光通信系统的建模2-PowerPointPresent

光纤通信系统的建模杨川川2009.9.22主要内容IM/DD光纤通信系统的低通等效模型PMD效应的仿真建模PMD效应的光域均衡激光器调制器光电转换光带通滤波器电低通滤波器光放大器光放大器光放大器单模光纤单模光纤单模光纤接收机发射机IM/DD光纤通信系统的结构导致ISI的线性效应色度色散偏振模色散自发辐射噪声色度色散——静态效应1光脉冲xyz单模光纤00ˆ(,)(,)(,)exp[()]txFxyAztjtzEr慢变振幅(,)Azt满足非线性薛定谔方程(NLSE)0022202AjAzt变换参考坐标系1gztttzvzz色度色散——静态效应2频域解：22()exp(/2)CDHjl2(/)()exp4bCDjrRH色度色散导致脉冲展宽示意图。22(,)exp(/2)(0,)AzjzA偏振模色散——随机效应1光脉冲xyz单模光纤光纤中的双折射效应：在光纤中存在两个正交的主偏振模式光纤制造过程中引入的缺陷；外界的压力、温度、湿度等因素的变化两个偏振正交的模式将具有不同的传输常数在光纤的输出端，当两个正交模式的能量合在一起时，脉冲就将发生畸变展宽。ˆˆ()()1()ininxinytEtEtE只考虑一阶偏振模色散效应时00ˆ()(/2)ˆ1(/2)outinoxinoytEtEtΕ偏振模色散——随机效应2传输函数ˆˆ()exp[(/2)]1exp[(/2)]PMDoxoyHjj服从麦克斯韦(Maxwellian)分布pDl自发辐射噪声——主要的噪声来源来源：放大器介质中电子空穴对的自发复合自发辐射噪声可以使用分布在放大器介质中无数短脉冲构成的随机脉冲串来模拟自发辐射噪声的功率谱密度为当光放大器的增益足够大时，接收机中的热噪声可以忽略()[()1]/ASEspASEoptSfhvnGfPvIM/DD光纤通信系统低通等效系统模型——发射机Ig(t)cx(t)cy(t)++ux(t)uy(t)fo(t)fo(t)sy(t)+ny(t)z(t)z+22sx(t)+nx(t)成形脉冲光纤信道ASE噪声光带通滤波器光检测器电低通滤波器fe(t)电信号处理x(t)iII0,1iI()()iixtIgtiT考虑：色度色散，偏振模色散，ASE噪声2(/2)()coscos2tTgtTIM/DD光纤通信系统低通等效系统模型——信道Ig(t)cx(t)cy(t)++ux(t)uy(t)fo(t)fo(t)sy(t)+ny(t)z(t)z+22sx(t)+nx(t)成形脉冲光纤信道ASE噪声光带通滤波器光检测器电低通滤波器fe(t)电信号处理x(t)考虑：色度色散，偏振模色散，ASE噪声2()exp[(/2)]exp((/)/4)xbFctjjrR2()1exp[(/2)]exp((/)/4)ybFctjjrR自发辐射噪声建模为：两个正交传输信道上的加性高斯白噪声0(1)/spNnhvGG()()()()xxohtgtctft()()()()yyohtgtctft()()xixistIhtiT()()yiyistIhtiT低通等效系统模型——接收机Ig(t)cx(t)cy(t)++ux(t)uy(t)fo(t)fo(t)sy(t)+ny(t)z(t)z+22sx(t)+nx(t)成形脉冲光纤信道ASE噪声光带通滤波器光检测器电低通滤波器fe(t)电信号处理x(t)考虑：色度色散，偏振模色散，ASE噪声光电检测器的低通等效：平方律检波器22()()()()()()exxyyztftstntstnt|()kkzzzkTz判决or输入电信号处理器主要内容IM/DD光纤通信系统的低通等效模型PMD效应的仿真建模PMD效应的光域均衡偏振模色散向量1主偏振态在光纤信道的信号输入端，总可以找到两个正交的偏振态，在仅考虑一阶偏振模色散效应的条件下，沿该偏振态传输的光脉冲，输出的信号波形不会发生畸变。光脉冲xyz单模光纤ˆp慢群速主偏振态ˆp快群速主偏振态基于右旋斯托克斯空间Jones向量和Stokes向量光脉冲xyz单模光纤xyss1HxxyyssssJones空间Stokes空间123sss**1xxyysssss**2xyxysssss**3xyxysjssss偏振模色散向量2ˆˆtRsˆˆspRpˆp光纤信道输入输出ˆsˆtˆspˆpR光纤信道的输入与输出偏振态在斯托克斯(Stokes)空间中：R：米勒(Müller)旋转矩阵偏振模色散向量差分群时延20000()()()()展开成泰勒级数：一阶PMD二阶PMD……高阶偏振模色散效应高阶偏振模色散效应中占主导地位的是二阶偏振模色散效应：ˆˆdppd差分群时延随频率的变化，导致偏振相关的色度色散(PCD)，表现为偏振相关的脉冲展宽或压缩。