Файл: Исследования в области новых форматов модуляции стимулируются поиском путей увеличения скорости и снижения стоимости единицы передаваемой информации.pdf

21
www.lightwave-russia.com
LIGHTWAVE Russian Edition №4 2005
Зачем нужны новые форматы
модуляции?
Исследования в области новых форматов модуляции стимулируются поиском путей увеличения скорости и снижения стоимости единицы передаваемой информации.
Экономичность DWDM-систем связи с боль- шой суммарной скоростью передачи данных
B

в значительной степени зависит от эф- фективности использования рабочего спектра для передачи информации, так на- зываемой спектральной эффективности

(см. врезку 1). При использовании обычного
NRZ-кодирования (см. ниже) максимальная практически достижимая

не превышает
0,4 [1], поэтому веская причина для иссле- дования альтернативных форматов модуля- ции – увеличение спектральной эффектив- ности DWDM-систем связи.
Сделать это можно двумя путями: умень- шить расстояние между каналами или уве- личить канальную скорость
B
(см. врезку 1).
Второй путь экономически более перспекти- вен, так как увеличение
B
приводит к сни- жению стоимости единицы передаваемой информации. По оценкам увеличение ка- нальной скорости в четыре раза обеспечи- вает снижение стоимости единицы переда- ваемой информации примерно в 2,5 раза,
так как при фиксированном значении

уве- личивает расстояние между каналами,
уменьшает требования к стабильности дли- ны волны излучения лазеров и спектраль- ных характеристик мультиплексоров.
Однако наряду с отмеченными преимущест- вами увеличение скорости передачи инфор- мации сопровождается ростом искажений цифровых сигналов в линии связи. В част- ности, искажения, вызываемые хроматичес- кой дисперсией, растут пропорционально квадрату канальной битовой скорости (
B
2
),
искажения из-за воздействия поляризаци- онной модовой дисперсии (ПМД) в первом приближении пропорциональны первой сте- пени канальной битовой скорости (
B
). Мощ- ность шумов также пропорциональна бито- вой скорости. Поэтому по мере увеличения скорости передачи растет интерес к форма- там, менее чувствительным к дисперсии и нелинейным искажениям.
Таким образом, можно определить две главные задачи, которые предполагается решить с использованием новых форматов:
во-первых, обеспечить более эффективное использование спектральных каналов в сис- темах плотного волнового мультиплексиро- вания (DWDM) и, во-вторых, снизить чувствительность информационных сигна- лов к искажениям из-за дисперсии или не- линейности (см. врезку 2) [1–8].
Классификация форматов модуляции
Классифицируя форматы модуляции, следу- ет разделить их, прежде всего, по парамет- ру электромагнитной волны, используемому для модуляции. Практическое применение нашли форматы, в которых для кодирования информации применяется амплитудная мо- дуляция (ASK, Amplitude Shift Keying), и фор- маты, использующие для этой цели фазо- вую модуляцию (PSK, Phase Shift Keying).
При этом следует иметь в виду, что ряд форматов, использующих амплитудную мо- дуляцию, содержит некоторую фазовую мо- дуляцию, которая не несет никакой инфор- мации. Аналогично оптические сигналы в форматах, применяющих фазовую модуля- цию, обладают также и амплитудной моду- ляцией, не несущей самостоятельной ин- формации. В то же время разработаны но- вые
1
многоуровневые форматы, в которых информация кодируется как амплитудой (ин- тенсивностью), так и фазой световой волны.
Модуляция, используемая в форматах тако- го типа, иногда называется квадратурной модуляцией, а для обозначения самих фор- матов используется аббревиатура ASK-PSK.
Совсем недавно начаты исследования форма- тов, в которых информация кодируется моду- ляцией частоты (FSK, Frequency Shift Keying).
Среди амплитудных форматов наиболее из- вестными являются бинарные форматы,
имеющие два информационных значения мощности, соответствующих включенному и выключенному состоянию передатчика. По- этому такие форматы часто обозначают аб- бревиатурой OOK (On/Off Keying).
Следует иметь в виду, что в оптических сис- темах связи все фазовые форматы модуля- ции используют дифференциальные фазо- вые методы, так как в оптическом диапазоне практически нецелесообразно выделять аб- солютное значение фазы несущей световой волны принимаемого сигнала. Поэтому ин- формация закладывается в относительный сдвиг фазы несущих двух последовательных импульсов. Этот фазовый сдвиг должен быть
WDM и оптические сети связи
М. А. ВЕЛИЧКО, О. Е. НАНИЙ, А. А. СУСЬЯН,
физический факультет МГУ, кафедра оптики и спектроскопии
НОВЫЕ ФОРМАТЫ МОДУЛЯЦИИ
В ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ
1
Новые для оптических систем связи. Аналогич- ные многоуровневые форматы модуляции хорошо известны и широко применяются в системах ра- диосвязи, кабельного телевидения и др.

