匹配濾波在相干光纖通信系統中的特性研究

段明雄，朱 京，盧 賀，吳廣哲，李偉華，黃 超，龍 函，吳劍軍

(1.武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430205； 2.國家電網有限公司 信息通信分公司， 北京 100761)

0 引 言

隨著信息業務的不斷發展，對傳輸系統帶寬的需求也急劇增長。為了滿足此需求，單波400和800 Gbit/s乃至更高速率的相干光纖傳輸技術成為目前研究的熱點。匹配濾波技術能夠提升系統帶寬利用率等，是高速光纖通信系統中的關鍵技術之一[1-4]。其中，根升余弦(Square Root Raised Cosine, SRRC)濾波器在收發端做匹配濾波時可消除碼間串擾(Inter-Symbol Interference, ISI)，實現最佳接收[5-7]。文獻[8]提出了一種新型Nyquist波形并研究了其相關特性，該方案可使傳輸距離提高近20%；利用SRRC濾波器，文獻[9-11]實現了高頻譜效率的奈奎斯特波分復用(Nyquist- Wavelength Division Multiplexing，Nyquist-WDM)系統，這些研究都表明，SRRC濾波器能夠很好地應用到高速相干光纖通信系統中。但對于SRRC濾波器的各參數設置，目前還沒有進行完整的比較研究。

本文利用VPItransmissionMaker仿真軟件，搭建了256 Gbit/s偏振復用16階正交幅度調制(Polarization Division Multiplexing-16 Quadrature Amplitude Modulation， PDM-16QAM)傳輸系統，基于此，研究了SRRC濾波器帶寬和滾降因子Rf對傳輸系統的影響，以及系統色散和非線性等系統參數對SRRC濾波器Rf選取的影響。仿真結果表明，在光學帶寬大于兩倍信號波特率情況下且Rf≥0.2時，系統性能基本保持不變。在光學帶寬接近或小于兩倍信號波特率情況下，隨著Rf的增大，系統性能變得越來越差。與背靠背傳輸相比，經過1 200 km光纖傳輸后，Rf=0與其他Rf值傳輸性能的差異縮小。此外，在Rf≤0.5時，系統對殘余色散的容忍性有所提高，而在Rf≥0.2時，將會降低非線性對系統的影響。

1 SRRC濾波器工作原理

光信號包絡主要由發送端電信號的形式決定，而對于大部分高速光通信系統而言，發送端都采用SRRC濾波器來做成形濾波。SRRC濾波器的頻域響應可表示為

式中：H(f)為濾波器函數；T為符號周期；f為頻率。其中，Rf直接決定了信號脈沖的形狀以及頻譜帶寬。圖1所示為不同Rf情況下，32 GBaud 16QAM信號的幅頻響應與眼圖。由圖1(a)可知，隨著Rf由大變小，對應的頻譜帶寬也在由大變小。由文獻[7]可知，SRRC脈沖信號的頻域帶寬與波特率的關系為(1+Rf)B(B為信號波特率)。也就是說，當Rf=0時，信號在頻域中的帶寬與波特率一樣，此即為Nyquist信號。從時域上看，如圖1(b)所示，隨著Rf變小，ISI將會變大，即對應的最佳采樣時間縮短，同時，時域上的波動也越大。結合非線性薛定諤方程可知，不同Rf情況下，光纖色散與非線性表現出來的特性將有所不同[12]。從頻域上講，信號帶寬越小，色散作用將越有限；另一方面，從時域上看，功率波動越大，非線性影響越明顯。因此，如何權衡與選取Rf的大小，將成為影響信號質量的一個因素。

圖1 不同Rf對應的幅頻響應和時域眼圖

2 系統仿真設置

為了驗證以上分析，本文基于VPItransmissionMaker仿真軟件搭建了256 Gbit/s PDM-16QAM仿真系統，如圖2所示。工作在1 550 nm波長的激光器發出光載波，激光器線寬設置為100 kHz，功率為13 dBm。光載波經過分光比為50∶50的理想分束器之后分成兩路并分別輸入到同相正交(In-phase Quadrature,IQ)調制器中。偽隨機電信號1與2經SRRC濾波器后調制到光載波上，偽隨機數的長度為215-1。被32 GBaud四電平電信號調制后的光信號分別經過偏振控制器，其中一路信號偏振態控制到0 °偏振態，另一路信號控制到90 °偏振態。此處0與90 °偏振態的光信號分別與偏振合束器的兩個主軸對齊，因此，光信號經過偏振合束器后構成了一個偏振復用的256 Gbit/s PDM-16QAM信號。在經過一個光學帶通濾波器后，光信號注入到光纖鏈路中。此處，光纖鏈路由80 km SSMF與摻鉺光纖放大器1構成，經過15次循環，即傳輸1 200 km之后輸出。在這個鏈路中，摻鉺光纖放大器1的主要作用是補償光纖損耗以及控制注入光纖的光功率。傳輸之后的光信號輸入到摻鉺光纖放大器2中以控制接收端的接收功率。為了模擬不同OSNR下信號的性能，在仿真系統中加入了一個OSNR控制器。在將信號注入到偏振分集相干接收機前，添加一個與發送端相同的光學濾波器用于濾除帶外噪聲。最后，偏振分集相干接收機將接收到的光信號轉化為電信號，經過數字信號處理后對信號進行恢復。

