基于绝对极性占空比复用技术的光纤通信系统研究

王东飞，陈新桥，唐琳，张雨辰

(中国传媒大学 信息工程学院，北京 100024)



基于绝对极性占空比复用技术的光纤通信系统研究

王东飞，陈新桥，唐琳，张雨辰

(中国传媒大学 信息工程学院，北京 100024)

本文介绍了一种利用不同占空比实现信道复用的新型复用技术，即绝对极性占空比复用技术(APDCDM)，并分析了APDCDM的复用与解复用原理。利用Matlab设计了APDCDM系统的解复用器，利用软件Matlab与Optisystem进行联合仿真，设计了基于APDCDM的光纤通信系统，并验证了APDCDM在光纤通信系统中的可行性。

绝对极性占空比复用；Matlab与Optisystem联合仿真；解复用器；光纤通信

1　引言

为了提高光纤的利用率和带宽，人们采用了各种光的复用方法，并且各种复用技术的出现都在不同程度起到了扩大传输容量和提高传输效率的作用，比如WDM，TDM等等。WDM技术在光通信系统中对解决传输介质的带宽利用率这一问题起到了很大的作用，但是它对于电通信系统却作用很小，而且在波分复用系统中，在一个单载波上，只有一个用户可以传送数据。TDM通过记下每个用户不同时间的位置就可以实现多个用户可以共用一个光单载波传输数据了，但是这样会导致脉冲宽度会变窄，所以，这个系统就需要高速率的复用器和解复用器，同时，高速率传输下，时钟恢复也是一个很大的挑战，这样复用电路系统异常繁复，所需的高速率电子器件会使整个而且造价昂贵。为了解决这些问题，本文引入一种新的复用技术——绝对极性占空比复用技术(APDCDM)。该技术中，给每个用户设置不同占空比，多个的用户可以共享传输媒介同时用相同的频率传输数据，而且这种技术不仅能够用于有线通信，也可以用于无线通信，同时在高速光通信系统中具有更好的时钟恢复性能，可以更有效地利用时隙及频谱。这种技术不仅能够用于有线通信，也可以用于无线通信，同时在高速光通信系统中具有更好的时钟恢复性能。无线通信系统具有无线优势、容量优势、电磁兼容优势、保密优势、尺寸优势、价格优势、功耗优势等七大优势，基于无线信道上的DCDM技术具有以上的所有的忧点，具有更广阔的应用前景。

国内外研究现状及意义：随着光纤通信技术的发展，现有的各种复用技术渐渐的显示出了它们的不足，已不能满足人们的需求。2007年马来西亚博特拉大学工学博士马可迪朗基在“Duty Cycle Division Multiplexing Technique for Wireless Communications”一文中提出了占空比复用技术的概念，实验论证了DCDM技术和TDM技术相比较，有更好的误码率。并先后发表多篇论文，对占空比复用技术进行了理论分析研究。2008年马来西亚博特拉大学阿布杜拉在“Duty Cycle Division Multiplexing(DCDM)；A New Electrical Multiplexing Technique for High Speed Optical Communication Systems”一文中介绍了占空比复用技术，并通过实验仿真对占空比复用技术和时分复用技术的性能做出了对比分析，实验表明DCDM系统可以支持比TDM高的比特率，并且DCDM系统对色散的不敏感。2012印度学者辛格在“Design of 3×60 Gbps DCDM based WDM system”一文中设计出了一个6路的10Gbps的波分复用通信系统，该系统是建立在占空比复用的基础上的一个混合系统。并通过实验证明了通过占空比复用技术提高了每个波分复用信道的容量。2013年中国传媒大学陈翠竹等研究了DCDM在FSO的通信系统，论证了占空比复用技术在自由空间光通信系统的可行性。2014年中国传媒大学的唐琳做了双极性信号实现占空比复用的光纤通信系统，论证了APDCDM在光纤通信系统中的可行性，APDCDM能够承载更多的用户。占空比复用技术能够获得很大的光谱频率，并且是能够应用在高速率光纤传输系统，在高速光通信系统中相对于其他复用技术造价低廉，具有更好的时钟恢复功能。

