軟件定義光網(wǎng)絡(luò)的編碼方法與應(yīng)用

肖江南　余建軍　遲楠

摘要：提出了一個(gè)新的產(chǎn)生光矢量偏移正交相移鍵控（OQPSK）信號(hào)方法，該方法僅使用一個(gè)強(qiáng)度調(diào)制器（MZM）和載波抑制技術(shù)，利用光電二極管的平方律檢測(cè)特性，對(duì)強(qiáng)度調(diào)制器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度和相位進(jìn)行預(yù)編碼處理，而且采用Turbo均衡技術(shù)提高了矢量正交移相鍵控（QPSK）信號(hào)系統(tǒng)的傳輸性能。實(shí)驗(yàn)證明，傳輸40 km單模光纖后，當(dāng)誤碼率（BER）為10-4時(shí)，1/2和2/3碼率的Turbo均衡QPSK信號(hào)的接收機(jī)靈敏度比原始QPSK信號(hào)分別提高了4 dB和3 dB。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，Turbo均衡技術(shù)在光矢量信號(hào)傳輸系統(tǒng)中具有較好的糾錯(cuò)和抗色散能力。

關(guān)鍵詞： 光纖通信；矢量信號(hào)；Turbo均衡技術(shù)；矢量正交移相鍵控信號(hào)；軟件定義光網(wǎng)絡(luò)

Abstract： We propose a novel method to generate signal of optical vector offset quadrature-phase-shift-keying （OQPSK） by using only one Mach-Zehnder modulator （MZM） and carrier-suppression technology. By detecting the “square-law” of photoelectric diode， the amplitudes and phase of the driving signal of MZM can be pre-coded. Turbo equalization improves transmission in the QPSK signal system. The received sensitivity of QPSK turbo equalization vector signal with code rate 1/2 and 2/3 at BER = 10-4 after 40 km SMF transmission are increased by 4 dB and 3 dB than the original QPSK signal， respectively. The experimental results show that the QPSK signal with turbo equalization has better dispersion compensation and error-correcting ability.

Key words： optical communications； vector signal； turbo equalization； QPSK signal； software-defined optical networks

