（信号与信息处理专业论文）dpsk光纤通信系统的分析和模拟实现.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 随着大容量、长距离密集波分复用( d w d m ) 系统研究的不断深入，各种限制光纤 通信系统传输性能因素的影响日益突出，因此采用各种先进技术提高光纤通信系统的 传输性能变得非常重要，而其中的一项关键技术就是新型光调制码型。本文首先建立 了d p s k 光发射机模型，通过数值模拟表明了借助级联m z 调制器产生各种新型光调 制码型的可行性，并详细分析了各种光调制码型的传输特性；然后建立了d p s k 光纤 传输模型，重点考虑了光放大器的自发辐射( a s e ) 噪声和自相位调s t j ( s p m ) 相互作用而 产生的g o r d o n m o l l e n a u e r ( g m 、i 非线性效应的影响；最后建立了d p s k 平衡检测光接 收机模型，给出了d p s k 光纤通信系统的传输性能。论文成果能够对大容量长距离 d p s k 光纤通信系统的设计提供初步工具。 关键词：光纤通信，调制码型，d p s k ，g m 效应，平衡接收机 a b s t r a c t w i t ht h er e s e a r c ha d v a n c eo fh i g h - c a p a c i t ya n dl o n g - h a u l ( h c - l h ) d e n s ew a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( d w d m ) s y s t e m ，v a d o u si n f l u e n c i n gf a c t o r sr e s t r i c t i n gt h et r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c e so fo p t i c a l - f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( o f c s ) a l eb e c o m i n gm o r eo b v i o u s t h e r e f o r e ，i ts h o w st ob ee x t r e m e l yi m p o r t a n tt oa d o p tv a r i o u sa d v a n c e dt e c h n i q u e st oi m p r o v e i t st r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e a d v a n c e do p t i c a lm o d u l a t i o nf o r m a t ( o m f ) i so n eo ft h ek e y t e c h n i q u e s i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o rs e t su pad s p ko p t i c a lt r a n s m i t t e rm o d e la tf i r s t ，a n dp r o v e s t h ef e a s i b i l i t yo fg e n e r a t i n ga d v a n c e do m f sw i t hc a s c a d e dm zm o d u l a t o r sw i t hn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d ，a n dt h e na n a l y z e st h et r a n s m i s s i o np r o p e r t i e so fv a r i o u so m f si nd e t a i l ； s e c o n d l y , ad s p ko p t i c a l - f i b e rt r a n s m i s s i o nm o d e li sb u i l t ，w i t ht h em a i nf o c u so nt h ee f f e c t so f g o r d o n m o l l e n a u e r ( g - m ) n o n l i n e a re f f e c t sg e n e r a t e db yt h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e na m p l i f i e d s p o n t a n e o u se m i s s i o n ( a s e ) a n ds e l f - p h a s em o d u l a t i o n ( s p m ) f i n a l l y , am o d e lo fd s p ko p