（电磁场与微波技术专业论文）高速光通信smf信道中nrz和rz码型研究.pdf

北京交通大学硕上学位论文 高速光通信s m f 信道中n r z 和r z 码型研究 摘要 本文针对i m d d 高速光通信系统s m f 单信道，就r z 码与 n r z 码的传输性能进行了全面洋细的仿真计算、讨论，覆盖了光 纤信道的群速度色散、自相位调制、偏振模色散、传输距离、占 空比、输入光功率、色散管理方案、损耗管理方案等各个方面对 码型传输性能的的影响。 本文从理论上探讨了r z 码具有优势的实质，认为长距离高 速率传输已经提供了r z 码占有优势的基本条件。本文认为两种 码型的传输性应该在它们得到最好的展现的条件下进行比较，这 样刁。能说明两种码型的优势。文中利用软件模拟了s m f 单信道 1 0 g b s 和4 0 g b s 码率下n r z 码和r z 码的传输性能。探讨了 4 0 g b s 码率下r z 码的最佳占空比问题，认为最佳占空比为0 5 。 探讨了4 0 g b s 码率下n r z 码和r z 码的最大传输距离和最佳输 入光功率，在本文仿真条件下，n r z 码的最大传输距离为2 5 0 k m ， 最佳输入光功率为1 2 5 m w ；r z 码的最大传输距离5 0 0 k m ，最佳 输入光功率为4 m w ，认为r z 码的传输性能优于n r z 码。在此 基础上，本文比较了r z 码的三种色散管理方案，认为后补偿方 案要比前补偿方案和对称补偿方案好；比较了p m d 对两种码型 传输性能的影响，认为r z 码的抗p m d 能力比n r z 码强，并在 国家8 6 3 项目“光纤偏振模色散自适应补偿技术”中观察了两种 码型对p m d 效应的抵抗能力，实验结果与仿真结果取得了良好 的一致。 关键词：n r z 码r z 码占空比p m d 色散管理方案 北京交通人学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei s s u eo fw h i c hm o d u l a t i o nf o r m a t n o n r e t u m t o z e r o ( n r z ) o rr e t u m t o - z e r o i sb e t t e ri na n i n t e n s i t y m o d u l a t e dd i r e c t d e t e c t i o n o p t i c a ls y s t e mk e e p sr e s u r f a c i n g i nt h i sp a p e r , ad e t a i ld i s c u s s i o n a n ds i m u l a t i o nh a sb e e n p e r f o r m e d a b o u tt h e p r o p a g a t i o n p e r f o r m a n c ei n d d d dt r a n s m i s s i o n s y s t e mo v e rs t a n d a r ds i n g l e m o d e f i b e r ( s m f lt a k i n g i n t oa c c o u n t ； g r o u pv e l o c i t y d i s p e r s i o n ( g v d ) ，s e l f - p h a s em o d u l a t i o n ( s m f ) d u e t ot h ek e r r n o n l i n e a r i t y , p o l a r i z a t i o n - m o d ed i s p e r s i o n ( p m d ) ，p e r i o d i c a l a m p l i f i c a t i o n w i t i la s en o i s et r a n s m i s s i o n d i s t a n c e d u t yc y c l e o p t i c a li n p u tp o w e r , d i s p e r s i o nm a n a g e m e n ts c h e m e ，l i n e a rl o s s e s m a n a g e m e n t s c h e m e sa n ds oo n t h e o r e t i c a la n a l y s i sh a sb e e nm a d ei nt h i s 口a ：p e rt h a tw h a t c a u s e st h ea d v a n t a g eo ft h er zf o r n l a to v e rn r z t h ea i mo fl o n g d i s t m r c eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nh a so f f e r e dt h