基于信號占空比不同的波分復用系統(tǒng)的研究

藺吉虹，劉開賢

(中國傳媒大學 理工學部，北京 100024)

基于信號占空比不同的波分復用系統(tǒng)的研究

藺吉虹，劉開賢

(中國傳媒大學 理工學部，北京 100024)

提出了一種未來能夠更好地利用光纖傳輸容量的方法，即基于占空比不同的波分復用系統(tǒng)(DCDM-WDM系統(tǒng))，它可以在WDM每一個波長上實現(xiàn)多用戶的傳輸。本文設計的是3×8路的DCDM-WDM系統(tǒng)，可以同時實現(xiàn)24個用戶的傳輸。并利用matlab設計了系統(tǒng)的解復用器，通過matlab和optisystem軟件的聯(lián)合仿真驗證了系統(tǒng)的可行性。DCDM-WDM系統(tǒng)增加了WDM的信道數(shù)，極大地提高了光纖的傳輸容量和頻譜效率，對于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的研究有著重大的意義。

DCDM-WDM系統(tǒng)；matlab與optisystem聯(lián)合仿真；解復用

1 引言

隨著光通信技術的蓬勃發(fā)展，人們對光寬帶頻帶利用率的渴求度越來越高。在通信系統(tǒng)中，復用技術作為可以在一條信道同時傳輸多路信號的技術，已經被廣泛應用。它提高了信道傳輸效率，增加了傳輸帶寬。目前比較成熟的復用技術主要有WDM(波分復用技術)、TDM(時分復用技術)和CDM(碼分復用技術)。雖然這些技術相對比較成熟，但都普遍存在解復用器實現(xiàn)成本偏高且技術復雜等問題[1]。為了進一步提高頻譜效率，近年來提出了一種基于信號占空比不同的占空比復用技術，即DCDM技術[2]。它大大地提高了頻譜效率，實現(xiàn)了信號通過分配給不同用戶不同的占空比而實現(xiàn)的多用戶通過一個傳輸媒介同時同頻的傳輸過程，不僅可以用于有線通信，也可用于無線通信[4]。

早在2002年，“高速時鐘和數(shù)據(jù)恢復電路設計中的挑戰(zhàn)”一文中就提出波分復用和時分復用的模型：多個用戶在不同時刻在同一個光載波上所處的位置不同即可實現(xiàn)同時同頻的傳輸過程[5]。但這種方法由于電路復雜，所需要的電子器件成本昂貴，所以很難投入應用[7]。為了解決這些問題，很多科學家經過多年的潛心研究，在2007年，馬來西亞博特拉大學工學博士馬可迪朗基在“Duty Cycle Division Multiplexing Technique for Wireless Communications”一文中首次提出了DCDM技術的概念，并且論文中將DCDM技術和傳統(tǒng)的復用技術比較證明了DCDM技術擁有更好的傳輸性能[8]。2009年馬來西亞博特拉大學馬列穆罕默迪在“Effect of self-phase-modulationon dispersion compensated absolute polar duty cycle division multiplexing transmission”一文中介紹了自相位調制對DCDM技術的影響，通過實驗證明自相位調制的影響因素，提出改良的辦法和展望[3]。2012印度學者辛格在“Design of 3×60 Gbps DCDM based WDM system”一文中設計出了基于DCDM的混合系統(tǒng)，它是一個6路的波分復用通信系統(tǒng)，并在實驗中證明該混合系統(tǒng)提高了信號傳輸?shù)娜萘縖6]。

本論文是基于信號占空比不同的波分復用系統(tǒng)的研究，即是在DCDM的基礎上再進行WDM波分復用，即DCDM-WDM系統(tǒng)，利用matlab設計解復用器與optisystem軟件進行聯(lián)合仿真實現(xiàn)。它更大的提高了光纖的傳輸容量和頻譜效率，實現(xiàn)了多個用戶多路同時的傳輸。

