光DQPSK调制在不同色散补偿系统中的性能

王现彬，贾英茜，卢智嘉，王 超，李 宁

(1.石家庄学院电气信息工程系，河北石家庄 050000;2.河北工业大学信息工程学院，天津 300401)

光DQPSK调制在不同色散补偿系统中的性能

王现彬1，2，贾英茜1，卢智嘉1，王 超1，李 宁1

(1.石家庄学院电气信息工程系，河北石家庄 050000;2.河北工业大学信息工程学院，天津 300401)

分析了光非归零－差分正交相移键控(NRZ-DQPSK)、33%归零－差分正交相移键控(33%RZ-DQPSK)和载波抑制归零－差分正交相移键控(CSRZ-DQPSK)三种调制格式的频域特性。并数字仿真了40Gbit/s的单信道光纤系统中三种调制格式在对色散(CD)进行后补偿、预补偿和对称补偿等三种补偿方式及考虑偏振模色散(PMD)和非线性效应情况下的传输性能。仿真结果表明，33%RZ-DQPSK对自相位调制(SPM)有最好的容忍度，但缓解PMD和CD的能力较弱;CSRZ-DQPSK在色散后补偿方式中对PMD和非线性效应具有最好的抑制能力。

调制格式;正交相移键控;色散补偿;自相位调制;偏振模色散

1 引 言

在大容量波分复用(WDM)系统中，随着单信道速率从10Gbit/s向40Gbit/s甚至更高速率过渡以及复用信道数的增加，色散(CD)、偏振模色散(PMD)和非线性效应影响越来越严重。在这三种不利因素中，目前对色散补偿研究的较为深入且补偿效果较好。常用到的补偿方式有初始预啁啾补偿、微器件补偿、中段频谱翻转补偿和色散补偿器件补偿等方法［1－3］。在色散补偿器件进行补偿的方法中，采用色散补偿光纤(DCF)进行色散补偿是最实用的一项技术，该技术是通过DCF的负色散性能对标准单模光纤(SSMF)的正色散进行补偿，通过该技术可以对现有光纤系统进行平滑升级，并能节约系统成本。该补偿方法有预补偿、后补偿和对称补偿三种补偿方式。而对PMD和非线性效应的补偿近年来也一直是研究的热点问题［4－6］。除了对 CD、PMD和非线性进行补偿以外，另外一个研究热点就是利用高阶调制格式来抑制CD、PMD和非线性的作用。对于一般的高阶调制格式，如 DQPSK、16QAM等调制格式，其频谱效率较高，不但对CD有很好的抑制能力，对PMD和非线性也有很高的容忍度。故将两者结合起来，在色散补偿系统中研究高阶调制格式的性能意义重大。本文首先分析了NRZ-DQPSK、33%RZ-DQPSK和CSRZ-DQPSK三种DQPSK调制格式的频域特性，并在预补偿、后补偿和对称补偿三种色散补偿光纤系统中，在考虑PMD和 SPM情况下，进行了 NRZ-DQPSK、33%RZDQPSK和CSRZ-DQPSK三种调制格式的传输仿真，分析了三种调制格式在不同色散补偿方式中的传输性能。结果表明，在考虑非线性和PMD情况下，CSRZ-DQPSK在色散后补偿方式中具有最好的传输特性。

2 DQPSK三种调制格式频域特性分析

CD会引起传输脉冲展宽，造成符号间干扰(ISI，inter-symbol interference)，增加误码率。而PMD在低速系统中几乎可以忽略，但随着系统速率的提高，PMD也会造成脉冲展宽，引起误码。非线性效应是由光纤中的克尔效应和受激散射引起的，对于非线性效应，若入纤功率足够低，可以忽略其影响，但这会造成系统信噪比的降低，恶化系统性能。故CD、PMD和非线性效应是光纤通信中不可忽视、也是不能回避的问题。对单信道光纤通信系统而言，CD和非线性效应的具体表现形式是GVD(群速度色散)和SPM(自相位调制)。通过对调制格式时频域分析，结合CD、PMD和非线性效应的影响，可以粗略分析调制格式对这三种限制因素的抑制能力和容忍度。图 1给出了 NRZ-DQPSK、33%RZDQPSK和CSRZ-DQPSK三种调制格式的频谱图。在进行频谱仿真时所用的系统信息速率为80Gbit/s，载波为193.1THz的光波。在这种情况下三种调制格式的符号率为40G symbol/s，这是因为DQPSK是一种4进制调制格式，在DQPSK每个符号中含有2bits信息，故符号率是信息速率的一半。

