（通信与信息系统专业论文）高速光传输系统的调制格式及其性能分析.pdf

摘要 光纤系统向高速、大容量、长距离方向发展的同时也给光信号带来严重的传 输损伤，高级的光调制格式作为新涌现的先进的传输技术之一，可以极大地减轻 系统的传输损伤，并且不需对现有的传输线路作大的改动，简单方便。而当前主 要问题是，如何在众多的光调制格式中，权衡利弊，以寻求一种或几种在某种环 境下最佳的调制格式。本文对此问题展开深入研究。首先研究当前高速光传输系 统中各种调制格式的调制解调原理，对各种调制格式进行分类，总结了其优缺点， 并提出改进建议；然后对各种调制格式抗传输损伤( 包括噪声、色散、偏振模和 非线性) 的性能进行分析和仿真，从理论分析和仿真结果中得出，基于相位调制 的调制格式是性能最优、应用前景最好的一类调制格式：最后本文理论分析了相 位调制格式的相位噪声统计特性，指出相位调制中噪声概率分布与传统的噪声概 率分布的不同，非线性相位噪声是多个服从非中心的卡方变量和的分布而非传统 的高斯分布。 关键词：光纤通信调制格式m z 调制器功率损伤非线性相位噪声 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a l 同) c rc o m m u n i c a t i o n ，t h ed e s i r ef o rh i g l l - s p e e d ， l a r g ep e r - f i b e rt r a n s p o r tc a p a c i t ya n dl o n g h a u lt r a n s m i s s i o ni si n c r e a s i n g ht h es a m e t i m e ，o p t i c a ls i g n a li ss u f f e r i n gm o r ea n dm o r et r a n s m i s s i o np e n a l t i e s b e i n go n e o ft h e n e w l ye m e r g i n gt e c h n o l o g i e s ，t h ea d v a n c e do p t i c a lm o d u l a t i o nf o r m a t sn o to n l y m i t i g a t et r a n s m i s s i o np e n a l t i e sh u g e l y , b u ta l s od o n tr e q u i r ec h a n g i n gt h et r a n s m i s s i o n l i n ec o m p l e t e l y ；i ti sas i m p l ea n dc o n v e n i e n tt e c h n o l o g y t h e r eh a v eb e e ns om a n y o p t i c a lm o d u l a t i o nf o r m a t su n t i ln o w , h o w t of i n do u to n eo rm o r eo p t i m a lm o d u l a t i o n f o r m a t su n d e rv a r i o u sd r c a m s t a n c e si so n eo ft h ec o m m o n l yi n t e r e s t e dp r o b l e m s t h i s p a p e rd e a l sw i t h t h em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o np r i n c i p l e so fv a r i o u so p t i c a l m o d u l a t i o nf o r m a t sa v a i l a b l e ，g i v e st h e mac l a s s i f i c a t i o na n ds u m m a r y , a n dp o s e s , s o m ei m p r o v e m e n tm e t h o d sf o rt h ea b o v ef o r m a t s t h e ne m p h a s i si sp u to nt h e s i m u l a t i o no ft h ep e r f o r m a n c e so ft h e i rr e s i l i e n c et oi m p a i r m e n t s ( i n c l u d i n go p t i c a l a m p l i f i e rn o i s e ，c h r o m a t i cd i s p e r s i o n ，p o l a r i z a t i o n m o d e ，d i s p e r s i o