光MAMSK相干檢測(cè)系統(tǒng)綜述模板教學(xué)提綱_2486

1、光 MAMSK相干檢測(cè)系統(tǒng)綜述摘要 : 隨著人們對(duì)信息傳輸速率需求的不斷提高, 致使光纖通信向大容量、超高速、超長(zhǎng)跨距這一方向發(fā)展。由于傳輸速率的提高, 距離的增大, 光纖信道中的色散、非線性效應(yīng)等對(duì)信號(hào)的影響也愈加嚴(yán)重。采用新型的光調(diào)制技術(shù)可以有效增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)這些傳輸損傷的抑制能力。 因此新型的光調(diào)制技術(shù)也就成為光纖通信的研究關(guān)鍵。目前在 OOK調(diào)制格式方面已經(jīng)做了許多研究工作，例如DPSK、 DQPSK以及 CPFSK。然而仍然存在改進(jìn)這些調(diào)制格式傳輸性能的需要。像 RZ-DPSK這樣的先進(jìn)格式在長(zhǎng)距離傳輸方面顯示出良好的性能 1 ，但是和RZ-DPSK相比 , 最小頻移鍵控(MSK) 有較

2、大的色散容忍度和更強(qiáng)的魯棒性來(lái)抵抗由緊密光學(xué)濾波器引起的符號(hào)干擾(lSI)效應(yīng)的額外優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上 MSK具有包絡(luò)恒定、 相位連續(xù) , 更窄的功率譜和低旁瓣等特性2 ，這些特性使它在高速度和高頻譜效率的系統(tǒng)中成為更可取的數(shù)據(jù)格式。尤其在其他有線和無(wú)線通信系統(tǒng)中，MSK早已是廣為人知的調(diào)制格式，而在光通信系統(tǒng)中的研究直到最近幾年才開始得到關(guān)注。近來(lái)報(bào)道了一些針對(duì)光MSK系統(tǒng)的研究， 有的是驅(qū)動(dòng)方式的不同5,6 ，有的是調(diào)制結(jié)構(gòu)的不同7-12 ，不同的光發(fā)送機(jī)配置和電驅(qū)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致多電平光調(diào)制信號(hào)的不同特征，一些文章對(duì)這些不同方案進(jìn)行了分析和比較13,14 。國(guó)內(nèi)外的一些研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)通過(guò)外部調(diào)制器來(lái)產(chǎn)生

3、光MSK信號(hào)，信號(hào)的解調(diào)一般使用干涉的方法；關(guān)于 MSK信號(hào)的相干檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究文獻(xiàn)報(bào)道還不多，所以目前關(guān)于MSK的研究工作還有限。另外隨著帶寬需求的不斷增長(zhǎng)，多維多階調(diào)制格式成為目前研究的熱點(diǎn)，為了更進(jìn)一步增大系統(tǒng)容量，降低成本，實(shí)現(xiàn)高速大容量光信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸，對(duì)于多維多階調(diào)制格式的高頻譜效率傳輸技術(shù)的研究勢(shì)在必行?，F(xiàn)今，對(duì)高速大容量多維多階調(diào)制格式的光傳輸?shù)难芯恳堰M(jìn)入了比較成熟的階段，國(guó)際國(guó)內(nèi)光通信的研究組織已做了不少的實(shí)驗(yàn)。作為高效的調(diào)制方式，8PSK( 階相移鍵控) 、 QAM(階正交調(diào)幅) 以及 16QAM(階正交調(diào)幅)都是實(shí)現(xiàn)高速大容量傳輸?shù)牟诲e(cuò)選擇。但受限于現(xiàn)有光電器件的水平，

4、現(xiàn)已證實(shí)的多維多階調(diào)制格式基本都是基于級(jí)聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)的。本文在已有的光MSK調(diào)制格式的基礎(chǔ)上提出了一種新型的 MAMSK調(diào)制格式, 這種新型的MAMSK調(diào)制格式采用相位調(diào)制結(jié)合多幅度調(diào)制的方法,同時(shí)在信號(hào)的相位和幅度上調(diào)制信息, 達(dá)到降低碼速的目的。關(guān)鍵字 :高速光纖通信最小移頻鍵控多幅度最小移頻鍵控相干檢測(cè)1 前言近年來(lái)， 高級(jí)調(diào)制格式得到了廣泛關(guān)注，它們?cè)诟呙芏乳L(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用表現(xiàn)出了諸多優(yōu)勢(shì)。含載波的歸零（RZ）碼和NRZ碼，或是載波抑制的RZ碼（ CS-RZ）可與幅度（ ASK）、相位（ PSK）和差分相位（ DPSK、 DQPSK）等鍵控技術(shù)結(jié)合。連續(xù)相位調(diào)制 CPM也是另外一種

