軟件定義光網絡的編碼方法與應用

肖江南　余建軍　遲楠

摘要：提出了一個新的產生光矢量偏移正交相移鍵控（OQPSK）信號方法，該方法僅使用一個強度調制器（MZM）和載波抑制技術，利用光電二極管的平方律檢測特性，對強度調制器驅動信號的幅度和相位進行預編碼處理，而且采用Turbo均衡技術提高了矢量正交移相鍵控（QPSK）信號系統的傳輸性能。實驗證明，傳輸40 km單模光纖后，當誤碼率（BER）為10-4時，1/2和2/3碼率的Turbo均衡QPSK信號的接收機靈敏度比原始QPSK信號分別提高了4 dB和3 dB。實驗結果說明，Turbo均衡技術在光矢量信號傳輸系統中具有較好的糾錯和抗色散能力。

關鍵詞： 光纖通信；矢量信號；Turbo均衡技術；矢量正交移相鍵控信號；軟件定義光網絡

Abstract： We propose a novel method to generate signal of optical vector offset quadrature-phase-shift-keying （OQPSK） by using only one Mach-Zehnder modulator （MZM） and carrier-suppression technology. By detecting the “square-law” of photoelectric diode， the amplitudes and phase of the driving signal of MZM can be pre-coded. Turbo equalization improves transmission in the QPSK signal system. The received sensitivity of QPSK turbo equalization vector signal with code rate 1/2 and 2/3 at BER = 10-4 after 40 km SMF transmission are increased by 4 dB and 3 dB than the original QPSK signal， respectively. The experimental results show that the QPSK signal with turbo equalization has better dispersion compensation and error-correcting ability.

Key words： optical communications； vector signal； turbo equalization； QPSK signal； software-defined optical networks

隨著現在信息業務和網絡持續增長，以及用戶對信息差異化需求等出現，光網絡的信息傳輸向大容量、遠距離、方便性、安全可靠性等方面發展。而軟件定義光網絡利用軟件編程的方式根據用戶或運營商需求，利用軟件編程方式進行動態定制，從而具有快速響應請求、高效利用資源、靈活提供服務等優點，使網絡更具有靈活性和開放性，是近幾年光網絡研究的熱點之一。為滿足通信網絡持續增長的帶寬要求，最終實現在需要時可提供及時的、任意地點的和高速可靠的信息接入，未來的寬帶接入網絡必須兼具無線通信和光纖通信這兩種技術的優勢并將兩者進行無縫融合。采用光纖無線融合接入系統，能夠突破電子帶寬瓶頸，適用于不同場合的高速光無線融合通信[1-5]。利用光子輔助技術產生毫米波的常見做法是采用由兩個獨立激光器產生的光子拍頻，其中在一個光子上加載入已調制的基帶信號，而另一個波長不同的光子作為參考源，拍頻經過光電轉換后就可以產生寬帶的高速高頻譜效率的矢量毫米波信號[6-11]。但由于兩個自由光波頻率的非鎖定性，這種方法產生的毫米波頻率精度不高，相位噪聲較大，難以滿足高精度測量的要求，成本也較高。另一種方法是利用鎖頻鎖相激光器或者光頻梳的方法，這種方法產生的毫米波頻率雖然較穩定，但也存在成本較高、結構較復雜的問題。采用基于光學調制器多倍頻產生毫米波的方法，由于光學調制器本身具有非線性，可以用來實現倍頻的功能，通過低頻的微波信號驅動光學調制器可以產生高頻率的諧波，從而可以生成可調諧、穩定的寬帶毫米波[12-15]信號。這種方法在提高所得毫米波頻率純度的同時，簡化了光生毫米波結構的復雜度并降低成本。此外，這種基于外部調制的光多倍頻技術可以進一步與高譜效率的矢量調制相結合，產生高譜效率的矢量毫米波信號，同時大幅度降低對發送端光電器件帶寬的要求。文獻[16]使用同相/正交（IQ）調制器產生矢量正交移相鍵控（QPSK）矢量信號，但由于IQ調制器使用3個直流電源來控制矢量信號的產生，這種產生方法不但系統成本高，而且系統不穩定。在光通信系統中，由于光纖色散和非線性效應產生符號間干擾（ISI），嚴重地干擾傳輸系統的傳輸性能。為了減少甚至消除符號間干擾（ISI），通常采取均衡技術來補償光纖信道色散和非線性效應。Turbo均衡技術是目前較好的均衡技術之一。Turbo均衡技術將均衡技術與Turbo迭代譯碼技術相結合，使Turbo中的均衡器具有處理輸入先驗信息與輸出后驗信息的功能。Turbo中的均衡器與Turbo譯碼器進行信息交換，降低Turbo編碼技術的算法復雜度。而且Turbo均衡技術保留了Turbo碼的交織、譯碼和迭代技術等功能，在高速光傳輸系統中，Turbo均衡技術相對傳統的均衡器與譯碼器分開的傳輸系統，傳輸性能明顯提高。

