畢業(yè)設計論文-高速光纖通信系統(tǒng)傳輸特性研究（含外文翻譯）

1、<p>　　編 號： </p><p>　　審定成績： </p><p>　　重慶郵電大學移通學院</p><p><b>　　畢業(yè)設計（論文）</b></p><p>　　填表時間： 2012 年 月</p><p>　　重慶

2、郵電大學移通學院教務處制</p><p>　設計（論文）題目：高速光纖通信系統(tǒng)傳輸特性研究</p><p>　　重慶郵電大學移通學院畢業(yè)設計(論文)任務書</p><p>　　設計(論文)題目 高速光纖通信系統(tǒng)傳輸特性研究 </p><p>　　學生姓名 系別 </p><

3、;p>　　專業(yè) 班級 </p><p>　　指導教師 職稱 聯(lián)系電話 </p><p>　　教師單位 重慶郵電大學 下任務日期__2012_年_3_月18日</p><p>　　備注：此任務書由指導教師填寫，并于畢業(yè)設計(論文)開始前下達給學生。</p><p><b>

4、;　　摘 要</b></p><p>　　近年來，隨著新一輪的科技革命的到來，人類社會快速步入了信息時代，通信的方式也發(fā)生了質的變化，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熱點。40Gb/s 高速光纖傳輸系統(tǒng)中有以下幾項關鍵技術是目前研究的重點：①低噪聲及寬帶寬的光放大器；②前向糾錯碼（FEC ）技術；③高效的信號復用及解復用技術；④對光噪聲及光纖

5、的非線性效應有著更高容忍度和更高光譜效率的碼型。[11]本文在本科階段所學通信有關知識基礎上，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：</p><p>　?。?）在查閱國內(nèi)外文獻的基礎上，論述了40Gb/s 高速光纖傳輸系統(tǒng)涉及的關鍵技術以及發(fā)展的現(xiàn)狀。對碼型選擇的意義以及現(xiàn)今在高速光纖傳輸系統(tǒng)中主要使用的幾種碼型進行了討論。</p><p>　?。?）簡單介紹了常用的兩種

6、調(diào)制技術，并分析了采用外調(diào)制時所用到的馬赫- 澤德調(diào)制器（MZM）和電吸收調(diào)制器（EAM）的優(yōu)缺點。</p><p>　?。?）分析了非歸零碼（NRZ ）、歸零碼（RZ）和載波抑制歸零碼（CS-RZ ）及相應差分相移鍵控碼（DPSK）幾種碼型的光譜，并且利用傅立葉變換的方法得到了各種碼型的光譜。</p><p>　?。?）利用Optisystem 軟件進行模擬仿真，得到各種碼型的波形、眼圖

7、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。所以在40Gb/s 的傳輸系統(tǒng)中采用RZ、CS-RZ 等調(diào)制格式，要求更為復雜的色散管理。</p><p>　　【關鍵詞】高速 光纖通信 碼型 光譜 模擬仿真</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　In recent

8、years, with a new round of technological revolution, human society entered the information age, communication mode has undergone a qualitative change, the people to the performance of the communication system requirement

9、s are also increasing,40Gb / s high speed optical fiber transmission system has become a research hot topic in recent years. 40Gb / s high speed optical fiber transmission system has the following several key technology

10、is the focus of current research:</p><p>　　（1）Referring to domestic and foreign literatures, discusses the 40Gb / s high speed optical fiber transmission system relates to the key technology and development

11、status. On the significance and the code selection in high speed optical fiber transmission system mainly uses several code are discussed.</p><p>　?。?）Introduced a two modulation technique, and analyzed by u

12、sing external modulation used by Maher Zehnder modulator ( MZM ) and electric absorption modulator ( EAM ) advantages and disadvantages.</p><p>　?。?）This paper analyzes on the zero code (NRZ), zero code (RZ)

13、 and carrier inhibition to zero code (CS-RZ) and the corresponding difference phase shift keying code (DPSK) several MaXing spectra, and by use of the Fourier transform's method for all kinds of MaXing of the spectru

14、m.</p><p>　　（4）Use Optisystem software simulation, get all kinds of MaXing waveform, eye chart and spectrum, NRZ format because of the narrow spectrum, and the dispersion tolerance optimal, because the most

15、wide spectrum RZ code, its lowest dispersion tolerance. So in the 40 Gb/s transmission system by RZ, CS-RZ etc modulation format, demand more complex dispersion management.</p><p>　　【Key words】High speed Op

16、tical fiber communication Code type Spectrum Analog simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　前 言2</b></p><p>　　第一章 調(diào)制器及調(diào)制技術4</p><p>　　

17、第一節(jié) 調(diào)制器4</p><p>　　第二節(jié) 調(diào)制技術6</p><p>　　第三節(jié) 本章小結6</p><p>　　第二章 碼型光譜理論分析7</p><p>　　第一節(jié) 光譜分析理論基礎7</p><p>　　第二節(jié) ASK信號的光譜分析11</p><p>　　第三

18、節(jié) DPSK信號的光譜分析17</p><p>　　第四節(jié) 本章小結18</p><p>　　第三章 高速光纖通信系統(tǒng)的模擬仿真19</p><p>　　第一節(jié) Optisystem軟件相關介紹19</p><p>　　第二節(jié) 碼型仿真及其分析23</p><p>　　第三節(jié) 本章小結27<

19、;/p><p><b>　　結 論28</b></p><p><b>　　致 謝29</b></p><p><b>　　參考文獻30</b></p><p><b>　　附 錄32</b></p><p><b&

20、gt;　　一、英語原文32</b></p><p><b>　　二、漢語譯文39</b></p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　自上世紀90年代以來，隨著全球由工業(yè)化時代向著信息化時代的高速轉變，人們對于的信息的獲取已經(jīng)呈現(xiàn)出了越來越強烈的需求，而這一爆炸性需求的增長，刺激了通

