光DQPSK調制在不同色散補償系統中的性能

王現彬，賈英茜，盧智嘉，王 超，李 寧

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

光DQPSK調制在不同色散補償系統中的性能

王現彬1，2，賈英茜1，盧智嘉1，王 超1，李 寧1

(1.石家莊學院電氣信息工程系，河北石家莊 050000;2.河北工業大學信息工程學院，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)三種調制格式的頻域特性。并數字仿真了40Gbit/s的單信道光纖系統中三種調制格式在對色散(CD)進行后補償、預補償和對稱補償等三種補償方式及考慮偏振模色散(PMD)和非線性效應情況下的傳輸性能。仿真結果表明，33%RZ-DQPSK對自相位調制(SPM)有最好的容忍度，但緩解PMD和CD的能力較弱;CSRZ-DQPSK在色散后補償方式中對PMD和非線性效應具有最好的抑制能力。

調制格式;正交相移鍵控;色散補償;自相位調制;偏振模色散

1 引 言

在大容量波分復用(WDM)系統中，隨著單信道速率從10Gbit/s向40Gbit/s甚至更高速率過渡以及復用信道數的增加，色散(CD)、偏振模色散(PMD)和非線性效應影響越來越嚴重。在這三種不利因素中，目前對色散補償研究的較為深入且補償效果較好。常用到的補償方式有初始預啁啾補償、微器件補償、中段頻譜翻轉補償和色散補償器件補償等方法［1－3］。在色散補償器件進行補償的方法中，采用色散補償光纖(DCF)進行色散補償是最實用的一項技術，該技術是通過DCF的負色散性能對標準單模光纖(SSMF)的正色散進行補償，通過該技術可以對現有光纖系統進行平滑升級，并能節約系統成本。該補償方法有預補償、后補償和對稱補償三種補償方式。而對PMD和非線性效應的補償近年來也一直是研究的熱點問題［4－6］。除了對 CD、PMD和非線性進行補償以外，另外一個研究熱點就是利用高階調制格式來抑制CD、PMD和非線性的作用。對于一般的高階調制格式，如 DQPSK、16QAM等調制格式，其頻譜效率較高，不但對CD有很好的抑制能力，對PMD和非線性也有很高的容忍度。故將兩者結合起來，在色散補償系統中研究高階調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調制格式的頻域特性，并在預補償、后補償和對稱補償三種色散補償光纖系統中，在考慮PMD和 SPM情況下，進行了 NRZ-DQPSK、33%RZDQPSK和CSRZ-DQPSK三種調制格式的傳輸仿真，分析了三種調制格式在不同色散補償方式中的傳輸性能。結果表明，在考慮非線性和PMD情況下，CSRZ-DQPSK在色散后補償方式中具有最好的傳輸特性。

2 DQPSK三種調制格式頻域特性分析

CD會引起傳輸脈沖展寬，造成符號間干擾(ISI，inter-symbol interference)，增加誤碼率。而PMD在低速系統中幾乎可以忽略，但隨著系統速率的提高，PMD也會造成脈沖展寬，引起誤碼。非線性效應是由光纖中的克爾效應和受激散射引起的，對于非線性效應，若入纖功率足夠低，可以忽略其影響，但這會造成系統信噪比的降低，惡化系統性能。故CD、PMD和非線性效應是光纖通信中不可忽視、也是不能回避的問題。對單信道光纖通信系統而言，CD和非線性效應的具體表現形式是GVD(群速度色散)和SPM(自相位調制)。通過對調制格式時頻域分析，結合CD、PMD和非線性效應的影響，可以粗略分析調制格式對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三種調制格式的頻譜圖。在進行頻譜仿真時所用的系統信息速率為80Gbit/s，載波為193.1THz的光波。在這種情況下三種調制格式的符號率為40G symbol/s，這是因為DQPSK是一種4進制調制格式，在DQPSK每個符號中含有2bits信息，故符號率是信息速率的一半。

