高速公路光傳輸系統的光放和色散過程研究

郭曉峰

【摘要】 隨著高速公路建設的發展，相關運營業務量加大，高速公路通信系統建設變得尤為重要。光纖傳輸系統的開發和研究為高速公路通信系統提供了有力的支持，光纖傳輸由速率到傳輸距離已經產生了飛躍性進步。然而，色散與光放等傳輸系統的制約因素依然對光通信系統性能造成巨大影響。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，分析了LMS自適應算法及前饋均衡器，通過仿真對均衡器在不同調制格式下色散補償性能模擬分析，為后續建模仿真打下基礎。

【關鍵詞】 光纖通信 色散補償 均衡器 LMS自適應算法

一、引言

高速公路的通信系統支撐著公路的現代化管理，是現代化管理的基礎設施。光傳輸系統的應用將高速公路的監控系統、收費管理系統的音頻和視頻信息及時的傳輸，發揮了高速公路高速、高效、安全、舒適的特點。然而，隨著高速公路相關業務量的加大，傳輸速率與傳輸距離的增加，光傳輸的制約因素光放和色散問題越發凸顯。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。

本文針對光纖中色散現象研究了傳輸性能和調制格式，提出了被動均衡技術及直接檢測光通信系統的色散補償技術。對前饋均衡器的結構以及特點進行分析，并利用Matlab仿真了均衡器結構在不同調制格式下色散的補償性能，為后續的建模仿真打下良好基礎，對實現高速的集團化，科學化、規范化管理具有重要的意義[1-3]。

二、高速公路通信系統

高速公路信息管理體制在業務管理機構上分為四層。第一層為高速公路集團公司，第二層為各分公司和基建公司，第三層為各級管理處，第四層為收費站、服務區、養護工區。對處于不同地域的信息部門進行交通運輸管理、行政路政管理及工程養護管理等業務時需要建立覆蓋各級管理部門的通訊系統網絡，現代化的通信網絡提供⑴各級管理部門間的電話通信。⑵各級管理部門件計算機網絡通訊。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據通信。隨著高速公路建設的規模化及相關業務量的增加，高速公路系統新的需求為⑴完善的通信網絡以提供良好的通信平臺。⑵提供多業務支持功能，確保告高速沿線的語音、數據、圖像等業務接入。⑶圖像監控功能增強以實時掌握路況[4，5]。

目前高速公路通訊入網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。光纖接入系統由光纖線路終端和光纖網絡單元等組成，應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償技術

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波導，具有極低的損耗和極大的帶寬，是光纖通信的重要組成。

色散在數值上表現的是光纖中折射率和頻率間的相互關系。在光纖通訊系統中，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。展寬現象見圖1。

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

3.2色散補償技術

目前的色散補償技術有基于光學方法的光學補償器和基于電子技術的補償方法。光學補償方法技術較成熟，結構復雜成本較高。電子技術不需要新增光學器件，結構相對簡單，成本相對較低。

在數學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，z為光纖長度，F（x，y）為一個高斯分布近似表示光纖的基本模式。F（x，y）與ω的關聯程度與光波中心頻率ω0相比可以忽略不計。光纖信號在傳播中的頻譜分量利用逆傅里葉變換轉換到時域時信號幅度表示為：

電子色散補償是基于信道均衡原理，在發射端電子色散補償模塊中對電信號的電光轉換預處理，在接收端電子色散補償模塊對光電信號轉換后進行濾波和均衡處理。

3.3電子色散補償技術中均衡器應用原理

理想的傳輸系統波形不發生失真才能使輸出信號無損傷再現，即y（t）=kx（t-τ），K和τ為常數分別表示幅度變化和時間延遲。經兩端傅里葉變換得出理想無失真傳輸系統頻域傳遞函數為H（ω）=Y（ω）/X（ω）=Kexp（-iωτ）.該狀態下的頻域傳遞函數為H（ω）=KX（ω）exp（-iωτ）.即用于補償信道失真的均衡器傳遞函數與信道傳遞函數互為倒數。通過時域角度，不考慮噪聲影響，若線性結構的均衡器具有N個延時單元和抽頭系數，輸入信號為y（t）時的均衡器輸出信號為

通過上式可以看出，抽頭系數ck的適當選擇可消除前后N個符號對抽樣點的碼間干擾。

3.4前饋均衡器及自適應算法

均衡器的結構可分為線性和非線性兩類，線性均衡器是在色散不嚴重的情況下使用，將接收機中的判決結果反饋給均衡器的調整參數。反之，若色散嚴重時就必須采用非線性均衡器。前饋均衡器屬于自適應線性均衡器，由一個有限信號沖擊響應濾波器構成，其結構如圖2。

由圖2可見，線性均衡器的優缺點同樣明顯，其結構簡單、易于實現，可在各數字通信系統中廣泛應用，但隨著抽頭階數增加，均衡器會放大噪聲，并且當光的兩個偏振態功率相等，均衡器就無法有效補償。

自適應線性均衡器采用自適應算法調制抽頭系數，同時跟蹤信道變化，使均衡器達到效果最優。自適應算法根據最優準則設計，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構為例，使用基于最小均方誤差準則的LMS算法，根據均方誤差準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）].當抽頭系數固定時上式可寫為：

ζ（n）=σ2 d-2wΥ（n）P+wΥ（n）Rw（n）3，這時的ζ（n）函數圖形為中間向下凹的拋物面，尋求拋物面最低點的過程即自適應過程，最陡下降法的權重系數更新表達式為：

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

四、仿真分析

本文利用Optisystem環境下直接檢測光纖通信系統，采用Matlab實現均衡器各種均衡模塊，針對不同調制格式下線性和非線性均衡器結構進行仿真研究。

4.1線性均衡器仿真分析

利用自適應算法獲得均衡器的抽頭系數，光纖傳輸距離≤120km。從仿真時傳輸性能曲線上可看出，采用線性均衡器進行色散補償后，系統性能得到了明顯的提升，而且隨抽頭階數增加性能不斷提高，同時系統的復雜度也在提升。

當傳輸距離達到120km時，采用3階均衡器進行補償，系統的EPO提高了6db，采用5階時對EPO的改善更加明顯，達到了12db。當抽頭階數達到5階以上是，對系統性能的改善便不再明顯，因此選用5階抽頭系數可基本滿足系統傳輸要求。

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

4.2非線性均衡器仿真分析

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

在工程實際應用中，仍然以前饋均衡器的實現最為簡單，在對信號要求不是特別高的傳輸系統中可以取的較好的色散補償效果。

五、結論

當前高速公路信息系統的迅猛發展，使骨干傳輸網面臨著帶寬壓力的挑戰，高速率大容量的光傳輸網絡又面臨著光放與色散的制約，使電子色散補償技術有了用武之地。本文針對目前既有的傳輸網，直接檢測光纖通信系統中電子色散均衡及相關技術進行研究，分析了光纖中色散的成因和數學表達形式，提出了基于電子技術色散補償方案。最后利用Optisystem與Matlab聯合仿真了通信系統對不同碼型的傳輸，經對比測試和研究得出前饋自適應非線性均衡器是教具優勢的色散補償均衡器。

參 考 文 獻

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

[2]胡先志，余少華，光纖通信基本理論與技術（第一版），華中科技大學出版社，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.獨立分量分析的原理與應用.清華大學出版社，2006.