CN207184528U - 一种80Gbps、PM‑16QAM信号传输系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种80Gbps、PM‑16QAM信号传输系统；在线性传输情况下，该系统中80Gbps、PM‑16QAM信号的传输特性优于在NZDSF和SSMF系统的传输特性；该系统传输80Gbps、PM‑16QAM信号的性能优，是Front‑haul长跨距传输的优选方案，为特殊应用场景下移动通信Front‑haul长跨距传输提供了新思路和实验保障。
Description
技术领域
本专利申请涉及一种80Gbps、PM-16QAM信号传输系统，可应用于通信网络、光学信息处理、新一代信息技术等领域。
背景技术
随着数据通信与多媒体业务需求的不断增加，移动通信飞速发展并不断满足人们的通信需求；然而，现有的移动通信网络一般采用前端传输接口在数据速率、带宽、时延方面存在很大的局限性；针对这种情况，中国移动通信研究院等单位提出了下一代前传接口NGFI (Next Generation Front-haul Interface) [1 China mobile researchinstitute, et al. White Paper of Next Generation Fronthaul Interface，v1.0(2015) ] 以满足第五代移动通信(5G)发展的需求；NGFI是指下一代无线网络主设备中无线云中心(RCC, radio cloud center)与远端射频系统(RRS, radio remote system)之间的前传接口，提供了五种接口划分方案，既可以采用模拟传输，又可采用数字传输技术以降低对系统参量要求，可灵活取舍。NGFI中的RCC集中点与RRS的单跨距传输距离一般限于20km，考虑到我国幅员辽阔、海岸线绵长、岛屿众多、荒原沙漠和高山广袤等地理环境的复杂性以及现代通信需求的迅猛增长，实现Front-haul长跨距光纤传输变得日益迫切。
色散平坦光纤（DFF）在通信波长范围内色散很小并且色散平坦，既可以消除色散引起的窄谱信号畸变，又可以避免宽谱信号的色散失真，在光纤通信中有着重要的应用；信号在DFF中传输具有较好特性[2 Zheng Hongjun, Liu Shanliang, Wu Chongqing, YuHuishan, Li Xin, Wang Weitao, Tian Zhen, Experimental study on pulsepropagation characteristics at normal dispersion region in dispersion flattedfibers, Optics & laser technology, 2012, 44(4): 763-766；3 Hongjun Zheng, XinLi, Shanliang Liu, Weisheng Hu, Chenglin Bai. Generation and transmission ofa High-bit-rate optical millimeter wave with an unrepeated long single-spanusing equalization amplification. Optics Communications, 356(2015), 599–606]。上述研究中，虽然DFF系统特性较好，但考虑到DFF色散小、非线性效应就显得比较突出的问题，需要进一步研究DFF作为其他应用场景（如Front-haul长跨距传输）下的传输性能；目前还没有在DFF中开展Front-haul长跨距传输的实验报道。
在数据通信与多媒体业务需求剧增的大环境下，用户对网络性能要求越来越高；具有频谱效率高、抗噪声能力强、高功率谱密度和低计算复杂度等优点的正交幅度调制（QAM）受到了业界的广泛关注。QAM作为重要的调制格式，其传输实验大都限于标准单模光纤（SSMF）和脉冲控制的标准单模光纤环路仪中，单跨距较小；同时传输中有声光调制切谱、多次光放大、滤波、信号整形、色散光补偿、色散电补偿和去噪声等复杂处理环节 [4Tingting Zhang, Dan Wang, et al. 396.5Gb/s, 7.93b/s/Hz Hybrid 16-32QAMTransmission over 480km SSMF. OSA Technical Digest (online) (Optical Societyof America, 2014), paper SM3E.3]。目前，尚未见16QAM信号在DFF中的传输实验报道；同时，业界通信需求迫切期望有比SSMF特性更好的传输介质以实现16QAM信号更长单跨距传输。
