高速光纤通信系统中的码型选择

高速光纤通信系统中的码型选择

1国内外的码型研究现状单通信系统及其波分恢复（pdm）技术已成为光纤通信研究的热点。40Gb/s光通信系统中,色度色散、偏振模色散和非线性效应对系统性能影响越来越严重。目前高速传输系统中研究的热点有:1)低噪声及宽带宽的光放大器;2)前向纠错码(FEC)技术;3)高效的信号复用及解复用技术;4)对光噪声及光纤的非线性效应有着更高容忍度和更高光谱效率的码型。其中针对40Gb/s系统人们提出了很多码型,如归零码(RZ),载波抑制归零码(CS-RZ),非归零差分相移键控码(NRZ-DPSK),归零差分相移键控码(RZ-DPSK),载波抑制归零差分相移键控码(CS-RZ-DPSK)等。随着研究的深入,近来又出现了各种四相相对相移键控(DQPSK)码型、强度调制差分相移键控码(IM-DPSK)和预滤波载波抑制归零码(PrefilteredCS-RZ)等各种新型码型。非归零差分相移键控码、归零差分相移键控码和载波抑制归零差分相移键控码是利用相邻码元的相位变化来表示“0”,“1”信号的。它们的光谱很平滑且没有线状谱。强度调制差分相移键控码则是为了减小相邻码元相位变化处的光强,从而减小此处引起的啁啾和非线性。四相相对相移键控码型是对两个比特的码元进行相位变化。预滤波载波抑制归零码则对载波抑制归零码进行滤波,进一步减小光谱宽度,提高光谱效率。国外对码型的研究进行得较早,详见文献。现阶段国内对高速传输系统码型的研究主要是集中在原理分析及模拟上,并未进行各种码型在实际传输系统中的分析。本文通过实际的40Gb/s传输系统实验来分析各种码型的性能,实验结果表明在相同的色散补偿条件下,载波抑制归零码格式比归零码和非归零码(NRZ)格式有更优的非线性容忍度。2不同码类型的起源原理和属性2.1mzm调制非归零码格式产生原理如图1所示。激光二极管(LD)产生连续光经马赫-曾德尔调制器(MZM)调制,输出非归零码光信号。控制马赫-曾德尔调制器的为40Gb/s电非归零码信号。实际得到的非归零码光信号光谱和眼图如图2所示。图2(a)为光谱图,可见其输出光谱是很紧凑的。图2(b)为输出光信号眼图,它的脉冲宽度是三种码型中最宽的。2.2马达-曾洛尔调制器归零码格式产生原理如图3所示。第一个马赫-曾德尔调制器输出的非归零码信号被第二个马赫-曾德尔调制器调制为归零码信号。驱动第二个马赫-曾德尔调制器的是振幅为Vπ/2,频率为40GHz的正弦波。Vπ表示马赫-曾德尔调制器中两束光相位相差π时所需的电压。此调制器被偏置在马赫-曾德尔调制器传输曲线强度零点与强度极大点的中点上,这种偏置方法得到的信号没有相位变化。实际得到的归零码光信号光谱和眼图如图4所示。图4(a)为光谱图,可见在载波的两边出现了线状谱,且其间隔为80GHz。图4(b)为输出端归零码信号眼图。2.3单光场自适应载波抑制归零码格式产生原理如图5所示。产生载波抑制归零码时,也需用到两个马赫-曾德尔调制器。但第二个马赫-曾德尔调制器的输入时钟及偏置电压和产生归零码时完全不同。输入电时钟信号为Vin(t)=Vπsinω0t,偏置电压为Vπ,t为时间,其时钟频率ω0为产生信号的一半。当产生40Gb/s载波抑制归零码时,输入时钟频率为20GHz。它的光场输出表达式为:Eout(t)=j■in(t)sin(π2sinω0t)in(t)sin(π2sinω0t),■in(t)为第一个马赫-曾德尔调制器的光场输入信号,j为虚数单位。由上式可知当它改变一个周期时,相邻脉冲有π的相位差。得到的信号光谱在载波处无线状谱,且为归零码,因此被称为载波抑制归零码。载波抑制归零码是为了提高归零码脉冲宽度,减小光谱宽度而提出来的。它的占空比为2/3,比归零码大。实际得到的载波抑制归零码光信号光谱和眼图如图6所示,图6(a)为光谱图,可见其载波被抑制掉了,两边线状谱间隔为40GHz。其光谱比归零码的要窄。图6(b)为输出端光信号眼图。可以看出其脉冲宽度比归零码宽。3时钟恢复模块背靠背系统实验图如图7所示。整个系统由光源、电码型产生器(BPG44E)、调制器(DPSK5003)、接收机以及误码分析仪(EA44)和时钟恢复模块组成。整个系统由德国SHF公司生产。电码型产生器产生的电数据信号和时钟信号输入到调制器。通过控制调制器的两个马赫-曾德尔调制器来产生各种码型,第一个用于加载数据,第二个用于产生归零码和载波抑制归零码的脉冲序列。当产生非归零码型时,只使用第一个马赫-曾德尔调制器。接收机将光信号变为电信号后,将一部分数据信号输入到时钟恢复模块。时钟恢复模块通过数据来恢复时钟,得到的时钟和接收到的数据输入到误码分析仪中,进行误码测量。误码分析仪需要精确调整延时和判决门限两个参量,但所设定的参量有精度限制:延时的步长为0.5ps,门限步长为1mV。误码分析仪是对40Gb/s信号解复用为4×10Gb/s信号,测量每个10Gb/s信号的误码再相加起来。