超奈奎斯特WDM系统的调制与相干接收DSP技术研究

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1、分类号分类号 学号学号 D201077462 学校代码学校代码 1 0 4 8 7 密级密级 博士学位论文博士学位论文 超奈奎斯特超奈奎斯特 WDMWDM 系统的调制与系统的调制与相干接相干接 收收 DSPDSP 技术研究技术研究 学位申请人学位申请人 ： 常春常春 学 科 专 业学 科 专 业 ： 通信与信息通信与信息系统系统 指 导 教 师指 导 教 师 ： 黄本雄黄本雄 教授教授 答 辩 日 期答 辩 日 期 ： 2017.5.20 A Dissertation Submitted to Huazhong University of Science and Technology for

2、the Degree of Doctor of Philosophy in Engineering Research of Modulation and Coherent Receiving DSP Technology for Super-Nyquist WDM Systems Ph.D. Candidate : Chun Chang Major : Information & Communieation Engineering Supervisor : Prof. Huang Benxiong Huazhong University of Science & Technology Wuha

3、n 430074, P. R. China May, 2017 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

4、本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 I 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 摘摘 要要 对光传输频谱更深度地挖掘和更有效地利用是提升光通信系统传输容量的手段 之一。对于波分复用（WDM）光传输系统，在调制阶数不变的情况下，更密集的信 道复用意味着传输频谱利用率的提高，因此信道间隔小于码元速率、传输速率超过 奈奎斯特速率的超奈奎

5、斯特 WDM 系统被提出并成为一个研究热点。传统的 WDM 系统调制方式应用于超奈奎斯特 WDM 系统中，在信道间隔小于码元速率时会带来 较严重的信道间干扰（ICI） ，于是双偏振正交双二进制（DP-QDB）调制被用于超奈 奎斯特WDM系统中， 其已调信号的窄频谱带宽优势可以降低系统ICI。 对于DP-QDB 接收信号的传输损伤和自身的码间干扰 （ISI） 问题， 采用相干接收及信号处理 （DSP） 技术是可行的解决方法。在 DP-QDB 相干接收机中采用怎样的 DSP 方法，能够尽量 修复传输损伤和消除 ISI 影响，是目前需要研究的方面。而且，为对抗传输损伤和降 低误码率，例如低密度奇偶校

6、验码（LDPC）的信道编码技术被引入到 DP-QDB 系统 中，当接收端采用软输入软输出（SISO）译码时，前端的比特检测模块需提供比特 软判决信息输出，则像基于维特比最大似然序列检测（VA-based MLSD）这样的软 输入硬输出（SIHO） 检测算法已无法满足要求，因而面临使用 DP-QDB 信号的 SISO 检测的问题。 DP-QDB 调制在双偏振正交相移键控（DP-QPSK）的 IQ 支路上添加了双二进制 整形过程， 该整形过程可理解为 I 类部分响应脉冲整形滤波过程， 目前的研究只局限 于将 I 类部分响应脉冲整形技术与 DP-QPSK 调制相结合，应用于超奈奎斯特 WDM 传输中

7、。此外，超奈奎斯特 WDM 系统中调制方式的研究主要集中在四进制调制方 式，而缺少更高阶调制方式的应用，限制了超奈奎斯特 WDM 系统频谱利用率的进 一步提高。 针对以上问题，本文围绕超奈奎斯特 WDM 系统的现有调制方式 DP-QDB 的相 干接收 DSP 技术，以及适用于超奈奎斯特 WDM 系统的新型调制方式展开研究。 DP-QDB 相干接收机的前端 DSP 模块用于修复 DP-QDB 信号的传输损伤，文中 给出了每个模块的具体 DSP 方法。在自适应均衡环节，分析了 DP-QDB 信号映射为 DP-QPSK 信号进行恒模算法（CMA）均衡的原因。在载波频偏估计环节，分析比较 了 DP-Q

8、DB 信号载波频偏估计的两种不同实施方法。对 DP-QDB 信号运用了基于 4 次方和快速傅里叶变换（FFT）的载波频偏估计方法，并在此基础上结合线性调频 Z II 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 变换（CZT）进行估计方法的改进，当 CZT 点数为 1024 时可使估计误差下降 1 个数 量级。 面对需要提供比特软信息的应用场合，DP-QDB 系统的比特检测模块有必要采 用 SISO 检测方法。传统的最大值对数域最大后验概率（Max-Log-MAP）算法和软 输出维特比算法（SOVA）被运用于 DP-QDB 信号的 SISO 检测中，同时又提出了一 种新的适用于 DP-QDB

