【正文】 系別 專業(yè) 班級 指導(dǎo)教師 職稱 聯(lián)系電話 教師單位 重慶郵電大學(xué) 下任務(wù)日期__2012_年_3_月18日 主 要 研 究 內(nèi) 容 、 方 法 和 要 求本文在當(dāng)前通信領(lǐng)域飛速發(fā)展的大背景之下，針對高速光纖傳輸系統(tǒng)特性的研究這個(gè)問題做了一系列的研究和討論。主要的研究內(nèi)容如下：（1）查閱相關(guān)資料，學(xué)習(xí)有關(guān)高速光纖傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)、發(fā)展近況以及影響其傳輸特性的一些因素。通過計(jì)算，對三種碼型的光譜進(jìn)行理論分析，同時(shí)對光的傳輸特性做相應(yīng)的介紹。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一個(gè)高速光纖傳輸系統(tǒng)，搭配不同的碼型以及光纖，得到仿真結(jié)果，再在仿真的理論技術(shù)上分析性能較好的碼型。首先要從理論的角度理解然后配合實(shí)驗(yàn)室的軟件條件進(jìn)行軟件仿真和相應(yīng)的調(diào)制分析。2. 然后在理論的基礎(chǔ)上，利用軟件來仿真系統(tǒng)，要求學(xué)會(huì)使用軟件，了解分析設(shè)計(jì)的原理以及實(shí)際操作仿真出相應(yīng)的結(jié)果。 摘 要近年來，隨著新一輪的科技革命的到來，人類社會(huì)快速步入了信息時(shí)代，通信的方式也發(fā)生了質(zhì)的變化，人們對通信系統(tǒng)的性能的要求也日益提高，40Gb/s 高速光纖傳輸系統(tǒng)已成為近年來研究的一個(gè)熱點(diǎn)。[11]本文在本科階段所學(xué)通信有關(guān)知識(shí)基礎(chǔ)上，對高速光纖通信系統(tǒng)傳輸特性的一些方面作了討論，概括如下：（1）在查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，論述了40Gb/s 高速光纖傳輸系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)以及發(fā)展的現(xiàn)狀。（2）簡單介紹了常用的兩種調(diào)制技術(shù)，并分析了采用外調(diào)制時(shí)所用到的馬赫 澤德調(diào)制器（MZM）和電吸收調(diào)制器（EAM）的優(yōu)缺點(diǎn)。（4）利用Optisystem 軟件進(jìn)行模擬仿真，得到各種碼型的波形、眼圖和光譜，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。【關(guān)鍵詞】高速 光纖通信 碼型 光譜 模擬仿真ABSTRACTIn recent years, with a new round of technological revolution, human society entered the information age, munication mode has undergone a qualitative change, the people to the performance of the munication system requirements are also increasing,40Gb / s high speed optical fiber transmission system has bee a research hot topic in recent years. 40Gb / s high speed optical fiber transmission system has the following several key technology is the focus of current research:（1）Referring to domestic and foreign literatures, discusses the 40Gb / s high speed optical fiber transmission system relates to the key technology and development status. On the significance and the code selection in high speed optical fiber transmission system mainly uses several code are discussed.（2）Introduced a two modulation technique, and analyzed by using external modulation used by Maher Zehnder modulator ( MZM ) and electric absorption modulator ( EAM ) advantages and disadvantages.（3）This paper analyzes on the zero code (NRZ), zero code (RZ) and carrier inhibition to zero code (CSRZ) and the corresponding difference phase shift keying code (DPSK) several MaXing spectra, and by use of the Fourier transform39。