基于2DcodedPAM4调制方式的无源光网络系统的制作方法

本发明涉及光通信技术领域，具体地，涉及基于2D coded PAM4调制方式的无源光网络系统。

背景技术：

近年来，随着用户带宽需求的不断增长，光接入网的容量危机迫在眉睫。下一代PON系统越来越关注更高的容量，因为带宽需求已经远远超过了现有的GPON和EPON系统可以提供的容量。为了解决这一问题，ITU-FSAN和IEEE最近一直在调研高速无源光网络系统中单波长传输超过10Gbps的问题。目前，一些具有较高的频谱效率的先进的调制格式已经吸引了大家广泛的注意，这些调制格式包括：optical duobinary,electrical duobinary和PAM4。研究表明，利用这些调制格式可以克服低带宽光器件带来的带宽限制。

Duobinary调制逐渐引起了大家的关注,这种调制信号光谱宽度非常窄，只有NRZ信号带宽的一半，对色散有较高的容忍度。这一特性使得它更适用于高速调制和传输系统。此外，duobinary信号可以对光强度直接检测，不需要像DPSK那样相干解码，因此成本极大降低。Y.Lim等人于2004年在发表在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”中成功实现了optical duobinary。相比传统的duobinary调制方案，作者的方案可以达到相似的自相位调制(SPM)容忍度。

通常electrical duobinary信号通过低通滤波器或者通过对预编数据序列延迟相加滤波后得到。相关研究表明，低通滤波器的带宽只需要达到信号带宽的0.25即可有效实现NRZ到duobinary的转换。Zhengxuan Li于2015年发表在Optics Express中题为“28Gb/s duobinary signal transmission over 40km based on 10GHz DML and PIN for 100Gb/s PON”利用10GHz DML和PIN成功实现了28Gbps electrical duobinary信号的传输。

PAM4相比optical duobinary、electrical duobinary两种调制方式仅仅通过增加幅度电平数来增加频谱效率，实现方式已经逐渐成熟。PAM4有极大的潜力支持高速率传输同时提高成本效率，是NG-PON2中有力的备选调制方式。因此本发明专注于PAM4基础上的研究。最近，Zhengxuan Li发表在2016年Optics Express中题目为“100-Gb/s TWDM-PON based on 10G optical devices”的对比了热门的三种调制方式：NRZ、duobinary、PAM4。文章指出PAM4格式相对低阶的调制格式，(例如OOK和duobinary)其灵敏度比较低。25Gbps PAM4相比相同比特率的PAM4功率预算小10dB，于是如何保持较高频谱效率且提升功率预算成为亟待解决的问题。一个提升功率预算的备选方案是多维编码调制。J.Renaudier发表在2016年Optical Fiber Communication Conference and Exhibition中题为“Multi-Dimension Coded PAM4Signaling for 100Gb/s Short-Reach Transceivers”成功实现了基于100Gbps收发机多维coded PAM4的短距离传输的。通过这个方案，接收机端的输入功率可以减少0.8dB。因此，功率预算的提升使得多维coded PAM4调制在短距离传输中极具吸引力。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于2D coded PAM4调制方式的无源光网络系统。

根据本发明提供的基于2D coded PAM4调制方式的无源光网络系统，包括：光线路终端、馈线式光纤、分路器、分布式光纤以及若干光网络单元；所述光线路终端通过馈线光纤连接至光分路器，由光分路器进行功率分路后通过分布式光纤连接至各光网络单元。数据信号发射模块对初始数据序列采用的调制方式为2D coded PAM4。

优选地，所述光线路终端包括2D coded PAM4数据信号发射模块、掺铒光纤放大器以及光滤波器，其中：

所述2D coded PAM4数据信号发射模块由数据信号发生器和光调制器组成，用于产生待发送电信号，并进入光调制器转换为光信号；

所述掺铒光纤放大器用于对光调制器输出光信号进行功率放大；

所述光滤波器用于频域均衡，即进行啁啾管理，具体地所述光滤波器相当于陷波滤波器和频率均衡器，用于减轻频率啁啾造成的色散影响。

优选地，馈线式光纤和分布式光纤总长度能够达到40Km。

优选地，所述光网络单元包括：光电探测器和采样数据信号处理单元，其中：

所述光电探测器，用于接收光信号，并将接收到的光信号转换为电信号；

所述采样数据信号处理单元，用于将采样得到的数据信号恢复为发送信息并传输至用户端。

优选地，所述2D coded PAM4数据信号发射模块中的数据信号发生器特征如下：通过二维PAM4星座的组合得到二维星座情况下的16个星座点，通过映射将每3bits映射为16个星座中间隔距离大的8个星座之一，使得每个星座符号由两个连续的PAM4符号组成，即2D coded PAM4相当于未编码的PAM4。

优选地，所述2D coded PAM4数据信号发射模块中的光调制器采用：直调激光器，或者外调制激光器；所述直调激光器包括采用：分布式反馈激光器DFB、垂直腔面发射激光器VSCEL、分布式布拉格反射激光器DBR中的任一种。