t i c a l r e c e i v e r sw i t hb a l a n c e dd e t e c t i o ni sb u i l t ，a n dt h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo fd p s k - o f c si s g i v e n t h er e s e a r c hr e s u l t sc a np r o v i d eab a s i ct o o lf o rt h ed e s i g no fh c l hd p s k - o f c s x i o n gx i a n g j u n ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f m ay o n g h o n g k e yw o r d s ：o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n ，m o d u l a t i o nf o r m a t ，d i f f e r e n t i a l p h a s e - s h i f tk e y i n g ( d p s k ) ，g o r d o n - m o l l e n a u e re f f e c t ，b a l a n c e dr e c e i v e r 华北电力大学硕士学位论文 摘要 随着大容量、长距离密集波分复用( d w d m ) 系统研究的不断深入，各种限制光纤 通信系统传输性能因素的影响日益突出，因此采用各种先进技术提高光纤通信系统的 传输性能变得非常重要，而其中的一项关键技术就是新型光调制码型。本文首先建立 了d p s k 光发射机模型，通过数值模拟表明了借助级联m z 调制器产生各种新型光调 制码型的可行性，并详细分析了各种光调制码型的传输特性；然后建立了d p s k 光纤 传输模型，重点考虑了光放大器的自发辐射( a s e ) 噪声和自相位调s t ( s p m ) 相互作用而 产生的g o r d o n m o l l e n a u e r ( g m ) 非线性效应的影响；最后建立了d p s k 平衡检测光接 收机模型，给出了d p s k 光纤通信系统的传输性能。论文成果能够对大容量长距离 d p s k 光纤通信系统的设计提供初步工具。 关键词：光纤通信，调制码型，d p s k ，g m 效应，平衡接收机 a b s t r a c t w i t ht h er e s e a r c ha d v a n c eo fh i 曲- c a p a c i t ya n dl o n g - h a u l ( h c - l h ) d e n s ew a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( d w d m ) s y s t e m ，v a d o u si n f l u e n c i n gf a c t o r sr e s t r i c t i n gt h et r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c e so fo p t i c a l - f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( o f c s ) a l eb e c o m i n gm o r eo b v i o u s t h e r e f o r e ，i ts h o w st ob ee x t r e m e l yi m p o r t a n tt oa d o p tv a r i o u sa d v a n c e dt e c h n i q u e st oi m p r o v e i t st r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e a d v a n c e do p t i c a lm o d u l a t i o nf o r m a t ( o m f ) i so n eo ft h ek e y t e c h n i q u e s i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o rs e t su pad s p ko p t i c a lt r a n s m i t t e rm o d e la tf i r s t ，a n dp r o v e s t h ef e a s i b i l i t yo fg e n e r a t i n ga d v a n c e do m f sw i t hc a s c a d e dm zm o d u l a t o r sw i t hn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d ，a n dt