eb a s i cc o n d i t i o n f o rt h e s u p e r i o r i t yo ft h e r z t h ec o m p a r i s o no fn r za n dr z p e r f o r n l a n c e s h o u l db em a d ew h e nt h e ya l lc o m et ot h eb e s t e m c i e n c y t h ep r o p a g a t i o np e r f o r m a n c eo f n r z a n dr zi nt h es m f s i n g l ec h a n n e lo v e rl o g b sa n d4 0 g b ss y s t e mh a sb e e ns i m u l a t e d u s i n gao p t i c a ls y s t e md e s i g n i n gs o f t w a r e t h es i m u l a t i o ns h o w s t h a t t h eo p t i m u md u t yc y c l eo fr zf o r m a to v e r4 0 g b ss p e e di s0 5 a n d t h em a x i m u ma v a i l a b l ed i s t a n c eo f r zi s5 0 0 k m 2 5 0 k mo f n r z t l l e m a x i m u mo p t i c a li n p u tp o w e ro fr zi s4 m w ：w h i l en r z1 5 m 、矾 t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er z m o d u l a t i o nf o r m a tw i t hd u t yc y c l e = 0 5 i ss u p e r i o rt ot h ec o n v e n t i o n a ln r z m o d u l a t i o nf o r m a t t h es a l t l ei s t h ec a s ew i t hp m dt o l e r a n c ee i t h 钉j nt h es i m u l a t i o no rj nt h e e x p e r i m e n t a t i o n t h es t u d yo ft h et h r e ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n s c h e m e ss h o w st h a t p o s t c o m p e n s a t i o n i s s u p e r i o r t ob o t h p r e - c o m p e n s a t i o na n ds y m m e t r i cd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n k e yw o r d s ：n r zf o r m a t ，r zf o r m a t ，d u t yc y c l e ，p m d d i s p e r s i o nm a n a g e m e n t s c h e m e 1 1 北京交通人学硕十学位论文 第1 章概述 迄今为止，所有实用的光纤通信系统都是采用非相干的强度 调制直接探测( i m d d ) 方式 1 ，设计一个光通信系统的第一步就 是确定如何将电信号转换成光比特流。在m d d 光纤系统中有两 种基本的调制码型，n r z 码和r z 码。n r z 码的光脉冲占据了整 个比特周期，并且在连续的比特1 之间其幅度不降为0 ：而r z 码的脉冲集中在比特周期中的某个时间段上并且其幅度在比特持 续时间完成前会归回到0 。这样，n r z 码的脉冲宽度就比特i 的 连续个数不同而不同，但r z 码则可以保持相同的脉冲宽度。 2 调制码型的问题( n r z 和r z 的对比) 已经引起很大的关注 3 】。在长距离高速w d m 通信系统中传输信号时调制码型的选择 对达到良好的系统性能是至关重要的。9 0 年代初人们就曾分别研 究过n r z 码和r z 码的性能，但由于当时的工作码率较低，精力 主要集中在光接收端机的性能上，而将传输通道假设为理想媒质 4 。随着近些年高码率光纤通信的发展，以及光放大器e d f a 的 有效利用，人们对n r z 码和r z 码的讨论也注入了新的内容：一 方面，e d f a 的使用使非线性效应以及a s e 噪声成为了影响系统 性能的重要因素；另一方面，随着光通信码率的大幅度提高，光 纤信道因带宽有限导致的串扰也大大增强。因此，针对这些新情 况就需要新的研究来分析n r z 码与r z 码在光纤系统中的性能。 于是关于n r z 码与r z 码的争论也主再次引发。 