本發(fā)明涉及光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及基于2D coded PAM4調(diào)制方式的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著用戶帶寬需求的不斷增長(zhǎng)，光接入網(wǎng)的容量危機(jī)迫在眉睫。下一代PON系統(tǒng)越來(lái)越關(guān)注更高的容量，因?yàn)閹捫枨笠呀?jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了現(xiàn)有的GPON和EPON系統(tǒng)可以提供的容量。為了解決這一問(wèn)題，ITU-FSAN和IEEE最近一直在調(diào)研高速無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中單波長(zhǎng)傳輸超過(guò)10Gbps的問(wèn)題。目前，一些具有較高的頻譜效率的先進(jìn)的調(diào)制格式已經(jīng)吸引了大家廣泛的注意，這些調(diào)制格式包括：optical duobinary,electrical duobinary和PAM4。研究表明，利用這些調(diào)制格式可以克服低帶寬光器件帶來(lái)的帶寬限制。

Duobinary調(diào)制逐漸引起了大家的關(guān)注,這種調(diào)制信號(hào)光譜寬度非常窄，只有NRZ信號(hào)帶寬的一半，對(duì)色散有較高的容忍度。這一特性使得它更適用于高速調(diào)制和傳輸系統(tǒng)。此外，duobinary信號(hào)可以對(duì)光強(qiáng)度直接檢測(cè)，不需要像DPSK那樣相干解碼，因此成本極大降低。Y.Lim等人于2004年在發(fā)表在Optical Fiber Technology的文章“Evaluation of transmission performance in cost-effective optical duobinary transmission utilizing modulator’s bandwidth or low-pass filter implemented by a single capacitor”中成功實(shí)現(xiàn)了optical duobinary。相比傳統(tǒng)的duobinary調(diào)制方案，作者的方案可以達(dá)到相似的自相位調(diào)制(SPM)容忍度。

通常electrical duobinary信號(hào)通過(guò)低通濾波器或者通過(guò)對(duì)預(yù)編數(shù)據(jù)序列延遲相加濾波后得到。相關(guān)研究表明，低通濾波器的帶寬只需要達(dá)到信號(hào)帶寬的0.25即可有效實(shí)現(xiàn)NRZ到duobinary的轉(zhuǎn)換。Zhengxuan Li于2015年發(fā)表在Optics Express中題為“28Gb/s duobinary signal transmission over 40km based on 10GHz DML and PIN for 100Gb/s PON”利用10GHz DML和PIN成功實(shí)現(xiàn)了28Gbps electrical duobinary信號(hào)的傳輸。

PAM4相比optical duobinary、electrical duobinary兩種調(diào)制方式僅僅通過(guò)增加幅度電平數(shù)來(lái)增加頻譜效率，實(shí)現(xiàn)方式已經(jīng)逐漸成熟。PAM4有極大的潛力支持高速率傳輸同時(shí)提高成本效率，是NG-PON2中有力的備選調(diào)制方式。因此本發(fā)明專注于PAM4基礎(chǔ)上的研究。最近，Zhengxuan Li發(fā)表在2016年Optics Express中題目為“100-Gb/s TWDM-PON based on 10G optical devices”的對(duì)比了熱門的三種調(diào)制方式：NRZ、duobinary、PAM4。文章指出PAM4格式相對(duì)低階的調(diào)制格式，(例如OOK和duobinary)其靈敏度比較低。25Gbps PAM4相比相同比特率的PAM4功率預(yù)算小10dB，于是如何保持較高頻譜效率且提升功率預(yù)算成為亟待解決的問(wèn)題。一個(gè)提升功率預(yù)算的備選方案是多維編碼調(diào)制。J.Renaudier發(fā)表在2016年Optical Fiber Communication Conference and Exhibition中題為“Multi-Dimension Coded PAM4Signaling for 100Gb/s Short-Reach Transceivers”成功實(shí)現(xiàn)了基于100Gbps收發(fā)機(jī)多維coded PAM4的短距離傳輸?shù)?。通過(guò)這個(gè)方案，接收機(jī)端的輸入功率可以減少0.8dB。因此，功率預(yù)算的提升使得多維coded PAM4調(diào)制在短距離傳輸中極具吸引力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于2D coded PAM4調(diào)制方式的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明提供的基于2D coded PAM4調(diào)制方式的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括：光線路終端、饋線式光纖、分路器、分布式光纖以及若干光網(wǎng)絡(luò)單元；所述光線路終端通過(guò)饋線光纖連接至光分路器，由光分路器進(jìn)行功率分路后通過(guò)分布式光纖連接至各光網(wǎng)絡(luò)單元。數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)射模塊對(duì)初始數(shù)據(jù)序列采用的調(diào)制方式為2D coded PAM4。