21、信行業(yè)的快速發(fā)展，近十年以來，人們之間的通信方式發(fā)生著質的變化，早期時候，通信主要為話音業(yè)務，較晚些時期，人們在充分保障話音業(yè)務的同時逐漸接觸數(shù)據(jù)通信，而到了今天，隨著信息時代的來臨，數(shù)據(jù)通信已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的重要的一部分。隨著經(jīng)濟全球化和社會信息化的進一步深入，不斷涌現(xiàn)出了許多新的通信業(yè)務，例如視頻點播、視頻通信、傳感數(shù)據(jù)和科技數(shù)據(jù)的傳輸、遠程視頻會議等，眾多的新一代通信的誕生的同時也對通信網(wǎng)絡的帶寬和傳輸速率都提出了嚴峻的

22、挑戰(zhàn)。有線電視服務提供商可以通過傳統(tǒng)的終端設備，如電視機、電腦、手機提供視頻服務、互聯(lián)網(wǎng)服務和電話服務。以致各類終端設備之間的差別也開始變得模糊不清，因為任何人都可用手機閱讀電子郵件、拍照和打電話。最終用戶能夠在任何時間、任何地方使用各種服務。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)展機遇，促使通信技術向寬帶化、數(shù)字化、綜合化、智能化、個人化和全球化的方向發(fā)展。</p><p>　　從電信的演進歷

23、史來看，運營商對網(wǎng)絡容量和傳輸速率的需求一直以螺旋式向上提升。目前商用光纖傳輸系統(tǒng)速率已達到了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集成度的增長速度。盡管如此，10Gb/s的光傳輸系統(tǒng)帶寬仍然有限。人們對帶寬的追求是永無止境的，擴大帶寬需求依然是光傳輸系統(tǒng)需要解決的主要任務之一。從10Gbit/s到40Gbit/s，信號速率提高了4倍，但是技術難度的增長卻遠遠不止4倍。40Gbit/s信號苛刻的傳輸性

24、能要求使得沿用10Gbit/s傳輸技術完成40Gbit/s信號的長距離傳輸成為一項不可能完成的任務。我們假設都采用傳統(tǒng)的NRZ碼型：40Gbit/s信號的ONSR（光信噪比）要求比10Gbit/s信號高6dB，但是由于非線性效應的影響，入纖功率又要低1～2dB，因此40Gbit/s信號的OSNR受限距離大約只有10Gbit/s信號的1/6；更嚴重的，40Gbit/s信號的色度色散和偏振模色散（PMD）受限距離只有10Gbit/s信號的1

25、/16。因此，40Gbit/sWDM傳輸需要一系列新技術來實現(xiàn)與10Gbit/sWDM傳輸大致相當?shù)臒o電中</p><p>　　先進的調(diào)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(tǒng)通常使用的是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</p><p>　　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

26、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）等。[11]</p><p>　　其中，高速光纖通信系統(tǒng)主要涉及到技術有如下光源、調(diào)制技術、放大技術、光纖技術、前向糾錯技術（FEC）和色散管理技術。正是有了這么多技術的發(fā)展才使40Gb/s 高速光纖傳輸系統(tǒng)的實用化成為可能。</p><p>　　光源 40Gb/s 高速光纖傳輸系統(tǒng)中所用的光源，一般要求它

27、們發(fā)光波長精確，所以在應用時要有相應的波長監(jiān)測和穩(wěn)定技術。</p><p>　　2、調(diào)制技術 高速光纖通信系統(tǒng)所涉及到的調(diào)制技術主要有直接調(diào)制和外調(diào)制，其具體的區(qū)別將在下一章中予以詳細介紹。常用的調(diào)制器包括馬赫-澤德干涉儀型調(diào)制器（Mach-Zehnder）和電吸收（EA）調(diào)制器。</p><p>　　3、放大技術 限制光纖傳輸系統(tǒng)的兩個主要因素是損耗和色散，而光放大器的研制成功和應用

28、，解決了損耗問題。40Gb/s 高速光纖傳輸系統(tǒng)及其DWDM 技術這幾年之所以發(fā)展迅速，主要得益于光放大器的研制成功和應用。</p><p>　　4、光纖技術 光纖技術的研究重點就是優(yōu)化色散系數(shù)、色散斜率、有效面積和工作波長范圍以適應DWDM系統(tǒng)的傳輸速率、信道間隔、工作波長的不斷變化需要。</p><p>　　5、前向糾錯技術（FEC） 前向糾錯編碼（FEC）技術通過在傳輸碼列中加入

29、冗余糾錯碼，在一定條件下，通過解碼可以自動糾正傳輸誤碼，降低接收信號的誤碼率。</p><p>　　6、色散管理技術 目的是在同時考慮色散和非線性效應時使系統(tǒng)帶寬最大化，從而使色散在光纖鏈路上具有最佳的分布。一般通過調(diào)整系統(tǒng)的傳輸鏈路，來實現(xiàn)色散管理。</p><p>　　本文針對目前對于高速光纖通信系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，主要著手于傳輸過程中傳輸</p><p>　　碼

30、型作一定的介紹，并分析其各個碼型的光譜特性。</p><p>　　第一章 調(diào)制器及調(diào)制技術</p><p><b>　　第一節(jié) 調(diào)制器</b></p><p>　　當前高速光纖通信領域中，10Gb/s 系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用，40Gb/s 系統(tǒng)技術已基本成熟，更高速率ETDM 系統(tǒng)技術也已開始實驗研究。隨著碼速的提高，技術難度越來越大，需要解決的