22
www.lightwave-russia.com
LIGHTWAVE Russian Edition №4 2005
WDM и оптические сети связи
преобразован в амп- литудную модуляцию с использованием оп- тических линий заде- ржки и интерферен- ции. Поэтому пра- вильное обозначение для этих форматов –
DPSK (Differential
Phase Shift Keying).
Однако первая буква в аббревиатуре DPSK
иногда опускается.
С теоретической точ- ки зрения волоконно- оптические системы можно рассматривать как классические поло- совые системы, к кото- рым применима хорошо разработанная для классической радиосвя- зи теория модуляции.
Спектральная
эффективность
Спектральная эффективность – это числен- ная мера эффективности использования ра- бочего спектра DWDM-систем связи для пе- редачи информации. Она определяется как отношение скорости передачи в канале
B
к расстоянию между DWDM-каналами

:

=
B
/

При фиксированной ширине рабочего спект- рального диапазона


, используемого для передачи сигналов, максимальная суммар- ная скорость
B

, которая равна произведе- нию канальной скорости
B
на число каналов
N
, определяется произведением

на

:
B

=



Следовательно, для увеличения
B

нужно повышать спектральную эффективность.
Это можно сделать двумя путями: умень- шить расстояние между каналами

(см.
рис. 2Б) или увеличить канальную скорость
B
(см. рис. 2В).
B

можно также увеличить путем расширения спектрального интервала


, т.е. добавления новых каналов на новых частотах (см. рис. 2Г),
но это не всегда возможно, так как спектраль- ная полоса DWDM систем связи может быть ограничена типом используемых усилителей или другими причинами.
А)
Канальная скорость
B, Спектральная эффективность
, Число каналов N
B
Б
=
B
,
N
Б
>
N
,

Б
<

,

Б
>

,


Б
=





Б)
В)
B
В
>
B
,
N
В
=
N
,

В
=

,

В
>

,


В
=


B
Г
=
B
,
N
Г
>
N
,

Г
=

,

Г
=

,


Г
>


Рис. 2. Пути увеличения суммарной скорости передачи информации по волокну
Г)
Лазер с прямой модуляцией
P
t
T
2T
4T
6T
5T
8T
0
Излучение лазера
I
t
T
2T
4T
3T
6T
5T
7T
8T
0
Накачка
Лазер c внешней модуляцией
T
2T
4T
3T
6T
5T
7T
8T
0
T
2T
4T
3T
6T
5T
7T
8T
0
Модулированное
T
2T
4T
3T
6T
5T
7T
8T
0
Модулятор
I
t
Накачка
P
t
Излучение лазера
P
t излучение лазера
Рис. 1. Модулированное излучение лазера с
прямой (а) и внешней
модуляцией (б).
Информационная последовательность m(k):
00100110. T = 1/B
а)
б)
Исходная схема
Расширение спектрального диапазона
Увеличение
скорости передачи
информации
по каждому каналу
Увеличение
плотности
расположения
каналов