5、形式的相移鍵控，在這種調(diào)制方式中當(dāng)光信號(hào)從一個(gè)相位狀態(tài)變化到另一個(gè)相位狀態(tài)時(shí)，載波的相位是連續(xù)變化的。對(duì)于最小頻移鍵控（MSK），相位的變化被限制在/2 。盡管在無(wú)線數(shù)字通信中，MSK早已是廣為人知的調(diào)制格式，但它在光通信系統(tǒng)中的研究直到最近幾年才開始得到關(guān)注。MSK中的相位連續(xù)演化具有很多有趣的特點(diǎn)：其功率譜的主瓣比正交相移鍵控 （ QPSK）和 DPSK要寬，但其旁瓣卻要低得多，這使得光濾波更為容易，因此由于色散而導(dǎo)致的畸變要小一些。此外，集中在MSK頻譜的主瓣中的能量比旁瓣多，因此在接受機(jī)處可獲得更高的信噪比。最小頻移鍵控(MSK)作為一種特殊的連續(xù)相位調(diào)制(CPM) 信號(hào)，具有相位連續(xù)

6、、頻譜利用率高、包絡(luò)恒定、邊帶衰弱快16 等優(yōu)點(diǎn)，這些良好的特性使得MSK被廣泛應(yīng)用于藍(lán)牙、移動(dòng)通信系統(tǒng)等商業(yè)和軍用無(wú)線通信系統(tǒng)中。此外，MSK信號(hào)波形具有很低的峰均功率比(PAPR) ，對(duì)非線性失真不敏感，因而信號(hào)放大時(shí)可以采用廉價(jià)低功耗非線性放大器?，F(xiàn)在光MSK 調(diào)制信號(hào)現(xiàn)在可以通過(guò)集成了馬赫曾德調(diào)制器的I-Q 調(diào)制器產(chǎn)生 17 。為了適應(yīng)光信號(hào)的高速傳輸，也有研究者們進(jìn)行了改進(jìn) MSK 信號(hào)的傳輸 18。復(fù)旦大學(xué)將MSK 調(diào)制引入到相干光檢測(cè)技術(shù)中，進(jìn)行了大量相干光MSK 系統(tǒng)的研究19,20。 2010 年，復(fù)旦大學(xué)的張自然等提出了對(duì)于光 MSK 信號(hào)的一種頻偏估計(jì)方法來(lái)消除相位噪聲2

7、1。在 2012 年，復(fù)旦大學(xué)的陶理、 遲楠等提出了基于串行最小頻移鍵控的8 進(jìn)制調(diào)制的研究，用串行結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了光MSK 信號(hào)的調(diào)制 22 。北京郵電大學(xué)通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了恒包絡(luò)MSK的 OFDM 相干光傳輸系統(tǒng)，將MSK 調(diào)制引入到 OFDM 相干光通信系統(tǒng)中23，并將 MSK 與多電平調(diào)制方案相結(jié)合搭建了MAMSK-OFDM 直接檢測(cè)系統(tǒng)25。Thomas 等則發(fā)表了相關(guān)論文，提出了建立偏振復(fù)用連續(xù)相位調(diào)制相干光系統(tǒng)的設(shè)想 24 。但是總的來(lái)說(shuō)，將MSK 調(diào)制引入到相干光通信中來(lái)的研究處于剛剛起步的階段，要建立完整高效的相干光MSK系統(tǒng)還有許多關(guān)鍵問(wèn)題需要解決。20 世紀(jì) 90 年代末以來(lái)， 由

8、于光電器件發(fā)展逐漸成熟， 高速數(shù)字信號(hào)處理的發(fā)展以及大量關(guān)鍵技術(shù)被突破， 人們開始了小型化、 高速化的數(shù)字相干光通信系統(tǒng)研究。在2002 年，R.A.Griffin等通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立了10Gbit/s高速DQPSK相干光纖通信系統(tǒng)35 。在 2003 年 M.G.Taylor等通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立了10Gbit/sDPSK數(shù)字相干檢測(cè)的系統(tǒng) 18 ，這些相干光通信系統(tǒng)的建立標(biāo)志著相干光通信技術(shù)已經(jīng)成為了現(xiàn)代通信研究的重點(diǎn)。從 2005 年開始， 關(guān)于相干光通信技術(shù)每年都有許多高水平的文章發(fā)表，比如正交頻分復(fù)用(OFDM) 和偏振差分四相移相鍵控(PM-DQPSK) 等關(guān)于高級(jí)調(diào)制信號(hào)的研究、相干光接收機(jī)的

9、研究和相干光通信中一些關(guān)鍵技術(shù)的研究等等。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的許多高校已經(jīng)開始研究相干光通信，已經(jīng)完成了數(shù)字相干光檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建。北京郵電大學(xué)主要進(jìn)行了光OFDM 通信技術(shù)的研究，其接收部分大都使用了相干檢測(cè)技術(shù)。而在 2012 年，湖南大學(xué)微納光電器件及應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了40Gbit/s 偏振復(fù)用 QPSK 相干光數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸實(shí)驗(yàn)。但是總的來(lái)說(shuō)國(guó)內(nèi)關(guān)于相干光通信技術(shù)的研究才剛剛起步不久，現(xiàn)在主要的研究方式是建立數(shù)字相干光通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在其中對(duì)光相干檢測(cè)技術(shù)、DSP技術(shù)、以及先進(jìn)光傳輸技術(shù)進(jìn)行研究。目前，關(guān)于光MSK領(lǐng)域的研究工作還很有限，與其他調(diào)制格式相比，MSK所具有的一些特

