（光学工程专业论文）dpsk和dqpsk光纤通信系统的研究和比较.pdf

摘要 摘要 在近几年里，光纤通信系统中逐渐开始采用差分相移键控( d p s k ) 的调制方式， 与传统的o o k 调制方式相比，d p s k 调制能够提高接收机3 d b 的光信噪比，而差分 四相相移键控( d q p s k ) 由于在非线性上更好的容忍度也逐渐开始得到人们的关注 和重视。本论文的第三章对4 0 g b s 的d p s k 和d q p s k 调制的光纤通信系统进行了 仿真和研究，并对造成接收机灵敏度损害的各种影响因素进行了全面的分析和比 较。 通过仿真结果发现，激光器和马赫一曾德尔干涉仪之间的频率偏差对接收机造 成的损害是最严重的，这样的频率偏差可能是由于激光器光源的波长偏移或者干 涉仪长久使用后造成的。由于d p s k 和d q p s k 调制格式的接收机是依靠两个信号的 相互干涉来解调，因此对于这种相位错误的容忍度比较差。通过比较，我们发现频 率偏差对d q p s k 光纤通信系统造成的影响比d p s k 的光纤通信系统更加严重。随着 差分相位调制中每个符号携带的信息增多，以及数据速率的增加，相同的频率偏 差造成的损害会不断增大，过高的频率偏差会导致系统不能正常工作。为了保证 差分相位调制在光纤通信系统中的优势，在4 0 g b s 的d p s k 光纤通信系统中，必 须把激光器和马赫一曾德尔干涉仪之间的频率偏差控制在1 0 的偏移以内，而对于 4 0 g b s 的d q p s k 光纤通信系统，必须把频率偏差控制在5 的偏移以内。 在第四章中，本论文通过仿真对d p s k a s k 和d q p s k a s k 这两种幅度相位联合 调制的光纤通信系统进行了研究。联合调制的应用是基于在接收机的检测中，幅 度调制和相位调制的检测是相互独立的，更为重要的一点是联合调制的光纤通信 系统是基于差分相位调制的光纤通信系统的结构，在使用4 0 g b s 的光器件和电器 件的同时，数据速率可以有大幅提高，因此我们对这两种新型的调制格式在光纤 通信系统中应用的研究是非常有必要的。 在8 0 g b s 的d p s k - a s k 和1 2 0 g b s 的d q p s k - a s k 光纤通信系统中，我们使用 第三章的分析方法对造成接收机灵敏度损害的各种影响因素进行了一次全面的分 析。由于幅度相位联合调制的光纤通信的误码率是两种调制接收机误码率的平均 值，因此我们首先通过仿真找到了使系统能达到最佳性能的幅度调制的消光比， 使得两种调制方式的接收机的灵敏度在误码率相同的情况下尽量近似。 通过仿真结果我们发现频率偏差依然是对联合调制系统的接收机灵敏度影响 摘要 最严重的因素，但是由于幅度调制不受到频率偏差的影响，对于整个系统来说， 频率偏差造成的损害增大的不是特别明显，在8 0 g b s 的d p s k a s k 光纤通信系统 中，频率偏差依然是控制在1 0 以内。而在1 2 0 g b s 的d q p s k - a s k 调制的光纤通信 系统中，频率偏差的损害由于数据速率的显著提高而进一步增大，为了保证系统 的性能，频率偏差需要控制在2 5 的偏移内。 在1 2 0 g b s 的d q p s k - a s k 光纤通信系统中，本文还首次对影响因素联合作用 时造成的损害进行了仿真和分析。通过仿真结果发现，多种影响因素同时作用时 造成的损害并不是各自单独作用时的损害的线性叠加，有可能在相互作用下变得 更加严重，甚至还有可能起到抑制的作用，这样的结论在4 0 g b s 的d p s k 光纤通 信系统中也得到了验证。 关键词：d p s k ，d q p s k ，a s k ，频率偏差 a b s t r a c t a bs t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb e g a nt ou s et h ed p s k ( d i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y i n g ) f o r m a tt or e p l a c et h et r a d i t i o n a lo o kf o r m a t t h e b e n e f i to fd p s kf o r m a ti st h e3 d bo s n r ( o p t i c a ls i g n a ln o i s er a t i o ) a d v a n t a g e ，a n d d q p s k ( d i f f e r e n t i a lq u a d r a t u r ep h a s es 1 1 i rk e y i n 9 1f o r m a ti s a l s og e r i n gm o r e a t t e n t i o nb a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i s 、析t l lb e t t e rt