浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2022, 56(12): 2507-2513 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2022.12.020

通信工程

基于Manchester-PAM4调制的无源光网络平滑升级

曹露芳,, 卢旸,, 王尧尧, 毕美华, 胡淼, 翟彦蓉

杭州电子科技大学 通信工程学院，浙江 杭州 310018

Smooth migration for passive optical networks based on Manchester-PAM4 modulation

CAO Lu-fang,, LU Yang,, WANG Yao-yao, BI Mei-hua, HU Miao, ZHAI Yan-rong

School of Communication Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China

通讯作者: 卢旸，男，副教授. orcid.org/0000-0002-1890-9277. E-mail： luyang@hdu.edu.cn

收稿日期: 2022-01-11  

基金资助: 杭州电子科技大学研究生科研创新基金资助项目（CXJJ2021095）

Received: 2022-01-11  

Fund supported: 杭州电子科技大学研究生科研创新基金资助项目（CXJJ2021095）

作者简介 About authors

曹露芳（1996—），女，硕士生，从事光网络与光通信研究.orcid.org/0000-0003-0142-764X.E-mail：1158725201@qq.com , E-mail：1158725201@qq.com

摘要

为了消除新加入无源光网络（PON）线路对旧有PON线路的干扰，实现新旧PON线路的共存，提出基于Manchester-PAM4调制的PON平滑升级方案. 方案分别测试NRZ、Manchester、PAM4、Manchester-PAM4调制格式的新旧PON信号共存时的眼图和误码率. 测试结果表明，Manchester-PAM4信号减少了与Manchester信号几乎相同的串扰，但提供了双倍的比特率；与消光比减小的NRZ信号相比，Manchester-PAM4信号具有更好的串扰抑制效果. Manchester-PAM4调制的新PON信号不仅抑制了对于旧PON信号的干扰，而且保持了100%的编码效率. 在渐进且“无痕迹”的平滑升级后，Manchester-PAM4能够通过软件操作更改为PAM4，以提供双倍的比特速率.

关键词： 无源光网络 (PON) ; 平滑升级 ; 曼彻斯特码 ; 串扰抑制 ; 编码效率

Abstract

A smooth passive optical network (PON) migration based on Manchester-PAM4 modulation was proposed, in order to eliminate the crosstalk from the newly added PON link to the old PON link and realize the coexistence of the two PON links. The eye diagrams and bit error rates were tested when the new PON signal coexisting with the old one in modulation formats of NRZ, Manchester code, PAM4, and Manchester-PAM4, respectively. Test results showed that the Manchester-PAM4 signal reduced almost the same crosstalk as the Manchester code signal, but provided double bit rate, and the Manchester-PAM4 signal showed better crosstalk suppression than the NRZ signal of reduced extinction ratio. The new PON signal in Manchester-PAM4 not only suppressed the crosstalk to the old one, but also maintained 100% coding efficiency. After gradual and "traceless" smooth upgrade, Manchester-PAM4 can be changed to PAM4 through software operation to provide double bit rate.

Keywords： passive optical network (PON) ; smooth migration ; Manchester code ; crosstalk suppression ; coding efficiency

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本文引用格式

曹露芳, 卢旸, 王尧尧, 毕美华, 胡淼, 翟彦蓉. 基于Manchester-PAM4调制的无源光网络平滑升级. 浙江大学学报(工学版)[J], 2022, 56(12): 2507-2513 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2022.12.020

CAO Lu-fang, LU Yang, WANG Yao-yao, BI Mei-hua, HU Miao, ZHAI Yan-rong. Smooth migration for passive optical networks based on Manchester-PAM4 modulation. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2022, 56(12): 2507-2513 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2022.12.020