10、點(diǎn)推動(dòng)著科研工作者不斷地研究它在大容量長(zhǎng)距離光纖通信中的適用性。此外，MSK功率譜的旁瓣在很大程度上被抑制，這使得它具有很好的抗色散和抗信道間串?dāng)_的能力。因此，將多進(jìn)制MSK調(diào)制格式與相干光結(jié)合起來(lái)，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能和頻譜利用率。這種結(jié)合也將是未來(lái)光通信中研究的熱點(diǎn)。2 光 MSK信號(hào)的調(diào)制解調(diào)原理2.1MSK信號(hào)的基本原理及特點(diǎn)2.1.1MSK信號(hào)的基本原理MSK 信號(hào)屬于 FSK 信號(hào)，又是一種相位連續(xù)的FSK 信號(hào)，它是CPFSK 信號(hào)的一種特例。 MSK 信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:SMSK t cosc taktk , k 1 Tst、.2TskTs , k 1 2 3(2.1)ak

11、cosctt,ttk , k、 .2Ts1 2 3其中c 是載波角頻率， Ts 是碼元的持續(xù)時(shí)間，Tb 是碼元的寬度，在MSK 信號(hào)中有 TsTb ，而 k 是符號(hào)的相位常數(shù)，其在 k1 Tst kTs 中是保持不變的， ak表示傳輸?shù)牡?k 個(gè)符號(hào)的信息，取值范圍為1， 1，而式中t 為 MSK 信號(hào)的附加相位函數(shù)，它是通過(guò)用積累的總相位減去隨著時(shí)間增長(zhǎng)的載波相位得到的。首先看MSK 信號(hào)對(duì)載波f c 的約束關(guān)系。通過(guò)式（2.1 ）可知，當(dāng)ak 1時(shí)，可以用頻率為 f1 的信號(hào)表示：f11c(2.2)22Ts而當(dāng) ak1時(shí)，用頻率為 f 2 的信號(hào)表示：f 21c(2.3)22Ts因此可知兩

12、個(gè)頻率f1 和 f2的間隔為：V ff1f 21(2.4)2Ts然后分析式（2.1）中的附加相位函數(shù)t 。tak tk(2.5)2Ts通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)式（2.5 ）是一個(gè)直線方程，其中ak / 2Ts 為方程的斜率，而截距為 k 。由于式中 t 的取值范圍是k1 Ts，kTs ，所以在每個(gè)碼元周期段內(nèi)t 都為直線， 另外由于 ak的取值只能為1 ，所以在整個(gè)時(shí)間軸上t可以表示成一個(gè)分段函數(shù)。而每經(jīng)過(guò)一個(gè)碼元周期t 的變化總量總是/ 2，即當(dāng) ak1時(shí)，在一個(gè)碼元周期內(nèi)t增大/ 2；當(dāng) ak1時(shí)，在一個(gè)碼元周期內(nèi)t 減小/ 2 。在式（ 2.14 ）中的t 與信號(hào) SMSK t都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)

13、，這就導(dǎo)致 SMSKt的頻譜密度相比較于一般的離散信號(hào)下降的速度更快。所以MSK 信號(hào)只會(huì)在帶外產(chǎn)生非常小的干擾，這也是MSK 信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)之一。最后再研究（2.1 ）中的相位常數(shù)k ，由于 k 表示的是信號(hào)中第k 個(gè)符號(hào)的相位，因此它在每個(gè)符號(hào)周期時(shí)間段里都取不同的值。而MSK 信號(hào)是一種連續(xù)相位的信號(hào)， 所以從波形上看信號(hào)應(yīng)該是連續(xù)的且沒(méi)有間斷點(diǎn)的。而相位常數(shù)k 的選擇就應(yīng)該保證信號(hào)的相位在每個(gè)碼元轉(zhuǎn)換的時(shí)間點(diǎn)上是連續(xù)的，即ctak 1 tk 1ctaktk，t k1 Ts(2.6)2Ts2Ts則通過(guò)上式可以得到相位的遞歸條件如下：k1ak 1akk 1ak 1ak(2.7)kk 12ak

14、1akk1式（ 2.6 ）說(shuō)明在 MSK調(diào)制信號(hào)中，k 不僅與 ak有關(guān)，也與ak1 及 k 1 有關(guān)。這就是說(shuō)， 前后兩個(gè)碼元之間存在相關(guān)性或者連續(xù)性。其中“連續(xù) ”是指在碼元ak（即范圍為kTb， k 1 Tb）內(nèi)，其起始相位要等于前一個(gè)碼元ak1 的終止相位 （即t kTb 時(shí)信號(hào)的相位） 。在一個(gè)碼元間隔內(nèi)，雖然信號(hào)的相位相對(duì)于載波的相位差只變化了/ 2 ，但是在這個(gè)碼元內(nèi)，相對(duì)于載波的實(shí)際相位卻能夠是千變?nèi)f化的，因?yàn)檫@和它之前已經(jīng)發(fā)送過(guò)的碼流有關(guān)。設(shè) 輸入 的數(shù)據(jù)流 ak 為 1,1, 1，1，1，1，1，1若將 t t 繪成 曲線時(shí)，則得到如圖2.2 的曲線。它是表示以載波相位為基