实用新型内容
在国家自然科学基金 (编号61671227、61431009 和 61501213）、山东省自然科学基金（ZR2011FM015）、“泰山学者”建设工程专项经费支持下，本专利申请提出了一种80Gbps、PM-16QAM信号传输系统；在该系统中80Gbps、PM-16QAM信号的传输特性明显优于在非零色散位移光纤（NZDSF）和SSMF链路系统的传输特性；本专利申请提出的系统是Front-haul长跨距传输的优选方案，为特殊应用场景下移动通信Front-haul长跨距传输提供新思路和实验保障。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
针对特殊应用场景下移动通信Front-haul长跨距传输迫切需求，本专利申请提出了一种80Gbps、PM-16QAM信号传输系统；该系统包括16QAM信号发射端、光纤传输链路和16QAM接收检测端共3个功能模块；其中，16QAM信号发射端具体包括比特模式发生器、数模转换器模块、电放大器模块、激光器、偏振分束器、I/Q调制器模块、偏振合束器以及各相关器件直流偏置模块；光纤传输链路包括掺铒光纤放大器、DFF传输链路；16QAM接收检测端包括本振激光器、光正交混合器、平衡接收光电二极管、模数转换器、数据预处理器、载波恢复处理器、滤波器、均衡器；在16QAM信号发射端，比特模式发生器产生四路数字伪随机码信号，其中每路DATA输出的速率为10Gbps；四路DATA信号由四个输出端口分别进入数模转换器模块，经过延迟和电平分阶处理，得到I路、Q路电信号；I路、Q路电信号分别经电放大器模块放大后进入I/Q调制器模块；激光器发出连续激光经偏振分束器形成X和Y偏振激光分别进入I/Q调制器模块；在I/Q调制器模块中，放大后的I路、Q路电信号分别调制X和Y偏振激光，再经过偏振合束器得到80Gbps、PM（偏振复用）-16QAM调制光信号；其中，需要反复调节电放大器输出幅值、I/Q调制器模块的直流偏置电压，以便得到高性能信号；80Gbps、PM-16QAM光信号进入光纤传输链路传输环节；80Gbps、PM-16QAM光信号进入天津峻烽科技有限公司生产的输出光功率10dBm的掺铒光纤放大器进行光放大，调节光功率确保传输所需的合适光功率，然后分别经过DFF、NZDSF和SSMF三种不同类型的光纤单跨距传输；最后进入16QAM接收检测端；在16QAM接收检测端，80Gbps、PM-16QAM光信号进入相干接收机进行解调处理，调节本振信号，使其频率、相位与输入信号一致，光功率较大（本实验系统取1550.31nm、15 dBm）；利用4对光电二极管（PIN）对80Gbps、PM-16QAM信号和本振信号进行平衡相干接收，然后进行与发射端相反的变换，即模数转换；再对信号序列进行DSP的预处理器、载波恢复器、滤波器和均衡器解映射和解码处理，恢复出信源数据；分析16QAM信号星座图、误差矢量幅度（EVM）、Q-Factor、眼图、误码率（BER）变化情况；可以在光纤传输链路输入端和输出端用光谱分析仪测量80Gbps、PM-16QAM光信号传输前后的光谱情况。
本实用新型的有益效果如下：
1. 在线性传输情况下，在本专利申请所提出的传输系统中80Gbps、PM-16QAM信号的传输特性优于在NZDSF和SSMF系统的传输特性；DFF链路在滤除旁瓣噪声方面有明显的优势；
2. 本专利申请所提出的系统是Front-haul长跨距传输的优选方案，为特殊应用场景下移动通信Front-haul长跨距传输提供了新思路和实验保障。
附图说明
