ASON傳輸系統(tǒng)調(diào)制特性的研究?

許文慶 余 庚

（1.福州理工學(xué)院 福州 350506）（2.福建工程學(xué)院國脈信息學(xué)院 福州 350014）

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代，光纖作為重要的大數(shù)據(jù)傳輸媒介在ASON中扮演著重要角色。為提高大數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝oS［1］就不得不面對介質(zhì)色散和非線性光學(xué)效應(yīng)等一系列ASON傳輸特性問題。

光纖纖徑較小，當(dāng)賦予光載波高功率時(shí)介質(zhì)傳輸系統(tǒng)便呈現(xiàn)出較為明顯的非線性效應(yīng)。隨著密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)在ASON上不斷推廣應(yīng)用，介質(zhì)傳輸系統(tǒng)中的非線性效應(yīng)影響日益突出。非線性對光載波業(yè)務(wù)的影響不僅引起了損耗也導(dǎo)致了信號脈沖展寬限制輸入服務(wù)范圍和信號功率，甚至引發(fā)頻率惆啾［2］、頻譜展寬等一系列問題。在多信道WDM系統(tǒng)中還會引起信道間串?dāng)_。因此強(qiáng)光場在介質(zhì)中持續(xù)傳輸時(shí)，光場非線性［3］相移勢必使光脈沖前后沿出現(xiàn)相對性的漂移。如果針對兩個(gè)以上不同頻率的光載波而言，每個(gè)載頻的幅度調(diào)制都將引起介質(zhì)折射率變化。變化后的介質(zhì)又反過來作用于這些光載波進(jìn)而產(chǎn)生相位調(diào)制現(xiàn)象，即ASON多載波傳輸系統(tǒng)中的XPM。此外，介質(zhì)色散效應(yīng)與XPM相互作用引發(fā)的頻率啁啾將直接表現(xiàn)為輸出光載波抖動和功率起伏，這無疑降低了傳輸網(wǎng)絡(luò)的QoS。同時(shí)在多波長復(fù)用系統(tǒng)中XPM效應(yīng)導(dǎo)致的頻譜展寬也將引起信道間串?dāng)_。因而深入研究相位調(diào)制效應(yīng)對于建設(shè)優(yōu)質(zhì)ASON具有深遠(yuǎn)的意義。

2 調(diào)制機(jī)理

SPM導(dǎo)致ASON傳輸系統(tǒng)中載波自身相位出現(xiàn)偏移［4］的情況可量化為 ?=γ·Pin·Leff。不難看出SPM效應(yīng)強(qiáng)弱與輸入載波功率密度呈正比，要弱化SPM影響必須最小化非線性相位偏差。對多載波復(fù)用系統(tǒng)而言XPM［2］效應(yīng)強(qiáng)弱也與各信道上載波強(qiáng)度有關(guān)。以兩波長復(fù)用系統(tǒng)為例，排除色散對群速度的干擾因素，載波在傳輸過程中表現(xiàn)出的SPM以及XPM所引發(fā)的相位噪聲將轉(zhuǎn)化成光電檢測器的幅度噪聲輸出。這樣勢必劣化光電檢測器的工作性能引發(fā)光功率代價(jià)。假設(shè)兩個(gè)不同載頻的光波沿X方向發(fā)生偏振，當(dāng)兩個(gè)載波在介質(zhì)中沿著Z方向傳輸時(shí)其光強(qiáng)量化為

E（u，v，z，t）=Ej（u，v，z，t）expjωjt- βj0z，j=1，2

其中，ω1和ω2分別為兩列波的中心頻率以及中心頻率上的傳輸常數(shù)。假設(shè)兩個(gè)載波均為均勻平面波，于是該均勻平面波受調(diào)制效應(yīng)影響引發(fā)的相位調(diào)制表示為

3 調(diào)制數(shù)學(xué)模型

本次調(diào)制的數(shù)學(xué)模型［6］以兩個(gè)信道的復(fù)用系統(tǒng)為例，僅考慮非線性之調(diào)制［7］效應(yīng)。假設(shè)ASON傳輸系統(tǒng)的光波場為 E（u，v，z，t），任意信號調(diào)制下所出現(xiàn)的XPM對信道1的相位偏移造成的影響量化［8］為

在多信道復(fù)用系統(tǒng)中，假設(shè)干擾源信道與被測信道無關(guān)聯(lián)度，XPM不對載波功率電平構(gòu)成影響，因此XPM總效應(yīng)為單個(gè)信道作用下的累積。將光脈沖包絡(luò) Aj（x，t）表示為

