陳　斯，張　旋，孫小菡（東南大學(xué)光傳感/通信綜合網(wǎng)絡(luò)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096）

PON監(jiān)控系統(tǒng)中雙周期結(jié)構(gòu)編碼器的性能分析*

陳斯，張旋，孫小菡*
（東南大學(xué)光傳感/通信綜合網(wǎng)絡(luò)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096）

提出了一種用于PON監(jiān)控系統(tǒng)中的雙周期結(jié)構(gòu)編碼器。討論并計(jì)算了不同結(jié)構(gòu)，不同碼重的編碼器的性能，給出了具有最優(yōu)參數(shù)的雙周期結(jié)構(gòu)編碼器。通過(guò)仿真驗(yàn)證了雙周期編碼器的性能并與周期編碼器做了對(duì)比分析。結(jié)果表明，雙周期結(jié)構(gòu)編碼器能夠顯著增加編碼脈沖幅度，從而降低對(duì)光接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的要求。

無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)；光碼分復(fù)用技術(shù)；周期編碼器；動(dòng)態(tài)范圍

無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PON）監(jiān)控系統(tǒng)在減少網(wǎng)絡(luò)提供商運(yùn)營(yíng)、維護(hù)成本，提升網(wǎng)絡(luò)可靠性上發(fā)揮著不可替代的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%的光通信故障發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)最前端和最末端一公里內(nèi)［1］。當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，及時(shí)的探測(cè)與分析對(duì)恢復(fù)通信、降低損失有著決定性作用。與此同時(shí)，隨著PON系統(tǒng)容量不斷提升，分光比不斷提高，能夠有效監(jiān)測(cè)點(diǎn)到多點(diǎn)（PTMP）網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)必將發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用［3-4］。

眾所周知，OTDR（光時(shí)域反射儀）能夠有效檢測(cè)光網(wǎng)絡(luò)器件的工作性能和點(diǎn)到點(diǎn)（PTP）網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)。然而，OTDR監(jiān)測(cè)手段并不適合用于中心局對(duì)點(diǎn)到多點(diǎn)（PTMP）網(wǎng)絡(luò)的集中式監(jiān)控。這種情況下，中心局端得到的OTDR軌跡是各個(gè)分支的軌跡的線性疊加，因此，區(qū)分故障事件究竟發(fā)生在哪一個(gè)分支線路變得十分困難［5］。尤其在高分光比的PON網(wǎng)絡(luò)中，這個(gè)問(wèn)題十分突出。

光碼分復(fù)用（OCDMA）技術(shù)的提出為這一問(wèn)題提供了新的解決方案。在OCDMA中，每一個(gè)用戶端都有一個(gè)編碼器，用于對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)編碼并將其反射回中心局端。不同的編碼碼字可以區(qū)分不同的用戶，而中心局對(duì)反射回來(lái)的編碼信號(hào)進(jìn)行解碼分析就可以得到光網(wǎng)絡(luò)鏈路的實(shí)時(shí)狀態(tài)［6］。在基于OCDMA的編碼技術(shù)中，周期編碼技術(shù)得到了廣泛而深入的研究。該編碼器由兩個(gè)光柵通過(guò)光纖跳線連接構(gòu)成，前一個(gè)光柵為部分反射率，后一個(gè)則為100%反射率。用戶之間唯一的區(qū)別在于兩光柵間光纖跳線長(zhǎng)度的不同，即每個(gè)用戶分配唯一的諧振腔長(zhǎng)度，從而形成唯一的周期編碼［7］。該技術(shù)方案雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于無(wú)限序列的編碼脈沖中幅度呈指數(shù)衰減，部分脈沖幅度非常微弱［8］，對(duì)光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍提出了較高的要求。

本文中，我們提出了一種雙周期結(jié)構(gòu)編碼器。通過(guò)MATLAB計(jì)算了不同結(jié)構(gòu)，不同碼重的雙周期編碼器的性能并得出最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過(guò)仿真驗(yàn)證，我們比較了雙周期結(jié)構(gòu)編碼器與周期編碼器。結(jié)果表明，雙周期結(jié)構(gòu)編碼器在合適的結(jié)構(gòu)和碼重下，能夠顯著降低對(duì)光接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的要求。

