（通信与信息系统专业论文）40gbs新型码调制传输特性与仿真研究.pdf

摘要 摘要 随着经济的持续发展，社会对信息的需求量呈现急剧增长，不断提高系统 通信容量和网络带宽，才能满足信息传送量增长的需要。4 0 g b s 系统以更高的 传输速率，更低的成本，更强的网络灵活性，是满足信息传输量增长需求的理 想选择。但高速率也将带来色散、非线性效应影响严重，光信噪比低，存在串 扰等问题，需要采用新的技术来克服这些障碍，采用新型码光调制技术是目前 研究的热点。 在n r z 、r z 、c s r z 和c r z 等光调制格式及其特点分析的基础上，采用误 码率判决的方法，通过误码率比较了n r z 、r z 和c s r z 三种码型的传输特性， 得出单信道传输中码型与传输特性之间的关系，并建立了新型码传输特性综合 评价系统。通过求解耦合非线性薛定谔方程，分析了码型与信号能量、脉宽、 占空比和损耗等的关系，引入w v d 和分数阶f o u r i e r 变换两种时频分析方法， 从时域和频域分析了n r z 码和r z 码的传输特性，最后得出提高系统传输性能 的有效措施，并利用i d a t l a b 仿真软件对n r z 码和r z 码的时频特性进行了仿真。 研究结果表明，采用刁i 同码型调制是克服4 0 g b s 传输存在问题，提高传输性能 的重要技术；时频分析方法能从时域和频域有效地分析传输特性；r z 码的性能 优于n r z 码，更适合高速长距离的光传输。 关键词：高速光纤通信，调制格式，传输特性，时频分析 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ec o n t i n u a ld e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h er e q u i r e m e n to fi n f o r m a t i o ni s i n c r e a s i n gr a p i d l y t oi m p r o v ec o m m u n i c a t i o nc a p a c i t ya n dn e t w o r kb a n d w i d t ho f t h es y s t e mc a n s a t i s f yt h ei n c r e a s i n gi n f o r m a t i o nq u a n t i t y 4 0 g b ss y s t e m ，w h i c hh a sh i g h o rt r a n s m i s s i o nr a t e ， l o w e rc o s ta n db e t t e rf l e x i b i l i t y , i st h ei d e a lc h o i c et os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fi n c r e a s i n g i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nq u a n t i t y h o w e v e r , h i g hr a t ea l s ob r i n g sn e wq u e s t i o n s ，s u c ha s d i s p e r s i o n ，n o n - l i n e a re f f e c t s ，l o ws i g n a l - t o n o i s er a t i oa n ds oo n ，s on e wt e c h n o l o g i e sa r e a d o p t e dt oo v e r c o m et h e s eh a n d i c a p s n e w - t y p ec o d em o d u l a t i o ni st h eh o t s p o to f r e s e n ts t u d y o nt h eb a s i so fa n a l y z i n go p t i c a lm o d u l a t i o nf o r m a t si n c l u d i n gn r z ，r z ，c s r za n dc r z ， t h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fn r z ，r za n dc s r za r ec o m p a r e db yb i t e r r o rr a t e ，a n dt h e r e l a t i o nb e t w e e nf o r m a t sa n dt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c si ns i n g l e - c h a n n e lt r a n s m i s s i o ni sg a i n e d