基于D8PSK/IRZ正交調制的光標記系統(tǒng)?

劉皎 黨楠

1 引言

光標記交換技術作為光分組交換網絡的一種有效實現方式［1～4］，綜合了電信號處理的靈活性和光信號交換的大粒度特點，可以在光傳輸網的交換節(jié)點上根據光標記來實現數據的全光交換，不再需要依靠光-電-光轉換來實現信號交換，克服了交換節(jié)點的電子瓶頸問題，提高了交換容量與速率，并且充分利用了全光網絡資源［5～8］。隨著光標記交換技術的發(fā)展，衍生出了正交光標記技術［9～11］。該技術基于正交調制格式，利用同一光載波的不同分量分別承載標記與載荷信息，因而只占用同一信道同一時隙?，F有正交光標記交換技術的實現方案主要是利用較為成熟的傳統(tǒng)二進制調制格式的兩兩組合來分別調制標記與載荷信息，諸如ASK/DPSK正交光標記、FSK/ASK正交光標記［12］等方式。這些正交調制方案在一定程度上提高了頻譜效率，也廣泛地應用在了光標記交換系統(tǒng)中。本文提出了一種采用差分八相移鍵控（D8PSK）調制格式進行載荷調制，反轉歸零碼（IRZ）進行標記調制的正交光標記方案，其系統(tǒng)容量相較于傳統(tǒng)的二級制系統(tǒng)提升了3倍。

2 D8PSK/IRZ的調制與解調原理

D8PSK調制具有更窄的頻譜寬度，頻譜效率更高［13］。與ASK調制方式相比較，由于D8PSK采用差分相干解調方式，在達到相同的誤碼率時，D8PSK信號接收機對光信噪比的容忍度能夠提升3 dB，并具有較高的色散容忍度，因而是高速率大容量光通信系統(tǒng)的一種理想調制格式，但其在光標記系統(tǒng)中的應用卻還比較少。而光域IRZ碼在每個比特周期內，都含有光功率［14～16］，因而在同一比特周期內所包含的相位信息或者頻率信息都可以很好地被保留，使得正交信號對調制消光比的敏感度降低，適用于基于正交調制格式的光標記調制。

2.1 D8PSK/IRZ正交信號的調制與解調原理

差分八相移鍵控/反轉歸零碼（D8PSK/IRZ）正交調制框圖如圖1所示，二進制序列1首先通過串并轉換變?yōu)槿凡⑿行盘朼、b、c，再對這三路信號進行差分預編碼。其差分編碼規(guī)則如下：

其中，a、b、c表示輸入的信號序列，Ιk、Qk、Dk表示此刻輸出的信號序列，Ik-1、Qk-1、Dk-1表示前一時刻的輸出信號序列。

圖1 D8PSK/IRZ正交調制框圖

將編碼輸出后的三路信號I、Q、D，分別加載到相移依次為π、π/2、π/4的相位調制器（PM）上。經PM調制后的信號將攜帶8個不同的相位值，實現了信號的D8PSK調制過程。差分編碼后的驅動信號與輸出的D8PSK信號相位的關系如表1所示。

表1 編碼后的三路信號與調制器輸出信號相位關系表

設光載波經D8PSK調制之后的時域表達式為

其中 ||E0為光載波振幅，ω為光載波角頻率，φ為光載波相位，θi為加載到光載波上的八個不同相位值，π/4，i=1，2…，8。

將待調制的二進制序列2與速率為其二倍的時鐘信號進行邏輯與運算，產生歸零碼（RZ）信號，并將其加載至雙臂馬赫增德爾調制器（MZM）的兩臂。MZM上臂的調制電壓與偏置電壓均為vπ/2（vπ為調制器的開關驅動電壓），下臂的調制電壓為 -vπ/2，無偏置，這樣就形成了光域的IRZ碼。IRZ信號的時域產生過程如圖2所示，從圖2中我們可以看到IRZ信號在每個比特周期內均含有光功率，因而在信號解調時，加載在信號其它參量上的信息可以被解調出來而不受調制消光比的限制。MZM的光輸入端口接入D8PSK信號，采用IRZ調制方式將輸入的二進制序列信息加載到D8PSK光信號的振幅上，完成D8PSK信號與IRZ信號的正交調制。

