ch6-光纤数字信号传输技术

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2013/10/16,#,第六,章,光纤数字信,号传输技术,1,几句话,一个完整的传输方案包括如下几个方面,客户侧,接,口技术,1,3,2,封,装映射技术,线,路传输技术,复,用,MUX,解复用,DEMUX,再生,本章讲述的是光纤线路,/,链路,/,信道的传输技术,2,几句话,传输技术：充,分利,用信,道的传输能力，使信息得到可靠传输的技术,。,传输技术典型的包括：信道编码，调制和检测，复用,/,解复用，分集接收，信道均衡等几方面。,光纤，由于其,优,异的信道性能（和其它信道相比），在相当长的时间里，其传输技术主要集中和调制,-,检测相关的研究上：,光纤的带宽很宽，当单纤传输,10Gbps,为发展方向的时候，普遍采用最简单的,NRZ(,非归零码,),调制、强度检测技术,(DM-ID),，限制,10Gbps,传输性能的是光纤的色散（目前,3G,以,下的传输技术）。,随,着通信容量的增加，,40Gbps,传输技术逐步成为主流，光纤非线性的影响逐步显现，为了增加色散、非线性容限，光纤通信开始重视光的调制格式（,4G,可,能的传输技术）。,100Gbps,已成为必然，,100Gbps,的技术方向,40Gbps,以上光器件制造的困难，提高频谱效率成为光纤通信发展的方向，与频谱效率相关的高阶调制格式,-,相干检测技术开始成为主流。,3,几句话,复,用技,术随着单信道速率的提高而发展：,由,于光电子器件带宽受限，为了获得大容量的传输，波分复用技术,(WDM),被提出并得到广泛应用。,(2.5Gbps/,波长,波,长,=10Gbps,，,90,年代的领先技,术,),随着色散、非线性控制技术、光电子器件的发展，密集波分复用,(DWDM),成为主流复用技术。（,10Gbps/,波长,40,波,长,=400Gbps,，,2000,年左右；,40Gbps,/,波长,40,波长,=1.6Tbps,，,2005,年左右,),为提供频谱利用率，偏,振复用,+,DWDM,成为复用主流。,(,40Gbps/,波长,40,波,长,2,偏振方向,=3.2Tbps),随,着研究的深入，人们突然发现：光纤容量其实是有限的；容量主要受限于光纤的非线性。,在非线性香浓理论下，单根光纤的传输容量大概在,200Tbps,左右。,4,几句话,光,纤通信容量如何突破？目前研究的热点：,少模多芯光纤通信,基于轨道角动量的通信,光,纤通信的发展主要用容量,距离积来衡量。虽然对于无线回传网而言，传输距离不是个问题（目前,1.6Tbps,传输,3000km-,我国公司都具有的能力）；但如果从光纤通信这个大方向的角度来看，海底通信需要更长的距离。,编,码技术，非线性、色散、,PMD,均衡技术，再生技术等等。,本章,主要讲述调制,-,检测及复用。简要介绍一下目前的研究热点。,-,分集接收及其相应的信号处理,5,主要内容,光调制技术,光复用技术,6,调制格式：,NRZ,调制格式,光纤通信,中,，,NRZ,调,制被广泛使用,。,NRZ,（,No Return Zero,非归零码,，严格地说，是单极性非归零码,）,一,种二进制信息的编码，用两种不同的光功率分别表示“,1”,和“,0”,。,码脉冲之间无间隔,NRZ-OOK,光信号的产生非常简单：,低速率可以采用直接调制；高速率采用外调制。,外调制时，调制器可以是,MZM,、也可以是,EAM,。,将电,OOK,信号（,传输速率为,R,b,）输入到调制器上，就 可以将电,OOK,信号转化为相同速率的,OOK,光信号。每,个“,1,”的光脉冲宽度都等于传输速率的倒数。,7,基于,NRZ,调制方式的,40Gb/s,光纤系统性,能,1550nm,激光器,+40GHz,带宽的,MZM,，就可以产生,40Gbps NRZ,光信号。该信号在,G.652 SSMF,中传输的性能如下：,发射机输出眼图,经过,2Km,光纤,的,眼,图,经过,5Km,光纤,的眼,图,经,过,8Km,光纤,的,眼,图,需要指出的是：,2.5Gbps NRZ,调制，,1000km,光纤传输，都可以获得很好的传输性能。