图1是一种80Gbps、PM-16QAM信号传输系统示意图，该系统分为3个功能模块：1是16QAM信号发射端，2是光纤传输链路，3是16QAM接收检测端；其中，16QAM信号发射端包括比特模式发生器（1）、数模转换器模块（2）（3）、电放大器模块（4）（5）、I/Q调制器模块（6）、激光器（7）、偏振分束器（8）、偏振合束器（9）、以及数模转换器模块、电放大器模块和I/Q调制器模块的直流偏置模块（10）（11）（12）（13）（14）；光传输链路包括掺铒光纤放大器（15）、DFF传输链路（16）；16QAM接收检测端包括本振激光器（17）、光正交混合器（18）、平衡接收光电二极管（19）（20）（21）（22）、模数转换器（23）（24）（25）（26）、数据预处理器（27）、载波恢复处理器（28）、滤波器（29）、均衡器（30）。
图2是80Gbps 、PM-16QAM信号背靠背情况下的EVM随时间变化；图中带正方形的曲线是X偏振态背靠背情况，带菱形的曲线是Y偏振态背靠背情况。
图3是80Gbps、PM-16QAM信号经光纤传输后X偏振态的EVM随输入光功率的变化；其中带圆形、正方形的实线分别对应50km DFF和50km NZDSF传输后的情况。
图4是80Gpbs、PM-16QAM信号经DFF和NZDSF传输后的光谱峰值功率(a)和旁瓣噪声峰值功率(b)的变化情况，其中带圆形、菱形的实线分别对应50km DFF和50km NZDSF传输后的情况。
具体实施方式
下面结合实施例和附图详细说明本实用新型的技术方案，但保护范围不限于此。
实施例1 图1所示是本专利申请一种80Gbps、PM-16QAM信号传输系统示意图。该系统分为3个功能模块：1是16QAM信号发射端，2是光纤传输链路，3是16QAM接收检测端；其中，16QAM信号发射端包括比特模式发生器（1）、数模转换器模块（2）（3）、电放大器模块（4）（5）、I/Q调制器模块（6）、激光器（7）、偏振分束器（8）、偏振合束器（9）、以及数模转换器模块、电放大器模块和I/Q调制器模块的直流偏置模块（10）（11）（12）（13）（14）；光传输链路包括掺铒光纤放大器（15）、DFF传输链路（16）；16QAM接收检测端包括本振激光器（17）、光正交混合器（18）、平衡接收光电二极管（19）（20）（21）（22）、模数转换器（23）（24）（25）（26）、数据预处理器（27）、载波恢复处理器（28）、滤波器（29）、均衡器（30）。
在16QAM信号发射端，比特模式发生器（1）产生四路10Gbps数字伪随机码信号，该信号分别进入两个数模转换器模块（2）（3），进行延迟和电平分阶处理，得到I路、Q路电信号； I路、Q路电信号经电放大器模块（4）（5）放大后分别进入I/Q调制器模块（6）；激光器（7）发出连续激光经偏振分束器（8）形成X、Y偏振激光分别进入I/Q调制器模块（6）；在I/Q调制器模块（6）中，放大后的I路、Q路电信号分别调制X、Y偏振激光，经偏振合束器（9）得到80Gbps 、PM-16QAM调制光信号；其中数模转换器模块（2）（3）、电放大器模块（4）（5）、I/Q调制器模块（6）都需要调整相应直流偏置模块（10）（11）（12）（13）（14）到合适状态，特别是需要仔细、反复调节I/Q调制器模块（6）的直流偏置（14）；接下来，80Gbps 、PM-16QAM光信号进入光纤传输链路；80Gbps 、PM-16QAM光信号进入光功率可调的天津峻烽科技有限公司生产的输出光功率10dBm的掺铒光纤放大器（15）进行光放大，调节光功率确保传输所需的合适光功率，然后经过DFF传输链路（16）单跨距传输；之后进入16QAM接收检测端；在16QAM接收检测端，经DFF传输链路（16）传输后的80Gbps 、PM-16QAM信号和本振激光器（17）产生的信号共同进入光正交混合器（18），接着经平衡接收光电二极管（19）（20）（21）（22）相干接收，然后经模数转换器（23）（24）（25）（26）进行与发射端相反的变换，再经数据预处理器（27）、载波恢复处理器（28）、滤波器（29）和均衡器（30）恢复出信源二进制数据，分析16QAM星座图、误差矢量幅度（EVM）、Q-Factor、眼图、误码率（BER）变化情况；可以在光纤传输链路输入端和输出端用光谱分析仪测量80Gbps、PM-16QAM光信号传输前后的光谱情况。
图2是80Gbps 、PM-16QAM信号背靠背情况下的EVM随时间变化；图中带正方形的曲线是X偏振态背靠背情况，带菱形的曲线是Y偏振态背靠背情况。EVM的值越大，对应的星座图中的数据点越离散，系统性能越差；反之，EVM越小，系统特性越好。图中我们可以得出：在80Gbps传输速率情况下，X偏振态的EVM为6.63%0.2%，Y偏振态为6.81%0.2%；X和Y偏振态EVM数值近似相等，随时间的波动变化都很小，表明系统稳定性都好。
