（物理电子学专业论文）基于dpsk的新型调制格式在高速光纤传输系统中的应用.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 基于d p s k 的新型调制格式在高速光纤传输系统中的应用 摘要 基于波分复用( w d m ) 的光纤通信技术的飞速发展，给整个通 信结构带来了革命性变化。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，各种限制因素的影响也逐渐变大。 与此同时，各种用于克服这些限制因素的关键技术也应运而生，其中 采取新型的调制编码方式即是最为有效的手段之一。 论文通过建立系统仿真平台，对各种基于差分相移键控( d p s k ) 的调制格式在4 0 4 0 g b sd w d m 传输系统中的性能进行了研究。论 文主要工作如下： 1 、基于d p s k 新型调制格式的系统设计 对4 0 x 4 0 g b s 的d w d m 传输系统进行了深入的研究，详细分析 了n r z d p s k 、r z d p s k 、c s r z 。d p s k 等几种新型调制格式在 s m f 2 8 、l e a f 、t r u e w a v er s 、p u r e g u i d e 四种光纤和不同色散管理 方案下的系统传输性能并对几种调制格式进行了比较。仿真结果表明 不同调制格式下光纤种类的选择取决于系统的要求，最优码型的选取 也要取决于系统配置，在实际系统设计时需要综合考虑。 2 、c r z d p s k 调制格式的性能分析 首次详细分析了c r z d p s k 调制格式在4 0 x 4 0 g b i t sd w d m 系 统中的传输性能以及不同信道间隔对其影响，并与r z - d p s k 调制格 式进行了性能比较。仿真结果表明c r z d p s k 在较宽的信道间隔下 ( 1 0 0 g h z ) 较r z d p s k 表现出更加优越的q 值特性、色散容忍度 和非线性容忍度。但随着信道间隔的减小，c r z d p s k 的传输优势逐 渐消失。特别是当信道间隔从7 5 g h z 减小到5 0 g h z 时，c r z d p s k 的性能明显恶化，但是对r z d p s k 的性能却没有明显的影响。所以 c r z - d p s k 在较宽的信道间隔下表现出良好的传输性能，但不适合用 于信道间隔较窄，如5 0 g h z 信道间隔的传输系统中。 关键词：密集波分复用( d w d m ) ，调制格式，差分相移键控( d p s k ) 色散容忍度，非线性容忍度，信道间隔 北京邮电大学硕士学位论文a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o n0 fd p s k b a s e dn o v e l m o d u l a t l 0 nf o r m a t si n g h s p e e d o p t i c a lt r a n s n s s i o ns y s t e m s a b s t r a c t r a p i dd e v e l o p m e n t o f o p t i c a l f i b e rt r a n s m i s s i o nb a s e do n w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) t e c h n o l o g yh a sb r o u g h tab i g r e v o l u t i o nt ot h ew h o l ec o m m u n i c a t i o ns t r u c t u r e t h e1 i m i t a t i o n si n h i g h c a p a c i t y , l o n g - h a u l d e n s e w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( d w d m ) s y s t e m sa l s ob e c o m em o r eo b v i o u s l y c o r r e s p o n d i n g l y , s e v e r a l k e yt e c h n o l o g i e sw h i c ha i ma to v e r c o m i n gt h e s el i m i t a t i o n sh a v eb e e n p u tf o r w a r da n di n v e s t i g a t e d a m o n gw h i c ht h en o v e lm o d u l a t i o nf o r m a t s i so n eo f t h em o s te r i e c f i v em e t h o d s t 晡sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n o fd i f f e r e n t i a lp h a s e s h i f tk e y i n g ( d p s k ) 一b a s e dm o d u l a t i o nf o r m a t si na 4 0 x 4 0 g b i t sd w d m s y s t e m t h em a i nw o r ki sg i v e na sf o l l o w s ： 1 s y s t e r nd e s i g n sb a s e do nd p s k m