史繼榮, 劉 琳

華東電力設(shè)計(jì)院有限公司 電網(wǎng)工程分公司 上海 200001

1 研究背景

近年來(lái),隨著特高壓交直流電網(wǎng)的建設(shè),高壓輸電線路的傳輸距離越來(lái)越長(zhǎng),隨線路架設(shè)的光纖復(fù)合架空地線光纜也越來(lái)越長(zhǎng)。

為了減少光通信中繼站的設(shè)置,長(zhǎng)距離單跨段傳輸技術(shù)已經(jīng)成為電力通信傳輸?shù)闹饕绞健２捎昧斯夥糯?、前向編碼糾錯(cuò)、色散補(bǔ)償、非線性抑制、遙泵等技術(shù)后,目前酒泉至湖南±800 kV特高壓直流工程中最長(zhǎng)的2.5 Gbit/s單跨段無(wú)中繼光傳輸距離已達(dá)397 km,扎魯特至青州±800 kV特高壓直流工程中最長(zhǎng)的10 Gbit/s單跨段無(wú)中繼光傳輸距離已達(dá)399 km。

然而,在傳輸距離大幅度提高的同時(shí),色散、非線性效應(yīng)、接收機(jī)性能等卻成為限制系統(tǒng)傳輸距離進(jìn)一步提高的主要因素。對(duì)此,人們一方面致力于改善器件性能,以避免這些不利因素;另一方面則開始對(duì)信道編碼、信號(hào)調(diào)制格式等與傳輸系統(tǒng)硬件無(wú)關(guān)的方面進(jìn)行研究,尋找有利于提升信號(hào)傳輸容量和距離的信道編碼及信號(hào)調(diào)制格式。

目前,電力光通信主要采用2.5 Gbit/s和10 Gbit/s系統(tǒng),采用不歸零碼型,在接收方面以強(qiáng)度檢測(cè)為主,對(duì)碼型、調(diào)制及接收方式等的研究相對(duì)欠缺。

在運(yùn)營(yíng)商領(lǐng)域,采用偏振復(fù)用正交相移鍵控調(diào)制方式的相干光通信接收技術(shù)在100 Gbit/s系統(tǒng)成功商用。相干光通信技術(shù)具有較高的接收靈敏度,以及上千公里無(wú)需額外色散補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn),成為100 Gbit/s及超100 Gbit/s系統(tǒng)的主流技術(shù)。

對(duì)于2.5 Gbit/s系統(tǒng)而言,采用偏振復(fù)用正交相移鍵控調(diào)制的相干光通信接收技術(shù),其原理是一致的,升級(jí)也比較平滑。將相干光通信技術(shù)引入2.5 Gbit/s系統(tǒng),研究低速相干光通信,對(duì)電力通信系統(tǒng)超長(zhǎng)距離傳輸而言具有現(xiàn)實(shí)意義。

2 相干光通信系統(tǒng)原理

相干光通信主要利用相干調(diào)制和外差檢測(cè)技術(shù)。所謂相干調(diào)制,指利用要傳輸?shù)男盘?hào)來(lái)改變光載波的頻率、相位和振幅,這就需要光信號(hào)有確定的頻率和相位。所謂外差檢測(cè),指將一束本機(jī)振蕩產(chǎn)生的激光與輸入的信號(hào)光在光混頻器中進(jìn)行混頻,得到與信號(hào)光頻率、相位和振幅按相同規(guī)律變化的中頻信號(hào)。相干光通信系統(tǒng)原理如圖1所示。與強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)系統(tǒng)相比,相干光通信系統(tǒng)的主要差別在于光接收機(jī)中增加了外差檢測(cè)所需要的本地振蕩器和光混頻器。

圖1 相干光通信系統(tǒng)原理

相干光通信技術(shù)主要有以下優(yōu)點(diǎn):

(1) 相干光通信所用的高級(jí)調(diào)制格式,如偏振復(fù)用正交相移鍵控調(diào)制可以實(shí)現(xiàn)高頻譜利用率,對(duì)于大容量高速率傳輸而言至關(guān)重要;

(2) 相干光通信可以利用高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在電域中補(bǔ)償各種傳輸損失,簡(jiǎn)化傳輸鏈路,針對(duì)2.5 Gbit/s系統(tǒng)可以在算法上實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償,因此不需要額外的色散補(bǔ)償模塊,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)配置;

(3) 相干接收機(jī)的接收靈敏度相比普通接收機(jī)大大提高,可以大幅延長(zhǎng)光信號(hào)的無(wú)中繼傳輸距離[1-3]。

3 2.5 Gbit/s相干光通信設(shè)備

在內(nèi)蒙古錫林郭勒盟至江蘇泰州±800 kV特高壓直流光通信工程中,列入了相干光科技項(xiàng)目,由武漢光迅公司研制具有向前糾錯(cuò)功能的2.5 Gbit/s相干光通信設(shè)備。

這一2.5 Gbit/s相干光通信設(shè)備所涉及的研究?jī)?nèi)容包括相干光通信光源技術(shù)、接收技術(shù)、高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、偏振控制技術(shù)等。

