CN109842448A - 基于反转4ppm线路编码的正交调制标签方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于反转4PPM线路编码的正交标签方法，包括：步骤1：带有训练序列的数字信号经过软件上线路编码之后转换成反转4PPM数据格式；步骤2：生成的数据格式经过电光幅度调制器调制到光载波上形成光载荷信号；步骤3：将另一个带有训练序列的数字信号作为标签信号经过电光相位调制器调制到带有光载荷信息的光载波上；步骤4：经过调制后的光信号光纤传输后，在接收端把光信号分成两个部分，一部分用于光载荷信号的接收；另一部分标签信号解调接收。本发明解决了在无消光比限制下有效载荷信号和标签信号之间固有的串扰问题，实现两个信号的共存传输。

Description

基于反转4PPM线路编码的正交调制标签方法

技术领域

本发明涉及光传输技术领域，具体涉及一种用于光通信系统光标签网络的基于反转4PPM线路编码的正交调制标签方法。

背景技术

随着互联网的飞速发展，更多的业务如语音、数据、视频等需要更快的传输、 交换、处理速率。在骨干网络上的核心路由器中，交换机的电子速率“瓶颈”一直 是待攻克的难点,而光交换技术被视为解决电交换“瓶颈”的一个重要替代方案。 由于全光分组交换所需的关键技术如光存储、光逻辑器件还未成熟,因此相关学者 将注意力转向了更易实现的光标签交换技术。光标签交换技术就是将地址信息写到 低速率的标签中，而数据信息写到高速率的净荷中，在交换节点将标签转换到电域 进行处理而净荷保持在光域传输，通过交换结构将净荷输出到相应的输出端口。

光标签方案的一个重点研究方向是实现有效载荷和标签信号无干扰共存，以达到更高的传输速率和更高的频谱效率。其中较为突出的是正交调制光标签技术。目 前已经研究和演示了许多新方案，最常用的一些方案包括频移键控/幅移键控 (FSK/ASK)和差分相移键控/幅移键控(DPSK/ASK)以及其他如极化移位键控/ 幅移键控(PolSK/ASK)和新提出的DPSK/FSK。这些方案基本上涉及两种独立的 调制格式，一种用于各种用户和因特网服务的高速有效载荷，另一种用于有效载荷 路由和转发的标签信息，而这两种格式在相同的光载波上正交共存并且在用户端用 相应的检测器分开。

然而，由于有效载荷和标签之间固有的串扰，ASK信号的消光比(ER)必须降 低到3-4dB左右才能进行DPSK或FSK检测。因此，网络可扩展性受到很大限制。 为了解决这一问题，Nan Chi,Dexiu Huang等人提出了使用40Gb/s曼彻斯特编码有 效载荷和2.5Gb/s DPSK标签进行正交ASK/DPSK标记。消光比可以增加到11dB， 从而使标签灵敏度提高8dB。ZHOURui等人利用PPM数据作为高速有效载荷，DPSK 信号作为光学载荷标签，证明了在10-9的误码率下，70km光纤传输的功率损失在 仿真系统中在1-3dB到DPSK标签和5-6dB到PPM有效载荷的范围内。在这样的条 件下，即18-19dB的大消光比用于PPM有效载荷的强度调制器，具有良好接收的DPSK标签。但是以上方案要得到良好的标签信号，对ASK信号的消光比都是有要 求的，在一定程度上限制的网络的可拓展性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种用于光通信系统的光标签网络的基于反转4PPM线路编码的正交调制标签方法。

本发明采取如下技术方案：

用于光通信系统的的光标签网络的基于反转4PPM线路编码的正交调制标签方法，包括如下步骤：

步骤1：带有训练序列的数字信号经过软件上线路编码之后转换成反转4PPM数据格式，并将该数据比特速率设置为40Gb/s；

步骤2：步骤1中的数字信号经过电脉冲产生器后作为光载荷的电输入信号，经 过光幅度调制器调制到光载波上形成光载荷信号；

步骤3：将另一个带有训练序列的数字信号比特速率设为2.5Gb/s，经过电脉冲产生器后作为光标签的电输入信号并经过光相位调制器调制到步骤2中带有光载荷信 息的光载波上；

步骤4：经过调制后的光信号经过40km的光纤传输后，在接收端把光信号分成 两个部分，一部分进过光电探测器，直接接收光载荷信号；另一部分进行延迟相干 解调，将相位信息转换成幅度信息，再经过光电探测器，最后利用低通滤波器将标 签信号滤出解调。