w i t ht h es t u d yr e s u l t s ，t h ei n t e g r a t i v ee v a l u a t i n gs y s t e mo ft r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i co fn e w m o d u l a t i o nf o r m a t si se s t a b l i s h e d t h er e l a t i o na m o n gm o d u l a t i o nf o r m a t s ，s i g n a le n e r g ya n d p u l s e w i d t hi ss t u d i e db ye q u a t i o n t w ot i m e f r e q u e n c y a n a l y s i sm e t h o d s ，w i g n e r - v i l l e d i s t r i b u t i o n ( w v d ) a n df r a c t i o n a l f o u r i e rt r a n s f o r m ( f r f da r ei n t r o d u c e dt o a n a l y z e t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fn r za n dr z i nt h ee n d ，e f f e c t i v em e a s u r e st oi m p r o v e t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo fs y s t e ma r eg a i n e d m a t l a bi su s e dt os i m u l a t et i m e - f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i co fn r za n dr z t h es t u d yr e s u l t ss h o wt h a ta d o p t i n gd i f f e r e n tc o d em o d u l a t i o n f o r m a t si st h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g yt oo v e r c o m eq u e s t i o n si n4 0 g b st r a n s m i s s i o na n di m p r o v e t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e ，t i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i sm e t h o d c a n a n a l y z e t r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i ce f f e c t i v e l yf r o mt i m er e g i o na n df r e q u e n c yr e g i o n r zh a st h eb e t t e rp e r f o r m a n c e t h a nn r z ，s oi ti sm o r es u i t a b l ef o rh i g h s p e e da n dl o n g h a u lo p t i c a lt r a n s m i s s i o n k e yw o r d s ：h i g h s p e e do p t i c a lt r a n s m i s s i o n ，m o d u l a t i o nf o r m a t ，t r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c ，t i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的e p 届, j 本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：意递萱 沙7 年多月f g 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 意述童 阳7 年弓月略日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 光纤通信传输与码型技术 随着经济的持续稳定增长，信息的交流越来越频繁，整个社会对信息的需 求量呈现空前爆炸式的增长。特别是近几年来，i p 业务在全球范围内突飞猛进 地发展，使通信容量急剧增长，必须采用新的通信技术，不断提高系统通信容 量和网络带宽，才能满足信息传送量增长的需要【l j 。