【正文】 的容忍度起到了很好的作用 ,對(duì) 10Gb/s 的 OOK 信號(hào) 補(bǔ)償和 譯碼，可以 將 BER 降低 4～ 7dB。 論文主要有如下內(nèi)容： ? 簡(jiǎn)單介紹了光纖傳輸過程中的偏振 態(tài) 的表示方法 、偏振模色散的產(chǎn)生機(jī)制以及偏振模色散補(bǔ)償方案及控制算法等 。 低密度奇偶校驗(yàn) 碼 （ LDPC codes） 是性能接近香農(nóng)極限的“好”碼且編譯碼復(fù)雜度相對(duì)較低。在光纖通信系統(tǒng)中，早 期 由于光纖及與系統(tǒng)相關(guān)的光電子器件的發(fā)展，系統(tǒng)性能優(yōu)于一般電纜及無線通信，因而無需采用 前向糾錯(cuò)（ FEC） 技術(shù)；另一方面由于光傳輸信息速率相對(duì)較高，沒有與其匹配的糾錯(cuò)編譯碼器。密級(jí)： 保密期限： 碩士研究生學(xué)位論文 題目： 應(yīng)用于偏振 模 色散補(bǔ)償系統(tǒng)中的前向糾錯(cuò)技術(shù)的研究 學(xué) 號(hào)： 086871 姓 名： 顏 菲 專 業(yè)： 物理電子學(xué) 導(dǎo) 師： 張曉光 學(xué) 院： 信息光子學(xué)與光通信研究院 2022 年 01 月 15 日 Forward Error Correction applied to Polarization Mode Dispersion Compensation System A dissertation submitted to Beijing University of Posts and Telemunications for Master Degree By Yan Fei Supervised by Prof. Zhang Xiaoguang 北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文 I 摘 要 光纖通信使高速率、大容量 、長距離 的通信成為 現(xiàn) 實(shí)和未來發(fā)展的趨勢(shì) 。具有損耗低、傳輸頻帶寬容量大、體積小、重量輕、抗電磁干擾、不易串音等優(yōu)點(diǎn)。直到光傳輸速率提高到 Gb/s，并且光放大延長了無中繼傳輸距離 后 ，一些在短距離、低速 率 系統(tǒng)中表現(xiàn) 不明顯 的因素如 偏振模色散等 ，限制了系統(tǒng)性能的進(jìn)一步改善，于是才開始了將 FEC 應(yīng)用于光通信系統(tǒng)的研究。 將偏振模色散補(bǔ)償和偏振模色散緩解（前向糾錯(cuò)技術(shù)）結(jié)合使用，具有一定的理論價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。 ? 介紹了前向糾錯(cuò)（ FEC）的一些基本概念和 FEC 中目前理論性能最優(yōu)秀的低密度奇偶校驗(yàn)碼 (LDPC codes)的定義、 H 矩陣構(gòu)造方法 、 常用譯碼方法：和積算法（ SPA）和比特反轉(zhuǎn)算法（ bitflipping） 。 ? 建立 LDPC 與 LDPC 交織級(jí)聯(lián)的 FEC 方案 并 集合偏振模色散補(bǔ)償系統(tǒng) 的數(shù)值仿真模型，結(jié)果 分析 表明 ，對(duì)偏振模色散的補(bǔ)償和緩解器 起 到了一定的效果，提高了誤碼率和對(duì) PMD 的容忍度。 結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)偏振模色散的補(bǔ)償起到了一定的效 果， 降低 了誤碼率， 提高了 偏振模色散的容忍度 ，對(duì) 40Gb/s 的 OOK 信號(hào)補(bǔ)償和級(jí)聯(lián)交織譯碼后， BER 降低了至少 6dB。打手勢(shì)、書信往來、電報(bào)、廣播、電話、電視等都是傳遞消息的方法，都是通信。近代以來的通信就是借助電信號(hào)抑或光信號(hào)以及相關(guān)的的設(shè)備來完成的。通常說起來，提供消息的設(shè)備、人或者物體就可以稱之為信源。中間用來傳遞信息的通路，從信源到信宿間傳遞 物理 信號(hào)的傳輸介質(zhì)和設(shè)施就是信道。數(shù)字通信的有效性主要體現(xiàn)在一個(gè)信道通過的信息速率來體現(xiàn)，是數(shù)字通信中信源編碼的主要問題?？煽啃哉f明信宿對(duì)接收到的消息進(jìn)行判斷評(píng)估、去偽留 真 處理的能力，是數(shù)字通信中信道編碼的主要任務(wù)。而信息論最初就是為了解決通信系統(tǒng)的有效性和可靠性而建立并發(fā)展起來的。