藺吉虹，劉開(kāi)賢

(中國(guó)傳媒大學(xué) 理工學(xué)部，北京 100024)

基于信號(hào)占空比不同的波分復(fù)用系統(tǒng)的研究

藺吉虹，劉開(kāi)賢

(中國(guó)傳媒大學(xué) 理工學(xué)部，北京 100024)

提出了一種未來(lái)能夠更好地利用光纖傳輸容量的方法，即基于占空比不同的波分復(fù)用系統(tǒng)(DCDM-WDM系統(tǒng))，它可以在WDM每一個(gè)波長(zhǎng)上實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)的傳輸。本文設(shè)計(jì)的是3×8路的DCDM-WDM系統(tǒng)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)24個(gè)用戶(hù)的傳輸。并利用matlab設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的解復(fù)用器，通過(guò)matlab和optisystem軟件的聯(lián)合仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。DCDM-WDM系統(tǒng)增加了WDM的信道數(shù)，極大地提高了光纖的傳輸容量和頻譜效率，對(duì)于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的研究有著重大的意義。

DCDM-WDM系統(tǒng)；matlab與optisystem聯(lián)合仿真；解復(fù)用

1 引言

隨著光通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人們對(duì)光寬帶頻帶利用率的渴求度越來(lái)越高。在通信系統(tǒng)中，復(fù)用技術(shù)作為可以在一條信道同時(shí)傳輸多路信號(hào)的技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。它提高了信道傳輸效率，增加了傳輸帶寬。目前比較成熟的復(fù)用技術(shù)主要有WDM(波分復(fù)用技術(shù))、TDM(時(shí)分復(fù)用技術(shù))和CDM(碼分復(fù)用技術(shù))。雖然這些技術(shù)相對(duì)比較成熟，但都普遍存在解復(fù)用器實(shí)現(xiàn)成本偏高且技術(shù)復(fù)雜等問(wèn)題[1]。為了進(jìn)一步提高頻譜效率，近年來(lái)提出了一種基于信號(hào)占空比不同的占空比復(fù)用技術(shù)，即DCDM技術(shù)[2]。它大大地提高了頻譜效率，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)通過(guò)分配給不同用戶(hù)不同的占空比而實(shí)現(xiàn)的多用戶(hù)通過(guò)一個(gè)傳輸媒介同時(shí)同頻的傳輸過(guò)程，不僅可以用于有線(xiàn)通信，也可用于無(wú)線(xiàn)通信[4]。

早在2002年，“高速時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)”一文中就提出波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用的模型：多個(gè)用戶(hù)在不同時(shí)刻在同一個(gè)光載波上所處的位置不同即可實(shí)現(xiàn)同時(shí)同頻的傳輸過(guò)程[5]。但這種方法由于電路復(fù)雜，所需要的電子器件成本昂貴，所以很難投入應(yīng)用[7]。為了解決這些問(wèn)題，很多科學(xué)家經(jīng)過(guò)多年的潛心研究，在2007年，馬來(lái)西亞博特拉大學(xué)工學(xué)博士馬可迪朗基在“Duty Cycle Division Multiplexing Technique for Wireless Communications”一文中首次提出了DCDM技術(shù)的概念，并且論文中將DCDM技術(shù)和傳統(tǒng)的復(fù)用技術(shù)比較證明了DCDM技術(shù)擁有更好的傳輸性能[8]。2009年馬來(lái)西亞博特拉大學(xué)馬列穆罕默迪在“Effect of self-phase-modulationon dispersion compensated absolute polar duty cycle division multiplexing transmission”一文中介紹了自相位調(diào)制對(duì)DCDM技術(shù)的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明自相位調(diào)制的影響因素，提出改良的辦法和展望[3]。2012印度學(xué)者辛格在“Design of 3×60 Gbps DCDM based WDM system”一文中設(shè)計(jì)出了基于DCDM的混合系統(tǒng)，它是一個(gè)6路的波分復(fù)用通信系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)中證明該混合系統(tǒng)提高了信號(hào)傳輸?shù)娜萘縖6]。

本論文是基于信號(hào)占空比不同的波分復(fù)用系統(tǒng)的研究，即是在DCDM的基礎(chǔ)上再進(jìn)行WDM波分復(fù)用，即DCDM-WDM系統(tǒng)，利用matlab設(shè)計(jì)解復(fù)用器與optisystem軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)。它更大的提高了光纖的傳輸容量和頻譜效率，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)用戶(hù)多路同時(shí)的傳輸。

