【摘 要】
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近些年来,随着“互联网+”和“数字中国”战略的提出,涌现出了如工业互联网、无人驾驶、短视频等一系列高带宽、低时延的新型业务。在5G万物互联、5G网络大规模商用的大背景下,互联网流量将持续增长,这势必会推动着光网络向着速率不断提升、通信容量不断增大的方向发展。随着信息化和新型业务的迅猛发展,光纤通信网络面临着传输容量、频谱利用率和灵活性等日益增高的要求。高阶的调制格式是提高系统频谱利用率的成熟技术,
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近些年来,随着“互联网+”和“数字中国”战略的提出,涌现出了如工业互联网、无人驾驶、短视频等一系列高带宽、低时延的新型业务。在5G万物互联、5G网络大规模商用的大背景下,互联网流量将持续增长,这势必会推动着光网络向着速率不断提升、通信容量不断增大的方向发展。随着信息化和新型业务的迅猛发展,光纤通信网络面临着传输容量、频谱利用率和灵活性等日益增高的要求。高阶的调制格式是提高系统频谱利用率的成熟技术,例如,偏振复用的十六进制正交幅度调制（PDM-16QAM）格式仅以12.5Gbaud的符号率和相对于二进制相移键控约4d B的理论损失就实现了100Gbit/s的传输。传统的同相正交（IQ）调制器生成QAM信号,实部和虚部都需要多级调制,其调制速度将受到电放大器性能以及数模转换器（DAC）带宽的限制。解决此问题的方法之一是光子矢量调制,以前直接在光域对数据信息进行矢量生成和解调的研究相对较少,这是由于工艺水平导致的器件损耗过大难以实现全光处理。但如今,随着工艺水平的提高,以及对更高通信速率的需求,光子矢量调制技术可以让复杂的矢量光信号调制变得简单,同时在一定程度上解决了电子器件带宽限制的问题。因此研究基于光子矢量调制的QAM信号产生以及基于矢量合成的毫米波信号产生对未来实现高速率、大容量的通信具有重要意义。本论文研究了在光域生成QAM信号的原理,如基于单IQ调制器产生光QAM信号、基于级联IQ调制器产生光QAM信号以及基于光子矢量合成法生成高阶QAM信号的原理;其次进行了在级联的调制器结构下,基于光子矢量合成原理直接生成矢量毫米波信号的研究;最后对光通信中数字信号处理补偿算法进行了一定的研究,通过算法改进与优化,实现了对相位噪声更好的补偿。主要的工作和创新如下:（1）基于双级联IQ调制器产生光QAM信号的架构,提出并数值仿真证明了一种无需DAC装置的概率整形（PS）光16QAM信号产生方案。该方案先利用分布匹配器（DM）与第一个IQ调制器实现了位于复平面第一象限的非均匀4QAM信号的生成,再利用第二个IQ调制器实现了对非均匀4QAM信号的旋转,最终生成了PS-16QAM信号。方案无需数模转换装置,只需要将四路输入比特流中的两路通过DM映射为特定的比特分布就可实现任意信息熵PS-16QAM信号的生成,一定程度上减少了发射端电子器件带宽限制的问题,可以实现更高速率的调制。（2）基于矢量合成的原理,提出了一种基于开关键控（OOK）调制的光载太赫兹矢量正交相移键控（QPSK）信号产生方案。该方案先利用双平行马赫-曾德尔调制器（DP-MZM）产生了一对光学八倍频边带,再利用两个强度调制器分别将两路独立的OOK基带信号调制到八倍频边带的两个偏振态上,对两路偏振信号进行相位和幅度调整后再进行叠加,叠加后的光信号经过功率放大和光纤传输后在终端实现了光电转换,从而生成了太赫兹QPSK信号。该方案具有无需预编码技术和数模转换器的特点,从而降低了信号处理复杂度和系统成本。（3）提出了一种基于K-means聚类的概率整形信号自适应相位恢复算法。该算法利用K-means聚类对概率整形后放大星座点进行模值半径的重新定位,并根据定位结果将放大星座点标准化,然后利用前馈式载波相位恢复算法进行相位噪声的补偿。该算法将K-means聚类与前馈式载波相位恢复算法相结合,解决了概率整形信号经归一化处理后存在的星座点相对放大的问题,实现了未知概率整形因子信号相位的自适应恢复,同时由于在半径重新定位的过程中考虑了噪声的影响,因此提升了前馈式载波相位恢复算法的补偿效果。
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