OptiX WDM 产品编码技术专题-A.docx

资料编码

产品名称
OptiX WDM系列
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资料版本
V1.0
OptiX WDM产品编码技术专题
拟 制：
江绍原
日 期：
2007-11-02
审 核：

日 期：

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批 准：

日 期：

华 为 技 术 有 限 公 司
版权所有 侵权必究
修 订 记 录
日 期
修订版本
描 述
作 者
2007-11-02
V1.0
初稿
江绍原

目 录
1 概述... 7
2 码型调制技术简介... 7
2.1 NRZ和常规RZ码.. 7
2.2 SuperWDM.. 8
2.2.1 SuperCRZ. 9
2.2.2 SuperDRZ. 10
2.3 ODB. 11
2.4 其它码型.. 13
2.4.1 CS-RZ. 13
2.4.2 DPSK. 13
2.4.3 DQPSK. 13
3 我司的码型技术应用简介... 14
3.1 我司应用的几种码型技术比较.. 14
3.2 不同码型系统对接.. 15
3.3 收端OSNR要求.. 15
3.4 色散补偿要求.. 17
图目录
图1. RZ码和NRZ码对比... 8
图2. SuperCRZ的两级调制方式... 9
图3. SuperCRZ相位调制方式... 9
图4. 进入光纤传输前的SuperDRZ脉冲序列... 10
图5. 经过一定长度光纤传输的SuperDRZ脉冲序列... 10
图6. ODB调制方式... 11
图7. 展宽的ODB和NRZ脉冲序列对比... 12
表目录
表1 我司应用的几种码型技术比较（10G bit/s及更低速率系统）... 14
表2 我司应用的几种码型技术比较（40G bit/s系统）... 14
表3 我司各种码型模块应用规格... 15
表4 不同码型OTU的OSNR要求... 15
表5 各种码型测试仪表RES推荐设置值... 16
关键词：
编码、码型技术、NRZ、CRZ、DRZ、SuperWDM、ODB、CS-RZ
摘 要：
本文对DWDM传输系统中常用的码型调制技术原理进行了介绍，并对我司码型技术应用情况以及不同码型系统应用调测注意事项进行了总结。
缩略语清单：
缩略语
全称
中文解释
CRZ
Chirped Return to Zero
啁啾归零码
CS-RZ
Carrier-Suppressed Return-to-Zero
载波抑制归零码
CODB
Optical Duobinary
啁啾光双二进制码
DCS-RZ
Duobinary Carrier-Suppressed Return-to-Zero
双二进制载频抑制归零码
DRZ
Differential Return to Zero
差分归零码
DPSK
Differential Phase Shift Keying
差分相移键控码
DQPSK
Differential Quarter-phase Shift Keying
差分四相相移键控
FEC
Forward Error Correction
前向纠错
ISI
Inter-symbol interference
码间干扰
ODB
Optical Duobinary
光双二进制码
OSNR
Optical signal-to-noise ratio
光信噪比
OTU
Optical Transponder Unit
光发送单元
PDL
Polarization Dependent Loss
偏振相关损耗
PSBT
Phase-Shaped Binary Transmission
相位整形二进制传输
PMD
Polarization Mode Dispersion
偏正模式色散
RZ
Return-to-Zero
归零码
SPM
Self Phase Modulation
自相位调制
SRS
Stimulated Raman Scattering
受激拉曼散射
WDM
Wavelength Division Multiplex
波分复用
XPM
Cross Phase Modulation
互相位调制
参考资料清单：
《CRZ基本原理和调测方法》
《WDM原理基础知识介绍》
《OptiX Metro 6100 V100R007 网络设计指导书 V1.12》
OptiX WDM产品编码技术专题
1 概述
对于低速、中短距离光纤传输系统，非归零码（NRZ）型具有实现简单、成本低、技术成熟、频谱效率高、信号完整性好等特点，广泛应用于商用长途DWDM传输系统中，但由于NRZ码元过渡不归零，对传输损伤敏感，不适用于高速超长距离光信号的传输。随着传输距离的增长和速率的提高，OSNR容限、色度色散、PMD、光纤非线性效应等这些在低速短距离传输情况下可以忽略的物理效应在此时变得明显，严重地阻碍了传输业务的容量和覆盖范围的提升。因此，近年来又开发出多种有别于NRZ码的调制格式，用于降低OSNR容限、增加色散受限距离，克服非线性效应和PMD效应等，这些特殊的调制格式统称为码型技术。目前，码型技术结合FEC、拉曼放大和色散补偿等技术，构成了超长距离DWDM传输的关键技术。 通常，在DWDM系统中有如下码型技术：
l NRZ(Nonreturn-to-Zero)非归零码
l RZ(Return-to-Zero)归零码
l CRZ(ChirpedReturn-to-Zero) 啁啾归零码
l DRZ（Differential Return to Zero）差分归零码
l CS-RZ(Carrier-Suppressed Return-to-Zero) 载波抑制归零码
l CSRZ-DPSK载波抑制－差分相移键控归零码
l PSBT（Phase-Shaped Binary Transmission）相位整形二进制传输
l ODB(Optical Duobinary) 光双二进制码
l DPSK(DifferentialPhase Shift Keying) 差分相移键控码
l DCS-RZ（Duobinary Carrier-Suppressed Return-to-Zero）双二进制载频抑制RZ
l DQPSK(Differential Quarter-phase Shift Keying)差分四相相移键控
2 码型调制技术简介
2.1 NRZ和常规RZ码
NRZ和RZ码，顾名思义就是指不归零码和归零码。NRZ码逻辑“1”用高电平表示，逻辑“0”用低电平表示；而RZ码逻辑“1”分为两部分，前半部分为高电平，后半部分为低电平，逻辑“0”仍然用低电平表示。如图1所示，从图中可以看出RZ码比NRZ码的占空比要小，即相同速率RZ码的脉冲要比NRZ码窄些。

