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(1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司 信息通信公司,武漢 430079;2.湖南理工學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 岳陽(yáng) 414006)
光通信技術(shù)是新電廠通信的重要組成方案,可實(shí)現(xiàn)不同電廠之間、電廠和用戶(hù)之間以及不同用戶(hù)之間的大吞吐量、低損耗、低成本的高速傳輸[1-2]。目前,隨著新能源技術(shù)的迅猛發(fā)展,及電力系統(tǒng)光通信資源調(diào)度自動(dòng)化、新型通信設(shè)備大量應(yīng)用,使得數(shù)據(jù)通信資源呈現(xiàn)出一種爆炸式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),其安全性、可靠性、管理方式等都成為電力通信網(wǎng)管理工作中急需考慮的問(wèn)題,并需要優(yōu)化對(duì)新能源電廠光通信并網(wǎng)的管理方式[3]。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換可以有效降低電廠合并網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延,并降低信息傳遞阻塞的可能性;波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)切換,將信號(hào)從故障的信道轉(zhuǎn)移到正常的空閑信道上,使得通信系統(tǒng)更通暢。
目前業(yè)界常用的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)按照物理機(jī)制不同,可分為3種:光-電-光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)、光控技術(shù)和四波混頻技術(shù)[4]。然而已有的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)都存在著一些問(wèn)題。對(duì)于光-電-光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)來(lái)說(shuō),須先將輸入的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電域的數(shù)字信號(hào)之后再進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換,這會(huì)導(dǎo)致輸入光波形損傷,并且存在過(guò)程復(fù)雜、造價(jià)高、透明度低等缺陷[5];光控性波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器也存在透明度低和復(fù)雜度高的問(wèn)題,并且還對(duì)用戶(hù)信號(hào)帶寬有限制[6]。利用四波混頻方式實(shí)現(xiàn)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)雖有著較高的透明度,但其復(fù)雜度高,造價(jià)高,魯棒性低[7]。此外,在這些波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)中,一旦相應(yīng)的器件參數(shù)選定之后,轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)也就相對(duì)固定了,無(wú)法實(shí)現(xiàn)靈活可調(diào)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換,也就不能很好地支持電廠通信網(wǎng)絡(luò)的可重構(gòu)性。
本文提出了一種新型基于雙驅(qū)動(dòng)馬赫增德?tīng)?DP-MZM)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù),很好的彌補(bǔ)了目前三類(lèi)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)存在的問(wèn)題,具有高靈敏度、可重構(gòu)、低成本等優(yōu)點(diǎn)。這種新型的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案可以提供高傳輸透明度,根據(jù)不同用戶(hù)的需求,動(dòng)態(tài)可控地調(diào)整轉(zhuǎn)換波的頻率以克服通信網(wǎng)絡(luò)中波長(zhǎng)阻塞和昂貴超寬帶光電調(diào)制器的限制,同時(shí)滿(mǎn)足合并網(wǎng)絡(luò)可靈活重構(gòu)的要求。此外通過(guò)理論分析,數(shù)字仿真和硬件實(shí)驗(yàn)給出了波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)條件,以確保波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的最優(yōu)工作狀態(tài)。
