采用六阶幅度调制和解调技术实现高速光信号收发的光接入系统

1.本发明涉及通信领域，具体是光接入应用中采用六阶脉冲幅度调制(6-pam)和解调技术实现高速光信号的光接入系统。


背景技术：

2.近年来，为了缩短不同的带宽通信服务与不同用户的距离，光纤到楼、光纤到户、光纤到桌面在无源光网络的基础上提供了“最后一公里”解决方案。但是，未来快速增长的互联网数据流和大规模市场用户和商业应用的服务对光接入系统提出了更高容量、更高效率的需求。目前人们发现先进的调制格式和强度调制直接检测技术结合使用不但可以有效地获得更高的频谱效率以及更快的比特速率，还可以极大的降低成本。六阶脉冲幅度调制(6-pam)信号作为一种具有高谱效率的调制信号，已经在通信领域吸引了人们的关注和兴趣。作为简单的高阶调制技术，6-pam可以有效地提高传输速率，缓解带宽需求。所以6-pam调制解调技术成为短距离传输和接入系统研究的热点。pam信号通过增加脉冲的幅值阶数来提升信号传输能力。比如，4-pam信号具有4个电平信号，每个符号周期可以表示2个bit的逻辑信息，即00、01、10、11。在相同的符号传输速率下，4-pam信号的传输能力为二进制开关键控(ook)信号的两倍，6-pam信号每个符号周期可以表示＝2.585bit的逻辑信息。阶数越大pam信号的传输能力越强，但是高阶的pam信号传输时也存在着色散容限和接收机灵敏度较低的缺点，而在实际应用中6-pam信号是高传输性能和较低误码率(ber)的优选之一。pam调制技术已经入选ieee40/100/400g标准，被认为是400g标准中最有应用前景的候选方案之一。
3.目前业界已经提出采用pam-4信号传输的短距离光接入系统方案，甚至一部分方案已经落地并量产商用。面对愈加突出的数据流量增长，6-pam以系统搭建相对简单，结合高性能的硬件设备和低复杂度的数字信号处理(dsp)技术可以有效规避pam-6的劣势。因此，研究6-pam调制解调技术极具前瞻性以及实用价值。