23
www.lightwave-russia.com
LIGHTWAVE Russian Edition №4 2005
Отличия между оптическими и радиомикро- волновыми системами лежат в диапазоне несущих частот (200 ТГц против нескольких
МГц или ГГц) и в свойствах компонентов,
способных генерировать или модулировать сигналы в этих диапазонах, а также в свой- ствах среды распространения – оптического волокна в случае оптических систем связи.
Амплитудная модуляция
При амплитудной модуляции в системах опти- ческой связи осуществляется изменение мощ- ности оптического излучения передатчика. Ис- торически бинарный амплитудный формат был первым форматом, используемым в опти- ческой связи, так как его можно получить путем прямой модуля- ции током накачки. Благодаря простоте и экономичности тех- нической реализации бинарный
ASK является самым распрост- раненным форматом и в насто- ящее время. Прямая модуляция возможна в передатчиках как на основе светоизлучающих ди- одов, так и на основе полупровод- никовых лазеров любого типа.
В передатчиках с прямой модуляцией
(рис. 1а) в соответствии с информационной последовательностью
m
(
k
) модулируется ток накачки. Под действием модулированного тока накачки модулируется выходная мощ- ность светового излучения лазера. Такой способ реализации амплитудного формата является доминирующим в относительно низкоскоростных системах передачи (менее
2,5 Гбит/с), особенно в городских сетях и се- тях доступа. Недостатком передатчиков с прямой модуляцией является наличие пара- зитной частотной и амплитудной модуляции,
связанных с переходными процессами в по- лупроводниковых лазерах. Паразитная час- тотная модуляция (чирп, от англ. chirp) при- водит к увеличению искажений, связанных с хроматической дисперсией. Эффективным методом уменьшения паразитных эффектов является использование структурированных импульсов накачки [2], а также волокна с от- рицательной дисперсией и полупроводнико- вых лазеров специальной конструкции.
Современные передатчики с прямой моду- ляцией обеспечивают максимальную ско- рость передачи 10 Гбит/с. Однако по даль- ности передачи информации и спектраль- ной эффективности системы связи с такими передатчиками далеки от оптимальных.
Существенно увеличить технические пара-
WDM и оптические сети связи
Потребность
в новых форматах
модуляции
Применение новых форматов модуляции особенно целесообразно, когда
•
•
все другие способы повышения суммарной скорости передачи информации
B

в линии связи исчерпали себя или оказались неэкономичными (см. врезку 1);
•
•
необходимо увеличить дальность передачи или канальную скорость (см. рис. 3)
за счет снижения чувствительности к искажениям из-за дисперсии или нелинейности.
А)
Канальная скорость
B, Спектральная эффективность

B
Б
>
B
,

Б
>

Б)
В)
B
В
>
B
Б
> B
,

В
>

Б
>

Схема формирования
Ай-диаграмма
Оптический спектр
Фаза
Мощность
NRZ
1 0,5 0


/2 0
–

/2
–3B
3B
–B
B
20 0
–20
B Гбит/с
T = 1/B
B = 1/T
Рис. 4. Временные зависимости мощности и фазы, оптический спектр, Айдиаграмма и схема
формирования NRZсигнала
Увеличение скорости передачи информации по каждому каналу без использования но
вых спектральноэффективных форматов. При этом уменьшение времени следования
импульсов приводит к уширению спектральных интервалов, занимаемых каждым кана
лом. Максимальная канальная скорость
B
Б
ограничена ростом перекрестных помех со
седних каналов изза перекрытия их спектров
Увеличение скорости передачи информации по каждому каналу с использованием
новых спектральноэффективных форматов. Перекрестные помехи не возрастают, так
как спектральные интервалы, занимаемые каждым каналом, не увеличиваются
Рис. 3. Увеличение канальной скорости
передачи за счет применения
спектрально эффективных форматов
модуляции
Исходная схема

24
www.lightwave-russia.com
LIGHTWAVE Russian Edition №4 2005
WDM и оптические сети связи
метры системы связи позволяет использо- вание передатчиков на основе полупровод- никовых лазеров с непрерывной накачкой и внешней модуляцией. Оптическая схема та- кого передатчика показана на рис. 1б.
NRZ , RZ и улучшенный RZ форматы
Наиболее популярным среди амплитудных форматов остается формат без возвраще- ния к нулю (NRZ, Non Return to Zero, рис. 4).
В этом формате сигнал, соответствующий логической единице, формируется оптичес- ким импульсом, длительность которого

равна периоду следования символов

=
T
=
1/
B
(где
B
– скорость передачи). Нулю соот- ветствует отсутствие оптического сигнала или сигнал меньшего уровня.
В формате с «возвращением к нулю» (RZ,
Return to Zero, рис. 5) любой символ «1»
представляет собой импульс, длительность которого
T
может варьироваться, но всегда