基于DP-MZM的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案原理如圖1所示。該方案進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換過(guò)程為,當(dāng)一束攜帶著任意調(diào)制格式用戶(hù)信息的光信號(hào)(波長(zhǎng)為λ0)入射到由兩個(gè)RF射頻信號(hào)和兩個(gè)直流分量構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)條件驅(qū)動(dòng)的DP-MZM中,DP-MZM將用戶(hù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為一系列滿(mǎn)足貝塞爾函數(shù)分布的、頻率間隔等于RF射頻信號(hào)頻率的光譜,且每一束光譜攜帶著相同的用戶(hù)信息,具有傳輸透明度。SDN通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)條件,進(jìn)而控制DP-MZM輸出光譜的功率和數(shù)量。
圖1 基于DP-MZM的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案原理圖
設(shè)選取目標(biāo)光信號(hào)作為轉(zhuǎn)換波,特定的驅(qū)動(dòng)條件,可保證這個(gè)轉(zhuǎn)換波同時(shí)擁有理論上最高的轉(zhuǎn)換效率和頻率去諧范圍。由于這些驅(qū)動(dòng)條件可以由數(shù)字信號(hào)處理(DSP)集中管理,這種波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器便具有可配置、可擴(kuò)展的特點(diǎn),非常靈活且有彈性。為了得到這個(gè)特定的理想驅(qū)動(dòng)條件,本文首先對(duì)DP-MZM的理論公式進(jìn)行了推導(dǎo)。
DSP驅(qū)動(dòng)使能的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器由圖1中虛線框圖所示。加在DP-MZM上的2個(gè)射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別為A1cos(ωrf+θ1)、A2cos(ωrf+θ2),2個(gè)直流偏置電壓分別為Vbias1、Vbias2。設(shè)用戶(hù)信號(hào)Ein(t)=A(t)·ej(ωct+θc)注入到DP-MZM中,利用貝塞爾函數(shù)的Jacobi-Anger展開(kāi)式,結(jié)合文獻(xiàn)[8]和圖1,假定DP-MZM偏置電壓為Vπ,DP-MZM的輸出信號(hào)為:
(1)
設(shè)第p次諧波是選定的目標(biāo)轉(zhuǎn)換波,則根據(jù)(1)結(jié)果可知第p次諧波的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:
(2)
其中:Kp被定義為:
Kp=Jp(β1)ej(Δφup+pθ1)+Jp(β2)ej(Δφdown+pθ2)
(3)
由(3)可得,Kp的值直接影響著波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)的第p次諧波的幅度值和相位值。且Kp的值越大,則輸出信號(hào)的第p次諧波的幅度值就越大。
此時(shí),將輸出信號(hào)的目標(biāo)波(第p次諧波)Eout_p(t)與輸入信號(hào)Ein(t)相比較,可以得到基于DP-MZM的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的理論轉(zhuǎn)換效率為:
(4)
其中|Kp|2可以很容易得到:
cos(pθ1-pθ2+Δφup-Δφdown)
(5)
由公式(1)和公式(4)可得,波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)的第p次諧波的幅度值與其相應(yīng)的p階貝塞爾函數(shù)Jp(βi)成正比關(guān)系。因此,為了使得波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器輸出的目標(biāo)信號(hào)波獲得最高的輸出功率,應(yīng)該使Kp取得最大值,即使公式(5)中的p階貝塞爾函數(shù)Jp(βi)(i=1,2)都取得最大值,即:
(6)
因此,當(dāng)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)的第p次諧波滿(mǎn)足公式(6)時(shí),|Kp|2取得最大值,此時(shí),輸出信號(hào)的第p次諧波的功率達(dá)到最大,波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到理論最高值。
在前面的分析中,基于DP-MZM的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)中包含其他諧波分量(也被叫作寄生波)。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器輸出的寄生波中也包括第0階諧波。將公式(6)帶入公式(5),令p=0,可以得到第0階諧波K0的表達(dá)式如下:
(7)
從之前的分析可以知道,Kp的值越大,則波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)的第p次諧波的幅度值越大,因此,為了使得第0階諧波最小,要使K0的值取到最小,即求K0=0的解,如下式所示。
Δφup-Δφdown=π+2mπ
