基于絕對極性占空比復(fù)用技術(shù)的光纖通信系統(tǒng)研究

王東飛，陳新橋，唐琳，張雨辰

(中國傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100024)

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基于絕對極性占空比復(fù)用技術(shù)的光纖通信系統(tǒng)研究

王東飛，陳新橋，唐琳，張雨辰

(中國傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100024)

本文介紹了一種利用不同占空比實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用的新型復(fù)用技術(shù)，即絕對極性占空比復(fù)用技術(shù)(APDCDM)，并分析了APDCDM的復(fù)用與解復(fù)用原理。利用Matlab設(shè)計了APDCDM系統(tǒng)的解復(fù)用器，利用軟件Matlab與Optisystem進(jìn)行聯(lián)合仿真，設(shè)計了基于APDCDM的光纖通信系統(tǒng)，并驗證了APDCDM在光纖通信系統(tǒng)中的可行性。

絕對極性占空比復(fù)用；Matlab與Optisystem聯(lián)合仿真；解復(fù)用器；光纖通信

1　引言

為了提高光纖的利用率和帶寬，人們采用了各種光的復(fù)用方法，并且各種復(fù)用技術(shù)的出現(xiàn)都在不同程度起到了擴(kuò)大傳輸容量和提高傳輸效率的作用，比如WDM，TDM等等。WDM技術(shù)在光通信系統(tǒng)中對解決傳輸介質(zhì)的帶寬利用率這一問題起到了很大的作用，但是它對于電通信系統(tǒng)卻作用很小，而且在波分復(fù)用系統(tǒng)中，在一個單載波上，只有一個用戶可以傳送數(shù)據(jù)。TDM通過記下每個用戶不同時間的位置就可以實(shí)現(xiàn)多個用戶可以共用一個光單載波傳輸數(shù)據(jù)了，但是這樣會導(dǎo)致脈沖寬度會變窄，所以，這個系統(tǒng)就需要高速率的復(fù)用器和解復(fù)用器，同時，高速率傳輸下，時鐘恢復(fù)也是一個很大的挑戰(zhàn)，這樣復(fù)用電路系統(tǒng)異常繁復(fù)，所需的高速率電子器件會使整個而且造價昂貴。為了解決這些問題，本文引入一種新的復(fù)用技術(shù)——絕對極性占空比復(fù)用技術(shù)(APDCDM)。該技術(shù)中，給每個用戶設(shè)置不同占空比，多個的用戶可以共享傳輸媒介同時用相同的頻率傳輸數(shù)據(jù)，而且這種技術(shù)不僅能夠用于有線通信，也可以用于無線通信，同時在高速光通信系統(tǒng)中具有更好的時鐘恢復(fù)性能，可以更有效地利用時隙及頻譜。這種技術(shù)不僅能夠用于有線通信，也可以用于無線通信，同時在高速光通信系統(tǒng)中具有更好的時鐘恢復(fù)性能。無線通信系統(tǒng)具有無線優(yōu)勢、容量優(yōu)勢、電磁兼容優(yōu)勢、保密優(yōu)勢、尺寸優(yōu)勢、價格優(yōu)勢、功耗優(yōu)勢等七大優(yōu)勢，基于無線信道上的DCDM技術(shù)具有以上的所有的憂點(diǎn)，具有更廣闊的應(yīng)用前景。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及意義：隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的各種復(fù)用技術(shù)漸漸的顯示出了它們的不足，已不能滿足人們的需求。2007年馬來西亞博特拉大學(xué)工學(xué)博士馬可迪朗基在“Duty Cycle Division Multiplexing Technique for Wireless Communications”一文中提出了占空比復(fù)用技術(shù)的概念，實(shí)驗論證了DCDM技術(shù)和TDM技術(shù)相比較，有更好的誤碼率。并先后發(fā)表多篇論文，對占空比復(fù)用技術(shù)進(jìn)行了理論分析研究。2008年馬來西亞博特拉大學(xué)阿布杜拉在“Duty Cycle Division Multiplexing(DCDM)；A New Electrical Multiplexing Technique for High Speed Optical Communication Systems”一文中介紹了占空比復(fù)用技術(shù)，并通過實(shí)驗仿真對占空比復(fù)用技術(shù)和時分復(fù)用技術(shù)的性能做出了對比分析，實(shí)驗表明DCDM系統(tǒng)可以支持比TDM高的比特率，并且DCDM系統(tǒng)對色散的不敏感。2012印度學(xué)者辛格在“Design of 3×60 Gbps DCDM based WDM system”一文中設(shè)計出了一個6路的10Gbps的波分復(fù)用通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)是建立在占空比復(fù)用的基礎(chǔ)上的一個混合系統(tǒng)。并通過實(shí)驗證明了通過占空比復(fù)用技術(shù)提高了每個波分復(fù)用信道的容量。2013年中國傳媒大學(xué)陳翠竹等研究了DCDM在FSO的通信系統(tǒng)，論證了占空比復(fù)用技術(shù)在自由空間光通信系統(tǒng)的可行性。2014年中國傳媒大學(xué)的唐琳做了雙極性信號實(shí)現(xiàn)占空比復(fù)用的光纖通信系統(tǒng)，論證了APDCDM在光纖通信系統(tǒng)中的可行性，APDCDM能夠承載更多的用戶。占空比復(fù)用技術(shù)能夠獲得很大的光譜頻率，并且是能夠應(yīng)用在高速率光纖傳輸系統(tǒng)，在高速光通信系統(tǒng)中相對于其他復(fù)用技術(shù)造價低廉，具有更好的時鐘恢復(fù)功能。

