少或避免由于链路功率调节所引入的调节时延、瞬态效应及代价。仿真结果表明,采用该方案可实现在系统性能接近最优的同时,将链路所需调节的EDFA个数从8个减少到4个,从而有效降低了最优化方案中由于过多的EDFA调节所引入的调节代价。

关键词：相干光传输传输性能优化链路调节

超奈奎斯特相干光传输系统载波恢复DSP算法研究

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超奈奎斯特相干光传输系统载波恢复DSP算法研究

作者：秦英凯北京邮电大学

学位级别：硕士

伴随着5G等技术的迅速发展,用户对大容量通信的需求不断上升,但是由于光纤C+L波段频率资源紧张,导致传统波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)系统容量难以继续提升。近年来提出的超奈奎斯特(Faster-than-Nyquist,FTN)技术... 详细信息

伴随着5G等技术的迅速发展,用户对大容量通信的需求不断上升,但是由于光纤C+L波段频率资源紧张,导致传统波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)系统容量难以继续提升。近年来提出的超奈奎斯特(Faster-than-Nyquist,FTN)技术打破正交准则,是超高谱效、大容量相干光传输领域极具潜力的发展方向。然而超奈奎斯特强滤波引入的严重码间串扰(Inter-symbol Inference,ISI)使系统对各类损伤因素更为敏感。接收端数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)算法中频偏估计算法面临着算法有效性与复杂度矛盾突出的问题,相位估计算法则面临ISI导致的严重相位周跳(Cycle Slip,CS)等问题。目前虽然有相关研究成果见诸报道,但低复杂度高精度载波频偏估计算法、周跳抑制的载波相位估计算法等关键DSP技术难题还有待进一步研究。本文针对上述技术难题,开展的研究工作如下。1、针对FTN对高精度高可靠且低复杂度频偏估计算法的需求,提出了一种基于“训练序列相位差+调频z变换(Chirp Z-Transform,CZT)”的频偏估计算法,该算法通过训练序列完成一阶粗估计,基于频偏粗估计值通过CZT完成二阶细估计,可实现低复杂度、高精度频偏估计。在三载波128GBaud PM-16QAM FTN-WDM系统中对算法进行了性能仿真分析。加速因子为0.95/0.9/0.85时,所提算法可实现[-1.6,1.6]GHz范围内的稳定频偏估计,残余频偏分别为2/2.5/3MHz左右。典型1GHz频偏下,加速因子0.95/0.9/0.85的FTN系统,在误码率为2X 10-2的软判前向纠错(Forward Error Correction,FEC)门限下需要的OSNR分别23.5/23.8/24.5dB。所提算法与相同精度量级的传统盲四次方FFT频偏估计算法相比,计算复杂度仅为后者的8%,且所需开销仅为1.56%。2、针对FTN系统载波相位估计易出现严重的相位周跳问题,提出一种基于训练序列的周跳抑制载波相位估计算法。通过在有效信号内周期性插入的训练符号估计出检测周跳的参考相位,基于参考相位对周跳进行可靠高效检测和补偿抑制。在三载波128GBaud PM-16QAM FTN-WDM系统中对算法进行性能评估。仿真结果表明,加速因子为0.95/0.9/0.85,激光器线宽为100kHz时,BER=2× 10-2的软判FEC门限下所需OSNR分别为23.4/23.7/24.3dB。加速因子为0.95/0.9/0.85时,其在1dB OSNR(与0线宽对应的OSNR相比)代价下能容忍的最大线宽分别为3.8/3.2/2.2MHz。所提算法以0.39%开销实现了 FTN系统载波相位估计周跳的可靠高效检测和补偿。相较与QPSK分割算法相比,计算复杂度的增加可以忽略不计,但是能够有效解决相位周跳的问题。3、利用三载波40GBaud PM-16QAM FTN-WDM相干光传输系统离线实验平台,实验验证了所提“基于训练序列的相位差+CZT”频偏估计算法和基于训练序列的周跳抑制算法的性能。为实验验证不同频偏下的所提频偏估计算法性能,通过调节收端激光器中心频率以形成不同系统频偏;为了验证不同线宽下周跳抑制算法性能,通过MATALB编程在生成发端数据时添加等效于激光器线宽噪声的相位噪声。在[-1.6,1.6]GHz的频偏范围内,在加速因子为0.9时条件下所提频偏估计算法的最大频偏估计误差绝对值在3MHz左右。FTN系统加速因子0.9时在BER=2×10-2的软判FEC门限下的OSNR容限为20dB。通过分析对比相位噪声追踪曲线,相较于传统QPSK分割算法,所提基于训练序列的周跳抑制算法能够有效抑制周跳,加速因子为0.9时,1dB OSNR代价能容忍的最大线宽为1.6MHz。

