4B/5B編碼的再調制WDM-PON系統(tǒng)分析與實現

徐 進，李慧林，張 封，張曉龍（.西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安70048；.國家電網 陜西電力維護運營有限公司，陜西 西安70048）

4B/5B編碼的再調制WDM-PON系統(tǒng)分析與實現

徐 進1，李慧林1，張 封1，張曉龍2
（1.西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安710048；2.國家電網 陜西電力維護運營有限公司，陜西 西安710048）

在輸入RSOA功率和數據編碼方式不同的情況下，為了解決下行信號對上行再調制信號的串擾問題，研究了上行信號的誤碼率（BER）性能，并采用了下行2.5 Gb/s，上行1.25 Gd/s的非對稱數據傳輸，4B/5B編碼的下行信號再調制的波分復用無源光網絡 （WDM-PON）系統(tǒng)模型。最后通過MATLAB編程實現4B/5B編碼，并在Optisystem軟件中進行聯合仿真。實驗結果表明相對于NRZ編碼和Manchester編碼，4B/5B編碼再調制系統(tǒng)可將編碼效率提高到80%。

WDM-PON；4B/5B編碼；RSOA；誤碼率

隨著網絡中數據的急劇增加，人們對帶寬的需求不斷提高。WDM-PON技術是虛擬的點對點的通信，能充分利用光纖巨大的帶寬資源，很好地滿足了接入網用戶對于高帶寬的要求。最理想的WDMPON方案就是為每個ONU分配單獨的波長，CO端使用多波長的可調諧激光器，在ONU端使用單波長激光器，這樣就能做到上下行的波分復用，但是這種方案主要缺點是激光器多，導致成本過高。因此，影響系統(tǒng)成本的ONU“無色化”問題成為WDM-PON網絡的一個關鍵。

所謂”無色ONU”，就是在ONU中不使用固定的波長，通過除去在ONU中使用穩(wěn)定的激光器來降低運營、管理和維護的成本。WDM-PON的ONU“無色化”方案主要有寬光源頻譜分割技術、注入鎖定技術、光載波源技術和再調制技術幾種。其中反射半導體光放大器（RSOA）利用下行信號再調制產生光載波，不需要在ONU端配置光源，具有潛在的低成本優(yōu)勢，因而得到了廣泛的關注和研究。

4B/5B編碼用5 bit的二進制碼來代表4 bit二進制碼。此編碼的效率是80%，與Manchester編碼相比，編碼效率有了很大的提高。因此，本文給出了一種下行數據采用4B/5B編碼的再調制WDM-PON系統(tǒng)結構。

1 4B/5B編碼再調制系統(tǒng)應用分析

在實際使用的光接入網中，很多業(yè)務都是非對稱速率的業(yè)務，需要的上行帶寬比下行帶寬低很多。為了解決非對稱再調制WDM-PON中的再調制干擾問題，有研究提出了對下行數據進行Manchester編碼的方案，Manchester編碼由于低頻分量較少，可以減少下行信號對上行再調制信號的干擾。但是Manchester編碼的編碼效率只有50%，需要雙倍帶寬來傳輸信息，浪費了帶寬資源。

4B/5B編碼的再調制的WDM-PON系統(tǒng)，就是在下行傳輸中數據采用4B/5B編碼，下行信號的直流分量比較穩(wěn)定而且低頻成分較少，降低了再調制串擾的影響，提高了上行再調制信號的接收性能，編碼效率提高到80%，相對于Manchester編碼，提高了下行信號的編碼效率。

RSOA再調制技術的WDM-PON的基本特點就是在ONU端不配置光源設備，而是利用RSOA的增益飽和特性，用調制器RSOA來代替ONU中的光源設備。下行光信號通過不同的工作波長被傳送至ONU用戶。用于下行傳輸的光載波到達ONU后，由功率分路器分為兩部分。一部分進入接收機進行接收解調，一部分進入RSOA進行載波恢復并加載上行信號，然后上行傳輸回OLT接收機處接收。RSOA再調制技術，其在ONU端不配置光源設備的特性保證了系統(tǒng)的低成本。使它具有了巨大的市場潛力和可推廣性。

