（通信与信息系统专业论文）新型光调制格式与再调制wdmpon的研究.pdf

摘要 恻 为了满足不断增长的信息传输量需求，需要采用4 0 g b i t s 甚至1 0 0 g b i t s 的高 速数字光传输系统。随着单信道传输速率的提升，系统的色散、非线性效应等问 题对信号的影响也更加严重。新型的光调制可以有效地抑制这些传输损伤的影响， 已经成为高速光传输系统的关键技术之一。核心网传输技术的飞速发展的同时， 最后一公里的瓶颈就更加突出，为了满足进一步增长的带宽需求，光纤接入技术 尤为重要。w d m p o n 技术有带宽大，安全性好，传输距离远，透明高效等优点， 必将在未来接入网技术中发挥重要的作用。 本文针对高速光传输系统中的新型i r z 调制技术、i r z d p s k 的幅度相位调制 技术以及再调制w d m p o n 技术进行研究。本文首先研究新型i r z 信号的调制原 理和传输性能；然后研究了采用新型i r z 调制方案产生的i r z d p s k 信号调制、 解调原理，仿真分析了色散、非线性对i r z d p s k 幅度支路和相位支路的传输性 能影响，并与传统的a s k d p s k 相比，证明了i r z d p s k 抗非线性的性能更好； 接着研究了现有w d m p o n 系统的结构、关键器件、技术优势和存在的不足；最 后就w d m p o n 成本过高的缺点研究了再调制w d m p o n 技术，并采用新型i r z 技术设计了一种新的再调制w d m p o n 系统，传输性能良好而且可以大大减小 o n u 端的开销。 关键词：光通信反归零信号幅度相位调制w d n p o n 再调制技术 a b s t r a c t 4 0 g b sa n de v e n10 0 g b sl l i g h s p e e dd i g i t a lo p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m sa r et h e i d e a lc h o i c e st 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 gi 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 ，、析t l lt h ei n c r e a s eo f t r a n s m i s s i o nr a t ei nas i n g l ec h a n n e l ，t h eq u a l i t yo f t h e s i g n a lw o u l db em o r ea f f e c t e db yd i s p e r s i o n ，n o n - l i n e a ra n ds oo n n o v e lm o d u l a t i o n a n dm u l t i p l e x i n gt e c h n i q u e sa r ek e yt e c h n o l o g i e sw h i c hc o u l dm i t i g a t et h et r a n s m i s s i o n i m p a i r m e n t si no p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m t h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o r en e t w o r k t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ym a k et h el a s tk i l o m e t e rb o t t l e n e c k sb e c o m em o r ep r o m i n e n t i no r d e rt os a t i s f yt h ef u r t h e rb a n d w i d t hd e m a n d ，o p t i c a lf i b e ra c c e s st e c h n o l o g yi s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t w d m p o nt e c h n o l o g yh a sal o to fa d v a n t a g e s ，f o re x a m p l e ， l l i g hb a n d w i d t h , s a f e t y , l o n gd i s t a n c et r a n s m i s s i o n ，t r a n s p a r e n tt r a n s m i s s i o na n dh i g h e f f i c i e n c y , i tw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nf u t u r ea