<
T
(например,

=
T
/2 ).
Чтобы его сформировать,
обычно из импульса NRZ с помощью модулятора Маха –
Цандера вырезается некото- рая его часть.
В 10 Гбит/с сетях формат RZ
получил широкое распрост- ранение из-за его более вы- сокой устойчивости к нели- нейности волокна. Эту осо- бенность можно объяснить тем фактом, что, когда импульс изолирован
(в отличие от NRZ), каждый «1» символ не зависит от своих соседей. В NRZ, последова- тельности «1» порождают непрерывные па- кеты световых сигналов, нестабильных при нелинейном распространении в периферии.
Помимо «стойкости» к нелинейным искаже- ниям при распространении, у сигналов RZ
есть дополнительное преимущество – они более устойчивы к ПМД, чем NRZ-сигналы.
CRZ , CSRZ и APRZ
форматы
Чирпированный (содер- жащий частотную мо- дуляцию) RZ (CRZ,
Chirped RZ, рис. 6) яв- ляется одним из самых успешных форматов.
Он формируется при прохождении RZ-сигна- ла через фазовый мо- дулятор, на который по- дается периодический сигнал на частоте сле- дования информацион- ных сигналов
B
[8].
У сигнала в формате
CRZ спектр шире, чем у
RZ-сигнала, что ограни- чивает максимально достижимую спектраль- ную эффективность и,
таким образом, пропу- скную способность. Од- нако этот формат полу- чил широкое распрост- ранение в 10 Гбит/с под- водных системах, пото- му что он значительно более устойчив к нели- нейным эффектам. CRZ
особенно хорошо проти- востоит внутрисимволь- ным нелинейным иска-
Схема формирования
Ай-диаграмма
Оптический спектр
Фаза
Мощность
CRZ
1 0,5 0
–3B
3B
–B
B
20 0
–20
B Гбит/с
B Гц
B Гц
Рис. 6. Временные зависимости мощности и фазы, оптический спектр, Айдиаграмма и схема
формирования СRZсигнала
Схема формирования
Ай-диаграмма
Оптический спектр
Фаза
Мощность
CSRZ
1 0,5 0


/2 0
–

/2
–3B
3B
–B
B
20 0
–20
B Гбит/с
B/2 Гц
B/2 Гц
Рис. 7. Временные зависимости мощности и фазы, оптический спектр, Айдиаграмма и схема
формирования CSRZсигнала
Схема формирования
Ай-диаграмма
Оптический спектр
Фаза
Мощность
–3B
3B
–B
B
20 0
–20 1
0,5 0


/2 0
–

/2
B Гбит/с
B Гц
B/2 Гц
APRZ
Рис. 8. Временные зависимости мощности и фазы, оптический спектр, Айдиаграмма и схема
формирования APRZсигнала
–3B
3B
–B
B
20 0
–20


/2 0
–

/2
RZ
1 0,5 0
B Гбит/с
B Гц
Схема формирования
Ай-диаграмма
Оптический спектр
Фаза
Мощность
Рис. 5. Временные зависимости мощности и фазы, оптический спектр, Айдиаграмма и схема
формирования RZсигнала

25
www.lightwave-russia.com
LIGHTWAVE Russian Edition №4 2005
жениям (т.е. искажениям, влияющим на фор- му отдельного изолированного импульса).
Позже было установлено, что в 40 Гбит/с системах преобладают межсимвольные не- линейные эффекты (также относящиеся к внутриканальным эффектам, включая кросс- фазовую модуляцию и четырехволновое сме- шение [8]). Это открытие побудило к деталь- ному изучению ряда других форматов моду- ляции, которые, как ожидается, улучшат ха- рактеристики 40 Гбит/с систем передачи.
Формат RZ с подавленной несущей (CSRZ,
Carrier Suppressed RZ, рис. 7) первоначально использовался в континен- тальных линиях связи со скоростью 40 Гбит/с по одно- му каналу [8].
В этом формате дополни- тельный сдвиг фазы на

разделяет последователь- ные битовые такты путем до- полнительной фазовой моду- ляции на частоте, равной по- ловине частоты следования импульсов. Однако формат

  1   2   3   4

CSRZ не очень эффективен против внутриканальных не- линейных эффектов.
Применяя дополнительный сдвиг фазы на

