40G WDM系统编码及色散补偿技术在工程中的应用

郑 波，臧志宏（中讯邮电咨询设计院有限公司，河南 郑州 450007）

0 前言

随着以IPTV、三重播放为代表的大流量视频业务的应用，核心路由器端口逐步由10G升级至40G，从而对光传输网向40G迈进产生了原始驱动力。毫无疑问，40G WDM系统是提高传输容量的关键技术，在提升频谱效率、降低传送成本、减少路由器端口及维护成本等方面具备明显优势。

但是，与传统10G WDM系统相比，40G WDM系统对光信噪比（OSNR）、色度色散（CD）容限、偏振模色散（PMD）容限的要求及受非线性效应的影响将更加严格，为解决传输受限问题，40G WDM系统在调制码型、色散补偿技术、纠错编码、放大技术等方面与10G WDM系统有着明显差别。为此，有必要对40G WDM系统的关键技术进行深入研究，并对使用不同编码技术情形下的色散补偿策略及补偿办法给出明确建议。

1 光纤色散

1.1 光纤色散分类

色散是光纤的传输特性之一，由于不同波长光脉冲在光纤中具有不同的传播速度，因此经过长距离传输后会出现脉冲展宽。光脉冲的展宽会使接收的眼图信号变形，导致系统误码率（BER）变大，从而影响传输信号的质量。在单模光纤传输系统中，色散可分为以下几类。

a）材料色散：含有不同波长的光脉冲通过光纤传输时，不同波长的电磁波会导致玻璃折射率不相同，引起传输速度不同，从而产生色散。

b）波导色散（又称结构色散）：光在光纤中通过纤芯与包层界面时，受全反射作用，被限制在纤芯中传播。但是，如果横向尺寸沿光纤轴发生波动，可能引起一少部分高频率的光线进入包层，在包层中传输，而包层的折射率低、传播速度大，这就会引起光脉冲展宽，从而导致色散。它是由光纤的几何结构决定的色散，其中光纤的横截面积尺寸起主要作用。

c）PMD：单模光纤只能传输一种基模的光，基模实际上是由2个偏振方向相互正交的模场HE11x和HE11y所组成。若单模光纤存在着不圆度、微弯、应力等，则合成光场是一个方向和瞬时幅度随时间变化的非线性偏振，产生双折射现象，即x和y方向的折射率不同。因传播速度不等，模场的偏振方向将沿光纤的传播方向随机变化，从而会在光纤的输出端产生偏振（极化）色散。引起PMD的原因分内部原因和外部原因2种。内部原因包括材料的不均匀性、纤芯的椭圆度及光纤的内部应力等，这些因素在光纤生产时就已确定了；外部原因则包括光缆类型、安装方式、环境条件及温度变化等，这些因素在不同的时间、不同的地点仍会有一些变化。

通常，把材料色散和波导色散统称为CD，CD（见图1）和PMD（见图2）是本文研究的重点。

图1 色度色散示意

图2 偏振模色散示意

1.2 色散补偿技术

色散补偿的基本原理是使用一个或多个大负色散的器件对光纤的正色散实施抵消，对光纤中的色散积累进行补偿，从而使系统的总色散量减小。目前，工程中实际采用的色散补偿器件为色散补偿光纤（DCF）和光纤布拉格光栅（FBG）。

1.2.1 色散补偿光纤

色散补偿光纤是具有大的负色散光纤，它是针对现已敷设的1.3 μm标准单模光纤而设计的一种新型单模光纤。为了使现已敷设的1.3 μm光纤系统采用WDM/EDFA技术，就必须将光纤的工作波长从1.3 μm转为1.55 μm，而标准光纤在1.55 μm波长的色散不是零，而是正的17~20 ps/nm·km，并且具有正的色散斜率，所以必须在这些光纤中加接具有负色散的色散补偿光纤，进行色散补偿，以保证整条光纤线路的总色散近似为零，从而实现高速度、大容量、长距离的通信。

1.2.2 光纤布拉格光栅

1982年，F.Quellette首先提出采用啁啾Bragg光栅作为反射滤波器实现色散补偿的理论，其原理是：当光脉冲通过线性啁啾光栅后，短波长的光时延比长波长的光时延大，正好起到了色散均衡作用，从而实现色散补偿。FBG所能补偿的色散量和带宽由光栅长度和啁啾量来决定，通过应力或者温度进行动态调谐。

图3示出的是FBG色散补偿的基本原理。通过使用精确啁啾和标准光环形器实现高效的色散补偿模块（DCM）进行基于FBG的色散补偿。在FBG中将脉冲的“快”波长反射得比“慢”波长更远、让反射的“慢”波长更接近环形器，可以实现色散展宽脉冲的再压缩。每个波长的实际反射位置取决于光纤中精确的折射率变化，而这种细至几个纳米的变化是由高度复杂的制造技术控制的，对FBG啁啾的精确控制是精确色散补偿技术的关键。