描述的是主偏振态随频率的变化ˆp0()0()ˆp偏振模色散向量的统计特性0X()XpxE()()Xxpxdx22E()()Xxpxdx222/282;00;0xxexx23822228444tanhsech;00;0xxxxx22G243822224sechx24138202201/288sec()(tanh)xxdJh24838ˆp3/225/20211224sinhcosh54;1;tanh2xdxF2438偏振模色散效应模型1一阶偏振模色散模型的琼斯矩阵：ˆˆexpcossin222UjrIjrˆˆrp123231ˆrrjrrrjrr100110110200jj3偏振模色散效应模型2简化的二阶偏振模色散模型：Bruyère二阶偏振模色散模型ˆˆexpcossin222UjrIjr2/2ˆˆˆ/2rppcossinexp(/2)0cossinsincos0exp(/2)sincoskkkkUkkkk2/2ˆ/4kp偏振模色散效应模型3EMTY二阶偏振模色散模型PlanarSweep二阶偏振模色散模型212121ˆˆexpexp22UUUjrjr11ˆˆrp22/22ˆ/rˆexp02ˆ0exp2pjUpj1111111111ˆcossinsin222ˆsincossin222pjjpjj全阶偏振模色散模型1R1R4R2R3RM-2RM-1RM………输入输出全阶偏振模色散模型原理图•偏振模色散在理论上可以等效为许多双折射光纤段和偏振控制器(PC)的级联。•所用的双折射光纤段数和偏振控制器个数越多则越能接近于信道中的随机偏振模色散效应。•基于这个原理，可以采用数值方法建立起全阶偏振模色散模型，每一级联段中包含一段双折射光纤和一个偏振控制器，偏振控制器使经过双折射单元的偏振态发生随机的旋转。全阶偏振模色散模型2R1R4R2R3RM-2RM-1RM………输入输出全阶偏振模色散模型原理图全阶偏振模色散模型的偏振模色散向量：1(,1)MnnRMn二阶偏振模色散参数：1(,1)()MnnnRMnn1,,nM1(,)MMnRMnRRR(,)MRMMR(,1)RMM＋单位阵nn()nn是第段级联段的偏振模色散向量，是第一段开始到第段级联起来的偏振模色散向量全阶偏振模色散模型3R1R4R2R3RM-2RM-1RM………输入输出全阶偏振模色散模型原理图实现全阶模型的琼斯矩阵：1(3/8/2)(3/8/2)1()()()cossin0sincos0nnnnMnnnjbhMnnjbhnnnUBReeM()nBnh()nRb:级联的段数；:第n段双折射光纤的琼斯矩阵，该段光纤的长度是:旋转矩阵，表示段与段之间双折射轴的随机耦合:光纤的偏振模色散因子n均匀分布的随机变量。[0,2]均匀分布的随机变量。[0,2]nnh常数/随机可变/lMh均值为标准差为0-0.3的高斯分布/lM全阶偏振模色散模型4(c)(a)(b)(a),(b)以及(c)的概率密度函数。实线是表中现有的理论结果，圆圈是数值仿真的结果。2det()U2121()()dd()()/UUU1.2jUU主要内容IM/DD光纤通信系统的低通等效模型PMD效应的仿真建模PMD效应的光域均衡PMD效应光域均衡技术的优势光均衡技术的优势不会影响整个光纤通信系统的结构。避免了光检测器导致的额外信息损失，有较好的性能。不受系统传输速率的限制。电均衡技术的优势可靠性、可控制性较高。相关器件的可集成度较高。较低的实现成本。一阶偏振模色散效应均衡——基于主偏振态传输发射机接收机控制器控制算法PC光纤节点ˆˆsspˆsˆspˆinsˆˆssp•该均衡器只能补偿一阶偏振模色散效应•在发射机和接收机都需要相应的硬件支持•响应速度受到反馈信号延迟时间的限制一阶偏振模色散效应均衡——基于抵消偏振模色散向量发射机接收机控制器控制算法PC光纤节点ˆs可调双折射单元outcompoutcompoutcomp一阶偏振模色散效应均衡——基于固定差分群时延发射机接收机控制器控制算法PC光纤节点ˆs固定双折射单元incompR1compRinˆs(a)1compRinˆs(b)(a)调整偏振控制器使得光纤信道和均衡器级联起来的系统的输入主偏振态和信号输入光纤的偏振态方向一致1ˆ()incompsaR(b)调整偏振控制器使光纤信道和均衡器级联起来的总的偏振模色散导致的系统性能损害最小|||sin|compin|||sin|compin1min()sinincompR一阶偏振模色散效应均衡——小结基于主偏振态传输的均衡器，由于作用于发射端，响应速度受反馈信号传输时间的影响很大，该均衡器的响应时间大于后面两种作用于接收端的均衡器。基于抵消偏振模色散向量和基于固定差分群时延的均衡器不是完全针对一阶偏振模色散的，可以在一定程度上补偿高阶偏振模色散。控制算法可使用优化算法，找到使系统性能最好的偏振控制器和双折射单元参数，在不一定完全均衡一阶偏振模色散效应的前提下，兼顾均衡高阶偏振模色散。高阶偏振模色散效应均衡111N………反馈信号控制器控制信号优化算法PCPCN接收机•N级均衡单元组成，每级均衡单元包括可调的偏振控制器和一个双折射单元，双折射单元的差分群时延可为固定