PON监控系统中双周期结构编码器的性能分析*

陈　斯，张　旋，孙小菡（东南大学光传感/通信综合网络国家地方联合工程研究中心，电子科学与工程学院，南京210096）

PON监控系统中双周期结构编码器的性能分析*

陈斯，张旋，孙小菡*
（东南大学光传感/通信综合网络国家地方联合工程研究中心，电子科学与工程学院，南京210096）

提出了一种用于PON监控系统中的双周期结构编码器。讨论并计算了不同结构，不同码重的编码器的性能，给出了具有最优参数的双周期结构编码器。通过仿真验证了双周期编码器的性能并与周期编码器做了对比分析。结果表明，双周期结构编码器能够显著增加编码脉冲幅度，从而降低对光接收机动态范围的要求。

无源光网络；光码分复用技术；周期编码器；动态范围

无源光网络（PON）监控系统在减少网络提供商运营、维护成本，提升网络可靠性上发挥着不可替代的作用。据统计，80%的光通信故障发生在网络最前端和最末端一公里内［1］。当通信网络发生故障时，及时的探测与分析对恢复通信、降低损失有着决定性作用。与此同时，随着PON系统容量不断提升，分光比不断提高，能够有效监测点到多点（PTMP）网络的监控系统必将发挥着越来越重要的作用［3-4］。

众所周知，OTDR（光时域反射仪）能够有效检测光网络器件的工作性能和点到点（PTP）网络的运行状态。然而，OTDR监测手段并不适合用于中心局对点到多点（PTMP）网络的集中式监控。这种情况下，中心局端得到的OTDR轨迹是各个分支的轨迹的线性叠加，因此，区分故障事件究竟发生在哪一个分支线路变得十分困难［5］。尤其在高分光比的PON网络中，这个问题十分突出。

光码分复用（OCDMA）技术的提出为这一问题提供了新的解决方案。在OCDMA中，每一个用户端都有一个编码器，用于对监测信号编码并将其反射回中心局端。不同的编码码字可以区分不同的用户，而中心局对反射回来的编码信号进行解码分析就可以得到光网络链路的实时状态［6］。在基于OCDMA的编码技术中，周期编码技术得到了广泛而深入的研究。该编码器由两个光栅通过光纤跳线连接构成，前一个光栅为部分反射率，后一个则为100%反射率。用户之间唯一的区别在于两光栅间光纤跳线长度的不同，即每个用户分配唯一的谐振腔长度，从而形成唯一的周期编码［7］。该技术方案虽然结构简单，但由于无限序列的编码脉冲中幅度呈指数衰减，部分脉冲幅度非常微弱［8］，对光接收机的动态范围提出了较高的要求。

本文中，我们提出了一种双周期结构编码器。通过MATLAB计算了不同结构，不同码重的双周期编码器的性能并得出最佳结构参数。通过仿真验证，我们比较了双周期结构编码器与周期编码器。结果表明，双周期结构编码器在合适的结构和码重下，能够显著降低对光接收机动态范围的要求。

1　结构与分析

如图1（a）所示，对于周期编码器，当忽略插入损耗时，光栅反射率R1和R2决定了每一级编码脉冲幅度，当R2为1时，只有R1决定编码脉冲的幅度。假设ρk表示第k个脉冲的高度，则由周期编码器结构可得各子脉冲高度的关系可由式（1）表示［9-10］

图1　

对于由该结构产生的无限序列的编码脉冲，仅前4个子脉冲遍包含了整个脉冲序列中96.6%的功率［11-12］，但是随着j增大，编码脉冲中幅度快速衰减，j＞4后的脉冲幅度十分微弱。

如图2所示，分别表示R1=0.38和R1=0.34时，前10个编码脉冲的幅度。

图2　脉冲幅度情况

计算可知，w=4，R1=0.38时，最大最小脉冲幅度相差最小，但仍然超过30%，这对光接收机的动态范围提出了很高的要求。

为此，我们提出采用双周期结构编码器。双周期结构编码器由4个光栅，构成2个周期编码器，这2个周期编码器分别能形成各自的编码脉冲，如图1（b）所示。2个周期编码器分别由部分反射率光栅和反射率100%的光栅构成，部分反射率光栅的反射率分别为R1和R2。2个周期编码器之间通过一光纤跳线连接。