h e na n a l y z e st h et r a n s m i s s i o np r o p e r t i e so fv a r i o u so m f si nd e t a i l ； s e c o n d l y , ad s p ko p t i c a l - f i b e rt r a n s m i s s i o nm o d e li sb u i l t ，w i t ht h em a i nf o c u so nt h ee f f e c t so f g o r d o n m o l l e n a u e r ( g - m ) n o n l i n e a re f f e c t sg e n e r a t e db yt h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e na m p l i f i e d s p o n t a n e o u se m i s s i o n ( a s e ) a n ds e l f - p h a s em o d u l a t i o n ( s p m ) f i n a l l y , am o d e lo fd s p ko p t i c a l r e c e i v e r sw i t hb a l a n c e dd e t e c t i o ni sb u i l t ，a n dt h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo fd p s k - o f c si s g i v e n t h er e s e a r c hr e s u l t sc a np r o v i d eab a s i ct o o lf o rt h ed e s i g no fh c l hd p s k - o f c s x i o n gx i a n g j u n ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f m ay o n g h o n g k e yw o r d s ：o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n ，m o d u l a t i o nf o r m a t ，d i f f e r e n t i a l p h a s e - s h i f tk e y i n g ( d p s k ) ，g o r d o n - m o l l e n a u e re f f e c t ，b a l a n c e dr e c e i v e r p 士：i明明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文d p s k 光通信系统的分析和模拟实 现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 丝塑鱼 e t 期： 鲨主：圭：i 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：丝盛生 日期：! 壁：至：l 导师签名：鱼丞红 日期：塑塑多：圣 2 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章引言 随着人类社会信号化时代的到来，对通信的需求呈现加速增长的趋势。由于光 纤通信具有传输损耗小、容量大、尺寸小、重量轻、抗电磁干扰性能好等优点得以 迅速的发展。对于光纤通信来说，在过去的二三十年中，光纤通信系统的容量已经 增长了几十万倍，但是这还远未达到理论上光纤所能承载容量的极限，仅以普通石 英单模光纤为例，其本身在1 5 5 a n 波段就提供了一1 0 t h z 的带宽，考虑到新型光纤 的采用，实际可用带宽还会大大增加。因此，从技术的自然发展趋势看，人们还会 不断研究并采用新的光纤通信技术，充分挖掘光纤的带宽潜力，从而实现超大容量 的光纤通信系统。 从1 9 9 6 年商用的波分复用( w d m ) 系统出现到现在十年间，光放大的w d m 系 统经历了飞速的发展。单信道速率己由2 5 g b i t s 提高到4 0 g b i t s 1 1 1 ，甚至8 0 g b i t s 引、 1 6 0 g b i t s 1 3 1 ，而复用的信道数( 或波长数) 也由4 路增加到3 5 6 路，信道间隔由3 0 0 g h z 缩窄到2 2 2 g h z t 4 1 ，并且传输距离也由几十公里延长到上万公里。 在这种情况下，影响密集波分复用( d w d m ) 系统传输性能的因素也r 益增多。 一方面，系统中的光电器件不可能完全理想，容易受周围环境的影响并随时间而老 化。另一方面，更重要的限制因素是传输光纤本身的特性，其中包括光纤的损耗、 非线性、色散以及偏振效应等【5 j 。