圖2 光域反轉歸零碼的時域產生過程

設調制完成的正交信號時域表達式為

其中A(t)為加載到光載波上的振幅信息。

vbias為MZM的偏置電壓，vin為MZM的輸入電壓。A(t)由輸入的二進制序列決定，當輸入碼元為“1”時，光載波的振幅會在一個比特周期內發(fā)生高低電平的一次跳變；當輸入碼元為“0”時，光載波的振幅在一個比特周期內都位于高電平，這里的高低電平由IRZ信號的調制消光比來決定，但由于在每個比特周期內，IRZ信號都含有光功率，因此高的調制消光比使得載波的相位信息并未完全損耗。

2.2 D8PSK/IRZ正交信號的解調

由于正交調制格式的不同分量之間可以分別通過各自的接收機來解調出相應信息，且此方案中使用的是對調制消光比不敏感的IRZ調制方式，幅度調制對于相位信息影響不大，因此D8PSK/IRZ正交信號的解調可以分別通過IRZ信號解調器與D8PSK信號解調器來解調出相應信息。

IRZ信號解調器采用的是直接探測的方式來進行信號的解調。首先利用光電探測器將光振幅信息轉化為電幅度信息，再通過帶通濾波器將其濾波整形為電域NRZ信號，其幅度與調制前的二進制序列信息相反，因此需要加一個反相器以解調出所需要的幅度信息。由于探測器探測到的只有光信號的振幅，即IIRZ= ||Eout，其與正交信號里所包含的相位信息無關，因此采用IRZ信號解調器可以解調出正交信號中攜帶的振幅信息。

D8PSK信號解調器的原理如圖3所示。在不考慮噪聲影響的背靠背系統(tǒng)中，則解調器接收端輸入信號Ein=Eout。

圖3 D8PSK信號的解調原理框圖

圖3 中首先將接收到的正交信號通過3dB耦合器分為兩路進入上下兩個馬赫增德爾干涉儀（MZI）中作光域的相干解調。以上支路為例，MZI干涉儀輸出信號Ea1、Ea2的時域信號可表示為

其中，φ1為此刻信號的相位，由此刻的輸出信號Ιk、Qk、Dk決定；φ2為前一時刻信號相位，由前一時刻輸出信號Ιk-1、Qk-1、Dk-1決定，其邏輯關系由表1所示。

經MZI干涉儀解調之后的信號采用光電探測器進行直接探測，光電檢測器將干涉儀輸出的光信號轉化為攜帶光強度信息的電信號，其表達式為

對Ia1、Ia2兩路信號進行減法判決，判決電平為零電平。當Ia1-Ia2大于零電平時，輸出為‘1’，當Ia1-Ia2小于零電平時輸出為‘0’，該路判決輸出即為a路信號。同理可以判決得到b、c兩路信號。從（9）、（10）兩式中可以看到，承載IRZ信息的變量A(t)在同一時刻，在電信號Ia1和Ia2中是相同的，也就是說正交信號中所攜帶的幅度信息對于D8PSK相位信號的解調并無影響，因而可以通過D8PSK解調器將正交信號中所攜帶的相位信息解調出來。