o d u l a t i o nf o r m a t s p e r f o r m a n c e a n a l y s e s o fa v a r i e t y o ff i b e r s ( s m f 2 8 l e 衄 t r u e w j v er sa n d p u r e g u i d e )u s i n g n r z d p s k r z d p s k c s r z d p s kr e s p e c t i v e l ya r es t u d i e di nd e t a i li na4 0 x 4 0 ( 弛sd w d m t r a n s m i s s i o ns y s t e m a n dt h e p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no ft h et h r e e d p s k b a s e dm o d u l a t i o nf o r m a t si sa l s oi n v e s t i g a t e d s i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h eo p t i m u mc h o i c eo ft h ef i b e rd e p e n d so nt h ea p p l i c a t i o n r e q u i r e m e n t sa sw e l la st h et y p eo f t h es y s t e m ，a n dt h eo p t i m u mc h o i c eo f m o d u l a t i o nf o r m a t sa l s od e p e n d so nt h ew h o l es y s t e mc o n f i g u r a t i o n i t h a st ob es o m et r a d e o f f sw h e nc o n d u c t i n gt h es y s t e md e s i g n 2 t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo fc r zd p s km 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 np e r f o r m a n c eo fc r z d p s km o d u l a t i o nf o r m a ti s i n v e s t i g a t e d u n d e rd i f f e r e n tc h a n n e l s p a c i n g s a n d c o m p a r e d w i t h r z d p s kf o r m a ti na4 0 x 4 0 ( m i 以d w d mt r a n s m i s s i o ns y s t e mf o rt h e 北京邮电大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i r s tt i m e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc r z d p s kt a k e so nb e t t e r p e r f 0 1 t l l a n c ei nq f a c t o r , n o n l i n e a rt o l e r a n c e a n dd i s p e r s i o nt o l e r a n c e w i t ht h ec h a r m e ls p a c i n go f1 0 0 g h z h o w e v e r , w i 廿lt h ed e c r e a s eo f c h a n n e l s p a c i n g ，t h es u p e r i o r i t y o fc r z d p s ki nt r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c ei sv a n i s h i n g 晒翎t h ec h a n n e ls p a c i n gi sr e d u c e df r o m 7 5 g h zt o5 0 g h z ac l e a rd e g r a d a t i o no ft h ec r z d p s k p e r f o r m a n c ei s m e a s u r e d w h i l er z d p s kd e m o n s t r a t e sr 1 0s i g n i f i c a n td e g r a d a t i o n t h e r e f o r e i tc a l lb ed r a w nt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ec r z d p s ki s c o m p e t i t i v ew i t ht h er z d p s ki n t h es y s t e m sw i t hw i d e rc h a n n e l s p a c i n g b u ti t i sn o ts u i t a b l ef o rt h es y s t e m sw i t hn a r r o w e rc h a n n e l s p a c i