nn o n l i n e a r i t ya n d s o o n ) ，f r o mt h ea n a l y s i s a n ds i m u l a t i o n ，w ec a nd r a wac o n c l u s i o nt h a t p h a s e - m o d u l a t e df o r m a t sh a v et h eb e s tp e r f o r m a n c e sa n di t sp r o s p e c to fa p p l i c a t i o ni s a l s ot h eb e s t f i n a l l y , t h es t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h en o n l i n e a rp h a s en o i s eo f p h a s e - m o d u l a t e df o r m a t sa r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y i ti sp o i n t e do u tt h a tp r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o no fn o i s ei np h a s e m o d u l a t e df o r m a t si sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a l a n a l y s i s t h en o n l i n e a rp h a s e n o i s ci st h es u m m a t i o no fm a n yi n d e p e n d e n t l y d i s t r i b u t e d n o n c e n t r a l c h i s q u a r e r a n d o m v a r i a b l e sb u tn o tt r a d i t i o n a l g a u s s i a n d i s t r i b u t e do n e s k e y w o r d ：o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nm o d u l a t i o nf o r m a t m a c h - - z e h n d e r m o d u l a t o rp o w e rp e n a l t yn o n l i n e a r p h a s en o i s e 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期：迎2 ： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本人签名：也 导师签名： 吼幽： 日期：z 。7 _ 五兰 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的目的和意义 带宽和传输容量的飞速增长带来的是对光纤通信系统发展的压力和动力。当 前的光通信系统追求的目标是超大容量、超高速率和超长距离。利用光放大器延 长传输距离，利用电的时分复用( e t d m ) 或光的时分复用( o t d m a ) 提高单波 长的传输速率，利用d w d m 提高单根光纤的传输容量，不断地改进光纤的设计， 采用一些新技术( 如新型调制格式，纠错编码和各种色散管理技术等) 来克服传 输损伤，利用光电集成( o e i c ) 和光子集成( p i c ) 来提高设备的性能并使之小型 化，有力地推动了各种光纤通信系统的更新换代，必将使网络的性能和业务的提 供能力跨上新的台阶。 随着单通道速率的提高和信道间隔( 波长数量提高) 减小，大容量长距离传 输面临着许多的极限性挑战，如光信噪比低，色度色散和偏振模色散及其非线性 效应影响严重，以及由此引发的多种传输损伤如码问干扰，多通道干涉，抖动等 等。为了克服这些传输损伤就需要综合各种先进的技术来解决这些问题。当今， 高频谱效率、高容量的光传输网络驱动光纤通信技术的研究，主要有以下几个关 键技术： ( 1 ) 低损耗的光组件( 包括光纤，色散补偿设备及光交换路由组件) 最少化 光放大器的数量来减少相关的放大器噪声； ( 2 ) 低噪声的放大器( 如分布式拉曼放大器) 进一步降低光纤线路上累积的 噪声； ( 3 ) 更高级的光纤减少信号的非线性扭曲和信号发射功率； ( 4 ) 使用f e c ( 前向纠错码) 允许操作在高误码率的信道，能够减少接收端 所需的光信噪比( o s n r ) ； ( 5 ) 新型的光调制格式常常用于在信号噪声适应能力、抗光纤的传输损伤、 适应窄带光滤波器等之间取得平衡。 新型光调制格式的作为新涌现的传输技术不仅使系统容量和传输距离进一步 增加，而且还提高了系统的频谱效率。