无源光网络（passive optical network, PON）是光纤到户（fiber to the home, FTTH）最有前途的解决方案之一. 大规模部署的PON包括异步传输模式无源光网络（ATM-PON，APON）/宽带无源光网络（broadband passive optical network，BPON）、以太网无源光网络（ethernet passive optical network，EPON）和吉比特无源光网络（gigabit-capable PON，GPON）. 为了满足日益增长的带宽需求，新一代PON应运而生. XGPON、10GEPON已经标准化[1]，在技术和经济上均可行；研究具有更高比特率和性能的PON工作正在进行[2-4]. PON的成本主要源于光分配网（optical distribution network, ODN）的安装[5]. 因此，平滑升级要求新PON重用已有的ODN，避免重新部署高成本的基础设施，即两代PON能够共存，且不会中断旧PON的服务[6]. 新、旧PON通常占据不同的波长范围，它们可以被新光网络单元（optical network unit, ONU）的滤波器或光线路终端（optical line terminal, OLT）中的波分复用器（wavelength division multiplexing, WDM）隔开. 滤波器、WDM使新旧下行和上行信号间的串扰极低. 由于，1）旧ONU仅配备用于上下行信号分离的滤波器，不能滤除新PON波长，2）旧ONU数目多、分布广；因此向旧ONU中添加新滤波器的成本太高. 共存方案的主要目的是在不改变ODN和旧ONU链路的情况下，减少或消除新PON信号对旧PON信号的串扰.

PON平滑升级的方法包括WDM方法、副载波调制（subcarrier modulation, SCM）和频谱整形线路编码（spectral-shaping line-code, SSLC）[7-8]. WDM方法可以完全消除新、旧PON的相互串扰，但须改造旧PON使其具有波长选择性；在下行方向上改造数目多、分布广的ONU或者远程节点的代价高昂. SCM方法利用旧PON信号接收机接收带宽有限的特点，避免了对旧ONU的改造，但须在OLT和新ONU中使用SCM所需的电器件（混频器和振荡源），还会产生光拍频噪声（optical beat interference，OBI）. Lu等[9-10]提出并采用正交调制的平滑升级方法，但是在升级后的ONU中，新PON信号须将正交调制信号转换为幅移键控（amplitude shift keying , ASK）信号才能够接收，增加了下行解调的复杂性. SSLC被认为是经济有效的PON平滑升级方法[11-13]. 这种升级方法仅通过软件操作，无需额外的设备；同时，新PON信号中能够对旧PON信号产生串扰的低频成分被编码抑制. 在SSLC中，Manchester码生成和检测简单，与4b5b、4b6b、4PPM编码相比，低频抑制效果最好，缺点是50%的编码效率导致新PON信号的有效比特率较低.

PON中的发射器和接收器预计将实现25 Gb/s的传输速率. 技术发展将使在PON中应用高阶调制成为可能. 脉冲幅度调制（pulse amplitude modulation, PAM）尤其是四阶PAM（PAM4），是很有潜力的高阶调制[14]. PAM4能够提供的比特率是带宽的2倍，并且操作比其他高阶调制更简单. Oluwajobi等[15]将PAM4与Manchester码组合（Manchester-PAM4），并认为Manchester-PAM4在高速光接入网以及光纤无线电中的性能优于二进制的Manchester码和PAM4. 与文献[15]的应用场景不同，本研究将分析基于Manchester-PAM4的PON平滑升级效果.

1. 基本原理

1.1. Manchester-PAM4

如图1所示为二进制NRZ、Manchester码、PAM4和Manchester-PAM4的编码格式. 每个Manchester-PAM4符号分为2个互补的部分，与Manchester码相似，Manchester-PAM4的低频抑制特性通过降低编码效率抑制低频分量，通过使比特率加倍的PAM4补偿降低的编码效率. 要传输相同的有效比特率，50%编码效率的Manchester码信号要2倍NRZ信号带宽，四进制调制的PAM4信号只要一半的NRZ信号带宽，Manchester-PAM4信号需要与NRZ信号相同的带宽.

图 1

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图 1   二进制NRZ、Manchester码、PAM4和Manchester-PAM4的编码格式