提高单根光纤所能传送的信 息容量的方法主要有两个方面：一是从光域上进行复用，在一对光纤上传送多 个光信道，如采用d w d m 、o t d m 等光复用方式：二是从时域上提高单个光信 道的传输速度。1 0 g b s 是目前已经商用的最高单通道速率，下一步将升级到 4 0 g b s 。如果实现了单信道4 0 g b s 的传输，再结合d w d m 技术，可以大大提 高每对光纤的传输容量，满足未来全少5 q 0 年信息传送的需求。 近来，4 0 g b s 已逐步实现商品化，同时还在探讨吏大容量的系统，如 1 6 0 g b s ( 单信道) 系统已在实验室研制开发成功，正在考虑为其制定标准。此外， 利用波分复用等信道复用技术，还可以将系统容量进一步提高。从在o f c 2 0 0 1 会议上创下4 0 g b s 传输的最新系统容量的记录( n e c 实现2 7 3 4 0 g b s 的1 1 7 k m 和a l c a t e l 实现2 5 6 4 0 g b s 的1 0 0 k m 传输) 以后，由于受到全球通信行业不景 气的影响，相关4 0 g b s 技术研发公司并没有继续在系统整体传输容量上相互较 量，而是在如何降低传输成本与延长传输距离以便接近实用化的方向继续努力。 如在o f c 2 0 0 2 会议上，a g e r es y s t e m s 实现4 0 4 0 g b s 的1 0 0 0 k m 传输、丹麦的 l u c e n t 实现4 0 x 4 0 g b s 的5 0 0 k m 传输和l u c e n t 的贝尔实验室实现了6 0 4 0 g b s 的4 0 0 0 k m 传输等。同时，在e c o c 2 0 0 2 会议上，m i n t e r a 公司实现了4 0 x 4 0 g b s 的5 2 0 0 k m 的传输。而在o f c 2 0 0 3 会议上，a l c a t e l 和f u j i t s u 同时公布了采用常 规n r z 并存常规单模光纤( s m f ) 上传输的4 0 4 0 g b s 系统的长距离实验结果， 其距离分别达到2 5 4 0 k m 和1 6 0 0 k m 等1 2 1 。在o f c 2 0 0 4 会议上，m i n t e r a 公司实 现了采用c s r z 在标准单模光纤( s s m f ) 上传输的4 0 4 0 g b s 系统实验距离达到 1 7 0 0 k m 。存o f c 2 0 0 5 会议上，n e c 公布了采用c s r z d p s k 存色散管理光纤 ( d m f ) 上的3 2 4 0 g b s 系统的4 3 0 0 k m 传输。存o f c 2 0 0 6 会议上，贝尔实验室 宣布采用非零色散光纤以及n r z ，将l o 路采用电子复用器进行光调制的1 0 7 g b s 第1 章引言 数据流信号传送了4 0 0 k m 。在我国，随着经济的迅速发展，通信技术和通信市 场得到了飞速的发展，单通道速率为1 0 g b s ( s t m 一6 4 ) 的系统已经商用化， 3 2 0 g b s ( 3 2 1 0 g b s ) w d m 系统也已经开始大批量装备网络，而且单信道速率 正向4 0 g b s ，甚至更高速率发展。 4 0 g b s 系统比1 0 g b s 系统有诸多优势。从光纤通信的发展经历来看，每当 单信道传输速率提高4 倍，每比特的传输成本大约下降3 0 0 0 - - 4 0 。主要原因是 提高单信道的速率，能够有效地利用频带，频谱效率高。而与1 0 g b s 系统相比， 4 0 g b s 系统只用1 个通信嘲元就代替了4 个嘲元，这会大大降低通信网络操作、 管理及维护的成本、复杂性及设备的数量，并且增强网络的灵活性。同时，高 速系统的出现不仅增加了业务传输容量，而且也为各种各样的新业务，特别是 宽带业务和多媒体通信提供了实现的可能。更大的带宽可以让运营商更加灵活 有效地提供服务。但这些优点的代价是采用更为复杂的技术来克服高速率带来 的一系列问题。与1 0 g b s 传输系统相比，4 0 g b s 系统传输速率提高4 倍，未进 行预啁啾的光信号色度色散的容限降低1 6 倍，偏振模色散的容限也降低4 倍， 而光信噪比则要求提高6 d b 左右【3 l 。因此为保证4 0 g b s 系统的正常工作，在提 高o s n r 的同时，特别注意的是光纤的入纤功率不能过高，以避免引起光纤的 非线性效应；同时，对于光纤的色散斜率更为敏感，需要更为精细的斜率补偿。 针对这些问题，有关研究人员进行了大量的研究，提出了很多解决方案，主要 的有： ( 1 ) 色散补偿和偏振模色散补偿技术。对1 0 g b s 系统，仅考虑色散补偿就 够了，而对4 0 g b s 系统，必须考虑偏振模色散补偿。 ( 2 ) 纠错编码技术( f e c ) 。纠错编码技术已用于1 0 g b s 系统中。在光信噪 比( o s n r ) 一定的情况下，f e c 可提高系统的误码性能。在4 0 g b s 系统中，必 须采用纠错编码技术来提高其传输性能。 ( 3 ) 拉曼放大技术。拉曼放大器具有低噪声特性，也可以做到宽带宽和增 益平坦。拉曼放大器可分为分布式和集中式两种，而分布式拉曼放大器又分为 前向泵浦拉曼放大器和后向泉浦拉曼放大器。一般采用后向分布式拉曼放大， 可以减少非线性，提高系统的o s n r 。 ( 4 ) 调制格式。光纤通信传统的调制格式是非归零码( n r z ) ，n r z 非常简 单方便。但是对于4 0 g b s 系统来说，为了保证它与1 0 g b s 系统有相同的中继距 离，相同的o s n r ，必然要提高光纤的入纤功率，高的入纤功率必然产生大的非 第1 章引言 线性。研究表明，归零码( r z ) 抗非线性和抗偏振模色散的能力比n r z 要强。因 此对4 0 g b s 系统要使用r z 调制格式或其变种。 近几年来，一些新的调制格式或编码被引入到高速光纤通信中来，这些调 制格式或编码有的在电通信中早已存在，有的为适应光通信的需要经过了一些 改变。在高速光通信中引进或寻找一些新的调制格式是必要的。 ( 1 ) 有的光通信系统色散补偿不完全或根本没有补偿，一些调制格式如双 二进制( d u o b i n a r y ) 、单边带( s s b ) 等的抗色散能力强，可以增加色散限制的传 输距离。 ( 2 ) 在4 0 g b s 系统中，一些调制格式如归零码( r z ) 、载波抑制的r z ( c s r z ) 等，抗偏振模色散和抗非线性能力比n r z 强。 ( 3 ) 虽然光通信系统的带宽很宽，但它还是一个带宽受限系统，况且当今 商用化的e d f a 的带宽仅为1 0 t h z 左右，要使一个e d f a 能同时放大尽量多波 长的光信号，应减小信号的谱宽，提高频带利用率。 。 ( 4 ) 提高单根光纤的速率，除了提高单波长速率和增加复用的波长外，还 有一个办法就是减小信道间隔，减小信道间隔会引起相邻信道的信号的谱之间 相互交叠，导致串扰，因此应该减小信号的谱宽。 信号的调制格式会影响光传输系统最终的接收质量，新型码调制技术是使 4 0 g b s 通路获得远距离传输的一项重要保证。分析各种新型码调制对于光学物 理特性参数的影响，提出适合降低光信噪比容限、增加色散受限距离和偏振模 色散的措施，对于进一步延长系统传输距离、提高传输容量和频带利用率有重 要的理论和现实意义。 1 2 码型调制与传输特性 1 2 1 光纤传输特性 1 光纤损耗 光纤传输中的功率损耗是光纤通信过程中非常重要的一个传输特性。若昂 为光纤的入纤功率，则光纤的输出功率为 异= p o e x p ( 一a l ) ( 1 1 ) 3 第1 章引言 式中，口为衰减系数，通常称为光纤损耗，三为光纤的长度。习惯上将光纤的损 耗通过式( 1 2 ) 用d b k m 来表示 “。= 一半t s ( 鲁 = a s 4 s d c z ， 光纤的损耗与光波长有关，在1 5 5 j m 处有最小损耗0 2 d b k m 左右。 光纤的损耗直接影响传输距离和传输的稳定性，因此了解并降低光纤损耗 对高速长距离光纤通信有重大的现实意义。克服光纤损耗的方法主要有提高光 纤制造工艺和采用光纤放大技术。 2 光纤色散 当一束电磁波与电介质的束缚电子相互作用时，介质的响应通常与电磁波 的频率有关，这种特性称为色散。光波也是一种电磁波，当它在光纤中传输时， 由于不同频率成分或不同模式成分的群速度不一致而导致传输信号发生畸变， 从而影响系统性能，这种物理现象就称为光纤色散。光纤色散可以分为材料色 散、波导色散、模式色散和偏振模色散等。 材料色散是指传输介质光纤本身的折射率与光源频率有关，因而信号光的 不同频率成分在光纤中传输的群速度就不同，引起了色散。用单位长度的展宽 来表示 等= 见( a ) a ( 1 3 ) 式中，兄为光源的光谱宽度，为光纤长度，或( a ) 为材料色散参数，它由材 料折射率的二阶导数给出 或( 护詈婆a a , ( 1 4 ) c 一 波导色散是由于光源信号不同频率成分的群速度不同，从而引起了色散。 由波导色散引起的每单位长度的脉冲展宽量为 a r l = d w ( a ) 兄 ( 1 5 ) 式中，仇( a ) 是波导色散参数，它与光纤的特性有关，由公式( 1 6 ) 给出 仇( a ) = 1 9 8 4 n p , ( 2 j r a ) 2 2 c n(16)22 仇( a ) 2 ( 1 6 ) 4 第1 章引言 式中，和 ，。分别是包层的折射率和群折射率，a 是纤j 苎半径。 材料色散和波导色散总称为色度色散，常简称为色散。所以 d ( a ) = d ：( a ) + d ? ( a ) ( 1 7 ) 光脉冲经过距离的传输后，总色散为 f = i d ：( a ) + d ( a ) i a a l ( 1 8 ) 另一种色散是光信号的两种互为正交的偏振态在传播时，由于速度不同而 引起信号的离散，使得在接收端很难解析信弓，称为偏振模色散( p m d ) 。对于 长度为三的光纤，偏振模色散引起的时延f p m d 可以用下面的公式( 1 9 ) 计算 f m = l l v ，一上7 i = l d f l x d t o d f l y d o j = d p m d 厄 ( 1 9 ) 式中，q 。