混合调制方案在WDM-PON系统中的应用

李红安, 吴静松

(安阳工学院 电气信息与电气工程学院，河南 安阳 455000)

0 引言

随着40 Gb/s 密集波分复用Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM)光传输系统的快速发展，选择合适的码型和调制格式可以有效地减少传输的损伤，提高光谱效率和系统的传输容量.随着传输速率、系统频谱效率的提高以及传输距离的加长，混合调制格式开始显示其优越的性能.混合调制格式是通过调制器将所需要传输的信息调制在光信号的相位上，接收端普遍采用平衡检测，相对于强度信号接收而言，对光信号的功率变化容忍性更高，接收灵敏度也提高了，使得信号能够传输的距离更远.其中非归零码Non-Return to Zero (NRZ)、归零码Return to Zero (RZ)和双二进制调制格式必须考虑混合传输在DWDM系统中的性能.NRZ调制格式对于高容量的密集波分性能不是最好，但是由于其简单的结构，NRZ可以作为首要的选择成为混合数据速率密集波分复用系统无源光网络Wavelength Division Multiplexing-Passive Optical Network (WDM-PON)的传输格式.混合WDM系统还要考虑波长色散，色散斜率，偏振模色散补偿和非线性效应这几个问题.并且还要考虑工程问题，非线性性能所引起的相邻信道的信号交叠和混合WDM信号调制所引起的成本.在很长一段时间，NRZ调制格式一直在强度调制直接检测Intensity Modulation / Direct Detection (IM/DD)光纤通信系统占主导地位.主要原因是比RZ调制信号对光通信器件的电气带宽要求较低[1].一般来说，NRZ调制格式比其他调制方式具有最紧凑的光谱.然而 NRZ光信号的抗残余色散、抗非线性特性对光纤放大系统特别敏感[2].RZ调制目前比较常用的解决方案在10 Gbit/s光通信系统中，因为它有相比于NRZ信号更高的峰值功率、更高信噪比、和更低的误比特率(BER)NRZ编码.尽管有这些优点，RZ信号由于它的比较宽的光谱宽度并不适用DWDM系统.但是通过对每位符号的多比特编码，非二进制调制技术可以显著改善频谱效率.同时光谱的缩小也可以减少对色散的影响.相反多比特编码由于每个符号位保持时间的延迟，从而增加鲁棒性，进而影响信号传播.双二进制调制信号(Duobinary)是三电平信号编码，具有更好的频谱带宽优势[3].

本文主要利用Optisystem和Matlab软件联合仿真，通过对比混合调制和传统调制方案下WDM-PON光传输系统中不同调制格式(NRZ,RZ,DRZ)、不同速率(2.5 Gb/s、10 Gb/s)、不同信道间隔(信道间隔25 GHz、50 GHz)条件下的传输效率，以接收端系统眼图、BER等指标来衡量系统的传输性能，进而验证所提出的混合调制方案的优越性和可行性.

1 调制原理及测试

选择调制格式应遵循三个原则：(一)有紧凑的调制信号谱，这对提高频谱利用率和群速度色散容限有好处；(二)较高的非线性容限；(三)发射机和接收机的结构尽量简单.目前比较常用的是马赫-曾德尔调制器(MZM)与连续波激光器构成的调制系统.除了NRZ外，它们的产生都是通过两个级联的MZM来完成.这两个MZM所起的作用并不相同.第一个MZM作用是在时钟信号的驱动下产生各种脉冲.第二个MZM作用是加载数据[4].

NRZ码可以直接调制或者对一个激光器的外调制产生，它的产生方法是最简单直接的.NRZ采用外调制产生时需要CW激光器和外调制器，外调制器可以使用电吸收调制器或者马赫增德尔调制器.NRZ由一个40 Gb/s的电信号直接驱动马赫增德尔调制器而产生，偏置电压调制在Vπ/2，驱动信号的电压为Vπ.如图1所示.

RZ信号只需在NRZ产生的基础上再加一个马赫增德尔调制器对信号进行“切割”就可以实现，MZM的驱动信号使用40 GHz的正弦信号发生源，产生不同占空比的RZ信号只需要选择不同的偏置点.对于50%占空比的RZ信号，偏置点选在Vπ/2，而对33%占空比的RZ信号，偏置点选在Vπ.如图2所示.

光双二进制归零码(DRZ)是双二进制码Duobinary和RZ码的结合，可以由两个MZ调制器串联产生，用伪随机二进制序列PRBS代替实际发送的信源数据信息，通过二进制预编码器、NRZ发生器和一个双二进制相关编码器产生NRZ双二进制信号，经过第一级马赫增德尔调制器后，由一个频率为40 GHz正弦信号驱动第二级马赫增德尔调制器得到DRZ信号.如图3所示.

以上3种调制格式的光谱图如图4-图6所示.

图1 NRZ调制原理框图

图2 RZ调制原理框图

图3 双二进制调制原理框图

考虑到光通信系统中的电、光信号均为微分方程形式，同时考虑到非线性效应，在本文的分析模型中，时域分割步骤(TDSS)方法被用来模拟线性和非线性光学和电子元件.其光纤传播方程为：

其中A(t,z)为光场，L为线性算子，用来表示色散和其他线性因素，N为非线性代价算子，ΔL为光程差.