(8)
令公式(4)中的p=k(k代表第k階諧波),得到Kk的表達(dá)式,用于表示除輸出目標(biāo)波和第0階諧波以外的其他寄生波的影響因子,并結(jié)合公式(8)將其化簡(jiǎn),即:
(9)
可以看出,寄生波可以被分為奇次諧波(k=±(2n-1),n為整數(shù))和偶次諧波(k=±2n,n為整數(shù))。所有偶次諧波可以很容易的消除。
θ1-θ2=mπ
(10)
綜合以上分析,波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器最終輸出的光信號(hào)可以表示為:
θmax=ωct+pωrft+θc+Ψp
θn=ωct+(p-2n)ωrft+θc+Ψ(p-2n)
(11)
其中:Ψp是第p次諧波的相位。
(12)
此時(shí),基于(11)的輸出信號(hào)表達(dá)式,將其中目標(biāo)波(第p次諧波)與波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)相比較,分析計(jì)算波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的理論轉(zhuǎn)換效率可得:
(13)
對(duì)于基于DD-MZM的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案,等式(6)可以保證波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的輸出功率達(dá)到最高,也就是得到最高的轉(zhuǎn)換效率,結(jié)合(8)、(10)得到(14),即DP-MZM的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案的最佳驅(qū)動(dòng)條件。
(14)
基于DP-MZM波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案的驅(qū)動(dòng)條件由2個(gè)射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)及2個(gè)直流偏壓組成,均由外部的DSP進(jìn)行控制管理。在發(fā)送端,通過(guò)馬赫-曾德?tīng)枏?qiáng)度調(diào)制器(IM-MZM)將10 Gb/s的16QAM-OFDM用戶(hù)信號(hào)調(diào)制到1550 nm的光上,然后注入基于DP-MZM的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器中。完成波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換之后,輸出的轉(zhuǎn)換波以及其他殘余諧波分量通過(guò)光濾波器將目標(biāo)轉(zhuǎn)換波濾出,通過(guò)光纖傳輸后到達(dá)接收端。在接收端,光信號(hào)通過(guò)PIN光電二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),之后由解調(diào)器對(duì)用戶(hù)信號(hào)進(jìn)行解調(diào),得到的基帶信號(hào)最終傳輸給DSP模塊。
為了驗(yàn)證最優(yōu)驅(qū)動(dòng)條件的正確性,通過(guò)大量的數(shù)字仿真對(duì)最優(yōu)調(diào)制條件和隨機(jī)驅(qū)動(dòng)條件驅(qū)動(dòng)下的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器性能進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。轉(zhuǎn)換器的性能主要包括轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換效率,BER以及寄生載波數(shù)量。
對(duì)于最優(yōu)驅(qū)動(dòng)條件,βp_opt分別取1.84, 4.20, 6.42, 8.58 和10.71對(duì)應(yīng)于1-,3-,5-,7-,9-階光譜作為目標(biāo)轉(zhuǎn)換波的情況。射頻信號(hào)的相位分別取Δθ=π(θ1=π,θ2=0),直流分量對(duì)應(yīng)的偏置相位Δφup和Δφdown分別設(shè)置為π和 0。對(duì)于隨機(jī)驅(qū)動(dòng)條件,這四個(gè)相位條件θ1,θ2,Δφup和Δφdown被設(shè)置為是四個(gè)獨(dú)立不相關(guān)的隨機(jī)變量。在仿真波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器性能時(shí),例如對(duì)一個(gè)特定階光譜的轉(zhuǎn)換效率,采用2 000個(gè)完全獨(dú)立的數(shù)字仿真,每一個(gè)仿真中,四個(gè)相位條件完全獨(dú)立隨機(jī)從0到2π范圍中取值。
本論文中的仿真工作是在虛擬光學(xué)儀器(VPI)軟件上進(jìn)行。本文的仿真,對(duì)于一部分參數(shù)的設(shè)定是基本不變的,其設(shè)置如表1所示。
表1 仿真參數(shù)
為驗(yàn)證基于DP-MZM的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的最佳驅(qū)動(dòng)條件,仿真對(duì)比了在最佳驅(qū)動(dòng)條件下和大量隨機(jī)驅(qū)動(dòng)條件下基于DP-MZM的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換效率、頻率去諧情況和BER情況。