o l e r a n to fn o n l i n e a re f f e c t i nt h e m i r dc h a p t e r , w es i m u l a t et h e4 0 g b sd p s ka n dd q p s kf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， i n v e s t i g a t et h ed e g r a d a t i o nf a c t o r si nb a l a n c e dr e c e i v e r i tt u t t i so u tt h ef r e q u e n c yo f f s e tb e t w e e nl a s e ra n dm a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e rc a n l e a dt ot h em o s ts e r i o u sr e c e i v e rs e n s i t i v i t yp e n a l t y i nr e a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，s u c ha 丘e q u e n c yo f f s e tc a nb ei n d u c e db yw a v e l e n g t hd r i f to fo p t i c a ls o u r c eo ra g i n go fm z i i t s e l f f o rp r o p e ro p e r a t i o no fb a l a n c e dd e t e c t i o nd p s ko rd q p s ks y s t e m ，i ti s e s s e n t i a lt om i n i m i z et h e 矗e q u e n c yo f f s e t ，s i n c ea n ys u c ho f f s e tr e s u l t si na ni m p e r f e c t i n t e r f e r e n c e 谢t 1 1 i i lt h ei n t e r f e r o m e t e r , a n dc o n s e q u e n t l y ，i nar e c e i v e rp e r f o r m a n c e d e g r a d a t i o n s i n c ead p s ka n dd q p s kr e c e i v e rr e l i e so nt h ei n t e r f e r e n c eo ft w o o p t i c a lf i e l d s ，i ti sf u n d a m e n t a l l ys e n s i t i v et os u c ham i s m a t c h a f t e rt h es i m u l a t i o n ，w e f i n do u tw eh a v et ol i m i tt h e 仔e q u e n c yo f f s e tb e l o w10 f o r4 0 g b sd p s kf i b e r t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，a n d5 f o r4 0 g b sd q p s kf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e mt om a i n t a i n g o o dp e r f o r m a n c e i nt h ef o u r t hc h a p t e r , w ep r e s e n tt h ef i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mc o m b i n e dw i t h d p s ko rd q p s kw i t ha m p l i t u d e s 1 1 i r - k e y i n g ( a s k 、t oe n c o d em u l t i p l eb i t sp e r s y m b 0 1 w h i l et h eb a s i cf u n c t i o n a l i t yo fd p s k a s ka n dd q p s k - a s kr e c e i v e r sh a s b e e nc o v e r e d ，l i t t l ec a nb ef o u n do nt h ei n f l u e n c eo fr e c e i v e rp a r a m e t e r so ns y s t e m p e r f o r m a n c e w ei d e