/2 к после- довательным битовым тактам вместо

, чтобы получить так называемый «RZ с дополнительным сдви- гом фазы на

/2» (

/2 APRZ, Alternate
Phase RZ, рис. 8) формат, можно добить- ся более существенного снижения внут- риканальных искажений [8].
VSB фильтрование
В ряде форматов, используемых в WDM- системах, применяется усечение опти- ческого спектра канала путем очень уз- кополосной фильтрации. Использование фильтров дает возможность получить сигналы с одной боковой полосой (SSB,
Single SideBand) или частично подавленной
WDM и оптические сети связи
Рис. 10. Временные зависимости мощности и фазы, оптические спектры, Айдиаграммы и
схемы формирования NRZ и RZсигналов с частичным подавлением боковой полосы (VSB)
Тенденции развития современных оптических систем свя- зи иллюстрирует рис. 9. Нижний эллипс отображает состо- яние коммерческих оптических сетей (маленький яркий круг – наиболее продвинутые сети). Верхний эллипс представляет собой системы передачи данных для науч- ных целей. Развитие будущих телекоммуникационных систем будет происходить по пути увеличения суммарной скорости передачи преимущественно за счет повышения
спектральной эффективности

. В свою очередь ширина полосы линии (рабочий спектральный диапазон) не будет существенно увеличиваться. Она, скорее всего, остано- вится на величине порядка 20 ТГц и составит, таким обра- зом, 10% от несущей частоты (такой предел характерен,
например, для радиофизических систем передачи). В этой эволюции оптических телекоммуникационных систем но- вые спектрально-эффективные форматы модуляции должны сыграть важнейшую роль.
Суммарная скорость передачи (Тбит/с)
Ширина полосы линии (ТГц)
0 0
10 20 14 10 6
2
Максимальная скорость промышленных систем
Эволюция будущих систем:
многоуровневые форматы
Спектральная эффективность
[(Гбит/С)/Гц]
0,2 0,4 0,8 1,2 2,0 5,0
Рис. 9. Тенденции развития
современных оптических систем связи
Количество уровней (M)
Спектральная ширина
сигнала
2 2
B
4
B
8 2/3
B
16 1/2
B
32 2/5
B
64 1/3
B
Таблица 1
Ширина полосы пропускания M-ary ASK
Схема формирования
Ай-диаграмма
Оптический спектр
Фаза
Мощность
1 0,5 0


/2 0
–

/2
–3B
3B
–B
B
20 0
–20
Декодер
B Гбит/с
VSB
NRZ
Схема формирования
Ай-диаграмма
Оптический спектр
Фаза
Мощность
B Гбит/с
B Гц
Декодер
–3B
3B
–B
B
20 0
–20


/2 0
–

/2
VSB
RZ
1 0,5 0
Тенденции развития
современных оптических систем связи

26
www.lightwave-russia.com
LIGHTWAVE Russian Edition №4 2005
WDM и оптические сети связи
боковой полосой (VSB, Vestigial SideBand,
рис. 10). Спектральная эффективность
SSB- и VSB-форматов повышается за счет устранения избыточной информации, прису- щей NRZ и RZ-форматам.
Сигнал с частично подавленной боковой по- лосой, полученный узким оптическим фильтрованием вне центра спектра, оказал- ся эффективным для
WDM-систем [8]. Однако максимально достижи- мое расстояние переда- чи ограничивается тем фактом, что подавлен- ная часть спектра кана- ла имеет тенденцию вос- станавливаться из-за не- линейностей, особенно в 10 Гбит/с системах.
Это предполагает ис- пользовать VSB-фильт- рование только на сто- роне приемника.
Многоуровневое
амплитудное кодиро
вание (M ary ASK,
рис. 12)
В этом формате N бит сигнала преобразуются в многоуровневый сигнал (символ) с чис- лом уровней M, отличающихся амплиту- дой, причем M = 2
N
, а полный сигнал сос- тоит из этих символов и преобразуется в слово, записанное бинарным кодом. Каж- дый символ несет в себе N = log
2
M бит информации.
Таким образом, вместо передачи оптических сигналов единичной амплитуды с периодом
T
= 1/
B
(что характерно для бинарных форматов)
можно передавать сиг- налы, принимающие M
значений, с интервалом
T
N
= N/
B
= (log
2
M)/
B
,
сохраняя скорость пере- дачи информации [1].
Так как длительность импульса увеличилась от
T
= 1/
B
до
T
N
= N/
B
,
спектр (точнее, расстоя- ние между первыми ну- лями в спектре) переда- ваемого (прямоугольно- го) импульса уменьшил- ся от 2
B
до 2
B
/N =
2
B
/log
2
M. В таблице 1
проиллюстрированы эти изменения. Случай M = 2
соответствует бинарному
NRZ-формату, ширина полосы которого составляет 2
B
Формирование многоуровневых сигналов осуществляется при помощи линейных схем, содержащих аттенюаторы и смеси- тели. Для примера на рис. 11 показана сравнительно простая реализация схемы формирования 4-ary системы.
3 1
1 2
0 1
1 1
0 0
0 0
Z
B
A
Бинарный сигнал A
Аттенюатор 3 дБ
Смеситель сигналов
Бинарный сигнал B
Многоуровневый сигнал Z
Рис. 11. Схема формирования 4ary сигнала
Схема формирования
Ай-диаграмма
Оптический спектр
Фаза
Мощность
B Гбит/с
B Гбит/с
–3B
3B
–B/2
B/2 20 0
–20


