高速光纖通信系統(tǒng)中的碼型選擇

高速光纖通信系統(tǒng)中的碼型選擇

1國內外的碼型研究現狀單通信系統(tǒng)及其波分恢復（pdm）技術已成為光纖通信研究的熱點。40Gb/s光通信系統(tǒng)中,色度色散、偏振模色散和非線性效應對系統(tǒng)性能影響越來越嚴重。目前高速傳輸系統(tǒng)中研究的熱點有:1)低噪聲及寬帶寬的光放大器;2)前向糾錯碼(FEC)技術;3)高效的信號復用及解復用技術;4)對光噪聲及光纖的非線性效應有著更高容忍度和更高光譜效率的碼型。其中針對40Gb/s系統(tǒng)人們提出了很多碼型,如歸零碼(RZ),載波抑制歸零碼(CS-RZ),非歸零差分相移鍵控碼(NRZ-DPSK),歸零差分相移鍵控碼(RZ-DPSK),載波抑制歸零差分相移鍵控碼(CS-RZ-DPSK)等。隨著研究的深入,近來又出現了各種四相相對相移鍵控(DQPSK)碼型、強度調制差分相移鍵控碼(IM-DPSK)和預濾波載波抑制歸零碼(PrefilteredCS-RZ)等各種新型碼型。非歸零差分相移鍵控碼、歸零差分相移鍵控碼和載波抑制歸零差分相移鍵控碼是利用相鄰碼元的相位變化來表示“0”,“1”信號的。它們的光譜很平滑且沒有線狀譜。強度調制差分相移鍵控碼則是為了減小相鄰碼元相位變化處的光強,從而減小此處引起的啁啾和非線性。四相相對相移鍵控碼型是對兩個比特的碼元進行相位變化。預濾波載波抑制歸零碼則對載波抑制歸零碼進行濾波,進一步減小光譜寬度,提高光譜效率。國外對碼型的研究進行得較早,詳見文獻。現階段國內對高速傳輸系統(tǒng)碼型的研究主要是集中在原理分析及模擬上,并未進行各種碼型在實際傳輸系統(tǒng)中的分析。本文通過實際的40Gb/s傳輸系統(tǒng)實驗來分析各種碼型的性能,實驗結果表明在相同的色散補償條件下,載波抑制歸零碼格式比歸零碼和非歸零碼(NRZ)格式有更優(yōu)的非線性容忍度。2不同碼類型的起源原理和屬性2.1mzm調制非歸零碼格式產生原理如圖1所示。激光二極管(LD)產生連續(xù)光經馬赫-曾德爾調制器(MZM)調制,輸出非歸零碼光信號。控制馬赫-曾德爾調制器的為40Gb/s電非歸零碼信號。實際得到的非歸零碼光信號光譜和眼圖如圖2所示。圖2(a)為光譜圖,可見其輸出光譜是很緊湊的。圖2(b)為輸出光信號眼圖,它的脈沖寬度是三種碼型中最寬的。2.2馬達-曾洛爾調制器歸零碼格式產生原理如圖3所示。第一個馬赫-曾德爾調制器輸出的非歸零碼信號被第二個馬赫-曾德爾調制器調制為歸零碼信號。驅動第二個馬赫-曾德爾調制器的是振幅為Vπ/2,頻率為40GHz的正弦波。Vπ表示馬赫-曾德爾調制器中兩束光相位相差π時所需的電壓。此調制器被偏置在馬赫-曾德爾調制器傳輸曲線強度零點與強度極大點的中點上,這種偏置方法得到的信號沒有相位變化。實際得到的歸零碼光信號光譜和眼圖如圖4所示。圖4(a)為光譜圖,可見在載波的兩邊出現了線狀譜,且其間隔為80GHz。圖4(b)為輸出端歸零碼信號眼圖。2.3單光場自適應載波抑制歸零碼格式產生原理如圖5所示。產生載波抑制歸零碼時,也需用到兩個馬赫-曾德爾調制器。但第二個馬赫-曾德爾調制器的輸入時鐘及偏置電壓和產生歸零碼時完全不同。輸入電時鐘信號為Vin(t)=Vπsinω0t,偏置電壓為Vπ,t為時間,其時鐘頻率ω0為產生信號的一半。