n gs u c ha s5 0 ( m z k e yw o r d s ：d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( d w d m ) ， 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 lp h a s e s h i rk e y i n g ( d p s k ) ，d i s p e r s i o n t o l e r a n c e ，n o n l i n e a rt o l e r a n c e ，c h a n n e ls p a c i n g 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：氲盈匕盟日期：2 塑：羔羔 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名鹣? 缘凝 日期： 羔婴兰：= ：垒羔 日期：翻! 上! l 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 光纤通信系统自问世以来，一直朝着不断提高系统容量的目标发展。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。然而，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 脚 波段就提供了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。单信道速率已由2 5 g b i t s t 】提高到4 0 g b i t s e 2 1 ，甚 至8 0 g b i t s 【3 j 、1 6 0 g b i t s e 4 1 ，而复用的信道数( 或波长数) 也由4 路增加到3 5 6 路【5 】，信道间隔由3 0 0 g h z 缩窄到2 2 2 g i - - i z t 5 1 ，并且传输距离也由几十公里延长 到上万公里 6 1 。 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日益 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 7 - 1 4 】。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 【15 ，1 6 j 。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 的调制编码格式、低噪声宽带的拉曼光纤放大器、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【1 7 艺1 1 。 1 2 高速d w d m 传输系统的各种关键技术 1 2 1 新型调制编码格式 高速d w d m 传输系统中调制格式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 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 色散( p m d ) 和带内非线性效应的影响。下面对目前光通信系统中广泛采用和 研究的几种调制格式进行简单的性能分析。 1 、基于通断键控( o o k ) 的调制格式 。 在很长一段时间里，非归零码( n r z ) 以其频谱结构紧凑，调制和解调结构 简单，与归零码( r z ) 相比在发射机和接收机中需要的带宽较小等特点一直被 作为光纤通信系统中的主要调制方式。目前采用n r z 码，采用色散管理和终端 可调色散补偿，结合e d f a + r a 放大技术，传输了2 5 4 0 k m 2 2 】。相比其它调制 格式，n r z 信号的平均发射功率较高。在4 0 g 或更高速率的系统中，又需要进 一步增加光信号发射功率以满足系统光信噪比( o s n r ) 的要求。当传输信道数 目较多并且传输距离较远时，光纤非线性效应将导致n r z 信号严重失真。 目前，在高速率的d w d m 系统中使用较多的调制格式为r z 码。r z 码调制 带宽较宽，所以相比n r z 码而言，其脉冲展宽更快，使得r z 码脉冲峰值功率 较低，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 x p m 的影响。但由于r z 码的频带宽，其色散容忍度较差。为此提出了一些改 进的新型r z 调制格式( 如载波抑制归零码c s r z 、残留带归零码v s b r z 等) ， 这些调制格式既保持了r z 码较好的传输性能，又具有更高的谱效率。 c s r z 码与传统的r z 码的不同在于c s r z 信号中相邻比特之间有一个的 相位差，也就是相邻脉冲反相传输。所以，c s r z 的载波分量得n - f 抑制，没有 直流分量，在光纤频谱中产生载波抑制，并减小了边带频谱间隔。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，所以有较好的色散和p m d 容忍度。另外，c s r z 码具有r z 码的脉冲形状，所以其对s p m 、x p m 等非线 性效应也有较好的容忍度。另外，载波抑制减少了w d m 系统中f w m 效应。 2 、基于差分移相键控( d p s k ) 的调制格式 d p s k 码的频谱宽度介于n r z 和r z 之间，比普通r z 码的频谱效率高，可 以改进色散容限、非线性容限和p m d 容限，增加传输距离。