15、礎(chǔ)，MSK 波形的相位可能的取值隨著時(shí)間變化的路徑，這個(gè)路徑就叫做MSK 信號(hào)的相位路徑通過(guò)圖 2.3可以看出：1、當(dāng)時(shí)間t 是符號(hào)周期Ts的奇數(shù)倍時(shí)，即t2 ks ，t 總是/ 2的奇1 T數(shù)倍。而當(dāng)時(shí)間t 是符號(hào)周期 Ts 的偶數(shù)倍時(shí)，即t2kTs ，則t 總是 / 2的偶數(shù)倍。由于余弦函數(shù)總是以2 為模的，所以在 t2 k1 Ts 時(shí)，t 取值為/ 2 。當(dāng) t 2kTs 時(shí)，t 取值為0 或。2、在一個(gè)碼元周期內(nèi)，函數(shù)t 的截距k 不是 0 就是的整數(shù)倍。同樣，余弦函數(shù)是以2為模，因此k 的取值只有0 或。圖 2.1MSK附加相位函數(shù)t的波形圖 2.2MSK附加相位網(wǎng)絡(luò)路徑由（ 2.1

16、 ）可得出 MSK的正交表示形式：SMSK (t ) f bt fb t2 ) sin wc t （ 2.8 ）I k cos(2 ) cos wctQk sin(由（ 2.8 ）表示可知， 此 MSK信號(hào)可以分解為相同分量I 和正交分量Q兩部分。關(guān)于 MSK信號(hào)的調(diào)制原理一般是將它看成是具有正 / 余弦函數(shù)加權(quán)的同相和正交支路信號(hào)合成的結(jié)果。2.1.2MSK 信號(hào)的功率譜MSK 調(diào)制信號(hào)的功率譜密度為：G f16Ac2Tb cos 2ffc Tb(2.9)2f21 4fc Tb式中 Ac 是載波信號(hào)的振幅，fc 是中心載波頻率，而Tb 是碼元的寬度。圖 2.4是 MSK 信號(hào)與 BPSK 信

17、號(hào)的頻譜圖比較，從圖中可以看出，在同樣情況下，與其他 PSK 信號(hào)相比 MSK 信號(hào)具有以下優(yōu)勢(shì)：1、 MSK 信號(hào)的旁瓣滾降速度將對(duì)于BPSK 來(lái)說(shuō)更快，隨著遠(yuǎn)離中心頻率，BPSK 的頻率是以 1/ f2 的規(guī)律下降， 而 MSK 信號(hào)的頻率則是以 1/ f 4 的規(guī)律下降。MSK 信號(hào)的第一旁瓣比主瓣峰值大約低23dB ，因此其信號(hào)能量主要集中在較低頻率處。若把信號(hào)99% 的能量集中作為標(biāo)準(zhǔn)，則MSK 信號(hào) 99% 的能量集中在頻帶寬度約為 1.2 / Tb 的范圍內(nèi)。2、MSK 信號(hào)的功率譜非常緊湊，從圖中可以看出它的功率譜圖第一個(gè)零點(diǎn)T 處，而 BPSK 功率譜圖的第一個(gè)零點(diǎn)則在1/

18、T 處，這很直觀地說(shuō)明了MSK在 3 / 4 ss信號(hào)功率譜的主瓣相對(duì)于BPSK 信號(hào)來(lái)說(shuō)所占的頻帶寬度更窄；而在旁瓣上，MSK 信號(hào)功率譜下降速度更加快。這也就說(shuō)明MSK 信號(hào)功率譜很緊湊，其信號(hào)的功率主要都集中在主瓣內(nèi)。因此，MSK調(diào)制方式占用的頻帶更加少，可以很好的起到節(jié)約頻帶資源的作用，同時(shí)它對(duì)相鄰信道的干擾也很小。圖 2.3MSK和 BPSK 信號(hào)的功率譜2.1.3MSK 信號(hào)的特點(diǎn)由以上數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得出，MSK 信號(hào)具有以下特點(diǎn)：1、MSK 信號(hào)是正交信號(hào)，具有恒定包絡(luò)，可以使用非線性幅度飽和器件進(jìn)行放大。2、MSK 信號(hào)瞬時(shí)頻率總是兩個(gè)值之一，其頻率偏移嚴(yán)格地等于調(diào)制指數(shù)為0.5

