DPPM在相干光通信中的應用研究

王 熹，李 婕，羅 鳴

(中國信息通信科技集團有限公司 光纖通信技術和網絡國家重點實驗室，武漢 430074)

0 引 言

空間激光通信技術目前處于快速發展階段，其在帶寬、速率、體積和功耗等方面的巨大優勢，是未來星地和星間高速傳輸不可或缺的方式之一[1]。近年來，數字相干光通信技術在陸地上得到了廣泛應用，并逐漸發展演變為衛星通信中極具競爭力的通信技術。但在相干空間激光通信系統中，通信鏈路比普通的光纖鏈路更加復雜，特別是存在熱形變、多普勒頻移和大氣端流等因素的影響。正是由于通信鏈路的復雜性，使得現有應用在光纖鏈路中的調制碼型系統性能理論模型無法用于空間激光鏈路，如何針對通信信道優化調制編碼技術，在降低發射端能耗的同時保證接收端的靈敏度，并且能夠硬件實時實現，是發射端亟待解決的一個技術難點。另外，在目前常見的星間直調直檢(Intensity-Modulation Direct Detection，IMDD)系統中[2]，雖然脈沖位置調制(Pulse Position Modulation，PPM)[3]具有突出的功耗利用率與誤碼性能，但是也存在占用帶寬較寬的缺點。

而差分脈沖位置調制(Differential Pulse Position Modulation，DPPM)運用在空間激光通信中不僅具有較低的功耗，還能有高的譜效率。對于復雜的大氣湍流影響，信號的振幅跟相位都會產生波動，而采用DPPM只有強度上的信息，相位波動不會像影響二進制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying ，BPSK)或正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)那樣產生附加的影響[4]。而且相干探測對熱噪聲與散粒噪聲都沒有IMDD那么敏感，所以采用DPPM格式/相干探測能得到更高的靈敏度及更低的誤碼率(Bit Error Ratio，BER)。針對這一情況，本文對DPPM進行了研究，并利用相干探測技術提高其探測靈敏度，論證了采用DPPM格式/相干探測能夠得到更高的靈敏度及更低的BER，對于空間激光通信最核心的能量效率與譜效率問題，PPM的改進格式DPPM能夠有很好的表現。

1 DPPM原理

PPM是一種基于光脈沖所處時隙位置攜帶比特信息的強度調制格式。這種調制格式的優點在于其光子利用率高，抗干擾能力強，對激光器的選擇以及傳輸系統的整體設計帶來很大的便利，非常適合在深空和對潛等光子匱乏的信道中傳輸[5-7]。

通常PPM以幀為單位攜帶并傳輸信息。假設一幀信號的總時間長度為T，其中一共包含2n個時隙，等價于每一個時隙的時長為Ts=T/2n。而每一幀信號中僅有一個時隙上有光脈沖(脈沖持續時間等于單個時隙時長Ts)，而其他時隙無光脈沖，于是每個光脈沖所處的時隙位置便可以代表不同的比特信息。表1所示為4位PPM的比特信號與光脈沖的對應關系，其他位數的PPM同理。

由表可知，PPM是將n位的二進制數據映射到2n個時隙組成的一個時間幀上。顯然，在固定的一幀時間內，調制的階數越高，每一幀信號所能攜帶的信息就越多，對光子的利用率就越高。而對于時隙長度為L的PPM，傳送的信息比特數為log2L，從而每個時隙的平均比特率為log2L/L，隨著PPM階數的升高，每個時隙的平均比特率反而下降。并且，調制的階數越高會導致對時隙的劃分更精細，從而單個時隙的寬度變窄，對光脈沖的定位將更容易出現誤判從而引發錯碼。所以要根據實際的接收信號功率和傳輸信道的情況靈活調整PPM的階數以及單個時隙的時間長度。

PPM最大的優勢在于其對發射端光子的高利用率。在固定時隙的情況下，令每個時隙發送信號“1”時所需的功率為Po。假設將一個M位的二進制數據映射到2M個時隙上進行傳輸，那么傳輸該調制格式的信息所需的平均光功率僅為Po/2M。而傳送開關鍵控(On-Off Keying，OOK)調制格式信息所需的平均光功率為Po/2。由此，PPM格式的信息在犧牲了一定傳輸帶寬的前提下獲得了更高的光子利用率[8-10]。表2所示為傳統的OOK調制和PPM兩種強度調制格式的性能對比。