隨著經(jīng)濟(jì)全球化和社會(huì)信息化的進(jìn)一步深入，不斷涌現(xiàn)出了許多新的通信業(yè)務(wù)，例如視頻點(diǎn)播、視頻通信、傳感數(shù)據(jù)和科技數(shù)據(jù)的傳輸、遠(yuǎn)程視頻會(huì)議等，眾多的新一代通信的誕生的同時(shí)也對通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬和傳輸速率都提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。以致各類終端設(shè)備之間的差別也開始變得模糊不清，因?yàn)槿魏稳硕伎捎檬謾C(jī)閱讀電子郵件、拍照和打電話。這些要求給傳統(tǒng)電信網(wǎng)帶來巨大沖擊，也給電信網(wǎng)提供了新的發(fā)展機(jī)遇，促使通信技術(shù)向?qū)拵Щ?shù)字化、綜合化、智能化、個(gè)人化和全球化的方向發(fā)展。目前商用光纖傳輸系統(tǒng)速率已達(dá)到了10Gb/s，短短20年，它的增長速度甚至超過了由摩爾定律定義的微電子技術(shù)集成度的增長速度。人們對帶寬的追求是永無止境的，擴(kuò)大帶寬需求依然是光傳輸系統(tǒng)需要解決的主要任務(wù)之一。40Gbit/s信號苛刻的傳輸性能要求使得沿用10Gbit/s傳輸技術(shù)完成40Gbit/s信號的長距離傳輸成為一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。因此，40Gbit/sWDM傳輸需要一系列新技術(shù)來實(shí)現(xiàn)與10Gbit/sWDM傳輸大致相當(dāng)?shù)臒o電中繼傳輸距離。先進(jìn)的調(diào)制碼技術(shù)是光通信研究的熱點(diǎn)10Gb/s及以下速率的光通信系統(tǒng)通常使用的是NRZ碼,其實(shí)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。[11] 其中，高速光纖通信系統(tǒng)主要涉及到技術(shù)有如下光源、調(diào)制技術(shù)、放大技術(shù)、光纖技術(shù)、前向糾錯(cuò)技術(shù)（FEC）和色散管理技術(shù)。 光源 40Gb/s 高速光纖傳輸系統(tǒng)中所用的光源，一般要求它們發(fā)光波長精確，所以在應(yīng)用時(shí)要有相應(yīng)的波長監(jiān)測和穩(wěn)定技術(shù)。常用的調(diào)制器包括馬赫澤德干涉儀型調(diào)制器（MachZehnder）和電吸收（EA）調(diào)制器。40Gb/s 高速光纖傳輸系統(tǒng)及其DWDM 技術(shù)這幾年之所以發(fā)展迅速，主要得益于光放大器的研制成功和應(yīng)用。前向糾錯(cuò)技術(shù)（FEC） 前向糾錯(cuò)編碼（FEC）技術(shù)通過在傳輸碼列中加入冗余糾錯(cuò)碼，在一定條件下，通過解碼可以自動(dòng)糾正傳輸誤碼，降低接收信號的誤碼率。一般通過調(diào)整系統(tǒng)的傳輸鏈路，來實(shí)現(xiàn)色散管理。第一章 調(diào)制器及調(diào)制技術(shù)第一節(jié) 調(diào)制器當(dāng)前高速光纖通信領(lǐng)域中，10Gb/s 系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，40Gb/s 系統(tǒng)技術(shù)已基本成熟，更高速率ETDM 系統(tǒng)技術(shù)也已開始實(shí)驗(yàn)研究。超高速通信系統(tǒng)要求外調(diào)制器具有足夠的調(diào)制帶寬、低驅(qū)動(dòng)電壓和高飽和功率，此外高消光比、低啁啾、低插入損耗和低偏振相關(guān)性也是重要因素。EAM 存在著動(dòng)態(tài)啁啾的問題，它的啁啾和偏置電壓有一定的依賴關(guān)系。但它的驅(qū)動(dòng)電壓小，一般為3V。產(chǎn)生的光脈沖窄，最高達(dá)可到80GHz。MZM 可以控制啁啾，從而得到無啁啾狀態(tài)。電吸收（EA）調(diào)制器電吸收調(diào)制器EAM的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)PIN結(jié)構(gòu)，其中N區(qū)部分是交替生長的多層結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于光學(xué)增反膜堆。I區(qū)部分為多量子阱（MQW）結(jié)構(gòu)。主要表現(xiàn)為吸收邊陡峭，熱穩(wěn)定性良好，而且外加合適的反向電場時(shí)，激子吸收峰會(huì)明顯的向長波方向移動(dòng)，外電場取消后吸收光譜又能可逆的還原。其賴以實(shí)施的手段是補(bǔ)償應(yīng)變超晶格生長。量子阱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)后，壓應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)可以有效地提高IIIV族半導(dǎo)體激光器的性能，如較低的閾值和較高的輸出功率、高調(diào)制速率以及更好的溫度穩(wěn)定性等。但是應(yīng)變量子阱多層應(yīng)變的積累厚度存在一個(gè)臨界限度。 EA調(diào)制器，由于其體積小、驅(qū)動(dòng)電壓低，便于與激光器、放大器和光檢測器等其它光器件集成在一起，是很有發(fā)展前途的一種光調(diào)制器。