柴 佳，陳新橋，張 薇，黃亞楠

（中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100024）

一種降低APDCDM信號(hào)幅值級(jí)數(shù)的方法

柴 佳，陳新橋，張 薇，黃亞楠

（中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100024）

APDCDM（雙極性占空比復(fù)用）是降低DCDM（占空比復(fù)用）信號(hào)幅值級(jí)數(shù)的一種有效方法。為了進(jìn)一步降低APDCDM信號(hào)的幅值級(jí)數(shù)，提出了基于信號(hào)替換原理的I-APDCDM（改進(jìn)型雙極性占空比復(fù)用）技術(shù)。分析了I-APDCDM中信號(hào)替換的工作原理及電路實(shí)現(xiàn)方法，采用Optisystem和MATLAB聯(lián)合仿真技術(shù)設(shè)計(jì)了I-APDCDM光纖傳輸系統(tǒng)，分析了改進(jìn)后系統(tǒng)的傳輸距離和調(diào)制器的消光比對(duì)I-APDCDM信號(hào)的影響規(guī)律。仿真結(jié)果表明，I-APDCDM將APDCDM復(fù)用信號(hào)的幅值級(jí)數(shù)降低了1級(jí)，每比特復(fù)用信號(hào)的平均能量降低了A2Ts/24，有效地提高了系統(tǒng)的性能。

光纖傳輸系統(tǒng)；雙極性信號(hào)；占空比復(fù)用；信號(hào)替換；幅值級(jí)數(shù)

0 引 言

為了增加WDM（波分復(fù)用）系統(tǒng)單信道的傳輸容量，已有多種復(fù)用和調(diào)制技術(shù)被提出［1-2］。其中，TDM（時(shí)分復(fù)用）技術(shù)復(fù)用信號(hào)的幅值級(jí)數(shù)較為理想，其值恒為2，但其要求發(fā)射和接收機(jī)均工作在復(fù)用信號(hào)的速率上，這必然會(huì)受到電子元器件電子瓶頸的制約。M-ary（多幅值調(diào)制）信號(hào)的幅值級(jí)數(shù)M與用戶數(shù)量n呈指數(shù)關(guān)系（M=2n）。但較大的幅值級(jí)數(shù)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)接收機(jī)靈敏度大幅降低和信噪比迅速劣化。為了克服TDM和M-ary的限制，Mahdiraji等提出了DCDM（占空比復(fù)用）技術(shù)［3-4］.隨后Tiwan等又提出了降低其幅值級(jí)數(shù)的APDCDM（雙極性占空比復(fù)用）技術(shù)［5］，一方面，系統(tǒng)的發(fā)射和接收機(jī)均工作在單用戶的低速率上，有效地克服了電子器件的電子瓶頸對(duì)系統(tǒng)的限制；另一方面，系統(tǒng)復(fù)用信號(hào)的幅值級(jí)數(shù)較小，克服了信號(hào)的幅值級(jí)數(shù)對(duì)用戶數(shù)量的限制。然而，APDCDM信號(hào)的幅值級(jí)數(shù)仍隨用戶數(shù)量增加而增大，當(dāng)用戶數(shù)量較大時(shí)，仍會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)復(fù)雜性增加和系統(tǒng)性能降低，這也大大限制了其在工程上的應(yīng)用。

為了進(jìn)一步降低APDCDM復(fù)用信號(hào)的幅值級(jí)數(shù)，本文采用低幅值信號(hào)替換高幅值信號(hào)，通過參數(shù)掃描討論了系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)設(shè)置，并對(duì)改進(jìn)前后每比特復(fù)合信號(hào)的平均能量進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明，I-APDCDM（改進(jìn)型雙極性占空比復(fù)用）技術(shù)有效地降低了復(fù)合信號(hào)的幅值級(jí)數(shù)，優(yōu)化了系統(tǒng)性能。

1 工作原理

1.1 APDCDM的工作原理

DCDM技術(shù)通過對(duì)用戶信號(hào)設(shè)置不同的占空比來實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)共用一個(gè)信道傳輸。為保證每比特信號(hào)都有一定的保護(hù)帶，第i路用戶每比特信號(hào)的持續(xù)時(shí)間可表示為

式中，Ts為每比特信號(hào)的時(shí)長。

APDCDM對(duì)DCDM中信號(hào)的極性進(jìn)行了改進(jìn)，相鄰用戶采用極性相反的信號(hào)來實(shí)現(xiàn)DCDM［6］，并對(duì)復(fù)用用戶進(jìn)行編號(hào)，編碼為奇數(shù)的用戶以+A V電壓發(fā)送信號(hào)，偶數(shù)用戶為-A V。由于信號(hào)極性的改變，APDCDM中復(fù)用信號(hào)的最大幅值隨用戶數(shù)量的奇偶性分為兩種情況:

式中，A為用戶信號(hào)的幅值。以3路用戶復(fù)用系統(tǒng)為例，即n=3，每路用戶信號(hào)的占空比DC=Ti/Ts，將式（1）代入可得DC=i/（n+1），計(jì)算得出每一路用戶（i=1、2和3）的信號(hào)占空比分別為0.25、0.5和0.75。根據(jù)式（2），用戶1和3的信號(hào)極性為正，用戶2的信號(hào)極性為負(fù)，3路用戶分別用U1、U2和U3表示，其比特組合共有8種，如表1所示。圖1所示為8種比特組合的信號(hào)波形圖，圖中U1、U2和U3分別與表1的用戶相對(duì)應(yīng)，復(fù)合信號(hào)和其絕對(duì)值對(duì)應(yīng)的波形分別是3路用戶信號(hào)經(jīng)比特疊加后形成的復(fù)合波以及對(duì)其取絕對(duì)值后的波形圖，其最大幅值是2A，與式（2）的計(jì)算結(jié)果一致。

表1 8種比特組合

圖1 信號(hào)波形圖

解復(fù)用時(shí)，可根據(jù)信號(hào)占空比的設(shè)置，將每比特復(fù)用信號(hào)平均分為a、b、c和d 4段，其中d段為保護(hù)帶，其值恒為0。由圖1可知，8種情況的復(fù)合信號(hào)波形彼此不同，具有唯一性，因此其在a～c時(shí)間段的幅值也唯一確定。例如情況5中，復(fù)合信號(hào)在a～c時(shí)間段內(nèi)的信號(hào)幅值分別是1、0和1，唯一對(duì)應(yīng)3路用戶信號(hào)的輸入分別是1、-1和1。APDCDM系統(tǒng)中復(fù)合信號(hào)波形圖的唯一性是設(shè)計(jì)解復(fù)用的基礎(chǔ)，可依據(jù)其來設(shè)置8種情況的解復(fù)用判決表。在接收端，對(duì)每比特復(fù)合信號(hào)a～c時(shí)間段中的信號(hào)幅值進(jìn)行采樣，考慮到信號(hào)失真，仿真僅取每段中間采樣點(diǎn)的平均值，再根據(jù)實(shí)際接收到復(fù)合信號(hào)的幅值進(jìn)行歸一化處理，可得每比特信號(hào)相應(yīng)的a～c 3個(gè)值。將得到的值與解復(fù)用判決表相比較，即完成了信號(hào)的解復(fù)用。

1.2 替換信號(hào)的選擇

由圖1可知，3路復(fù)用信號(hào)的最大幅值是2A，對(duì)應(yīng)情況7，選用未在復(fù)合波形中出現(xiàn)過的信號(hào)對(duì)情況7進(jìn)行替換，這種替換信號(hào)的幅值為A，占空比為0.5，脈沖起始位置延時(shí)0.25Ts，信號(hào)替換波形圖如圖2所示。圖3所示為3路用戶的APDCDM和I-APDCDM信號(hào)眼圖。由圖3可知，APDCDM的最大幅值約為270（a.u.），I-APDCDM約為155（a.u.），由于信道噪聲的原因，幅值雖然沒有嚴(yán)格減少一半，但也明顯降低。

圖2 信號(hào)替換波形圖

圖3 3路用戶APDCDM與I-APDCDM復(fù)用信號(hào)的眼圖

n路用戶的信號(hào)替換情況較為復(fù)雜，但原理類似。APDCDM中替換信號(hào)的選擇根據(jù)用戶數(shù)量的奇偶性分為兩種情況:對(duì)于n路用戶（n為偶數(shù)）系統(tǒng)而言，每比特信號(hào)的時(shí)隙數(shù)量為（n+1），編碼時(shí)隙數(shù)量是n，其復(fù)用信號(hào)的最大幅值為A×n/2，可選擇任何一種未在復(fù)用信號(hào)中出現(xiàn)過的替換信號(hào)對(duì)其進(jìn)行替換。替換信號(hào)的幅值為A×（n/2-1）、A×（n/2-2）…2A、A、0，共有n/2種情況；占空比為［i/（n+1）］×Ts，其中i=1、2、3…n，共有n種情況；起始位置時(shí)延為［i/（n+1）］×Ts，其中，i=1，2，3……（n-1），共有n-1種情況，同時(shí)每比特信號(hào)的占空比和起始位置時(shí)延的總和必須小于等于編碼時(shí)隙的時(shí)延，即［i/（n+1）］×Ts+［i/（n+1）］×Ts≤［n/（n+1）］×Ts。替換信號(hào)的總數(shù)量為（n/2）× n×（n-1）。