9、 的 SISO 检测方法比特软信息输出置信传播（BSO-BP） 检测。 将三种 SISO 检测方法置于无编码和码率为 0.83 的低密度奇偶校验码 （LDPC） 编码的 32GBaud DP-QDB 系统中，在 30GHz 信道间隔下进行了仿真对比分析。分析 结果表明，虽然 Max-Log-MAP 检测在三者中能取得最好的检测效果，但 BSO-BP 检测和 SOVA 检测不像 Max-Log-MAP 检测需要进行初始状态归位过程。在 LDPC 编码 DP-QDB 系统中，当分块长度等于 100 时，采用 BSO-BP 检测的检测译码方案 与采用 SOVA 检测的检测译码方案比较， 在误比特率等

10、于 10-5下对光信噪比 （OSNR） 的要求降低 2.61dB。 更高阶调制方式的应用，可以进一步提高超奈奎斯特 WDM 系统的频谱利用率。 本文结合 I 类部分响应脉冲整形技术和双偏振十六进制正交振幅调制 （DP-16QAM） ， 提出了一种新的适用于超奈奎斯特 WDM 系统的十六进制调制方式双偏振正交 双四进制 （DP-QDQ） 调制。 文中具体介绍了 DP-QDQ 调制原理， 理论推导了 DP-QDQ 信号频谱，仿真分析了 DP-QDQ 调制的性能及其在超奈奎斯特 WDM 传输中的应用 表现。仿真结果表明，DP-QDQ 可用于实现超奈奎斯特 WDM 传输，并且与奈奎斯 特脉冲整形 DP

11、-16QAM 相比，已调信号 3dB 频谱带宽缩小 46%，在色散容限、对定 时误差的敏感度方面也表现出优势。 关键词：关键词：正交双四进制、部分响应、脉冲整形、相干接收、数字信号处理、软 输入软输出、超奈奎斯特 III 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 Abstract The deeper digging and more effective using of optical transmission spectrum is one of the means to improve optical communication system transmission capaci

12、ty. For wavelength division multiplexing (WDM) optical transmission system, more intensive channel multiplexing means that the transmission spectrum efficiency is enhanced when the modulation order is unchanged. Therefore, super-Nyquist WDM system, which has smaller channel spacing than the symbol r

13、ate and faster transmission rate than the Nyquist rate, is put forward and becomes a research hotspot. When the channel spacing is smaller than the symbol rate, traditional modulation methods used in super-Nyquist WDM system will bring serious inter-channel interference. Due to the advantages on nar

14、row spectrum bandwidth of modulated signals, the dual-polarization quadrature duo-binary (DP-QDB) modulation is used in super-Nyquist WDM system to reduce inter-channel interference. As to transmission impairment and its own inter-symbol interference problems, a feasible solution is to use coherent

15、reception and digital signal processing (DSP) technology. It is necessary to study DSP methods by which the DP-QDB coherent receiver can repair damage and eliminate the inter-symbol interference as far as possible. Besides, in order to combat transmission impairment and reduce the bit error rate, th

16、e coding technology such as low-density parity-check (LDPC) code is introduced to DP-QDB system. When the receiver adopts soft-input-soft-output (SISO) decoding, the prior bit detection module needs to provide soft decision information of bits. The soft-input-hard-output (SIHO) detection algorithm l

17、ike Viterbi-based maximum likelihood sequence detection (VA-based MLSD) cannot meet the requirements, and SISO bit-detection methods of DP-QDB signals should be used in DP-QDB system. Dual-binary shaping process, which can be treated as Class I partial-response-pulse shaping filtering, is added to t

18、he I- and Q-branches in the DP-QDB modulation. The main research at present is confined to combine Class I partial-response-pulse shaping technology only with dual-polarization quadrature phase shift keying (DP-QPSK) in super-Nyquist WDM transmission. In addition, the research of modulation methods

19、in super-Nyquist WDM system mainly concentrates on the quaternary modulation and lacks application of higher order modulation methods, which limits the improvement of spectrum efficiency. To solve the problems above, this thesis focuses on research of the DSP technology IV 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 us

20、ed in the coherent reception of the existing modulation DP-QDB and the new modulation methods for super-Nyquist WDM system. The front-end DSP modules in DP-QDB coherent receiver are used to repair the transmission impairment of DP-QDB signal, and the detailed DSP methods for each module are given in