n t i f ya n dd i s c u s si m p o r t a n td e s i g nc r i t e r i ai n8 0 g b sd p s k - a s k a n d12 0 g b sd q p s k a s kf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sb yo n l y u s i n g 4 0 g b s e q u i p m e n t f o rr z - d p s k - a s ka n dr z - d q p s k - a s k , t h ee x t i n c t i o nr a t i oo ft h ea s k s i g n a li s at r a d e o f fb e t w e e ng o o de y eo p e n i n gf o rt h ea m p l i t u d es i g n a la n dg o o de y eo p e n i n gf o r t h ed e m o d u l a t e dp h a s es i g n a l ，s ow ef i s tf i n dt h eb e s te x t i n c t i o nr a t i ot h a tc a nr e s u l ti n i i i a b s t r a c t e q u a lr e c e i v e rs e n s i t i v i t i e sf o rb o t ha m p l i t u d ea n dp h a s em o d u l a t e ds i g n a l s ，h e n c e r e s u l t i n gi nt h eo p t i m u mp e r f o r m a n c ef o rt h es y s t e ma saw h o l e a f t e rt h ei n v e s t i g a t i o no ft h ep e r f o r m a n c eo f8 0 g b sd p s k a s ka n d12 0 g b s d q p s k a s km o d u l a t e do p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w ef i n dt h ef r e q u e n c y o f f s e tb e t w e e nl a s e ra n dm z ii ss t i l lt h em o s ts e r i o u sd e g r a d a t i o nf a c t o ri nr e c e i v e r , b u t d u et ot h ea s kr e c e i v e ri si n s e n s i t i v et ot h ef r e q u e n c yo f f s e t ，t h et o l e r a n c ea b i l i t yf o r 8 0 g b sd p s k a s ks y s t e mi sa l m o s tt h es a m ef o r4 0 g b sd p s k e v e ni ft h eb i tr a t ei s d o u b l e d f o r12 0 g b sd q p s k a s ks y s t e m ，d u et ot h eb i tr a t ei st r i p l e d ，t h ef r e q u e n c y o f f s e ts h o u l db el i m i t e dt o2 5 耽i n v e s t i g a t et h ee f f e c tw h e nm u l t i p l ef a c t o r sa r ep r e s e n ta tt h es a m et i m ei n 12 0 g b sd q p s k a s kf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o n r e s u l t , t h ed e g r a d a t i o no ft h er e c e i v e ri sn o tt h el i n e a rc o m b i n e i tc a nl e a dt om u c hw o r s e d e g r a d a t i o ne v e nt h ei n d i v i d u a lf a c t o ri t s e l fc a no n l yi n d u c el i t t l e ，t h e r ei sa l s oac h a n c e o n ef a c t o rc a ns u p p r e s sa n o t h e rf a c t o r se f