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河北工业大学硕士学位论文基于最大似然序列估计的均衡器的研究姓名：王明俊申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：刘剑飞20081101河北工业大学硕士学位论文 i基于最大似然序列估计的均衡器的研究基于最大似然序列估计的均衡器的研究 摘摘 要要 本论文是河北省自然科学基金资助项目(F2008000116) 随着高速光纤系统的发展，偏振模色散(PMD)成为限制高速率传输的主要因素然而传统的光域补偿由于技术的复杂程度及成本等方面存在缺点，近年来电域均衡技术以其突出的价格优势和对色散变化较强的适应能力等特点倍受关注 本文设计了一基于最大似然序列估计(MLSE)的均衡器，该均衡器通过 Viterbi 译码算法实现，用来补偿光纤通信系统中由偏振模色散(PMD)引起的码间干扰首先介绍了课题研究背景和研究内容以及偏振模色散(PMD)的相关基本理论，分析了线性前馈横向均衡器和判决反馈均衡器及其算法；其次重点研究了基于 Viterbi 译码算法的最大似然序列估计(MLSE)均衡器，通过编写 Matlab 程序对带偏振模色散(PMD)的光纤通信系统进行仿真，仿真结果表明对于单信道 40Gbit/s 的非归零码(NRZ)系统， 在加性高斯白噪声条件(AWGN)下，最大似然序列估计(MLSE)均衡器能有效地抑制偏振模色散(PMD)，改善系统性能；最后对最大似然序列估计(MLSE)均衡器同线性前馈横向均衡器和判决反馈均衡器进行了比较，结果表明最大似然序列估计(MLSE)均衡器优于线性前馈横向均衡器和判决反馈均衡器。

关键词：关键词：最大似然序列估计，Viterbi 算法，偏振模色散，线性前馈横向均衡器，判决反馈均衡器 基于最大似然序列估计的均衡器的研究 iiRESEARCH ON EQUALIZATION BASED ON MLSE ABSTRACT The research work in this paper was supported by the Natural Science Foundation of Hebei province under Grant F2008000116. With the development of high-speed optical fiber communication systems, polarization mode dispersion (PMD) has become a vital limiting factor. However, the traditional compensation methods which in optical domain have the disadvantages of complexity and cost. In recent years, the compensation methods which in electronic domain are given more attention because of their outstanding price advantage and their strong adaptability. The maximum-likehihood sequence estimation (MLSE) equalizer based on the Viterbi algorithm was designed in this paper.The MLSE equalizer can effectively compensate the intersymbol interference caused by polarization mode dispersion (PMD). First, the background and the spectrum of the text were introduced; also the principles of PMD and the FFE/DFE equalizer were analysed. Second, the principles of Viterbi and the structure of MLSE were researched; also the MLSE equalizer was simulated with the Matlab program in the optical fiber communication systems. The emulation proving, in 40Gbit/s non-return-to-zero (NRZ) optical communication system, in Gaussian noise, the electronic equalizer can combat polarization mode dispersion (PMD) and improve performance of the system. At last, the MLSE equalizer was compared with FFE (DFE), the conclusion indicates that the MLSE equalizer is the best way to combat polarization mode dispersion (PMD) and it can improve the performance of the system effectively. KEY WORDS: maximum-likehihood sequence estimation(MLSE), Viterbi algorithm, polarization mode dispersion(PMD), Feed-forward Equalizer(FFE), Decision Feedback Equalizer(DFE) 河北工业大学硕士学位论文 1第一章 绪论第一章 绪论 §1-1 光纤偏振模色散的研究背景和意义 光纤偏振模色散的研究背景和意义 1-1-1 研究背景研究背景 近 20 多年来，光纤通信技术在全世界发展极其迅速，通过不断地改进光纤的生产工艺和光纤的技术性能，光纤在各个不同的领域获得了越来越广泛的应用。

作为一种通信媒体，光纤已经展现了它的强大生命力，表明了它能够满足对通信不断增长需求的巨大能力 1960 年，高锟首先提出了用光纤做光通信的设想随后在 1970 年，光纤通信有很大的发展，建立一个很强的基础，一方面是美国的柯林公司做出了每公里 20 分贝的低损耗光纤；另外一方面，贝尔实验室研制成功室温连续运转的半导体激光器， 这两个的结合就成了光纤通信的基础 随后光纤通信的蓬勃发展，世界各地都铺设了光纤通信网近年来，随着人们对通信带宽需求的迅速增长，光纤通信骨干网上单通道传输速率一直在朝着高速率、大容量和长距离的方向发展 从技术角度看，光纤通信传送的信息容量和传输距离主要受到两个因素的限制：一是光纤的损耗；二是光纤的色散随着掺铒光纤放大器（EDFA：Erbium-doped Fiber Amplifier）的出现，光纤中的损耗已不是限制光纤传输性能的主要因素 色度色散补偿技术日趋成熟， 光纤的色度色散对光纤通信的影响也被消除这样以前不太被重视的偏振模色散（PMD：Polarization Mode Dispersion）成为限制高速光纤通信系统发展的终极因素当通信速率达到 10Gbit/s，上世纪 90 年代初以及之前铺设的光纤必须考虑 PMD；当通信速率达到 40Gbit/s 时，在近年来铺设的光纤也必须考虑 PMD。