表2 OOK調制與PPM信號的性能對比

DPPM是PPM的一個改進格式。對于時隙長度為L位的PPM，傳送的信息比特數為log2L，每個時隙的平均比特率僅為log2L/L。如果想在進一步提高通信容量的同時又保持PPM的高光子利用率，便需要使用到DPPM。DPPM同樣是根據脈沖的位置信息與比特信號一一對應，其與PPM的最大區別在于省去了每一幀信號中光脈沖后面的無光時隙，而直接開啟下一幀信號的傳輸。所以對于DPPM信號，每一幀的時間長度會根據實際傳輸的比特信號而改變，每一幀信號緊接著前面一幀信號進行傳輸。這一方式大大降低了傳輸相同信息的平均幀長度，從而降低了對器件調制帶寬的需求。但是由于傳輸相同長度的DPPM格式信號其數據量可能是不定的，所以在某些系統應用中可能會受到限制，但是在大多數情況下，DPPM格式都能有效提高PPM信號的傳輸速率。圖1所示為DPPM和PPM格式的信號時序示意圖。

圖1 OOK調制、DPPM和PPM格式的信號時序示意圖Figure 1 Schematic diagram of signal timing in OOK, DPPM and PPM formats

對于時隙長度為L位的PPM和DPPM格式信號，其傳輸特性對比如表3所示。

表3 PPM和DPPM格式信號傳輸特性對比

2 DPPM信號仿真傳輸

為了對DPPM的傳輸特性進行初步仿真驗證，本文使用了基于Matlab和VPI Transmission Maker 9.9兩種軟件的仿真傳輸平臺,其中Matlab軟件主要用于生成待傳輸的DPPM信號以及獲得接收到的DPPM信號中的BER等信息；VPI軟件主要用于仿真DPPM信號在光域傳輸的系統模型，并將經過光系統傳輸后的數據反饋給Matlab軟件。

2.1 IMDD系統DPPM傳輸

首先進行了DPPM信號在IMDD系統中的仿真傳輸，用于同后面的相干傳輸DPPM進行性能對比。由于DPPM信號本身也是強度調制信號，所以使用IMDD系統傳輸是完全適配的。仿真搭建的傳輸系統示意圖如圖2所示。

圖2 仿真搭建的IMDD信號傳輸系統Figure 2 Signal transmission system of IMDD in simulation

由圖可知，將Matlab軟件中生成的DPPM強度信號數據導入到VPI仿真傳輸平臺中，通過單個MZM進行調制，將射頻信號的振幅調制到光載波上。調制器輸出的光信號通過VOA進行接收端光信號的功率調節，以模擬空間激光通信中的光波衰減現象。最后使用一個PD進行光/電轉換，將光信號中的強度信號數據傳輸給Matlab軟件端進行BER判決等處理。發射端的激光器選定為傳統的外腔激光器(External Cavity Laser，ECL)，其線寬設定為100 kHz，輸出的光強度為15 dBm。

傳輸的DPPM信號為8階DPPM，即每幀信號用8個時隙傳輸3 bit的數據。將采樣率選定為40 GBaud，每個時隙的時間長度設為12個采樣周期，于是信號的傳輸速率為40×3/(12×8)=1.25 Gbit/s。圖3所示為在此傳輸速率下接收到的DPPM信號BER與接收端光功率(Received Optical Power ，ROP)間的關系。由圖可知，對于在IMDD系統中傳輸的DPPM信號，其誤碼大概在接收端信號光功率為-35 dBm時開始出現，之后BER快速上升，在接收端信號光功率約為-36.5 dBm時，BER達到代價為7%的硬判線。隨著信號光功率繼續下降到約-40 dBm后，接收端信號已經無法正常解碼了。以硬判線為指標來看，在IMDD系統中傳輸的DPPM信號能夠容忍的最小信號路光功率約為-36.5 dBm。

圖3 IMDD系統中傳輸DPPM信號的ROP性能曲線Figure 3 ROP performance of transmitting DPPM signal in IMDD system

2.2 相干光系統DPPM傳輸

在IMDD系統之后，本文對DPPM信號在相干光傳輸系統中的傳輸進行了仿真研究。相干光傳輸系統由于其大傳輸容量和高接收靈敏度等特點被廣泛應用于高速長距離光纖傳輸。由于其接收端可以使用一個額外的本征激光器對信道傳輸過來的信號進行光場重建，所以相干探測可以顯著提高信號的接收靈敏度。對于空間激光通信中無中繼導致的接收端信號光功率較小的問題，可以使用相干探測的方式進行功率補償[11]，所以使用相干傳輸系統提高DPPM信號在低功率情景下的性能是完全合理的。仿真搭建的傳輸系統示意圖如圖4所示。

圖4 仿真搭建的相干光傳輸系統Figure 4 Coherent optical transmission system under simulation condition