優(yōu)選地，所述光線路終端包括2D coded PAM4數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)射模塊、摻鉺光纖放大器以及光濾波器，其中：

所述2D coded PAM4數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)射模塊由數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)生器和光調(diào)制器組成，用于產(chǎn)生待發(fā)送電信號(hào)，并進(jìn)入光調(diào)制器轉(zhuǎn)換為光信號(hào)；

所述摻鉺光纖放大器用于對(duì)光調(diào)制器輸出光信號(hào)進(jìn)行功率放大；

所述光濾波器用于頻域均衡，即進(jìn)行啁啾管理，具體地所述光濾波器相當(dāng)于陷波濾波器和頻率均衡器，用于減輕頻率啁啾造成的色散影響。

優(yōu)選地，饋線式光纖和分布式光纖總長(zhǎng)度能夠達(dá)到40Km。

優(yōu)選地，所述光網(wǎng)絡(luò)單元包括：光電探測(cè)器和采樣數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元，其中：

所述光電探測(cè)器，用于接收光信號(hào)，并將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；

所述采樣數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元，用于將采樣得到的數(shù)據(jù)信號(hào)恢復(fù)為發(fā)送信息并傳輸至用戶端。

優(yōu)選地，所述2D coded PAM4數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)射模塊中的數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)生器特征如下：通過(guò)二維PAM4星座的組合得到二維星座情況下的16個(gè)星座點(diǎn)，通過(guò)映射將每3bits映射為16個(gè)星座中間隔距離大的8個(gè)星座之一，使得每個(gè)星座符號(hào)由兩個(gè)連續(xù)的PAM4符號(hào)組成，即2D coded PAM4相當(dāng)于未編碼的PAM4。

優(yōu)選地，所述2D coded PAM4數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)射模塊中的光調(diào)制器采用：直調(diào)激光器，或者外調(diào)制激光器；所述直調(diào)激光器包括采用：分布式反饋激光器DFB、垂直腔面發(fā)射激光器VSCEL、分布式布拉格反射激光器DBR中的任一種。

優(yōu)選地，光線路終端中的光濾波器采用：延遲干涉儀。

優(yōu)選地，所述光電探測(cè)器采用：光電二極管，或者雪崩二極管APD。

優(yōu)選地，光網(wǎng)絡(luò)單元中的采樣數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元能夠判決每個(gè)2D coded PAM4的星座點(diǎn)；假設(shè)2D PAM4中每個(gè)星座點(diǎn)的判決域面積為1，2D coded PAM4的判決域面積則變?yōu)?；2D coded PAM4能夠通過(guò)所述判決域來(lái)判決，所述門限是指每個(gè)2D coded PAM4星座點(diǎn)所在的判決域?yàn)?的菱形。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

本發(fā)明有效的實(shí)現(xiàn)了2D coded PAM4數(shù)據(jù)信號(hào)在無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)中的傳輸，相比傳統(tǒng)PAM4調(diào)制方式的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，相同接收功率下可以實(shí)現(xiàn)更低的誤碼率；相比基于PAM4調(diào)制的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，傳送相同數(shù)據(jù)信號(hào)，本發(fā)明可以獲得更高的功率預(yù)算。具體地，通過(guò)在無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2D coded PAM4相比PAM4表現(xiàn)出更好的性能；在光BtB傳輸時(shí)，其相比傳統(tǒng)PAM4可以獲得1.1dB的功率提升，在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖20Km傳輸時(shí)，其相比傳統(tǒng)PAM4可以獲得1.4dB的功率提升。

附圖說(shuō)明

通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1為本發(fā)明所提供的基于2D coded PAM4調(diào)制方式的的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2(a)為2D PAM4的星座圖；