,光纤色散补偿后，传输,10Km,的眼图,8,NRZ,调制格,式的特点,NRZ,光,信,号好的一面：,较,紧凑的频谱特性（功率谱主瓣宽度为,2R,b,）；,调,制和解调结构简,单；,广,泛使用于,155Mbps/622Mbps/2.5Gbps/10Gbps,系统；,在部,分,40Gbps,系,统中获得,了应,用,。,通,过色散管理和终端可调色散补偿技术，,NRZ,调制格式,在中短传,输距离普通模光,纤中可获得良,好的光传输性能。,NRZ,光信号不好的一面：,对,于,残余色,散,的,要,求比较苛刻。,NRZ,码传,输的不同码型需要不同的最佳,残余色散，以抵抗光纤非线性的影响。,这也是限制其长距离传输的一个主要原因。,9,NRZ,调制格式的特,点：定性分析,单独一个“,1,”,NRZ,光信号和连,续的“,1,”,NRZ,光,信号相比，其自,相位调制,(SPM,),效应严重。,SPM,等,价于一个信,号的频,率啁,啾；,因此它将改,变系统中色散补偿的最佳值,。,单,个“,1,” 与,连续“,1,”色,散补偿最佳值,的差异，使,得,系统对残余色散进行最,优化变为不可,能；并且系,统容易,受光纤其,它,非,线性干扰的影响,。,当,传,输信道数,目较,多,(WDM/DWDM),并,且传输距离较远的时候，光纤非线性效应将导致,NRZ,码光信号严重失真,。,所,以，当传输速率高达,40Gbps,时，必须采用新的调制格式。,10,调制格式：,NRZ-DPSK,调,制格式,为了解决非线性问题，提出了基于,NRZ,的光相位调制技术。一种典型的方式是,NRZ-DPSK,。,相,位调制光信号，有连续的光输出，,SPM,和,XPM,产生不了啁啾，故而相关的影响从物理上可以消除。,问,题是：如何在光频上产生,NRZ-DPSK?,2DPSK,OOK,4DPSK-QPSK,11,NRZ-DPSK,光信号的产生,(1),NRZ,信,号在差分编码器中分成两路：,一路进行或非操作；,一路进行异或操作，并将信,号延迟一个比,特；,然后,将,两个信号相加就产生,了,DPSK,电信,号,。,DPSK,电信号通过,PM,，对光,相位调,制，就产生了,DPSK,光信,号。,12,NRZ-DPSK,光信号的产生,(2),PM,调制在“,0”,和“,1,”,跳,变,沿处会产生啁,啾。,为避免此问题，将,PM,换,成,MZM,，,MZM,工作在“推挽”状态下，偏置在强度零点,。,13,NRZ-DPSK,调制格,式：,1-bit,延时接收,DPSK,信号,延时后的,DPSK,信号,转,换后的,OOK,信号,干涉,14,NRZ-DPSK,调制格式,：平衡探测,接收端有,3dB,灵敏度的改善,15,NRZ-DPSK,调制格,式：特点,比,通常的OOK的信噪比好3dB,；,这意味着对于一个确定信号接收机的,Q,值会有,3dB,的增加。为了达到相同的误码率，,DPSK,信号所需要的,OSNR,比,OOK,要小,3dB,，这使得,DPSK,信号可以传输更远的距离并减少对光功率的要求。,对于,NRZ-DPSK,信号，频,谱中不含载,频分量,。平衡探测后信号的平,均的强,度为,0,，所以接收机判决门限电平为,0,，与接收机输入信号功率无关,。相,比,OOK,信,号强度检测而言，对,光信号的功率变化提供了更高的容忍度，可以使接收机保持在最佳判决门限的工作状态,。,由于光功率均匀分布在,DPSK,信号的每个比特中，结果使得由于比特的功率变化所导致的信号失真大大降低。,对,非线性效应有较高的容限，特别是在大于20G的系统中。,16,NRZ-DPSK,调制格式：特点,光相位调制存在相位,-,强度转换噪声。,采用光相位调制时，由于光纤存在色散，经,过群速率色散,（,GVD,），,相位调制将会变成强度调制,。,SPM,和,XPM,会使波形在宽度上失真,。,在,拥有光纤放大器的,DPSK,长距离系统中，非线性相位噪声经常成为影响系统性能的主要因素之一,。