31、問題更多，調(diào)制解調(diào)是其中重要技術之一。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、低驅動電壓和高飽和功率，此外高消光比、低啁啾、低插入損耗和低偏振相關性也是重要因素。適合40Gb/s 等超高速光纖通信系統(tǒng)使用的外調(diào)制器有馬赫-澤德（MZ）和電吸收（EA）調(diào)制器兩種類型。EAM 存在著動態(tài)啁啾的問題，它的啁啾和偏置電壓有一定的依賴關系。而且它還存在著偏振相關，插入損耗大等缺點。但它的驅動電壓小，一般為3V。而且可以得到很好的消光比。產(chǎn)生

32、的光脈沖窄，最高達可到80GHz。但是EAM 存在啁啾，所以不能用于產(chǎn)生CS-RZ 和各種DPSK 碼型。MZM 可以控制啁啾，從而得到無啁啾狀態(tài)。而且既可用于強度調(diào)制也可用于相位調(diào)制，所以在一般的碼型產(chǎn)生中都采用MZM。</p><p>　　1、電吸收（EA）調(diào)制器</p><p>　　電吸收調(diào)制器EAM的基本結構是一個PIN結構，其中N區(qū)部分是交替生長的多層結構，相當于光學增反膜堆。每

33、層的折射率和厚度根據(jù)中心波長按光學增反膜堆設計，依靠應變超晶格結構實現(xiàn)與襯底間的晶格匹配。I區(qū)部分為多量子阱（MQW）結構。它是利用量子限制的斯塔克效應，人為制作出的一種性能獨特的吸收材料。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，激子吸收峰會明顯的向長波方向移動，外電場取消后吸收光譜又能可逆的還原。這種材料是通過設計多量子阱結構的阱和壘的組分和厚度以及周期數(shù)來實現(xiàn)的，這就是通常所說的“能帶工程”。其賴以實施的手段是

34、補償應變超晶格生長。通常構成塊狀異質結的外延層必需保持與襯底材料的晶格匹配，而晶格匹配要求外延層有特定的組分，偏離此特定組分的生長就會在外延層中形成晶格缺陷。量子阱結構出現(xiàn)后，壓應變量子阱結構可以有效地提高III-V族半導體激光器的性能，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。在一定的應變范圍內(nèi)，應變力可以維持外延層內(nèi)不出現(xiàn)晶格缺陷，這就為選擇材料的組分以獲得更好的器件性能提供了新的自由度。但是應變量子阱多層應變

35、的積累厚度存在一個</p><p>　　EA調(diào)制器，由于其體積小、驅動電壓低，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。在40Gb/s 高速光傳輸信息系統(tǒng)中使用的EA 調(diào)制器，其結構、產(chǎn)品形式和性能特點因研發(fā)單位而異。文獻報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。</p>&l

36、t;p>　　2、馬赫-澤德調(diào)制器（MZM）</p><p>　　馬赫-澤德調(diào)制器又即馬赫-澤德干涉儀型調(diào)制器，MZ 型光調(diào)制器有LiNbO3-MZ 調(diào)制器、GaAs-MZ 調(diào)制器和聚合物-MZ 調(diào)制器等幾種。LiNbO3 干涉型光調(diào)制器是目前得到廣泛應用的高可靠性外調(diào)制器，已經(jīng)應用于40Gb/s 信道速率的WDM 傳輸實驗。用LiNbO3 材料制作的MZ 光調(diào)制器與分布反饋激光器組合應用時，從原理上說，波長

37、啁啾可以為零，且容易滿足系統(tǒng)對調(diào)制帶寬的要求。但是，LiNbO3-MZ 調(diào)制器通常驅動電壓比較高、對偏振敏感、且難與光源等光器件集成。結構上的差異，使這3 種調(diào)制器具有不同的特點。單電極驅動型的LiNbO3 調(diào)制器結構簡單、體積小、成本相應低廉，但這種方案存在波長啁啾較大等問題。雙電極驅動的NRZ 信號調(diào)制，波長啁啾可為零；使用兩對電極，調(diào)制器結構較單電極的復雜一些，但是能夠使驅動電壓降低至單電極驅動型的1/2[11]。</p&g

38、t;<p>　　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。但插入損耗過大，不易與光源集成。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。</p><p><b>　　第二節(jié) 調(diào)制技術</b></p><p>　　光纖通信中的調(diào)制方式有兩種：直接調(diào)制和外調(diào)制

39、。直接調(diào)制簡單方便，但對激光器直接調(diào)制時，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，將導致脈沖展寬，直接限制了系統(tǒng)的中繼距離。傳輸速率2.5Gb/s 在常規(guī)單模光纖G.652 上，用直接調(diào)制色散受限距離僅為120km，而用外調(diào)制則可達600km, 其原因是采用外調(diào)制方法可以減小激光器的輸出啁啾。因此，在單個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。</p><p>　　直接調(diào)制 用

40、電信號直接調(diào)制半導體激光器或發(fā)光二極管的驅動電流，使</p><p>　　輸出光隨電信號變化而實現(xiàn)。對激光器直接調(diào)制時，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，將導致脈沖展寬。</p><p>　　外調(diào)制 把激光器的產(chǎn)生和調(diào)制分開，用獨立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出</p><p>　　光而實現(xiàn)。采用外調(diào)制方法可以減小激光器的輸出啁啾。</p>

41、<p><b>　　如下圖所示：</b></p><p>　?。ㄖ苯诱{(diào)制） （外調(diào)制）</p><p>　　圖1-1直接調(diào)制與外調(diào)制</p><p>　　而對于外調(diào)制方式，有兩種相關的調(diào)制器，即上文所述馬赫-澤德干涉儀型調(diào)制器和電吸收（EA）調(diào)制器。</p><p>&

42、lt;b>　　第三節(jié) 本章小結</b></p><p>　　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)制器及其相關的結構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。</p><p>　　第二章 碼型光譜理論分析</p><p>　　第一節(jié) 光