关键词：超奈奎斯特相干光传输码间干扰载波频偏估计载波相位估计

高速相干光传输系统的非线性效应及其补偿算法研究

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高速相干光传输系统的非线性效应及其补偿算法研究

作者：张隆鹰北京邮电大学

学位级别：硕士

随着对互联网相关业务需求的爆发式增长,光纤通信正朝着超高速、大容量、长距离的方向逐步发展。相干光传输的出现使得系统的带宽利用率和接收机灵敏度大大升高,以此为背景,光纤非线性损伤已经成为了限制长距离传输系统性能的主要因素... 详细信息

随着对互联网相关业务需求的爆发式增长,光纤通信正朝着超高速、大容量、长距离的方向逐步发展。相干光传输的出现使得系统的带宽利用率和接收机灵敏度大大升高,以此为背景,光纤非线性损伤已经成为了限制长距离传输系统性能的主要因素。本论文主要研究了几种相干光传输系统中的非线性损伤补偿算法,论文的具体内容如下:首先,介绍了研究光信号在光纤中传输的基础——非线性薛定谔方程的原理,以及各种非线性效应对信号产生的影响,给出了设计非线性补偿方案的理论基础。介绍了使用数值方式解非线性薛定谔方程(NLSE)的分步傅里叶法(SSFM)和有限差分法,为数值仿真提供了基础。随后,介绍了数字背向传输(DBP)算法的基本原理,建立了使用Matlab软件分析算法性能的仿真系统。通过仿真验证了 DBP对光纤非线性损伤的补偿作用,并分析了算法步长对算法性能的影响,说明了由于过多的快速傅立叶变换(FFT)操作使得算法复杂度过高,因此采用等于跨段数的补偿步数是一个较为合理的方案;同时,通过对比算法在QPSK和16QAM系统中的性能,说明高阶调制格式由于噪声容忍度的限制将使算法补偿效果变差;对于引入了色散管理的传输链路,越大的残余色散将获得更好的算法性能。另一方面,仿真均通过在运算中加入非线性补偿因子ζ以达到最佳的补偿效果,文中也从数值计算的角度概述了引入ζ的目的与其变化趋势。其次,介绍了分析时不变非线性系统的数学工具——沃尔特拉级数(VS),并结合NLSE介绍了基于逆沃尔特拉级数传输函数(IVSTF)的频域沃尔特拉级数均衡器(VSNE)。频域VSNE相比DBP算法的优势在于它的线性部分与非线性部分是并行的,因此在同样的处理速率下更节省时间。通过仿真比较了相同情况下频域VSNE同DBP算法的不同,发现在较高功率的区域频域VSNE的效果略逊于DBP,但其并行的处理结构使其具有独到的优势。基于VS还可设计另一种时域的非线性电均衡器(NLEE),它不同于需要知道完整系统参数的DBP和频域VSNE,只需要在接收端自适应地利用发送的已知的训练序列求出VS的核函数,就能够相应地补偿信道的非线性损伤。文中通过仿真验证了该NLEE对于系统参数的透明性,发现它将在单模光纤中传输了 1600km、1760km和1920km的信号的Q值分别提升了0.8dB、0.7dB和0.6dB。同时,分析了不同延迟抽头数的NLEE的补偿效果及其原因。最后,简要介绍了近期受到广泛关注的基于光纤微扰模型的微扰预失真(PPD)算法和共轭光传输方案。

关键词：相干光传输非线性补偿 DBP VSNE

基于电子载波复用的相干光传输系统频偏估计算法研究

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基于电子载波复用的相干光传输系统频偏估计算法研究

作者：孙桂庆北京邮电大学

学位级别：硕士

随着5G、云计算、物联网时代的到来,网络流量的持续大幅度增长推动相干光传输技术朝着更高谱效、更大容量和更长距离的方向发展。光纤非线性是当前限制大容量光传输系统长距离传输的主要因素之一,而子载波复用(Subcarrier Multiplexing,... 详细信息

