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摘要
最近的相干光通信系统使用地址调制和检测技术解决了高频谱效率和针对传输损耗的稳定性问题。由于这种技术确实的存在及其在将来的成就，本项目拟定的目标是开发和演示相干光学基础设施和信号处理从而在1.5微米光谱带上产生强大的高容量链路。
在这个项目中，我们分析了光学相干通信系统的理论模型以及用于实现它们的前端算法。 解释和研究了平衡光检测和量子极限的关键概念。 复杂的调制方案通过两个自由度编码信息来最大化频谱效率和功率效率。 零度和外差转换被证明是能够完全恢复接收信号场的线性过程。 当对光下变频信号进行采样时，可以使用数字信号处理（DSP）对传输损伤进行补偿。 研究时钟恢复，频率偏移补偿和相位偏移补偿算法，并显示其性能。
基于所分析的理论，使用商用设备来设计光学相干收发器。系统和设备特性被执行。研究了带宽限制，激光源偏差和不同噪声源的实现效果。分析由真实设备引入的调制和解调损伤，以评估它们对接收器处的信号质量的损失。 然后设计实施并参数化实验。 在加性高斯白噪声（AWGN）的存在下对系统性能进行验证，并对接收机稳定性进行测试。
关键词
模数转换器（Analog- to-Digital Converter, ADC）
模数转换器是将连续信号转换为离散数字信号的设备。
平衡检测：
平衡探测器或平衡接收器是一种可以测量两束激光强度差异的装置。 它是接收机前端架构的一部分，可为接收器提供更高的功率效率。
带通滤波器（Band-Pass Filter ，BPF）
带通滤波器是一种通过一定范围内的频率并拒绝（衰减）该范围之外的频率的设备。
双折射：
在透明的，分子有序的材料中的光的双折射，这表现为折射率的定向相关差异的存在。
误码率（Bit Error Rate, BER）
每个传输比特的错误比特数。
比特率（Bit Rate, Rb）
每单位时间传输的位数。
连贯时间
在一段时间里传播波（特别是激光）可以被认为是想干的。 换句话说，在这一阶段中时间间隔是平均且可预测的。
数字信号处理（Digital Signal Processing, DSP）
处理一组数字信号的数字技术。 这些技术是非常有用的，因为它们由于错误检测和纠正而具有稳定性并且降低了对噪声的易损性。 在数字相干接收机的设计中，DSP用于补偿色散，偏振模色散和跟踪接收信号的相位。
1.介绍
本论文设计并实现了一个光学相干通信系统。 这些类型的系统相比基于直接检测的系统具有一些优点，这些优点历来被使用于光通信。 一个相干接收机的特性之一是一旦它提供的信号被检测到就可以使用数字信号处理（DSP）。 通过这些方法，我们能够补偿光学相干通信的损伤，如时钟恢复，载波频率和相位估计，调制不平衡损伤或加性高斯噪声。
在光通信中有两种主要的检测器：直接检测和相干检测。 直接检测的命名是因为输入信号直接由光电二极管检测，而光电二极管是负责将光功率转换为电流的元件。 这些探测器只能获得信号的幅度，而无法获得其相位。 通过直接检测，只能获得信号的幅度，而无法获得其相位。
另一方面，由于相干检测，入射光波与来自本地振荡器（LO）的其他光束混合，然后由光电二极管检测。 由相干检测器检测到的信号保持信号的幅度和相位。
对于相干检测，取决于如何执行从光频率到基带频率的变频，存在两种基本方案。 这些方案被称为外差检测和零差检测。
在零差检测中，调谐本地振荡器，以便光混频器的输出处于基带频率。在外差检测中，某个频率处的特定信号与设置在该频率附近的参考本地振荡器源（LO）非线性混合。结果集中在差异频率处，该差异频率携带原始高频信号的幅度，相位或频率的信息，但是以中等载波频率振荡，其可以容易地处理。可以在模数转换之后使用电子技术或数字方法来执行对基带频率的转换。
与直接检测系统相比，相干系统有几个优点，但多年来还没有开发或使用，主要有两个原因：在相干通信中使用的光学和数字系统的复杂性以及由直接检测提供的合理带宽，足够满足许多应用的要求。
但是相干光学检测系统与直接检测方法相比具有重要的潜在优势：更大的波长选择性，更高的接收阶段的灵敏度等等。 从理论上讲，这可以在光链路上实现更大的距离，并且具有更高的频谱效率。