新型的调制格式不需对现有的传输线路作 改动，只需在收发端作一定改造就能完成，简单方便而又不增加系统成本，特别 适合系统的升级。因此深入开展对它的研究和寻找更好的解决方法将对提高光纤 通信技术水平有重大意义。 2 高速光传输系统的调制格式及其性能分析 1 2 高速光纤中的调制格式 掺铒光纤放大器( e d e 气) 的商用化解决了光纤的损耗问题，随着单波长速 率的升高，色散就成为限制光传输中继距离的一个重要因素。单波长速率升到 4 0 g b s 后，偏振模色散也会影响传输的中继距离，此时，无论对单波长系统还是 w d m 系统，非线性效应都显得特别突出【1 叫。传统光通信中使用的调制格式通常 为非归零码( n r z ) ，因为n r z 简单方便。近几年来，一些新的调制格式或编码被 引入到高速光纤通信中来，这些调制格式或编码有的在电通信中早已存在，有的 为适应光通信的需要经过了一些改变。 在高速光通信中引进或寻找一些新的调制格式是必要的。第一，有些光通信 系统其色散得不到完全补偿或根本就没有补偿，如采用一些抗色散能力强的调制 格式，如双二进制( d u o b i n a r y ) 、单边带归零( s s b r z ) 等，可以提高系统的色 散容限能力；第二，在高速系统中，引入一些调制格式如归零码( r z ) 、载波抑 制的归零码( c s r z ) 等，可以使系统抗偏振模色散和抗非线性能力增强；第三， 虽然光通信系统的带宽很宽，但它还是一个带宽受限系统，况且当今商用化的 e d f a 的带宽仅为1 0 t h z 左右，要使一个e d f a 能同时放大尽量多波长的光信号， 应减小信号的谱宽，提高频带利用率( s e ) ，而采用某些调制格式可以达到这个 目的：第四，提高单根光纤的速率，除了提高单波长速率和增加复用的波长外， 还有一个办法就是减小信道间隔，减小信道间隔会引起相邻信道的信号的谱之间 相互交叠，导致串扰，因此应该减小信号的谱宽，某些调制格式正好符合这点。 衡量一种调制格式的优劣主要看它的抗色散能力，频带利用率，抗偏振模色 散能力，抗非线性能力和它的发射机与接收机的结构是否简单。除此之外，也要 看它的抗噪声能力，抗由双瑞利散射( d r s ) 引起多径干扰( m p i ) 的能力，抗 偏振相关损耗( p d l ) 的能力等。对不同速率系统也所选用的调制格式也不一样： ( 1 ) 对1 0 g b s 系统，无论单信道还是多信道，其偏振模色散和非线性效应还不 很强，主要考虑群速度色散( g v d ) 限制。因此对1 0 g b s 系统的调制格式，主 要看它的抗色散能力，频带利用率和发射机与接收机的结构。当然也可以使用 n r z 加色散补偿；( 2 ) 在单信道4 0 g b s 及以上系统，其主要限制因素有群速度 色散( g v d ) ，自相位调制( s p m ) 和偏振模色散( p m d ) ；如果是波分复用系统， 限制因素还有交叉相位调制( x p m ) 和四波混频( f w m ) 。研究表明，归零码( r z ) 格式抗非线性和偏振模色散的能力比n r z 要强，因此在高速系统中调制格式要使 用r z i t - 9 1 。在r z 的基础上，又提出了c s r z l l o - n l 、s s b r z 、d u o b i n a r y 1 2 】、d c s r z l l o l ， 差分相移键控r z ( r z d p s k ) 1 1 2 1 、啁啾r z ( c r z ) 1 1 3 - 1 5 1 等等。除了r z 类型的 调制格式外，也在研究用于高速系统的其它调带0 格式，如r z - d q p s k i ， 第一章绪论 3 c r z - d p s k 1 7 1 、光孤子( s o l i t ) 等。当前存在许多种光调制格式，各种不同的调制 格式的实现原理和方法及其性能各不相同，也各有利弊，因此需要人们深入研究， 以寻求一种或几种在某种环境下展佳的调制格式。选择光系统的调制格式，主要 看它的抗群速度色散的能力，抗偏振模色散的能力，抗非线性的能力以及发射机 和接收机的结构是否简单。比较调制格式的优劣，需要作复杂的系统仿真或实验。 1 3 国内外发展状况 高速长距离w d m 传输作为光网络中关键技术之一已经成为当前研究的热 点，对此各国展开有关的研究和实验，表1 1 列出了近几年阿尔卡特、贝尔、k d d i 等公司推出的传输系统相关数据。2 0 0 1 年，n e c 公司实现了单纤1 0 9 2t b i t s 容量传输1 1 7k m ，采用了s + c + l 3 个波带传输2 7 3 路4 0g b i t s 信号；而阿尔卡特 公司实现了单纤容量1 0 2 4t b i t s 传输1 0 0k m ，采用偏振复用方式，该系统在第二 年把传输距离延长到3 0 0k m 。