---文档均为word文档，下载后可直接编辑使用亦可打印---Abstract (2)前言 (3)摘要随着近年来流量业务的高速增长，现有的光传输网络已不能满足需求，单信道100 Gb/s及以上速率超高速长距离光传输系统是目前研究的热点。
相比传统二进制启闭键控（OOK）调制技术，偏振复用正交调制（PDM-QPSK）技术可以提高四倍的传输速率。
本文主要研究了单信道PDM-QPSK技术，并结合数字信号处理（DSP）的补偿技术提高性能，利用Optisystem软件搭建了完整的相干光纤通信系统模型，最终实现数据在光纤链路上以100 Gb/s 速率的可靠传输。
本文首先介绍偏振复用和正交相移键控调制的基本原理，之后探讨了链路中不同损伤与串扰的成因，提出相应的数字信号理算法，即有限脉冲响应（FIR）数字滤波器的设计、恒模算法（CMA）、共轭M次方算法和M次方算法，以补偿链路损伤。
最后利用Optisystem软件搭建模型并进行仿真，着重分析了算法中重要参数的影响。
关键词：偏振复用；正交相移键控；相干光通信；数字信号处理算法作者：王婉指导教师：高明义AbstractWith the rapid growth of traffic services in recent years, the optical transmission networks which are existing can no longer-distance optical transmission systems with speeds of 100 Gb/s and above are currently hot topics. Compared with the traditional On-Off Keying(OOK) Modulation technology, the Polarization Multiplexing Quadrature phase modulation (PDM-QPSK) technology is four times faster than it, and it has strong anti-interference performance, so it is suitable for long-distance transmission. In this paper, the single-channel PDM technology is studied, and the performance is improved by combining digital signal processing (DSP) compensation techniques. A complete model of coherent fiber-optic communiation system was bulit by using Optisystem software, and finally the data was reliably transmitted at a rate of 100 Gb/s on the optical fiber link. The article first introduces the basic principles of polarization multiplexing and quadrature phase shift keying modulation. Afterwards, the principles of different algorithms in DSP is discussed, namely the design of finite impulse response (FIR) digiatal filters, costant modulus algorithm (CMA), and conjugated M power algorithm, which are used to compensate fot different damages and crosstalk in the link. Finally by using Optisystem software, we built a coherent fiber-optic communication system and go through some simulations, focusing on analyzing the effects of important parameters of different algorithms.Keywrods: Polarization Multiplexing; Quadrature Phase Shift Keying Modulation; Digital Signal Processing; Coherent Optical Communication前言由于光纤潜在的超大容量和光纤器件性能的持续提高，国内外学者一直致力于实现高速高性能低成本的光纤系统，实现过程中运用到了多种光纤通信技术，例如光时分复用（OTDM）、波分复用（WDM）、偏振复用（PDM）等多路复用技术，以及其中偏振复用技术存在于各个复用的基础上，并与先进的码元调制技术相结合，便能在单波上成倍增长传输容量。
