邵宇豐,方安樂,龔玉梅,胡金艷(上海第二工業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院,上海201209)

上行八進制相移鍵控信號的零差相干探測光接入新方案

邵宇豐,方安樂,龔玉梅,胡金艷
(上海第二工業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院,上海201209)

摘要:不同用戶接入終端的出現(xiàn)使得光接入系統(tǒng)中上行鏈路的通信帶寬需求急劇增加,低傳輸成本、高頻帶利用率的上行多進制光信號接入成為必然選擇。設(shè)計了一種上行八進制相移鍵控信號并進行零差相干探測的新方案。該方案中,在光網(wǎng)絡(luò)單元中級聯(lián)3個相位電光調(diào)制器實現(xiàn)了高頻帶利用率八進制相移鍵控光信號的產(chǎn)生,在光線路終端中采用下行光信號載波作為混頻源結(jié)合數(shù)字信號處理模塊,實現(xiàn)了上行光信號的零差相干探測,相比較只采用相干探測技術(shù)的方案其接收機靈敏度值的提高超過了2 dB。

關(guān)鍵詞:光接入系統(tǒng);光網(wǎng)絡(luò)單元;光線路終端;八進制相移鍵控;零差相干探測

0　引言

隨著世界范圍內(nèi)通信帶寬的整體擴容和我國“光進銅退”的規(guī)?；渴餥1-2],國內(nèi)外的高校及研究機構(gòu)、運營商和設(shè)備商都在積極探索下一代無源光接入網(wǎng)絡(luò)(Passive Optical Network,PON)的可行技術(shù)方案[3-6]。根據(jù)全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)(Full Service Access Networks,FSAN)國際標準化組織的觀點,下一代無源光接入網(wǎng)絡(luò)(Next Generation Passive Optical Network,NGPON)需要提供至少40 Gb/s的下行和10 Gb/s的上行數(shù)據(jù)信號以實現(xiàn)20 km范圍內(nèi)的傳輸距離,同時需要考慮提升系統(tǒng)頻帶利用率和提高上下行光信號的接收靈敏度,并最大程度降低系統(tǒng)中光電器件成本的耗費[7]。目前,多進制調(diào)制碼型因為具有高頻帶利用率而在高速光通信系統(tǒng)中被廣泛采用[8-9],當(dāng)進一步引入相干探測和高速數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing,DSP)技術(shù)時,系統(tǒng)的接收靈敏度將獲得提高[10]。在光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit,ONU)中引入多進制調(diào)制碼型的信號處理技術(shù)和配置含激光器的相干探測接收機,雖然能提升下行光信號的接收靈敏度和頻帶利用率,但系統(tǒng)配置和用戶接入信息成本會增加,得不償失[11];而在光線路終端(Optical Line Terminal, OLT)中采用相干探測和高速數(shù)字信號處理技術(shù)來接收多進制調(diào)制碼型光信號,則能利用上述技術(shù)高靈敏度接收光信號的優(yōu)勢提升上行光接入信號的功率預(yù)算范圍,并能以較低的成本實現(xiàn)ONU側(cè)的光電器件配置。

本文提出并研究了一種上行八進制相移鍵控(8 Phase-Shift Keying,8PSK)信號的零差相干探測光接入新方案,在ONU中級聯(lián)3個相位電光調(diào)制器實現(xiàn)了高頻帶利用率八進制相移鍵控光信號的產(chǎn)生,在OLT中采用產(chǎn)生下行光信號載波的激光源作為混頻源實現(xiàn)上行光信號的零差相干接收,以提升上行光信號的接收靈敏度并降低ONU的光電器件成本耗費。

1　系統(tǒng)配置

本文提出并建立的上行八進制相移鍵控信號的零差相干探測光接入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,其仿真環(huán)境是采用Optisystem(光電器件部分)和Matlab(DSP部分)搭建的。在OLT中,首先將分布反饋式(Distributed Feed Back,DFB)激光器輸出的連續(xù)光載波采用3 dB光耦合器(3 dB Coupler)分成兩路輸出,其中一路作為下行鏈路傳輸?shù)墓廨d波,另一路作為上行接收光信號的零差混頻光信號源。對于下行鏈路而言,首先將光載波通過一個偏振控制器(Polarization Controller,PC)PC1后連接到一個雙電極馬赫-曾德爾電光調(diào)制器(Mach-Zehnder Modulator,MZM)中,并在此電光調(diào)制器上加載10 Gb/s的非歸零碼(Non-Return to Zero,NRZ)下行數(shù)據(jù)信號,該信號的時域發(fā)射波形如圖1(a)所示;調(diào)制生成的NRZ光信號再通過一個偏振控制器PC2后連接到一個40 GHz的光帶通濾波器(Optical Bandpass Filter,OBF)OBF1中以實現(xiàn)帶外光信號噪聲的濾除,然后將濾波后的NRZ光信號通過一個光環(huán)形器Circulator1輸出后連接20 km的普通單模光纖(SMF-28,Single Mode Fiber-28)實現(xiàn)下行光信號傳輸。傳輸后的信號的時域發(fā)射波形如圖1(b)所示,值得注意的是:① 比較發(fā)送前后的NRZ下行信號的時域發(fā)射波形,不難看出其基本形狀和碼型分布沒有變化;②由于光纖衰減和色度色散(Chromatic dispersion,CD)的影響,出現(xiàn)了輕微的累積噪聲(如圖1(b)中波形圖中間曲線所示),但NRZ下行信號的信噪比劣化不明顯,仍可以很好恢復(fù)發(fā)送的下行信號;③ 商用光通信接入系統(tǒng)普遍采用NRZ信號進行下行鏈路的傳輸[12],本文也采用NRZ信號作為下行接入信號,在保證接收誤碼率等于10e?9時測得背靠背時和下行傳輸后的眼圖分別如圖2(a)和2(b)所示。

