基于D8PSK/IRZ正交调制的光标记系统∗

刘皎 党楠

1 引言

光标记交换技术作为光分组交换网络的一种有效实现方式［1～4］，综合了电信号处理的灵活性和光信号交换的大粒度特点，可以在光传输网的交换节点上根据光标记来实现数据的全光交换，不再需要依靠光-电-光转换来实现信号交换，克服了交换节点的电子瓶颈问题，提高了交换容量与速率，并且充分利用了全光网络资源［5～8］。随着光标记交换技术的发展，衍生出了正交光标记技术［9～11］。该技术基于正交调制格式，利用同一光载波的不同分量分别承载标记与载荷信息，因而只占用同一信道同一时隙。现有正交光标记交换技术的实现方案主要是利用较为成熟的传统二进制调制格式的两两组合来分别调制标记与载荷信息，诸如ASK/DPSK正交光标记、FSK/ASK正交光标记［12］等方式。这些正交调制方案在一定程度上提高了频谱效率，也广泛地应用在了光标记交换系统中。本文提出了一种采用差分八相移键控（D8PSK）调制格式进行载荷调制，反转归零码（IRZ）进行标记调制的正交光标记方案，其系统容量相较于传统的二级制系统提升了3倍。

2 D8PSK/IRZ的调制与解调原理

D8PSK调制具有更窄的频谱宽度，频谱效率更高［13］。与ASK调制方式相比较，由于D8PSK采用差分相干解调方式，在达到相同的误码率时，D8PSK信号接收机对光信噪比的容忍度能够提升3 dB，并具有较高的色散容忍度，因而是高速率大容量光通信系统的一种理想调制格式，但其在光标记系统中的应用却还比较少。而光域IRZ码在每个比特周期内，都含有光功率［14～16］，因而在同一比特周期内所包含的相位信息或者频率信息都可以很好地被保留，使得正交信号对调制消光比的敏感度降低，适用于基于正交调制格式的光标记调制。

2.1 D8PSK/IRZ正交信号的调制与解调原理

差分八相移键控/反转归零码（D8PSK/IRZ）正交调制框图如图1所示，二进制序列1首先通过串并转换变为三路并行信号a、b、c，再对这三路信号进行差分预编码。其差分编码规则如下：

其中，a、b、c表示输入的信号序列，Ιk、Qk、Dk表示此刻输出的信号序列，Ik-1、Qk-1、Dk-1表示前一时刻的输出信号序列。

图1 D8PSK/IRZ正交调制框图

将编码输出后的三路信号I、Q、D，分别加载到相移依次为π、π/2、π/4的相位调制器（PM）上。经PM调制后的信号将携带8个不同的相位值，实现了信号的D8PSK调制过程。差分编码后的驱动信号与输出的D8PSK信号相位的关系如表1所示。

表1 编码后的三路信号与调制器输出信号相位关系表

设光载波经D8PSK调制之后的时域表达式为

其中 ||E0为光载波振幅，ω为光载波角频率，φ为光载波相位，θi为加载到光载波上的八个不同相位值，π/4，i=1，2…，8。

将待调制的二进制序列2与速率为其二倍的时钟信号进行逻辑与运算，产生归零码（RZ）信号，并将其加载至双臂马赫增德尔调制器（MZM）的两臂。MZM上臂的调制电压与偏置电压均为vπ/2（vπ为调制器的开关驱动电压），下臂的调制电压为 -vπ/2，无偏置，这样就形成了光域的IRZ码。IRZ信号的时域产生过程如图2所示，从图2中我们可以看到IRZ信号在每个比特周期内均含有光功率，因而在信号解调时，加载在信号其它参量上的信息可以被解调出来而不受调制消光比的限制。MZM的光输入端口接入D8PSK信号，采用IRZ调制方式将输入的二进制序列信息加载到D8PSK光信号的振幅上，完成D8PSK信号与IRZ信号的正交调制。

图2 光域反转归零码的时域产生过程

设调制完成的正交信号时域表达式为

其中A(t)为加载到光载波上的振幅信息。

vbias为MZM的偏置电压，vin为MZM的输入电压。A(t)由输入的二进制序列决定，当输入码元为“1”时，光载波的振幅会在一个比特周期内发生高低电平的一次跳变；当输入码元为“0”时，光载波的振幅在一个比特周期内都位于高电平，这里的高低电平由IRZ信号的调制消光比来决定，但由于在每个比特周期内，IRZ信号都含有光功率，因此高的调制消光比使得载波的相位信息并未完全损耗。

2.2 D8PSK/IRZ正交信号的解调

由于正交调制格式的不同分量之间可以分别通过各自的接收机来解调出相应信息，且此方案中使用的是对调制消光比不敏感的IRZ调制方式，幅度调制对于相位信息影响不大，因此D8PSK/IRZ正交信号的解调可以分别通过IRZ信号解调器与D8PSK信号解调器来解调出相应信息。

IRZ信号解调器采用的是直接探测的方式来进行信号的解调。首先利用光电探测器将光振幅信息转化为电幅度信息，再通过带通滤波器将其滤波整形为电域NRZ信号，其幅度与调制前的二进制序列信息相反，因此需要加一个反相器以解调出所需要的幅度信息。由于探测器探测到的只有光信号的振幅，即IIRZ= ||Eout，其与正交信号里所包含的相位信息无关，因此采用IRZ信号解调器可以解调出正交信号中携带的振幅信息。