2 0 0 2 年k d d i 公司利用非对称滤波的载波抑制归 零码( c s r z ) 实现了间隔为4 0 g h z 的2 5 4 0 g b i t s w d m 信号传输了3 2 0 k m ， 信息频谱效率为l b i t s h z ；2 0 0 4 年k d d i 公司再次以归零差分四相移键控 ( r 乙d q p s k ) 码型实现了7 0g h z 间隔5 0 x 8 0 g b i t s 信号传输3 0 0k m ，信息频谱 效率为1 1 4b i t s h z ，该系统于同年又进一步把信道间隔缩小到5 0h z ，信道数增 加到6 4 路，实现了1 6b i t s h z 的信道频谱效率。另外根据o f c 和e c o c 会议上 若干文献的报道，采用各种先进传输技术，在实验室已经可以实现单信道速率达 8 0g b i t s 和甚至1 6 0g b i t s 的w d m 传输实验系统。 表1 1国外几个典型的高速w d m 传输系统 单信道 传输距频谱密度 日期速率信道数放大器类型调制格式公司 ( g b i t s ) 离( k m )( b i t s h z ) f r a e d e c + l 2 0 0 14 0 2 7 3 1 1 7o 8n r z n e c t d e s f r ，e d i a n r z 2 0 0 14 02 5 61 0 01 2 8a i c a t e l c + lv s b ，p d m 2 0 ( ) 24 02 5 3 2 01e d b c c s r z k d d l 2 0 0 44 083 2 01 6e d r cr 乙d o p s kn o n e l 2 0 0 34 01 6 03 2 0 0o _ 8f r a c + lc s r z d p s ko f s e d r v f r a 2 0 0 34 01 5 82 7 0 00 8b l 厂p s b ta l c a t e l c + l 2 0 0 34 04 02 1 6 0o 4f r a cc s r z c o m i n g 2 0 0 44 02 52 8 0 00 8 e d f a f r c r z d p s kb e i i 由表1 1 中数据也可以看到：w d m 在从数百公里的中短途传输系统到上千 4 高速光传输系统的调制格式及其性能分析 公里的长距离光传输中都有应用，对色散管理技术、低噪声放大器、新的编码调 制格式、p m d 补偿等先进技术的优化和解决不仅可以改善骨干网的传输性能，还 易与将其移植到城域网和接入网中，有利于提高这些中低层次传输系统的性能。 就目前研究来说，单个光纤的容量记录是m r r 公司在e c o c 2 0 0 6 年宣布的： 1 4t b s ，跨距是1 6 0k m ；而单信道最高纪录是富士通公司所报道的：采用d o p s k 和t d m 技术使2 5 6t b s 的信号传输2 4 0k m l l 9 1 ；就w d m 纪录来说：最远传输距 离是9 0 0 0k m ( 陆地) 和1 1 0 2 5k m ( 海底) ；系统取得的最大频谱效率1 6b i t s h z ( 陆地) ，最大光纤跨段是2 0 0 k m ( 陆地) 。几乎所有当前高速传输系统实验和研 究所采用的光调制格式都是基于相位调制格式和及其改进的调制格式。 我国这方面研究比较晚，与国外有差距，不过近年由中兴、华为、武邮也分 别成功地进行1 6t b i t s ，1 0g b i t s 系统3 0 0 0 - 5 0 0 0k m 的长距离传输试验，并推 出商用系统。武汉邮科院也进行了8 0 x 4 0g b i t s 的光纤传输系统。 1 4 本文主要内容 论文首先对当前研究的光调制格式进行了一次归纳和总结，并在此基础上提 出一些新的思路，最后结合理论分析和实验仿真对各种调制格式的特点和在光纤 传输中的性能进行了广泛的研究分析，所做的工作包括： ( 1 ) 分类和总结产生各种调制格式，包括：强度调制、相位调制、偏振调制 以及部分相应调制，此外还研究了不同调制格式的相互之间的关系和调制格式组 合和新型调制格式产生。 ( 2 ) 对光调制格式抗传输损伤性能进行了研究分析，包括：抗色度色散性能、 抗p m d 性能、抗非线性性能。 ( 3 ) 理论分析相位调制中传输损伤和噪声概率分布情况，并得出有具有指导 意义的建议。 本文的章节安排：第一章简单介绍高速光纤传输系统的传输损伤和关键技术、 研究调制格式的意义、选用调制格式的要求；第二章详述光调制格式的分类和调 制的理论；第三章讲述调制技术和几种常见调制格式的产生和相互之间的关系； 第四章仿真分析各种调制格式抗传输损伤的性能，并理论分析了相位调制格式相 位噪声统计特性；第五章结束语总结全文。 第二章光调制格式分类5 第二章光调制格式分类 在光纤通信系统中，光载波可以表示为( f ) 一朗c o s ( o 时+ 妒) 。其中e ( f ) 表示 电场矢量，善极化方向上的单位矢量，a 振幅载波的角频率妒载波的相位。 光调制过程本质上就是对中的一种或多种参量进行调制，目前研究的主要调制方 式有a s k 、p s k ，f s k ，p o l s k 。 