普遍實(shí)際存在的加性噪聲的干擾影響，通常有幾種常見方法可以提高可靠性， 采用更好的調(diào)制格式、采用更好的解調(diào)方式，增大發(fā)射功率，還有運(yùn)用 好的差錯(cuò)控制編碼。 偏振模色散補(bǔ)償 光纖由于制造工藝的缺陷造成截面并非圓形，或者由于受到擠壓、扭曲、溫度、電磁場(chǎng)等因素的影響造成其中傳輸?shù)膬蓚€(gè)正交模式的傳播速度不同，發(fā)生“走離”，這種現(xiàn)象稱之為偏振模色散（ PMD： polarization mode dispersion）。目前的光纖通信系統(tǒng)主要 采用普通單模光纖（ ）， ITUT 規(guī)定 光纖的 PMD 系數(shù)小于 /ps km 。如果對(duì)骨干網(wǎng)鋪設(shè)的光纖進(jìn)行升級(jí)，成本將非常昂貴，所以需要研究偏振模色散補(bǔ)償技術(shù)以緩解光纖中的 PMD 對(duì)信號(hào)造成的影響。已有的偏振模色散緩解和補(bǔ)償技術(shù) 分為電域補(bǔ)償和光域補(bǔ)償 [19]。但是，電域補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備比較復(fù)雜，補(bǔ)償量有限，且受電子器件速率瓶頸的限制，不適于 40Gb/s 及其以上的系統(tǒng)。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、補(bǔ)償量大，控制信號(hào)敏感度高，且響應(yīng)速度較高，沒有器件瓶頸的限制 [20]。當(dāng)然，也可以將上述三種方案兩兩結(jié)合，來緩解偏振模色散對(duì)光纖通信信號(hào)質(zhì)量 的影響，比如目前研究較多的結(jié)合采用多級(jí)相位調(diào)制碼和光域補(bǔ)償技術(shù)。 2022 年，日本 OKI 公司采用 CSRZ 碼型，實(shí)現(xiàn)了從東京到大阪速率高達(dá) 160Gb/s 的傳輸，在接收端采用的也是光域的偏振模色散補(bǔ)償器，它所采用的反饋控制算法 —— 粒子群優(yōu)化算法（ PSO： particle swarm optimization）最早在 OFC2022 報(bào)道首次被應(yīng)用到偏振模色散補(bǔ)償領(lǐng)域 [21]，此后相繼在 OOK、DPSK、 DQPSK 及 8DPSK 系統(tǒng)中被驗(yàn)證適宜用于偏振模色散自適應(yīng)補(bǔ)償器 。當(dāng)時(shí)的 發(fā)明了漢明碼，用來糾正矩陣式打孔計(jì)算機(jī)的讀卡錯(cuò)誤。 Shannon 在信息論里主要討論了信息的度量、信息傳輸?shù)幕鞠拗频龋o 信道編碼技術(shù)建立了理論依據(jù)。 再后來的十多年里，一些高效譯碼算法被提出。 一直以來，在無線數(shù)字通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，科研人員投入大量努力，為了找到高效的應(yīng)用 FEC 的方法。這是因?yàn)橄噍^于典型的無線和衛(wèi)星通信 103至 105 的 BER，在以前的光纖通信系統(tǒng)中，信號(hào)傳輸有著很高的數(shù)據(jù)完整性，其誤碼率（ Bit error ratios， BER）可以達(dá)到 109 到 1015。實(shí)驗(yàn)中用的是（ 224,216）的縮短的 Hamming 碼，冗余為 %，碼率 。 1990年以后，才第一次完備成熟地將 FEC部署于實(shí)際系統(tǒng)之中：潛水艇系統(tǒng)的光傳輸系統(tǒng)。特別的，（ 255,239）的 RS碼大范圍的被應(yīng)用于長距離傳輸系統(tǒng)之中，并被推薦作為 ITUT 。基于這一階段的 FEC譯碼方法都是硬判決的，我們可以稱這段時(shí)期的 FEC為第一代 FEC。在隨后的幾年間，多種強(qiáng)大的 編碼方式 陸續(xù)出現(xiàn)，大多基于級(jí)聯(lián)碼的形式，如RS(239,223)+RS(255,239)的級(jí)聯(lián)碼。 交織和迭代譯碼技術(shù)一起與級(jí)聯(lián)共同應(yīng)用，以達(dá)到改善糾錯(cuò)性能的效果。 目前的研究人員的研究興趣集中在兩個(gè)方面，并且很快地取得了成果：一、比二代效果更好的 FEC；二、 更深度的用于傳輸損傷的 FEC。這一個(gè)時(shí)期被稱作 IT泡沫時(shí)代，全世界范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)分析師都十分看好電信業(yè)， 在一個(gè)全球約有幾乎 ，像北美這樣的大洲約有 75%的人口的日常生活都要依靠互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，高速、可靠的 通信系統(tǒng)變得異常重要。 