孫秀婷，王慶芬，盧智嘉

（1.石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院，石家莊051132；2.石家莊學(xué)院 物理與電氣信息工程學(xué)院，石家莊050000）

三種光雙二進(jìn)制碼傳輸性能

孫秀婷1，王慶芬1，盧智嘉2

（1.石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院，石家莊051132；2.石家莊學(xué)院 物理與電氣信息工程學(xué)院，石家莊050000）

對比研究了三種光雙二進(jìn)制碼(O pt i cal D uobi nary Code,O D C)的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)，并仿真了三種O D C的單信道系統(tǒng)傳輸性能。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)型O D C較普通O D C和濾波成型O D C具有更好的色散及非線性效應(yīng)抑制能力，該仿真結(jié)果為光雙二進(jìn)制碼實(shí)際應(yīng)用提供了理論參考。

光雙二進(jìn)制碼；馬赫曾德爾調(diào)制器；色散；非線性效應(yīng)

0　引言

光雙二進(jìn)制碼(Optical Duobinary Code,ODC)在高速光纖通信系統(tǒng)中以高色散容忍度、高頻譜效率及高非線性 (受激布里淵散射)抑制能力而備受研究者關(guān)注，成為近年來調(diào)制碼型中的研究熱點(diǎn)[1-5]。ODC是一種部分響應(yīng)編碼信號，為了避免誤碼傳播及降低接收端的硬件復(fù)雜度，一般在發(fā)射端進(jìn)行預(yù)編碼，這樣可以在接收端采用常規(guī)的非歸零(NRZ)光接收部件，從而降低了系統(tǒng)的整體復(fù)雜度及設(shè)備代價(jià)，故只需對發(fā)射端稍作變化即可將NRZ光纖傳輸系統(tǒng)平滑升級為ODC系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6]采用ODC在基于時(shí)分和波分復(fù)用(TWDM)的無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)中實(shí)現(xiàn)了下行26Gb/s的串行傳輸，文獻(xiàn)[7]采用基于APD的ODC直接檢測接收機(jī)實(shí)現(xiàn)了40Gb/s的時(shí)分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[8]采用無色散反射集成調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了25Gb/s無誤碼ODC傳輸。但對不同實(shí)現(xiàn)方式的ODC性能對比研究少有報(bào)道?；谏鲜黾夹g(shù)背景，本文仿真研究基本ODC、濾波成型ODC和改進(jìn)型ODC傳輸性能。

1　光雙二進(jìn)制碼發(fā)射與接收結(jié)構(gòu)分析

ODC可由不同的發(fā)射結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)[9]，圖1為三種ODC發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)圖。對比圖1(a)、圖1(b)和圖1(c)可以看出，在三種結(jié)構(gòu)圖中都包含差分預(yù)編碼單元，預(yù)編碼的目的是防止一個(gè)碼的錯(cuò)誤導(dǎo)致其它碼元出現(xiàn)錯(cuò)誤（即防止誤碼傳播），在接收端可以采用模2和進(jìn)行解碼。在圖1(a)和圖1(c)中都包括電雙二進(jìn)制編碼單元，該單元由相加器(圖1(a))或相減器(圖1(c))來實(shí)現(xiàn)，即NRZ和將其延時(shí)1/(bit rate)s后的碼元相加或相減來實(shí)現(xiàn)電雙二進(jìn)制編碼。在圖1(b)中并未采用圖1 (a)和(c)所示的電域編碼方案，而是采用一個(gè)低通濾波器(LPF)來實(shí)現(xiàn)電雙二進(jìn)制編碼，原因是時(shí)域中的延時(shí)相加或相減在頻域上等效于低通濾波，故圖1(b)采用LPF實(shí)現(xiàn)電雙二進(jìn)制編碼。在圖1(a)中采用兩級馬赫曾德爾調(diào)制器(MZM)來實(shí)現(xiàn)ODC，其中第一級MZM實(shí)現(xiàn)將電域的雙二進(jìn)制碼調(diào)制到光域上，第二級MZM進(jìn)行波形切割，從而實(shí)現(xiàn)ODC的歸零(RZ)形式。圖1 (b)和(c)只采用了一級MZM，隨后將光信號通過帶通濾波器(BPF)，其中MZM實(shí)現(xiàn)電到光的調(diào)制，而BPF則實(shí)現(xiàn)碼型由NRZ到RZ的切割。