文獻(xiàn)報(bào)道的器件既有單一的調(diào)制器，也有與激光器等光器件單片集成的產(chǎn)品；既有集總電極的常規(guī)EA 調(diào)制器，也有行波電極的EA 調(diào)制器。LiNbO3 干涉型光調(diào)制器是目前得到廣泛應(yīng)用的高可靠性外調(diào)制器，已經(jīng)應(yīng)用于40Gb/s 信道速率的WDM 傳輸實(shí)驗(yàn)。但是，LiNbO3MZ 調(diào)制器通常驅(qū)動(dòng)電壓比較高、對偏振敏感、且難與光源等光器件集成。單電極驅(qū)動(dòng)型的LiNbO3 調(diào)制器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本相應(yīng)低廉，但這種方案存在波長啁啾較大等問題。對于馬赫—澤德調(diào)制器，其有較好的啁啾特性，適合用于超長距離的高速率傳輸。對于電吸收（EA）調(diào)制器，其容易與光源集成，但其頻率啁啾相比馬赫—澤德調(diào)制器較大，并不適合距離較長的海底光纜傳輸。直接調(diào)制簡單方便，但對激光器直接調(diào)制時(shí)，其產(chǎn)生的啁啾與調(diào)制頻率成正比，在光纖色散的作用下，將導(dǎo)致脈沖展寬，直接限制了系統(tǒng)的中繼距離。因此，在單個(gè)波長上傳輸速率超過l0Gb/s的系統(tǒng)中，一般需要使用外調(diào)制方法。對激光器直接調(diào)制時(shí)，其產(chǎn)生的啁啾與調(diào)制頻率成正比，在光纖色散的作用下，將導(dǎo)致脈沖展寬。采用外調(diào)制方法可以減小激光器的輸出啁啾。第三節(jié) 本章小結(jié) 本章主要介紹了高速光纖通信系統(tǒng)中所涉及到的主要調(diào)制技術(shù)以及在外調(diào)制方式下常用到的兩種調(diào)制器，即馬赫澤德(MZ)調(diào)制器和電吸收（EA）調(diào)制器及其相關(guān)的結(jié)構(gòu)和工作原理的簡單介紹，最后將兩種調(diào)制器簡單加以對比。設(shè)任意隨機(jī)脈沖示意波形如下圖所示：圖21 隨機(jī)脈沖示意圖設(shè)二進(jìn)制的隨機(jī)脈沖序列如圖所示，其中 表示“0”碼， 表示“1”碼，和 在實(shí)際中可以是任意的脈沖。所謂穩(wěn)態(tài)波，即是隨機(jī)序列 s(t)的統(tǒng)計(jì)平均分量，即： （）其波形顯然是一個(gè)周期為的周期函數(shù)。下面分別討論穩(wěn)態(tài)項(xiàng)v(t)與交變項(xiàng)u(t)的功率譜： 穩(wěn)態(tài)項(xiàng)v(t)的功率譜 由于v(t)是以為周期的周期信號，故： （）式中 （）由于在（）范圍內(nèi)，v(t)=所以 （）又由于只存在范圍內(nèi)，所以 （）式中 （）再根據(jù)周期信號功率譜密度與付氏系數(shù)C的關(guān)系式，有 （）可見穩(wěn)態(tài)波的功率譜是沖擊強(qiáng)度取決 的離散譜線。 故有 （） 則 （）式中于是 （）其統(tǒng)計(jì)平均為： （）當(dāng)時(shí) （）所以 （）當(dāng)時(shí) （）所以 （）又 （）則可求得交變波的功率譜 （）可見，交變波的功率譜是連續(xù)譜，它與和的頻譜以及出現(xiàn)的概率P有關(guān)。由于因而總是存在的；而離散譜是否存在，取決和的波形及其出現(xiàn)的概率P。在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中每個(gè)符號只能表示0和1(+1或1)。與二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)相比，多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)具有如下兩個(gè)特點(diǎn)： 第一：在相同的信道碼源調(diào)制中，每個(gè)符號可以攜帶log2M比特信息，因此，當(dāng)信道頻帶受限時(shí)可以使信息傳輸率增加，提高了頻帶利用率。 第二，在相同的信息速率下，由于多進(jìn)制方式的信道傳輸速率可以比二進(jìn)制的低，因而多進(jìn)制信號碼源的持續(xù)時(shí)間要比二進(jìn)制的寬。ASK這種調(diào)制方式是根據(jù)信號的不同，調(diào)節(jié)正弦波的幅度。載波在數(shù)字信號1或0的控制下通或斷，在信號為1的狀態(tài)載波接通，此時(shí)傳輸信道上有載波出現(xiàn)；在信號為0的狀態(tài)下，載波被關(guān)斷，此時(shí)傳輸信道上無載波傳送。對于二進(jìn)制幅度鍵控信號的頻帶寬度為二進(jìn)制基帶信號寬度的兩倍。2ASK信號的帶寬取決于基帶基本脈沖的帶寬，是基本脈沖帶寬的兩倍。NRZ光譜分析由于隨機(jī)脈沖序列的雙邊功率譜為 （）NRZ不歸零碼型即為其中，所以所以 （）其頻譜函數(shù)為 （）當(dāng)，的取值情況：m=0,因此離散譜中有直流分量；m為不等于0的整數(shù)時(shí)，離散譜均為0，,因而無定時(shí)信號。此時(shí)， ()其頻譜圖如下所示： 圖24 RZ碼功率譜示意圖第三節(jié) DPSK信號的光譜分析正弦載波的相位隨二進(jìn)制數(shù)字基帶信號離散變化，則產(chǎn)生二進(jìn)制相移鍵控（2PSK）信號，通常用以調(diào)信號載波的和分別表示“1”和“0”， 由于是以載波的不同相位直接表示相應(yīng)數(shù)字信息，被稱為絕對相移鍵控，而相對相移鍵控（2DPSK）是利用前后相鄰碼元的相對載波相位值去表示“0”和“1”。雖然 DPSK和2PSK 所代表的信息是不一樣的，但它們的波形是一樣的。令：