另外，對(duì)于復(fù)用用戶較多的情況，除了將幅值最大的復(fù)用信號(hào)用替換信號(hào)替代外，在保證每比特復(fù)用信號(hào)的唯一性和降低信號(hào)幅值的前提下，采用同樣的方法，還可考慮將幅值為A×（n/2-1）…3A、2A、A的復(fù)用信號(hào)用更低幅值的替換信號(hào)替代。同樣的替換原理適用于用戶數(shù)為奇數(shù)的情況。

2 I-APDCDM的仿真實(shí)現(xiàn)

采用Optisystem和MATLAB軟件聯(lián)合仿真，圖4所示為I-APDCDM光纖傳輸仿真系統(tǒng)圖。復(fù)用信號(hào)波形的替換可采用邏輯門和電器件來實(shí)現(xiàn)。首先用與門和非門電路檢測出3路信號(hào)輸入為1、0和1的情況，并將與門的輸出信號(hào)分為兩路:分別與RZ（歸零）脈沖發(fā)生器相連接，一路產(chǎn)生占空比為1的RZ脈沖信號(hào)RZ1，利用與非門和電乘法器將2電平幅值的復(fù)合信號(hào)移除；另一路產(chǎn)生占空比為0.5、脈沖起始位置為0.25、電平幅值為1的RZ脈沖信號(hào)RZ 0.5作為替換信號(hào)，最后用加法器將兩路信號(hào)相加，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合信號(hào)波形的替換。然后用MZM（馬赫-曾德爾調(diào)制器）將復(fù)合信號(hào)調(diào)制到從LD（激光器）發(fā)出的波長為1 550 nm的連續(xù)光波上，經(jīng)過長度為50 km、衰減系數(shù)為0.2 d B/km的光纖進(jìn)行傳輸。在接收端，信號(hào)經(jīng)EDFA（摻鉺光纖放大器）放大后通過PIN（光電二極管）光檢測器實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換，在PIN中添加信號(hào)ASE（自發(fā)輻射）噪聲、ASE-ASE噪聲、熱噪聲和散粒噪聲。最后將檢測得到的復(fù)合信號(hào)輸入到用MATLAB設(shè)計(jì)的解復(fù)用器中進(jìn)行解復(fù)用，恢復(fù)出3路用戶信號(hào)，并與用戶輸入信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。仿真結(jié)果表明，輸入輸出波形一致，驗(yàn)證了I-APDCDM的可行性。

圖4 I-APDCDM光纖傳輸仿真系統(tǒng)圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 仿真參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響

假定光纖長度從0～200 km均勻遞增，通過系統(tǒng)的參數(shù)掃描，觀察其對(duì)輸出信號(hào)強(qiáng)度的影響，其關(guān)系曲線如圖5（a）所示。由圖可知，信號(hào)強(qiáng)度隨信道長度的增長呈拋物線下降趨勢，在光纖長度為120 km處，信號(hào)強(qiáng)度趨于0?？紤]到信號(hào)的衰減程度和實(shí)際中常用光纖的長度等因素，在仿真系統(tǒng)中將光纖長度設(shè)為50 km，并設(shè)定消光比從0～60 d B均勻遞增，圖5（b）所示為信號(hào)強(qiáng)度隨消光比的變化，由圖可知，信號(hào)強(qiáng)度隨消光比的增大而增大，約在消光比為30 dB時(shí)趨于平穩(wěn)?？紤]到信號(hào)強(qiáng)度的衰減程度和MZM中消光比所能取的最大值等實(shí)際情況，仿真中MZM的消光比設(shè)為30 dB。

圖5 仿真參數(shù)對(duì)輸出信號(hào)強(qiáng)度的影響

3.2 復(fù)合信號(hào)每比特的平均能量

每比特信號(hào)的能量在理論上可依據(jù)信號(hào)能量計(jì)算公式得出，例如APDCDM情況7中的能量為

圖6所示為8種組合的信號(hào)能量，其中情況7在APDCDM和I-APDCDM系統(tǒng)中能量不同。

圖6 8種組合的信號(hào)能量

兩種系統(tǒng)復(fù)用信號(hào)每比特的平均能量可表示為

式中，i對(duì)應(yīng)復(fù)合信號(hào)中的一種情況；m為組合個(gè)數(shù)，且有m=2n。則Eavg/bit（APDCDM）= 3.5A2（Ts/24），Eavg/bit（I-APDCDM）=2.5A2（Ts/24）。