D8PSK信号解调器的原理如图3所示。在不考虑噪声影响的背靠背系统中，则解调器接收端输入信号Ein=Eout。

图3 D8PSK信号的解调原理框图

图3 中首先将接收到的正交信号通过3dB耦合器分为两路进入上下两个马赫增德尔干涉仪（MZI）中作光域的相干解调。以上支路为例，MZI干涉仪输出信号Ea1、Ea2的时域信号可表示为

其中，φ1为此刻信号的相位，由此刻的输出信号Ιk、Qk、Dk决定；φ2为前一时刻信号相位，由前一时刻输出信号Ιk-1、Qk-1、Dk-1决定，其逻辑关系由表1所示。

经MZI干涉仪解调之后的信号采用光电探测器进行直接探测，光电检测器将干涉仪输出的光信号转化为携带光强度信息的电信号，其表达式为

对Ia1、Ia2两路信号进行减法判决，判决电平为零电平。当Ia1-Ia2大于零电平时，输出为‘1’，当Ia1-Ia2小于零电平时输出为‘0’，该路判决输出即为a路信号。同理可以判决得到b、c两路信号。从（9）、（10）两式中可以看到，承载IRZ信息的变量A(t)在同一时刻，在电信号Ia1和Ia2中是相同的，也就是说正交信号中所携带的幅度信息对于D8PSK相位信号的解调并无影响，因而可以通过D8PSK解调器将正交信号中所携带的相位信息解调出来。

3 基于D8PSK/IRZ的正交光标记方案

基于D8PSK/IRZ正交调制的光标记系统结构，如图4所示。该系统由边缘路由器模块、传输模块以及目的节点模块组成。在该系统的边缘路由器中，载荷信号先经串并转换变为三路低速信号，再以D8PSK的调制方式加载到光载波的相位上。标记信号通过IRZ调制方式将其加载到光载波的振幅上。完成D8PSK/IRZ正交调制之后的光载波经传输链路传送至目的节点。该传输链路由掺铒光纤放大器（EDFA）、单模光纤（SMF）、色散补偿光纤（DCF）构成。在目的节点中将接收到的信号分为两路分别进入IRZ信号解调器与D8PSK信号解调器中，解调出相应的载荷信息与标记信息。

图4 基于D8PSK/IRZ正交调制的光标记系统仿真模型

4 系统仿真及分析

基于上述研究方案，搭建了D8PSK/IRZ正交调制格式光标记系统的边缘节点仿真系统。仿真系统的参数设定：载荷速率为120 Gbit/s，则经串并转换后各支路速率为40Gbit/s；D8PSK调制模块中的三个相位调制器相移依次为π、π/2、π/4；IRZ调制模块中标记速率为10 Gbit/s，MZ调制器调制消光比为9dB，MZ调制器的上臂调制电压与偏置电压均为 vπ/2（vπ=5V），下臂的调制电压为-vπ/2，无偏置；光纤传输链路的长度为100 km，其中，单模光纤长度为83 km，色散补偿光纤长度为17km，EDFA的总增益为25dB。

仿真系统中D8PSK信号与IRZ信号正交前后，光载波所携带的相位信息对比如图5所示。从图5中可以看到，IRZ调制对于载波所携带的相位信息并无影响，因而接收机可以有效地解调出D8PSK信号所携带的相位信息。传输速率为120 Gbit/s的D8PSK/IRZ正交信号的频谱如图6（a）所示。相同比特速率下的DPSK/ASK正交信号的频谱如图6（b）所示。从图6中可以看到D8PSK/IRZ信号的主瓣频谱仅为DPSK/ASK信号主瓣频谱的1/3，因而有效地提高了频谱利用率。

图5 正交前后载波所携带的相位信息

在系统的接收端，将接收到的D8PSK/IRZ正交信号经耦合器分为两路分别进入相位解调器与幅度解调器，解调后所得信号眼图如图7所示。从图7中可以看到载荷信号与标记信号的眼图睁开度都很大，可以很好地解调出相位与振幅信息，使得该方案的可行性得到了验证。

图6 D8PSK/IRZ正交信号与DPSK/ASK正交信号的频谱

图7 检测到的IRZ信号与D8PSK的I路信号眼图

图8 消光比对D8PSK/IRZ信号及DPSK/ASK信号的影响曲线图

D8PSK/IRZ正交调制方式的最大优势在于其调制消光比比传统的正交调制格式要高很多，因此我们对DPSK/ASK正交信号和D8PSK/IRZ正交信号与调制消光比的关系作了对比，其关系曲线图如图8所示。从图8中我们可以看到，当达到各自系统最佳性能时，D8PSK/IRZ正交信号的调制消光比要比DPSK/ASK信号高约7个dB，并且其误码率也要更低，在最佳消光比时的误码率可以达到10-9左右。

5 结语

本文提出了D8PSK/IRZ正交调制的光标记方案，该调制方式的最大优势在于其调制消光比比传统的正交调制格式要高很多，且在其最佳消光比时的误码率要小得多。通过仿真验证了载荷速率为120 Gbit/s，标记速率为10 Gbit/s的D8PSK/IRZ信号的百公里传输，在提升了系统容量的同时能获得较好的接收信号眼图。该系统可靠性好、频率利用率高，能够很好地适应高速光传输系统。

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