CSRZ-DQPSK在长距离WDM-PON系统的性能研究

李 立, 张天鹏, 赵建周

(安阳工学院 电子信息与电气工程学院 河南 安阳 455000)

CSRZ-DQPSK在长距离WDM-PON系统的性能研究

李 立, 张天鹏, 赵建周

(安阳工学院 电子信息与电气工程学院 河南 安阳 455000)

在长距离光通信系统中，差分相移键控(differential phase shift keying，DPSK)调制和解调技术是针对色散补偿而提出的一种技术方案.其中差分正交相移键控(differential quadrature reference phase shift keying,DQPSK)技术通过采用不同的调制技术如非归零(non-return to zero,NRZ)、归零(return to zero,RZ)、载波抑制归零(carrier suppressed return to zero,CSRZ)调制.但由于差分相移键控的频谱功率较低，误码率更高高，噪声干扰更大等缺点.提出了载波抑制归零-差分正交相移键控(CSRZ-DQPSK)调制方式，具有更好的抗色散和抗偏振膜色散的能力，它可以弥补差分相移键控的缺点.以眼图张开代价(EOP)、眼图和误码率(BER)作为性能评价指标，研究了这3种调制格式对色散(chromatic dispersion,CD)、偏振膜色散(polarization mode dispersion,PMD)和非线性效应的抑制作用.经测试CSRZ-DQPSK调制方式的功率损耗相对较低，具有更窄的频谱，在色散容限与非线性效应容忍度方面具有很大提升，性能更加优越.因此可作为长距离波分复用无源光网络(wavelength division multiplexing-passive optical network,WDM-PON)的一个简单高效的方案.

差分正交相移键控； 偏振膜色散； 功率损耗； 光通路损耗

0 引言

在光纤通信系统中，信息以光信号通过光纤波导进行传输.DQPSK是一种新型的调制方式，它可以有效地减少线性效应.由于其具有良好的抗色散和抗偏振膜色散能力，因而提高了频谱利用效率、抑制了非线性效应.DQPSK天然具有良好的抑制非线性效应的能力[1]，具有3 dB光SNR优势，同时具有传输速率和比特率相同的特点.通过适当的DQPSK预编码运算可实现无差错传输[2].本文提出了简单高效的设计方案，用于减少传输系统中的线性效应.波分多路复用(WDM)不仅增加了每个信道的数据速率，还增加了通过光纤中信道的数量，而无源光网络(PON)可以极大地减少光纤的数量[3].在WDM-PON中，每个光网络单元(optical network unit,ONU)使用一个对应的波长信道将其数据发送到OLT，并且可同时用于上、下行通信[4-6].文中通过对比CSRZ-OOK、CSRZ-DPSK、CSRZ-DQPSK 3种相位调制格式的频谱波形，并在40 Gbit/s光纤背靠背传输系统中进行了仿真和测试，CSRZ-DQPSK 调制格式抗CD、PMD 和非线性能力较强.因此，将CSRZ-DQPSK视为未来超高速、超大容量WDM-PON同步传输的一个简单高效的传输方案.

1 调制原理及测试

1.1 DQPSK的原理

DQPSK作为下一代光传输系统的重要调制方式，得到了人们广泛的研究.DSPK每一个位隙译码一个比特，而DQSPK每一个位隙译码两个比特.因此，与DPSK相比，DQPSK仅需要一半的码元速率即可传输相同的业务，及对OOK调制方案在平衡检测下具有3 dB优势；同时具有较高的频带利用率以及更窄的频谱宽度.因为速率减半，与传统的二进制调制相比，DQPSK有足够的频宽，对色散和偏振膜色散也有较高的承受能力[7].

光DQPSK调制要通过数字预编码器、调制器和解调器来实现传输.DQPSK是一种四相位的调制方式.可以通过同时传输两个比特，使相同光载波的两个正交相位的频谱效率提高两倍，这是将两个传入的电子数据流转换为一个四相位的光数据信号来实现的.其中DQPSK的传输方案如图1所示.u，v是输入的数据流，先将它们预编码，然后发送给DQPSK发射机.传输完成后，DQPSK接收机相应地将相移信号传给对应的输出信号支路.

光DQPSK的解调方式相对来说比较复杂，一般用平衡检测法来进行解调，由图2可以看出信号的接收由2个马赫曾德尔时延干涉仪(mach-zehnder delay interferometer,MZDI)来实现接收.为了实现两路信号间的相干和相消，可以使I和Q两个支路信号的相位有一个时延T即可，时延T大小为信息传输速率的一半.同时接收端还包括两个平衡接收探测器，由图中可以看出，上、下支路分别使用45°和-45°的干涉仪.

