软件定义光网络的编码方法与应用

肖江南　余建军　迟楠

摘要：提出了一个新的产生光矢量偏移正交相移键控（OQPSK）信号方法，该方法仅使用一个强度调制器（MZM）和载波抑制技术，利用光电二极管的平方律检测特性，对强度调制器驱动信号的幅度和相位进行预编码处理，而且采用Turbo均衡技术提高了矢量正交移相键控（QPSK）信号系统的传输性能。实验证明，传输40 km单模光纤后，当误码率（BER）为10-4时，1/2和2/3码率的Turbo均衡QPSK信号的接收机灵敏度比原始QPSK信号分别提高了4 dB和3 dB。实验结果说明，Turbo均衡技术在光矢量信号传输系统中具有较好的纠错和抗色散能力。

关键词： 光纤通信；矢量信号；Turbo均衡技术；矢量正交移相键控信号；软件定义光网络

Abstract： We propose a novel method to generate signal of optical vector offset quadrature-phase-shift-keying （OQPSK） by using only one Mach-Zehnder modulator （MZM） and carrier-suppression technology. By detecting the “square-law” of photoelectric diode， the amplitudes and phase of the driving signal of MZM can be pre-coded. Turbo equalization improves transmission in the QPSK signal system. The received sensitivity of QPSK turbo equalization vector signal with code rate 1/2 and 2/3 at BER = 10-4 after 40 km SMF transmission are increased by 4 dB and 3 dB than the original QPSK signal， respectively. The experimental results show that the QPSK signal with turbo equalization has better dispersion compensation and error-correcting ability.

Key words： optical communications； vector signal； turbo equalization； QPSK signal； software-defined optical networks

随着现在信息业务和网络持续增长，以及用户对信息差异化需求等出现，光网络的信息传输向大容量、远距离、方便性、安全可靠性等方面发展。而软件定义光网络利用软件编程的方式根据用户或运营商需求，利用软件编程方式进行动态定制，从而具有快速响应请求、高效利用资源、灵活提供服务等优点，使网络更具有灵活性和开放性，是近几年光网络研究的热点之一。为满足通信网络持续增长的带宽要求，最终实现在需要时可提供及时的、任意地点的和高速可靠的信息接入，未来的宽带接入网络必须兼具无线通信和光纤通信这两种技术的优势并将两者进行无缝融合。采用光纤无线融合接入系统，能够突破电子带宽瓶颈，适用于不同场合的高速光无线融合通信[1-5]。利用光子辅助技术产生毫米波的常见做法是采用由两个独立激光器产生的光子拍频，其中在一个光子上加载入已调制的基带信号，而另一个波长不同的光子作为参考源，拍频经过光电转换后就可以产生宽带的高速高频谱效率的矢量毫米波信号[6-11]。但由于两个自由光波频率的非锁定性，这种方法产生的毫米波频率精度不高，相位噪声较大，难以满足高精度测量的要求，成本也较高。另一种方法是利用锁频锁相激光器或者光频梳的方法，这种方法产生的毫米波频率虽然较稳定，但也存在成本较高、结构较复杂的问题。采用基于光学调制器多倍频产生毫米波的方法，由于光学调制器本身具有非线性，可以用来实现倍频的功能，通过低频的微波信号驱动光学调制器可以产生高频率的谐波，从而可以生成可调谐、稳定的宽带毫米波[12-15]信号。这种方法在提高所得毫米波频率纯度的同时，简化了光生毫米波结构的复杂度并降低成本。此外，这种基于外部调制的光多倍频技术可以进一步与高谱效率的矢量调制相结合，产生高谱效率的矢量毫米波信号，同时大幅度降低对发送端光电器件带宽的要求。文献[16]使用同相/正交（IQ）调制器产生矢量正交移相键控（QPSK）矢量信号，但由于IQ调制器使用3个直流电源来控制矢量信号的产生，这种产生方法不但系统成本高，而且系统不稳定。在光通信系统中，由于光纤色散和非线性效应产生符号间干扰（ISI），严重地干扰传输系统的传输性能。为了减少甚至消除符号间干扰（ISI），通常采取均衡技术来补偿光纤信道色散和非线性效应。Turbo均衡技术是目前较好的均衡技术之一。Turbo均衡技术将均衡技术与Turbo迭代译码技术相结合，使Turbo中的均衡器具有处理输入先验信息与输出后验信息的功能。Turbo中的均衡器与Turbo译码器进行信息交换，降低Turbo编码技术的算法复杂度。而且Turbo均衡技术保留了Turbo码的交织、译码和迭代技术等功能，在高速光传输系统中，Turbo均衡技术相对传统的均衡器与译码器分开的传输系统，传输性能明显提高。

