基於2DcodedPAM4調製方式的無源光網絡系統的製作方法
2023-04-24 15:10:31 2
本發明涉及光通信技術領域，具體地，涉及基於2D coded PAM4調製方式的無源光網絡系統。
背景技術：
近年來，隨著用戶帶寬需求的不斷增長，光接入網的容量危機迫在眉睫。下一代PON系統越來越關注更高的容量，因為帶寬需求已經遠遠超過了現有的GPON和EPON系統可以提供的容量。為了解決這一問題，ITU-FSAN和IEEE最近一直在調研高速無源光網絡系統中單波長傳輸超過10Gbps的問題。目前，一些具有較高的頻譜效率的先進的調製格式已經吸引了大家廣泛的注意，這些調製格式包括：optical duobinary,electrical duobinary和PAM4。研究表明，利用這些調製格式可以克服低帶寬光器件帶來的帶寬限制。
Duobinary調製逐漸引起了大家的關注,這種調製信號光譜寬度非常窄，只有NRZ信號帶寬的一半，對色散有較高的容忍度。這一特性使得它更適用於高速調製和傳輸系統。此外，duobinary信號可以對光強度直接檢測，不需要像DPSK那樣相干解碼，因此成本極大降低。Y.Lim等人於2004年在發表在Optical Fiber Technology的文章「Evaluation of transmission performance in cost-effective optical duobinary transmission utilizing modulator’s bandwidth or low-pass filter implemented by a single capacitor」中成功實現了optical duobinary。相比傳統的duobinary調製方案，作者的方案可以達到相似的自相位調製(SPM)容忍度。
通常electrical duobinary信號通過低通濾波器或者通過對預編數據序列延遲相加濾波後得到。相關研究表明，低通濾波器的帶寬只需要達到信號帶寬的0.25即可有效實現NRZ到duobinary的轉換。Zhengxuan Li於2015年發表在Optics Express中題為「28Gb/s duobinary signal transmission over 40km based on 10GHz DML and PIN for 100Gb/s PON」利用10GHz DML和PIN成功實現了28Gbps electrical duobinary信號的傳輸。
PAM4相比optical duobinary、electrical duobinary兩種調製方式僅僅通過增加幅度電平數來增加頻譜效率，實現方式已經逐漸成熟。PAM4有極大的潛力支持高速率傳輸同時提高成本效率，是NG-PON2中有力的備選調製方式。因此本發明專注於PAM4基礎上的研究。最近，Zhengxuan Li發表在2016年Optics Express中題目為「100-Gb/s TWDM-PON based on 10G optical devices」的對比了熱門的三種調製方式：NRZ、duobinary、PAM4。文章指出PAM4格式相對低階的調製格式，(例如OOK和duobinary)其靈敏度比較低。25Gbps PAM4相比相同比特率的PAM4功率預算小10dB，於是如何保持較高頻譜效率且提升功率預算成為亟待解決的問題。一個提升功率預算的備選方案是多維編碼調製。J.Renaudier發表在2016年Optical Fiber Communication Conference and Exhibition中題為「Multi-Dimension Coded PAM4Signaling for 100Gb/s Short-Reach Transceivers」成功實現了基於100Gbps收發機多維coded PAM4的短距離傳輸的。通過這個方案，接收機端的輸入功率可以減少0.8dB。因此，功率預算的提升使得多維coded PAM4調製在短距離傳輸中極具吸引力。
技術實現要素：
針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種基於2D coded PAM4調製方式的無源光網絡系統。
根據本發明提供的基於2D coded PAM4調製方式的無源光網絡系統，包括：光線路終端、饋線式光纖、分路器、分布式光纖以及若干光網絡單元；所述光線路終端通過饋線光纖連接至光分路器，由光分路器進行功率分路後通過分布式光纖連接至各光網絡單元。數據信號發射模塊對初始數據序列採用的調製方式為2D coded PAM4。
優選地，所述光線路終端包括2D coded PAM4數據信號發射模塊、摻鉺光纖放大器以及光濾波器，其中：
所述2D coded PAM4數據信號發射模塊由數據信號發生器和光調製器組成，用於產生待發送電信號，並進入光調製器轉換為光信號；
所述摻鉺光纖放大器用於對光調製器輸出光信號進行功率放大；
所述光濾波器用於頻域均衡，即進行啁啾管理，具體地所述光濾波器相當於陷波濾波器和頻率均衡器，用於減輕頻率啁啾造成的色散影響。
優選地，饋線式光纖和分布式光纖總長度能夠達到40Km。
優選地，所述光網絡單元包括：光電探測器和採樣數據信號處理單元，其中：
所述光電探測器，用於接收光信號，並將接收到的光信號轉換為電信號；
所述採樣數據信號處理單元，用於將採樣得到的數據信號恢復為發送信息並傳輸至用戶端。
優選地，所述2D coded PAM4數據信號發射模塊中的數據信號發生器特徵如下：通過二維PAM4星座的組合得到二維星座情況下的16個星座點，通過映射將每3bits映射為16個星座中間隔距離大的8個星座之一，使得每個星座符號由兩個連續的PAM4符號組成，即2D coded PAM4相當於未編碼的PAM4。
優選地，所述2D coded PAM4數據信號發射模塊中的光調製器採用：直調雷射器，或者外調製雷射器；所述直調雷射器包括採用：分布式反饋雷射器DFB、垂直腔面發射雷射器VSCEL、分布式布拉格反射雷射器DBR中的任一種。