43、譜分析理論基礎</p><p>　　利用通信原理中對隨機信號進行光譜分析的方法，得到各種碼型的光譜解析表達式，并進行分析。</p><p>　　設任意隨機脈沖示意波形如下圖所示：</p><p>　　圖2-1 隨機脈沖示意圖</p><p>　　設二進制的隨機脈沖序列如圖所示，其中 表示“0”碼， 表示“1”碼，和 在實際中可以是任意的脈沖

44、。</p><p>　　假設 和 出現(xiàn)的概率分別為 P 和 1-P，且統(tǒng)計獨立，則</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　= </b></p><p><b>　　

45、（2.2）</b></p><p>　　把 s(t)分解成穩(wěn)態(tài)波 v(t)和交變波 u(t)。所謂穩(wěn)態(tài)波，即是隨機序列 s(t)</p><p>　　的統(tǒng)計平均分量，即：</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　其波形顯然是一個周期為的周期函數(shù)。而交變波u(t)是s(t)與v(t)

46、之差，即：</p><p>　　u(t) = s(t) - v(t) </p><p><b>　　其中第n個碼元為：</b></p><p><b>　　于是 </b></p><p><b>　?。?.4）

47、</b></p><p><b>　　其中可表示為：</b></p><p><b>　?。?.5）</b></p><p><b>　　或者寫成：</b></p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>

48、;<b>　　其中：</b></p><p><b>　　（2.7）</b></p><p>　　顯然，u(t)是隨機脈沖序列。</p><p>　　下面分別討論穩(wěn)態(tài)項v(t)與交變項u(t)的功率譜：</p><p>　　穩(wěn)態(tài)項v(t)的功率譜</p><p>　　由于v(

49、t)是以為周期的周期信號，故：</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p><b>　　式中</b></p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　由于在（）范圍內(nèi)，v(t)=所以</p><p><b&g

50、t;　?。?.10）</b></p><p>　　又由于只存在范圍內(nèi)，所以</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p><b>　　式中</b></p><p><b>　　（2.12）</b></p><p>　　再根

51、據(jù)周期信號功率譜密度與付氏系數(shù)C的關系式，有</p><p><b>　?。?.13）</b></p><p>　　可見穩(wěn)態(tài)波的功率譜是沖擊強度取決 的離散譜線。 </p><p>　　2、交變項的功率譜密度</p><p><b>　　（2.14）</b></p><p>

52、　　其中是u(t)的截短函數(shù)的頻譜函數(shù)；截取時間T是（2N+1）個碼元的長度，即</p><p><b>　　（2.15）</b></p><p>　　式中，N為一個足夠大的數(shù)值，且當時，意味著。 </p><p><b>　　故有</b></p><p><b>　　（2.17） <

53、;/b></p><p><b>　　則</b></p><p><b>　?。?.18）</b></p><p><b>　　式中</b></p><p><b>　　于是</b></p><p><b>　　（2

54、.20）</b></p><p><b>　　其統(tǒng)計平均為：</b></p><p><b>　?。?.21）</b></p><p><b>　　當時</b></p><p><b>　?。?.22）</b></p><p

55、><b>　　所以</b></p><p><b>　?。?.23）</b></p><p><b>　　當時</b></p><p><b>　?。?.24）</b></p><p><b>　　所以</b></p>

56、;<p><b>　?。?.25）</b></p><p>　　又 （2.27）</p><p>　　則可求得交變波的功率譜</p><p><b>　　（2.29）</b></p><p>　　可見，交變波的功率譜是連續(xù)譜

57、，它與和的頻譜以及出現(xiàn)的概率P有關。</p><p>　　3、s(t)=u(t)+v(t)的功率譜密度</p><p><b>　　（2.30）</b></p><p>　　如果寫成單邊的，則有</p><p><b>　?。?.31）</b></p><p>　　由上式可知

58、，隨機脈沖序列的功率譜密度可能包含連續(xù)譜和離散譜。</p><p>　　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。</p><p>　　第二節(jié) ASK信號的光譜分析</p><p>　　ASK指的是振幅鍵控方式。在二進制數(shù)字調(diào)制中每個符號只能表示0和1(+1或-1)。但在許多實際的數(shù)字傳輸系統(tǒng)中卻往往采用多進制的數(shù)字調(diào)制方式。與二進制數(shù)字

59、調(diào)制系統(tǒng)相比，多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)具有如下兩個特點： 第一：在相同的信道碼源調(diào)制中，每個符號可以攜帶log2M比特信息，因此，當信道頻帶受限時可以使信息傳輸率增加，提高了頻帶利用率。但由此付出的代價是增加信號功率和實現(xiàn)上的復雜性。 第二，在相同的信息速率下，由于多進制方式的信道傳輸速率可以比二進制的低，因而多進制信號碼源的持續(xù)時間要比二進制的寬。加寬碼元寬度，就會增加信號碼元的能量，也能減小由于信道特性引起的碼間干擾的影響等。</p

60、><p>　　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。幅度鍵控可以通過乘法器和開關電路來實現(xiàn)。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，載波被關斷，此時傳輸信道上無載波傳送。那么在接收端我們就可以根據(jù)載波的有無還原出數(shù)字信號的1和0。對于二進制幅度鍵控信號的頻帶寬度為二進制基帶信號寬度的兩倍。</p><p>　　

61、設S(t)頻譜為S(ω)， 頻譜為：</p><p><b>　　（2.32）</b></p><p>　　2ASK信號的頻譜是將數(shù)字基帶頻譜中心搬移到載頻處，帶寬為基帶帶寬的兩倍；又由 可知，基帶信號是由若干基本脈沖組成的，因而基帶信號的帶寬完全由基本脈沖帶寬決定。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。設矩形脈沖：</p>