在所有调制格式中，二进制非归零开关键控( n r 乙0 0 k ) 是其中最简单的一 种方式，由于调制和解调设备都很简单，所以在光纤通信系统中被广泛采用。但 在高速太容量w d m 系统中，n r z 调制格式不能有效地抵抗色散、非线性和噪声 的影响，有其固有的缺陷。因此各种新型的光调制格式应运而生，这些新的光调 制格式能够有效地减少信道间隔，增加频谱利用率，增强光信号在传输过程中抵 抗各类干扰的能力，使得整个光通信系统的传输距离和容量得到有效的提高。 2 1 新型的光调制格式 在单模光纤中，光电场三个物理量可以用来承载信息，光调制格式也可以按 信息承载的对象( 光载波的物理量) 大致可分为三类： ( 1 ) 基于强度调制的o o k 系列 ( 2 ) 基于相位调制的p s k 系列 ( 3 ) 基于偏振调制的p o l s k 系列 此外，目前也有提出光信号的频率调制技术，但由于光载波频率极高，此调 制方式仅限在实验室研究，很少用于光通信传输中。 这三个大的分类1 2 0 - 2 2 1 ，仅仅是按照传输数据信息所承载的物理量来分类，而 不考虑强度调制的光电场相位是否保持不变，也不考虑相位调制的光电场强度是 不是常数。如d p s k 是相位调制格式，而不考虑传输d p s k 信号的是以恒定包络 传输还是以归零形式传输。另一方面，c s r z 是强度调制格式，而不考虑光电场 相位是否有反转。 当强度调制和相位调制格式在高速光通信得到广泛研究同时，用光的极化态 ( 偏振态) 来调制信息就很少引起人们的关注，其主要原因在于：光信号在光纤 传输，光的偏振态会随机改变，接收机需要有个管理偏振的组件，这样的话就增 添了接收机的复杂性。而对强度调制或相位调制来说，偏振管理仅仅在存在高偏 振模色散( p m d ) 时才需要，如果接收机灵敏度可以得到很好改善的话，偏振调 制才可以被人们接受。尽管这样，偏振常常在研究试验中用来提高信号的频谱效 6高速光传输系统的调制格式及其性能分析 率，如相同波长不同信号可以用两个正交的偏振态传输( 即偏振复用 p o l a r i z a t i o n m u t i p l e x i n g ) ，和相邻的w d m 信道间采用交互的偏振态来减少信道间 的非线性作用和交叉串扰( 即偏振交叉，p o l a r i z a t i o n i n t e r l e a v i n g ) 。不过没有一种 方法在当前的商用系统被采用，主要是系统需要保偏组件和传输光纤中与波长独 立的偏振随机旋转，增加了系统的复杂性和成本【列。 表2 1 光调制格式分类 啁啾 n r zc n r z 无记忆 = 进制 r zc r z n r zv s b 强度调制 非啁啾 l i zs s b 多电平 m a s k 伪多电平 c s r z a p r z 记忆 相关编码 d ba m lp s b t n r z 二进制 d p s kc r z d p s k r z 相位调制无记忆 n r z d o p s k 多电平 r z a p s k o a m 偏振复用 偏振调制 d p o l - s k1 p d m 偏振交叉 2 2 多电平调制 如果用多电平传送数据信号，m 个信号电平可用l o g ，m 个二进制数据比特来 表示，因此其码元速率可以减少为：r l o g ，m ，r 为比特率。由于多进制数字已 调信号的被调参数在一个码元间隔内有多个可能取值，因此，与二进制数字调制 相比，多进制数字调制具有以下两个特点【刎；( 1 ) 在相同的码元传输速率下，多 进制系统的信息传输速率显然比二进制系统的高。比如，四进制系统的信息传输 速率是二进制系统的两倍；( 2 ) 在相同的信息速率下，由于多进制码元传输速率 比二进制的低，因而多进制信码元的持续时间要比二进制的长。显然，增大码元 宽度，就会增加码元的能量，并能减小由于信道特性引起的码间干扰的影响等。 正是基于这些特点，使多进制调制方式获得了广泛的应用。 一般来说，每个码元与前后码元之间没有什么直接关系或者说码元之间是相 互独立的，这样的调制格式称之为无记忆的调制格式( m e m o r yl e s s ) 。 多电平调制以减少信噪比为代价而获得更高的频谱效率，可以降低光电器件 技术对高速率的限制。多电平调制以低的码元速率传输，可以降低信号的色度色 散和偏振模色散容限，也可以在接收端执行电的高速数字信号处理。 第二章光调制格式分类 7 多电平的强度调制格式，多电平的相位调制格式，以及混合的强度相位调制 格式在高速的传输已经引起广泛的讨论和关注瞄- z t 。然而多电平的强度调制 ( m - a s k ) 到现在仍然在光纤传输没有得到应用，主要因为其接收机的灵敏度功 率代价同二进制o o k 系统没有得到改善，有文献指出4 - a s k 调制由于信号多的 个幅度将引起8d b 的功率代价。在众多的多电平调制格式中最有希望的是 d o p s k 。最近也有文献研究8 - a p s k t 冽的，一些基本的调制格式的星座图如图2 1 所示： ， 、 ，一、j 一 一 ( a ) n r z ，c r z i m 厂 、一 夕 ( b ) c s r z | ，歹。 