19、 。1/ 4Ts ，相應(yīng)的3、在碼元轉(zhuǎn)換的瞬間，信號(hào)的相位是連續(xù)的，信號(hào)的波形沒(méi)有突變。4、 MSK信號(hào)的頻譜的主瓣比較窄，旁瓣滾降速度較快，有99% 的能量集中在1.15 / Ts 的帶寬內(nèi)，因此可通過(guò)帶寬較窄的帶通濾波器。5、把載波相位作為基準(zhǔn)，MSK信號(hào)的相位在一個(gè)碼元周期內(nèi)線性變化/ 2 。6、任何一個(gè)碼元周期內(nèi)，信號(hào)中都含有四分之一個(gè)載波周期的整數(shù)倍。2.2 光 MSK 調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生盡管在無(wú)線數(shù)字通信中，MSK早已是廣為人知的調(diào)制格式，但它在光通信系統(tǒng)中的研究直到最近幾年才開始得到關(guān)注。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)光MSK 研究還很有限，與其他調(diào)制格式相比，MSK所具有的一些特點(diǎn)推動(dòng)著科研工作者不

20、斷地研究它在大容量長(zhǎng)距離通信中的適用性最近，最近，部分文獻(xiàn)報(bào)道了幾種產(chǎn)生光MSK調(diào)制格式的發(fā)射機(jī)配置方案，其中文獻(xiàn)8 ， 10， 18 報(bào)道了通過(guò)使用四個(gè)子MZM集成的 MZM-IQ 調(diào)制器產(chǎn)生光MSK 信號(hào)，文獻(xiàn) 7 使用并行 I-QMZIM產(chǎn)生光MSK 信號(hào)的光發(fā)送機(jī)，文獻(xiàn) 36提出了采用兩個(gè)級(jí)聯(lián)光相位調(diào)制器產(chǎn)生光MSK信號(hào)，以上都是通過(guò)并行方式產(chǎn)生光MSK 信號(hào)，而文獻(xiàn) 12 提出了一種新型的基于串行結(jié)構(gòu)的最小頻移鍵控的調(diào)制方式產(chǎn)生光MSK 信號(hào)。下面將對(duì)文獻(xiàn)中已報(bào)道的光MSK發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)和原理作詳細(xì)的介紹。2.2.1 采用單片集成的正交馬赫增德爾調(diào)制器的MSK光發(fā)送機(jī)圖 2.1 集成的正

21、交馬赫增德爾調(diào)制器的MSK光發(fā)送機(jī)結(jié)構(gòu)圖這種集成的調(diào)制器由四個(gè)子MZM嵌入到大型的MZ結(jié)構(gòu)里面 55 ，在每個(gè)分支中，由兩個(gè)子 MZM嵌入串聯(lián)。 由正交疊加的兩個(gè)低速(B/2) 載波抑制歸零 (CSRZ)的差分相移鍵控?cái)?shù)據(jù)流產(chǎn)生一個(gè)比特率為B 的光 MSK信號(hào) 9 。首先每個(gè)分支的第一個(gè)子 MZM，即 MZM1和 MZM3被頻率為 1/4Tb 的射頻時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)，并且在偏置點(diǎn)為傳輸零點(diǎn)處生成CSRZ脈沖。比特率為B/2 的 Data1 和 Data2 分別用來(lái)驅(qū)動(dòng) MZM2和 MZM4。其中兩路數(shù)據(jù)流的相對(duì)偏移量為1/B ，使用正交的MZMI-Q 調(diào)制器在每個(gè)分支中產(chǎn)生獨(dú)立的CSRZ-DPSK

22、數(shù)據(jù)流， I 或者 Q，通過(guò)調(diào)整MZ的直流偏置點(diǎn)來(lái)改變兩個(gè)分支之間的相對(duì)相位差。經(jīng)過(guò)調(diào)制器之后， 兩路相互獨(dú)立的比特率為 B/2 的 CSRZ-DPSK數(shù)據(jù)通過(guò) 1 比特的延時(shí)和/2 的相位差進(jìn)行耦合，從而產(chǎn)生比特率為B 的光 MSK信號(hào)。2.2.2 基于 SMSK 調(diào)制的八進(jìn)制信號(hào)發(fā)送機(jī)圖2.5 基于串行MSK調(diào)制的八進(jìn)制信號(hào)發(fā)送機(jī)結(jié)構(gòu)圖這里提出的SMSK信號(hào)發(fā)射機(jī)的主要特點(diǎn)是將MZDI 應(yīng)用到發(fā)射機(jī)端，利用MZDI 延時(shí)干涉的特性使得能夠利用串行結(jié)構(gòu)產(chǎn)生SMSK信號(hào)。 從激光器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)由射頻源驅(qū)動(dòng)的MZM1調(diào)制產(chǎn)生CSRZ信號(hào)，傳輸?shù)谋忍匦畔⑼ㄟ^(guò)MZM2加載到 CSRZ信號(hào)的相移，兩路

