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1碼型調(diào)制技術概述

1.1通過設計Mach-Zehnder調(diào)制器的偏置電壓可以產(chǎn)生強度和相位調(diào)制信號及RZ信號。其工作原理是利用兩個平行偏振的調(diào)相波合成實現(xiàn)調(diào)制功能[2]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在LiNbO3襯底上制造一對平行的條形波導，波導兩端各連接一個分支波導，構(gòu)成調(diào)制臂，條形波導的中間和兩側(cè)各有一對表面電極。輸入的光信號分成兩束，分別進入Mach-Zehnder調(diào)制器的兩個調(diào)制臂，對兩個調(diào)制臂施加電壓后，波導的折射率隨電壓大小而變化，引起附加相移，使得兩束光在輸出端發(fā)生干涉。通過控制施加在調(diào)制臂上的電壓大小即可實現(xiàn)對光信號的調(diào)制。Mach-Zehnder調(diào)制器的調(diào)制公式如下。式中，Vπ代表調(diào)制器工作時光強由最大變?yōu)樽钚∷璧拈_關電壓，又稱為半波電壓。

1.2NRZ碼與RZ碼光信號的碼型分為非歸零碼和歸零碼2種。NRZ是占空比為100%的碼型，通過對半導體激光器的外調(diào)制或直接調(diào)制即可產(chǎn)生NRZ碼，實現(xiàn)簡單。但NRZ碼受光纖非線性效應的影響較大，帶寬受器件特性的限制，在接收端容易出現(xiàn)誤碼，僅適于在低速率、短距離的系統(tǒng)中使用。目前，NRZ在光接入網(wǎng)和城域網(wǎng)中應用較為廣泛。NRZ碼的產(chǎn)生過程如圖2所示。RZ碼是指占空比小于100%的碼型，與NRZ碼相比，具有更大的非線性容忍度。根據(jù)占空比的不同，RZ碼型又可以分為占空比為33%的RZ33、占空比為50%的RZ50及占空比為67%的RZ67。RZ67信號由于抑制了載波，又稱載波抑制的歸零碼（CSRZ：carrier-suppressedreturn-to-zero）。目前，有兩種方法產(chǎn)生RZ信號：一種是通過對歸零脈沖源與信號的同步來產(chǎn)生RZ信號；另一種是產(chǎn)生NRZ信號后對其進行切割。第二種方法成本較低，且能夠產(chǎn)生各種占空比的歸零信號，因而應用較為廣泛。RZ碼由于信號占空比小，脈寬窄，在高速時分復用系統(tǒng)中有很大的優(yōu)勢。圖3是RZ碼的產(chǎn)生過程。NRZ碼頻譜寬度較窄，適用于WDM系統(tǒng)。RZ碼在一個比特周期內(nèi)的脈沖寬度較窄，平均光功率低，因而受非線性效應的影響較小，另外對偏振模色散（PMD：polarizationmodedispersion）的容忍度較好，適用于長距離傳輸系統(tǒng)。

2強度調(diào)制技術

強度調(diào)制技術采用光信號的振幅作為調(diào)制對象，即用有光信號通過代表二進制碼元‘1’，無光信號通過代表二進制碼元‘0’，因此又稱為開關鍵控（OOK：on-offkeying）調(diào)制格式。在發(fā)射端，通過強度調(diào)制器將電數(shù)據(jù)信號加載到光載波上，形成強度調(diào)制信號。OOK信號有2種生方案：1）采用內(nèi)調(diào)制技術，利用電信號改變激光二極管的注入電流來實現(xiàn)有無光信號的輸出，生成‘0’碼和‘1’碼。2）采用外調(diào)制技術，利用電吸收調(diào)制器或Mach-Zehnder調(diào)制器產(chǎn)生強度調(diào)制信號。在接收端，采用直接檢測的方案，利用光電探測器將光信號轉(zhuǎn)變成電信號進行抽樣判決。設定判決閾值為‘1’碼光信號強度的一半，抽樣時刻電信號強度大于閾值則判為‘1’碼，否則判為‘0’碼，從而還原出數(shù)據(jù)信號。

3相位調(diào)制技術

相位調(diào)制技術通過調(diào)制器將所需要傳輸?shù)碾姅?shù)據(jù)信號調(diào)制到光載波的相位上，即用0相位代表二進制碼元‘0’，用π相位代表二進制碼元‘1’，‘0’碼和‘1’碼信號的強度相同。在接收端，通過Mach-Zehnder延遲干涉儀將相位信號轉(zhuǎn)變?yōu)閺姸刃盘栠M行解調(diào)。相位調(diào)制技術在接收端普遍采用平衡檢測的方式，接收機靈敏度相比強度調(diào)制信號提高了一倍，因此相位調(diào)制信號可以傳輸更遠的距離。同時，由于接收機判決的閾值電平為零，與接收機輸入的光功率無關，因而相位調(diào)制信號相比強度調(diào)制信號而言，對光功率的變化具有更高的容忍度。此外，由于光功率均勻分布在相位調(diào)制信號的每個比特中，因而使得碼間串擾所導致的信號失真大大降低。這些優(yōu)點，使得它在抗噪聲方面優(yōu)于強度調(diào)制信號，已逐步取代強度調(diào)制信號成為光纖通信系統(tǒng)的主要調(diào)制格式。在相位調(diào)制格式中，目前應用較廣泛的是DPSK和DQPSK，實驗室中已經(jīng)產(chǎn)生了D8PSK信號。

