基于信号占空比不同的波分复用系统的研究

蔺吉虹，刘开贤

(中国传媒大学 理工学部，北京 100024)

基于信号占空比不同的波分复用系统的研究

蔺吉虹，刘开贤

(中国传媒大学 理工学部，北京 100024)

提出了一种未来能够更好地利用光纤传输容量的方法，即基于占空比不同的波分复用系统(DCDM-WDM系统)，它可以在WDM每一个波长上实现多用户的传输。本文设计的是3×8路的DCDM-WDM系统，可以同时实现24个用户的传输。并利用matlab设计了系统的解复用器，通过matlab和optisystem软件的联合仿真验证了系统的可行性。DCDM-WDM系统增加了WDM的信道数，极大地提高了光纤的传输容量和频谱效率，对于现代通信系统的研究有着重大的意义。

DCDM-WDM系统；matlab与optisystem联合仿真；解复用

1 引言

随着光通信技术的蓬勃发展，人们对光宽带频带利用率的渴求度越来越高。在通信系统中，复用技术作为可以在一条信道同时传输多路信号的技术，已经被广泛应用。它提高了信道传输效率，增加了传输带宽。目前比较成熟的复用技术主要有WDM(波分复用技术)、TDM(时分复用技术)和CDM(码分复用技术)。虽然这些技术相对比较成熟，但都普遍存在解复用器实现成本偏高且技术复杂等问题[1]。为了进一步提高频谱效率，近年来提出了一种基于信号占空比不同的占空比复用技术，即DCDM技术[2]。它大大地提高了频谱效率，实现了信号通过分配给不同用户不同的占空比而实现的多用户通过一个传输媒介同时同频的传输过程，不仅可以用于有线通信，也可用于无线通信[4]。

早在2002年，“高速时钟和数据恢复电路设计中的挑战”一文中就提出波分复用和时分复用的模型：多个用户在不同时刻在同一个光载波上所处的位置不同即可实现同时同频的传输过程[5]。但这种方法由于电路复杂，所需要的电子器件成本昂贵，所以很难投入应用[7]。为了解决这些问题，很多科学家经过多年的潜心研究，在2007年，马来西亚博特拉大学工学博士马可迪朗基在“Duty Cycle Division Multiplexing Technique for Wireless Communications”一文中首次提出了DCDM技术的概念，并且论文中将DCDM技术和传统的复用技术比较证明了DCDM技术拥有更好的传输性能[8]。2009年马来西亚博特拉大学马列穆罕默迪在“Effect of self-phase-modulationon dispersion compensated absolute polar duty cycle division multiplexing transmission”一文中介绍了自相位调制对DCDM技术的影响，通过实验证明自相位调制的影响因素，提出改良的办法和展望[3]。2012印度学者辛格在“Design of 3×60 Gbps DCDM based WDM system”一文中设计出了基于DCDM的混合系统，它是一个6路的波分复用通信系统，并在实验中证明该混合系统提高了信号传输的容量[6]。

本论文是基于信号占空比不同的波分复用系统的研究，即是在DCDM的基础上再进行WDM波分复用，即DCDM-WDM系统，利用matlab设计解复用器与optisystem软件进行联合仿真实现。它更大的提高了光纤的传输容量和频谱效率，实现了多个用户多路同时的传输。

2 原理

2.1 DCDM-WDM系统的复用原理

图1 DCDM-WDM系统复用原理

2.2DCDM-WDM系统的解复用原理

对于DCDM-WDM系统的解复用，是通过matlab编程设计一个基于该系统的解复用器，这也是系统设计的重点和难点所在。该系统的解复用器是基于复用后信号的唯一性作为依据实现的，复用器先接收传输后的复用信号，将其采样分组求每组的平均值，且将每个平均值求得后将其装入一个数组中。然后，求得的平均值与规定的阈值做对比，将其归一处理，后将归一化的结果分组，4个一组排列，每组根据判决表判定输出数值。本文以3个用户为例，其判决结果一共有8种可能，输出具有唯一性。判决表如表1所示：

