40Gbs單模光纖的單信道傳輸系統(tǒng)設(shè)計與分析

1、1 技術(shù)要求11.1 設(shè)計目的11.2 設(shè)計要求12 建立模型12.1 光通信系統(tǒng)12.4 碼型產(chǎn)生33 仿真結(jié)果及分析43.1 RZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統(tǒng)仿真43.2 NRZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統(tǒng)仿真63.3 CS-RZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統(tǒng)仿真74 調(diào)試過程及結(jié)論84.1 非線性效應(yīng)84.2 靈敏度104.3 色散容忍度114.4 色散補償124.5 結(jié)論135 心得體會136 參考文獻(xiàn)1440Gb/s單模光纖的單信道傳輸系統(tǒng)設(shè)計與分析1 技術(shù)要求1.1 設(shè)計目的利用OptiSystem軟件設(shè)計一個40Gb/s單模光纖單信道的傳輸

2、系統(tǒng)，進(jìn)行模型仿真，調(diào)試程序使其達(dá)到設(shè)計指標(biāo)要求及分析仿真結(jié)果。1.2 設(shè)計要求設(shè)計一個40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統(tǒng)，其中連續(xù)激光器的中心波長為1550nm。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(tǒng)性能進(jìn)行優(yōu)化。2 建立模型 光通信系統(tǒng)一個完整的光通信系統(tǒng)包括光發(fā)射部分，傳輸信道，中繼放大，光接收部分，調(diào)制解調(diào)部分。由于本次的系統(tǒng)是單模光纖單信道傳輸系統(tǒng)，因此選標(biāo)準(zhǔn)單模光纖作為傳輸介質(zhì)。在傳輸信道中使用EDFA對信號進(jìn)行無源中繼放大。圖1單信道光纖通信系統(tǒng)調(diào)制方式有直接調(diào)制與外調(diào)制兩種方法，由于系統(tǒng)傳輸速率較大，只能使用外調(diào)制。圖2直接調(diào)制圖3外調(diào)制使用O

3、ptisystem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(tǒng)中的靈敏度，非線性效應(yīng)和色散容忍度進(jìn)行比較，并對標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（G.652）中三種碼型的單信道40Gb/s長距離傳輸進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明：CS-RZ具有更優(yōu)的靈敏度和抗噪聲能力。在較低入纖功率條件下，G.652光纖作為傳輸介質(zhì)，CS-RZ系統(tǒng)的傳輸性能最優(yōu)。光纖通信傳輸系統(tǒng)正朝著高速率、大容量、長距離的方向發(fā)展。在單波長40Gb/s或更高速率系統(tǒng)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(jìn)的調(diào)制碼技術(shù)是光通信研究的熱點。10Gb/s及以下速率的光通信系統(tǒng)通常

4、使用的是NRZ 碼,其實現(xiàn)簡單，成本也較低。但是對40Gb/s 和更高速率系統(tǒng)，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(tǒng)，人們提出很多新型碼型如光雙二進(jìn)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）、非歸零差分移相鍵控碼（NRZ-DPSK）、差分正交相移鍵控(DQPSK)和偏振復(fù)用DQPSK 等。ODB、RZ、CS-RZ屬于強度調(diào)制系統(tǒng)，DPSK 和DQPSK 屬于相位調(diào)制系統(tǒng)。未來的調(diào)制技術(shù)將把強度、相位和偏振結(jié)合起來，以提高系統(tǒng)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

5、譜效率。本文使用Optisystem 仿真工具，產(chǎn)生了40Gb/sNRZ、RZ、CS-RZ光信號，比較其光譜、靈敏度、非線性效應(yīng)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(jìn)行仿真。2.4 碼型產(chǎn)生 三種調(diào)制格式的產(chǎn)生裝置都用Optisystem 軟件元件庫里的元件組合成的子系統(tǒng), 主要用到了偽隨機序列、脈沖產(chǎn)生器、馬赫-曾德爾調(diào)制器(MZM) 和激光器等器件；RZ 碼、NRZ 碼，CS-RZ 碼，其中CS-RZ 碼通過兩級MZ調(diào)制的方式實現(xiàn)。三種調(diào)制格式的光譜如圖4-1，4-2，4-3所示。圖4-1 NRZ圖4-2 RZ占空比50%圖4-3 CS-RZ可以看出，NRZ 信號