光纤的非线性效应主要包括克尔效应和受激散射， 前者包括自相位调制( s p m ) 、交叉相位调制( x p m ) 、四波混频( f w m ) 等，后者包括 受激拉曼散射( s r s ) 和受激布里渊散射( s b s ) 。这些效应使光信号经过光纤传输后发 生畸变，限制了系统的传输容量和传输距离。为了冲破这些不利因素的限制，一些 关键技术不断涌现，其中包括新型光调制码型、低噪声的宽带光纤拉曼放大器、色 散管理技术、前向纠错编码( f e c ) 技术以及新型光纤的使用等【6 j 。 ( 1 ) 拉曼放大技术 放大器作为光纤通信系统中的重要一环，在很大程度上影响信号的质量、无中 继传输距离和带宽等。因此，选择适合系统传输的放大器有着重要的意义。随着通 信波段和系统容量的快速增长，对传输速率和带宽的要求越来越高，传统掺铒光纤 放大器( e d f a ) 有限的带宽，有限的增益平坦度、放大的a s e 噪声的累积以及有限 的饱和输出功率己不能满足超大容量d w d m 系统的需要，而放大范围更宽、噪声 系数更低的光纤拉曼( r a m a n ) 放大器( f r a ) 逐渐成为研究的热点。 r a m a n 放大充分利用了光纤中的非线性效应一受激拉曼散射。当受激的光波长 华北电力大学硕士学位论文 和功率选择合适时，就会对光纤中传输的光信号产生放大。因此，f r a 是利用光纤 固有特性来对信号进行放大的，放大的媒介就是光纤本身，因而不会额外增加光纤 的损耗。并且与e d e a 相比，f r a 具有低噪声，设计简单、增益谱区灵活及增益带 宽较宽的优点。但在实际设计中，不能不考虑r a m a n 放大时，由于反向双瑞利散射 产生的多径干涉，以及大功率泵浦间的相互作用。 ( 2 ) 色散补偿技术 色散使得脉冲展宽，会引起信号畸变，严重影响系统传输性能，因此色散补偿 对长距离高速光纤传输系统是必不可少的。它的核心思想是采用色散系数符号相反 的光纤或装置来补偿传输光纤的色散。目前有两种主要的补偿方式，即传统的色散 补偿光纤法和新型的啁啾光纤光栅法。 ( 3 ) 前向纠错编码( f e c ) 技术 纠错编码是超长距离传输中增加系统余量的一项有效的关键技术，它通过在信 号中加入少量的冗余信息来发现并剔除传输过程中由噪声引起的误码，以较低的成 本和较小的带宽损失换取高质量的传输。前向纠错技术是目前高速光通信系统中运 用最多的纠错编码方式。它是指信号在被传输之前预先对其进行一定的格式处理， 在接收端则按规定的算法进行解码以达到找出错码并纠错的目的。 ( 4 ) 新型光调制码型 高速d w d m 传输系统中调制码型的选择与整个系统的总体设计有关，其中包 括光纤种类、传输系统间距、距离、信道数目和信道间隔等多方面的考虑。在传输 物理效应方面，不仅仅要考虑色散和带间非线性效应，而且还要考虑偏振模色散 ( p m d ) 和带内非线性效应的影响。 本文就是研究基于新型光调制码型的光纤通信系统，而差分移相键控( d p s k ) 调制码型由于其受到的非线性效应影响小以及低的误码率成为主要的研究对象。 1 2 国内外研究现状 d p s k 调制码型在上世纪九十年代开始引起人们的广泛关注【7 1 ，并由于其较高 的接收灵敏度被应用在早期相干光通信的实验系统中。但是，在实际的应用中， d p s k 需要发送端和接收端频率的精确校准，这在九十年代早期的低速光通信系统 中是很难实现的。随着e d f a 的不断进步，尤其是当人们意识到非线性相位抖动严 重限制了单信道d p s k 系统的无中继传输距离和d p s k 信号的传输性能并不优于幅 度键控( a s k ) 信号1 8 l ，对d p s k 的关注开始逐渐减少。从此，a s k 尤其是o o k 调制 码型成为了研究的重点。所以从九十年代中期到2 0 0 1 年，无论是关于d p s k 的仿 真还是实验报道都很少。 2 华北电力大学硕士学位论文 与此同时，光纤通信系统的容量迅速增长。w d m 技术给大容量光通信系统的 发展指明了新的方向，同时单信道传输速率也在不断提高。例如，商用的系统从9 0 年代中期的2 5 g b i t s 增加到今天的4 0 g b i t s ，信道数增加到一1 0 0 ，使一根光纤传输 几t b i t 的信息，频谱效率也增加到0 4 b i t s h z 甚至更高。另外，无中继传输距离也 在不断增加以实现全光传输从而降低信息传送成本。 随着单信道传输速率、系统频谱效率和传输距离的不断增加，d p s k 调制码型 的传输性能和应用又一次引起了人们的关注。与早期的系统不同，速率的增加放宽 了对发射激光器和解调器频率稳定性的要求，这使d p s k 调制码型被应用于4 0 g b i t s 乃至更高传输速率的系统中【9 j 。另外，随着频谱效率和传输距离的增加，由非线性 效应引起的信号失真逐渐明显。尽管随入纤功率的提高，接收信号的o s n r 线性提 高，但是同时非线性效应也相应地加大。文献【9 】中详细分析了d p s k 调制码型的抗 非线性性能，表明尤其对于频谱效率为0 4 b i t s h z 或者更高的传输系统传输性能更 优。