2 原理

2.1 DCDM-WDM系統(tǒng)的復用原理

圖1 DCDM-WDM系統(tǒng)復用原理

2.2DCDM-WDM系統(tǒng)的解復用原理

對于DCDM-WDM系統(tǒng)的解復用，是通過matlab編程設計一個基于該系統(tǒng)的解復用器，這也是系統(tǒng)設計的重點和難點所在。該系統(tǒng)的解復用器是基于復用后信號的唯一性作為依據(jù)實現(xiàn)的，復用器先接收傳輸后的復用信號，將其采樣分組求每組的平均值，且將每個平均值求得后將其裝入一個數(shù)組中。然后，求得的平均值與規(guī)定的閾值做對比，將其歸一處理，后將歸一化的結果分組，4個一組排列，每組根據(jù)判決表判定輸出數(shù)值。本文以3個用戶為例，其判決結果一共有8種可能，輸出具有唯一性。判決表如表1所示：

表1 解復用輸出判定表

3 仿真實驗

3.1 DCDM-WDM系統(tǒng)解復用器的設計

對DCDM-WDM系統(tǒng)而言最重要的部分在于系統(tǒng)解復用器的設計，該復用器我們是用matlab編程實現(xiàn)的，在將其作為一個獨立的模塊嵌入optisystem軟件中做系統(tǒng)的設計。那么首先解復用器所采樣的信號是一串隨機的二進制序列，它們是經過光纖傳輸，受到了信道的衰減、損耗、色散、噪聲影響后的復合電信號。所以解復用之前要將序列采樣，我們這里設置的比特率為350Mbit/s，采樣總數(shù)是8192次，每比特采樣64次，并將其分為4組求平均值后存入數(shù)組a[i]。其次，根據(jù)傳輸后的復合電信號的波形，設置將數(shù)組a[i]做歸一化的閾值和誤差范圍。如圖2所示，是該系統(tǒng)本次仿真接收端接收到的復合信號。它的三個閾值分別為：0、0.053、0.159、0.205。誤差范圍定為0.01。這樣，在“0”附近波動的就取“0”；在“1”附近波動就取“1”；在“2”附近波動的就取“2”；在“3”附近波動的就取“3”。完成歸一化處理后的序列只有0，1，2，3。這時要根據(jù)判定規(guī)則做信號的輸出。

圖2 光纖傳輸后的復合電信號

圖3所示的是用戶3信號復用前的波形圖；圖4所示的是用戶3信號復用后的波形圖。從下圖可看出：輸出的用戶的波形與復用前的一致，即解復用的方法合理，而且解復用器的設計是成功的。同理，該系統(tǒng)也可以拓展為n個用戶，而解復用的編程方法和解復用器的設計都異曲同工。

圖3 用戶3復用前波形圖

圖4 用戶3復用后波形圖

3.2 DCDM-WDM系統(tǒng)設計：

在此，我們設計的是3×8的DCDM與WDM聯(lián)合復用的系統(tǒng)，它既可以實現(xiàn)在電域的DCDM復用，又能實現(xiàn)在光域的WDM復用。在波分復用的每一信道上實現(xiàn)多用戶的占空比復用。這樣，系統(tǒng)就能實現(xiàn)24個用戶信號的傳輸，使之增加了光頻的利用率。DCDM-WDM系統(tǒng)仿真通過OptiSystem軟件和matlab編程實現(xiàn)，其系統(tǒng)仿真圖發(fā)射端示意圖如圖5所示。

在系統(tǒng)發(fā)射端使用的是比特序列發(fā)生器，使之產生隨機序列作為用戶的發(fā)射源。再經過歸零脈沖發(fā)生器，給每一路的三個用戶信號分配占空比，這里設置的分別是0.25、0.5、0.75。分配了占空比的歸零信號經過電加法器，完成信號的復用過程。復用后的8路信號通過波分復用使之調制到一個光纖上傳輸。給8路信號分配的光波頻率分別為193.1THZ、193.3THZ、193.5THZ、193.7THZ、193.9THZ、194.1THZ、194.3THZ、194.5THZ。這樣就完成了24個用戶的復用過程。

圖6是系統(tǒng)仿真圖接收端的仿真圖，圖中24個用戶的復用后信號通過光纖進行傳輸，光纖的長度設置為50km，衰減為0.2db/km，色散為0ps/nm/km。8路信號經過光電轉換成8路電信號，輸入到matlab設計的解復用器中進行解復用，使之恢復成24路用戶的隨機序列。本論文選用的比特率為350Mbit/s，此時隨機選取24個用戶中的2個用戶，驗證其發(fā)射前序列與接受序列是否一致。