图1. RZ码和NRZ码对比
码型技术一般采用归零（RZ）光脉冲来承载业务信号。RZ具有优异的时钟抖动特性和更高的消光比，与NRZ相比，常规RZ码脉冲序列中，在每个连“1”的过渡区域电场振幅是归零的，每个“1”码的电场振幅具有彼此独立的时间包络，这对于接收端的时钟恢复非常有利；而NRZ码的连“1”则是连为一体的。因此，在相同平均接收功率的条件下，RZ脉冲功率要比NRZ高，RZ码的眼图张开度更大，误码性能更为优异，背靠背的情况下，不考虑光纤的因素，例如当RZ码的占空比为50％时，逻辑“1”的功率要比NRZ提高1倍，因此OSNR从理论上可相应获得3dB余量（实际上由于各方面因素，余量没有这么多）。因此在背靠背的情况下，RZ的OSNR余量与NRZ相比大约提高2～3dB。
此外由于RZ码的比特图形相关效应较弱，对SPM效应也有更好的免疫力，更窄的时域脉冲特性也能减小DWDM信道之间的非线性相互作用和PMD效应。
RZ码的缺点是频谱带宽宽，色散容忍度较差。
实际工作中一般采用两外调制（RZ幅度和数据调制）来产生RZ码比特序列，调制结构比NRZ复杂，增加调制器使系统变得复杂，成本提高。
2.2 SuperWDM
SuperWDM为我司专利技术，包括SuperCRZ和SuperDRZ两种码型技术。
2.2.1 SuperCRZ
SuperCRZ采用两级调制方式实现。第一级调制通过时钟信号的驱动产生带啁啾的RZ脉冲。第二级调制通过信号对带啁啾的RZ脉冲调制将信息加载到光信号上。

图2. SuperCRZ的两级调制方式
其相位调制器在发射端对RZ脉冲的上升沿和下降沿上加入特殊的相位调制（频率啁啾），如图3中蓝色线条所示，该啁啾的符号与SPM效应（图中绿色线条）在光脉冲上产生的啁啾相反，可有效地减缓沿光纤链路上SPM效应的积累，从而降低系统的传输代价，因此SuperCRZ的啁啾特性使其具备了超强抵抗非线性效应，如SPM、XPM的能力，同时可将预留给非线性损伤的那一部分OSNR代价释放出来，也相应地增加OSNR容忍度。

图3. SuperCRZ相位调制方式
SuperCRZ使用30GHz～40GHz的信号光谱承载10Gb/s速率的业 务，而普通的10Gb/s信号光源只有大约20GHz宽。光谱的频域宽度降 低了信号的功率谱密度，减少光信号的相关强度，有效的抑制了SBS（受激布里渊散射），FWM等非线性效应。
SuperCRZ的缺点是引入了色散容限较小的代价，最大的色散容限大约为-100ps/nm～+300ps/nm左右。
SuperCRZ技术用于10G系统，可支持频率间隔100 GHz和50GHz。
2.2.2 SuperDRZ
SuperDRZ是SuperCRZ的基础上开发的，信号的相位、幅度和数据调制同时在一个MZ调制器中高效实现，SuperDRZ利用差分信号输入产生正的和负的脉冲，用以驱动MZ调制器，发射机将输入的NRZ信号的上升演变为一种相位的RZ脉冲而将NRZ的下降演变为另一种相位的RZ脉冲，每一个代表"1"信号的RZ脉冲都与其相邻的RZ脉冲之间有180度的相位差（不论他们之间相差多少个"0"信号），如图4所示，进入光纤传输前的两个RZ 脉冲（红色脉冲和蓝色脉冲）之间有180度的相位差。