Fig.1   Encoding format of binary NRZ, Manchester code, PAM4 and Manchester-PAM4


如图2所示，在Optisystem15.0仿真实验中，Manchester-PAM4的生成步骤如下：1）通过编码自定义比特发生器元件，2）经过PAM序列生成器元件，3）M-ary脉冲输出，即通过比特映射的方式得到Manchester-PAM4. 当二进制比特为“00”、“01”、“10”、“11”时，比特映射后的Manchester-PAM4的输出电平分别为“03”、“12”、“10”、“11”. 由傅里叶分析可知，低频分量一般是信号中能量变化缓慢的部分。连续的“0”波形或者连续的“1”波形都对应频域的低频分量，因此打断长连的“0”、“1”波形是提高低频压制能力的手段。NRZ码在比特周期内的信号幅度保持不变，存在大量的低频分量。Manchester码中每个比特间必有1个幅度变化，确保了较丰富的高频分量；Manchester码每个比特的光能量相同，使Manchester码的低频分量极低。每个Manchester-PAM4码被分为2个相对的部分，皆由高低电平的跳变表示数据信号“0”、“1”，但2个部分的电平互补，并且每个符号的能量恒定， Manchester-PAM4具有同Manchester比拟的低频压制特性。PAM4每个比特的能量不恒定，存在较多的低频分量。

图 2

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图 2   Optisystem15.0仿真生成Manchester-PAM4

Fig.2   Manchester-PAM4 generated by Optisystem15.0 simulation


如图3所示为NRZ、Manchester码、PAM4和Manchester-PAM4的信号频谱，所有信号由10 Gb/s发射机生成，4种编码的信号有效比特率分别为10 、5 、20 、10 Gb/s. 图中，f为信号的发射频率，P为信号的发射功率. Manchester-PAM4、Manchester码的信号都抑制了低频分量，与低速信号共存时产生的串扰较少.

图 3

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图 3   10 Gb/s发射机生成的不同信号频谱

Fig.3   Spectrum of different signal generated by 10 Gb/s transmitter


1.2. 基于Manchester-PAM4的PON平滑升级方案

如图4所示为基于Manchester-PAM4的PON平滑升级方案. 图中，λold为旧PON的波长，λnew为新PON的波长. 在升级之前，旧PON占据ODN并发送低速的常规二进制NRZ信号；升级开始时，新、旧PON链路共享ODN，新PON链路采用Manchester-PAM4调制且速率更高. Manchester-PAM4调制继承Manchester码和PAM4的优点，在不牺牲编码效率的条件下抑制了低频分量. 因此新PON信号既保持了有效比特率，还减小了对旧PON信号的串扰. 升级过程为旧ONU提供的是“按需升级”的经济方式，当所有旧ONU都升级并加入新PON链路后，旧OLT被删除. 由于不再有旧PON信号，新PON链路可以采用PAM4信号而不是Manchester-PAM4信号. 升级完成后，PON应用PAM4将比特率提高一倍. 从Manchester-PAM4到PAM4的更改通过软件实现无需更换硬件，是“无痕迹的”升级.

图 4

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图 4   基于Manchester-PAM4的无源光网络平滑升级方案

Fig.4   Proposed smooth passive optical network migration based on Manchester-PAM4


2. 系统测试原理

使用OptiSystem15.0仿真软件对所提方案进行仿真测试，设置如图5所示. 在发射端，新、旧PON光源的波长分别设置为1552、1550 nm. 2个光源通过消光比均设置为14 dB的Mach-Zehnder调制器（MZM）进行外部调制，考虑到PAM4对线性度的要求，接收端的光电探测器为雪崩光电二极管（avalanche photon diode, APD）. 为了模拟已部署的APON/BPON、EPON和GPON，旧PON信号的比特率分别设置为0.625、1.25、2.5 Gb/s，新PON信号的线路速率设置为12.5 Gb/s. 线路速率在当前商用收发器的带宽之内，可以借助PAM4倍增至25 Gb/s，以满足下一代PON中的25 Gb/s传输速率[16]. 分别将4种调制格式的码型应用于新PON信号，它们的编码效率不同，因此NRZ、Manchester码、PAM4、Manchester-PAM4信号的有效比特率分别为12.5、6.25、25、12.5 Gb/s. 发射的新旧PON信号功率相同，由耦合器合并. 合并后的信号由25 km标准单模光纤传输，并由另一个耦合器分成2个分支，分别用于接收新、旧PON信号. 为了在旧ONU中模拟带宽受限和自动滤除高频信号的低速接收器，在旧PON信号接收机之前使用截止频率为（0.75×信号速率）GHZ的电低通高斯滤波器进行模拟，并在新PON信号接收分支中的APD之前使用光学滤波器滤除旧PON信号. 4种调制格式的新PON信号线路速率均设置为12.5 Gb/s, 在仿真中升级的ONU使用12.5 Gb/s的接收器.