图3 FBG色散补偿的基本原理

2 编码及调制技术

在40G WDM系统中，针对接收机不同的解调方式，按强度调制、相位调制和偏振复用分成OOK、PSK、PM三大类，详细分类见表1。

表1 常用40G WDM编码方式

本文仅介绍40G WDM系统常用的几种编码及调制技术，其他可在本文所列的参考文献中查找。

2.1 差分相移键控

差分相移键控（DPSK）码是将数据承载于临近光脉冲的差分相位上，即前后2个信号脉冲的载波相位相同，表示数字码“1”；相反，表示数字码“0”，并用光脉冲作为载波。DPSK的频谱宽度介于NRZ和RZ之间，比普通RZ码的频谱效率高，传输距离比普通RZ码长，是一种能有效扩展传输距离和适合40 Gbit/s速率的调制新技术，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。

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π，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50 GHz间隔系统的应用。

图4示出的是差分DPSK编码示例。差分相干解调实现相位信息向幅度信息的转化，直接利用前后码元的信息，无需专门的相干载波，接收比较直接，可提升OSNR容限约3 dB。

图4 差分DPSK编码示例

2.2 差分四相相移键控（DQPSK）

差分正交相移键控调制码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50 GHz间隔的40G WDM传输。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。

其编码方法为：原始发送信号采用2个MZ调制器实现调制，由2路20 Gbit/s的电信号进行调制。其中一个MZ调制器再加上π/2的相位延迟，形成2路正交的调制光信号（记为I路和Q路），并耦合在一起，形成一路QPSK已调光信号。QPSK可看成是载波相互正交的2个2PSK信号之和。如采用差分预编码技术，可实现DQPSK码型调制。

图5示出的是QPSK矢量图（星座图）。

图5 QPSK矢量图（星座图）

2.3 偏振复用（PM）

DP-QPSK及衍生的CP-BPSK编码技术是支持100G传送的热门技术，也可以应用于40G传送。该编码技术通过电域完成偏振分离、相位补偿和均衡等工作，基于相干接收的电域均衡技术利用相干接收后电信号保留的光域相位信息，分离PMD导致的信号畸变，采用特殊电域均衡算法（硬件上通过高速ADC和DSP实现）纠正信号畸变，从而实现消除PMD影响的目的。

DP-QPSK在每一波长采用2个QPSK信号来传递40G信号，这2个QPSK信号分别调制光载波2个正交极化中的1个。与DPSK等调制方式相比，DPQPSK只需四分之一频谱带宽，通过偏振复用和四相位调制将40 Gbit/s信号速率降为10 Gbit/s，更适合数字信号处理，可在电域实现色散补偿、PMD补偿，从而可以获得与传统10G NRZ系统类似的传输性能。同时由于应用极化控制，DP-QPSK系统的PMD容限较其他调制方式明显提高，甚至优于传统10G NRZ系统。

受限于数字信号处理芯片的处理速率，以及设备体积和功耗等原因，目前只有部分厂家能够提供基于相干接收、结合PM和数字信号处理的DP-QPSK设备，达到大规模工程实用水平还需一定时间。

3 40G WDM系统受限分析

与10G WDM系统一样，在40G WDM系统中同样需要考虑线路衰耗、光纤色散等因素。且随着线路速率的提高，系统指标要求更加严格。同时，40G WDM系统受非线性的影响更加明显，且难以消除。因此，在采取措施解决系统OSNR、CD、模式色散的同时，要设法消除上述措施引入的非线性影响。

3.1 OSNR受限

根据香农定理，在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，数据速率（Rmax）与信道带宽（B），信噪比（S/N）有以下关系。

当数据速率提高4倍时，其信道带宽也增加4倍，接收机白噪声也相应增加4倍，因此接收机灵敏度也要相应提高4倍，对应的OSNR为6 dB。现网要求10G WDM系统的OSNR应大于或等于18 dB；意味着在40G系统中，OSNR至少要达到24 dB。但在实际的系统中，这是难以实现的。

3.2 色度色散受限

理论研究指出，信号经过长距离传输后，当脉冲展宽（Δ）小于一个码元周期时，码间干扰和误码率可以满足通信需要。

对于工作在1 550 nm窗口，采用外调制器的窄带光源及NRZ编码情况，下式成立。

式（3）可进一步简化为

从上式可以看出：在同等物理条件下，速率提高4倍，色散容限降低为1/16。10G WDM系统的最大色散容限约为1 000 ps，40G WDM系统的约为60 ps。

在10G WDM系统中，通常采用在光线路中插入色散补偿光纤进行色散校正，由于不能精确补偿，随着光复用段长度的增加，残余色散会逐渐增大。10G系统的色散容限一般都大于±400 ps/nm。40G系统的色散容限应该达到或优于这个水平。