c c e s sn e t w o r kt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , s t u d i e sa r em a d eo na nn o v e li r zm o d u l a t i o nf o r m a t ，i r z - d p s ka n d r e m o d u l a t i o nw d m - p o nt r a n s m i s s i o n t e c h n i q u e f i r s t l y ，an o v e lw a y t og e n e r a t ei r z m o d u l a t i o nf o r m a ti ss t u d i e d ，a n dt h ed i s p e r s i o na n dn o n - l i n e a rt o l e r a n c ea r e a l s o d i s c u s s e d t h e nw em a k er e s e a r c ho nt h em o d u l a t i o n , d e m o d u l a t i o np r i n c i p l e sa n dt h e t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo fi r z d p s k , w h i c hi sb a s e do nt h en o v e li r zm o d u l a t i o n f o r m a t w ec o m p a r e dt h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo fi r z - d p s ka n dt h et r a d i t i o n a l a s k - d p s k , t h er e s u l t ss h o wt h a ti r z d p s ko f f e r sm u c hb e t t e rp e r f o r m a n c ea g a i n s t s p m f i n a l l y ，w es t u d i e dt h es t r u c t u r e ，k e yp a r t s ，t e c h n i c a la d v a n t a g ea n dd e f i c i e n c yo f e x i s t i n gw d m - p o ns y s t e m i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mt h a tt h ec o s ti st o oh i 【g h ，w e s t u d i e dr e o m o d u l a t i o nw d m p o nt e c h n i q u e ，a n dd e s i g n e dan e ws t r u c t u r eo f w d m - p o n 、 ，i t l lt h en o v e li r zm o d u l a t i o nf o r m a t t h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo f t h en e ws t r u c t u r ei sg o o d ，a n dt h ee x p e n s eo fo n ui sr e d u c e d k e y w o r d ： o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n i n v e r s er e t u r n t o - z e r o ( i r z ) c o m b i n e d a m p l i t u d ea n dp h a s em o d u l a t i o n w d m - p o nr e - m o d u l a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着各种新技术的出现和应用，以及光器件的不断改进，光传输系统的容量 及传输距离都在不断的增加。9 0 年代初掺铒光纤放大器( e d f a ) 的出现使得长距 离传输不再需要光电转换，波分复用( w d m ) 技术使得一根光纤中可以同时传输 多个波长信道，高带宽的e d f a 也使得间隔较窄的多个w d m 信道可以被一个 e d f a 同时放大，系统的容量距离积在不断地增加。然而随着因特网的持续发展和 渗透，市场对带宽需求的增长从未停歇。基于i p 的接入网宽带业务如i p t v 、互联 网游戏、端到端视频共享等增长迅猛，据统计，因特网宽带业务以每年翻倍的速 度递增，导致骨干网容量正迅速饱和并面临极大的升级压力。为了顺应市场的需 求，光纤通信正在从单通道、低速率向多通道、超高速的新一代光通信网络演进。 