2.5 Gbit/s相干光通信系统的研究

2019-09-17史继荣

上海电气技术 2019年3期

史继荣, 刘琳

华东电力设计院有限公司电网工程分公司上海 200001

1 研究背景

近年来,随着特高压交直流电网的建设,高压输电线路的传输距离越来越长,随线路架设的光纤复合架空地线光缆也越来越长。

为了减少光通信中继站的设置,长距离单跨段传输技术已经成为电力通信传输的主要方式。采用了光放大、前向编码纠错、色散补偿、非线性抑制、遥泵等技术后,目前酒泉至湖南±800 kV特高压直流工程中最长的2.5 Gbit/s单跨段无中继光传输距离已达397 km,扎鲁特至青州±800 kV特高压直流工程中最长的10 Gbit/s单跨段无中继光传输距离已达399 km。

然而,在传输距离大幅度提高的同时,色散、非线性效应、接收机性能等却成为限制系统传输距离进一步提高的主要因素。对此,人们一方面致力于改善器件性能,以避免这些不利因素;另一方面则开始对信道编码、信号调制格式等与传输系统硬件无关的方面进行研究,寻找有利于提升信号传输容量和距离的信道编码及信号调制格式。

目前,电力光通信主要采用2.5 Gbit/s和10 Gbit/s系统,采用不归零码型,在接收方面以强度检测为主,对码型、调制及接收方式等的研究相对欠缺。

在运营商领域,采用偏振复用正交相移键控调制方式的相干光通信接收技术在100 Gbit/s系统成功商用。相干光通信技术具有较高的接收灵敏度,以及上千公里无需额外色散补偿等优点,成为100 Gbit/s及超100 Gbit/s系统的主流技术。

对于2.5 Gbit/s系统而言,采用偏振复用正交相移键控调制的相干光通信接收技术,其原理是一致的,升级也比较平滑。将相干光通信技术引入2.5 Gbit/s系统,研究低速相干光通信,对电力通信系统超长距离传输而言具有现实意义。

2 相干光通信系统原理

相干光通信主要利用相干调制和外差检测技术。所谓相干调制,指利用要传输的信号来改变光载波的频率、相位和振幅,这就需要光信号有确定的频率和相位。所谓外差检测,指将一束本机振荡产生的激光与输入的信号光在光混频器中进行混频,得到与信号光频率、相位和振幅按相同规律变化的中频信号。相干光通信系统原理如图1所示。与强度调制直接检测系统相比,相干光通信系统的主要差别在于光接收机中增加了外差检测所需要的本地振荡器和光混频器。

图1 相干光通信系统原理

相干光通信技术主要有以下优点:

(1) 相干光通信所用的高级调制格式,如偏振复用正交相移键控调制可以实现高频谱利用率,对于大容量高速率传输而言至关重要;

(2) 相干光通信可以利用高速数字信号处理技术在电域中补偿各种传输损失,简化传输链路,针对2.5 Gbit/s系统可以在算法上实现色散补偿,因此不需要额外的色散补偿模块,简化了系统配置;

(3) 相干接收机的接收灵敏度相比普通接收机大大提高,可以大幅延长光信号的无中继传输距离[1-3]。

3 2.5 Gbit/s相干光通信设备

在内蒙古锡林郭勒盟至江苏泰州±800 kV特高压直流光通信工程中,列入了相干光科技项目,由武汉光迅公司研制具有向前纠错功能的2.5 Gbit/s相干光通信设备。

这一2.5 Gbit/s相干光通信设备所涉及的研究内容包括相干光通信光源技术、接收技术、高速数字信号处理技术、偏振控制技术等。

设备研制的难点在于相干接收之后数字信号处理部分的算法复杂,对于2.5 Gbit/s和10 Gbit/s速率而言,市场上没有成熟的芯片方案,因此数字信号处理方面实现的所有算法均要自主开发,开发难度较大。

在数字信号处理部分采用现场可编程逻辑阵列芯片,并在现场可编程逻辑阵列上实现相干算法。相干算法包括正交化算法、色散补偿算法、时钟恢复算法、恒模算法、相偏补偿算法、频偏补偿算法、线宽补偿算法等[4-10]。所有算法均为自主开发,实现了算法的国产化。

基于原型机开发,设计了可用于现场试验的相干光通信传输设备。传输设备设计结构紧凑,自动温度控制功能可以实现良好的散热,适用于19 in(1 in=25.4 mm)和21 in机架安装,并具有完善的网络管理功能,可实现全面管理。

4 现场测试系统

在内蒙古锡林郭勒盟至江苏泰州±800 kV特高压直流光通信工程中,随特高压直流线路架设一根24芯光纤复合架空地线光缆。光缆长度为1 748.4 km,不含交叉引入光缆。共设置五个光中继站,其中临淄变至陈墩变的光缆长度为369.6 km,利用该段光缆搭建光传输系统,如图2所示。

临淄变至陈墩变光纤复合架空地线光缆采用G.652超低损耗光纤。超低损耗光纤的光纤衰减典型系数为0.172 dB/km,现场实测光纤总衰减为63.5 dB。

临淄变至陈墩变光传输系统使用六芯光缆,其中1号～4号纤芯采用常规2.5 Gbit/s超长距离光传输技术,5号、6号纤芯采用2.5 Gbit/s相干光传输技术。

采用常规2.5 Gbit/s超长距离光传输技术的电路,需要配置光放大器、预放大器、前向拉曼放大器、后向拉曼放大器、色散补偿模块和前向纠错模块。

采用2.5 Gbit/s相干光通信传输技术后,只需要配置光放大器、预放大器、后向拉曼放大器,不需要配置前向拉曼放大器和色散补偿模块,而前后纠错功能也已集成在2.5 Gbit/s相干光通信传输设备中。

5 运行结论

内蒙古锡林郭勒盟至江苏泰州±800 kV特高压直流光通信工程于2017年6月通过验收并投入运行,工程电路和2.5 Gbit/s相干光测试电路已安全平稳运行至今。

运行结果证明,应用于100 Gbit/s光通信中的采用偏振复用正交相移键控调制技术的相干光通信技术,可以应用于2.5 Gbit/s传输系统中,同时验证了2.5 Gbit/s偏振复用正交相移键控相干系统实时传输的性能。经过运行确认,采用超低损耗光纤、光放大器、预放大器简单配置,无需色散补偿,即可传输369.6 km。

这一系统直接参与中兴厂家设备测试,功能均正常,因此可用于实际电力超长距离传输系统中。