3 基于D8PSK/IRZ的正交光標記方案

基于D8PSK/IRZ正交調制的光標記系統(tǒng)結構，如圖4所示。該系統(tǒng)由邊緣路由器模塊、傳輸模塊以及目的節(jié)點模塊組成。在該系統(tǒng)的邊緣路由器中，載荷信號先經串并轉換變?yōu)槿返退傩盘?，再以D8PSK的調制方式加載到光載波的相位上。標記信號通過IRZ調制方式將其加載到光載波的振幅上。完成D8PSK/IRZ正交調制之后的光載波經傳輸鏈路傳送至目的節(jié)點。該傳輸鏈路由摻鉺光纖放大器（EDFA）、單模光纖（SMF）、色散補償光纖（DCF）構成。在目的節(jié)點中將接收到的信號分為兩路分別進入IRZ信號解調器與D8PSK信號解調器中，解調出相應的載荷信息與標記信息。

圖4 基于D8PSK/IRZ正交調制的光標記系統(tǒng)仿真模型

4 系統(tǒng)仿真及分析

基于上述研究方案，搭建了D8PSK/IRZ正交調制格式光標記系統(tǒng)的邊緣節(jié)點仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)的參數設定：載荷速率為120 Gbit/s，則經串并轉換后各支路速率為40Gbit/s；D8PSK調制模塊中的三個相位調制器相移依次為π、π/2、π/4；IRZ調制模塊中標記速率為10 Gbit/s，MZ調制器調制消光比為9dB，MZ調制器的上臂調制電壓與偏置電壓均為 vπ/2（vπ=5V），下臂的調制電壓為-vπ/2，無偏置；光纖傳輸鏈路的長度為100 km，其中，單模光纖長度為83 km，色散補償光纖長度為17km，EDFA的總增益為25dB。

仿真系統(tǒng)中D8PSK信號與IRZ信號正交前后，光載波所攜帶的相位信息對比如圖5所示。從圖5中可以看到，IRZ調制對于載波所攜帶的相位信息并無影響，因而接收機可以有效地解調出D8PSK信號所攜帶的相位信息。傳輸速率為120 Gbit/s的D8PSK/IRZ正交信號的頻譜如圖6（a）所示。相同比特速率下的DPSK/ASK正交信號的頻譜如圖6（b）所示。從圖6中可以看到D8PSK/IRZ信號的主瓣頻譜僅為DPSK/ASK信號主瓣頻譜的1/3，因而有效地提高了頻譜利用率。

圖5 正交前后載波所攜帶的相位信息

在系統(tǒng)的接收端，將接收到的D8PSK/IRZ正交信號經耦合器分為兩路分別進入相位解調器與幅度解調器，解調后所得信號眼圖如圖7所示。從圖7中可以看到載荷信號與標記信號的眼圖睜開度都很大，可以很好地解調出相位與振幅信息，使得該方案的可行性得到了驗證。

圖6 D8PSK/IRZ正交信號與DPSK/ASK正交信號的頻譜

圖7 檢測到的IRZ信號與D8PSK的I路信號眼圖

圖8 消光比對D8PSK/IRZ信號及DPSK/ASK信號的影響曲線圖

D8PSK/IRZ正交調制方式的最大優(yōu)勢在于其調制消光比比傳統(tǒng)的正交調制格式要高很多，因此我們對DPSK/ASK正交信號和D8PSK/IRZ正交信號與調制消光比的關系作了對比，其關系曲線圖如圖8所示。從圖8中我們可以看到，當達到各自系統(tǒng)最佳性能時，D8PSK/IRZ正交信號的調制消光比要比DPSK/ASK信號高約7個dB，并且其誤碼率也要更低，在最佳消光比時的誤碼率可以達到10-9左右。

5 結語

本文提出了D8PSK/IRZ正交調制的光標記方案，該調制方式的最大優(yōu)勢在于其調制消光比比傳統(tǒng)的正交調制格式要高很多，且在其最佳消光比時的誤碼率要小得多。通過仿真驗證了載荷速率為120 Gbit/s，標記速率為10 Gbit/s的D8PSK/IRZ信號的百公里傳輸，在提升了系統(tǒng)容量的同時能獲得較好的接收信號眼圖。該系統(tǒng)可靠性好、頻率利用率高，能夠很好地適應高速光傳輸系統(tǒng)。

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