1　結(jié)構(gòu)與分析

如圖1（a）所示，對(duì)于周期編碼器，當(dāng)忽略插入損耗時(shí)，光柵反射率R1和R2決定了每一級(jí)編碼脈沖幅度，當(dāng)R2為1時(shí)，只有R1決定編碼脈沖的幅度。假設(shè)ρk表示第k個(gè)脈沖的高度，則由周期編碼器結(jié)構(gòu)可得各子脈沖高度的關(guān)系可由式（1）表示［9-10］

圖1　

對(duì)于由該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的無(wú)限序列的編碼脈沖，僅前4個(gè)子脈沖遍包含了整個(gè)脈沖序列中96.6%的功率［11-12］，但是隨著j增大，編碼脈沖中幅度快速衰減，j＞4后的脈沖幅度十分微弱。

如圖2所示，分別表示R1=0.38和R1=0.34時(shí)，前10個(gè)編碼脈沖的幅度。

圖2　脈沖幅度情況

計(jì)算可知，w=4，R1=0.38時(shí)，最大最小脈沖幅度相差最小，但仍然超過(guò)30%，這對(duì)光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍提出了很高的要求。

為此，我們提出采用雙周期結(jié)構(gòu)編碼器。雙周期結(jié)構(gòu)編碼器由4個(gè)光柵，構(gòu)成2個(gè)周期編碼器，這2個(gè)周期編碼器分別能形成各自的編碼脈沖，如圖1（b）所示。2個(gè)周期編碼器分別由部分反射率光柵和反射率100%的光柵構(gòu)成，部分反射率光柵的反射率分別為R1和R2。2個(gè)周期編碼器之間通過(guò)一光纖跳線連接。

雙周期結(jié)構(gòu)編碼器的編碼脈沖將是2個(gè)周期編碼器編碼脈沖的疊加之和，因此，可以利用后1個(gè)周期編碼器的編碼脈沖對(duì)前1個(gè)周期編碼器的編碼脈沖進(jìn)行補(bǔ)償，從而減小最大最小脈沖之間的幅度差。通過(guò)調(diào)整2個(gè)周期編碼器之間光纖跳線的長(zhǎng)度lj，可以調(diào)整兩組編碼脈沖的疊加狀態(tài)，當(dāng)lj=0時(shí)，兩組脈沖之間間隔1個(gè)脈沖，即第2組的第1個(gè)脈沖與第1組的第2個(gè)脈沖疊加，第2組的第2個(gè)脈沖與第1組的第3個(gè)脈沖疊加，以此類推。當(dāng)lj=li（周期編碼器光纖跳線長(zhǎng)度）時(shí)，兩組脈沖之間間隔2個(gè)脈沖，即第2組的第1個(gè)脈沖與第1組的第3個(gè)脈沖疊加，第2組的第2個(gè)脈沖與第1組的第4個(gè)脈沖疊加，以此類推。

對(duì)于雙周期編碼器，當(dāng)忽略插入損耗時(shí)，根據(jù)不同的脈沖疊加情況，由R1和R2共同決定疊加后的編碼脈沖強(qiáng)度。假設(shè)ρj表示第j個(gè)脈沖的高度，i表示疊加時(shí)，兩組編碼脈沖之間間隔的個(gè)數(shù)（i=1，2），可得式（2）。

針對(duì)i=1和i=2兩種情況，分別取w=4、5、6進(jìn)行分析，對(duì)R1和R2取0到1，步長(zhǎng)為0.01進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)MATLAB編程求解出最優(yōu)解。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。圖中為疊加后的編碼脈沖最大最小幅度之差隨R1的變化情況，j表示編碼脈沖的個(gè)數(shù)，其中，（a）為兩組脈沖間隔為1的情況，（b）為兩組脈沖間隔為2的情況。

由計(jì)算得出，當(dāng)w=4，疊加的兩組編碼脈沖之間間隔2個(gè)脈沖時(shí)，取R1=0.38，R2=0.34得到最優(yōu)解，此時(shí)疊加后的編碼脈沖中，最大最小強(qiáng)度之差為11.1%。同種情況下，周期編碼器取w=4，R1= 0.38時(shí)，最大最小脈沖之差為32.9%，與之相比，已有很大改善，大大減小了對(duì)光接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的要求。

圖3　編碼脈沖間的反射關(guān)系

2　仿真與結(jié)果

通過(guò)以上的分析計(jì)算，當(dāng)w=4，疊加的兩組編碼脈沖間隔兩個(gè)脈沖時(shí)，取R1=0.38，R2=0.34得到最優(yōu)解，此時(shí)疊加后的編碼脈沖中，最大最小強(qiáng)度之差為11.1%。下面通過(guò)Optisystem 13軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并與周期編碼器取R1=0.38的情況進(jìn)行對(duì)比。

