光MAMSK相干检测系统综述分解.docx

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光MAMSK相干检测系统综述分解

光MAMSK相干检测系统综述

摘要:

随着人们对信息传输速率需求的不断提高,致使光纤通信向大容量、超高速、超长跨距这一方向发展。

由于传输速率的提高,距离的增大,光纤信道中的色散、非线性效应等对信号的影响也愈加严重。

采用新型的光调制技术可以有效增强系统对这些传输损伤的抑制能力。

因此新型的光调制技术也就成为光纤通信的研究关键。

目前在OOK调制格式方面已经做了许多研究工作，例如DPSK、DQPSK以及CPFSK。

然而仍然存在改进这些调制格式传输性能的需要。

像RZ-DPSK这样的先进格式在长距离传输方面显示出良好的性能[1]，但是和RZ-DPSK相比,最小频移键控（MSK）有较大的色散容忍度和更强的鲁棒性来抵抗由紧密光学滤波器引起的符号干扰（lSI）效应的额外优势。

事实上MSK具有包络恒定、相位连续,更窄的功率谱和低旁瓣等特性[2]，这些特性使它在高速度和高频谱效率的系统中成为更可取的数据格式。

尤其在其他有线和无线通信系统中，MSK早已是广为人知的调制格式，而在光通信系统中的研究直到最近几年才开始得到关注。

近来报道了一些针对光MSK系统的研究，有的是驱动方式的不同[5,6]，有的是调制结构的不同[7-12]，不同的光发送机配置和电驱动会导致多电平光调制信号的不同特征，一些文章对这些不同方案进行了分析和比较[13,14]。

国内外的一些研究团队已经通过外部调制器来产生光MSK信号，信号的解调一般使用干涉的方法；关于MSK信号的相干检测的实验研究文献报道还不多，所以目前关于MSK的研究工作还有限。

另外随着带宽需求的不断增长，多维多阶调制格式成为目前研究的热点，为了更进一步增大系统容量，降低成本，实现高速大容量光信号的长距离传输，对于多维多阶调制格式的高频谱效率传输技术的研究势在必行。

现今，对高速大容量多维多阶调制格式的光传输的研究已进入了比较成熟的阶段，国际国内光通信的研究组织已做了不少的实验。

作为高效的调制方式，8PSK（３阶相移键控）、８QAM（３阶正交调幅）以及16QAM（４阶正交调幅）都是实现高速大容量传输的不错选择。

但受限于现有光电器件的水平，现已证实的多维多阶调制格式基本都是基于级联方式实现的。

本文在已有的光MSK调制格式的基础上提出了一种新型的MAMSK调制格式,这种新型的MAMSK调制格式采用相位调制结合多幅度调制的方法,同时在信号的相位和幅度上调制信息,达到降低码速的目的。

关键字:

高速光纤通信最小移频键控多幅度最小移频键控相干检测

1前言

近年来，高级调制格式得到了广泛关注，它们在高密度长距离传输系统中的应用表现出了诸多优势。

含载波的归零（RZ）码和NRZ码，或是载波抑制的RZ码（CS-RZ）可与幅度（ASK）、相位（PSK）和差分相位（DPSK、DQPSK）等键控技术结合。

连续相位调制CPM也是另外一种形式的相移键控，在这种调制方式中当光信号从一个相位状态变化到另一个相位状态时，载波的相位是连续变化的。

对于最小频移键控（MSK），相位的变化被限制在π/2。

尽管在无线数字通信中，MSK早已是广为人知的调制格式，但它在光通信系统中的研究直到最近几年才开始得到关注。

MSK中的相位连续演化具有很多有趣的特点：

其功率谱的主瓣比正交相移键控（QPSK）和DPSK要宽，但其旁瓣却要低得多，这使得光滤波更为容易，因此由于色散而导致的畸变要小一些。

此外，集中在MSK频谱的主瓣中的能量比旁瓣多，因此在接受机处可获得更高的信噪比。

最小频移键控（MSK）作为一种特殊的连续相位调制（CPM）信号，具有相位连续、频谱利用率高、包络恒定、边带衰弱快[16]等优点，这些良好的特性使得MSK被广泛应用于蓝牙、移动通信系统等商业和军用无线通信系统中。