隨著現(xiàn)在信息業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)持續(xù)增長(zhǎng)，以及用戶對(duì)信息差異化需求等出現(xiàn)，光網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸向大容量、遠(yuǎn)距離、方便性、安全可靠性等方面發(fā)展。而軟件定義光網(wǎng)絡(luò)利用軟件編程的方式根據(jù)用戶或運(yùn)營(yíng)商需求，利用軟件編程方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)定制，從而具有快速響應(yīng)請(qǐng)求、高效利用資源、靈活提供服務(wù)等優(yōu)點(diǎn)，使網(wǎng)絡(luò)更具有靈活性和開放性，是近幾年光網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)之一。為滿足通信網(wǎng)絡(luò)持續(xù)增長(zhǎng)的帶寬要求，最終實(shí)現(xiàn)在需要時(shí)可提供及時(shí)的、任意地點(diǎn)的和高速可靠的信息接入，未來(lái)的寬帶接入網(wǎng)絡(luò)必須兼具無(wú)線通信和光纖通信這兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)并將兩者進(jìn)行無(wú)縫融合。采用光纖無(wú)線融合接入系統(tǒng)，能夠突破電子帶寬瓶頸，適用于不同場(chǎng)合的高速光無(wú)線融合通信[1-5]。利用光子輔助技術(shù)產(chǎn)生毫米波的常見做法是采用由兩個(gè)獨(dú)立激光器產(chǎn)生的光子拍頻，其中在一個(gè)光子上加載入已調(diào)制的基帶信號(hào)，而另一個(gè)波長(zhǎng)不同的光子作為參考源，拍頻經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后就可以產(chǎn)生寬帶的高速高頻譜效率的矢量毫米波信號(hào)[6-11]。但由于兩個(gè)自由光波頻率的非鎖定性，這種方法產(chǎn)生的毫米波頻率精度不高，相位噪聲較大，難以滿足高精度測(cè)量的要求，成本也較高。另一種方法是利用鎖頻鎖相激光器或者光頻梳的方法，這種方法產(chǎn)生的毫米波頻率雖然較穩(wěn)定，但也存在成本較高、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的問題。采用基于光學(xué)調(diào)制器多倍頻產(chǎn)生毫米波的方法，由于光學(xué)調(diào)制器本身具有非線性，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)倍頻的功能，通過(guò)低頻的微波信號(hào)驅(qū)動(dòng)光學(xué)調(diào)制器可以產(chǎn)生高頻率的諧波，從而可以生成可調(diào)諧、穩(wěn)定的寬帶毫米波[12-15]信號(hào)。這種方法在提高所得毫米波頻率純度的同時(shí)，簡(jiǎn)化了光生毫米波結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度并降低成本。此外，這種基于外部調(diào)制的光多倍頻技術(shù)可以進(jìn)一步與高譜效率的矢量調(diào)制相結(jié)合，產(chǎn)生高譜效率的矢量毫米波信號(hào)，同時(shí)大幅度降低對(duì)發(fā)送端光電器件帶寬的要求。文獻(xiàn)[16]使用同相/正交（IQ）調(diào)制器產(chǎn)生矢量正交移相鍵控（QPSK）矢量信號(hào)，但由于IQ調(diào)制器使用3個(gè)直流電源來(lái)控制矢量信號(hào)的產(chǎn)生，這種產(chǎn)生方法不但系統(tǒng)成本高，而且系統(tǒng)不穩(wěn)定。在光通信系統(tǒng)中，由于光纖色散和非線性效應(yīng)產(chǎn)生符號(hào)間干擾（ISI），嚴(yán)重地干擾傳輸系統(tǒng)的傳輸性能。為了減少甚至消除符號(hào)間干擾（ISI），通常采取均衡技術(shù)來(lái)補(bǔ)償光纖信道色散和非線性效應(yīng)。Turbo均衡技術(shù)是目前較好的均衡技術(shù)之一。Turbo均衡技術(shù)將均衡技術(shù)與Turbo迭代譯碼技術(shù)相結(jié)合，使Turbo中的均衡器具有處理輸入先驗(yàn)信息與輸出后驗(yàn)信息的功能。Turbo中的均衡器與Turbo譯碼器進(jìn)行信息交換，降低Turbo編碼技術(shù)的算法復(fù)雜度。而且Turbo均衡技術(shù)保留了Turbo碼的交織、譯碼和迭代技術(shù)等功能，在高速光傳輸系統(tǒng)中，Turbo均衡技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)的均衡器與譯碼器分開的傳輸系統(tǒng)，傳輸性能明顯提高。

本文使用一個(gè)強(qiáng)度調(diào)制器采用載波抑制技術(shù)產(chǎn)生QPSK矢量信號(hào)，而且使用Turbo均衡技術(shù)來(lái)提高傳輸系統(tǒng)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證該技術(shù)能簡(jiǎn)化矢量信號(hào)的產(chǎn)生，節(jié)約系統(tǒng)成本，而且Turbo均衡技術(shù)能提高光纖傳輸系統(tǒng)性能。

1 矢量QPSK信號(hào)產(chǎn)生

原理和Turbo均衡原理

本傳輸系統(tǒng)是使用Turbo均衡技術(shù)來(lái)提高矢量QPSK信號(hào)傳輸系統(tǒng)性能，該系統(tǒng)QPSK矢量信號(hào)產(chǎn)生主要是利用光電二極管（PD）的轉(zhuǎn)換規(guī)則把經(jīng)過(guò)預(yù)編碼的QPSK信號(hào)轉(zhuǎn)換為規(guī)則的QPSK信號(hào)，而且在該系統(tǒng)中利用Turbo均衡技術(shù)來(lái)降低系統(tǒng)色散對(duì)系統(tǒng)的影響提高傳輸性能。

1.1 矢量QPSK信號(hào)產(chǎn)生原理

其中[R]為光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換效率?？梢钥闯鲵?qū)動(dòng)MZM的射頻信號(hào)fs，通過(guò)本方案得到的RF信號(hào)頻率為原始信號(hào)的2n1倍，光電轉(zhuǎn)換之后信號(hào)的幅度和相位都發(fā)生了改變，iPD的相位為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的2n1倍，iPD的信號(hào)幅度為驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅度的J2 1（bA）倍，為了使光電探測(cè)器的輸出iPD為所需的信號(hào)，必須對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼后再用于驅(qū)動(dòng)MZM。將驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位變?yōu)樗栊盘?hào)相位的1/（2n1），幅度為所需信號(hào)相位的1/J2 1（bA），在經(jīng)過(guò)光電探測(cè)之后就可以得到正確的相位信號(hào)。

