多光载波接入副载波复用系统中光拍频干扰噪声分析

1、多光载波接入副载波复用系统中光拍频干扰噪声分析第7卷第2期上海大学(自然科学版)V0l_7,NoJ()URNALOFSHANGHAIUN】!AL文章编号:10072861(2001)02.10504多光载波接入副载波复用系统中的光拍频干扰噪声分析'解文才,黄肇明,王春华,雷建设,贾潞华上海大学通信与信包工程学院.上海200072)摘要:讨论丁副载溘复用系统中多光载波接情况下的光拍频干扰(oBI噪声问题,对光拍频干抗的产生机理,功率谱分布和载渡干扰比进行丁分析光拍顺干扰噪声太大地降低r单信道的载噪此,严重地劣化丁系统的性能,因而必须加以抑制增加激光光源谱竟和碱少信号带宽6T以有效地提高载

2、噪比.关键词:副载渡复用;光拍频干扰载噪此中图分类号:TN92文献标识码:AAnalysisofOpticalBeatInterferenceNoiseinSubcarrierMultiplexingSystemwithMultipleOpticalCarriersXIEWencai,HUANGZhaoming.WANGChunhua,LEIJianshe,JIALuhua(SchoolofCommunicationandIn'ormarionEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072.China,Abstract:Opticalbeat

3、interferencefOB1)noiseinasubcarriermultiplexingsystemwithmultipleopticalcarriersisdiscussedThemechanismofOBI.itsspectrumdistributionandcarriertointerferenceratioareanalyzedOBInoisedrasticallyreducesCNRofeachchanne】andseriouslydegradesthesystemperformance,thereforemostbesuppressed.Increasingspectrumi

4、newidthsoflasersourcesandreducingbandwidthsofsignalscartenhanceCNReffectively.Keywords:suhcarriermultiplexing:OBI;CNR在宽带光接入网中,副载波复用(SCM)系统因其能综合传输视频,音频以及数据业务而倍受重视.这样的系统现在有两种方案:一种是将多路模拟或数字信号调制于不同频率的射频电载波(副载波)之后,混合起来对一路光载波进行调制再经光纤传输出去;而另一种方案是各副载波分别调制单独的光载波(一般为同波段光波)再经合波器台波由一馈线光纤传输.两种方案都是在接收端由一宽带的光探铡器检测

5、出所有的信道,经由电滤渡器滤波出各个不同的信道后,再解调出原来的业务信号.前种方案已成为现代光纤同轴混合同(HFC)作为信息高速公路的宽带用户接入网的支撑技术.现有的模拟CATV分配系统采用的也是此种方案,即副载波混台起来谰制一路光载波,经由光纤传输分配至用户端.而后一种方案业已用于无源局域同中,个用户经由×星形耦合器交叉连接,这样每个用户可以同任一用户连续地通信一本文讨论的是采用后一种方案,以副载波复用?收稿日期:Z001213作者筒介:解文(1971),男,安傲巢瑚,硕士生,主要从事光接阿的研究?106上海大学(自然科学版)第7卷技术应用于无源光接人网络(PON)中.个用户经由一

6、无源光耦台器连接到一根光纤上.如图1所示,当信号由前端下行传输给用户时,一个光源即可通过调制在不同频率的副载波上提供音频,视频及数据的综台传输.但在上行方向上,每个用户利用单独的光载波传输调制在其上的不同频率的副载波.前端中的光探测器对混台的光信号进行检测.用户是以不同频率的副载波来区分的SCM系统中的信噪比(SNR)在文献:1和2中已经分析过.其系统中的最大信道数由给定的传输带宽计算决定.然而,当多路光载波存在时,对于如图1中所示双向无源分布式系统中的上行方向,光场的叠加必须考虑.在共享的光探测器处因光场的混舍而产生拍频项,这是光电检测过程的内在特性,由光探测器的平方津特性产生,它将导致多光

7、载波接人副载波复用系统中的光拍频干扰(OBI).是这项噪声干扰大大地降低了单信道的载噪比因而严重限制了SCM系统的性能.下面将分别对OBI的产生机理,功率谱分布和载波干扰比进行分析.并简要阐述其对载波噪声比(CNR)的影响.:+卧等协TOptical1i1,一一一一一一一一一一一一一一一一一鲞Flher扫j,UMnr1L一恒亘回Opticall:NCI图双向SCMPON系统框图Fig.】S【hemaddiagramforbidirecrionaISCMPONsystem1OBI产生机理考虑在多光载波SCM方案中.假设有两路信号P()和尸,(),分别强度调制两路光载波'具有相同的偏振状态