为偏振模色散参数。由于偏振模的耦合是随机的，因而p m d 是一 个统计量，p 。不依赖于波长。 睡 在数字通信中，光纤色散会引起脉冲展宽，从而限制比特速率b 和传输距 离，而b l 积是评价系统传输性能的基本参数。因此实现光纤色散的实时监测 并动态补偿在长距离光传输中已经非常必要。色度色散的补偿可采用色散补偿 模块( d c m ) 以及光栅技术等。克服偏振模色散的影响目前有两种方案，一是采 用新的性能好的、低p m d 系数的关纤，以及光信号采用新的调制格式，使光信 号不易受p m d 的影响；二是采用p m d 补偿技术，对p m d 动态地进行调节和 管理。 3 非线性光学效应 对高速、大容量光纤通信系统，受到各种非线性效应的彳i 利影响，主要包 括四波混频( f w m ) 效应、自相位调制( s p m ) 效应、交叉相位调制( x p m ) 效应、 受激拉曼色散( s r s ) 效应和受激布里渊散射( s b s ) 效应等，它们将会在4 0 g b s 传输通信系统中变得比较严重。s p m 与色散一起作用将导致信号脉冲展宽或畸 变。x p m 通过色散转变为强度调制，从而引入信道问串扰。f w m 主要影响零 色散光纤系统，在常规单模光纤中不考虑。s b s 因为光波与晶格中声波相互作 用，导致功率背向散射，使光功率下降，可将较短波长信道能量转移到较长波 长上。总的来说，在关纤非线性效应中，x p m 、s r s 和s b s 的影响很小，f w m 主要影响零色散波长附近的系统，s p m 影响最大，它限制了各信道最大输入光 功率。 5 第1 章引言 解决光纤非线性影响的根本性措施是降低关纤纤：签中的光功率密度。在 4 0 g b s 系统中，克服非线性效应的影响，目前最常见的两种抑制方法是： ( 1 ) 采用r z 编码调制信息格式，来减少非线性效应的不利影响。 ( 2 ) 使用大有效面积和小色散斜率的高性能新型光纤，来降低非线性发生 机率或影响程度。 4 光信噪比 对高速、大容量关纤通信系统来说，光信噪比是一个十分重要的性能参数， 对估算和测量通信系统的误码性能、实际工程设计和维护有着重要意义。光信 噪比( o s n r ) 是指在特定通信带宽范围内，通信信号功率( 真正传输的有用光信 号功率) 与噪声功率( 噪声信号功率) 的比值。对于4 0 g b s 光纤传输系统，已存在 的光纤平台所带来的传输损伤，以及光发射机、接收机、放大器的增益波动及 累积带来的波形失真，期望的系统寿命内设备、光纤平台的老化和不同设备的 制作余量等，都要求必须设置合理的、足够的o s n r 余量来使通信系统正常工 作。 对1 0 g b s 系统而言，4 0 g b s 系统需要更强的光功率才能使信号实现远距离 传输( 也即要求更高的光信噪比) ，但是过强的光功率则会引发非线性效应使得 接收机无法解读信号。对于这种情况，目前有两种基本的解决方法： ( 1 ) 通过降低放大器噪声来提高光信噪比，即在光路中进行低噪声的光放 大并辅助严格的光增益均衡，即分布式拉曼放大( d r a ) 结合掺铒光纤放大器 ( e d f a ) 。 ( 2 ) 降低光信噪比要求，即通过电路层的数学处理增加信号的容错能力， 采用前向纠错编码( f e c ) 。 1 2 2 码型调制传输 对于1 0 g b s 系统，无论单信道还是多信道，其偏振模色散和非线性效应还 不很强，主要考虑功率，色散( 群速度色散g v d ) 限制，因此对1 0 g b s 系统的调 制格式，主要看它的抗色散能力，频带利用率和发射机与接收机的结构，非归 零码( n r z ) 相对于归零码( r z ) 能够较好地解决功率受限问题，因为激光器的发 光功率是有一定限度的，n r z 编码1 0 0 的占空比能够使系统秩得最大的发射功 率。存现有的1 0 g b s 及以下速率的系统中，n r z 码能够较好地满足系统的要求， 6 第1 章引言 而且实现方式简单，成本低，既可以通过直接调制的方式，也可以通过外调制 的方式实现，因此在1 0 g b s 光纤通信系统中一般采用n r z 编码。 在4 0 g b s 系统中，限制其传输性能的主要因素包括：噪声积累，主要是光 放大器的放大自发辐射噪声( a s e ) ；色散，包括群速度色散( g v d ) 和偏振模色 散( p m d ) ；非线性效应，包括自相位调制( s p m ) ，交叉相位调制( x p m ) ，受激 拉曼散射( s r s ) ，受激布里渊散射( s b s ) ，四波混频( f w m ) ；串扰等。在单信道 4 0 g b s 系统，其主要限制因素有群速度色散( g v d ) ，自相位调制( s p m ) 和偏振 模色散( p m d ) ；如果是波分复用系统，限制因素还有交叉相位调制( x p m ) 和四 波混频( f w m ) 。在超高速系统中，n r z 码逐渐暴露出非线性容限差、对传输损 伤敏感等诸多缺点，为了满足要求，开始使用r z 码取代n r z 码成为4 0 g b s 系 统的调制格式。