高速公路光传输系统的光放和色散过程研究

【摘要】 随着高速公路建设的发展，相关运营业务量加大，高速公路通信系统建设变得尤为重要。光纤传输系统的开发和研究为高速公路通信系统提供了有力的支持，光纤传输由速率到传输距离已经产生了飞跃性进步。然而，色散与光放等传输系统的制约因素依然对光通信系统性能造成巨大影响。本文针对光传输随传输速率提高和传输距离的增加造成信号损失问题，提出一种色散缓解措施-被动均衡技术，分析了LMS自适应算法及前馈均衡器，通过仿真对均衡器在不同调制格式下色散补偿性能模拟分析，为后续建模仿真打下基础。

【关键词】 光纤通信 色散补偿 均衡器 LMS自适应算法

一、引言

高速公路的通信系统支撑着公路的现代化管理，是现代化管理的基础设施。光传输系统的应用将高速公路的监控系统、收费管理系统的音频和视频信息及时的传输，发挥了高速公路高速、高效、安全、舒适的特点。然而，随着高速公路相关业务量的加大，传输速率与传输距离的增加，光传输的制约因素光放和色散问题越发凸显。色散会使脉冲展宽，造成码间干扰和误码率，最终使系统传输性能降低，因此对光放和色散的研究成为近年研究的热点。

本文针对光纤中色散现象研究了传输性能和调制格式，提出了被动均衡技术及直接检测光通信系统的色散补偿技术。对前馈均衡器的结构以及特点进行分析，并利用Matlab仿真了均衡器结构在不同调制格式下色散的补偿性能，为后续的建模仿真打下良好基础，对实现高速的集团化，科学化、规范化管理具有重要的意义[1-3]。

二、高速公路通信系统

高速公路信息管理体制在业务管理机构上分为四层。第一层为高速公路集团公司，第二层为各分公司和基建公司，第三层为各级管理处，第四层为收费站、服务区、养护工区。对处于不同地域的信息部门进行交通运输管理、行政路政管理及工程养护管理等业务时需要建立覆盖各级管理部门的通讯系统网络，现代化的通信网络提供⑴各级管理部门间的电话通信。⑵各级管理部门件计算机网络通讯。⑶各级管理部门之间的视频通信。⑷各级管理部门与外界的数据通信。随着高速公路建设的规模化及相关业务量的增加，高速公路系统新的需求为⑴完善的通信网络以提供良好的通信平台。⑵提供多业务支持功能，确保告高速沿线的语音、数据、图像等业务接入。⑶图像监控功能增强以实时掌握路况[4，5]。

目前高速公路通讯入网方式分成有线接入和无线接入两类。有线接入为光纤接入和混合光纤同轴电缆接入，无线接入包括固定无线接入和移动接入。光纤接入系统由光纤线路终端和光纤网络单元等组成，应用类型有光纤到路边、到楼、到户及办公室。

三、光纤中的色散及色散补偿技术

3.1光纤与色散

光纤由纯石英加工而成，是工作在光波频率的圆柱形介质波导，具有极低的损耗和极大的带宽，是光纤通信的重要组成。

色散在数值上表现的是光纤中折射率和频率间的相互关系。在光纤通讯系统中，信号的频率成分不同，在光纤中传输一定距离后开散，脉冲加宽，使误码率增加，降低传输容量。展宽现象见图1。

图中可以看出，光谱中频率最小的部分最先到达接收端，频率最大的部分要延迟到达，形成了脉冲展宽。

3.2色散补偿技术

目前的色散补偿技术有基于光学方法的光学补偿器和基于电子技术的补偿方法。光学补偿方法技术较成熟，结构复杂成本较高。电子技术不需要新增光学器件，结构相对简单，成本相对较低。

在数学上光波在光纤中的传输方程表示为：

其中x为极化单位矢量，β为限号巷尾传输常数，z为光纤长度，F（x，y）为一个高斯分布近似表示光纤的基本模式。F（x，y）与ω的关联程度与光波中心频率ω0相比可以忽略不计。光纤信号在传播中的频谱分量利用逆傅里叶变换转换到时域时信号幅度表示为：

電子色散补偿是基于信道均衡原理，在发射端电子色散补偿模块中对电信号的电光转换预处理，在接收端电子色散补偿模块对光电信号转换后进行滤波和均衡处理。

3.3电子色散补偿技术中均衡器应用原理

理想的传输系统波形不发生失真才能使输出信号无损伤再现，即y（t）=kx（t-τ），K和τ为常数分别表示幅度变化和时间延迟。经两端傅里叶变换得出理想无失真传输系统频域传递函数为H（ω）=Y（ω）/X（ω）=Kexp（-iωτ）.该状态下的频域传递函数为H（ω）=KX（ω）exp（-iωτ）.即用于补偿信道失真的均衡器传递函数与信道传递函数互为倒数。通过时域角度，不考虑噪声影响，若线性结构的均衡器具有N个延时单元和抽头系数，输入信号为y（t）时的均衡器输出信号为