,为改善,NRZ,码的不足，,转,而采用,RZ,码。,17,调制格式,：,RZ,调制格式,RZ,码：,return to zero code,归,零码,信号电平在一个码元之内都要恢复到零的编码方式,。,单,极性归零码（,RZ,）即是以高电平和零电平分别表示二进制码,1,和,0,，而且在发送码,1,时高电平在整个码元期间,T,只持续一段时间,，其余时间返回零电平在单极性归零码中，,/T,称为占空,比。,RZ,调制格式光信号的产生：在,NRZ,的基础上，进一步对数据脉冲进行切割。,18,RZ,调制格,式光信号的产生,时钟调,制,器偏置电压不同、时钟信号的频率、幅度不同，可以得到不同占空比的,RZ,调制格式光信号。,占空比,50%,的,RZ,输出,NRZ,数据,时钟,时钟,NRZ,数据,时钟信号幅度是,V,/,4,时,钟频率,B,时钟信号幅度是,V,/,2,；,频,率,B/2,偏置在0或者2V,处,偏置在V,/2处,19,CS-RZ,（载波抑制,-RZ,）光,信号的产,生,时钟调制器,偏,置在,V,处,；,时,钟信号幅度是,V,/,2,；,时,钟信号频率是,B/2,。,占空比,66,RZ,码,光谱图,20,基于,CS-RZ,的,40Gbps,传,输系统,（美国朗,讯公,司）,光放大器,-,功放,光放大器,-,预放,可调衰减器,带,通滤波器,发射机眼图,10km,无色散补偿,10km,有,色散补偿,21,RZ-DPSK,光信,号,33,RZ-DPSK,波形和光谱,50,RZ-DPSK,波形和光谱,RZ-DPSK,解调,采用,1-bit,延时,+,平衡探测解调结果,22,RZ-DPSK,调制格式的特点,RZ,码由于占空比和平均发射功率的减少而具有较好的非线性容忍度,。,RZ,码调制带宽较宽，所以相比于,NRZ,码其脉冲展宽较快，使得,RZ,码的脉冲峰值功率较低，减少了,SPM,的影,响；,由,于,RZ,码信道间相互作用时间短，也减少了,XPM,的,影响。,RZ-DPSK,增加,了,时,钟同步的强度调,制。,在,这种调制方式中，光纤信号的强度不再是连续的，这会增加系统对,SPM,敏感度,。,窄,脉冲强度取样，,RZ-DPSK,的,光频,谱比传统的,NRZ-DPSK,要宽,。,较,宽的,光频,谱会使系统更容,易色,散的影响,。色散优化很重要。,23,CSRZ-DPSK,光信号,在,RZ-DPSK,信号格式中，相邻“,1,”码和“,0,”码之间相位相差,；而,CSRZ-DPSK,信号格,式则将,相邻脉冲之间相位反相的特性叠加在原有信号上面,，使,得信号相位分布均匀。,CSRZ-DPSK,和,RZ-DPSK,产,生结构相同。不同的是时钟调制器的偏置点等参数。,CSRZ-DPSK,的占空比,66%,。,50,RZ-DPSK,波形和光谱,CS-RZ-DPSK,波形和光谱,24,CSRZ-DPSK,光信,号特点,CSRZ(-DPSK),的,频谱特,性较,RZ(-DPSK),紧凑,；,CSRZ(-DPSK),信,号对窄信道有更好的适应,性；,色散和非线性共同作用：CSRZ劣化最,慢,；,DWDM系统,中：,CS-RZ抗非线性能力最强，抗PMD能力最,强,。,利,用,CSRZ-DPSK,码，能实现,40*40G,信号的,UltraWave,TM,光纤上,10000,公里，,160*40G,信号在,UltraWave,TM,光纤上,3200,公里的传,输。,25,APSK,调制格式：,ASK,+,PSK,，,增加频谱效率,QDPASK,码是,ASK,码和,DPSK,码的结合。每个码元的幅度和相位被分别独立的编码，相当于每个码元的携带了,2,比特的信息，这样,码元速率就为比特率的一半,。,QDPASK,和,4ASK,、,4DPSK,的区别：,它,们每,个码,元都传,输,2,比特的信,息；,4ASK,要,在个幅值中判断信息，所以功率代价非常的高，而且需要复杂的电子仪器,；,4DPSK,有四种相位状态，也需要很复杂的发射和接收装置,。,QDPASK,的优势在于用传统二进制格式的装置来实现高的光谱效率,。