/2 0
–

/2 1
0 2
3
f
f
f
4-ary
Рис.12. Временные зависимости мощности и фазы, оптический спектр, Айдиаграмма и схема
формирования 4ary сигнала
Кодер
B Гбит/с
Схема формирования
Ай-диаграмма
Оптический спектр
Фаза
Мощность
DPSK
(
)
1 0,5 0


/2 0
–

/2
–3B
3B
–B
B
20 0
–20
Рис.13. Временные зависимости мощности и фазы, оптический спектр, Айдиаграмма и схема
формирования двоичного DPSKсигнала с помощью модулятора фазы
Схема формирования
Ай-диаграмма
Оптический спектр
Фаза
Мощность
Кодер
Кодер
B Гбит/с
B Гбит/с
–3B
3B
–B
B
20 0
–20


/2 0
–

/2 1
0,5 0
DPSK (MZ)
Рис. 14. Временные зависимости мощности и фазы, оптический спектр, Айдиаграмма и схема
формирования двоичного DPSKсигнала с помощью модулятора Маха – Цандера

27
www.lightwave-russia.com
LIGHTWAVE Russian Edition №4 2005
Четырехуровневый сигнал позволит в 2
раза увеличить спектральную эффектив- ность

, при этом либо увеличить в 2 раза скорость передачи, сохранив неизменной ширину спектра сигнала, либо уменьшить в 2 раза этот спектр, сохранив скорость передачи. В первом случае в DWDM-систе- ме можно сохранить число каналов, увели- чив скорость передачи по каждому из них,
во втором случае, сохранив
B
неизменной,
можно увеличить число каналов и даль- ность передачи без использования ком- пенсации хроматической дисперсии.
Уменьшение ширины спектра сигнала поз- воляет уменьшить мощность шумов, но из этого не обязательно следует увеличение дальности передачи, так как разность зна- чений мощности между сигналами с близ- кими значениями символов уменьшается
(появляются дополнительные возможности закрывания «зрачков» Ай-диаграммы).
Преимущества многоуровневых форматов наиболее заметны в локальных системах связи (LAN) на основе многомодового во- локна, где ограничения скорости и дальнос- ти передачи определяются межмодовой дисперсией.
Фазовая модуляция
DPSK форматы
Во втором классе форматов модулируемым параметром является фаза. Поскольку мо- дуляция абсолютного значения фазы в оп- тических системах оказалась затруднитель- ной, практический интерес представляют форматы на основе дифференциальной фа- зовой модуляции (DPSK). В отличие от рас- смотренных выше форматов, в DPSK ин- формация содержится в разности фаз меж- ду двумя последовательными импульсами,
при этом мощность излучения информации не несет. Схема формирования сиг- нала при помощи фазового модулято- ра приведена на
рис. 13. Предпочти- тельнее, однако,
схема, использую- щая модулятор Ма- ха – Цандера
(рис.14), настроен- ный таким обра- зом, что уровни ин- тенсивности симво- лов «1» и «0»
идентичны.
Поскольку инфор- мация содержится в изменении фазы от символа к символу
(см. таблицу 3),
то сигнал, управля- ющий фазовым мо- дулятором, необхо- димо сначала пре- образовать, исполь- зуя процедуру, называемую дифференци- альным кодированием. Дифференциальное кодирование начинается с произвольного выбора первого бита кодовой последова- тельности
c
(
k
= 0). На втором этапе после- довательность
c
(
k
) может кодироваться од- ним из двух способов:
WDM и оптические сети связи
Схема формирования
Ай-диаграмма
Оптический спектр
Фаза
Мощность
Кодер
Кодер
B Гбит/с
B Гбит/с
B Гц
RZ-DPSK
1 0,5 0


