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        光纖系統(tǒng)中編碼方式對系統(tǒng)性能影響以及色散補償

        2021-03-01 09:18:28李日淼王裕如陳鵬遠
        關(guān)鍵詞:編碼方式調(diào)制器色散

        李日淼,李 萍,王裕如,陳鵬遠,劉 實

        (大連工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 大連 116034)

        0 引 言

        目前現(xiàn)代光通信技術(shù)中,抑制大容量長距離光纖傳輸?shù)膸讉€主要因素是發(fā)射端的編碼方式、光纖的損耗問題、光纖的色散、非線性問題等。由于摻鉺光纖放大器(erbium-doped fiber amplifier,EDFA)的出現(xiàn),極大解決了光纖的損耗問題,但是由于傳輸距離的增加,光信號在光纖中傳輸?shù)拿}沖展寬,碼間干擾問題加重,因此色散問題就變得不可忽視[1-3]。

        一般對于系統(tǒng)中色散問題都采用虛像相位陣列法、光孤子傳輸技術(shù)、色散補償光纖(dispersion compensating fiber,DCF)、光纖布拉格光柵(fiber brag grating,F(xiàn)BG)等,其中DCF和FBG這兩種方式進行色散補償是較常用的補償方式[4-6],而至于系統(tǒng)編碼方式與色散補償方式的比較,以及對色散補償方式的改進研究較少。

        因此本研究在以前的基礎(chǔ)上,通過對比常用DCF和FBG兩種方式進行色散補償,對較好的色散補償方式進行改進。通過分析編碼方式,對系統(tǒng)采用DCF和FBG兩種色散補償方法來實現(xiàn)光通信系統(tǒng)的色散補償,并在前置和后置補償這兩種方式的基礎(chǔ)上,對系統(tǒng)色散補償進行對比分析,利用仿真軟件對傳輸速率為40 Gbit/s的單信道系統(tǒng)進行建模仿真,對比分析了這幾種色散補償方式的優(yōu)劣并選取其中補償效果較好的一種方法應(yīng)用到多信道系統(tǒng)中。并對該系統(tǒng)采用級聯(lián)型的FBG色散補償模塊,以較好地實現(xiàn)對WDM系統(tǒng)的色散補償,為光通信系統(tǒng)的升級擴容提供有力的依據(jù)。

        1 系統(tǒng)原理設(shè)計

        光纖傳輸系統(tǒng)是由光發(fā)射端,光纖信道和光終端組成。信號發(fā)射端是由光信號發(fā)射源、信號序列發(fā)生器、馬赫曾德調(diào)制器組成。系統(tǒng)的光纖信道是由單模光纖和DCF組成。光放大器是為了將衰減的光信號可以傳輸更遠的距離,一般使用EDFA。光纖系統(tǒng)終端是由光接收模塊,低通濾波器,誤碼儀等構(gòu)成[7-8]。但是對于系統(tǒng)來說,發(fā)射端編碼方式的優(yōu)劣程度,對于系統(tǒng)的色散影響較大。

        2 發(fā)射端編碼方式

        2.1 載波抑制歸零碼編碼方式

        載波抑制歸零碼(carrier-suppressed return to zero,CSRZ),產(chǎn)生CSRZ的方法是使用兩個馬赫-曾德(Mach-Zehnder,MZ)調(diào)制器來引入π相位的反轉(zhuǎn),利用第一個MZ調(diào)制器進行光強度調(diào)制,產(chǎn)生一個CSRZ脈沖序列,相鄰脈沖差為π相位,原始調(diào)制信號為正弦信號;對第二個MZ調(diào)制器進行調(diào)制,產(chǎn)生RZ信號,對幅度為相位上下反相的兩個NRZ編碼電信號進行調(diào)制,通過把偏置點定在MZ調(diào)制器的最低點,能夠?qū)崿F(xiàn)CSRZ信號[9]。因此將占空比為67%的歸零碼稱為載波抑制歸零碼,一般用Ein和Eout表示第二個MZ的輸入和輸出電場,φ1和φ2表示上下臂的電位變化,生成過程:

        式中:V1m和V2m分別表示MZ調(diào)制器上下臂脈沖的幅度,φ1和φ2分別表示MZ調(diào)制器上下臂的角頻率,ψ1和ψ2分別表示MZ調(diào)制器上下臂的相位,V1和V2分別表示MZ調(diào)制器上下臂的偏置電壓,而Vπ表示半波電壓,通常取5 V。CSRZ的光譜如圖2(a)所示。

        (a) 無色散補償

        (a) 無色散補償

        (a) 初始脈沖寬度

        (a) CSRZ光譜圖

        2.2 非歸零碼編碼方式

        非歸零碼(non-return to zero,NRZ),在每個二進制符號間隔內(nèi),非歸零碼信號波形的電平保持不變。NRZ是通過對一個半導(dǎo)體激光器的外調(diào)制或直接調(diào)制產(chǎn)生。但NRZ碼容易受到器件特性的限制和啁啾問題,因此不能夠適應(yīng)長途傳輸[10]。NRZ光譜如圖2(b)所示。

