1、目錄1技術要求Q.1.1 設計目的0.1.2 設計要求0.2建立模型Q.2.1 光通信系統0.2.2 調制方式0.2.3 碼型選擇1.2.4 碼型產生2.3仿真結果及分析3.3.1 RZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統仿真33.2 NRZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統仿真53.3 CS-RZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統仿真64調試過程及結論7.4.1 非線性效應7.4.2 靈敏度9.4.3 色散容忍度104.4 色散補償114.5 結論125心得體會126參考文獻1.3信息電信號連續1-光信號光源1制號J光放大器信號處理bAi>中繼器或光放大器光放大器

2、電放大器1光探測器圖1單信道光纖通信系統40Gb/s單模光纖的單信道傳輸系統設計與分析1技術要求1.1 設計目的利用OptiSystem軟件設計一個40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統，進行模型仿真，調試程序使其達到設計指標要求及分析仿真結果。1.2 設計要求設計一個40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統，其中連續激光器的中心波長為1550nme對比分析RZ碼、NRZ碼、CS-RZ等碼型對其傳輸性能的影響，并對系統性能進行優化。2建立模型2.1 光通信系統一個完整的光通信系統包括光發射部分，傳輸信道，中繼放大，光接收部分，調制解調部分。由于本次的系統是單模光纖單信道傳輸系統，因此選標準單模光纖G

3、.652作為傳輸介質。在傳輸信道中使用EDFA對信號進行無源中繼放大。2.2 調制方式調制方式有直接調制與外調制兩種方法，由于系統傳輸速率較大，只能使用外調制信息電信號I1輸出調制光激光器圖2直接調制電信號連續r1光信號r1激光器'一n外調制器輸出調制光圖3外調制2.3 碼型選擇使用Optisystem仿真工具，對非歸零（NRZ）,歸零（RZ）和載波抑制歸零（CS-RZ）三種碼型在40Gb/s單信道傳輸系統中的靈敏度，非線性效應和色散容忍度進行比較，并對標準單模光纖（G.652）中三種碼型的單信道40Gb/s長距離傳輸進行了仿真，結果表明：CS-RZ具有更優的靈敏度和抗噪聲能力。在較低

4、入纖功率條件下，G652光纖作為傳輸介質，CS-RZ系統的傳輸性能最優。光纖通信傳輸系統正朝著高速率、大容量、長距離的方向發展。在單波長40Gb/葭更高速率系統中，限制其傳輸性能的主要因素是色散、噪聲及光纖的非線性。先進的調制碼技術是光通信研究的熱點。10Gb/s及以下速率的光通信系統通常使用的是NRZ碼，其實現簡單，成本也較低。但是對40Gb/s和更高速率系統，NRZ碼由于對噪聲、偏振模色散和非線性非常敏感，其傳輸能力受到限制。針對40Gb/s系統，人們提出很多新型碼型如光雙二進制（ODB）、歸零碼（RZ）、載波抑制歸零碼（CS-RZ）、歸零差分移相鍵控碼（RZ-DPSK）、非歸零差分移相鍵

5、控碼（NRZ-DPSK）、差分正交相移鍵控（DQPSK）和偏振復用DQPSK等。ODB、RZ、CS-RZ屬于強度調制系統，DPSK和DQPSK屬于相位調制系統。未來的調制技術將把強度、相位和偏振結合起來，以提高系統的光信噪比、群速度色散和偏振模色散容限、抵抗非線性的能力以及光譜效率。本文使用Optisystem仿真工具，產生了40Gb/sNRZ、RZ、CS-RZ光信號，比較其光譜、靈敏度、非線性效應和色散容忍度，并對G.652光纖中四種碼型的單信道長距離傳輸進行仿真。2.4 碼型產生三種調制格式的產生裝置都用Optisystem軟件元件庫里的元件組合成的子系統，主要RZ碼、用到了偽隨機序列、脈