62、<p><b>　　（2.33）</b></p><p>　　對其傅里葉變換得頻譜為：</p><p><b>　?。?.34）</b></p><p>　　由傅里葉變換位移性質：</p><p><b>　　（2.35）</b></p><p&

63、gt;<b>　　功率譜：</b></p><p><b>　?。?.37）</b></p><p>　　在M元ASK調(diào)制中，信號序列表示為：</p><p><b>　　其中是信號碼型</b></p><p>　　若是等概率分布的，則有：</p><p&g

64、t;<b>　?。?.39）</b></p><p>　　假設信號碼型中則有：</p><p><b>　　（2.40）</b></p><p>　　在M元ASK傳輸中，符號率：</p><p>　　所以頻譜利用率為：,當M=2是，</p><p>　　對于幅度調(diào)制信號，在波

65、形上，它的幅度隨基帶信號規(guī)律而變化；在頻譜結構上，是在基帶信號頻譜基礎上做簡單的線性搬移。</p><p><b>　　1、NRZ光譜分析</b></p><p>　　由于隨機脈沖序列的雙邊功率譜為</p><p><b>　?。?.41）</b></p><p>　　NRZ不歸零碼型即為</

66、p><p><b>　　其中，所以</b></p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　?。?.42）</b></p><p><b>　　其頻譜函數(shù)為</b></p><p><b>　　（2.43）

67、</b></p><p>　　當，的取值情況：m=0,因此離散譜</p><p>　　中有直流分量；m為不等于0的整數(shù)時，離散譜均為0，</p><p><b>　　,因而無定時信號。</b></p><p><b>　　此時有</b></p><p><b

68、>　?。?.44）</b></p><p>　　NRZ信號的光譜為： </p><p>　　圖2-2 NRZ碼光功率譜示意圖</p><p>　　2、CS-RZ的光譜分析:</p><p>　　當輸入的脈沖信號為其中為偏置電壓，</p><p>　　又MZM的輸出光場公式：</p&

69、gt;<p><b>　?。?.45）</b></p><p><b>　　輸出光強公式：</b></p><p><b>　　(2.46)</b></p><p>　　將條件代入上述公式有：</p><p><b>　　(2.47)</b>

70、</p><p><b>　　將其展開得到：</b></p><p><b>　　(2.48)</b></p><p>　　則可得到表示“1”的波形為：</p><p><b>　　(2.49)</b></p><p>　　對其進行傅氏變換得：</

71、p><p><b>　　(2.50)</b></p><p>　　得到CS-RZ的光譜為：</p><p><b>　　(2.51)</b></p><p><b>　　其光譜圖如圖所示：</b></p><p>　　圖2-3 CS-RZ碼光功率譜示意圖&

72、lt;/p><p>　　3、1/2RZ的光譜分析：</p><p>　　在上面的分析中，當為占空比為1/2的矩形脈沖時，即脈沖寬度時，其頻譜函數(shù)為</p><p><b>　　(2.52)</b></p><p>　　當，的取值情況：因此離散譜中有直流分量；m為奇數(shù)時，此時有離散譜，因而有定時信號；m為偶數(shù)時，此時無離散譜。

73、</p><p><b>　　此時，</b></p><p><b>　　(2.53)</b></p><p><b>　　其頻譜圖如下所示：</b></p><p>　　圖2-4 RZ碼功率譜示意圖</p><p>　　第三節(jié) DPSK信號的光譜分

74、析</p><p>　　正弦載波的相位隨二進制數(shù)字基帶信號離散變化，則產(chǎn)生二進制相移鍵控（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”?？梢?guī)定為：前后有相位差 л 代表數(shù)字信息“1”，相位差為 0 代表數(shù)字信息“0”。雖然 DPSK和2PSK 所代表

75、的信息是不一樣的，但它們的波形是一樣的。從波形上看不出它們的差別，因此它們的光譜是一樣的。</p><p><b>　　令：</b></p><p><b>　　(2.54)</b></p><p><b>　　又</b></p><p><b>　　(2.55)&l

76、t;/b></p><p><b>　　故有：</b></p><p><b>　　(2.56)</b></p><p>　　由于為雙極性數(shù)字信號，即，代入基帶信號功率譜公式就有：</p><p><b>　　(2.57)</b></p><p>

77、　　當取“0”和取“1”概率相等時，即P=1/2，結果就變成：</p><p><b>　　(2.58)</b></p><p>　　可知，DPSK信號的光譜與2ASK信號的連續(xù)譜基本一致，只是系數(shù)不一樣。</p><p><b>　　第四節(jié) 本章小結</b></p><p>　　本章在本科階段所

78、學習的通信原理課程的基礎上首先介紹了光譜分析的理論基礎知識，對1/3RZ碼、NRZ碼、CS-RZ碼三種碼型的ASK、DPSK調(diào)制的光譜分別進行了分析，并給出了各個碼型的光譜圖加以參考。</p><p>　　第三章 高速光纖通信系統(tǒng)的模擬仿真</p><p>　　第一節(jié) Optisystem軟件相關介紹</p><p>　　光通訊系統(tǒng)正在變得日益復雜。這些系統(tǒng)通常

79、包含多個信號通道、不同的拓撲結構、非線性器件和非高斯噪聲源，對它們的設計和分析是相當?shù)膹碗s和需要高強度勞動的。先進的軟件工具使得這些系統(tǒng)的設計和分析變得迅速而有效。 OptiSystem（光通信系統(tǒng)設計軟件）是一款創(chuàng)新的光通訊系統(tǒng)模擬軟件包，它集設計、測試和優(yōu)化各種類型寬帶光網(wǎng)絡物理層的虛擬光連接等功能于一身，從長距離通訊系統(tǒng)到 LANS和MANS都使用。一個基于實際光纖通訊系統(tǒng)模型的系統(tǒng)級模擬器，OptiSystem具有強大的模擬環(huán)境

