论文研究-Manchester编码的再调制的WDM-PON .pdf-资料库

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn Manchester 编码的再调制的 WDM-PON 唐君* （北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876）摘要：本文提出了一种下行信号再调制的波分复用无源光网络(WDM-PON)系统模型，同时，通过门电路和时钟恢复技术实现了 Manchester 编码，采用了非对称数据传输。下行数据分别采用 Manchester 编码和 NRZ 编码；反射半导体光放大器(RSOA)利用下行信号产生光载波，无需外接光源就能实现上行传输。分析了色散对系统性能的影响，分析了输入 RSOA 功率不同时，上行信号的误码率（BER）性能，不同的编码条件下上行传输性能。关键词：WDM-PON；Manchester 编码；RSOA；误码率中图分类号：TN919.11 Manchester coding based on re-modulation for WDM-PON (School of Information and Communication Engineering,Beijing university of Posts and Telecommunications,Beijing 100876) Tang Jun Abstract: This paper proposes a wavelength-division-multiplexing passive optical network architecture base on down stream signals re-modulation, and realizing the Manchester coding by the Electric gate and clock recovery technique，Using the asymmetric data transmission. Downstream data using Manchester coding and NRZ coding; Reflect Semi con ductor Optical Amplifiers(RSOA) using the downlink signal to regeneration optical carrier, so upstream transmission no need external lights, Analyses the dispersion effect the performance of the system, when the input power of RSOA are different , analysis the BER of upstream signals. Also analysis when the coding scheme are different, the uplink transmit performance. Keywords:WDM-PON; Manchester coding; RSOA; BER 1 引言研究和开发 FTTx 网络，是为了适应未来不断增长的多媒体服务。在各种 FTTx 解决方案中，WDM-PON 引起人们的广泛关注。WDM-PON 综合了 PON 和 WDM 技术的优点，解决了用户和核心网之间的带宽瓶颈，提高接入网带宽。随着 WDM-PON 系统承载能力的提高，接入网的用户数量也飞速上升。 WDM-PON 的关键技术是由中心局远端监视各个波长独立的光网络单元（ONU）。可以通过给共享光纤的单个用户或组用户提供独立不同的波长路径来解决此问题，但是，ONU 使用不同的光源和精确的调制波长，使得 ONU 的成本过高。解决这一问题的关键在于采用统一的无色 ONU，目前提出的无色 ONU 技术有：光源频谱分割、自增益放射锁定的 FP 激光器，下行信号再调制技术，垂直光面发光激光器[1-4]。特别的，下行信号再调制的 WDM-PON 系统，利用下行传输（OLT 到 ONU）信号作为上行传输（ONU 到 OLT）载波，在实际中，获得广泛的应用。因为 Manchester 编码将逻辑‘1’和‘0’分别变为‘10’和‘01’。减少了由于‘1’和‘0’ 两个水准上的脉冲宽度不同导致光功率波动，进而提高系统性能[5]。当前，再调制的模式的 Manchester 编码，假定上行速率远低于下行速率，尽管在未来的升级网络中，上下行速率可能一致，但作者简介：唐君（1986-），男，硕士研究生，主要研究方向：光接入网. E-mail: jerry.tangj@gmail.com - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 异步数据传输在接入网中也将大量存在。为了降低网络成本，波长再利用技术成为高速上行传输和无户外光源网络有效的候选方案。本文中，提出了一种再调制的 WDM-PON 系统结构，提出了一种通过门电路构建 Manchester 编解码的方法；同时，分析了光纤色散对下行传输的影响；分析输入 RSOA 功率不同时，上行传输的误码率性能，从而得出最佳的输入功率；分析了下行分别采用 NRZ 编码和 Manchester 编码时，上行传输性能。 2 系统结构波分复用(WDM)是将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。波分复用技术的优点：传输容量大，可节约宝贵的光纤资源。