本文使用一個強度調制器采用載波抑制技術產生QPSK矢量信號，而且使用Turbo均衡技術來提高傳輸系統性能。實驗結果驗證該技術能簡化矢量信號的產生，節約系統成本，而且Turbo均衡技術能提高光纖傳輸系統性能。

1 矢量QPSK信號產生

原理和Turbo均衡原理

本傳輸系統是使用Turbo均衡技術來提高矢量QPSK信號傳輸系統性能，該系統QPSK矢量信號產生主要是利用光電二極管（PD）的轉換規則把經過預編碼的QPSK信號轉換為規則的QPSK信號，而且在該系統中利用Turbo均衡技術來降低系統色散對系統的影響提高傳輸性能。

1.1 矢量QPSK信號產生原理

其中[R]為光電探測器轉換效率。可以看出驅動MZM的射頻信號fs，通過本方案得到的RF信號頻率為原始信號的2n1倍，光電轉換之后信號的幅度和相位都發生了改變，iPD的相位為驅動信號的2n1倍，iPD的信號幅度為驅動信號幅度的J2 1（bA）倍，為了使光電探測器的輸出iPD為所需的信號，必須對原始信號進行預編碼后再用于驅動MZM。將驅動信號的相位變為所需信號相位的1/（2n1），幅度為所需信號相位的1/J2 1（bA），在經過光電探測之后就可以得到正確的相位信號。

當直流偏置電壓VDC=0時，奇數階邊帶被抑制，偶數階邊帶功率達到最大，MZM和濾波器后的輸出跟上述相應的表達式類似。PD轉換后的信號與式子（4）一樣，在這里不再詳細說明。

本系統為基于載波抑制方法產生QPSK矢量信號，QPSK矢量信號產生原理過程如圖1所示。該系統選取2個1邊帶作為載波。首先發送端QPSK信號經過相位預編碼，然后上變頻到fs，QPSK矢量信號產生如圖1（a）所示，QPSK矢量信號相位預編碼過程中預編碼前后對應的星座圖分別為圖1（d）和（c）所示，MZM前后光譜示意圖如圖1（b）和（c）所示。

1.2 Turbo均衡原理

Turbo迭代均衡技術把Turbo編譯碼技術和信道均衡技術結合起來，通過多次迭代，在均衡器和譯碼器之間充分交換外信息來獲得系統性能的提高，用來提高傳輸系統性能，通過采用合適的均衡技術降低Turbo迭代均衡技術的復雜度。Turbo迭代均衡技術由均衡器和譯碼器組成，均衡器和譯碼器通過迭代方式進行工作。均衡器和譯碼器使用軟輸入軟輸出方式，首先對輸入的信號處經均衡器后得到信息的軟輸出，經解映射和相應的處理得到信號的外信息，該信息經解交織后，得到均衡技術中譯碼器需要的先驗信息，譯碼器利用解交織后的先驗信息計算軟輸出的外部信息，經交織器后，又可以得到均衡器的先驗信息。而且均衡器可再次利用先驗信息和接收信號進行相應的處理又能獲取外部信息，這樣進行新的迭代處理。經過幾次迭代處理后，系統性能基本穩定，從譯碼器判決輸出信號結果。Turbo迭代均衡分為基于最大后驗（MAP）均衡和基于最小均方誤差（LMMSE）均衡等，圖2為基于MAP技術的Turbo均衡。