設(shè)z=0時(shí)，信道j（被測信道）的光功率表達(dá)式為Pj0，t=Aj（0，t）2=Pj0。

則相移表達(dá)式為

對于干擾信道為任意信號調(diào)制時(shí)，則信道的相移［9］為

4 調(diào)制參數(shù)設(shè)置和仿真

本次研究不考慮高階累積量，判決時(shí)刻下的光電檢測器輸出電壓的樣值為高斯變量。此時(shí)只要確定方差和均值兩個(gè)參數(shù)就能獲得概率密度函數(shù)從而得知誤判的概率，將其記為誤碼率［10］該式中 Q 為信噪比［11］，表示為其中 bmax，bmin分別為光電檢測器檢測到1碼和0碼的功率，V（bmax），σ2（bmax）和V（bmin），σ2（bmin）分別是光電檢測器檢測到1碼和0碼時(shí)的輸出電壓均值以及方差。

為了方便說明調(diào)制效應(yīng)的影響程度，假設(shè)每個(gè)信道載波在整個(gè)測試過程均符合相同的偏振且偏振方向都不變。傳輸系統(tǒng)用到的放大器其增益與波長均無相關(guān)性，且恰好補(bǔ)償［12］介質(zhì)損耗。在這樣的前提下每信道比特率置為40 Gbit/s，信道間隔為100 GHz，中心頻率為193.1 THz，調(diào)制速率2.0 A/s，在G.652單模光纖上傳輸，損耗系數(shù)α=0.1dB/km，波長 λ=1550nm ，色散常數(shù) D=17ps/（nm·km），有效纖芯截面積 Aeff=5.5·10-11m2，非線性折射率n2=3.2·10-20m2/w 。通過仿真［13］運(yùn)行得到圖 1 和圖2。

圖1為相同光波在2信道和4信道構(gòu)成的兩個(gè)ASON非線性傳輸系統(tǒng)中傳輸相同的非線性距離時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)接收參考點(diǎn)接收到碼元1所出現(xiàn)的強(qiáng)度起伏明顯程度。

圖1 2/4系統(tǒng)對接收1碼的起伏程度

圖2為相同光波在2信道和4信道構(gòu)成的兩個(gè)ASON非線性傳輸系統(tǒng)中被賦予相同功率，隨著傳輸距離增加，周邊信道對測試信道（即：信道1）的靈敏度構(gòu)成影響的嚴(yán)重程度。由圖1可知，相比2信道ASON系統(tǒng)，4信道ASON系統(tǒng)受到SPM/XPM調(diào)制影響明顯增加。根據(jù)上述非線性調(diào)制理論分析，當(dāng)信道數(shù)量越多對本信道愈加不利。這一點(diǎn)在圖2所示的仿真結(jié)果中得到了體現(xiàn)。從圖中4條曲線不難看出為信道數(shù)量不等的兩個(gè)ASON非線性傳輸系統(tǒng)賦予相同參數(shù)，隨著傳輸非線性距離的增加，測試信道的靈敏度劣化越顯著。

5 解決方案

SPM和XPM調(diào)制效應(yīng)對ASON傳輸系統(tǒng)構(gòu)建了不可忽略的影響，嚴(yán)重降低了QoS。為此提出降低調(diào)制效應(yīng)代價(jià)的解決方案［14］：1）在高速ASON系統(tǒng)中采用RZ碼型在發(fā)射端通過色散補(bǔ)償方案進(jìn)行少量預(yù)補(bǔ)償；2）配置合適的最大信道功率、最多信道數(shù)量和最小信道間隔。當(dāng)XPM導(dǎo)致代價(jià)小于1 dB則每個(gè)信道的功率符合在多段ASON系統(tǒng)中盡可能采用分步式色散補(bǔ)償抑制XPM引發(fā)的代價(jià)；4）光纖介質(zhì)損耗盡量小，有效非線性截面積盡可能大；5）傳輸系統(tǒng)中段合適位置處接入有一定色散的光纖并采用色散管理［15］技術(shù)使正負(fù)色散相互抵消，最終總色散為零。

6 結(jié)語

互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代在ASON上承載大數(shù)據(jù)已是一種趨勢。如何確保承載大數(shù)據(jù)波長的傳輸特性已是ASON領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。本文從傳輸原理出發(fā)運(yùn)用數(shù)學(xué)模型分析了光載波傳輸過程遇到的調(diào)制效應(yīng)，并通過仿真進(jìn)一步闡述調(diào)制效應(yīng)造成的QoS問題。最后給出一系列克服QoS代價(jià)的解決方法。