本文使用一个强度调制器采用载波抑制技术产生QPSK矢量信号，而且使用Turbo均衡技术来提高传输系统性能。实验结果验证该技术能简化矢量信号的产生，节约系统成本，而且Turbo均衡技术能提高光纤传输系统性能。

1 矢量QPSK信号产生

原理和Turbo均衡原理

本传输系统是使用Turbo均衡技术来提高矢量QPSK信号传输系统性能，该系统QPSK矢量信号产生主要是利用光电二极管（PD）的转换规则把经过预编码的QPSK信号转换为规则的QPSK信号，而且在该系统中利用Turbo均衡技术来降低系统色散对系统的影响提高传输性能。

1.1 矢量QPSK信号产生原理

其中[R]为光电探测器转换效率。可以看出驱动MZM的射频信号fs，通过本方案得到的RF信号频率为原始信号的2n1倍，光电转换之后信号的幅度和相位都发生了改变，iPD的相位为驱动信号的2n1倍，iPD的信号幅度为驱动信号幅度的J2 1（bA）倍，为了使光电探测器的输出iPD为所需的信号，必须对原始信号进行预编码后再用于驱动MZM。将驱动信号的相位变为所需信号相位的1/（2n1），幅度为所需信号相位的1/J2 1（bA），在经过光电探测之后就可以得到正确的相位信号。

当直流偏置电压VDC=0时，奇数阶边带被抑制，偶数阶边带功率达到最大，MZM和滤波器后的输出跟上述相应的表达式类似。PD转换后的信号与式子（4）一样，在这里不再详细说明。

本系统为基于载波抑制方法产生QPSK矢量信号，QPSK矢量信号产生原理过程如图1所示。该系统选取2个1边带作为载波。首先发送端QPSK信号经过相位预编码，然后上变频到fs，QPSK矢量信号产生如图1（a）所示，QPSK矢量信号相位预编码过程中预编码前后对应的星座图分别为图1（d）和（c）所示，MZM前后光谱示意图如图1（b）和（c）所示。

1.2 Turbo均衡原理

Turbo迭代均衡技术把Turbo编译码技术和信道均衡技术结合起来，通过多次迭代，在均衡器和译码器之间充分交换外信息来获得系统性能的提高，用来提高传输系统性能，通过采用合适的均衡技术降低Turbo迭代均衡技术的复杂度。Turbo迭代均衡技术由均衡器和译码器组成，均衡器和译码器通过迭代方式进行工作。均衡器和译码器使用软输入软输出方式，首先对输入的信号处经均衡器后得到信息的软输出，经解映射和相应的处理得到信号的外信息，该信息经解交织后，得到均衡技术中译码器需要的先验信息，译码器利用解交织后的先验信息计算软输出的外部信息，经交织器后，又可以得到均衡器的先验信息。而且均衡器可再次利用先验信息和接收信号进行相应的处理又能获取外部信息，这样进行新的迭代处理。经过几次迭代处理后，系统性能基本稳定，从译码器判决输出信号结果。Turbo迭代均衡分为基于最大后验（MAP）均衡和基于最小均方误差（LMMSE）均衡等，图2为基于MAP技术的Turbo均衡。

