超长距波分传输系统的码型调制技术

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一、码型调制技术

    对于低速、短距离光纤传输系统，非归零码（NRZ）型具有实现简单、技术成熟、频谱效率高、信号完整性好等特点，广泛应用于商用长途DWDM传输系统中。但是，随着传输距离的增长和速率的提高，OSNR容限、色度色散、PMD、光纤非线性效应等这些在低速短距离传输情况下可以忽略的物理效应在此时变得明显，严重地阻碍了传输业务的容量和覆盖范围的提升。有鉴于此，近年来又开发出多种有别于NRZ码的调制格式，用于降低OSNR容限、增加色散受限距离，克服非线性效应和PMD效应等，这些特殊的调制格式统称为码型技术。目前，码型技术结合FEC、喇曼放大和色散补偿等技术，构成了超长距离DWDM传输的关键技术。

    码型技术一般采用归零（RZ）光脉冲来承载业务信号。图1（a）给出纯RZ码和NRZ码的光脉冲序列的比较。在RZ码脉冲序列中，在每个连“1”的过渡区域电场振幅是归零的，每个“1”码的电场振幅具有彼此独立的时间包络，这对于接收端的时钟恢复非常有利；而NRZ码的连“1”则是连为一体的。因此，在相同平均接收功率的条件下，RZ码的眼图张开度更大，参见图1（b），误码性能更为优异，一般能提供3dB的OSNR容限改善。此外由于RZ码的比特图形相关效应较弱，对SPM效应也有更好的免疫力，更窄的时域脉冲特性也能减小DWDM信道之间的非线性相互作用和PMD效应。但是，RZ码的缺点是光谱分布比NRZ宽，通道间隔一般限制在100GHz，不利于色散管理。实际工作中一般采用两外调制（RZ幅度和数据调制）来产生RZ码比特序列，调制结构比NRZ复杂。



图1  纯RZ码和NRZ码的比较

    基于进一步提升纯RZ码的传输性能，近年来还出现了CS-RZ（载频抑制RZ）、CRZ（啁啾RZ）码等。在CS-RZ码中，相邻码元的电场振幅的符号相反，进而达到降低光谱宽度的目的，不但增加了色散容限，而且抵抗SPM、FWM等光纤非线性效应的能力更强。CRZ码采用了三级调制技术（RZ幅度调制、相位调制和数据调制），其相位调制器在发射端对RZ脉冲的上升沿和下降沿上加入了一定的啁啾量，该啁啾的符号与SPM效应在光脉冲上产生的啁啾相反，因此抵抗非线性效应的能力非常优异。此外，这种啁啾也可用于改善光纤线路上的剩余色散量积累和色散补偿失配的问题，提高SPM和线路上色散之间的平衡性能。这实际上正是CRZ技术首先用于距离长达9000公里的跨洋传输的原因。CRZ的缺点是调制技术比较复杂，对三级调制之间的定时和时延要求很高。

    其它码型技术还包括D-RZ（双二进制RZ码）、DPSK-RZ（差分相移RZ）、DCS-RZ（双二进制载频抑制RZ）等。D-RZ信号具有窄光谱特性，通道间隔可做到50GHz，可实现超密集DWDM传输，其缺点是需要预编码器，驱动信号较复杂，且光纤非线性容限也较小。DPSK-RZ码型在发射端采用差分编码和相位调制，在接收端进行相干检测，而用光脉冲之间的相位变化（而非脉冲强度变化）来承载业务比特，实现降低OSNR容限和容忍光纤非线性效应的目的。缺点是需要干涉检测技术，进一步增加了收发设备的复杂度，光纤线路中信道监测也需要专用的DPSK接收机。DPSK-RZ码型的通道间隔也限制在100GHz。DCS-RZ的带宽是CS-RZ的2/3，在抵抗单信道和信道间的非线性效应方面表现出良好的特性。

    二、SuperCRZ技术概述

    如前所述，CRZ在抵抗光纤非线性效应和色散补偿失配方面具有突出的优势，已成功地用于跨洋光通信领域，传输距离接近10000公里，相应的非线性容限为63mW。但是，CRZ发射机的实现技术比较复杂，将CRZ技术应用于陆地光传送从成本角度来看很不经济，先进的技术和成本之间存在着阻隔。华为公司创建的超长距传输SuperWDM技术为跨越这一鸿沟提供了良好的桥梁。SuperCRZ调制是SuperWDM技术的一种具体实现方法，不但保持了CRZ码型的优点，而且通过简单有效的实施方式，实现了低成本收发一体模块，而且更少的器件和更低的复杂度也带来更高的可靠性。目前，SuperCRZ技术已经商用化，用于Optix BWS 1600G传输系统中。

    SuperCRZ具有以下突出优点：

    1、更低的OSNR容限

    大量理论分析和实验研究都表明，SuperCRZ的OSNR容限比NRZ改善了3～6dB，这一方面来自前者所采用的RZ调制格式，另一方面来自SuperCRZ的高非线性容忍性能。上述特性使得SuperCRZ技术具有突出的“跨距延伸效应”。目前商用化4000公里的无电中继超长距离传输已得到演示，而在光纤环路实验中传输距离已经达到7600公里。

    2、更强的抵抗光纤非线性效应的能力

    SuperCRZ码型利用特殊的相位调制成分抵抗SPM效应，可有效地减缓沿光纤链路上SPM效应的积累，从而降低系统的传输代价。光脉冲携带的相位调制也能降低信号的峰值光谱密度，这对于其他非线性效应乃至PDL、PMD等偏振效应也有很好的抑制作用。上述特性使得SuperCRZ的非线性容限达到63mW以上，在2000公里以内的传输范围内基本上处于弱非线性区，无需引入Raman放大来克服非线性效应和OSNR劣化，仅用常规的EDFA即可实现2000公里的商用化ULH传输，这对于提供高性价比的传输服务非常有利。

    3、更佳的色散容限

    SuperCRZ码型可对光纤非线性效应进行有效的抑制，基本消除了SPM效应对色散容限窗口的窄化效应，色散补偿变得更为简单方便。此外，通过改变SuperCRZ的相位调制幅度，还可自适应地调节接收端的最佳色散补偿条件，显著地提高了色散容限，亦不需要象常规CRZ技术那样在端站采用精细的分波长色散补偿措施，利用现在的DCF色散补偿模块即可胜任ULH传输的色散补偿。

    4、突出的性价比优势

    SuperCRZ技术采用的是成熟稳定的IM-DD（强度调制-直接检测）技术而非复杂的编码器和相干检测技术，对现有的DWDM传输设备冲击较小，只需在发射部分做有限的修改，而无需更改DCM色散补偿措施、EDFA光放大配置、线路性能监测设备和NRZ接收设备，也无需引入Raman放大技术，向下兼容程度高，在ULH传输中具有突出的竞争力。

    总之，在常规的LH传输向ULH传输的演变进程中，SuperCRZ方案方法具有简便、向下兼容、毋需过多的技术变更等特点，可有效地降低传输系统的成本，提高安规和运营稳定性，是一种非常具有竞争优势的技术方案。