由圖可知，除了調制器和接收機的差別以外，相干傳輸系統對比IMDD系統在接收機端還多了一個LO而不只是使用信號與自身拍頻的結果。

仿真時使用的信號載波激光器選定為傳統的ECL，線寬設定為100 kHz，其中心波長為1 550 nm，輸出光功率為15.5 dBm。接收端的LO線寬設定為100 kHz，其中心波長相比信號載波偏移了1 GHz左右以避免快速的包絡調制，輸出光功率也為15.5 dBm。通過改變傳輸信道中的VOA來控制進入相干接收機的信號光功率。在進行對DPPM格式信號的仿真傳輸時，首先針對信號不同速率的結果進行了對比，其中信號速率是由調節每個時隙所占的時間長度調整的，結果如圖5所示。

圖5 相干光傳輸系統中不同速率DPPM信號的ROP性能曲線Figure 5 ROP performance of DPPM signals with different rates in coherent optical transmission system

由圖可知，隨著傳輸速率的增加，在相同接收端光功率的情況下，接收端BER會逐漸劣化，而且傳輸速率越低，由于信號光功率升高得到的BER提升也越快。對于實現零誤碼傳輸的目標，傳輸1.25 Gbit/s速率的DPPM數據只需要-57 dBm的信號路光功率；傳輸1.875 Gbit/s速率的DPPM數據只需要-56 dBm的信號路光功率；而傳輸3.75 Gbit/s速率的DPPM數據在信號路光功率為-50 dBm時仍無法達到零BER。說明此時的信號時隙所占時間過短，在此傳輸信道下更容易發生誤碼。對于實現硬判線的傳輸目標，傳輸1.250、1.875和3.750 Gbit/s速率的DPPM信號需要接收端光功率分別約為-60、-58和-55 dBm，對比實現零誤碼時所需的光功率需求適當放寬，并且3種速率情況下所需的功率差距也更小。

之后探究了接收端本振光功率對信號性能的影響。實際上，接收端的本振激光功率在一對多傳輸等應用場景下也會受到限制，所以研究接收端本振光功率對信號性能的影響也是很有意義的。仿真驗證了傳輸速率為1.25 Gbit/s的DPPM信號分別在接收端信號光功率為-58、-59和-60 dBm 3種情況下的傳輸，接收端本振光功率從-2～15 dB進行了掃描，仿真結果如圖6所示。

圖6 不同功率的DPPM信號關于本振光功率的仿真性能曲線Figure 6 Simulation performance of DPPM signals with different power with respect to intrinsic optical power

由圖可知，隨著接收端本振光功率降低，DPPM信號的BER也在不斷上升。對于實現硬判線的傳輸目標，傳輸接收端信號功率為-58、-59和-60 dBm的1.25 Gbit/s速率DPPM信號需要接收端本振光功率分別約為4、7和15 dBm，說明信號路1 dB的光功率提高能使接收端對本振光功率提出更高的容忍度。其中，信號路光功率為-58 dBm的信號BER相較于光功率為-60 dBm的信號劣化更快，這一現象在本振光功率低于4 dBm時更為明顯，此時的BER劣化程度和本振光功率的降低已經接近線性關系。而由曲線的趨勢來看，即使本振光功率可以進一步增加，對傳輸信號的BER的提升也會越來越有限，很有可能無法將信號性能降低到零誤碼。實際上，即使接收端本振光功率從15 dBm降低到13 dBm，信號光功率為-58 dBm的信號BER也要遠好于本振光功率為15 dBm、信號光功率為-60 dBm的信號，這一現象說明在接收端解調信號時，信號路的光功率要比本振光功率更為重要，所以對信號路光功率進行提升才是提升傳輸性能的關鍵。

由IMDD和相干傳輸系統的仿真結果可知，在相同的傳輸信道，傳輸速率為1.25 Gbit/s的DPPM信號時，兩者達到硬判線所需的信號路光功率分別為-36.5和-60.0 dBm。相干傳輸系統對比IMDD傳輸系統提升了約24 dB的光功率裕度，所以相干傳輸系統在低信號光功率傳輸的場景中具有非常大的優勢。

3 DPPM實驗傳輸

3.1 相干實驗傳輸平臺介紹

在本實驗室的傳輸實驗平臺上，對DPPM信號進行了傳輸，傳輸所用的相干收發機系統與傳統的相干收發機一致。實驗裝置系統如圖7所示。

圖7 相干光傳輸實驗裝置圖Figure 7 The structure of coherent optical transmission

發射端使用的是普通的四通道ECL(型號為Alnair Labs，TLG-200)，線寬為100 kHz，輸出光功率為15.5 dBm，輸出波長為1 550 nm。在Matlab軟件中提前將DPPM信號轉換為數字輸出，然后使用一個65 GSa/s采樣率的AWG(型號為Keysight M8195A)將數字信號轉換為模擬信號并輸出給電放大器(型號為CENTELLAX OA3MHOM)，放大后的DPPM電信號被單偏振的鈮酸鋰I/Q調制器(型號為Fujitsu FTM7961EXT)調制到光載波上，從而實現信號的電/光轉換。傳輸信道主要由定長光纖和VOA組成。在接收端將接收到的光信號輸入到ICR(型號為Fujitsu FIM24706)中，本振光選用的是四通道ECL的另一個輸出通道，輸出光功率設定為12 dBm。ICR的輸出端接100 GSa/s采樣率的示波器(型號為Tektronix DPO73304D)，其輸出被導入Matlab軟件進行后續的BER計算等處理。整個相干傳輸平臺的實況圖如圖8所示。