原理分析：绝对极性占空比复用(APDCDM)技术是对占空比复用(DCDM)技术的改进，它采用的是双极性归零信号，不同的用户共享通信介质在同一时间段发送并在相同的频率但不同的占空比，该技术可以更有效地利用时隙及频谱。

基于占空比的线性分布，多路复用第i用户发送1比特序列时的脉冲宽度公式[1]

其中TS为为每比特信号的时长。

本文以3个用户的复用为例，具体说明APDCD系统的复用与解复用原理。3个用户的占空比分别为0.25、0.5、0.75，设置用户1和用户3信号的极性为正，用户2信号的极性为负，如图图1(a)--(c)所示。设置3个用户的信号分别为10101010、11001100和00001111的周期信号。图1(d)为3路信号在时间轴上的幅度叠加，取其绝对值为图1(e)所示。

此系统可扩展到n个用户，对于n个用户的APDCDM系统，各个用户的占空比为1/n，2/n，...

(n-1)/(n+1)，复用原理和3用户是相同的[2]。

图1　绝对极性占空比复用的原理图　

对于绝对极性占空比复用系统的解复用，需要根据各用户分配的占空比的不同来进行解复用，关键在于解复用系统的设计。本文采用了Matlab与Optisystem的联合仿真设计了APDCDM系统，用Matlab设计了APDCDM解复用器。解复用器输入端接收到的信号是从发射端电复用信号，通过电光调制器转化成光信号，再通过信道传输，光探测器将其转化成点服用信号。在这个过程中，由于信道长度，噪声，信道损耗，色散等因素的影响，原始信号的波形，幅度都会发生变化。在解复用时，信号输入采样得到的信号是二进制信号。仿真解复用解复用流程框图如图2所示，仿真中总共采样了8192次，每比特采样64次，分成a，b，c，d四组，每组16个采样点，一共有512组。由于传输过程中失真等因素，编码时，每组中除去的前4个采样点，后4个采样点后再除以8取平均。这样每比特信号对应的a，b，c，d四组，每组对应一个平均值。再根据大循环求得512个平均采样值，把这些值赋给数组a[i]，i的取值范围为(0，512]。

图2　解复用求平均流程图　

所得的这512个平均值是参差不齐的，要根据实际情况归一化处理。如图3所示，是仿真中接收端信号的波形示意图，a1，a2，a3分别是接收端信号对应的最小峰值，中等峰值和最大峰值，以仿真中接收端实际的波形图为准，a1，a2，a3就是归一化时的判决门限了。

图3　波形示意图　

图4　求归一化框图　

求归一化的过程如图4所示，令i的初始值为1，把上面求得的平均值a[i]和零的差的绝对值做对比，如果这个值得范围在0.01以内，则令a[i]=0，并且令i的值加一。如果这个值得范围，在0.01以外，就把a[i]和最小峰值a1的差的绝对值做对比，如果这个值得范围在0.01以内，则令a[i]=1，并且令i的值加一。如果这个值得范围在0.01以外，就把a[i]和中等峰值a2的差的绝对值做对比，如果这个值得范围在0.01以内，则令a[i]=2，并且令i的值加一。如果这个值得范围在0.01以外，就把a[i]和最大峰值a3的差的绝对值做对比，如果这个值得范围在0.01以内，则令a[i]=3，并且令i的值加一。每次i的值加一后，都要判断i的值是否在(0，513)这个范围内，如果在这个范围内，则执行上述循环，如果不在，则结束循环。这样就可以得到512个归一化的值了，其中0.01这个值是要根据接收端信号的幅度大小来定的，不是固定值，以是否能把信号成功归一化来判断。