f e c t t h i sc o n c l u s i o ni sa l s ov a l i di n4 0 g b s d p s kf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：d p s k ，d q p s k ，a s k , f r e q u e n c yo f f s e t i v 缩略字表 d p s k d q p s k a s k m z m m z i n r z r z o o k e d f a o s n r a s e w d m p 旧 a m i c s r z d f b c d p c b e r b p f 缩略字表 d i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y i n g差分相位键控 d i f f e r e n t i a lq u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g 差分四相相移键控 a m p l i t u d es h i f tk e y i n g幅度相移键控 m a c h z e h n d e rm o d u l a t o r 马赫一曾德尔调制器 m a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r 马赫一曾德尔干涉仪 n o nr e t u r nt oz e r o 不归零 r e t u r nt oz e r o 归零 o no f fk e y i n g 开关键控 e r b i u md o p e df i b e ra m p l i f i e r 掺铒光纤放大器 o p t i c a ls i g n a lt on o i s er a t i o 光信噪比 a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n放大器自发辐射噪声 w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g波分复用 p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n 偏振膜色散 a l t e r n a t em a r ki n v e r s i o n 双极性码 c a r r ie rs u p p r e s s e dr e t u r nt oz e r o 载波抑制归零 d i s t r i b u t e df e e d b a c k 分布反馈 c h r o m a t i cd i s p e r s i o n 色度色散 p u l s ec a r v e r 脉冲切割 b i te r r o rr a t i o 误码率 b a n d p a s sf i l t e r 带通滤波器 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：塾覃宣魄溯7 年6 月2 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：主堪导师签名：二陋 日期：沙四年莎月目 v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光纤通信系统的发展与现状 光纤通信系统是指那些使用了光纤来传送信息的光波系统。2 0 世纪后半期， 人们意识到如果采用光波作为载波，通信容量可望有几个数量级的提高，但直到 2 0 世纪5 0 年代末仍然找不到相干光源和合适的传输介质。1 9 6 0 年发明了激光器， 解决了第一个问题，1 9 6 6 年高琨博士提出光纤可以作为光波系统的最佳传输介质， 但当时光纤具有1 0 0 0 d b k m 的巨大损耗。1 9 7 0 年光纤损耗得到突破，被降低到 2 0 d b k m ，与此同时实现了室温连续工作的半导体激光器，由于小型光源和低损耗 光纤的同时实现，引领了光纤通信系统的大力发展。 光纤通信系统的商业应用紧随研究与开发的步伐，工作在0 8 聊波段的第一 代光波系统于1 9 7 8 年投入使用。使用这种系统的速率范围在5 0 - 1 0 0 m b p s ，中继距 离为l o k m 。与同轴电缆相比，较大的中继距离对系统设计者来说是一个很大的鼓 舞，可以减小对中继站的安装和维护费用。如果光波系统的工作波长在光纤损耗 小于l d b l u n 的1 3 历波段上，则中继距离可以大大提高，而且在这个波段上，光 纤具有最小的色散。于是人们对工作在1 3 m 附近的半导体激光器和探测器下功 夫，1 9 7 7 年研制出这样的激光器。第二代光纤通信系统出现在2 0 世纪8 0 年代早 期，中继距离超过2 0 k i n ，但由于受多模光纤中模式色散的影响，速率限制在l o o m b p s 以下。1 9 8 1 年在实验室验证了传输距离为4 4 k i n ，速率为4 g b p s 的单模光纤系统， 这些成果很快走向商用。