双周期结构编码器的编码脉冲将是2个周期编码器编码脉冲的叠加之和，因此，可以利用后1个周期编码器的编码脉冲对前1个周期编码器的编码脉冲进行补偿，从而减小最大最小脉冲之间的幅度差。通过调整2个周期编码器之间光纤跳线的长度lj，可以调整两组编码脉冲的叠加状态，当lj=0时，两组脉冲之间间隔1个脉冲，即第2组的第1个脉冲与第1组的第2个脉冲叠加，第2组的第2个脉冲与第1组的第3个脉冲叠加，以此类推。当lj=li（周期编码器光纤跳线长度）时，两组脉冲之间间隔2个脉冲，即第2组的第1个脉冲与第1组的第3个脉冲叠加，第2组的第2个脉冲与第1组的第4个脉冲叠加，以此类推。

对于双周期编码器，当忽略插入损耗时，根据不同的脉冲叠加情况，由R1和R2共同决定叠加后的编码脉冲强度。假设ρj表示第j个脉冲的高度，i表示叠加时，两组编码脉冲之间间隔的个数（i=1，2），可得式（2）。

针对i=1和i=2两种情况，分别取w=4、5、6进行分析，对R1和R2取0到1，步长为0.01进行计算。通过MATLAB编程求解出最优解。计算结果如图3所示。图中为叠加后的编码脉冲最大最小幅度之差随R1的变化情况，j表示编码脉冲的个数，其中，（a）为两组脉冲间隔为1的情况，（b）为两组脉冲间隔为2的情况。

由计算得出，当w=4，叠加的两组编码脉冲之间间隔2个脉冲时，取R1=0.38，R2=0.34得到最优解，此时叠加后的编码脉冲中，最大最小强度之差为11.1%。同种情况下，周期编码器取w=4，R1= 0.38时，最大最小脉冲之差为32.9%，与之相比，已有很大改善，大大减小了对光接收机动态范围的要求。

图3　编码脉冲间的反射关系

2　仿真与结果

通过以上的分析计算，当w=4，叠加的两组编码脉冲间隔两个脉冲时，取R1=0.38，R2=0.34得到最优解，此时叠加后的编码脉冲中，最大最小强度之差为11.1%。下面通过Optisystem 13软件进行仿真验证，并与周期编码器取R1=0.38的情况进行对比。

仿真原理图如图4所示，中心局端使用可调光源模块产生U波段的探测脉冲通过主干光纤进入网络，到达用户端后，经过编码器编码，反射回中心局端并被接收。其中，探测光源由一激光光源阵列产生波长不同的同步连续信号，通过马赫-曾德尔外调制器进行调制，马赫-曾德尔调制器由一高斯脉冲发生器和一比特流产生器驱动，产生波长为1 650 nm 和1 652 nm的高斯探测脉冲，重复频率为1 kHz，脉宽为1 ns。探测脉冲通过一环形器送入网络，主干光纤长度为20 km。实验中，分别使用周期编码器和双周期编码器，结构如图2所示。编码器光栅的中心反射波长为λ1=1 650 nm，λ2=1 652 nm，3-dB带宽为0.2 nm。其中，周期编码器的R1=0.38，li=60 cm，双周期编码器的R1=0.38，R2=0.34，li=60 cm，lj=60 cm。通过一光时域观察仪观测编码脉冲。

图4　仿真原理图

仿真结果如图5所示，图中，编码脉冲幅度已对单个激光光源的脉冲幅度归一化。其中，（a）为周期编码器取w=4，R1=0.38时，编码脉冲的归一化幅度随时间的变化情况，（b）为双周期结构编码器取w=4，R1=0.38，R2=0.34时，编码脉冲的归一化幅度随时间的变化情况。可以发现，这种最优情况下的双周期结构编码器，最大最小编码脉冲之差为11.1%，而周期编码器最大最小编码脉冲之差为32.9%，因此，双周期结构编码器可以大大减小对光接收机动态范围的要求，提升系统性能。