我国从9 0 年代中期就开始部署波分复用( w d m ) 系统，2 0 0 0 年左右运营商 敷设的都是基于1 0 g b s 的系统，2 0 0 5 年骨干网上开始使用c 波段波长间隔5 0 g h z ， 系统容量可达到8 0 波1 0 g b s 的系统，从2 0 0 6 年起我国许多电信公司开始进行 4 0 g b s 传输系统的现场试验及试商用，目前国外4 0 g b s 系统已经得到局部商用， 国内4 0 g b s 系统也从2 0 0 8 年开始部署，可以预见4 0 g b s 系统即将进入大规模商 用阶段。一方面，随着单信道传输速率的提升，系统的色度色散( c d ) 、偏振模 色散( p m d ) 和非线性效应等问题对信号的影响更加严重；另一方面，随着4 0 g b s 高速光纤系统的商业化，1 0 0 g b s 级传输技术的研究争相走进人们的视线，高速率、 大容量、高效率的传输系统对w d m 技术提出了新的要求。为了最大程度的克服 传输损伤以及充分利用带宽资源，各种先进的技术被提出用以解决这些问题【l 】，如 采用新型光纤、色散管理技术、低噪声放大器( 拉曼放大) 、新型调制和复用技 术、色度色散和偏振模色散补偿、自适应均衡及前向纠错编码( f e c ) 技术等。图1 1 描述了使用新技术后的光纤通信传输路线图。 2 新型光调制格式与再调制w d m p o n 的研究 苗 o u 之 呈 爰 否 鲁 乞) 含 u 图1 1 使用新技术的光纤通信传输路线图h 与此同时，核心网传输技术的飞速发展，最后一公里的瓶颈就更加突出，为 了满足进一步增长的带宽需求，服务提供商需要实施光纤接入技术。光纤接入技 术己经在世界范围内得到应用，并且f t t x 用户的数量也在稳步增长1 3 】。这种情况 下许多p o n 系统被提出来，但是只有两种时分复用p o n ，e p o n 和g p o n 被大规 模应用1 4 。t d m p o n 在总体线速和功率预算方面无法满足未来网络发展的需求。 功率预算不仅限制了p o n 的分路比，也限制了o l t 到o n u 的距离。 这些i 口- j 题将随着波分复用无源光网络( w d m p o n ) 的引入得到缓和1 5 j 。在 w d m p o n 中，每一个o n u 被分配一个单独的波长，这将为每个o n u 提供更大 的带宽。并且每个o n u 可以工作在独自的速率而不是整体( w d m ) 的速率。由于每 个o n u 是通过物理波长被分开，所以网络安全和网络融合问题可以从根本上得到 解决，另外w d m p o n 的插入损耗比t d m p o n 的分路损耗小。在t d m p o n 中， 随着o n u 数量的增加，由于分路器的原因双向信号的光功率损耗也随着增加。相 比之下，w d m p o n 传输距离更远，网络覆盖范围更大。此外，w d m p o n 也可 以和额外的一些t d m a 技术相结合，特别是一些已经被e p o n 和g p o n 标准所采 用的技术。随着新技术的产生，和光器件成本的不断下降，w d m p o n 必定将在 未来的接入网和骨干网融合中发挥重要的作用。 1 2 光调制技术的发展和趋势 传输码型对提高传输性能和改善频谱效率都有明显的作用，对于特定的信道， 存在匹配于该信道的最佳信号波形。光纤信道中，由于非线性使得信道特性和信 号功率联系了起来，所以情况变得更加复杂，不仅要考虑光放大器自发辐射噪声 第一章绪论 3 ( a s e ) 的影响，还需要考虑群速度色散( g v d ) ，偏振模色散( p m d ) 和非线性的影响。 n r z 码简单实用，是传统光通信系统中普遍采用的调制码型，但是考虑到单 信道传输速率提升( 4 0 g b s 甚至1 0 0 g b s ) 后，色散、非线性效应等问题对信号影 响的加重，在1 0 g b s 系统中普遍使用的n r z 信号已经不能满足光传输系统的要求。 n r z 码受色散、p m d 和非线性效应的影响较大，传输距离增大到1 0 0 0 k m 以上时 带宽展宽严重，其灵敏度和o s n r 的功率代价过大，如果不采取措施( 如f e c 和信 号再生处理) ，系统性能将迅速劣化而无法继续传输。而归零码( r z ) 、载波抑制归 零码( c s r z ) 等码型由于频谱、脉冲宽度等特性与n r z 码相比存在较大区别，在传 输系统配置基本相同的条件下，r z 码和c s r z 码对系统的o s n r 有明显的改善， 可比n r z 码提高2 d b 左右。但由于r z 码和c s r z 码的频带较n r z 宽，因此需 要做更为严格的色散管理。特别是c s r z 码，由于信号中载波分量的消除，使得 非线性容限得以大大提高。各种形式的差分相移键控( d p s k ) 码型也显示了巨大的 性能优势，o s n r 容限更低，抗光纤非线性效应的能力更强，色散容限和p m d 容 限更大。 目前商用化的光放大器集中在c 波段，有限的传输通道使得人们对于频带利 用率的要求越来越高。随着信道速率的提高，偏振模色散对系统性能的影响越来 越大。为了解决这些问题，多级调制也开始进入人们的视野。