23、光在MZDI 輸出端進(jìn)行耦合，最后產(chǎn)生SMSK信號(hào)。為了進(jìn)一步利用信號(hào)頻帶，提高調(diào)制的頻譜效率，因而將對(duì)SMSK信號(hào)再進(jìn)行多維多階調(diào)制。將在該基于串行結(jié)構(gòu)的SMSK信號(hào)上進(jìn)行2 階幅度調(diào)制，產(chǎn)生的連續(xù)相位調(diào)制信號(hào)耦合進(jìn)入第三個(gè)MZM，并利用一個(gè)四電平的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)MZM3。2.2.3 采用并行I-QMZM的 MSK 光發(fā)送機(jī)圖2.6 并行I-QMZM調(diào)制器的MSK光發(fā)送機(jī)結(jié)構(gòu)圖首先 MZM1是用來(lái)生成CSRZ脈沖的， CSRZ脈沖生成正弦加權(quán)值來(lái)實(shí)現(xiàn)后面的OQPSK信號(hào)調(diào)制， MZM1被頻率為1/4Tb 的射頻時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)，并且在偏置點(diǎn)為傳輸零點(diǎn)。然后將這個(gè)CSRZ脈沖送到第二個(gè)調(diào)制器（即OQP

24、SK調(diào)制器），它有兩個(gè)并行的MZM構(gòu)成。上臂有一個(gè)比特的延遲和一個(gè)MZM(MZM2),而下臂還有另一個(gè)MZM(MZM3)和移相器 , 使兩臂有一個(gè)90?相位差。兩MZM2和 MZM3的偏置點(diǎn)都是傳輸零點(diǎn) , 它們是分別被偶數(shù)位數(shù)據(jù)流和奇數(shù)位數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng), 且驅(qū)動(dòng)電壓為2V。2.3 光 MSK 調(diào)制信號(hào)的接收2.3.3MSK 的非相干檢測(cè)非相干檢測(cè)即對(duì)光電二極管輸入端的光波信號(hào)功率包絡(luò)進(jìn)行直接檢測(cè)，將收到的信號(hào)與本振光進(jìn)行混頻。非相干檢測(cè)不會(huì)遇到相干接收機(jī)方案的許多問(wèn)題，比如相位噪聲和相干激光源的非零線寬等問(wèn)題。1) 光平衡接收機(jī)沒(méi)有圖 2.7 用于光MSK檢測(cè)的MZDI光平衡接收機(jī)配置光平衡接收

25、機(jī)運(yùn)用了電- 光馬赫曾德爾延遲干涉儀（ MZDI），它是一個(gè)不對(duì)稱的干涉儀，其中一臂長(zhǎng)于另一臂，一臂引入了一個(gè) 1 比特的周期延遲。為了將光信號(hào)差分編碼相位進(jìn)行轉(zhuǎn)換， 平衡接收機(jī)是必需的。 因?yàn)槭褂猛仆焓奖晨勘彻怆姍z測(cè)器連接，這種檢測(cè)方案比使用單光電檢測(cè)器進(jìn)行的直接檢測(cè)的性能提升了3dB39-41。在光 MSK信號(hào)檢測(cè)中，首先將光波分束到延遲干涉儀的兩臂中（一臂延遲一個(gè)符號(hào)周期，另一臂引入一個(gè)額外的/2 相移），如圖 6 所示，這種常數(shù)相移可以位于任意一臂中，不會(huì)影響接收機(jī)的性能，然后將兩束光通過(guò)一個(gè)光耦合器進(jìn)行重新組合。2) 光域鑒頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)上個(gè)世紀(jì)90 年代早期對(duì)應(yīng)用鑒頻原理的光MSK

26、調(diào)制信號(hào)的檢測(cè)進(jìn)行了研究。使用這種方法可以很容易地實(shí)現(xiàn)連續(xù)相位頻移鍵控（CPFSK）和 MSK光波信號(hào)的檢測(cè) 42 。當(dāng)時(shí)這種檢測(cè)主要是基于相干檢測(cè)，用于區(qū)分兩個(gè)基本調(diào)制頻率的濾波器對(duì)時(shí)電濾波器，其主要原因是缺少帶寬足夠窄的光濾波器對(duì)光CPFSK和 MSK信號(hào)進(jìn)行相干檢測(cè)。隨著濾波器設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展，特別是微環(huán)諧振濾波器的發(fā)展，現(xiàn)代光濾波器3dB 帶寬可以縮小到約2GHz43 。這種光濾波器的出現(xiàn)，使得在光域進(jìn)行鑒頻以實(shí)現(xiàn)光MSK信號(hào)的非相干檢測(cè)成為可能44 。2.3.3MSK 的相干解調(diào)為了進(jìn)一步增加容量和傳輸距離，新的傳輸和檢測(cè)技術(shù)變得越來(lái)越重要。前廣泛上演的光通信系統(tǒng)采用的是強(qiáng)度調(diào)制