2 DQPSK发射机和接收机

2.1 DQPSK发射机

DQPSK光学发射机将两个传入的电子数据流转换为一个四相位的光数据信号,相位分别为(0，π/4，π，5π/4)中的任何一个相位.通过预编码，电子数据流u和v被转换成I和Q两路信号.一个调制器是通过有嵌套结构的信号I所驱动，另一个则是由信号Q驱动.输入的连续波激光被3 dB光功率分离器均分，并均匀分布在两个调制器中.即I和Q信号在各自对应的调制器中形成0或π相移，嵌套调制器结构的一个分支再进行相移π/ 2，然后通过光耦合器和另一支路的光信号进行耦合，即形成π/4，3π/4，5π/4，7π/4的相位信号.此时嵌套调制器结构的输出光信号已经被DQPSK调制.每个符号包含两个比特的信息：一个来自I信道，而另一个来自Q信道[8].输出信号的大小满足如下方程：

(1)

2.2 DQPSK接收机

针对DQPSK信号的解调，要特别考虑加载到光载波上的相位变化.对接收到的信号采用平衡检测法进行解调，使用一个双马赫曾德耳延时干涉仪(MZDI)来将相位的变化转换为电信号.由于一个DQPSK接收器相当于两个位同步的DPSK接收器，每个对应DQPSK的两个信道之一.使I和Q两个支路信号的相位有一个T的时延，其中T为信息传输速率的1/2.如图2所示，上下支路的干涉仪的相移分别为+π/4和-π/4.对于每个MZI的输出再分别进行平衡检测.

为了确保接收的数据是传输的数据，预编码器的使用是必要的.根据图1所示结构，DQPSK解调器的平衡接收机的数学定义式如下所示：

(2)

(3)

Δφi=φ(ti)-φ(ti-1)是连续两个符号之间的相位差，R为光电二极管的响应率.

2.3 预编码器

为了降低硬件解调器的复杂程度和传输过程中的差错率，以及重复解码的缺陷，在DQPSK系统中添加一个预编码器以确保接收信号的准确性.本文采用伪随机序列发生器产生40 Gbit/s的信号，将其进行串并变换，并按照以下规则进行预编码.预编码的原理图如图3所示.

图3 预编码原理框图

Fig.3 Block diagram of precoding

其中:U和V是初始输入信号；I和Q是预编码后的信号；I和Q的输出仅有00,01,10,11这4种组合方式，那么相邻间的相位差Δφ只有0，+π/2，π，3π/2.本文采用Matlab和硬件结合的方法实现预编码，形成一个自制的预编码器[9].当采用如图3所示的并联调制方式，上述接收机的预编码器的推导公式如下：

(4)

(5)

3 模拟方案及性能分析

为比较以下3种不同调制方式的性能，本方案采用了图4的传输系统.该系统由3个部分组成：发射机部分、光纤传输和接收机部分.为对比验证NRZ、RZ和CSRZ 3种调制格式的性能，在传输系统中设定信息传输速率为40 Gbit/s，光链路中EDFA的增益为5 dB，噪声指数为6 dB，SSMF长80 km，衰减为0.2 dB/km，色散值为17 ps/(nm·km-1)，有效纤芯面积为70 μm2，色散斜率为0.075 ps/(nm2·km)，DCF为10 km，衰减为0.5 dB/km，色散为-80 ps/(nm·km-1)，色散斜率为-0.3 ps/(nm2·km)，有效纤芯面积为22 μm2.在接收机部分，分配器以1∶4的比例将输入信号分离成4个ONU，然后每个ONU的信号分别连接到3R、误码率分析仪和眼图分析仪，其中接收机响应度为1 A/W.信号观测在电接收机部分采用4阶低通贝塞尔滤波器进行滤波.

在信号接收端，光纤信号通过解复用器件，每路信号可以单独分析.针对每一路光信号，经过对光信号的滤波，经过光-电转换变为电信号，之后经过电滤波，最后可用误码分析仪、眼图分析仪比较发送端和接收端的眼图和BER质量来衡量系统的传输特性.

3.1 抗色散的性能分析

本方案中CS-RZ码的采用占空比为67%，RZ的占空比为33%，其中NRZ、RZ和CSRZ的光谱如图5所示.