在上世纪80年代中和90年代期间，光学相干通信系统的研究和开发活动很多，然后又因为光放大器的出现以及光源相位噪声所带来的巨大技术限制而逐渐减少。然而最近，人们已经恢复了对这种系统的兴趣，寻求增加容量并考虑到光源领域的新技术发展，平衡光感受器，高速信号的数字处理[6]以及应用创新 编码和同步技术。 目前相干光通信的趋势主要是针对数字处理和相位调制光学系统中相位扰动的补偿。
2.光学相干系统的基本概念
在本节中，将解释相干检测的基础知识。 涵盖了关于零差和外差系统的概念以及它们的数学模型。 将展示不同的系统架构，我们将描述通过直接检测方法的相关检测的主要优点，例如灵敏度和系统性能。
我们还将讨论本项目使用的调制格式，以及信号性质和频谱的简要说明，以便更好地理解更多章节中解释的效应。
2.1． 光学混合和平衡照片检测
在描述如何设计一个连贯的系统之前，必须要说明两个重要的设备。 首先，光混合器通常被描述为能够混合光束的装置。 其次，平衡式光电探测器是优化光场到电流转化的器件。
2.1.1。 光学混合动力车
在相干系统中，我们需要光混合器，以便将光信号与本地振荡器源混合。 最简单的混合器是3dB耦合器，也称为50/50分束器或180 0混合器。在光混合器中，两个输入场中的每一个被分成两个输出端口，并且在其中一个分支中引入180度的相移。 在数学上这个设备可以被建模为：
] （2.1）
90°光混合器是用于相干信号解调的六端口器件。 它将输入信号和复杂场空间中的与参考信号相关的四个状态混合。
2.1.2。 平衡照片检测
由于与简单检测相比具有较高的灵敏度，所以使用了平衡式照片检测。 原因在于它能够测量或检测主要噪声加性的低功率信号，并且它存在于两个分支中。
在光学相干系统中，使用平衡光电检测器可以减少或消除电信号的噪声，并且可以最大限度地利用本地振荡器产生的光功率。平衡配置包括在每个输出耦合器端口中使用具有相同量子效率的光电探测器。可以减去结果信号以消除两个分支中存在的噪声
此外，输入信号功率的波动的影响并不是很重要，因为它与本地振荡器功率相比可以忽略不计。 但另一方面，来自本地振荡器的强度噪声会严重降低输出强度的质量。 使用平衡检测，在其中一个分支中引入pi;因子，从而减去公共信号并放大差分信号。而且，在一个简单的光电探测器中，功率的很大一部分会丢失。 在平衡式光电探测器中，几乎所有的功率都被利用，与简单的探测器相比，增加了受体灵敏度。
实际上，由于检测器响应度，电路径长度或其他非理想性的差异，平衡光检测器的性能并不完美。 因此，性能的特点是CMRR（共模抑制比），它被定义为衰减常用项并放大差值的能力。
[dB] （2.2）
这里是差分增益，是共同的收益。
2.2． 相干通信的通用块系统
关于相干系统的最基础的点是，在接收阶段，调制的光信号与本地振荡器混合。在传输中，来自激光源的光由调制器通过电信号整形。 该电信号基于要传输的数据和所使用的调制格式而生成。 传输的光信号可以被表示为
（2.3）
两个信号混合在一个光混合器中，并将其输出发送到数字接收器。正如我们在介绍中提到的那样，根据信号光频与本地振荡器之间的关系，我们将有如下的解调方案。 在外差检测 [rad / s]，下转换分两步进行。相干检波器是一个180混合电路，输出转换成电流[A]由一个单一的平衡光电探测器。 输出强度集中在一个频率 [rad / s]。该电流经过数字处理，基带转换通过数字下变换完成。 由此产生的基带电流是 [A]和 [A]，它们对应于复数的同相和正交分支。
2.3．调制格式
正如我们在前一章中看到的，相干接收机保持接收信号的相位，因此信息可以以相位，频率或信号的幅度发送。已经进行了许多研究并且调制格式的讨论已被广泛覆盖。 我们在这个项目中的目标是开发一个实用的系统，它为我们提供了一个相干系统的最大优点，所以我们需要定义关键参数来选择我们的调制格式。
相移键控（PSK）是一种数字调制方案，通过改变或调制参考信号的相位来传输数据。 在PSK格式的情况下，信息在光信号的相位上编码，而幅度和频率保持恒定。
对于二进制PSK，相位取两个值：0和pi;，取决于传输的位数。 这种调制的灵敏度甚至比量子极限更好。 PSK调制的一个有趣的方面是光强度保持不变，因此振幅决定阈值保持不变。