21、 this thesis. In the adaptive equalization part, the reason for transforming DP-QDB signals to DP-QPSK signals before constant modulus algorithm (CMA) equalization is analyzed. In the frequency estimation part, two different execution methods of frequency estimation algorithm are compared and analyz

22、ed. The joint frequency offset estimation method, which combines the linear z transformation (CZT) with the estimation method based on four power and fast Fourier transform, is applied on DP-QDB signals. It can improve the estimation method and reduces estimation error by one order of magnitude when

23、 CZT number is 1024. In the case where bit soft decision information is required, the bit detection module in DP-QDB systems needs to adopt SISO detection methods. Traditional maximum logarithmic-domain maximum a posterior probability (Max-Log-MAP) algorithm and soft-output Viterbi algorithm (SOVA)

24、algorithm are applied in DP-QDB signal detection, and a new SISO iterative detection method for DP-QDB called bit soft-information output belief propagation (BSO-BP) is proposed. These three SISO detection methods are put in un-coded and low-density-parity-check-code (LDPC) coded 32G-Baud DP-QDB sys

25、tems with channel spacing of 30GHz, and compared by simulation analysis. The simulation results indicate that BSO-BP detection and SOVA detection do not need the returning-to-initial-state (RTIS) process like Max-Log-MAP detection even though Max-Log-MAP detection has the best performance. In LDPC-c

26、oded DP-QDB system, the scheme using BSO-BP detection reduces the OSNR requirement at bit error rate of 10-5 by 2.61dB relative to SOVA detection when the block length is set to be 100. The spectral efficiency of super-Nyquist WDM system can be improved by application of higher order modulation. A n

27、ew hexadecimal modulation format called DP-QDQ, which is based on combination of Class I partial-response-pulse shaping technology and dual-polarization hexadecimal quadrature amplitude modulation (DP-16QAM), is proposed and applied in super-Nyquist WDM system. In this thesis, the modulation princip

28、le of DP-QDQ is presented, and the DP-QDQ signal spectrum is deduced. The performance of DP-QDQ modulation and its application in super-Nyquist WDM system are analyzed by simulations. The simulation shows that the DP-QDQ modulation can be used to realize super-Nyquist WDM transmission. Compared with

29、 V 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 Nyquist-pulse-shaped DP-16QAM, DP-QDB has 3dB spectrum bandwidth of 46% less, and exhibits the performance advantage on dispersion tolerance and sensitivity to the sampling time error. Keyword: quadrature duoquaternary partial response pulse shaping coherent reception digi

30、tal signal processing soft-input soft-output super-Nyquist VI 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 目目 录录 摘摘 要要 . I Abstract . III 目目 录录 . VI 1 绪论绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 光调制方式研究现状 . 3 1.3 光相干接收 DSP 技术研究现状 . 6 1.4 超奈奎斯特 WDM 系统研究现状 . 11 1.5 本文主要工作及论文组织 . 12 2 DP-QDB 相干接收机的前端相干接收机的前端 DSP 技术研究技术研究 . 15 2.1 引言 . 15 2.2

31、应用于超奈奎斯特 WDM 系统的 DP-QDB 简介 . 16 2.3 IQ 正交化 . 19 2.4 基于 DBP 的传输损伤补偿 . 21 2.5 自适应盲均衡 . 24 2.6 载波频偏估计 . 30 2.7 载波相位恢复 . 37 2.8 本章小结 . 39 3 DP-QDB 信号的信号的 SISO 检测方法研究检测方法研究 . 40 3.1 引言 . 40 3.2 Max-Log-MAP 检测 . 41 3.3 SOVA 检测 . 45 3.4 BSO-BP 迭代检测 . 49 VII 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 3.5 SISO 检测在 LDPC 编码 DP-Q

32、DB 系统中的应用 . 60 3.6 三种 SISO 检测算法的性能仿真分析 . 65 3.7 本章小结 . 70 4 超奈奎斯特超奈奎斯特 WDM 系统的新型调制方式研究系统的新型调制方式研究 . 71 4.1 引言 . 71 4.2 DP-QDQ 调制原理 . 73 4.3 DP-QDQ 信号频谱分析 . 75 4.4 DP-QDQ 中双四进制整形滤波方案 . 79 4.5 DP-QDQ 的相干接收及 DSP 算法 . 80 4.6 DP-QDQ 在超奈奎斯特 WDM 传输中的性能分析 . 84 4.7 DP-QDQ 的 BSO-BP 迭代检测方法 . 88 4.8 本章小结 . 95 5