一方面，多进制调 制允许利用已有的低速设备实现高速传输，给已铺设的1 0 g b s 系统的升级带来方 便；另一方面，信息速率相同时，更低的符号速率使得多进制调制谱宽变窄从而 允许更窄的信道间隔以及对c d 和p m d 更高的容忍性。 光信号的电场一般表达式如( 1 1 ) 所示，电场的参量包括振幅彳、频率、 相位咖和矢量方向虿( 偏振方向) 。 e o ) = 铂c o s ( c o o t + ) 式( 1 1 ) 由此相对应的，调制振幅可以得到幅移键控( a s k ) 或强度调制信号，调制 频率则产生频移键控( f s k ) 信号，调制相位产生相移键控( p s k ) 信号，调制偏 振方向产生偏振位移键控( p o l s k ) 信号。这些调制方式都可以认为是相互正交 的。多进制调制既包括单纯的多进制幅度或多进制相位调制如4 a s k l 6 1 、d q p s k 7 1 、 8 d p s k 8 】等，也包括各种正交调制，所谓正交调制就是采用两种相对独立的调制方 式，将两组信息调制到同一个光载波上。采用这样的调制方式，可以同时传输两 4 新型光调制格式与再调制w d m p o n 的研究 组独立的信息，并可在接收机端同时接收，采用各自的解调器检测，如幅度相位 调制、偏振相位调制等。除提高传输性能和频谱效率外，正交调制技术还被广泛 地用于光网络, t 9 1 ，如光标记交换( o p t i c a ll a b e ls w i t c h i n g ，o l s ) 网络，无源光网 络( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，p o n ) 等。正交调制技术中的幅度相位联合键控调制 格式发射机将多路信号分别调制加载到光载波的幅度和相位上，在接收端幅度支 路直接通过光电二极管解调，相位支路通过平衡接收机将相位信息解调出来。相 比基于相位的多级调制，幅度相位联合键控多级调制格式简化了调制和接收结构， 降低了系统成本，具有很高的商业前景。a s k d p s k 和i r z d p s k 以其相对同级 相位调制更加简化的调制和接收结构，成为了高速光传输系统可选的一种很有前 景的调制格式。 随着4 0 g b s 技术的发展和成熟，目前各大厂商包括北电、阿尔卡特朗讯、华 为、中兴、烽火、爱立信、富士通和n e c 等相继推出了4 0 g b s 商用传输平台，其 中光双二进制( o d b ) 、部分差分相移键控( p d p s k ) 、归零差分正交相移键控 ( i 屹d q p s k ) 和偏振复用正交相移键控( p d m q p s k ) 为使用较多的几种调制 方式。在各种实验研究中，新型调制技术的使用创造了许多令人振奋的记录。 h e i n r i c h - h e r t z - i n s t i t u t e ( h h i ) 实验室使用p d m d q p s k 调制及光时分复用( o t d m ) 技术，实现了单信道2 5 6 t b i t s 传输1 6 0 k m 的最高单信道传输速率的记录【l 川；最 大容量的记录在文献【1 1 】中报道，通过使用p d m r z d q p s k 调制，在c 波段和l 波段使用拉曼放大器实现了1 6 0 波2 5 6 t b i t s 的2 4 0 k m 传输；最高频谱效率的记录 是4 2 b i t s h z t l 2 1 ，使用p d m r z 8 p s k 调制技术，信号传输在2 5 g h z 间隔的窄带 w d m 系统中；文献【1 3 】中的实验使用r z d p s k 传输了1 3 1 0 0 k m 的距离，文献 1 4 】 中的实验传输了1 8 0 0 0 k m 创造了传输最远的记录。使用1 6 4 路p d m q p s k 及相干 接收技术，文献【1 5 】的实验获得了最大的容量距离积，高达4 1 8 2 p b i t s k m 。 表1 1 目前的光纤传输记录( 记录用粗体字标出) 第一章绪论5 表1 1 给出了目前实验阶段的各项纪录，可以看出多进制调制在研究和实验阶 段已经取得了很大的成就，而且在不断的进步和完善，随着光器件产业的发展和 调制技术的逐步成熟，多进制调制格式必定将会在高速光传输系统中发挥更为重 要的作用。 1 - 3p o n 技术的发展进程和研究现状 1 3 1p o n 的研究现状 光纤到户( f t t h ) 的建设目前正在国内外兴起，适应f t t h 长远应用需要的下 一代光接入网的研究成为国际前沿高科技中的“竞技场”。无源光网络( p o n ) 是指 采用无源光分路器、合路器或者光耦合器来分配、汇聚各个用户端信号的一种光 接入网技术。因为p o n 的无源特性，避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响，减 少了线路和外部设备的故障率，提高了系统可靠性，同时节省了维护成本，在f t t h 的众多实现技术中倍受青睐。 1 9 9 5 年，由1 3 家电信运营商和设备生产商共同成立的全业务接x , 网( f s a n ) 小组把a t m 技术和无源光网络结合起来，提出了a t m p o n ( a p o n ) t 1 6 】，推动了 p o n 的发展。