光纖傳輸系統(tǒng)中超高階調(diào)制方案分析摘要近年來，全球范圍內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，隨之而來的是人們對于通信系統(tǒng)的傳輸性能的要求不斷變高，人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)等互聯(lián)網(wǎng)方向都對數(shù)據(jù)的傳輸性能有著越來越高的需求。然而，如今的通信移動網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的核心和主干網(wǎng)絡(luò)大都由光纖通信系統(tǒng)構(gòu)成，光纖通信系統(tǒng)因為其所具有的“傳輸頻帶寬、抗噪能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)以及其保密性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在如今的數(shù)據(jù)通信中的綜合傳輸性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于單純的電纜以及微波通信，所以光纖通信系統(tǒng)承載了現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)中絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)傳輸。因此對于高速光通信技術(shù)的研究為大勢所趨，其中編碼調(diào)制技術(shù)和星座成形技術(shù)對于提高光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和傳輸速率有著突出的效果，因此關(guān)于這兩種技術(shù)的研究成為了近來光纖通信系統(tǒng)方面研究的熱點(diǎn)。本文在研究光纖傳輸系統(tǒng)中調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對超高階的QAM調(diào)制格式，重點(diǎn)研究了星座成形技術(shù)中的概率整形技術(shù)，設(shè)計了超高階的調(diào)制方案、加入概率整形技術(shù)后的超高階調(diào)制方案。除此之外，還研究了光纖傳輸系統(tǒng)中超高階信號的各種損傷機(jī)理，包括色度色散、激光器相位噪聲等各種損傷效應(yīng)。本文的主要研究內(nèi)容如下：光纖傳輸系統(tǒng)中超高階調(diào)制方案在研究現(xiàn)有的光纖傳輸系統(tǒng)調(diào)制格式的基礎(chǔ)上，設(shè)計了超高階QAM的調(diào)制與解調(diào)方案，包括256-QAM和1024-QAM的調(diào)制與解調(diào)。該方案研究了超高階QAM信號在AWGN信道中的傳輸，使用Matlab進(jìn)行仿真，結(jié)果包含不同信噪比下256-QAM和1024-QAM的星座圖以及誤碼率曲線。2、概率成形的超高階調(diào)制方案建立了加入概率整形的1024-QAM調(diào)制的方案，研究了方案中不同成形因子下的傳輸性能。3、研究超高階信號的損傷機(jī)理研究光纖傳輸系統(tǒng)中超高階信號的各種損傷機(jī)理，包括激光器相位噪聲、色度色散及非線性效應(yīng)等各種損傷效應(yīng)，在信道模型中實(shí)現(xiàn)概率成形高階調(diào)制格式的仿真，提高頻譜效率。關(guān)鍵詞光纖通信系統(tǒng)超高階調(diào)制概率整形非線性色散相位噪聲目錄TOC\o"1-3"\h\u10903第一章緒論 3107811.1課題背景與研究意義 3162531.1.1課題研究背景 3317301.1.2課題研究意義 4264991.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 5158621.2.1超高階調(diào)制技術(shù)研究現(xiàn)狀 5151951.2.2概率整形技術(shù)研究現(xiàn)狀 672591.3論文的主要研究工作 670371.4論文的組織結(jié)構(gòu) 728325第二章超高階調(diào)試技術(shù)的研究 878622.1關(guān)于調(diào)制的概述 8872.1.1調(diào)制的意義 8313982.1.1三種基本的數(shù)字調(diào)制 941212.2超高階QAM調(diào)制的理論研究 10237572.2.1QAM調(diào)制的原理 10166332.2.1超高階QAM調(diào)制系統(tǒng)模型 1185272.3超高階QAM調(diào)制與解調(diào) 12221892.3.1超高階QAM的星座圖映射 12319052.3.2超高階QAM的誤碼率曲線 1374342.4本章小結(jié) 146065第三章概率整形技術(shù)的研究 1571763.1星座成形技術(shù) 15231193.2概率整形技術(shù) 1612893.3加入概率整形的超高階調(diào)制方案 17158383.4本章小結(jié) 1827457第四章光纖通信系統(tǒng)中損傷機(jī)理的研究 2047644.1光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀和前景 20103524.2光纖通信系統(tǒng)的組成和原理 20133044.3光纖通信系統(tǒng)中信道損傷研究的目的及意義 2162154.4色度色散 22196664.5非線性效應(yīng) 23266814.6激光器的相位噪聲 2447694.7超高階信號的損傷機(jī)理 25262414.8本章小結(jié) 2722219第五章總結(jié)與展望 28211535.1總結(jié) 2819705.2展望 29第一章緒論課題背景與研究意義課題研究背景隨著1977年光纖首次被應(yīng)用在長距離傳輸中，通用電話和電子公司（GTE）、美國電話電報公司（AT&T）和英國郵局先后使用多模光纖（MMF）實(shí)現(xiàn)了實(shí)時電話信號的傳輸。如果以40年的時間跨度來看，光纖傳輸系統(tǒng)按照主流技術(shù)的發(fā)展可以劃分為4個階段，即電光再生技術(shù)（1977—1995年）、光放大與色散管理技術(shù)（1995—2008年）、相干通信技術(shù)（2008年至今）和空間復(fù)用技術(shù)（2008年至今）。早期的光纖傳輸系統(tǒng)每經(jīng)過一段光纖都需要采用電學(xué)的方式對光信號進(jìn)行再生，其容量取決于收發(fā)器的接口速率，即收發(fā)器能夠支持的凈比特率。這種接口速率在商業(yè)系統(tǒng)和研究實(shí)驗中的增長都非常緩慢。直到EDFA的發(fā)明以及在20世紀(jì)90年代WDM技術(shù)的出現(xiàn)，商用光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量從20世紀(jì)90年代中期到2000年早期，每年都會比之前增加一倍REF_Ref8724\w\h[1]。光纖通信是人類社會進(jìn)入信息時代發(fā)展的重要工具之一，它不僅推動了信息革命的進(jìn)一步發(fā)展，而且與傳統(tǒng)通信方式相比具有明顯的優(yōu)勢：速度快、保真度高等。由于這些優(yōu)勢，光纖通信技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，這也極大地影響了世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和進(jìn)步[2]。