关于d p s k 调制码型在高频谱效率传输系统中性能优于o o k 的演示是在2 0 0 2 年3 月，实验中2 5 6 t b i t s ( 6 4 x 4 0 g b i t s ) 信号传输了4 0 0 0 k m ，是传统o o k 系统传输 距离的两倍【1 0 】。随后便有很多关于d p s k 调制码型的实验和理论研究，表明d p s k 调制码型表现出远优于o o k 调制码型的传输性能。 然而，目前国内对光信号调制码型的研究主要还是强度调制，对d p s k 码型的 研究还处于起步阶段，报道的很少。 1 3 本文的主要研究内容 对d p s k 光纤通信系统的研究，尽管国外在理论和实验上做了大量的工作，但 国内尚处于起步阶段。为此，本文针对d p s k 光纤通信系统，首先建立d p s k 系统 各个单元模块的理论模型，然后通过m a t l a b 软件平台进行模拟，并对各单元模块 进行简要的分析。所做的工作包括： ( 1 ) 建立d p s k 光发射机模型，通过数值模拟验证借助级联m z 调制器产生各种 新型光调制码型的可行性。结果表明了借助此结构可以有效产生n r z ，r z ， c s r z ，n r z d p s k ，c s r z d p s k ，r z d p s k 各种新型光调制码型。 ( 2 ) 建立d p s k 光纤传输模型，重点考虑了光放大器的自发辐射( a s e ) 噪声和 自相位调制( s p m ) 相互作用而产生的g o r d o n m o l l e n a u e r ( g m ) 非线性效 应的影响。 ( 3 ) 建立d p s k 平衡检测光接收机模型，分析d p s k 光纤通信系统的传输性能。 论文成果对大容量长距离d p s k 光纤通信系统的设计提供了初步工具。 3 华北电力大学硕士学位论文 第二章d p s k 光调制码型的产生 2 1 光调制的基本概念 2 1 1 光调制的原理 在光纤通信系统中，光载波可以表示为： e ) = 互a c o s ( 2 - q o t + 妒)( 2 1 ) 其中e o ) 是电场矢量，吾为极化方向上的单位矢量，a 是振幅，兀是载波频率， 妒是相位。 光调制过程本质上就是对舌，f o ，妒中的一种或者多种参量进行调制。在光纤 通信系统中，目前研究最多的调制方式为：强度调制和相位调制。 在所有的调制码型中，非归零开关键控调制码型( n o nr e t u r nt oz e r o ，简称n r z ) 是其中最简单的一种方式。由于它的调制和解调设备都很简单，具有传输性能和频 谱效率较高等优点，所以在光通信系统中被广泛采用。但是在高速大容量w d m 系 统中，n r z 调制码型不能有效地抵抗色散、非线性和噪声影响，有其固有的缺陷， 需要较大的载波间隔等。因此各种新型光调制码型应运而生，这些新的光调制码型 能够有效地减小信道间隔，增加频谱利用率，增强光信号在传输过程中抵抗各类干 扰的能力，使整个光通信系统的传输距离和容量得到有效地提高。 2 1 2 基于强度调制的新型调制码型 此类光调制码型是通过调制器，将传输的信息调制在光信号的幅度a 上，在接 收端通过检测幅度a 的变化解调出所传输的信息。n r z 即属于这一类型，但由于 n r z 本身固有的缺陷，使其不适合超长w d m 传输系统。因此研究人员通过改变 n r z 的调制波形、功率谱、啁啾或相位等方式，来提高调制信号的性能，使其适合 于超长w d m 传输。 目前提出的基于强度调制的新型光调制码型主要有：归零调制码型( r e t u r nt o z e r om o d u l a t i o n ，简称r z ) 和载波抑制归零调制码型( c a r r i e rs u p p r e s s e dr z m o d u l a t i o n ，简称c s r z ) 。 4 华北电力大学硕士学位论文 2 1 3 基于相位调制的新型调制码型 此类调制码型是通过调制器将所需要传输的信息调制在光信号的相位妒上，目 前主要研究的是d p s k 调制码型。d p s k 码有两层含义：d p s k 是先对要传输的信号 进行差分编码，然后再进行相位调制即，l 码光载波相位不变，o 码光载波的相位变 化。 与传统的强度调制相比，d p s k 最显著的优点是在达到相同的误码率时，对光 信噪比的要求降低了3 d b 。d p s k 另一个显著的特点是光功率均匀分布在d p s k 信 号的每个比特中，这样就使得码间串扰所导致的信号失真大大降低。 在基于d p s k 的调制码型中，目前使用最多的是r z d p s k 和c s r z d p s k 两种 格式。 2 2 调制器的选择 光纤通信系统中基于半导体激光器实现信号加载的方式有两种：内调制和外调 制。内调制方式通过直接调制半导体激光器的驱动电流而实现信号的加载。但在内 调制过程中，由于半导体激光器注入电流的变化会导致其激活区载流子浓度的变 化，进而导致输出光脉冲频率的变化，即产生频率“啁啾”现象。啁啾光脉冲在光纤 中传输时，光纤的色散必然导致光脉冲的展宽，因而最终导致系统传输性能的恶化。 而外调制方式由于将信号的加载过程和激光的产生过程相分离，可以有效地降低频 率啁啾的产生，进而可以较大程度地提升系统的传输性能。 