论文研究-25Gb/s D8PSK高速光纤传输系统研究 .pdf-资料库

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 25Gb/s D8PSK 高速光纤传输系统研究柳雨晨* （北京邮电大学，电子工程学院，信息光子学与光通信教育部重点实验室，北京 100876）摘要：这篇论文介绍了光域差分八相相移键控（D8PSK）调制信号的产生和平衡接收原理，分析了 D8PSK 调制格式应用在传输系统上的性能特点，详细地进行了调制信号产生和接收的推导以及预编码的说明。基于仿真软件 OptiSystem 搭建了 25Gb/s D8PSK 调制信号的高速光纤传输系统传输仿真模型，并根据仿真结果分析背靠背系统的传输性能，得到了不同码型下 D8PSK 调制的眼图、发送端时域图、光域频谱图以及接收端频谱图，均为比较理想效果，并就 RZ-D8PSK 和 CSRZ-D8PSK 的差异进行了比较。关键词：D8PSK；调制格式；高速光纤传输系统中图分类号：TN76 Research of 25Gb/s high-speed optical transmission system (Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications, Ministry of Education, Liu Yuchen Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876) Abstract: This paper presents and simulates a complete 25Gbit/s high-speed optical transmission system modulated by differential 8-ary phase shift keying (D8PSK), including the demonstration of D8PSK signal’s modulating and receiving, and a necessary illustration of its precoding. The transmission system is established by using OptiSystem and is analysed under back to back condition. It shows the different eye diagrams, time domain digrams, optical power spectra digrams and receiving power spectrum diagrams in different D8PSK modulations with good results. Finally, RZ-D8PSK is compared with CSRZ-D8PSK. Keywords:Differential 8-ary phase shift keying; Modulation format; High-speed optical transmission system 0 引言随着 Internet 互联网业务、交互式多媒体信息业务、高带宽的视频传输业务以及新一代的无线通信业务的高速迅猛发展，我们对干线传输网络的传输速率、传输带宽、传输质量的提高均提出迫切的需求，而传统的调制格式在这些方面逐渐出现瓶颈。差分八相相移键控（D8PSK）是在差分四相相移键控（DQPSK）基础上的多进制调制，它的特点是具有更高的频谱效率以及更大的色散容限。所以在抗噪声性能以及信道频带利用率等方面，基于相位调制原理的光调制格式性能更加优越，因而逐步应用到高速光纤通信系统中。这里我们提出一种 D8PSK 调制应用在高速光纤传输系统中，通过对调制方式的原理研究，建立 D8PSK 调制信号的产生及相应接收解调的仿真模型，并分析了系统的传输性能。 1 D8PSK 信号的调制和解调原理 D8PSK 是一种利用八个不同的相位来表征数字信息的调制方式。