6、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(jié)果及分析3.1 RZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統(tǒng)仿真圖5-1 RZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統(tǒng)仿真圖圖5-2 RZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統(tǒng)BER曲線圖5-3 RZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統(tǒng)眼圖3.2 NRZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統(tǒng)仿真圖6-1 NRZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統(tǒng)仿真圖圖

7、6-2 RZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統(tǒng)BER曲線圖6-3 NRZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統(tǒng)眼圖3.3 CS-RZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統(tǒng)仿真圖7-1 CS-RZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統(tǒng)仿真圖圖7-2 CS-RZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統(tǒng)BER曲線圖7-3 CS-RZ信號的40Gb/s單模光纖單信道的傳輸系統(tǒng)眼圖4 調(diào)試過程及結(jié)論4.1 非線性效應(yīng)在單信道系統(tǒng)中光纖的非線性主要是自相位調(diào)制SPM， 自相位調(diào)制將導(dǎo)致光信號頻譜展寬。利用Optisystem 仿真非線性效應(yīng)對各種碼型的影響，仿真模型主要由碼型產(chǎn)生模塊

8、、非線性模塊、光譜分析儀組成。各碼型信號經(jīng)非線性模塊作用后，其輸出頻譜與其原始頻譜比較，得到結(jié)果如圖8-1，8-2，8-3。圖8-1 NRZ圖8-2 RZ圖8-3 CS-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，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(fā)射端產(chǎn)生的碼型不進(jìn)行傳輸直接用接收機進(jìn)行接收，可以得到各種碼型的靈敏度。背靠背系統(tǒng)仿真模型主要由碼型產(chǎn)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(jìn)行誤碼測量，得到接收功率與

9、誤碼率的關(guān)系，如圖9 所示。圖9各種碼型的接收端功率和誤碼率關(guān)系圖從圖9中可見，同樣的誤碼率情況， 所需接收功率CS-RZ 碼RZ 碼NRZ 碼。當(dāng)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(tǒng)仿真考慮的是理想狀態(tài)

10、， 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(yuǎn)遠(yuǎn)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(tǒng)仿真模型主要由碼型產(chǎn)生模塊、可調(diào)色散模塊、可調(diào)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(diào)色散模塊的群速度色散值來表示傳輸中所產(chǎn)生的剩余色散量,不考慮傳輸中的非線性以及損耗的影響。得到色散量和Q 值之間的關(guān)系如圖10所示。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

11、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(yīng)更敏感，采用RZ 碼傳輸，系統(tǒng)要求更加復(fù)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(yīng)。實際上經(jīng)過長途傳輸后，由于光纖非線性效應(yīng)特別是自相位調(diào)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(tǒng)中， 需進(jìn)行色散管理。光纖色散補償?shù)姆绞胶芏啵?仿真采用最常用的SMF+DCF 的配置方式進(jìn)行色散補償

12、，由于對稱補償效果最佳，所以將DCF 放置于整個系統(tǒng)的中間；并采用摻鉺光纖放大器(EDFA)對光纖損耗進(jìn)行補償。系統(tǒng)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(diào)制(SPM)及偏振模色散（PMD）等效應(yīng),光纖參數(shù)如表1 所示。每個跨段由50km G.652 光纖+EDFA+20km 色散補償光纖+EDFA+50km G.652 光纖+EDFA 組成，EDFA 的增益為10dB，噪聲指數(shù)為6dB。發(fā)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(jìn)行誤碼測量并進(jìn)行Q 值分析，通過改變環(huán)路控制器的環(huán)