技术实现要素：

4.本发明为解决以上的问题，设计了一种采用六阶脉冲幅度调制和解调技术实现高速光信号接入的系统。
5.pam信号在脉冲幅值阶数增加时，信号在时域相邻的相邻电平差距会逐渐变小，导致信号电平检测难度上升，提升了接收机的灵敏度要求。本发明采用的六阶脉冲幅度调制和解调技术，权衡了脉冲幅值阶数以及接收机灵敏度。
6.本发明采用的技术方案是：采用六阶幅度调制和解调技术实现高速光信号收发的光接入系统，包括光线路终端和光网络单元，光线路终端和光网络单元之间通过单模光纤连接通信，所述光线路终端包括6-pam信号发送机、外腔激光器、马赫-曾德尔调制器和光带通滤波器，数据进入光线路终端，由6-pam信号发送机产生基带6-pam信号，加载到马赫-曾
德尔调制器由外腔激光器生成的光载波上，形成6-pam光信号，经由单模光纤传输到光网络单元。
7.所述光网络单元包括掺铒光纤放大器、低通滤波器、光电检测器、第二电放大器和6-pam信号接收机，光网络单元接收到由单模光纤传输过来的光信号，先经过掺饵光纤放大器补偿之后经过低通滤波器滤除掉带外噪声，然后由光电检测器将光信号转换为电信号，再经过第二电放大器进行放大之后到达6-pam信号接收机；6-pam信号接收机将接收到的信号进行解调和解码，将数据还原为二进制信号。
8.进一步地，所述光线路终端中还包括第一电放大器，所述基带6-pam信号，经过第一电放大器放大后加载到光载波上。
9.进一步地，上述方案还包括偏振控制器，所述外腔激光器生成的光信号经偏振控制器处理后输入马赫-曾德尔调制器。
10.本发明采用的六阶幅度调制和解调方案，使用类似32-qam(正交幅度调制)星座图映射的方式生成6-pam信号，该信号相较于8-pam信号有更高的色散容限以及更低的接收机灵敏度。六阶脉冲幅度调制信号相较于八阶脉冲幅度调制信号，电平数的减少使得单位周期内单个电平的持续时间变长，更容易被接收机进行多电平判决，也降低了对接收机灵敏度的要求。本发明提出的六阶幅度调制和解调高速光信号接入系统提供了高速的传输速率以及高带宽(传输速率为10gbit/s时带宽仅为传统nrz信号带宽的1/2.5，且在同波特率下，pam-6信号传输的bit速率为nrz的2.5倍)，该系统成本较低(发射端减少激光器数量，接收端减少接收机数量，光器件的减少，封装光模块的尺寸和功耗都降低)且结构简单并支持直接检测光信号，是大数据接入系统的有竞争力的方案之一。
附图说明
11.图1为本发明中光接入系统框图；
12.图2为本发明中6-pam信号发送机和接收机；
13.图3 6-pam信号映射过程；
14.图4为本发明中6-pam信号传输前后的电谱图以及光谱图；
15.图5为本发明中传输前后的眼图和4-pam接收信号ber性能比较图。
具体实施方式
16.下面将结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅为本发明的一部分实施例。
17.图1为本发明的系统框图。本发明主要分为光线路终端、光网络单元和其中的单模光纤7等。其中光线路终端，包括6-pam信号发送机1、第一电放大器2、外腔激光器3、偏振控制器4、马赫-曾德尔调制器5和光带通滤波器6；光网络单元包括掺铒光纤放大器8、低通滤波器9、光电检测器10、第二电放大器11和6-pam信号接收机12；数据进入光线路终端，经由6-pam信号发送机1产生基带6-pam信号，经过第一电放大器2放大后加载到由外腔激光器3在马赫-曾德尔调制器5生成的光载波上形成6-pam光信号；其中外腔激光器3产生的光信号需经过偏振控制器4处理。再经过光带通滤波器6进行滤波处理之后经过20km的单模光纤7传输到达光网络单元；光网络单元接收到由单模光纤7传输过来的光信号，先经过掺饵光纤
放大器8补偿光信号在单模光纤7传输之后的衰减，再经过低通滤波器滤9除掉带外噪声，然后由光电检测器10将光信号转换为电信号，再经过第二电放大器11进行放大之后到达6-pam信号接收机12；6-pam信号接收机12会将接收到的信号进行解调和解码，将数据还原为二进制信号。
18.图2为6-pam信号发送机和6-pam信号接收机。
19.6-pam信号发送机1包括脉冲幅度序列产生器和多进制脉冲幅度产生器，数据经过脉冲幅度序列产生器和多进制脉冲幅度产生器生成基带6-pam信号。
20.6-pam信号接收机2包括多进制幅度判决器和多进制解码器，数据经过多进制幅度判决器和多进制解码器将6-pam电信号还原为二进制信号。
21.图3 6-pam信号映射过程，6-pam信号可以携带log
2(6)
＝2.585位/符号，6-pam信号发送机将原始的二进制信号映射到32-qam(正交幅度调制)星座图上，之后将32-qam的虚部和实部信号转变为串行信号，即每个星座点的虚部和实部表示连续的两个6-pam信号，在星座间隙传输2.5bit信息。
22.图1光接入系统中，数据进入光线路终端，通过6-pam信号发送机生成基带6-pam信号，然后经过电放大器放大之后加载到由外腔激光器生成的光载波(由外腔激光器通过马赫-曾德尔调制器生成)上，光载波通过单模光纤发送到光网络单元。
23.光网络单元接收到从光线路终端发送过来的光载波，承载6-pam光信号的光载波首先通过掺铒光纤放大器补偿信号的衰减，然后再通过低通滤波器滤出。经过滤波处理的光载波通过光电检测器把6-pam光信号装换为6-pam电信号。随后进入6-pam信号接收机(采用多进制幅度判决器和多进制解码器实现)将6-pam电信号还原为二进制信号。
24.测试结果如附图4所示，其中图(a)和图(b)分别为6-pam信号传输前后的电谱，图(c)和图(d)分别为6-pam光信号传输前后的光谱。从图(a)和图(b)中可以看出，6-pam信号的电谱测试带宽为20ghz。图(c)显示了采用外腔激光器生成的光载波承载发送6-pam光信号的光谱，其中中心频率为193.1thz的光载波上承载了6-pam光信号；图(d)为经过20km单模光纤之后的光载波承载接收6-pam光信号的光谱，其中中心频率也为193.1thz。上述结果证明：测试的电谱宽度在传输前后没有发生变化，占用的带宽要比传统二进制信号小得多，这将在很大程度上提升接入信号的频带利用率；测试的光谱说明了传输前后，6-pam光信号被有效滤出。
25.附图5为本发明中6-pam信号在背靠背传输和在光纤中传输时的眼图和ber性能比较，其中插图(a)和(b)分别为6-pam信号在背靠背传输和在光纤传输时ber为10-3
时的眼图。结果表明，6-pam信号经背靠背传输后的眼图和6-pam信号经过光纤传输后的眼图相差不大，两个眼图张开度都较为清晰，表明系统在长距离传输后的性能良好；为了进一步获得6-pam信号的接收性能，还测得了不同接收光功率时，背靠背情况下和传输20km光纤情况下6-pam接收信号的ber值。我们将前向纠错码极限值(1
×
10-3
)与接收ber值作比较来测试灵敏度，从图中不难得出结论：当误码率为10-3
时，传输后的信号接收功率比较传输前有4dbm的功率损失。总之，采用六阶脉冲幅度调制技术生成的信号在光接入系统中进行传输时，6-pam信号可在ber值低于前向纠错码极限值的情形下进行接收。