图4. 进入光纤传输前的SuperDRZ脉冲序列
随着光信号在光纤里的传输，光脉冲会展宽，但由于相邻的“1”码之间的相位是相反的，SuperDRZ脉冲扩散导致的能量叠加是相消的干涉效应，因此如图5中绿色圆圈区域所示，相邻的“1”码即使有重叠，反映在光强度上仍然趋于“0”。

图5. 经过一定长度光纤传输的SuperDRZ脉冲序列
因而可有效减少码间干扰（ISI）的影响，具有与NRZ相当的码间干扰容忍能力。即使在较大的累积色散情况下仍保持较好的脉冲。SuperDRZ与RZ和 CS-RZ相比，具有更佳的色散容限，有效抵抗由色散产生的信号畸变。
同时，SuperDRZ进一步压缩了频谱中的边峰。相比CS-RZ、SuperCRZ，SuperDRZ具有较窄的频谱，且可以有效解决多个ROADM级联产生的滤波效应对信号传输距离的影响。
在非线性效应抵抗能力方面，SuperDRZ继承了SuperCRZ的啁啾特性，在RZ脉冲中也引人了类似的啁啾，从而具有与SuperCRZ类似的非线性性能。SuperDRZ频谱中的载波被完全抑制，从而使得SuperDRZ信号对光纤中的非线性效应SBS、FWM、SPM、SRS具有很强的容忍能力。
成本方面，SuperDRZ相比SuperCRZ具有更明显的成本优势。
目前SuperDRZ在10G和40G系统均有应用，在10G系统上可支持25GHz频率间隔，在40G系统上支持100GHz频率间隔。
2.3 ODB
ODB（Optical Duobinary）光双二进制码，其实现分为对原有电信号进行预编码和ODB编码两部分：
l 预编码——输入的NRZ码流经过逻辑运算进行预编码，输入序列为d(k)，输出序列为b(k)，实现的算法如下：

l 编码——将经过预编码后的{-1,0,+1}编码序列通过一定的编码方式实现ODB编码。然后将编码后的电信号偏置在铌酸锂调制器的NULL点，从而实现ODB码形的输出。
如图6所示，实线表示调制器的电光转换调制特性曲线，虚线表示电光转换过程中引入的光相位变化，可以看出在偏置点NULL点左右的光相位极性相反。ODB的调制器采用MZ调制方式。

图6. ODB调制方式
对比ODB的{-1,0,+1}和NRZ编码序列，ODB脉冲的上升沿和下降沿更平缓，ODB输出调制信号的功率频谱更集中。
受码间干扰影响，采用NRZ码型会导致眼开度下降，通道代价也随之增长。而ODB则在电光调制过程中，引入了相位相关的特性。在传输过程中，由于色散造成光信号脉冲展宽，而鉴于ODB码型的光相位特性，如图7所示，ODB相邻脉冲之间的光相位极性相反，则根据光学中的干涉相消原理，脉冲展宽的部分将相互抵消而不产生码间干扰，可有效抵抗由色散产生的信号畸变。

