李 立, 張?zhí)禊i, 趙建周

(安陽工學院 電子信息與電氣工程學院 河南 安陽 455000)

CSRZ-DQPSK在長距離WDM-PON系統(tǒng)的性能研究

李 立, 張?zhí)禊i, 趙建周

(安陽工學院 電子信息與電氣工程學院 河南 安陽 455000)

在長距離光通信系統(tǒng)中，差分相移鍵控(differential phase shift keying，DPSK)調(diào)制和解調(diào)技術是針對色散補償而提出的一種技術方案.其中差分正交相移鍵控(differential quadrature reference phase shift keying,DQPSK)技術通過采用不同的調(diào)制技術如非歸零(non-return to zero,NRZ)、歸零(return to zero,RZ)、載波抑制歸零(carrier suppressed return to zero,CSRZ)調(diào)制.但由于差分相移鍵控的頻譜功率較低，誤碼率更高高，噪聲干擾更大等缺點.提出了載波抑制歸零-差分正交相移鍵控(CSRZ-DQPSK)調(diào)制方式，具有更好的抗色散和抗偏振膜色散的能力，它可以彌補差分相移鍵控的缺點.以眼圖張開代價(EOP)、眼圖和誤碼率(BER)作為性能評價指標，研究了這3種調(diào)制格式對色散(chromatic dispersion,CD)、偏振膜色散(polarization mode dispersion,PMD)和非線性效應的抑制作用.經(jīng)測試CSRZ-DQPSK調(diào)制方式的功率損耗相對較低，具有更窄的頻譜，在色散容限與非線性效應容忍度方面具有很大提升，性能更加優(yōu)越.因此可作為長距離波分復用無源光網(wǎng)絡(wavelength division multiplexing-passive optical network,WDM-PON)的一個簡單高效的方案.

差分正交相移鍵控； 偏振膜色散； 功率損耗； 光通路損耗

0 引言

在光纖通信系統(tǒng)中，信息以光信號通過光纖波導進行傳輸.DQPSK是一種新型的調(diào)制方式，它可以有效地減少線性效應.由于其具有良好的抗色散和抗偏振膜色散能力，因而提高了頻譜利用效率、抑制了非線性效應.DQPSK天然具有良好的抑制非線性效應的能力[1]，具有3 dB光SNR優(yōu)勢，同時具有傳輸速率和比特率相同的特點.通過適當?shù)腄QPSK預編碼運算可實現(xiàn)無差錯傳輸[2].本文提出了簡單高效的設計方案，用于減少傳輸系統(tǒng)中的線性效應.波分多路復用(WDM)不僅增加了每個信道的數(shù)據(jù)速率，還增加了通過光纖中信道的數(shù)量，而無源光網(wǎng)絡(PON)可以極大地減少光纖的數(shù)量[3].在WDM-PON中，每個光網(wǎng)絡單元(optical network unit,ONU)使用一個對應的波長信道將其數(shù)據(jù)發(fā)送到OLT，并且可同時用于上、下行通信[4-6].文中通過對比CSRZ-OOK、CSRZ-DPSK、CSRZ-DQPSK 3種相位調(diào)制格式的頻譜波形，并在40 Gbit/s光纖背靠背傳輸系統(tǒng)中進行了仿真和測試，CSRZ-DQPSK 調(diào)制格式抗CD、PMD 和非線性能力較強.因此，將CSRZ-DQPSK視為未來超高速、超大容量WDM-PON同步傳輸?shù)囊粋€簡單高效的傳輸方案.

1 調(diào)制原理及測試

1.1 DQPSK的原理

DQPSK作為下一代光傳輸系統(tǒng)的重要調(diào)制方式，得到了人們廣泛的研究.DSPK每一個位隙譯碼一個比特，而DQSPK每一個位隙譯碼兩個比特.因此，與DPSK相比，DQPSK僅需要一半的碼元速率即可傳輸相同的業(yè)務，及對OOK調(diào)制方案在平衡檢測下具有3 dB優(yōu)勢；同時具有較高的頻帶利用率以及更窄的頻譜寬度.因為速率減半，與傳統(tǒng)的二進制調(diào)制相比，DQPSK有足夠的頻寬，對色散和偏振膜色散也有較高的承受能力[7].