2 原理

2.1 DCDM-WDM系統(tǒng)的復(fù)用原理

圖1 DCDM-WDM系統(tǒng)復(fù)用原理

2.2DCDM-WDM系統(tǒng)的解復(fù)用原理

對(duì)于DCDM-WDM系統(tǒng)的解復(fù)用，是通過(guò)matlab編程設(shè)計(jì)一個(gè)基于該系統(tǒng)的解復(fù)用器，這也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)所在。該系統(tǒng)的解復(fù)用器是基于復(fù)用后信號(hào)的唯一性作為依據(jù)實(shí)現(xiàn)的，復(fù)用器先接收傳輸后的復(fù)用信號(hào)，將其采樣分組求每組的平均值，且將每個(gè)平均值求得后將其裝入一個(gè)數(shù)組中。然后，求得的平均值與規(guī)定的閾值做對(duì)比，將其歸一處理，后將歸一化的結(jié)果分組，4個(gè)一組排列，每組根據(jù)判決表判定輸出數(shù)值。本文以3個(gè)用戶(hù)為例，其判決結(jié)果一共有8種可能，輸出具有唯一性。判決表如表1所示：

表1 解復(fù)用輸出判定表

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 DCDM-WDM系統(tǒng)解復(fù)用器的設(shè)計(jì)

對(duì)DCDM-WDM系統(tǒng)而言最重要的部分在于系統(tǒng)解復(fù)用器的設(shè)計(jì)，該復(fù)用器我們是用matlab編程實(shí)現(xiàn)的，在將其作為一個(gè)獨(dú)立的模塊嵌入optisystem軟件中做系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。那么首先解復(fù)用器所采樣的信號(hào)是一串隨機(jī)的二進(jìn)制序列，它們是經(jīng)過(guò)光纖傳輸，受到了信道的衰減、損耗、色散、噪聲影響后的復(fù)合電信號(hào)。所以解復(fù)用之前要將序列采樣，我們這里設(shè)置的比特率為350Mbit/s，采樣總數(shù)是8192次，每比特采樣64次，并將其分為4組求平均值后存入數(shù)組a[i]。其次，根據(jù)傳輸后的復(fù)合電信號(hào)的波形，設(shè)置將數(shù)組a[i]做歸一化的閾值和誤差范圍。如圖2所示，是該系統(tǒng)本次仿真接收端接收到的復(fù)合信號(hào)。它的三個(gè)閾值分別為：0、0.053、0.159、0.205。誤差范圍定為0.01。這樣，在“0”附近波動(dòng)的就取“0”；在“1”附近波動(dòng)就取“1”；在“2”附近波動(dòng)的就取“2”；在“3”附近波動(dòng)的就取“3”。完成歸一化處理后的序列只有0，1，2，3。這時(shí)要根據(jù)判定規(guī)則做信號(hào)的輸出。

圖2 光纖傳輸后的復(fù)合電信號(hào)

圖3所示的是用戶(hù)3信號(hào)復(fù)用前的波形圖；圖4所示的是用戶(hù)3信號(hào)復(fù)用后的波形圖。從下圖可看出：輸出的用戶(hù)的波形與復(fù)用前的一致，即解復(fù)用的方法合理，而且解復(fù)用器的設(shè)計(jì)是成功的。同理，該系統(tǒng)也可以拓展為n個(gè)用戶(hù)，而解復(fù)用的編程方法和解復(fù)用器的設(shè)計(jì)都異曲同工。

圖3 用戶(hù)3復(fù)用前波形圖

圖4 用戶(hù)3復(fù)用后波形圖

3.2 DCDM-WDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

在此，我們?cè)O(shè)計(jì)的是3×8的DCDM與WDM聯(lián)合復(fù)用的系統(tǒng)，它既可以實(shí)現(xiàn)在電域的DCDM復(fù)用，又能實(shí)現(xiàn)在光域的WDM復(fù)用。在波分復(fù)用的每一信道上實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)的占空比復(fù)用。這樣，系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)24個(gè)用戶(hù)信號(hào)的傳輸，使之增加了光頻的利用率。DCDM-WDM系統(tǒng)仿真通過(guò)OptiSystem軟件和matlab編程實(shí)現(xiàn)，其系統(tǒng)仿真圖發(fā)射端示意圖如圖5所示。

