基于FSK_ASK的OPS-WDM混合调制格式的研究

Investigation of FSK_ASK Hybrid Modulation Format for OPS-WDM

摘要: 本文提出了一种基于幅移键控(ASK)和频移键控(FSK)的OPS-WDM混合调制格式，采用了一种基于双并联马赫–曾德尔调制器的调制技术，本文对调制方案的性能进行了分析研究，仿真结果表明，该方法对非线性损伤具有较强的鲁棒性。

Abstract: The article proposed a novel hybrid modulation format for OPS-WDM using amplitude shift keying (ASK) with frequency shift keying (FSK) labeling. A modulation technique based on a dual-parallel Mach-Zehnder modulator is used. In this paper, the performance of the modulation scheme is studied analytically. Through simulations, it shows robustness to nonlinear impairments.

1. 引言

全光标签交换直接在光层实现了多协议标签交换的分组路由和转发功能，是下一代网络中一项很有前途的技术。已经提出并实验证明了允许在有效负载分组上添加标签信息的几种混合调制技术，例如具有差分相移键控(DPSK)标记的幅度移位键控(ASK) (ASK/DPSK) [1] [2] [3] [4]，具有ASK标记的DPSK (DPSK/ASK) [5] [6] [7] [8]，具有ASK标记的频移键控(FSK) (FSK/ASK) [9] [10] 和带频移键控的强度调制(IM/FSK) [10] [11]。与开–关键控调制格式相比，每比特能量恒定的FSK调制格式具有更高的接收机灵敏度和更好的非线性性能。在FSK/ASK调制方案中，有效载荷信号是ASK格式的，而标签信号是FSK格式的。ASK-payload和FSK-label的调制过程在光幅度上是不相关的，FSK-label和ASK-payload的解调是独立的，即光滤波器对FSK-label的提取过程不会影响ASK-payload [11]。在以前的工作中，FSK标签可以通过不同的调制方案生成，例如采用双平行马赫–曾德尔(MZ)调制器的单边带(SSB)调制、采用平行FSK调制器的反向数据调制和直接调制激光器 [11] - [16]，在FSK调制之后，应用额外的高速强度调制器来生成ASK有效载荷 [9] - [21]。复杂的发射机可能会增加系统的成本，特别是在光分组交换波分复用系统(OPS-WDM)中。我们注意到该格式的传输性能得到了改善，并提出了一种新的正交调制方案，将有效载荷和标签同时由调制器产生。我们提出了一种调制方案，只使用一个调制器，本文将该方案应用于WDM系统，并对其传输性能进行了分析。

2. 网络设计与分析

一般来说，光分组交换中使用的正交调制信号是通过两个调制步骤生成的，一个步骤是光有效负载的生成，另一个步骤是光标签的调制，如图1所示。

Figure 1. Modulation scheme applying one/two modulator

图1. 采用一/二调制器的调制方案

然而，本文在调制方案中采用了双并行MZ调制器，在前面的工作中，只用于实现FSK标签的生成，并将其应用于ASK和FSK调制，从而降低了系统成本。本文在文献21中提出了采用双并行MZ调制器的FSK/ASK信号的调制原理，并将其作为正交系统。

图2示出了基于单调制器的光分组交换机WDM系统的网络设计，用于生成高速有效负载信号和低速标签信号。在发射机上，只有一个RF余弦信号被划分为2N信号；奇数余弦信号直接驱动调制器产生不同的光载波，偶数信号由高速RZ信号调制，驱动调制器的其他射频端口。低速NRZ信号应通过RZ信号多路复用，实现调制器的相位调制。由于我们以前的工作提出了单调制方案，高速曼彻斯特编码ASK信号和低速FSK标签可以由一个调制器和射频发生器产生。

Figure 2. System of OPS-WDM with one modulator

图2. 单调制器OPS-WDM系统

3. 仿真结果

为了研究光标记方案中FSK和ASK组合的性能，我们建立了一个光链路，并通过软件进行了仿真，如图3所示。

Figure 3. Simulation setup

图3. 模拟设置

功率为0 dbm的连续波激光器的中心频率为193.1 thz、193.3 thz、193.5 thz和193.7 thz。由射频发生器产生的40 ghz余弦信号被应用到调制器，然而，其中一个余弦信号被40 gbps有效载荷信号调制，该信号在曼彻斯特编码之后。一个2.5 Gbps的标签(双极性码)乘以MC有效负载，就得到了相位调制。传输链路由50 km单模光纤(SMF)和10 km色散补偿光纤(DCF)组成。SMF和DCF的分散度分别为16.75 ps/nm/km和−83.75 ps/nm/km。在中心频率193.14 thz处，采用5 ghz带宽的光学带通滤波器对FSK信号进行解调。从有效负载恢复的归零时钟乘以有效负载以解调MC有效负载。