i t u - t 也于1 9 9 8 年提出了a p o n 的标准g 9 8 3 ，其下行和上行线速 率分别为6 2 2 m b s 和1 5 5 m b s ，a p o n 系统的主要特点是：采用统计时分复用技 术；动态带宽分配；提供非常丰富完备的o a m 功能，包括误码率监测、告警、 自动发现与自动搜索；作为一种安全机制对下行数据进行扰码加密等。然而，a p o n 系统有两大缺点，一是数据传送效率低，二是在a t m 层上适配和提供业务复杂。 此后几年里，i t u t 先后发布了b p o n ( 宽带无源光网络) 、e p o n t l 刀和g p o n t l 引。 b p o n 为a p o n 标准的加强，也是基于a t m 协议的，可支持6 2 2 m b s 的传输速率， 同时加上了动态带宽分配、保护等功能，能提供以太网接入、视频发送、高速租 用线路等业务。b p o n 由于成本昂贵部署有限，随后成本低廉的e p o n 被大量部 署。e p o n 融合了p o n 和以太数据产品的优点，能与现有的以太网相兼容，避免 了采用昂贵的a t m 设备和s o n e t 设备，成本比较低而且能够实现图像、数据、 语音等综合业务的接入，不过能够达到的上下行带宽只有1 g b i t s 。g p o n 支持多 种速率等级，可以支持上下行不对称速率，而且g p o n 技术具有传输速率高、业 务承载效率高、o a m 功能和扩展能力强等特点，具有较好的发展前景。但g p o n 6 新型光调制格式与再调制w d m p o n 的研究 协议较复杂，成本较高。a p o n 、b p o n 、e p o n 以及g p o n 技术都是基于时分复 用的，而基于波分复用的w d m p o n 基本原理就是应用w d m 技术，为每个o n u 分配独有的一对下行波长，这样使得w d m p o n 技术在传输带宽、用户管理、信 息安全、容量扩展性等方面都具有很大的优势。 1 3 2p o n 技术的比较与发展前景 对于上文中提到的这四种p o n 技术，a p o n 、e p o n 和g p o n 是基于时分复 用的，而w d m p o n 是基于波分复用的，表1 2 将三种基于时分复用技术的p o n 做了比较。 表1 2 三种t d m p o n 的比较 a p o ne p o ng p o n 下行线路速率( m b p s ) 15 5 6 2 2 12 4 41 2 5 01 2 4 4 2 4 8 上行线路速率( m b p s ) 1 5 5 6 2 21 2 5 015 5 6 2 2 1 2 4 4 2 4 8 8 支持分路比 6 4 6 4 1 2 8 支持传输距离( k m ) 2 02 06 0 数据链路层协议a r m e t h e m e te t h e r l l 甜删 a p o n 由于采用的是a t m 封装和传送技术，因此存在带宽不足、技术复杂、 价格高、承载p 业务效率低等问题，未能取得市场上的成功。e p o n 由于其将以 太网技术与p o n 技术完美结合，成了非常适合业务的宽带接入技术，所以已得 到很大规模的商用，但是e p o n 系统提高速率和增加用户的成本会很高。g p o n 应 是当今投入商用的最先进的p o n 协议，它能够支持高速率、多业务，并具有最丰 富的o a m & p 特点。目前提供g p o n 设备的厂家和部署g p o n 网络的运营商都 较少，且g p o n 的成本和成熟性也还有待发展。相比之下，新兴基于波分复用的 w d m p o n 更具有优势，w d m p o n 技术带宽大，速率高，安全性能好，也方便 增加用户和容量。表1 3 将基于时分复用技术的p o n 与波分复用技术的p o n 做了 比较。 第一章绪论 7 表1 3t d m - p o n 与w d m p o n 的比较【1 9 1 目前，p o n 的主流技术还是基于时分复用方式的，如e p o n 和g p o n 。但是 基于时分复用的技术在上行方向由于采用了时分多址技术，各个o n u 到o l t 的 距离不等，为了防止各个o n u 向o l t 发送数据时发生冲突，必须引入测距技术 和突发控制技术。同时为了保证o l t 正确接收到来自各个o n u 的数据，o l t 端 必须包含有检测突发数据的光器件和时钟恢复电路。虽然基于时分复用的p o n 技 术具有成本低廉的优势，但是在扩展高带宽上，由于受到电的高速突发接收器件 的限制，放缓了它的发展速度。而基于波分复用技术的w d m p o n ，由于各个用 户独享一个波长，各个波长处于正交状态，因此不需要引入严格的上行带宽控制 协议和时钟同步技术。f f t h 的发展呼唤更高密度和更大容量的p o n 系统，现在 广泛应用的光接入网方式还远远没有能够充分利用光纤网络固有的巨大带宽资 源，显然只能适应目前的传输需求，为了适应以后用户对带宽的需求，升级到 w d m p o n 是极其必要的。