目前，各種新興業(yè)務(wù)推動著光纖通信系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。可以說，21世紀(jì)最具潛力的產(chǎn)業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)。從信息產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展趨勢來看，未來光纖通信產(chǎn)業(yè)有三大重要支撐，即5g移動網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、超寬帶視頻服務(wù)和云互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。這三項業(yè)務(wù)在未來的快速發(fā)展將徹底改變光纖通信產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)，同時，未來光通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向是明確的，即增加傳輸容量和距離、提高傳輸速率。下一代光通信網(wǎng)絡(luò)要想更好地適應(yīng)未來的發(fā)展要求，就需要具有低時延、超寬帶、高業(yè)務(wù)可靠性、快速傳輸?shù)纫幌盗刑匦訰EF_Ref8986\w\h[2]。隨著近來大熱的5G技術(shù)發(fā)展，引起了人們極大的關(guān)注，人們對于5G技術(shù)的高傳輸速率有著很大的期待，目前4G技術(shù)的傳輸速率已經(jīng)可以達(dá)到100兆的速度，比如說我們使用4G下載一部大小為1G的電影，可能需要一到兩分鐘，然而使用5G網(wǎng)絡(luò)下載的話只需用10秒即可。在通信行業(yè)兩大公司三星和華為的預(yù)計之下，5G網(wǎng)絡(luò)速率可以達(dá)到7.5Gbps甚至是lOGbps。然后在2015年10月，中國的華為公司和日本NTT科學(xué)實(shí)驗室共同研究并測試了5G的NR（NewRadio）技術(shù)，通過測試得出，在帶寬為100MHz以下時，單個小區(qū)的平均下行傳輸速率達(dá)到1.34Gb/s，下行峰值傳輸速率達(dá)到3.6Gb/s。這種種跡象表明，5G將會使得數(shù)據(jù)傳輸速率成十倍，二十倍的增長REF_Ref9110\w\h[3]。因而對于擁有超高傳輸速率要求的5G網(wǎng)絡(luò)，必然需要超高速調(diào)制解調(diào)技術(shù)，而超高速數(shù)字調(diào)制技術(shù)通常會用到超高階的QAM調(diào)制技術(shù)，因為超高階的QAM調(diào)制技術(shù)可以增加傳輸系統(tǒng)中的頻譜效率，還能夠大大提高信息傳輸速率。課題研究意義如今的通信行業(yè)，面臨著新興科技技術(shù)的高速發(fā)展，通信系統(tǒng)中對于傳輸容量和傳輸速率的要求越來越高了，光纖通信的傳輸容量的提高迫在眉睫。然而想要提高傳輸容量，首先我們應(yīng)該考慮的是如何提高信號的頻譜效率。經(jīng)過這些年國內(nèi)外大量的研宄發(fā)現(xiàn)，正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）和高階調(diào)制格式對于提高通信容量有著非常不錯的效果。OFDM技術(shù)具非常高的頻譜利用率，利用簡單的傅里葉變換算法就可以實(shí)現(xiàn)OFDM子載波信道的復(fù)用和解復(fù)用；而為了實(shí)現(xiàn)高頻譜效率，則需要采用高階的調(diào)制格式。本文中主要研究正交幅度調(diào)制（QAM）格式，因QAM的一個符號同時擁有相幅和度位兩個維度的信息，相比于幅移鍵按、（ASK）和頻移鍵控（PSK）具有更高的頻譜效率，并且QAM信號的生成和檢測都相對來說簡單，因此超高階的QAM調(diào)制格式成為了本文的主要的研究對象REF_Ref9162\w\h[4]。面對實(shí)際光纖通信系統(tǒng)對于低成本、高速、高容量、長距離、接入的靈活性等性能方面的要求，概率整形（PS）作為一種新型的編碼調(diào)制優(yōu)化技術(shù)，不僅可以在擴(kuò)充信道的傳輸容量的同時降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，而且能在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下提高系統(tǒng)的靈活性。概率整形因其具有的低誤碼率、低功耗、高靈活性、低復(fù)雜度等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛認(rèn)為是一種前景廣闊的技術(shù)。目前，我們對概率整形的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行研究，探求更加符合光纖信道的概率整形技術(shù)。除此以外，將概率整形技術(shù)應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中，通過這一技術(shù)有希望能夠解決光通信系統(tǒng)在靈活性、復(fù)雜性與頻譜效率以及傳輸容量之間的矛盾REF_Ref9289\w\h[5]。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀光纖通信是近年來發(fā)展得很快的一種光通信技術(shù)。隨著越來越多的高數(shù)據(jù)流量業(yè)務(wù)得到應(yīng)用，例如人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等等，如今的光纖通信系統(tǒng)也朝著提高傳輸容量、速率和距離等方向努力發(fā)展。在高速光纖通信系統(tǒng)中，具有高頻譜效率的新型高階調(diào)制技術(shù)、先進(jìn)的減小非線性色散效應(yīng)的補(bǔ)償算法以及多種復(fù)用技術(shù)等研究在高速光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展過程之中扮演著至關(guān)重要的角色，下面我將會分別介紹近些年來光纖通信系統(tǒng)方面的重要研究成果以及發(fā)展趨勢。2013年，蒙納士大學(xué)的DuLiangbangyuan實(shí)現(xiàn)了11.2Tbit/s的無保護(hù)間隔的全光ODFM系統(tǒng)傳輸。2014年，來自蒙納士大學(xué)的JochenSchroder實(shí)現(xiàn)了在全光OFDM系統(tǒng)中通過波長選擇開光加入光循環(huán)前綴，實(shí)現(xiàn)了擁有252個子載波的全光OFDM系統(tǒng)1268公里無誤碼傳輸。這些實(shí)驗表明全光OFDM系統(tǒng)可以在擁有非常高的頻譜利用率的情況下實(shí)現(xiàn)高速、長距離傳輸。超高階調(diào)制技術(shù)研究現(xiàn)狀在2014年6月，日本NHK科學(xué)實(shí)驗室在研究8K高清電視內(nèi)容傳輸時，將4096-QAM調(diào)制技術(shù)與OFDM超高階調(diào)制技術(shù)以及MIMO多入多出雙極化技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了在特高頻頻段傳輸8K清晰度的視頻節(jié)目REF_Ref9436\w\h[6]。其中，該項實(shí)驗中僅僅使用了6MHz的高頻頻段，便實(shí)現(xiàn)了約92Mbps的視頻容量傳輸。