图 5

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图 5   Manchester-PAM4平滑升级测试设置

Fig.5   Test setup of Manchester-PAM4 based smooth migration


3. 实验仿真测试结果及分析讨论

3.1. 实验仿真眼图结果

测试的眼图如图6所示. 在新PON链路中，因为光学滤波器会滤除旧PON信号，所以接收到的新PON信号不会有旧PON信号串扰. 图6（b）为发射速率分别为0.625、1.25、2.5 Gb/s的旧PON信号的眼图。二进制信号（NRZ、Manchester码）比四电平信号（PAM4、Manchester-PAM4）性能更好. 如果与旧PON信号共存的新PON信号是NRZ、PAM4，旧PON信号将常被串扰. 因此，当共存的新PON信号采用NRZ、PAM4格式时，旧PON链路将不能正常工作；当新PON信号采用的格式为Manchester码、Manchester-PAM4时，旧PON信号受到的串扰较小，旧PON链路能够正常工作.

图 6

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图 6   不同格式下信号共存的眼图

Fig.6   Eye diagrams of signal coexistence in different formats


3.2. 误码率结果

如图7所示为新、旧PON信号的误码率曲线，BER为误码率，ROP为接收光功率. 图7（a）中，采用Szczerba等[17]提出的误码率测试方法测试Manchester-PAM4、PAM4的误码率. 可以看出，由于4个电平的间距较小，导致PAM4、Manchester-PAM4信号的性能较差，当这2个信号的线路速率相同时，Manchester-PAM4显示出较PAM4好的性能. 原因是Manchester-PAM4具有比PAM4更丰富的跳变特性，使眼图更清晰，即不同幅度显示更加分明. 接收机灵敏度定义为最大误码率为1.0×10−3时的最小接收光功率，这是NG-PON2标准中规定的前向纠错（forward error correction，FEC）允许的最大误码率，本研究将BER=1.0×10−3的FEC限制视为无误码点[18]. NRZ、PAM4、Manchester码、Manchester-PAM4信号的接收灵敏度分别为−27.9、−20.5、−26、−20.3 dBm.图7（b）显示了不同速率0.625、1.25、2.5 Gb/s的旧PON信号分别在没有新PON信号、与Manchester码共存以及与Manchester-PAM4信号共存情况下的误码率. 不同速率的旧PON信号单独存在时的接收灵敏度分别为−35.4、−33.5、−32 dBm；与Manchester码共存时的功率代价分别为3 .0、2.8、4.2 dB；与Manchester-PAM4共存时的功率代价分别为3.4、2.7、3.9 dB；与NRZ、PAM4共存时的旧PON信号受到的串扰过多，无法实现无误码传输. 尽管NRZ格式的新PON信号拥有最佳的误码率性能，PAM4格式的新PON信号具有最高的有效比特率，但是它们对旧PON信号的串扰较大，无法应用于PON平滑升级.

图 7

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图 7   新、旧无源光网络的误码率曲线

Fig.7   Bit error rate curve of new and old passive optical network


3.3. Manchester码、Manchester-PAM4对旧PON信号的串扰程度对比

Manchester码、Manchester-PAM4均能够减少信号共存产生的串扰，实现发射速率升级. 当旧PON信号传输速率为625 Mb/s或1.25 Gb/s时，Manchester-PAM4与Manchester码对旧信号造成的串扰几乎相同，功率代价约为3 dB. 由图7（b）可以看出，当旧PON信号传输速率为2.5 Gb/s，且与Manchester-PAM4共存时，旧PON信号的误码率达到1.0×10−9；相同传输速率下，旧PON信号与Manchester码共存时的误码率无法达到1.0×10−9，可见Manchester-PAM4对其造成的串扰更少，功率代价为3.9 dB. 3.9 dB的功率代价未超过旧PON的功率预算，即使超过，只要旧PON信号的发射功率提高一些（不超过3.9 dB——旧PON有功率预留）. 对于新PON信号而言，Manchester-PAM4的有效比特率是Manchester码的2倍，功率代价为5.7 dB. PAM4被认为是PON中很有前途的技术，Van Veed等[5-15]提出几种方法来提高PAM4的接收灵敏度. 使得通过软件灵活过渡到PAM4的Manchester-PAM4在PON的平滑升级方面更具潜力.

