上行八进制相移键控信号的零差相干探测光接入新方案

邵宇丰,方安乐,龚玉梅,胡金艳(上海第二工业大学计算机与信息工程学院,上海201209)

上行八进制相移键控信号的零差相干探测光接入新方案

邵宇丰,方安乐,龚玉梅,胡金艳
(上海第二工业大学计算机与信息工程学院,上海201209)

摘要:不同用户接入终端的出现使得光接入系统中上行链路的通信带宽需求急剧增加,低传输成本、高频带利用率的上行多进制光信号接入成为必然选择。设计了一种上行八进制相移键控信号并进行零差相干探测的新方案。该方案中,在光网络单元中级联3个相位电光调制器实现了高频带利用率八进制相移键控光信号的产生,在光线路终端中采用下行光信号载波作为混频源结合数字信号处理模块,实现了上行光信号的零差相干探测,相比较只采用相干探测技术的方案其接收机灵敏度值的提高超过了2 dB。

关键词:光接入系统;光网络单元;光线路终端;八进制相移键控;零差相干探测

0　引言

随着世界范围内通信带宽的整体扩容和我国“光进铜退”的规模化部署[1-2],国内外的高校及研究机构、运营商和设备商都在积极探索下一代无源光接入网络(Passive Optical Network,PON)的可行技术方案[3-6]。根据全业务接入网(Full Service Access Networks,FSAN)国际标准化组织的观点,下一代无源光接入网络(Next Generation Passive Optical Network,NGPON)需要提供至少40 Gb/s的下行和10 Gb/s的上行数据信号以实现20 km范围内的传输距离,同时需要考虑提升系统频带利用率和提高上下行光信号的接收灵敏度,并最大程度降低系统中光电器件成本的耗费[7]。目前,多进制调制码型因为具有高频带利用率而在高速光通信系统中被广泛采用[8-9],当进一步引入相干探测和高速数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)技术时,系统的接收灵敏度将获得提高[10]。在光网络单元(Optical Network Unit,ONU)中引入多进制调制码型的信号处理技术和配置含激光器的相干探测接收机,虽然能提升下行光信号的接收灵敏度和频带利用率,但系统配置和用户接入信息成本会增加,得不偿失[11];而在光线路终端(Optical Line Terminal, OLT)中采用相干探测和高速数字信号处理技术来接收多进制调制码型光信号,则能利用上述技术高灵敏度接收光信号的优势提升上行光接入信号的功率预算范围,并能以较低的成本实现ONU侧的光电器件配置。

本文提出并研究了一种上行八进制相移键控(8 Phase-Shift Keying,8PSK)信号的零差相干探测光接入新方案,在ONU中级联3个相位电光调制器实现了高频带利用率八进制相移键控光信号的产生,在OLT中采用产生下行光信号载波的激光源作为混频源实现上行光信号的零差相干接收,以提升上行光信号的接收灵敏度并降低ONU的光电器件成本耗费。

1　系统配置

本文提出并建立的上行八进制相移键控信号的零差相干探测光接入系统结构框图如图1所示,其仿真环境是采用Optisystem(光电器件部分)和Matlab(DSP部分)搭建的。在OLT中,首先将分布反馈式(Distributed Feed Back,DFB)激光器输出的连续光载波采用3 dB光耦合器(3 dB Coupler)分成两路输出,其中一路作为下行链路传输的光载波,另一路作为上行接收光信号的零差混频光信号源。对于下行链路而言,首先将光载波通过一个偏振控制器(Polarization Controller,PC)PC1后连接到一个双电极马赫-曾德尔电光调制器(Mach-Zehnder Modulator,MZM)中,并在此电光调制器上加载10 Gb/s的非归零码(Non-Return to Zero,NRZ)下行数据信号,该信号的时域发射波形如图1(a)所示;调制生成的NRZ光信号再通过一个偏振控制器PC2后连接到一个40 GHz的光带通滤波器(Optical Bandpass Filter,OBF)OBF1中以实现带外光信号噪声的滤除,然后将滤波后的NRZ光信号通过一个光环形器Circulator1输出后连接20 km的普通单模光纤(SMF-28,Single Mode Fiber-28)实现下行光信号传输。传输后的信号的时域发射波形如图1(b)所示,值得注意的是:① 比较发送前后的NRZ下行信号的时域发射波形,不难看出其基本形状和码型分布没有变化;②由于光纤衰减和色度色散(Chromatic dispersion,CD)的影响,出现了轻微的累积噪声(如图1(b)中波形图中间曲线所示),但NRZ下行信号的信噪比劣化不明显,仍可以很好恢复发送的下行信号;③ 商用光通信接入系统普遍采用NRZ信号进行下行链路的传输[12],本文也采用NRZ信号作为下行接入信号,在保证接收误码率等于10e−9时测得背靠背时和下行传输后的眼图分别如图2(a)和2(b)所示。