将输入信号首先调制到八个不同的相位上，再通过相邻码元之间的相位差来携带信息，对于经过比特码元组调制作者简介：柳雨晨，（1986-），男，硕士研究生，主要从事光通信与光网络的研究. E-mail: lyc19860701@126.com - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 后的光脉冲，其差分相位可以取[0，π/4，π/2，3π/4，π，5π/4，3π/2，7π/4]中的一个。D8PSK 调制方式中每一个差分相位代表 3bit 信息，在相同信息速率下 D8PSK 调制方式所占的频带宽度大大降低，频谱效率得到很大提高。同时，由于使用了差分编码方式，能够有效避免因接收机相位反转而导致的解码失败[2]。 1.1 D8PSK 信号调制 D8PSK 信号调制原理结构图： π 2/π 4/π 图 1 串联调制 D8PSK 信号的产生如图 1 所示，三路二进制序列码元组 a、b、c 经过 D8PSK 预编码器后再经过不归零码脉冲发生器形成的三个支路分别为 I、Q、D，其中 I 支路信号作为马赫增德调制器 MZM1 的驱动电压，可以产生 π 的相移；Q 支路信号作为移相器 PM1 的驱动电压，可以产生 π/2 的相移量；D 支路信号作为移相器 PM2 的驱动电压，可以产生 π/4 的相移量。因此，每一个光脉冲的相位均由 I、Q、D 所组成的输入比特码元组决定。之后再经过一个由正旋发生器所驱动的马赫增德调制器 MZM2，正旋发生器速率为信号速率的一半。此时，如果将偏置置于 0 或 2VSB（即 VB1-VB2=0 或 2VSB，VSB 为 MZM 的开关电压），即可生成占空比为 33%的 RZ-D8PSK 光脉冲信号；如果将偏置置于 VSB（即 VB1-VB2=VSB），即可生成占空比为 67%的 CSRZ-D8PSK 光脉冲信号[3]。系统中两个 MZM 的参数设置如表 1 所示：表 1 串联调制中 MZM 参数设置 VM1 -4V 4V VSRF 4V 4V IL 0dB 0dB VSB 4V 4V 4V 4V 0dB 4V ER 100dB 100dB 100dB VM2 -4V -4V -4V VB1 0V 0或8V 4V VB2 0V 0V 0V MZM_1 MZM_2 (RZ-D8PSK) MZM_2 (CSRZ-D8PSK) 1.2 D8PSK 信号解调 D8PSK 信号解调原理结构图： - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 2 D8PSK 信号的解调由于所传输的 D8PSK 光信号含有八种不同的相位，因此在信号接收端需要由四个马赫- 曾德尔时延干涉仪来进行解调[5]，如图 2 所示，每个马赫-曾德尔时延干涉仪的两端由两个 3db 耦合器组成、两臂由一个时延器和一个移相器组成。四个时延干涉仪的下臂分别产生 3π/8，-π/8，π/8，-3π/8 的相移。在每个时延干涉仪的后边需要使用一个平衡检测器进行光电转换，之后再经过减法判决器得到解调信息。对于输入信号 a 和 b 可以直接在接收端的判决器电路之后解调出来，对于输入信号 c，需要经过判决之后的两路信号再进行异或来解调。若忽略接收端马赫曾德尔时延干涉仪相位噪声，并设经过光带通滤波器后得到的信号表 + ，其中 A 为光信号强度，ω为角速度，ϕ为光信号调制相位[6]。则根达式为 exp( 据干涉仪的频域输入输出关系，可以得到四个干涉仪的高输出端口和低输入端口分别为： j tω ϕ ) Α = Α exp = Α exp = Α exp j ⎛ ⎜ ⎝ ⎛ ⎜ ⎝ ( j j t + + ) ( ) t ( ω ϕ 3 ⎞ π ⎟ 8 ⎠ 3 ⎞ π ⎟ 8 ⎠ ) ( ) ( ω τ ϕ τ ( ω ϕ ( ) t ) ( ) + − + + − t t j t j + exp − exp ( j ( j ) − exp = Α exp ( j ( ) ( ω τ ϕ τ ( ) − + − t t ) ) + exp E 1 m ( ) t E 2 m ( ) t E 1 n ( ) t E 2 n ( ) t E 2 u ( ) t E v 1 ( ) t j 4 1 4 1 4 j 4 1 4 j 4 j 4 1 4 ⎡ ⎢ ⎣ ⎡ ⎢ ⎣ ⎡ ⎢ ⎣ ⎡ ⎢ ⎣ ⎡ ⎢ ⎣ ⎡ ⎢ ⎣ ⎡ ⎢ ⎣ ⎡ ⎢ ⎣ j j ( ⎛ ⎜ ⎝ ⎛ ⎜ ⎝ E u 1 ( ) t = Α exp ( j ( ) ( ω τ ϕ τ ( ) − + − t t ) ) − exp = Α exp ( ) ( ω τ ϕ τ ( ) − + − t t ) ) + exp = Α exp ( ω ϕ + t ( ) t ) − j + exp ( j v 2 E exp ( ) t = Α ( 再经过平衡检测后的差分电流可以表示为： ( ω ϕ ( ) t exp ) + − − j t j ( ( ) ω τ ϕ τ ) − + − ( t t ) ( ( ) ω τ ϕ τ ) − + − ( t t ) ) ⎤ ⎥ ⎦ ⎤ ) ⎥ ⎦ j t j j t j − + − + ) ) ( ) t ( ) t ( ω ϕ ( ω ϕ ⎛ ⎜ ⎝ ⎛ ⎜ ⎝ ⎛ ⎜ ⎝ ⎛ ⎜ ⎝ ( ) ω τ ϕ τ ( ω ϕ ( ω ϕ ( ) t ( ) t ) ) ( ) + + + + − + − ( j t j j t j t t π 8 ⎤ ⎞ π ⎟ ⎥ 8 ⎠ ⎦ ⎤ ⎞ π ⎟ ⎥ 8 ⎠ ⎦ ⎤ ⎞ ⎟ ⎥ ⎠ ⎦ ⎤ ⎞ π ⎟ ⎥ 8 ⎠ ⎦ ⎤ ) ) ⎥ ⎦ ⎤ ) ⎥ ⎦ ) ( ) ω τ ϕ τ ( ) − + − ( t t j 3 ⎞ π ⎟ 8 ⎠ 3 ⎞ π ⎟ 8 ⎠ - 3 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn Ia = E u 1 Ib = E v 1 2 2 2 2 − E 2 u − E 2 v 2 A cos ⎛ ⎜ ⎝ ϕ Δ + 2 cos A Δ − ϕ 2 A cos Δ + ϕ ⎛ ⎜ ⎝ ⎛ ⎜ ⎝ = 1 4 = − 2 = 1 4 1 4 1 4 ⎞ 3 π ⎟ 8 ⎠ ⎞ π ⎟ 8 ⎠ ⎞ π ⎟ 8 ⎠ 3 π 8 ⎞ ⎟ ⎠ 2 − E 2 n = − 2 A cos ⎛ ⎜ ⎝ Δ − ϕ − E 2 m 2 2 Ic 1 = E m 1 Ic 2 = E n 1 1.3 预编码对于差分调制格式，传输信号在经过调制器前都需要先进行预编码以确保在差分解调时能被准确地探测。使用不同的调制和解调方式，信号的处理过程就会不同，所以需要不同的预编码器来实现 D8PSK 传输。根据上文中图 1 所示串联 D8PSK 调制方式、图 2 所示相应信号接收解调，以及下表列出的 D8PSK 调制相位与 I、D、Q 的编码关系：表2 D8PSK调制相位与I、Q和D的编码关系 3π/4 0 1 0 相位 0 0 0 0 π 1 1 0 π/2 0 1 1 π/4 0 0 1 5π/4 1 1 1 3π/2 1 0 1 7π/4 1 0 0 I Q D 我们将采用如下的预编码方式：从表中可以直观的看到差分编码后的 3 路数据与相位差的关系。000 对应 0 相位差，001 对应 π/4 相位差，011 对应 2π/4 相位差，010 对应 3π/4 相位差，110 对应 π 相位差，111 对应 5π/4 相位差，101 对应 6π/4 相位差，100 对应 7π/4 相位差。假设第 n 个脉冲的复振幅是 j n Ae φ ，A 是一个实常数， nφ 是第 n 个脉冲的相位。那么当接下来的比特是{0,0,0}时，则 1nφ+ = nφ ；当比特为{0,0,1}时，；当比特为{0,1,0}时， + nφ ；当比特为{1,1,1} ；当比特为{0,1,1}时， φ π n nφ 1 + 3 / 4 φ π n φ π n 1 + / 4 / 2 = + = = + nφ 5 / 4 1 + ；当比特为 {1,0,1} 时， + φ π = n ；当比特为{1,1,0}时， 1 nφ + 3 / 2 φ π n = + nφ 1 + ；当比特为 {1,0,0} 时，。