光纤通信系统中常用的外调制器件有基于电吸收效应的半导体调制器和基于 一级电光( 普克尔) 效应的m z 调制器。电吸收调制器尽管具有体积较小、集成度 高、驱动电压低等优点，但调制过程中产生的较大频率啁啾限制了其在大容量长距 离光纤通信系统中的应用。基于电光效应的m z 调制器在理想条件下可以做到零啁 啾，因而传输性能较好。m z 调制器采用的电光晶体通常有l n 、i i i v 族化合物半 导体和有机聚合物三种，其中l n 晶体由于工作性能稳定、调制速率高、线性度好 和工艺成熟而在大容量长距离光纤传输系统中获得了广泛应用。 本文利用数值模拟方法对l n m z 光调制器进行仿真分析并产生各种新型光调制码 型。 2 3l n - m z 的工作原理 l n m z 光调制器的基本结构如图2 - 1 所示。它由两个l n 相位调制器、两个y 分支波导和相应的驱动电极组成。两个相位调制器借助l n 晶体的电光效应实现光 5 华北电力大学硕士学位论文 的相位调制，两个y 分支波导完成分合光功能，驱动电极提供实现电光效应所需的 驱动电压。其总体性能取决于l n 晶体的电光效应和m z 调制器双臂导波光的干涉 效应。若两臂光的光程差是波长的整数倍，则相干加强：若两臂光的光程差是波长 的半整数倍，则相干抵消m 1 。 光波导 2 3 1l n 晶体的电光效应 图2 - 1l n m z 光调制器的结构 l n 晶体的寻常光折射率n 。一2 2 8 6 非寻常光折射率，l 譬。2 2 0 0 ，是典型的负单轴 晶体，它具有良好的热电、压电、弹光和电光效应，光调制利用的是其一阶电光效 应。在它 6 x 3维电光系数矩阵中，不为零的电光系数有 】，2 2 ；一y 。：一一) ，) ，。：= y ，) ，4 2 = ) ，其中系数) ，”一3 0 8 为最大值。为产生较大的电光 相位调制，则需要沿其光轴z 方向加上调制电场e ：。在此条件下，其折射率椭球未 发生旋转，其主轴仍沿原来的x 、y 和z 轴方向，而x 和y 轴方向寻常光的折射率 变为咒。+ a n 。，z 轴方向非寻常光的折射率变为，l g + a n 譬，这里 a n 。；一i 1 ，z 。3 ) ，1 3 e z ，a n 量：一i 1 甩9 3 ，3 3 e z 。( 2 - 2 ) 实际应用中的l n 晶体是沿着相对光轴的某些特殊方向切割而成的，而外电场 也是沿着某些特殊方向加到晶体上的。根据电场和通光方向的关系，可以分为两种 应用方式：电场与通光方向一致的称为纵向电光效应，而电场与通光方向垂直的称 为横向电光效应。分析表明，横向电光效应有相对较小的半波电压，而且当入射光 沿z 方向偏振时，可以克服由温度变化导致的调制器工作点的漂移。此时，由外加 电场引起的光相位变化可表示为： 6 华- 1 9 电力大学坝士学位论文 一一 妒( t ) - - 扣3 弱孚三( 2 - 3 ) 这里a 为光波波长，d 、l 为l n 晶体的厚度和长度，v 为外加电压( y 易) 。 将光相位变化鄞对应的驱动电压定义为调制器半波电压匕5 丧兰，则有 妒( f ) 一一i y v ( t ) 1 2 1 。 2 3 2i _ n m z 光调制器的工作原理 设在第一个y 分支处入射光波表达式为： 乜( f ) = e oe x p ( # o 。t ) ( 2 - 4 ) 这里吐为光载波角频率，则经过第一个y 分支波导后，各分支光波可表示为： 置o ) = 疋o ) = 而p - oe x p ( j t o 。t ) ( 2 5 ) m z 调制器双臂在外加电压v 的作用下，由电光效应产生的相位变化分别为： 诽) - _ 乏舰蜘一v 2 ( t ) ( 2 - 6 ) 经过第二个y 分支汇合后，总的光波可表示为： k o ) = 瓯o ) c o s ( 华) e x p ( j 华( 2 - 7 ) 对应的输出光强可表示为1 1 3 j ： ，o ) ；爵c o s 2 ( 鲤掣) ( 2 - 8 ) 在适当的驱动电压下，可实现零啁啾的线性光调制。将光调制器的半波电压 代入，则l n m z 光调制器的输出光场又可表示为： 啪m 帅 帮m 叫唧 一- ，麦e v l o + v 2 c o ) p 9 ， 2 4 新型光调制码型的产生 l n m z 调制器的驱动方式有单臂和双臂两种，而双臂驱动可获得良好的频谱 7 华北电力大学硕士学位论文 特性。设在两调制臂之i 司施加的崮定偏置电压为，即取屹o ) 一一k o ) + ，同时 设圪o ) 一2 k ( f ) ，则由上面的公式可得： 妒驯叫象哪，吨】卜一歹争 ( 2 - 埘 在不同的驱动条件下，即可获得不同形式的调制信号。 ( 1 ) 当= 等，圪o ) = 口o ) ，口( f ) 一1 ( 口o ) 代表伪随机n r z 码中的1 码和。码) 时，输出调制信号为： k ；e t q ) c o s 臂【口o ) _ 1 ) e x p ( 一_ 争 ( 2 - 1 1 ) 此时输出脉冲对应常规的n r z 数据信号。当圪。冬s i n ( w ) 时，此驱动信号也 能产生全比特率工作的r z 时钟信号( 光脉冲频率与电驱动信号频率相同) ，但 由于其电驱动信号频率较高，不常用。 ( 2 ) 当= 圪，虼o ) = 圪口o ) ，口o ) ；- , - 1 ( 口( f ) 代表预先差分编码的伪随机n r z 码 中的1 码和0 码) 时，输出调制信号为： 啪) _ - 戍印) 】 ( 2 - 1 2 ) 此时输出脉冲对应d p s k 数据信号。 ( 3 ) 当= o ，吃o ) - - v s i n ( t o o t ) 时，输出调制信号为： u 沪驯叫啪 ( 2 - 1 3 ) 此时输出脉冲对应占空比为3 3 、半比特率工作的r z 时钟信号( 光脉冲频率 为电驱动信号频率的2 倍) 。 ( 4 ) 当= k ，圪o ) = 屹s i n ( 6 0 0 t ) 时，输出调制信号为： 啪) - _ 戍岫争( ( 2 - 1 4 ) i 比时输出脉冲对应占卒比为6 6 、半比特率工作的c s r z 时钟信号( 光脉冲 8 华北电力大学硕士学位论文 频率为电驱动信号频率的2 倍) 。 对常规的n r z 调制码型，采用一个l n m z 光调制器，并设置在方式( 1 ) 的电 驱动条件下，即可产生。而对r z 、c s r z 、r z d p s k 和c s r z d p s k 调制信号， 通常采用级联的l n m z 光调制器来产生。对r z 和c s r z 两个调制器分别工作在 ( 1 ) ( 3 ) 、( 1 ) ( 4 ) 的组合形式，如图2 2 所示。对于r z d p s k 和c s r z d p s k 码， 两个调制器分别工作在( 2 ) ( 3 ) 和( 2 ) ( 4 ) 组合方式，如图2 3 所示，其组合顺 序可以改变【1 4 1 。 图2 2r z 和c s r z 码的产生结构图 图2 3r z d p s k 和c s r z d p s k 的产生结构图 2 5 新型调制码型的特性与比较 利用上述的理论公式，图2 4 给出了5 种调制码型( 1 0 g b p s 信道速率) 频谱特 性的模拟结果。由图2 4 可以看出，n r z 、r z 、c s r z 三种调制码型的频谱不仅包 含连续谱分量，而且还含有离散的谐波或直流分量，所以这些调制码型的解调通常 9 华北电力大学硕士学位论文 可以采用简单的直接强度检测方式。r z - d p s k 、c s r z - d p s k 的频谱结构分别与r z 、 c s r z 相似，但不包含离散频谱分量，其解调需要借助差分时延平衡检测装置。研究表 明使用平衡检测方式可提供3 d b 的接收灵敏度的改善，因而系统可采用相对较小的 发射功率。同时，由于平衡检测接收机的判决电平为零，接收机可以始终保持在最 佳的工作状态。 2 5 1n r z 调制码型的特性 由图2 - 4 ( a ) 可以看出，n r z 调制码型具有非常紧凑的频谱结构。尽管其具有调 制结构简单的特点，但考虑到n r z 码较高的平均发射功率，其较强的非线性失真必 然限制它只能应用于短距离的光传输系统中。 2 5 2r z 调制码型的特性 r z 与n r z 码相比，其频谱展宽，这是由于信号时域的压缩导致了频谱的展宽 ( 一级旁瓣间距为比特速率的2 倍) ，因此r z 码比n r z 码更容易受到光纤色散和 色散斜率的影响。但是r z 调制码型由于其占空比的降低，使它具有相对较小的平 均发射功率，因而降低了对o s n r 的要求、提高了对非线性的容忍度。 与n r z 码相比，r z 码传输时有以下特点【1 5 】： ( 1 ) r z 码降低了对系统o s n r 的要求 在相同比特速率的传输系统中，当入纤的平均功率一定时，r z 码要比n r z 码 的峰值功率大，考虑到系统散粒噪声也随峰值的功率的增加而增加，r z 码的传输 系统接收机灵敏度约有2 5 d b 的改善，因此可以降低对o s n r 的要求或者增加传输 距离。在大容量长距离光传输系统中，o s n r 的要求非常高，除了考虑采用拉曼放 大器外，还可以考虑采用r z 码来到达这一要求。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 图2 4 新型调制码型的频谱图 ( 2 ) r z 码有较好的非线性容忍度 系统的非线性效应可以分为两种类型，第一种类型的非线性效应源于受激散 射，这种非线性效应只和系统的平均功率有关，当人纤的平均功率一定的时候，这 种类型非线性效应对r z 码和n r z 码的影响是一致的。第二种类型的非线性效应源 于光纤折射率的扰动，包括了s p m 、x p m 和f w m 效应。如果光纤工作在反常色散 区，则s p m 效应能够减缓由于色散引起的脉冲展宽速度。r z 码由于占空比降低导 1 1 华北电力大学硕士学位论文 致平均发射功率的减小，因而具有较好的光纤非线性容忍度。r z 码调制带宽较宽， 相比n r z 码其脉冲展宽更快，使得r z 码的脉冲在传输过程中峰值功率下降较快， 减少了s p m 的影响；同时由于r z 码信道间相互作用时间短，也减小了交叉相应调 制( x p m ) 的影响。 ( 3 ) 在抑制系统的p m d 方面，r z 码的性能优于n r z 码 因为r z 码将脉冲能量集中在了码元中心更窄的区域内，所以需要比作用在 n r z 码传输系统更大的差分群时延( d g d ) 才能使得能量溢出从而产生码间干扰。