27、/ 直接檢測(cè) (IM/DD) 方式。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但接收靈敏度低、頻率選擇性差。而相干光通信是光傳輸網(wǎng)升級(jí)換代的一種理想選擇。相干光通信系統(tǒng)與IM/DD 系統(tǒng)相比有如下優(yōu)勢(shì)45 ：(1) 信息能調(diào)制到光相位上，從而將IM/DD 的一個(gè)幅度調(diào)制擴(kuò)展為幅度和相目位調(diào)制，傳輸容量可以倍增。如采用亦可大幅度提升 45,46 。16QAM等多進(jìn)制的格式，其但波長(zhǎng)通信容量(2) 相干檢測(cè)的靈敏度比 IM/DD 方式高 3dB，光直流分量并不參與到光信號(hào)的傳輸中，因此同樣功率情況下，其光纖中繼距離能顯著增長(zhǎng)。(3) 相干光通信系統(tǒng)具有更高的頻率選擇性，使 DWDM系統(tǒng)容納更多更密集的通道、連接更多的用戶，這種

28、性能在接入網(wǎng)中特別重要。(4) 相干檢測(cè)具有全信息特性，這一特性決定了相干檢測(cè)能夠補(bǔ)償光纖傳輸中的多種損傷。正由于相干檢測(cè)的各種優(yōu)勢(shì)，特別是具備補(bǔ)償光傳輸中多種損傷的能力， 相干光研究曾活躍于上世紀(jì)九十年代。然后， 由于缺乏相應(yīng)的高速數(shù)字信號(hào)處理芯片的支持， 該項(xiàng)技術(shù)在上世紀(jì)九十年代中后期進(jìn)入低谷期。隨著先進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 技術(shù)、微電子技術(shù)( 特別是高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)47) 的發(fā)展，相干光數(shù)字接收機(jī)所賴以發(fā)展的技術(shù)條件已經(jīng)成熟。它結(jié)合了相干光檢測(cè)與DSP技術(shù)， 將復(fù)雜的色散補(bǔ)償 48 、偏振跟蹤 49、頻率鎖定等轉(zhuǎn)移到電域中，以消除光信道和光學(xué)器件的非理想特性對(duì)信號(hào)的損傷，已經(jīng)成為目

29、前業(yè)界普遍承認(rèn)的下一代傳輸網(wǎng)技術(shù)。 基于 DSP的相干光檢測(cè)技術(shù)，近年來(lái)各國(guó)的研究者完成了一系列高速率、大容量的相干光通信實(shí)驗(yàn)。其中較為突出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果包括：2009 年的 OFC會(huì)議上報(bào)道， C.Schmidi-Langhorst等人結(jié)合相干光檢測(cè)與時(shí)分復(fù)用，使單波長(zhǎng)容量達(dá)到 5.1Tbit/s50；2009年的 ECOC會(huì)議上報(bào)道， M.Salsi等人實(shí)現(xiàn)了 155 100Gbit/s 的偏振復(fù)用 QPSK信號(hào)傳輸 7200km，容量距離達(dá) 112Pbitkm/s51 ；2010 年的 OFC會(huì)議上報(bào)道，周翔、余建軍等人實(shí)現(xiàn)了12.5GHz 間隔的640107Gbit/s的 DWDM傳輸，

30、信號(hào)的調(diào)制格式為36QAM，實(shí)驗(yàn)結(jié)果刷新了當(dāng)時(shí)最大容量的傳輸記錄(64Tbit/s)52。在短短的幾年中，相干光通信及基于DSP的相干光檢測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，光纖傳輸容量等指標(biāo)達(dá)到了前所未有的高度，現(xiàn)在一些更加經(jīng)濟(jì)有效的相干檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用已被提出53,54。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)相干光的研究已經(jīng)取得了很多成果，但是在追求大容量高速率的同時(shí)，目前對(duì)相干光系統(tǒng)的信道模型，信號(hào)傳輸損傷機(jī)理及客服損傷的高效DSP算法還沒(méi)有深入的進(jìn)行研究，這將成為制約相干光通信系統(tǒng)傳輸速率的瓶頸。國(guó)內(nèi)外的一些團(tuán)隊(duì)已經(jīng)通過(guò)外部調(diào)制器來(lái)產(chǎn)生光MSK信號(hào)，信號(hào)的解調(diào)一般是利用延時(shí)干涉的方法，關(guān)于光MSK信號(hào)的相干檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究文獻(xiàn)報(bào)道還不多

31、。3 光 MAMSK相干系統(tǒng)的研究3.1 光 MAMSK相干系統(tǒng)概述總體來(lái)說(shuō)，將MSK 調(diào)制格式應(yīng)用到光通信上來(lái)能夠提高光纖傳輸系統(tǒng)的效率與潛能，這主要是因?yàn)槠漕l譜更窄，旁瓣滾降速度更快的優(yōu)良頻譜特性。對(duì)于光放大的通信系統(tǒng)，如果將多電平的概念與上述所提出的方案結(jié)合，則可以降低符號(hào)速率，進(jìn)而可提高帶寬效率。目前對(duì)MAMSK 相干檢測(cè)的研究還非常有限。本章利用 MATLAB與 Optisystem軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真來(lái)搭建一個(gè)速率為40Gb/s相干光 MAMSK 系統(tǒng)。MAMSK可以看成是多個(gè)不同幅度光MSK 信號(hào)的疊加， 這里我們做的是二幅度MSK ，即 BAMSK,這種調(diào)制方法可以提高帶寬效率，因

