光学系统的双二进制调制格式综述

Rupinder Kaur和Sanjeev Dewra
印度旁遮普省费罗兹普尔市沙希德·巴加特·辛格州立技术校园欧洲经济学院

摘要

在城域光网络中，随着容量的不断增长和需求，高比特率传输已成为通信的重要组成部分。双二进制调制是在带宽有限的信道上传输高速光信号的更有效的格式。用于长途和WDM传输链路的双二进制调制格式具有频谱宽度窄、对光纤非线性的敏感性低、色散容差大、传输性能好、配置简单、性价比高的特点

关键字

振幅移键控(ASK)，双二进制调制(DM)，马赫赞德调制器(MZM)，不归零(NRZ)，相移键控(PSK)，归零(RZ)。

介绍

光双二进制格式近年来备受关注，因为光双二进制信号的光谱带宽较窄，比标准的非归零(NRZ)信号具有更高的光谱效率和更好的色散容忍能力。光学双二进制是一种有效提高光谱效率的调制格式。针对DWDM系统[3]中调制信号谱宽较窄的问题，提出了双二进制调制格式，通过提高放大器有限带宽的带宽效率来减小信道间距，从而提高传输容量。该调制方案具有较高的色散容限，可以消除精确的色散补偿[4]。双二进制调制具有较大的色散容限，适用于光城域网[5]。它的实现简单，高色散公差和增强的频谱效率都是波分复用传输系统[6]的诱人特性。双二进制调制是一个有吸引力的候选，因为它是频谱效率(~0.8 b/s/Hz)[7]。与标准的非归零(NRZ)格式相比，光学双二元调制对受激布里渊散射(SBS)[8]的起始阈值也更高。为了提高传输能力，双二进制调制格式由于其窄的频谱宽度和对色散[9]的高容忍度而变得非常有吸引力。

贷方。[10]展示了一种新的数字数据传输方法，称为双二进制和相关，由于信号状态之间的相关性，在任何带宽有限的媒体上大幅提高速度。特定的代码使用载波调制或不使用载波调制。在错误检测过程中，可以观察到，对于这种类型的系统，没有必要在原始数据流中引入冗余数字。Price和Mercier el at。[11]分析了一种具有改进色散容限的低带宽光数字强度调制。提出了一种简单的三电平驱动波形驱动的铌酸锂MZ调制器光调制方案。与现有的用于高数据速率传输的两级IM方法相比，所获得的两级强度调制光信号具有更小的光带宽，因此具有更大的色散公差。Yonenaga和柴田el在。[12]实验分析了接收灵敏度无退化的光学双二进制传输系统，提出了一种新型的接收灵敏度无退化的光学双二进制传输系统。 The transmitter yields a narrowband optical signal and the receiver configuration is as simple as a binary intensity-modulation and direct-detection receiver. The feasibility of the proposed system is experimentally confirmed at 2.5,5 and 10 Gb/s. Jansen, Spalter, Weiske, and Escobar el at. [13] demonstrated and experimentally analysed comparison between NRZ and duobinary modulation at 43 Gb/s for midlink spectral Inversion -Based and DCF-based transmission systems. The performance of midlink spectral Inversion is compared with the performance of conventional dispersion compensation fiber -based transmission for two data formats: 43-Gb/s ON–OFF keying nonreturn-to-zero and 43-Gb/s duobinary is analysed. In the MLSI-based system, a polarization-diverse subsystem was used for spectral inversion employing magnesium-oxide-doped periodically poled lithium niobate waveguide technology. The transmission link consists of 8 × 100 km standard single-mode fiber using erbium doped fiber amplifiers for amplification. It was concluded that Compared to the DCF-based system, it was seen that the MLSIbased configuration enhances the dispersion tolerance for both the NRZ and the duobinary modulation formats.

小野、矢野、深一和江村埃尔在。[14]在Terabit/s容量、高光谱效率的WDM系统中展示了光双二进制信号的特性。

双二进制的信号

光学双二进制是一种调制格式，提供高光谱效率和高容忍色散。双二进制调制可以描述为传统的基于ask的调制和相移键控(PSK)的组合。根据实现的不同，光学双二进制传输可以理解为具有相位编码位和减小谱宽的多级传输。双二进制传输技术是在20世纪60年代由a . Lender首次提出的，作为一种通过具有高频截止特性的电缆传输二进制数据的手段。近年来，双二进制调制[15]已应用于信道数据速率为10gb /s的高速光传输系统，以提高其色散容限。在双二进制调制格式中，由奇数个“0”分隔的“1”位的光学相位相差π弧度，如图1所示。

双二进制调制是一种振幅调制，其中位流被操纵以降低带宽和导致ISI(符号间干扰)的某些现象。以前的双二进制发射机是基于三电平电信号实现的。三电平信号的产生需要电气设备，如电气低通滤波器[16]。据报道，由于电低通滤波器[17]的缺陷，三电平信号导致系统性能随字长而下降。

