PON監(jiān)控系統(tǒng)中雙周期結構編碼器的性能分析*

陳　斯，張　旋，孫小菡（東南大學光傳感/通信綜合網(wǎng)絡國家地方聯(lián)合工程研究中心，電子科學與工程學院，南京210096）

PON監(jiān)控系統(tǒng)中雙周期結構編碼器的性能分析*

陳斯，張旋，孫小菡*
（東南大學光傳感/通信綜合網(wǎng)絡國家地方聯(lián)合工程研究中心，電子科學與工程學院，南京210096）

提出了一種用于PON監(jiān)控系統(tǒng)中的雙周期結構編碼器。討論并計算了不同結構，不同碼重的編碼器的性能，給出了具有最優(yōu)參數(shù)的雙周期結構編碼器。通過仿真驗證了雙周期編碼器的性能并與周期編碼器做了對比分析。結果表明，雙周期結構編碼器能夠顯著增加編碼脈沖幅度，從而降低對光接收機動態(tài)范圍的要求。

無源光網(wǎng)絡；光碼分復用技術；周期編碼器；動態(tài)范圍

無源光網(wǎng)絡（PON）監(jiān)控系統(tǒng)在減少網(wǎng)絡提供商運營、維護成本，提升網(wǎng)絡可靠性上發(fā)揮著不可替代的作用。據(jù)統(tǒng)計，80%的光通信故障發(fā)生在網(wǎng)絡最前端和最末端一公里內［1］。當通信網(wǎng)絡發(fā)生故障時，及時的探測與分析對恢復通信、降低損失有著決定性作用。與此同時，隨著PON系統(tǒng)容量不斷提升，分光比不斷提高，能夠有效監(jiān)測點到多點（PTMP）網(wǎng)絡的監(jiān)控系統(tǒng)必將發(fā)揮著越來越重要的作用［3-4］。

眾所周知，OTDR（光時域反射儀）能夠有效檢測光網(wǎng)絡器件的工作性能和點到點（PTP）網(wǎng)絡的運行狀態(tài)。然而，OTDR監(jiān)測手段并不適合用于中心局對點到多點（PTMP）網(wǎng)絡的集中式監(jiān)控。這種情況下，中心局端得到的OTDR軌跡是各個分支的軌跡的線性疊加，因此，區(qū)分故障事件究竟發(fā)生在哪一個分支線路變得十分困難［5］。尤其在高分光比的PON網(wǎng)絡中，這個問題十分突出。

光碼分復用（OCDMA）技術的提出為這一問題提供了新的解決方案。在OCDMA中，每一個用戶端都有一個編碼器，用于對監(jiān)測信號編碼并將其反射回中心局端。不同的編碼碼字可以區(qū)分不同的用戶，而中心局對反射回來的編碼信號進行解碼分析就可以得到光網(wǎng)絡鏈路的實時狀態(tài)［6］。在基于OCDMA的編碼技術中，周期編碼技術得到了廣泛而深入的研究。該編碼器由兩個光柵通過光纖跳線連接構成，前一個光柵為部分反射率，后一個則為100%反射率。用戶之間唯一的區(qū)別在于兩光柵間光纖跳線長度的不同，即每個用戶分配唯一的諧振腔長度，從而形成唯一的周期編碼［7］。該技術方案雖然結構簡單，但由于無限序列的編碼脈沖中幅度呈指數(shù)衰減，部分脈沖幅度非常微弱［8］，對光接收機的動態(tài)范圍提出了較高的要求。

本文中，我們提出了一種雙周期結構編碼器。通過MATLAB計算了不同結構，不同碼重的雙周期編碼器的性能并得出最佳結構參數(shù)。通過仿真驗證，我們比較了雙周期結構編碼器與周期編碼器。結果表明，雙周期結構編碼器在合適的結構和碼重下，能夠顯著降低對光接收機動態(tài)范圍的要求。

1　結構與分析

如圖1（a）所示，對于周期編碼器，當忽略插入損耗時，光柵反射率R1和R2決定了每一級編碼脈沖幅度，當R2為1時，只有R1決定編碼脈沖的幅度。假設ρk表示第k個脈沖的高度，則由周期編碼器結構可得各子脈沖高度的關系可由式（1）表示［9-10］

圖1　

對于由該結構產(chǎn)生的無限序列的編碼脈沖，僅前4個子脈沖遍包含了整個脈沖序列中96.6%的功率［11-12］，但是隨著j增大，編碼脈沖中幅度快速衰減，j＞4后的脈沖幅度十分微弱。

如圖2所示，分別表示R1=0.38和R1=0.34時，前10個編碼脈沖的幅度。

圖2　脈沖幅度情況

計算可知，w=4，R1=0.38時，最大最小脈沖幅度相差最小，但仍然超過30%，這對光接收機的動態(tài)范圍提出了很高的要求。

為此，我們提出采用雙周期結構編碼器。雙周期結構編碼器由4個光柵，構成2個周期編碼器，這2個周期編碼器分別能形成各自的編碼脈沖，如圖1（b）所示。2個周期編碼器分別由部分反射率光柵和反射率100%的光柵構成，部分反射率光柵的反射率分別為R1和R2。2個周期編碼器之間通過一光纖跳線連接。

雙周期結構編碼器的編碼脈沖將是2個周期編碼器編碼脈沖的疊加之和，因此，可以利用后1個周期編碼器的編碼脈沖對前1個周期編碼器的編碼脈沖進行補償，從而減小最大最小脈沖之間的幅度差。通過調整2個周期編碼器之間光纖跳線的長度lj，可以調整兩組編碼脈沖的疊加狀態(tài)，當lj=0時，兩組脈沖之間間隔1個脈沖，即第2組的第1個脈沖與第1組的第2個脈沖疊加，第2組的第2個脈沖與第1組的第3個脈沖疊加，以此類推。當lj=li（周期編碼器光纖跳線長度）時，兩組脈沖之間間隔2個脈沖，即第2組的第1個脈沖與第1組的第3個脈沖疊加，第2組的第2個脈沖與第1組的第4個脈沖疊加，以此類推。