此外，MSK信号波形具有很低的峰均功率比（PAPR），对非线性失真不敏感，因而信号放大时可以采用廉价低功耗非线性放大器。

现在光MSK调制信号现在可以通过集成了马赫曾德调制器的I-Q调制器产生[17]。

为了适应光信号的高速传输，也有研究者们进行了改进MSK信号的传输[18]。

复旦大学将MSK调制引入到相干光检测技术中，进行了大量相干光MSK系统的研究[19,20]。

2010年，复旦大学的张自然等提出了对于光MSK信号的一种频偏估计方法来消除相位噪声[21]。

在2012年，复旦大学的陶理、迟楠等提出了基于串行最小频移键控的8进制调制的研究，用串行结构实现了光MSK信号的调制[22]。

北京邮电大学通过实验实现了恒包络MSK的OFDM相干光传输系统，将MSK调制引入到OFDM相干光通信系统中[23]，并将MSK与多电平调制方案相结合搭建了MAMSK-OFDM直接检测系统[25]。

Thomas等则发表了相关论文，提出了建立偏振复用连续相位调制相干光系统的设想[24]。

但是总的来说，将MSK调制引入到相干光通信中来的研究处于刚刚起步的阶段，要建立完整高效的相干光MSK系统还有许多关键问题需要解决。

20世纪90年代末以来，由于光电器件发展逐渐成熟，高速数字信号处理的发展以及大量关键技术被突破，人们开始了小型化、高速化的数字相干光通信系统研究。

在2002年，R.A.Griffin等通过实验建立了10Gbit/s高速DQPSK相干光纤通信系统[35]。

在2003年M.G.Taylor等通过实验建立了10Gbit/sDPSK数字相干检测的系统[18]，这些相干光通信系统的建立标志着相干光通信技术已经成为了现代通信研究的重点。

从2005年开始，关于相干光通信技术每年都有许多高水平的文章发表，比如正交频分复用（OFDM）和偏振差分四相移相键控（PM-DQPSK）等关于高级调制信号的研究、相干光接收机的研究和相干光通信中一些关键技术的研究等等。

近年来，国内的许多高校已经开始研究相干光通信，已经完成了数字相干光检测实验平台的搭建。

北京邮电大学主要进行了光OFDM通信技术的研究，其接收部分大都使用了相干检测技术。

而在2012年，湖南大学微纳光电器件及应用教育部重点实验室实现了40Gbit/s偏振复用QPSK相干光数字通信系统传输实验。

但是总的来说国内关于相干光通信技术的研究才刚刚起步不久，现在主要的研究方式是建立数字相干光通信系统实验平台，在其中对光相干检测技术、DSP技术、以及先进光传输技术进行研究。

目前，关于光MSK领域的研究工作还很有限，与其他调制格式相比，MSK所具有的一些特点推动着科研工作者不断地研究它在大容量长距离光纤通信中的适用性。

此外，MSK功率谱的旁瓣在很大程度上被抑制，这使得它具有很好的抗色散和抗信道间串扰的能力。

因此，将多进制MSK调制格式与相干光结合起来，可以进一步提高系统的性能和频谱利用率。

这种结合也将是未来光通信中研究的热点。

2光MSK信号的调制解调原理

2.1MSK信号的基本原理及特点

2.1.1MSK信号的基本原理

MSK信号属于FSK信号，又是一种相位连续的FSK信号，它是CPFSK信号的一种特例。

MSK信号的数学表达式为:

（2.1）

其中是载波角频率，是码元的持续时间，是码元的宽度，在MSK信号中有，而是符号的相位常数，其在中是保持不变的，表示传输的第个符号的信息，取值范围为，而式中为MSK信号的附加相位函数，它是通过用积累的总相位减去随着时间增长的载波相位得到的。

