4B/5B编码的再调制WDM-PON系统分析与实现

徐 进，李慧林，张 封，张晓龙（.西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安70048；.国家电网 陕西电力维护运营有限公司，陕西 西安70048）

4B/5B编码的再调制WDM-PON系统分析与实现

徐 进1，李慧林1，张 封1，张晓龙2
（1.西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安710048；2.国家电网 陕西电力维护运营有限公司，陕西 西安710048）

在输入RSOA功率和数据编码方式不同的情况下，为了解决下行信号对上行再调制信号的串扰问题，研究了上行信号的误码率（BER）性能，并采用了下行2.5 Gb/s，上行1.25 Gd/s的非对称数据传输，4B/5B编码的下行信号再调制的波分复用无源光网络 （WDM-PON）系统模型。最后通过MATLAB编程实现4B/5B编码，并在Optisystem软件中进行联合仿真。实验结果表明相对于NRZ编码和Manchester编码，4B/5B编码再调制系统可将编码效率提高到80%。

WDM-PON；4B/5B编码；RSOA；误码率

随着网络中数据的急剧增加，人们对带宽的需求不断提高。WDM-PON技术是虚拟的点对点的通信，能充分利用光纤巨大的带宽资源，很好地满足了接入网用户对于高带宽的要求。最理想的WDMPON方案就是为每个ONU分配单独的波长，CO端使用多波长的可调谐激光器，在ONU端使用单波长激光器，这样就能做到上下行的波分复用，但是这种方案主要缺点是激光器多，导致成本过高。因此，影响系统成本的ONU“无色化”问题成为WDM-PON网络的一个关键。

所谓”无色ONU”，就是在ONU中不使用固定的波长，通过除去在ONU中使用稳定的激光器来降低运营、管理和维护的成本。WDM-PON的ONU“无色化”方案主要有宽光源频谱分割技术、注入锁定技术、光载波源技术和再调制技术几种。其中反射半导体光放大器（RSOA）利用下行信号再调制产生光载波，不需要在ONU端配置光源，具有潜在的低成本优势，因而得到了广泛的关注和研究。

4B/5B编码用5 bit的二进制码来代表4 bit二进制码。此编码的效率是80%，与Manchester编码相比，编码效率有了很大的提高。因此，本文给出了一种下行数据采用4B/5B编码的再调制WDM-PON系统结构。

1 4B/5B编码再调制系统应用分析

在实际使用的光接入网中，很多业务都是非对称速率的业务，需要的上行带宽比下行带宽低很多。为了解决非对称再调制WDM-PON中的再调制干扰问题，有研究提出了对下行数据进行Manchester编码的方案，Manchester编码由于低频分量较少，可以减少下行信号对上行再调制信号的干扰。但是Manchester编码的编码效率只有50%，需要双倍带宽来传输信息，浪费了带宽资源。

4B/5B编码的再调制的WDM-PON系统，就是在下行传输中数据采用4B/5B编码，下行信号的直流分量比较稳定而且低频成分较少，降低了再调制串扰的影响，提高了上行再调制信号的接收性能，编码效率提高到80%，相对于Manchester编码，提高了下行信号的编码效率。

RSOA再调制技术的WDM-PON的基本特点就是在ONU端不配置光源设备，而是利用RSOA的增益饱和特性，用调制器RSOA来代替ONU中的光源设备。下行光信号通过不同的工作波长被传送至ONU用户。用于下行传输的光载波到达ONU后，由功率分路器分为两部分。一部分进入接收机进行接收解调，一部分进入RSOA进行载波恢复并加载上行信号，然后上行传输回OLT接收机处接收。RSOA再调制技术，其在ONU端不配置光源设备的特性保证了系统的低成本。使它具有了巨大的市场潜力和可推广性。

2 RSOA的增益饱和特性分析

半导体光放大器（SOA）本质上是工作在阈值点以下的InGaAsP激光器。它的主要原理是激活煤质吸收了外部泵浦光源提供的能量，在激活煤质中泵浦为电子提供能量，使其达到较高的能级，产生粒子反转。而放大器就是通过受激辐射所需的粒子数反转来实现入射光功率放大的。RSOA是属于半导体放大器的一种。光放大器最重要的参数之一是信号增益G，而增益系数g（z）是频率和功率的函数，则离输入端距离z时g（z）的表达式为：

式中，g0为小信号的增益系数，Ps（z）是z点的内部信号功率，Psat是放大器的饱和光功率。

假设g（z）是单位长度增益，当长度增加dz时，光功率增加

由上式可知，增益随着信号功率的增加而减少，特别是当内部信号功率等于放大器饱和功率时，增益系数就会减少一半。L的增加会使G和P的增加，但增加到一定的程度，P的数值急剧增加会导致增益系数g的急剧下降，SOA对光信号的放大效果减弱，这种表现就是增益饱和效应。

3 系统设计与实现

3.1 系统结构

WDM-PON技术充分利用光纤巨大的带宽资源，满足不断出现的高带宽网络应用业务的需求，但是，昂贵的光器件是WDM-PON发展的“瓶颈”之一。本文采用的4B/5B编码再调制系统，整个系统上下行数据流的光信号载波只由OLT来提供，在ONU中使用RSOA调制器而不是激光器解决了系统成本过高的问题，并经过上行数据流的调制传送到OLT中，从而完成上下行数据流通信。下行强度调制信号使用4B/5B编码减少了再调制造成的串扰，而且对下行信号的消光比没有限制，保证了系统上下行信号的传输性能，同时信号的编码效率相对Manchester编码有较大提高。图1显示的是4B/5B编码情况下，波长再调制WDM-PON系统框图。

