4B/5B編碼的再調(diào)制WDM-PON系統(tǒng)分析與實現(xiàn)

徐 進，李慧林，張 封，張曉龍（.西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安70048；.國家電網(wǎng) 陜西電力維護運營有限公司，陜西 西安70048）

4B/5B編碼的再調(diào)制WDM-PON系統(tǒng)分析與實現(xiàn)

徐 進1，李慧林1，張 封1，張曉龍2
（1.西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安710048；2.國家電網(wǎng) 陜西電力維護運營有限公司，陜西 西安710048）

在輸入RSOA功率和數(shù)據(jù)編碼方式不同的情況下，為了解決下行信號對上行再調(diào)制信號的串擾問題，研究了上行信號的誤碼率（BER）性能，并采用了下行2.5 Gb/s，上行1.25 Gd/s的非對稱數(shù)據(jù)傳輸，4B/5B編碼的下行信號再調(diào)制的波分復用無源光網(wǎng)絡 （WDM-PON）系統(tǒng)模型。最后通過MATLAB編程實現(xiàn)4B/5B編碼，并在Optisystem軟件中進行聯(lián)合仿真。實驗結果表明相對于NRZ編碼和Manchester編碼，4B/5B編碼再調(diào)制系統(tǒng)可將編碼效率提高到80%。

WDM-PON；4B/5B編碼；RSOA；誤碼率

隨著網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的急劇增加，人們對帶寬的需求不斷提高。WDM-PON技術是虛擬的點對點的通信，能充分利用光纖巨大的帶寬資源，很好地滿足了接入網(wǎng)用戶對于高帶寬的要求。最理想的WDMPON方案就是為每個ONU分配單獨的波長，CO端使用多波長的可調(diào)諧激光器，在ONU端使用單波長激光器，這樣就能做到上下行的波分復用，但是這種方案主要缺點是激光器多，導致成本過高。因此，影響系統(tǒng)成本的ONU“無色化”問題成為WDM-PON網(wǎng)絡的一個關鍵。

所謂”無色ONU”，就是在ONU中不使用固定的波長，通過除去在ONU中使用穩(wěn)定的激光器來降低運營、管理和維護的成本。WDM-PON的ONU“無色化”方案主要有寬光源頻譜分割技術、注入鎖定技術、光載波源技術和再調(diào)制技術幾種。其中反射半導體光放大器（RSOA）利用下行信號再調(diào)制產(chǎn)生光載波，不需要在ONU端配置光源，具有潛在的低成本優(yōu)勢，因而得到了廣泛的關注和研究。

4B/5B編碼用5 bit的二進制碼來代表4 bit二進制碼。此編碼的效率是80%，與Manchester編碼相比，編碼效率有了很大的提高。因此，本文給出了一種下行數(shù)據(jù)采用4B/5B編碼的再調(diào)制WDM-PON系統(tǒng)結構。

1 4B/5B編碼再調(diào)制系統(tǒng)應用分析

在實際使用的光接入網(wǎng)中，很多業(yè)務都是非對稱速率的業(yè)務，需要的上行帶寬比下行帶寬低很多。為了解決非對稱再調(diào)制WDM-PON中的再調(diào)制干擾問題，有研究提出了對下行數(shù)據(jù)進行Manchester編碼的方案，Manchester編碼由于低頻分量較少，可以減少下行信號對上行再調(diào)制信號的干擾。但是Manchester編碼的編碼效率只有50%，需要雙倍帶寬來傳輸信息，浪費了帶寬資源。

4B/5B編碼的再調(diào)制的WDM-PON系統(tǒng)，就是在下行傳輸中數(shù)據(jù)采用4B/5B編碼，下行信號的直流分量比較穩(wěn)定而且低頻成分較少，降低了再調(diào)制串擾的影響，提高了上行再調(diào)制信號的接收性能，編碼效率提高到80%，相對于Manchester編碼，提高了下行信號的編碼效率。

RSOA再調(diào)制技術的WDM-PON的基本特點就是在ONU端不配置光源設備，而是利用RSOA的增益飽和特性，用調(diào)制器RSOA來代替ONU中的光源設備。下行光信號通過不同的工作波長被傳送至ONU用戶。用于下行傳輸?shù)墓廨d波到達ONU后，由功率分路器分為兩部分。一部分進入接收機進行接收解調(diào)，一部分進入RSOA進行載波恢復并加載上行信號，然后上行傳輸回OLT接收機處接收。RSOA再調(diào)制技術，其在ONU端不配置光源設備的特性保證了系統(tǒng)的低成本。使它具有了巨大的市場潛力和可推廣性。