w d m p o n 技术在传输带宽、用户管理、信息安全、 容量扩展性等方面具有很大的优势，w d m 技术具有长远的生命力，并且质优价廉 的w d m 器件将不断出现，因此，把w d m 技术引入接入网是一个发展的必然趋 势，研究w d m p o n 系统，具有十分重要的理论和现实意义。 1 4 本论文的主要内容和意义 本文以目前4 0 g b s 及1 0 0 g b s 高速光传输系统为背景，主要研究了几种新型 的光调制和复用技术，详细分析了反归零信号( i i 屹) 、i r z d p s k 的调制、解调 原理以及它们的传输性能，并研究了w d m p o n 的系统原理，将新型的调制格式 应用到w d m p o n 中以实现光源的再利用，大大减小了系统的成本。所研究的调 制和复用技术可以应用在核心传输网、光分组交换网络及光接入网等方面。具体 内容如下g 8新型光调制格式与再调制w d m p o n 的研究 ( 1 ) 研究分析了一种占空比和消光比均可调的i r z 信号的新调制方法，该 方法产生的i r z 信号相位连续，易与相位调制相结合。详细分析了i r z 信号的调 制原理以及其与相位调制相结合的方法，仿真分析了他们的传输性能，并与现有 其他方法进行了比较。 ( 2 ) 研究分析了现有的几种p o n 技术，比较分析了w d m p o n 与其他几种 p o n 技术的优缺点，并且分析w d m p o n 中的关键技术和主要器件，包括o l t 光源、波分复用器解复用器、o n u 光源以及各种无色o n u 技术等。 ( 3 ) 对再调制w d m - p o n 技术进行了研究，首先分析了现有的几种再调制 w d m p o n 的原理和系统结构，就新型i r z 信号设计了一种基于i r z d p s k 的 w d m p o n 系统，该系统简化了o n u 端的结构，大大减少了整个系统的成本。最 后就这种基于i r z d p s k 的w d m p o n 系统进行了仿真，测试了相关性能。 第二章i r z 调制及其与相位调制的结合9 第二章ir z 调制及其与相位调制的结合 新型光调制技术的研究一直是发展高速光通信系统的关键技术之一。当前单 信道速率不断提升，w d m 系统的总传输容量也不断刷新纪录，系统所遇到的传输 损伤包括色散和非线性都进一步加剧。为了消除这些效应对传输的影响，除了对 色散和非线性效应进行控制和管理外，采用新型的光调制格式也是改善系统性能 的一种重要方法。其中，反归零信号( i r z ) ( 也称暗归零信号( d a r kr z ) 1 2 0 1 ) 因 其能提供高的频谱利用率和色散容限引起了业界的广泛关注【2 1 1 。 2 1 新型i r z 信号产生原理与性能 i r z 信号属于一种二进制强度调制信号。在传统的r z 信号中，光强的有无表 示信息的“1 ”和“0 ”，即占空比一定的光强信号表示“l ”码元，无光表示“0 ”码元。i r z 信号则正好相反，其信息的携带如图2 1 所示。 jl a l i r lo1oo1l1 r 【 rt o 一 t l 图2 1i r z 信号不意图 可以看出，“1 码元时光信号反转归零，“o 码元时信号保持高功率。图 中t d 代表单个码元的持续时间，t 代表“l ”码元的归零区间，研究中将i r z 信 号的占空比定义为d = f 死。目前已有的关于i r z 信号的生成方法有很多种，而 且不同的实现方法，i r z 信号表现出来的性能也不同。方法一，文献 2 1 1 使用低 通滤波器( l p f ) 将预编码后的信号变成了梯形脉冲，实现最后输出信号的功率表 现为i r z 形式，这种方法产生的i r z 信号伴随有相位的变化并且占空比由l p f 的 性能决定。方法二，文献 2 2 】是将预编码后的信号经过延时分别加到双臂马增调制 器的两臂上，这种i r z 信号占空比可以根据延时的不同来调整，但是相位也被调 制了。方法三是通过相位调制器( p m ) 和马赫曾德尔时延干涉仪( m z i ) 来产生 i r z 信号f 2 3 1 ，这里生成的i r z 信号的占空比可以通过m z i 干涉臂的时延来调整， 不过相位上是携带了信息的。方法四是文献 2 4 】和文献 2 5 】中使用的方法，将n r z 1 0新型光调制格式与再调制w d m p o n 的研究 信号与时钟信号通过一个高速的电与门得到r z 信号，再利用m z m 进行调制，通 过合理的偏压设置即可得到i r z 信号，相位上不含信息，不过这种信号的占空比 由射频源所决定，而且高频率的射频源价格比较昂贵。 2 1 1 新型i l 屹信号的产生原理 利用m z 调制器给出了一种新型i r z 信号的产生方法，它的占空比可以调节， 同时它不携带相位信息便于和相位调制结合，调制的原理框图如图2 2 所示。 图2 2 新型i r z 信号产生原理图 携带数据信息的电信号经过预编码后分为两路，其中一路信号通过一个电信 号时延器，将两路信号之差经过放大器放大至电平为圪后作为m z 调制器的调制 电信号。