DPPM在相干光通信中的应用研究

王 熹，李 婕，罗 鸣

(中国信息通信科技集团有限公司 光纤通信技术和网络国家重点实验室，武汉 430074)

0 引 言

空间激光通信技术目前处于快速发展阶段，其在带宽、速率、体积和功耗等方面的巨大优势，是未来星地和星间高速传输不可或缺的方式之一[1]。近年来，数字相干光通信技术在陆地上得到了广泛应用，并逐渐发展演变为卫星通信中极具竞争力的通信技术。但在相干空间激光通信系统中，通信链路比普通的光纤链路更加复杂，特别是存在热形变、多普勒频移和大气端流等因素的影响。正是由于通信链路的复杂性，使得现有应用在光纤链路中的调制码型系统性能理论模型无法用于空间激光链路，如何针对通信信道优化调制编码技术，在降低发射端能耗的同时保证接收端的灵敏度，并且能够硬件实时实现，是发射端亟待解决的一个技术难点。另外，在目前常见的星间直调直检(Intensity-Modulation Direct Detection，IMDD)系统中[2]，虽然脉冲位置调制(Pulse Position Modulation，PPM)[3]具有突出的功耗利用率与误码性能，但是也存在占用带宽较宽的缺点。

而差分脉冲位置调制(Differential Pulse Position Modulation，DPPM)运用在空间激光通信中不仅具有较低的功耗，还能有高的谱效率。对于复杂的大气湍流影响，信号的振幅跟相位都会产生波动，而采用DPPM只有强度上的信息，相位波动不会像影响二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying ，BPSK)或正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)那样产生附加的影响[4]。而且相干探测对热噪声与散粒噪声都没有IMDD那么敏感，所以采用DPPM格式/相干探测能得到更高的灵敏度及更低的误码率(Bit Error Ratio，BER)。针对这一情况，本文对DPPM进行了研究，并利用相干探测技术提高其探测灵敏度，论证了采用DPPM格式/相干探测能够得到更高的灵敏度及更低的BER，对于空间激光通信最核心的能量效率与谱效率问题，PPM的改进格式DPPM能够有很好的表现。

1 DPPM原理

PPM是一种基于光脉冲所处时隙位置携带比特信息的强度调制格式。这种调制格式的优点在于其光子利用率高，抗干扰能力强，对激光器的选择以及传输系统的整体设计带来很大的便利，非常适合在深空和对潜等光子匮乏的信道中传输[5-7]。

通常PPM以帧为单位携带并传输信息。假设一帧信号的总时间长度为T，其中一共包含2n个时隙，等价于每一个时隙的时长为Ts=T/2n。而每一帧信号中仅有一个时隙上有光脉冲(脉冲持续时间等于单个时隙时长Ts)，而其他时隙无光脉冲，于是每个光脉冲所处的时隙位置便可以代表不同的比特信息。表1所示为4位PPM的比特信号与光脉冲的对应关系，其他位数的PPM同理。

由表可知，PPM是将n位的二进制数据映射到2n个时隙组成的一个时间帧上。显然，在固定的一帧时间内，调制的阶数越高，每一帧信号所能携带的信息就越多，对光子的利用率就越高。而对于时隙长度为L的PPM，传送的信息比特数为log2L，从而每个时隙的平均比特率为log2L/L，随着PPM阶数的升高，每个时隙的平均比特率反而下降。并且，调制的阶数越高会导致对时隙的划分更精细，从而单个时隙的宽度变窄，对光脉冲的定位将更容易出现误判从而引发错码。所以要根据实际的接收信号功率和传输信道的情况灵活调整PPM的阶数以及单个时隙的时间长度。

PPM最大的优势在于其对发射端光子的高利用率。在固定时隙的情况下，令每个时隙发送信号“1”时所需的功率为Po。假设将一个M位的二进制数据映射到2M个时隙上进行传输，那么传输该调制格式的信息所需的平均光功率仅为Po/2M。而传送开关键控(On-Off Keying，OOK)调制格式信息所需的平均光功率为Po/2。由此，PPM格式的信息在牺牲了一定传输带宽的前提下获得了更高的光子利用率[8-10]。表2所示为传统的OOK调制和PPM两种强度调制格式的性能对比。

