光纖系統(tǒng)中編碼方式對(duì)系統(tǒng)性能影響以及色散補(bǔ)償

李日淼，李 萍，王裕如，陳鵬遠(yuǎn)，劉 實(shí)

(大連工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 大連 116034)

0 引 言

目前現(xiàn)代光通信技術(shù)中，抑制大容量長(zhǎng)距離光纖傳輸?shù)膸讉€(gè)主要因素是發(fā)射端的編碼方式、光纖的損耗問題、光纖的色散、非線性問題等。由于摻鉺光纖放大器(erbium-doped fiber amplifier，EDFA)的出現(xiàn)，極大解決了光纖的損耗問題，但是由于傳輸距離的增加，光信號(hào)在光纖中傳輸?shù)拿}沖展寬，碼間干擾問題加重，因此色散問題就變得不可忽視[1-3]。

一般對(duì)于系統(tǒng)中色散問題都采用虛像相位陣列法、光孤子傳輸技術(shù)、色散補(bǔ)償光纖(dispersion compensating fiber，DCF)、光纖布拉格光柵(fiber brag grating，F(xiàn)BG)等，其中DCF和FBG這兩種方式進(jìn)行色散補(bǔ)償是較常用的補(bǔ)償方式[4-6]，而至于系統(tǒng)編碼方式與色散補(bǔ)償方式的比較，以及對(duì)色散補(bǔ)償方式的改進(jìn)研究較少。

因此本研究在以前的基礎(chǔ)上，通過對(duì)比常用DCF和FBG兩種方式進(jìn)行色散補(bǔ)償，對(duì)較好的色散補(bǔ)償方式進(jìn)行改進(jìn)。通過分析編碼方式，對(duì)系統(tǒng)采用DCF和FBG兩種色散補(bǔ)償方法來實(shí)現(xiàn)光通信系統(tǒng)的色散補(bǔ)償，并在前置和后置補(bǔ)償這兩種方式的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)色散補(bǔ)償進(jìn)行對(duì)比分析，利用仿真軟件對(duì)傳輸速率為40 Gbit/s的單信道系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，對(duì)比分析了這幾種色散補(bǔ)償方式的優(yōu)劣并選取其中補(bǔ)償效果較好的一種方法應(yīng)用到多信道系統(tǒng)中。并對(duì)該系統(tǒng)采用級(jí)聯(lián)型的FBG色散補(bǔ)償模塊，以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)WDM系統(tǒng)的色散補(bǔ)償，為光通信系統(tǒng)的升級(jí)擴(kuò)容提供有力的依據(jù)。

1 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

光纖傳輸系統(tǒng)是由光發(fā)射端，光纖信道和光終端組成。信號(hào)發(fā)射端是由光信號(hào)發(fā)射源、信號(hào)序列發(fā)生器、馬赫曾德調(diào)制器組成。系統(tǒng)的光纖信道是由單模光纖和DCF組成。光放大器是為了將衰減的光信號(hào)可以傳輸更遠(yuǎn)的距離，一般使用EDFA。光纖系統(tǒng)終端是由光接收模塊，低通濾波器，誤碼儀等構(gòu)成[7-8]。但是對(duì)于系統(tǒng)來說，發(fā)射端編碼方式的優(yōu)劣程度，對(duì)于系統(tǒng)的色散影響較大。

2 發(fā)射端編碼方式

2.1 載波抑制歸零碼編碼方式

載波抑制歸零碼(carrier-suppressed return to zero，CSRZ)，產(chǎn)生CSRZ的方法是使用兩個(gè)馬赫-曾德(Mach-Zehnder，MZ)調(diào)制器來引入π相位的反轉(zhuǎn)，利用第一個(gè)MZ調(diào)制器進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制，產(chǎn)生一個(gè)CSRZ脈沖序列，相鄰脈沖差為π相位，原始調(diào)制信號(hào)為正弦信號(hào)；對(duì)第二個(gè)MZ調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生RZ信號(hào)，對(duì)幅度為相位上下反相的兩個(gè)NRZ編碼電信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，通過把偏置點(diǎn)定在MZ調(diào)制器的最低點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)CSRZ信號(hào)[9]。因此將占空比為67%的歸零碼稱為載波抑制歸零碼，一般用Ein和Eout表示第二個(gè)MZ的輸入和輸出電場(chǎng)，φ1和φ2表示上下臂的電位變化，生成過程：