优选地，所述步骤1和所述步骤3，训练序列是伪随机序列，且信息序列每隔一定长度就插入一串训练序列，其中间隔的长度根据信道时变特性的影响程度来设定。

优选地，所述步骤1中，反转4PPM数据格式的产生：第一个比特信号和同频时钟 进行异或运算，产生一个曼彻斯特码信号；让第二个比特和双倍频时钟进行异或运算， 产生一个双曼彻斯特码信号，最后将这两个信号进行或运算，输出即为反转4PPM的码 型信号。

优选地，所述步骤2中，即使光幅度调制的消光比可以无穷大，仍然具有良好接收的DPSK标签；所谓的消光比为激光功率在逻辑"1"的平均功率和在逻辑"0"的平均功率 之比。可用EXT表示，一般用对数式表示为:EXT＝10lg(p1/p0)(dB)。

优选地，所述步骤3中，经过两次调制后的光载波上同时携带着载荷信号和标签信号，且可以不相互干扰同时共存传输。

优选地，所述步骤4，载荷信号的解调可以直接用光电探测就可以解调出来；标签信号则需要延迟相干解调的方法进行解调。延迟相干解调：将光信号分为两路，其中 一路延迟一个比特，另外一路不做延迟处理，两路再进行耦合。

DPSK标签信号延迟相干解调具体步骤如下：

1)、将用于标签信号接收的光信号用分光器分为相同的两路。

2)、将其中的一路光信号进行一个的比特的延迟，由于DPSK标签比特速率设为2.5Gb/s,延迟1bit即延迟0.4ns。

3)、用耦合器将延迟一比特的光信号和另一路没有延迟的光信号进行耦合到一起。

4)、耦合后的光信号经过光电探测器转换成电信号。

5)、电信号经过一个低通的滤波器即可恢复出低速的标签信号。

线路编码往往便于时钟提取、误码监控并有冗余信息可用于传递管理信息，早在光 纤通信出现之前就已经应用于电通信系统之中。而且线路编码的性能与编码效率之间存 在矛盾，需要在这两者间做取舍，数字信号最直接的格式是非归零码(NRZ)，是一种方波信号。在整个比特周期内，信号的幅度是保持不变的。NRZ码调制和接收都很简单， 是最简单最直接的码型。不过NRZ码信号的直流分量较多，特别是当出现多个连续的 “0”或者"1”时，数据信号的时钟难以提取。为此，我们提出了一种反转4PPM适用 于通信系统中的线路编码。在四进制传输的情况下，位周期的前四分之一部分中的脉 冲用“00”表示，位周期的第二个四分之一部分中的脉冲用“01”表示，同理第二个用 “10”表示，第四个用“11”表示，再将此脉冲序列反转，即可得到我们实验所用到的 反转4PPM。

传统的正交标签方法在该数据共存传输中，DPSK信号对ASK信号是没有影响的，但ASK信号却影响着DPSK信号。为了降低ASK信号对DPSK信号的影响，我们提出 了基于反转4PPM线路编码的正交标签方法。

本发明的正交标签方法是基于反转4PPM线路编码的。其中，利用反转的4PPM码 型数据作为高速有效载荷信号的传输，而标签信号则使用不经线路编码的NRZ数据格 式；进过线路编码后的载荷信号通过电脉冲产生器转变为电的载荷信号，再通过光强度 调制器调到光载波上。同理，低速的NRZ数据格式通过电脉冲产生器转变为电的标签 信号后，通过差分相位调制器调制到带有载荷信息的同一光载波上。这两种格式在相同 的光载波上正交共存并且在用户端用相应的检测器分开。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明与传统的正交标签方法相比，在同等实验条件下，本发明的反转4PPM 线路编码降低了载荷信号(ASK信号)对标签信号(DPSK信号)的影响。

2、本发明的反转4PPM码型数据经过强度调制之后，每个符号能量都足够大，经 过差分相位调制之后的标签信号质量良好。并且每个符号的平均能量都相等，有利于信 号的检测与解调。