8、对偏振状态任意的两路光载波拍频干扰将有3dB的减弱.j.经过光合渡器合渡后.由一光探测器检测,忽略光载波功率损耗的影响.人射到光探测器的合电场(,)可粗略地写成_一()=VP()E(r)eIlvPz0JE20)e.(1)P.(r)一1-_m,COS(2/.fj.1.()一f+t,.其中代表每路信号的光调制度,E.()和E:(f)分别为两路光载波的电场.对于工作在阕值以上的光源可近似地认为是常数.睹()代表光源的相位.探测器的电流输出正比于电场(的模的平方.这样就有:i0)一R#0)一RE.Pl()+P0)+2,/Pl()P().cosl2()一(r)1.'2)一1:J一其巾R是光探测器

9、的响应度.E为电场等于E【t)和E(),尸-()和P()分别为占据不同频率的副载波项.而等式中的第三项正是两路光载波混合拍频的产物,代表r不期望的干扰项.如它落在副载波信号的频带范围内则会对其产生严重的拍频干扰.2OBI功率谱分布OBI是热噪声,散弹噪声以及接收机电路噪声之外的干扰项,当两路光源中心频率很接近时,O13I噪声很大.将占据整个噪声的主要部分.在多光载渡SCM系统中OBI噪声的存在将导致系统CNR的严重恶化.假设信号带宽及副载波频率远小于已调光波线宽(直接强度诃制时为GHz数量级),则OBI干扰项的频谱实质上是由两路光载波的频谱之卷积决定的,其中心频率为两路光载波的中心频率之差.落

10、在副载波带宽范围内的OBI的数量取决于光波间的波长差及各光波的谱宽.OBI噪声的频谱为-7第2羁解文才,等:多光载渡接凡副载被复用系统中的光拍频干扰噪声分析0Bl(,)=÷ls+f)s()+s(口一f)s()dv,(3)式中S(,)为输入光载波的频谱,sc(,)表示拍频干扰噪声的频谱.在此主要讨论两种形状的光谱,洛仑兹型功率谱和高斯型功率谱.先讨论两路光载波都具有洛仑兹型功率谱,信号的带宽和副载波的中心频率都远小于光源的光谱线宽,则此时拍频干扰项的功率谱也近似为洛仑兹型频谱,且其谱宽等于两路入射光波频谱线宽的和.这里,我们先从OBI的频谱分布人手,进行归一化,令RE一l,则根据(3)

11、式可得OBI的频谱分布为w一:一(门,其中af为两路光波的线宽的卷积决定,此时有=,一af,af和,分别为两路光载波的频谱线宽,而,为两路光波中心频率之差,由以下公式计算=,而当两路光载波都具有高斯型频谱时,据(3)式OBI的频谱分布为=唧一【:.2L?,0J与洛仑兹型不同的是此时OBI拍频干扰的频谱宽度f为af一(Af)+(,):.3计算分析首先定义每路载波信号功率与落人信号频带范围内的OBI拍频干扰噪声的比值为载波干扰比CIR,归一化条件下.载波信号功率可写为Cm/2,则对于洛仑兹谱载波干扰比为(以dB形式)cIR=10lg(C/1)一101g=j一10Igfl+一.其中B为接收机带宽,且

12、认为等于副载波信号带宽.式中忽略F(,)随着频率,的变化而认为是在整个接收机的频带B内都是定值,采取这样的近似是因为,及B都远小于af之故,故可以将F(,)表达式中的一,项直接以近似代替,这样就避免了在B范围内的复杂积分运算.而对于高斯型光波频谱载波干扰比为CIR一10lg(c/1)一101gI(7)10Ig南ex22一下面看几个实际的例子,在所有的例子中都认为光调制度.为i00%.假设有两路单纵模ID光源,中心波长皆为.=一1.31m,调制后光谱线宽分别为lGHz和10GHz,接收机带宽B=jMHz,经计算其0B1拍频噪声如图2所示,图中分别画出了高斯频谱和洛仑兹频谱时的情况;对于LED的情

13、况,认为其频谱为高斯谱,中心波长1.31m,波长谱宽为40nm.其0B1拍频噪声同样示于图2中.从图中可以看出,当波长间隔较小时,随着厂的增长CIR相应增加:而当波长间隔很大时,随着的增长CIR反而有所下降,但是此时的CIR较高.另外从(7)式中就可看出CIR与接收机带宽成反比.再考虑两路多纵模光源的情况,中心波长为=1.3L/zm,假设共有七个纵模,峰值分别为0.53,0.75,0.93,1,0.93,0.75和0.53.可以这样考虑,每个纵模被认为单独作用.和另一光源的每个纵模都分别产生拍频,仍然认为每个纵模的线宽为10GHz.将所有的拍频项叠加起来就可得到总的拍频f扰噪声.图3中示出了此