32、為其中每個(gè)符號(hào)同時(shí)攜帶兩比特信息，充分利用了 MSK 調(diào)制格式的窄頻譜特性。圖3.1 所示為 BAMSK調(diào)制信號(hào)的新作圖，表1 給出了 BAMSK 格式數(shù)據(jù)信息的映射方法send samples10.80.60.40.2egam0I-0.2-0.4-0.6-0.8-1-0.4-0.200.20.40.60.81-1-0.8-0.6Real圖 3.1 BAMSK信號(hào)星座圖表 1 BAMSK格式的數(shù)據(jù)映射ab信號(hào)星座 圖的 注釋11幅度不 變，相 位增 加1-1幅度不 變，相 位減 小-11幅度改 變，相 位增 加-1-1幅度改 變，相 位減 小3.2 產(chǎn)生方案任何已報(bào)道的光MSK發(fā)送機(jī)配置均可以

33、用于產(chǎn)生MAMSK信號(hào)。圖3.3 所示為光BAMSK相干檢測(cè)系統(tǒng)。首先在電域內(nèi)實(shí)現(xiàn)MAMSK基帶電信號(hào)，再將基帶電信號(hào)通過(guò)一個(gè)由兩個(gè)馬赫曾德調(diào)制器(MachZehnderModulator,MZM)組成的I-Q調(diào)制器調(diào)制到光載波上，然后再將調(diào)制好的光MAMSK信號(hào)送入單模光纖進(jìn)行傳輸。輸入光MSK 發(fā)送機(jī)的光強(qiáng)度比例至關(guān)重要，因?yàn)樗糜诳刂瓢l(fā)送信號(hào)的幅度。這里我們?cè)陔娪蛟O(shè)置的幅度比例為0.25/0.75 。整個(gè)MAMSK相干光傳輸圖如下 :圖 3.2 MAMSK相干光傳輸圖發(fā)送信號(hào)經(jīng)過(guò)4個(gè)72km光纖跨段其 中40km光纖色散系數(shù)為16ps/(nm km),32km光纖的色散系數(shù)為-20ps/

34、(nm km)，色散和色散斜率實(shí)現(xiàn)了完全補(bǔ)償和放大器構(gòu)成的單信道傳輸系統(tǒng)。圖3.3 所示為BAMSK信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖補(bǔ)償后接受的信號(hào)星座圖Received samples21.510.5ega0mI-0.5-1-1.5-2-1.5-1-0.500.511.52-2Real圖 3.3 BAMSK 相干光傳輸圖4 結(jié)論本文分析了MSK 信號(hào)的基本特點(diǎn)和調(diào)制原理，討論了信號(hào)的頻譜特性與一般的離散相位調(diào)制比較的優(yōu)勢(shì)。其次介紹了目前關(guān)于光MSK 的幾種調(diào)制方法，然后提出多幅度MSK 調(diào)制方法 ,并且利用MATLAB與 Optisystem 軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真搭建了一個(gè)速率為40Gb/s的相干光MAMSK系統(tǒng)，

35、主要包括了前端基帶MAMSK電信號(hào)調(diào)制模塊，MAMSK信號(hào)光調(diào)制模塊和相干光接收機(jī)模塊。二、未來(lái)工作的展望：在光通信中，相干光通信是在上世紀(jì)九十年代就被提出的先進(jìn)技術(shù)，但是直到近年來(lái)隨著先進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展才重新受到人們的重視，成為下一代傳輸網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。而由于MSK 信號(hào)的恒包絡(luò)特性與優(yōu)秀的功率譜密度的特性，在光通信領(lǐng)域中越來(lái)越受到人們的重視，因此將MSK 調(diào)制引入到相干光系統(tǒng)中來(lái)成為近年來(lái)研究者們的研究重心。本文主要研究的是相干光MAMSK系統(tǒng)，但是對(duì)于MAMSK相干光系統(tǒng)中其他信號(hào)處理技術(shù)還有很多問(wèn)題亟待解決，如位均衡和長(zhǎng)距離傳輸?shù)鹊?。關(guān)于MAMSK信號(hào)的研究還只是停留在一個(gè)起步的

36、階段，這是因?yàn)镸SK 信號(hào)是一種連續(xù)相位調(diào)制方式，屬于非線性調(diào)制，對(duì)相位的變化要求很嚴(yán)格，因而對(duì)相位噪聲非常敏感。所以在相干光MAMSK系統(tǒng)中，如何解決各種相位噪聲對(duì)MSK 信號(hào)造成的影響是一項(xiàng)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。參考文獻(xiàn)1G.Charlet, et ai, OFC04, PDP36, (2004)2S.Pasupathy, IEEE Comm. Magazine, pp14-22, (1979)3 T. Hoshida, O. Vassilieva, K. Yamada, S. Choudhary, R. Pecqueur, and H. Kuwahara, Optimal 40 Gb/s

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