由于該科學(xué)技術(shù)實(shí)驗室在采用超高階OFDM技術(shù)中應(yīng)用到了4096-QAM調(diào)制，這項實(shí)驗研究中同時提到了超高階OFDM技術(shù)以及4096-QAM調(diào)制技術(shù)，那么，超高階OFDM是一項什么樣的技術(shù)，該技術(shù)的原理是什么，如何與4096-QAM調(diào)制技術(shù)相結(jié)合？我們可以這樣來理解這個問題，目前，地面上的傳統(tǒng)的應(yīng)用于數(shù)字電視的信號傳輸系統(tǒng)通常采用的是64-QAM技術(shù)和OFDM技術(shù)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)清晰度的數(shù)字電視傳輸對4096-QAM調(diào)制下的OFDM所劃分的子載波而言，需要承載由4096-QAM調(diào)制而產(chǎn)生的共12位二進(jìn)制比特，承載比特數(shù)相對于64-QAM的OFDM系統(tǒng)翻了一倍，故而超高階QAM由此而來。通過這種提高QAM調(diào)制階數(shù)的以及與OFDM相結(jié)合的方式，將系統(tǒng)傳輸容量翻倍，便能有效的實(shí)現(xiàn)地面上的傳統(tǒng)數(shù)字電視節(jié)目的高清傳輸。但是，該方式需要結(jié)合高質(zhì)量的傳輸環(huán)境，除此之外，針對由于調(diào)制階數(shù)升高而帶來的子載波承載比特數(shù)高所帶來的星座點(diǎn)相互干擾，以及子載波間的干擾等造成的信號失真問題，還需要給與相應(yīng)的改良方案或解決辦法。不過，由此可知，高階QAM調(diào)制技術(shù)一直以來都是作為數(shù)字電視傳輸中一個重點(diǎn)研究的模塊而存在的REF_Ref9436\w\h[6]REF_Ref9551\w\h[7]。概率整形技術(shù)研究現(xiàn)狀1948年，在“AMathematicTheoryofCommunication”著作中，信息論的鼻祖香農(nóng)提出了著名的有噪聲信道編碼定理。這一定理明確指出了，實(shí)現(xiàn)可靠傳輸?shù)那疤崾切诺廊萘看笥谛畔鬏斔俾?，如果超過了臨界值，就沒有傳輸?shù)囊饬x了。在一般情況下，信號符號是均勻等概發(fā)送的，但這樣始終與香農(nóng)極限有差距，研究人員就想到了通過改變信號符號的發(fā)送概率以及調(diào)整星座點(diǎn)位置來測試是否能實(shí)現(xiàn)容量的提升，研宄發(fā)現(xiàn)該方法確實(shí)能夠在一定程度上接近香農(nóng)極限，至此科研人員對星座成形技術(shù)展開了大量研宄，成為了當(dāng)前光通信領(lǐng)域的熱門研究話題。2015年，來自慕尼黑工業(yè)大學(xué)通信工程研究所的FehenbergerTobias等人研究了概率成形的16-QAM和64-QAM在背對背實(shí)驗中的性能。實(shí)驗結(jié)果表明經(jīng)過概率整形后的PS-16-QAM和PS-64-QAM與未經(jīng)概率成形的QAM信號做對比，分別對光通信系統(tǒng)有0.43dB和0.8dB的靈敏度增益。2017年，華為的YanjunZhu等人公布了在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中概率整形64-QAM在5OGHz波長網(wǎng)格中的單載波400G傳輸實(shí)驗。實(shí)驗結(jié)果表明，采用概率整形64-QAM與常規(guī)64-QAM相比，在傳輸距離方面可以提高300%。2018年，北京郵電大學(xué)的XingXu等人提出了一種基于符號標(biāo)記和菱形調(diào)制的概率成形無源光網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的16-CAP相比，在誤碼率閡值處接收光功率提高了2dB，證實(shí)了概率整形技術(shù)的優(yōu)越性REF_Ref9551\w\h[7]。從近幾十年以來不斷探索以及上述的眾多學(xué)者的研究中可以看出，無論是長距離還是短距離的傳輸，都有幾何概率成形技術(shù)大可發(fā)揮的地方，眾多的研究結(jié)果表明，概率整形技術(shù)可以提高頻譜效率、增長傳輸距離、提升傳輸性能等多方面的優(yōu)秀效果。從上述分析中我們不難看出，國外的研究人員們很早就注意到了星座成形技術(shù)對于提高傳輸容量方面的突出作用，并且針對這個方向進(jìn)行了大量的研究，成果也頗為豐富。然而國內(nèi)的學(xué)者們則是最近幾年來，才逐漸開始了對其的深入研究，所以目前在星座成形技術(shù)方面國內(nèi)與國際的水平尚且存在著不小的差距，于是加快研究星座成形技術(shù)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。論文的主要研究工作本文主要研究了光纖傳輸系統(tǒng)中的超高階調(diào)制技術(shù)，重點(diǎn)針對超高階正交振幅調(diào)制（QAM）的調(diào)制格式，在此基礎(chǔ)上研究了星座成形技術(shù)中的概率整形技術(shù)（PS），設(shè)計了超高階的調(diào)制方案、加入概率整形技術(shù)后的超高階調(diào)制方案，比較不同的概率分布因子下的傳輸性能。在此基礎(chǔ)上，還進(jìn)一步研究了光纖傳輸系統(tǒng)中超高階信號的各種損傷機(jī)理，包括激光器相位噪聲、色度色散及非線性效應(yīng)等各種損傷效應(yīng)。除此之外，在信道模型中進(jìn)行了概率成形高階調(diào)制格式的仿真，來提高頻譜效率。本文解決的主要問題如下：1、根據(jù)研究目標(biāo)確定技術(shù)路線，完成研究方案的設(shè)計。2、建立概率成形超高階調(diào)制方案，完成仿真，得到合理有效的結(jié)論。3、在信道模型中進(jìn)行概率成形高階調(diào)制格式的仿真，提高頻譜效率。本文的主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：1、超高階調(diào)制方案在研究現(xiàn)有的光纖傳輸系統(tǒng)調(diào)制格式的基礎(chǔ)上，設(shè)計了超高階QAM的調(diào)制與解調(diào)方案，包括256-QAM和1024-QAM的調(diào)制與解調(diào)。該方案研究了超高階QAM信號在AWGN信道中的傳輸，使用Matlab進(jìn)行仿真，結(jié)果包含不同信噪比下256-QAM和1024-QAM的星座圖以及誤碼率曲線。2、建立概率成形的超高階調(diào)制方案建立了加入概率整形的1024-QAM調(diào)制的方案，研究了方案中不同概率分布因子下的傳輸性能的改變。3、研究超高階信號的各種損傷機(jī)理研究光纖傳輸系統(tǒng)中超高階信號的各種損傷機(jī)理，包括激光器相位噪聲、非線性色散等各種損傷效應(yīng)，在信道模型中完成概率成形高階調(diào)制格式的仿真，提高頻譜效率。4、在概率整形的基礎(chǔ)上加入分集調(diào)制方案論文的組織結(jié)構(gòu)本論文主要進(jìn)行了光纖傳輸系統(tǒng)中超高階調(diào)制技術(shù)的研究，超高階正交振幅調(diào)制（QAM）方案的研究，概率成形的超高階調(diào)制方案的研究，和基于光纖信道的基礎(chǔ)上對于光纖傳輸系統(tǒng)中超高階信號的各種損傷機(jī)理的研究。