首先看MSK信号对载波的约束关系。

通过式（2.1）可知，当时，可以用频率为的信号表示：

（2.2）

而当时，用频率为的信号表示：

（2.3）

因此可知两个频率和的间隔为：

（2.4）

然后分析式（2.1）中的附加相位函数。

（2.5）

通过观察可以发现式（2.5）是一个直线方程，其中为方程的斜率，

而截距为。

由于式中的取值范围是，所以在每个码元周期段内

都为直线，另外由于的取值只能为，所以在整个时间轴上可以表示

成一个分段函数。

而每经过一个码元周期的变化总量总是，即当时，在一个码元周期内增大；当时，在一个码元周期内减小。

在式（2.14）中的与信号都是时间的连续函数，这就导致的频谱密度相比较于一般的离散信号下降的速度更快。

所以MSK信号只会在带外产生非常小的干扰，这也是MSK信号的优点之一。

最后再研究（2.1）中的相位常数，由于表示的是信号中第个符号的相位，因此它在每个符号周期时间段里都取不同的值。

而MSK信号是一种连续相位的信号，所以从波形上看信号应该是连续的且没有间断点的。

而相位常数的选择就应该保证信号的相位在每个码元转换的时间点上是连续的，即

（2.6）

则通过上式可以得到相位的递归条件如下：

（2.7）

式（2.6）说明在MSK调制信号中，不仅与有关，也与及有关。

这就是说，前后两个码元之间存在相关性或者连续性。

其中“连续”是指在码元

（即范围为）内，其起始相位要等于前一个码元的终止相位（即

时信号的相位）。

在一个码元间隔内，虽然信号的相位相对于载波的相位差只变化了，但是在这个码元内，相对于载波的实际相位却能够是千变万化的，因为这和它之前已经发送过的码流有关。

设输入的数据流为若将绘成曲线时，则得到如图2.2的曲线。

它是表示以载波相位为基础，MSK波形的相位可能的取值随着时间变化的路径，这个路径就叫做MSK信号的相位路径

通过图2.3可以看出：

1、当时间t是符号周期的奇数倍时，即，总是的奇数倍。

而当时间t是符号周期的偶数倍时，即，则总是的偶数倍。

由于余弦函数总是以为模的，所以在时，取值为。

当时，取值为0或。

2、在一个码元周期内，函数的截距不是0就是的整数倍。

同样，余弦函数是以为模，因此的取值只有0或。

图2.1MSK附加相位函数的波形图2.2MSK附加相位网络路径

由（2.1）可得出MSK的正交表示形式：

（2.8）

由（2.8）表示可知，此MSK信号可以分解为相同分量I和正交分量Q两部分。

关于MSK信号的调制原理一般是将它看成是具有正/余弦函数加权的同相和正交支路信号合成的结果。

2.1.2MSK信号的功率谱

MSK调制信号的功率谱密度为：

（2.9）

式中是载波信号的振幅，是中心载波频率，而是码元的宽度。

图2.4是MSK信号与BPSK信号的频谱图比较，从图中可以看出，在同样情况下，与其他PSK信号相比MSK信号具有以下优势：

1、MSK信号的旁瓣滚降速度将对于BPSK来说更快，随着远离中心频率，BPSK的频率是以的规律下降，而MSK信号的频率则是以的规律下降。

MSK信号的第一旁瓣比主瓣峰值大约低23dB，因此其信号能量主要集中在较低频率处。

若把信号的能量集中作为标准，则MSK信号的能量集中在频带宽度约为的范围内。

2、MSK信号的功率谱非常紧凑，从图中可以看出它的功率谱图第一个零点在处，而BPSK功率谱图的第一个零点则在处，这很直观地说明了MSK信号功率谱的主瓣相对于BPSK信号来说所占的频带宽度更窄；而在旁瓣上，MSK信号功率谱下降速度更加快。

这也就说明MSK信号功率谱很紧凑，其信号的功率主要都集中在主瓣内。

因此，MSK调制方式占用的频带更加少，可以很好的起到节约频带资源的作用，同时它对相邻信道的干扰也很小。

图2.3MSK和BPSK信号的功率谱

2.1.3MSK信号的特点

由以上数学推导可以得出，MSK信号具有以下特点：

1、MSK信号是正交信号，具有恒定包络，可以使用非线性幅度饱和器件进行放大。

2、MSK信号瞬时频率总是两个值之一，其频率偏移严格地等于，相应的调制指数为0.5。

3、在码元转换的瞬间，信号的相位是连续的，信号的波形没有突变。

4、MSK信号的频谱的主瓣比较窄，旁瓣滚降速度较快，有99%的能量集中在的带宽内，因此可通过带宽较窄的带通滤波器。

5、把载波相位作为基准，MSK信号的相位在一个码元周期内线性变化。

6、任何一个码元周期内，信号中都含有四分之一个载波周期的整数倍。

2.2光MSK调制信号的产生

尽管在无线数字通信中，MSK早已是广为人知的调制格式，但它在光通信系统中的