图1 三种DQPSK调制格式频谱图Fig.1 The spectrum of the three DQPSK modulation formats

由图1可见，NRZ-DQPSK调制格式的频谱主瓣宽度为20GHz，是其信息速率的1/4。NRZ-DQPSK调制格式占空比是100%，从时域角度看脉冲最宽，故其频谱主瓣宽度是三种调制格式中最窄的。NRZ调制格式具有最大的能量，故受非线性影响较为严重，不适于长距离传输，但与DQPSK相结合的NRZDQPSK调制格式由于其功率恒定，比其他低阶调制格式(如二进制NRZ-OOK调制格式)受非线性影响要小。33%RZ-DQPSK的时域脉冲最窄，故其频谱主瓣最宽，占据了光信号频谱的绝大部分能量，受CD和PMD影响最为严重。由于其时域脉冲最窄，故同NRZ-DQPSK和CSRZ-DQPSK相比，受非线性效应影响最小。CSRZ-DQPSK调制格式既具有QPSK调制格式的性质，又有CSRZ调制格式的特征，可以有效的抑制码间干扰，故受PMD和CD影响较小，CSRZ-DQPSK调制格式的占空比为66.7%，故受非线性影响也比NRZ-DQPSK小。综上所述，在综合考虑CD、PMD和非线性等因素情况下，结合频域特征可以粗略得出CSRZ-DQPSK具有最佳的传输特性。

3 系统仿真

3.1 系统结构及参数设置

在仿真中，采用了预补偿、后补偿和对称补偿三种色散补偿方式。整个系统结构如图所2所示。DQPSK调制格式有三种产生方式，分别为:马赫－曾德尔调制器串联形式，马赫－曾德尔调制器并联形式和单调制器形式［7］。本系统中采用并联形式。其中第三个马赫－曾德尔调制器实现不同占空比的DQPSK，而接收机采用平衡接收。

图2 传输系统模型Fig.2 Themodel of the transmission system

3.2 系统仿真分析

图3给出了NRZ-DQPSK调制格式在预补偿、后补偿和对称补偿方式中Q值随输入功率变化情况。在仿真系统中对色散进行了完全补偿，由于是单信道系统，非线性效应只考虑SPM。从图3中可以发现，在这三种补偿方式中，后补偿方式整体效果较好，预补偿方式性能最差。当入射功率较小时，非线性作用不太明显，此时误码率主要是由系统及EDFA噪声引起的。随着入射功率的增大，系统信噪比逐渐上升，故Q值随输入功率变大。输入功率达到一定值后，非线性效应开始加强，而此时增加的系统信噪比已经无法弥补由非线性产生的影响，故Q值下降，误码率上升。通过图3可以看出，NRZDQPSK调制格式在三中补偿方式中都是从输入功率为8dBm时Q值开始值下降。当入射功率小于8 dBm时，对称补偿和后补偿方式传输性能相当，入射功率大于8 dBm后，NRZ-DQPSK在对称补偿系统中的性能急剧下降。而后补偿方式一直到12 dBm后，性能才开始变差。这表明NRZ-DQPSK调制格式在色散后补偿系统中有更大的非线性容忍度。

图4给出了CSRZ-DQPSK在预补偿、后补偿和对称补偿三种色散补偿方式中Q值与输入光功率对应关系。通过分析可以发现，同其他两种补偿方式相比，在后补偿方式中，CSRZ-DQPSK具有最好传输特性。预补偿和对称补偿方式中，CSRZ-DQPSK调制格式在输入功率为10dBm时Q值开始减小，这明显要高于NRZ-DQPSK的8dBm。而后补偿方式中，Q值从12dBm才开始减小。将图3和图4对比可以看出，CSRZ-DQPSK在三种补偿方式中整体比NRZ-DQPSK调制格式的Q值要高，即抗非线性能力要强。

图5给出的是33%RZ-DQPSK在三种色散补偿方式中Q值随输入功率变化关系。从图5可以看出，在这三种补偿方式中，当入射功率小于12 dBm时，对称补偿和预补偿方式性能较好，而入射功率大于12 dBm后，这两种补偿方式性能都开始恶化，相反，后补偿方式的系统Q值随入射功率继续变大，直到入射功率大于16 dBm后，Q值才开始下降。这更充分说明了33%RZ-DQPSK调制格式在后补偿方式中性能最佳。对比图3、图4、图5可知，33%RZ-DQPSK不管在哪种色散补偿方式中，都比NRZ-DQPSK和CSRZDQPSK调制格式的非线性容忍度大。这正是由33% RZ-DQPSK的时域和频域特征决定的。