13、形圈數(shù)來改變整個傳輸長度，圈數(shù)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(guān)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(dāng)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(yuǎn)傳輸距離NRZ 碼型達(dá)到960km, RZ 碼達(dá)到1080km，CS-RZ 碼可達(dá)到1320km(滿足Q6，對應(yīng)BER10-9)。圖11各種碼型傳輸距離與Q 值之間的關(guān)系由于此時入纖功率較低， 沒有

14、引起較大的非線性，而且光纖的色散已經(jīng)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(jié)論本文采用Optisystem 軟件對四種典型調(diào)制格式在40Gb/s 單信道系統(tǒng)中的傳輸特性進(jìn)行仿真，得到的主要結(jié)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(yōu)于NRZ 格式，所需要的OSNR 相對較低，其中CS-RZ靈敏度最優(yōu)。（3）NRZ 格式由于光譜最窄， 其色散容限最優(yōu)，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(tǒng)中采用

15、RZ、CS-RZ 等調(diào)制格式，要求更為復(fù)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(yōu)，而且在較低的入纖功率條件下（即非線性效應(yīng)并不突出），采用G.652 光纖作為傳輸介質(zhì)，CS-RZ 系統(tǒng)傳輸距離最長。所以在現(xiàn)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(shè)計的原理比較簡單，光纖通信方面的原理知識與光纖光學(xué)部分的原理有關(guān)的知識在以前的理論課程中已經(jīng)詳細(xì)學(xué)過，應(yīng)用起來并不困難。故本次設(shè)計的原理部分并未對對設(shè)計的順利完成造成大的困難。但將

16、理論知識運用于實際的設(shè)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(shè)計之中，光纖通信方面的知識理解起來并不困難，但將之應(yīng)用于實際設(shè)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(tǒng)要求不匹配，導(dǎo)致多次的調(diào)試結(jié)果與要求相差較大，例如設(shè)置好了前一個器件，后一個器件出現(xiàn)問題，設(shè)置好了后一個器件，前一個器件又和系統(tǒng)不匹配了，反復(fù)調(diào)試與修改浪費了大量時間。通過本次設(shè)計，我深深的體會到，在以后設(shè)計系統(tǒng)之前，首先要對系統(tǒng)有一個整體的規(guī)劃，然后在將規(guī)劃好的參數(shù)應(yīng)用于實際的設(shè)計之中，以保證設(shè)計的順利完成。而且在以后的學(xué)習(xí)過程中要更多地將學(xué)到的理論知識應(yīng)用于實踐之中，這樣

17、才能讓自己學(xué)到的知識有用武之地。本次設(shè)計是我第一次使用OptiSystem軟件，對OptiSystem感到非常的生疏，在使用OptiSystem完成設(shè)計時遇到了較大的困難。而且使用的OptiSystem軟件的界面是英文的，這無形之中增加了完成設(shè)計困難(也許，通過本次設(shè)計體會到自己英文水平的有限也算是本次設(shè)計的收獲之一吧)。為了完成設(shè)計，我不得不查閱與使用OptiSystem相關(guān)的資料，在完成設(shè)計之后，對OptiSystem的使用方法有了初步的掌握。對于評價光通信系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，如靈敏度、比特誤碼率等也有了更好地理解，相信這些對自己以后的學(xué)習(xí)與工作也會有莫大的幫助。6 參考文獻(xiàn)1 原榮，光纖通信第3版電子工業(yè)出版社2 邵宇豐高速光通信中新調(diào)制碼的產(chǎn)生及傳輸D長沙：湖南大學(xué)，2009：10-123 顧畹儀WDM 超長距離傳輸技術(shù)M 北京：北京郵電大學(xué)出版社，20064 徐曉庚，張新亮，黃德修，等40Gb/s 光纖通信系統(tǒng)中不同碼型傳輸特性的實驗研究J中國激光，20