柴 佳,陳新橋,張 薇,黃亞楠
(中國傳媒大學信息工程學院,北京 100024)
一種降低APDCDM信號幅值級數(shù)的方法
柴 佳,陳新橋,張 薇,黃亞楠
(中國傳媒大學信息工程學院,北京 100024)
APDCDM(雙極性占空比復用)是降低DCDM(占空比復用)信號幅值級數(shù)的一種有效方法。為了進一步降低APDCDM信號的幅值級數(shù),提出了基于信號替換原理的I-APDCDM(改進型雙極性占空比復用)技術。分析了I-APDCDM中信號替換的工作原理及電路實現(xiàn)方法,采用Optisystem和MATLAB聯(lián)合仿真技術設計了I-APDCDM光纖傳輸系統(tǒng),分析了改進后系統(tǒng)的傳輸距離和調制器的消光比對I-APDCDM信號的影響規(guī)律。仿真結果表明,I-APDCDM將APDCDM復用信號的幅值級數(shù)降低了1級,每比特復用信號的平均能量降低了A2Ts/24,有效地提高了系統(tǒng)的性能。
光纖傳輸系統(tǒng);雙極性信號;占空比復用;信號替換;幅值級數(shù)
為了增加WDM(波分復用)系統(tǒng)單信道的傳輸容量,已有多種復用和調制技術被提出[1-2]。其中,TDM(時分復用)技術復用信號的幅值級數(shù)較為理想,其值恒為2,但其要求發(fā)射和接收機均工作在復用信號的速率上,這必然會受到電子元器件電子瓶頸的制約。M-ary(多幅值調制)信號的幅值級數(shù)M與用戶數(shù)量n呈指數(shù)關系(M=2n)。但較大的幅值級數(shù)會導致系統(tǒng)接收機靈敏度大幅降低和信噪比迅速劣化。為了克服TDM和M-ary的限制,Mahdiraji等提出了DCDM(占空比復用)技術[3-4].隨后Tiwan等又提出了降低其幅值級數(shù)的APDCDM(雙極性占空比復用)技術[5],一方面,系統(tǒng)的發(fā)射和接收機均工作在單用戶的低速率上,有效地克服了電子器件的電子瓶頸對系統(tǒng)的限制;另一方面,系統(tǒng)復用信號的幅值級數(shù)較小,克服了信號的幅值級數(shù)對用戶數(shù)量的限制。然而,APDCDM信號的幅值級數(shù)仍隨用戶數(shù)量增加而增大,當用戶數(shù)量較大時,仍會導致接收機復雜性增加和系統(tǒng)性能降低,這也大大限制了其在工程上的應用。
為了進一步降低APDCDM復用信號的幅值級數(shù),本文采用低幅值信號替換高幅值信號,通過參數(shù)掃描討論了系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)設置,并對改進前后每比特復合信號的平均能量進行了對比研究。結果表明,I-APDCDM(改進型雙極性占空比復用)技術有效地降低了復合信號的幅值級數(shù),優(yōu)化了系統(tǒng)性能。
1.1 APDCDM的工作原理
DCDM技術通過對用戶信號設置不同的占空比來實現(xiàn)多路信號共用一個信道傳輸。為保證每比特信號都有一定的保護帶,第i路用戶每比特信號的持續(xù)時間可表示為
式中,Ts為每比特信號的時長。
APDCDM對DCDM中信號的極性進行了改進,相鄰用戶采用極性相反的信號來實現(xiàn)DCDM[6],并對復用用戶進行編號,編碼為奇數(shù)的用戶以+A V電壓發(fā)送信號,偶數(shù)用戶為-A V。由于信號極性的改變,APDCDM中復用信號的最大幅值隨用戶數(shù)量的奇偶性分為兩種情況:
式中,A為用戶信號的幅值。以3路用戶復用系統(tǒng)為例,即n=3,每路用戶信號的占空比DC=Ti/Ts,將式(1)代入可得DC=i/(n+1),計算得出每一路用戶(i=1、2和3)的信號占空比分別為0.25、0.5和0.75。根據(jù)式(2),用戶1和3的信號極性為正,用戶2的信號極性為負,3路用戶分別用U1、U2和U3表示,其比特組合共有8種,如表1所示。圖1所示為8種比特組合的信號波形圖,圖中U1、U2和U3分別與表1的用戶相對應,復合信號和其絕對值對應的波形分別是3路用戶信號經(jīng)比特疊加后形成的復合波以及對其取絕對值后的波形圖,其最大幅值是2A,與式(2)的計算結果一致。
表1 8種比特組合
圖1 信號波形圖
解復用時,可根據(jù)信號占空比的設置,將每比特復用信號平均分為a、b、c和d 4段,其中d段為保護帶,其值恒為0。由圖1可知,8種情況的復合信號波形彼此不同,具有唯一性,因此其在a~c時間段的幅值也唯一確定。例如情況5中,復合信號在a~c時間段內的信號幅值分別是1、0和1,唯一對應3路用戶信號的輸入分別是1、-1和1。APDCDM系統(tǒng)中復合信號波形圖的唯一性是設計解復用的基礎,可依據(jù)其來設置8種情況的解復用判決表。在接收端,對每比特復合信號a~c時間段中的信號幅值進行采樣,考慮到信號失真,仿真僅取每段中間采樣點的平均值,再根據(jù)實際接收到復合信號的幅值進行歸一化處理,可得每比特信號相應的a~c 3個值。將得到的值與解復用判決表相比較,即完成了信號的解復用。
1.2 替換信號的選擇
由圖1可知,3路復用信號的最大幅值是2A,對應情況7,選用未在復合波形中出現(xiàn)過的信號對情況7進行替換,這種替換信號的幅值為A,占空比為0.5,脈沖起始位置延時0.25Ts,信號替換波形圖如圖2所示。圖3所示為3路用戶的APDCDM和I-APDCDM信號眼圖。由圖3可知,APDCDM的最大幅值約為270(a.u.),I-APDCDM約為155(a.u.),由于信道噪聲的原因,幅值雖然沒有嚴格減少一半,但也明顯降低。
