李紅安, 吳靜松

(安陽(yáng)工學(xué)院 電氣信息與電氣工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000)

0 引言

隨著40 Gb/s 密集波分復(fù)用Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM)光傳輸系統(tǒng)的快速發(fā)展，選擇合適的碼型和調(diào)制格式可以有效地減少傳輸?shù)膿p傷，提高光譜效率和系統(tǒng)的傳輸容量.隨著傳輸速率、系統(tǒng)頻譜效率的提高以及傳輸距離的加長(zhǎng)，混合調(diào)制格式開始顯示其優(yōu)越的性能.混合調(diào)制格式是通過調(diào)制器將所需要傳輸?shù)男畔⒄{(diào)制在光信號(hào)的相位上，接收端普遍采用平衡檢測(cè)，相對(duì)于強(qiáng)度信號(hào)接收而言，對(duì)光信號(hào)的功率變化容忍性更高，接收靈敏度也提高了，使得信號(hào)能夠傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn).其中非歸零碼Non-Return to Zero (NRZ)、歸零碼Return to Zero (RZ)和雙二進(jìn)制調(diào)制格式必須考慮混合傳輸在DWDM系統(tǒng)中的性能.NRZ調(diào)制格式對(duì)于高容量的密集波分性能不是最好，但是由于其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，NRZ可以作為首要的選擇成為混合數(shù)據(jù)速率密集波分復(fù)用系統(tǒng)無源光網(wǎng)絡(luò)Wavelength Division Multiplexing-Passive Optical Network (WDM-PON)的傳輸格式.混合WDM系統(tǒng)還要考慮波長(zhǎng)色散，色散斜率，偏振模色散補(bǔ)償和非線性效應(yīng)這幾個(gè)問題.并且還要考慮工程問題，非線性性能所引起的相鄰信道的信號(hào)交疊和混合WDM信號(hào)調(diào)制所引起的成本.在很長(zhǎng)一段時(shí)間，NRZ調(diào)制格式一直在強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)Intensity Modulation / Direct Detection (IM/DD)光纖通信系統(tǒng)占主導(dǎo)地位.主要原因是比RZ調(diào)制信號(hào)對(duì)光通信器件的電氣帶寬要求較低[1].一般來說，NRZ調(diào)制格式比其他調(diào)制方式具有最緊湊的光譜.然而 NRZ光信號(hào)的抗殘余色散、抗非線性特性對(duì)光纖放大系統(tǒng)特別敏感[2].RZ調(diào)制目前比較常用的解決方案在10 Gbit/s光通信系統(tǒng)中，因?yàn)樗邢啾扔贜RZ信號(hào)更高的峰值功率、更高信噪比、和更低的誤比特率(BER)NRZ編碼.盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，RZ信號(hào)由于它的比較寬的光譜寬度并不適用DWDM系統(tǒng).但是通過對(duì)每位符號(hào)的多比特編碼，非二進(jìn)制調(diào)制技術(shù)可以顯著改善頻譜效率.同時(shí)光譜的縮小也可以減少對(duì)色散的影響.相反多比特編碼由于每個(gè)符號(hào)位保持時(shí)間的延遲，從而增加魯棒性，進(jìn)而影響信號(hào)傳播.雙二進(jìn)制調(diào)制信號(hào)(Duobinary)是三電平信號(hào)編碼，具有更好的頻譜帶寬優(yōu)勢(shì)[3].

本文主要利用Optisystem和Matlab軟件聯(lián)合仿真，通過對(duì)比混合調(diào)制和傳統(tǒng)調(diào)制方案下WDM-PON光傳輸系統(tǒng)中不同調(diào)制格式(NRZ,RZ,DRZ)、不同速率(2.5 Gb/s、10 Gb/s)、不同信道間隔(信道間隔25 GHz、50 GHz)條件下的傳輸效率，以接收端系統(tǒng)眼圖、BER等指標(biāo)來衡量系統(tǒng)的傳輸性能，進(jìn)而驗(yàn)證所提出的混合調(diào)制方案的優(yōu)越性和可行性.

1 調(diào)制原理及測(cè)試

選擇調(diào)制格式應(yīng)遵循三個(gè)原則：(一)有緊湊的調(diào)制信號(hào)譜，這對(duì)提高頻譜利用率和群速度色散容限有好處；(二)較高的非線性容限；(三)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單.目前比較常用的是馬赫-曾德爾調(diào)制器(MZM)與連續(xù)波激光器構(gòu)成的調(diào)制系統(tǒng).除了NRZ外，它們的產(chǎn)生都是通過兩個(gè)級(jí)聯(lián)的MZM來完成.這兩個(gè)MZM所起的作用并不相同.第一個(gè)MZM作用是在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生各種脈沖.第二個(gè)MZM作用是加載數(shù)據(jù)[4].