/2 0
–

/2
–3B
3B
–B
B
20 0
–20
Рис. 15. Временные зависимости мощности и фазы, оптический спектр, Айдиаграмма и схема
формирования RZDPSKсигнала
Схема формирования
Ай-диаграмма
Оптический спектр
Фаза
Мощность
Кодер
Кодер
B Гбит/с
B Гбит/с
B/2 Гц
B/2 Гц
–3B
3B
–B
B
20
–20


/2 0
–

/2
CSRZ-
DPSK
1 0,5 0
0
Рис. 16. Временные зависимости мощности и фазы, оптический спектр, Айдиаграмма и схема
формирования CSRZDPSKсигнала
a
k
b
k
c
k =
a
k

b
k
0 0
0 0
1 1
1 0
1 1
1 0
Таблица 2
Результат сложения по модулю 2
1 1
символ
0 0
0 0

1

0 1


0
Таблица 3
Соответствие значений фаз (
) двух
последовательных импульсов
передаваемому символу
Параметр дискретизации,
k
0 1
2 3
4 5
6 7
8
Информационный сигнал,
m
(
k
)
1 1
1 0
0 1
0 0
Сигнал в дифференциальной кодировке,
c
(
k
)
1 1
1 1
0 1
0 0
1
Соответствующий сдвиг фаз,
(
k
)




0

0 0

Таблица 4
Дифференциальное кодирование DPSK-сигнала

28
www.lightwave-russia.com
LIGHTWAVE Russian Edition №4 2005
WDM и оптические сети связи
c
(
k
) =
c
(
k
– 1)

m
(
k
)
или
c
(
k
) =
c
(
k
– 1)

m
(
k
),
где «
» – это сложение по модулю 2 (см.
таблицу 2), а черта над выражением означа- ет его дополнение. В таблице 4, например,
c
(0) = 1, а кодирование выполнено вторым способом. Это значит, что текущий бит кода c(k) равен 1, если бит сообщения
m
(
k
) совпа- дает с предыдущим битом кода
c
(
k
–1), в про- тивном случае
c
(
k
) = 0. На третьем этапе ко- дирования последовательность
c
(
k
) преобра- зуется в последовательность сдвигов фаз
(
k
), где единица представляется сдвигом фаз на

, а ноль – нулевым сдвигом фазы.
На детекторе определяется корреляция при- нятого сигнала с опорным, который предс- тавляет собой запаздывающую на один бит версию принятого сигнала. (Эту корреляцию может выполнять, например, пассивный во- локонный интерферометр Маха – Цандера,
у которого одно плечо длиннее другого на один бит.) Таким образом, в течение каждо- го интервала времени
T
фаза принятого символа сравнивается с фазой предыдуще- го. Если они совпадают, то детектируется логическая «1», а если разность фаз равна

– логический «0» (см. таблицу 3).
Применение двух работающих па- раллельно фото- диодов в качестве приемников позво- ляет уменьшить вероятность появ- ления ошибки и тем самым повы- сит чувствитель- ность на 3 дБ.
В большинстве экспериментов ис- пользуется DPSK- модулятор в комбинации с формирователем
RZ- или CSRZ-импульсов, т.е. RZDPSK- и
CSRZDPSK-форматы (рис. 15, 16 соотв.).
Формирование импульса может быть выпол- нено с помощью MZ-модулятора, который уп- равляется периодическим сигналом на часто- те
B
(как в RZ-схеме, см. рис. 15), или на час- тоте
B
/2 (как в CSRZ-схеме, см. рис. 16). В
RZDPSK- и CSRZDPSK-форматах амплитуд- ная модуляция является дополнительной и не несет никакой информации. Фаза сигнала при модуляции RZDPSK не отличается от со- ответствующей фазы при DPSK-кодирова- нии. При модуляции CSRZDPSK, как и при обычном CSRZ-кодировании, фаза в начале каждого такта скачкообразно изменяется на

. Получается, что фаза любого CSRZDPSK-
сигнала дополняет фазу аналогичного RZ
DPSK (или DPSK) сигнала до

