光DQPSK在高速傳輸中三種調(diào)制碼型的研究

殷愛菡,焦曰里,陳燕燕,吳 凡,劉方仁

(華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院,江西南昌330013)

光DQPSK在高速傳輸中三種調(diào)制碼型的研究

殷愛菡,焦曰里,陳燕燕,吳 凡,劉方仁

(華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院,江西南昌330013)

采用DQPSK調(diào)制方式對NRZ,RZ和CSR Z 3種碼型進(jìn)行調(diào)制,研究40Gb/s高速傳輸系統(tǒng)中這3種不同類型的光信號。使用色散補償方式對高速光纖傳輸系統(tǒng)進(jìn)行200 kM的模擬仿真,比較不同碼型的系統(tǒng)傳輸特性。分析表明CS-RZ-DQPSK調(diào)制格式,在較寬的入纖功率范圍內(nèi)都能取得最小的眼圖張開代價。

DQPSK;調(diào)制碼型;色散;眼圖

隨著40 Gb/s密集波分復(fù)用(DWDM)光傳輸系統(tǒng)的快速發(fā)展,選擇合適的碼型和調(diào)制格式可以有效的減少傳輸?shù)膿p傷,提高光譜效率和系統(tǒng)的傳輸容量。光四相相對相移鍵控(ODQPSK)作為一種新型光纖通信系統(tǒng)的調(diào)制格式,最早由R.AGriffin在OFC2002上提出,因其光頻譜利用率高,抗色散能力強,以及抑制非線性效應(yīng)等特點逐漸成為研究的熱點目標(biāo)[1]。

光DQPSK調(diào)制是四相相位調(diào)制方式,強度上近似恒定常數(shù)的包絡(luò),對非線性效應(yīng)有良好的抵御力。在相同的碼元速率情況下,DQPSK的系統(tǒng)容量是DPSK的兩倍。與傳統(tǒng)的二進(jìn)制振幅鍵控(OOK)調(diào)制方式相比,DQPSK具有天然的抗非線性抵抗力,使用平衡接收機能夠提高3 dB的接收靈敏度,降低對光信噪比的要求[2-4]。此外,DQPSK的信道利用率極高,在不使用極化復(fù)用的情況下就能夠超過0.8 b/s/Hz。在使用極化復(fù)用等技術(shù)下實現(xiàn)頻譜效率為2 b/s/Hz的DWDM傳輸,并且不會像OOK那樣引起額外損耗。由此可見,碼型的調(diào)制方式對于高速光通信傳輸系統(tǒng)來說具有重要的意義。

1 光DQPSK產(chǎn)生原理和特點

1.1 預(yù)編碼

在光DQPSK系統(tǒng)中通常需要一個預(yù)編碼器,如圖1所示,來避免重復(fù)解碼、差錯傳輸以及降低硬件的復(fù)雜度,確保接收端在進(jìn)行差分解調(diào)的時候信號能夠被準(zhǔn)確地探測。由于不同的編碼方式采用不同的調(diào)制方式,所以預(yù)編碼對于光DQPSK系統(tǒng)來說至關(guān)重要。

圖1 預(yù)編碼原理示意圖

我們采用偽隨機序列(PRBS)發(fā)生器產(chǎn)生1個40 Gbit/s的信號,將這個PRBS信號進(jìn)行串并變換,產(chǎn)生Ui和Vi2列偽隨機序列作為輸入信號,按照下式的編碼規(guī)則來進(jìn)行預(yù)編碼

其中,Ui和Vi作為初始的輸入信號,I和Q作為編碼后的信號。這時候I和Q的輸出組合有4種情況(00,01,10,11),分別對應(yīng) 4 個相位(0,π/2,π,3π/2)或者(π/4,3π/4,5π/4,7π/4)。DQPSK 是利用連續(xù)光比特的差分相位的信息Δφ來表示的,這樣Δφ的值只能是(0,π/2,π,3π/2),由于使用差分編碼的方式,能夠有效地避免由于接收機相位反轉(zhuǎn)而導(dǎo)致解碼的錯誤判決。