1 9 9 6 年，k e r m s e r 等人分析了标准单模光纤中r z 与n r z 码的传输性能，并指出在1 0 g b s 蹦d d 光纤传输系统中，r z 码 性能优于n r z 码 5 】。s u n n e r u d h 等人从p m d 导致系统恶化的 角度比较了这两种码型，也认为r z 码优于n r z 码，因为与n r z 码相比，r z 码在传输之后仍能很好的限制在比特周期内，低占 空比、孤子效应、前向纠错( f e c ) 、大功率余量的综合效果可以消 除系统对p m d 补偿的需要【6 。f r i g n a c y 等人也认为r z 码更能 抵抗单信道非线性效应的影响f 7 。但w i n z e r p j 等入提出了对立 的观点，认为n r z 码抗p m d 能力更强而优于r z 码【8 。c o m w e l l w d 认为n r z 码能比r z 码提供更小的通道间隔，并能减小终端 机的复杂性和成本 9 1 。f o r g h i e r i f 也认为n r z 码更能抵抗由光纤 传输引起的恶化 1 0 1 。 北京交通大学硕 学位论文 到目前为止，多数1 0 g b s 及以下光通信系统使用n r z 码( 2 】。 原因主要是因为n r z 码占有的信号带宽较小，r z 码在光域里引 起人们的注意是从1 9 9 9 年左右人们发现r z 码有利于高容量光波 系统的设计之后才开始的。色散管理孤子系统中传输于周期性的 光纤链路中的啁啾脉冲就是一个利用r z 码的一个例子，其中平 均色散是用来抵消非线性效应的积累的。随后人们又发现了另一 种形式的r z 码，这就是啁啾r z 码( c r z 码1 。c r z 码每个比特 周期中的光脉冲在入纤前都是啁啾的，但系统是运行在一个准线 性的状态中。在微波通信领域里常用的一些调制码型也有一些被 用到光域里来，比如载波抑制归零码( c s r z ) ，单边带或者残余边 带码。与标准的r z 码相比，这类r z 码主要优点就是带宽减小 了 3 。 r z 码和n r z 码这两种码型哪种更有优势，在色散和非线性 共同作用时很难确定。因为使用r z 码时，较短的脉冲有较大的 展宽余地，但同时由于较小的色散长度，短脉冲展宽得比长脉冲 严重。对于给定的平均功率，短脉冲还具有较高的峰值功率，当 然也就要受到更大的非线性效应的影响，但同时r z 码又可以从 类孤子效应中受益 2 】。对于这两种码在w d m 色散管理系统中， 可以很直观地得到以下两点猜想：第一，由于r z 码具有较高的 峰值功率，它将更容易受到非线性的影响，又由于其脉冲较窄， 受到色散的影响也就会更大；第二，由于n r z 码的脉冲时间较长， 脉冲之间的相互作用时间也就会更长，n r z 码受到非线性的影响 也会更大。因此判断两种码型的优劣不可一概而论。本文就 i m d d 系统中光纤信道上r z 码和n r z 码的传输性能进行了比 较。 本文的主要工作及其意义 从理论上探讨了r z 码具有优势的实质，并且基于这一实质 第一次通过加拿大o p t i w a v e 公司著名光通信系统设计软件o p t i s y s t e m 全面考虑s m f 光纤效应( 损耗、g v d 、s p m 等) 对两种码型 在s m f 信道上进行了比较。 首次探讨了4 0 g b s 码率下r z 码的最佳占空比问题，利用软 件模拟了s m f 单信道1 0 g b s 和4 0 g b s 码率下n r z 码和r z 码 的传输性能。 北京交通大学硕士学位论文 两种码型的传输性能在它们得到最好的展现的条件下进行了 比较，这样更能说明两种码型的优势。 在1 0 g b s s m f 单信道中，在无损耗情况下，利用光通信系统 设计软件o p t i s y s t e m 对两种码型在t0 g b s 码率理想情况下的传输 距离进行比较。 在s m f 光纤信道中，对两种码型在1 0 g b s 码率下考虑信道 损耗，但使用e d f a 对损耗进行周期性补偿，考虑e d f a 引入的 自发辐射噪声，采用q 值对两种码型进行比较。 在4 0 g b s 码率下，讨论了放大自发辐射噪声( a s e ) 和自相位 调制( s p m ) 在不同输入光功率的条件下单独作用时对r z 码的传 输性能的影响。 比较4 0 g b s s m f 单信道色散管理系统中两种码型在e d f a 中 继和d c f 色散补偿条件下的优势区别，以及不同占空比对r z 码 的影响，采用三种色散补偿方案( 前补偿方案、后补偿方案和对 称补偿方案) 进行模拟比较。 比较了p m d 对两种码型传输性能的影响，并在国家8 6 3 项 目“光纤偏振模色散自适应补偿技术”中观察了两种码型对p m d 效应的抵抗能力。 