光DQPSK調(diào)制要通過數(shù)字預編碼器、調(diào)制器和解調(diào)器來實現(xiàn)傳輸.DQPSK是一種四相位的調(diào)制方式.可以通過同時傳輸兩個比特，使相同光載波的兩個正交相位的頻譜效率提高兩倍，這是將兩個傳入的電子數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為一個四相位的光數(shù)據(jù)信號來實現(xiàn)的.其中DQPSK的傳輸方案如圖1所示.u，v是輸入的數(shù)據(jù)流，先將它們預編碼，然后發(fā)送給DQPSK發(fā)射機.傳輸完成后，DQPSK接收機相應地將相移信號傳給對應的輸出信號支路.

光DQPSK的解調(diào)方式相對來說比較復雜，一般用平衡檢測法來進行解調(diào)，由圖2可以看出信號的接收由2個馬赫曾德爾時延干涉儀(mach-zehnder delay interferometer,MZDI)來實現(xiàn)接收.為了實現(xiàn)兩路信號間的相干和相消，可以使I和Q兩個支路信號的相位有一個時延T即可，時延T大小為信息傳輸速率的一半.同時接收端還包括兩個平衡接收探測器，由圖中可以看出，上、下支路分別使用45°和-45°的干涉儀.

2 DQPSK發(fā)射機和接收機

2.1 DQPSK發(fā)射機

DQPSK光學發(fā)射機將兩個傳入的電子數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為一個四相位的光數(shù)據(jù)信號,相位分別為(0，π/4，π，5π/4)中的任何一個相位.通過預編碼，電子數(shù)據(jù)流u和v被轉(zhuǎn)換成I和Q兩路信號.一個調(diào)制器是通過有嵌套結(jié)構(gòu)的信號I所驅(qū)動，另一個則是由信號Q驅(qū)動.輸入的連續(xù)波激光被3 dB光功率分離器均分，并均勻分布在兩個調(diào)制器中.即I和Q信號在各自對應的調(diào)制器中形成0或π相移，嵌套調(diào)制器結(jié)構(gòu)的一個分支再進行相移π/ 2，然后通過光耦合器和另一支路的光信號進行耦合，即形成π/4，3π/4，5π/4，7π/4的相位信號.此時嵌套調(diào)制器結(jié)構(gòu)的輸出光信號已經(jīng)被DQPSK調(diào)制.每個符號包含兩個比特的信息：一個來自I信道，而另一個來自Q信道[8].輸出信號的大小滿足如下方程：

(1)

2.2 DQPSK接收機

針對DQPSK信號的解調(diào)，要特別考慮加載到光載波上的相位變化.對接收到的信號采用平衡檢測法進行解調(diào)，使用一個雙馬赫曾德耳延時干涉儀(MZDI)來將相位的變化轉(zhuǎn)換為電信號.由于一個DQPSK接收器相當于兩個位同步的DPSK接收器，每個對應DQPSK的兩個信道之一.使I和Q兩個支路信號的相位有一個T的時延，其中T為信息傳輸速率的1/2.如圖2所示，上下支路的干涉儀的相移分別為+π/4和-π/4.對于每個MZI的輸出再分別進行平衡檢測.

為了確保接收的數(shù)據(jù)是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，預編碼器的使用是必要的.根據(jù)圖1所示結(jié)構(gòu)，DQPSK解調(diào)器的平衡接收機的數(shù)學定義式如下所示：

(2)

(3)

Δφi=φ(ti)-φ(ti-1)是連續(xù)兩個符號之間的相位差，R為光電二極管的響應率.

