论文部分内容阅读
伴随着5G、物联网、云计算、自动驾驶等科学技术的快速发展,对高速率、高谱效和大容量光纤通信的需求不断上升,密集波分复用技术因其具有大容量的优势被广泛应用。然而,随着光纤C+L波段可用频率几乎被完全利用,仅依靠增加复用波长数目提升密集波分复用系统容量难以满足指数式增长的网络容量需求。单载波调制的奈奎斯特波分复用系统通过压缩信号带宽、提升系统频谱效率成为实现大容量光传输的可行方案之一,但正交传输准则限制了系统频谱效率的进一步提升。近年来提出的超奈奎斯特（Faster-than-Nyquist,FTN）相干光传输技术,打破正交传输准则,形成传输速率超过奈奎斯特速率的更高频谱效率的复用信号,且借助强大的数字信号处理（Digital Signal Processing,DSP）算法可实现各类线性/非线性损伤（包括FTN传输导致的严重码间干扰）的高效补偿和信号恢复,是超高谱效大容量相干光传输领域极具潜力的发展方向之一。但是在具有强码间干扰的FTN系统中,DSP算法面临着诸多挑战,如传统Gardner时钟恢复算法难以准确可靠提取时钟信息、传统载波相位恢复算法（Viterbi-Viterbi或盲相位搜索等）在FTN系统下面临着严重的相位跳变、FTN强滤波引入的码间干扰需要高性能低复杂度的均衡算法等。本文针对上述技术难题,开展超奈奎斯特波分复用（Faster-than-Nyquist Wavelength Division Multiplexing,FTN-WDM）相干光传输系统关键DSP算法研究,主要研究工作如下。1、针对传统Gardner时钟恢复算法在偏振复用正交相移键控（Polarization Multiplexing Quadrature Phase Shift Keying,PM-QPSK）FTN系统中波特率处时钟分量消失导致算法失效以及基于信号功率的时钟恢复算法收敛速度慢的问题,设计了一种基于信号功率的时钟恢复与自适应均衡与偏振解复用联合算法,该算法将自适应均衡与偏振解复用算法嵌入到基于功率的时钟恢复算法结构中,可在不引入额外计算复杂度的情形下,有效加快时钟恢复收敛速度、减少收敛所需开销。建立了三通道32GBaud PM-QPSKFTN-WDM仿真系统,从收敛速度、估计精度、误码率等方面对算法进行有效性验证以及性能评估。系统仿真结果显示,所提联合算法较传统不联合的时钟恢复算法收敛速度更快,收敛速度大约提升40%;联合算法较非联合算法约有0.2dB的光信噪比容限改善。2、针对PM-QPSKFTN系统强滤波所致码间干扰影响下,传统Viterbi-Viterbi载波相位估计算法出现严重的相位跳变问题,提出了一种基于均方误差检测相位跳变的盲载波相位恢复算法。所提出的算法在传统Viterbi-Viterbi算法基础上增加相位跳变检测以及纠正模块,在计算复杂度较传统Viterbi-Viterbi算法高6%的情形下能够有效检测并纠正跳变。在三通道32GBaud PM-QPSKFTN-WDM仿真系统中对算法关键参数进行优化,并用线宽容忍度、误码率等指标对算法进行仿真分析以及性能评估。加速因子为1/0.9/0.85/0.8时能容忍的最大线宽依次为5MHz、4.2MHz、3.7MHz、3MHz,能满足激光器典型线宽的需求。在典型线宽100kHz条件下,相较于无线宽的情形,当加速因子0.9/0.85/0.8时,依次仅有0.5dB、0.5dB、0.7dB的光信噪比代价（@在误码率2×10-2软判前向纠错门限）。3、针对PM-QPSKFTN系统采用恒模算法作自适应均衡与偏振解复用时放大高频噪声问题,设计了一种采用正交双二进制滤波（Quadrature Duo-binary,QDB）与最大后验概率（Maximum a Posteriori,MAP）算法相结合的码间干扰均衡方案,该方案首先利用QDB实现高频噪声的抑制,再利用MAP算法完成码间串扰的均衡。对比分析结果表明,QDB+MAP算法较MAP计算复杂度的增加可忽略不计。三通道32GBaud PM-QPSKFTN-WDM传输800km、加速因子0.8的系统仿真结果表明,以误码率1×10-2为门限,QDB+MAP算法的光信噪比容限优于MAP算法约1dB。