PMD 在光纤传输过程中不断积累， 并且对外界的影响比较敏感， 随时间和周围环境的影响随机变化， 所以补偿起来非常困难，成为限制高码率传输的最终限制因素[1] 与光纤的色度色散（CD：Chromatic Dispersion）及非线性一样，PMD 能损害系统的传输性能，限制系统的传输速率和距离 偏振模色散(PMD)是由于实际应用中单模光纤中两正交偏振模式的简并状态被打破， 使得这两种模式的传输速度不再相等产生的 它在模拟系统中将产生高阶畸变效应和与偏振有关的损耗，导致非线性效应；在数字通信系统中，造成脉冲失真变形，增大了码间干扰，使误码率上升，从而降低了系统的传输距离，限制了系统的传输带宽 1-1-2 研究意义研究意义 PMD是继损耗、色度色散和非线性效应之后又一个严重影响光纤通信系统性能的重要因素对于高速光纤通信系统而言，研究PMD具有十分重要的意义 (1) 对于目前正在研制的40Gbit/s单信道光纤通信系统而言， PMD是一个必须逾越的障碍， 研究PMD是开发40Gbit/s及更高速率的单信道系统的一个重要课题研究PMD对光纤通信系统的影响可以深入、全面地理解光纤通信系统，为找到应付PMD的措施提供理论上的指导，从而使得40Gbit/s及更高速率的单信道光纤通信系统得以实现，为开发更大容量的波分复用系统铺平道路。

(2) 研究PMD为延长高速光纤通信的无中继传输距离、节约系统成本提供了可能性如果能找出比基于最大似然序列估计的均衡器的研究 2 较合适的应对PMD的措施，我们就可以在很大程度上减轻PMD的影响，从而可以大大地改善系统的性能 (3) 研究PMD为能否充分利用已经铺设的光纤，开通高速、超高速光纤通信系统提供理论上的依据和方法对于拥有大量空闲光纤的电信运营商而言，如何使用这些光纤是一个值得深思的问题若能找到一种方法，只需增加较小的投资，就能开通高速系统，这对于提高资源的利用率，降低成本是十分有益的但如果增加的投资较大，甚至超过了铺设一条新光纤线路的投入，才能开通高速系统，则这种方案无疑是不能采用的 (4) 研究PMD对未来的相干光通信、 孤子通信也会产生深远的影响 相干光通信受PMD的影响较严重，孤子系统也受PMD的影响[2,3] 在高速光纤通信系统中，PMD的破坏作用是不能忽略的，这已经被实验所证实[2]PMD限制系统的最大传输距离，从理论上可由下面的公式得出： 21()(10)LkmRPMD=××(1.1) 式（1.1）列出受 PMD 限制的数字传输系统传输速率与传输距离的关系 从表 1.1 可以看出，PMD 对于低速率的光纤通信系统影响不大。

对于 2.5Gbit/s 传输系统，当 PMD为0.5ps/(km)1/2时， 可传输6400公里， 当PMD值为1ps/(km)1/2时， 可传输1600公里； 但对于高速 （10Gbit/s）系统，传输距离就大幅缩短，分别只能传输 100 公里和 400 公里；对于超高速（40Gbit/s）系统，PMD已严重制约了系统的使用：在 PMD 为 0.2ps/(km)1/2时，传输的距离 156km，在 PMD 为 0.5ps/(km)1/2时，传输的距离只有 25km，在 PMD 为 1.0ps/(km)1/2时，传输的距离只有 6km我国九十年代铺设的很多光纤 PMD 达到 0.8ps/(km)1/2，部分色散位移光纤（DSF：Dispersion Shifted Fiber）甚至达到 4.24ps/(km)1/2，对 2.5Gbit/s 光纤系统就产生了明显影响[4-8] 在图 1.1 中我们可以看到在这种情况下 PMD 制约传输距离的现象更为明显，当 PMD 为 2ps/(km)1/2时，10、40Gbit/s 系统传输距离分别为 25km 和 1.56km而当PMD 为 3ps/(km)1/2时，两系统传输距离只有区区 11km 和 0.628km。

由此可见，PMD 成为影响高速系统传输距离的主要因素之一通常为保障 10Gbit/s 高速系统及 40Gbit/s 超高速系统正常使用，至少应保证 PMD 小于等于 0.2ps/(km)1/。