2.3 預編碼器

為了降低硬件解調(diào)器的復雜程度和傳輸過程中的差錯率，以及重復解碼的缺陷，在DQPSK系統(tǒng)中添加一個預編碼器以確保接收信號的準確性.本文采用偽隨機序列發(fā)生器產(chǎn)生40 Gbit/s的信號，將其進行串并變換，并按照以下規(guī)則進行預編碼.預編碼的原理圖如圖3所示.

圖3 預編碼原理框圖

Fig.3 Block diagram of precoding

其中:U和V是初始輸入信號；I和Q是預編碼后的信號；I和Q的輸出僅有00,01,10,11這4種組合方式，那么相鄰間的相位差Δφ只有0，+π/2，π，3π/2.本文采用Matlab和硬件結(jié)合的方法實現(xiàn)預編碼，形成一個自制的預編碼器[9].當采用如圖3所示的并聯(lián)調(diào)制方式，上述接收機的預編碼器的推導公式如下：

(4)

(5)

3 模擬方案及性能分析

為比較以下3種不同調(diào)制方式的性能，本方案采用了圖4的傳輸系統(tǒng).該系統(tǒng)由3個部分組成：發(fā)射機部分、光纖傳輸和接收機部分.為對比驗證NRZ、RZ和CSRZ 3種調(diào)制格式的性能，在傳輸系統(tǒng)中設定信息傳輸速率為40 Gbit/s，光鏈路中EDFA的增益為5 dB，噪聲指數(shù)為6 dB，SSMF長80 km，衰減為0.2 dB/km，色散值為17 ps/(nm·km-1)，有效纖芯面積為70 μm2，色散斜率為0.075 ps/(nm2·km)，DCF為10 km，衰減為0.5 dB/km，色散為-80 ps/(nm·km-1)，色散斜率為-0.3 ps/(nm2·km)，有效纖芯面積為22 μm2.在接收機部分，分配器以1∶4的比例將輸入信號分離成4個ONU，然后每個ONU的信號分別連接到3R、誤碼率分析儀和眼圖分析儀，其中接收機響應度為1 A/W.信號觀測在電接收機部分采用4階低通貝塞爾濾波器進行濾波.

在信號接收端，光纖信號通過解復用器件，每路信號可以單獨分析.針對每一路光信號，經(jīng)過對光信號的濾波，經(jīng)過光-電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘枺蠼?jīng)過電濾波，最后可用誤碼分析儀、眼圖分析儀比較發(fā)送端和接收端的眼圖和BER質(zhì)量來衡量系統(tǒng)的傳輸特性.

3.1 抗色散的性能分析

本方案中CS-RZ碼的采用占空比為67%，RZ的占空比為33%，其中NRZ、RZ和CSRZ的光譜如圖5所示.

對比分析圖5所示的DQPSK 3種調(diào)制碼型的抗色散性能，從圖5(a)可以看出NRZ-DQPSK有較窄的光譜寬度，它大大減少了色散，但由于其較寬的脈沖寬度很容易導致碼間干擾和非線性效應.從圖5(b)可以看出RZ-DQPSK有著最寬的光譜，它具有最差的抗色散性能，但由于其能量相對集中，有利于降低脈沖之間的串擾.從圖5(c)可以看出CSRZ-DQPSK顯示出了最好的抗色散性能，因為CSRZ-DQPSK的窄帶光譜不僅提高了頻譜效率，也增大了傳輸容量.綜上可以得到CS-RZ的光譜具有最窄的脈寬，所以CS-RZ編碼比NRZ和RZ的抗色散性能更優(yōu).

在實際工程中，傳輸距離也是一個重要的參考指標，為了對比不同傳輸距離對3種不同編碼誤碼率的影響，本方案中對傳輸誤碼率BER隨傳輸距離的變換關系進行分析，其結(jié)果如圖6所示.通過對比可知，NRZ和RZ性能相當，CSRZ-DQPSK抗色散比其他兩個編碼類型更好.