2 RSOA的增益飽和特性分析

半導體光放大器（SOA）本質(zhì)上是工作在閾值點以下的InGaAsP激光器。它的主要原理是激活煤質(zhì)吸收了外部泵浦光源提供的能量，在激活煤質(zhì)中泵浦為電子提供能量，使其達到較高的能級，產(chǎn)生粒子反轉(zhuǎn)。而放大器就是通過受激輻射所需的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)入射光功率放大的。RSOA是屬于半導體放大器的一種。光放大器最重要的參數(shù)之一是信號增益G，而增益系數(shù)g（z）是頻率和功率的函數(shù)，則離輸入端距離z時g（z）的表達式為：

式中，g0為小信號的增益系數(shù)，Ps（z）是z點的內(nèi)部信號功率，Psat是放大器的飽和光功率。

假設g（z）是單位長度增益，當長度增加dz時，光功率增加

由上式可知，增益隨著信號功率的增加而減少，特別是當內(nèi)部信號功率等于放大器飽和功率時，增益系數(shù)就會減少一半。L的增加會使G和P的增加，但增加到一定的程度，P的數(shù)值急劇增加會導致增益系數(shù)g的急劇下降，SOA對光信號的放大效果減弱，這種表現(xiàn)就是增益飽和效應。

3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)結構

WDM-PON技術充分利用光纖巨大的帶寬資源，滿足不斷出現(xiàn)的高帶寬網(wǎng)絡應用業(yè)務的需求，但是，昂貴的光器件是WDM-PON發(fā)展的“瓶頸”之一。本文采用的4B/5B編碼再調(diào)制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)上下行數(shù)據(jù)流的光信號載波只由OLT來提供，在ONU中使用RSOA調(diào)制器而不是激光器解決了系統(tǒng)成本過高的問題，并經(jīng)過上行數(shù)據(jù)流的調(diào)制傳送到OLT中，從而完成上下行數(shù)據(jù)流通信。下行強度調(diào)制信號使用4B/5B編碼減少了再調(diào)制造成的串擾，而且對下行信號的消光比沒有限制，保證了系統(tǒng)上下行信號的傳輸性能，同時信號的編碼效率相對Manchester編碼有較大提高。圖1顯示的是4B/5B編碼情況下，波長再調(diào)制WDM-PON系統(tǒng)框圖。

圖1 基于4B/5B編碼的RSOA再調(diào)制WDM-PON實驗框圖

3.2 系統(tǒng)工作分析

系統(tǒng)下行傳輸由4B/5B編碼的速率為2.5 Gb/s的PRBS直接調(diào)制位于OLT側(cè)激光器。4B/5B編碼的實現(xiàn)是通過MATLAB產(chǎn)生，再通過調(diào)制器直接對激光器調(diào)制，調(diào)制器消光比為8 dB，輸出光波長為1 550 nm。在經(jīng)過衰減器后送入標準單模光纖（SSMF）傳輸，光纖的長度為20 km，公里損耗為0.2 dB。經(jīng)過循環(huán)器后，再進行功率分離，分路比為50：50，功率的一半輸入RSOA，進行上行再調(diào)制；另一半輸入光接收器，恢復傳輸數(shù)據(jù)。上行傳輸將NRZ編碼的PRBS 和RSOA輸出，經(jīng)過循環(huán)器后經(jīng)過另一根20 km長的SSMF傳輸，送入OLT側(cè)的接收設備檢測和恢復數(shù)據(jù)，上行傳輸?shù)恼{(diào)制速率為1.25 Gb/s。

4 仿真結果分析

在系統(tǒng)性能的分析過程中，首先分析了輸入RSOA功率對上行傳輸?shù)挠绊懀诖嘶A上，分析了不同編碼方式對上行傳輸?shù)挠绊憽Ｕ`碼率，就是在特定的一段時間內(nèi)所接收到的數(shù)字碼元誤差數(shù)目在傳輸總的碼元數(shù)中所占的比例，而衡量一個數(shù)字傳輸系統(tǒng)性能好壞的重要標準之一就是誤碼率。在RSOA系統(tǒng)中，系統(tǒng)傳輸性能的好壞表現(xiàn)為“擦除”程度的好壞。而“擦除”效果的好壞在很大程度上是由輸入光功率的大小決定的。本實驗結果是由Optisystem7.0仿真，并由Matlab R2010a進行數(shù)據(jù)擬合得到。如圖2顯示的是在下行速率10 Gb/s時，不同的輸入光功率條件下，上行信道接收的誤碼率曲線：

