2.5 Gbit/s相干光通信系統的研究

史繼榮, 劉 琳

華東電力設計院有限公司 電網工程分公司 上海 200001

1 研究背景

近年來,隨著特高壓交直流電網的建設,高壓輸電線路的傳輸距離越來越長,隨線路架設的光纖復合架空地線光纜也越來越長。

為了減少光通信中繼站的設置,長距離單跨段傳輸技術已經成為電力通信傳輸的主要方式。采用了光放大、前向編碼糾錯、色散補償、非線性抑制、遙泵等技術后,目前酒泉至湖南±800 kV特高壓直流工程中最長的2.5 Gbit/s單跨段無中繼光傳輸距離已達397 km,扎魯特至青州±800 kV特高壓直流工程中最長的10 Gbit/s單跨段無中繼光傳輸距離已達399 km。

然而,在傳輸距離大幅度提高的同時,色散、非線性效應、接收機性能等卻成為限制系統傳輸距離進一步提高的主要因素。對此,人們一方面致力于改善器件性能,以避免這些不利因素;另一方面則開始對信道編碼、信號調制格式等與傳輸系統硬件無關的方面進行研究,尋找有利于提升信號傳輸容量和距離的信道編碼及信號調制格式。

目前,電力光通信主要采用2.5 Gbit/s和10 Gbit/s系統,采用不歸零碼型,在接收方面以強度檢測為主,對碼型、調制及接收方式等的研究相對欠缺。

在運營商領域,采用偏振復用正交相移鍵控調制方式的相干光通信接收技術在100 Gbit/s系統成功商用。相干光通信技術具有較高的接收靈敏度,以及上千公里無需額外色散補償等優點,成為100 Gbit/s及超100 Gbit/s系統的主流技術。

對于2.5 Gbit/s系統而言,采用偏振復用正交相移鍵控調制的相干光通信接收技術,其原理是一致的,升級也比較平滑。將相干光通信技術引入2.5 Gbit/s系統,研究低速相干光通信,對電力通信系統超長距離傳輸而言具有現實意義。

2 相干光通信系統原理

相干光通信主要利用相干調制和外差檢測技術。所謂相干調制,指利用要傳輸的信號來改變光載波的頻率、相位和振幅,這就需要光信號有確定的頻率和相位。所謂外差檢測,指將一束本機振蕩產生的激光與輸入的信號光在光混頻器中進行混頻,得到與信號光頻率、相位和振幅按相同規律變化的中頻信號。相干光通信系統原理如圖1所示。與強度調制直接檢測系統相比,相干光通信系統的主要差別在于光接收機中增加了外差檢測所需要的本地振蕩器和光混頻器。

圖1 相干光通信系統原理

相干光通信技術主要有以下優點:

(1) 相干光通信所用的高級調制格式,如偏振復用正交相移鍵控調制可以實現高頻譜利用率,對于大容量高速率傳輸而言至關重要;

(2) 相干光通信可以利用高速數字信號處理技術在電域中補償各種傳輸損失,簡化傳輸鏈路,針對2.5 Gbit/s系統可以在算法上實現色散補償,因此不需要額外的色散補償模塊,簡化了系統配置;

(3) 相干接收機的接收靈敏度相比普通接收機大大提高,可以大幅延長光信號的無中繼傳輸距離[1-3]。

3 2.5 Gbit/s相干光通信設備

在內蒙古錫林郭勒盟至江蘇泰州±800 kV特高壓直流光通信工程中,列入了相干光科技項目,由武漢光迅公司研制具有向前糾錯功能的2.5 Gbit/s相干光通信設備。

這一2.5 Gbit/s相干光通信設備所涉及的研究內容包括相干光通信光源技術、接收技術、高速數字信號處理技術、偏振控制技術等。

設備研制的難點在于相干接收之后數字信號處理部分的算法復雜,對于2.5 Gbit/s和10 Gbit/s速率而言,市場上沒有成熟的芯片方案,因此數字信號處理方面實現的所有算法均要自主開發,開發難度較大。

在數字信號處理部分采用現場可編程邏輯陣列芯片,并在現場可編程邏輯陣列上實現相干算法。相干算法包括正交化算法、色散補償算法、時鐘恢復算法、恒模算法、相偏補償算法、頻偏補償算法、線寬補償算法等[4-10]。所有算法均為自主開發,實現了算法的國產化。

基于原型機開發,設計了可用于現場試驗的相干光通信傳輸設備。傳輸設備設計結構緊湊,自動溫度控制功能可以實現良好的散熱,適用于19 in(1 in=25.4 mm)和21 in機架安裝,并具有完善的網絡管理功能,可實現全面管理。

4 現場測試系統

在內蒙古錫林郭勒盟至江蘇泰州±800 kV特高壓直流光通信工程中,隨特高壓直流線路架設一根24芯光纖復合架空地線光纜。光纜長度為1 748.4 km,不含交叉引入光纜。共設置五個光中繼站,其中臨淄變至陳墩變的光纜長度為369.6 km,利用該段光纜搭建光傳輸系統,如圖2所示。

臨淄變至陳墩變光纖復合架空地線光纜采用G.652超低損耗光纖。超低損耗光纖的光纖衰減典型系數為0.172 dB/km,現場實測光纖總衰減為63.5 dB。

臨淄變至陳墩變光傳輸系統使用六芯光纜,其中1號～4號纖芯采用常規2.5 Gbit/s超長距離光傳輸技術,5號、6號纖芯采用2.5 Gbit/s相干光傳輸技術。

采用常規2.5 Gbit/s超長距離光傳輸技術的電路,需要配置光放大器、預放大器、前向拉曼放大器、后向拉曼放大器、色散補償模塊和前向糾錯模塊。

采用2.5 Gbit/s相干光通信傳輸技術后,只需要配置光放大器、預放大器、后向拉曼放大器,不需要配置前向拉曼放大器和色散補償模塊,而前后糾錯功能也已集成在2.5 Gbit/s相干光通信傳輸設備中。

5 運行結論

內蒙古錫林郭勒盟至江蘇泰州±800 kV特高壓直流光通信工程于2017年6月通過驗收并投入運行,工程電路和2.5 Gbit/s相干光測試電路已安全平穩運行至今。

運行結果證明,應用于100 Gbit/s光通信中的采用偏振復用正交相移鍵控調制技術的相干光通信技術,可以應用于2.5 Gbit/s傳輸系統中,同時驗證了2.5 Gbit/s偏振復用正交相移鍵控相干系統實時傳輸的性能。經過運行確認,采用超低損耗光纖、光放大器、預放大器簡單配置,無需色散補償,即可傳輸369.6 km。

這一系統直接參與中興廠家設備測試,功能均正常,因此可用于實際電力超長距離傳輸系統中。

圖2 臨淄變至陳墩變光傳輸系統

6 結束語

筆者研究了2.5 Gbit/s相干光通信系統,將采用偏振復用正交相移鍵控調制方式的相干光通信技術應用于內蒙古錫林郭勒盟至江蘇泰州±800 kV特高壓直流光通信工程臨淄變至陳墩變光傳輸系統中,傳輸距離達369.6 km,光纖總衰減為63.5 dB,穩定運行至今。

目前,2.5 Gbit/s相干光通信技術還屬于實驗室開發階段,未正式投入使用和大規模量產,成本也相對較高。當然,2.5 Gbit/s相干光通信系統的研究是一次有益嘗試,將促進電力通信系統長距離傳輸的發展。