高速公路光傳輸系統(tǒng)的光放和色散過程研究

郭曉峰

【摘要】 隨著高速公路建設(shè)的發(fā)展，相關(guān)運(yùn)營業(yè)務(wù)量加大，高速公路通信系統(tǒng)建設(shè)變得尤為重要。光纖傳輸系統(tǒng)的開發(fā)和研究為高速公路通信系統(tǒng)提供了有力的支持，光纖傳輸由速率到傳輸距離已經(jīng)產(chǎn)生了飛躍性進(jìn)步。然而，色散與光放等傳輸系統(tǒng)的制約因素依然對光通信系統(tǒng)性能造成巨大影響。本文針對光傳輸隨傳輸速率提高和傳輸距離的增加造成信號損失問題，提出一種色散緩解措施-被動均衡技術(shù)，分析了LMS自適應(yīng)算法及前饋均衡器，通過仿真對均衡器在不同調(diào)制格式下色散補(bǔ)償性能模擬分析，為后續(xù)建模仿真打下基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】 光纖通信 色散補(bǔ)償 均衡器 LMS自適應(yīng)算法

一、引言

高速公路的通信系統(tǒng)支撐著公路的現(xiàn)代化管理，是現(xiàn)代化管理的基礎(chǔ)設(shè)施。光傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用將高速公路的監(jiān)控系統(tǒng)、收費(fèi)管理系統(tǒng)的音頻和視頻信息及時(shí)的傳輸，發(fā)揮了高速公路高速、高效、安全、舒適的特點(diǎn)。然而，隨著高速公路相關(guān)業(yè)務(wù)量的加大，傳輸速率與傳輸距離的增加，光傳輸?shù)闹萍s因素光放和色散問題越發(fā)凸顯。色散會使脈沖展寬，造成碼間干擾和誤碼率，最終使系統(tǒng)傳輸性能降低，因此對光放和色散的研究成為近年研究的熱點(diǎn)。

本文針對光纖中色散現(xiàn)象研究了傳輸性能和調(diào)制格式，提出了被動均衡技術(shù)及直接檢測光通信系統(tǒng)的色散補(bǔ)償技術(shù)。對前饋均衡器的結(jié)構(gòu)以及特點(diǎn)進(jìn)行分析，并利用Matlab仿真了均衡器結(jié)構(gòu)在不同調(diào)制格式下色散的補(bǔ)償性能，為后續(xù)的建模仿真打下良好基礎(chǔ)，對實(shí)現(xiàn)高速的集團(tuán)化，科學(xué)化、規(guī)范化管理具有重要的意義[1-3]。

二、高速公路通信系統(tǒng)

高速公路信息管理體制在業(yè)務(wù)管理機(jī)構(gòu)上分為四層。第一層為高速公路集團(tuán)公司，第二層為各分公司和基建公司，第三層為各級管理處，第四層為收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)、養(yǎng)護(hù)工區(qū)。對處于不同地域的信息部門進(jìn)行交通運(yùn)輸管理、行政路政管理及工程養(yǎng)護(hù)管理等業(yè)務(wù)時(shí)需要建立覆蓋各級管理部門的通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)代化的通信網(wǎng)絡(luò)提供⑴各級管理部門間的電話通信。⑵各級管理部門件計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊。⑶各級管理部門之間的視頻通信。⑷各級管理部門與外界的數(shù)據(jù)通信。隨著高速公路建設(shè)的規(guī)模化及相關(guān)業(yè)務(wù)量的增加，高速公路系統(tǒng)新的需求為⑴完善的通信網(wǎng)絡(luò)以提供良好的通信平臺。⑵提供多業(yè)務(wù)支持功能，確保告高速沿線的語音、數(shù)據(jù)、圖像等業(yè)務(wù)接入。⑶圖像監(jiān)控功能增強(qiáng)以實(shí)時(shí)掌握路況[4，5]。

目前高速公路通訊入網(wǎng)方式分成有線接入和無線接入兩類。有線接入為光纖接入和混合光纖同軸電纜接入，無線接入包括固定無線接入和移動接入。光纖接入系統(tǒng)由光纖線路終端和光纖網(wǎng)絡(luò)單元等組成，應(yīng)用類型有光纖到路邊、到樓、到戶及辦公室。

三、光纖中的色散及色散補(bǔ)償技術(shù)

3.1光纖與色散

光纖由純石英加工而成，是工作在光波頻率的圓柱形介質(zhì)波導(dǎo)，具有極低的損耗和極大的帶寬，是光纖通信的重要組成。

色散在數(shù)值上表現(xiàn)的是光纖中折射率和頻率間的相互關(guān)系。在光纖通訊系統(tǒng)中，信號的頻率成分不同，在光纖中傳輸一定距離后開散，脈沖加寬，使誤碼率增加，降低傳輸容量。展寬現(xiàn)象見圖1。