图1 基于4B/5B编码的RSOA再调制WDM-PON实验框图

3.2 系统工作分析

系统下行传输由4B/5B编码的速率为2.5 Gb/s的PRBS直接调制位于OLT侧激光器。4B/5B编码的实现是通过MATLAB产生，再通过调制器直接对激光器调制，调制器消光比为8 dB，输出光波长为1 550 nm。在经过衰减器后送入标准单模光纤（SSMF）传输，光纤的长度为20 km，公里损耗为0.2 dB。经过循环器后，再进行功率分离，分路比为50：50，功率的一半输入RSOA，进行上行再调制；另一半输入光接收器，恢复传输数据。上行传输将NRZ编码的PRBS 和RSOA输出，经过循环器后经过另一根20 km长的SSMF传输，送入OLT侧的接收设备检测和恢复数据，上行传输的调制速率为1.25 Gb/s。

4 仿真结果分析

在系统性能的分析过程中，首先分析了输入RSOA功率对上行传输的影响，在此基础上，分析了不同编码方式对上行传输的影响。误码率，就是在特定的一段时间内所接收到的数字码元误差数目在传输总的码元数中所占的比例，而衡量一个数字传输系统性能好坏的重要标准之一就是误码率。在RSOA系统中，系统传输性能的好坏表现为“擦除”程度的好坏。而“擦除”效果的好坏在很大程度上是由输入光功率的大小决定的。本实验结果是由Optisystem7.0仿真，并由Matlab R2010a进行数据拟合得到。如图2显示的是在下行速率10 Gb/s时，不同的输入光功率条件下，上行信道接收的误码率曲线：

图2 输入光功率对上行信道接收误码率的影响

从图2中可以看出，当输入功率为-5 dB和-10 dB时，功率代价不足1 dB，当输入功率减少到-20 dB时，功率代价就变得很高了。当RSOA的输入功率是-5 dB和-10 dB时，比起低的RSOA输入功率来说，传输性能下降的很少，所以为了提高上行传输性能，应使得输入RSOA的功率足够大。

RSOA的主要功能是为上行传输提供一个再调制光载波，从而在上行传输时不需外加光源，直接再调制下行信号实现上行传输。本实验测量了在NRZ编码、Manchester编码和4B/5B编码下，下行速率为2.5 Gb/s，上行速率为1.25 dBm时，上行传输的误码率。输入RSOA的功率设为-10 dBm。此时位于OLT的接收端，采用普通的PIN检测，同时用BER分析仪进行误码率分析。实验结果如图3所示。

图3 编码方式对上行信道接收误码率的影响

从图3中可以看出在使用4B/5B线路编码的系统中，相对于NRZ编码和Manchester编码，系统会产生大约4.5 dB和3.5 dB的功率代价，但编码效率提高到了80%。实验结果表明了使用4B/5B线路编码可以让RSOA工作在线性区，对下行传输的功率预算和下行信号的消光比没有严格的限制。相对于NRZ编码和Manchester编码，使用4B/5B码可以在增加较少功率代价的前提下，提高下行信号的编码效率。

5 结 论

文中给出了一种再调制WDM-PON系统的结构。在下行方向采用的是用MATLAB编程实现的4B/ 5B编码，分析了输入RSOA光功率对上行传输误码率的影响。输入RSOA功率为-5 dBm和-10 dBm时，系统接收灵敏度高，当输入RSOA功率降低时，功率代价升高。为了提高系统性能，输入RSOA的功率应该足够大。4B/5B编码相对于NRZ编码和Manchester编码，系统会产生一定的功率代价，但是编码效率却有了大幅度的提高，提高了系统的传输性能和扩展性。

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The analysis and implementation of re-modulated WDM-PON system based on 4B/5B coding

XU Jin1，LI Hui-lin1，ZHANG Feng1，ZHANG Xiao-long2
（1.School of Electronics and Information，Xi'an Polytechnic University，Xi'an 710048，China；2.Shaanxi Power Maintanance&Operation Co.Ltd，Xi'an 710048，China）

In order to solve the cross-talk problems of up-link to down-link signal re-modulated signal when the input power of RSOA and the coding schemes are different，this paper analyzes the property of The up-link signal bit error rate（BER），and uses a downstream 2.5 Gb/s，upstream 1.25 Gb/s asymmetric data transmission，and proposes a wavelength division multiplexing passive optical system model based on 4B/5B encoding downstream signals re-modulation.The 4B/5B encoding has been realized in MATLAB program，combined with Optisystem software.Experiement results show that 4B/5B coding and modulation system can improve the coding efficiency to eighty percent.

WDM-PON；4B/5B coding；RSOA；BER

TN<911.6 文献标识码：A class="emphasis_bold">911.6 文献标识码：A 文章编号：1674－6236（2017）07-0095-04911.6 文献标识码：A

1674－6236（2017）07-0095-04

A 文章编号：1674－6236（2017）07-0095-04

2016-03-17稿件编号：201603225

徐 进（1957—），男，陕西西安人，教授。研究方向：信息化、智能检测、电子技术应用。