MIMO光通信中的模式相关损耗研究
引言光通信系统的发展带来了对更高数据传输率和更节能解决方案的需求。本文探讨了多输入多输出(MIMO)相干光通信系统，特别关注受模式相关损耗(MDL)影响的系统。通过深入分析这些复杂系统的工作原理和性能优化方法，为读者提供全面的技术理解。
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系统架构与信道建模
现代光通信系统利用空分复用(SDM)技术提高传输容量。系统采用多模式或多核心光纤，需要复杂的MIMO信号处理来处理并行数据流。图1展示了这一概念。
图1：空分复用(SDM)通信系统的基本结构，包括发射器、信道和具有MIMO处理功能的接收器组件。
长距离光学信道可以建模为多个跨段的串联，每个跨段包含光纤和放大器。信道传递函数包含以下关键组成部分：
色散(CD)：由HCD(ω)表示，这是一个建模模式平均失真的单输入单输出项。模式相关效应：由H(ω)捕获，包括模式间串扰、MDL和模态色散。多跨段结构：系统由Kamp个跨段组成，每个跨段都对整体信道响应有贡献。
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高级接收器设计
接收器架构在系统性能中起着核心作用。图2展示了针对最小均方误差(MMSE)优化的MIMO接收器结构。
图2：基于MMSE的MIMO接收器结构，包括匹配滤波和离散时间均衡组件。
接收器设计包含多个精密元素：
匹配滤波：连续时间滤波器QH(ω)在采样前处理接收信号。符号速率采样：对滤波后的信号进行适当速率的采样。离散时间均衡：MIMO均衡器W(Ω)补偿信道损伤。
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性能分析与MDL影响
MDL显著影响系统性能。图3提供了这种关系的深入见解。
图3：系统性能指标(ML95和AML95)与MDL水平在不同信噪比和滚降因子下的关系。
关于MDL影响的主要发现包括：
发射器设计中较高的滚降因子可以略微减轻MDL效应。随着信噪比(SNR)的增加，性能下降变得更加明显。系统设计者必须仔细平衡MDL水平以维持可接受的性能。
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实施考虑
这些系统的实际实施需要仔细考虑各种参数。图4展示了分数间隔均衡器(FSE)的实现结构。
图4：MIMO接收器系统中分数间隔均衡器的实现。
关键实施方面包括：
过采样率：通常设置为2以获得最佳性能均衡器抽头数：必须足够处理信道损伤滚降因子选择：影响整体系统性能和MDL容限
最后，可以通过图5所示的概率分布观察系统在不同条件下的行为。
图5：在各种运行条件和MDL水平下性能指标的概率分布。
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结论
MIMO技术在光通信中的应用代表了实现更高数据速率和改善系统效率的重要进展。了解和管理MDL效应对于实现最佳系统性能具有重要意义。所提供的分析和设计方法为系统设计者和研究人员提供了宝贵的参考。
通过仔细考虑发射器脉冲整形、接收器架构和均衡技术，即使在存在MDL的情况下也能实现稳健的性能。这些技术的持续发展将在满足现代通信系统日益增长的需求方面发挥重要作用。
参考文献
Y. Wang and L. Zhang, Eds., "Optical Signal Processing Technologies for Communication, Computing, and Sensing Applications," MDPI Books, 2023. . Available: https://www.mdpi.com/books/reprint/7078-optical-signal-processing-technologies-for-communication-computing-and-sensing-applications.
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