其中将偏振复用与正交相移键控调制相结合的技术，因其频带利用率高、抗干扰性强，成为了主流技术之一。
近几年，国内已有学者实现了在1200km的光纤下成功传输速率高达614 Gb/s的PDM-QPSK信号传输，国外也有学者结合波分复用实现1Tb/s 以上超大容量的传输。
与此同时，随着数字信号处理技术的发展，使相干检测也再次成为了研究的热点。
本课题主要研究通过PDM-QPSK技术实现数据以100 Gb/s速率传输的相干光通信系统。
利用Optisystem软件进行光纤系统的框架搭建，主要有发送、传输、接收和数字信号处理模块。
本文研究重点便是DSP内部具体算法的选择与设计，并通过Matlab编程实现。
尽管目前100 Gb/s传输已经商用化，但本课题的研究为更高速率的传输提供了理论基础，依然是十分有意义的。
全文共分为五章，第一章绪论部分，更加具体地介绍了PDM-QPSK技术的研究背景和现状，并说明了本文所作的工作；第二章是阐述了偏振复用技术和正交相移键控技术的原理，结合具体框图介绍了信号的形成过程；第三章在相干接收的基础上，根据信号在链路传输过程中经历的不同损伤选择了不同的DSP算法，并对算法原理进行了详细介绍；第四章先简要介绍Optisystem软件，然后通过该软件构建由五大模块构成的光纤系统模型，依次介绍各模块的内部框图，通过不断仿真对参数进行优化，利用图标分析不同参数下信号的性能，最终确定最优参数，实现可靠传输；第五章是对光通信目前发展的总结和对未来的展望。
第一章绪论1.1研究背景近几年来，全球4k高清视频，云计算，物联网，网络游戏等服务不断涌现，全球IP 流量将以复合增长，未来五年的年增长率将达到21％，这就对通信的容量提出了很高的要求。
光频比电信系统所用的频段要高好几个数量级，尤其在激光器和低损耗光纤问世后，使光纤的大容量通信成为了可能。
为适应不断增长的带宽需求，我们需要不断寻找能扩大光纤链路信息承载容量的新技术。
这些技术包括波分复用、模分复用、偏振复用和空分复用等，它们把许多独立信息通道集中在一根光纤中。
其中偏振复用技术因其利用光在单模光纤中传输时的偏振特性，在不需要增加额外的带宽资源的情况下能够成倍提高单信道容量和传输速率，一直以来都是研究的热点。
该技术是在原有光纤通信系统基础上进行升级实现高速，因此避免了网络的重复建设。
除此以外，不同的码元调制技术对系统性能也能造成影响，常见的与偏振复用技术结合码元调制技术的有16QAM、DPSK、8PSK、QPSK 等，本论文主要研究QPSK技术。
已知单信道的传输速率已从90 年代的2.5 Gb/s提高到目前商用的40 Gb/s，甚至100 Gb/s、400 Gb/s。
单信道传输速率的不断提高，一些光纤损耗、串扰、色散等因素的影响也逐渐显露。
它们使光信号发生畸变，降低系统性能。
基于数字信号处理技术的相干光通信可在电域对信号进行各种损伤的补偿，将两者结合，能够实现可靠的高速相干光通信。
1.2 偏振复用正交调制技术的发展及现状早期偏振复用技术的实验是要采用保偏光纤，但实际铺设的大多是单模光纤，这就使得以普通单模光纤作为传输媒质的偏振复用系统成为研究热点[1]。
除此以外，偏振复用技术结合先进的码元调制技术，可以进行更高效的传输。
对于PDM-QPSK技术，国外一直处领先地位。
但近年来我国学者也进行了广泛的研究并取得了一定的成果。
例如14年杜文涛等人使用数值模拟，证明了均衡PDM-QPSK信号的平均偏振度（DOP）是评估系统性能的一个很好的方法，为光纤系统设计和优化提供重要参考[2]；17年于建军等人基于电气时分复用生成了153.6 Gbaud的PDM-QPSK信号并采用相干检测，在仅使用掺饵放大器（EDFA）的情况下，实现数据在单模光纤上传输了2800 km[3]；李欣颖等人实验性地在W 频带上采用基于马赫曾德尔调制器（MZM）的光子频率八进制和相位预编码技术，生成了PDM-QPSK调制的矢量信号。
这也是第一次有人在W波段通过一个外部强度调制器实现偏振复用矢量信号的产生和接收[2]。
1.3本文所作的工作首先了解了偏振复用技术的研究意义和现状，之后从偏振光的特性切入研究了偏振光在单模光纤中的传输。
然后通过分析光纤链路中色散、偏振膜色散、频率偏差、相位噪声等各种损伤的成因，选择相应的DSP算法分别进行补偿。
针对色度色散提出了FIR数字滤波器的设计；针对偏振串扰提出了CMA算法，设计出自适应滤波器；针对频率偏差和相位补提出共轭M次方和M次方算法。
具体步骤均是根据算法的原理框图列出推算公式，确定参数的初始值。
最后利用Optisystem软件搭建仿真模型，联合Matlab进行多次仿真，分析算法关键参数值对系统性能的影响，最后确定最优参数值，实现PDM-QPSK信号以100 Gb/s的高性能传输。
第二章 偏振复用正交调制技术的理论基础2.1偏振复用技术原理简介2.1.1偏振光的特性光是一种电磁波，根据麦克斯韦方程组可知，磁场、电场与光的传播方向相互垂直。
建立一个三维坐标系，为了研究方便，选定光是平面简谐波的情况。
假设光波沿着z 轴方向传播，磁场方向为y 轴，电场为x 轴。
则电场的表达式为()()0,=cos x x x E z t e E t kz ω→→- （2.1）其中0x E 为电场沿x 轴的最大幅度，x e →为平行于x 轴的单位矢量。