这就需要对4路10Gb/s信号进行精确同步。同步涉及到电码型产生器、调制器和误码分析仪的参量设定。因此在实际实验中,进行误码测量存在一定的测量误差。实验采用1550nm光源,23级伪随机码(PBRS),信道速率为40Gb/s(不带前向纠错码)。误码测量时间取为100s。背靠背系统中不同码型的接收功率与误码率的关系如图8所示。可见当误码率为1.0×10-12时,非归零码接收功率为-3.8dBm,归零码和载波抑制归零码接收功率为-13.2dBm。非归零码接收功率比载波抑制归零码和归零码大9.4dBm。而入纤功率过大会引起自相位调制(SPM)、受激布里渊散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)和四波混频(FWM)等非线性效应。因此非归零码并不适合于40Gb/s的高速传输系统。归零码和载波抑制归零码由于相邻的光脉冲之间的光功率会回到零,时钟信号比非归零码容易提取。而且还可以减小由连“1”高功率码所引起的码型效应,平均功率小,它们更适合于高速传输系统。4长距离传输实验4.1光纤的散射补偿长距离传输实验图如图9所示。调节第一个衰减器ATT1来改变入纤功率。第二个衰减器ATT2控制进入色散补偿光纤(DCF)的光功率,实验中使进入色散补偿光纤的光功率保持为-0.5dBm。通过第三个衰减器ATT3来改变接收光功率。线路上使用100km的G.652光纤,它的衰减为0.22dB/km,在1550nm处的色散为16.8ps/(km·nm),零色散斜率为0.092ps/(km·nm2),偏振模色散(PMD)为0.5ps。系统中的色散补偿光纤模块对100km光纤进行色散补偿。其1550nm处的色散补偿量为-1677ps/nm,插入损耗为7.09dB,偏振模色散为0.48ps。4.2眼图中常用的调节性因素图10为各种码型加纤后接收端的眼图,与三种码型输出端的光信号眼图进行比较,可以看出图10接收端的眼图上部产生了主要由自相位调制所引起的畸变。由于载波抑制归零码相邻码元有π相位差,这个相位差的存在抑制了自相位调制,所以载波抑制归零码眼图畸变最小。4.3种码型的误码率改变入纤功率,调节衰减器ATT3使接收功率保持为1.21dBm。得到各种码型在不同入纤功率下的误码率如图11所示。当入纤功率为-1dBm时,非归零码误码率为5.9×10-8,归零码误码率为1.9×10-10,载波抑制归零码误码率为1.8×10-12。非归零码的最小误码率为8.9×10-10,由于系统参量设定的原因,归零码和载波抑制归零码在一定范围内误码率为1.0×10-14。归零码和载波抑制归零码最小误码率远小于非归零码。在误码率小于1.0×10-12条件下,载波抑制归零码的入纤功率范围为0.5～10.3dBm,归零码的入纤功率范围为0.2～9.5dBm。三种码型中,非归零码的入纤功率范围最小。载波抑制归零码入纤功率范围稍大于归零码。从以上分析可知归零码和载波抑制归零码抗非线性优于非归零码,载波抑制归零码抗非线性优于归零码。4.4充分测试了同充分同零码性能的特性改变入纤功率测得各码型的功率代价如图12所示。从图中可以看出各曲线存在一拐点。这是因为光信噪比(OSNR)和由于光功率增大引起的非线性有个平衡。拐点所对应的光功率即为最佳入纤功率。图中的载波抑制归零码在1dBm和7dBm处起伏比较大,这是因为在此处进行误码测量时所设定的延时和判决门限两参量精度不够。又由于误码测量时间为100s,因此载波抑制归零码功率代价存在一定的起伏。从图中可知,非归零码最佳入纤功率为2.5dBm,归零码为6dBm,而载波抑制归零码为9dBm。这是由载波抑制归零码的特性所决定的。对载波抑制归零码的输出光场进行傅里叶变换可得Eout(ω)=2πΣn=0∞J2n+1(π2){E[ωc−(2n+1)ω0]+E[ωc+(2n+1)ω0]},Eout(ω)=2πΣn=0∞J2n+1(π2){E[ωc-(2n+1)ω0]+E[ωc+(2n+1)ω0]},式中ωc为载波频率,J2n+1为2n+1阶贝塞尔函数,大括号一项为对■in进行傅里叶变换后的表达式。输出光谱在载波处无线状谱,信号光谱中携带信息的一级线状谱得到加强;且载波抑制归零码光谱比归零码的紧凑,因此它对色散容忍度更大,更容易找到最佳色散补偿;它作为一种归零码,性能又优于非归零码;因相邻脉冲有π的相位变化,则平均光场为0(没有直流分量);所以载波抑制归零码比归零码和非归零码有更优的非线性容忍度。此实验中采用的是单信道精确色散补偿的方式,当为波分复用或改变色散的条件下,由载波抑制归零码特性和相关传输实验可知,它的传输特性仍优于非归零码和归零码。5归零码性能分析通过对非归零码、归零码和载波抑制归零码进行理论分析及它们在40Gb/s传输实验中所得结果进行分析,得到如下结论:1)载波抑制归零码和归零码作为归