双驱动的m z m 输入输出关系如下： = 譬e x p ( j f fv 置- ) + 争e x p ( f l r 匕v - - l ) 式( 2 - 1 ) 】，：掣 式( 2 2 ) y2 了雨 n r7 、既分别为调制器的输出和输入电场，k 为调制器开关电压，k 、k 分 别为上调制电压和下调制电压。，是考虑到调制器上下两臂不对称等因素而引入的 参量，0 d f a ! e d f a 2 竺h 婆! l ! ：2 ji 。 图2 7 非线性容限系统仿真框图 图2 7 为测试各种i r z 信号非线性容限的系统仿真图。其中传输距离为两个跨 距的光纤链路，每一跨距包括1 0 0 k m 的单模光纤s m f 和一段2 0 k m 的色散补偿光 纤d c f ，d c f 对s m f 中的色散进行补偿。光纤的参数配置如下，s m f 的衰减为 0 2 d b k m ，色散系数取1 6 p s n m k m ，非线性折射率系数为2 6 x1 0 - 2 0 m 2 侧；d c f 的衰减为o 5 d b k m ，色散系数取8 0 p s n m k m ，非线性折射率系数为4 x1 0 删m 2 脚。 传输跨距中的两个e d f a 分别对s m f 的传输损耗和d c f 的传输损耗进行补偿。 仿真中暂时没有考虑放大器噪声和偏振模色散，通过发射机后的e d f a 来改变信 号的入纤功率，从而增加系统对信号的非线性影响。图2 8 为仿真得到的眼张开代 价随入纤功率变化曲线图。 鲁 i 岔 图2 8 各种i r z 信号的眼张开代价与入纤功率关系曲线 从图中可以看出，各种信号的眼张开代价都随着入纤功率的增加而增加，但 相比与传统的n r z 信号，色散容限较好的i r z - 1 和i r z 2 、i r z 3 ，非线性容忍都 要比传统的n r z 差，而频谱较宽的屹4 和i r z n e w 的眼张开代价的增加要比 第二章i r z 调制及其与相位调制的结合1 5 n r z 的缓慢。总的来说，只调幅度的i r z 信号比幅度相位都变化的i r z 信号抗非 线性要好。这可以简单的解释为只调幅的i r z 信号由于频带较宽受色散影响较大， 光脉冲的迅速展宽使得其峰值功率迅速降低，因此它们受非线性的影响较小，而 相位变化的i r z 信号其频带宽度比较窄，色散导致的脉冲展宽相对缓慢，因此平 均功率相同时非线性对它们的累积影响时间长，从而导致非线性效应比较强烈。 由于不同的i r z 信号有着不同的抗色散和抗非线性性能，所以针对不同的传 输环境应进行合适的选择，方法一产生的i r z 信号被用于超密集波分复用【2 l 】及串 行o t d m 的1 0 0 g b s 传输1 2 7 1 ；方法二和方法三产生的i r z 信号用于结合d p s k 的 正交调制【2 2 1 1 2 9 1 ，可在光标记交换网络中应用；方法四产生的i r z 也与d p s k 结合 用于光标记交换1 2 0 l 中，同时该方法产生的i r z 可以结合d p s k 实现多进制调制用 于高速光传输系统中州。这种新型的i r z 信号同样可以应用于高速光传输、光标 记交换及波分复用无源光网络中。 2 2i r z d p s k 调制格式 前面介绍的i r z 产生方法中，方法一到方法三都伴随有相位变化，这就增加 了与相位调制相结合的难度，增加了发射机的复杂性。第四种方法所用的m z ( m a c h z e h n d e r ) 调制器实现的i r z 信号虽然没有相位变化，但是它的占空比不 易调节。我们利用2 2 节中提出的使用m z 调制器产生没有相位变化的i r z 信号的 新方法，将其与d p s k 信号调制相结合，实现了占空比和消光比都可调的4 0 g b s i r z d p s k 信号。 2 2 1i i 逻d p s k 信号的调制 i r z d p s k 发射机主要包括幅度调制和相位调制两部分，如图2 9 所示： 图2 9i r z d p s k 信号调制框图 8 0 g b s 的i r z d p s k 信号包含两路信息，每一路信息速率为4 0 g b s ，其中一 路信息经过预编码后完成延迟相减，然后驱动m z 调制器( m z m ) 产生i r z 信号， 1 6 新型光调制格式与再调制w d m - p o n 的研究 将信息加载到光脉冲的幅度上。另一路信息通过预编码后驱动相位调制器产生 d p s k 信号，将信息加载到光脉冲的相位上。最后，通过电信号延迟器控制延迟时 间t 以及驱动放大器来控制驱动电信号的电压，就可以得到不同占空比及不同消 光比的i r z d p s k 信号。图2 1 0 是总信息速率为8 0 g b s 时，i r z - d p s k 发射机输 出光信号的星座图、频谱图以及眼图。 三隔 枷 - 2 002 0柏- 1 2 0 0 1 2 0 1 t e - 3 o 口df r e q u e n c yr e - h y e t o1 9 3 1t ( a )c o )【c ) 图2 1 0 ( a ) m z d p s k 星座图( b ) i p z - d p s k 频谱( c ) i r z d p s k 眼图 2 2 2i r z d p s k 信号的解调 i r z d p s k 的接收机与传统的a s k d p s k 接收机相同，包括幅度支路接收机 和相位支路接收机。