对单波长光纤系统而言，收发一个信号需要使用一对光纤，而对于 WDM 系统，不管有多少个信号，整个复用系统只需要一对光纤。例如对于 16 个 2.5Gb/s 系统来说，单波长光纤系统需要 32 根光纤，而 WDM 系统仅需要 2 根光纤；网络扩容时不需要铺设更多的光纤，也不需要使用高速的网络部件，只需要换终端机和增加一个附加光波长就可以引入任意新业务或扩充容量，因此 WDM 技术是理想的扩容手段。为实现无色 ONU，采用了基于 RSOA 的再调制的 WDM-PON 结构，图 1 是 WDM-PON 系统示意图，在 CO 侧，不同的数据类型被调制到不同的波长，再通过波长复用送入光纤里进行传输，同时，利用光路回环接受 ONU 侧的数据。在 ONU 侧，经过解复用，分离出不同的波长，再将数据传给不同的用户，用户通过合路器件共用一个波长，实现 FTTx。图 1 WDM-PON 示意图图 2 显示的是 Manchester 编码情况下，波长再调制 WDM-PON 系统框图。下行传输由 Manchester 编码或 NRZ 编码的速率为 2.5Gb/s 的 PRBS 直接调制位于 OLT 侧激光器。 Manchester 编码的实现是通过 NRZ 和 RZ 码进行电域 NXOR 产生，同时为了解码，引入了时钟恢复。再通过激光驱动直接对激光器调制，激光器消光比为 10dB，输出光波长为 1550nm。在经过波分复用器后送入标准单模光纤（SSMF）传输，光纤的长度为 20km，每 - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 公里损耗为 0.2dB。经过解复用后，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，经过时钟恢复，解码，滤波等步骤，恢复传输数据。上行传输将 NRZ 编码的 PRBS 和 RSOA 的输出进行 DMZI 调制，经过复用后经过另一根 20km 长的 SSMF 传输,解复用后，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分别为 622Mb/s,1.25Gb/s 和 2.5Gb/s。图 2 再调制的 WDM-PON 系统结构这种网络结构突出优势在于保证了所有用户使用相同的 ONU，从而降低了网络成本，简化了用户终端的接入和维护。网络中使用的器件充分考虑了宽带化的特性，满足统一无色 ONU 的特性。 3 实验结果分析对系统性能的分析分为下行传输性能分析；输入 RSOA 功率对上行传输的影响；上行传输性能分析。进一步分析下行传输的眼图，分析了有无光纤时系统的眼图。在光通信中，眼图主要用于观察码间干扰和噪声对信号的影响。通过眼图高度，闭合程度等反映系统的误码性能。图 3 是下行传输眼图。（a）20km (b)back to back 图 3 下行传输眼图误码率是衡量系统性能的重要指标之一，光通信中的误码率性能主要受到色散的影响，色散主要有偏振色散，波导色散，模式色散。分析了色散对传输性能的影响。从图 4 可以看出，back to back 传输比经过 20km 光纤传输时功率余量增加了~1.5dBm，可以引入色散补偿的方法提高传输距离。为了适应未来高速接入网的要求，可以通过数据压缩，添加光功率放大器，电均衡技术等方法来提高速率[6]。比如使用 16QAM 调制，此时每四位二进制数表示一个状态，每个符 - 3 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 号时间传送 4bit 映射，这样就可以用原来速率的 1/4 实现同等速率的传输。极大地提高系统速率，同时，QAM 与其它调制技术相比，频谱利用率跟高，抗噪声性能更好，不过，使用此方法的调制，解调复杂，系统成本变高。 ) R E B ( g o l - 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 -26 -25 20km back to back -21 -20 -24 -23 -22 Received Power (dBm) 图 4 下行传输误码率 RSOA 作为再调制系统的关键器件，在上行传输中发挥了关键作用。影响 RSOA 性能的主要有：输入光功率，工作温度，接收端滤波器影响。RSOA 性能随着温度升高急剧下降，当温度超过 40℃时，增益和调制带宽持续降低，一般要对其实施温度控制[7]。图 5 显示的是 RSOA 输入功率不同时，上行信道的误码率曲线，此时，接收端使用了 WDM 滤波器。随着 RSOA 的输入功率降低，滤波器的功率代价升高。 ) R E B ( g o l - 4 5 6 7 8 9 10 11 12 -33 -5dBm -10dBm -20dBm -32 -31 -30 -28 Received Power (dBm) -29 -27 -26 -25 图 5 输入 RSOA 功率对上行传输的影响从图 5 可以看出，当输入 RSOA 功率分别为-5dBm 和-10dBm 时，其相对的接收功率差 - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 不到 1dBm，当输入功率减少到-20dBm 时，功率代价就变得很高了。当 RSOA 的输入功率是-5dBm 和-10dBm 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，减少网络成本。