3.4. NRZ与Manchester-PAM4的旧信号接收灵敏度对比

与NRZ相比，Manchester-PAM4提供相同的编码效率，但以降低接收灵敏度为代价减少与旧PON信号共存的串扰. 将Manchester-PAM4与减小了消光比ER而牺牲接收灵敏度的NRZ信号进行比较. 为了获得与Manchester-PAM4信号相同的灵敏度，NRZ信号的消光比应降低到5 dB. 测试旧PON信号分别与ER=14 dB的Manchester-PAM4信号、ER=5 dB的NRZ信号共存时的误码率，如图8所示. 可以看出，与Manchester-PAM4信号共存的旧PON信号的接收灵敏度更低，在0.625、1.25、2.5 Gb/s的旧PON信号条件下，与ER=14 dB Manchester-PAM4共存比ER=5 dB NRZ共存的旧PON信号的接收灵敏度分别低1.0 、1.6、5.3 dB. 结果表明，Manchester-PAM4比降低了消光比的NRZ的串扰抑制效果更好.

图 8

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图 8   旧无源光网络信号与不同调制信号共存的误码率曲线

Fig.8   Bit error rate curves of old passive optical network signals and modulated signals


3.5. 分析及讨论

测试中，将合并前的新、旧PON信号调整为相同的功率. 由于直接调制激光器（directly modulated laser，DML）的啁啾导致光路损耗，对于10 Gb/s以上的光传输多使用外调制器，MZM在所需的范围可以实现低光程损耗，非常适合在长距离光纤上进行高速数据传输[18]. 不少研究团队在实验测试中直接采用MZM调制新、旧PON信号[19-20]，本研究所提方案增加了使用DML对低速旧PON信号进行调制的测试，测试的误码率结果与采用MZM测试的误码率结果相差极小.

新PON信号使用Manchester-PAM4编码时，新PON信号的接收灵敏度为−20.3 dBm，远高于旧PON信号的接收灵敏度. 如果新PON信号能够实现无误码传输，那么旧PON信号必实现无误码传输. 对于输出功率5 dBm的商用发射机来说，基于Manchester-PAM4的方案可以提供约25 dB的ODN功率预算. 这个功率预算对于未来的PON是可以接受的（25G EPON标准的功率预算为24 dB[2]）.

借助Manchester-PAM4可以将旧PON从0.625、1.25、2.5 Gb/s平滑升级到25 Gb/s的未来PON，升级中不仅无须更改旧ONU，还为旧ONU按需逐步升级提供了共存阶段. 在共存期间，新PON不但能够提供满足XGPON和10GEPON要求的12.5 Gb/s传输速率，而且不会中断旧PON链路的服务. 当旧ONU全部完成升级并删除旧OLT时，Manchester-PAM4编码可以仅通过软件操作更改为PAM4编码，提供以满足未来25G PON要求的25 Gb/s传输速率，因此升级是“无痕迹”的.

4. 结　语

本研究提出基于Manchester-PAM4的未来PON平滑升级方案. 在新、旧信号共存的情况下，Manchester-PAM4信号在保证有效比特率的同时减少了新PON信号对旧PON信号的串扰. 演示并测试了12.5 Gb/s新PON信号与旧PON信号（0.625、1.25、2.5 Gb/s）共存的方案. 测试结果表明，与Manchester码相比，Manchester-PAM4减少了几乎相同甚至更多的串扰，提供了2倍比特率. Manchester-PAM4能够为新PON提供12.5 Gb/s的传输速率，同时仅对旧PON信号产生有限的串扰. 平滑升级后，可以通过软件操作而无须更改硬件设备将Manchester-PAM4更改为PAM4，以提供25 Gb/s的传输速率，因此升级是渐进且“无痕迹”的. Manchester-PAM4的主要缺点是接收灵敏度差，但测试结果表明，未来的PON中有足够的功率预算来弥补损失. PAM4有望在未来的PON中应用，并已有几种能够提高其接收灵敏度的方法. 下一步计划进行概念验证演示，通过实验验证所提方案，将PAM4与其他SSLC编码结合使用，以获得更高的有效比特率.

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