通过上式可以看出，抽头系数ck的适当选择可消除前后N个符号对抽样点的码间干扰。

3.4前馈均衡器及自适应算法

均衡器的结构可分为线性和非线性两类，线性均衡器是在色散不严重的情况下使用，将接收机中的判决结果反馈给均衡器的调整参数。反之，若色散严重时就必须采用非线性均衡器。前馈均衡器属于自适应线性均衡器，由一个有限信号冲击响应滤波器构成，其结构如图2。

由图2可见，线性均衡器的优缺点同样明显，其结构简单、易于实现，可在各数字通信系统中广泛应用，但随着抽头阶数增加，均衡器会放大噪声，并且当光的两个偏振态功率相等，均衡器就无法有效补偿。

自适应线性均衡器采用自适应算法调制抽头系数，同时跟踪信道变化，使均衡器达到效果最优。自适应算法根据最优准则设计，算法包括最陡下降算法、最小均方算法、最小二乘算法等。本文以前馈均衡器结构为例，使用基于最小均方误差准则的LMS算法，根据均方误差准则得到的均方误差为ζ（n）=E[d2（n）]-2E[d（n）wΥ（n）x（n）]+E[

WΥ（n）x（n）xΥ（n）w（n）].当抽头系数固定时上式可写为：

ζ（n）=σ2 d-2wΥ（n）P+wΥ（n）Rw（n）3，这时的ζ（n）函数图形为中间向下凹的抛物面，寻求抛物面最低点的过程即自适应过程，最陡下降法的权重系数更新表达式为：

W（n+1）=w（n）-1/2.μ▽ζ（n）。自适应算法的抽头系数更新表达式为：w（n+1）=w（n）+μx（n）e（n）。

四、仿真分析

本文利用Optisystem环境下直接检测光纤通信系统，采用Matlab实现均衡器各种均衡模块，针对不同调制格式下线性和非线性均衡器结构进行仿真研究。

4.1线性均衡器仿真分析

利用自适应算法获得均衡器的抽头系数，光纤传输距离≤120km。从仿真时传输性能曲线上可看出，采用线性均衡器进行色散补偿后，系统性能得到了明显的提升，而且随抽头阶数增加性能不断提高，同时系统的复杂度也在提升。

當传输距离达到120km时，采用3阶均衡器进行补偿，系统的EPO提高了6db，采用5阶时对EPO的改善更加明显，达到了12db。当抽头阶数达到5阶以上是，对系统性能的改善便不再明显，因此选用5阶抽头系数可基本满足系统传输要求。

由于线性部分的调整使得码间干扰的影响降低，但传输距离的增加使线性项逐渐变小直至零，在检测中非线性项起到了决定作用，这时的均衡器作用便不再明显。不同的调制格式下的检测中，线性项均来自载波分量，载波在信号带内决定了非线性项的主导地位，致使线性均衡结构也起不到作用。

4.2非线性均衡器仿真分析

观察在不归零调制码和差分项位调制码下采用非线性均衡去进行色散补偿时的系统传输距离曲线图，可以看到，当光纤传输距离≤60km时，均衡器在不同码率下的性能差异不明显，当光纤传输距离达到120km时，非线性均衡器有效的降低系统光信噪比，比补偿之前的光信噪比降低了5dB，明显好于只采用线性结构的均衡效果。非线性均衡器处于于不同相位调制格式下，随传输距离的增加，非线性均衡器结构能较好的消除光电二极管对检测时非线性主导因素带来的色散损伤。

在工程实际应用中，仍然以前馈均衡器的实现最为简单，在对信号要求不是特别高的传输系统中可以取的较好的色散补偿效果。

五、结论

当前高速公路信息系统的迅猛发展，使骨干传输网面临着带宽压力的挑战，高速率大容量的光传输网络又面临着光放与色散的制约，使电子色散补偿技术有了用武之地。本文针对目前既有的传输网，直接检测光纤通信系统中电子色散均衡及相关技术进行研究，分析了光纤中色散的成因和数学表达形式，提出了基于电子技术色散补偿方案。最后利用Optisystem与Matlab联合仿真了通信系统对不同码型的传输，经对比测试和研究得出前馈自适应非线性均衡器是教具优势的色散补偿均衡器。

参 考 文 献

[1]崔艳玲.新型光子晶体光纤的色散特性和带隙特性研究[硕士学位论文].燕山大学，2010.

[2]胡先志，余少华，光纤通信基本理论与技术（第一版），华中科技大学出版社，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]杨福生，洪波.独立分量分析的原理与应用.清华大学出版社，2006.

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