當(dāng)直流偏置電壓VDC=0時(shí)，奇數(shù)階邊帶被抑制，偶數(shù)階邊帶功率達(dá)到最大，MZM和濾波器后的輸出跟上述相應(yīng)的表達(dá)式類似。PD轉(zhuǎn)換后的信號(hào)與式子（4）一樣，在這里不再詳細(xì)說(shuō)明。

本系統(tǒng)為基于載波抑制方法產(chǎn)生QPSK矢量信號(hào)，QPSK矢量信號(hào)產(chǎn)生原理過(guò)程如圖1所示。該系統(tǒng)選取2個(gè)1邊帶作為載波。首先發(fā)送端QPSK信號(hào)經(jīng)過(guò)相位預(yù)編碼，然后上變頻到fs，QPSK矢量信號(hào)產(chǎn)生如圖1（a）所示，QPSK矢量信號(hào)相位預(yù)編碼過(guò)程中預(yù)編碼前后對(duì)應(yīng)的星座圖分別為圖1（d）和（c）所示，MZM前后光譜示意圖如圖1（b）和（c）所示。

1.2 Turbo均衡原理

Turbo迭代均衡技術(shù)把Turbo編譯碼技術(shù)和信道均衡技術(shù)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)多次迭代，在均衡器和譯碼器之間充分交換外信息來(lái)獲得系統(tǒng)性能的提高，用來(lái)提高傳輸系統(tǒng)性能，通過(guò)采用合適的均衡技術(shù)降低Turbo迭代均衡技術(shù)的復(fù)雜度。Turbo迭代均衡技術(shù)由均衡器和譯碼器組成，均衡器和譯碼器通過(guò)迭代方式進(jìn)行工作。均衡器和譯碼器使用軟輸入軟輸出方式，首先對(duì)輸入的信號(hào)處經(jīng)均衡器后得到信息的軟輸出，經(jīng)解映射和相應(yīng)的處理得到信號(hào)的外信息，該信息經(jīng)解交織后，得到均衡技術(shù)中譯碼器需要的先驗(yàn)信息，譯碼器利用解交織后的先驗(yàn)信息計(jì)算軟輸出的外部信息，經(jīng)交織器后，又可以得到均衡器的先驗(yàn)信息。而且均衡器可再次利用先驗(yàn)信息和接收信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理又能獲取外部信息，這樣進(jìn)行新的迭代處理。經(jīng)過(guò)幾次迭代處理后，系統(tǒng)性能基本穩(wěn)定，從譯碼器判決輸出信號(hào)結(jié)果。Turbo迭代均衡分為基于最大后驗(yàn)（MAP）均衡和基于最小均方誤差（LMMSE）均衡等，圖2為基于MAP技術(shù)的Turbo均衡。

在均衡技術(shù)的MAP均衡部分，MAP均衡器通過(guò)接收信號(hào)和利用先驗(yàn)信息，得到本次碼元的似然比[LE（xn）]，[LE（xn）]經(jīng)過(guò)解交織后進(jìn)入MAP譯碼器，MAP譯碼器輸出[LD（un）]，[LD（un）]是由外部信息和內(nèi)部信息構(gòu)成，其中外部信息是在譯碼處理中由當(dāng)前時(shí)刻以外的接收碼元中得到，通過(guò)減去輸入[LE（cn）]得到：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