6、沖產生器、馬赫-曾德爾調制器（MZM）和激光器等器件;NRZ碼，CS-RZ碼，其中CS-RZ碼通過兩級MZ調制的方式實現。三種調制格式的光譜如圖4-1,4-2,圖4-2RZ占空比50%-20£40京-60-80-100193.3F193.4'193.5頻率“Hz圖4-3CS-RZ可以看出，NRZ信號光譜，在一階邊帶和基帶上是最緊湊的。RZ信號光譜在基帶和一階邊帶都有很明顯的線狀光譜，且其光譜寬度比NRZ和CS-RZ都要大。CS-RZ信號光譜寬度介于NRZ信號和RZ信號之間，在載波處無線狀譜。3仿真結果及分析3.1 RZ信號的40Gb/4模光纖單信道的傳輸系統仿真n-0ctO&

7、gt;SftfflUR$4)02.劭mLQpffidJFta1tanIL用一"皿/arrisffGfiEi日總工mt8LnFuKirtftevxWPow-4mWWiCtfEDM*_MtfXDmiiVUlMtJEDFAIduJGui13£N«4t地睦“WBUmdNE：Nipqrb工StealSpeerjArjzrOpiKaJTnwDchwiVsuacifOpKiJSptzbwAraysr二Cvl&FI&D畤*肺電iQf/KUFOfILtnpfiIDfcmEDA皿3善ssJgi.-4=":E加喇MHFilfifsmMncvB11Km初譚#-I

8、N陰zL畫畫OkBqsjshx：C-frCdKHfN/C：!"Z-F"J1!：'Z""圖5-1RZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統仿真圖圖5-2RZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統BER曲線圖5-3RZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統眼圖3.2 NRZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統仿真EqFrncDitwi'HHjar2FafetetakF1MLraCcnfcUkriber45tawAltctfF七Ftemcta15K1wn曲卜7第5Hi&日17T"囪3*HlL畫；WitJWl總

9、ITgGmfiuh血r.卵制油KTM和富W.H圖6-1NRZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統仿真圖圖6-2RZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統BER曲線圖6-3NRZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統眼圖3.3 CS-RZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統仿真|Swda,yWrtw/MCI歐-M：CQlJtalTiTtiDtfUfl*®2NRZ戶我足冷蹌Fs*Rir4尸Si5H個融*1地B*W=i-i用I時再T個腕分里mm面二產OpOcilSpKtnmMjYeb*_彳gmSdornMairer_3SnSwislsr5HtGmi=£Nosa

10、ligLfB=13dSMaFg15LBAgd-j=10tan6UH*FrocMMv=1-0Pwv=4Ell4次口國ES叵抑3SfterjL如他161s.4FM=*蜘二恒/皿E0cuufiAruJyw”第涮4韓甲PMBei需0«匕F犯F»fM*t¥=I1M切陽gum=iw5Hiecfam£F4O9IriA=10OptraiImEkmin(kgSwctlfiMi6HJ*,LSt七£，戰HMMCLtdi1ingidtrc'=Q.?5"由nitHi圖7-1CS-RZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統仿真圖圖7-2CS-RZ信號

11、的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統BER曲線圖7-3CS-RZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統眼圖4調試過程及結論4.1非線性效應在單信道系統中光纖的非線性主要是自相位調制SPM,自相位調制將導致光信號頻譜展寬。利用Optisystem仿真非線性效應對各種碼型的影響，仿真模型主要由碼型產生模塊、非線性模塊、光譜分析儀組成。各碼型信號經非線性模塊作用后，其輸出頻譜與其原始頻譜比較,得到結果如圖8-1,8-2,8-3。OpticalSpectrum-AnalyzerpqdEESPAZtelaEB-Ed留ON&OpticalSpectrumAnalyzerDblClickCnO

12、bfeictBtoopenpropertieB.MoveObiectawi?riMouseDragPowerYjfSignalIndew:pAutoSetWavetengthUnits:|rri.|歹AuNaErfiaticRangeCent，二|lnSSOESc-OOGmStart:|1527Z1e-0Q6mStop:|l57284c-006-mAmplitudeUnits:|dBm.底AuNGErnatic：langsMaw;|-0.0524270dBmMin:|-104.7S9dBmResolutionBandwidthRes:|口0nmiPowerPowerX圖8-1NRZOptica