l l m 。、 ；j 王 l 、 卜菠 l 恸 d p s k |1 1 m 1 j0 、 、 l ! 一 卜 jj l 一一 ，! l l m j 7 痧心、j i 、沁，厂 、-一， ( c ) 8 a p s k ，一!= l l n 、 ；乍奄3 。 i 、心乡) 、- 一_ _ ( f ) 8 一q a m 图2 1 几种常见调制格式的星座图 图2 1 中第一列是强度调制格式，图2 1 ( a ) 表示n r z 或c r z 的星座图， 在横坐标上有两个点，原点代表0 电平，另外一个点代表1 电平，注意到这里黑 点只表示电场矢量，而未表示其相位是如何变化的，如c r z 也有两个光强度，但 其码元的相位是缓变的，其变化可用图2 1 ( a ) 中虚线表示。图2 1 第二列代表 的是相位调制格式的星座图，与强度调制相比，相同功率前提下，d p s k 其码元 距离是n r z 信号的2 倍；d o p s k 的相位关系有两种如图2 1 ( d ) 中实黑心点 表示其调制相位为 qx 2 , 石，3 x 2 卜- 称为a 方式，空心点表示的调制相位为 伽，4 ，新4 ，一3 i r 4 ，一万，4 卜一称为b 方式，这两种调制的实现方式也是不一样 的，其调制方法下章有详细分析。第三列为多电平调制格式，包括多进制的强度、 多进制相位以及多进制的混合调制。其实d q p s k 也是多电平相位调制，只是为 了分析简单，把它归入相位调制里，图2 1 就只画出八进制相关的多电平调制， 更多进制的调制格式也于此类似。8 - a p s k 现在有文献研究，8 q a m 其调制方法 k 勋 8 高速光传输系统的调制格式及其性能分析 还在研究之中。 2 3 相关编码调制 相关编码调制( c o r r e l a t i v e c o o i n g ) 和伪多电平调制( p s e u d o m u l t i e v e i ) 1 2 0 l 在光通信中比多电平调制引起更多的关注。这两种调制格式不是以降低比特率来 减少码元速率，其所有的码元仍以比特率传输。我们通过引进记忆( 信息论) 到 调制方案中，改变信号的频谱分布和改进某种调制格式传输特性来降低信号的传 输损伤，这与通信原理中所提到的线路编码( l i n e ，c o d i n g ) 相类似。如果两个或 以上冗余信息用来表示单个比特，且冗余信息与传输数据比特独立无关的，称之 为伪多电平调制格式；如果冗余信息与传输的数据比特是相关的，我们叫相关编 码调制，最重要的类子就是部分响应1 调制格式。 最常见的伪多电平调制格式是c s r z ，用光强来编码信息，但是其载波相位 有改变，而这种冗余相位改变与数据信息是没多大关系的。最重要的部分响应调 制格式是光双二进制( d b ) 。对c s r z 来说，相位反转仅仅发生在数据比特中1 和1 比特之间相隔奇数个零的时候，而对部分响应调制格式来说，相位的反转和 数据的前后比特存在相关性。尽管这样，这些调制格式的解调仍用直接的平方检 测，原因是接收机会丢失载波的相位信息而只检测光的强度。更先进的线路编码 方案将会有更好抵抗光纤的非线性性能。 表2 2 表示的是各种常见调制格式是如何编码的，最上面n r z 代表数据信息， “0 ”和“1 ”表示光的强度；“0 ”和“石”或“耳2 ”表示光的相位；1 表示强 度不变而相位相差1 8 0 度。从表中可看出，相位调制是载波相位表示调制信息， 而相关编码和伪电平调制表示载波相位有变化的强度调制。 表2 2 调制格式的编码 数据序列( n r z ) 001011100101 多电平( d q p s k ) 0+ 兰石+ 三一三一三 2222 差分相位( d p s k )q0亿再兀00 j l 0兀珏疆 伪多电平( c s r z ) oo + 10 + 1 1 + 100 - 10 1 部分响应( d b ) oo + 1o 一1 一l l00 一l0 + 1 传号反转( a m i ) o0 + 10 1 + 1 1 00 + l0 1 2 4 非归零与归零调制 几乎所有的调制格式都有基于非归零和归零两种格式，前面也提过，n r z 信 号调制简单方便，而r z 调制相比来说就复杂点。然而，在长距离的高速系统中， 第二章光调制格式分类 9 n r z 就显得无能为力了，基于r z 的调制格式则大方光彩，可以更好地抗非线性， 提高眼图张开度，降低系统的误码率。 对r z 的调制格式来说，最常见占空比为：3 3 、5 0 和6 7 。原因是这三 种占空比的调制格式用正弦时钟信号容易产生，且调制简单，其调制的原理在后 面的章节会详细解释。而不同占空比信号传输的性能多少也有差异，一般来说， 占空比越大，频谱越窄，色散容限越高，而非线性容限就越低。如何平衡色散容 限和非线性容限也是很重要的一个问题，因此合理选择调制格式的占空比也能在 一段程度上提高系统的传输性能。图2 2 表示常见强度调制和相位调制归零信号 与非归零信号的对比，从图上很明显看出，两种不同调制的差别：相同功率下， 归零格式信号的峰值功率高，连续的1 电平时，非归零调制格式连在一起，而归 零格式，每个连续的1 电平之间都不是连续不变而是每次都归零，因此其定时抖 动和眼图展开都比n r z 的好。 