圖1　三種ODC發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)圖

三種ODC采用統(tǒng)一的接收機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。接收到光信號后，先經(jīng)過BPF濾除帶外噪聲，隨后通過PIN光電二極管將光信號變成電信號；由于光電二極管是平方律器件，在光電變化過程中自動實(shí)現(xiàn)模2和運(yùn)算，極大地簡化了接收機(jī)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的NRZ系統(tǒng)也可采用該結(jié)構(gòu)作為接收機(jī)使用，從而實(shí)現(xiàn)ODC接收系統(tǒng)與NRZ接收系統(tǒng)的相互兼容。

圖2　ODC接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2　傳輸性能仿真

仿真時(shí)相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：偽隨機(jī)序列長度為28-1，每比特進(jìn)行64位抽樣，系統(tǒng)傳輸速率為10Gb/s；激光器中心波長為 1550nm，線寬為 1MHz；標(biāo)準(zhǔn)單模光纖長度設(shè)置為80km，衰減為0.2dB/km，色散為16ps/nm/km，色散斜率為0.075ps/nm2/km，差分群時(shí)延為0.2ps/km，纖芯有效面積為80μm2；色散補(bǔ)償光纖長度為14.22km，其對應(yīng)的衰減為0.5dB/km，色散為-90ps/nm/km，色散斜率為-0.45ps/nm2/km，差分群時(shí)延為0.2ps/km，有效纖芯面積為30μm2；摻鉺光纖放大器增益為10dB，噪聲指數(shù)為4dB，補(bǔ)償方式為后補(bǔ)償；光纖傳輸通道結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，其傳輸總距離由傳輸Loop決定；接收機(jī)采用PIN光電二極管，靈敏度為0.9A/W，暗電流為10nA；光BPF為貝塞爾濾波器，以激光器輸出的光波長為中心頻率，頻帶寬度為1.5×（bit rate）Hz；電LPF的截止頻率為0.75×（bit rate）Hz；系統(tǒng)傳輸性能采用Q值進(jìn)行對比分析。

圖3　光纖傳輸系統(tǒng)后補(bǔ)償結(jié)構(gòu)圖

采用快速傅里葉變換得到三種ODC的頻譜密度，結(jié)果如圖4所示，其中右上方的插圖分別為三種對應(yīng)碼型的時(shí)域波形圖。對比圖4中的三種ODC的頻譜圖可以看出，在頻譜圖中都不存在載波，即載波得到了有效抑制，從而可以提高其非線性效應(yīng)抑制能力。圖4 (a)、(b)、(c)中ODC的頻譜寬度亦有區(qū)別，經(jīng)對比可以看出普通ODC的頻譜有效寬度最寬，濾波成型ODC最窄，改進(jìn)型ODC居中，其原因可以通過分析插圖得到。通過對比圖4(a)、(b)、(c)中的插圖可以看出，圖4(a)插圖中單個(gè)脈碼寬度最窄，圖4(b)的插圖中脈碼寬度最寬。由傅里葉變換知識可知，時(shí)域越寬則頻域越窄，因此出現(xiàn)圖4中“不同ODC所對應(yīng)的頻譜寬度也會不同”這一現(xiàn)象。頻譜寬度越寬，受色散影響越嚴(yán)重，色散會導(dǎo)致時(shí)域波形展寬，從而造成碼間干擾，引起誤碼。故對于光碼型而言，應(yīng)降低其有效頻帶寬度，圖4 (b)、(c)可以滿足此要求。

圖4　三種ODC頻譜圖及其對應(yīng)的波形圖(插圖)