表1 解复用输出判定表

3 仿真实验

3.1 DCDM-WDM系统解复用器的设计

对DCDM-WDM系统而言最重要的部分在于系统解复用器的设计，该复用器我们是用matlab编程实现的，在将其作为一个独立的模块嵌入optisystem软件中做系统的设计。那么首先解复用器所采样的信号是一串随机的二进制序列，它们是经过光纤传输，受到了信道的衰减、损耗、色散、噪声影响后的复合电信号。所以解复用之前要将序列采样，我们这里设置的比特率为350Mbit/s，采样总数是8192次，每比特采样64次，并将其分为4组求平均值后存入数组a[i]。其次，根据传输后的复合电信号的波形，设置将数组a[i]做归一化的阈值和误差范围。如图2所示，是该系统本次仿真接收端接收到的复合信号。它的三个阈值分别为：0、0.053、0.159、0.205。误差范围定为0.01。这样，在“0”附近波动的就取“0”；在“1”附近波动就取“1”；在“2”附近波动的就取“2”；在“3”附近波动的就取“3”。完成归一化处理后的序列只有0，1，2，3。这时要根据判定规则做信号的输出。

图2 光纤传输后的复合电信号

图3所示的是用户3信号复用前的波形图；图4所示的是用户3信号复用后的波形图。从下图可看出：输出的用户的波形与复用前的一致，即解复用的方法合理，而且解复用器的设计是成功的。同理，该系统也可以拓展为n个用户，而解复用的编程方法和解复用器的设计都异曲同工。

图3 用户3复用前波形图

图4 用户3复用后波形图

3.2 DCDM-WDM系统设计：

在此，我们设计的是3×8的DCDM与WDM联合复用的系统，它既可以实现在电域的DCDM复用，又能实现在光域的WDM复用。在波分复用的每一信道上实现多用户的占空比复用。这样，系统就能实现24个用户信号的传输，使之增加了光频的利用率。DCDM-WDM系统仿真通过OptiSystem软件和matlab编程实现，其系统仿真图发射端示意图如图5所示。

在系统发射端使用的是比特序列发生器，使之产生随机序列作为用户的发射源。再经过归零脉冲发生器，给每一路的三个用户信号分配占空比，这里设置的分别是0.25、0.5、0.75。分配了占空比的归零信号经过电加法器，完成信号的复用过程。复用后的8路信号通过波分复用使之调制到一个光纤上传输。给8路信号分配的光波频率分别为193.1THZ、193.3THZ、193.5THZ、193.7THZ、193.9THZ、194.1THZ、194.3THZ、194.5THZ。这样就完成了24个用户的复用过程。

图6是系统仿真图接收端的仿真图，图中24个用户的复用后信号通过光纤进行传输，光纤的长度设置为50km，衰减为0.2db/km，色散为0ps/nm/km。8路信号经过光电转换成8路电信号，输入到matlab设计的解复用器中进行解复用，使之恢复成24路用户的随机序列。本论文选用的比特率为350Mbit/s，此时随机选取24个用户中的2个用户，验证其发射前序列与接受序列是否一致。

图7、图8是用户1的发射与接收信号，图9、图10是用户2的发射与接收信息。由此看出：用户发射序列与接收序列一致，说明我们设计的DCDM-WDM系统是可行的。

图7 DCDM-WDM系统用户1发射序列 图8 DCDM-WDM系统用户1接收序列

图9 DCDM-WDM系统用户2发射序列 图10 DCDM-WDM系统用户2接收序列

4 结论以及展望

本文提出了一种未来能够更好地利用光纤传输容量的方法，即基于占空比不同的波分复用系统(DCDM-WDM系统)，它可以在WDM每一个波长上实现多用户的传输。本文设计的是3×8路的DCDM-WDM系统，可以同时实现24个用户的传输。并利用matlab设计了系统的解复用器，通过matlab和optisystem软件的联合仿真验证了系统的可行性。DCDM-WDM系统增加了WDM的信道数，极大地提高了光纤的传输容量和频谱效率，对于现代通信系统的研究有着重大的意义。