,26,RZ-,APSK,调制格,式：调制与解调,相位部分的解调用,MZI,加平衡探测来解,调；,幅,度部分的解调直接探测就可以得到,。,27,QAM,调制格式,QAM,：,Q,uadrature,A,mplitude,M,odulation,一般多进制调制：频带利用率提高，但是通过牺牲功率利用率来换取的（M，各信号点间的距离，判决区域，误码率）(电域,),QAM,是二维调制，即采用两个正交的基函数，每个基 函数都采用脉冲幅度调制（,PAM,），然后将这两个一维的,PAM,信号进行合成后输出,(,电域,),可以简单理解为,ASK+PSK,（光,域）,28,QAM,调制光信,号的产生,(1),Sub-MZMs:,Data1 & Data2: Unequal Amplitude,Data3 & Data4: Amplitude 1:2,双臂平行调制器,29,QAM,调制光信号的产生,(2),Sub-MZMs:,Data1 & Data2: Equal Amplitude,Data3 & Data4: Amplitude 1:2,30,16APSK,调,制光信号的产,生,Sub-MZMs:,Data1 & Data2: Unequal Amplitude,Data3 & Data4: Amplitude 1:2,31,偏振调制（,APol,）光信号产生,APol,（,Alternate-Polarization,）码，就是让相邻比特位的光信号的偏振态正交。,在,40G,或以上的高速色散管理系统中，信道内非线性效应是系统性能的主要限制。用,APol,格式能大大减小,IFWM,效应，并将,IXPM,效应减小为原来的一半,。,32,偏振调制（,APol,）光信号产生,首先对激光的相位进行调制，驱动的时钟信号为交替的“,1”,和“,0”,，速率为,R/2,，,R,表示比特率。调制后的光信号的相位在,0,和,之间变化。,然后将光信号送入偏振光分离器（,PBS,）中，光的两个正交态分别进入上下两臂传输，上面一臂的信号会延迟一个比特位与下面一臂的信号在偏振光耦合器（,PBC,）中耦合。,输出的光信号就是相邻相位偏振态正交的，再用数据信号对其进行调制，最后输出,APol,格式的信号。,33,主要内容,光调制技术,光复用技术,34,光复用技术,波分复用,(WDM/DWDM),时,分复用,(OTDM),码,分复用,(OCDM),偏,振复用,(PDM),空,分复用,(SDM),目前为非主流方向，不讲,目前研究的热点,成熟技术，大规模应用,趋,向成熟,35,光复用技术,波分复用,(WDM/DWDM),时,分复用,(OTDM),码,分复用,(OCDM),偏,振复用,(PDM),空,分复用,(SDM),目前为非主流方向，不讲,目前研究的热点,成熟技术，大规模应用,趋,向成熟,36,波分复用,(WDM),波,分复用（,WDM,）：广义地说就是一种一,根光纤同时传输,几个不同波长,的光载,波、每,个光载波携带,不,同信息的技术。,1977,年首先提,出,890,。,结合前面高频谱效率的光信号，光纤可以传输的总容量可达,200Tbps,。,目前光波分复用系统的工作主要波长：,15301565nm,（,C-band,)-EDFA,放大器的波段,38,波分复用,(WDM),：传输系统构成,(1),WDM,传,输系统的基本结构：发,送,端用波分复用器将不,同波长的光信,号复用进同,一根光纤中进行传输，在接收,端用波分解复用器将不同波长的光,信,号在空间上分离，送入不同的光接收机，作,进一步处,理。,典型,的,WDM,点,对点光纤通信系统,39,波分复用,(WDM),：传输系,统构成,(2),光监控信道,（,OSC,）,：,检测,WDM,链路的性能，包括放大器的性能，并将结果上报网管；同时也接受网管的配置等命令。,在发送端，插入本节点产生的波长,s,为的光监控信号（如帧同步、公务及各种网管开销字节），与主信道的光信号合波输出,；,在,接收端，将收到的光信号进行分离，输出为,s,波长的光监控信号和业务信道光信号,。