90年代初期，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)主要由以文本和鏈接為主要內(nèi)容的頁面組成，而用戶的數(shù)量還不到人口數(shù)北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文 7 的 1%，其中有 25%的用戶將互聯(lián)網(wǎng)做為日常生活的基礎(chǔ)。而像視頻流媒體、文件分享、動(dòng)態(tài)頁面、VoIP電話、視頻會(huì)議等這些網(wǎng)頁上的多媒體內(nèi)容不再需要嚴(yán)格地限定尺寸大小和質(zhì)量，所 有 這些變化主要是持續(xù)增長的高速傳輸速率來支持的。長距離高標(biāo)準(zhǔn)的情況下，需要使用光纖傳 輸系統(tǒng)。 近年來，對(duì)帶寬的需求驅(qū)動(dòng)著密集波分復(fù)用（ the Dense Wavelength Division Multiplexing， DWDM）網(wǎng)絡(luò)從 10Gb/s每信道升級(jí)到更有效率的 40Gb/s甚至100Gb/s每波長信道， LDPC 碼的應(yīng)用前景 LDPC 全稱低密度奇偶校驗(yàn)碼 （ Low Density Parity Check Codes） ，是一種線形分組碼，它通過一個(gè)生成矩陣 G 將信息序列映射成發(fā)送序列，也就是碼字序列。 LDPC 碼的奇偶校驗(yàn)矩陣 H 是一個(gè)稀疏矩陣，相對(duì)于行與列的長度（ N,M），校驗(yàn)矩陣每行、列中非零元素的數(shù)目（我們習(xí)慣稱作行重、列重）非常小，這也是 LDPC 碼之所以稱為低密度碼的原因。許多論文被 IEEE 收錄，如 IEEE Transaction on Information Theory， IEEE Communications Magazine 等。這主要由于 LDPC 碼的簡(jiǎn)單性使得關(guān)鍵思想特別明顯。 迭代譯碼系統(tǒng)采取完全不同的研究途徑。碼的本地描述是以復(fù)雜方式相互連接的，引入了比特之間的長距離關(guān)系為代價(jià)。 LDPC 碼結(jié)構(gòu)才可用幾何方法、圖論方法、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和置換方法等來設(shè)計(jì)。一些學(xué)者提出：通過優(yōu)化非正則圖的次數(shù)結(jié)構(gòu)來尋找逼近容量的非正則 LDPC 碼。M. G. Luby 等也提出了一類基于級(jí)聯(lián)二分圖的 LDPC 碼，用于 可擦除信道，不僅可以實(shí)現(xiàn)線性時(shí)間編碼，也能實(shí)現(xiàn)線性時(shí)間譯碼。更有學(xué)者探討了基于有限幾何學(xué)的 LDPC 碼結(jié)構(gòu)。對(duì)于消息傳播的譯碼器的性能分析時(shí)，當(dāng)碼的長度有限時(shí)，分析將很困難，而當(dāng)允許碼長趨于無限時(shí)則可大大簡(jiǎn)化分析。 國外在硬件方面的研究也取得了很多成果。美國 Digital fountain 公司有一個(gè) LDPC 碼研究的工作團(tuán)隊(duì)，他們?yōu)閯h除信道分析了 LDPC 碼。 LDPC 碼被美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室推薦給美國航天 數(shù)據(jù)系統(tǒng)顧問委員會(huì)并被采用。 [23] 在 ECOC2022 會(huì)議上，日本 Mitsubishi Electric Corporation 的 T. Mizuochi, Y. Konishi 等人的論文展示了一個(gè) 100Gb/s DPQPSK 光傳輸系統(tǒng)的 FEC 原型機(jī)，采用的是 LDPC 碼與 RS 碼級(jí)聯(lián)，總的冗余為 20%，誤碼性能能夠從 103 經(jīng)過補(bǔ)償?shù)? 1013。 論文 的結(jié)構(gòu)安排 本文做如下安排，首先第二章介紹偏振模色散相關(guān)的理論知識(shí)，包括表示方法，補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)， PSO補(bǔ)償算法。 北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文 9 參考文獻(xiàn)： [1]Proakis, G. 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