(a) (b) (c) (d)

Figure 4. (a) (b) Frequency spectra and optical spectra of the transmitter output, respectively; (c) (d) Optical spectra of the first order and the second order filter, respectively

图4. (a) (b)分别是发射机输出的频谱和光谱；(c) (d) 一阶和二阶滤光片的光谱

图4(a)和图4(b)分别显示了发射机输出的频谱和光谱。从图4(a)、图4(b)可以看出，四个波长的信号幅度是恒定的，这意味着可以实现基于FSK/ASK正交调制的WDM系统。图4(b)~(d)示出了来自OPS-WDM系统的FSK信号的解调过程。通过适当的滤波器，FSK信号可以实现无差错传输。

图5示出了在193.14太赫兹下背靠背(BTB)传输或50 km SMF传输的BER性能与接收机灵敏度的关

Figure 5. Received power vs. BER under BTB and 50 km SMF transmission

图5. BTB和50 km SMF传输下的接收功率与误码率

系。插入图是FSK标签和MC有效载荷在−9的对数(BER)处的眼图。睁眼图表明，FSK/ASK调制方案在50 km传输后可以实现无差错传输。与BTB传输相比，FSK标签和MC有效载荷在50 km传输后的功率损失分别为0.02和0.2 db。结果表明，该调制方案在长距离光传输网络中具有良好的传输性能。

Figure 6. BER performance under different wavelengths

图6. 不同波长下的误码率性能

图6示出了在OPS-WDM系统中不同波长下的BER性能。对于不同的波长，BER的性能相同。在误码率为10-9时，低速FSK标签的误码率最大为1 db，高速ASK有效负载的误码率最大为2 db。此外，对于FSK和ASK信号，对于相邻波长，例如1546.7 nm > 1550.87 nm > 1548.47 nm > 1553.23 nm，BER表现更好。

Figure 7. Input power vs. received power under two dispersion compensation schemes

图7. 两种色散补偿方案下的输入功率与接收功率

光纤的色散是光纤传输系统的重要因素，特别是高速长距离传输。因此，研究OPS-WDM系统中的色散具有重要意义。通常，色散补偿采用色散补偿光纤(DCF)来实现完全色散。图7示出了在不同输入功率下，采用预补偿(DCF-SMF)和后补偿(SMF-DCF)两种色散补偿方案的传输性能。结果表明，与高速ASK标签相比，输入功率对FSK标签的影响较小。由于放大器的自发辐射噪声和非线性噪声，在1 db m的输入功率下，传输性能较好。此外，在事后补偿下，OPS-WDM系统的性能比预补偿性能好一些。这是由于DCF的高输入功率，会比SMF的相同功率产生更高的非线性噪声。

Figure 8. Transmission performance under different fiber length

图8. 不同光纤长度下的传输性能

图8显示了不同光纤长度下的传输性能。该图直接表明，随着光纤长度的增加和信号传输速度的提高，信号失真度增大。低速FSK信号从20 kmsmf到90 kmsmf几乎没有失真(约<0.1 db)，而高速ASK标签从20 kmsmf到90 kmsmf有1.4db的功率损失。因此，在光突发交换波分复用系统中，对高速有效载荷的研究是非常必要的。

4. 结语

本文提出了一种新的基于幅移键控(ASK)和频移键控(FSK)的OPS-WDM混合调制格式，该调制方式中FSK/ASK信号由一个双并联Mach-Zehnder调制器同时产生。仿真结果验证了该调制方案在50 km SMF后的传输性能，结果表明，FSK/ASK调制可以实现四波长复用的无差错传输，分析了不同影响因素下的传动性能，研究结果为长距离高速OPS-WDM系统提供了重要的理论基础。

基金项目

该项目获湖北省教育厅科学技术研究计划重点项目(项目标号：20181001)的资助。