与n r z 码相比，r z 码具有下面几点重要的传输特性1 5 】： ( 1 ) r z 码的传输降低了对系统o s n r 的要求 相同比特速率的传输系统，当入纤的平均功率一定的时候，r z 码比n r z 码的峰值功率高，考虑到系统的散粒噪声也随着峰值功率的增加而增加，r z 码 的传输系统接收机灵敏度将有所改善，因此可以降低系统对o s n r 的要求或者 增加传输距离。4 0 g b s 的传输系统对0 s n r 的要求比1 0 g b s 的传输系统高6 d b ， 这么高的o s n r 要求，除了考虑采用拉曼放大器，还可以通过采用r z 码来降低 传输系统对0 s n r 的要求。 ( 2 ) r z 码的传输系统具有较低的色散容限 信号时域的压缩导致了频谱的展宽，r z 码的带宽比相同速率的n r z 码的 带宽大，因此r z 码更加容易受色散及色散斜率的影响。 ( 3 ) r z 码传输系统的非线性效应 由于产生的机理不同，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，包括受激拉曼散射( s r s ) 和受 激布里渊散射( s b s ) ，这两种非线性效应只和系统的平均功率有关，当入纤的平 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，包括了自相位调制 ( s p m ) 、交叉相位调制( x p m ) 和四波混频( 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。在s p m 受限系统 中。r z 码传输系统允许有更大的入纤功率，或者在相同的入纤功率下，r z 码 传输系统可以实现更远的传输距离。 7 第1 审引言 ( 4 ) r z 码传输系统有利于抑制p m d 效应 在抑制系统的p m d 方面，r z 码的性能优于n r z 码。这是因为，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 更大的差分群时延才能使得能力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。 在r z 的基础上，又提出了载波抑制的r z ( c s r z ) ，单边带r z ( s s b r z ) ， 双二进制r z ( d r z ) ，改进的双二进制r z ( m d r z ) ，差分相移键控 r z ( r z d p s k ) ，全谱r z ( f s r z ) ，啁啾r z ( c r z ) 等。从抗噪声的角度来看d p s k 和r z 要优于n r z ；从抗色散影响的角度看r z d p s k 要优于n r z ；从抗非线性 影响的角度看载波抑制归零调制格式( c s r z ) 、啁瞅归零调制格式( c r z ) 、d p s k 都要优于n r z ；从频谱效率的角度看单边带( s s b ) 也优于n r z 。除了r z 类型 的调制格式外，也在研究用于4 0 g b s 系统的其它调制格式，如比特同步的强度 调制的差分相移键控( i m d p s k ) ，光孤子等。究竟选用何种格式，现在还在研 究之中。选择4 0 g b s 系统的调制格式，主要看它的抗群速度色散的能力，抗偏 振模色散的能力，抗非线性的能力以及发射机和接收机的结构是否简单。在不 同的系统条件下各种调制格式既有各自优势，也有自己的劣势，需要权衡考虑【6 j 。 1 3 论文的主要研究工作 针对以上所提到的4 0 g b s 高速光纤通信系统中的传输损伤及新型码调制技 术可以看出，正确选择传输信号的调制格式对于实现系统良好的性能至关重要。 因此，本文的重点将放在如下几个方面： ( 1 ) 对光传输特性的基本概念和产生原理进行了描述，分析了其对光信弓 传输的影响。 ( 2 ) 分析了目前主要使用的光调制格式及其特点，采用误码率判决方法， 通过误码率比较n r z 、r z 及c s r z 三种码型对传输特性的影响，得出单信道传 输中码型与传输特性之间的关系，建立新型码传输特性综合评价系统。 ( 3 ) 讨论了光脉冲传输的祸合非线性薛定谔方程，通过分步傅立叶算法求 解，分析出调制码型与信号能量、脉宽、占空比和损耗等的关系。并引入时频 分析方法，依据w i g n e r - v i l l e 变换和分数阶f o u r i e r 变换的特性，利用两种算法 r 第1 章引言 从时域和频域分析了n r z 码和r z 码的性质，最后得出提高系统传输性能的有 效措施。 ( 4 ) 对n l 您码和r z 码的时频特性进行了仿真和分析，得出r z 码的性能 优于n r z 码，更适合于使用在4 0 g b s 高速光纤通信系统中，并进一步完善了研 究结果。 9 第2 章4 0 g b s 光纤通信传输中的光学特性限制 第2 章4 0 g b s 光纤通信传输中的光学特性限制 2 1 色度色散 色度是由于不同波长的光在光纤中传播速度不同，而引起的脉冲波形的展 宽。