光通信系统中n r z 和r z 是两种最基本的调制码型，在这两 种最基本的调制码型的基础上，不断的涌现新的调制技术，出现 了差分相移键控r z 码( d p s k - r z ) 、伪线性r z 码、啁啾p , z ( c r z ) 码、全谱r z ( f s r z ) 码、双二进制r z ( d r z ) 码、载波抑制归零码 f c s r z ) 等等，这些新的调制技术能降低o s n r 容限、增加色散受 限距离，克服非线性效应和p m d 效应等，并且目前码型技术已 经与f e c 、r a m a n 放大和色散补偿技术等，构成超长距离d w d m 传输的关键技术。但是，无论新调制技术是多么变幻无穷，但都 是基于n r z 和r z 这两种传统码型的基础上的。本文从s m f 单 信道上码型传输性能的角度数值模拟了色散、s p m 、a s e 、输入 光功率、r z 码占空比、色散及损耗管理方案等对两种码型的影 响，在导师李唐军教授和清华大学娄彩云教授进行国家8 6 3 项目 光纤偏振模色散自适应补偿技术时顺便观察了p m d 对n r z 码和 北京交通入学硕士学位论文 r z 码传输性能的影响，仿真结果与实验观察结果取得了良好的 一致。文中的模拟方法和比较方式都将为认识、选择光通信系统 中的调制码型、设计耗损和色散管理方案提供有价值的参考。 北京交通人学硕卜学位论文 第2 章r z 码与n r z 码传输性能的理论比较 所有的数字光波系统都是以一连串的“1 ”和o 组成的比 特流方式传输信息。比特率b 决定每比特的宽度即比特周期，记 作t b = 1 1 3 。每个比特1 通过在比特周期中引入一个光脉冲来 表示。当使用归零码( r z ) 时，此脉冲占据比特周期的一部分； 当使用非归零码( n r z ) 时，脉冲占据整个比特周期。使用不同 的码型，光比特流在光纤链路传输过程中受到损耗、g v d 和各种 非线性效应的影响也不同，这样两种码型的性能也必定与输入功 率、占空比大小以及中继距离和色散补偿方案密切相关。要正确 选择恰当的码型必需找出它们与平均输入功率、占空比大小以及 中继距离和补偿方案的关系。 2 1 光纤中r z 码和n r z 码的传输理论 2 】： 光脉冲在单模光纤内的传输可由非线性薛定谔方程描述为 罢+ 詈一+ 孕豢一鲁券= i ，2 “+ 去嘉2 爿) 一靠一訾i ，、 。 。u - i j a 是慢变振幅，o 是光纤损耗参量，b2 和b3 是线性和高阶 色散因予，z 和t 分别是空间参量和时间参量，t r 是拉曼增益系 数，uo 是中心频率，y 是非线性因子。对脉宽t o 5 p s ，参量( 。 o t o ) 1 和t r t o 很小( 小于o 0 0 1 ) ，同时对这种脉冲，三阶色散项 的贡献也很小( 只要载波波长不十分接近光纤零色散波长) 。因此 可将方程化为 ，争丝2 + 鱼2 祟0 t 州一 ( 2 2 ) 出 2 r 22 、 做归一化处理，引入归一化的时间量 半扎 = 丁一矗 = f 北京交通大学硕士学位论文 归一化振幅 t 21 l _ 、2r i g = 一 以及色散长度”川和非线性长度“编 ( 2 3 ) p o 为入射脉冲的峰值功率。于是可得到u ( z ，t ) 满足的方程 警叫掣2 l 罂o r + r l n l f u f 一 ( 2 4 ) 如 d 2 。 f、 西：一f 她竺 哥；f u 1 2 引入差分算符2 k 。，和非线性算符 k ，这样 方程即可写为 詈。( ( 2 5 ) 靠 ，、 在频域，这两个算符都是数，因此可以用分步傅里叶方法求 解了。 方程( 2 2 ) 右边的三项分别对应光脉冲在光纤中传输时的吸收 效应、色散效应和非线性效应。根据入射脉冲的初始宽度t o 和峰 值功率p o 决定脉冲在光纤内演变过程中是色散还是非线性效应 起主要作用。色散长度l d 和非线性长度l n l 给出了沿光纤长l 方向脉冲演变过程的长度量，它说明色散和非线性效应在光脉冲 在光纤中传输过程中的程度。当光纤长度l l o 、l l n l 时，色 散和非线性效应都不起重要作用：当纤长l l n l ，而l 。l d 时， 脉冲演变过程中g v d 起主要作用，非线性效应相对较弱；当纤 长l l n l ，仍然是n r z 码占优势。毫无 疑问，小功率或者过大功率传输信号对r z 码都是不利的。 但对于光纤长l l d ，l l n l 时，脉冲在光纤内传输过程中， 色散效应和非线性效应可以比拟，两者将对脉冲的演变共同起作 用。g v d 和s p m 效应的互作用与g v d 或s p m 单独起作用相比 较有不同的表现，在正常色散区( 屈o ) ，g v d 和s p m 可对脉 冲进行压缩；在反常色散区( z i d 就认为是比特1 ；如果i i 。，则认为是比特0 。由于系统噪声的影响导致在比特1 时出 现i i d 而被判决为1 也发生了误码。通过以下 误码率的定义可以包括两种误码的来源： b e r = p ( 1 ) p ( o 1 ) + p ( o ) p ( i o ) ( 2 6 ) 这里p ( 1 ) 和p ( 0 ) 分别是接收比特1 和比特0 的概率，p ( 0 1 ) 是接收到的是“1 ”却被判为“0 ”的概率，p ( i o ) 是接收到的是“0 ” 北京交通大学硕十学位论文 却被判为“1 ”的概率。