當產生40Gb/s載波抑制歸零碼時,輸入時鐘頻率為20GHz。它的光場輸出表達式為:Eout(t)=j■in(t)sin(π2sinω0t)in(t)sin(π2sinω0t),■in(t)為第一個馬赫-曾德爾調制器的光場輸入信號,j為虛數單位。由上式可知當它改變一個周期時,相鄰脈沖有π的相位差。得到的信號光譜在載波處無線狀譜,且為歸零碼,因此被稱為載波抑制歸零碼。載波抑制歸零碼是為了提高歸零碼脈沖寬度,減小光譜寬度而提出來的。它的占空比為2/3,比歸零碼大。實際得到的載波抑制歸零碼光信號光譜和眼圖如圖6所示,圖6(a)為光譜圖,可見其載波被抑制掉了,兩邊線狀譜間隔為40GHz。其光譜比歸零碼的要窄。圖6(b)為輸出端光信號眼圖?？梢钥闯銎涿}沖寬度比歸零碼寬。3時鐘恢復模塊背靠背系統(tǒng)實驗圖如圖7所示。整個系統(tǒng)由光源、電碼型產生器(BPG44E)、調制器(DPSK5003)、接收機以及誤碼分析儀(EA44)和時鐘恢復模塊組成。整個系統(tǒng)由德國SHF公司生產。電碼型產生器產生的電數據信號和時鐘信號輸入到調制器。通過控制調制器的兩個馬赫-曾德爾調制器來產生各種碼型,第一個用于加載數據,第二個用于產生歸零碼和載波抑制歸零碼的脈沖序列。當產生非歸零碼型時,只使用第一個馬赫-曾德爾調制器。接收機將光信號變?yōu)殡娦盘柡?將一部分數據信號輸入到時鐘恢復模塊。時鐘恢復模塊通過數據來恢復時鐘,得到的時鐘和接收到的數據輸入到誤碼分析儀中,進行誤碼測量。誤碼分析儀需要精確調整延時和判決門限兩個參量,但所設定的參量有精度限制:延時的步長為0.5ps,門限步長為1mV。誤碼分析儀是對40Gb/s信號解復用為4×10Gb/s信號,測量每個10Gb/s信號的誤碼再相加起來。這就需要對4路10Gb/s信號進行精確同步。同步涉及到電碼型產生器、調制器和誤碼分析儀的參量設定。因此在實際實驗中,進行誤碼測量存在一定的測量誤差。實驗采用1550nm光源,23級偽隨機碼(PBRS),信道速率為40Gb/s(不帶前向糾錯碼)。誤碼測量時間取為100s。背靠背系統(tǒng)中不同碼型的接收功率與誤碼率的關系如圖8所示。可見當誤碼率為1.0×10-12時,非歸零碼接收功率為-3.8dBm,歸零碼和載波抑制歸零碼接收功率為-13.2dBm。非歸零碼接收功率比載波抑制歸零碼和歸零碼大9.4dBm。而入纖功率過大會引起自相位調制(SPM)、受激布里淵散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)和四波混頻(FWM)等非線性效應。因此非歸零碼并不適合于40Gb/s的高速傳輸系統(tǒng)。歸零碼和載波抑制歸零碼由于相鄰的光脈沖之間的光功率會回到零,時鐘信號比非歸零碼容易提取。而且還可以減小由連“1”高功率碼所引起的碼型效應,平均功率小,它們更適合于高速傳輸系統(tǒng)。4長距離傳輸實驗4.1光纖的散射補償長距離傳輸實驗圖如圖9所示。調節(jié)第一個衰減器ATT1來改變入纖功率。第二個衰減器ATT2控制進入色散補償光纖(DCF)的光功率,實驗中使進入色散補償光纖的光功率保持為-0.5dBm。通過第三個衰減器ATT3來改變接收光功率。線路上使用100km的G.652光纖,它的衰減為0.22dB/km,在1550nm處的色散為16.8ps/(km·nm),零色散斜率為0.092ps/(km·nm2),偏振模色散(PMD)為0.5ps。