双二进制调制是一种使用小于R/ 2hz的带宽[18]传输R位/秒的格式。双二进制信令又称关联编码，是电子通信时代发展起来的一种达到奈奎斯特极限[19]的有效手段。双二进制调制格式是基于在发射机的相邻位之间产生一种关系。这个过程的主要元素是双二进制生成滤波器，最好是由一个简单的前馈滤波器组成，在一个手臂上有位周期延迟，然后是一个在B/2[20]处截止的尖锐LPF。这种调制格式的两个主要优点是增加了对色散影响的耐受性和提高了光谱效率。第一个优点是可以在更长的光纤跨度上传输，而不需要色散补偿[21]。第二种假设是在波分复用(WDM)系统[22]中使通道的频谱更紧密。这两个优点通常归因于双二进制编码将矩形信号的全占空比的光带宽降低了2[23]。

基于双二进制传输的光纤通信系统

双二进制传输技术是Lender在20世纪60年代研究的一种将二进制数据传输到具有高频切断特性[10]的电缆的方法。近年来，该技术已应用于高速光传输系统，以避免因色散引起的波形失真。与常规IM信号相比，该光信号具有较窄的频谱带宽，对光纤色散[11]，[12]具有较高的耐受性。

基于双二进制滤波器的双二进制光纤通信系统框图如图2所示。在这种情况下，信息是指电信号或其他形式的信号。该信息由发射机传送，并通过光纤传递。接收端检测到它并将其转换为所需的形式。双二进制发射机的电气部分包括数据发生器、双二进制编码器和低通滤波器。对于传输，数据发生器主要是一个伪随机位序列，具有任意数据的特性。在发射端，预编码器的主要目的是产生无误差的双二进制信号。编码器用双二进制滤波器对双二进制信号进行编码。在光纤通信系统中，采用发光二极管(LED)或激光作为光振荡器或载波信号。低通贝塞尔·汤普森滤波器的作用是产生三级双二进制电信号，然后用MZ调制器对信号进行调制。 To travel long distance, they produce signal frequency with sufficient power. The amount of power radiation is proportional to the output current of the modulator. This modulated signal is transmitted via proper channel means fiber optic cable. It may be guided or unguided. This signal is demodulated to the receiving end, decoded and filtered. Receiver detects, amplifies and converts the signal to appropriate form [24].

A.伪随机二进制序列(PRBS)

伪随机数据生成器具有反映数据随机性的三个属性。首先，序列中的标记和空格(或“0”和“1”)的数量相差1。其次，连续的标记或空格字符串的概率与字符串的长度成反比。这意味着在伪随机二进制序列(Pseudo-random binary sequence, PRBS)中空格标记的行数中，每种长度为1的基金占一半，长度为2的基金占四分之一，长度为3的基金占八分之一，以此类推。最后，伪随机二进序列的自相关系数除原点外均近似为零。伪随机二进制序列的生成是通过使用移位寄存器实现的，其反馈具有三个属性，反映数据的随机性[25]。

B.双二进制滤波器

双二进制滤波器是产生编码双二进制信号的过程。双二进制滤波器是一种五阶贝塞尔滤波器，称为电模拟低通滤波器或汤姆逊滤波器[26]。LPF是一种滤波器，它通过低频信号，但降低频率高于截止频率的信号的幅度。在音频应用中，它也被称为高音切滤波器或高切滤波器。低通滤波器是高通滤波器(HPF)的替代品，而带通滤波器(BPF)是低通和高通的组合。

C.马赫岑德调制器(MZM)

双二进制电信号驱动MZ调制器产生光双二进制信号。Mach-Zender调制器精通振幅和相位的调制。由激光二极管产生的连续波或脉冲光波由外部Mach-Zender调制器调制。Mach-Zender (MZ)调制器的两个臂以推拉方式由两个电信号驱动。激光二极管和Mach-Zender (MZ)调制器组成了双二进制发射机的光学部分，即光双二进制信号。

来自二进制位的光双二进制信号

二进制数据可以通过添加二进制位并将比特流移到自身来实现。例如，二进制位序列为10110010。移位的第一位是0。双二进制编码器的传递函数为H (z) = 1 + z - 1。在解码器方面，逆传递函数将是H (z) G (z) = 1或G (z) = 1 / (1+z - 1)，如图3所示。

光双二进制信号的产生

用于光学双二进制信号格式的发射机原理图如图4所示。然而，驱动数据调制器的信号不是原始的NRZ数据，而是双二进制编码的数据序列[27]。编码过程中的每个步骤如表1所示。这个过程的第一步是给原NRZ喂食