随着5G、云计算、物联网时代的到来,网络流量的持续大幅度增长推动相干光传输技术朝着更高谱效、更大容量和更长距离的方向发展。光纤非线性是当前限制大容量光传输系统长距离传输的主要因素之一,而子载波复用(Subcarrier Multiplexing,SCM)技术通过优化子载波符号率可以提升对光纤非线性容忍性,且可以灵活配置各子载波符号率和调制格式实现系统传输速率的精细化调整。然而不同于单载波系统,SCM系统接收端中频偏估计算法要在复用信号下进行来保证子载波信号的完整性,并且需要能够容忍色散、偏振串扰和相位噪声等损伤。现有适用于SCM系统非数据辅助类频偏估计算法,存在估偏精度低、计算复杂度较高等方面的不足。本文针对SCM系统频偏估计算法展开研究,主要研究工作如下。1、针对数字子载波复用(Digital Subcarrier Multiplexing,DSCM)系统中“频谱低谷搜索”频偏估计算法复杂度较高的问题,通过数据填零简化快速傅里叶变换的方式改进算法,在不影响性能的前提下降低算法计算复杂度。2(子载波数)×64GBaud(子载波符号率)、4×32、8×16、16X8、32×4GBaud 偏振复用(Polarization Multiplexing,PM)-M 星座正交幅度调制(M Quadrature Amplitude Modulation,MQAM)DSCM系统仿真结果表明改进后算法能够容忍色散损伤。改进算法与原“频谱低谷搜索”算法性能相同下,计算复杂度下降了 13%。4×1OGBaud PM-16QAM DSCM 8×80km传输离线实验验证了改进算法的有效性。2、针对模拟子载波复用(Analog Subcarrier Multiplexing,ASCM)系统在模拟域完成子载波解复用和各子载波单独进行频偏补偿的特点,提出了一种基于单子载波频偏估计、各子载波本振频率调整的频偏补偿方案。4×32、16×8GBaud PM-MQAM ASCM系统仿真结果表明所提方案能够容忍色散损伤,较“频谱低谷搜索”改进算法计算复杂度下降了 60%左右。3、针对DSCM系统非数据辅助类频偏估计算法存在估偏精度低、复杂度较高等问题,设计了一种基于复用信号上插训练序列的DSCM系统频偏估计算法。16×8GBaud PM-MQAMDSCM系统仿真结果表明训练开销为0.03%时算法估偏精度与非数据辅助类频算法相当,但计算复杂度降低了 36%。此外,提出了一种基于“直流导频”的DSCM系统频偏估计算法,通过调节发射机马赫曾德调制器中的直流偏置电压来产生“直流导频”。16×8GBaud PM-MQAM DSCM系统仿真结果表明在驱动电压线性区间缩减5%时,所提算法最优估偏精度较非数据辅助类频偏估计算法提升了 5倍,相同性能下计算复杂度下降了49%。4×1OGBaud PM-16QAM DSCM 8×80km 传输离线实验验证了所提算法的有效性。

关键词：子载波复用相干光传输频偏估计估偏误差计算复杂度

多子载波相干光传输系统子载波复用等DSP算法研究

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多子载波相干光传输系统子载波复用等DSP算法研究

作者：及志远北京邮电大学

学位级别：硕士

通信网络的高速发展推动了光网络容量的进一步增长。在大容量、长距离的相干光通信系统中,传输过程中受到的光纤非线性效应成为影响信号质量的主要因素之一。数字子载波复用(Digital Subcarrier Multiplexing,DSCM)相比于相同频谱效率... 详细信息

通信网络的高速发展推动了光网络容量的进一步增长。在大容量、长距离的相干光通信系统中,传输过程中受到的光纤非线性效应成为影响信号质量的主要因素之一。数字子载波复用(Digital Subcarrier Multiplexing,DSCM)相比于相同频谱效率的单载波系统,具有更高的色散和光纤非线性容忍性。传统单载波收发端DSP算法已不适用于DSCM系统。DSCM系统需要子载波复用与解复用算法实现其基本功能;DSCM系统边缘子载波受电器件频响不足影响严重,甚至会影响整个DSCM系统的性能;发端IQ不平衡会导致关于0频对称的子载波间相互串扰等。本文针对上述技术问题,开展DSCM相干光传输系统关键DSP算法研究,主要研究内容如下。1、为克服发端电器件频响不足对DSCM系统性能的不利影响,设计了一种适用于DSCM系统的频域联合子载波复用与频响预均衡方案,可以在较低的复杂度情况下实现子载波滤波成型、频响预均衡以及子载波复用。分析表明对于32(子载波数)×4GBaud(子载波符号率)PM-16QAM DSCM系统,系统性能基本相同情况下,所设计方案的复杂度比时域子载波复用和预均衡方案降低了约61%。32×4、16×8GBaud PM-16QAM 和 8X 12、4×24GBaud PM-64QAM DSCM系统仿真结果表明所设计方案可以有效补发射机3dB带宽为60%Nyquist信号带宽所带来的滤波损伤。背靠背4×10GBaud PM-16QAM DSCM离线实验验证了所设计方案的有效性。2、针对DSCM系统在复用信号下进行色散补偿复杂度高的问题,设计了一种频域联合子载波解复用与基带子载波色散补偿方案。相比于在复用信号下进行色散补偿,子载波信号上补偿色散方案能够有效降低算法复杂度。16×8GBaud PM-16QAM与4×24GBaud PM-64QAM DSCM 系统仿真和 4×10GBaud PM-16QAM DSCM 多跨段传输离线实验均验证了所设计方案的有效性。3、针对DSCM系统发端IQ不平衡会造成关于0频对称的子载波间的串扰导致系统性能下降的问题,提出了一种基于4×2MIMO均衡器的发端IQ不平衡校准方案,该方案不仅能够校准补偿发端IQ不平衡,同时可以均衡发射机频响不足。4×32GBaud PM-16QAM和4×24GBaud PM-64QAM DSCM系统仿真结果表明该发端IQ不平衡校准方案可以有效校准5dBIQ幅度不平衡、25° IQ相位不平衡以及0.5符号周期IQ skew。