对于脉冲编码调制比特流，比特1 和比特 0 发生的概率相等，于是有 b e r = 【p ( 0 1 ) + p ( i 0 ) 2( 2 7 ) 一 ； ” 、 ，t 一。y 一厶箍 缁 = ，一 ( 口j ， 图2l ( a 】表示判决电路接收到的叠加了噪声的比特流，( b ) 表示比特l 和比特0 的高斯 概率密度。阴影区表示错误识别概率。 图2 1 f a ) 表示判决电路接收到的叠加了噪声的比特流，图( b ) 表出了p ( o 1 ) $ hp ( i o ) 是怎样取决于取样值i 的概率密度函数p ( i ) 的。而概率密度函数p ( i ) 的形式取决于造成当前波动的噪声源的 统计。通常认为这一统计服从高斯分布。因为两个高斯随机变量 之和也是高斯随机变量，因此取样值i 也服从高斯概率分布。但 对比特1 和比特0 的均值和方差是不相同的。 刖棚2 赤酬一等h d 摇k ， ；上。o 2 , f 7 r c x , , 一 - 等h 以错 ( 2 ， oo 和o1 分别是相应于比特1 和0 时取样值的方差。于是可 以得到 唧= ； 以锩h 髻 ( 2 1 0 ) 北京交通大学硕士学位论文 由此可以选择最佳闽值i d ，使b e r 最小，这时我们就可以 得到我们要求的e 因子 。：j 趔 盯】+ ( 2 1 1 ) 误码率( b e r ) 此时可以表示为 咖2 船卜警埘 u 艮n ( e y eh e i 曲t ) 通过下式计算 日，2 ( 一3 q ) 一( 7 。+ 3 a o ) ( 2 1 3 ) 眼幅( e y ea m p l i t u d e ) 为 b2 一7 。 ( 2 1 4 ) 眼闭度( e y ec l o s u r e ) 为 e2 m i “( h ) 一m a x ( v o ) r 2 1 5 ) 这里m i n ( v i ) 是接收到比特1 时的最小幅值，m a x ( v o ) 是接收 到比特0 时的最大幅值。 眼开度为 e 2 紫( 2 1 6 ) q 参数经常被用来表征光波系统的性能。在数值模拟中，计 算q 值时首先要在光域中对方程( 2 z ) t ga ( l ，t ) 进行滤波以选取 特定信道，并利用i ( t ) = r d a ( l ，t ) 1 2 把比特流转换到电域，然后再 用带宽为b e 的滤波器对电信号滤波。其中，r d 是光电探测器的 响应率：b e 要比比特率b 小，典型范围为0 6 b - - - 0 8 b 3 。 北京交通大学硕士学位论文 第3 章r z 码与n r z 码1 0 g b s 码率下传输性能的 模拟比较 3 1 无损耗情形时r z 码和n r z 码的传输性能 我们先进行无损耗情形时的模拟计算，设损耗系数为零，这 样更能凸现s p m 和g v d 的相互作用，也便于我们对两种码型的 比较。 3 1 1 模拟参数的选择 对于标准单模光纤( s m f ) 在1 5 5 0 n m 处高速光通信系统来 说，最基本的限制是线性色散。s m f 1 5 5 0 n m 色散因子典型值 p2 = 一2 0 p s 2 k m ，导致色散d = 1 6 p s ( n m k m l 。比特率b = 1 0 g b s 时，比特周期t b = 1 0 0 p s 。我们考虑高斯脉冲，占空比 p 。耳矗20 , 5 ，那么一5 0 p s 。而w u2 2 0 n 2 y “r o 。选择占空比 为o 5 的原因将在后面进行分析。 所以入射脉冲初始宽度r o “3 0 p s 。相应的色散长度 “2 茼“5 椭。 k ：黑。1 8 0 k i n 对于n r z 码，色散长度 川 用o p t i s y s 软件进行本节的模拟计算时，选用的参数有： 比特率b = 1 0 g b s 伪随机码序列长度为2 7 1 每比特取样点数为1 2 8 以上参数在两种码型下都不变。 对r z 码采用高斯脉冲，占空比设为p = 0 5 ，上升时间 t r = 0 1 5 b i t ，下降时间t f = 0 2 5 b i t 。 北京交通大学硕上学位论文 外调制连续波激光器载波波长x = 1 5 5 0 r m l ，光源线宽取为 0 1 m h z 。 在讨论无损耗情形时，我们只是认为其损耗1 2 = o 。但是其他 因素如色散、自相位调制和偏振模色散等还是要考虑的，其实这 就相当于用不会引入a s e 噪声的理想e d f a 来补偿光纤的线性损 耗。标准单模光纤( s n f ) 的性能参数取以下值： 色散d p s ( n m k i n ) 1 7 色散斜率p s ( n m z k m ) o 0 8 1 1 3 1 非线性因子7 ( i 而j 如果考虑线性损耗则取oo 2 ( d b k r n ) 表3 1s m f 忡能参数 无损耗情形时r z 码和n r z 码1 0 g b s 传输性能的模拟结果 图31r z 码和n r z 码的传输模拟系统结构图 嚣 在模拟过程中，我们将激光器功率在r z 码时设为8 7 5 m w 而在n r z 码时设为1 5 m w ( 原因稍后将作说明) ，用不同光纤长度 进行计算，对r z 码计算出传输距离分别为5 0 k m 、1 0 0 k m 、1 5 0 k m 、 2 0 0 k m 、2 5 0 k m 、3 0 0k m 、3 5 0k r n 、4 0 0k m 、4 5 0k m 、5 0 0k m 时 的q 值，而对n r z 码则算出光纤长度分别为5 0 k m 、1 0 0k m 、 1 5 0 k m 、2 0 0 k m 、2 5 0 k m 、3 0 0k m 、3 5 0 k m 、4 0 0k m 时的q 值， 因为长度大于4 0 0 k m 时，n r z 码传输后的最大q 值远小于6 。