圖中可以看出，光譜中頻率最小的部分最先到達(dá)接收端，頻率最大的部分要延遲到達(dá)，形成了脈沖展寬。

3.2色散補(bǔ)償技術(shù)

目前的色散補(bǔ)償技術(shù)有基于光學(xué)方法的光學(xué)補(bǔ)償器和基于電子技術(shù)的補(bǔ)償方法。光學(xué)補(bǔ)償方法技術(shù)較成熟，結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本較高。電子技術(shù)不需要新增光學(xué)器件，結(jié)構(gòu)相對簡單，成本相對較低。

在數(shù)學(xué)上光波在光纖中的傳輸方程表示為：

其中x為極化單位矢量，β為限號巷尾傳輸常數(shù)，z為光纖長度，F(xiàn)（x，y）為一個(gè)高斯分布近似表示光纖的基本模式。F（x，y）與ω的關(guān)聯(lián)程度與光波中心頻率ω0相比可以忽略不計(jì)。光纖信號在傳播中的頻譜分量利用逆傅里葉變換轉(zhuǎn)換到時(shí)域時(shí)信號幅度表示為：

電子色散補(bǔ)償是基于信道均衡原理，在發(fā)射端電子色散補(bǔ)償模塊中對電信號的電光轉(zhuǎn)換預(yù)處理，在接收端電子色散補(bǔ)償模塊對光電信號轉(zhuǎn)換后進(jìn)行濾波和均衡處理。

3.3電子色散補(bǔ)償技術(shù)中均衡器應(yīng)用原理

理想的傳輸系統(tǒng)波形不發(fā)生失真才能使輸出信號無損傷再現(xiàn)，即y（t）=kx（t-τ），K和τ為常數(shù)分別表示幅度變化和時(shí)間延遲。經(jīng)兩端傅里葉變換得出理想無失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)頻域傳遞函數(shù)為H（ω）=Y（ω）/X（ω）=Kexp（-iωτ）.該狀態(tài)下的頻域傳遞函數(shù)為H（ω）=KX（ω）exp（-iωτ）.即用于補(bǔ)償信道失真的均衡器傳遞函數(shù)與信道傳遞函數(shù)互為倒數(shù)。通過時(shí)域角度，不考慮噪聲影響，若線性結(jié)構(gòu)的均衡器具有N個(gè)延時(shí)單元和抽頭系數(shù)，輸入信號為y（t）時(shí)的均衡器輸出信號為

通過上式可以看出，抽頭系數(shù)ck的適當(dāng)選擇可消除前后N個(gè)符號對抽樣點(diǎn)的碼間干擾。

3.4前饋均衡器及自適應(yīng)算法

均衡器的結(jié)構(gòu)可分為線性和非線性兩類，線性均衡器是在色散不嚴(yán)重的情況下使用，將接收機(jī)中的判決結(jié)果反饋給均衡器的調(diào)整參數(shù)。反之，若色散嚴(yán)重時(shí)就必須采用非線性均衡器。前饋均衡器屬于自適應(yīng)線性均衡器，由一個(gè)有限信號沖擊響應(yīng)濾波器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖2。

由圖2可見，線性均衡器的優(yōu)缺點(diǎn)同樣明顯，其結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)，可在各數(shù)字通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，但隨著抽頭階數(shù)增加，均衡器會放大噪聲，并且當(dāng)光的兩個(gè)偏振態(tài)功率相等，均衡器就無法有效補(bǔ)償。

自適應(yīng)線性均衡器采用自適應(yīng)算法調(diào)制抽頭系數(shù)，同時(shí)跟蹤信道變化，使均衡器達(dá)到效果最優(yōu)。自適應(yīng)算法根據(jù)最優(yōu)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，算法包括最陡下降算法、最小均方算法、最小二乘算法等。本文以前饋均衡器結(jié)構(gòu)為例，使用基于最小均方誤差準(zhǔn)則的LMS算法，根據(jù)均方誤差準(zhǔn)則得到的均方誤差為ζ（n）=E[d2（n）]-2E[d（n）wΥ（n）x（n）]+E[

WΥ（n）x（n）xΥ（n）w（n）].當(dāng)抽頭系數(shù)固定時(shí)上式可寫為：

ζ（n）=σ2 d-2wΥ（n）P+wΥ（n）Rw（n）3，這時(shí)的ζ（n）函數(shù)圖形為中間向下凹的拋物面，尋求拋物面最低點(diǎn)的過程即自適應(yīng)過程，最陡下降法的權(quán)重系數(shù)更新表達(dá)式為：