1.2 調(diào)制方式

目前研究的DQPSK的調(diào)制方式主要有3種:串聯(lián)2個馬赫曾德爾調(diào)制器(MZM)的調(diào)制、并聯(lián)2個MZM的調(diào)制和只使用單個相位調(diào)制器(PM)[5]。

本文討論的是串聯(lián)調(diào)制的情況,如圖2所示。經(jīng)過預(yù)編碼輸出的I和Q分別進(jìn)入2個MZM中進(jìn)行相位調(diào)制,實現(xiàn)DQPSK的相對四相相位控制目的。其中I支路進(jìn)行相位差為π的相位調(diào)制,當(dāng)I的輸出為0的時候調(diào)制的光信號相位為0,而當(dāng)輸出為1時相位為π;同理可知,Q支路的輸出為0的時候調(diào)制相位為0,而當(dāng)輸出為1的時候光相位為π/2。

圖2 DQPSK串聯(lián)調(diào)制方式示意圖

當(dāng) I和Q的輸出為(00,01,10,11),聯(lián)合調(diào)制產(chǎn)生的4個相位就是(0,π/2,π,3π/2),這與預(yù)編碼中的第一種方式相對應(yīng),在輸出端產(chǎn)生的就是四相相位差π/2的DQPSK信號。正如之前說的,調(diào)制方式與預(yù)編碼是密不可分的。

設(shè)偏置電壓為0,則經(jīng)過DQPSK相位調(diào)制后的輸出信號為,Eout=Einexp(πV1),其中:V1取值為0或1,兩個輸入差分預(yù)編碼的分支比特流,經(jīng)過調(diào)制后的輸出信號可表示為EI=Einexp(jπ/2)exp(jπIk),EQ=Einexp(jπQk),綜上可得

式中:E表示輸出信號的大小;j,k分別表示在信號產(chǎn)生過程中取得正整數(shù)值。

1.3 光DQPSK的解調(diào)

光DQPSK的解調(diào)方式較為復(fù)雜,采用平衡檢測的方法,如圖3所示,這種結(jié)構(gòu)需要2個基于馬赫曾德爾時延干涉儀(MZDI)來使信號I和Q的相位在兩臂間完成的時延T為2/B(B為信息傳輸速率),實現(xiàn)光信號之間的相干和相消。此外,接收機需要兩個平衡接收探測器,上下2個支路的干涉儀相移分別是π/4和-π/4。實驗表明該接收機具有同DPSK接收機一樣的優(yōu)點,相比OOK接收來說有3 dB的接收靈敏度。而且發(fā)射機和MZDI都對波長有嚴(yán)格的要求,因此每個MZDI必須有緊密的反饋控制以鎖定發(fā)射機的波長。

圖3 DQPSK信號的解調(diào)接收

其中,Eu和Ev分別為經(jīng)過干涉儀之后高、低端口的光信號的幅度值,由此可得到平衡光電檢測器的差分電流為

即可得到解調(diào)出來的原始信號U和V。式中:A表示信號的幅度。

2 光DQPSK不同碼型及光譜分析

光DQPSK的碼型產(chǎn)生與DPSK調(diào)制的碼型產(chǎn)生相似,都是使用MZM先進(jìn)行相位調(diào)制,再使用時鐘信號對其整型,從而得到不同占空比的碼型。本文研究的DQPSK是四相相位鍵控的方式,采用串聯(lián)調(diào)制,因此加上整型所需的MZM,總共需要3個MZM來調(diào)制。

在進(jìn)行光調(diào)制的時候,通常采用雙驅(qū)動的MZM作為調(diào)制器,來產(chǎn)生不同的碼型。MZM是將輸入光分成兩路相等的信號分別進(jìn)入調(diào)制器的2個光支路,其折射率隨外部施加的電信號大小而變化,由于光支路的折射率變化會導(dǎo)致信號相位的變化,當(dāng)2個支路信號調(diào)制器輸出端再次結(jié)合在一起時,相當(dāng)于把電信號的變化轉(zhuǎn)換成了光信號的變化,通過合理地設(shè)置上下調(diào)制電壓,可以實現(xiàn)強度調(diào)制或者相位調(diào)制。