圖1 三種DQPSK調制格式頻譜圖Fig.1 The spectrum of the three DQPSK modulation formats

由圖1可見，NRZ-DQPSK調制格式的頻譜主瓣寬度為20GHz，是其信息速率的1/4。NRZ-DQPSK調制格式占空比是100%，從時域角度看脈沖最寬，故其頻譜主瓣寬度是三種調制格式中最窄的。NRZ調制格式具有最大的能量，故受非線性影響較為嚴重，不適于長距離傳輸，但與DQPSK相結合的NRZDQPSK調制格式由于其功率恒定，比其他低階調制格式(如二進制NRZ-OOK調制格式)受非線性影響要小。33%RZ-DQPSK的時域脈沖最窄，故其頻譜主瓣最寬，占據了光信號頻譜的絕大部分能量，受CD和PMD影響最為嚴重。由于其時域脈沖最窄，故同NRZ-DQPSK和CSRZ-DQPSK相比，受非線性效應影響最小。CSRZ-DQPSK調制格式既具有QPSK調制格式的性質，又有CSRZ調制格式的特征，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 系統仿真

3.1 系統結構及參數設置

在仿真中，采用了預補償、后補償和對稱補償三種色散補償方式。整個系統結構如圖所2所示。DQPSK調制格式有三種產生方式，分別為:馬赫－曾德爾調制器串聯形式，馬赫－曾德爾調制器并聯形式和單調制器形式［7］。本系統中采用并聯形式。其中第三個馬赫－曾德爾調制器實現不同占空比的DQPSK，而接收機采用平衡接收。

圖2 傳輸系統模型Fig.2 Themodel of the transmission system

3.2 系統仿真分析

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

圖4給出了CSRZ-DQPSK在預補償、后補償和對稱補償三種色散補償方式中Q值與輸入光功率對應關系。通過分析可以發現，同其他兩種補償方式相比，在后補償方式中，CSRZ-DQPSK具有最好傳輸特性。預補償和對稱補償方式中，CSRZ-DQPSK調制格式在輸入功率為10dBm時Q值開始減小，這明顯要高于NRZ-DQPSK的8dBm。而后補償方式中，Q值從12dBm才開始減小。將圖3和圖4對比可以看出，CSRZ-DQPSK在三種補償方式中整體比NRZ-DQPSK調制格式的Q值要高，即抗非線性能力要強。

圖5給出的是33%RZ-DQPSK在三種色散補償方式中Q值隨輸入功率變化關系。從圖5可以看出，在這三種補償方式中，當入射功率小于12 dBm時，對稱補償和預補償方式性能較好，而入射功率大于12 dBm后，這兩種補償方式性能都開始惡化，相反，后補償方式的系統Q值隨入射功率繼續變大，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調制格式在后補償方式中性能最佳。對比圖3、圖4、圖5可知，33%RZ-DQPSK不管在哪種色散補償方式中，都比NRZ-DQPSK和CSRZDQPSK調制格式的非線性容忍度大。這正是由33% RZ-DQPSK的時域和頻域特征決定的。

圖5 33%RZ-DQPSK在三種色散補償方式中Q值隨輸入功率變化關系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可以發現，在預補償、后補償和對稱補償三種色散補償方式中，NRZDQPSK、33%RZ-DQPSK和CSRZ-DQPSK在后補償方式中具有最好的傳輸特性，且對非線性容忍度最大。在對CD進行后補償及只考慮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制格式、哪種補償方式，都存在一個最佳入射功率，在這個入射功率下，系統可以達到最大的信噪比。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制格式在最佳入射功率下，在后補償方式中殘余色散與誤碼率對應關系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三種調制格式在各自的最佳入射功率下及傳輸性能最好的后補償方式中，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，在這三種調制格式中，CSRZ-DQPSK調制格式具有更小的誤碼率。且當色散完全補償后，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調制格式在色散后補償系統具有最好的傳輸特性，其抑制非線性和PMD能力最強。

4 結論

文章首先分析了NRZ-DQPSK、33%RZ-DQPSK和CSRZ-DQPSK三種調制格式的頻域特性。隨后數字仿真了三種調制格式在對色散進行后補償、預補償和對稱補償等三種補償方式及考慮PMD和非線性效應情況下的傳輸性能。仿真結果表明，33% RZ-DQPSK對SPM有最好的容忍度，但緩解PMD和非線性效應影響的能力較弱，CSRZ-DQPSK在色散后補償方式中對PMD和非線性效應具有最好的抑制能力。故CSRZ-DQPSK是未來大容量、長距離光纖通信系統中最具優勢的調制格式。

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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

河北省科技計劃項目(No.F2013106079);石家莊市科學技術研究與發展指導計劃基金項目(No.11113481);石家莊學院校級科研平臺項目(No.XJPT002)資助。

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

2013-06-09