图7. 展宽的ODB和NRZ脉冲序列对比
我司在传统ODB的基础上开发了应用于10G系统的CODB码型和应用于40G系统的PSBT码型。
CODB在编码过程中引入类似于CRZ技术的预啁啾，而且其ODB眼图的上升沿与下降沿较为平缓，可更有效地抵抗SPM等非线性效应。因此我司的CODB模块的传输距离较其它商用ODB模块更远，我司CODB模块可达240km，而其他商用ODB模块则一般为160km左右）。
PSBT则通过窄带滤波器的处理，压缩了频谱宽度，使其可应用于40G系统，可支持50GHz频率间隔。
当ODB的入纤光功率大于8dBm的时候，传输性能迅速劣化，色散受限传输距离下降。所以不大适合长距使用，比较适合城域波分使用。此外，ODB的调制原理决定其峰－峰值调制电压要比较大（>12V），因此对驱动器的性能要求很高。
2.4 其它码型
其它码型技术还包括CS-RZ（载频抑制RZ）、DPSK（差分相移键控）、DQPSK（差分四相相移键控）等。
2.4.1 CS-RZ
CS-RZ码在传统RZ码基础上，每两个相邻符号位的载波之间加入π的相位差，载波π的相位差也可以看作信号加一个负号而载波不变。这个具有正负双极性的信号，均值为零，因此其频谱零频率处无函数导致的尖峰，乘以载波以后，在载频处也没有尖峰。CSRZ码由于采取了这种相邻脉冲反相传输的方式，有效地抑制了载波并减小边带频谱间隔。两主峰频谱间隔仅为调制速率大小（40GHz），与NRZ码的单边带带宽一样，所以有较好的色散、SBS和PMD容忍度。由于CSRZ码具有RZ脉冲的形状，所以其对SPM、XPM等非线性效应也有较好的容忍度。但是由于CS-RZ频谱较宽，不适用于25GHz频率间隔系统。
2.4.2 DPSK
DPSK码是将数据承载于临近光脉冲的差分相位上，即前后两个信号脉冲的载波相位相同则表示是数字码“1”；相反则表示数字码“0”，光脉冲作为载波。DPSK的频谱宽度介于NRZ和RZ之间，比普通RZ码的频谱效率高，可以改进色散容限、非线性容限和PMD容限，传输距离比普通RZ码长。这种调制方式的光信噪比可以比NRZ改进约3dB,是一种能有效扩展传输距离和适合40Gbps速率的调制新技术。DPSK调制格式的传输设备在抗噪声性能以及信道频带利用率等方面有较高的优越性, 因而被逐步应用到高速光纤通信系统中。同时DPSK采用平衡检测，可提供更高的接收机灵敏度。
在基于DPSK的调制格式中，目前研究较多的是RZ-DPSK。在RZ-DPSK信号格式中，相邻“1”码和“0”码之间相位相差。它具有很强的非线性抑制能力以及低OSNR灵敏度。其缺点是不支持50GHz间隔系统的应用。
2.4.3 DQPSK
DQPSK可以实现更高的频谱密度。实际上同等信号码率，DQPSK的频谱带宽只有DPSK的一半，可以实现50GHz间隔的40Gbps WDM传输，DQPSK码频谱宽度更低，拥有良好的PMD和色散容限。目前研究较多的是RZ-DQPSK，它结合了RZ和DQPSK的优点，具有良好的非线性抑制能力和高的色散与PMD容限。但是，DQPSK的调制和接收技术非常复杂，成本很高。
3 我司的码型技术应用简介
3.1 我司应用的几种码型技术比较
目前，NRZ、SuperCRZ、SuperDRZ、ODB几种码型技术在我司有应用。其中，NRZ应用于10Gbit/s或低速率级别OTU，SuperCRZ应用于10Gbit/s级别OTU，SuperDRZ、ODB应用于10Gbit/s和40Gbit/s级别OTU。表1表2分别对10Gbit/s及更低速率系统、40Gbit/s系统应用的几种码型技术的优缺点进行了比较。
其中SuperDRZ兼具SuperCRZ和NRZ的技术优势，且SuperDRZ模块成本低，支持波长可调，基于这些原因，目前已经要求使用SuperCRZ模块的OTU切换为使用SuperDRZ模块的OTU。
各种码型模块在频率间隔和波长可调方面的规格如表3所示。具体单板支持的码型和相应的指标请参见各产品最新手册之《产品描述》分册之《技术指标》章节或《硬件描述》分册之《光波长转换板》章节。
表1 我司应用的几种码型技术比较（10G bit/s及更低速率系统）
码型技术
优点
缺点
应用
NRZ
1、频谱带宽窄；
2、调制和解调结构简单，成本低。
1、非线性效应抵抗能力差；
2、OSNR容限高；
3、色散容限差。
10G及更低速率中短距系统
SuperCRZ
1、非线性效应抵抗能力强；
2、OSNR容限比NRZ低。
1、频谱带宽较宽，不支持25GHz系统；
2、色散容限较小；
3、我司的SuperCRZ模块均不支持波长可调。
10G超长距
SuperDRZ
1、频谱带宽窄，支持25GHz系统；
2、色散容限佳；
3、非线性效应抵抗能力强；
4、我司的SuperDRZ模块均支持波长可调谐；
5、成本低。
/
10G超长距
ODB
1、色散容限佳；
2、非线性效应抵抗能力较强；
3、我司的ODB模块均支持波长可调谐。
入纤光功率大时色散受限传输距离下降，不适合长距使用。
10G城域网
表2 我司应用的几种码型技术比较（40G bit/s系统）
码型技术
优点
缺点
应用
SuperDRZ
1、PMD容限好，抗非线性能力好；
2、RZ码形，有更佳的OSNR容限，能支持15*23跨段的传输系统。
光谱宽，仅能用于100GHz波长间隔系统
40G长距
ODB
1、光谱宽度窄，可支持50GHz波长间隔系统应用；
2、色散窗口较宽，便于系统配置。
1、OSNR容限能力差，仅能支持10*23跨段的传输系统；
2、PMD容限不佳，抗非线性能力较差；
3、需要配合Interleaver使用，否则性能不佳。
40G城域网
表3 我司各种码型模块应用规格
码型技术
应用的速率级别
支持的频率间隔
是否支持波长可调
NRZ
10Gbit/s及更低
100GHz、50GHz
定波长、波长可调两种
SuperCRZ
10Gbit/s
100GHz、50GHz
定波长
SuperDRZ
10Gbit/s
50GHz、25GHz
波长可调
40Gbit/s
100GHz
波长可调
ODB
10Gbit/s
50GHz
波长可调
40Gbit/s
50GHz
波长可调
3.2 不同码型系统对接
采用不同码型的系统的OTU单板的发送侧上波分模块与普通DWDM系统有区别，而接收侧不需要做任何特殊处理，接收模块与普通DWDM系统采用的是相同的接收模块，采用不同码型的OTU单板可对接。
3.3 收端OSNR要求
表4 不同码型OTU的OSNR要求
速率
FEC模式
码型
信噪比要求
备注
2.5Gbit/s
FEC
NRZ
16