在接入网中，广泛采用的是异步方式传输，上行速率 < 下行速率，本实验测量了在 Manchester 和 NRZ 编码下，上行速率为 622Mb/s,1.25Gb/s,2.5Gb/s 时，上行传输的误码率，结合上文的测试结果，输入 RSOA 的功率设为-10dBm。此时位于 OLT 的接收端，采用普通的 PIN 检测，为了提高传输性能，还用到了低通高斯滤波器，滤波器的带宽为 0.75bit rate，结果如图 6 示。 ) R E B ( g o l - 5 6 7 8 9 10 11 12 -32 -30 -28 Manchester NRZ -22 -20 -18 -26 -24 Received Power (dBm) 图 6 上行传输误码率（○● 622Mb/s □■ 1.25Gb/s ▽▼ 2.5Gb/s）从图中看出，由于 Manchester 编码后，系统功率谱变得平坦，从而下行数据能更好的用于上行传输，比起 NRZ 编码，在上行速率为 622Mb/s 时，功率判决量提高了~2dBm；速率为 1.25Gb/s，相差和 2.5Gb/s，提高了~1dBm。 4 结论本文提出了一种再调制的 WDM-PON 结构，提出一种构造 Manchester 编码和解码的方法：利用门电路实现编码，通过时钟恢复，脉冲编码等实现解码。实验和分析了 Manchester 编码条件下系统下行传输的性能；分析了 Manchester 编码光功率谱特性：Manchester 编码后下行传输光功率波动较少，比起使用 NRZ 编码来，上行传输具有更大的功率余量，误码率性能更好；分析了输入 RSOA 功率对上行传输的影响，可以看出，输入 RSOA 功率为-5dBm 和-10dBm 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。通过分析得出：WDM-PON 能提高光接入网的速度，解决接入网到核心网之间的带宽瓶颈；使用再调制后能有效的降低 ONU 的复杂度，减少光接入网成本；Manchester 编码能有效的提高系统的接收光功率，实现高速可靠的传输。 - 5 -

中国科技论文在线参考文献 http://www.paper.edu.cn [1] M. D. Feuer, J.M.Wiesenfeld, J. S. Perino, C. A. Burrus, G. Raybon, S.C. Shunk, and N. K. Dutta. Single-port laser-amplifier modulators for local access. IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 8, no. 9. Sep. 1996. Page(s): 1175–1177 [2] W. R. Lee, S. H. Cho, J. Park, B. K. Kim, and B. Kim. Noise suppression of spectrum-sliced WDM-PON light sources using FP-LD. ETRI J, vol. 27,Jun. 2005. Page(s): 334–336 [3] W. Hung, C. Chan, L. Chen, and F. Tong.An optical network unit for WDM access networks with downstream DPSK and upstream remodulated OOK data using injection-locked FP laser. IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 15, no. 10, Oct. 2003. Page(s):1476–1478 [4] 方圆圆，寿国础，胡怡红.WDM - PON 无色 ONU 实现方法研究.光通信技术.2007 年第 1 期:4-6 [5] B.K. Kim, H. Park, S. Park and K. Kim.Optical access network scheme with downstream Manchester coding and upstream NRZ remodulation. IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS.VOL. 17, NO. 11.NOVEMBER 2005 [6] C. W. Chow, Member, IEEE, C. H. Yeh, C. H. Wang, Student Member, IEEE, F. Y. Shih, Student Member, IEEE, and S. Chi. Signal Remodulation of OFDM-QAM for Long Reach Carrier Distributed Passive Optical Networks. IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 21, NO. 11, JUNE 1, 2009 [7] K. Y. Cho, Y. Takushima, K. R. Oh*, and Y. C. Chung. Operating Wavelength Range of 1.25-Gb/s WDM PON Implemented by using Uncooled RRSOA_s. OFC/NFOEC 2008 - 6 -

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