圖5仿真得到了系統(tǒng)Q值隨傳輸距離的變化情況，Loop為圈數(shù)，仿真時(shí)Loop從4圈依次增大到18圈，入纖功率保持0dBm不變。從圖5可以看出，隨著傳輸距離的增大，系統(tǒng)Q值逐漸減小，表明隨著傳輸距離的增大，系統(tǒng)性能逐漸變差，原因是衰減、殘留色散及非線性效應(yīng)等對傳輸碼型的影響會隨傳輸距離逐漸變大，引起更多誤碼，從而造成Q值降低。當(dāng)Loop為4時(shí)，普通ODC的Q值為16.8，濾波成型ODC的Q值為12.8，而改進(jìn)型ODC的Q值為13.7，這表明在傳輸距離較短時(shí)，普通ODC具有最佳的傳輸特性。當(dāng)Loop增大到12時(shí)，普通ODC、濾波成型ODC和改進(jìn)型ODC的Q值分別為9.2、8.8和13.3。對比可以看出，當(dāng)Loop從4變化到12時(shí)，改進(jìn)型ODC傳輸性能幾乎保持不變，而普通ODC和濾波成型ODC分別降低了7.6和4。當(dāng)Loop大于12后，普通ODC和濾波成型ODC的Q值幾乎重合，都隨Loop增大而減小，而改進(jìn)型ODC的減小幅度卻遠(yuǎn)小于普通ODC和濾波成型ODC。圖5中還給出了當(dāng)Loop為18時(shí)三種ODC所對應(yīng)的眼圖，從眼圖上也可看出，普通ODC和濾波成型ODC的眼開度明顯小于改進(jìn)型ODC。

圖5　傳輸距離與Q值的對應(yīng)關(guān)系

上述分析中已指出時(shí)域越窄頻域越寬，改進(jìn)型ODC的時(shí)域波形介于普通ODC和濾波成型ODC之間，故其頻譜有效寬度也介于普通ODC和濾波成型ODC的頻譜之間。色散會引起脈碼展寬，雖然普通ODC的時(shí)域波形最窄，擁有較大的脈碼展寬余度，但由于其有效頻譜寬度最寬,受色散影響最為嚴(yán)重，從而造成更大的脈碼展寬,引起碼間干擾。而濾波成型ODC雖然其頻譜最窄，受色散影響最小，但其時(shí)域脈碼寬度最寬，具有最小的脈碼展寬余度，故較小的色散就會導(dǎo)致誤碼。改進(jìn)型ODC的時(shí)域和頻域都居于普通ODC和濾波成型ODC之間，故具有最優(yōu)的傳輸性能。

圖6仿真得到了系統(tǒng)Q值隨入纖功率的變化趨勢，在仿真時(shí)設(shè)定Loop為4，只改變?nèi)肜w功率，而入纖功率的改變可以通過更改激光器輸出功率來實(shí)現(xiàn)。從圖6可以看出，隨著入纖功率的增大，系統(tǒng)Q值先增大后降低，入纖功率增大會引起信噪比的增加，同時(shí)也會增大光纖中非線性效應(yīng)的影響。在Q值上升階段系統(tǒng)信噪比的增加所帶來的正向作用高于非線性效應(yīng)增大所帶來的不利影響，而在Q值的峰值部分，兩者達(dá)到了平衡，隨著入纖功率的進(jìn)一步增大，非線性效應(yīng)所帶的不利影響已高于信噪比增大而引起的正向作用，從而造成Q值降低。由圖6可知，當(dāng)入纖功率在-13.4dBm到-2.7dBm之間時(shí)，改進(jìn)型ODC的Q值最高，傳輸性能最好，而普通ODC的傳輸特性最差；當(dāng)入纖功率從-2.7dBm增大到6.29dBm過程中，改進(jìn)型ODC的系統(tǒng)Q值仍在增大，濾波成型ODC卻在0dBm處出現(xiàn)拐點(diǎn)，Q值開始降低，而普通ODC在3.98dBm處出現(xiàn)拐點(diǎn)；超過6.29dBm后改進(jìn)型ODC的Q值也開始下降，即其拐點(diǎn)在6.29dBm處。由此可見，濾波成型ODC、普通ODC和改進(jìn)型ODC在獲得最佳Q值時(shí)其對應(yīng)的入纖功率分別為0dBm、3.98dBm和6.29dBm,此時(shí)對應(yīng)的Q值分別為13.11、20.95和21.4，該結(jié)果表明改進(jìn)型ODC具有最優(yōu)的抗非線性效應(yīng)的能力。