,WDM,光纤传输系统和非,WDM,光纤传输系统相比，系统多了一个,1510nm,光波承载的光监控信道,（,OSC,）,：,40,波分复用,(WDM),：传输系统构成,(3),双纤单向传输：,单纤双向传输：,单向,WDM,传输是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传,送；,双向,WDM,传输是指光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传,输；,后向反射噪声、受激布里渊效应、双向,EDFA,等是限制单纤双向传输的问题。,41,波分复用,(WDM),：网络的基本构成,通过,在传输链路中,间设置,光分插复用器,(OADM),或,光交叉连接器,(OXC),，可实现波长的,上下路,(Add/Drop),和,路由分配,，这样就可以根据光纤通信线路和光网的业务量分布情况，合理地安排插入或分出信,号。,OADM/OXC+WDM,传输,=WDM,光网络。,OSC,在,WDM,光网络中，充当带内信令网，传送信令信息。,42,光复用技术,波分复用,(WDM/DWDM),时,分复用,(OTDM),码,分复用,(OCDM),偏,振复用,(PDM),空,分复用,(SDM),目前为非主流方向，不讲,目前研究的热点,成熟技术，大规模应用,趋,向成熟,43,偏振复用,(PDM),偏振复,用：,PDM,，,PolarizationDivision,Multiplexing,，最,早是在,无线,通信、卫星通信中使用的一种复用技术，称为极化波复用,。,系,统的接收端同,时接,收两种不同极化方式的电磁波束,，如,垂直极化和水平极化,，左,旋圆极化和右,旋圆,极化。,1986,年，提出,PDM,的概念,；,1992,年：,4Gbps,基于,PDM,的,SSMF,通信系统，,BPSK,调制，相干外差探测。,2000,年,，传,输速率为,210,Gbit/s,，,NRZ,调制格式,2001,年,，传,输速率为,210Gbit/s,，,RZ,码,，相,干探测,接收,2002,年,，,传输速率为,240Gbit/s,，,CS-RZ,调制格式，,PMD,补偿，传,输距离为,212km,2007,年，,传输速率,12.8Tbit/s,，,WDM+PDM,，传输距离,2550,公,里,因为,PDM,技,术可以平滑的将通信系统的,每个,信道的数据速率提高一,倍，终,端扩容设备较简单等,优点，因而倍受欢迎。,44,偏振复用,(PDM,),：系统的基本结构,PDM,系统结构简单，利用偏振分束器实现波长相同、正交线偏振光信号的复用和解复用。,由,于光纤信道存在双折射现象，两个信道之间将产生串扰。因此,PDM,系统的一个关键技术是：如何在接收端区分出这两个信道的信号？,双折射是一种线性效应，因此可以采用线性信道相应的技术来解决：,PDM,系统类似于无线通信的,22 MIMO,系统，因此，仿照,MIMO,技术 ，结合光纤中偏振模的演化规律，就可以在接收端解调,PDM,信号。,45,光复用技术,波分复用,(WDM/DWDM),时,分复用,(OTDM),码,分复用,(OCDM),偏,振复用,(PDM),空,分复用,(SDM),目前为非主流方向，不讲,目前研究的热点,成熟技术，大规模应用,趋,向成熟,46,空分复用,(SDM,),空分复用：,SDM-spatial division multiplexing,。光纤通信中的,SDM,包,含两种含义,模式复用，即利用光纤中不同的模式传送不同的信息。,多芯光纤，一根光纤中包含,多个,纤芯传送不同的信息。