2.1 不同占空比RZ碼的產(chǎn)生原理

不同占空比RZ碼的產(chǎn)生需要經(jīng)過2個MZM的調(diào)制,先經(jīng)過MZM1的電NRZ調(diào)制產(chǎn)生光NRZ信號,再經(jīng)過MZM2進(jìn)行電時鐘信號調(diào)制產(chǎn)生不同占空比的RZ碼,這里研究的RZ碼是占空比為33%的RZ碼,而CS-RZ碼的占空比即為67%。

其中:ω為光信號載波頻率;Vin(t)為調(diào)制的輸入電時鐘信號;Vπ為調(diào)制器單臂工作時輸出光強由最大變?yōu)樽钚∷璧拈_關(guān)電壓的大小;Vbias為兩臂之間施加調(diào)制固定的偏置電壓。通過選擇不同輸入電壓信號和偏置電壓信號,調(diào)制器工作在數(shù)據(jù)加載和時鐘的工作方式,從而產(chǎn)生不同占空比的RZ信號[6]。

表1 不同占空比R Z碼的參數(shù)值設(shè)置

其中:R為光信號的傳輸速率,經(jīng)過上述對MZM的參數(shù)設(shè)置之后,可以得到不同占空比RZ碼的輸出調(diào)制光信號頻率都為2ω0,RZ碼的脈沖寬度為π/3ω0,而CS-RZ碼的脈寬則為2π/3ω0。

2.2 光DQPSK碼型及頻譜分析

光DQPSK的產(chǎn)生可以分為調(diào)相和信號整型兩個部分。在之前的調(diào)制方式中已經(jīng)提到采用串聯(lián)的調(diào)制方式,使得輸出的I和Q支路的信號經(jīng)過兩個MZM,分別進(jìn)行π和π/2的相位差,這樣在進(jìn)行信號整型之前就完成調(diào)相,產(chǎn)生的就是NRZ-DQPSK信號。表2為產(chǎn)生NRZ-DQPSK的MZM的參數(shù)設(shè)置。

表2 級聯(lián)的MZM參數(shù)值設(shè)置

由上述中的串聯(lián)調(diào)制方式可知,光DQPSK信號是經(jīng)過連續(xù)2個MZMs后產(chǎn)生的,通過在MZM2后面加入一個MZM3進(jìn)行再調(diào)制,即可產(chǎn)生不同占空比的光DQPSK信號。圖4是在MZM3后使用光譜分析儀測試產(chǎn)生3種不同的光DQPSK碼型,并對其光譜進(jìn)行比較。

圖4 不同調(diào)制碼型的光譜圖

圖4(a)中可以看出NRZ-DQPSK的脈沖寬度最大,這樣它的頻譜比較窄,有利于抑制色散的影響,同時有利于減低DWDM系統(tǒng)相鄰信道之間的串?dāng)_,但是較大的脈沖寬度較易導(dǎo)致碼間干擾,且易受到非線性效應(yīng)的影響。

圖4(b)中的RZ-DQPSK的脈沖寬度最小,雖然可以很好的抑制非線性效應(yīng)帶來的誤碼率的降低,但是最大的光頻譜使其色散容限大大降低,不利于色散的控制。

圖4(c)中的CSRZ-DQPSK的脈沖寬度介于其它兩者之間,光頻譜是最小的,這不僅有利于提高頻譜效率,增加傳輸?shù)男畔⒘?而且有更高的色散容限和非線性效應(yīng)的損耗,與RZ-DQPSK相比有更好的抑制信道間串?dāng)_的效果。

此外,從不同碼型的光譜圖上可以看到,由于都采用DQPSK的調(diào)制方式大大降低了線狀諧譜的產(chǎn)生,這樣能夠提高光譜的接收準(zhǔn)確度,降低信道間的干擾,降低誤碼率。