3.1DPSK調(diào)制格式DPSK是差分編碼的相位調(diào)制格式，它利用相鄰碼元之間的相位變化{0，π}來對載波信號進行調(diào)制。若數(shù)字信息為“0”，則前后碼元的相位保持不變，；若為“1”則前后碼元之間的相位差為π。電數(shù)據(jù)信號首先經(jīng)過差分預編碼再進行相位調(diào)制。DPSK信號的發(fā)射機和接收機結(jié)構(gòu)如圖4所示。在發(fā)射端，電數(shù)據(jù)信號首先經(jīng)過差分預編碼后加載到調(diào)制器，將激光器射出的光信號調(diào)制成具有0、π相位的信號，式①是調(diào)制后的DPSK信號表達式，其中，是預編碼后的電信號：①在接收端，采用Mach-Zehnder延遲干涉儀將相位信號變成強度信號解調(diào)，延遲干涉儀的延遲時間設為一個比特周期。干涉相加和干涉相減的兩路光信號，在平衡探測器中轉(zhuǎn)變成電信號并相減，消去一部分噪聲。最后經(jīng)抽樣判決，恢復出輸入的數(shù)據(jù)信號。與強度調(diào)制信號不同的是，相位調(diào)制信號的判決閾值為0，即無論進入判決器的電信號強度是多少，閾值始終不變，降低了光信號強度擾動對接收機的影響。與OOK信號相比，DPSK具有相同的比特率，但接收端卻提高了3dB的靈敏度，在相同的輸入功率下可以傳輸更遠的距離。

3.2DQPSK調(diào)制格式DPSK調(diào)制格式中每個符號僅能攜帶一個比特，近年來，DQPSK調(diào)制格式由于有2bit的容量而逐漸成為研究的熱點，并開始被商用。DQPSK又稱為差分正交相位調(diào)制。與DPSK一樣，DQPSK也是差分編碼的相位調(diào)制格式，它用相鄰碼元之間的相位差承載信息，每一種相位代表2bit的信息。DQPSK系統(tǒng)如圖5所示。輸入的電數(shù)據(jù)信號首先經(jīng)過串并變換，變成兩路電信號，這兩路電信號經(jīng)過差分預編碼，加載到DQPSK調(diào)制器的兩臂，將光信號調(diào)制成具有上述4種相位的信號。在接收端，采用兩個Mach-Zehnder延遲干涉儀將相位信號變成強度信號，再由兩個平衡探測器得到兩路電信號進行抽樣判決。判決后的兩路信號經(jīng)并串變換后恢復出輸入數(shù)據(jù)。與OOK、DPSK等調(diào)制格式相比，DQPSK調(diào)制格式具有較窄的頻譜寬度和較高的頻譜利用率。研究表明，DQPSK信號對光纖的色度色散、非線性及偏振模色散等具有較大的容忍度。

3.3D8PSK調(diào)制格式D8PSK也是差分編碼的相位調(diào)制格式，它利用相鄰符號間的相位差。D8PSK信號的發(fā)射機和接收機結(jié)構(gòu)如圖6所示。D8PSK信號可以通過在DQPSK調(diào)制器后再級聯(lián)一個制深度為π/4的相位調(diào)制器產(chǎn)生。將預編碼后的兩路信號分別加載到并聯(lián)的兩個Mach-Zehnder調(diào)制器上，另一路信號延遲1bit后加載到π/4的相位調(diào)制器上。在接收端，需要4個Mach-Zehnder延遲干涉儀和4個平衡探測器。將延遲干涉儀的相位延遲分別設定為，前兩個延遲干涉儀輸出的信號經(jīng)判決后得到兩路信號，后兩個延遲干涉儀輸出的信號經(jīng)判決后進行異或得到第三路信號。D8PSK調(diào)制格式與DPSK、DQPSK相比，具有更高的比特/符號率，同時非線性效應和PMD的容忍度更高。但由于預編碼及調(diào)制解調(diào)方案相對復雜，目前還處于實驗階段。

4結(jié)束語

本文介紹了光纖通信系統(tǒng)中的碼型調(diào)制技術，包括強度調(diào)制和相位調(diào)制。重點闡述DPSK、DQPSK及D8PSK調(diào)制格式的原理和性能。隨著光網(wǎng)絡容量和速率的越來越高，傳統(tǒng)的OOK調(diào)制格式已經(jīng)較難滿足需求，而新型PSK、DQPSK、D8PSK等相位調(diào)制格式由于其頻譜效率高，抗噪聲能力強，對光纖的色度色散、非線性及偏振模色散容忍度高，而逐漸成為通信網(wǎng)絡中的主要調(diào)制格式。

作者：暢健單位：西安市地下鐵道有限責任公司