圖7、圖8是用戶1的發(fā)射與接收信號，圖9、圖10是用戶2的發(fā)射與接收信息。由此看出：用戶發(fā)射序列與接收序列一致，說明我們設計的DCDM-WDM系統(tǒng)是可行的。

圖7 DCDM-WDM系統(tǒng)用戶1發(fā)射序列 圖8 DCDM-WDM系統(tǒng)用戶1接收序列

圖9 DCDM-WDM系統(tǒng)用戶2發(fā)射序列 圖10 DCDM-WDM系統(tǒng)用戶2接收序列

4 結論以及展望

本文提出了一種未來能夠更好地利用光纖傳輸容量的方法，即基于占空比不同的波分復用系統(tǒng)(DCDM-WDM系統(tǒng))，它可以在WDM每一個波長上實現(xiàn)多用戶的傳輸。本文設計的是3×8路的DCDM-WDM系統(tǒng)，可以同時實現(xiàn)24個用戶的傳輸。并利用matlab設計了系統(tǒng)的解復用器，通過matlab和optisystem軟件的聯(lián)合仿真驗證了系統(tǒng)的可行性。DCDM-WDM系統(tǒng)增加了WDM的信道數(shù)，極大地提高了光纖的傳輸容量和頻譜效率，對于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的研究有著重大的意義。

對于DCDM-WDM系統(tǒng)的研究還在繼續(xù)，由于信號傳輸過程中會產生色散、非線性等問題，所以對于研究影響色散和非線性等問題的因素和如何減小這些問題的方法也至關重要。未來還有很多需要研究和解決的問題。

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[2]AbdullahMK，AbdallaMF，AbasAF，etal.Duty-cycleDivisionMultiplexing(DCDM)：ANovelandEconomicalOpticalMultiplexingandElectricalDemultiplexingtechniqueforHighSpeedFiberOpticsNetworks[C].2008InternationalConferenceonElectronicDesign，2-4July2007，Singapore，Singapore.

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[4]AvinashSingh，GireeshSoni，AbhishekTripathi，etal.Designof3×60GbpsDCDMbasedWDMsystem[C].OpticalEngineering(ICOE)2012InternationalConference，26-28July，2012，Belgaum，India.

[5]陳翠竹，陳新橋，段中航.基于占空比復用的光纖傳輸系統(tǒng)的設計[J].光通信研究，2013，179(5)：21-23.

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[7]MohdNoorDerahman，KaharudinDimyati，AminMalekMohammadi.ImprovementofdecisionmakingprotocolforDutyCycleDivisionMultiplexing(DCDM)system[C].2010SecondInternationalConferenceonFutureNetwork，22-24Jan，2010，Hainan，China.

[8]MalekmohammadiA，AbdullahMK，AbasAF，etal.EffectofGuardBandonthePerformanceofAP-DCDMTechniquein40Gb/sOpticalFiberCommunicationsystem[C].Photonics(ICP)2010InternationalConference，5-7July，2010，Langkawi，Malaysia.

[9]GhafourAmouzadMahdiraji，AhmadFauziAbas.EffectofOpticalFilteringonthePerformanceof40GbpsDCDMSystems[C].Photonics(ICP)2011IEEE2ndInternationalConference，17-19Oct，2011，KataKinabalu，Malaysia.

[10]林一鳴.自由空間光通信系統(tǒng)調制與解調技術的研究[D].北京：北京郵電大學碩士學位論文，2015.

(責任編輯：王謙)

The Research of DCDM-WDM in Optical Communication System

LIN Ji-hong，LIU Kai-xian

(Science School，Communication University of China，Beijing 100024，China)

Wavelength division multiplexed optical communication system is frist desighed based on duty cycle division multiplexing.The system features multiplexing of the basebands in DCDM as well as multiplexing in WDM.The design is proposed for 3×8usersatthesametime.Designthedemultiplexerofsystembyusingmatlabandsimulateusingoptisystemandmatlab.DCDM-WDMsystemincreasesthenumberofWDMchannel，greatlyimprovestheopticalfibertransmissioncapacityandspectrumefficiency.

DCDM-WDM system；simulate by using optisystem and matlab；demuliplexing

2017-03-27

藺吉虹(1989-)，女(漢族)，甘肅省嘉峪關市人，中國傳媒大學碩士研究生.E-mail：290883726@qq.com

TN

A

1673-4793(2017)04-0051-06