式中：V1m和V2m分別表示MZ調(diào)制器上下臂脈沖的幅度，φ1和φ2分別表示MZ調(diào)制器上下臂的角頻率，ψ1和ψ2分別表示MZ調(diào)制器上下臂的相位，V1和V2分別表示MZ調(diào)制器上下臂的偏置電壓，而Vπ表示半波電壓，通常取5 V。CSRZ的光譜如圖2(a)所示。

(a) 無色散補(bǔ)償

(a) 無色散補(bǔ)償

(a) 初始脈沖寬度

(a) CSRZ光譜圖

2.2 非歸零碼編碼方式

非歸零碼(non-return to zero，NRZ)，在每個(gè)二進(jìn)制符號(hào)間隔內(nèi)，非歸零碼信號(hào)波形的電平保持不變。NRZ是通過對(duì)一個(gè)半導(dǎo)體激光器的外調(diào)制或直接調(diào)制產(chǎn)生。但NRZ碼容易受到器件特性的限制和啁啾問題，因此不能夠適應(yīng)長(zhǎng)途傳輸[10]。NRZ光譜如圖2(b)所示。

2.3 改進(jìn)的光雙二進(jìn)制碼編碼方式

改進(jìn)的光雙二進(jìn)制碼(modified optical duobinary return to zero，MDRZ)，具體過程是用雙二進(jìn)制預(yù)編碼器、NRZ碼脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，經(jīng)過第一個(gè)MZ調(diào)制器，用一個(gè)頻率、相位合適的正弦波發(fā)生器調(diào)制第二個(gè)MZ調(diào)制器[11]，MDRZ具體產(chǎn)生過程：

假設(shè)需要發(fā)送的信號(hào)x(t)，經(jīng)過預(yù)編碼為

式中：T為時(shí)間寬度，q(t)為非歸零矩形脈沖發(fā)送端的輸入碼元為ck。經(jīng)過預(yù)編碼，發(fā)送信號(hào)還要經(jīng)過時(shí)間延遲產(chǎn)生的信號(hào)x′(t)為

式中：τ為時(shí)間常數(shù)，得到MDRZ編碼方式的輸出信號(hào)y(t)為

y(t)=x(t)-x′(t)

最后使用雙臂鈮酸鋰調(diào)制器，y(t)來調(diào)制光信號(hào)。MDRZ編碼方式仍是一種二進(jìn)制編碼，但因?yàn)槠漕l譜寬度比其他二進(jìn)制編碼方式頻譜寬度都窄，因此MDRZ編碼方式是所有歸零碼中頻譜寬度最窄的編碼方式[12]，改進(jìn)的光雙二進(jìn)制編碼產(chǎn)生流程圖如圖1所示，光譜如圖2(c)所示。

圖1 改進(jìn)的光雙二進(jìn)制碼產(chǎn)生流程圖Fig.1 The flow chart of MDRZ generation

觀察系統(tǒng)發(fā)射端的光譜圖，3種調(diào)制方式產(chǎn)生的光譜圖頻譜寬度都比較窄，因此都具有較好的色散容限?？稍?種傳輸系統(tǒng)中進(jìn)行DCF和FBG色散補(bǔ)償觀察對(duì)系統(tǒng)的影響。

3 系統(tǒng)色散補(bǔ)償

3.1 色散補(bǔ)償原理

在DWDM傳輸系統(tǒng)中，一般采用DCF和FBG色散補(bǔ)償方式進(jìn)行色散補(bǔ)償，DCF色散補(bǔ)償就是將帶有負(fù)的色散系數(shù)的DCF和光纖中產(chǎn)生正的色散系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(single mode fiber，SMF)進(jìn)行串聯(lián)，使二者正負(fù)色散互相抵消，實(shí)現(xiàn)傳輸距離的延長(zhǎng)，在整個(gè)傳輸系統(tǒng)中，要盡可能讓系統(tǒng)總色散值接近于0，從而達(dá)到完全補(bǔ)償[13-14]。