1 9 8 7 年实现了中继距离为5 0 k m ，速率为1 7 g b p s 的1 3 z m 波长的第二代商用化光纤传输系统，第二代光纤传输系统的中继距离受限于光纤 在1 3 聊波长上的损耗。光纤的最小损耗位于1 5 5 聊波长附近，1 9 7 9 年实现了 在该波长位置上0 2 d b k m 损耗的光纤，但由于在1 5 5 聊波长上光纤具有较大的 色散，使得第三代光纤通信迟迟实现不了。2 0 世纪8 0 年代，人们按照这两条途径 不断探索，1 9 8 5 年在实验室里实现了速率为4 g b p s ，传输距离超过了l o o k m 的系 统。1 9 9 0 年，工作在1 5 5 聊波长，速率为2 4 g b p s 的第三代光纤通信系统实现 商用化。第四代光纤通信系统以密集波分复用增加速率和使用光放大器增加中继 距离为标志，至2 0 0 1 年最高速率达到2 5 6 木4 0 g b p s = 1 0 t b p s ，已实现了3 t b p s 速率的 信号沿光纤传输7 3 0 0 k m 。2 0 世纪9 0 年代初，成功商用化的光放大器引起了光纤 电子科技大学硕士学位论文 通信领域的一场变革。目前人们正涉足第五代光纤通信系统的研究和开发n 3 。 1 2 本论文研究意义 本论文在第三章中研究了d p s k 和d q p s k 调制的光纤通信系统，在4 0 g b s 的 速率上对单信道的d p s k 和d q p s k 光纤通信系统进行了仿真，并对接收机灵敏度的 影响因素进行了一次全面的分析和比较。通过对影响因素的分析，可以根据各种 影响因素造成的损害作为系统的设计原则，另外对于这两种逐渐开始商用化的调 制方式在w d m 更高速率上的应用也起到了指导作用。 在第四章中对幅度相位联合调制的d p s k - a s k 和d q p s k - a s k 调制格式的光纤通 信系统进行了研究，分别对8 0 g b s 的d p s k a s k 和1 2 0 g b s 的d q p s k - a s k 光纤通 信系统进行了仿真，使用了第三章中的研究方法对接收机的影响因素进行了分析， 并与d p s k 和d q p s k 调制的光纤通信系统的仿真结果进行了比较和分析。值得提出 的是，虽然联合调制中的数据速率有大幅的提高，但是整个系统依然是以4 0 g b s 的d p s k 光纤通信系统作为基础，使用的器件并不会有太大的变化，更不会受到光 器件的限制，这也正是幅度相位联合调制值得我们研究的一个最大的优势。本论 文中还对影响因素联合作用时造成的影响进行了分析，发现影响因素同时作用的 损耗并不是单纯的线性叠加，有可能造成更加严重的损害，甚至还有可能产生抑 制的作用。对于这两种新型的调制方式在高速光纤通信系统中的应用和研究起到 了指导作用。 2 第二章光纤通信系统理论基础 第二章光纤通信系统理论基础 2 1 调制与解调技术 2 1 1d p s k 调制 在近几年中，波分复用技术、前向纠错编码、拉曼分布式放大器、新型的传 输光纤都极大地提高了光纤通信系统的容量和距离。光纤通信系统的调制格式主 要是采用传统的开关键控( o n o f f - k e y i n g ，o o k ) ，而在近几年一系列新的调制 格式在光纤通信系统中逐渐开始得到重视，新的调制格式提高了信号对于色度色 散、光滤波以及非线性的容忍度。这些调制格式包括了c r z ( c h i r p e dr e t u r nt o z e r o ) 、a m i ( a l t e r n a t em a r ki n v e r s i o n ) 、c s r z ( c a r r i e rs u p p r e s s e dr e t u r nt o z e r o ) 以及p s k ( p h a s es h i f tk e y i n g ) 5 3 捌。 在诸多新型调制格式中，d p s k 调制方式是各种新型调制方式中最能引起人们 关注的一种，它对激光器的线宽要求相对更低，接收机的结构简单，另外还可以 改进对于色散以及p m d 的容忍度，增加传输距离n 1 。和传统的o o k 调制格式相比， d p s k 调制格式在接收机的光信噪比上有3 d b 的优势1 ，尤其是在长距离传输中， r z - d p s k 对光纤传输中的非线性效应的容忍度更好心 。但是需要注意的是，这个优 势是只有在接收机使用平衡检测的时候才能够体现出来口1 。这个3 d b 优势可以转化 为传输距离的加长，对光通信设备的参数要求的降低。采用d p s k 调制的另外一个 潜在优势是在接收机的判决电路中对光信号的功率波动提供更高的容忍度，对于 窄带光纤滤波器也能够更加适应，如果延伸到d q p s k 或者其他多进制调制格式， 对色度色散和偏振膜色散能提供更高的容忍度和更高的频谱效率n 刭。 l m i ； 厂 、 | 露 l 一 乡一 m 1 j 厂 、， | 一 lj 7 l0 7 图2 1 ( a ) o o k 调制的星座图图2 - 1 ( b ) d p s k 调制的星座图 电子科技大学硕士学位论文 我们可以通过d p s k 和o o k 两种调制方式的星座图来直观地理解这个3 d b 的优 势。