        2.3 改進的光雙二進制碼編碼方式

        改進的光雙二進制碼(modified optical duobinary return to zero,MDRZ),具體過程是用雙二進制預(yù)編碼器、NRZ碼脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個信號,經(jīng)過第一個MZ調(diào)制器,用一個頻率、相位合適的正弦波發(fā)生器調(diào)制第二個MZ調(diào)制器[11],MDRZ具體產(chǎn)生過程:

        假設(shè)需要發(fā)送的信號x(t),經(jīng)過預(yù)編碼為

        式中:T為時間寬度,q(t)為非歸零矩形脈沖發(fā)送端的輸入碼元為ck。經(jīng)過預(yù)編碼,發(fā)送信號還要經(jīng)過時間延遲產(chǎn)生的信號x′(t)為

        式中:τ為時間常數(shù),得到MDRZ編碼方式的輸出信號y(t)為

        y(t)=x(t)-x′(t)

        最后使用雙臂鈮酸鋰調(diào)制器,y(t)來調(diào)制光信號。MDRZ編碼方式仍是一種二進制編碼,但因為其頻譜寬度比其他二進制編碼方式頻譜寬度都窄,因此MDRZ編碼方式是所有歸零碼中頻譜寬度最窄的編碼方式[12],改進的光雙二進制編碼產(chǎn)生流程圖如圖1所示,光譜如圖2(c)所示。

        圖1 改進的光雙二進制碼產(chǎn)生流程圖Fig.1 The flow chart of MDRZ generation

        觀察系統(tǒng)發(fā)射端的光譜圖,3種調(diào)制方式產(chǎn)生的光譜圖頻譜寬度都比較窄,因此都具有較好的色散容限??稍?種傳輸系統(tǒng)中進行DCF和FBG色散補償觀察對系統(tǒng)的影響。

        3 系統(tǒng)色散補償

        3.1 色散補償原理

        在DWDM傳輸系統(tǒng)中,一般采用DCF和FBG色散補償方式進行色散補償,DCF色散補償就是將帶有負的色散系數(shù)的DCF和光纖中產(chǎn)生正的色散系數(shù)的標準單模光纖(single mode fiber,SMF)進行串聯(lián),使二者正負色散互相抵消,實現(xiàn)傳輸距離的延長,在整個傳輸系統(tǒng)中,要盡可能讓系統(tǒng)總色散值接近于0,從而達到完全補償[13-14]。

        FBG色散補償原理如圖3所示,就是在光波通過光柵時,較長波長的光在光柵的始端被反射,較短波長的光在光柵的末端被反射,前后形成了時延差,后者比前者時延大,從而補償了由于色散影響的脈沖展寬,使脈沖被壓縮或者還原到初始狀態(tài),從而達到了色散補償效果。圖4是時域觀察圖,可明顯看出光脈沖信號經(jīng)過光纖發(fā)生了明顯的展寬,通過布拉格光柵后被壓縮達到色散補償效果[15-16]。

        圖3 FBG補償光纖工作原理Fig.3 The working principle of FBG compensation fiber

        3.2 三種編碼方式下的色散補償

        通過仿真,對CSRZ、NRZ和MDRZ編碼方式分別進行色散補償,系統(tǒng)整體參數(shù)保持一致,采用的系統(tǒng)整體速率為40 Gbit/s,系統(tǒng)EDFA放大器增益為20 dB,輸入的光功率為10 dBm,將光纖鏈路總長設(shè)置為60 km,在30 km處加上DCF和FBG分別進行色散補償,前后30 km采用SMF和EDFA結(jié)合,整個系統(tǒng)通過循環(huán)控制器的循環(huán)次數(shù)n來控制總體傳輸距離,具體系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

        表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab.1 System simulation parameters

        對于一個系統(tǒng),Q值和誤碼率可以反映系統(tǒng)性能好壞,而Q值是反應(yīng)系統(tǒng)傳輸性能好壞最重要的參數(shù)之一,它能將系統(tǒng)容限用分貝的形式簡單表示出來,一般來說Q值大,鏈路性能越好。因此通過仿真觀察CSRZ、NRZ和MDRZ3種編碼方式在DCF和FBG哪種編碼方式和補償方式更好。