圖2 256 Gbit/s PDM-16QAM仿真系統結構圖

3 結果及討論

首先，本文仿真了背靠背傳輸，不同光學濾波器帶寬情況下，Rf對系統的影響如圖3所示。圖3(a)所示為在光學濾波器帶寬為33 GHz時，Rf從0到1.0對應的誤碼率(Bit Error Ratio, BER)與OSNR的關系圖。由圖可知，隨著Rf的增大，系統性能變得越來越差。在20%前向糾錯碼(Forward Error Correction, FEC)對應的BER處，Rf從0增大到1.0，系統對OSNR容忍性能衰退了約6 dB。這主要是因為，Rf值越大，電信號所需頻譜帶寬越大。此處，發送信號波特率為32 GBaud，而光濾波器的帶寬為33 GHz，所以Rf為0時，發送端電信號的頻譜截斷最少。當增大光學濾波器帶寬時，Rf取較大值所對應的信號性能有明顯提高。圖3(b)和(c)所示分別為光學濾波器帶寬為50和100 GHz時，Rf對系統的影響圖，對比可知，在光學帶寬足夠的情況下，相同Rf值所表現出的系統性能基本一致(在20% FEC閾值下，系統對OSNR容忍性能衰退了約0.4 dB)。同時可以看出，隨著OSNR的增加，Rf=0對應的曲線相對其他曲線的性能差異有所增加。這是因為，在Rf=0時，時域上要取到最佳采樣點相對其他Rf更困難。但是，在低OSNR時，Rf越小，接收端匹配濾波器對應的濾除噪聲更多。換而言之，Rf越小，接收端電域信號的OSNR提升更明顯。因此，在低OSNR情況下，Rf=0時的性能與其他Rf值對應的性能沒有明顯區別。

圖3 背靠背傳輸情況下，不同光學帶寬和Rf對應的OSNR與BER特性曲線

由圖3可知，對于32 GBaud 16QAM信號而言，光學濾波器帶寬為50 GHz即可滿足系統要求。因此，本文基于50 GHz的光學帶寬研究了系統的傳輸特性，其結果如圖4所示。由圖可知，背靠背傳輸性能曲線作為參考如圖中虛線所示，在20% FEC BER門限下，相對于背靠背傳輸，經過1 200 km SSMF傳輸后，系統的性能下降了約3 dB。值得注意的是，經過1 200 km光纖傳輸后，Rf=0的曲線與其他Rf值對應的曲線性能差別明顯變小了。這主要是因為，傳輸后的信號存在殘余色散以及非線性等因素的影響，下面將就這兩方面做更進一步的研究。

圖4 傳輸1 200 km SSMF后，不同Rf對應的OSNR與BER特性曲線與背靠背傳輸系統對比圖

在相干光通信系統中，如果已知傳輸鏈路的色散值，色散能夠得到很好的補償。但在大部分情況下，接收端是無法得到精確的色散值的。此時，往往存在部分沒有補償完的色散，即為殘余色散。基于前文的仿真系統，本文做了殘余色散的性能研究。在傳輸距離為80 km以及OSNR為21 dB情況下，殘余色散對系統性能影響的曲線如圖5所示。此處傳輸距離為80 km是為了降低非線性對系統的影響。由圖可知，隨著Rf值由0.2變化到1.0，殘余色散對系統性能的影響也在增大。特別地，當Rf為0以及0.2時，殘余色散在-300 ～300 ps/nm之間對系統性能沒有影響。這主要是因為，Rf值較小時，頻域帶寬小，從而色散影響也變小了。

圖5 不同Rf對應的殘余色散與BER特性曲線

圖6所示為不同注入功率下，Rf對系統性能的影響。此處，傳輸距離設置為1 200 km，接收端OSNR設置為26 dB。由圖可知，Rf=0.5、0.8和1.0時，注入功率與BER的變化曲線一致。Rf=0和0.2時，相對于其他Rf值的性能有所下降。這表明，Rf值為0以及0.2時，非線性對系統的影響增大。這主要是因為，Rf值較小時，對應的時域幅度波動較大，調制到光載波上后會導致光信號強度波動較大，從而加大了非線性的影響。

圖6 不同Rf對應的注入光纖光功率與BER特性曲線

4 結束語

本文系統分析了在不同光學帶寬、殘余色散以及非線性情況下，滾降因子Rf=0、0.2、0.5、0.8及1.0時對系統性能的影響。基于VPItransmissionMaker仿真軟件搭建了256 Gbit/s PDM-16QAM仿真系統，研究了在該系統下以上分析的正確性。仿真結果表明，在光學帶寬相對于兩倍信號波特率足夠的情況下，Rf≥0.2時，系統性能沒有太大區別；Rf=0時，相對于其他Rf值，系統性能有所下降。在光學帶寬接近兩倍信號波特率情況下，隨著Rf的增大，系統性能變得越來越差。在20%FEC BER門限下，相對于背靠背傳輸，經過1 200 km SSMF傳輸后系統的性能下降了約3 dB。經過1 200 km SSMF傳輸后，Rf=0的曲線與其他Rf值對應的曲線性能差別明顯變小。另一方面，在Rf≤0.5時，系統對殘余色散的容忍性將大大提高；在Rf≥0.2時，將會降低非線性對系統BER的影響。綜上所述，對于光學帶寬受限的系統，Rf選取(1+Rf)B與帶寬相近的值為宜；對于光學帶寬接近兩倍波特率的系統，Rf選取0.2～0.5為宜。