对比分析图5所示的DQPSK 3种调制码型的抗色散性能，从图5(a)可以看出NRZ-DQPSK有较窄的光谱宽度，它大大减少了色散，但由于其较宽的脉冲宽度很容易导致码间干扰和非线性效应.从图5(b)可以看出RZ-DQPSK有着最宽的光谱，它具有最差的抗色散性能，但由于其能量相对集中，有利于降低脉冲之间的串扰.从图5(c)可以看出CSRZ-DQPSK显示出了最好的抗色散性能，因为CSRZ-DQPSK的窄带光谱不仅提高了频谱效率，也增大了传输容量.综上可以得到CS-RZ的光谱具有最窄的脉宽，所以CS-RZ编码比NRZ和RZ的抗色散性能更优.

在实际工程中，传输距离也是一个重要的参考指标，为了对比不同传输距离对3种不同编码误码率的影响，本方案中对传输误码率BER随传输距离的变换关系进行分析，其结果如图6所示.通过对比可知，NRZ和RZ性能相当，CSRZ-DQPSK抗色散比其他两个编码类型更好.

3.2 抗偏振膜色散的性能分析

为了分析抗偏振膜色散性能，本方案中采用眼图张开代价(EOP)来衡量色散效应，EOP的计算公式为

(6).

本文考虑的占空比为33%的RZ脉冲宽度是NRZ脉冲峰值功率的两倍.同时，RZ的带宽比NRZ脉冲更宽.通过图7中NRZ、RZ和CSRZ-DQPSK的眼图可以看出，我们提出的CSRZ-DQPSK具有最好的噪声容限.图8是DQPSK的不同编码类型的抗偏振膜色散的性能比较，该图显示了CSRZ-DQPSK的抗偏振膜色散的性能是最好的.偏振膜色散将导致脉冲展宽，在光纤中的高速传输将会造成功率损耗.

总的来说，CSRZ-DQPSK表现出较好的抗色散性能，比其他两个编码类型要好，特别是在色散系数较大的情况下优势更加明显.

4 功率损失

图9显示，表明色散将随功率的增加而减少.同时明确显示出CSRZ-DQPSK比其他两个编码类型更好.

5 结束语

本文对比分析了NRZ-DQPSK、RZ-DQPSK和CSRZ-DQPSK 3种不同相位调制方案，以眼图张开代价，眼图和误码率为性能衡量标准.经对比分析，CSRZ-DQPSK调制在抗色散、抗偏振膜色散和功率代价方面更具优势.同时CSRZ具有最小误码率，在相同色散补偿的条件下，CSRZ调制具有最低的功率代价和最小的EOP，并且CSRZ-DQPSK具有更大的传输容量，对于超长距离、超大容量DWDM 光纤传输系统，CSRZ-DQPSK 是最具有应用前景的调制方式.

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(责任编辑：王浩毅)

Analysis of Transmission Performance Based on CSRZ-DQPSK in WDM-PON

LI Li, ZHANG Tianpeng, ZHAO Jianzhou

(DepartmentofElectronicInformationandElectricalEngineering,AnyangInstituteofTechnology,Anyang455000,China)

The differential phase shift keying (DPSK) modulation and demodulation technique was employed for dispersion compensation in long haul optical communication systems. Since there have been extensive innovation towards development of differential quadrature phase shift keying (DQPSK) that are more suited for different modulation formats including non-return to zero (NRZ), return to zero (RZ),and carrier suppressed (CSRZ). The DPSK had less spectral efficiency, probability of error was higher and noise interference was stronger. The proposed technique CSRZ-DQPSK modulation format had the tolerance of anti-dispersion and anti-PMD (polarization mode dispersion). It could mitigate the drawback of DPSK. The tolerance of the three types of modulation formats to polarization mode dispersion (PMD) and nonlinear effect was evaluated by means of EOP, eye diagrams and bit error rate (BER). It was observed that power penalty of the proposed modulation format was comparatively less. The results indicated that CSRZ-DQPSK had very good tolerance to chromatic dispersion, polarization mode dispersion and nonlinear effect. Hence it could be used in a simple and cost-effective design of wavelength division multiplexing passive optical network (WDM-PON).

DQPSK; PMD; power penalty; opening penalty

2015-08-06

国家自然科学基金河南省人才培养联合基金资助项目，编号U1204613；河南省级科技攻关项目，编号122102210017；河南省教育厅科学技术研究重点项目，编号15A510017.

李立(1984—)，男，河南安阳人，讲师，主要从事光纤通信技术和光电子技术研究，E-mail：lilifkb@163.com.

李立,张天鹏,赵建周.CSRZ-DQPSK在长距离WDM-PON系统的性能研究[J].郑州大学学报:理学版,2015,47(4):52-57．

TN929.11

A

1671-6841(2015)04-0052-06

10.3969/j.issn.1671-6841.2015.04.010