首先仿真分析分別在最佳驅(qū)動(dòng)條件及2000組隨機(jī)驅(qū)動(dòng)條件下,使用不同階數(shù)諧波作為轉(zhuǎn)換波時(shí)仿真得到的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率,如圖2所示。
圖2 最佳驅(qū)動(dòng)條件及大量隨機(jī)驅(qū)動(dòng)條件下的轉(zhuǎn)換效率
圖中最上方代表最佳驅(qū)動(dòng)條件,其余代表隨機(jī)驅(qū)動(dòng)條件。由圖2可以看出,與隨機(jī)驅(qū)動(dòng)條件下的仿真結(jié)果相比較,對(duì)于每一個(gè)被選取的諧波階數(shù)(頻率去諧點(diǎn)),在最佳驅(qū)動(dòng)條件下的仿真結(jié)果都能夠達(dá)到理論上的最高轉(zhuǎn)換效率,并且這個(gè)轉(zhuǎn)換效率值與公式(4)得到的值一致。因此驗(yàn)證了在公式(4)所描述的最佳驅(qū)動(dòng)條件正確性。
最佳的頻率去諧特性可以使波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器輸出的寄生諧波數(shù)量最少,并且對(duì)于給定的射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào),可以實(shí)現(xiàn)更大的頻率去諧范圍。因此,為了分析頻率去諧特性,仿真得到在最佳驅(qū)動(dòng)條件及大量隨機(jī)驅(qū)動(dòng)條件下波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器在每一個(gè)頻率去諧點(diǎn)輸出的諧波數(shù)量如圖3所示。
圖3 最佳VS隨機(jī)驅(qū)動(dòng)條件下的輸出諧波數(shù)量
可以很明顯地看出,在隨機(jī)驅(qū)動(dòng)條件下,波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器輸出的諧波數(shù)量大大多于最佳驅(qū)動(dòng)條件下輸出的諧波數(shù)量。與隨機(jī)驅(qū)動(dòng)條件的情況相比,最佳驅(qū)動(dòng)條件的情況下基于DP-MZM的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案最多可以消除50%的諧波數(shù)量。這是由于如(11)所示,所有的奇數(shù)次諧波都會(huì)被抑制。因此驗(yàn)證了在公式(14)所描述的最佳驅(qū)動(dòng)條件下,基于DP-MZM的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案能夠?qū)崿F(xiàn)最佳的頻率去諧效果。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證基于DP-MZM的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器在最佳驅(qū)動(dòng)條件下的性能,仿真以輸出目標(biāo)波為第5階諧波的情況為例,設(shè)定輸入信號(hào)的光信噪比(OSNR),對(duì)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)的誤碼率(BER)性能進(jìn)行仿真分析,仿真同樣包含最佳驅(qū)動(dòng)條件和隨機(jī)驅(qū)動(dòng)條件兩種情況,得到仿真結(jié)果如圖4所示。
圖4 給定輸入信號(hào)的OSNR時(shí)輸出轉(zhuǎn)換波的BRE
可以看出,當(dāng)滿(mǎn)足最佳驅(qū)動(dòng)條件時(shí),基于DP-MZM的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案能同時(shí)實(shí)現(xiàn)最高的轉(zhuǎn)換效率以及最優(yōu)的BER性能。這是因?yàn)?,在仿真系統(tǒng)中固定了輸入信號(hào)的光信噪比(OSNR),轉(zhuǎn)換效率越高時(shí),輸出轉(zhuǎn)換波的光信噪比(OSNR)會(huì)越大,則BER也會(huì)越好。最佳驅(qū)動(dòng)條件能夠提供理論上最高的轉(zhuǎn)換效率,因此能得到最好的系統(tǒng)BER性能。
本節(jié)驗(yàn)證了基于DD-MZM的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案的最佳驅(qū)動(dòng)條件與理論推導(dǎo)一致,在最佳驅(qū)動(dòng)條件下,基于DD-MZM的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案能夠達(dá)到理論上最高的轉(zhuǎn)換效率,能實(shí)現(xiàn)最佳的頻率去諧效果,并且能同時(shí)實(shí)現(xiàn)最高的轉(zhuǎn)換效率以及最優(yōu)的BER性能。