14、时的噪声情形,并画出了单纵模的情形加以比较.WavelengthdJffevence.,'nm图2LED,LD(包括高斯型频谱和洛仑兹型频谱)情况下的CIRFig.2CIRa5afunctionofwavelengthdifferenceofLED'S0fLD's(IncludingGaussianspectraandLorentzanspecira)上海大学(自然科学版)第7卷图3洛仑兹频谱时单飒模和多纵模lD情况下的CIRFig.3CIRunctionofwavelengthdifferenceofLorentzanspectrumLDwilhsinglemodeo

15、i"n,utimode以上仅就存在两路光载波时的OBI噪声进行分析,当存在(2)路光波时,则等式(2j中将会出现(1)/2项余弦项.即有(N一1J/2项OBI.因为众多的波长在其波动范围内任意分布.则可以认为相邻的两两波长之间的oBI起主要作用,而把波长间距较大的光波之间的OBI忽略,则当存在N路光波时,可按照下式计算:CIR一CIR一10lg(一1).(8)式中同时也把相邻两路载波波K差以零计算.以弥补忽略波长不相邻光波之间O13I造成的影响.以多纵横洛仑兹频谱为例,.为10GHz.最恶劣情形CIR值约为37dB,则当有多路光载波输入时C1R如图4所示.其结果与文献783中通过数值

16、模拟获得的99.9概率条件下的值非常吻合.Number0fopticalcarriers4对CNR的影响分析当有两路以上光载波复用时,因OBI的产生而需计入它的影响,在归一化条件下CNR一=_m212,其中m为任一信道的光调制度,和,分别为在归一化条件下所有激光器的散弹噪声,热噪声和相对强度噪声.从上式可以看出,困O13I的产生而形成的噪声限制使得载噪比存在一个极限.对于一般的标准,残余边带强度调制(AMVSB)光纤传输系统的CNR要求是50dB,而由于OBI的存在,这只有在用户端采用LED的情况下且接入光载波仅有几路时才能达到,因为在用户端没有采取温控等措施来控制波长的飘移而限制丁II)的使

17、用.对于模拟调频(FM)光纤传输系统,匿调频得益其CNR的要求可为17.5dB而对于数字调制(DM)光纤传输系统CNR要求可低到15dB.对这些情况将由OBI噪声和散弹噪声,热噪声和相对强度噪声共同决定系统性能.接凡光载波路数才能有一定的规模.5结束语由于多光载波接入时的光拍频干扰噪声的影响.当两个或更多用户的光源中心频率接近时,信号的CNR将主要由光载波之间的OBI所支配.而没有温控的激光器的中心波长漂移很大,这样的情况将会出现,当各路光载波允许工作在大动态范围时.最弱信道的CNR将更小.因此必须适当地增加激光器的光谱线宽并减少信号带宽以换取CNR的提高.参考文献:1DarcieTE.Sub

18、carriermuhiplexngformuhipleBccessightwavenetworksJ.IEEEJLightwaveTeeh,1987,L75(8):l103一l110.2OshanskyR,EichenEMicrowavemultiplexedwidebadLightwavesystemsusingamplifiersorsubcarriTdistributionJ.ElectronLett,1988,24922923图4洛仑兹谱多纵模时最恶劣情形受近似计算下的CIRL3Fig4CIRasafunctionofnumber.opticaIcarrierswkhLorentzan

19、spectraandmuhipleongitudinamodesunderWOrStconditionandunderapproximatvecalculationI)arcieTE?IannonePP.KasperB_.eta1.BidirectionalmtdtichanneI1.44Gbit,sightwavedistributionsystemsusingsubcarriermuLtpexingJ:.ElectronLett.1988,24:649650.(下转第112页)上海大学(自然科学版)第7卷下的等位线分布,用计算机进行了模拟.结果表明,隔离槽与阴极间距不能因集成度考虑而过小,

20、应使k保持与L大小相当,才不致影响击穿电压;隔离槽加一偏压,有利于缓解阴极与槽之间的峰值电场,而衬底偏压有利于缓解阳极与阴极之间的峰值电场.实验样品在V.一V=300V时,测得=720V.计算机模拟结果还表明,与体硅器件不同,DI器件的最大电场强度位置出现在阴极的nit一结附近.因此,为了获得高的击穿电位,阴极结构设计的最佳化十分重要.致谢感谢上海Power半导体公司提供工艺支持.同时感谢上海技术物理研究所在计算机模拟方面提供的帮助参考文献1LaskyJB.Waferbondingforsilicononinsulatortechnologies:J.AppPhysLett.1986.48(1):78-8O2SridharS,etalDielectricalyisolatedlateralhighvoltagep-inrectifiersforpower1CsCj.In1992IEEEIEDMTechDig.1992.245248.37洪垣.SOI横