3 系統(tǒng)模型仿真結(jié)果分析

本文通過使用Optisystem仿真軟件構(gòu)建系統(tǒng)的仿真模型,設(shè)置各個模塊的運行參數(shù)并得出相關(guān)分析的結(jié)果。光發(fā)送機采用的是波長1 550 nm的連續(xù)波激光器,發(fā)送端電信號分別經(jīng)過3個MZM調(diào)制,其中前兩個MZM是實現(xiàn)DQPSK調(diào)制產(chǎn)生NRZ-DQPSK信號,第3個MZM經(jīng)過電時鐘信號的驅(qū)動產(chǎn)生不同占空比的RZ-DQPSK信號,從而產(chǎn)生不同的調(diào)制碼型。設(shè)定傳輸速率為40 Gbit/s,選擇4段50 km的光纖進(jìn)行傳送,總長度達(dá)到200 km,采用色散補償光纖,具體參數(shù)設(shè)置表3所示。

表3 SMF和DCF的參數(shù)設(shè)置

這里采用眼圖張開代價(EOP)作為衡量不同調(diào)制碼型性能的參數(shù),它表示調(diào)制碼型的背靠背眼圖張開度與經(jīng)過光纖傳輸后的眼圖張開度的對數(shù)比值。從圖5可以看出不同的碼型隨著入纖功率的增長EOP也在不斷的增加,會出現(xiàn)一段較為平穩(wěn)的過程,對應(yīng)于不同的碼型可以找到合適的入纖功率,在既滿足良好的EOP的情況下又增加了系統(tǒng)的傳輸距離和容量。從圖6可以看出,當(dāng)入纖功率一樣的時候,CSRZDQPSK的眼圖張開度要大于其它兩種碼型。其中CS-RZ-DQPSK具有較好的EOP性能,特別是當(dāng)入纖功率較大的情況下優(yōu)勢更為明顯。圖6是經(jīng)過上述傳輸參數(shù)設(shè)置后,接收端產(chǎn)生的不同碼型解調(diào)后的眼圖。從圖6可以看出,與NRZ-DQPSK相比而言CSRZ-DQPSK具有較高的噪聲容限;而與33%RZDQPSK相比,CS-RZ-DQPSK還具有較好的定時誤差敏感度和無畸變的交叉點發(fā)散度。由上可知,CSRZ-DQPSK具有更高的色散、非線性容限和更低的信道間串?dāng)_,它的眼圖具有較好的傳輸性能。

圖5 不同碼型入纖功率與眼圖張開代價的比較

圖6 不同碼型的接收端眼圖

4 結(jié)束語

本文分析光DQPSK的調(diào)制原理和實現(xiàn)方式,對比3種40 Gb/s不同碼型光信號,經(jīng)仿真得到調(diào)制后的頻譜圖和解調(diào)后的眼圖。結(jié)果表明,在色散補償?shù)那闆r下,與 RZ-DQPSK和NRZ-DQPSK相比較,CSRZ-DQPSK具有更窄的頻譜,對PMD有更好的色散容限,能有效地抑制光纖的非線性效應(yīng),并且在較寬的入纖功率范圍內(nèi)都能取得最小的眼圖張開代價。另一方面,光DQPSK調(diào)制方式具有更高的接收靈敏度和傳輸容量,并降低了對調(diào)制器件速率的要求,成本更低,在未來的長距離大容量高速光通信系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。

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(責(zé)任編輯 王建華)

A Research on Three Modulation Formats of Optical DQPSK in the High Speed Transmission

Yin Aihan,Jiao Yueli,Chen Yanyan,Wu Fan,Liu Fangren
(School of Information Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

DQPSK modulation is used to modulate nonreturn-to-zero(NRZ),return-to-zero(RZ),and carriersuppressed return-to-zero(CSRZ)modulation patterns.The three different types of optical signals in the 40 Gb/s high speed transmission system are studied.The high speed transmission system is simulated in 200 km fibersby means of dispersion compensation.Different transmitting characteristics of system are compared.The analysis shows that CSRZ-DQPSK modulation format has the smallest eye-opening penalty(EOP)with a wider range of fiber power.

DQPSK;modulation format;dispersion;eye diagram

TN76

A

1005-0523(2010)01-0036-06

2009-10-28

江西省教育廳科研項目(GJJ08242)

殷愛菡(1963-),女,教授,研究方向為光通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。