当脉冲展宽到一定程度时，将产生严重的码间干扰，这就是波长色散( 即色 度色散) 的影响。在光纤中，不同速度的信号传输同样的距离需要不同的时间， 即各信号的时延不同，从而产生时延差。时延差越大，色散越严重。常用最大 时延差来表示光纤色散程度，简称时延差，用f 表示。 设角频率为的光载波在单模光纤中传输，它在关纤中传输的群速度为 v 。= d g o d 3 ( 2 1 ) 式中，为角频率，3 为光波相位常数。当经过长度为的传输距离后，时延为 r = l v g = l d 3 d g o ( 2 2 ) 由于光脉冲包含许多频率分量，因而群速度的频率相关性导致了脉冲传输过程 中展宽，不再同时到达光纤输出端，脉冲展宽的程度可由式( 2 3 ) 决定 r = 塑= d ( l k ) a g o = 应 (23)d o d g o 5 式中，a g o 为光脉冲的谱宽，岛= d 2 3 d c 0 2 称为群速度色散( g v d ) ，它直接决定 了脉冲在光纤中的展宽程度。 存实际关纤通信系统中，色散受限距离可用式( 2 4 ) 表示 上：! ：垫! ! ：( 2 4 ) b d ( a ) 口， 式中，d ( 2 ) 为光纤色散系数( p s n m 一k m - 1 ) ，盯。为光源谱线宽度( f w h m ) ( r i m ) 。在1 5 5 0 r i m 窗口，通过变换可得到光纤的色散受限距离上( k m ) 的估算公 式 ：里( 2 5 ) 1 0 第2 章4 0 g b s 光纤通信传输中的光学特性限制 由此可知，光网络的色散容限d l 与传输的比特率平方b 2 成反比。当数据 速率增加时，色散容限会大大降低，如若对于1 0 g b s 系统的色散容限为 8 0 0 p s n m 的话，对于4 0 g b s 系统则其降为5 0 p s n m 左右。色度色散是限制光 纤通信系统向高速率和长距离发展的主要因素之一，特别是对于大量铺设的标 准单模光纤( g 6 5 2 ) 。若工作波长窗口在1 5 5 0 n m ，则色度色散问题尤为严重【7 1 。 据理论推算，在一个4 0 g b s 速率的系统中，如果使用常规单模光纤作为传 输媒体，系统工作波长在1 5 5 0 n m ，光纤色散系数为1 8 p s n m k m 的情况下，受 色散限制的传输距离只有大约3 k m 。所以4 0 g b s 系统对色散补偿有着更高的要 求。 2 2 偏振模色散( p m d ) 在标准单模光纤中，基模是由两个相互垂直的偏振模组成。只有在折射率 为理想的圆对称光纤中，每个模式运载总的光能的一半，它们以相同的速度传 输并同时到达光纤端，因而简并为单一模式。由于实际光纤的纤芯折射率并不 是各向同性，模式的速度就会受到影响，它们会以不同的速度传输而引起信号 的离散，使得在接收端很难解析信号。这种现象称为偏振模色散( p m d ) 。图2 1 表示了p m d 的产生过程。 i 快轴 j j f ， i 僵轴 时延差 图2 i 单模光纤中的p m d 现象 单模光纤两个正交偏振模的相位常数分别记为成和风，这两个正交的模式 在光纤中传播单位距离的群时延分别为 铲等， 由此产生的传播时延差或脉冲展宽为 d 卢。 7 ，2 嵩 ( 2 6 ) 第2 章4 0 g b s 光纤通信传输中的光学特性限制 嵋= 去( 成一3 y ) = 尝 而归一化双折射参量b 的定义为 b ：旦盟：堂 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 式中，k 为真空中的波矢，有 吒= 警= 詈- i 专等 眨， 对于石英光纤，第二项远小于第一项，所以偏振模色散导致的脉冲展宽为 f 。：旦：堂 ( 2 1 0 ) f 表征双折射的另一个参量是拍长工。，其定义为 t = 2 j r a ；3 ( 2 1 1 ) 所以 缸，。方 q 1 2 式中，厂为光的频率。 偏振模色散对1 0 g b s 以下速率的影响很小，基本上可以不用考虑，对于 1 0 g b s 及其以上速率，以前不太突出的偏振模色散成为限制系统升级的又一关 键因素( p m d 对于系统的限制和比特率成正比，如对于4 0 g b s 的限制阈值则比 1 0 g b s 低4 倍) 。相关研究表明，当单信道达到4 0 g b s 时，偏振模色散将出现 明显的高阶效应，其严重影响系统的传输性能。若以一阶p m d 的功率代价为l d b 计算，1 0 g b s 无电中继系统的最大传输距离为4 0 0 k m ，而相应4 0 g b s 系统仅为 2 5 k m 。所以，如何宽带补偿动态随机变化的偏振模色散【7 】是系统升级到4 0 g b s 和长距离传输中必须解决的问题之一。 2 3 非线性光学效应 为了提高光信号的传输距离，应用光放大器提高光信弓的入纤功率，当入 纤功率达到一定值之后，光纤开始出现非线性效应，使接收机无法解读信号。 第2 章4 0 g b s 光纤通信传输中的光学特性限制 光纤的非线性效应一般分为两类，一类与折射率相关( k e r r 效应) ，通常指自相 位调制( s p m ) 、交叉相位调制( x p m ) 、四波混频( f w m ) 等，这几种非线性效应 与光纤色散密切相关。