圖2 信號替換波形圖
圖3 3路用戶APDCDM與I-APDCDM復用信號的眼圖
n路用戶的信號替換情況較為復雜,但原理類似。APDCDM中替換信號的選擇根據(jù)用戶數(shù)量的奇偶性分為兩種情況:對于n路用戶(n為偶數(shù))系統(tǒng)而言,每比特信號的時隙數(shù)量為(n+1),編碼時隙數(shù)量是n,其復用信號的最大幅值為A×n/2,可選擇任何一種未在復用信號中出現(xiàn)過的替換信號對其進行替換。替換信號的幅值為A×(n/2-1)、A×(n/2-2)…2A、A、0,共有n/2種情況;占空比為[i/(n+1)]×Ts,其中i=1、2、3…n,共有n種情況;起始位置時延為[i/(n+1)]×Ts,其中,i=1,2,3……(n-1),共有n-1種情況,同時每比特信號的占空比和起始位置時延的總和必須小于等于編碼時隙的時延,即[i/(n+1)]×Ts+[i/(n+1)]×Ts≤[n/(n+1)]×Ts。替換信號的總數(shù)量為(n/2)× n×(n-1)。
另外,對于復用用戶較多的情況,除了將幅值最大的復用信號用替換信號替代外,在保證每比特復用信號的唯一性和降低信號幅值的前提下,采用同樣的方法,還可考慮將幅值為A×(n/2-1)…3A、2A、A的復用信號用更低幅值的替換信號替代。同樣的替換原理適用于用戶數(shù)為奇數(shù)的情況。
采用Optisystem和MATLAB軟件聯(lián)合仿真,圖4所示為I-APDCDM光纖傳輸仿真系統(tǒng)圖。復用信號波形的替換可采用邏輯門和電器件來實現(xiàn)。首先用與門和非門電路檢測出3路信號輸入為1、0和1的情況,并將與門的輸出信號分為兩路:分別與RZ(歸零)脈沖發(fā)生器相連接,一路產(chǎn)生占空比為1的RZ脈沖信號RZ1,利用與非門和電乘法器將2電平幅值的復合信號移除;另一路產(chǎn)生占空比為0.5、脈沖起始位置為0.25、電平幅值為1的RZ脈沖信號RZ 0.5作為替換信號,最后用加法器將兩路信號相加,實現(xiàn)了對復合信號波形的替換。然后用MZM(馬赫-曾德爾調制器)將復合信號調制到從LD(激光器)發(fā)出的波長為1 550 nm的連續(xù)光波上,經(jīng)過長度為50 km、衰減系數(shù)為0.2 d B/km的光纖進行傳輸。在接收端,信號經(jīng)EDFA(摻鉺光纖放大器)放大后通過PIN(光電二極管)光檢測器實現(xiàn)光/電轉換,在PIN中添加信號ASE(自發(fā)輻射)噪聲、ASE-ASE噪聲、熱噪聲和散粒噪聲。最后將檢測得到的復合信號輸入到用MATLAB設計的解復用器中進行解復用,恢復出3路用戶信號,并與用戶輸入信號進行對比。仿真結果表明,輸入輸出波形一致,驗證了I-APDCDM的可行性。
圖4 I-APDCDM光纖傳輸仿真系統(tǒng)圖
3.1 仿真參數(shù)對系統(tǒng)的影響
假定光纖長度從0~200 km均勻遞增,通過系統(tǒng)的參數(shù)掃描,觀察其對輸出信號強度的影響,其關系曲線如圖5(a)所示。由圖可知,信號強度隨信道長度的增長呈拋物線下降趨勢,在光纖長度為120 km處,信號強度趨于0??紤]到信號的衰減程度和實際中常用光纖的長度等因素,在仿真系統(tǒng)中將光纖長度設為50 km,并設定消光比從0~60 d B均勻遞增,圖5(b)所示為信號強度隨消光比的變化,由圖可知,信號強度隨消光比的增大而增大,約在消光比為30 dB時趨于平穩(wěn)??紤]到信號強度的衰減程度和MZM中消光比所能取的最大值等實際情況,仿真中MZM的消光比設為30 dB。
圖5 仿真參數(shù)對輸出信號強度的影響
3.2 復合信號每比特的平均能量
每比特信號的能量在理論上可依據(jù)信號能量計算公式得出,例如APDCDM情況7中的能量為
圖6所示為8種組合的信號能量,其中情況7在APDCDM和I-APDCDM系統(tǒng)中能量不同。
圖6 8種組合的信號能量
兩種系統(tǒng)復用信號每比特的平均能量可表示為
式中,i對應復合信號中的一種情況;m為組合個數(shù),且有m=2n。則Eavg/bit(APDCDM)= 3.5A2(Ts/24),Eavg/bit(I-APDCDM)=2.5A2(Ts/24)。
對比可知,相對于APDCDM,I-APDCDM信號每比特的平均能量降低了A2Ts/24。對于一個傳輸系統(tǒng)來說,考慮到性能和質量,其所能傳輸?shù)男盘柲芰烤哂幸欢ㄏ薅?,因此在相同的傳輸條件下,IAPDCDM降低了每比特復用信號的平均能量,較APDCDM能承載更多的用戶。
I-APDCDM采用信號替換技術有效地降低了APDCDM復用信號的幅值級數(shù)。以3用戶系統(tǒng)為例,分析了信號替換的原理,采用MATLAB與Optisystem聯(lián)合仿真技術設計了I-APDCDM系統(tǒng),采用邏輯電路實現(xiàn)了幅值為A的信號對幅值為2A的復用信號的替換,采用MATLAB設計了解復用器。通過參數(shù)掃描得到系統(tǒng)中調制器消光比的最優(yōu)值為30 dB,光纖長度的最優(yōu)值為50 km。系統(tǒng)仿真表明,I-APDCDM系統(tǒng)的眼圖清晰,解復用后所得信號與發(fā)送信號一致。與APDCDM相比,I-APDCDM將復用信號的幅值級數(shù)降低了1級,每比特復用信號的平均能量降低了A2Ts/24,有效地提高了APDCDM的性能。仿真結果驗證了所提方法的可行性和有效性,進一步推動了APDCDM的實用化。