3、本发明的基于反转4PPM线路编码的正交标签方法在理想的收发机的情况下，载荷速率可以达到80Gb/s甚至更高，可进一步提高光标签交换的交换速率。

本发明用于光通信系统的光标签网络，在保证载荷信号和标签信号正交共存的情况，有效减少了载荷信号对标签信号的固有串扰，在很大的程度上提高了网络的可扩 展性。

附图说明

通过阅读参照以下附图通过对比其他正交标签方案，本发明的其它特征、目的 和优点将会变得更明显：

图1为基于反转4PPM线路编码正交标签方案的结构示意图。

图2为基于逻辑域的反转4PPM数据码型产生原理示意图。

图3为延迟相干解调原理示意图。

图4(a)为没有线路编码的2.5Gb/s DPSK信号的眼图。

图4(b)为在使用40Gb/s反转4PPM编码有效净载荷之后，解调的2.5Gb/s DPSK 信号的眼图。

图5为信号经过不同光传输距离后，在接收端标签信号和载荷信号BER性能对 比图。

图6(a)为以反转4PPM码型数据作为载荷信号时的DPSK标签信号BER性能与 消光ER的关系图；

图6(b)为基于Manchester以及基于反转4PPM码型数据分别作为载荷信号时的DPSK标签信号BER性能与消光ER的关系对比图。

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。为此，本发明使用0,1信号进行实验来验证基于反转4PPM线路编 码的正交标签方法的效果。

本发明用于光通信系统的光标签网络基于反转4PPM线路编码的正交标签方法，方案原理框图如图1所示，带有训练序列的数据格式经过线路编码生成反转4PPM 码型数据格式，作为高速的载荷信号并经过幅度调制调到光载波上，同时低速的 NRZ标签信号则通过差分相位调制到同一载波上，经过标准单模光纤的传输以及色 散补偿光纤的对色散进行补偿后，到达相关接收端进行相应的接收和解调。其中， 有效载荷信号的接收解调只需要一个光电探测器即可完成；而进过差分相位调制后 的标签信号则需要延迟相干解调来对信号进行解调后，再经过光电探测器接收。

其中，反转4PPM码型数据格式在逻辑域的产生如图2所示，需要用到两个异 或的逻辑门以及一个或门，具体包括以下步骤：

步骤1：带有训练序列的0,1信号的第一个比特信号和同频时钟进行异或运算，产生一个曼彻斯特码信号；最后将这两个信号进行或运算，输出即为反转4PPM的码型信 号。

步骤2：让带有训练序列的0,1信号第二个比特和双倍频时钟进行异或运算，产生一个双曼彻斯特码信号。

步骤3：产生的曼彻斯特码信号和双曼彻斯特码信号进行或操作，即可产生反转4PPM码型数据格式。

更进一步地对步骤中的术语进行解释：

1、曼彻斯特码信号是用一种用电平跳变来表示1或0的编码，其变化规则很简单,从低到高跳变表示"1"，从高到低跳变表示"0"。

2、反转4PPM码是四进制脉冲位置码型数据的反转，在四进制传输的情况下，位 周期的前四分之一部分中的脉冲用“00”表示，位周期的第二个四分之一部分中的脉冲 用“01”表示，同理第二个用“10”表示，第四个用“11”表示，再将此脉冲序列反转， 即可得到我们实验所用到的反转4PPM。

实验经过差分相位调制的标签信号需要延迟相干解调来对信号进行解调，如图 3所示，用于接收的标签信号通过分路器分为两路，一路用延迟器延迟1比特在与 另一路通过合路器进行合成。此时，相位信息就转换成幅度信息。合路信号经过光 电探测器进行接收，并通过相关的误码率测试仪进行信号误码的测量。

将40Gb/s有效载荷的幅度调制调制深度设置为0.8，用于差分相位调制的标签 信号速率设置为2.5Gb/s，得到图4的实验仿真的眼图，图中(a)为没有线路编码的 2.5Gb/sDPSK信号的眼图，(b)则为在使用40Gb/s反转4PPM编码有效净载荷之后， 解调的2.5Gb/sDPSK信号的眼图。通过比较，明显看出，没有线路编码的DPSK 标签信号的眼图张开较小且干扰较大，经过反转4PPM编码之后，DPSK标签信号 的眼图张开变大，且干扰较小。经过反转4PPM编码之后的DPSK标签信号性能明 显优于没有编码的DPSK标签信号性能。