对于DCDM-WDM系统的研究还在继续，由于信号传输过程中会产生色散、非线性等问题，所以对于研究影响色散和非线性等问题的因素和如何减小这些问题的方法也至关重要。未来还有很多需要研究和解决的问题。

[1]AbdullahMK，MahdirajiGA，MohammadiAM，etal.DutyCycleDivisionMultiplexing(DCDM)：ANewElectricalMultiplexingTechniqueforHighSpeedOpticalCommunicationSystems[C].IEEE2008 6thNationalConferenceonTelecommunicationTechnologies，26-27，August2008，Putrajaya，Malaysia.

[2]AbdullahMK，AbdallaMF，AbasAF，etal.Duty-cycleDivisionMultiplexing(DCDM)：ANovelandEconomicalOpticalMultiplexingandElectricalDemultiplexingtechniqueforHighSpeedFiberOpticsNetworks[C].2008InternationalConferenceonElectronicDesign，2-4July2007，Singapore，Singapore.

[3]MalekmohammadiA，MahdirajiGA，AbasAF，etal.Effectofself-phase-modulationondispersioncompensatedabsolutepolardutycycledivisionmultiplexingtransmission[J].InstitutionofEngineeringandTechnology，Sept2009：207-214.

[4]AvinashSingh，GireeshSoni，AbhishekTripathi，etal.Designof3×60GbpsDCDMbasedWDMsystem[C].OpticalEngineering(ICOE)2012InternationalConference，26-28July，2012，Belgaum，India.

[5]陈翠竹，陈新桥，段中航.基于占空比复用的光纤传输系统的设计[J].光通信研究，2013，179(5)：21-23.

[6]SalehSeyedzadeh，GhafourAmouzadMahdiraji，SheeYuGang，etal.ANovelAsynchronousHybridDuty-CycleDivisionMultiplexing/OpticalCodeDivisionMultipleAccess[C].Telecommunications(IST)2014 7thInternationalSymposium，9-11Sept，2014，Tehran，Iran.

[7]MohdNoorDerahman，KaharudinDimyati，AminMalekMohammadi.ImprovementofdecisionmakingprotocolforDutyCycleDivisionMultiplexing(DCDM)system[C].2010SecondInternationalConferenceonFutureNetwork，22-24Jan，2010，Hainan，China.

[8]MalekmohammadiA，AbdullahMK，AbasAF，etal.EffectofGuardBandonthePerformanceofAP-DCDMTechniquein40Gb/sOpticalFiberCommunicationsystem[C].Photonics(ICP)2010InternationalConference，5-7July，2010，Langkawi，Malaysia.

[9]GhafourAmouzadMahdiraji，AhmadFauziAbas.EffectofOpticalFilteringonthePerformanceof40GbpsDCDMSystems[C].Photonics(ICP)2011IEEE2ndInternationalConference，17-19Oct，2011，KataKinabalu，Malaysia.

[10]林一鸣.自由空间光通信系统调制与解调技术的研究[D].北京：北京邮电大学硕士学位论文，2015.

(责任编辑：王谦)

The Research of DCDM-WDM in Optical Communication System

LIN Ji-hong，LIU Kai-xian

(Science School，Communication University of China，Beijing 100024，China)

Wavelength division multiplexed optical communication system is frist desighed based on duty cycle division multiplexing.The system features multiplexing of the basebands in DCDM as well as multiplexing in WDM.The design is proposed for 3×8usersatthesametime.Designthedemultiplexerofsystembyusingmatlabandsimulateusingoptisystemandmatlab.DCDM-WDMsystemincreasesthenumberofWDMchannel，greatlyimprovestheopticalfibertransmissioncapacityandspectrumefficiency.

DCDM-WDM system；simulate by using optisystem and matlab；demuliplexing

2017-03-27

蔺吉虹(1989-)，女(汉族)，甘肃省嘉峪关市人，中国传媒大学硕士研究生.E-mail：290883726@qq.com

TN

A

1673-4793(2017)04-0051-06