[1]Jansen S L,Morita I,Tanaka H.10×121.9-Gb/s PDM-OFDM transmission with 2-b/s/Hz spectral efficiency over 1000 km of SSMF[J].Journal of Lightwave Technology,2009,27(3):177-188.
[2]Gnauck A H,Charlet G,Tran P,et al.25.6 Tb/s WDM transmission of polarization-multiplexed RZDQPSK signals[J].Journal of Lightwave Technology,2008,26(1):79-84.
[3]Mahdiraji G A,Abdullah M K,Elhag M F,et al.Duty cycle division multiplexing technique for wireless communications[C]//WOCN 2007.Singapore:IEEE,2007:1-5.
[4]Seyedzadeh S,Mahdiraji G A.A new signal combination for 3-channelduty-cycle division multiplexing technique[C]//ICP 2014.Kuala Lumpur,Malaysia: IEEE,2014:2-4.
[5]Tiwari V,Soni A M,Tripathi A,et al.Analysis of 6× 10 Gbps spectrally efficient optical APDCDM based communication system[C]//ICCCI 2014.Coimbatore,India:IEEE,2014:03-05.
[6]陳翠竹,陳新橋,段中航.基于占空比復用的光纖傳輸系統(tǒng)的設計[J].光通信研究,2013,(5):21-23.
A Method on the Reduction of APDCDM Signal’s Voltage Level
CHAI Jia,CHEN Xin-qiao,ZHANG Wei,HUANG Ya-nan
(College of Information Engineering,Communication University of China,Beijing 100024,China)
Absolute Polar Duty-Cycle Division Multiplexing(APDCDM)is a novel multiplexing technology used to reduce the signals’voltage level in Duty-Cycle Division Multiplexing(DCDM)system.In order to further reduce the number of voltage levels,a novel coding technique called Improved-APDCDM(I-APDCDM)is proposed.The principle of I-APDCDM is first introduced.An optical fiber transmission system based on I-APDCDM is then designed by joint simulation of Optisystem and MATLAB.The effects of transmission distance and extinction ratio of modulator are analyzed.The simulation results show that,comparing with APDCDM,the number of voltage levels of system is reduced by 1 and the power of transmitted signal is reduced by A2Ts/24.Therefore,the I-APDCDM not only reduces the number of voltage levels but also significantly improves the system performance.
fiber optic transmission system;bipolar signal;DCDM;alternative signal;voltage level
TN919.11
A
1005-8788(2016)05-0023-04
10.13756/j.gtxyj.2016.05.007
2016-03-11
柴佳(1989-),女,河南駐馬店人。碩士研究生,主要研究方向為光纖通信。