怕 熙 涮 晒 非归零调制( z ) 归零调制( r z ) n r z - o o k r z - o o k ) 、 a am 兰兰 c 旦 m 厂一。厂一 量 c 言f 至f aa 一耋i 。黼一。! 曩 图2 2 归零信号与非归零信号的对比 第三章调制技术 第三章调制技术 使光的强度或相位随着数据信号变化而变化的技术称为光调制技术。光调制 是将电信号变换成光信号时不可缺少的关键技术。在高速的光通信系统中，光调 制显得非常重要，而光调制所采用的调制器件更为关键。 3 1 1 直接调制和外调制 3 1 光调制的基础 光调制的方式有两种【2 9 1 ，一种直接调制，即将激光二极管的注入电流( 电信 号) 进行调制，以进行光强调制：另外一种是使外调制，即激光按一定的输出功 率工作，用外部的光调制器件进行调制的方式。直接调制为最简单的方式，有体 积小、易整合的优点，现在仍然广泛使用。不过，缺点在与直接调制中随着电流 的注入，在光信号在上升和下降沿处，由于半导体的折射率变化较大，因此会产 生频率的波动即啁啾现象。直接调制通常用在2 5g b s 的场合，因为信号的啁啾 会引起传输性能的恶化，并且受传输距离和传输速率的限制。因此直接调制一般 用于低速，短距离的系统中。 而外调制技术几乎不产生啁啾，特别适合长距离高速的光调制，外调制采用 的光调制器件一般都是通过电信号使半导体或电介质的折射率和吸收系数发生变 化。常用的光调制器件一般有两种：基于电吸收的i n g a a s p 调制器和基于马赫- 曾德尔原理的铌酸锂( l i n b 0 3 ) 调制器。 3 1 2 电吸收外调制器 电吸收( e a ) 调制器是种损耗调制器，它利用费朗兹- 凯尔德修 ( f r a n z k e l d y s h ) 效应和量子约束的斯塔克( s t a r k ) 效应，使工作时候材料的吸 收边界波长向长波长移动。调制器的基本原理【3 0 j 是：改变调制器上的偏压，使得 多量子阱( m q w ) 的吸收边界波长发生变化，进而改变光束的通断，实现调制 功能，当调制器无偏压的时候，光束处于通状态，输出功率最大；随着调制器上 的偏压增加，m q w 的吸收边界波长向长波长，原光束波长吸收系数变大，调制 器成为断状态，输出功率最小。e a 调制器产生的信号啁啾很小，因此可以在标 准单模光纤上传播较长距离，且信号失真较小。 1 2 高速光传输系统的调制格式及其性能分析 随着高速率长距离的通信系统发展，对电吸收调制器的研究受到重视，迅速 发展起来。目前在商用的w d m 系统中，e a 调制器已经得到广泛的应用，在已 有的w d m 陆地系统中，绝大部分公司的产品都采用这种类型的调制器。然而在 当前研究热点的高速光通讯系统中新型的光调制格式大多数基于相位调制，而e a 调制器无法进行相位调制，因此在新型光调制格式中e a 调制器应用并不多。 3 1 3 铌酸锂外调制器 马赫曾德尔型光调制器( m z m ) 根据材料的电光效应1 3 1 】制成。而基于铌酸 锂材料的调制器是最广泛使用的。其原理是将相位调制通过干涉变换成强度调制。 下面是相位调制器是实现原理和结构。 ( 1 ) 相位调制调制器的构成。 光波导l i n b 0 3 e o 。t ( t ) 电极v l 霞黟毒s 穷￥，矜：爨 y 0 删 。 w 甜e 舭l 出 x - c u t z - c u t ( a ) 调制器的常见结构：( b ) 两种结构详细示惫图 图3 1 相位调制器的结构示意图 如图3 1 所示，在l i n b o ，中，如果电场e 加在沿晶体z 轴的方向，其折射 率改变为： a n 一= j t n 3 e ( 3 1 ) r 3 3 是沿z 方向的折射率为珥时的电光系数。当电压v 加在电光材料的上面时， 其电场强度近似为w d ，d 为两个电极之间的长度，如果波导长度为l ，则相移为： a 妒一了2 v r n l 一删k 导a a ( 3 2 ) 若使相移为1 8 0 度，则所需的电压为：( 这就是我们常说的半波电压) 屹。嚣因此a 扣乏矿 ( 3 3 ) 按照晶体材料的切割方式和电极所加的方法，可得相位调制器两种基本的结 构，如图3 1 ( b ) 所示，x 切( x c u t ) 和z 切( z c u t ) ，x 切电极分布在波导的两 边，而z 切电极在波导上方。一般来说，x 切比z 切有更好的耦合效率。因此常 常用x 切做相位调制器。 ( 2 ) 马赫一曾德尔型光调制器构成 第三章调制技术 m z 调制器的典型结构如图3 2 所示，输入光波在一个y 分支处被分为功率 相等的两束，分别通过两路光波导传输。此处光波导由电光材料制成，其折射率 随外加电压的大小而变化，从而使两束光的到达第二个y 分支处的光程差不同， 产生了的相位差，若两束光的光程差是波长的整数倍，则相干加强，若两柬光的 光程差是波长的半整数倍，则相干抵消，因此可以通过外加电压来对光信号进行 调制。 