图1　上行八进制相移键控信号的零差相干探测光接入系统结构框图Fig.1 Configuration diagram of homodyne coherent detection optical access scheme adopting 8PSK uplink signals

图2　背靠背和光纤传输20 km后的NRZ信号眼图Fig.2 Eye diagrams of NRZ signals for back to back case and over 20 km optical fiber

对于上行链路而言,将采取与上行链路正交的八进制相移键控信号进行传输。首先将下行信号直接级联到3个级联的相位调制器(Phase Modulator, PM)PM1,PM2,PM3中完成上行链路的八进制相移调制,值得注意的是:① 第1个相位调制器的相位偏置角度为180◦,第2和第3个相位调制器的相位偏置角度分别是90◦和45◦;② 上行信号在调制前必须先串并变换为3路并行信号(Data1,Data2, Data3)分别调制3个不同的相位调制器。之所以考虑采用八进制相移键控信号与下行信号正交调制再上行的原因是:① 相移键控信号的正交调制产生、上行传输和正交解调接收过程和下行链路信号发生串扰的影响极小[13];② 上行多进制相移键控信号能提高上行链路的信道频带利用率,降低单位比特信息的传输成本;③ 相比较其他调制器而言,相位调制器成本较低且无需外在的直流偏置电路配置,在OLT进行配置更加便捷。下一步,将产生的八进制相移键控信号级联一个偏振控制器PC3后连接到一个40 GHz的光带通滤波器OBF2中以实现带外光信号噪声的滤除,并连接到一个光环形器Circulator2输出后接20 km的普通单模光纤(SMF-28,Single Mode Fiber-28)实现上行光信号的传输。为了与下行传输的光信号隔离,再将传输后的上行光信号通过光环形器Circulator1后实现零差相干探测。需要注意的是:为降低系统成本,在OLT中系统不再配置10 GHz的外部激光源来进行相干零差混频,而采用一个低成本的3 dB Coupler直接从DFB中分出一路光载波作为外部激光源,并随后采用3 个3 dB Coupler、4个1 bit周期延时干涉仪(4个干涉仪中分别内嵌±π/8和±3π/8的光移相器)、8个光电探测器(PD,Photodiode)、1个电异或逻辑器、3 个7.5 GHz的电低通滤波器(Low Pass Filte,LPF)和1个电数字信号处理器(DSP)来实现上行八进制相移键控信号的解调和接收。采用8PSK信号作为上行接入信号,在保证接收误码率等于10e−9时测得背靠背时的眼图(不含DSP处理)如图3(a)所示;如果仅采用相干探测技术而不对接收信号进行DSP处理,此时测得的传输后的眼图如图3(b)所示;但采用相应的DSP(含定时恢复、电色散补偿和相位恢复)处理时[14],能保证接收上行信号质量更优,此时测得的传输后的眼图如图3(c)所示。

2　仿真结果分析

测得下行NRZ信号的传输前后光谱如图4(a) 和4(b)所示,在下行链路中未使用光纤放大器以节约系统成本并降低光纤非线性效应影响,所以峰值功率约下降了4 dBm。上行8PSK信号的传输前后光谱如图5(a)和5(b)所示,同样因为在上行链路中未使用光纤放大器以节约系统成本并降低光纤非线性效应影响,所以峰值功率约下降了4 dB,此时如果不进行零差混频光信号处理,接收的光信号功率值将会过低,直接导致接收灵敏度的急剧降低。进行零差混频光信号处理后的光谱如图5(c)所示,不难看出其峰值功率将明显增加,经测试此时能高灵敏度地探测到8PSK上行传输信号。