本論文的組織結(jié)構(gòu)如下：第一章是緒論，主要闡述了光纖傳輸系統(tǒng)中超高階調(diào)制技術(shù)研究的背景和意義，從超高階調(diào)制技術(shù)的研究和概率整形技術(shù)兩個方面，介紹總結(jié)了與之相關(guān)的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，最后對本論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行了概述，簡單介紹了本論文的結(jié)構(gòu)。第二章就光纖傳輸系統(tǒng)中超高階調(diào)制技術(shù)這一主題展開研究，建立了超高階QAM信號的調(diào)制與解調(diào)方案，包括256-QAM和1024-QAM的調(diào)制與解調(diào)，該方案研究了超高階QAM信號在AWGN信道中的傳輸，使用Matlab進(jìn)行仿真，研究了QAM階數(shù)和誤碼率的關(guān)系。第三章研究了加入概率整形技術(shù)的超高階QAM調(diào)制方案，在研究概率整形技術(shù)的基本原理的基礎(chǔ)上，建立了概率整形的1024-QAM方案，進(jìn)行了在不同概率分布因子下對于傳輸性能影響的研究。第四章對基于超高階信號光纖傳輸系統(tǒng)的損傷機(jī)理研究方案進(jìn)行了研究，根據(jù)光纖傳輸特性對光纖信道進(jìn)行了建模，研究了非線性色散以及激光器的相位噪聲對于傳輸?shù)挠绊憽Ｔ谛诺滥Ｐ椭羞M(jìn)行概率成形高階調(diào)制格式的仿真，用于提高頻譜效率。 第二章超高階調(diào)試技術(shù)的研究本章就光纖傳輸系統(tǒng)中超高階調(diào)制方案展開了分析和研究，主要研究了超高階QAM調(diào)制的基本原理，建立了超高階QAM信號調(diào)制與解調(diào)方案，進(jìn)行了超高階QAM信號在AWGN信道中的傳輸仿真，研究了超高階QAM的星座圖映射和誤碼率曲線。2.1關(guān)于調(diào)制的概述2.1.1調(diào)制的意義通信系統(tǒng)中的信源對信息傳輸進(jìn)行處理后，將原始信息以電信號的形式傳輸?shù)絺鬏斣O(shè)備，調(diào)制的目的是使原始電信號適合于當(dāng)前的信號傳輸；調(diào)制方法包括根據(jù)基帶信號的修正律改變載波參數(shù)；調(diào)制的作用是進(jìn)行頻譜變換，適用于信道傳輸和復(fù)用，提高信號抗干擾能力，提高通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性，調(diào)制方式分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。模擬調(diào)制是指利用載波的幅度、相位和頻率對調(diào)制信號進(jìn)行調(diào)制，數(shù)字調(diào)制是以數(shù)字信號調(diào)制技術(shù)為標(biāo)志的調(diào)制方式，是當(dāng)今世界上不可缺少的重要通信方式。數(shù)字TEM調(diào)制提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，降低了信道損耗，提高了信息傳輸?shù)陌踩裕辔蛔儞Q鍵控（PSK）和相位多相位變換鍵控（MPSK）。但是在通信中，F(xiàn)IM要實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率和效率，傳統(tǒng)的數(shù)字調(diào)制很難實(shí)現(xiàn)。而正交幅度調(diào)制（QAM）可以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，傳輸效率和頻譜利用率。本文采用QAM調(diào)制方式。QAM調(diào)制的本質(zhì)是將2ASK和2PSK結(jié)合起來，得到雙倍的帶寬，QAM調(diào)制技術(shù)采用兩條獨(dú)立的基線來抑制兩個頻率相同、相位正交的傳輸線，然后將調(diào)制后的電磁信號疊加在一起傳輸，以獲得更高的頻譜效率。2.1.1三種基本的數(shù)字調(diào)制ASK是幅度調(diào)制的一種形式，它將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)表示為載波的幅度變化。在應(yīng)用系統(tǒng)中，表示一個或多個比特的符號是通過在特定的持續(xù)時間內(nèi)以固定頻率傳輸固定幅度的載波來傳輸?shù)摹Ｈ绻鹀adA符號表示一點(diǎn)，則當(dāng)輸入值為1時發(fā)送傳輸信號，當(dāng)輸入值為0時不發(fā)送傳輸信號。任何數(shù)字調(diào)制方案都使用有限數(shù)量的不同信號來表示數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，而數(shù)字調(diào)制方式的振幅數(shù)目有限，而ASK的振幅被分配到一個單一的二進(jìn)制數(shù)字模式。振幅對相等數(shù)量的位進(jìn)行編碼。每個位模式形成一個由特定振幅表示的符號。為調(diào)制器使用的符號集專門設(shè)計的解調(diào)器確定接收信號的振幅，并將其映射回它所表示的符號，這樣就恢復(fù)了原始數(shù)據(jù)。傳送機(jī)的頻率和相位保持不變。FSK頻移鍵控是一種頻率變換密鑰方案，通過傳輸信號的離散頻率變化來傳輸數(shù)字信息，該技術(shù)應(yīng)用于遙測、探空儀、氣象氣球、來電顯示等通信系統(tǒng)中，車庫門開啟器和低頻無線電傳輸在甚低頻和極低頻波段。最簡單的FSK是二進(jìn)制的。FSK可以寫成2FSK。數(shù)字2也表示二進(jìn)制。例如，有兩個已知的二進(jìn)制值，一個是1，另一個是0。如果信號為0，則信號由中心頻率為F1的載波傳輸。如果信號為1，則信號由載波以F2的中心頻率傳輸和傳輸。由于FSKUSA頻率調(diào)制，ELA使用的中心頻率越多，它需要的帶寬就越多。因此，F(xiàn)SK調(diào)制占用了更寬的帶寬，具有更好的抗干擾性能。PSK相變鍵控是一種通過改變恒定調(diào)制參考信號的相位來傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，通過在精確時刻改變正弦和余弦來實(shí)現(xiàn)調(diào)制，廣泛應(yīng)用于WLAN和藍(lán)牙通信中，其中一個被分配了一個獨(dú)特的二進(jìn)制數(shù)字模式。一般來說，相位編碼相等數(shù)量的位。每個位模式形成一個由特定相位表示的符號。為調(diào)制器使用的符號集專門設(shè)計的解調(diào)器確定輸入信號的相位，并將其映射回所表示的符號，以恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。接收機(jī)能夠?qū)⒔邮招盘柕南辔慌c參考信號進(jìn)行比較，稱為相干系統(tǒng)（CPSK），PSK調(diào)制是上述三種基本調(diào)制方式中最好的一種。這三種調(diào)制方法傳輸振幅，傳輸數(shù)字調(diào)制符號高頻信道的傳輸相位和傳輸頻率這三種方法是最基本的數(shù)字調(diào)制方法，本文研究的高階QAM調(diào)制方法是在這三種方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的更有效的調(diào)制方法。2.2超高階QAM調(diào)制的理論研究正交幅度調(diào)制（QAM）是一種數(shù)字調(diào)制方法。它也是許多相關(guān)的模擬調(diào)制方法的名稱，廣泛用于現(xiàn)代電信中的信息傳輸。