FBG色散補(bǔ)償原理如圖3所示，就是在光波通過光柵時(shí)，較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光在光柵的始端被反射，較短波長(zhǎng)的光在光柵的末端被反射，前后形成了時(shí)延差，后者比前者時(shí)延大，從而補(bǔ)償了由于色散影響的脈沖展寬，使脈沖被壓縮或者還原到初始狀態(tài)，從而達(dá)到了色散補(bǔ)償效果。圖4是時(shí)域觀察圖，可明顯看出光脈沖信號(hào)經(jīng)過光纖發(fā)生了明顯的展寬，通過布拉格光柵后被壓縮達(dá)到色散補(bǔ)償效果[15-16]。

圖3 FBG補(bǔ)償光纖工作原理Fig.3 The working principle of FBG compensation fiber

3.2 三種編碼方式下的色散補(bǔ)償

通過仿真，對(duì)CSRZ、NRZ和MDRZ編碼方式分別進(jìn)行色散補(bǔ)償，系統(tǒng)整體參數(shù)保持一致，采用的系統(tǒng)整體速率為40 Gbit/s，系統(tǒng)EDFA放大器增益為20 dB，輸入的光功率為10 dBm，將光纖鏈路總長(zhǎng)設(shè)置為60 km，在30 km處加上DCF和FBG分別進(jìn)行色散補(bǔ)償，前后30 km采用SMF和EDFA結(jié)合，整個(gè)系統(tǒng)通過循環(huán)控制器的循環(huán)次數(shù)n來控制總體傳輸距離，具體系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab.1 System simulation parameters

對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)，Q值和誤碼率可以反映系統(tǒng)性能好壞，而Q值是反應(yīng)系統(tǒng)傳輸性能好壞最重要的參數(shù)之一，它能將系統(tǒng)容限用分貝的形式簡(jiǎn)單表示出來，一般來說Q值大，鏈路性能越好。因此通過仿真觀察CSRZ、NRZ和MDRZ3種編碼方式在DCF和FBG哪種編碼方式和補(bǔ)償方式更好。

從有無色散補(bǔ)償下的3種編碼方式Q值，如圖5所示，可以通過觀察系統(tǒng)Q值，可見MDRZ編碼方式在不加任何的色散補(bǔ)償時(shí)，是3種里面?zhèn)鬏斝阅茏詈玫?，NRZ編碼方式相對(duì)來說Q值較低，是3種里面?zhèn)鬏斝阅茏畈畹摹５窃?種都加了色散補(bǔ)償后不論是DCF還是FBG，Q值相對(duì)提高，傳輸性能都有所改進(jìn)，隨著入射功率的增加，Q值的增加幅度在使用FBG補(bǔ)償時(shí)增加更明顯，這是因?yàn)镈CF進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)損耗比較大，因此在傳輸過程中有效的面積要小，導(dǎo)致非線性效應(yīng)變大，隨著入射功率的增加非線性效應(yīng)又變得更大，因此Q值相對(duì)較小，由于比正常傳輸相比，色散影響小很多，因此會(huì)比正常傳輸Q值要高一些。而FBG具有體積小，與光纖結(jié)合更容易，損耗低等優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)BG色散補(bǔ)償方式要比DCF補(bǔ)償方式效果好。因此，在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用編碼方式更好的MDRZ方式結(jié)合FBG補(bǔ)償方式，進(jìn)一步改善系統(tǒng)傳輸性能。

4 系統(tǒng)色散補(bǔ)償分析

對(duì)于需要信息在光纖中進(jìn)行大容量、長(zhǎng)距離傳輸?shù)臅r(shí)候，單信道的系統(tǒng)傳輸容量存在局限性，但對(duì)于WDM系統(tǒng)一個(gè)FBG不能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行很好的色散補(bǔ)償，因此要對(duì)WDM系統(tǒng)進(jìn)行色散補(bǔ)償，將8個(gè)FBG進(jìn)行串聯(lián)，如圖6所示。