13、lSpectrumAnalyzerHOpticalSpectrumAnalyzerDblClickOnObjtetslooptn-protntrtifrs.McveObjectswithMeu£frDragSignalIndex:|。Auto1SetWWEEBd11.53?1.54?1.SS?1.56?1.57?Wavelenngrth(m)PowerPmeerXPowerYInvertColors-圖8-2RZOpticalSpcc+njmiAnnlyr.rP3-EESPKJWE巴md35ONWa-bericiitlh仃nSignal(Index'kaAutoSetWave

14、tenathUnits:rn=jAuiomatiiEidngeCenter|l.55028e-006mStart:1.52771e-006mStop:|l572S4e-006mAmplitudeUnits:|dBmIAuriamatiiciang=Max:2154d日eMin:|l05.01dBniResolutionBandwidthRes:眄幣nm>InveilColotsPowerAPowe1rK卜Pwve1rY/圖8-3CS-RZCS-RZ碼抗非線性能力也非常好，RZ碼抗非線性能力居中，NRZ碼抗非線性能力最差。因為在光域中使用NRZ編碼時，光比特序列的平均功率電平比RZ編碼高，

15、這使得其更容易受到非線性失真的影響。4.2靈敏度將各種碼型發射端產生的碼型不進行傳輸直接用接收機進行接收，可以得到各種碼型的靈敏度。背靠背系統仿真模型主要由碼型產生模塊、PIN接收機、電濾波器、光功率計和誤碼分析儀組成。對四種碼型進行誤碼測量，得到接收功率與誤碼率的關系，如圖9所圖9各種碼型的接收端功率和誤碼率關系圖從圖9中可見，同樣的誤碼率情況，所需接U攵功率CS-RZ碼RZ碼NRZ碼。當BER=10-9,接收端所接收的光功率即為靈敏度。在本試驗中，測得CS-RZ碼的靈敏度為-37dBm,RZ碼的靈敏度為-29dBm,NRZ碼的靈敏度為-28dBm。由此可以看出，幾種碼型中，NRZ的靈敏度最

16、低，需要的光信噪比（OSNR）高。這是因為CS-RZ和RZ相對于NRZ碼，占空比小，在同樣平均功率的條件下峰值功率高，因此靈敏度比NRZ圖1各種碼型的輸出光譜圖要小，允許接收的OSNR更低。系統仿真考慮的是理想狀態，并沒有考慮噪聲、非線性、色散等因素，因此測得各種碼型的靈敏度遠遠大于實際靈敏度。4.3 色散容忍度不同的碼型有不同的光譜，不同的光譜寬度決定了色散對不同碼型的影響不一樣。系統仿真模型主要由碼型產生模塊、可調色散模塊、可調光衰減器、PIN光接收機、電濾波器和誤碼分析儀組成。通過改變可調色散模塊的群速度色散值來表示傳輸中所產生的剩余色散量，不考慮傳輸中的非線性以及損耗的影響。得到色散量

17、和Q值之間的關系如圖10所示。3040506070色散/ps/mn圖10各種碼型的色散容忍度NRZ碼由于頻譜最窄，受群速度色散影響最小，Q值抖動最小最平坦；CS-RZ碼Q值曲線也比較平坦；RZ-DPSK碼、RZ碼由于頻譜比較寬，受群速度色散影響大，Q值抖動較大。在本試驗中，測得NRZ碼的色散容限為90ps/km,RZ碼色散容限為55ps/km,CS-RZ碼色散容限為58ps/km；可見RZ碼的色散容限最低。所以，RZ碼對色散效應更敏感，采用RZ碼傳輸，系統要求更加復雜的色散管理。此實驗只考慮了群速度色散（GVD）的影響，并未考慮非線性效應。實際上經過長途傳輸后，由于光纖非線性效應特別是自相位調