计 算结果如下图 北京交通人学硕士学位论文 图321 0 g b s r z 码经小同光纤k 度传输后得到的q 值 “ ，0 品。 o8 图331 0 g b s n r z 码经小同光纤长度传输后得到的q 值 传输距离r z 码的最大q 值n r z 码的最大q 值 5 03 4 9 0 3 99 5 8 3 8 7 1 0 02 9 2 9 1 2 6 6 0 7 3 8 1 5 02 6 0 8 1 71 8 8 5 6 2 2 0 01 8 + 0 4 1 42 1 8 7 1 4 2 5 02 2 5 4 3 42 6 4 8 3 7 3 0 0 1 9 1 4 6 91 8 8 7 3 7 3 5 01 6 5 3 8 51 8 0 5 9 7 4 0 01 3 0 8 0 73 4 2 6 1 2 4 5 01 0 7 2 6 5 5 0 07 4 2 8 5 5 表3 21 0 g b s r z 码与n r z 码在各种传输距离下的最大o 值 由图3 2 和图3 3 以及表3 2 可以看出，在无损耗情形时，r z 码可以传输到5 0 0 多公里，而n r z 码只能传到1 0 0 k m ，可见， 在理想状况下，r z 码的传输距离是n r z 码的5 倍多。 1 3 口o 北京交通火学硕l 学位论文 幽34 入射功率为8 7 5 r o w 和| 5 r o w ，传输距离为5 0 k m 时n r z 码的眼图及q 值 ( a ) 8 7 ，5 r o w ，( b ) 15 r o w o n 脚品；一1 ( a ) 1 4 isjt e 口= e 口 e 。岍 e 。刊 北京交通人学硕士学位论文 圜35 入劓功率为8 75 r o w 和1 5 m w ，传输距离为1 0 0 k m 时n r z 码的眼图及q 值 ( a ) 8 75 r o w ，( b ) i5 m w 图36 入射功率为8 75 m w 和1 5 m w ，传输距离为1 5 0 k m 时n r z 码的眼圈及q 值 ( a ) 8 7 5 r o w ，( b ) l5 r o w 1 5 北京交通大学硕士学位论文 图37 入射功率为8 75 r o w ，传输距离为2 5 0 k m 时r z 码的眼图及q 值( a ) e n n s e r 和 p e t e r m a n n 计算出的无损s m f l 0 8 k m 时n r z 码的眼图【5 】 比较图3 轧3 7 发现，入射功率为8 7 5 m w 时n r z 眼图远远 劣于1 5 m w 的时候，这说明并非入射功率越大越好。入射功率越 l = 一 大，非线性长度“成也越小，这也无疑加强了光纤信道中非线 性效应的作用。在尽量达到最佳传输距离时，r z 码的输入功率 ( 8 7 5 m w ) 可以比n r z 码高得多。这一点在后面将作更详细的讨 论。 图3 7 ( b ) 是e n n s e r 和p e t e r m a n n 计算出的无损s m f l 0 8 k m 输 入光脉冲功率为1 2 d b m 时n r z 码的眼图 5 ，这与我们的计算结 果图3 5 ( b ) 获得了相当的一致。 0 通过以上计算讨论可以得出结论，在无损耗情形时，1 0 g b s s m f 信道中，r z 码的无中继传输距离可达到5 0 0 k m ，是n r z 码 的5 倍之多；r z 码的输入功率( 8 7 5 m w ) 可以比n r z 码高得多。 北京交通大学硕士学位论文 3 2 考虑线性损耗并进行周期放大时两种码型的传输 性能比较 下面我们考虑线性损耗并用e d f a 进行周期性放大，对光纤 线路的损耗进行管理。光纤在1 5 5 0 r i m 波长附近有最小损耗。事 实上大多数现代光波系统都工作在这个波长附近以光纤损耗的影 响最小化。尽管如此，光信号仅在1 0 0 k i n 长链路上的损耗因子就 达1 0 0 或更多。要实现长途光通信，显然光纤损耗就必须得到周 期性补偿以便信号功率增强至初始值。一个8 0 年代特有的而s 又普遍采用的技术就是采用中继器再生光信号。在此技术中，比 特流首先转换成电信号( 利用光接收机) ，然后借助光发射机再生。 由于每个中继器都要对所有信道解复用，这项技术对w d m 来说 就变得非常麻烦也很昂贵。而光纤放大器能同时放大多个w d m 信道，因此几乎所有的w d m 光波系统都使用光放大器来补偿光 纤损耗。图，q 画出了如何周期性地使用光放大器来进行光纤线 路的链接，使光纤传输距离增加而又能保持光信号的初始波形。 