三种光双二进制码传输性能

孙秀婷，王庆芬，卢智嘉

（1.石家庄铁道大学四方学院，石家庄051132；2.石家庄学院 物理与电气信息工程学院，石家庄050000）

三种光双二进制码传输性能

孙秀婷1，王庆芬1，卢智嘉2

（1.石家庄铁道大学四方学院，石家庄051132；2.石家庄学院 物理与电气信息工程学院，石家庄050000）

对比研究了三种光双二进制码(O pt i cal D uobi nary Code,O D C)的发射机结构，并仿真了三种O D C的单信道系统传输性能。仿真结果表明，改进型O D C较普通O D C和滤波成型O D C具有更好的色散及非线性效应抑制能力，该仿真结果为光双二进制码实际应用提供了理论参考。

光双二进制码；马赫曾德尔调制器；色散；非线性效应

0　引言

光双二进制码(Optical Duobinary Code,ODC)在高速光纤通信系统中以高色散容忍度、高频谱效率及高非线性 (受激布里渊散射)抑制能力而备受研究者关注，成为近年来调制码型中的研究热点[1-5]。ODC是一种部分响应编码信号，为了避免误码传播及降低接收端的硬件复杂度，一般在发射端进行预编码，这样可以在接收端采用常规的非归零(NRZ)光接收部件，从而降低了系统的整体复杂度及设备代价，故只需对发射端稍作变化即可将NRZ光纤传输系统平滑升级为ODC系统。文献[6]采用ODC在基于时分和波分复用(TWDM)的无源光网络(PON)中实现了下行26Gb/s的串行传输，文献[7]采用基于APD的ODC直接检测接收机实现了40Gb/s的时分复用无源光网络，文献[8]采用无色散反射集成调制器实现了25Gb/s无误码ODC传输。但对不同实现方式的ODC性能对比研究少有报道。基于上述技术背景，本文仿真研究基本ODC、滤波成型ODC和改进型ODC传输性能。

1　光双二进制码发射与接收结构分析

ODC可由不同的发射结构来实现[9]，图1为三种ODC发射机结构图。对比图1(a)、图1(b)和图1(c)可以看出，在三种结构图中都包含差分预编码单元，预编码的目的是防止一个码的错误导致其它码元出现错误（即防止误码传播），在接收端可以采用模2和进行解码。在图1(a)和图1(c)中都包括电双二进制编码单元，该单元由相加器(图1(a))或相减器(图1(c))来实现，即NRZ和将其延时1/(bit rate)s后的码元相加或相减来实现电双二进制编码。在图1(b)中并未采用图1 (a)和(c)所示的电域编码方案，而是采用一个低通滤波器(LPF)来实现电双二进制编码，原因是时域中的延时相加或相减在频域上等效于低通滤波，故图1(b)采用LPF实现电双二进制编码。在图1(a)中采用两级马赫曾德尔调制器(MZM)来实现ODC，其中第一级MZM实现将电域的双二进制码调制到光域上，第二级MZM进行波形切割，从而实现ODC的归零(RZ)形式。图1 (b)和(c)只采用了一级MZM，随后将光信号通过带通滤波器(BPF)，其中MZM实现电到光的调制，而BPF则实现码型由NRZ到RZ的切割。

图1　三种ODC发射机结构图

三种ODC采用统一的接收机结构，如图2所示。接收到光信号后，先经过BPF滤除带外噪声，随后通过PIN光电二极管将光信号变成电信号；由于光电二极管是平方律器件，在光电变化过程中自动实现模2和运算，极大地简化了接收机结构。传统的NRZ系统也可采用该结构作为接收机使用，从而实现ODC接收系统与NRZ接收系统的相互兼容。

图2　ODC接收机结构图

2　传输性能仿真

仿真时相关参数设置如下：伪随机序列长度为28-1，每比特进行64位抽样，系统传输速率为10Gb/s；激光器中心波长为 1550nm，线宽为 1MHz；标准单模光纤长度设置为80km，衰减为0.2dB/km，色散为16ps/nm/km，色散斜率为0.075ps/nm2/km，差分群时延为0.2ps/km，纤芯有效面积为80μm2；色散补偿光纤长度为14.22km，其对应的衰减为0.5dB/km，色散为-90ps/nm/km，色散斜率为-0.45ps/nm2/km，差分群时延为0.2ps/km，有效纤芯面积为30μm2；掺铒光纤放大器增益为10dB，噪声指数为4dB，补偿方式为后补偿；光纤传输通道结构图如图3所示，其传输总距离由传输Loop决定；接收机采用PIN光电二极管，灵敏度为0.9A/W，暗电流为10nA；光BPF为贝塞尔滤波器，以激光器输出的光波长为中心频率，频带宽度为1.5×（bit rate）Hz；电LPF的截止频率为0.75×（bit rate）Hz；系统传输性能采用Q值进行对比分析。

图3　光纤传输系统后补偿结构图

采用快速傅里叶变换得到三种ODC的频谱密度，结果如图4所示，其中右上方的插图分别为三种对应码型的时域波形图。对比图4中的三种ODC的频谱图可以看出，在频谱图中都不存在载波，即载波得到了有效抑制，从而可以提高其非线性效应抑制能力。图4 (a)、(b)、(c)中ODC的频谱宽度亦有区别，经对比可以看出普通ODC的频谱有效宽度最宽，滤波成型ODC最窄，改进型ODC居中，其原因可以通过分析插图得到。通过对比图4(a)、(b)、(c)中的插图可以看出，图4(a)插图中单个脉码宽度最窄，图4(b)的插图中脉码宽度最宽。由傅里叶变换知识可知，时域越宽则频域越窄，因此出现图4中“不同ODC所对应的频谱宽度也会不同”这一现象。频谱宽度越宽，受色散影响越严重，色散会导致时域波形展宽，从而造成码间干扰，引起误码。故对于光码型而言，应降低其有效频带宽度，图4 (b)、(c)可以满足此要求。