表2 OOK调制与PPM信号的性能对比

DPPM是PPM的一个改进格式。对于时隙长度为L位的PPM，传送的信息比特数为log2L，每个时隙的平均比特率仅为log2L/L。如果想在进一步提高通信容量的同时又保持PPM的高光子利用率，便需要使用到DPPM。DPPM同样是根据脉冲的位置信息与比特信号一一对应，其与PPM的最大区别在于省去了每一帧信号中光脉冲后面的无光时隙，而直接开启下一帧信号的传输。所以对于DPPM信号，每一帧的时间长度会根据实际传输的比特信号而改变，每一帧信号紧接着前面一帧信号进行传输。这一方式大大降低了传输相同信息的平均帧长度，从而降低了对器件调制带宽的需求。但是由于传输相同长度的DPPM格式信号其数据量可能是不定的，所以在某些系统应用中可能会受到限制，但是在大多数情况下，DPPM格式都能有效提高PPM信号的传输速率。图1所示为DPPM和PPM格式的信号时序示意图。

图1 OOK调制、DPPM和PPM格式的信号时序示意图Figure 1 Schematic diagram of signal timing in OOK, DPPM and PPM formats

对于时隙长度为L位的PPM和DPPM格式信号，其传输特性对比如表3所示。

表3 PPM和DPPM格式信号传输特性对比

2 DPPM信号仿真传输

为了对DPPM的传输特性进行初步仿真验证，本文使用了基于Matlab和VPI Transmission Maker 9.9两种软件的仿真传输平台,其中Matlab软件主要用于生成待传输的DPPM信号以及获得接收到的DPPM信号中的BER等信息；VPI软件主要用于仿真DPPM信号在光域传输的系统模型，并将经过光系统传输后的数据反馈给Matlab软件。

2.1 IMDD系统DPPM传输

首先进行了DPPM信号在IMDD系统中的仿真传输，用于同后面的相干传输DPPM进行性能对比。由于DPPM信号本身也是强度调制信号，所以使用IMDD系统传输是完全适配的。仿真搭建的传输系统示意图如图2所示。

图2 仿真搭建的IMDD信号传输系统Figure 2 Signal transmission system of IMDD in simulation

由图可知，将Matlab软件中生成的DPPM强度信号数据导入到VPI仿真传输平台中，通过单个MZM进行调制，将射频信号的振幅调制到光载波上。调制器输出的光信号通过VOA进行接收端光信号的功率调节，以模拟空间激光通信中的光波衰减现象。最后使用一个PD进行光/电转换，将光信号中的强度信号数据传输给Matlab软件端进行BER判决等处理。发射端的激光器选定为传统的外腔激光器(External Cavity Laser，ECL)，其线宽设定为100 kHz，输出的光强度为15 dBm。

传输的DPPM信号为8阶DPPM，即每帧信号用8个时隙传输3 bit的数据。将采样率选定为40 GBaud，每个时隙的时间长度设为12个采样周期，于是信号的传输速率为40×3/(12×8)=1.25 Gbit/s。图3所示为在此传输速率下接收到的DPPM信号BER与接收端光功率(Received Optical Power ，ROP)间的关系。由图可知，对于在IMDD系统中传输的DPPM信号，其误码大概在接收端信号光功率为-35 dBm时开始出现，之后BER快速上升，在接收端信号光功率约为-36.5 dBm时，BER达到代价为7%的硬判线。随着信号光功率继续下降到约-40 dBm后，接收端信号已经无法正常解码了。以硬判线为指标来看，在IMDD系统中传输的DPPM信号能够容忍的最小信号路光功率约为-36.5 dBm。

图3 IMDD系统中传输DPPM信号的ROP性能曲线Figure 3 ROP performance of transmitting DPPM signal in IMDD system

2.2 相干光系统DPPM传输

在IMDD系统之后，本文对DPPM信号在相干光传输系统中的传输进行了仿真研究。相干光传输系统由于其大传输容量和高接收灵敏度等特点被广泛应用于高速长距离光纤传输。由于其接收端可以使用一个额外的本征激光器对信道传输过来的信号进行光场重建，所以相干探测可以显著提高信号的接收灵敏度。对于空间激光通信中无中继导致的接收端信号光功率较小的问题，可以使用相干探测的方式进行功率补偿[11]，所以使用相干传输系统提高DPPM信号在低功率情景下的性能是完全合理的。仿真搭建的传输系统示意图如图4所示。

图4 仿真搭建的相干光传输系统Figure 4 Coherent optical transmission system under simulation condition