d p s k 信号采用平 衡检测，达到相同的误码率所需的o s n r 比传统o o k 信号要小3 d b 【2 3 1 ，这使得 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 信号的平衡检测相比o o k 信 号接收而言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 判决门限的工作状态【2 引。 在基于d p s k 的调制格式中，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。在r z d p s k 信号格式中，相邻1 码和0 码之间相位相差7 ，其功率 谱中没有离散的时钟分量。由于r z d p s k 也是基于d p s k 的调制方式，所以它 同n r z d p s k 一样具有d p s k 调制的许多优点，同时也具有r z 调制的一些优 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 点。但是由于窄脉冲强度取样，r z d p s k 的光纤频谱比传统的n r z d p s k 要宽， 较宽的光纤频谱会使系统更容易受色度色散的影响。 c s r z d p s k 信号格式进一步将相邻脉冲之间相位反相的特性叠加在 r z d p s k 信号上面，进一步使得信号相位分布均匀。c s r z - d p s k 的频谱特性比 较紧凑，对窄信道有更好的适应性。这种紧凑的频谱也使得它的色度色散容忍度 是r z d p s k 的2 倍，也就是说c s r z d p s k 较r z d p s k 码有更好的谱效率和 更好的光纤色散冗余度 2 5 】。 3 、 基于四相差分移相键控( d q p s k ) 的调制格式 在d q p s k 码中，数字信息通过四种相位值编码，每个相位信息表示相邻两 比特的数字信息。由于符号率为比特率的一半，所以在相同符号率的情况下：，使 用d q p s k 格式可将信道传输容量提高一倍，需要的发射机和接收机带宽相应的 降低，色度色散和p m ：d 容忍度也相应提高。 r z d q p s k 结合了d q p s k 码和r z 码的优点，在近来的传输实验中被证明 有非常好的传输特性。在o f c 2 0 0 5 中报道了采用r z d q p s k ，2 2 x 2 1 0 g b i t s ， 传输1 0 2 0 0 k m ，采用光相位共轭( o p c ) 的补偿方式的传输方案 2 6 1 。相比 r z d q p s k 码，c s r z d q p s k 码的频谱主瓣宽度更窄，所以其色散容忍度和传 输特性更好。e c o c 2 0 0 5 和o f c 2 0 0 6 中对基于d q p s k 调制格式的一些实验报 道也充分显示出基于d q p s k 的新型调制格式在d w d m 传输系统中具有很好的 应用前景【27 。3 0 】。但是d q p s k 实现起来很复杂，达到相同误码率需要的o s n r 更 高，并且对非线性相位噪声更敏感，所以距离实用化还有很长一段距离。 4 、其他一些调制格式 为进一步提高频带利用率和色散容忍性，可以采用m 进制的幅移键控 ( m a s k ) 或相移键控( s k ) 的调制格式。虽然m a s k 调制格式的频带利用 率可以提高l o g ，m 倍，但为保证系统的误码性能须以增加信号的平均发射功率 为代价，从而导致较强的非线性效应。对于m p s k 调制格式，虽然其在高速大 容量光纤传输中有较好的传输性能，但是其发射和接收装置实现复杂。 长距离陆上4 0 g b s 光纤传输系统选用的码型要求非线性损耗低、接收灵敏 度高、频谱宽度较窄以提高频谱利用率，当然码型的选择还受系统参数的影响。 其他调制编码，如光孤子( s o l i t o n ) r z 、伪线性r z 、预啁啾r z ( c r z ) 、全 谱r z ( f s r z ) 、双二进制码( d u o b i n a r y ) 、单边带残留边带( s s b v s b ) 等也 开始被高速光通信系统考虑采用。 总的来说，目前的发展趋势是将电域各种复杂高效的调制格式逐步应用到光 域，但由于对光信号的控制远比对电信号的复杂，再加上相应光电子器件发展水 平的限制，使得各种复杂调制和解调技术在光域的应用受到一定的限制。 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 拉曼分布放大技术 放大器作为光纤通信系统中重要的一环，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、放大的自发辐射( a s e ) 噪声的累积以及有限的饱和输出功率已不能满足超大容量d w d m 系统的需要 3 ，而放大范围更宽、噪声指数更低的拉曼( r a m a n ) 光纤放大器( r a ) 逐渐 成为研究的热点【3 2 j 。 r a m a n 放大充分利用了光纤的非线性效应一受激拉曼散射，当受激的光波长 和功率选择合适时，就会对光纤中传输的光信号产生放大【3 3 】。因此，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 f a 相比，r a 具有低噪声，设计简单、灵活及增益带 宽较宽的优点 3 4 ，35 1 。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【3 6 】。 r 。： 1 2 3 色散管理方案 色散是影响高速光通信系统性能和传输距离的最主要因素之一，因此色散补 偿管理对于长距离高速光纤传输系统是必不可少的。