光DQPSK調(diào)制在不同色散補(bǔ)償系統(tǒng)中的性能

王現(xiàn)彬，賈英茜，盧智嘉，王 超，李 寧

(1.石家莊學(xué)院電氣信息工程系，河北石家莊 050000;2.河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津 300401)

光DQPSK調(diào)制在不同色散補(bǔ)償系統(tǒng)中的性能

王現(xiàn)彬1，2，賈英茜1，盧智嘉1，王 超1，李 寧1

(1.石家莊學(xué)院電氣信息工程系，河北石家莊 050000;2.河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津 300401)

分析了光非歸零－差分正交相移鍵控(NRZ-DQPSK)、33%歸零－差分正交相移鍵控(33%RZ-DQPSK)和載波抑制歸零－差分正交相移鍵控(CSRZ-DQPSK)三種調(diào)制格式的頻域特性。并數(shù)字仿真了40Gbit/s的單信道光纖系統(tǒng)中三種調(diào)制格式在對(duì)色散(CD)進(jìn)行后補(bǔ)償、預(yù)補(bǔ)償和對(duì)稱補(bǔ)償?shù)热N補(bǔ)償方式及考慮偏振模色散(PMD)和非線性效應(yīng)情況下的傳輸性能。仿真結(jié)果表明，33%RZ-DQPSK對(duì)自相位調(diào)制(SPM)有最好的容忍度，但緩解PMD和CD的能力較弱;CSRZ-DQPSK在色散后補(bǔ)償方式中對(duì)PMD和非線性效應(yīng)具有最好的抑制能力。

調(diào)制格式;正交相移鍵控;色散補(bǔ)償;自相位調(diào)制;偏振模色散

1 引 言

在大容量波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)中，隨著單信道速率從10Gbit/s向40Gbit/s甚至更高速率過渡以及復(fù)用信道數(shù)的增加，色散(CD)、偏振模色散(PMD)和非線性效應(yīng)影響越來越嚴(yán)重。在這三種不利因素中，目前對(duì)色散補(bǔ)償研究的較為深入且補(bǔ)償效果較好。常用到的補(bǔ)償方式有初始預(yù)啁啾補(bǔ)償、微器件補(bǔ)償、中段頻譜翻轉(zhuǎn)補(bǔ)償和色散補(bǔ)償器件補(bǔ)償?shù)确椒ǎ?－3］。在色散補(bǔ)償器件進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ?，采用色散補(bǔ)償光纖(DCF)進(jìn)行色散補(bǔ)償是最實(shí)用的一項(xiàng)技術(shù)，該技術(shù)是通過DCF的負(fù)色散性能對(duì)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SSMF)的正色散進(jìn)行補(bǔ)償，通過該技術(shù)可以對(duì)現(xiàn)有光纖系統(tǒng)進(jìn)行平滑升級(jí)，并能節(jié)約系統(tǒng)成本。該補(bǔ)償方法有預(yù)補(bǔ)償、后補(bǔ)償和對(duì)稱補(bǔ)償三種補(bǔ)償方式。而對(duì)PMD和非線性效應(yīng)的補(bǔ)償近年來也一直是研究的熱點(diǎn)問題［4－6］。除了對(duì) CD、PMD和非線性進(jìn)行補(bǔ)償以外，另外一個(gè)研究熱點(diǎn)就是利用高階調(diào)制格式來抑制CD、PMD和非線性的作用。對(duì)于一般的高階調(diào)制格式，如 DQPSK、16QAM等調(diào)制格式，其頻譜效率較高，不但對(duì)CD有很好的抑制能力，對(duì)PMD和非線性也有很高的容忍度。故將兩者結(jié)合起來，在色散補(bǔ)償系統(tǒng)中研究高階調(diào)制格式的性能意義重大。本文首先分析了NRZ-DQPSK、33%RZ-DQPSK和CSRZ-DQPSK三種DQPSK調(diào)制格式的頻域特性，并在預(yù)補(bǔ)償、后補(bǔ)償和對(duì)稱補(bǔ)償三種色散補(bǔ)償光纖系統(tǒng)中，在考慮PMD和 SPM情況下，進(jìn)行了 NRZ-DQPSK、33%RZDQPSK和CSRZ-DQPSK三種調(diào)制格式的傳輸仿真，分析了三種調(diào)制格式在不同色散補(bǔ)償方式中的傳輸性能。結(jié)果表明，在考慮非線性和PMD情況下，CSRZ-DQPSK在色散后補(bǔ)償方式中具有最好的傳輸特性。