多数系统使用集总放大器，即用短长度( 1 0 k i n ) 的掺铒光纤补偿 5 0 k m 到1 0 0 k m 长度光纤的累积损耗。因为所有的放大器都通过 自发辐射在信号中加入了噪声，放大器噪声对系统应用成为最根 本的限制因素，所有放大器都会使放大信号的信噪l e ( s n a ) 降低， 所以在模拟过程中也必须将光纤放大器的噪声计算在内。实验结 果证明，在e d f a 中能实现噪声指数接近于3 d b 的低噪声水平， 这使e d f a 成为w d m 光波系统应用领域的理想选择【3 】。 3 2 1 光脉冲放大过程的数学描述 脉冲在光纤放大器中的传输可以用广义薛定谔( n l s ) 方程描 述，忽略双光子吸收时，放大过程可以表示为 罢+ 垃掣而0 2 4 叫m + 扣加胞3 1 ) 北京交通大学颁士学位论文 式中，g o 增效系数，正项表示远离增效峰值的光脉冲频谱分 量的增益降低( 增益色散) ，正g ，) 表示自发辐射引入的噪声。白发 辐射引入的噪声平均为0 ，于是就有机( z ，7 = 。如果噪声模型按 高斯统计的马尔可夫随机过程考虑，那么二阶矩可以写成 ( 0 ，7 耽g ，7 n s p h v 0 9 。5 。一z ) 6 ( t - t ( 3 2 ) 式中，“”是自发辐射因子，6 v 0 是平均光予能量，两个6 函数 保证所有的自发辐射事件相互独立。周期性地使用集总放大器时， 典型的放大器长度比色散长度和非线性长度短得多，由此方程 ( 3 1 ) 中的c t ，晟和r 都可以设为0 。如果增益色散也被忽略，即 疋。o ，这个方程可在整个放大器长度7 a 上积分，并得到 k ( 7 ) 。g ( 7 ) + 吒( 7 ) ( 3 3 ) 式中，g 2 e x p ( g 。l ) 是集总放大器的放大因子。放大器附加的自 发辐射噪声为 州耻栅b g o ( i - z ) 卜( 3 ，) 再由式( 3 2 ) ，吒( 7 ) 的二阶矩可以写成 ( a 一( 7 ) a a r ) ) = 3 ”5 ( t - t ) ( 3 4 ) 其中2 ( g - 1 ) 6 ”。是放大自发辐射噪声( a s e ) 的频谱密度。6 函数表明，a s e 频谱密度是与频率无关的。在实际的放大器中， 增益频谱决定a s e 带宽。为了减少放大器导致的噪声，经常在放 北京交通大学倾士学位论文 大器后面紧接着放置一个光滤波器，这样噪声只在滤波器带宽范 围内积累，a s e 功率变为 2 h r p 一) 。v “6 v 7 ( 3 5 ) 其中，h r 是传输函数，v 。是中心频率，嘶是滤波器的3 d b 带宽( f w h m ) 。 在一个串联集总放大器光纤链路中，a s e 噪声从一个放大器 到另一个放大器不断积累，可以增大到很高的水平。假定所有的 放大器距离间隔为常数l a ，增益g = e x p ( al a ) 刚好满足补偿每 段光纤的损耗，那么含有n a 个放大器的链路上的整个a s e 功率 由下式给出 e , p = n j h v 2n p h v o 虬( g 一1 ) , a v jnm 一， 显然，如果g 和n a 值大，a s e 功率可能变得很大。高a s e 水平的一个副作用是，在某点a s e 噪声开始使放大器饱和，于是 信号功率就开始在噪声功率保持增加的同时下降，导致严熏的 s n r 劣化。a s e 功率可以通过减小放大器间隔l a 来得到控制。 但实际上放大器间隔l a 不能太小，在海底应用中典型的放大器 间隔l a 小于5 0 k m ；但在链路长度小3 0 0 0 k m 的陆地系统中可以 增加到大约8 0 k m 。 理想无损耗的s m f 信道，相当于无噪声的e d f a 密布在s m f 上，由于实际的e d f a 具有a s e 噪声，并且级联时噪声加强，而 且出于成本考虑，致使e d f a 使用个数的选择上做到系统性能与 成本兼顾，因此，我们总希望能做到合适而又能接受的中继距离 与合适的系统性能二者兼得。 对于我们研究的高速s m f 光纤系统，如果中继距离过大，损 耗的功率得不到适当且及时的补偿，s p m 平衡g v d 的能力也会 大大减弱，将使g v d 占据系统的主要地位，从而使r z 码无法获 得超越n r z 码的优势性能。由此可见，为获取r z 码的优势性能， 就得选取适当的e d f a 中继间距。 北京交通大学硕士学位论文 3 2 2 模拟参数的选择 在下文的模拟计算中，e d f a 的噪声指数设为5 d b 。经过计 算比较发现，对于1 0 g b s 码率，在不考虑色散管理的时候，为获 取r z 码的优势性能，e d f a 的间距应当取在2 5 k m 左右。而n r z 码的中继距离则选择在2 5 k m 到5 5 k m 这个范围内效果相近。当 然e d f a 间距越小，r z 码的优势越大，但这样会增加系统成本， 而从另一方面削弱r z 码的优势。因此在模拟计算时两种码型的 中继距离都选择2 5 k m 。 b e s s e l 光滤波器中心波长 = 1 5 5 0 n m ，带宽为4 倍比特率。 低通b e s s e l 电滤波器截止频率为0 7 5 倍比特率。 