基于碼型調制技術的光纖通信論文范文

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1碼型調制技術概述

1.1通過設計Mach-Zehnder調制器的偏置電壓可以產生強度和相位調制信號及RZ信號。其工作原理是利用兩個平行偏振的調相波合成實現調制功能[2]，其結構如圖1所示。在LiNbO3襯底上制造一對平行的條形波導，波導兩端各連接一個分支波導，構成調制臂，條形波導的中間和兩側各有一對表面電極。輸入的光信號分成兩束，分別進入Mach-Zehnder調制器的兩個調制臂，對兩個調制臂施加電壓后，波導的折射率隨電壓大小而變化，引起附加相移，使得兩束光在輸出端發生干涉。通過控制施加在調制臂上的電壓大小即可實現對光信號的調制。Mach-Zehnder調制器的調制公式如下。式中，Vπ代表調制器工作時光強由最大變為最小所需的開關電壓，又稱為半波電壓。

1.2NRZ碼與RZ碼光信號的碼型分為非歸零碼和歸零碼2種。NRZ是占空比為100%的碼型，通過對半導體激光器的外調制或直接調制即可產生NRZ碼，實現簡單。但NRZ碼受光纖非線性效應的影響較大，帶寬受器件特性的限制，在接收端容易出現誤碼，僅適于在低速率、短距離的系統中使用。目前，NRZ在光接入網和城域網中應用較為廣泛。NRZ碼的產生過程如圖2所示。RZ碼是指占空比小于100%的碼型，與NRZ碼相比，具有更大的非線性容忍度。根據占空比的不同，RZ碼型又可以分為占空比為33%的RZ33、占空比為50%的RZ50及占空比為67%的RZ67。RZ67信號由于抑制了載波，又稱載波抑制的歸零碼（CSRZ：carrier-suppressedreturn-to-zero）。目前，有兩種方法產生RZ信號：一種是通過對歸零脈沖源與信號的同步來產生RZ信號；另一種是產生NRZ信號后對其進行切割。第二種方法成本較低，且能夠產生各種占空比的歸零信號，因而應用較為廣泛。RZ碼由于信號占空比小，脈寬窄，在高速時分復用系統中有很大的優勢。圖3是RZ碼的產生過程。NRZ碼頻譜寬度較窄，適用于WDM系統。RZ碼在一個比特周期內的脈沖寬度較窄，平均光功率低，因而受非線性效應的影響較小，另外對偏振模色散（PMD：polarizationmodedispersion）的容忍度較好，適用于長距離傳輸系統。

2強度調制技術

強度調制技術采用光信號的振幅作為調制對象，即用有光信號通過代表二進制碼元‘1’，無光信號通過代表二進制碼元‘0’，因此又稱為開關鍵控（OOK：on-offkeying）調制格式。在發射端，通過強度調制器將電數據信號加載到光載波上，形成強度調制信號。OOK信號有2種生方案：1）采用內調制技術，利用電信號改變激光二極管的注入電流來實現有無光信號的輸出，生成‘0’碼和‘1’碼。2）采用外調制技術，利用電吸收調制器或Mach-Zehnder調制器產生強度調制信號。在接收端，采用直接檢測的方案，利用光電探測器將光信號轉變成電信號進行抽樣判決。設定判決閾值為‘1’碼光信號強度的一半，抽樣時刻電信號強度大于閾值則判為‘1’碼，否則判為‘0’碼，從而還原出數據信號。

3相位調制技術

相位調制技術通過調制器將所需要傳輸的電數據信號調制到光載波的相位上，即用0相位代表二進制碼元‘0’，用π相位代表二進制碼元‘1’，‘0’碼和‘1’碼信號的強度相同。在接收端，通過Mach-Zehnder延遲干涉儀將相位信號轉變為強度信號進行解調。相位調制技術在接收端普遍采用平衡檢測的方式，接收機靈敏度相比強度調制信號提高了一倍，因此相位調制信號可以傳輸更遠的距離。同時，由于接收機判決的閾值電平為零，與接收機輸入的光功率無關，因而相位調制信號相比強度調制信號而言，對光功率的變化具有更高的容忍度。此外，由于光功率均勻分布在相位調制信號的每個比特中，因而使得碼間串擾所導致的信號失真大大降低。這些優點，使得它在抗噪聲方面優于強度調制信號，已逐步取代強度調制信號成為光纖通信系統的主要調制格式。在相位調制格式中，目前應用較廣泛的是DPSK和DQPSK，實驗室中已經產生了D8PSK信號。