由上文可知，这样每比特信号就得到了a，b，c，d四组值，每组对应的一个归一化后值。

本次实验所采用占空比为0.25，0.5，0.75的3用户信号，每比特采样信号可以平均分为四段进行分析，分为8种情况进行判决[3]，判决方法如表1。

表1　解复用判决表

2　仿真实验

基于Matlab软件，设计了3用户APDCDM解复用器[4]，通过Matlab与Optisystem的联合仿真，设计了一个APDCDM的FSO系统[5]，系统的仿真原理框图，如图2所示。

图5　 APDCDM系统仿真原理框图　

本文中，3用户的信号设置分别为10101010，11001100，00001111的周期信号，共采样了8192次，每比特采样64次，一共采样了128b，比特速率为10Gb/s，提取采样信号每64个采样点分成4组，然后取平均值。

由于在实际波形中，接收端接收到的信号幅度会衰减，因此需要对采样后的信号进行归一化处理。例如在“0”附近波动的值就取为0，在“1”附近波动的值就取为1，在“2”附近波动的值就取为2，在“3”附近波动的值就取3. 这里引号中的“1”“2”“3”，都是指实际仿真中信号接收端的三个波峰值的平均值，本次仿真接收端接收到的复合信号如图6所示。

图6　 接收端信号图　

将复合后的电信号通过MZM光调制器，调制到波长为1550nm连续的光波上，经50km的光纤传输后，经光电检测器进行电光转换，得到复用的电信号，再输入用Matlab设计的解复用器进行解复用，恢复出3路原始信号。如图7所示。

3　结论

随着科学技术的发展，人们对带宽的要求越来越高，如何更高效的利用光通信中的带宽资源，一直是光通信研究的重要问题之一。因此，提出了复用技术的概念，而现有复用技术普遍具有解复用器技术复杂、实现成本偏高等问题。本文提出了一种新的复用技术—绝对极性占空比复用技术(APDCDM)，通过仿真分析设计出了一种新的解复用方法，并通过Optisystem和Matlab联合仿真在光纤通信系统中绝对极性占空比复用技术的可行性。

图7　

[1]Amin Malekmohammadi，M K Abdllah，A F Abs，et al. Absolute Polar Duty Cycle Division Multiplexing(APDCDM)；Technique for Wireless Communications [R]. Proceedings of the International Conference on Computer and Communicati on Engineering 2008，2008.

[2]Amin Malekmohammadi，M K Abdllah，G AMahdiraji，et al.30Gb/sAbsolute Polar Duty Cycle Division MultiplexingIn Dispersion Uncompensated Optical System[R].Proceedings of IEEE 20086thNational Conferenceon Telecommunication Technologiesand IEEE20082ndMalaysia Conferenceon Photonics，2008.

[3]陈翠竹，陈新桥，段中航.基于占空比复用的光纤传输系统的设计[J].光通信研究，2012(5)：21-23

[4]唐琳，陈新桥，张雨辰.采用双极性信号实现占空比复用的光纤传输系统[J].光纤与电缆及其应用技术，2014(6)：22-25

[5]陈翠竹，陈新桥，段中航.基于DCDM的FSO通信系统设计[J].光通信技术，2013(9)：48-50

(责任编辑：马玉凤)

Design of APDCDM-Based Fiber Optic Transmission System

WANG Dong-fei，CHEN Xin-qiao，TANG Lin，ZHANG Yu-cheng

(School of Information Engineering，Communication Umiversity of China，Beijing 100024)

In this paper，we first introduce a novel multiplexing technology for realizing channel multiplexing，namely the absolute polarity duty cycle multiplexing(APDCDM).Multiplexing and demultiplexingprinciple of APDCDM are analyzed，design the demultiplexer of APDCDM system by using Matlab.In order to verify the feasibility of APDCDM，Here we design an optical fiber transmission system witch base on APDCDM by joint simulation the software Matlab and Optisystem .The simulation result shows the feasibility of the system.

absolute polarity duty cycle multiplexing；joint simulation the software Matlab and Optisystem；solution multiplexer；optical fiber communication

2015-06-23

王东飞(1990-)，男(汉族)，河南人，中国传媒大学硕士研究生.E-mail：2712360531@qq.com

TN929.11

A

1673-4793(2016)01-0012-05