在分析其性能的时候，单独分别计算ΔL范围内的线性或非线性性能.通常使用的方法有频域分割(FDSS)和时域分割(TDSS)方法.第一种方法虽然容易实现，但是会产生较大误差，所以选取第二种TDSS方案，以确保有效性[5-6].

图4 NRZ码光谱图 图5 RZ码光谱图 图6 DRZ码光谱图

Fig.4SpectrumdiagramofNRZFig.5SpectrumdiagramofRZFig.6SpectrumdiagramofDRZ

2 模拟方案及性能分析

本文仿真的目的是比较不同调制格式(NRZ/RZ/双二进制)在不同速率(2.5 Gb/s、10 Gb/s)在混合WDM系统的不同特性.特别是不同调制格式信号的光功率谱和光谱带宽在复用器/解复用器输出/输入端口的性能，并且对比其色散和非线性效应特性，最终衡量光纤网络的系统性能.其原理框图如图7.

发射机模块由3路复用通道组成，每个均包括数据发生器、驱动器、激光器和外调制器.其中数据发生器产生一个数据流同特定调制格式的调制器，共同作用于连续波激光器(CW)，进而产生特定格式的光信号以便在光纤中传输.

图7 系统原理框图

传输模块就是标准单模光纤(SSMF)，光脉冲信号可以传输不同的距离.其中，光纤的参数详细为：单模光纤的衰减系数为0.275 dB/m，色散系数为17 ps/(nm·km)，色散斜率为0.058 ps/(nm2·km)，有效面积为80μm2，非线性指数为2.5 m2/W.

在信号接收端，光纤信号通过解复用器件，每路信号可以单独分析.针对每一路光信号，经过对光信号的滤波，经过光-电转换变为电信号，之后经过电滤波，最后可用误码分析仪、眼图分析仪比较发送端和接收端的眼图和BER质量来衡量系统的传输特性.

3 结果分析

图8是信道间隔是25 GHz，速率为2.5 Gb/s WDM系统NRZ调制格式的输出光信号的光谱图和电信号眼图.图8表明，对50 GHz ITU-T标准信道间隔缩小为1/4还能良好的BER特性，但对于信道间隔是25 GHz，速率为10 Gb/s WDM系统由于严重的信号畸变而不能使用.图9是信道间隔是50 GHz，速率为10 Gb/s WDM系统NRZ调制格式的输出光信号的光谱图和电信号眼图.

图10为NRZ-RZ-NRZ混合调制的WDM系统的输出光信号的光谱图和电信号眼图.图10表明速率为2.5 Gb/s 的NRZ-RZ-NRZ混合调制的信道间隔大于25 GHz.在相同的传输系统中，最佳的信道间隔是大于50 GHz，其才有最佳的传输距离.详见图11.

图12是信道间隔是25 GHz，速率为2.5 Gb/s WDM系统NRZ-Duo-NRZ混合调制格式的输出光信号的光谱图和电信号眼图.非二进制调制技术可以提高光频谱的利用效率，对更高速率、更大信道间隔仍然具有较好的传输特性.图13是信道间隔是50 GHz，速率为10 Gb/s WDM系统NRZ-Duo-NRZ混合调制格式的输出光信号的光谱图和电信号眼图.

图8 NRZ-NRZ-NRZ光谱和眼图(信道间隔25 GHz,速率为2.5 Gb/s)Fig.8 Eye pattern diagram of NRZ-NRZ-NRZ图9 NRZ-NRZ-NRZ光谱和眼图(信道间隔50GHz,速率为10Gb/s)Fig.9 Eye pattern diagram of NRZ-NRZ-NRZ图10 NRZ-RZ-NRZ光谱和眼图(信道间隔25GHz,速率为2.5 Gb/s)Fig.10 Eye pattern diagram of NRZ-RZ-NRZ

图11 NRZ-RZ-NRZ光谱和眼图(信道间隔50 GHz,速率为10 Gb/s)Fig.11 Eye pattern diagram of NRZ-RZ-NRZ图12 NRZ-Duo-NRZ光谱和眼图(信道间隔25 GHz,速率为2.5 Gb/s)Fig.12 Eye pattern diagram of NRZ-Duo-NRZ图13 NRZ-Duo-NRZ光谱和眼图(信道间隔50 GHz,速率为10 Gb/s)Fig.13 Eye pattern diagram of NRZ-Duo-NRZ

4 结论

对于传输速率10 Gb/s的WDM系统，采用NRZ外部调制色散受限距离是80 km，而采用混合NRZ-RZ-NRZ则传输距离是传统的2倍；10 Gb/s速率下NRZ和NRZ-Duo-NRZ混合调制方法在具有相同的传输质量条件下，信道间隔将是大于50 GHz.经过比较，非二进制调制技术可以提高光频谱的利用效率，对更高速率、更大信道间隔具有较好的传输特性.