基于调制格式的光纤通信论文

1.DPSK传输系统模型

在DPSK光纤通信系统中，发射机主要由差分编码器、激光源、MZ调制器组成，接收机则包括MZ干涉仪、平衡检测器和一个电低通滤波器，传输媒介由一段或多段光纤组成，在每个中继站有一个光放大器用来补偿光纤的传输损耗，本文使用前置补偿的方法。DPSK传输系统的模型如图1至3所示。DPSK调制码型为占空比为67%的RZ-DPSK（CSRZ-DPSK）码，原始信号用40Gb/s的伪随机二进制序列表示。系统工作波长为1550nm，传输距离为1200km，传输链路由15个环路段组成，每个环路段包括一段80km的单模光纤（SMF）和一段17km的色散补偿光纤（DCF），使色散得到完全补偿。SMF的前置掺饵光纤放大器（EDFA）用于补偿环路段的衰减，并规定SMF的入纤光功率为4dB，DCF的前置EDFA规定DCF的入纤光功率为0dB，EDFA的噪声指数为4dB，电滤波器为四阶低通滤波器，截止频谱为32GHz。

2.仿真结果分析

2.1调制格式的色散容限我们用眼图张开度代价衡量不同调制格式对色散效应的容限。测量调制格式的色散容限时，所采用的传输链路与图1稍有不同，只保留一段80km的SMF光纤，SMF光纤的参数设置中，去掉非线性效应和偏振模色散效应。保持光纤长度不变，通过改变SMF中色散系数的大小，测量接收信号的眼图和背靠背信号眼图，计算眼图张开度代价（EOP）。EOP与色散值关系曲线如图4所示。通过比较达到规定EOP时所允许的最大色散值，可对比图中四种调制格式的色散容限。由图4可以看出，在40Gb/s的单信道光传输系统中，各种调制格式的色散容限的上升趋势基本相同，达到2dB眼图张开度代价时，NRZ信号的色散容限最大，RZ-DPSK信号的色散容限最小。RZ格式相对于NRZ格式，其脉宽较小，频谱较宽，所以受色散效应的影响比NRZ大。CSRZ-DPSK的频谱宽度介于NRZ-DPSK和RZ-DPSK之间，所以它的色散容限高于RZ调制格式。由上面的仿真中知道，在传输系统中都必须考虑色散补偿，因为普通的SMF每公里的色散值为17ps/nm/km，不管使用哪种调制格式，不加色散补偿时，其传输距离只能限制在几公里内[3]。

2.2调制格式的非线性容限在高速光纤传输系统中，非线性效应会导致光纤传输特性的劣化，如信噪比降低，信号失真等。对于单信道系统，自相位调制（SPM）是最主要的非线性效应[4]。搭建一个类似图1结构的40Gb/s单信道光传输系统，传输距离为160km。在色散完全补偿（不考虑偏振模色散）的情况下，使用SMF和DCF前面的放大器规定其入纤功率。通过改变SMF的入纤光功率的大小（引起光纤非线性的大小变化），测量受其影响的接收信号眼图张开度，与背靠背眼图张开度比较，得到眼图张开度代价（EOP）。下图为传输距离为160km时，NRZ、NRZ-DPSK、33%RZ-DPSK和CSRZ-DPSK四种调制格式的眼图张开度代价随SMF入纤光功率大小的变化曲线。通过比较达到规定EOP时所允许的最大SMF入纤光功率，可对比图中四种调制格式的非线性容限。从图中可看出，在40Gb/s的单信道光传输系统中，达到2dB眼图张开度代价时，RZ-DPSK的非线性容限最大；其次是CSRZ-DPSK和NRZ-DPSK；NRZ的非线性容限最小。通过NRZ-DPSK与NRZ两者的对比，验证了DPSK的抗非线性性能比NRZ好；通过NRZ-DPSK与RZ-DPSK的对比，验证了RZ码型的抗非线性性能比NRZ码型好。DPSK的非线性容限较高，是因为DPSK调制格式利用相邻相位差来传递信息，在幅度上采用恒包络调制，对于自相位调制（SPM），恒包络调制每个码元功率均分，所以产生的非线性相移基本一致，在接收端相邻码元之间的相位差保持不变，所以SPM对DPSK调制格式的影响比较小[5]。

传输距离的增加会造成非线性效应的累积，导致信号恶化，误码率增高。特别是在长距离传输系统中，ASE噪声功率随着光放大器数目的增多而增大，G-M效应（非线性相位噪声）对传输信号的干扰也越来越大，降低了信号的最大传输距离。为了进一步验证DPSK格式和OOK格式的非线性容限，我们研究了各种调制格式的接收性能和传输距离的关系。从图中可以看出，在40Gb/s长距离传输中，RZ-DPSK的Q值最高，其次是CSRZ-DPSK和NRZ-DPSK，而NRZ最低。随着传输距离的增加，四种调制格式的接收性能都呈下降趋势，NRZ格式在800km时Q值已在5dB以下，因此在长距离传输当中一般不采用NRZ，而DPSK有较高的非线性容限，在长距离传输系统中明显比传统的强度调制格式有优势，因而得到了广泛的应用。在基于DPSK的调制格式中，RZ-DPSK具有较好的非线性容限，因而能更好地抑制非线性相位噪声的影响，所以能传输更远的距离。

3.结语

本文通过光通信仿真软件OptiSystem7.0搭建了一个40Gb/s单信道1200km的光传输系统模型，并对DPSK格式在长距离高速率系统中的抗非线性效应和抗色散能力两个方面来进行了仿真研究，验证了DPSK比OOK更适合于在长距离高速率系统的传输。具体表述如下：（1）在40Gb/s的高速率长距离传输系统中，DPSK比NRZ的色散容限小，而CSRZ-DPSK的色散容限接近NRZ，说明载波抑制的DPSK能提高DPSK的抗色散能力。不管使用哪种调制格式，传输系统都必须考虑色散补偿，因为普通的SMF每公里的色散值为17ps/nm/km，不加色散补偿时，其传输距离只能限制在几公里内。（2）在40Gb/s的高速传输系统中，DPSK的抗非线性效应的能力明显高于NRZ。主要原因：DPSK调制格式利用相邻相位差来传递信息，在幅度上采用恒包络调制，使得自相位调制（SPM）对DPSK信号的影响比较小；DPSK调制格式采用平衡接收机，对光信噪比的要求比OOK调制格式低3dB。

作者：何嘉贤单位：广东电网公司佛山供电局