非NRZ码的光传输系统

shujuren

通常光传输系统采用的是NRZ（非归零码）的数据调制格式，其调制简单，理论也较成熟。随着WDM传输容量的增大，传输距离的延长，在采用了Raman放大器、色散补偿、FEC等措施后，选用合适的码型，可进一步提高系统的传输能力。因此近两年来，对光纤传输系统码型的研究成为热点。
多种RZ（归零）码及其他一些码型被尝试性地用在了系统中，如RZ码、CRZ（Chirped-RZ，啁啾归零）码、CS-RZ（Carrier　suppressed　RZ，载频抑制归零）码，及新近用于光传输上的VSB（Vestigial　side　band，残留边带码）、OD（Optical　duobinary，光双二进制）等。采用这些码型的目的，是为了更好的抑制光纤非线性效应、获得更大的色散冗余度或减小通道间串扰等。
1　各种码型的特点
1.1　常规RZ码
相比于NRZ码，RZ码由于在一个bit内归零，在同样的“1”码峰值功率下，平均功率比NRZ码的小，因此可更好地抑制光纤非线性效应，这有益于大容量、长距离的系统传输；而且由于在每个bit里都归零，避免了NRZ中出现长“1”时的问题，如：平均功率变大，时钟提取困难，出现直流分量（从而要求调制器的带宽从直流开始）等；RZ码对PMD的容忍度也比NRZ的高。但常规RZ码的频谱宽度为NRZ的两倍，对光电探测器等光电器件的带宽要求高。
常规RZ码有两种产生方法：电域和光域。电域的需要NRZ到RZ转换的驱动器来驱动调制器，而且调制器的带宽较宽，一般应达到NRZ的两倍。光域的需要两级调制，分别为数据调制和时钟调制。
一种特殊的RZ系统是光孤子传输系统。它是采用RZ码调制，并利用非线性效应中的自相位调制和色度色散共同作用，保持光脉冲形状不变。
1.2　CRZ、CS-RZ码
CRZ是对RZ码加预啁啾，其码型的频谱宽度更宽，但对光纤非线性的容忍度更高。CS-RZ是通过一定的调制方式，使调制后高频的载波被抑制，其频谱宽度较窄，在抑制非线性的同时还有较高的色散冗余度。
CRZ的产生在光域需要三级调制，除了产生常规RZ的两级外，还需要一级相位调制器，以便对RZ码加啁啾。
CS-RZ的产生方法与光域的RZ码一样，只是时钟调制时的偏压应在调制器的V0或Vp处，调制幅度为2　Vp，而且时钟调制的频率为信号速率的一半。
1.3　VSB码
VSB在电子技术中常用于频谱压缩，如电视信号中的伴音就采用了VSB。VSB在光传输中同样可压缩频谱，利用一个边带和残留的另一个边带，既不使信号失真，又可减小通道间的串扰。
VSB码的产生是在光分波时，采用更窄的滤波器，如对40Gb/s信号，用30GHz带宽的滤波器，并使其中心频率偏移，从而得到一个调制边带完整、另一个残留的频谱。VSB压缩了频谱，减小了通道间的串扰，可减小系统代价。
在传输过程中，VSB系统的码型与一般的NRZ一样。
1.4　OD码
电域的双二进制码采用了“+1”“0”“-1”的编码方式，从而压缩了频谱。在光域上，难以做到“-1”。光双二进制编码从光强来看，仍然只有“1”“0”，但相对于“+1”、“-1”的相位相差p。
OD的产生是利用电的双二进制码进行调制，“+1”“-1”的相位相差p。电的双二进制编码原则是：“1”码电平为零，“0”码电平为“+1”或“-1”，当两个“0”码之间的“1”码为奇数时，前后“0”码极性相同；为偶数时，则前后“0”码极性相反，见下图。


图1　双二进制编码示意图

这些码型并不是一成不变的，有时可将两种结合起来，如DCS-RZ（Duobinary　CS-RZ）、VSB-RZ等。
下图是几种码型的非线性容忍度与频谱宽度的关系。可见，CRZ对非线性的容忍度最高，但具有最宽的频谱宽度；CS-RZ则在频谱宽度和抑制非线性之间有较好的折衷。

图2　几种码型的非线性容忍度与频谱宽度的关系示意图

系统中，选用合适的调制码型可提高传输性能。对于色散受限系统，频谱较窄的格式较有优势，如NRZ、CS-RZ、OD等；对于非线性受限系统，RZ、CRZ、CS-RZ等较有优势。一般而言，太宽的谱宽不利于高速、长距离传输的系统，如CRZ。
2　非NRZ码在系统中的应用
RZ码的光传输最早是出现在海底光缆系统中，近两年在陆地系统中也日益受到重视。在大容量、长距离传输的10Gb/s系统中，已有极少量的采用了常规RZ码；而大多数40Gb/s系统，都尝试性地采用了非NRZ码。
a)　RZ：·2000年，Nortel的RZ码系统容量8´40Gb/s，传输328km；
·2002年3月，WorldCom报道对40´10Gb/s，传输4000km的　RZ系统进行了现场实验；
·2002年6月，华为报道用RZ码，实现了40´10Gb/s，传输3200km；
·Marconi采用光孤子实现了160´10Gb/s，传输5000km，并可扩展到40´40Gb/s，传输1000km；
b)　CRZ：·2000年，Lucent（丹麦）利用CRZ实现了在标准单模光纤上，8´10Gb/s容量，传输2000km；
c)　CS-RZ：·2001年，Nortel采用CS-RZ将16´40Gb/s传输了720km；
·2002年3月，OFS实现了80´42.7Gb/s，传输2000km；Mintera实现了40´42.7Gb/s，传输3600km。二者都采用了CS-RZ码；
d)　VSB：·2001年3月，Alcatel采用VSB，获得了0.64b/s/Hz的频谱利用率，再采用偏振复用技术，频谱利用率达到了1.28b/s/Hz，这是迄今为止频谱利用率最高的报道。该系统为256´42.6Gb/s，传输100km。2002年3月该系统传输距离达到了3´100km。
3　非NRZ码系统的标准现状
长久以来，光传输系统的标准基本针对的是NRZ的系统，只有海底光缆通信系统的标准提及过RZ码，如ITU-T　G.977，但也没有具体的接口指标。
在2002年4.29-5.10举行的ITU-T　SG15（2001-2004）研究期第三次全会上，华为提交了开发基于RZ码的10Gb/s　DWDM传输系统的新建议的提议　(D.365)，会议没有对D.365达成一致意见，有专家认为码型是系统内部的实现方式，不需要对其进行规定，但大多数专家对此表示出了兴趣。
4　总结
光传输系统中采用非NRZ码，是近年来被尝试用于提高光传输性能的有效手段。目前在系统中应用到的非NRZ码有常规RZ、CRZ、CS-RZ、VSB等，这些码型可压缩频谱或降低平均光功率，从而克服传输限制，但在系统应用时需综合考虑系统的传输受限因素、码型的实现难易、系统成本等多种因素。