2 DQPSK三種調(diào)制格式頻域特性分析

CD會(huì)引起傳輸脈沖展寬，造成符號(hào)間干擾(ISI，inter-symbol interference)，增加誤碼率。而PMD在低速系統(tǒng)中幾乎可以忽略，但隨著系統(tǒng)速率的提高，PMD也會(huì)造成脈沖展寬，引起誤碼。非線性效應(yīng)是由光纖中的克爾效應(yīng)和受激散射引起的，對(duì)于非線性效應(yīng)，若入纖功率足夠低，可以忽略其影響，但這會(huì)造成系統(tǒng)信噪比的降低，惡化系統(tǒng)性能。故CD、PMD和非線性效應(yīng)是光纖通信中不可忽視、也是不能回避的問題。對(duì)單信道光纖通信系統(tǒng)而言，CD和非線性效應(yīng)的具體表現(xiàn)形式是GVD(群速度色散)和SPM(自相位調(diào)制)。通過對(duì)調(diào)制格式時(shí)頻域分析，結(jié)合CD、PMD和非線性效應(yīng)的影響，可以粗略分析調(diào)制格式對(duì)這三種限制因素的抑制能力和容忍度。圖 1給出了 NRZ-DQPSK、33%RZDQPSK和CSRZ-DQPSK三種調(diào)制格式的頻譜圖。在進(jìn)行頻譜仿真時(shí)所用的系統(tǒng)信息速率為80Gbit/s，載波為193.1THz的光波。在這種情況下三種調(diào)制格式的符號(hào)率為40G symbol/s，這是因?yàn)镈QPSK是一種4進(jìn)制調(diào)制格式，在DQPSK每個(gè)符號(hào)中含有2bits信息，故符號(hào)率是信息速率的一半。

圖1 三種DQPSK調(diào)制格式頻譜圖Fig.1 The spectrum of the three DQPSK modulation formats

由圖1可見，NRZ-DQPSK調(diào)制格式的頻譜主瓣寬度為20GHz，是其信息速率的1/4。NRZ-DQPSK調(diào)制格式占空比是100%，從時(shí)域角度看脈沖最寬，故其頻譜主瓣寬度是三種調(diào)制格式中最窄的。NRZ調(diào)制格式具有最大的能量，故受非線性影響較為嚴(yán)重，不適于長(zhǎng)距離傳輸，但與DQPSK相結(jié)合的NRZDQPSK調(diào)制格式由于其功率恒定，比其他低階調(diào)制格式(如二進(jìn)制NRZ-OOK調(diào)制格式)受非線性影響要小。33%RZ-DQPSK的時(shí)域脈沖最窄，故其頻譜主瓣最寬，占據(jù)了光信號(hào)頻譜的絕大部分能量，受CD和PMD影響最為嚴(yán)重。由于其時(shí)域脈沖最窄，故同NRZ-DQPSK和CSRZ-DQPSK相比，受非線性效應(yīng)影響最小。CSRZ-DQPSK調(diào)制格式既具有QPSK調(diào)制格式的性質(zhì)，又有CSRZ調(diào)制格式的特征，可以有效的抑制碼間干擾，故受PMD和CD影響較小，CSRZ-DQPSK調(diào)制格式的占空比為66.7%，故受非線性影響也比NRZ-DQPSK小。綜上所述，在綜合考慮CD、PMD和非線性等因素情況下，結(jié)合頻域特征可以粗略得出CSRZ-DQPSK具有最佳的傳輸特性。

3 系統(tǒng)仿真

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)置

在仿真中，采用了預(yù)補(bǔ)償、后補(bǔ)償和對(duì)稱補(bǔ)償三種色散補(bǔ)償方式。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所2所示。DQPSK調(diào)制格式有三種產(chǎn)生方式，分別為:馬赫－曾德爾調(diào)制器串聯(lián)形式，馬赫－曾德爾調(diào)制器并聯(lián)形式和單調(diào)制器形式［7］。本系統(tǒng)中采用并聯(lián)形式。其中第三個(gè)馬赫－曾德爾調(diào)制器實(shí)現(xiàn)不同占空比的DQPSK，而接收機(jī)采用平衡接收。