它使用幅移鍵控（Ask）數(shù)字調(diào)制方案或幅調(diào)方案（AM）模擬調(diào)制方案，通過改變兩個載波的幅度來傳輸兩個模擬信息信號或兩個數(shù)字比特流。同一頻率的兩個載波彼此不同步。由于相位調(diào)制（模擬PM）和相移（數(shù)字PSK）是QAM的特例。在這種情況下，發(fā)射信號的振幅是恒定的，但其相位會發(fā)生變化，這也可以推廣到調(diào)頻（FM）和頻移（FSK），因為它們可以被視為相位調(diào)制的特殊情況。2.2.1QAM調(diào)制的原理正交調(diào)制信號的一般表達(dá)式為：（2-1）為ASK部分，為PSK部分。將上式（2-1）展開即為QAM信號的正交形式：（2-2）此時，我們設(shè)（2-3）這時上式變?yōu)椋海?-4）如果將式（2-3）映射到直角坐標(biāo)系中，若階數(shù)M為256，則由和構(gòu)成的坐標(biāo)點(diǎn)將會有256個。2.2.1超高階QAM調(diào)制系統(tǒng)模型在MQAM中，M是調(diào)制的階數(shù)，通常用來描述高質(zhì)量的QAM調(diào)制。將M進(jìn)制調(diào)制與二次幅度調(diào)制相結(jié)合可以提高相對于M的對數(shù)的傳輸效率。圖2.1MQAM調(diào)制系統(tǒng)框圖MQAM信號可以采用二次相干解調(diào)。解調(diào)器的輸入信號與兩個本地恢復(fù)的方形介質(zhì)相乘后，通過低通濾波發(fā)出兩通道多級基本信號X（t）和X（t），多級譯碼器檢測并識別基帶信號，然后通過電平轉(zhuǎn)換和變換給出二進(jìn)制數(shù)據(jù)并聯(lián)/串聯(lián)轉(zhuǎn)換器關(guān)閉。圖2.2IQ調(diào)制與解調(diào)框圖IQ調(diào)制的定義是IQ調(diào)制就是數(shù)據(jù)分為兩路，分別進(jìn)行載波調(diào)制，兩路載波相互正交（I是同相,q是正交）。對于256QAM調(diào)制，我們將16個bit劃分為一組，那么它們在輸入I路和Q路后，把這16個bit分兩路，一路8個bit，分別給I路和Q路，I路就會有8個不同幅度的電平、Q路也會有8個不同幅度的電平，又由于I，Q信號正交，因此任意一個I路的幅度和任意一個Q路幅度的組合都會對應(yīng)一個星座點(diǎn)。一共就會有16x16=256種組合狀態(tài)。2.3超高階QAM調(diào)制與解調(diào)本部分基于MATLAB進(jìn)行了265-QAM和1024-QAM調(diào)制與解調(diào)的仿真，進(jìn)行了265-QAM和1024-QAM的星座圖映射和誤碼率性能的仿真。2.3.1超高階QAM的星座圖映射圖2.3256-QAM星座圖和加入噪聲后的星座圖如圖2.3所示，左圖為SNR=30dB時的256-QAM收發(fā)對比星座圖，右圖為SNR=10dB時的256-QAM收發(fā)對比星座圖，可以看出SNR=30dB時收發(fā)星座圖較為清晰吻合，而SNR=10dB時噪聲對于接收端的干擾較大，星座圖較為混亂。圖2.41024-QAM星座圖和加入噪聲后的星座圖如圖2.4所示，左圖為SNR=45dB時的256-QAM收發(fā)對比星座圖，右圖為SNR=15dB時的1024-QAM收發(fā)對比星座圖，可以看出SNR=45dB時收發(fā)星座圖較為清晰吻合，而SNR=15dB時噪聲對于接收端的干擾較大，星座圖較為混亂。2.3.2超高階QAM的誤碼率曲線由于QAM是由ASK調(diào)制衍生出來的一種比ASK調(diào)制效率更高的調(diào)制方法，對于MQAM可以看成兩個獨(dú)立正交的多進(jìn)制ASK信號的疊加。由此我們可以推導(dǎo)，對于M階方形QAM調(diào)制，設(shè)其星座圖投影在水平軸和垂直軸的信號點(diǎn)數(shù)為L，其中[3]。對于L階ASK調(diào)制，其判決錯誤的概率表達(dá)式即誤碼率表達(dá)式為：（2-5）MQAM可由兩個相互獨(dú)立且正交的L階ASK信號疊加而成，通過概率計算，可推導(dǎo)出MQAM信號判決正確概率為L階ASK判決正確概率的平方，即：（2-6）該M階方形QAM調(diào)制的誤碼率為：（2-6）圖2.5256-QAM星座圖和加入噪聲后的星座圖如圖所示，圖2.5為256-QAM信號的誤碼率曲線，橫坐標(biāo)為信噪比SNR，縱坐標(biāo)為誤碼率BER,其誤碼率曲線基本符合理論范圍。在SNR=23dB左右時，誤碼率級數(shù)就下降到了。圖2.61024-QAM星座圖和加入噪聲后的星座圖如圖所示，圖2.6為1024-QAM信號的誤碼率曲線，橫坐標(biāo)為信噪比SNR，縱坐標(biāo)為誤碼率BER，其誤碼率曲線基本符合理論范圍。在SNR=28dB左右時誤碼率的級數(shù)就下降到了。通過圖2.5和圖2.6進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)在相同的信噪比條件下，QAM信號的階數(shù)越高，其誤碼率越高，即隨著QAM的階數(shù)不斷增大，其達(dá)到相同誤碼率所需要的信噪比也更大。2.4本章小結(jié)本章主要對調(diào)制進(jìn)行了概述，介紹了調(diào)制意義以及三種基本的數(shù)字調(diào)制格式，研究了由ASK調(diào)制衍生出來的一種比ASK調(diào)制效率更高的調(diào)制方法MQAM,分別進(jìn)行了256-QAM和1024-QAM的星座映射和誤碼率性能的研究。本章第一節(jié)對調(diào)制進(jìn)行了簡單的介紹，介紹了ASK、FSK、PSK這三種分別使用載波的幅度，載波的相位和載波的頻率來使數(shù)字調(diào)制信號在高頻通道中傳輸?shù)恼{(diào)制方法。本章第二節(jié)研究了QAM調(diào)制的基本原理，研究了超高階QAM調(diào)制的系統(tǒng)模型。本章第三節(jié)，基于MATLAB對超高階QAM的調(diào)制與解調(diào)進(jìn)行了仿真，首先對256-QAM和1024-QAM的星座圖映射進(jìn)行了仿真和分析，然后通過誤碼率曲線對256-QAM和1024-QAM的誤碼率性能進(jìn)行了分析研究，最后發(fā)現(xiàn)在相同的信噪比條件下，QAM信號的階數(shù)越高，其誤碼率越高，即隨著QAM的階數(shù)不斷增大，其達(dá)到相同誤碼率所需要的信噪比也更大。第三章概率整形技術(shù)的研究3.1星座成形技術(shù)星座成形技術(shù)的研究始于1980年代，科研人員們想知道使用什么方法可以用來改善成形的損耗問題。香農(nóng)的信息理論使得科學(xué)家們很難找到滿足信道輸入概率分布約束的新的調(diào)制星座圖，因此可以使用現(xiàn)有的調(diào)制方法來修改星座點(diǎn)的傳輸概率，這個方法可以促進(jìn)改善成形損耗目的的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步促使了星座形成技術(shù)的誕生。在通信系統(tǒng)中，星座的位置對通信系統(tǒng)的性能有很大的影響，通過設(shè)計星座點(diǎn)，可以優(yōu)化星座點(diǎn)的位置和出現(xiàn)概率，這些方法稱為幾何建模和概率建模，分別。通常情況下，星座的幾何形狀是固定的，例如采用正交振幅調(diào)制（QAM）。在這種情況下，仍然可以通過概率整形來提高可達(dá)信息率。星座成形技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：不論幾何成形還是概率成形都對通信系統(tǒng)有一定的成形增益，使系統(tǒng)的傳輸容量不斷逼近香農(nóng)極限，有望達(dá)到更高的傳輸容量，顯著提升頻譜效率傳輸?shù)撵`活性，傳輸速率可以靈活調(diào)整，以便適應(yīng)不同的傳輸信道無須調(diào)整前向糾錯碼（FEC）等技術(shù)方案。