圖8 傳統相干光傳輸平臺實況圖Figure 8 Live picture of traditional coherent optical transmission platform

3.2 相干傳輸實驗結果與分析

首先對不同速率的DPPM信號在不同信號路光功率的情況下進行了傳輸，傳輸所用的相干收發機系統如2.2節所述，實驗傳輸性能結果如圖9所示。

圖9 不同速率的DPPM信號關于接收端光功率的實驗性能曲線Figure 9 Experimental performance of optical power at receiving end under different rates of DPPM signals

由圖可知，實驗傳輸的結果同仿真結果在趨勢上基本一致。隨著傳輸速率的增加，在相同接收端光功率的情況下，接收端BER會逐漸劣化。而且傳輸速率越低，由于信號光功率升高得到的BER提升也越快。對于實現零誤碼傳輸的目標，傳輸3 Gbit/s速率的DPPM數據需要約-48 dBm的信號路光功率，傳輸6 Gbit/s速率的DPPM數據需要約-44 dBm的信號路光功率，傳輸12 Gbit/s速率的DPPM數據需要約-37 dBm的信號路光功率，而傳輸24 Gbit/s速率的DPPM數據在信號路光功率為-35 dBm時仍只是剛超過硬判線而無法達到零BER。說明此時的信號時隙所占時間過短，在此傳輸信道下更容易發生誤碼。對于實現硬判線的傳輸目標，傳輸3、6、12和24 Gbit/s速率的DPPM信號需要接收端光功率分別約為-49、-47、-42和-36 dBm，對比實現零誤碼時所需的光功率需求適當放寬，并且4種速率情況下所需的功率差距也更小。

然而實驗結果相比于仿真結果對于信號路所需的功率并不完全一致。仿真中對于傳輸3.75 Gbit/s速率的信號達到硬判線的目標需要信號路光功率約為-55 dBm，而實驗中對于傳輸3 Gbit/s速率的信號達到硬判線的目標需要信號路光功率約為-49 dBm，這里有了約6 dBm的光功率差距。但是可以認為這一差距是由于實驗鏈路中器件本身的帶寬特性損傷、調制器偏置點的抖動、AWG和示波器的量化噪聲等等因素造成的，而這些非理想特性在仿真中無法完全被考慮進去，所以實驗傳輸的性能劣于仿真的性能是合理的。

之后在實驗的傳輸鏈路中模擬了不同長度的光纖對信道的干擾。在接收端信號光功率固定為-50 dBm，接收端本振光功率固定為10 dBm的情況下，分別進行了長度為50和100 km的光纖傳輸，實驗結果如圖10所示。

圖10 不同速率的DPPM信號關于光纖長度的實驗性能曲線Figure 10 Experimental performance of DPPM signals with different rates on optical fiber length

由實驗結果可知，對于傳輸速率為6、12和24 Gbit/s的DPPM信號，在信道加入定長光纖后都會使信號的性能發生劣化，即隨著光纖長度的增加，傳輸性能都會逐漸變差，這是由于光纖引入的色散等效應導致的。另外，實驗中由于光纖具有損耗，同時也使用了VOA調節光功率，所以可以很好地模擬仿真中的衰減。仿真和實驗的信道模型可以近似為一致。

4 結束語

本文針對空間相干激光通信系統，對于高能效高靈敏度的調制問題，針對DPPM格式進行了理論研究和實驗驗證，實驗結果表明，在IMDD和相干光通信傳輸系統中，在相同的傳輸信道，傳輸速率為1.25 Gbit/s的DPPM信號時，兩者達到硬判線所需的信號路光功率分別為-36.5和-60.0 dBm。相干傳輸系統對比IMDD傳輸系統提升了約24 dB的光功率裕度。對于實現硬判線的傳輸目標，傳輸3、6、12和24 Gbit/s速率的DPPM信號需要接收端光功率分別約為-49、-47、-42和-36 dBm。論證了采用DPPM格式/相干探測能夠得到更高的靈敏度及更低的BER。同時分析了不同傳輸速率、不同接收端光功率和傳輸不同長度光纖的BER性能，對于進行實際DPPM信號在空間相干光通信系統的傳輸具有一定的指導意義。