2 RSOA的增益飽和特性分析

半導體光放大器（SOA）本質上是工作在閾值點以下的InGaAsP激光器。它的主要原理是激活煤質吸收了外部泵浦光源提供的能量，在激活煤質中泵浦為電子提供能量，使其達到較高的能級，產生粒子反轉。而放大器就是通過受激輻射所需的粒子數反轉來實現入射光功率放大的。RSOA是屬于半導體放大器的一種。光放大器最重要的參數之一是信號增益G，而增益系數g（z）是頻率和功率的函數，則離輸入端距離z時g（z）的表達式為：

式中，g0為小信號的增益系數，Ps（z）是z點的內部信號功率，Psat是放大器的飽和光功率。

假設g（z）是單位長度增益，當長度增加dz時，光功率增加

由上式可知，增益隨著信號功率的增加而減少，特別是當內部信號功率等于放大器飽和功率時，增益系數就會減少一半。L的增加會使G和P的增加，但增加到一定的程度，P的數值急劇增加會導致增益系數g的急劇下降，SOA對光信號的放大效果減弱，這種表現就是增益飽和效應。

3 系統(tǒng)設計與實現

3.1 系統(tǒng)結構

WDM-PON技術充分利用光纖巨大的帶寬資源，滿足不斷出現的高帶寬網絡應用業(yè)務的需求，但是，昂貴的光器件是WDM-PON發(fā)展的“瓶頸”之一。本文采用的4B/5B編碼再調制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)上下行數據流的光信號載波只由OLT來提供，在ONU中使用RSOA調制器而不是激光器解決了系統(tǒng)成本過高的問題，并經過上行數據流的調制傳送到OLT中，從而完成上下行數據流通信。下行強度調制信號使用4B/5B編碼減少了再調制造成的串擾，而且對下行信號的消光比沒有限制，保證了系統(tǒng)上下行信號的傳輸性能，同時信號的編碼效率相對Manchester編碼有較大提高。圖1顯示的是4B/5B編碼情況下，波長再調制WDM-PON系統(tǒng)框圖。

圖1 基于4B/5B編碼的RSOA再調制WDM-PON實驗框圖

3.2 系統(tǒng)工作分析

系統(tǒng)下行傳輸由4B/5B編碼的速率為2.5 Gb/s的PRBS直接調制位于OLT側激光器。4B/5B編碼的實現是通過MATLAB產生，再通過調制器直接對激光器調制，調制器消光比為8 dB，輸出光波長為1 550 nm。在經過衰減器后送入標準單模光纖（SSMF）傳輸，光纖的長度為20 km，公里損耗為0.2 dB。經過循環(huán)器后，再進行功率分離，分路比為50：50，功率的一半輸入RSOA，進行上行再調制；另一半輸入光接收器，恢復傳輸數據。上行傳輸將NRZ編碼的PRBS 和RSOA輸出，經過循環(huán)器后經過另一根20 km長的SSMF傳輸，送入OLT側的接收設備檢測和恢復數據，上行傳輸的調制速率為1.25 Gb/s。

4 仿真結果分析

在系統(tǒng)性能的分析過程中，首先分析了輸入RSOA功率對上行傳輸的影響，在此基礎上，分析了不同編碼方式對上行傳輸的影響。誤碼率，就是在特定的一段時間內所接收到的數字碼元誤差數目在傳輸總的碼元數中所占的比例，而衡量一個數字傳輸系統(tǒng)性能好壞的重要標準之一就是誤碼率。在RSOA系統(tǒng)中，系統(tǒng)傳輸性能的好壞表現為“擦除”程度的好壞。而“擦除”效果的好壞在很大程度上是由輸入光功率的大小決定的。本實驗結果是由Optisystem7.0仿真，并由Matlab R2010a進行數據擬合得到。如圖2顯示的是在下行速率10 Gb/s時，不同的輸入光功率條件下，上行信道接收的誤碼率曲線：