随着信道传输速率的不断提 高，特别是对于4 0 g 以上速率的高速光传输系统，系统的色散冗余度很小，传 输线路的色散及其变化对系统传输性能的影响不容忽视。另一方面，一定的色散 与光纤非线性会产生复杂的混合效应，在特定条件下反而会改善系统传输性能。 这时就需要研究在各种系统配置条件来进行色散补偿，使系统性能达到最优。 在已有的这些实验中，色散多采用链路中间的色散补偿光纤( d c f ) 进行补 偿，在信号被放大之后的一定阶段进行增益平坦滤波( g f f ) ，以提高系统o s n r 性能。一些商用的d c m 模块、自动可调谐色散补偿也被应用到实际的传输系统 当中。另外，在o f c 2 0 0 5 、e c o c 2 0 0 5 、o f c 2 0 0 6 中报道了光相位共轭( o p c ) 【2 6 ，2 9 ，3 7 1 、电预色散补偿【3 8 4 0 1 、电色散补偿【4 1 4 3 】等补偿方案的最新研究进展。 2 6 】 和 2 9 1 在链路中都采用o p c 进行补偿，用的是基于一种与偏振无关的周期性极 化的铌酸锂( p p l n ) 波导的子系统，实验结果证明o p c 补偿是未来更大容量传 输的一个很好的补偿方案。3 8 4 3 1 的线路中没有采用任何光色散补偿而只采用了 电上的色散预补偿技术。 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 4 新型光纤的应用 1 9 9 3 至1 9 9 5 年分别出现了以t r u e w a v e 光纤和l e a f 光纤为代表的g 6 5 5 光 纤，并获得了大规模网络应用。随着速率提高到4 0 g b s 以及超长传输距离的实 施，特别是复用波长数的继续增加，传统g 6 5 5 光纤的一些弱点已经开始显露。 例如低色散斜率光纤的零色散点仍然太高，接近s 波段的低端，不利于开放s 波段，而大有效面积光纤的高色散斜率和相对色散斜率、高零色散点和过大的有 效面积对超高速超大容量系统的进一步发展更加不利。因此为了适应下一代光网 络发展的需要，光纤参数的继续优化十分必要畔】。目前在干线光纤上有这样几 个主要发展趋势： 第一，色散斜率需要进一步降低，以保证低端和高端的色散差不至于过大。 过去只考虑c 波段，现在要扩展到l 波段乃至s 波段，如果色散斜率过大，边 缘信道色散就会很严重。 第二，色散值需要继续适当增加，以保证足以抑制f w m 的影响，实现更窄 的波长间隔。最早的时候g 6 5 2 光纤的色散值较大，约为1 7 p s ( n m k m ) ，后来出 现的g 6 5 5 光纤开始走向另一极端，起初色散值仅1p s ( n m k r n ) 、2 p s ( n m k m ) ， 后来增加到4 p s ( n m r a n ) ，人们通过实践认识到通常6 - 一8 p s ( n m - r a n ) 比较合适， 已足以压抑四波混频的影响，可以适应越来越多的波长通路数需求。 第三，光纤的相对色散斜率需要继续减小，以便简化色散斜率补偿，改进补 偿效率，降低系统成本。这方面大有效面积光纤的弱点很明显，很难补偿。 第四，光纤有效面积需要最佳化，从而兼顾非线性损伤和拉曼增益。光纤有 效面积不一定要大，但要适度，具有低色散斜率更重要。现在由于拉曼放大器的 出现和发展，大有效面积光纤的拉曼增益低的弱点更加明显，业界已经将重点转 向低色散斜率，而有效面积趋向比较适中的5 5 - - 6 5 u m 2 。 第五，零色散点应继续向短波长方向移动( 如1 4 0 0 n m 附近) ，避开s 波段， 以保证s 波段以及c 波段和l 波段的正常工作。这方面不仅传统低色散斜率光 纤和大有效面积光纤的零色散点均太高。 目前市场上g 6 5 5 光纤的种类很多，包括：小的、适中的或者大的有效面积 光纤；低的、适中的或者高的色散斜率光纤；负的或者是正的色散光纤。各种光 纤在实验室研发的高速d w d m 传输系统中得到大量的应用畔舶】，如u l t r a w a v e 、 t r u e w a v er s 、l e a f 、t e r a l i g h t 、p u r e g u i d e 等。模场直径大的光纤会具有较大 的有效面积，这样在注入相同的光能量时，光能量密度就较低，有利于抑制非线 性效应。模场直径小的光纤在使用分布式拉曼光放大器时可以获得更好的放大效 果。在不同情况下合适选择光纤可以使系统性能得到进一步的提高。 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 5 前向纠错编码技术 前向纠错是数字通信系统中应用的基本差错控制方式之一，其原理是：发端 在信息比特后附加冗余的校验比特，即进行编码，接收端在译码的同时，在纠错 能力范围内，自动纠正传输中的错误，而无需信息的重发【4 9 】。这种技术早已被 应用于无线和移动通信( 包括蜂窝电话、微波链路) 。在光纤通信系统中，早先 一方面由于光纤及与系统相关的光电子器件的发展，系统性能优于一般电缆及无 线通信，因而无需采用f e c 技术；另一方面由于光传输信息速率相对较高，没 有与其匹配的纠错编译码器。直到上个世纪8 0 年代末，光传输速率提高到g b i t s ， 并且光放大延长了无中继传输距离，一些在短距离、低速系统中未表现出来的因 素，如色散，限制了系统性能的进一步改善，于是才开始了将f e c 应用于光通 信系统的研究【5 0 】。同时，随着现代科学技术的发展，尤其是集成电路技术的进 步，商用的与光通信系统传输信息速率匹配的纠错编译码器已出现【5 ，从而使 得f e c 在实际系统中的应用成为可能，并由此实现了t b i t 容量的传输【5 2 1 。 喜 各种关键技术的结合，使超大容量超长距离d w d m 光传输系统系统有了突 飞猛进的提高。