从图2 1 我们不难发现，对于同样的平均光功率，如果o o k 的符号传输距离 假设是x 的话，d p s k 的符号传输距离是三x 。换句话说即是，要达到一样的符号 传输距离，d p s k 需要的平均光功率只是o o k 的一半。 2 1 2 马赫一曾德尔调制器 目前通常采用基于l i n b 0 3 晶体的马赫一曾德尔调制器( m z m ) 来产生各种码型 3 1 3 。l i n b 0 3 晶体的折射率是基于电光效应而变化的，相位的大小会随着输入电压 的变化而变化。如下所示： ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 圪是对光信号产生相移时的输入电压。这是对十几种基于l i n b 0 3 器件电光 效应的相位调制器的较好近似。 m z m 的典型结构如下图所示，输入光波被分为功率相等的两束，分别通过两路 光波导传输，由于此处光波导由电光材料制成，其折射率随外加电压的大小而变 化，从而可以使两束光信号在输出端产生相位差。如果两束光的光程差为波长的 整数倍则相干加强，若为波长的半整数倍则相干抵消，因此可以通过控制外加电 压来对信号进行调制。 e i n o 图2 - 2m z m 的内部结构框图 设输入光场强信号为 e 加 t ) = l e o l e 肌 比为光信号载波频率，经过调制后输出信号为： 4 e o 埘( f ) ( 2 - 3 ) 第二苹光纤通信系统理论基础 瓦，( f ) ：掣 p 肿) + y p 刚r 】 ( 2 4 ) 其中厂：掣 ( 2 5 ) d + l y 为调制器的分光比，6 为调制器的直流消光比。对于理想的调制器，万为无 穷大，因此y 1 ，上面的公式就变为： ( f ) ：尾( f ) c 。s ( 掣) p j 华 ( 2 6 ) 设两调制臂的输入电压( 即两个l i n b 0 3 相位调制器的驱动电压) 信号为巧( f ) 和匕( f ) ，则由此所导致的相位变化为： ( ，) ：毛( 悯手( 攀掣矽掣) ( 2 7 ) 令矽为两调制臂在没有驱动电压情况下的光相位差，则可以得到经过m z m 以后 的光信号场强公式为： ( f ) ：毛s 等( 盟掣m p 爱( 华) ( 2 8 ) 巧( f ) = h e o s 2 x f o t 】 v 2 ( t ) = 屹c o s 2 7 r f o t + 6 】 ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) v l 和v 2 是驱动电压幅度，而万是相对的相位延时，石是调制频率。 为了使调制过程中不产生啁啾，我们要令v l ( t ) = v 2 ( t ) ，可以通过设置 v 1 ( f ) = v 2 ( f ) ，万= 万来实现h 3 。 我们也可以通过设置v l ( t ) ，v 2 ( t ) 的关系和万的大小来产生3 种不同占空比的 r z - d p s k 信号。 如果令m ( f ) = v 2 ( f ) = 等，石= r ，把m z m 的偏移设置在传输最大值的一半处， 即= 手+ 等，k 为整数。这样就可以产生速率为r ，占空比为5 0 的脉冲信号。 如果设置m z m 的偏移在传输的最小值时，即 = y ，、- - - + k n ，k 为整数。 采用的驱动调制正弦矗：i r ，v l = v 2 ：冬，可以产生6 7 占空比的r z 脉冲。 如果令偏移在传输的最大值时，即矽= 勋，k 为整数。 电子科技大学硕士学位论文 令厶= 尝，m ( f ) = 屹( r ) = 兰2 ，可以产生3 3 占空比的脉冲。 2 1 3 - q 赫一曾德尔干涉仪 马赫一曾德尔干涉仪( m z i ) 的工作原理是通过调制光相位来相互干涉，干涉 仪的结构如下图所示。光信号进入第一个耦合器后，被分到了两个单独的光纤线 路进行传输，从两条光路出来的光信号在第二个耦合器里发生干涉，将相应的相 位差信息反映在输出光功率上。 e | n e 2 e 埘1 乞埘2 图2 3m z i 的内部结构 从上图可以明显的发现，m z i 里的两条光路其实并不是等长的，上臂相对下臂 有一个延时r 。在d p s k 系统中，时延为一个比特周期，即f = 五，在d q p s k 系统中 f = 2 瓦。与和易分别是m z i 的两臂的输入信号，臣是具有延时的上臂的输出，易 是没有时延的下臂的输出，最= 最，巴埘。和e 删：是m z i 的输出，可以得到m z i 的 输出为： 1 e 甜。= 去【瓦o 一瓦) + e ( f ) 】 ( 2 1 1 ) 二 1 ，2 = e o 一瓦) 一瓦( f ) 】 ( 2 1 2 ) j 厶 但是在实际中总是存在一定误差，m z i 不能产生一个精确的比特周期的时延， 而是还有一些附加的时延，用a ( a 表示，由此可以得到下式： 。