對(duì)比可知，相對(duì)于APDCDM，I-APDCDM信號(hào)每比特的平均能量降低了A2Ts/24。對(duì)于一個(gè)傳輸系統(tǒng)來說，考慮到性能和質(zhì)量，其所能傳輸?shù)男盘?hào)能量具有一定限度，因此在相同的傳輸條件下，IAPDCDM降低了每比特復(fù)用信號(hào)的平均能量，較APDCDM能承載更多的用戶。

4 結(jié)束語

I-APDCDM采用信號(hào)替換技術(shù)有效地降低了APDCDM復(fù)用信號(hào)的幅值級(jí)數(shù)。以3用戶系統(tǒng)為例，分析了信號(hào)替換的原理，采用MATLAB與Optisystem聯(lián)合仿真技術(shù)設(shè)計(jì)了I-APDCDM系統(tǒng)，采用邏輯電路實(shí)現(xiàn)了幅值為A的信號(hào)對(duì)幅值為2A的復(fù)用信號(hào)的替換，采用MATLAB設(shè)計(jì)了解復(fù)用器。通過參數(shù)掃描得到系統(tǒng)中調(diào)制器消光比的最優(yōu)值為30 dB，光纖長度的最優(yōu)值為50 km。系統(tǒng)仿真表明，I-APDCDM系統(tǒng)的眼圖清晰，解復(fù)用后所得信號(hào)與發(fā)送信號(hào)一致。與APDCDM相比，I-APDCDM將復(fù)用信號(hào)的幅值級(jí)數(shù)降低了1級(jí)，每比特復(fù)用信號(hào)的平均能量降低了A2Ts/24，有效地提高了APDCDM的性能。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的可行性和有效性，進(jìn)一步推動(dòng)了APDCDM的實(shí)用化。

［1］Jansen S L，Morita I，Tanaka H.10×121.9-Gb/s PDM-OFDM transmission with 2-b/s/Hz spectral efficiency over 1000 km of SSMF［J］.Journal of Lightwave Technology，2009，27（3）:177-188.

［2］Gnauck A H，Charlet G，Tran P，et al.25.6 Tb/s WDM transmission of polarization-multiplexed RZDQPSK signals［J］.Journal of Lightwave Technology，2008，26（1）:79-84.

［3］Mahdiraji G A，Abdullah M K，Elhag M F，et al.Duty cycle division multiplexing technique for wireless communications［C］//WOCN 2007.Singapore:IEEE，2007:1-5.

［4］Seyedzadeh S，Mahdiraji G A.A new signal combination for 3-channelduty-cycle division multiplexing technique［C］//ICP 2014.Kuala Lumpur，Malaysia: IEEE，2014:2-4.

［5］Tiwari V，Soni A M，Tripathi A，et al.Analysis of 6× 10 Gbps spectrally efficient optical APDCDM based communication system［C］//ICCCI 2014.Coimbatore，India:IEEE，2014:03-05.

［6］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(jì)［J］.光通信研究，2013，（5）:21-23.

A Method on the Reduction of APDCDM Signal’s Voltage Level

CHAI Jia，CHEN Xin-qiao，ZHANG Wei，HUANG Ya-nan
（College of Information Engineering，Communication University of China，Beijing 100024，China）

Absolute Polar Duty-Cycle Division Multiplexing（APDCDM）is a novel multiplexing technology used to reduce the signals’voltage level in Duty-Cycle Division Multiplexing（DCDM）system.In order to further reduce the number of voltage levels，a novel coding technique called Improved-APDCDM（I-APDCDM）is proposed.The principle of I-APDCDM is first introduced.An optical fiber transmission system based on I-APDCDM is then designed by joint simulation of Optisystem and MATLAB.The effects of transmission distance and extinction ratio of modulator are analyzed.The simulation results show that，comparing with APDCDM，the number of voltage levels of system is reduced by 1 and the power of transmitted signal is reduced by A2Ts/24.Therefore，the I-APDCDM not only reduces the number of voltage levels but also significantly improves the system performance.

fiber optic transmission system；bipolar signal；DCDM；alternative signal；voltage level

TN919.11

A

1005-8788（2016）05-0023-04

10.13756/j.gtxyj.2016.05.007

2016-03-11

柴佳（1989-），女，河南駐馬店人。碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣饫w通信。