3.3 偏振模色散受限

如果2个偏振态分量间的平均时差（ΔτPMD）小于比特速率周期（1/B）的1/10，那么PMD在数字链路中的影响可以忽略。

对于2.5G系统，为40 ps；对于10G系统，为10 ps；对于40G系统，为2.5 ps。

从式（5）可以看出：在同等物理条件下，速率提高4倍，PMD容限降低为1/4，受限距离降低为1/16。 通常认为，对于10G WDM系统，受限距离最大约为10 000 km，几乎不用考虑PMD补偿；40G系统的PMD受限距离约为625 km，必然要考虑PMD补偿。

4 40G WDM工程技术解决方案

从上面的受限因素分析可以看出，单凭某一项技术很难解决40G WDM系统面临的所有技术挑战，需要综合利用各项创新技术的优势才能实现。目前，主流厂家通过提高发送光功率，采用更加先进的线路编码及纠错编码、新型色散补偿光纤等方式，大幅提高了对受限因素的容忍及系统性能，在工程应用中，应结合实际情况，综合考虑技术、经济代价等要求，选择符合行标及工程要求的技术解决方案。

4.1 降低OSNR容限

WDM系统接收端的OSNR与传输距离、每跨段距离、单波入纤光功率、光放大器个数密切相关。为解决系统OSNR受限，通常采用的技术手段包括以下几个方面。

a）提高信号发送光功率或采用分布式Raman放大器。在相同线路情况下，通过提高发射光功率可有效提高系统接收端的OSNR，但必须权衡考虑非线性效应引起的OSNR代价以及同时产生的光纤非线性效应。且入纤功率过高，对光纤质量及人员维护安全性提出了很高的要求。Raman放大器具有放大宽带宽、噪声低的特点，采用较低的信号光功率就可得到较高的OSNR，从而减小光纤非线性效应的影响。但是，Raman放大器受环境影响大，对光纤质量及人员维护安全性提出了很高的要求，现网应用少。

b）采用更强的前向纠错技术（EFEC）。FEC技术通过在发射端对信号进行一定的冗余编码，并在接收端按照一定规则解码以实现误码检测和纠正的目的。FEC对于纠正由于ASE噪声引起的随机误差很有效，ITU-T在G.957海缆和G.709/Y.1331 OTN中把RS（255，239）作为 FEC 的标准。

不同的FEC算法所能提高的OSNR灵敏度不同，一种FEC编码所能提高的OSNR灵敏度可称为这种FEC编码的编码增益，ITU-T规定的RS （255，239）编码增益可达到6 dB，相当于提高了6 dB OSNR灵敏度。为了进一步提高编码增益，也提出了几种非标准化的超级或增强 FEC， 如 RS＋RS、BCH＋BCH、RS＋BCH，编码增益可达到9 dB。

FEC是提高系统OSNR容限的最有效手段，采用FEC编码也已成为各方特别是设备厂家的共识。因此，在工程中应结合系统配置及厂家OSNR仿真结果，选用合适的纠错编码OTU，以满足系统指标要求。

需要说明的是，FEC技术只是降低了OSNR容限，并没有提高系统OSNR值。并且，厂家私有FEC虽然可以获得更大的编码增益，但因实现方式不同，不能实现互通。

4.2 提高色散补偿精度

色散补偿分光域色散补偿和电域色散补偿，40 Gbit/s的电域色散补偿由于受芯片处理速率限制，暂时还不成熟。目前通常采用单信道的精确色散补偿和可调谐的后补偿技术（TDC）。其原理如图6所示。

图6 自适应色散补偿工作原理示意

设备单板输入光信号经过TDC、40G光收模块后进行光电转换，然后送给业务处理ASIC芯片进行FEC误码监测和纠错。单板软件通过改变TDC的色散值，得到一个FEC纠错前误码率，通过持续不断地小幅度改变TDC的色散值，可以找到FEC纠错误码率变化的趋势，从而将FEC纠错误码率调节到最优。整个调节过程由软件动态自动控制完成，不需要人工参与。

但对于系统的PMD补偿仍然是一个非常棘手的问题，其原因有两个：一是PMD补偿的动态性，由于PMD是一种动态效应，不像CD一样有稳态值，因此PMD的补偿也是一个动态的实时过程，增加了补偿的复杂度；二是高阶PMD的影响，40G信号的频谱宽度较宽，同一个信号脉冲中不同频率的DGD可能也不相同，进一步加大了PMD补偿难度。此外各个不同波长信道的PMD影响相互独立，必须单独进行补偿，增加了PMD补偿的难度和成本。

虽然现阶段已经有了PMD补偿技术（PMDC），一阶PMDC技术基本成熟，电域、光域均有产品，可补偿4～8 ps的DGD。但对于高阶PMD及由此带来的非线性影响并没有好的解决办法。