图3是80Gbps、PM-16QAM信号经光纤传输后X偏振态的EVM随输入光功率的变化；其中带圆形、正方形的实线分别对应50km DFF和50km NZDSF传输后的情况；相同情况下，50kmSSMF光纤传输后未能解调出信源数据，在此不加讨论。由图3可得，当输入光功率小于6.32dBm时，随着输入光功率增加，非线性影响增强，经DFF传输后X偏振态的EVM从8.72%增至13.12%；从变化趋势来看，EVM增加速率随着输入光功率的增加而变快，表明随输入光功率增加系统性能变差、且劣化速率加快，受非线性影响増大；经NZDSF传输后X偏振态的EVM则从9.40%增至12.93%，相同输入光功率对应的EVM比经DFF传输后的EVM要大，表明80Gbps、PM-16QAM信号经NZDSF传输后的性能劣于经DFF传输的情况；经NZDSF传输后X偏振态的EVM的变化趋势与DFF相似，但在较高功率情况下的劣化速率慢于DFF，从而使得两种EVM曲线逐渐靠近；这表明在此功率范围内，经DFF传输后的系统特性优于经NZDSF传输后情况，但系统特性优势随输入光功率增加而逐渐缩小。
当输入光功率为6.32dBm时，经两种类型光纤传输后的EVM相等，即EVM曲线出现交叉点；当输入光功率进一步增加时，经DFF传输后EVM却劣于经NZDSF传输后情况，而且劣势逐渐扩大。该现象体现了DFF的色散系数小，其非线性相对突出的特征。
Y偏振态的性能变化趋势与X偏振态的情况基本一致。
图4是80Gpbs、PM-16QAM信号经DFF和NZDSF传输后的光谱峰值功率(a)和旁瓣噪声峰值功率(b)的变化情况，其中带圆形、菱形的实线分别对应50km DFF和50km NZDSF传输后的情况。可以看出高速率16QAM信号在DFF传输后的光谱峰值功率和旁瓣噪声功率要低于对应NZDSF情况；该信号在DFF和NZDSF传输后的光谱峰值功率差值小于两光纤中旁瓣噪声功率差值，表明在此功率范围内，DFF链路在滤除旁瓣噪声方面有明显的优势。
SHAPE\* MERGEFORMAT 总之，本专利申请提出了一种80Gbps、PM-16QAM信号传输系统；在线性传输情况下，该系统中80Gbps、PM-16QAM信号的传输特性优于在NZDSF和SSMF系统的传输特性；DFF链路在滤除旁瓣噪声方面有明显的优势；该系统传输80Gbps、PM-16QAM信号的性能优，是Front-haul长跨距传输的优选方案，为特殊应用场景下移动通信Front-haul长跨距传输提供了新思路和实验保障。
应当指出的是，具体实施方式只是本专利申请比较有代表性的例子，显然本专利申请的技术方案不限于上述实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员，以本专利申请所明确公开的或根据文件的书面描述毫无异议的得到的，均应认为是本专利所要保护的范围。
Claims (1)
1.一种80Gbps、PM-16QAM信号传输系统，其特征在于：该系统包括16QAM信号发射端、光纤传输链路和16QAM接收检测端；其中，16QAM信号发射端包括比特模式发生器、数模转换器模块、电放大器模块、激光器、偏振分束器、I/Q调制器模块、偏振合束器以及数模转换器、电放大器、I/Q调制器模块的直流偏置模块；光纤传输链路包括掺铒光纤放大器、DFF传输链路；16QAM接收检测端包括本振激光器、光正交混合器、平衡接收光电二极管、模数转换器、数据预处理器、载波恢复处理器、滤波器、均衡器；在16QAM信号发射端，比特模式发生器产生四路数字伪随机码信号，其中每路DATA输出的速率为10Gbps；四路DATA信号由四个输出端口分别进入数模转换器模块，经过延迟和电平分阶处理，得到I路、Q路电信号；I路、Q路电信号分别经电放大器模块放大后进入I/Q调制器模块；激光器发出连续激光经偏振分束器形成X和Y偏振激光分别进入I/Q调制器模块；在I/Q调制器模块中，放大后的I路、Q路电信号分别调制X和Y偏振激光，再经过偏振合束器得到80Gbps、PM-16QAM调制光信号。
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