另一类为受激散射，如受激布里渊散射( s b s ) 和受激拉曼 散射( s r s ) ，受激散射与光纤中的光功率密度相关。s p m 与色散一起作用将导 致信号脉冲展宽或畸变。x p m 通过色散转变为强度调制，从而引入信道间串扰。 f w m 主要影响零色散光纤系统，在常规单模光纤中不考虑。s b s 因为光波与晶 格中声波相互作用，导致功率背向散射，使光功率下降，可将较短波长信道能 量转移到较长波长上。总的来说，在光纤非线性效应中，x p m 、s r s 和s b s 的 影响很小，f w m 主要影响零色散波长附近的系统，s p m 影响最大，它限制了各 信道最大输入光功率1 9 1 。 2 3 1 自相位调制和交叉相位调制( s p m 和x p m ) 自相位调制、交叉相位调制以及四波混频都是起源于光纤中折射率与信号 功率是非线性关系这样一个事实。 一d = 。+ h a ) ( 2 1 3 ) a e 式中，n 2 是非线性折射率系数，n t 。是线性折射率，p 是光功率，而4 ，是模 式截面。虽然非线性部分只占折射率的一百亿分之一，但非线性折射率效应却 能严重影响高速长距离光通信系统。 介质中光波的速率与折射率有关。所以，强度变化和不同折射率变化的脉 冲将以不同的速度沿光纤传输。光功率起伏转变为相位起伏。群速度不同导致 脉冲在光纤中发生时域上的色散，限制了传输距离和传输速率。单个光脉冲的 这种效应称之为自相位调制( s p m ) ，并使传输光脉冲失真。这种非线性效应会 引起时域和光谱的展宽。 在w d m 传输时，如果两个信道的光脉冲在光纤中发生交迭，那么一个信 道数据脉冲的光功率，将影响另一个信道数据脉冲的折射率、传输速度和色散 失真。由于每个信道的传输波长不同，因而升i 同信道的传输速度不同，一个信 道的数据脉冲穿过另一个信道的数据脉冲，引起的失真和色散使数据脉冲，从 一个信道托尾到下一个信道。这种信道之间的交叉干扰称之为交叉相位调制 ( x p m ) 。 第2 章4 0 g b s 光纤通信传输中的光学特性膜制 描述几个信道影响信道1 的一般方程是 警嘲删2 + 2 + + 2 吲4 ( 2 1 4 ) 式中，4 是传输光场，非线性系舐定义为 2 匀n n ( n 是非线性折射率系数) ，如 等于5 0 t m 。 2 3 2 四波混频( f w m ) 在非线性半导体介质中两波混频后，在和频与差频处产生新的光波，称之 为四波混频。由于光纤也是一种非线性介质，光在其中传播时也会有四波混频 现象发生。当三个不同频率的光波在同一根光纤中同时传输时，由于f w m 效应 会产生新的光频率分量矗。，称为四波混频光 r 如= t + j 一 k q 1 5 n 式中，、厂、五分别为入射光波的频率。 四波混频的一个重要特点是，f w m 现象仅仅在两个混频信道的波长是在光 纤零色散波长附近，并且信道间隔小于几个a 时才出现。f w m 有一个不是很关 键的效应：原来信道的功率将减少。可是，更为严重的问题是，当有三个或更 多的w d m 信号信道时，会产生很多混频积，导致严重的串话。 2 3 3 受激拉曼散射( s r s ) s r s 是光纤媒质中的种非线性散射过程，其中的两个光波沿着光纤前向 传输，并通过振动波而相互作用，一般称这两个光波为泵浦光和信号光，它们 也可以是传输系统中的两个w d m 信道。存w d m 系统中，一个信道的光功率 通过一个宽带光拉曼散射过程转移到另一个信道中。功率从短波长信道转移到 长波长信道，导致短波长信道功率损耗而长波长信道功率增加。在存在拉曼增 益情况下，描述两个传播信号演化传播过程的基本方程是 一， 半= g 。 ，2 ( 2 1 6 ) u z 式中，、厶代表两个不同w d m 信道的强度，z 是传播方向，g 。是拉曼增益 1 4 第2 章4 0 g b s 光纤通信传输中的光学特性限制 系数。 2 3 4 受激布里渊散射( s b s ) 两个光波通过声波相互作用时，会在光纤中产生另一个散射过程，其中一 个光波作为另一个光波的泵浦。在s b s 中，一个信号光波下正向传输，而另一 个散射光波反向传输。原来正向传输波的功率转移到新产生的反向传输的波中。 这个过程是一个窄带过程，只有在两个光波频率相差1 0 m h z 时才有影响。描述 前向和反向光波之间演化的简单方程是 r l ， 三 = 一g 。厶 ( 2 1 7 ) 叱 式中，g 。是布里渊增益系数。 解决光纤非线性影响的根本性措施是降低光纤纤芯中的光功率密度。在 4 0 g b s 系统中，克服非线性效应的影响，有两种常见的方法：一是选用新的大 有效面积光纤作为传输线，可降低非线性发生机率或影响程度，是解决非线性 效应影响最有效的措旌。二是光信号采用新的调制码型，如r z 码等。 2 ，4 光信噪比( 0 s n r ) 光信噪比( o s n r ) 是指传输的有用光信号与泄露到系统其它噪声信号的比 值 蝴2 最p q 1 8 式中，圪，是光输出功率，一是噪声输出功率。光信g - 功率一般取峰值，而噪 声功率一般取两相邻通路的中间点的功率电平。 光信