3.2 抗偏振膜色散的性能分析

為了分析抗偏振膜色散性能，本方案中采用眼圖張開代價(EOP)來衡量色散效應，EOP的計算公式為

(6).

本文考慮的占空比為33%的RZ脈沖寬度是NRZ脈沖峰值功率的兩倍.同時，RZ的帶寬比NRZ脈沖更寬.通過圖7中NRZ、RZ和CSRZ-DQPSK的眼圖可以看出，我們提出的CSRZ-DQPSK具有最好的噪聲容限.圖8是DQPSK的不同編碼類型的抗偏振膜色散的性能比較，該圖顯示了CSRZ-DQPSK的抗偏振膜色散的性能是最好的.偏振膜色散將導致脈沖展寬，在光纖中的高速傳輸將會造成功率損耗.

總的來說，CSRZ-DQPSK表現(xiàn)出較好的抗色散性能，比其他兩個編碼類型要好，特別是在色散系數(shù)較大的情況下優(yōu)勢更加明顯.

4 功率損失

圖9顯示，表明色散將隨功率的增加而減少.同時明確顯示出CSRZ-DQPSK比其他兩個編碼類型更好.

5 結(jié)束語

本文對比分析了NRZ-DQPSK、RZ-DQPSK和CSRZ-DQPSK 3種不同相位調(diào)制方案，以眼圖張開代價，眼圖和誤碼率為性能衡量標準.經(jīng)對比分析，CSRZ-DQPSK調(diào)制在抗色散、抗偏振膜色散和功率代價方面更具優(yōu)勢.同時CSRZ具有最小誤碼率，在相同色散補償?shù)臈l件下，CSRZ調(diào)制具有最低的功率代價和最小的EOP，并且CSRZ-DQPSK具有更大的傳輸容量，對于超長距離、超大容量DWDM 光纖傳輸系統(tǒng)，CSRZ-DQPSK 是最具有應用前景的調(diào)制方式.

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(責任編輯：王浩毅)

Analysis of Transmission Performance Based on CSRZ-DQPSK in WDM-PON

LI Li, ZHANG Tianpeng, ZHAO Jianzhou

(DepartmentofElectronicInformationandElectricalEngineering,AnyangInstituteofTechnology,Anyang455000,China)

The differential phase shift keying (DPSK) modulation and demodulation technique was employed for dispersion compensation in long haul optical communication systems. Since there have been extensive innovation towards development of differential quadrature phase shift keying (DQPSK) that are more suited for different modulation formats including non-return to zero (NRZ), return to zero (RZ),and carrier suppressed (CSRZ). The DPSK had less spectral efficiency, probability of error was higher and noise interference was stronger. The proposed technique CSRZ-DQPSK modulation format had the tolerance of anti-dispersion and anti-PMD (polarization mode dispersion). It could mitigate the drawback of DPSK. The tolerance of the three types of modulation formats to polarization mode dispersion (PMD) and nonlinear effect was evaluated by means of EOP, eye diagrams and bit error rate (BER). It was observed that power penalty of the proposed modulation format was comparatively less. The results indicated that CSRZ-DQPSK had very good tolerance to chromatic dispersion, polarization mode dispersion and nonlinear effect. Hence it could be used in a simple and cost-effective design of wavelength division multiplexing passive optical network (WDM-PON).

DQPSK; PMD; power penalty; opening penalty

2015-08-06

國家自然科學基金河南省人才培養(yǎng)聯(lián)合基金資助項目，編號U1204613；河南省級科技攻關項目，編號122102210017；河南省教育廳科學技術研究重點項目，編號15A510017.

李立(1984—)，男，河南安陽人，講師，主要從事光纖通信技術和光電子技術研究，E-mail：lilifkb@163.com.

李立,張?zhí)禊i,趙建周.CSRZ-DQPSK在長距離WDM-PON系統(tǒng)的性能研究[J].鄭州大學學報:理學版,2015,47(4):52-57．

TN929.11

A

1671-6841(2015)04-0052-06

10.3969/j.issn.1671-6841.2015.04.010