无FEC
NRZ
21
LDG/EC8/AP4/AP8/LQS/AS8
21
LWX/LWXR/LWM/LWMR(不带ESC)
22
LWX/LWXR/LWM/LWMR(带ESC)
5Gbit/s
FEC
NRZ
22
色散容限为3400ps/nm的LQG/L4G
20
色散容限为6400ps/nm的LQG/L4G
10Gbit/s
无FEC
NRZ
26

FEC
NRZ
20

AFEC
NRZ
18

AFEC
CRZ a
16

AFEC
DRZ b
14.5

AFEC
ODB
16
色散容限为4000ps/nm
AFEC
ODB
18
色散容限为4800ps/nm
10GE
AFEC
NRZ
20
LBE(S)
AFEC
CRZ
17.5
AFEC
DRZ
17
AFEC
ODB
19

40Gbit/s
AFEC
DRZ
16.5
LM40
AFEC
ODB
17
a：此处开始的CRZ指我司的SuperCRZ。
b：此处开始的DRZ指我司的SuperDRZ。
测试OSNR时，对于频谱带宽较宽信号，要注意使用特定的仪表如Aglint86145B，且正确设置仪表信号峰值带宽，一般设置值与-20dB带宽相近，如果值设置过小，则光谱仪就无法完全测试到信号的光功率，导致测试的光功率偏低。表5给出了一般情况下仪表RES的推荐设置值。
但由于光谱展宽不仅与传输距离有关，还与波长有关，所以可能出现传输距离相同，但是不同波长的谱宽大小有较大差异的情况，此时信号峰值带宽的设置要考虑兼顾所有波长。按照经验，中间波长(1534~1550nm)左右的光谱展宽比较快。具体方法是先测试信号经过传输后的-10dB谱宽，然后根据情况对光谱分析仪的信号RES带宽进行调整，在RES带宽设置不佳的情况下，测量到的光功率会有波动，经过多次反复调整，如果测试到的光功率稳定了，则设置的RES带宽为理想值。例如，对于40/48波10G DRZ信号，经验数据为：
l 所有波长的-10dB谱宽都小于0.35nm时，设置为0.2nm；
l 有部分波长的-10dB谱宽大于等于0.35nm时，设置为0.5nm。
表5 各种码型测试仪表RES推荐设置值
码型
速率（bit/s）
-20dB带宽（nm）
信号RES带宽（nm）
噪声RES带宽（nm）
NRZ
2.5G
0.2
0.2
0.1
10G
0.3
0.2
0.1
CRZ
10G
0.64
0.5
0.1
DRZ
10G
0.3
0.2
0.1
40G
0.95
1
0.1
ODB
10G
0.3
0.2
0.1
40G
0.6
0.5
0.1
3.4 色散补偿要求
不同码型系统的色散补偿要求有所不同，具体方法请参考《OtpiX WDM 产品光纤色散及补偿专题》。