,当,前光纤通信研究的热点,涉,及到特种光纤,光,纤信道下的信号处理理论与技术,47,空分复用,(SDM,),：动机,香农公式：单模光纤系统容量,=,传输带宽,(Hz),谱效率,(bit/s/Hz),单模光纤,幅度,相位,偏振,频率,/,波长,波分复用,：,增,加带宽,1.,高阶幅度,/,相位调制,2.,偏振态复用,：,提高谱效率,光场自由度,放大器,增益带宽,80nm,（,10THz,）,(b/s/Hz),频谱效率,带宽,l,5,10,X-,偏振,Y-,偏振,非线性制约,单模光纤容量极限,10THzx10b/s/Hz,=,100Tb/s,(,非线性香农极限,),48,空分复用,(SDM),：动机,“Filling the Light Pipe”,SCIENCE,330(15):327,2010,单模光纤通信技术进展近年来趋于饱和,网络流量持续上升、每,4,年翻,10,倍、每,10,年翻,100,单纤容量要求每,7,年翻,10,倍，预期,2020,超过非线性香农极,限,提,高单纤传输容量技,术的发,展,迫,在眉睫,49,空分复用,(SDM),：动机,容量的增长伴随成本和能耗的成比例的增长,容量的增长伴随着网络交换结构的复杂的提高,过多的光,纤导致无法安装,“光纤墙”,过多的光纤,=,管理的灾难,50,如何增加单纤容量？寻找新的,复用,维,度,带宽,频谱效率,空间维度,n,1,n,2,2a,本征模式,:,光场自由度：,幅度,相位,偏振,频率,/,波长,单模光纤,光纤,模式,LP,11a,LP,11b,LP,01,LP,21,100 Tb/s,51,空分复用,(SDM),：,寻,找新的,复用,维,度,100 Tb/s,波长,偏振态,2.,少模光纤,1.,单模光纤,100 Tb/s,波长,偏振态,100 Tb/s,波长,偏振态,100 Tb/s,波长,偏振态,100 Tb/s,波长,偏振态,100 Tb/s,波长,偏振态,100 Tb/s,波长,偏振态,100 Tb/s,波长,偏振态,100 Tb/s,波长,偏振态,100 Tb/s,100 Tb/s,空间维度：模式,复用维度,纤芯,3.,多芯少模光纤,包层,芯,1,芯,N,芯,2,52,空分复用,(SDM),：用光纤中不同模式同时传输不同信号,多维复用,=,现有复用机制,+,模分复用,+,芯分复用,传输容量,模式数,空分复用,少模光纤,多模光纤不能用在模分复用系统里：,几百个模式；系统太复杂,多芯少模光纤,包层,芯,1,芯,N,芯,2,1.,模分复用：,复用维数,=,模数,2.,芯分复用：,复用维数,=,纤芯数,53,空分复用,(SDM),：,利用新的,复用,维度,多维复用,:,波分复用,+,偏振复用,+,高阶调制,+,模分复用,+,芯分复用,传输容量,模式数,多充分利用光纤的所有空间维度,简并模式,轨道角动量,(OAM),是简并模式的线性组合,多芯光纤,非简并模式,空分复用,54,空分复用,(SDM),：模式串扰,挑战,模式,1,模式,2,模式,N,卷积,55,空分复用,(SDM),：模式串扰,挑战,模式,1,模式,2,模式,N,从理论上讲，输入信号可以通过矩阵求逆来得到，但是其计算量与矩阵的复杂度成正比。,假如,2000km,的多维复用系统的容量要达到单模传输系统容量的,100,倍，那么接收每个信号的计算量是目前相干接收机信号处理能力的,200,000,倍。即使集成电路的处理能力继续以摩尔定律提升的话，也要,30,年之后系统才可能实用。,迎接这个挑战需要基础研究的突破,56,空分复用,(SDM),：器件的挑战,多维,交换节点,多维集成,发射器,多维,放大器,解复用器,多维光纤,57,空分复用,(SDM),：国际研究现状,2009,年，提出用空分复用来解决网络容量危机,2010,年，空分复用被称为“光纤通信技术的又一次革命”,M. Nakazawa , Plenary Talk ECOC 2010,2009,年来，国际上发表的相关论文呈指数型增长,多维光纤产品化公司：,OFS (Demark/US),Kylia,(,France),58,空分复用,(SDM),：国际研究现状,法国,：“,ANR project STRADE”,欧盟：,MODE-GAP : “Multi-mode capacity enhancement with PBG fibre ”,日本：,ROFT : “Research on Innovative Optical Fiber Technology ”,美国：,ATT,，,Lucent, OFS, Corning,59,