W（n+1）=w（n）-1/2.μ▽ζ（n）。自適應(yīng)算法的抽頭系數(shù)更新表達(dá)式為：w（n+1）=w（n）+μx（n）e（n）。

四、仿真分析

本文利用Optisystem環(huán)境下直接檢測光纖通信系統(tǒng)，采用Matlab實(shí)現(xiàn)均衡器各種均衡模塊，針對不同調(diào)制格式下線性和非線性均衡器結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真研究。

4.1線性均衡器仿真分析

利用自適應(yīng)算法獲得均衡器的抽頭系數(shù)，光纖傳輸距離≤120km。從仿真時(shí)傳輸性能曲線上可看出，采用線性均衡器進(jìn)行色散補(bǔ)償后，系統(tǒng)性能得到了明顯的提升，而且隨抽頭階數(shù)增加性能不斷提高，同時(shí)系統(tǒng)的復(fù)雜度也在提升。

當(dāng)傳輸距離達(dá)到120km時(shí)，采用3階均衡器進(jìn)行補(bǔ)償，系統(tǒng)的EPO提高了6db，采用5階時(shí)對EPO的改善更加明顯，達(dá)到了12db。當(dāng)抽頭階數(shù)達(dá)到5階以上是，對系統(tǒng)性能的改善便不再明顯，因此選用5階抽頭系數(shù)可基本滿足系統(tǒng)傳輸要求。

由于線性部分的調(diào)整使得碼間干擾的影響降低，但傳輸距離的增加使線性項(xiàng)逐漸變小直至零，在檢測中非線性項(xiàng)起到了決定作用，這時(shí)的均衡器作用便不再明顯。不同的調(diào)制格式下的檢測中，線性項(xiàng)均來自載波分量，載波在信號帶內(nèi)決定了非線性項(xiàng)的主導(dǎo)地位，致使線性均衡結(jié)構(gòu)也起不到作用。

4.2非線性均衡器仿真分析

觀察在不歸零調(diào)制碼和差分項(xiàng)位調(diào)制碼下采用非線性均衡去進(jìn)行色散補(bǔ)償時(shí)的系統(tǒng)傳輸距離曲線圖，可以看到，當(dāng)光纖傳輸距離≤60km時(shí)，均衡器在不同碼率下的性能差異不明顯，當(dāng)光纖傳輸距離達(dá)到120km時(shí)，非線性均衡器有效的降低系統(tǒng)光信噪比，比補(bǔ)償之前的光信噪比降低了5dB，明顯好于只采用線性結(jié)構(gòu)的均衡效果。非線性均衡器處于于不同相位調(diào)制格式下，隨傳輸距離的增加，非線性均衡器結(jié)構(gòu)能較好的消除光電二極管對檢測時(shí)非線性主導(dǎo)因素帶來的色散損傷。

在工程實(shí)際應(yīng)用中，仍然以前饋均衡器的實(shí)現(xiàn)最為簡單，在對信號要求不是特別高的傳輸系統(tǒng)中可以取的較好的色散補(bǔ)償效果。

五、結(jié)論

當(dāng)前高速公路信息系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，使骨干傳輸網(wǎng)面臨著帶寬壓力的挑戰(zhàn)，高速率大容量的光傳輸網(wǎng)絡(luò)又面臨著光放與色散的制約，使電子色散補(bǔ)償技術(shù)有了用武之地。本文針對目前既有的傳輸網(wǎng)，直接檢測光纖通信系統(tǒng)中電子色散均衡及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，分析了光纖中色散的成因和數(shù)學(xué)表達(dá)形式，提出了基于電子技術(shù)色散補(bǔ)償方案。最后利用Optisystem與Matlab聯(lián)合仿真了通信系統(tǒng)對不同碼型的傳輸，經(jīng)對比測試和研究得出前饋?zhàn)赃m應(yīng)非線性均衡器是教具優(yōu)勢的色散補(bǔ)償均衡器。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]崔艷玲.新型光子晶體光纖的色散特性和帶隙特性研究[碩士學(xué)位論文].燕山大學(xué)，2010.

[2]胡先志，余少華，光纖通信基本理論與技術(shù)（第一版），華中科技大學(xué)出版社，2008

[3]A. Leven， N. Kaneda， U. Koc， et al.， Frequency Estimation in Intradyne Reception.IEEE Photon. Technol. Lett.， vo1.19 2007（6）：366-368

[4]D. Godard. Self-recovering Equalization and Carrier Tracking in a Two-dimensional Data Communication Systems. IEEE Trans. Commun.， vol. 28， 1980： 1867-1875

[5]楊福生，洪波.獨(dú)立分量分析的原理與應(yīng)用.清華大學(xué)出版社，2006.