测量得到8PSK信号在20 km普通单模光纤(SMF-28)中进行上行传输后的接收光信号功率(Received Power)和误码率(Bit Error Rate,BER)的对应关系如图6所示。不难发现:① 采用相干探测(Coherent Detection)结合数字信号处理(DSP)技术(包含定时恢复、电色散补偿和相位恢复),比只采用相干探测技术的方案能够获得更好的接收灵敏度(接收灵敏度提高超过2dB);②接收光功率越大,同时采用相干探测技术和数字信号处理技术的优越性体现越明显,当接收功率高于−19dBm时,即可实现接收上行8PSK信号的误码率低于10e−9。因此,在实际的上行接入方案中,为进一步降低光功率收发预算成本,建议同时采用相干探测和高速电信号域数字信号处理技术。

图3　上行8PSK信号传输前后的眼图Fig.3 Eye diagrams of 8PSK uplink signals before and after transmission

图4　下行NRZ信号传输前后的光谱图Fig.4 Optical spectrum diagrams of NRZ downlink signals before and after transmission

图5　上行8PSK信号传输前后的光谱图Fig.5 Optical spectrum diagrams of 8PSK uplink signals before and after transmission

图6　8PSK信号检测得到的接收信号功率(Received Power)和误码率(BER)的关系Fig.6 Received power versus BER after detecting 8PSK signals

3　结论

对于宽带光纤接入系统而言,在OLT中采用零差相干探测和高速数字信号处理技术来收发多进制调制码光信号,能利用相干检测和高速数字信号处理技术高灵敏度接收的优势改善上行光接入信号的功率预算,且无需改动ONU侧的光电器件配置。本文设计并研究了一种上行八进制相移键控(8PSK)信号的新型光接入方案,将零差相干探测、幅相正交调制和反射式无源光接入技术相结合,通过提升上行信号接收灵敏度来改善接入系统的光功率预算,并在上行带宽受限时实现了用户传输数据速率的增加,因此该方案将在未来宽带光接入网络中具有应用优势。

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中图分类号:TN913.7

文献标志码:A

文章编号:1001-4543(2015)02-0120-06

收稿日期:2015-02-29

通讯作者:邵宇丰(1977–),男,湖南长沙人,副教授,博士,主要研究方向为光纤无线汇聚通信。电子邮箱yfshao@sspu.edu.cn。

基金项目:国家自然科学基金(No.6117064)、上海市教委科研创新项目(No.15ZZ101)、上海第二工业大学通信与信息系统重点学科建设项目(No.XXKZD1302)、上海第二工业大学校重点基金(No.EGD14XQD01)资助

Homodyne Coherent Detection Optical Access Scheme Adopting 8PSK Upstream Signals

SHAO Yu-feng,FANG An-le,GONG Yu-mei,HU Jin-yan
(College of Computer and Information Engineering,Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China)

Abstract:Since the emergence of different user access terminals,the communication bandwidth requirement of uplink is increasing in optical access systems,and the uplink optical signal access scheme with low transmission cost and high frequency band utilization rate has become the inevitable choice.A novel scheme of transmitting 8 phase-shift keying(8PSK)signals in upstream link and using homodyne coherent detection optical access is designed and its research is carried out.In this scheme,high frequency band utilization rate 8PSK optical signals is generated through using cascaded three phase modulators at the optical network unit(ONU),and at the optical line terminal(OLT)the optical carrier of downstream signals is used as mixing source and DSP module is also be adopted to achieve homodyne coherent detection of upstream signals for enhancing the receiver sensitivity than 2 dB,compared with only using coherent detection.

Keywords:optical access system;optical network unit(ONU);optical line terminal(OLT);8 phase-shift keying(8PSK);homodyne coherent detection