光纤通信技术自问世以来,给整个通信领域带来了科技和社会上的重大变革,目前已经成为了信息传输网络的重要支柱。随着各种应用技术的不断到来,使得人们对网络带宽提出了更高的需求。目前,光纤通信系统正朝着大容量、高速率、长距离传输的方向高速发展。高阶调制格式、偏分复用(Polarization Division Multiplexing,PDM)等技术常被用在光纤通信系统中以提高系统传输容量。由于光纤链路中存在的各种损伤对传输信号的影响不可忽视,因此需要在接收端对受损信号进行均衡,即相干检测技术和数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)技术备受关注并且广泛应用于光通信系统中以恢复受损信号。光信号在光纤中传输时难免会受到各种信道损伤的影响。本文主要研究的是与偏振相关的信道损伤,有偏振模色散(Polarization Mode Dispersion,PMD)、偏振态旋转(Rotation of State of Polarization,RSOP)以及偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss,PDL)。近几年单信道传输速率达110 Gbaud以上,在实验室研究中,最高波特率可达220 Gbaud。随着单信道波特率的增加,偏振效应对光纤通信系统性能的影响不容忽视,尤其是在偏分复用系统中。偏振效应在很大程度上限制了信号传输的质量,因此对偏振效应建模和均衡的研究是十分必要的,目前,已有多种建模方式被提出并取得了较理想的均衡效果。然而在极端场景下,比如雷雨天气下,在雷电周围的光纤中会产生高达几百krad/s甚至Mrad/s量级的超快RSOP,传统的均衡算法难以跟踪,最终导致通信中断。针对这一难题,建立一种能反映真实雷电场景的偏振效应模型并且寻找一种能有效对抗该损伤的均衡算法尤为重要。此外,PDL也是目前光纤通信亟待解决的问题,该损伤会导致两路正交偏振态上传输信号的信噪比不同,进而影响光纤通信系统的传输性能。PDL已成为限制通信系统传输的主要因素,因此对该损伤进行建模与均衡对保证通信系统质量具有重要意义。本文围绕着特殊场景下光纤通信系统偏振信道建模与偏振损伤均衡这一主题进行了研究。以宽带PMD时频域演化模型为基础,深入研究了在雷电场景下的偏振效应损伤的物理机理和数学模型,建立了雷电下的偏振效应模型,分析了雷击对光纤通信系统的影响并提出了有效的均衡算法以缓解信道中的偏振损伤。此外,在实际的光纤链路中,PDL、RSOP和PMD总是同时存在的,本文深入研究了各种偏振损伤之间的相互作用和统计特性,探究光纤信道中存在多种偏振损伤时对系统性能的影响。主要研究内容如下:(1)建立了雷电下的偏振效应模型以反映真实光纤链路中偏振效应的时间和频率演变特性,并且分析了雷击对光纤通信系统的影响。针对所提的雷电模型,我们提出了一种改进的卡尔曼滤波(Kalman Filter,KF)均衡算法,并且和传统的恒模算法(Constant Modulus Although,CMA)进行了比较。结果表明,当雷击最大转速超过5 Mrad/s时,传统的CMA失效,然而Kalman均衡算法对超快RSOP和大PMD的均衡则表现出了很好的性能。(2)构建了 PDL、PMD和RSOP多种偏振损伤共存场景下的传输信道模型,研究了偏振效应之间的相互作用以及在相互作用下各种偏振损伤的统计特性,并且分析了联合偏振效应对系统性能的影响。结果表明,PDL的加入会降低CMA算法对PMD的均衡效果,反过来,PMD的加入会在一定程度上缓解PDL给系统带来的损伤。
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