18、制的影響，各碼型的色散容限將降低，特別是NRZ碼的色散容限將大大降低4.4 色散補償在40Gb/s高速光纖傳輸系統中，需進行色散管理。光纖色散補償的方式很多，仿真采用最常用的SMF+DCF的配置方式進行色散補償，由于對稱補償效果最佳，所以將DCF放置于整個系統的中間；并采用摻餌光纖放大器（EDFA）對光纖損耗進行補償。系統采用的光纖模型綜合考慮了群速度色散（GVD）、三階色散（TOD）、自相位調制（SPM）及偏振模色散（PMD）等效應，光纖參數如表1所示。每個跨段由50kmG.652光纖+EDFA+20km色散補償光纖+EDFA+50kmG.652光纖+EDFA組成，EDFA的增益為10dB,

19、噪聲指數為6dB。發射信號速率40Gb/s,序列長度128bits,每比特取樣128，光源波長1550nm。入纖功率為0dBm,在接收端進行誤碼測量并進行Q值分析，通過改變環路控制器的環形圈數來改變整個傳輸長度，圈數從1變化至15,每一個跨段的距離為120km,得到接收端的Q因子與傳輸距離的關系如圖11所示。從圖中可以看出，隨著傳輸距離的增加，各種碼型的Q值隨之減小。當L=9、傳輸距離為1080km時，CS-RZ的Q值為7.53248、RZ的Q值為6.43593、NRZ的Q值為4.70334,可知CS-RZ傳輸性能最佳，NRZ傳輸性能最差。在本試驗中，最遠傳輸距離NRZ碼型達到960km,RZ

20、碼達到1080km,CS-RZ碼可達到1320km（滿足Q6,對應BERC10-9）o024681012M16LOOPNumber圖11各種碼型傳輸距離與Q值之間的關系由于此時入纖功率較低，沒有引起較大的非線性，而且光纖的色散已經完全補償，此時限制傳輸距離主要因素是EDFA的ASE噪聲。因此CS-RZ格式抗EDFA噪聲能力最強。4.5 結論本文采用Optisystem軟件對四種典型調制格式在40Gb/s單信道系統中的傳輸特性進行仿真，得到的主要結論如下：(1) RZ、CS-RZ兩種格式都比NRZ抗非線性能力強，其中CS-RZ抗非線性能力最強。(2) RZ、CS-RZ兩種格式的靈敏度都優于NRZ

21、格式，所需要的OSNR相對較低，其中CS-RZ靈敏度最優。(3) NRZ格式由于光譜最窄，其色散容限最優，RZ碼由于光譜最寬，其色散容限最低。所以在40Gb/s的傳輸系統中采用RZ、CS-RZ等調制格式，要求更為復雜的色散管理。(4) RZ、CS-RZ兩種格式抗噪聲(主要是EDFA的ASE噪聲)能力都比NRZ強，其中CS-RZ碼抗噪聲能力最強。綜上所述，CS-RZ格式性能較優，而且在較低的入纖功率條件下(即非線性效應并不突出)，采用G.652光纖作為傳輸介質，CS-RZ系統傳輸距離最長。所以在現階段，采用CS-RZ碼從成本和性能上看，都是一個比較好的選擇。5心得體會本次設計的原理比較簡單，光纖

22、通信方面的原理知識與光纖光學部分的原理有關的知識在以前的理論課程中已經詳細學過，應用起來并不困難。故本次設計的原理部分并未對對設計的順利完成造成大的困難。但將理論知識運用于實際的設計之中卻并不是一件容易的事情，這也許就是理論與實踐之間的差距吧。在設計之中，光纖通信方面的知識理解起來并不困難，但將之應用于實際設計之中之時，卻遇到了較大的困難。由于對器件的了解不夠，選擇的器件與系統要求不匹配，導致多次的調試結果與要求相差較大，例如設置好了前一個器件，后一個器件出現問題，設置好了后一個器件，前一個器件又和系統不匹配了，反復調試與修改浪費了大量時間。通過本次設計，我深深的體會到，在以后設計系統之前，首先要對系統有一個整體的規劃，然后在將規劃好的參數應用于實際的設計之中，以保證設計的順