论文部分内容阅读
随着互联网中多媒体、会议电视和虚拟现实等高带宽应用的普及以及物联网、云计算等大数据技术的发展,互联网用户的数据业务需求与日俱增,市场对带宽的要求不断增加。光纤通信中能够提供高带宽、低成本的强度调制直接检测(Intensity Modulation and Direct Detection,IM/DD)技术得到了广泛的关注及迅速的发展,而基于IM/DD的脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation,PAM)技术的由于结构简单,成本低廉以及易于实施,近年来成为了工业界和学术界研究的热点。基于单载波PAM调制技术的直检系统通常应用于成本敏感的环境中,因此面临着低成本器件带宽限制、长距离传输时色散损伤等不同的技术挑战。本文以基于直检系统的PAM调制技术为基本的创新手段,深入研究信号的调制编码,数字均衡,多芯传输等技术在光通信中的理论原理与实现技术。针对直接检测光通信系统中所面对的科学问题,本文研究了导频辅助调制技术,Kramers-Kronig算法以及数字载波恢复算法(Digital Carrier Regeneration,DCR)并实现了单波长56Gbit/s PAM-4信号720km标准单模光纤(Standard Single Mode Fiber,SSMF)和单波长64Gbit/s PAM-4信号1440km标准单模光纤光传输实验;研究了基于双二进制编码技术,频域均衡技术以及单边带接收技术的PAM传输方案,采用低成本18GHz带宽的直接调制激光器(Direct Modulation Laser,DML)成功实现单波长112Gbit/s PAM-4信号的1km标准单模光纤光传输实验;研究了基于数字预补偿技术(Digital Pre-Distortion,DPD)以及前向反馈均衡技术(Feed Forward Equalization,FFE)的PAM传输方案,成功实现单波长224Gbit/s PAM-16信号100m标准单模光纤光传输实验;研究了基于奈奎斯特编码技术(Nyquist),最大似然序列估计算法(Maximum Likelihood Sequence Estimation,MLSE)以及多芯光纤技术的PAM传输方案,成功实现了单波长1Tbit/s PAM-8信号10m 7芯光光传输实验。主要创新点如下:(1)针对直接检测光通信系统在传输过程中累积的光纤色散导致的信号频率衰落损伤从而限制其传输距离的问题,本文提出采用导频辅助的信号传输方案,该方法通过构建最小相位信号,从而使得在接收端通过KK算法能够进行复数信号的恢复,与此同时,在信号的调制过程中通过对载波的压制以减小直检接收时产生的信号间拍频噪声(Signal-to-Signal Beat Interference,SSBI),最终在保持原有直接检测系统结构的条件下,实现了在接收端复数信号的恢复,有效的数字色散补偿以及相位噪声的消除,实验结果表明采用导频辅助技术的传输方案成功实现了单波长56Gbit/s PAM-4信号单波长720km标准单模光纤和64Gbit/s PAM-4信号1440km标准单模光纤光传输实验。(2)针对直接检测在短距离光通信中应用时多受到低速光/电器件带宽限制而无法进行高波特率大容量的信号传输问题,本文提出采用双二进制编码以及频域均衡技术,使得PAM信号带宽压缩到原始信号的一半,同时对带宽受限的信道也进行了有效的均衡,实验结果表明采用双二进制编码以及频域均衡技术的传输方案在采用基于18GHz带宽的直接调制激光器的条件下成功实现了单波长112Gbit/s PAM-4信号1km标准单模光纤光传输实验。(3)针对直检检测系统在高阶调制时接收端算法过于复杂,同时其均衡算法容易产生噪声增强等问题,本文提出采用线性数字预补偿技术,在发送端和接收端仅采用低阶的线性滤波器对系统进行补偿,实验结果表明基于所提出的线性均衡方案成功实现了单波长224Gbit/s PAM-16信号100m标准单模光纤光传输实验。(4)针对基于直检检测系统在进行PAM信号传输时仍然会受到带宽限制和如何在短距离传输环境中进行低成本大容量扩容等问题,本文提出采用奈奎斯特编码技术与最大似然估计算法,对传输信号进行压缩及解调;同时提出采用多芯光纤传输技术应用于短距离光传输领域以提升系统容量;实验结果表明基于奈奎斯特编码以及最大似然估计算法的传输方案成功实现了单波长1Tbit/s PAM-8信号10m 7芯光纤光传输实验。(5)直接检测系统应用广泛其同样适用于可见光传输领域,本文探索少量应用于可见光传输系统中的调制以及编码技术。针对可见光通信中非线性损伤问题本文提出采用DCTs-OFDM(Discrete Cosine Transform spread Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的调制编码方案,实验结果表明在采用所提方案的条件下系统信号的功率的峰均比(Peak to Average Power Ratio,PAPR)有效降低3.2dB。针对可见光通信中多径干扰问题,本文提出采用信号空间分集(Signal Space Diversity,SSD)技术用于减小频率选择性衰落的影响,实验结果表明在实验环境为8ns延时的多径条件下,传输16QAM-OFDM信号时,其Q值有效提高达1.3dB。