在均衡技术的MAP均衡部分，MAP均衡器通过接收信号和利用先验信息，得到本次码元的似然比[LE（xn）]，[LE（xn）]经过解交织后进入MAP译码器，MAP译码器输出[LD（un）]，[LD（un）]是由外部信息和内部信息构成，其中外部信息是在译码处理中由当前时刻以外的接收码元中得到，通过减去输入[LE（cn）]得到：

2 实验结果和分析

为了验证上述所示的QPSK矢量信号产生方法，我们通过载波抑制技术实验验证这个原理。图3为实验结构图，外部腔式激光器（ECL）波长为1 563.684 nm，输出功率为13.98 dBm，经过EDFA放大后输出功率为19.98 dBm。任意波形发生器（AWG）输出的经过预编码频率在7 GHz的矢量QPSK射频信号，矢量QPSK的产生原理如图1（a）所示，伪随机码（PRBS）首先经过QPSK映射，Turbo编码，然后经过相位预编码，上变频得到频率为7 GHz的矢量QPSK信号。这个QPSK矢量信号产生是离线通过Matlab形成。AWG输出的矢量QPSK信号经过带宽为10 GHz的放大器放大后调制到MZM上得到光矢量QPSK信号。AWG的采样率为24 GSample/s，QPSK发送速率为1 Gbaud。MZM具有2.7 V半波电压，-3 dB带宽为30 GHz和5 dBm插入损耗，MZM偏置电压设置为最小点，这样产生载波抑制，我们选择2个1阶边带作为载波，这样得到14 GHz的载波。MZM前后光谱分别如图3（b）和3（c）所示，光谱图3（b）和3（c）的分辨率为0.02 nm。光谱图3（c）两个1阶子载波的间隔为14 GHz。2个1阶边带比其他边带高20 dB左右。经过40 km的单模光纤（SMF-28），再通过3 dB带宽为60 GHz的光电二极管（PD）接收，把光矢量QPSK信号转换为规则的QPSK信号。PD转换后的电谱图如图3（d）所示。然后通过3 dB带宽为16 GHz，采样率为40 GSample/s的力科示波器进行采集信号。这些采集的信号经过离线DSP处理，DSP处理过程包括信号下变频，色散补偿，信号重采样，CMA均衡，残余频偏估计，相位纠正，差分译码，Turbo均衡译码等过程。Turbo均衡采用基于MAP均衡，随机交织方式和8次迭代处理过程。

图4为接收光功率对应的误码性能曲线图。从图4可以看出，在BTB和40 km SMF传输后，码率为1/2的Turbo均衡QPSK信号误码性能最好，原始的QPSK误码性能最差。当误码率（BER）为10-4时，1/2和2/3码率的Turbo均衡QPSK信号的接收机灵敏度比原始QPSK信号分别提高了4 dB和3 dB。实验结果说明，Turbo均衡技术能提高光矢量信号传输系统和降低光纤链路色散的影响，具有较强的纠错能力。而且该系统产生QPSK矢量信号结构简单，Turbo均衡技术算法复杂度低，为以后光传输系统发展的方向之一。

图5为传输40 km SMF后，在接收光功率为-4 dBm时，QPSK信号DSP处理过程中不同处理过程对应的星座图。主要包括CD补偿，信号重定时，CMA均衡，残余频偏估计和相位恢复等处理过程。

3 结束语

本文提出了基于载波抑制技术产生QPSK矢量信号，QPSK矢量信号通过预编码后上变频得到QPSK矢量射频信号，然后通过MZM调制得到光矢量信号，通过载波抑制选取2个1阶边带作为载波，利用光电二极管的平方律规则得到规则的QPSK信号。该方法只是用一个MZM调制器，结构简单。而且该传输系统使用Turbo均衡技术降低光传输系统色散影响，提高光传输系统的误码性能和降低算法复杂度。通过实验验证了1 Gbaud速率QPSK矢量信号通过码率分别为1/2和2/3的Turbo均衡方法后，系统误码性能提高了不少，说明该技术具有可行性。

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