圖2 傳輸系統(tǒng)模型Fig.2 Themodel of the transmission system

3.2 系統(tǒng)仿真分析

圖3給出了NRZ-DQPSK調(diào)制格式在預(yù)補(bǔ)償、后補(bǔ)償和對(duì)稱補(bǔ)償方式中Q值隨輸入功率變化情況。在仿真系統(tǒng)中對(duì)色散進(jìn)行了完全補(bǔ)償，由于是單信道系統(tǒng)，非線性效應(yīng)只考慮SPM。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，在這三種補(bǔ)償方式中，后補(bǔ)償方式整體效果較好，預(yù)補(bǔ)償方式性能最差。當(dāng)入射功率較小時(shí)，非線性作用不太明顯，此時(shí)誤碼率主要是由系統(tǒng)及EDFA噪聲引起的。隨著入射功率的增大，系統(tǒng)信噪比逐漸上升，故Q值隨輸入功率變大。輸入功率達(dá)到一定值后，非線性效應(yīng)開始加強(qiáng)，而此時(shí)增加的系統(tǒng)信噪比已經(jīng)無法彌補(bǔ)由非線性產(chǎn)生的影響，故Q值下降，誤碼率上升。通過圖3可以看出，NRZDQPSK調(diào)制格式在三中補(bǔ)償方式中都是從輸入功率為8dBm時(shí)Q值開始值下降。當(dāng)入射功率小于8 dBm時(shí)，對(duì)稱補(bǔ)償和后補(bǔ)償方式傳輸性能相當(dāng)，入射功率大于8 dBm后，NRZ-DQPSK在對(duì)稱補(bǔ)償系統(tǒng)中的性能急劇下降。而后補(bǔ)償方式一直到12 dBm后，性能才開始變差。這表明NRZ-DQPSK調(diào)制格式在色散后補(bǔ)償系統(tǒng)中有更大的非線性容忍度。

圖4給出了CSRZ-DQPSK在預(yù)補(bǔ)償、后補(bǔ)償和對(duì)稱補(bǔ)償三種色散補(bǔ)償方式中Q值與輸入光功率對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，同其他兩種補(bǔ)償方式相比，在后補(bǔ)償方式中，CSRZ-DQPSK具有最好傳輸特性。預(yù)補(bǔ)償和對(duì)稱補(bǔ)償方式中，CSRZ-DQPSK調(diào)制格式在輸入功率為10dBm時(shí)Q值開始減小，這明顯要高于NRZ-DQPSK的8dBm。而后補(bǔ)償方式中，Q值從12dBm才開始減小。將圖3和圖4對(duì)比可以看出，CSRZ-DQPSK在三種補(bǔ)償方式中整體比NRZ-DQPSK調(diào)制格式的Q值要高，即抗非線性能力要強(qiáng)。

圖5給出的是33%RZ-DQPSK在三種色散補(bǔ)償方式中Q值隨輸入功率變化關(guān)系。從圖5可以看出，在這三種補(bǔ)償方式中，當(dāng)入射功率小于12 dBm時(shí)，對(duì)稱補(bǔ)償和預(yù)補(bǔ)償方式性能較好，而入射功率大于12 dBm后，這兩種補(bǔ)償方式性能都開始惡化，相反，后補(bǔ)償方式的系統(tǒng)Q值隨入射功率繼續(xù)變大，直到入射功率大于16 dBm后，Q值才開始下降。這更充分說明了33%RZ-DQPSK調(diào)制格式在后補(bǔ)償方式中性能最佳。對(duì)比圖3、圖4、圖5可知，33%RZ-DQPSK不管在哪種色散補(bǔ)償方式中，都比NRZ-DQPSK和CSRZDQPSK調(diào)制格式的非線性容忍度大。這正是由33% RZ-DQPSK的時(shí)域和頻域特征決定的。

圖5 33%RZ-DQPSK在三種色散補(bǔ)償方式中Q值隨輸入功率變化關(guān)系Fig.5 The Q value of33%RZ-DQPSK as a function of input power in the three types of dispersion compensation systems