Экспериментальные исследования показа- ли, что при скорости передачи 40 Гбит/с
DPSK-сигналы удавалось передать на боль- шие расстояния с меньшими потерями, чем сигналы в других форматах. Однако в этом случае необходимы дорогие терминалы. По- этому до сих пор не ясно, будут ли системы связи с DPSK-форматами экономичнее сис- тем, использующих ASK-форматы. Чтобы получить утвердительный ответ на этот воп- рос, необходимо дальнейшее исследование и улучшение DPSK-формата.
Двойной фазомодулированный
бинарный формат
Двойная бинарная передача (DBT –
DuoBinary Transmission) – передача сигналов с использованием трехуровневой схемы ко- дирования. Одна из ее разновидностей –
двойная фазомодулированная передача
(PSBT – Phase Shaped Binary Transmission,
рис. 17, 18) – особенно интересна для
DWDM-систем. Формат PSBT был разрабо- тан с целью уменьшения ширины спектра сигнала (сравн. спектр сигна- ла на рис. 18 и, например, на
рис. 4). В нем используется схема кодирования с уровня- ми «0» и «–1», «1», отличаю- щимися сдвигом фазы на

Формат в 3 раза более устой- чив к хроматической диспер- сии, чем NRZ или чистый двойной бинарный. Сдвиг фа- зы на

в PSBT также помо- гает снижать вредное воздей- ствие внутриканальных нели- нейных эффектов на скорости 40 Гбит/с. Ис- пользование этого формата обеспечивает улучшение чувствительности фотоприемни- ка и одновременно не ведет к снижению разности уровней детектируемых сигналов.
Кроме того, для детектирования PSBT-фор- мата используются стандартные бинарные фотоприемники. Более подробно о форма- тах DBT и PSBT можно прочитать в [12].
Смешанные амплитудно фазовые
форматы
Применение популярных ASK-форматов при постоянном росте количества передаваемой информации препятствует дальнейшему увеличению пропускной способности линий передачи, потому что частота модуляции электрического сигнала ограничена величи- ной 40 Гбит/c. Кроме того, высокоскорост- ная бинарная модуляция характеризуется низкой спектральной эффективностью и меньшей устойчивостью к дисперсии.
В какой-то степени эти проблемы решает многоуровневое кодирование сигналов, нап- ример, четырехуровневые форматы ASK и
PSK (или QPSK – Quaternary Phase Shift
Keying). Однако реализация четырехуровне- вой схемы очень сложна. Увеличение числа уровней значений приводит к тому, что он
Схема формирования
Ай-диаграмма
Оптический спектр
Фаза
Мощность
PSBT
1 0,5 0


/2 0
–

/2
–3B
3B
–B
B
20 0
–20
Декодер
B Гбит/с
Декодер
B Гбит/с
Рис. 18. Временные зависимости мощности и фазы, оптические спектры,
Айдиаграммы и схемы формирования PSBTсигнала
sin(
)
cos(
)
|E| = 1
E – амплитуда напряженности электрического поля
– фаза напряженности электрического поля sin(
)
cos(
)
|E| =
Рис. 17. Амплитуднофазовая диаграмма («constellation» –
созвездие) 3символьных сигналов DBT (а) и PSBT (б)
а)
б)

29
www.lightwave-russia.com
LIGHTWAVE Russian Edition №4 2005
хуже распознается приемником из-за плохо- го раскрытия eye-диаграммы.
Наиболее действенным способом увеличе- ния спектральной эффективности

являет- ся использование многоуровневой ампли- тудно-фазовой модуляции, при которой ин- формация кодируется как амплитудой, так и фазой сигнала. Иногда для обозначения амплитудно-фазовой модуляции использу- ется термин «квадратурная модуляция».
ASK QPSK
В работе [7] предложен новый 8-символь- ный смешанный формат ASK-QPSK. Пред- ложенный формат является сочетанием би- нарного амплитудного ASK и 4-символьного фазового QPSK-форматов.
На рис.19 показаны 8 уровней сигнала
(AD, ad) предложенной схемы кодирова- ния ASK-QPSK. Один символ содержит
3 бита информации, и скорость передачи бита получается в 3 раза выше скорости пе- редачи закодированного символа. Сигнал имеет 2 уровня амплитуды (E
1
, E
2
) и 4 уров- ня фазы (0,

/2,

, 3

/2).
Устройство передатчика показано на рис. 20.
Не вносящий линейной частотной модуля- ции (чирпа) двухтактный модулятор Маха –
Цандера модулирует фазу непрерывной световой волны, выходящей из лазерного диода, заставляя ее принимать значения 0
или

. Оптический фазовый модулятор до- бавляет сдвиг фаз 0 или

/2. Таким обра- зом, получается четырехуровневое фазовое кодирование. Следующим этапом добавля- ется

1   2   3   4