為了驗(yàn)證DP-MZM轉(zhuǎn)換波的可行性和實(shí)用性,基于圖1搭架了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。由RIO ORIONTMLaser Module提供一束中心波長(zhǎng)為1550.118 nm功率為13 dBm光源, AWG(Tektronix AWG 7122C)發(fā)送的10 Gb/s 16QAM-OFDM 信號(hào)經(jīng)強(qiáng)度調(diào)制器調(diào)制到光上。光OFDM通過(guò) EDFA (LTRANTMLOA3000) 和可控衰減器(FVA 600) 注入到22dB ER和8dB插入損耗的DPMZM (Fujitsu 7939EK) 中。一個(gè)12.5 GHz 的射頻信號(hào)通過(guò)信號(hào)發(fā)生器(Anritsu MG3697C)產(chǎn)生,通過(guò)6~12 GHz 的30 dBm 功率放大器 (TRANSCOM TA060-120-35-30) 和一分二的移相器分成相位相差180°的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別加載到DP-MZM上。移相器可以保證兩路射頻信號(hào)滿(mǎn)足最優(yōu)驅(qū)動(dòng)條件即振幅相同,頻率相同且相位相差180°。DP-MZM轉(zhuǎn)換波通過(guò)光濾波器(OTF-350) 選取對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換波,然后通過(guò)12 GHz 光接收機(jī) (New Focus 1544) 轉(zhuǎn)成電接收信號(hào)。電信號(hào)通過(guò)示波器探測(cè)并最終送入電腦做離線處理。
對(duì)于一個(gè)發(fā)射功率為7.9 dBm的10Gb/s OOFDM信號(hào),圖5研究了轉(zhuǎn)換器引起的功率損耗,其中1-,5-階的轉(zhuǎn)換波分別滿(mǎn)足最優(yōu)驅(qū)動(dòng)條件,分析了對(duì)應(yīng)的BER性能和激光器發(fā)射光功率之間的關(guān)系。如圖5所示,對(duì)于1.0×10-3的FEC limit,相對(duì)于沒(méi)有使用波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的BER曲線,1-和 5-階轉(zhuǎn)換波造成的功率損耗近似于12.5 dB和16.1 dB。值得指出的是,這兩者的差值3.6 dB近似等于兩者的轉(zhuǎn)換效率差3.8 dB。這說(shuō)明了DP-MZM造成的功率損耗主要是來(lái)自于不同轉(zhuǎn)換波的轉(zhuǎn)換效率差值。
圖5 1-與5-階的BERs 和光發(fā)射功率關(guān)系
對(duì)于轉(zhuǎn)換器線性轉(zhuǎn)換的研究通過(guò)圖6實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,其中1-和5-階轉(zhuǎn)換波解調(diào)的OFDM信號(hào)和沒(méi)有使用轉(zhuǎn)換器的OFDM信號(hào)做了歸一化對(duì)比。這些信號(hào)近似重合的,說(shuō)明了轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)的處理是線性和幾乎對(duì)波形無(wú)損的。
圖6 1-,5-階轉(zhuǎn)換波的信號(hào)波形和沒(méi)有經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換器的歸一化OFDM時(shí)域波形。
為了滿(mǎn)足新能源電廠的光通信問(wèn)題,本文提出了一種基于DP-MZM的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案。此方案能夠克服傳統(tǒng)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn),擁有高傳輸透明度,實(shí)現(xiàn)無(wú)波形失真的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換,并且可以利用SDN實(shí)現(xiàn)用戶(hù)資源的動(dòng)態(tài)可控以及實(shí)時(shí)配置。仿真分析表明:此波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案的最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到-4.703 dB,消除50%的諧波數(shù)量,另外最佳驅(qū)動(dòng)條件可以保證轉(zhuǎn)換器有最高轉(zhuǎn)換效率及最低誤碼率;在傳輸性能的仿真中,證明了波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)功率具有強(qiáng)魯棒性,可以實(shí)現(xiàn)波形無(wú)失真的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。在實(shí)驗(yàn)部分,分別以1階和5階諧波為目標(biāo)轉(zhuǎn)換波,驗(yàn)證了在最佳驅(qū)動(dòng)條件下DP-MZM的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換性能。以16QAM-OFDM信號(hào)為用戶(hù)信號(hào),解調(diào)的電信號(hào)和發(fā)射電信號(hào)可以很好的歸一化重合,證明了基于DP-MZM的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案的傳輸穩(wěn)定性和可行性。