圖6 FBG補(bǔ)償WDM系統(tǒng)原理圖Fig.6 Diagram of WDM system with FBG

該系統(tǒng)中，8個(gè)不同頻率的光信號(hào)經(jīng)過光復(fù)用器后，經(jīng)過光環(huán)路器后進(jìn)入每一個(gè)FBG模塊，每個(gè)FBG只對(duì)應(yīng)8個(gè)信號(hào)其中一種的分信號(hào)，這樣就可以對(duì)原信號(hào)進(jìn)行色散補(bǔ)償。最后經(jīng)過色散補(bǔ)償?shù)墓庑盘?hào)再經(jīng)過合成器形成一個(gè)耦合信號(hào)回到光環(huán)路器中，最后通過解復(fù)用器將耦合的光信號(hào)解復(fù)用成8個(gè)原信號(hào)。最后通過觀察系統(tǒng)Q值和眼圖來判斷色散補(bǔ)償前后系統(tǒng)的傳輸效果，因?yàn)榈谝恍诺赖男盘?hào)更容易受到干擾，一般都以第一個(gè)信道的輸出結(jié)果作為研究對(duì)象。

整個(gè)系統(tǒng)共產(chǎn)生8個(gè)頻率的信號(hào)，初始頻率為193.1 THz，由于MDRZ編碼方式和FBG色散補(bǔ)償方式的系統(tǒng)Q值較高，因此將MDRZ編碼方式進(jìn)行級(jí)聯(lián)FBG補(bǔ)償和無補(bǔ)償進(jìn)行比較系統(tǒng)的Q值如圖7所示。

從圖7中可以看出在其他條件相同時(shí)，采用FBG級(jí)聯(lián)進(jìn)行色散補(bǔ)償系統(tǒng)Q值大于無補(bǔ)償系統(tǒng)Q值，而誤碼率(bit error ratio，BER)是衡量數(shù)據(jù)在一定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標(biāo)，誤碼率為傳輸中的誤碼占所傳輸?shù)目偞a數(shù)的百分比，有FBG補(bǔ)償時(shí)的系統(tǒng)BER低于無色散補(bǔ)償時(shí)的BER，通過觀察兩個(gè)系統(tǒng)的眼圖也能得出相同的結(jié)論，如圖8所示。

圖7 WDM系統(tǒng)Q值變化Fig.7 Q value change of WDM system

在仿真過程中，還發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的傳輸性能會(huì)隨著傳輸距離的變化為變化，也就是通過改變系統(tǒng)的環(huán)路控制器n，其中(n=1，2，3，…，17)，一圈的跨度為60 km，觀察系統(tǒng)Q值與傳輸距離關(guān)系如圖9所示。

圖9是采用MDRZ編碼方式和FBG色散補(bǔ)償方式，通過觀察Q值和環(huán)路控制器n的關(guān)系可以看出，在900 km以前，隨著環(huán)路控制器n的增加，Q值總體呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，傳輸距離超過900 km，系統(tǒng)由于受到四波混頻影響效果較大，總體Q值降到了10以下，這時(shí)系統(tǒng)傳輸性能明顯下降，也就是在900 km為MDRZ編碼方式采用FBG色散補(bǔ)償時(shí)的有效距離。

圖9 系統(tǒng)Q值與環(huán)路控制器圈數(shù)的關(guān)系Fig.9 Relationship between system Q value and loop controller

5 結(jié) 論

通過在單信道下將NRZ、CSRZ和MDRZ 3種編碼方式進(jìn)行DCF和FBG色散補(bǔ)償仿真研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用MDRZ和FBG兩種的系統(tǒng)傳輸效果最好，不但能讓單信道的編碼方式得到優(yōu)化，而且采用FBG色散補(bǔ)償方式對(duì)系統(tǒng)的補(bǔ)償效果最好。針對(duì)大容量長(zhǎng)距離WDM系統(tǒng)，采用MDRZ編碼方式和FBG色散補(bǔ)償方式，通過比較有無補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)Q值，發(fā)現(xiàn)級(jí)聯(lián)FBG模塊對(duì)系統(tǒng)色散補(bǔ)償有一定作用，并且在900 km以內(nèi)傳輸效果是最佳的。MDRZ編碼方式和FBG色散補(bǔ)償方式，具有很好的發(fā)展前景，對(duì)以后大容量、長(zhǎng)距離的光纖傳輸，提供了很好的基礎(chǔ)。