日本n e c 和法国a l c a t e l 公司分别在1 0 0 k i n 距离上实现了总容 量为1 0 9 t b i t s ( 2 7 3x 4 0 g b i t s ) 5 3 1 和总容量为1 0 2 t b i t s ( 2 5 6 x 4 0 g b s ) 5 4 的传输 容量，这是日前世界上最高的单纤传输容量。其中前者每个波长的速率为 4 0 g b i t s ，共2 7 3 个信道，间隔5 0 g h z ，覆盖了c ，l 和s 波段。而后者利用锗硅 技术实现每个波长4 2 。7 g b i t s 的传输速率，其中f e c 的开销占7 ，共2 5 6 个波 长，7 5 g h z 和5 0 g h z 信道间隔交替使用、采用了残留边带过滤和偏振复用技术， 频带利用率高达1 2 8 b s i - i z ，覆盖了c 和l 波段。 传输距离最长的是t y e o 在o f c 2 0 0 6 上报道的【5 引，使用r z d p s k 、e d f a 放大，实现了1 2 7 0 0 k m 的传输，传输容量为6 4 0 g b s 。另外，m i t e r a 在o f c 2 0 0 3 上报道的【5 6 5 7 1 ，使用c s r z d p s k 码、分布拉曼放大、e f e c 、u l t r a w a v et m 光 纤，实现了1 0 0 0 0 k m 无误码传输( 误码率低于1 0 1 2 ) ，传输容量为1 。7t b s 。 谱效率最高的是日本东京大学在o f c 2 0 0 5 上报道的【5 8 1 ，采用q p s k 和偏振 复用技术，在d s f 上实现4 0 g b s2 0 0 k m 传输，谱效率为2 5 b i t s h z ；若不采用 偏振复用，k d d ir & d 5 9 】采用c s r z d q p s k 调制格式、预滤波技术、e d f a 放 大、n z d s f + d c f 光纤链路，实现了5 0 8 5 4 g b s3 0 0 k m ( q f a c t o r 1 0 0 d s ) 传 输，谱效率为1 1 4b s h z 。 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3d p s k 调制格式的研究进展 1 9 9 0 年左右，d p s k 调制格式开始引起人们的关注，并因其较高的接收灵敏 度被应用在早期相干光通信的实验系统中 6 0 拼】。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 6 5 1 ，对d p s k 的关注开始逐渐减少。从此，a s k 尤其是 0 0 k 调制格式上成为了研究的重点。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【66 | 。 与此同时，光纤通信系统容量的迅速增长。w d m 技术给大容量光通信系统 的发展增加指引了新的方向，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 s 增加到今天的4 0 g b s ，信道数增加到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 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 调制格 式在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【6 6 1 ，这使d p s k 调制格式被应用于 4 0 g b s 乃至更高传输速率的系统中成为可能7 】o 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。 6 6 q b 详细分析 了d p s k 系统更好的抗非线性性能，尤其是对于频谱效率为0 4 或者更高的传输 系统。另外，从2 0 0 0 年到2 0 0 2 年早期，对d p s k 的研究虽然较多，但是其性能 并未优于传统o o k 调制格式【6 8 - 7 3 1 。关于d p s k 调制格式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 s ( 6 4 4 0 g b s ) 传输 了4 0 0 0 k m ，是传统0 0 k 系统传输距离的两倍【7 4 1 。随后便有很多关于d p s k 调 制格式实验和理论研究【5 6 , 7 5 , 7 6 ，研究表明d p s k 调制格式表现出远优于0 0 k 调 制格式的传输性能。 在e c o c 2 0 0 5 上，j 一xc a i 在一定系统配置下实验比较了各种基于d p s k 的 调制格式的性能 77 1 。从数值仿真是实验中都已经证明，使用r z n r z d p s k 可以 减小在1 0 g b s 的w d m 系统中信道间x p m 效应造成的损伤。同样，在4 0 g b s 或更高速率的系统中使用d p s k 信号所受的非线性效应的影响也更小，而结合 c s r z 信号频谱压缩优点的c s r z d p s k 信号则比r z d p s k 信号有着更加优越 的性能【2 5 ，7 7 1 。 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 本论文主要工作 本论文着重分析各种基于d p s k 的调制格式在4 0 4 0 g b sd w d m 传输系统 中的性能，并进行相应地比较。主要包括以下三个部分： 1 、系统仿真平台的完善 进一步完善了d w d m 传输系统的数值仿真平台并完成相关理论分析，对各 种调制码型的产生和接收进行了研究。