由上面相位调制器的原理，可知对于m z 调制器也有以下两种分类：1 ) 单驱 动( 图3 2b ) ：可用x 切或z 切构成，但z 切一般会产生啁啾，一般不使用这种 结构；2 ) 双电极驱动：一般仅由z 切构成，见图3 2 ( b ) 左上角所示。 ，器孽 o u “m h o t h o t 气蕙蒸菇可 f x h o t 气s 爨萋罗严 z - c u t ( a ) m z 调制器结构图( b ) 单驱动和双驱动构成 图3 2m z 调制的器的典型结构示意图 ( 3 ) 调制原理 如图3 2 ( a ) 所示，设输入光电场 3 2 1 为巨。( f ) = i e o l e ，式中q 为光信号载 波频率，经过调制器后输出信号为： 小墨粒护刊牛e 。( t ) c o s 盟亏堕e x 刚鱼专堕) ( 3 4 ) 设调制器两臂的输入电压信号分别为k ( f ) 和v 2 ( t ) ，则由式( 3 3 ) 可得所导 致的相位变化为： 5 乏咐 ( 3 - 5 ) 式( 3 5 ) 中k 为调制器单臂工作时输出光强由最大变为最小所需要的开关电 压( 半波电压) ，所以： k m 聃掣唧，掣 剐 输出的调制光信号由幅度调制和相位调制( 啁啾) 两部分组成，由式( 3 6 ) 可看出，当v 2 一v l 时，即m z 调制器工作在推挽方式，输出电场随上下驱动 1 4 高速光传输系统的调制格式及其性能分析 电压的差值( k k ) 变化，分两种情况：当k k k 2 屹时，只进行输 出电场的幅度调制，c o s 丛等 立为负值，输出电场相对于输入电场既相移 石；当。k 圪时，也只进行输出电场的幅度调制，c o s 丛芋笠为正 值，输出电场e 0 相对于输入电场乜相移为0 ，相对情况其相差为万。其调制 的特性曲线如图3 3 所示。 光 强 a c 时 间 ，一 、 ) i b 剖 一 v 1 、 d 正弦电信号v 幅度为v ；2 伏， 上真流偏置电压v i 赴为w 2 伏， 下直流偏置电压v 驰为v 9 2 伏 图3 3 双驱动m z 调制器的调制特性 当v 2 = v l 时，只对光信号进行相位调制( 产生啁啾) ，如后面讲到的d p s k 、 a p r z 、c r z 等调制格式都需要用到相位调制。如果v 1 、v 2 设置恰当的话，可同 时对光信号进行光强调制和相位调制，某些情况下可降低调制器的使用数量。注 意到图中有三个m z 直流偏置点：偏置零点表示传输功率最大处，偏置空点表示 传输功率最小处即开关电压e 处；线性点表示传输功率最大到最小的中间点。 3 1 4 三种调制方式比较 表3 1 是几种不同调制格式比较，电吸收和m z 调制可用到4 0 g 及以上高速 系统；m z 调制器所产生的调制信号的性能是最好，波长独立性和无啁啾使得m z 调制器是高速光调制首选的调制器，但其调制比较复杂，成本较高，且不宜集成。 除了l i n b 0 3 为材料的器件，近年来还出现了聚合物材料和g a a s 材料的外调制器， 其目的都是为了发展新的技术，减小成本，提高调制的性能。因此在满足系统性 能的前提下，选择合理的调制器也是相当重要。 第三章调制技术 表3 1 三种不同调制方式的比较 调制方式直接调制电吸收调制m z 调制 原理 直接驱动激光器电吸收原理m z 干涉 复杂度 简单 一般复杂 应用场合小于2 5 g b s1 0 g b s 和4 0 g b s4 0 g b s 或以上 集成容易容易 难 波长相关性相关 相关不相关 驱动电压小约2 v约4 v 消光比 1 0d b2 0 d b 插入损耗 1 0d b5d b 可消除啁啾 否 很小几乎为零 3 2 1 强度调制 3 2 光调制格式的产生 基于强度调制原理的光调制格式是通过调制器将所需要传输的信息调制在光 信号的幅度上，n r z 属于这一类型，但由于n r z 不利于高速的长距离系统，研 究一般从下面4 方面进行改进： ( 1 ) 对n r z 调制的波形进行切割，形成归零脉冲，如r z 调制格式，由于 r z 调制信号的码问干扰小于n r z 调制信号，因而具有更高的非线性容限和更大 的p m d 容限，所以具有较高的接收机灵敏度； ( 2 ) 对n r z 调制的功率谱进行整形，对载波进行抑制或对边带进行抑制， 如c s r z 调制格式，主要对抗非线性效应有较大提高，对色散也有较强的容限； ( 3 ) 对n r z 调制引入预啁啾，如c r z ，对码元内的非线性效应有很强的抑 制能力； ( 4 ) 对n r z 调制引入与电域相类似的部分响应系统即对其脉冲进行特定规 律的脉冲相位调制，如光双二进制或传号交替反转码。 下面所讲述的一些调制格式主要基于上面的一种或多种方式组合。 ( 一) r z c s r z 产生 这样的调制格式都可以通过两个极联的m z 调制器产生，不同在于所加的电 压，所以放在一起讨论。二级调制原理如图3 4 所示。 1 6 高速光传输系统的调制格式及其性能分析 图3 4 强度调制的二级调制原理 连续激光器产生的光波经过两个m z 调制器后便形成了适合在光纤传输的调 制信号。第一个调制器产生光的n