圖6　系統(tǒng)Q值隨輸入功率變化關(guān)系

3　結(jié)束語

ODC是一種部分響應(yīng)編碼信號，具有高色散容忍度、高頻譜效率及高非線性抑制能力。以上我們通過仿真研究了改進(jìn)型ODC、普通ODC和濾波成型ODC在單信道光纖傳輸系統(tǒng)中的性能。改進(jìn)型ODC的時(shí)域脈碼寬度和頻域頻譜有效寬度都居于普通ODC和濾波成型ODC之間，具有最優(yōu)的傳輸性能。當(dāng)傳輸距離從320km增大到960km時(shí)，改進(jìn)型ODC傳輸性能幾乎不變，而普通ODC和濾波成型ODC系統(tǒng)Q值分別降低了7.6和4；濾波成型ODC、普通ODC和改進(jìn)型ODC在入纖功率分別為0dBm、3.98dBm和6.29dBm處獲得各自最大Q值，其對應(yīng)的Q值分別為13.11、20.95和21.4。仿真結(jié)果為ODC實(shí)際應(yīng)用提供了理論參考。

[1]GNAUCK A,IANNONE P,VAN VEEN D,et al.4×40-Gb/s TWDM PON downstream transmission over 42km and 64-way power split using optical duobinary signals and an APD-based receiver[J].Optics Express, 2015,23(19):24133-24139.

[2]YE Z,LI S,CHENG N,et al.Experimental Demonstration of Cost-Effective Symmetric 100Gb/s TWDM-PON Using 4×25Gb/s Duobinary Channels Based on 10G-Class Optics[C].Asia Communications and Photonics Conference.Optical Society of America,Hong Kong China:2015: AS3H.4.

[3]LI Z,YI L,WANG X,et al.28 Gb/s duobinary signal transmission over 40 km based on 10 GHz DML and PIN for 100Gb/s PON[J].Optics express, 2015,23(16):20249-20256.

[4]YANG X,HUANG X,XIE J,et al.Investigation on transmission characteristics of 40 Gb/s optical networks based on duobinary modulation[J]. Microwave and Optical Technology Letters,2012,54(6):1355-1359.

[5]TRIPATHI D K,SINGH P,SHUKLA N K,et al.Performance study in dispersion compensation techniques with Duobinary format at different bit rates[C].Power,Control and Embedded Systems(ICPCES),2012 2nd International Conference on.Allahabad India:IEEE,2012:1-5.

[6]VAN VEEN D,HOUTSMA V E,WINZER P,et al.26Gbps PON transmission over 40-km using duobinary detection with a low cost 7-GHz APD-based receiver[C].European Conference and Exhibition on Optical Communication.Optical Society of America,Amsterdam Netherlands: 2012:Tu.3.B.1.

[7]HOUTSMA V,VAN VEEN D,GNAUCK A,et al.APD-Based DuoBinary Direct Detection Receivers for 40Gbps TDM-PON[C].Optical Fiber Communication Conference.Optical Society of America,Los Angeles America:2015:Th4H.1.

[8]LAI C P,NAUGHTON A,OSSIEUR P,et al.Demonstration of error-free 25Gb/s duobinary transmission using a colourless reflective integrated modulator[J].Optics express,2013,21(1):500-507.

Transmission performance of three kinds of optical duobinary code

SUN Xiu-ting1,WANG Qing-fen1,LU Zhi-jia2
(1.Sifang College,Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 051132,China;2.College of physical and electrical information engineering,Shijiazhuang University,Shijiazhuang 050000,China)

In the paper,the transmitter structures of three kinds of Optical Duobinary Code(ODC)were compared,and their transmission performance was studied in single channel system.Simulation results show that the modified ODC has better suppression ability of dispersion and nonlinear effect than that of common ODC and filter shaping ODC.The simulation results provide a theoretical reference for the practical ODC application.

optical duobinary code,Mach-Zehnder Modulator(MZC),dispersion,nonlinear effect

TN915.62

A

1002-5561（2016）05-0025-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.05.008

2016-01-14。

河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目基金（批準(zhǔn)號：15220353）資助。

孫秀婷（1978-），女，碩士，講師，主要從事光通信、電子電路、信號處理與自動控制研究。