图5 33%RZ-DQPSK在三种色散补偿方式中Q值随输入功率变化关系Fig.5 The Q value of33%RZ-DQPSK as a function of input power in the three types of dispersion compensation systems

通过分析图3、图4和图5可以发现，在预补偿、后补偿和对称补偿三种色散补偿方式中，NRZDQPSK、33%RZ-DQPSK和CSRZ-DQPSK在后补偿方式中具有最好的传输特性，且对非线性容忍度最大。在对CD进行后补偿及只考虑SPM情况下，33%RZ-DQPSK具有最好的非线性容忍度。上述分析中不管哪种调制格式、哪种补偿方式，都存在一个最佳入射功率，在这个入射功率下，系统可以达到最大的信噪比。上述分析中也都忽略了PMD的作用。

图6 考虑PMD和非线性情况且三种调制格式在最佳入射功率下，在后补偿方式中残余色散与误码率对应关系Fig.6 Considering the PMD and nonlinear effect，the BER of the three modulation formats as a function of GVD in the best input power

图6给出了NRZ-DQPSK、33%RZ-DQPSK和CSRZ-DQPSK三种调制格式在各自的最佳入射功率下及传输性能最好的后补偿方式中，并考虑PMD后，误码率(BER)随残留GVD的变化曲线。从图上可以看出，在这三种调制格式中，CSRZ-DQPSK调制格式具有更小的误码率。且当色散完全补偿后，误码率最低，33%RZ-DQPSK次之，NRZ-DQPSK性能最差。这说明在综合考虑色散、非线性和PMD后，CSRZ-DQPSK调制格式在色散后补偿系统具有最好的传输特性，其抑制非线性和PMD能力最强。

4 结论

文章首先分析了NRZ-DQPSK、33%RZ-DQPSK和CSRZ-DQPSK三种调制格式的频域特性。随后数字仿真了三种调制格式在对色散进行后补偿、预补偿和对称补偿等三种补偿方式及考虑PMD和非线性效应情况下的传输性能。仿真结果表明，33% RZ-DQPSK对SPM有最好的容忍度，但缓解PMD和非线性效应影响的能力较弱，CSRZ-DQPSK在色散后补偿方式中对PMD和非线性效应具有最好的抑制能力。故CSRZ-DQPSK是未来大容量、长距离光纤通信系统中最具优势的调制格式。

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Performance analysis of optical DQPSK modulation formats in different dispersion compensation systems

WANG Xian-bin1，2，JIA Ying-qian1，LU Zhi-Jia1，WANG Chao1，LINing1
(1.School of Information Engineering，Shijiazhuang University，Shijiazhuang 050000，China;
2.School of Information Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China)

The frequency domain characteristics of the optical Not-Return to Zero-Differential Quadrature Phase-Shift Key(NRZ-DQPSK)，33%Return to Zero-DQPSK(33%RZ-DQPSK)and Carried Suppressed Return to Zero-DQPSK (CSRZ-DQPSK)modulation formats is analyzed.Considering the polarization mode dispersion(PMD)and nonlinear effect(self-phasemodulation)，the transmission performance of the threemodulation formats is simulated in the predispersion，post-dispersion and symmetrical-dispersion compensation systems in a 40Gbit/s single-channel optical fiber communication system.Simulation results show that the 33%RZ-DQPSK is good at tolerance of the self-phase modulation(SPM)butweak in the remission of PMD and CD.The CSRZ-DQPSK has the best ability to inhibit the PMD and nonlinear effect in the post-dispersion compensation system.

modulation formats;differential quadrature phase shift keying;chromatic dispersion compensation;selfphasemodulation;polarizationmode dispersion

TN929.11

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.01.018

1001-5078(2014)01-0080-04

河北省科技计划项目(No.F2013106079);石家庄市科学技术研究与发展指导计划基金项目(No.11113481);石家庄学院校级科研平台项目(No.XJPT002)资助。

王现彬(1981－)，男，讲师，博士，主要从事光通信技术和信号处理研究。E-mail:wswxb8@163.com

2013-06-09