80、和真實的器件和系統(tǒng)的分級定義。它的性能可以通過附加的用戶器件庫和完整的界面進行擴展，而成為一系列廣泛使用的工具。全面的圖形用戶界面控制光子器件設計、器件模型和演示。巨大的有源和無源器件的庫包括實際的、波長相關的參數(shù)。參數(shù)的掃描和優(yōu)化允許用戶研究特定的器件技術參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。因為是為了符合系統(tǒng)設計者、光通訊工程師、研究人員和學術界的要求而設計的，OptiSystem滿足了急速發(fā)展的光子市場對一個強有力而易于使用的光系統(tǒng)設計工具的需求

81、。它的廣泛應用包括: 物理層的器件級到系統(tǒng)級的光通訊系統(tǒng)設計，CATV或者TDM</p><p>　　1. 器件庫 為了完全發(fā)揮效率，器件模塊應該再現(xiàn)真實器件的實際的性能，確定由于選擇精度和效率引起的影響。OptiSystem器件庫中包括了超過200種的模型，為了給出那些與實際應用相比較的結果，這些模塊都已被仔細的測試過了。 　　</p><p>　　2． 器件測量 OptiSyste

82、m能讓用戶進入那些可以從實際的器件中測量的參數(shù)。 　　</p><p>　　3． 與Optiwave軟件工具的集成 在子系統(tǒng)級和器件級上，OptiSystem允許用戶將其它Optiwave軟件工具集成使用：OptiAmplifier，OptiBPM，OptiGrating和OptiFiber。 　　</p><p>　　4． 混合信號表示 在器件庫中，對于光信號和電信號，OptiSy

83、stem處理混合信號格式。OptiSystem將根據(jù)模擬所需的精度和效率來選擇合適的算法來計算。 　　5． 質量和性能的算法 為了預測系統(tǒng)性能，OptiSystem將采用分析法，或者對于受中間信號串擾和噪聲所限制的系統(tǒng)采用半分析技術，分別計算出諸如BER和Q因子等參數(shù)。 　　</p><p>　　6． 高級的可視化工具 高級的可視化工具可以生成OSA頻譜、示波器和眼圖（EYE Diagram）。信號功率、

84、增益、噪聲系數(shù)以及OSNR也包含在WDM分析工具中。 　　</p><p>　　7． 數(shù)據(jù)監(jiān)視器 在模擬完成后，用戶可以選擇器件的端口的數(shù)據(jù)來存儲，并且顯示在監(jiān)視器上。這就使用戶可以在模擬完成后直接處理，而不必重新計算。在同一個端口，用戶可以在顯示器上打開任意數(shù)目的觀察儀。 　　</p><p>　　8． 用子系統(tǒng)分級模擬 為了使模擬工具靈活和有效，那么在系統(tǒng)級、子系統(tǒng)級和器件級等

85、不同層次上，提供模型就是必需的。OptiSystem的特點是器件和系統(tǒng)的真正分級定義，是用戶在器件級的集成和光纖光學方面可以使用特殊的軟件工具，并且使模擬可以達到制定的精度要求。 　　</p><p>　　9． 自定義器件 用戶可以基于子系統(tǒng)和自定義庫，或者利用諸如Matlab之類的第三方軟件工具來聯(lián)合模擬，來創(chuàng)建新的器件。 　　</p><p>　　10．腳本語言 用戶可以輸入代

86、數(shù)表達式和設置在器件和子系統(tǒng)都可以使用的符號參數(shù)。 　　</p><p>　　11．狀態(tài)技術計算數(shù)據(jù)流 計算調(diào)度程序根據(jù)選擇的數(shù)據(jù)流模式，通過確定器件模塊的執(zhí)行等級來控制模擬過程。處理傳輸層模擬的主數(shù)據(jù)流模型是器件迭代數(shù)據(jù)流（CIDF）。CIDF域使用運行調(diào)度法、支持條件、數(shù)據(jù)相關迭代和真循環(huán)。 　　12．復合方案圖 用戶可以使用相同的方案文件創(chuàng)建多個設計，每個方案文件允許用戶快速而有效的創(chuàng)建和修改自己的

87、設計。每個方案文件包含多個設計版本。這些設計版本的計算和修改是相互獨立的，但是不同的設計版本的計算結果可以合并起來。這就允許用戶可以比較這些設計。 　　</p><p>　　13．并行計算 如果能夠對兩個器件同時進行計算，那么它們也能在不同的線程中更有效的被調(diào)度。根據(jù)可利用的計算資源，用戶可以控制線程的數(shù)目，加速計算的過程。 　　</p><p>　　14．圖形和結果管理器 直觀的

88、圖形管理使用戶可以用圖形表示出幾乎全部的設計中設置的參數(shù)。生成的圖形組成大小可調(diào)、可以移動的圖形窗口，這些窗口可以形成一個可以保存和重新使用的結果圖。 　　</p><p>　　15．參數(shù)掃描和優(yōu)化 使用參數(shù)的迭代變化，模擬可以反復進行。OptiSystem也能優(yōu)化任何參數(shù)，使任何結果最大或者最小，或者搜尋目標結果。用戶可以多參數(shù)掃描和復合優(yōu)化。 　　</p><p>　　16． 發(fā)射

89、器 發(fā)射器件庫包括了所有與光信號產(chǎn)生和編碼相關的器件，例如半導體激光器、調(diào)制器、編碼器和比特序列發(fā)生器等。半導體激光器由于它在發(fā)射器中的重要角色而成為了最重要的發(fā)射器部件。使用OptiSystem，用戶可以輸入測量過的數(shù)據(jù)來評估速率方程所需的那些參數(shù)。當使用外調(diào)制的CW激光器時，對于啁啾和衰減來說，MQW馬赫－曾德爾調(diào)制器和電吸收調(diào)制器的模型是基于測量的，并且能使用戶優(yōu)化偏置和調(diào)制電壓，從而得到接收器靈敏度的最小退化。 對于隨即數(shù)字