仿真原理圖如圖4所示，中心局端使用可調(diào)光源模塊產(chǎn)生U波段的探測(cè)脈沖通過(guò)主干光纖進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，到達(dá)用戶端后，經(jīng)過(guò)編碼器編碼，反射回中心局端并被接收。其中，探測(cè)光源由一激光光源陣列產(chǎn)生波長(zhǎng)不同的同步連續(xù)信號(hào)，通過(guò)馬赫-曾德?tīng)柾庹{(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器由一高斯脈沖發(fā)生器和一比特流產(chǎn)生器驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生波長(zhǎng)為1 650 nm 和1 652 nm的高斯探測(cè)脈沖，重復(fù)頻率為1 kHz，脈寬為1 ns。探測(cè)脈沖通過(guò)一環(huán)形器送入網(wǎng)絡(luò)，主干光纖長(zhǎng)度為20 km。實(shí)驗(yàn)中，分別使用周期編碼器和雙周期編碼器，結(jié)構(gòu)如圖2所示。編碼器光柵的中心反射波長(zhǎng)為λ1=1 650 nm，λ2=1 652 nm，3-dB帶寬為0.2 nm。其中，周期編碼器的R1=0.38，li=60 cm，雙周期編碼器的R1=0.38，R2=0.34，li=60 cm，lj=60 cm。通過(guò)一光時(shí)域觀察儀觀測(cè)編碼脈沖。

圖4　仿真原理圖

仿真結(jié)果如圖5所示，圖中，編碼脈沖幅度已對(duì)單個(gè)激光光源的脈沖幅度歸一化。其中，（a）為周期編碼器取w=4，R1=0.38時(shí)，編碼脈沖的歸一化幅度隨時(shí)間的變化情況，（b）為雙周期結(jié)構(gòu)編碼器取w=4，R1=0.38，R2=0.34時(shí)，編碼脈沖的歸一化幅度隨時(shí)間的變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，這種最優(yōu)情況下的雙周期結(jié)構(gòu)編碼器，最大最小編碼脈沖之差為11.1%，而周期編碼器最大最小編碼脈沖之差為32.9%，因此，雙周期結(jié)構(gòu)編碼器可以大大減小對(duì)光接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的要求，提升系統(tǒng)性能。

圖5　

3　結(jié)論

本文提出了一種基于雙周期結(jié)構(gòu)的編碼器。通過(guò)補(bǔ)償?shù)姆椒?，大大減小了編碼序列中脈沖之間的幅度差。從而可有效降低PON監(jiān)控系統(tǒng)中對(duì)光接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的要求。模擬計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)w=4，R1=0.38，R2=0.34時(shí)，補(bǔ)償效果最佳，最大最小脈沖之差為11.1%，相比于周期編碼器最大最小脈沖之差32.9%，有顯著提升。

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陳斯（1994-），男，漢族，江蘇高郵人，本科生，現(xiàn)就讀于東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)；

孫小菡（1955-），女，漢族，東南大學(xué)電子與科學(xué)學(xué)院教授，主要研究方向?yàn)楣獠娮訉W(xué)與光纖通信技術(shù)領(lǐng)域，xhsun@ seu.edu.cn。

Performance Analysis of the Double Periodic Encoder for PON Monitoring*

CHEN Si，ZHANG Xuan，SUN Xiaohan*
（National Research Centerfor OpticalSensing/Communications Integrated Networking Technology Lab of Photonics and Optical Communications，Deptof Electronics Engineeering SoutheastUniυersity，Nanjing 210096，China）

We propose a double periodic encoding device formonitoring of passive optical networks.We investigate the performances of the double periodic encoders having differents tructures and codeweights and give the encoders with best parameters.We evaluate and contrast the double periodic encoderswith periodic encoders via simulation. Results show thatdouble periodic encoders significantly improve the amplitude of encoding pulse and reduce the requirementofdynamic range ofphotoreceiver.

pon；ocdma；periodic encoder；dynamic range

TN913.7

A

1005-9490（2016）04-0801-04

項(xiàng)目來(lái)源：江蘇省高校品牌專業(yè)建設(shè)工程項(xiàng)目

2015-08-19修改日期：2015-09-11

EEACC:6120B10.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.010