由此我们可以得出输入输出比特码元关系，再分别画出 I Q D 的卡诺图时， φ π n + = nφ 1 + φ π = n + 1 + 7 / 4 nφ 并化简，即可得到预编码器的表达式： c I k = ( ( + k a k + D k I ⊕ a 1 − )( ⎡ ) ⎣ 1 − k Q ( k k ⊕ b k 1 − Q k D k = D k = a k ( Q k ⊕ c ) + k 1 − D ⊕ ⊕ ⊕ − k 1 1 − c b k k I ) k k 1 − I )( 1 − a ⊕ )( k c D + k k ⎡ b ⎣ k D k 1 − ⊕ a k ⊕ Q k 1 − ⎤ ⎦ + ( + c k b k ⊕ ) )( D k 1 − c Q k k + 1 − a ⊕ I k k D k 1 − 1 − 1 − ⎤ ⎦ ) Q k 1 − 2 仿真结果传输信号采用三路 25Gb/s 的比特序列发生器，在发送端，如图 1，在以下两种情况：当将马赫增德调制器 MZM2 的偏置置于 0 或 2VSB 时，可产生占空比为 33%的 RZ-D8PSK 信号，此时的 RZ-D8PSK 眼图如下： - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图3 RZ-D8PSK信号眼图由图可见，眼图张开明显，接收效果良好。时域图如下：图4 RZ-D8PSK信号时域图光谱图如下：图5 RZ-D8PSK信号光域频谱图接收端频谱图如下： - 5 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图6 RZ-D8PSK接收端频谱图当将马赫增德调制器 MZM2 的偏置置于 VSB 时，可产生占空比为 67%的 CSRZ-D8PSK 信号，此时的 CSRZ-D8PSK 眼图如下：图7 CSRZ-D8PSK信号眼图由图可见，眼图张开明显，接收效果良好。时域图如下光谱图如下：图8 CSRZ-D8PSK信号时域图 - 6 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图9 CSRZ-D8PSK信号光谱图接收端频谱图如下：图 10 CSRZ-D8PSK 信号接收端频谱图 3 结论本文通过对光域 D8PSK 调制信号的产生和平衡接收原理的详述，从理论上证实了 D8PSK 具有良好的传输特性。并基于仿真软件 Optisystem 给出了 25Gb/s 高速 DQPSK 调制信号的仿真模型。根据仿真结果分析得出良好的接收性能及眼图。由于 CSRZ-D8PSK 信号相邻两个码元的相位相差为 π，频谱的载频分被抑制[3]，因此由图 5 和图 9 我们可以看出， CSRZ-D8PSK 信号的频谱密度大频谱窄，而且频谱得峰值较低，比 RZ-D8PSK 信号具有有更高的容限，更低的信道间串扰，以及更高的光纤非线性损伤容限，表现出更好的传输性能。 [参考文献] [1] 胡晓明，刘博，赵勇，等.《40Gb/s DQPSK 信号的超长距离传输》，中国科技论文在线，2008.8.5. [2] 殷爱菡，焦曰里，周薇，等.《40Gb/s 光 DQPSK 传输系统性能分析》，光通信技术，2010，34 (1)：46-49. [3] 郝斌，顾畹仪.《光差分相移键控调制格式原理》，现代有线传输，2005，(4)：70-73. [4] 何晶，陈林.《基于马赫-曾德尔调制器的先进调制格式的产生》，中国激光，2008，35(8)：1185-1190. [5] 齐鸣，张新亮，黄德修.《可调马赫-曾德尔干涉仪型差分相移键控解调器》，中国激光，2006，33(12)： 1643-1647. [6] 王成巍，文爱军，吴建红.《高速光 DQPSK 调制中预编码器的实现》，2007，18(6)：679-682. - 7 -

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