90、發(fā)生器，編碼器和比特序列產(chǎn)生器允許用戶在不同的調(diào)制模式和算法之間進行選擇。 　　</p><p>　　17． 光纖 光纖是主要的傳輸通道。對于任意的WDM信號，OptiSystem采用一種非線性色散傳播的單模光纖模型，用以說明信號的振幅和相位受影響的現(xiàn)象和效果。在很大的條件范圍內(nèi)，這個模型都可以真實的預測波形的失真、眼圖的退化和信號的其它要素。 　　</p><p>　　18． 光放大

91、器 EDFA和拉曼放大器已經(jīng)成為光纖網(wǎng)絡所需的器件，從WDM網(wǎng)絡轉發(fā)器到CATV接線放大器，都有著廣泛的應用。OptiSystem能使用戶選擇不同的模型，例如自定義增益和噪聲系數(shù)的理想放大器，或者是基于測量或者速率方程靜態(tài)或者動態(tài)的解的黑匣子模型。通過利用半導體激光器的多功能特性，可以完成放大和波長轉換。 　　</p><p>　　19． 接收器 用戶可以依據(jù)光探測器輸入端的混合信號來選擇不同的模型。如果

92、噪聲用概率密度函數(shù)（PSD）來描述，PIN或者APD將采用基于高斯近似的準分析模型來計算噪聲的作用。如果噪聲是與信號混合在一起，那么使用適當?shù)腜FD來描述光電子統(tǒng)計時，這個模型可以增加數(shù)字化噪聲。 電濾波器件的內(nèi)部庫包括實際的、頻率相關的參數(shù)。在這個庫中，用戶可以考慮不同濾波器形式來設計接收器。 　　</p><p>　　20． 網(wǎng)絡器件 復用器∕解復用器 ，上路∕下路 ，陣列波導光柵，靜態(tài)和動態(tài)開關，循環(huán)∕

93、環(huán)形元件，交叉連接，波長轉換。 　　</p><p>　　21． 無源器件 濾波器 ，調(diào)制器，耦合器 ，分波器，合波器，環(huán)形器 ，隔離器 ，偏振器件 ，光纖光柵。 　　</p><p>　　22． 觀察儀 客戶可以在任何器件使用觀察儀來打開端口數(shù)據(jù)監(jiān)視器，并且存取結果。數(shù)據(jù)監(jiān)視器可以保存處理過的信號信息，而沒有必要預先確定觀察儀的類型。因此，一個 OSA或WDM分析儀可以加在相同的

94、監(jiān)視器上，一旦一個計算完成，就不需要再次運算。 庫中可以利用的觀察儀包括：光∕射頻頻譜分析儀、示波器∕光時域分析儀 、眼圖分析儀 、誤碼率分析儀、WDM分析儀 、功率計、 光學方案圖編輯器。這個界面可以讓用戶快速而有效的創(chuàng)建和修改自己的設計。每個OptiSystem方案文件可以包含足夠多的設計版本。這些設計版本可以相互獨立的被計算和修改，但是來自于不同版本的計算結果可以合并起來進行比較。 圖形演示 ，OSA頻譜、示波器和眼圖，探針和可視

95、化工具列出信號功率、增益、噪聲系數(shù)和OSNR ，眼圖中超過70次的測量，圖形生成工具可以對任何參數(shù)掃描的任意結果進行比較 ，直觀的圖形管理器使用戶可以畫出設計中使用的幾乎所用的參數(shù)的曲線，生成的圖形組尺寸可變、視角可變換，并將這些視圖轉變成可以保存和重新使用的結果方案圖 ，將復合圖合并成3D圖 OptiSystem的改進這個軟件的新特性更好的滿足光系統(tǒng)和器件設</p><p>　　23．器件庫 在光源、調(diào)制器

96、、放大器、接收器、濾波器、色散補償、脈沖發(fā)生器、信號處理、工具以及光網(wǎng)絡庫中，加入了超過50種新單色器件。 　　</p><p>　　24．信號庫 數(shù)字化傳播噪聲從電信號中分離出來了。庫中所有的電子器件都支持這個功能。 　　</p><p>　　25．功率預算計算 在計算后，為每個器件端口的每個信號預測信號功率、噪聲和OSNR。與通道和通道跟蹤相結合，功率預算計算允許用戶在系統(tǒng)設計

97、過程中分配系統(tǒng)余量。 　　</p><p>　　26．庫管理器 啟動和禁用系統(tǒng)庫來改善系統(tǒng)存儲器的使用。器件搜索功能為用戶提供了一個節(jié)省時間的工具，來找到特定的器件。將器件載入和保存為文件，使用戶可以使用自定義的工具。用密碼來保護器件以增加安全性。 　　</p><p>　　27．用戶界面 項目窗口中的同步符使得項目方案圖窗口中保持連貫性。拖動的功能可以更容易和快速的建立連接和在圖

98、形窗口中加入圖形。 　　</p><p>　　28．圖形窗口 提供從簡單的單個掃描迭代曲線到三維數(shù)據(jù)的3D圖形的一系列圖表。 　　</p><p>　　29．方案圖演示 當光標放置在輸出端口上時，在方案圖上將會持續(xù)（這個選項可以啟動或者禁用）或者作為工具提示，演示這個端口的信號值。 　　</p><p>　　30．通道 很容易定義通過幾個器件的通道。每個