圖1　上行八進制相移鍵控信號的零差相干探測光接入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Configuration diagram of homodyne coherent detection optical access scheme adopting 8PSK uplink signals

圖2　背靠背和光纖傳輸20 km后的NRZ信號眼圖Fig.2 Eye diagrams of NRZ signals for back to back case and over 20 km optical fiber

對于上行鏈路而言,將采取與上行鏈路正交的八進制相移鍵控信號進行傳輸。首先將下行信號直接級聯(lián)到3個級聯(lián)的相位調(diào)制器(Phase Modulator, PM)PM1,PM2,PM3中完成上行鏈路的八進制相移調(diào)制,值得注意的是:① 第1個相位調(diào)制器的相位偏置角度為180?,第2和第3個相位調(diào)制器的相位偏置角度分別是90?和45?;② 上行信號在調(diào)制前必須先串并變換為3路并行信號(Data1,Data2, Data3)分別調(diào)制3個不同的相位調(diào)制器。之所以考慮采用八進制相移鍵控信號與下行信號正交調(diào)制再上行的原因是:① 相移鍵控信號的正交調(diào)制產(chǎn)生、上行傳輸和正交解調(diào)接收過程和下行鏈路信號發(fā)生串?dāng)_的影響極小[13];② 上行多進制相移鍵控信號能提高上行鏈路的信道頻帶利用率,降低單位比特信息的傳輸成本;③ 相比較其他調(diào)制器而言,相位調(diào)制器成本較低且無需外在的直流偏置電路配置,在OLT進行配置更加便捷。下一步,將產(chǎn)生的八進制相移鍵控信號級聯(lián)一個偏振控制器PC3后連接到一個40 GHz的光帶通濾波器OBF2中以實現(xiàn)帶外光信號噪聲的濾除,并連接到一個光環(huán)形器Circulator2輸出后接20 km的普通單模光纖(SMF-28,Single Mode Fiber-28)實現(xiàn)上行光信號的傳輸。為了與下行傳輸?shù)墓庑盘柛綦x,再將傳輸后的上行光信號通過光環(huán)形器Circulator1后實現(xiàn)零差相干探測。需要注意的是:為降低系統(tǒng)成本,在OLT中系統(tǒng)不再配置10 GHz的外部激光源來進行相干零差混頻,而采用一個低成本的3 dB Coupler直接從DFB中分出一路光載波作為外部激光源,并隨后采用3 個3 dB Coupler、4個1 bit周期延時干涉儀(4個干涉儀中分別內(nèi)嵌±π/8和±3π/8的光移相器)、8個光電探測器(PD,Photodiode)、1個電異或邏輯器、3 個7.5 GHz的電低通濾波器(Low Pass Filte,LPF)和1個電數(shù)字信號處理器(DSP)來實現(xiàn)上行八進制相移鍵控信號的解調(diào)和接收。采用8PSK信號作為上行接入信號,在保證接收誤碼率等于10e?9時測得背靠背時的眼圖(不含DSP處理)如圖3(a)所示;如果僅采用相干探測技術(shù)而不對接收信號進行DSP處理,此時測得的傳輸后的眼圖如圖3(b)所示;但采用相應(yīng)的DSP(含定時恢復(fù)、電色散補償和相位恢復(fù))處理時[14],能保證接收上行信號質(zhì)量更優(yōu),此時測得的傳輸后的眼圖如圖3(c)所示。