图5为实验在b2b，20km，40km光纤传输下误码率BER与接收光功率的关系， 图中：横轴为接收端的光功率，纵轴是BER表示误码率大小，其中接收端的BER 性能对比分别有：b2b反转4PPM载荷信号，b2b DPSK标签；20km反转4PPM载 荷信号，20km DPSK标签信号；40km反转4PPM载荷信号，40km DPSK标签信号。 由图5可看出，曲线走势基本一致，说明该线路编码在该传输系统适用。

经过线路编码的正交标签方案中，通过误码率测试仪我们可知，DPSK标签信 号误码率随着载荷信号的消光比ER的增大的增大，在消光比大于60的情况下趋于 平坦，误码率稳定在2.0*10^-6左右，详见图6(a)。图中：横轴为载荷强度调制的消 光比ER，纵轴是BER表示误码率大小。因此，我们载荷信号的调制的消光比可以 无限大，即消光比不受限制，从而提高了网络的可拓展性。

为了突出本发明方案的优越性，我们将基于反转4PPM线路编码的正交标签方 案与基于Manchester编码的正交标签方案进行了对比，在同样的比特速率以及同样 40km光纤的传输条件下，比较结果如图6(b)所示，基于Manchester编码的DPSK 标签信号的误码率随着消光比的增大而迅速增大，而基于反转4PPM线路编码的 DPSK标签信号的误码率则相对比较增长的缓慢且最后基本稳定在10^-6，符合最大 误码率的上限要求。

综上所述，采用本发明的基于反转4PPM线路编码的正交标签方案可以很好地解决载荷信号和标签信号正交共存传输问题。与传统正交标签技术相比，经过线路编码 的正交标签方案明显减少了ASK载荷信号对DPSK标签信号的影响，使得在同样的传 输速率下误码性能达到较好的的水平。此外，基于反转4PPM线路编码的正交标签方 案可以在理想的收发机的情况下，载荷速率可以达到80Gb/s甚至更高，可进一步提高 光标签交换的交换速率。因而基于反转4PPM线路编码能较好地应用于光传输系统光标 签网络，且满足低成本，高容量传输要求。

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。

Claims (6)

1.基于反转4PPM线路编码的正交调制标签方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将一个带有训练序列的数字信号经过软件上线路编码之后转换成反转4PPM数据格式，并将该数据比特速率设置为40Gb/s；

步骤2：步骤1中的数字信号经过电脉冲产生器后作为光载荷的电输入信号，经过光幅度调制器调制到光载波上形成光载荷信号；

步骤3：将另一个带有训练序列的数字信号比特速率设为2.5Gb/s，经过电脉冲产生器后作为光标签的电输入信号，经过光相位调制器调制到步骤2中带有光载荷信息的光载波；

步骤4：经过调制后的光信号经过40km的光纤传输后，在接收端把光信号分成两个部分，一部分经过光电探测器，直接接收光载荷信号；另一部分进行延迟相干解调，将相位信息转换成幅度信息，再经过光电探测器，最后利用低通滤波器将标签信号滤出解调。

2.根据权利要求1的基于反转4PPM线路编码的正交调制标签方法，其特征在于，步骤1和步骤3中，训练序列是伪随机序列，信息序列每隔一定长度插入一串训练序列。

3.根据权利要求1所述的基于反转4PPM线路编码的正交调制标签方法，其特征在于，步骤1中，反转4PPM数据格式的生成过程为：

第一个比特信号和同频时钟进行异或运算，产生一个曼彻斯特码信号；

第二个比特和双倍频时钟进行异或运算，产生一个双曼彻斯特码信号，

将所述曼彻斯特码信号和双曼彻斯特码信号进行或运算，输出即为反转4ppm的码型信号。

4.根据权利要求1所述的基于反转4PPM线路编码的正交调制标签方法，其特征在于，步骤2和步骤3中，载荷信息使用的是幅度调制，标签信息使用的差分相位调制，两者都调制到同一光载波上，且可以正交共存。

5.根据权利要求1所述的基于反转4PPM线路编码的正交调制标签方法，其特征在于，步骤4中，载荷信号的解调采用光电探测直接解调，标签信号采用延迟相干解调方法解调。

6.根据权利要求5所述的基于反转4PPM线路编码的正交调制标签方法，其特征在于，步骤4中，延迟相干解调具体为：将光信号分为两路，其中一路延迟一个比特，另外一路不做延迟处理，两路进行耦合，形成延迟相干。