圖2 輸入光功率對上行信道接收誤碼率的影響

從圖2中可以看出，當輸入功率為-5 dB和-10 dB時，功率代價不足1 dB，當輸入功率減少到-20 dB時，功率代價就變得很高了。當RSOA的輸入功率是-5 dB和-10 dB時，比起低的RSOA輸入功率來說，傳輸性能下降的很少，所以為了提高上行傳輸性能，應使得輸入RSOA的功率足夠大。

RSOA的主要功能是為上行傳輸提供一個再調制光載波，從而在上行傳輸時不需外加光源，直接再調制下行信號實現上行傳輸。本實驗測量了在NRZ編碼、Manchester編碼和4B/5B編碼下，下行速率為2.5 Gb/s，上行速率為1.25 dBm時，上行傳輸的誤碼率。輸入RSOA的功率設為-10 dBm。此時位于OLT的接收端，采用普通的PIN檢測，同時用BER分析儀進行誤碼率分析。實驗結果如圖3所示。

圖3 編碼方式對上行信道接收誤碼率的影響

從圖3中可以看出在使用4B/5B線路編碼的系統(tǒng)中，相對于NRZ編碼和Manchester編碼，系統(tǒng)會產生大約4.5 dB和3.5 dB的功率代價，但編碼效率提高到了80%。實驗結果表明了使用4B/5B線路編碼可以讓RSOA工作在線性區(qū)，對下行傳輸的功率預算和下行信號的消光比沒有嚴格的限制。相對于NRZ編碼和Manchester編碼，使用4B/5B碼可以在增加較少功率代價的前提下，提高下行信號的編碼效率。

5 結 論

文中給出了一種再調制WDM-PON系統(tǒng)的結構。在下行方向采用的是用MATLAB編程實現的4B/ 5B編碼，分析了輸入RSOA光功率對上行傳輸誤碼率的影響。輸入RSOA功率為-5 dBm和-10 dBm時，系統(tǒng)接收靈敏度高，當輸入RSOA功率降低時，功率代價升高。為了提高系統(tǒng)性能，輸入RSOA的功率應該足夠大。4B/5B編碼相對于NRZ編碼和Manchester編碼，系統(tǒng)會產生一定的功率代價，但是編碼效率卻有了大幅度的提高，提高了系統(tǒng)的傳輸性能和擴展性。

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The analysis and implementation of re-modulated WDM-PON system based on 4B/5B coding

XU Jin1，LI Hui-lin1，ZHANG Feng1，ZHANG Xiao-long2
（1.School of Electronics and Information，Xi'an Polytechnic University，Xi'an 710048，China；2.Shaanxi Power Maintanance&Operation Co.Ltd，Xi'an 710048，China）

In order to solve the cross-talk problems of up-link to down-link signal re-modulated signal when the input power of RSOA and the coding schemes are different，this paper analyzes the property of The up-link signal bit error rate（BER），and uses a downstream 2.5 Gb/s，upstream 1.25 Gb/s asymmetric data transmission，and proposes a wavelength division multiplexing passive optical system model based on 4B/5B encoding downstream signals re-modulation.The 4B/5B encoding has been realized in MATLAB program，combined with Optisystem software.Experiement results show that 4B/5B coding and modulation system can improve the coding efficiency to eighty percent.

WDM-PON；4B/5B coding；RSOA；BER

TN<911.6 文獻標識碼：A class="emphasis_bold">911.6 文獻標識碼：A 文章編號：1674－6236（2017）07-0095-04911.6 文獻標識碼：A

1674－6236（2017）07-0095-04

A 文章編號：1674－6236（2017）07-0095-04

2016-03-17稿件編號：201603225

徐 進（1957—），男，陜西西安人，教授。研究方向：信息化、智能檢測、電子技術應用。