由图可知，除了调制器和接收机的差别以外，相干传输系统对比IMDD系统在接收机端还多了一个LO而不只是使用信号与自身拍频的结果。

仿真时使用的信号载波激光器选定为传统的ECL，线宽设定为100 kHz，其中心波长为1 550 nm，输出光功率为15.5 dBm。接收端的LO线宽设定为100 kHz，其中心波长相比信号载波偏移了1 GHz左右以避免快速的包络调制，输出光功率也为15.5 dBm。通过改变传输信道中的VOA来控制进入相干接收机的信号光功率。在进行对DPPM格式信号的仿真传输时，首先针对信号不同速率的结果进行了对比，其中信号速率是由调节每个时隙所占的时间长度调整的，结果如图5所示。

图5 相干光传输系统中不同速率DPPM信号的ROP性能曲线Figure 5 ROP performance of DPPM signals with different rates in coherent optical transmission system

由图可知，随着传输速率的增加，在相同接收端光功率的情况下，接收端BER会逐渐劣化，而且传输速率越低，由于信号光功率升高得到的BER提升也越快。对于实现零误码传输的目标，传输1.25 Gbit/s速率的DPPM数据只需要-57 dBm的信号路光功率；传输1.875 Gbit/s速率的DPPM数据只需要-56 dBm的信号路光功率；而传输3.75 Gbit/s速率的DPPM数据在信号路光功率为-50 dBm时仍无法达到零BER。说明此时的信号时隙所占时间过短，在此传输信道下更容易发生误码。对于实现硬判线的传输目标，传输1.250、1.875和3.750 Gbit/s速率的DPPM信号需要接收端光功率分别约为-60、-58和-55 dBm，对比实现零误码时所需的光功率需求适当放宽，并且3种速率情况下所需的功率差距也更小。

之后探究了接收端本振光功率对信号性能的影响。实际上，接收端的本振激光功率在一对多传输等应用场景下也会受到限制，所以研究接收端本振光功率对信号性能的影响也是很有意义的。仿真验证了传输速率为1.25 Gbit/s的DPPM信号分别在接收端信号光功率为-58、-59和-60 dBm 3种情况下的传输，接收端本振光功率从-2～15 dB进行了扫描，仿真结果如图6所示。

图6 不同功率的DPPM信号关于本振光功率的仿真性能曲线Figure 6 Simulation performance of DPPM signals with different power with respect to intrinsic optical power

由图可知，随着接收端本振光功率降低，DPPM信号的BER也在不断上升。对于实现硬判线的传输目标，传输接收端信号功率为-58、-59和-60 dBm的1.25 Gbit/s速率DPPM信号需要接收端本振光功率分别约为4、7和15 dBm，说明信号路1 dB的光功率提高能使接收端对本振光功率提出更高的容忍度。其中，信号路光功率为-58 dBm的信号BER相较于光功率为-60 dBm的信号劣化更快，这一现象在本振光功率低于4 dBm时更为明显，此时的BER劣化程度和本振光功率的降低已经接近线性关系。而由曲线的趋势来看，即使本振光功率可以进一步增加，对传输信号的BER的提升也会越来越有限，很有可能无法将信号性能降低到零误码。实际上，即使接收端本振光功率从15 dBm降低到13 dBm，信号光功率为-58 dBm的信号BER也要远好于本振光功率为15 dBm、信号光功率为-60 dBm的信号，这一现象说明在接收端解调信号时，信号路的光功率要比本振光功率更为重要，所以对信号路光功率进行提升才是提升传输性能的关键。

由IMDD和相干传输系统的仿真结果可知，在相同的传输信道，传输速率为1.25 Gbit/s的DPPM信号时，两者达到硬判线所需的信号路光功率分别为-36.5和-60.0 dBm。相干传输系统对比IMDD传输系统提升了约24 dB的光功率裕度，所以相干传输系统在低信号光功率传输的场景中具有非常大的优势。

3 DPPM实验传输

3.1 相干实验传输平台介绍

在本实验室的传输实验平台上，对DPPM信号进行了传输，传输所用的相干收发机系统与传统的相干收发机一致。实验装置系统如图7所示。

图7 相干光传输实验装置图Figure 7 The structure of coherent optical transmission

发射端使用的是普通的四通道ECL(型号为Alnair Labs，TLG-200)，线宽为100 kHz，输出光功率为15.5 dBm，输出波长为1 550 nm。在Matlab软件中提前将DPPM信号转换为数字输出，然后使用一个65 GSa/s采样率的AWG(型号为Keysight M8195A)将数字信号转换为模拟信号并输出给电放大器(型号为CENTELLAX OA3MHOM)，放大后的DPPM电信号被单偏振的铌酸锂I/Q调制器(型号为Fujitsu FTM7961EXT)调制到光载波上，从而实现信号的电/光转换。传输信道主要由定长光纤和VOA组成。在接收端将接收到的光信号输入到ICR(型号为Fujitsu FIM24706)中，本振光选用的是四通道ECL的另一个输出通道，输出光功率设定为12 dBm。ICR的输出端接100 GSa/s采样率的示波器(型号为Tektronix DPO73304D)，其输出被导入Matlab软件进行后续的BER计算等处理。整个相干传输平台的实况图如图8所示。