优选地，光线路终端中的光滤波器采用：延迟干涉仪。

优选地，所述光电探测器采用：光电二极管，或者雪崩二极管APD。

优选地，光网络单元中的采样数据信号处理单元能够判决每个2D coded PAM4的星座点；假设2D PAM4中每个星座点的判决域面积为1，2D coded PAM4的判决域面积则变为2；2D coded PAM4能够通过所述判决域来判决，所述门限是指每个2D coded PAM4星座点所在的判决域为2的菱形。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明有效的实现了2D coded PAM4数据信号在无源光网络中的传输，相比传统PAM4调制方式的实验系统，本发明实现方式简单，相同接收功率下可以实现更低的误码率；相比基于PAM4调制的无源光网络系统，传送相同数据信号，本发明可以获得更高的功率预算。具体地，通过在无源光网络系统中对比发现，2D coded PAM4相比PAM4表现出更好的性能；在光BtB传输时，其相比传统PAM4可以获得1.1dB的功率提升，在标准单模光纤20Km传输时，其相比传统PAM4可以获得1.4dB的功率提升。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明所提供的基于2D coded PAM4调制方式的的结构框图；

图2(a)为2D PAM4的星座图；

图2(b)为2D coded PAM4的星座图；

图3(a)为系统中光BtB传输时，18.75Gbps PAM4信号眼图；

图3(b)为系统中光BtB传输时，18.75Gbps 2D coded PAM4信号眼图；

图4为Matlab仿真系统中，PAM4和2D coded PAM4误码率的对比图；

图5为实验系统中，PAM4和2D coded PAM4在BtB和20Km情况下的误码率的对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明所提供的基于2D coded PAM4的无源光网络系统，如图1所示，一种基于2D coded PAM4调制方式的直调直检的无源光网络系统结构依次包括：2D coded PAM4数据信号发射模块、掺铒光纤放大器、光滤波器、馈线式光纤、光分路、光电探测器和采样数据信号处理单元。初始信号序列通过2D coded PAM4模块得到调制序列。2D coded PAM4模块的工作原理如之前所述：2D coded PAM4表示通过二维PAM4星座的组合得到。连续的两个PAM4符号的组合可以得到二维星座情况下的16个星座点。在这个过程中，通过一个映射将每3bits映射为16个星座中距离较大的8个星座之一。每个星座符号由两个连续的PAM4符号组成也就意味着2D coded PAM4相当于未编码的PAM4。当比较相同比特率的2D coded PAM4和PAM4两种调制方式时，2D coded PAM4需要比PAM4高1/3的波特。这也表明了2D coded PAM4发送效率为1.5bits/symbol。在附加带宽的代价下，最小欧氏距离会增加到原来的√2倍，而欧式距离的增大会带来BER的减小。

经2D coded PAM4模块调制后信号进入光直调激光器，直调激光器可以将电信号变为光信号。由于发射信号带宽高于系统带宽，发射信号通过带限信道后信号会有受损。此外，直调激光器不可避免地会带来频率啁啾，光信号频谱会发生展宽。本发明中利用了光滤波器来消除以上影响。只需要将调整光滤波器的相关参数，即可有效恢复信号。在这个过程中，光滤波器充当一个陷波滤波器以减轻频率啁啾造成的色散影响，同时模拟一个频率均衡器。

通过标准单模光纤后的光信号通过衰减器后进入系统光电转换模块将光信号转换为电信号。电信号进入数据采样模块后进行简单的线下计算。PAM4可以通过三个电平来判决。2D PAM4会形成二维空间的16个星座，2D coded PAM4通过选取了16个星座中距离较大的8个星座点得到。假设2D PAM4中每个星座点的判决域面积为1,2D coded PAM4的判决域面积则变为2。同样地，2D coded PAM4也可以通过门限来判决，只不过这里的判决门限是每个2D coded PAM4星座点所在的判决域为2的菱形。

为了证实该系统的可行性，接下来结合具体实例说明。

光线路终端内信号发射机采用直接调制分布反馈式激光器(DFB)，该激光器带宽为10GHz。输出波长1550nm。激光器上所加载的2D coded PAM4调制信号速率为18.75Gbps。

光纤为标准单模光纤，长度为40Km。

光网路单元端光电探测器采用光电二级管(PIN)探测器，带宽为10GHz。

图2(a)、图2(b)分别为2D PAM4和2D coded PAM4的星座图。可以很清楚地看见，2D PAM4星座图中共有16个星座点，2D coded PAM4星座图中共有8个星座点。2D coded PAM4星座点之间距离比PAM4星座点之间距离略大。

图3(a)、图3(b)分别为2D coded PAM4光信号对应的眼图和PAM4光信号对应的眼图。从眼图中可以发现：2D coded PAM4眼图中存在一个两码元的周期。

图4为系统仿真中PAM4和2D coded PAM4的对比图。对比PAM4和2D coded PAM4的传输性能发现，2D coded PAM4相比PAM4在相同误码率下可以提升2.3dB的功率增益。

图5为实验对比18.75Gbps PAM4、18.75Gbps coded PAM4和25Gbps PAM4在光BtB和20Km后的传输误码率图。从误码率曲线可以发现：相比基于PAM4调制的无源光网络系统，传送相同数据信号，本发明可以获得更高的功率预算。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。