其中提高頻譜效率這一優(yōu)點(diǎn)非常重要，因為目前的通信帶寬是有限的，而提高頻譜效率能夠?qū)崿F(xiàn)在不擴(kuò)充通信波段的同時實(shí)現(xiàn)更多的通信需求[7]。星座成形技術(shù)分為幾何成技術(shù)形和概率成形技術(shù)兩種，在幾何成形技術(shù)中，是通過改變星座圖中星座點(diǎn)的位置坐標(biāo)，使星座點(diǎn)分布服從高斯分布，在此基礎(chǔ)上用不同衡量系統(tǒng)傳輸性能的參量作為目標(biāo)，并針對其進(jìn)行優(yōu)化算法的設(shè)計，得到相比于原有的星座圖更加接近香農(nóng)極限的優(yōu)化星座圖。然而在概率成形技術(shù)中，通過賦予星座圖中的不同的符號以不同的出現(xiàn)概率，來使其服從高斯?fàn)罘植迹淖兎柕母怕蕘砀淖冃畔⑺俾?，通過這個方法來達(dá)到逼近香農(nóng)極限的目的，也叫作非均勻星座分布設(shè)計。概率成型技術(shù)可以有效地降低傳輸功率，因為它使得能量相對較低的符號比能量相對較高的符號更頻繁地出現(xiàn)。然而，這種非均勻分布會降低發(fā)射機(jī)輸出的熵和平均比特符號數(shù)，即比特率，不過能量節(jié)省大于平均比特?fù)p失的補(bǔ)償。在能量不變的情況下，通過增加歐氏距離可以提高系統(tǒng)的抗噪聲能力。幾何形狀采用等概率符號的非等距星座。在概率星座中，星座點(diǎn)是等距的，并且每一個星座點(diǎn)都具有不同的概率。概率成形技術(shù)相對于幾何成形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：首先，不需要改變調(diào)制器的結(jié)構(gòu)，因此在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)難度較?。黄浯?，概率成形技術(shù)可以進(jìn)行速率調(diào)整，在不改變實(shí)際FEC速率的情況下改變總?cè)哂喽?。最后，對于相同星座?shù)的星座，概率建模技術(shù)的形成增益大于幾何成形技術(shù)REF_Ref9861\w\h[8]。3.2概率整形技術(shù)概率整形是一種編碼調(diào)制優(yōu)化技術(shù)，通常用來與QAM相結(jié)合。概率整形主要原理是將星座外圈的星座點(diǎn)以一定的概率和規(guī)則映射到靠近星座原點(diǎn)的星座點(diǎn)上來進(jìn)行發(fā)送傳輸。實(shí)現(xiàn)概率整形的方法目前主要有兩種．第１種是在通信系統(tǒng)中增加分布匹配器和分布解匹配器，第２種實(shí)現(xiàn)概率整形的方法是固定符號級標(biāo)簽整形方法。本文使用的是第一種方法，P.Schulte和G.B?chererREF_Ref10798\w\h[11]REF_Ref10801\w\h[12]在文章提出了實(shí)現(xiàn)基于MB分布的CCDM算法的，本文采用的即為此算法。為了使得基于CCDM算法的概率整形技術(shù)能和現(xiàn)有的QAM調(diào)制技術(shù)、二進(jìn)制FEC編碼技術(shù)兼容，GeorgB?chererREF_Ref10478\w\h[9]REF_Ref10481\w\h[10]在文章中提出的PAS方案。圖3.1加入概率整形后的通信系統(tǒng)框圖如圖3.1所示為加入概率整形后的通信系統(tǒng)框圖。分布匹配器可在編碼之前實(shí)現(xiàn)“外編碼”，從而使得編碼映射后的各個QAM符號出現(xiàn)的概率服從麥克斯韋·玻爾茲曼分布（MB分布），見公式（3-1）如下：（3-1）其中v為概率分布因子，可代表概率整形的程度。在通常情況下，v取0到1之間的值，v值越大，概率整形程度越大，從而不同的概率分布因子v可以形成不同的概率分布,進(jìn)而可以比較不同概率分布因子下的傳輸性能。3.3加入概率整形的超高階調(diào)制方案圖3.21024QAM的概率分布如圖所示，圖3.2為利用麥克斯韋·玻爾茲曼分布函數(shù)得到的對星座點(diǎn)優(yōu)化后的PS-1024QAM的三維概率分布圖。圖3.3傳統(tǒng)1024-QAM的星座圖（b）（c）圖3.4不同概率分布因子下的PS-1024QAM信號的接收端星座圖（a）v=0，（b）v=0.1，（c）v=0.2（d）（e）（f）圖3.5不同概率分布因子下的PS-1024QAM信號的接收端星座圖（d）v=0.3，（e）v=0.5，（f）v=0.7如上圖所示，圖3.4和圖3.5為不同概率分布因子下的PS-1024QAM信號的接收端星座圖，由前文分析可知概率分布因子，可以用來代表概率整形的程度，因此我們可以通過改變概率分布因子v來改變對信號概率整形的程度。圖3.4中的圖（a）為v=0時的接收端星座圖，可見沒有對信號進(jìn)行整形；圖（b）為v=0.1時的接收端星座圖，可見相比于圖（a）,v=0.1時，概率整形的程度增加了，相應(yīng)的星座圖的整體規(guī)模變小了。同理分析圖（a-f），可以得出隨著概率分布因子v在一定范圍內(nèi)的增大，概率整形的程度會隨之增加，同時星座圖的整體規(guī)模隨之減小，且系統(tǒng)的接收誤碼率也會相應(yīng)地減小。3.4本章小結(jié)本章先介紹了概率整形的背景和意義，在研究概率成形技術(shù)的基本原理的基礎(chǔ)上，建立了概率成形的超高階QAM調(diào)制方案，該方案中將星座外圈的星座點(diǎn)以一定的概率和規(guī)則映射到靠近星座原點(diǎn)的星座點(diǎn)上并發(fā)送傳輸，通過賦予星座圖中的不同的符號以不同的出現(xiàn)概率，來使其服從高斯?fàn)罘植肌Ｅc傳統(tǒng)的均勻分布情況下星座圖映射進(jìn)行了對比，由于概率分布因子v可以用來表示概率整形的程度，因此本章通過改變概率分布因子v的方法來改變對信號概率整形的程度，得到了隨著概率分布因子v在一定范圍內(nèi)的增大，概率整形的程度會隨之增加，同時星座圖的整體規(guī)模隨之減小，且系統(tǒng)的接收誤碼率也會相應(yīng)地減小的結(jié)果，達(dá)到了系統(tǒng)性能提升的效果。第四章光纖通信系統(tǒng)中損傷機(jī)理的研究4.1光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r和前景在過去的幾十年中，光纖通信在各個方面無時無刻不在改變著我們的生活方式。隨著互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展、大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)、人工智能技術(shù)等等的出現(xiàn)，以及云計算等應(yīng)用的成熟，在過去的幾年中，移動互聯(lián)網(wǎng)接入量每年都在翻倍。人們對數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咭鬄榇髣菟叄粩嘣鲩L的數(shù)據(jù)流量對光通信系統(tǒng)提出了大容量、長距離的傳輸?shù)男碌囊螅挥泄饫w通信才能提供長距而穩(wěn)定的傳輸環(huán)境和巨大的信息容量。流量的急增使得全球范圍內(nèi)超高速大容量傳輸技術(shù)的研發(fā)加快，在這種情勢下，通信運(yùn)營設(shè)備商以及國內(nèi)外互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)都開始建設(shè)自己的光纖網(wǎng)絡(luò)。