图5　

3　结论

本文提出了一种基于双周期结构的编码器。通过补偿的方法，大大减小了编码序列中脉冲之间的幅度差。从而可有效降低PON监控系统中对光接收机动态范围的要求。模拟计算结果表明，当w=4，R1=0.38，R2=0.34时，补偿效果最佳，最大最小脉冲之差为11.1%，相比于周期编码器最大最小脉冲之差32.9%，有显著提升。

［1］ 张功，李跃辉，李茂文，等.基于周期编码的PON监控技术研究［J］.光通信技术，2013（3）：38-40.

［2］ Habib Fathallah，Mohammad M Rad，Leslie A Rusch.PONMonitoring：Periodic Encoders with Low Capital and Operational Cost［J］.IEEE Photonics Technology Letters，2008，20（24）：2039-2041.

［3］ Mohammad M Rad，Habib Fathallah，Sophie LaRochelle.Experimental Validation of Periodic Codes for PON Monitoring［C］// IEEE GLOBECOM，2009：978-1-4244-4148.

［4］ Hammami B，Habib F，Houria R.Performance Analysis of DSOCDMA Using Novel Multi-Level Periodic Encoders［C］// Canada：ICCIT，2012：171-175.

［5］ 范丽，江山，喻杰奎，等.一种PON系统光缆监测新方案［J］.光通信研究，2010（1）：28-30.

［6］ 周旭升，田苗.我国光纤到户建设背景下的FTTX市场规模与技术发展趋势分析［J］.科技信息，2012（23）：37-39.

［7］ Jörg Hehmann，Thomas Pfeiffer.New Monitoring Concepts for Optical AccessNetworks［J］.Bell Labs Technical Journal， 2008，13（1）：183-198.

［8］ Xu Zhou，Xiaohan Sun.Centralized PON Monitoring Scheme Based on Optical Coding［J］.Photonics Technology Letters，IEEE，2013（25）：795-797.

［9］ Xu Zhou，Xiaohan Sun.A Modified Optical Coding Monitoring Scheme in PON with Electronic Decoding Processing［J］.Communications Letters，IEEE，2013（17）：1849-1851.

［10］Nakao A，Izumita Z Inouek.Maintenance Method Using 1 650 nm Wavelength Band for Optical Fiber Cable Networks［J］. IEEE JLightwave Technology，2001，19（10）：1513-1520.

［11］Rad F，Larocelle M.Experimental Validation of PON Monitoring Using Periodic Coding［C］//Canada：GLOBECOM，2009：1-7.

［12］Fathallah H，Rusch M.Code Division Multiplexing for Inservice Out-of-Band Monitoring of Live FTTH-PONS［J］.IEEE Journal of Optical Networking，2007，6（7）：819-829.

陈斯（1994-），男，汉族，江苏高邮人，本科生，现就读于东南大学电子科学与工程学院，物联网工程专业；

孙小菡（1955-），女，汉族，东南大学电子与科学学院教授，主要研究方向为光波电子学与光纤通信技术领域，xhsun@ seu.edu.cn。

Performance Analysis of the Double Periodic Encoder for PON Monitoring*

CHEN Si，ZHANG Xuan，SUN Xiaohan*
（National Research Centerfor OpticalSensing/Communications Integrated Networking Technology Lab of Photonics and Optical Communications，Deptof Electronics Engineeering SoutheastUniυersity，Nanjing 210096，China）

We propose a double periodic encoding device formonitoring of passive optical networks.We investigate the performances of the double periodic encoders having differents tructures and codeweights and give the encoders with best parameters.We evaluate and contrast the double periodic encoderswith periodic encoders via simulation. Results show thatdouble periodic encoders significantly improve the amplitude of encoding pulse and reduce the requirementofdynamic range ofphotoreceiver.

pon；ocdma；periodic encoder；dynamic range

TN913.7

A

1005-9490（2016）04-0801-04

项目来源：江苏省高校品牌专业建设工程项目

2015-08-19修改日期：2015-09-11

EEACC:6120B10.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.010