图4　三种ODC频谱图及其对应的波形图(插图)

图5仿真得到了系统Q值随传输距离的变化情况，Loop为圈数，仿真时Loop从4圈依次增大到18圈，入纤功率保持0dBm不变。从图5可以看出，随着传输距离的增大，系统Q值逐渐减小，表明随着传输距离的增大，系统性能逐渐变差，原因是衰减、残留色散及非线性效应等对传输码型的影响会随传输距离逐渐变大，引起更多误码，从而造成Q值降低。当Loop为4时，普通ODC的Q值为16.8，滤波成型ODC的Q值为12.8，而改进型ODC的Q值为13.7，这表明在传输距离较短时，普通ODC具有最佳的传输特性。当Loop增大到12时，普通ODC、滤波成型ODC和改进型ODC的Q值分别为9.2、8.8和13.3。对比可以看出，当Loop从4变化到12时，改进型ODC传输性能几乎保持不变，而普通ODC和滤波成型ODC分别降低了7.6和4。当Loop大于12后，普通ODC和滤波成型ODC的Q值几乎重合，都随Loop增大而减小，而改进型ODC的减小幅度却远小于普通ODC和滤波成型ODC。图5中还给出了当Loop为18时三种ODC所对应的眼图，从眼图上也可看出，普通ODC和滤波成型ODC的眼开度明显小于改进型ODC。

图5　传输距离与Q值的对应关系

上述分析中已指出时域越窄频域越宽，改进型ODC的时域波形介于普通ODC和滤波成型ODC之间，故其频谱有效宽度也介于普通ODC和滤波成型ODC的频谱之间。色散会引起脉码展宽，虽然普通ODC的时域波形最窄，拥有较大的脉码展宽余度，但由于其有效频谱宽度最宽,受色散影响最为严重，从而造成更大的脉码展宽,引起码间干扰。而滤波成型ODC虽然其频谱最窄，受色散影响最小，但其时域脉码宽度最宽，具有最小的脉码展宽余度，故较小的色散就会导致误码。改进型ODC的时域和频域都居于普通ODC和滤波成型ODC之间，故具有最优的传输性能。

图6仿真得到了系统Q值随入纤功率的变化趋势，在仿真时设定Loop为4，只改变入纤功率，而入纤功率的改变可以通过更改激光器输出功率来实现。从图6可以看出，随着入纤功率的增大，系统Q值先增大后降低，入纤功率增大会引起信噪比的增加，同时也会增大光纤中非线性效应的影响。在Q值上升阶段系统信噪比的增加所带来的正向作用高于非线性效应增大所带来的不利影响，而在Q值的峰值部分，两者达到了平衡，随着入纤功率的进一步增大，非线性效应所带的不利影响已高于信噪比增大而引起的正向作用，从而造成Q值降低。由图6可知，当入纤功率在-13.4dBm到-2.7dBm之间时，改进型ODC的Q值最高，传输性能最好，而普通ODC的传输特性最差；当入纤功率从-2.7dBm增大到6.29dBm过程中，改进型ODC的系统Q值仍在增大，滤波成型ODC却在0dBm处出现拐点，Q值开始降低，而普通ODC在3.98dBm处出现拐点；超过6.29dBm后改进型ODC的Q值也开始下降，即其拐点在6.29dBm处。由此可见，滤波成型ODC、普通ODC和改进型ODC在获得最佳Q值时其对应的入纤功率分别为0dBm、3.98dBm和6.29dBm,此时对应的Q值分别为13.11、20.95和21.4，该结果表明改进型ODC具有最优的抗非线性效应的能力。

图6　系统Q值随输入功率变化关系

3　结束语

ODC是一种部分响应编码信号，具有高色散容忍度、高频谱效率及高非线性抑制能力。以上我们通过仿真研究了改进型ODC、普通ODC和滤波成型ODC在单信道光纤传输系统中的性能。改进型ODC的时域脉码宽度和频域频谱有效宽度都居于普通ODC和滤波成型ODC之间，具有最优的传输性能。当传输距离从320km增大到960km时，改进型ODC传输性能几乎不变，而普通ODC和滤波成型ODC系统Q值分别降低了7.6和4；滤波成型ODC、普通ODC和改进型ODC在入纤功率分别为0dBm、3.98dBm和6.29dBm处获得各自最大Q值，其对应的Q值分别为13.11、20.95和21.4。仿真结果为ODC实际应用提供了理论参考。

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Transmission performance of three kinds of optical duobinary code

SUN Xiu-ting1,WANG Qing-fen1,LU Zhi-jia2
(1.Sifang College,Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 051132,China;2.College of physical and electrical information engineering,Shijiazhuang University,Shijiazhuang 050000,China)

In the paper,the transmitter structures of three kinds of Optical Duobinary Code(ODC)were compared,and their transmission performance was studied in single channel system.Simulation results show that the modified ODC has better suppression ability of dispersion and nonlinear effect than that of common ODC and filter shaping ODC.The simulation results provide a theoretical reference for the practical ODC application.

optical duobinary code,Mach-Zehnder Modulator(MZC),dispersion,nonlinear effect

TN915.62

A

1002-5561（2016）05-0025-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.05.008

2016-01-14。

河北省科技计划项目基金（批准号：15220353）资助。

孙秀婷（1978-），女，硕士，讲师，主要从事光通信、电子电路、信号处理与自动控制研究。