另 一方面，由于r z 码频谱的展宽，加剧了高阶p m d 效应对系统的影响，因此应该存 在一个占空比，使得r z 码在抑制p m d 方面有最优的性能。研究表明，在实际应用 系统的平均d g d 变化范围内，优化的占空比非常小，例如，当平均d g d 为5 p s 时， 最佳输人脉冲的宽度小于l p s ，因此可以近似地认为在p m d 受限系统中选择尽可能 小的占空比可以实现最优的传输性能。 2 5 3c s r z 调制码型的特性 c s r z 调制码型由于使得相邻脉冲的相位反相，因而有效地抑制了载波。由图 2 4 ( c ) 可以看出，其一级旁瓣间距仅为r z 码的一半，且与n r z 码单边带带宽相同。 由于它很好地继承了n r z 和r z 码的优良特性，因而它是大容量长距离传输系统中 调制码型的较好选择i l 6 。 ( 1 ) c s r z 码保持了r z 码特有的较好的o s n r 性能和较高s p m 容限； ( 2 ) 与r z 码相比，c s r z 码的带宽有较大幅度的压缩，因此系统的色散容限也 有较大的提高； ( 3 ) 带宽的压缩同时使得c s r z 在抑制高阶p m d 效应方面优于r z 码； ( 4 ) 由于信号相邻脉冲的相位相反，实现了调制信号载波的抑制并减小边带频谱 间隔；二主峰频谱间隔仅为调制速率大小，与n r z 码的单边带带宽一样，既保持了 r z 码较好的传输性能，又具有更高的频谱效率； ( 5 ) 由于c s r z 码相邻脉冲的相位交替，因此可以有效地抑制w d m 系统中相邻信 道问串扰。 总的来说，c s r z 码在保持了r z 码的传输优势的基础上，改善了由于r z 码频 谱较宽引起的色散管理难度增大和较大的高阶p m d 损伤的劣势，并且可以有效地 抑制w d m 系统相邻信道的串扰。另外，c s r z 的产生和接收与r z 码相似，在不 增加设备复杂度和成本的基础上能够获得更加优良的传输性能。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 2 5 4r z - d p s k 调制码型的特性 和r z 码相比，r z d p s k 码传输时有以下特点【1 7 】： ( 1 ) 对非线性效应的抑制能力增强 当平均功率一定时，和r z 码信号相比，r z d p s k 码的峰值功率与r z 码相比 有3 d b 的改善，因此比起r z 传输系统，r z d p s k 传输系统对于与系统峰值功率相 关的非线性效应即s p m 、x p m 和f w m 的抑制能力增强了。 ( 2 ) 进一步降低了对系统o s n r 的要求 由于接收端采用平衡检测，r z d p s k 提供了更高的接收机灵敏度。为了达到相 同的误码率性能，d p s k 信号所需的o s n r 比r z 要小3d b ，这使d p s k 信号可以 传输更远的距离并减少对光功率的要求。由于接收机判决阈值电平为零，与接收机 输入信号功率无关，所以d p s k 信号的平衡检测对光信号的功率变化提供了更高的 容忍性，可以使接收机保持在最佳判决的工作状态。 ( 3 ) 非线性相位噪声增加了系统的损耗 在d p s k 系统中，噪声引起的功率起伏通过s p m 作用使得信号产生相位波动， 被称为非线性相位噪声。在非线性作用很强的d p s k 系统中，需要考虑由于非线性 相位噪声引起的系统损耗。 2 5 4c s r z d p s k 调制码型的特性 c s r z d p s k 是2 0 0 2 年前后由日本n t t 公司提出的一种新的码型，是到现在 为止的高速大容量实验系统中，能够实现最大的容量距离乘积( 约2 0 p b i t k m s ) 和最 大频谱利用率( 0 8 b i t s h z ) 的一种码型1 1 8 1 。 ( 1 ) c s r z d p s k 码继承了r z d p s k 码在o s n r 容限方面和抑制系统非线性效 应方面的优势。 ( 2 ) 与r z d p s k 相比，占空比为o 6 6 的c s r z d p s k 码的频谱变窄了，因此色 散容限增大了，对系统高阶p m d 效应的抑制能力也增强了。 ( 3 ) 相比r z - d p s k 码而言，c s r z d p s k 码有更高的谱效率和更好的光纤非线 性冗余度。 ( 4 ) 在w d m 系统中，c s r z d p s k 码在传输中的信道问串扰要小于r z d p s k 码的 信道串扰。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 2 6 本章小结 本章建立了d p s k 光发射机模型，通过数值模拟表明了借助级联m z 调制器这 一共同结构产生各种新型光调制码型( 包括n r z ，r z ，c s r z ，n r z d p s k ， c s r z d p s k ，r z d p s k 等码型) 的可行性，并详细分析比较了各种光调制码型的 传输特