= 去 已o 一乃) + e ( t - a ( p ) 】 ( 2 1 3 ) 二 1 e o 埘：= 去【邑o 一瓦) 一邑0 一咖】 ( 2 1 4 ) ； 通过傅立叶变化可以得到传递函数为： 马( 厂) 一- - _ l 1 。_ j 2 r c f f b + e j a 9 ( 2 1 5 ) 二 日( 厂) = 去矿7 2 叽一】 ( 2 1 6 ) 二 我们需要提出的一点是，m z i 极易受到周围环境因素尤其是温度的影响。根据 6 第二章光纤通信系统理论基础 光波导理论的知识可知， 输出光的相位变化为： 矽= 2 z n l 凡= k o n l 在真空中波长为厶的光入射到长度为l 的光纤中时，则 ( 2 - 1 7 ) 其中n 为光纤有效折射率，k o = 2 z 为光在真空中的传播常数。 当光纤被放入温度场时，温度的变化会影响光线中光相位变化参量1 3 和l ，由 于温度t 的影响，光纤中光相位变化够可由下式表示： d 9 d t = k o l d n d t + k o n 钇刀 ( 2 1 8 ) 上式中没有计入光纤直径变化对相位变化的影响，因为直径变化引起的光相 位变化与长度变化引起的相位变化相比很小，可以忽略不计。而温度引起光纤的 几何长度变化和光折射率变化对于光相位的变化影响是主要的。如相位变化和温 度变化分别用a c p 和丁表示，则光纤的温度灵敏度为： a 擘, ( a t l ) = k o ( a n a t + n d l l d t ) ( 2 1 9 ) 2 1 4d o p s k 和8 d p s k 调制与解调技术 2 1 4 1d o p s k d q p s k ( d i f f e r e n t i a lq u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ) 是光纤通信系统的调 制的另一个热点，它具有相对较窄的频谱宽度和较高的频谱利用率。作为四相位 调制格式，在相同的信息速率下，d q p s k 的码元速率仅为二进制调制的1 2 。除了 能够提供d p s k 调制格式对于o o k 调制格式在平衡检测下的3 d b 优势，对色度色散 的抑制更好，能提供更高的频谱效率。 光载波可以表示为： e ( t ) = 动e o s ( 2 z f o t + 矽) ( 2 2 0 ) 其中e ( t ) 是电场域矢量，占是极化单位矢量，a 是振幅，五是载波频率，是 相位。 d q p s k 是将信息编码于连续光比特的差分相位中，用表示。矽可取 0 ，靠 2 ，3 2 中的一个值。假设第n 个脉冲的复振幅是彳p 脶，其中a 是一个实常 数，以是第n 个脉冲中的相位。当信号中比特为 0 ，0 ) ，则丸+ l = 吮；若为 0 ，1 ) ， 则吮+ l = 以+ 2 ：若是 1 ，1 ) ，则丸+ 1 = 丸+ 北；若是 1 ，0 ) ，无+ l = 以+ 3 2 。也 电子科技大学硕士学位论文 就是说如果信号为 1 ，0 ，l ，1 ，1 ，0 ，0 ，0 ，0 ，1 ，0 ，0 ，0 ，1 ) ，则d q p s k 调制后为 0 ，3 2 ，2 ，0 ，0 ，2 ，兀2 ，氕 。 对于d q p s k 调制的实现，有两种实现方式。一种是用两个并联的m z m 生成 n r z - d q p s k 信号，再用一个m z m 生成r z d q p s k 。第二种是用一个调制深度为2 的相位调制器和一个调制深度为的m z m 串联。 d q p s k 的解调与d p s k 的解调非常类似，不同的是要使用两个m z i 来分别解调 和检测信号的实部和虚部，每一个干涉仪的延迟都是2 瓦。对于解调实部的干涉仪， 下臂有一个额外的相移n 4 ，由此可以得到实部的干涉仪的输出为： q ，( 厂) = a p 卅蚂+ p 一删e 剧 ( 2 2 1 ) 吼( 厂) = 皋e 叫碱一e - j r 4 p j a d 】 ( 2 2 2 ) 在虚部干涉仪中，下臂也有额外的相移一4 ，因此两个输出端的传递函数为： 耳q ( 厂) = 去f 7 4 矾一e j ”1 4 p j a 9 ( 2 2 3 ) 皿q ( 厂) = l 。 e - j 4 1 r f - b + p 弦7 4 p 7 叫 ( 2 2 4 ) 理想的光电二极管相当于一个具有平方关系的低通滤波器，其输出电流与输 入信号的关系可以简单表示为1 = i 瓦1 2 。在平衡检测中，两个光电二极管分别与m z i 的两个输出端口相连，其输出表达式分别为： 厶= l 瓦训1 2 = 去i e 。o 一毛) 一巨。o 一矽) 】1 2 ( 2 2 5 ) 厶= j e w ，1 2 = 去j 已。一乃) 一瓦。一矽) 】j 2 ( 2 2 6 ) 光电二极管后紧接着一个减法运放器，对两个输出电流进行差分运算，就得 到了差分电流： ，= 一厶= i 。1 2 一l ：1 2 = 专瓦。一乃) + 瓦。一) 】| 2 一言| f 毛( f 一瓦) 一邑。一矽) 】j 2 = l 毛( r 一瓦) 已。一矽) l ( 2 2 7 ) 2 1 4 28 d p s k 为了更好地提高光谱效率，差分八相位相移键控( s d p s k ) 在光纤通信系统中 的研究也逐渐展开n 引。