其中幅度支路由p i n 光电二极管直接检测，将幅度支路光信 号转变为电信号，经过电低通滤波器后再进行抽样判决解调出数字信息。相位支 路接收机与d p s k 接收机相同，由马增干涉仪和平衡接收机构成，解调框图如图 2 1 1 所示。 i c l 。 图2 1li r z - d p s k 信号发射机框图 先假设i r z 信号代表数字信息0 的光脉冲的光场幅度为b ，代表数字信息1 的光脉冲的光场幅度记作a ( b 口) 。 连续光载波的功率为只，角频率为，初相位为纯，则幅度相位联合调制后 信号如公式2 5 所示为： b ( ，) = a ( t ) 4 p se x p j ( t o o t + 9 ( 0 + q o o ) 】 式( 2 5 ) 同样，由于接收机与a s k - d p s k 的接收机相同，所以幅度和相位解调后的信 第二章i r z 调制及其与相位调制的结合 1 7 号卿卜： ( f ) = 一昙剐o ) 彳。一f ) c o s 妒 式( 2 6 ) 厶( f ) = 昙尺【彳( f ) 】： 式( 2 7 ) 由图2 1 0 中可发现，幅度支路信号厶有两个电平，分别为三r 6 2 和三助2 其中 b a 。相位支路解调信号中，差分相位9 o ，7 r 。由于对数字信息1 有： 钟，= 三f 基 胡， 所以右： a ( t ) a ( t - r ) = ：烈 ：a ( t - ， b 2 0 t z _ b 一 t j 6 2 “坯互 。苣b l a b o t q 蔓；a 倭f 0 鬟t 轲三 ：t l：t i ： i 口2 f 一一 i a f：bf 0 冀t 时：l 口6f ；j ；a 由上式可见，只要接收端相位支路的判决时间t 选为r t z ，则相位支路 的信号即可正确解调，因为此时根据( ，) ：一i 1 彳( f ) 彳o f ) c o s a 妒：一l ，b 2 c o s 9 的正 负即可恢复出原始信号，与幅值a 无关，所以幅度支路的消光比b 2 a 2 可以很大( 理 想情况下可以达到无限大，即a 寸o 时，b 2 a 2 一) 。图2 1 2 是解调后幅度支路 与相位支路的眼图。 1 8新型光调制格式与再调制w d m p o n 的研究 ( a )( b ) 图2 12 ( a ) 幅度支路解调信号眼图( b ) 相位支路解调信号眼图 2 3i r z d p s k 信号的传输性能与比较 以占空比为5 0 的i r z d p s k 为例，将幅度和相位调制部分的性能与n r z ， 5 0 i 逻，5 0 r z d p s k 这几种调制格式的性能进行了比较。对于后面的几种调制 方式要产生8 0 g b s 的信息速率，需要8 0 g 的射频信号，这在实际中几乎不可能产 生，所以这里比较了信息速率为4 0 g b s 时的非线性性能，即i r z d p s k 幅度相位 每一支路的信号速率为2 0 g b s 。仿真平台中一个跨距包括1 0 0 公里标准单模光纤 s m f ，2 0 公里的色散补偿光纤d c f 和两个理想光放大器分别补偿两段光纤的传输 损耗。 2 3 1 色散传输特性分析 这几种调制格式的信号的抗色散性能的比较如图2 1 3 ，入纤功率恒定为l m w ， 传输一个跨距，因为非线性的存在会影响色散产生效应，所以为了更好的观察色 散带来的影响，仿真中将光纤的非线性折射率系数取值为0 。 图2 1 3 几种调制格式的色散性能比较 i r z d p s k 的相位调制支路性能抗色散性能最好，幅度调制支路其次，5 0 r z 调制的抗色散性能最差。这是因为更高进制的i r z d p s k 在相同信息速率下有更 宽的码元宽度，所以信道频谱更窄，抗色散性能更强。相位支路的信号抗色散性 能优于幅度支路的信号，因为在有色散存在情况下，光场幅度受影响比较严重， 第二章i r z 调制及其与相位调制的结合 1 9 导致码元包络发生畸变，而码元幅度上的抖动，对相位支路的解调影响较小。 2 3 2 非线性传输特性分析 几种调制格式的信号的抗非线性性能的比较如图2 1 4 ，因为非线性与入纤功 率的大小息息相关，所以不断的增加入纤功率即不断增大非线性的值，仿真中传 输距离为5 个跨距。 图2 1 4 几种调制格式的非线性性能比较 从图中可以看出i i 屹d p s k 的相位支路抗非线性的性能是最好的，而其幅度 支路的抗非线性性能很差，甚至不如n r z 信号。这是由于i r z d p s k 信号的频谱 比其他几种调制格式都要窄，受色散影响小频谱展宽慢，所以峰值功率降低也比 较慢，幅度调制支路受非线性的影响就比较大。相位调制支路由于是恒功率调制， 所以产生的非线性相移基本一致，在接收端相邻码元之间的相位差保持不变，所 以受到的影响比较小。 2 3 35 0 i r z d p s k 与a s k d p s k 的传输性能比较 i r z d p s k 与a s k d p s k 是两种很常用的幅度相位联合键控调制格式，各有 各的优缺点。a s k o d p s k 发射机和接收机结构简单，但是消光比影响相位调制的 性能