設(shè)備研制的難點(diǎn)在于相干接收之后數(shù)字信號(hào)處理部分的算法復(fù)雜,對(duì)于2.5 Gbit/s和10 Gbit/s速率而言,市場(chǎng)上沒有成熟的芯片方案,因此數(shù)字信號(hào)處理方面實(shí)現(xiàn)的所有算法均要自主開發(fā),開發(fā)難度較大。

在數(shù)字信號(hào)處理部分采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列芯片,并在現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列上實(shí)現(xiàn)相干算法。相干算法包括正交化算法、色散補(bǔ)償算法、時(shí)鐘恢復(fù)算法、恒模算法、相偏補(bǔ)償算法、頻偏補(bǔ)償算法、線寬補(bǔ)償算法等[4-10]。所有算法均為自主開發(fā),實(shí)現(xiàn)了算法的國(guó)產(chǎn)化。

基于原型機(jī)開發(fā),設(shè)計(jì)了可用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的相干光通信傳輸設(shè)備。傳輸設(shè)備設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊,自動(dòng)溫度控制功能可以實(shí)現(xiàn)良好的散熱,適用于19 in(1 in=25.4 mm)和21 in機(jī)架安裝,并具有完善的網(wǎng)絡(luò)管理功能,可實(shí)現(xiàn)全面管理。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

在內(nèi)蒙古錫林郭勒盟至江蘇泰州±800 kV特高壓直流光通信工程中,隨特高壓直流線路架設(shè)一根24芯光纖復(fù)合架空地線光纜。光纜長(zhǎng)度為1 748.4 km,不含交叉引入光纜。共設(shè)置五個(gè)光中繼站,其中臨淄變至陳墩變的光纜長(zhǎng)度為369.6 km,利用該段光纜搭建光傳輸系統(tǒng),如圖2所示。

臨淄變至陳墩變光纖復(fù)合架空地線光纜采用G.652超低損耗光纖。超低損耗光纖的光纖衰減典型系數(shù)為0.172 dB/km,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)光纖總衰減為63.5 dB。

臨淄變至陳墩變光傳輸系統(tǒng)使用六芯光纜,其中1號(hào)～4號(hào)纖芯采用常規(guī)2.5 Gbit/s超長(zhǎng)距離光傳輸技術(shù),5號(hào)、6號(hào)纖芯采用2.5 Gbit/s相干光傳輸技術(shù)。

采用常規(guī)2.5 Gbit/s超長(zhǎng)距離光傳輸技術(shù)的電路,需要配置光放大器、預(yù)放大器、前向拉曼放大器、后向拉曼放大器、色散補(bǔ)償模塊和前向糾錯(cuò)模塊。

采用2.5 Gbit/s相干光通信傳輸技術(shù)后,只需要配置光放大器、預(yù)放大器、后向拉曼放大器,不需要配置前向拉曼放大器和色散補(bǔ)償模塊,而前后糾錯(cuò)功能也已集成在2.5 Gbit/s相干光通信傳輸設(shè)備中。

5 運(yùn)行結(jié)論

內(nèi)蒙古錫林郭勒盟至江蘇泰州±800 kV特高壓直流光通信工程于2017年6月通過(guò)驗(yàn)收并投入運(yùn)行,工程電路和2.5 Gbit/s相干光測(cè)試電路已安全平穩(wěn)運(yùn)行至今。

運(yùn)行結(jié)果證明,應(yīng)用于100 Gbit/s光通信中的采用偏振復(fù)用正交相移鍵控調(diào)制技術(shù)的相干光通信技術(shù),可以應(yīng)用于2.5 Gbit/s傳輸系統(tǒng)中,同時(shí)驗(yàn)證了2.5 Gbit/s偏振復(fù)用正交相移鍵控相干系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)男阅?。?jīng)過(guò)運(yùn)行確認(rèn),采用超低損耗光纖、光放大器、預(yù)放大器簡(jiǎn)單配置,無(wú)需色散補(bǔ)償,即可傳輸369.6 km。

這一系統(tǒng)直接參與中興廠家設(shè)備測(cè)試,功能均正常,因此可用于實(shí)際電力超長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)中。

圖2 臨淄變至陳墩變光傳輸系統(tǒng)

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者研究了2.5 Gbit/s相干光通信系統(tǒng),將采用偏振復(fù)用正交相移鍵控調(diào)制方式的相干光通信技術(shù)應(yīng)用于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟至江蘇泰州±800 kV特高壓直流光通信工程臨淄變至陳墩變光傳輸系統(tǒng)中,傳輸距離達(dá)369.6 km,光纖總衰減為63.5 dB,穩(wěn)定運(yùn)行至今。

目前,2.5 Gbit/s相干光通信技術(shù)還屬于實(shí)驗(yàn)室開發(fā)階段,未正式投入使用和大規(guī)模量產(chǎn),成本也相對(duì)較高。當(dāng)然,2.5 Gbit/s相干光通信系統(tǒng)的研究是一次有益嘗試,將促進(jìn)電力通信系統(tǒng)長(zhǎng)距離傳輸?shù)陌l(fā)展。