从式（4）及式（5）可以看出，只要线路的码流速率不降低，都不能从根本上解决系统的色散受限问题。未来，必须使用比10G WDM系统更加先进的编码及调制技术来降低线路码流速率，以提高40G WDM系统的色散容限范围，在对非线性进行更好的抑制的同时，降低系统OSNR灵敏度。从而在根本上解决色散受限问题，并为将来100G等更高速率的应用提供基础。

综上所述，在40 Gbit/s波分系统工程建设中，对系统的色散补偿通常按以下方法配置。

a）固定色散补偿和可调色散补偿相结合，即：复用段配置固定色散补偿，通道层的接收机之前配置TDC。固定色散补偿完成复用段色散粗略补偿，TDC采用技术相对较成熟的FBG，完成通道层色散精细补偿。

表2 40G码型调制技术能力比较

b）如果进行分阶段色散补偿后还不能满足系统要求，可采用PMDC补偿，但要考虑由此引起的系统代价。

c）更换系统码型，采用DQPSK或色散容限更高的编码方式。

4.3 合理选择码型调制技术

新型传输码型相对于传统NRZ的主要优势，是通过新的调制编码技术，提高N×40 Gbit/s WDM系统对于（大）部分传输限制因素的克服能力，显著提高系统的传输距离。根据式（4）及式（5）可以看出，CD和偏振模色散主要和线路码流速率（波特率）相关。因此，不同编码技术的比特速率直接决定了其色散容限。表2示出的是40G码型调制技术能力比较。

从表2所示技术能力比较来看，DPSK、DQPSK是现阶段40G WDM系统的主流编码技术。而对未来100G甚至更高速率通道，以DP-QPSK为主及其衍生的调制技术和相干接收技术是主流选择。结合不同应用场景，建议如下：

a）考虑到ODB编码的技术潜力不大，不能满足100G速率需求。因此，现阶段仅在建设城域等短距离40G波分平台时选用。

b）在省内二干及长途一干系统中，应在DPSK和DQPSK 2种编码中选择，其主要区别在于对CD和偏振模色散的容忍不同。

c）一般而言，DPSK编码造价较低，在满足系统指标要求时，可推荐使用。

d）考虑到PMDC补偿带来的系统代价，当采用DPSK编码不能满足系统要求时，可采用DPSK＋PMDC或DQPSK两种方式解决；在工程造价不受限制时，优先选用DQPSK。

5 其他问题

5.1 光纤光缆选择

通常认为，承载40G WDM系统时G.655光纤的色散容限好于G.652。但因其受非线性影响更大，且难以消除；同时，随着色散补偿技术的进步，G.652承载40G WDM系统已不存在问题，厂家设备测试结果也证明了这一点。

因此，在新建40G WDM工程中，在有条件的情况下，应尽量选取G.652光纤。在光缆选取上，考虑到温度变化对光纤色散影响较大，在新疆、西藏、东北等昼夜温差较大的区域，应尽量选取管道或直埋光缆，而不选择架空光缆。系统设计时，应按光纤色散最坏情况进行系统配置。

5.2 客户侧接口

目前，各传输和路由器厂商均采用ITU-T G.695和G.959.1标准中所定义的短距接口指标，工作在1 550 nm窗口，衰减范围一般在7 dB左右，但由于其色散范围一般为40～60 ps/nm，对于G.652光纤来讲，40G SDH和OTU3客户侧接口只能传送2～3 km，当传输设备和数据设备相距10 km左右时，可通过以下方案解决。

方案一：在需要40G WDM中继的机房之间建设G.655光缆，G.655光缆在1 550 nm窗口的色散系数为4.2 ps/nm·km左右，可以保证在40G客户侧接口传送10 km左右。

方案二：开发1 310 nm波长板卡，G.652光纤在1 310 nm波长的色散为3.5 ps/nm2·km，可以保证在40G客户侧接口传送10 km以上。在对某厂家提供的长距客户侧板卡进行了测试后，结果表明工作在1 310 nm窗口的客户侧40 Gbit/s信号能够在G.652光纤上传送12.8 km。

因此，建议运营商督促和协商传输设备和路由器厂商开发采用1 310 nm波长、色散容限40 ps/nm以上的客户侧光接口，以满足局间中继光缆长度在10 km以上的中继需求。局间中继光缆长度超过10 km时，现阶段只能采用建设局间中继WDM系统方式解决。

［1］奥本海默.信号与系统［M］.2版.刘树棠，译.西安：西安交通大学出版社，1999.

［2］张德纯，王兴亮.现代通信理论与技术导论［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2004.

［3］樊昌信.通信原理［M］.6版.北京：国防工业出版社，2010.

［4］邓忠礼.光同步传送网和波分复用系统［M］.北京：北方交通大学出版社，2003.