2　仿真結(jié)果分析

測得下行NRZ信號的傳輸前后光譜如圖4(a) 和4(b)所示,在下行鏈路中未使用光纖放大器以節(jié)約系統(tǒng)成本并降低光纖非線性效應(yīng)影響,所以峰值功率約下降了4 dBm。上行8PSK信號的傳輸前后光譜如圖5(a)和5(b)所示,同樣因為在上行鏈路中未使用光纖放大器以節(jié)約系統(tǒng)成本并降低光纖非線性效應(yīng)影響,所以峰值功率約下降了4 dB,此時如果不進行零差混頻光信號處理,接收的光信號功率值將會過低,直接導(dǎo)致接收靈敏度的急劇降低。進行零差混頻光信號處理后的光譜如圖5(c)所示,不難看出其峰值功率將明顯增加,經(jīng)測試此時能高靈敏度地探測到8PSK上行傳輸信號。

測量得到8PSK信號在20 km普通單模光纖(SMF-28)中進行上行傳輸后的接收光信號功率(Received Power)和誤碼率(Bit Error Rate,BER)的對應(yīng)關(guān)系如圖6所示。不難發(fā)現(xiàn):① 采用相干探測(Coherent Detection)結(jié)合數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)(包含定時恢復(fù)、電色散補償和相位恢復(fù)),比只采用相干探測技術(shù)的方案能夠獲得更好的接收靈敏度(接收靈敏度提高超過2dB);②接收光功率越大,同時采用相干探測技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的優(yōu)越性體現(xiàn)越明顯,當(dāng)接收功率高于?19dBm時,即可實現(xiàn)接收上行8PSK信號的誤碼率低于10e?9。因此,在實際的上行接入方案中,為進一步降低光功率收發(fā)預(yù)算成本,建議同時采用相干探測和高速電信號域數(shù)字信號處理技術(shù)。

圖3　上行8PSK信號傳輸前后的眼圖Fig.3 Eye diagrams of 8PSK uplink signals before and after transmission

圖4　下行NRZ信號傳輸前后的光譜圖Fig.4 Optical spectrum diagrams of NRZ downlink signals before and after transmission

圖5　上行8PSK信號傳輸前后的光譜圖Fig.5 Optical spectrum diagrams of 8PSK uplink signals before and after transmission

圖6　8PSK信號檢測得到的接收信號功率(Received Power)和誤碼率(BER)的關(guān)系Fig.6 Received power versus BER after detecting 8PSK signals

3　結(jié)論

對于寬帶光纖接入系統(tǒng)而言,在OLT中采用零差相干探測和高速數(shù)字信號處理技術(shù)來收發(fā)多進制調(diào)制碼光信號,能利用相干檢測和高速數(shù)字信號處理技術(shù)高靈敏度接收的優(yōu)勢改善上行光接入信號的功率預(yù)算,且無需改動ONU側(cè)的光電器件配置。本文設(shè)計并研究了一種上行八進制相移鍵控(8PSK)信號的新型光接入方案,將零差相干探測、幅相正交調(diào)制和反射式無源光接入技術(shù)相結(jié)合,通過提升上行信號接收靈敏度來改善接入系統(tǒng)的光功率預(yù)算,并在上行帶寬受限時實現(xiàn)了用戶傳輸數(shù)據(jù)速率的增加,因此該方案將在未來寬帶光接入網(wǎng)絡(luò)中具有應(yīng)用優(yōu)勢。

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中圖分類號:TN913.7

文獻標志碼:A

文章編號:1001-4543(2015)02-0120-06

收稿日期:2015-02-29

通訊作者:邵宇豐(1977–),男,湖南長沙人,副教授,博士,主要研究方向為光纖無線匯聚通信。電子郵箱yfshao@sspu.edu.cn。

基金項目:國家自然科學(xué)基金(No.6117064)、上海市教委科研創(chuàng)新項目(No.15ZZ101)、上海第二工業(yè)大學(xué)通信與信息系統(tǒng)重點學(xué)科建設(shè)項目(No.XXKZD1302)、上海第二工業(yè)大學(xué)校重點基金(No.EGD14XQD01)資助

Homodyne Coherent Detection Optical Access Scheme Adopting 8PSK Upstream Signals

SHAO Yu-feng,FANG An-le,GONG Yu-mei,HU Jin-yan
(College of Computer and Information Engineering,Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China)

Abstract:Since the emergence of different user access terminals,the communication bandwidth requirement of uplink is increasing in optical access systems,and the uplink optical signal access scheme with low transmission cost and high frequency band utilization rate has become the inevitable choice.A novel scheme of transmitting 8 phase-shift keying(8PSK)signals in upstream link and using homodyne coherent detection optical access is designed and its research is carried out.In this scheme,high frequency band utilization rate 8PSK optical signals is generated through using cascaded three phase modulators at the optical network unit(ONU),and at the optical line terminal(OLT)the optical carrier of downstream signals is used as mixing source and DSP module is also be adopted to achieve homodyne coherent detection of upstream signals for enhancing the receiver sensitivity than 2 dB,compared with only using coherent detection.

Keywords:optical access system;optical network unit(ONU);optical line terminal(OLT);8 phase-shift keying(8PSK);homodyne coherent detection