PSK格式的使用要求光载波的相位保持稳定，以便可以在接收机处提取相位信息而没有模糊; 这一要求对所涉及的激光器的可容忍线宽提出了严格的条件。 在无噪声调制器的输出端，激光线宽可以被看作是一个加性相位噪声，由表示：
（2.4）
3.数字相干系统的设计
3.1数字系统概述
为了实现一个光学相干通信系统，首先我们需要研究和设计数字发射机和数字接收机结构，以及使我们能够用来研究系统性能的方法。 基于这一原则，我们将生成一个数字系统，其中包含：
（1）数字发射机，负责数据和信号的生成。
（2）数字接收器，负责减值补偿和数据解调。
（3）数字控制系统，负责错误计数和性能评价。
3.2数字发射机
数字发射器是负责数据和信号生成的模块。首先，生成一个伪随机数据序列，它将作为要发送的信息消息。然后添加一个唯一的单词前导码。 为了检测消息的开始并且在接收机处设计一个可以帮助解调的模糊度解析电路，需要使用这个前导码。 数据位根据调制顺序（M）分组。 每组数据都会生成一个特定的信号，称为符号，这取决于所选择的调制格式。 在我们的项目中，复杂的调制是特别有意义的，所以在信号发生器的输出端会产生两个信号：同相和正交信号。
在零差情况下，由于其基带性质，这些信号将通过不同的输出通道发送。 否则，会产生重叠而导致信息丢失。
对于外差情况，应用相同的数据生成过程，但不是通过不同的通道发送数据，而是通过将I和Q分支中的每一个乘以所选载波频率的正弦和余弦来上变频I和Q分支[rad / s]。 两个分支接下来会被添加并且求得信号通过该信道被发送到接收器。
在我们的项目中，我们将使用不归零（NRZ）信令，这意味着生成的波形本质上是被抑制的载波。 在零差情况下为每个分支产生的基带信号的功率谱如图1所示
在外差情况下，信号频谱是完全相同的，但以为中心而不是零频率附近。
图1：NRZ信号的功率谱。 Tb是符号时间，L是模式长度。
3.3 数字接收机
相干系统的解调过程可以分为几个主要部分。 首先，由于输入波形是抑制载波的性质，所以需要相干检测。 这意味着我们必须首先恢复中频（外差情况），以将调制数据转换为基带频率或补偿信号的中心频率和本地振荡器的中心频率之间的任何频率漂移（零差情况）。 接下来，输入波形乘以估计的载波频率，这使我们能够得出时钟同步信息，这将指示我们最优的采样点。
一旦我们获得了采样数据，我们就可以使用获得的点来估计由发射器源与接收器处的光源和电源之间的恒定相位差引入的相移。在前同步码解码之后，解调器能够将数据转换为比特，将其与发送的比特进行比较以获得错误的数量，从而获得系统的误码率。
3.3.1 载波频率估计器
理想情况下，系统的载波频率可以被参数化，并且这个部分是不必要的。 接收机将知道发射机正在使用的确切频率，并且不会产生错误。实际上，我们发现接收到的频率并不完全匹配发射频率。 这个偏移是由发射器和本地振荡器激光器之间的差异以及两个系统之间的时钟速率差异产生的。
频率偏移会在星座上产生相移，并引发错误，导致大部分时间数据完全丢失（图2）
外差和零差情况下的解调信号可以通过上一章中得到的表达式来解释，这些表达式将频率失配建模为Delta;。
图2：由于频率漂移引起的星座旋转（a）10MHz （b）1GHz
（3.1）
这个表达式可以帮助我们根据连续采样的相位变化来表示频率漂移。 我们可以计算频率偏移量作为包含样本间相位差的K-1个数据点的平均值。 必须注意的是，每个符号包含相位调制固有的相位跳跃，为了忽略调制效应，必须丢弃相位调制。 为此，我们将使用相位增量估计算法，它为实时通信系统提供了良好的性能。
3.3.2时钟恢复
公共接收器被配置为根据采样频率和频率调制来选择具体数量的采样，以便找到正确的采样点。发射机和接收机之间的参考时钟差异会在符号持续时间上产生未对准，具有：
（3.2）
关于这些式子，人们已经提出并研究了许多解决方案，其中许多解决方案基于边缘检测器，这些解决方案寻找零与一之间的转换。一般而言，这些方法基于统计参数，这些参数引入了一些不确定性，特别是在噪声情况下。 在我们的项目中，我们将基于以前对发射机和接收机时钟差异的表征，考虑一种简单可靠的方法。 另一方面，我们不会灵活地更改发射器或接收器，而无需更改系统参数。<!--
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