这种调制格式每个符号可以携带3 个比特的信息，使得能 在不改变现有d p s k 系统光纤链路中光器件和大部分电器件的前提下，显著的提高 系统容量，另外也能更有效的抑制s p m 、x p m 等非线性效应。正是由于这样的优势， 8 第二章光纤通信系统理论基础 下面我们将简单介绍8 d p s k 调制的光纤通信系统结构。 设光波信号为： e ( t ) = a c o s ( w j + 矽) ( 2 2 8 ) 其中，a 是振幅，彬为光信号载波频率，矽是相位。 8 d p s k 的编码原理类似于d q p s k ，它是将信息编码于连续光比特的差分相位中， 如果相位差用矽表示，则矽的取值范围是 0 ，4 ，2 ，3 丌4 ，5 4 ，3 2 ，7 兀4 ) 。 假设第n 个脉冲的复振幅是彳p 塌，h 是一个实常数，吮是第n 个脉冲的相位。 那么当接下来的比特是 0 ，0 ，0 ) ，则丸+ l = 吮；为 0 ，0 ，1 ) 时，吮+ l = 丸+ 兀4 ：为 0 ，1 ，0 ) 时，吮+ l = 吮+ n 2 ：为 0 ，1 ，1 ) 时，吮+ l = 丸+ 3 兀4 ：为 1 ，l ，0 ) 时， 吮+ l = 死+ 丌；为 1 ，o ，0 时，吮“= 吮+ 3 丌2 ：为 l ，0 ，l 时，以+ 1 = 吮+ 7 4 ；为 1 ，1 ，1 ) 时，以+ 1 = 吮+ 5 氕4 。那么当信号为 聆v ， = ( 馋- - y y ) ，那么可以得到： f p ：! ( 以一，z ，) + 竺冬一孕) ( 2 5 9 ) fc口w以w 对于普通的光纤来说，上式中右边第二项远小于第一项，那么可以得到： 1 f 。= 二( ，z ，一挖，) ( 2 6 0 ) 7 c 7 可见，偏振模色散大小与光纤的双折射强弱成正比。实际上两个正交偏振模 在传输过程中发生耦合，即总的能量在两个模式间发生交换。模式耦合发生在光 的快速模和慢速模相互传递外，而且还随着外部环境发生随机变化。由于这些随 机的变化，一段光纤的p m d 可能会与另一段光纤的p m d 叠加或抵消，从而引起p m d 的随机积累，使得总的偏振模色散是个随机量。实际光纤中的偏振模色散是光纤 双折射与随机模式耦合共同作用的结果陋3 。 偏振模色散和群速度色散都会导致信号脉冲的展宽，但是它们之间有着本质 的区别。首先，群速度色散与信号带宽成正比，而对于偏振模色散来说，即使是 单频信号也是存在偏振模色散的。其次，群速度色散由光纤结构和材料决定，其 产生的群时延是个确定量，而偏振模色散则与光纤自身结构和外界环境均有关， 由它带来的群时延是个随机量。 2 3 3 放大器 1 6 第二章光纤通信系统理论基础 2 3 3 1 放大器噪声 放大器工作过程中，受激辐射对信号增益产生贡献，而自发辐射作为噪声加 到信号之中同样被放大，称之为放大器的自发辐射噪声( a m p l i f i e ds p o n t a n e o u s e m i s s i o n ，a s e ) 。这种噪声的存在使得每经过一个放大器，光信号的信噪比存在 一定程度的恶化。s n r 的恶化程度通常用噪声系数只来表示，e 的公式如下： e = s n r , s n r , , 埘 ( 2 6 1 ) 鼢强。和s n r 删分别表示光放大器输入和输出信号的信噪比。 在散粒噪声限制的条件下，s n r m 可表示为： s n r , = z 1 2 =黑：土 ( 2 6 2 ) 2 q ( 心0 鹭2 h v a f 其中，= 矾表示光电流的平均强度，r = q h v 表示量子效率为1 0 0 的理想光 电探测器的响应度。仃2 ，= 2 q ( r p 。) 鲈表示噪声功率，表示探测器带宽，v 表示 光信号频率，q 为电荷量。 对于宽带放大器，自发辐射噪声的谱密度近似为常数( 白噪声) ，表示为： & ( v ) = ( g 一1 ) n s e h v ( 2 6 3 ) 其中n s p 为自发辐射因子或粒子数反转因子，定义为： n s p = 2 ( 2 一m ) ( 2 6 4 ) 自发辐射效应增大了放大信号的起伏，这种起伏在光电探测器中表现为电流 起伏。另外，自发辐射产生的噪声成分与放大的光信号在光探测器上相干，在光 电流中产生了类似拍频效应的外差成分，于是接收机中的噪声成分可以表示为： 仃2 = 2 9 ( r ( ；圪) 鲈+ 4 ( r g 圪) ( 兄) 鲈 ( 2 6 5 ) 其中，第一项来源于散粒噪声，第二项来源于自发辐射与信号的拍频效应。 因为i = r 嚷是平均电流，放大信号的s n r 可以得到为： s n r o , , t = 学 ( 2 - 6 6 ) 在g = i 时，可以得到： s n r o , , t = 岛 浯6 7 ， 于是放大器的噪声可以表示为： 1 7 电子科技大学硕士学位论文 e = 2 n 铲( g 一1 ) i g 2 ( 2 6 8 ) 这表明即使在玎驴= 1 的理想放大器中，放大信号的s n r 也将降低3 d b ，而在实 际的系统中，e 将远大