99、通道都有不同的顏色，這使得在方案圖中相交的通道很清楚地被區(qū)分開。 　　</p><p>　　31．通道跟蹤 跟蹤一個通道地信號值，演示信號值變化的圖。 　　</p><p>　　32．參數(shù) 定義、瀏覽和繪出多維參數(shù)的掃描圖。 　　</p><p>　　33．報告生成器 以HTML或者RTF的格式生成完全的用戶定制的報告。這個報告包括詳細的OptiSyst

100、em方案文件的信息。 　　</p><p>　　34．軟件開發(fā)工具包 使用VC＋＋語言，按照器件庫中的范例可以創(chuàng)建用戶自己的器件庫，用VC＋＋語言進行添加和嵌入。 　　</p><p>　　第二節(jié) 碼型仿真及其分析</p><p>　　OptiSystem軟件仿真如下：</p><p>　　選取適當?shù)脑M成如圖所示模塊：</p&

101、gt;<p>　　圖3-1 RZ產(chǎn)生模塊</p><p>　　圖3-2 NRZ產(chǎn)生模塊</p><p>　　圖3-3 CS-RZ產(chǎn)生模塊</p><p><b>　　仿真結果如下所示：</b></p><p>　　圖3-4 RZ光譜圖</p><p>　　圖3-5 NRZ光譜圖

102、</p><p>　　圖3-6 CS-RZ光譜分析元件1光譜圖</p><p>　　圖3-7 CS-RZ光譜分析元件2光譜圖</p><p>　　其中RZ,NRZ,CS-RZ三種碼型的眼圖如下所示：</p><p>　　圖3-8 RZ眼圖</p><p>　　圖3-9 NRZ眼圖</p><

103、p>　　圖3-10 CS-RZ眼圖</p><p>　　由上述光譜圖可知，NRZ 信號光譜，在一階邊帶和基帶上是最緊湊的，這就導致在 WDM系統(tǒng)里由波形變形和相干串擾所造成的眼圖張開代價相對較小。RZ信號光譜在基帶和一階邊帶都有很明顯的線狀光譜，在信道間隔較小的 WDM系統(tǒng)中相鄰信道的一階邊帶會有重合。CS-RZ 就光譜形狀而言與 NRZ相比，其載波頻率成分被被抑制，但頻率相隔為一個比特率頻率的兩個線型光

104、譜線形光譜卻凸顯出來，且兩個線性光譜之間的間隔為一個比特頻率在此例中為 40G 。三種DPSK 信號光譜由自身性質決定了在基帶和一階邊帶中不含有任何線型光譜成分,即光譜中沒有尖峰。</p><p>　　由Optisystem 軟件模擬所得的眼圖結果可知，從圖中可以看出 RZ 和CS-RZ 的眼圖差別很小，這是因為它們同為歸零碼，區(qū)別在于兩者的占空比不同，CS-RZ 的占空比大于 RZ的。且 NRZ 的上端抖動比較

105、厲害。</p><p><b>　　第三節(jié) 本章小結</b></p><p>　　本章節(jié)主要介紹了Optisystem軟件的功能等，以及利用Optisystem軟件對RZ碼、NRZ碼、CS-RZ碼進行了模擬仿真，得到了各個碼型的模擬光譜圖和相應的眼圖，并加以簡單分析得出結論。</p><p><b>　　結 論</b>

106、</p><p>　　本文的設計題目為高速光纖通信系統(tǒng)傳輸特性研究，在查閱了大量資料的前提下，了解了高速光纖通信的發(fā)展歷史，以及高速光纖通信系統(tǒng)對于人們工作生活的重要性，開展了對影響光纖通信系統(tǒng)傳輸特性的幾個方面的研究，主要著手于RZ碼、NRZ碼、CS-RZ碼三種碼型的光譜分析和眼圖比較，并介紹了光譜分析涉及到的通信原理基礎知識，以及對于RZ碼、NRZ碼、CS-RZ碼模擬仿真時采用的OptiSystem仿真軟件的

107、應用介紹，并對RZ碼、NRZ碼、CS-RZ碼三種碼型進行了仿真得出光譜圖和眼圖，得出結論：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RZ、CS-RZ 等調(diào)制格式，要求更為復雜的色散管理。今后將繼續(xù)開展類似研究以拓展自己在這方面的知識面。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>

108、　　畢業(yè)設計完成了，在這個過程中我學到了很多東西。首先我要感謝我的導師，他在我完成論文的過程中，給予了我很大的幫助。在論文開始的初期，我對于論文的結構以及文獻選取等方面都有很多問題，老師都給了我的詳細介紹，在寫論文期間，老師時常監(jiān)督我的進度，嚴格按時表進行中期檢查，讓我能夠監(jiān)督自己跟上進度，到了仿真之前的階段，老師又給我提供了仿真所用軟件，讓我有足夠的時間去學習軟件的使用。通過這次畢業(yè)設計，也讓我回顧了大學所學知識，讓我體驗了一次做研究

109、的經(jīng)歷，鍛煉了我的能力，對我今后的學習工作有很大的幫助。感謝我的大學輔導員皮若蘭，在我大學四年期間給了我們很多關心和幫助，也要感謝大學期間給我上課的老師們，是他們傳授給了我很多知識和道理，讓我受益匪淺。我也要深深感謝我的父母，是他們給了我最大的勇氣來面對困難。最后衷心感謝所有關心和給我經(jīng)歷的人。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]

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116、 錄</b></p><p><b>　　一、英語原文</b></p><p>　　Optical fiber</p><p><b>　　Abstract:</b></p><p>　　An optical fiber (or optical fiber) is a flexible

117、, transparent fiber made of a pure glass (silica) not much thicker than a human hair. It functions as a waveguide, or “l(fā)ight pipe”[1], to transmit light between the two ends of the fiber.[2] The field of applied science

118、and engineering concerned with the design and application of optical fibers is known as fiber optics. Optical fibers are widely used in fiber-optic communications, which permits transmission over longer distances and at