系統(tǒng)中的色散補償光纖模塊對100km光纖進行色散補償。其1550nm處的色散補償量為-1677ps/nm,插入損耗為7.09dB,偏振模色散為0.48ps。4.2眼圖中常用的調節(jié)性因素圖10為各種碼型加纖后接收端的眼圖,與三種碼型輸出端的光信號眼圖進行比較,可以看出圖10接收端的眼圖上部產生了主要由自相位調制所引起的畸變。由于載波抑制歸零碼相鄰碼元有π相位差,這個相位差的存在抑制了自相位調制,所以載波抑制歸零碼眼圖畸變最小。4.3種碼型的誤碼率改變入纖功率,調節(jié)衰減器ATT3使接收功率保持為1.21dBm。得到各種碼型在不同入纖功率下的誤碼率如圖11所示。當入纖功率為-1dBm時,非歸零碼誤碼率為5.9×10-8,歸零碼誤碼率為1.9×10-10,載波抑制歸零碼誤碼率為1.8×10-12。非歸零碼的最小誤碼率為8.9×10-10,由于系統(tǒng)參量設定的原因,歸零碼和載波抑制歸零碼在一定范圍內誤碼率為1.0×10-14。歸零碼和載波抑制歸零碼最小誤碼率遠小于非歸零碼。在誤碼率小于1.0×10-12條件下,載波抑制歸零碼的入纖功率范圍為0.5～10.3dBm,歸零碼的入纖功率范圍為0.2～9.5dBm。三種碼型中,非歸零碼的入纖功率范圍最小。載波抑制歸零碼入纖功率范圍稍大于歸零碼。從以上分析可知歸零碼和載波抑制歸零碼抗非線性優(yōu)于非歸零碼,載波抑制歸零碼抗非線性優(yōu)于歸零碼。4.4充分測試了同充分同零碼性能的特性改變入纖功率測得各碼型的功率代價如圖12所示。從圖中可以看出各曲線存在一拐點。這是因為光信噪比(OSNR)和由于光功率增大引起的非線性有個平衡。拐點所對應的光功率即為最佳入纖功率。圖中的載波抑制歸零碼在1dBm和7dBm處起伏比較大,這是因為在此處進行誤碼測量時所設定的延時和判決門限兩參量精度不夠。又由于誤碼測量時間為100s,因此載波抑制歸零碼功率代價存在一定的起伏。從圖中可知,非歸零碼最佳入纖功率為2.5dBm,歸零碼為6dBm,而載波抑制歸零碼為9dBm。這是由載波抑制歸零碼的特性所決定的。對載波抑制歸零碼的輸出光場進行傅里葉變換可得Eout(ω)=2πΣn=0∞J2n+1(π2){E[ωc?(2n+1)ω0]+E[ωc+(2n+1)ω0]},Eout(ω)=2πΣn=0∞J2n+1(π2){E[ωc-(2n+1)ω0]+E[ωc+(2n+1)ω0]},式中ωc為載波頻率,J2n+1為2n+1階貝塞爾函數,大括號一項為對■in進行傅里葉變換后的表達式。輸出光譜在載波處無線狀譜,信號光譜中攜帶信息的一級線狀譜得到加強;且載波抑制歸零碼光譜比歸零碼的緊湊,因此它對色散容忍度更大,更容易找到最佳色散補償;它作為一種歸零碼,性能又優(yōu)于非歸零碼;因相鄰脈沖有π的相位變化,則平均光場為0(沒有直流分量);所以載波抑制歸零碼比歸零碼和非歸零碼有更優(yōu)的非線性容忍度。此實驗中采用的是單信道精確色散補償的方式,當為波分復用或改變色散的條件下,由載波抑制歸零碼特性和相關傳輸實驗可知,它的傳輸特性仍優(yōu)于非歸零碼和歸零碼。5歸零碼性能分析通過對非歸零碼、歸零碼和載波抑制歸零碼進行理論分析及它們在40Gb/s傳輸實驗中所得結果進行分析,得到如下結論:1)載波抑制歸零碼和歸零碼作為歸