NRZ碼可以直接調(diào)制或者對(duì)一個(gè)激光器的外調(diào)制產(chǎn)生，它的產(chǎn)生方法是最簡(jiǎn)單直接的.NRZ采用外調(diào)制產(chǎn)生時(shí)需要CW激光器和外調(diào)制器，外調(diào)制器可以使用電吸收調(diào)制器或者馬赫增德爾調(diào)制器.NRZ由一個(gè)40 Gb/s的電信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)馬赫增德爾調(diào)制器而產(chǎn)生，偏置電壓調(diào)制在Vπ/2，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓為Vπ.如圖1所示.

RZ信號(hào)只需在NRZ產(chǎn)生的基礎(chǔ)上再加一個(gè)馬赫增德爾調(diào)制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行“切割”就可以實(shí)現(xiàn)，MZM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)使用40 GHz的正弦信號(hào)發(fā)生源，產(chǎn)生不同占空比的RZ信號(hào)只需要選擇不同的偏置點(diǎn).對(duì)于50%占空比的RZ信號(hào)，偏置點(diǎn)選在Vπ/2，而對(duì)33%占空比的RZ信號(hào)，偏置點(diǎn)選在Vπ.如圖2所示.

光雙二進(jìn)制歸零碼(DRZ)是雙二進(jìn)制碼Duobinary和RZ碼的結(jié)合，可以由兩個(gè)MZ調(diào)制器串聯(lián)產(chǎn)生，用偽隨機(jī)二進(jìn)制序列PRBS代替實(shí)際發(fā)送的信源數(shù)據(jù)信息，通過二進(jìn)制預(yù)編碼器、NRZ發(fā)生器和一個(gè)雙二進(jìn)制相關(guān)編碼器產(chǎn)生NRZ雙二進(jìn)制信號(hào)，經(jīng)過第一級(jí)馬赫增德爾調(diào)制器后，由一個(gè)頻率為40 GHz正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)第二級(jí)馬赫增德爾調(diào)制器得到DRZ信號(hào).如圖3所示.

以上3種調(diào)制格式的光譜圖如圖4-圖6所示.

圖1 NRZ調(diào)制原理框圖

圖2 RZ調(diào)制原理框圖

圖3 雙二進(jìn)制調(diào)制原理框圖

考慮到光通信系統(tǒng)中的電、光信號(hào)均為微分方程形式，同時(shí)考慮到非線性效應(yīng)，在本文的分析模型中，時(shí)域分割步驟(TDSS)方法被用來模擬線性和非線性光學(xué)和電子元件.其光纖傳播方程為：

其中A(t,z)為光場(chǎng)，L為線性算子，用來表示色散和其他線性因素，N為非線性代價(jià)算子，ΔL為光程差.

在分析其性能的時(shí)候，單獨(dú)分別計(jì)算ΔL范圍內(nèi)的線性或非線性性能.通常使用的方法有頻域分割(FDSS)和時(shí)域分割(TDSS)方法.第一種方法雖然容易實(shí)現(xiàn)，但是會(huì)產(chǎn)生較大誤差，所以選取第二種TDSS方案，以確保有效性[5-6].

圖4 NRZ碼光譜圖 圖5 RZ碼光譜圖 圖6 DRZ碼光譜圖

Fig.4SpectrumdiagramofNRZFig.5SpectrumdiagramofRZFig.6SpectrumdiagramofDRZ

2 模擬方案及性能分析

本文仿真的目的是比較不同調(diào)制格式(NRZ/RZ/雙二進(jìn)制)在不同速率(2.5 Gb/s、10 Gb/s)在混合WDM系統(tǒng)的不同特性.特別是不同調(diào)制格式信號(hào)的光功率譜和光譜帶寬在復(fù)用器/解復(fù)用器輸出/輸入端口的性能，并且對(duì)比其色散和非線性效應(yīng)特性，最終衡量光纖網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能.其原理框圖如圖7.

發(fā)射機(jī)模塊由3路復(fù)用通道組成，每個(gè)均包括數(shù)據(jù)發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)器、激光器和外調(diào)制器.其中數(shù)據(jù)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)流同特定調(diào)制格式的調(diào)制器，共同作用于連續(xù)波激光器(CW)，進(jìn)而產(chǎn)生特定格式的光信號(hào)以便在光纖中傳輸.