原理分析：絕對極性占空比復(fù)用(APDCDM)技術(shù)是對占空比復(fù)用(DCDM)技術(shù)的改進(jìn)，它采用的是雙極性歸零信號，不同的用戶共享通信介質(zhì)在同一時間段發(fā)送并在相同的頻率但不同的占空比，該技術(shù)可以更有效地利用時隙及頻譜。

基于占空比的線性分布，多路復(fù)用第i用戶發(fā)送1比特序列時的脈沖寬度公式[1]

其中TS為為每比特信號的時長。

本文以3個用戶的復(fù)用為例，具體說明APDCD系統(tǒng)的復(fù)用與解復(fù)用原理。3個用戶的占空比分別為0.25、0.5、0.75，設(shè)置用戶1和用戶3信號的極性為正，用戶2信號的極性為負(fù)，如圖圖1(a)--(c)所示。設(shè)置3個用戶的信號分別為10101010、11001100和00001111的周期信號。圖1(d)為3路信號在時間軸上的幅度疊加，取其絕對值為圖1(e)所示。

此系統(tǒng)可擴(kuò)展到n個用戶，對于n個用戶的APDCDM系統(tǒng)，各個用戶的占空比為1/n，2/n，...

(n-1)/(n+1)，復(fù)用原理和3用戶是相同的[2]。

圖1　絕對極性占空比復(fù)用的原理圖　

對于絕對極性占空比復(fù)用系統(tǒng)的解復(fù)用，需要根據(jù)各用戶分配的占空比的不同來進(jìn)行解復(fù)用，關(guān)鍵在于解復(fù)用系統(tǒng)的設(shè)計。本文采用了Matlab與Optisystem的聯(lián)合仿真設(shè)計了APDCDM系統(tǒng)，用Matlab設(shè)計了APDCDM解復(fù)用器。解復(fù)用器輸入端接收到的信號是從發(fā)射端電復(fù)用信號，通過電光調(diào)制器轉(zhuǎn)化成光信號，再通過信道傳輸，光探測器將其轉(zhuǎn)化成點(diǎn)服用信號。在這個過程中，由于信道長度，噪聲，信道損耗，色散等因素的影響，原始信號的波形，幅度都會發(fā)生變化。在解復(fù)用時，信號輸入采樣得到的信號是二進(jìn)制信號。仿真解復(fù)用解復(fù)用流程框圖如圖2所示，仿真中總共采樣了8192次，每比特采樣64次，分成a，b，c，d四組，每組16個采樣點(diǎn)，一共有512組。由于傳輸過程中失真等因素，編碼時，每組中除去的前4個采樣點(diǎn)，后4個采樣點(diǎn)后再除以8取平均。這樣每比特信號對應(yīng)的a，b，c，d四組，每組對應(yīng)一個平均值。再根據(jù)大循環(huán)求得512個平均采樣值，把這些值賦給數(shù)組a[i]，i的取值范圍為(0，512]。

圖2　解復(fù)用求平均流程圖　

所得的這512個平均值是參差不齊的，要根據(jù)實(shí)際情況歸一化處理。如圖3所示，是仿真中接收端信號的波形示意圖，a1，a2，a3分別是接收端信號對應(yīng)的最小峰值，中等峰值和最大峰值，以仿真中接收端實(shí)際的波形圖為準(zhǔn)，a1，a2，a3就是歸一化時的判決門限了。

圖3　波形示意圖　

圖4　求歸一化框圖　

求歸一化的過程如圖4所示，令i的初始值為1，把上面求得的平均值a[i]和零的差的絕對值做對比，如果這個值得范圍在0.01以內(nèi)，則令a[i]=0，并且令i的值加一。如果這個值得范圍，在0.01以外，就把a(bǔ)[i]和最小峰值a1的差的絕對值做對比，如果這個值得范圍在0.01以內(nèi)，則令a[i]=1，并且令i的值加一。如果這個值得范圍在0.01以外，就把a(bǔ)[i]和中等峰值a2的差的絕對值做對比，如果這個值得范圍在0.01以內(nèi)，則令a[i]=2，并且令i的值加一。如果這個值得范圍在0.01以外，就把a(bǔ)[i]和最大峰值a3的差的絕對值做對比，如果這個值得范圍在0.01以內(nèi)，則令a[i]=3，并且令i的值加一。每次i的值加一后，都要判斷i的值是否在(0，513)這個范圍內(nèi)，如果在這個范圍內(nèi)，則執(zhí)行上述循環(huán)，如果不在，則結(jié)束循環(huán)。這樣就可以得到512個歸一化的值了，其中0.01這個值是要根據(jù)接收端信號的幅度大小來定的，不是固定值，以是否能把信號成功歸一化來判斷。