對于雙周期編碼器，當忽略插入損耗時，根據(jù)不同的脈沖疊加情況，由R1和R2共同決定疊加后的編碼脈沖強度。假設ρj表示第j個脈沖的高度，i表示疊加時，兩組編碼脈沖之間間隔的個數(shù)（i=1，2），可得式（2）。

針對i=1和i=2兩種情況，分別取w=4、5、6進行分析，對R1和R2取0到1，步長為0.01進行計算。通過MATLAB編程求解出最優(yōu)解。計算結果如圖3所示。圖中為疊加后的編碼脈沖最大最小幅度之差隨R1的變化情況，j表示編碼脈沖的個數(shù)，其中，（a）為兩組脈沖間隔為1的情況，（b）為兩組脈沖間隔為2的情況。

由計算得出，當w=4，疊加的兩組編碼脈沖之間間隔2個脈沖時，取R1=0.38，R2=0.34得到最優(yōu)解，此時疊加后的編碼脈沖中，最大最小強度之差為11.1%。同種情況下，周期編碼器取w=4，R1= 0.38時，最大最小脈沖之差為32.9%，與之相比，已有很大改善，大大減小了對光接收機動態(tài)范圍的要求。

圖3　編碼脈沖間的反射關系

2　仿真與結果

通過以上的分析計算，當w=4，疊加的兩組編碼脈沖間隔兩個脈沖時，取R1=0.38，R2=0.34得到最優(yōu)解，此時疊加后的編碼脈沖中，最大最小強度之差為11.1%。下面通過Optisystem 13軟件進行仿真驗證，并與周期編碼器取R1=0.38的情況進行對比。

仿真原理圖如圖4所示，中心局端使用可調光源模塊產(chǎn)生U波段的探測脈沖通過主干光纖進入網(wǎng)絡，到達用戶端后，經(jīng)過編碼器編碼，反射回中心局端并被接收。其中，探測光源由一激光光源陣列產(chǎn)生波長不同的同步連續(xù)信號，通過馬赫-曾德爾外調制器進行調制，馬赫-曾德爾調制器由一高斯脈沖發(fā)生器和一比特流產(chǎn)生器驅動，產(chǎn)生波長為1 650 nm 和1 652 nm的高斯探測脈沖，重復頻率為1 kHz，脈寬為1 ns。探測脈沖通過一環(huán)形器送入網(wǎng)絡，主干光纖長度為20 km。實驗中，分別使用周期編碼器和雙周期編碼器，結構如圖2所示。編碼器光柵的中心反射波長為λ1=1 650 nm，λ2=1 652 nm，3-dB帶寬為0.2 nm。其中，周期編碼器的R1=0.38，li=60 cm，雙周期編碼器的R1=0.38，R2=0.34，li=60 cm，lj=60 cm。通過一光時域觀察儀觀測編碼脈沖。

圖4　仿真原理圖

仿真結果如圖5所示，圖中，編碼脈沖幅度已對單個激光光源的脈沖幅度歸一化。其中，（a）為周期編碼器取w=4，R1=0.38時，編碼脈沖的歸一化幅度隨時間的變化情況，（b）為雙周期結構編碼器取w=4，R1=0.38，R2=0.34時，編碼脈沖的歸一化幅度隨時間的變化情況。可以發(fā)現(xiàn)，這種最優(yōu)情況下的雙周期結構編碼器，最大最小編碼脈沖之差為11.1%，而周期編碼器最大最小編碼脈沖之差為32.9%，因此，雙周期結構編碼器可以大大減小對光接收機動態(tài)范圍的要求，提升系統(tǒng)性能。

圖5　

3　結論

本文提出了一種基于雙周期結構的編碼器。通過補償?shù)姆椒ǎ蟠鬁p小了編碼序列中脈沖之間的幅度差。從而可有效降低PON監(jiān)控系統(tǒng)中對光接收機動態(tài)范圍的要求。模擬計算結果表明，當w=4，R1=0.38，R2=0.34時，補償效果最佳，最大最小脈沖之差為11.1%，相比于周期編碼器最大最小脈沖之差32.9%，有顯著提升。

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陳斯（1994-），男，漢族，江蘇高郵人，本科生，現(xiàn)就讀于東南大學電子科學與工程學院，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)；

孫小菡（1955-），女，漢族，東南大學電子與科學學院教授，主要研究方向為光波電子學與光纖通信技術領域，xhsun@ seu.edu.cn。

Performance Analysis of the Double Periodic Encoder for PON Monitoring*

CHEN Si，ZHANG Xuan，SUN Xiaohan*
（National Research Centerfor OpticalSensing/Communications Integrated Networking Technology Lab of Photonics and Optical Communications，Deptof Electronics Engineeering SoutheastUniυersity，Nanjing 210096，China）

We propose a double periodic encoding device formonitoring of passive optical networks.We investigate the performances of the double periodic encoders having differents tructures and codeweights and give the encoders with best parameters.We evaluate and contrast the double periodic encoderswith periodic encoders via simulation. Results show thatdouble periodic encoders significantly improve the amplitude of encoding pulse and reduce the requirementofdynamic range ofphotoreceiver.

pon；ocdma；periodic encoder；dynamic range

TN913.7

A

1005-9490（2016）04-0801-04

項目來源：江蘇省高校品牌專業(yè)建設工程項目

2015-08-19修改日期：2015-09-11

EEACC:6120B10.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.010