圖7 系統(tǒng)原理框圖

傳輸模塊就是標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SSMF)，光脈沖信號(hào)可以傳輸不同的距離.其中，光纖的參數(shù)詳細(xì)為：?jiǎn)文９饫w的衰減系數(shù)為0.275 dB/m，色散系數(shù)為17 ps/(nm·km)，色散斜率為0.058 ps/(nm2·km)，有效面積為80μm2，非線性指數(shù)為2.5 m2/W.

在信號(hào)接收端，光纖信號(hào)通過解復(fù)用器件，每路信號(hào)可以單獨(dú)分析.針對(duì)每一路光信號(hào)，經(jīng)過對(duì)光信號(hào)的濾波，經(jīng)過光-電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?hào)，之后經(jīng)過電濾波，最后可用誤碼分析儀、眼圖分析儀比較發(fā)送端和接收端的眼圖和BER質(zhì)量來衡量系統(tǒng)的傳輸特性.

3 結(jié)果分析

圖8是信道間隔是25 GHz，速率為2.5 Gb/s WDM系統(tǒng)NRZ調(diào)制格式的輸出光信號(hào)的光譜圖和電信號(hào)眼圖.圖8表明，對(duì)50 GHz ITU-T標(biāo)準(zhǔn)信道間隔縮小為1/4還能良好的BER特性，但對(duì)于信道間隔是25 GHz，速率為10 Gb/s WDM系統(tǒng)由于嚴(yán)重的信號(hào)畸變而不能使用.圖9是信道間隔是50 GHz，速率為10 Gb/s WDM系統(tǒng)NRZ調(diào)制格式的輸出光信號(hào)的光譜圖和電信號(hào)眼圖.

圖10為NRZ-RZ-NRZ混合調(diào)制的WDM系統(tǒng)的輸出光信號(hào)的光譜圖和電信號(hào)眼圖.圖10表明速率為2.5 Gb/s 的NRZ-RZ-NRZ混合調(diào)制的信道間隔大于25 GHz.在相同的傳輸系統(tǒng)中，最佳的信道間隔是大于50 GHz，其才有最佳的傳輸距離.詳見圖11.

圖12是信道間隔是25 GHz，速率為2.5 Gb/s WDM系統(tǒng)NRZ-Duo-NRZ混合調(diào)制格式的輸出光信號(hào)的光譜圖和電信號(hào)眼圖.非二進(jìn)制調(diào)制技術(shù)可以提高光頻譜的利用效率，對(duì)更高速率、更大信道間隔仍然具有較好的傳輸特性.圖13是信道間隔是50 GHz，速率為10 Gb/s WDM系統(tǒng)NRZ-Duo-NRZ混合調(diào)制格式的輸出光信號(hào)的光譜圖和電信號(hào)眼圖.

圖8 NRZ-NRZ-NRZ光譜和眼圖(信道間隔25 GHz,速率為2.5 Gb/s)Fig.8 Eye pattern diagram of NRZ-NRZ-NRZ圖9 NRZ-NRZ-NRZ光譜和眼圖(信道間隔50GHz,速率為10Gb/s)Fig.9 Eye pattern diagram of NRZ-NRZ-NRZ圖10 NRZ-RZ-NRZ光譜和眼圖(信道間隔25GHz,速率為2.5 Gb/s)Fig.10 Eye pattern diagram of NRZ-RZ-NRZ

圖11 NRZ-RZ-NRZ光譜和眼圖(信道間隔50 GHz,速率為10 Gb/s)Fig.11 Eye pattern diagram of NRZ-RZ-NRZ圖12 NRZ-Duo-NRZ光譜和眼圖(信道間隔25 GHz,速率為2.5 Gb/s)Fig.12 Eye pattern diagram of NRZ-Duo-NRZ圖13 NRZ-Duo-NRZ光譜和眼圖(信道間隔50 GHz,速率為10 Gb/s)Fig.13 Eye pattern diagram of NRZ-Duo-NRZ

4 結(jié)論

對(duì)于傳輸速率10 Gb/s的WDM系統(tǒng)，采用NRZ外部調(diào)制色散受限距離是80 km，而采用混合NRZ-RZ-NRZ則傳輸距離是傳統(tǒng)的2倍；10 Gb/s速率下NRZ和NRZ-Duo-NRZ混合調(diào)制方法在具有相同的傳輸質(zhì)量條件下，信道間隔將是大于50 GHz.經(jīng)過比較，非二進(jìn)制調(diào)制技術(shù)可以提高光頻譜的利用效率，對(duì)更高速率、更大信道間隔具有較好的傳輸特性.