仿真系统发送端可产n r z 、r z 3 3 、r z 5 0 、 c 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 、c r z d p s k 等多种码型， 线路传输部分包括线路放大器和光纤，光纤传输中的模拟可考虑线性色散和非线 性效应，接收端可以分析o o k 系统和d p s k 系统的q 值。 2 、基于d p s k 的新型调制格式的系统设计 对4 0 4 0 g b s 的d w d m 传输系统进行了深入的研究，详细分析了 n r z d p s k 、r z d p s k 、c s r z d p s k 在多种光纤( s m f 、l e a f 、t r u e w a v e r s 、 p u r e g u i d e ) 配置、不同色散管理方案下的系统传输性能，并对几种基于d p s k 的调制格式进行了比较。 3 、c r z d p s k 调制格式的性能分析 f 首次详细分析了c r z d p s k 调制格式在4 0x4 0 g b i t sd w d m 传输系统中的 性能以及信道间隔、色散效应以及非线性效应对它产生的影响，并与r z d p s k 调制格式进行了详细的性能比较。 参考文献 【1 】b r a n d o n ，e ，b l o n d e l ，j p ，g r a n d p i e r r eg ，e ta 1 ，4 6 1 - k mw d m 8 x 2 5g b s r e p e a t e r l e s st r a n s m i s s i o nu s i n gl a u n c hs i g n a lp o w e ri n e x c e s so flw ，i e e e p h o t o n t e c h n 0 1 l e t t 1 9 9 8 ，1 0 ( 1 ) ：1 6 8 1 7 0 【2 】2z h u ，b ，n e l s o n ，l e n g ，l ，e ta 1 ，t r a n s m i s s i o no f1 6 t b s ( 4 0 x 4 2 7 g b s ) o v e r t r a n s o c e a n i cd i s t a n c ew i t ht e r r e s t r i a l10 0 k ma m p l i f i e rs p a n s ，o f c2 0 0 3 ，f n ： 7 4 2 7 4 3 【3 】g u p t a ，g c ，w a n g ，l l ，m i z u h a r ao ，e ta 1 ，3 2 一t b s ( 4 0 x 8 0 g b s ) t r a n s m i s s i o n w i t hs p e c t r a le f f i c i e n c yo f0 8b s h zo v e r21x10 0k mo fd i s p e r s i o n m a n a g e d h i 曲l o c a ld i s p e r s i o nf i b e ru s i n ga l l - r a m a na m p l i f i e ds p a n s ，i e e ep h o t o n t e c h n 0 1 l e t t ，2 0 0 3 ，1 5 ( 7 ) ：9 9 6 - 9 9 8 【4 】d a i k o k u ，m ，o t a n i ，t ，a n ds u z u k i ，m ，16 0 g b sf o u rw d mq u a s i l i n e a r t r a n s m i s s i o no v e r2 2 5 k mn z d s fw i t h7 5 一k ms p a c i n g ，i e e ep h o t o n t e c h n 0 1 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 l e t t ，2 0 0 3 ，1 5 ( 8 ) ：1 1 6 5 1 1 6 7 5 】v a r e i l l e ，g ，j u k i e n ，b ，p i t e l ，e ，e ta 1 ，3 6 5t b i t s ( 3 6 5 x11 6 g i b t s ) t r a n s m i s s i o n e x p e r i m e n to v e r6 8 5 0k mu s i n g2 2 2g h zc h a n n e ls p a c i n gi nn r zf o r m a t ， e c o c2 0 0 i ，6 ：1 4 1 5 6 】t s u i t a n i ，t ，a g a t a ，a ，m o r i t a ，i ，e ta 1 ，2 1 4g b i t s x5 6w d m9 1 7 0k m t r a n s m i s s i o nu s i n gs y m m e t r i c a l l yd i s p e r s i o n - m a n a g e df i b r es p a n ，e l e c t r o n l e t t ， 2 0 01 ，3 7 ( 2 5 ) ：15 3 6 15 3 8 7 】s a n o ，a ，m i y a m o t o ，y ，k u w a h a r a ，s ，e ta 1 ，a4 0 g b s c hw d mt r a n s m i s s i o n w i t h