為了驗(yàn)證上述所示的QPSK矢量信號(hào)產(chǎn)生方法，我們通過(guò)載波抑制技術(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這個(gè)原理。圖3為實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖，外部腔式激光器（ECL）波長(zhǎng)為1 563.684 nm，輸出功率為13.98 dBm，經(jīng)過(guò)EDFA放大后輸出功率為19.98 dBm。任意波形發(fā)生器（AWG）輸出的經(jīng)過(guò)預(yù)編碼頻率在7 GHz的矢量QPSK射頻信號(hào)，矢量QPSK的產(chǎn)生原理如圖1（a）所示，偽隨機(jī)碼（PRBS）首先經(jīng)過(guò)QPSK映射，Turbo編碼，然后經(jīng)過(guò)相位預(yù)編碼，上變頻得到頻率為7 GHz的矢量QPSK信號(hào)。這個(gè)QPSK矢量信號(hào)產(chǎn)生是離線通過(guò)Matlab形成。AWG輸出的矢量QPSK信號(hào)經(jīng)過(guò)帶寬為10 GHz的放大器放大后調(diào)制到MZM上得到光矢量QPSK信號(hào)。AWG的采樣率為24 GSample/s，QPSK發(fā)送速率為1 Gbaud。MZM具有2.7 V半波電壓，-3 dB帶寬為30 GHz和5 dBm插入損耗，MZM偏置電壓設(shè)置為最小點(diǎn)，這樣產(chǎn)生載波抑制，我們選擇2個(gè)1階邊帶作為載波，這樣得到14 GHz的載波。MZM前后光譜分別如圖3（b）和3（c）所示，光譜圖3（b）和3（c）的分辨率為0.02 nm。光譜圖3（c）兩個(gè)1階子載波的間隔為14 GHz。2個(gè)1階邊帶比其他邊帶高20 dB左右。經(jīng)過(guò)40 km的單模光纖（SMF-28），再通過(guò)3 dB帶寬為60 GHz的光電二極管（PD）接收，把光矢量QPSK信號(hào)轉(zhuǎn)換為規(guī)則的QPSK信號(hào)。PD轉(zhuǎn)換后的電譜圖如圖3（d）所示。然后通過(guò)3 dB帶寬為16 GHz，采樣率為40 GSample/s的力科示波器進(jìn)行采集信號(hào)。這些采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)離線DSP處理，DSP處理過(guò)程包括信號(hào)下變頻，色散補(bǔ)償，信號(hào)重采樣，CMA均衡，殘余頻偏估計(jì)，相位糾正，差分譯碼，Turbo均衡譯碼等過(guò)程。Turbo均衡采用基于MAP均衡，隨機(jī)交織方式和8次迭代處理過(guò)程。

圖4為接收光功率對(duì)應(yīng)的誤碼性能曲線圖。從圖4可以看出，在BTB和40 km SMF傳輸后，碼率為1/2的Turbo均衡QPSK信號(hào)誤碼性能最好，原始的QPSK誤碼性能最差。當(dāng)誤碼率（BER）為10-4時(shí)，1/2和2/3碼率的Turbo均衡QPSK信號(hào)的接收機(jī)靈敏度比原始QPSK信號(hào)分別提高了4 dB和3 dB。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，Turbo均衡技術(shù)能提高光矢量信號(hào)傳輸系統(tǒng)和降低光纖鏈路色散的影響，具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力。而且該系統(tǒng)產(chǎn)生QPSK矢量信號(hào)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，Turbo均衡技術(shù)算法復(fù)雜度低，為以后光傳輸系統(tǒng)發(fā)展的方向之一。

圖5為傳輸40 km SMF后，在接收光功率為-4 dBm時(shí)，QPSK信號(hào)DSP處理過(guò)程中不同處理過(guò)程對(duì)應(yīng)的星座圖。主要包括CD補(bǔ)償，信號(hào)重定時(shí)，CMA均衡，殘余頻偏估計(jì)和相位恢復(fù)等處理過(guò)程。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于載波抑制技術(shù)產(chǎn)生QPSK矢量信號(hào)，QPSK矢量信號(hào)通過(guò)預(yù)編碼后上變頻得到QPSK矢量射頻信號(hào)，然后通過(guò)MZM調(diào)制得到光矢量信號(hào)，通過(guò)載波抑制選取2個(gè)1階邊帶作為載波，利用光電二極管的平方律規(guī)則得到規(guī)則的QPSK信號(hào)。該方法只是用一個(gè)MZM調(diào)制器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。而且該傳輸系統(tǒng)使用Turbo均衡技術(shù)降低光傳輸系統(tǒng)色散影響，提高光傳輸系統(tǒng)的誤碼性能和降低算法復(fù)雜度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了1 Gbaud速率QPSK矢量信號(hào)通過(guò)碼率分別為1/2和2/3的Turbo均衡方法后，系統(tǒng)誤碼性能提高了不少，說(shuō)明該技術(shù)具有可行性。

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