关键词： DSCM 相干光传输 DSP算法子载波复用子载波解复用

超高速相干光传输系统中PS-QPSK调制与编码调制技术研究

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超高速相干光传输系统中PS-QPSK调制与编码调制技术研究

作者：何子龙北京邮电大学

学位级别：硕士

四维调制格式近年获得了学术界和工业界的广泛关注。其中,一种典型的四维调制格式偏振切换-正交相移键控(PS-QPSK)被认为是目前功率效率最高的调制格式,与业界提倡的“绿色通信”的宗旨相符合。随着动态与突发性网络业务的日益增长,弹... 详细信息

四维调制格式近年获得了学术界和工业界的广泛关注。其中,一种典型的四维调制格式偏振切换-正交相移键控(PS-QPSK)被认为是目前功率效率最高的调制格式,与业界提倡的“绿色通信”的宗旨相符合。随着动态与突发性网络业务的日益增长,弹性光网络成为优化网络资源配置的重要手段,这要求调制格式具有弹性调整系统频谱效率、传输距离等关键指标的能力。同时,编码调制技术已经成为大容量高阶调制相干光传输系统的关键使能技术之一。本论文围绕超高速相干光传输系统中PS-QPSK调制及相干接收数字信号处理(DSP)算法、细颗粒度可调的弹性多维调制方法、高编码增益的多级编码调制方案设计等关键问题展开深入研究,主要研究工作如下。1.针对1 00Gbps相干光传输系统中功率效率最高的四维调制格式PS-QPSK,设计了一种能够有效兼容偏振复用-差分正交相移键控PM-(D)QPSK系统的PS-(D)QPSK系统实现方案,主要包含光发射机、接收机结构设计和偏振解复用、相位模糊检测、符号判决等关键DSP算法的设计。系统仿真结果表明:PS-(D)QPSK相对PM-(D)QPSK在相同符号速率(30Gbaud)和相同有效比特速率(120Gbps)下分别获得了约2dB和0.7dB的OSNR容限提升;并且在32Gbaud符号速率离线实验中,也获得了较PM-(D)QPSK约2dB的OSNR容限提升。2.针对弹性光网络中调制格式细颗粒度调整系统频谱效率和传输距离的需求,提出了一种基于多符号奇偶校验的弹性多维调制方法。该方法能够结合多种格雷映射的调制格式如偏振复用-正交相移键控(PM-QPSK)、偏振复用-16阶正交幅度调制(PM-16QAM),通过调整关联符号数目达到改变系统频谱效率、传输距离的效果。32Gbaud符号速率下的仿真结果表明,多符号校验的PM-QPSK系统(PM-kSC-QPSK)能有效地实现系统频谱效率1.5～2 bit/symbol/polarization和传输距离8000～12600 km的细颗粒度调整,多符号校验PM-16QAM系统(PM-kSC-16QAM)能有效地实现系统频谱效率 3.5～4 bit/symbol/polarization 和传输距离 1750～2600 km 的细颗粒度调整。并且通过32Gbaud符号速率离线实验,验证了PM-kSC-QPSK与PM-kSC-16QAM系统背靠背OSNR容限的细颗粒度变化。3.为满足高速相干光传输方向相关科研中新机制与新算法的实验研究所需,设计并搭建了超1OOGbps偏振复用高阶调制-相干光传输离线实验平台。该实验平台支持PM-QPSK、PM-16QAM等多种高阶调制格式,支持发送端、接收端DSP处理,支持最高32Gbaud调制符号速率。基于所搭建的实验平台成功地完成了25Gbaud(100Gbps)-PM-QPSK 和 20Gbaud(160Gbps)-PM-16QAM 相干光传输系统背靠背离线实验。4.为了在不减小系统频谱效率的前提下降低其OSNR容限要求,增大系统传输距离,设计了一种超100Gbps的相干光传输多级编码调制方案。该方案结合性能优异的低密度奇偶校验(LDPC)编码与PM-16QAM调制格式进行多级编码调制,并依据容量设计准则设计各LDPC分量码码率,采用多级译码方法进行译码。仿真结果表明,基于LDPC与PM-16QAM的多级编码调制系统在10-4误码率下获得了约6dB编码增益。

关键词：超高速相干光传输四维调制弹性多维调制编码调制

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622Mbit／s相干光传输系统

通信技术与制造 1995年第1期 46-48页

作者：刘开梅