我们来比较线性损耗情形下r z 码和n r z 码的传输情况。 r z 码采用高斯脉冲，占空比设为p = 0 5 ，上升时间 t r = 0 1 5 b i t 下降时间t & o 2 5 b i t 。 n r z 码也采用高斯脉冲，上升时间t r = 0 1 5 b i t ，下降时间 t f = 0 2 5 b i t 。 外调制连续波激光器载波波长 = 1 5 5 0 n m ，光源线宽取为 o 1 m h z 。 标准单模光纤( s m f ) 的性能参数取值同表( 3 1 ) 。 f 二皇 p 敷- 壤地虹她簿 图3 8r z 码和n r z 码的传输模拟系统结构图 对损耗进行管理，我们采用e d f a 的间隔l a = 2 5 k m ，使用 光纤环路控制器。首先设置不同环数，考察两种码型的传输距离， 北京交通大学硕士学位论文 选定合适的传输距离后再对激光器输出功率进行扫描，探讨激光 器的最佳输出功率。 3 2 3 线性损耗下r z 码和n r z 码传输性能的模拟结果 3 2 3 1 两种码型传输距离的比较 对r z 码进行数值模拟时，我们计算了光纤长度为6 2 5 k m ， 7 2 5 k m ，8 2 5 k m ，9 2 5 k i n ，1 0 2 5 k m ，1 1 2 5 k m 这六种情 况进行了比较，图；9 是在这六种不同长度下算出的q 值。 吲39 光纤k 度为2 5 n k m ( n = 6 ，7 ，1 1 ) 时r z 码的q 值( 右边彩色方框为图例，从 往 下依次对应r t = 6 ，7 ，11 ) 毫无疑问，在没有对色散进行补偿的情况下，q 值随着传输 距离的增加不断降低，当距离增加到大于2 2 5 k m 以后，q 值将小 于6 ，这将不符合光波系统的典型要求。 图3l o 传输距离为2 0 0 k i n 时r z 码的眼圈和q 值 北京交通大学硕士学位论文 图3 1 i 传输距离为2 2 5 k m 时r z 码的眼图和q 值 图31 2 传输距离为2 5 0 k i n 时r z 码的眼图和q 值 计算表明，延长传输距离使之超过2 2 5 k m ，最大q 因子将小 于6 ，因此要取得较好的q 因子，2 2 5 k m 就是最大的传输距离。 对n r z 码进行数值模拟时，我们计算了光纤长度为3 2 5 k m 。4 x 2 5 k m ，5 2 5 k m ，6 2 5 k m ，7 2 5 k m 这五种情况进 行了比较，图3 1 3 是在这五种不同长度下算出的q 值。 北京交通人学硕士学位论文 n 313 传输距离为2 5 n k m ( n = 3 4，7 ) 时n r z 码的q 值( 右边彩色方框为图例，从卜往 下依次对应n - 3 , 4 ，7 ) q 值随着传输距离的增加不断降低，当距离增加到大于 1 0 0 k i n 以后，如图3 1 4 和图3 1 5 ，q 值变得小于6 ，这将不符合 光波系统的典型要求。因此可以得出结论，在这里所选择的模拟 条件下，n r z 码的最大传输距离是1 0 0 k m 。 e q 31 4 传输距离为1 0 0 k i n 时n r z 码的眼图和q 值 北京交通大学颤十学位论文 图3 1 5 传输距离为1 2 5 k m 时n r z 码的眼图和q 值 3 2 3 2 两种码型的输入脉冲功率的比较 。： 脉冲的入纤功率通过非线性长度成决定着非线性效应 的的作用范围，非线性长度l n l 给出了沿光纤长l 方向脉冲演 变过程非线性效应起作用的长度量，它说明非线性效应在光脉冲 在光纤中传输过程中的程度。并常常跟色散长度一起将光纤中的 脉冲传输分成三个不同的区域。当光纤长度l l d 、l l n l 时， 色散和非线性效应都不起重要作用；当纤长l l n l ，而l l d 时，脉冲演变过程中g v d 起主要作用，菲线性效应相对较弱： 当纤长l 0 1 k m ，可以认为i c 幻蕾五巧妇番j 1 型塑l 芎l 厂1 二二- l 在4 0 g b sp m d 补偿系统中，采用d f b + e a m 作光源、4 1 0 g b s 复用、利用光电振荡器提取1 0 g h z 的帧时钟、( 电吸收调 制器) e a m 解复用的4 0 g b s 系统；光路中分别插入p m d 仿真器、 光放大器等器件；p m d 补偿器位于解复用器之前，p m d 动态自 适应补偿过程的实现是通过在输出端提取部分光信号测量其与 p m d 相关的d o p 信息，反馈控制p m d 补偿器，最终使得光信 号的d o p 达到最大或p m d 达到最小，这个反馈控制过程采用加 速自适应的优化过程来完成；利用美国泰克公司的5 0 g b s 光通信 信号分析仪( t e x t r o n i xc s a 8 0 0 0 ) 对p m d 动态自适应补偿器的 补偿性能进行测试。 图43 71 0 g b s n r z 码信号及经随机变化的p m d 模拟器后信号的眼图 北京变通大学硕l 学位论文 图43 81 0 g b sr z 码信号及经随机变化的p m d 模拟器后信号的眼圈 图43 94 0 g