3.1DPSK調制格式DPSK是差分編碼的相位調制格式，它利用相鄰碼元之間的相位變化{0，π}來對載波信號進行調制。若數字信息為“0”，則前后碼元的相位保持不變，；若為“1”則前后碼元之間的相位差為π。電數據信號首先經過差分預編碼再進行相位調制。DPSK信號的發射機和接收機結構如圖4所示。在發射端，電數據信號首先經過差分預編碼后加載到調制器，將激光器射出的光信號調制成具有0、π相位的信號，式①是調制后的DPSK信號表達式，其中，是預編碼后的電信號：①在接收端，采用Mach-Zehnder延遲干涉儀將相位信號變成強度信號解調，延遲干涉儀的延遲時間設為一個比特周期。干涉相加和干涉相減的兩路光信號，在平衡探測器中轉變成電信號并相減，消去一部分噪聲。最后經抽樣判決，恢復出輸入的數據信號。與強度調制信號不同的是，相位調制信號的判決閾值為0，即無論進入判決器的電信號強度是多少，閾值始終不變，降低了光信號強度擾動對接收機的影響。與OOK信號相比，DPSK具有相同的比特率，但接收端卻提高了3dB的靈敏度，在相同的輸入功率下可以傳輸更遠的距離。

3.2DQPSK調制格式DPSK調制格式中每個符號僅能攜帶一個比特，近年來，DQPSK調制格式由于有2bit的容量而逐漸成為研究的熱點，并開始被商用。DQPSK又稱為差分正交相位調制。與DPSK一樣，DQPSK也是差分編碼的相位調制格式，它用相鄰碼元之間的相位差承載信息，每一種相位代表2bit的信息。DQPSK系統如圖5所示。輸入的電數據信號首先經過串并變換，變成兩路電信號，這兩路電信號經過差分預編碼，加載到DQPSK調制器的兩臂，將光信號調制成具有上述4種相位的信號。在接收端，采用兩個Mach-Zehnder延遲干涉儀將相位信號變成強度信號，再由兩個平衡探測器得到兩路電信號進行抽樣判決。判決后的兩路信號經并串變換后恢復出輸入數據。與OOK、DPSK等調制格式相比，DQPSK調制格式具有較窄的頻譜寬度和較高的頻譜利用率。研究表明，DQPSK信號對光纖的色度色散、非線性及偏振模色散等具有較大的容忍度。

3.3D8PSK調制格式D8PSK也是差分編碼的相位調制格式，它利用相鄰符號間的相位差。D8PSK信號的發射機和接收機結構如圖6所示。D8PSK信號可以通過在DQPSK調制器后再級聯一個制深度為π/4的相位調制器產生。將預編碼后的兩路信號分別加載到并聯的兩個Mach-Zehnder調制器上，另一路信號延遲1bit后加載到π/4的相位調制器上。在接收端，需要4個Mach-Zehnder延遲干涉儀和4個平衡探測器。將延遲干涉儀的相位延遲分別設定為，前兩個延遲干涉儀輸出的信號經判決后得到兩路信號，后兩個延遲干涉儀輸出的信號經判決后進行異或得到第三路信號。D8PSK調制格式與DPSK、DQPSK相比，具有更高的比特/符號率，同時非線性效應和PMD的容忍度更高。但由于預編碼及調制解調方案相對復雜，目前還處于實驗階段。

4結束語

本文介紹了光纖通信系統中的碼型調制技術，包括強度調制和相位調制。重點闡述DPSK、DQPSK及D8PSK調制格式的原理和性能。隨著光網絡容量和速率的越來越高，傳統的OOK調制格式已經較難滿足需求，而新型PSK、DQPSK、D8PSK等相位調制格式由于其頻譜效率高，抗噪聲能力強，對光纖的色度色散、非線性及偏振模色散容忍度高，而逐漸成為通信網絡中的主要調制格式。

作者：暢健單位：西安市地下鐵道有限責任公司