在系統(tǒng)發(fā)射端使用的是比特序列發(fā)生器，使之產(chǎn)生隨機(jī)序列作為用戶(hù)的發(fā)射源。再經(jīng)過(guò)歸零脈沖發(fā)生器，給每一路的三個(gè)用戶(hù)信號(hào)分配占空比，這里設(shè)置的分別是0.25、0.5、0.75。分配了占空比的歸零信號(hào)經(jīng)過(guò)電加法器，完成信號(hào)的復(fù)用過(guò)程。復(fù)用后的8路信號(hào)通過(guò)波分復(fù)用使之調(diào)制到一個(gè)光纖上傳輸。給8路信號(hào)分配的光波頻率分別為193.1THZ、193.3THZ、193.5THZ、193.7THZ、193.9THZ、194.1THZ、194.3THZ、194.5THZ。這樣就完成了24個(gè)用戶(hù)的復(fù)用過(guò)程。

圖6是系統(tǒng)仿真圖接收端的仿真圖，圖中24個(gè)用戶(hù)的復(fù)用后信號(hào)通過(guò)光纖進(jìn)行傳輸，光纖的長(zhǎng)度設(shè)置為50km，衰減為0.2db/km，色散為0ps/nm/km。8路信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換成8路電信號(hào)，輸入到matlab設(shè)計(jì)的解復(fù)用器中進(jìn)行解復(fù)用，使之恢復(fù)成24路用戶(hù)的隨機(jī)序列。本論文選用的比特率為350Mbit/s，此時(shí)隨機(jī)選取24個(gè)用戶(hù)中的2個(gè)用戶(hù)，驗(yàn)證其發(fā)射前序列與接受序列是否一致。

圖7、圖8是用戶(hù)1的發(fā)射與接收信號(hào)，圖9、圖10是用戶(hù)2的發(fā)射與接收信息。由此看出：用戶(hù)發(fā)射序列與接收序列一致，說(shuō)明我們?cè)O(shè)計(jì)的DCDM-WDM系統(tǒng)是可行的。

圖7 DCDM-WDM系統(tǒng)用戶(hù)1發(fā)射序列 圖8 DCDM-WDM系統(tǒng)用戶(hù)1接收序列

圖9 DCDM-WDM系統(tǒng)用戶(hù)2發(fā)射序列 圖10 DCDM-WDM系統(tǒng)用戶(hù)2接收序列

4 結(jié)論以及展望

本文提出了一種未來(lái)能夠更好地利用光纖傳輸容量的方法，即基于占空比不同的波分復(fù)用系統(tǒng)(DCDM-WDM系統(tǒng))，它可以在WDM每一個(gè)波長(zhǎng)上實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)的傳輸。本文設(shè)計(jì)的是3×8路的DCDM-WDM系統(tǒng)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)24個(gè)用戶(hù)的傳輸。并利用matlab設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的解復(fù)用器，通過(guò)matlab和optisystem軟件的聯(lián)合仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。DCDM-WDM系統(tǒng)增加了WDM的信道數(shù)，極大地提高了光纖的傳輸容量和頻譜效率，對(duì)于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的研究有著重大的意義。

對(duì)于DCDM-WDM系統(tǒng)的研究還在繼續(xù)，由于信號(hào)傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生色散、非線(xiàn)性等問(wèn)題，所以對(duì)于研究影響色散和非線(xiàn)性等問(wèn)題的因素和如何減小這些問(wèn)題的方法也至關(guān)重要。未來(lái)還有很多需要研究和解決的問(wèn)題。

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(責(zé)任編輯：王謙)

The Research of DCDM-WDM in Optical Communication System

LIN Ji-hong，LIU Kai-xian

(Science School，Communication University of China，Beijing 100024，China)

Wavelength division multiplexed optical communication system is frist desighed based on duty cycle division multiplexing.The system features multiplexing of the basebands in DCDM as well as multiplexing in WDM.The design is proposed for 3×8usersatthesametime.Designthedemultiplexerofsystembyusingmatlabandsimulateusingoptisystemandmatlab.DCDM-WDMsystemincreasesthenumberofWDMchannel，greatlyimprovestheopticalfibertransmissioncapacityandspectrumefficiency.

DCDM-WDM system；simulate by using optisystem and matlab；demuliplexing

2017-03-27

藺吉虹(1989-)，女(漢族)，甘肅省嘉峪關(guān)市人，中國(guó)傳媒大學(xué)碩士研究生.E-mail：290883726@qq.com

TN

A

1673-4793(2017)04-0051-06