33、 全文总结与展望全文总结与展望 . 97 5.1 全文总结 . 97 5.2 工作展望 . 98 缩略词表缩略词表. 100 致致 谢谢 . 103 参考文献参考文献. 105 附录附录 攻读学位期间发表论文目录攻读学位期间发表论文目录 . 116 1 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 绪论绪论 本章分析了光通信系统传输容量的提升与光调制方式、信道复用方式和相干接 收DSP技术之间的关系， 阐述了超奈奎斯特WDM系统的调制方式及其相干接收DSP 技术的研究意义。介绍了光调制技术的研究成果、研究现状，以及超奈奎斯特速率 光传输系统的当前研究进展，由此引出超奈奎斯特 WDM 系统

34、中更高频谱利用率调 制方式的探索动机和研究思路。接着介绍了相干接收 DSP 技术的研究现状，并针对 超奈奎斯特 WDM 系统的当前主要调制方式 DP-QDB 和本文提出的 DP-QDQ 调制， 指出现有 DSP 技术被用于 DP-QDB 和 DP-QDQ 信号的相干接收过程中所存在的问 题。最后，介绍了本文的研究工作和论文的组织结构。 1.1 引言引言 随着信息技术在全球的深度应用，新一轮的科技革命和产业革命已悄然来临， 互联网和各领域的发展更加紧密融合。在“创新 2.0”推动之下应运而生的“互联网 +” ，促使互联网与传统行业相结合，从而催生大量新的发展业态。继美国提出“工 业互联网” 、德

35、国提出“工业 4.0”概念之后，我国也提出了以“互联网+” 、 “智能制 造”为行动路径的“中国制造 2025” 。作为“中国制造 2025”的主要助力工具， “互 联网+”将大力推动传统制造业企业基于互联网，利用云计算、大数据、物联网等信 息通信技术，进行产品生产方式的升级、改造和创新。无论是云计算、大数据还是 物联网技术，他们的广泛应用势必带来互联网数据流量的大幅增长。在思科公司刚 刚发布的全球云计算指标（Global Cloud Index）评估报告中显示，2020 年云流量会 从 2015 年的 3.9 泽字节上升到 2020 年的 14.1 泽字节，达到 3.7 倍。此外，随着智慧

36、城市、智慧医疗等服务的普及，各种影像监控等应用装置、智慧电表和数位健康监 测器等个人装置，以及机器对机器装置开始大量采用和部署，未来 5 年全球 IP 网络 将会支持 100 亿个新装置及连结，促使互联网数据流量显著增长。并且爱立信预计， 2022 年全球智能手机用户将达 68 亿，移动流量上涨 7 倍，此将进一步带来互联网数 据流量的增加。据新发布的思科视觉网络指标（Visual Networking Index）评估报告2 预测，到 2020 年，全球 IP 数据流量将增加到 2016 年的 2.2 倍，达到 22%的年复合 2 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 成长率，见图

37、 1-1。 图 1-1 全球 IP 数据流量预测 由于光纤具有传输频带宽、抗干扰性和稳定性高等优点，使其成为互联网骨干 网的主要传输媒质，其构成的光纤传送网，承载着骨干网络的主要传输流量。除了 在骨干网络发挥重要作用以外，随着“宽带中国”战略的推进、光纤入户的普及， 光纤在接入网络中的广泛应用也成为未来的发展重点。从长距到短距、从骨干到接 入，光纤通信已成为信息时代的重要基础设施，据统计全球光纤光缆总需求在 2016 年达到 4.25 亿芯公里，其中中国占 57%。 面对网络各方面流量的高速增长，作为流量主要承载方式的光纤通信，需要在 传输容量上不断拓展提高，以此满足日益增长的流量需求。光纤传

38、输容量的提升与 单波长传输速率紧密相关，从单波长的传输速率角度来看，其经历了从 10Gb/s、 40Gb/s 到 100Gb/s 的发展过程， 并正向 400Gb/s、 1TGb/s 方向迈进。 单波长超 400Gb/s 系统的研究多采用多信道（子载波）复用系统，此时传输速率的提升主要从以下两 个方面考虑：1）增大单信道（子载波）的基本传输比特率；2）增大复用的信道（子 载波）数。 增大单信道基本传输比特率的一个重要手段是使用更高级的调制方式。传统的 光通信系统中使用的最基本调制方式是通断键控（On-Off Keying，OOK）调制，当 每个信道传输速率上升后，比如提高到 40Gb/s 以上时，受光纤线性和非线性传输损 伤的影