由上文可知，這樣每比特信號就得到了a，b，c，d四組值，每組對應(yīng)的一個歸一化后值。

本次實(shí)驗所采用占空比為0.25，0.5，0.75的3用戶信號，每比特采樣信號可以平均分為四段進(jìn)行分析，分為8種情況進(jìn)行判決[3]，判決方法如表1。

表1　解復(fù)用判決表

2　仿真實(shí)驗

基于Matlab軟件，設(shè)計了3用戶APDCDM解復(fù)用器[4]，通過Matlab與Optisystem的聯(lián)合仿真，設(shè)計了一個APDCDM的FSO系統(tǒng)[5]，系統(tǒng)的仿真原理框圖，如圖2所示。

圖5　 APDCDM系統(tǒng)仿真原理框圖　

本文中，3用戶的信號設(shè)置分別為10101010，11001100，00001111的周期信號，共采樣了8192次，每比特采樣64次，一共采樣了128b，比特速率為10Gb/s，提取采樣信號每64個采樣點(diǎn)分成4組，然后取平均值。

由于在實(shí)際波形中，接收端接收到的信號幅度會衰減，因此需要對采樣后的信號進(jìn)行歸一化處理。例如在“0”附近波動的值就取為0，在“1”附近波動的值就取為1，在“2”附近波動的值就取為2，在“3”附近波動的值就取3. 這里引號中的“1”“2”“3”，都是指實(shí)際仿真中信號接收端的三個波峰值的平均值，本次仿真接收端接收到的復(fù)合信號如圖6所示。

圖6　 接收端信號圖　

將復(fù)合后的電信號通過MZM光調(diào)制器，調(diào)制到波長為1550nm連續(xù)的光波上，經(jīng)50km的光纖傳輸后，經(jīng)光電檢測器進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，得到復(fù)用的電信號，再輸入用Matlab設(shè)計的解復(fù)用器進(jìn)行解復(fù)用，恢復(fù)出3路原始信號。如圖7所示。

3　結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對帶寬的要求越來越高，如何更高效的利用光通信中的帶寬資源，一直是光通信研究的重要問題之一。因此，提出了復(fù)用技術(shù)的概念，而現(xiàn)有復(fù)用技術(shù)普遍具有解復(fù)用器技術(shù)復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)成本偏高等問題。本文提出了一種新的復(fù)用技術(shù)—絕對極性占空比復(fù)用技術(shù)(APDCDM)，通過仿真分析設(shè)計出了一種新的解復(fù)用方法，并通過Optisystem和Matlab聯(lián)合仿真在光纖通信系統(tǒng)中絕對極性占空比復(fù)用技術(shù)的可行性。

圖7　

[1]Amin Malekmohammadi，M K Abdllah，A F Abs，et al. Absolute Polar Duty Cycle Division Multiplexing(APDCDM)；Technique for Wireless Communications [R]. Proceedings of the International Conference on Computer and Communicati on Engineering 2008，2008.

[2]Amin Malekmohammadi，M K Abdllah，G AMahdiraji，et al.30Gb/sAbsolute Polar Duty Cycle Division MultiplexingIn Dispersion Uncompensated Optical System[R].Proceedings of IEEE 20086thNational Conferenceon Telecommunication Technologiesand IEEE20082ndMalaysia Conferenceon Photonics，2008.

[3]陳翠竹，陳新橋，段中航.基于占空比復(fù)用的光纖傳輸系統(tǒng)的設(shè)計[J].光通信研究，2012(5)：21-23

[4]唐琳，陳新橋，張雨辰.采用雙極性信號實(shí)現(xiàn)占空比復(fù)用的光纖傳輸系統(tǒng)[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2014(6)：22-25

[5]陳翠竹，陳新橋，段中航.基于DCDM的FSO通信系統(tǒng)設(shè)計[J].光通信技術(shù)，2013(9)：48-50

(責(zé)任編輯：馬玉鳳)

Design of APDCDM-Based Fiber Optic Transmission System

WANG Dong-fei，CHEN Xin-qiao，TANG Lin，ZHANG Yu-cheng

(School of Information Engineering，Communication Umiversity of China，Beijing 100024)

In this paper，we first introduce a novel multiplexing technology for realizing channel multiplexing，namely the absolute polarity duty cycle multiplexing(APDCDM).Multiplexing and demultiplexingprinciple of APDCDM are analyzed，design the demultiplexer of APDCDM system by using Matlab.In order to verify the feasibility of APDCDM，Here we design an optical fiber transmission system witch base on APDCDM by joint simulation the software Matlab and Optisystem .The simulation result shows the feasibility of the system.

absolute polarity duty cycle multiplexing；joint simulation the software Matlab and Optisystem；solution multiplexer；optical fiber communication

2015-06-23

王東飛(1990-)，男(漢族)，河南人，中國傳媒大學(xué)碩士研究生.E-mail：2712360531@qq.com

TN929.11

A

1673-4793(2016)01-0012-05