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1.DPSK傳輸系統模型

在DPSK光纖通信系統中，發射機主要由差分編碼器、激光源、MZ調制器組成，接收機則包括MZ干涉儀、平衡檢測器和一個電低通濾波器，傳輸媒介由一段或多段光纖組成，在每個中繼站有一個光放大器用來補償光纖的傳輸損耗，本文使用前置補償的方法。DPSK傳輸系統的模型如圖1至3所示。DPSK調制碼型為占空比為67%的RZ-DPSK（CSRZ-DPSK）碼，原始信號用40Gb/s的偽隨機二進制序列表示。系統工作波長為1550nm，傳輸距離為1200km，傳輸鏈路由15個環路段組成，每個環路段包括一段80km的單模光纖（SMF）和一段17km的色散補償光纖（DCF），使色散得到完全補償。SMF的前置摻餌光纖放大器（EDFA）用于補償環路段的衰減，并規定SMF的入纖光功率為4dB，DCF的前置EDFA規定DCF的入纖光功率為0dB，EDFA的噪聲指數為4dB，電濾波器為四階低通濾波器，截止頻譜為32GHz。

2.仿真結果分析

2.1調制格式的色散容限我們用眼圖張開度代價衡量不同調制格式對色散效應的容限。測量調制格式的色散容限時，所采用的傳輸鏈路與圖1稍有不同，只保留一段80km的SMF光纖，SMF光纖的參數設置中，去掉非線性效應和偏振模色散效應。保持光纖長度不變，通過改變SMF中色散系數的大小，測量接收信號的眼圖和背靠背信號眼圖，計算眼圖張開度代價（EOP）。EOP與色散值關系曲線如圖4所示。通過比較達到規定EOP時所允許的最大色散值，可對比圖中四種調制格式的色散容限。由圖4可以看出，在40Gb/s的單信道光傳輸系統中，各種調制格式的色散容限的上升趨勢基本相同，達到2dB眼圖張開度代價時，NRZ信號的色散容限最大，RZ-DPSK信號的色散容限最小。RZ格式相對于NRZ格式，其脈寬較小，頻譜較寬，所以受色散效應的影響比NRZ大。CSRZ-DPSK的頻譜寬度介于NRZ-DPSK和RZ-DPSK之間，所以它的色散容限高于RZ調制格式。由上面的仿真中知道，在傳輸系統中都必須考慮色散補償，因為普通的SMF每公里的色散值為17ps/nm/km，不管使用哪種調制格式，不加色散補償時，其傳輸距離只能限制在幾公里內[3]。

2.2調制格式的非線性容限在高速光纖傳輸系統中，非線性效應會導致光纖傳輸特性的劣化，如信噪比降低，信號失真等。對于單信道系統，自相位調制（SPM）是最主要的非線性效應[4]。搭建一個類似圖1結構的40Gb/s單信道光傳輸系統，傳輸距離為160km。在色散完全補償（不考慮偏振模色散）的情況下，使用SMF和DCF前面的放大器規定其入纖功率。通過改變SMF的入纖光功率的大小（引起光纖非線性的大小變化），測量受其影響的接收信號眼圖張開度，與背靠背眼圖張開度比較，得到眼圖張開度代價（EOP）。下圖為傳輸距離為160km時，NRZ、NRZ-DPSK、33%RZ-DPSK和CSRZ-DPSK四種調制格式的眼圖張開度代價隨SMF入纖光功率大小的變化曲線。通過比較達到規定EOP時所允許的最大SMF入纖光功率，可對比圖中四種調制格式的非線性容限。從圖中可看出，在40Gb/s的單信道光傳輸系統中，達到2dB眼圖張開度代價時，RZ-DPSK的非線性容限最大；其次是CSRZ-DPSK和NRZ-DPSK；NRZ的非線性容限最小。通過NRZ-DPSK與NRZ兩者的對比，驗證了DPSK的抗非線性性能比NRZ好；通過NRZ-DPSK與RZ-DPSK的對比，驗證了RZ碼型的抗非線性性能比NRZ碼型好。DPSK的非線性容限較高，是因為DPSK調制格式利用相鄰相位差來傳遞信息，在幅度上采用恒包絡調制，對于自相位調制（SPM），恒包絡調制每個碼元功率均分，所以產生的非線性相移基本一致，在接收端相鄰碼元之間的相位差保持不變，所以SPM對DPSK調制格式的影響比較小[5]。

傳輸距離的增加會造成非線性效應的累積，導致信號惡化，誤碼率增高。特別是在長距離傳輸系統中，ASE噪聲功率隨著光放大器數目的增多而增大，G-M效應（非線性相位噪聲）對傳輸信號的干擾也越來越大，降低了信號的最大傳輸距離。為了進一步驗證DPSK格式和OOK格式的非線性容限，我們研究了各種調制格式的接收性能和傳輸距離的關系。從圖中可以看出，在40Gb/s長距離傳輸中，RZ-DPSK的Q值最高，其次是CSRZ-DPSK和NRZ-DPSK，而NRZ最低。隨著傳輸距離的增加，四種調制格式的接收性能都呈下降趨勢，NRZ格式在800km時Q值已在5dB以下，因此在長距離傳輸當中一般不采用NRZ，而DPSK有較高的非線性容限，在長距離傳輸系統中明顯比傳統的強度調制格式有優勢，因而得到了廣泛的應用。在基于DPSK的調制格式中，RZ-DPSK具有較好的非線性容限，因而能更好地抑制非線性相位噪聲的影響，所以能傳輸更遠的距離。

3.結語

本文通過光通信仿真軟件OptiSystem7.0搭建了一個40Gb/s單信道1200km的光傳輸系統模型，并對DPSK格式在長距離高速率系統中的抗非線性效應和抗色散能力兩個方面來進行了仿真研究，驗證了DPSK比OOK更適合于在長距離高速率系統的傳輸。具體表述如下：（1）在40Gb/s的高速率長距離傳輸系統中，DPSK比NRZ的色散容限小，而CSRZ-DPSK的色散容限接近NRZ，說明載波抑制的DPSK能提高DPSK的抗色散能力。不管使用哪種調制格式，傳輸系統都必須考慮色散補償，因為普通的SMF每公里的色散值為17ps/nm/km，不加色散補償時，其傳輸距離只能限制在幾公里內。（2）在40Gb/s的高速傳輸系統中，DPSK的抗非線性效應的能力明顯高于NRZ。主要原因：DPSK調制格式利用相鄰相位差來傳遞信息，在幅度上采用恒包絡調制，使得自相位調制（SPM）對DPSK信號的影響比較小；DPSK調制格式采用平衡接收機，對光信噪比的要求比OOK調制格式低3dB。

作者：何嘉賢單位：廣東電網公司佛山供電局