在均衡技術的MAP均衡部分，MAP均衡器通過接收信號和利用先驗信息，得到本次碼元的似然比[LE（xn）]，[LE（xn）]經過解交織后進入MAP譯碼器，MAP譯碼器輸出[LD（un）]，[LD（un）]是由外部信息和內部信息構成，其中外部信息是在譯碼處理中由當前時刻以外的接收碼元中得到，通過減去輸入[LE（cn）]得到：

2 實驗結果和分析

為了驗證上述所示的QPSK矢量信號產生方法，我們通過載波抑制技術實驗驗證這個原理。圖3為實驗結構圖，外部腔式激光器（ECL）波長為1 563.684 nm，輸出功率為13.98 dBm，經過EDFA放大后輸出功率為19.98 dBm。任意波形發生器（AWG）輸出的經過預編碼頻率在7 GHz的矢量QPSK射頻信號，矢量QPSK的產生原理如圖1（a）所示，偽隨機碼（PRBS）首先經過QPSK映射，Turbo編碼，然后經過相位預編碼，上變頻得到頻率為7 GHz的矢量QPSK信號。這個QPSK矢量信號產生是離線通過Matlab形成。AWG輸出的矢量QPSK信號經過帶寬為10 GHz的放大器放大后調制到MZM上得到光矢量QPSK信號。AWG的采樣率為24 GSample/s，QPSK發送速率為1 Gbaud。MZM具有2.7 V半波電壓，-3 dB帶寬為30 GHz和5 dBm插入損耗，MZM偏置電壓設置為最小點，這樣產生載波抑制，我們選擇2個1階邊帶作為載波，這樣得到14 GHz的載波。MZM前后光譜分別如圖3（b）和3（c）所示，光譜圖3（b）和3（c）的分辨率為0.02 nm。光譜圖3（c）兩個1階子載波的間隔為14 GHz。2個1階邊帶比其他邊帶高20 dB左右。經過40 km的單模光纖（SMF-28），再通過3 dB帶寬為60 GHz的光電二極管（PD）接收，把光矢量QPSK信號轉換為規則的QPSK信號。PD轉換后的電譜圖如圖3（d）所示。然后通過3 dB帶寬為16 GHz，采樣率為40 GSample/s的力科示波器進行采集信號。這些采集的信號經過離線DSP處理，DSP處理過程包括信號下變頻，色散補償，信號重采樣，CMA均衡，殘余頻偏估計，相位糾正，差分譯碼，Turbo均衡譯碼等過程。Turbo均衡采用基于MAP均衡，隨機交織方式和8次迭代處理過程。

圖4為接收光功率對應的誤碼性能曲線圖。從圖4可以看出，在BTB和40 km SMF傳輸后，碼率為1/2的Turbo均衡QPSK信號誤碼性能最好，原始的QPSK誤碼性能最差。當誤碼率（BER）為10-4時，1/2和2/3碼率的Turbo均衡QPSK信號的接收機靈敏度比原始QPSK信號分別提高了4 dB和3 dB。實驗結果說明，Turbo均衡技術能提高光矢量信號傳輸系統和降低光纖鏈路色散的影響，具有較強的糾錯能力。而且該系統產生QPSK矢量信號結構簡單，Turbo均衡技術算法復雜度低，為以后光傳輸系統發展的方向之一。

圖5為傳輸40 km SMF后，在接收光功率為-4 dBm時，QPSK信號DSP處理過程中不同處理過程對應的星座圖。主要包括CD補償，信號重定時，CMA均衡，殘余頻偏估計和相位恢復等處理過程。

3 結束語

本文提出了基于載波抑制技術產生QPSK矢量信號，QPSK矢量信號通過預編碼后上變頻得到QPSK矢量射頻信號，然后通過MZM調制得到光矢量信號，通過載波抑制選取2個1階邊帶作為載波，利用光電二極管的平方律規則得到規則的QPSK信號。該方法只是用一個MZM調制器，結構簡單。而且該傳輸系統使用Turbo均衡技術降低光傳輸系統色散影響，提高光傳輸系統的誤碼性能和降低算法復雜度。通過實驗驗證了1 Gbaud速率QPSK矢量信號通過碼率分別為1/2和2/3的Turbo均衡方法后，系統誤碼性能提高了不少，說明該技術具有可行性。

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