图8 传统相干光传输平台实况图Figure 8 Live picture of traditional coherent optical transmission platform

3.2 相干传输实验结果与分析

首先对不同速率的DPPM信号在不同信号路光功率的情况下进行了传输，传输所用的相干收发机系统如2.2节所述，实验传输性能结果如图9所示。

图9 不同速率的DPPM信号关于接收端光功率的实验性能曲线Figure 9 Experimental performance of optical power at receiving end under different rates of DPPM signals

由图可知，实验传输的结果同仿真结果在趋势上基本一致。随着传输速率的增加，在相同接收端光功率的情况下，接收端BER会逐渐劣化。而且传输速率越低，由于信号光功率升高得到的BER提升也越快。对于实现零误码传输的目标，传输3 Gbit/s速率的DPPM数据需要约-48 dBm的信号路光功率，传输6 Gbit/s速率的DPPM数据需要约-44 dBm的信号路光功率，传输12 Gbit/s速率的DPPM数据需要约-37 dBm的信号路光功率，而传输24 Gbit/s速率的DPPM数据在信号路光功率为-35 dBm时仍只是刚超过硬判线而无法达到零BER。说明此时的信号时隙所占时间过短，在此传输信道下更容易发生误码。对于实现硬判线的传输目标，传输3、6、12和24 Gbit/s速率的DPPM信号需要接收端光功率分别约为-49、-47、-42和-36 dBm，对比实现零误码时所需的光功率需求适当放宽，并且4种速率情况下所需的功率差距也更小。

然而实验结果相比于仿真结果对于信号路所需的功率并不完全一致。仿真中对于传输3.75 Gbit/s速率的信号达到硬判线的目标需要信号路光功率约为-55 dBm，而实验中对于传输3 Gbit/s速率的信号达到硬判线的目标需要信号路光功率约为-49 dBm，这里有了约6 dBm的光功率差距。但是可以认为这一差距是由于实验链路中器件本身的带宽特性损伤、调制器偏置点的抖动、AWG和示波器的量化噪声等等因素造成的，而这些非理想特性在仿真中无法完全被考虑进去，所以实验传输的性能劣于仿真的性能是合理的。

之后在实验的传输链路中模拟了不同长度的光纤对信道的干扰。在接收端信号光功率固定为-50 dBm，接收端本振光功率固定为10 dBm的情况下，分别进行了长度为50和100 km的光纤传输，实验结果如图10所示。

图10 不同速率的DPPM信号关于光纤长度的实验性能曲线Figure 10 Experimental performance of DPPM signals with different rates on optical fiber length

由实验结果可知，对于传输速率为6、12和24 Gbit/s的DPPM信号，在信道加入定长光纤后都会使信号的性能发生劣化，即随着光纤长度的增加，传输性能都会逐渐变差，这是由于光纤引入的色散等效应导致的。另外，实验中由于光纤具有损耗，同时也使用了VOA调节光功率，所以可以很好地模拟仿真中的衰减。仿真和实验的信道模型可以近似为一致。

4 结束语

本文针对空间相干激光通信系统，对于高能效高灵敏度的调制问题，针对DPPM格式进行了理论研究和实验验证，实验结果表明，在IMDD和相干光通信传输系统中，在相同的传输信道，传输速率为1.25 Gbit/s的DPPM信号时，两者达到硬判线所需的信号路光功率分别为-36.5和-60.0 dBm。相干传输系统对比IMDD传输系统提升了约24 dB的光功率裕度。对于实现硬判线的传输目标，传输3、6、12和24 Gbit/s速率的DPPM信号需要接收端光功率分别约为-49、-47、-42和-36 dBm。论证了采用DPPM格式/相干探测能够得到更高的灵敏度及更低的BER。同时分析了不同传输速率、不同接收端光功率和传输不同长度光纤的BER性能，对于进行实际DPPM信号在空间相干光通信系统的传输具有一定的指导意义。