圖2 輸入光功率對上行信道接收誤碼率的影響

從圖2中可以看出，當輸入功率為-5 dB和-10 dB時，功率代價不足1 dB，當輸入功率減少到-20 dB時，功率代價就變得很高了。當RSOA的輸入功率是-5 dB和-10 dB時，比起低的RSOA輸入功率來說，傳輸性能下降的很少，所以為了提高上行傳輸性能，應使得輸入RSOA的功率足夠大。

RSOA的主要功能是為上行傳輸提供一個再調(diào)制光載波，從而在上行傳輸時不需外加光源，直接再調(diào)制下行信號實現(xiàn)上行傳輸。本實驗測量了在NRZ編碼、Manchester編碼和4B/5B編碼下，下行速率為2.5 Gb/s，上行速率為1.25 dBm時，上行傳輸?shù)恼`碼率。輸入RSOA的功率設為-10 dBm。此時位于OLT的接收端，采用普通的PIN檢測，同時用BER分析儀進行誤碼率分析。實驗結果如圖3所示。

圖3 編碼方式對上行信道接收誤碼率的影響

從圖3中可以看出在使用4B/5B線路編碼的系統(tǒng)中，相對于NRZ編碼和Manchester編碼，系統(tǒng)會產(chǎn)生大約4.5 dB和3.5 dB的功率代價，但編碼效率提高到了80%。實驗結果表明了使用4B/5B線路編碼可以讓RSOA工作在線性區(qū)，對下行傳輸?shù)墓β暑A算和下行信號的消光比沒有嚴格的限制。相對于NRZ編碼和Manchester編碼，使用4B/5B碼可以在增加較少功率代價的前提下，提高下行信號的編碼效率。

5 結 論

文中給出了一種再調(diào)制WDM-PON系統(tǒng)的結構。在下行方向采用的是用MATLAB編程實現(xiàn)的4B/ 5B編碼，分析了輸入RSOA光功率對上行傳輸誤碼率的影響。輸入RSOA功率為-5 dBm和-10 dBm時，系統(tǒng)接收靈敏度高，當輸入RSOA功率降低時，功率代價升高。為了提高系統(tǒng)性能，輸入RSOA的功率應該足夠大。4B/5B編碼相對于NRZ編碼和Manchester編碼，系統(tǒng)會產(chǎn)生一定的功率代價，但是編碼效率卻有了大幅度的提高，提高了系統(tǒng)的傳輸性能和擴展性。

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The analysis and implementation of re-modulated WDM-PON system based on 4B/5B coding

XU Jin1，LI Hui-lin1，ZHANG Feng1，ZHANG Xiao-long2
（1.School of Electronics and Information，Xi'an Polytechnic University，Xi'an 710048，China；2.Shaanxi Power Maintanance&Operation Co.Ltd，Xi'an 710048，China）

In order to solve the cross-talk problems of up-link to down-link signal re-modulated signal when the input power of RSOA and the coding schemes are different，this paper analyzes the property of The up-link signal bit error rate（BER），and uses a downstream 2.5 Gb/s，upstream 1.25 Gb/s asymmetric data transmission，and proposes a wavelength division multiplexing passive optical system model based on 4B/5B encoding downstream signals re-modulation.The 4B/5B encoding has been realized in MATLAB program，combined with Optisystem software.Experiement results show that 4B/5B coding and modulation system can improve the coding efficiency to eighty percent.

WDM-PON；4B/5B coding；RSOA；BER

TN<911.6 文獻標識碼：A class="emphasis_bold">911.6 文獻標識碼：A 文章編號：1674－6236（2017）07-0095-04911.6 文獻標識碼：A

1674－6236（2017）07-0095-04

A 文章編號：1674－6236（2017）07-0095-04

2016-03-17稿件編號：201603225

徐 進（1957—），男，陜西西安人，教授。研究方向：信息化、智能檢測、電子技術應用。