光纖通信在調(diào)制方式上可分為兩大類，一類是基于偏分復(fù)用（PDM）結(jié)合相移鍵控（PSK）或者正交幅度調(diào)制（QAM），相移鍵控如8PSK、16PSK等，正交幅度調(diào)制如16-QAM、32-QAM、64-QAM等。另一種是正交頻分復(fù)用調(diào)制（OFDM）。從檢測方式上看，主要可分為直接檢測和相干檢測，其中由于相干檢測采用數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)，可以有效地降低光通信設(shè)備的性能要求以及可以補(bǔ)償多種信號損傷而被廣泛研究?？紤]到整個光通信系統(tǒng)的性能要求、各個模塊的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程度以及成本等因素，目前業(yè)界部署100Gb/s光通信系統(tǒng)一般采用相干接收PDM正交相移鍵控（QPSK）的方式。如今，4G網(wǎng)絡(luò)早已非常成熟，而全球運(yùn)營商正在大規(guī)模部署5G網(wǎng)絡(luò)，5G全面普及指日可待。上述所有的事實(shí)不僅反映了光纖通信當(dāng)前的發(fā)展情況和趨勢，還展現(xiàn)了全球的運(yùn)營商，設(shè)備制造商和光通信專業(yè)的研究人員都在努力實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的超高速傳輸和大容量傳輸?shù)哪繕?biāo)。同時也反映了光纖通信發(fā)展的宗旨，要努力朝著增加傳輸容量和距離、提高傳輸速率的方向上前進(jìn)。4.2光纖通信系統(tǒng)的原理和組成光纖通信是一種以光為載波，以光纖為傳輸介質(zhì)，將調(diào)制后的光信號從一個地方發(fā)送到另一個地方的通信方式。如今，光纖因為它傳輸頻帶寬，低成本，低信號衰減和高干擾抑制能力而在傳統(tǒng)的通信方式中脫穎而出，并且已經(jīng)取代了長距離電纜通信成為全球最重要的傳輸方法。光纖通信系統(tǒng)的工作原理簡述如下：在傳輸結(jié)束時，將要發(fā)送的信息轉(zhuǎn)換成電信號，然后調(diào)制成激光器發(fā)出的激光束，使光的強(qiáng)度隨電信號的寬度或頻率而變化，使其適合通過光纖通道傳輸。在接收結(jié)束時，接收器接收傳輸光束，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，解調(diào)器對接收機(jī)處理后的信號進(jìn)行解調(diào)，重建出原始信號?；镜墓饫w通信系統(tǒng)如圖4.1所示。圖4.1基本的光纖通信系統(tǒng)組成4.3光纖通信系統(tǒng)中信道損傷研究的目的及意義飛速發(fā)展的現(xiàn)代科技，使得人們除了對大數(shù)據(jù)、云計算和移動互聯(lián)網(wǎng)的需求日益增大外，還對虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和5G通信網(wǎng)絡(luò)等新應(yīng)用的需求急速增加，而這些需求都離不開光纖通信系統(tǒng)的傳輸。2016年10月10日，Akamai發(fā)布的《2016年第二季度互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r報告》顯示，全球平均網(wǎng)絡(luò)連接速度為6.1Mbps，中國內(nèi)地的平均網(wǎng)絡(luò)連接速度僅達(dá)到世界平均水平。隨著“寬帶中國”戰(zhàn)略發(fā)布，運(yùn)營商大力推動“光進(jìn)銅退”，光纖到戶以及進(jìn)一步提高我國的寬帶速率成為大勢所趨。而提高寬帶速率的有效方法就是提高光信號的頻譜效率。高的頻譜效率意味著在有限的帶寬內(nèi)能達(dá)到的比特率更高，意味著更高的寬帶速率。近年來，由于信號處理技術(shù)的發(fā)展，使得相干接收技術(shù)再次受到人們的關(guān)注。原有的色度色散（CD）補(bǔ)償、偏振模色散（PMD）補(bǔ)償、偏振相關(guān)損耗（PDL）均衡、偏振解復(fù)用、非線性補(bǔ)償、時鐘恢復(fù)（CR）、載波頻偏估計（FOE）和載波相位恢復(fù)（CPR）等，都能在接收端的ＤＳＰ模塊得到實(shí)現(xiàn)，因此，大容量、長距離的光傳輸逐漸采用Ｘ和Ｙ偏振的數(shù)字相干傳輸技術(shù)。為了進(jìn)一步提高光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)念l譜效率，以下技術(shù)正在成為研究熱點(diǎn)人們正在并逐漸向商用化發(fā)展。這些技術(shù)包括，在QPSK的調(diào)制格式的基礎(chǔ)上采用更高階的調(diào)制格式如16-QAM等M-QAM格式；采用兩個正交偏振態(tài)來傳輸兩路光信號偏分復(fù)用技術(shù)；采用OFDM和WDM等多載波復(fù)用技術(shù)，以及它們在電域、光域的變體技術(shù)等。在實(shí)際應(yīng)用中，光纖通信系統(tǒng)中的光信號會受到如加性高斯白噪聲（AWGN）、CD、PMD、偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)（RSOP）、PDL、非線性等損傷的影響，大大降低了傳輸距離，并增加接收端誤碼率。隨著偏振復(fù)用、各種高級碼型調(diào)制格式和相干接收的應(yīng)用，鏈路中的色散、偏振串?dāng)_、偏振模色散、激光器的相位噪聲以及光纖非線性成為系統(tǒng)性能惡化的主要原因。因此，進(jìn)行信道損傷的研究和均衡算法的研究是很有必要的REF_Ref10798\w\h[11]REF_Ref10801\w\h[12]。4.4色度色散色散是指體材料的分散，即折射率隨光頻率的變化。然而，在波導(dǎo)中也存在波導(dǎo)色散現(xiàn)象，這種情況下，結(jié)構(gòu)中波的相速度僅取決于頻率。在單一模式下，脈沖展寬的現(xiàn)象被稱為色度色散，色散也稱為群速度色散，是通信工程師設(shè)計波分復(fù)用系統(tǒng)需要考慮的問題。光纖長度增加導(dǎo)致色散增加，脈沖變寬，并且這種脈沖展寬效應(yīng)刺激相鄰周期重疊，這引起符號間干擾。色散也與四波混頻成反比關(guān)系，當(dāng)色散處于最高水平時，四波混頻最小。不同頻率的光群速度不同，進(jìn)而導(dǎo)致色度色散。在低速時光纖可以看成與數(shù)據(jù)速率無關(guān)的傳輸介質(zhì)，對光通信系統(tǒng)影響不大，但在高速率時，色度色散使脈沖展寬，進(jìn)而影響通信傳輸距離。只考慮色散的情況下，光場E在光纖中傳輸表達(dá)式為：（4-1）上式中表示群速度色散系，與色散系數(shù)D的關(guān)系為：（4-2）上式中c表示光在真空的傳播速度，表示光的波長，D為色散系數(shù)。將式(4-1)轉(zhuǎn)換到頻域中，并求解E，得：（4-3）從式(4-3)可以看出，光在光纖傳輸中會產(chǎn)生時延，使傳輸?shù)拿}沖展寬，傳輸距離越長，色散的積累就越大，相鄰符號會產(chǎn)生碼間串?dāng)_，嚴(yán)重影響通信系統(tǒng)的質(zhì)量REF_Ref10965\w\h[13]。4.5非線性效應(yīng)光在光纖中傳輸時的色散和衰耗與光纖長度呈現(xiàn)線性關(guān)系，而帶寬系數(shù)和光纖長度呈現(xiàn)非線性關(guān)系。在強(qiáng)光的作用下，電介質(zhì)和光相互作用而產(chǎn)生非線性。