        從有無色散補償下的3種編碼方式Q值,如圖5所示,可以通過觀察系統(tǒng)Q值,可見MDRZ編碼方式在不加任何的色散補償時,是3種里面?zhèn)鬏斝阅茏詈玫?,NRZ編碼方式相對來說Q值較低,是3種里面?zhèn)鬏斝阅茏畈畹?。但是?種都加了色散補償后不論是DCF還是FBG,Q值相對提高,傳輸性能都有所改進,隨著入射功率的增加,Q值的增加幅度在使用FBG補償時增加更明顯,這是因為DCF進行補償時損耗比較大,因此在傳輸過程中有效的面積要小,導(dǎo)致非線性效應(yīng)變大,隨著入射功率的增加非線性效應(yīng)又變得更大,因此Q值相對較小,由于比正常傳輸相比,色散影響小很多,因此會比正常傳輸Q值要高一些。而FBG具有體積小,與光纖結(jié)合更容易,損耗低等優(yōu)點,F(xiàn)BG色散補償方式要比DCF補償方式效果好。因此,在實驗基礎(chǔ)上,采用編碼方式更好的MDRZ方式結(jié)合FBG補償方式,進一步改善系統(tǒng)傳輸性能。

        4 系統(tǒng)色散補償分析

        對于需要信息在光纖中進行大容量、長距離傳輸?shù)臅r候,單信道的系統(tǒng)傳輸容量存在局限性,但對于WDM系統(tǒng)一個FBG不能對系統(tǒng)進行很好的色散補償,因此要對WDM系統(tǒng)進行色散補償,將8個FBG進行串聯(lián),如圖6所示。

        圖6 FBG補償WDM系統(tǒng)原理圖Fig.6 Diagram of WDM system with FBG

        該系統(tǒng)中,8個不同頻率的光信號經(jīng)過光復(fù)用器后,經(jīng)過光環(huán)路器后進入每一個FBG模塊,每個FBG只對應(yīng)8個信號其中一種的分信號,這樣就可以對原信號進行色散補償。最后經(jīng)過色散補償?shù)墓庑盘栐俳?jīng)過合成器形成一個耦合信號回到光環(huán)路器中,最后通過解復(fù)用器將耦合的光信號解復(fù)用成8個原信號。最后通過觀察系統(tǒng)Q值和眼圖來判斷色散補償前后系統(tǒng)的傳輸效果,因為第一信道的信號更容易受到干擾,一般都以第一個信道的輸出結(jié)果作為研究對象。

        整個系統(tǒng)共產(chǎn)生8個頻率的信號,初始頻率為193.1 THz,由于MDRZ編碼方式和FBG色散補償方式的系統(tǒng)Q值較高,因此將MDRZ編碼方式進行級聯(lián)FBG補償和無補償進行比較系統(tǒng)的Q值如圖7所示。

        從圖7中可以看出在其他條件相同時,采用FBG級聯(lián)進行色散補償系統(tǒng)Q值大于無補償系統(tǒng)Q值,而誤碼率(bit error ratio,BER)是衡量數(shù)據(jù)在一定時間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標,誤碼率為傳輸中的誤碼占所傳輸?shù)目偞a數(shù)的百分比,有FBG補償時的系統(tǒng)BER低于無色散補償時的BER,通過觀察兩個系統(tǒng)的眼圖也能得出相同的結(jié)論,如圖8所示。

        圖7 WDM系統(tǒng)Q值變化Fig.7 Q value change of WDM system

        在仿真過程中,還發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的傳輸性能會隨著傳輸距離的變化為變化,也就是通過改變系統(tǒng)的環(huán)路控制器n,其中(n=1,2,3,…,17),一圈的跨度為60 km,觀察系統(tǒng)Q值與傳輸距離關(guān)系如圖9所示。

        圖9是采用MDRZ編碼方式和FBG色散補償方式,通過觀察Q值和環(huán)路控制器n的關(guān)系可以看出,在900 km以前,隨著環(huán)路控制器n的增加,Q值總體呈現(xiàn)遞減的趨勢,傳輸距離超過900 km,系統(tǒng)由于受到四波混頻影響效果較大,總體Q值降到了10以下,這時系統(tǒng)傳輸性能明顯下降,也就是在900 km為MDRZ編碼方式采用FBG色散補償時的有效距離。

        圖9 系統(tǒng)Q值與環(huán)路控制器圈數(shù)的關(guān)系Fig.9 Relationship between system Q value and loop controller

        5 結(jié) 論

        通過在單信道下將NRZ、CSRZ和MDRZ 3種編碼方式進行DCF和FBG色散補償仿真研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用MDRZ和FBG兩種的系統(tǒng)傳輸效果最好,不但能讓單信道的編碼方式得到優(yōu)化,而且采用FBG色散補償方式對系統(tǒng)的補償效果最好。針對大容量長距離WDM系統(tǒng),采用MDRZ編碼方式和FBG色散補償方式,通過比較有無補償?shù)南到y(tǒng)Q值,發(fā)現(xiàn)級聯(lián)FBG模塊對系統(tǒng)色散補償有一定作用,并且在900 km以內(nèi)傳輸效果是最佳的。MDRZ編碼方式和FBG色散補償方式,具有很好的發(fā)展前景,對以后大容量、長距離的光纖傳輸,提供了很好的基礎(chǔ)。

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