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数字相干光通信系统中编码技术的仿真与实验研究

宁全艳  
【摘要】:近年来光通信以其大容量低损耗等优势成为通信领域一大研究热点。论文围绕数字相干光通信系统中编码技术的应用展开了调研,并进行了仿真和实验研究。本论文实验研究了相位跳变下低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check Code,LDPC)的编码性能,同时仿真分析了网格编码调制(Trellis Coded Modulation,TCM)与二/四进制相移键控(Binary/Quadrature Phase-Shift Keying,B/QPSK)、多进制单脉冲位置调制(m-ary Pulse Position Modulation,mPPM)以及mPPM混合调制格式相结合的性能。论文具体工作内容总结如下:一、相位跳变下QPSK系统LDPC编码性能实验研究。本文针对目前广泛采用的两种对抗相位跳变方法展开研究,第一种是通过改进载波相位恢复算法,降低相位跳变概率,从而改善LDPC纠后性能;第二种是通过改进LDPC译码算法,使之具有高相位跳变容忍度,从而改善纠后误码性能。针对第一种方法,本文实验研究了\VPE(Viterbi-Viterbi Phase Estimation)与导频辅助相位解卷绕(Pilot-symbols-aided Phase Unwrapping,PAPU)相结合的方案,即VVPE+PAPU对LDPC编码性能影响。对比分析了VVPE+PAPU算法和VVPE算法在不同载波相位恢复滤波器长度和不同光信噪比下的相位跳变概率及纠前纠后误码性能。在56 Gbit/s、300 kHz的QPSK系统中,当载波相位恢复滤波器长度分别为8、16和20时,VVPE+PAPU方案相比VVPE方案分别有约3 dB、1 dB和0.5 dB的纠后光信噪比增益;前向纠错码门限(Forward Error Correction,FEC limit)大致分别从2×10-3提升到1.4×10~(-2)、从8.9×10-3提升到 1.8×10~(-2)和从1.6×10~(-2)提升到 1.9×10~(-2)。实验结果表明,VVPE+PAPU算法可有效消除不合适的滤波器长度带来的相位跳变。针对第二种方法,实验研究了基于Turbo解调的LDPC译码方法受相位跳变影响的性能,研究了激光器线宽为100 kHz和300 kHz时,Turbo外迭代次数和LDPC内迭代次数、载波相位恢复滤波器长度等参数对Turbo-LDPC的性能影响。实验结果表明:总迭代次数为50的前提下,当LDPC内迭代次数为5,Turbo外迭代次数为10时,系统性能最优。同时Turbo解调技术可有效消除滤波器长度不适带来的相位跳变影响。另外,本文研究了两种消除相位跳变的方法,即VVPE+PAPU和Turbo解调结合下的LDPC纠后特性。结果表明,结合后系统性能相对于Turbo-LDPC方法无明显提升。二、PPM混合B/QPSK调制系统中TCM编码性能研究。建立了TCM-QPSK、TCM-8PSK、TCM-4PPM和 TCM-8PPM仿真系统模型,并进行了性能分析。仿真结果表明:相对于BPSK,采用TCM可使TCM-QPSK获得大约3.7 dB的编码增益;TCM-8PSK相对QPSK则可获得大约3 dB的编码增益;TCM-4PPM以1/8左右的频谱代价下,相对4PPM可以获得3 dB编码增益;TCM-8PPM相对于8PPM则可以获得1 dB的编码增益。此外,本文采用三种方式实现了mPPM-B/QPSK等混合调制格式中的TCM编码,即只对混合调制格式中mPPM部分进行TCM编码、只对B/QPSK部分进行TCM编码和在mPPM和B/QPSK上均使用TCM编码,并仿真对比了三种方式的性能。仿真结果表明:对于第一种方式,TCM-4PPM-BPSK相对于4PPM-BPSK和2PPM-BPSK以1/8左右的频谱代价,获得1dB的编码增益;对于第二种方式,在频谱效率相同的情况下,2PPM-TCM-QPSK相对于2PPM-BPSK有3 dB的性能提升;采用第三种方式对2PPM-BPSK均进行TCM编码时,TCM-4PPM-TCM-QPSK相对于相同频谱效率的8PPM-BPSK有大约1dB编码增益。而对4PPM-QPSK均使用TCM编码,相对于8PPM-8PSK,TCM-8PPM-TCM-8PSK以1/8的频谱代价可以换取3.9 dB的编码增益。


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