数据序列Dm到差分预编码器，以避免错误在接收端传播，导致前面接收到的数据不能正确恢复[28]，[29]。然后将预编码的数据序列Pm通过延迟添加电路(编码器)。编码器输出的数据序列用表1中的Bm表示。可以清楚地看到，原始数据位0导致Bm为0或2，而原始数据位1对应Bm = 1。如果使用编码后的数据序列Bm直接驱动数据调制器，由于Bm的符号总是正的，因此发射脉冲的符号总是相同的，因此不能抑制两个脉冲之间重叠引起的伪脉冲。在实践中，编码的数据Bm在驱动数据调制器之前被馈送到一个电放大器。电放大器的作用是将信号放大到所需的电平，并去除信号的直流分量(放大器是交流耦合的)。因此，驱动数据调制器的编码序列为Bm−1。从表1可以看出，原始数据位0 (Dm = 0)对应Bm−1 =±1，而原始数据位1 (Dm = 1)则使Bm−1的值为0，与它们的位置无关。然后通过RZ调制器将NRZ光双二进制信号转换为RZ光双二进制信号。 At the receiver, the square-law detector neglects the phase of a received pulse therefore, the received data sequence is the absolute value of the transmitted data sequence Bm−1. The received data sequence Bm−1 has to be inverted to recover the original data sequence Dm. It should be noted that if the original data sequence Dm is inverted before being fed to the precoder at the transmitter, the received data sequence Bm−1 is Dm.

不同格式双二进制的比较

A.不归零(NRZ)调制格式

最简单的调制格式是NRZ，其中脉冲在整个比特周期内都是开着的。大多数商业系统使用非归零调制格式[30]。在过去的几年中，NRZ一直是强度调制直接检测光纤通信系统中最领先的调制格式。在早期的光纤通信中，由于不感知激光相位噪声，相对于RZ和最简单的发射机和接收机配置，发射机和接收机需要一个中等低的电带宽，因此采用不归零的原因。NRZ脉冲的光谱很窄。这种谱宽的减小提高了色散容限，但对脉冲间的ISI有影响。当考虑高比特率和距离时，这种调制格式不适合。在密集波分复用系统中，NRZ脉冲的窄频谱使密集信道间距的实现得到了改进。

B.归零(RZ)调制格式

在RZ调制格式中，功率仅传输比特周期的一小部分。与非归零信号具有相同平均功率的归零信号具有比NRZ脉冲大两倍的频谱峰值功率。RZ调制信号最重要的特点是具有适度宽的光谱。大的光谱宽度导致基于rz的波分复用系统的光谱效率降低和色散容差降低。归零脉冲形状增强了对光纤非线性效应和偏振模色散(PMD)[31]的鲁棒性。RZ系统实现将系统接收机灵敏度提高到3db[32]。由于RZ脉冲的频谱较宽，其色散容差和光谱效率较低。RZ脉冲占空比小于单位。脉冲宽度的减小意味着更宽的信号频谱，使得该技术在DWDM系统中的实现不那么有趣。在基于rz的WDM系统中，每个通道可以容忍更高的光功率，从而提高最大传输长度。 The RZ modulation format is used for long haul optical communication systems working at higher bit rates.

上图显示了RZ发射机的框图，它基本上是一个NRZ发射机，带有一个额外的外部调制器，由一个电子时钟驱动，可以通过半数据速率的正弦信号实现。

C.双调制格式

光双二进制信号有两个强度电平“开”和“关”。“on”状态信号可以有两个光学相位0和Ã¯Â¿Â½Ã¯Â¿Â½之一。两个“开”状态对应双二进制编码信号的逻辑状态“1”和“-1”，“关”状态对应双二进制编码信号的逻辑状态“0”。根据双二进制编码规则，双二进制编码信号的逻辑状态“-1”、“0”和“1”分别对应原始二进制信号的逻辑状态“0”、“1”和“0”。因此，可以通过反转直接检测到的信号来恢复原始信号。用于光学双二进制信号格式的发射器原理图如图7所示。光双二进制信号格式的发射机配置与RZ信号格式的发射机配置相同。

与其他二进制格式相比，双二进制信号的光谱是非常压缩的。由于在光学双二进制频谱中，载波被有效地抑制，双二进制调制也被用于抑制sbs效应。与常规NRZ信号相比，该信号的频谱宽度减小了两倍。光学双二进制信号的谱宽减小是其与NRZ信号相比具有更好的色散容限的原因，并使WDM系统的频谱效率得到提高。

双二进制调制的优点

双二进制调制是高速光传输系统中提高光谱效率、增加色散容差和降低非线性效应敏感性的一种有效方法。光学双二进制编码也有助于提高模拟布里渊散射的发生阈值。DM是无补偿单模光纤的更好选择，因为它对色散的弹性更强。双二进制调制格式可用于高比特率的远距离通信系统。

结论

双二进制调制是无补偿单模光纤较好的选择，因为它对色散的弹性更强。结果表明，在高码率条件下，双元调制格式具有较低的误码率和较低的色散容忍度，更适合于远程光通信系统。它具有较高的频谱效率，也可用于长距离高速通信系统。在非线性色散光纤中，使用双二进制信号格式通常比非归零(NRZ)传输性能更好。通过对双二进制信号施加一些特殊的特性，可以大大提高系统的性能。

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