雖然組成光纖的主要材料二氧化硅不具有高非線性的特性，但光在光纖中傳輸?shù)倪^程中通過的截面積很小，光纖的非線性在傳輸過程中累積，由此光纖的非線性變的非常重要。光在傳輸?shù)倪^程中需要EDFA對光信號放大，但對功率放大的同時也會對光纖的非線性效應(yīng)放大，從而限制光在光纖中傳輸?shù)木嚯x。光纖的非線性包括“與散射相關(guān)的受激布里淵散射和受激拉曼散射，與折射率相關(guān)的散射如自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻”[43]。受激布里淵散射于1921年由法國科學(xué)家布里淵發(fā)現(xiàn)，主要是過高的光功率產(chǎn)生的超聲波使得介質(zhì)折射率發(fā)生了變化，從而使光向信號傳播的相反方向傳播的現(xiàn)象。布里淵散射源于激光電場與分子或固體聲場的相互作用，即光子和聲子之間的相互作用。強(qiáng)入射激光在介質(zhì)中感受出聲場，并被聲場散射的非線性光學(xué)效應(yīng)。一般來說，在很多情況下都要考慮受激布里淵散射，因為其產(chǎn)生條件比較弱，散射光頻率相對入射光的多普勒頻移可以表示為：（4-4）式（4-4）中n表示折射率，為波長，為材料中的聲速。當(dāng)光傳播介質(zhì)是二氧化硅時，Vs=5760m/s，在1550ms處會產(chǎn)生反向傳播的散射光，其頻率會在原信號光的頻率上偏移11GHz。當(dāng)散射光和信號光功率不在一個數(shù)量級的時候?qū)鬏斚到y(tǒng)影響不大，當(dāng)相差大時對其他信道信號產(chǎn)生的影響不可忽略。受激拉曼散射是功率大的光波與二氧化硅分子振動的相互作用，光傳輸介質(zhì)可能被壓縮或伸長。布里淵散射引起的頻率轉(zhuǎn)換會導(dǎo)致波長多路復(fù)用系統(tǒng)中短波長信號的過度衰減，是基于密集波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)中非線性效應(yīng)之一。其中，光纖中的耦合光與分子振動相互作用，會在比耦合光的波長更長處產(chǎn)生散射光。如果還存在具有這種較長波長的另一信號，則它以原始信號為代價對其進(jìn)行放大，這會導(dǎo)致信噪比降低，從而導(dǎo)致整體系統(tǒng)性能下降。受激拉曼散射降低系統(tǒng)性能的臨界功率閾值為：（4-5）其中A是介質(zhì)的有效面積，g是拉曼散射增益，L是光纖的有效長度，L的計算公式為：（4-6）其中l(wèi)為以km為單位的實(shí)際光纖長度，a為在中心波長下以dB/km為單位的光纖損耗系數(shù)。自相位調(diào)制的原因是傳播光信號的介質(zhì)折射率會隨著光的功率發(fā)生變化，從而傳播函數(shù)也隨著光功率變化，引起光信號相位隨著自身功率發(fā)生變化。自相位調(diào)制能引起頻率的惆啾，可表示為:（4-7）上式中的γ表示自相位調(diào)制的強(qiáng)弱，L表示光纖有效長度，p為光脈沖的功率。光脈沖展寬一部分原因是自相位調(diào)制，是限制光傳輸距離的主要因素之一。交叉相位調(diào)制產(chǎn)生的原因和自相位調(diào)制產(chǎn)生的原因類似，在多信道傳輸系統(tǒng)中，會將一個波長信道中光功率的變化轉(zhuǎn)化到另一個波長信道中。四相位調(diào)制指的是光纖的三階非線性效應(yīng)，當(dāng)光纖中同時傳輸三個不同波長的信號時，第四個波長的信號就會產(chǎn)生，其關(guān)系滿足：（4-8）式（4-8）中vi，vj，vk是原來存在的信號，Vf是由已存在的三種波長信號相互激勵產(chǎn)生的信號，當(dāng)光纖中存在n個不同波長的信號時，就會新產(chǎn)生n2(n-1)/2個波長的信號，因此在波分復(fù)用系統(tǒng)中，如果光纖中存在的多個波長的光正好相互激勵產(chǎn)生新光的波長在系統(tǒng)傳輸帶寬內(nèi)，新產(chǎn)生的光可能會干擾原始系統(tǒng)信號，導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化REF_Ref10965\w\h[13]。4.6激光器的相位噪聲在光通信系統(tǒng)中，理想光源所產(chǎn)生的光載波是具有恒定振幅、恒定頻率和相位的載波。在實(shí)際中，上述三者都不能絕對穩(wěn)定。式（4-9）描述了理想光載波的電場矢量，在下面的推導(dǎo)中，我們將光信號的電場矢量成為光場：（4-9）其中表示光場的振幅，表示光場的振動頻率，表示初始相位，表示光場的偏振，下標(biāo)s表示是由信號激光器產(chǎn)生的。在實(shí)際中，我們需要考慮激光器的幅度噪聲和相位噪聲，它們是由于自發(fā)福射所帶來的強(qiáng)度漲落和相位漲落引起的，如式（4-10）所示，與分別描述在實(shí)際中激光器的幅度噪聲和相位噪聲。（4-10）激光器的相位噪聲來源于自發(fā)福射光子相位的隨機(jī)性，在時域中表現(xiàn)為隨機(jī)游走，即在時間間隔內(nèi)，相位噪聲的變化表示為：（4-11）由于該變化是由大量獨(dú)立事件導(dǎo)致的，根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理，該變化服從高斯分布。進(jìn)一步假設(shè)相位噪聲功率譜密度恒定，那么相位噪聲變化么、的方差可以表示為：（4-11）顯然，在時間間隔一定的情況下，相位噪聲的差值的方差與激光器線寬成正比，因此從統(tǒng)計意義上來講，激光器線寬越大，則相位噪聲越大，而相位噪聲導(dǎo)致了激光器輸出的線寬是有限的REF_Ref11151\w\h[14]。4.7超高階信號的損傷機(jī)理這一部分，在基于之前的超高階信號調(diào)制與解調(diào)理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)根據(jù)光纖傳輸特性，研究了光纖傳輸系統(tǒng)中超高階信號的各種損傷機(jī)理，包括激光器的相位噪聲和色散。在此基礎(chǔ)上，對于激光器的相位噪聲和色散，進(jìn)行了補(bǔ)償。使用了MATLAB進(jìn)行仿真驗證。如圖所示，圖4.2為SNR=45dB時，加入了色散系數(shù)D=25時的色散后的1024-QAM星座圖。圖4.2加入色散后的1024-QAM星座圖如圖所示，圖4.2為SNR=45dB時，補(bǔ)償了色散后的1024-QAM星座圖。圖4.3補(bǔ)償了色散后的1024-QAM星座圖如圖所示，圖4.2為SNR=45dB時，加入了激光器相位噪聲后的1024-QAM星座圖。可以看出，相位噪聲對星座圖影響嚴(yán)重。圖4.2加入激光器相位噪聲后的1024-QAM星座圖如圖所示，圖4.2為SNR=45dB時，進(jìn)行了相位補(bǔ)償后的1024-QAM星座圖?？梢钥闯?，對相位噪聲進(jìn)行補(bǔ)償之后，星座圖有所恢復(fù)，但恢復(fù)效果有待進(jìn)一步改進(jìn)。4.8本章小結(jié)本章首先介紹了光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀和前景，展示了未來光纖通信增加傳輸容量和距離、提高傳輸速率的目標(biāo)，介紹了光纖通信系統(tǒng)的組成與原理。其次，針對光纖通信中的各種損傷機(jī)理進(jìn)行了介紹，闡述了研究對于這些損傷的研究以及其補(bǔ)償算法研究的重要性。接下來，具體分析介紹了色度色散、非線性效應(yīng)、以及激光器的相位噪聲三種常見的損傷效應(yīng)。最后在基于超高階信號調(diào)制與解調(diào)理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)根據(jù)光纖傳輸特性，研究了光纖傳輸系統(tǒng)中超高