圖2(b)為2D coded PAM4的星座圖；

圖3(a)為系統(tǒng)中光BtB傳輸時(shí)，18.75Gbps PAM4信號(hào)眼圖；

圖3(b)為系統(tǒng)中光BtB傳輸時(shí)，18.75Gbps 2D coded PAM4信號(hào)眼圖；

圖4為Matlab仿真系統(tǒng)中，PAM4和2D coded PAM4誤碼率的對(duì)比圖；

圖5為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，PAM4和2D coded PAM4在BtB和20Km情況下的誤碼率的對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明所提供的基于2D coded PAM4的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如圖1所示，一種基于2D coded PAM4調(diào)制方式的直調(diào)直檢的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)依次包括：2D coded PAM4數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)射模塊、摻鉺光纖放大器、光濾波器、饋線式光纖、光分路、光電探測(cè)器和采樣數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元。初始信號(hào)序列通過(guò)2D coded PAM4模塊得到調(diào)制序列。2D coded PAM4模塊的工作原理如之前所述：2D coded PAM4表示通過(guò)二維PAM4星座的組合得到。連續(xù)的兩個(gè)PAM4符號(hào)的組合可以得到二維星座情況下的16個(gè)星座點(diǎn)。在這個(gè)過(guò)程中，通過(guò)一個(gè)映射將每3bits映射為16個(gè)星座中距離較大的8個(gè)星座之一。每個(gè)星座符號(hào)由兩個(gè)連續(xù)的PAM4符號(hào)組成也就意味著2D coded PAM4相當(dāng)于未編碼的PAM4。當(dāng)比較相同比特率的2D coded PAM4和PAM4兩種調(diào)制方式時(shí)，2D coded PAM4需要比PAM4高1/3的波特。這也表明了2D coded PAM4發(fā)送效率為1.5bits/symbol。在附加帶寬的代價(jià)下，最小歐氏距離會(huì)增加到原來(lái)的√2倍，而歐式距離的增大會(huì)帶來(lái)BER的減小。

經(jīng)2D coded PAM4模塊調(diào)制后信號(hào)進(jìn)入光直調(diào)激光器，直調(diào)激光器可以將電信號(hào)變?yōu)楣庑盘?hào)。由于發(fā)射信號(hào)帶寬高于系統(tǒng)帶寬，發(fā)射信號(hào)通過(guò)帶限信道后信號(hào)會(huì)有受損。此外，直調(diào)激光器不可避免地會(huì)帶來(lái)頻率啁啾，光信號(hào)頻譜會(huì)發(fā)生展寬。本發(fā)明中利用了光濾波器來(lái)消除以上影響。只需要將調(diào)整光濾波器的相關(guān)參數(shù)，即可有效恢復(fù)信號(hào)。在這個(gè)過(guò)程中，光濾波器充當(dāng)一個(gè)陷波濾波器以減輕頻率啁啾造成的色散影響，同時(shí)模擬一個(gè)頻率均衡器。

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖后的光信號(hào)通過(guò)衰減器后進(jìn)入系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換模塊將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。電信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采樣模塊后進(jìn)行簡(jiǎn)單的線下計(jì)算。PAM4可以通過(guò)三個(gè)電平來(lái)判決。2D PAM4會(huì)形成二維空間的16個(gè)星座，2D coded PAM4通過(guò)選取了16個(gè)星座中距離較大的8個(gè)星座點(diǎn)得到。假設(shè)2D PAM4中每個(gè)星座點(diǎn)的判決域面積為1,2D coded PAM4的判決域面積則變?yōu)?。同樣地，2D coded PAM4也可以通過(guò)門限來(lái)判決，只不過(guò)這里的判決門限是每個(gè)2D coded PAM4星座點(diǎn)所在的判決域?yàn)?的菱形。

為了證實(shí)該系統(tǒng)的可行性，接下來(lái)結(jié)合具體實(shí)例說(shuō)明。

光線路終端內(nèi)信號(hào)發(fā)射機(jī)采用直接調(diào)制分布反饋式激光器(DFB)，該激光器帶寬為10GHz。輸出波長(zhǎng)1550nm。激光器上所加載的2D coded PAM4調(diào)制信號(hào)速率為18.75Gbps。

光纖為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，長(zhǎng)度為40Km。

光網(wǎng)路單元端光電探測(cè)器采用光電二級(jí)管(PIN)探測(cè)器，帶寬為10GHz。

圖2(a)、圖2(b)分別為2D PAM4和2D coded PAM4的星座圖?？梢院芮宄乜匆?jiàn)，2D PAM4星座圖中共有16個(gè)星座點(diǎn)，2D coded PAM4星座圖中共有8個(gè)星座點(diǎn)。2D coded PAM4星座點(diǎn)之間距離比PAM4星座點(diǎn)之間距離略大。

圖3(a)、圖3(b)分別為2D coded PAM4光信號(hào)對(duì)應(yīng)的眼圖和PAM4光信號(hào)對(duì)應(yīng)的眼圖。從眼圖中可以發(fā)現(xiàn)：2D coded PAM4眼圖中存在一個(gè)兩碼元的周期。

圖4為系統(tǒng)仿真中PAM4和2D coded PAM4的對(duì)比圖。對(duì)比PAM4和2D coded PAM4的傳輸性能發(fā)現(xiàn)，2D coded PAM4相比PAM4在相同誤碼率下可以提升2.3dB的功率增益。

圖5為實(shí)驗(yàn)對(duì)比18.75Gbps PAM4、18.75Gbps coded PAM4和25Gbps PAM4在光BtB和20Km后的傳輸誤碼率圖。從誤碼率曲線可以發(fā)現(xiàn)：相比基于PAM4調(diào)制的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，傳送相同數(shù)據(jù)信號(hào)，本發(fā)明可以獲得更高的功率預(yù)算。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請(qǐng)的實(shí)施例和實(shí)施例中的特征可以任意相互組合。