優選地，光線路終端中的光濾波器採用：延遲幹涉儀。
優選地，所述光電探測器採用：光電二極體，或者雪崩二極體APD。
優選地，光網絡單元中的採樣數據信號處理單元能夠判決每個2D coded PAM4的星座點；假設2D PAM4中每個星座點的判決域面積為1，2D coded PAM4的判決域面積則變為2；2D coded PAM4能夠通過所述判決域來判決，所述門限是指每個2D coded PAM4星座點所在的判決域為2的菱形。
與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：
本發明有效的實現了2D coded PAM4數據信號在無源光網絡中的傳輸，相比傳統PAM4調製方式的實驗系統，本發明實現方式簡單，相同接收功率下可以實現更低的誤碼率；相比基於PAM4調製的無源光網絡系統，傳送相同數據信號，本發明可以獲得更高的功率預算。具體地，通過在無源光網絡系統中對比發現，2D coded PAM4相比PAM4表現出更好的性能；在光BtB傳輸時，其相比傳統PAM4可以獲得1.1dB的功率提升，在標準單模光纖20Km傳輸時，其相比傳統PAM4可以獲得1.4dB的功率提升。
附圖說明
通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯：
圖1為本發明所提供的基於2D coded PAM4調製方式的的結構框圖；
圖2(a)為2D PAM4的星座圖；
圖2(b)為2D coded PAM4的星座圖；
圖3(a)為系統中光BtB傳輸時，18.75Gbps PAM4信號眼圖；
圖3(b)為系統中光BtB傳輸時，18.75Gbps 2D coded PAM4信號眼圖；
圖4為Matlab仿真系統中，PAM4和2D coded PAM4誤碼率的對比圖；
圖5為實驗系統中，PAM4和2D coded PAM4在BtB和20Km情況下的誤碼率的對比圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。
本發明所提供的基於2D coded PAM4的無源光網絡系統，如圖1所示，一種基於2D coded PAM4調製方式的直調直檢的無源光網絡系統結構依次包括：2D coded PAM4數據信號發射模塊、摻鉺光纖放大器、光濾波器、饋線式光纖、光分路、光電探測器和採樣數據信號處理單元。初始信號序列通過2D coded PAM4模塊得到調製序列。2D coded PAM4模塊的工作原理如之前所述：2D coded PAM4表示通過二維PAM4星座的組合得到。連續的兩個PAM4符號的組合可以得到二維星座情況下的16個星座點。在這個過程中，通過一個映射將每3bits映射為16個星座中距離較大的8個星座之一。每個星座符號由兩個連續的PAM4符號組成也就意味著2D coded PAM4相當於未編碼的PAM4。當比較相同比特率的2D coded PAM4和PAM4兩種調製方式時，2D coded PAM4需要比PAM4高1/3的波特。這也表明了2D coded PAM4發送效率為1.5bits/symbol。在附加帶寬的代價下，最小歐氏距離會增加到原來的√2倍，而歐式距離的增大會帶來BER的減小。
經2D coded PAM4模塊調製後信號進入光直調雷射器，直調雷射器可以將電信號變為光信號。由於發射信號帶寬高於系統帶寬，發射信號通過帶限信道後信號會有受損。此外，直調雷射器不可避免地會帶來頻率啁啾，光信號頻譜會發生展寬。本發明中利用了光濾波器來消除以上影響。只需要將調整光濾波器的相關參數，即可有效恢復信號。在這個過程中，光濾波器充當一個陷波濾波器以減輕頻率啁啾造成的色散影響，同時模擬一個頻率均衡器。
通過標準單模光纖後的光信號通過衰減器後進入系統光電轉換模塊將光信號轉換為電信號。電信號進入數據採樣模塊後進行簡單的線下計算。PAM4可以通過三個電平來判決。2D PAM4會形成二維空間的16個星座，2D coded PAM4通過選取了16個星座中距離較大的8個星座點得到。假設2D PAM4中每個星座點的判決域面積為1,2D coded PAM4的判決域面積則變為2。同樣地，2D coded PAM4也可以通過門限來判決，只不過這裡的判決門限是每個2D coded PAM4星座點所在的判決域為2的菱形。
為了證實該系統的可行性，接下來結合具體實例說明。
光線路終端內信號發射機採用直接調製分布反饋式雷射器(DFB)，該雷射器帶寬為10GHz。輸出波長1550nm。雷射器上所加載的2D coded PAM4調製信號速率為18.75Gbps。
光纖為標準單模光纖，長度為40Km。
光網路單元端光電探測器採用光電二級管(PIN)探測器，帶寬為10GHz。
圖2(a)、圖2(b)分別為2D PAM4和2D coded PAM4的星座圖。可以很清楚地看見，2D PAM4星座圖中共有16個星座點，2D coded PAM4星座圖中共有8個星座點。2D coded PAM4星座點之間距離比PAM4星座點之間距離略大。
圖3(a)、圖3(b)分別為2D coded PAM4光信號對應的眼圖和PAM4光信號對應的眼圖。從眼圖中可以發現：2D coded PAM4眼圖中存在一個兩碼元的周期。
圖4為系統仿真中PAM4和2D coded PAM4的對比圖。對比PAM4和2D coded PAM4的傳輸性能發現，2D coded PAM4相比PAM4在相同誤碼率下可以提升2.3dB的功率增益。
圖5為實驗對比18.75Gbps PAM4、18.75Gbps coded PAM4和25Gbps PAM4在光BtB和20Km後的傳輸誤碼率圖。從誤碼率曲線可以發現：相比基於PAM4調製的無源光網絡系統，傳送相同數據信號，本發明可以獲得更高的功率預算。
以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變化或修改，這並不影響本發明的實質內容。在不衝突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特徵可以任意相互組合。