通過分析圖3、圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，在預(yù)補(bǔ)償、后補(bǔ)償和對(duì)稱補(bǔ)償三種色散補(bǔ)償方式中，NRZDQPSK、33%RZ-DQPSK和CSRZ-DQPSK在后補(bǔ)償方式中具有最好的傳輸特性，且對(duì)非線性容忍度最大。在對(duì)CD進(jìn)行后補(bǔ)償及只考慮SPM情況下，33%RZ-DQPSK具有最好的非線性容忍度。上述分析中不管哪種調(diào)制格式、哪種補(bǔ)償方式，都存在一個(gè)最佳入射功率，在這個(gè)入射功率下，系統(tǒng)可以達(dá)到最大的信噪比。上述分析中也都忽略了PMD的作用。

圖6 考慮PMD和非線性情況且三種調(diào)制格式在最佳入射功率下，在后補(bǔ)償方式中殘余色散與誤碼率對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.6 Considering the PMD and nonlinear effect，the BER of the three modulation formats as a function of GVD in the best input power

圖6給出了NRZ-DQPSK、33%RZ-DQPSK和CSRZ-DQPSK三種調(diào)制格式在各自的最佳入射功率下及傳輸性能最好的后補(bǔ)償方式中，并考慮PMD后，誤碼率(BER)隨殘留GVD的變化曲線。從圖上可以看出，在這三種調(diào)制格式中，CSRZ-DQPSK調(diào)制格式具有更小的誤碼率。且當(dāng)色散完全補(bǔ)償后，誤碼率最低，33%RZ-DQPSK次之，NRZ-DQPSK性能最差。這說明在綜合考慮色散、非線性和PMD后，CSRZ-DQPSK調(diào)制格式在色散后補(bǔ)償系統(tǒng)具有最好的傳輸特性，其抑制非線性和PMD能力最強(qiáng)。

4 結(jié)論

文章首先分析了NRZ-DQPSK、33%RZ-DQPSK和CSRZ-DQPSK三種調(diào)制格式的頻域特性。隨后數(shù)字仿真了三種調(diào)制格式在對(duì)色散進(jìn)行后補(bǔ)償、預(yù)補(bǔ)償和對(duì)稱補(bǔ)償?shù)热N補(bǔ)償方式及考慮PMD和非線性效應(yīng)情況下的傳輸性能。仿真結(jié)果表明，33% RZ-DQPSK對(duì)SPM有最好的容忍度，但緩解PMD和非線性效應(yīng)影響的能力較弱，CSRZ-DQPSK在色散后補(bǔ)償方式中對(duì)PMD和非線性效應(yīng)具有最好的抑制能力。故CSRZ-DQPSK是未來大容量、長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)中最具優(yōu)勢(shì)的調(diào)制格式。

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Performance analysis of optical DQPSK modulation formats in different dispersion compensation systems

WANG Xian-bin1，2，JIA Ying-qian1，LU Zhi-Jia1，WANG Chao1，LINing1
(1.School of Information Engineering，Shijiazhuang University，Shijiazhuang 050000，China;
2.School of Information Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China)

The frequency domain characteristics of the optical Not-Return to Zero-Differential Quadrature Phase-Shift Key(NRZ-DQPSK)，33%Return to Zero-DQPSK(33%RZ-DQPSK)and Carried Suppressed Return to Zero-DQPSK (CSRZ-DQPSK)modulation formats is analyzed.Considering the polarization mode dispersion(PMD)and nonlinear effect(self-phasemodulation)，the transmission performance of the threemodulation formats is simulated in the predispersion，post-dispersion and symmetrical-dispersion compensation systems in a 40Gbit/s single-channel optical fiber communication system.Simulation results show that the 33%RZ-DQPSK is good at tolerance of the self-phase modulation(SPM)butweak in the remission of PMD and CD.The CSRZ-DQPSK has the best ability to inhibit the PMD and nonlinear effect in the post-dispersion compensation system.

modulation formats;differential quadrature phase shift keying;chromatic dispersion compensation;selfphasemodulation;polarizationmode dispersion

TN929.11

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.01.018

1001-5078(2014)01-0080-04

河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目(No.F2013106079);石家莊市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展指導(dǎo)計(jì)劃基金項(xiàng)目(No.11113481);石家莊學(xué)院校級(jí)科研平臺(tái)項(xiàng)目(No.XJPT002)資助。

王現(xiàn)彬(1981－)，男，講師，博士，主要從事光通信技術(shù)和信號(hào)處理研究。E-mail:wswxb8@163.com

2013-06-09