40Gbs单模光纤的单信道传输系统设计与分析

书目156601技术要求 1263221.1设计目的 1304311.2设计要求 1114372建立模型 1293342.1光通信系统 1244022.2调制方式 2164832.3码型选择 2162092.4码型产生 3215893仿真结果及分析 4141573.1RZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统仿真 4251003.2NRZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统仿真 6311763.3CS-RZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统仿真 7291484调试过程及结论 8302654.1非线性效应 8256074.2灵敏度 10102024.3色散容忍度 11314544.4色散补偿 1250684.5结论 1327555心得体会 13147306参考文献 1440Gb/s单模光纤的单信道传输系统设计与分析1技术要求1.1设计目的利用OptiSystem软件设计一个40Gb/s单模光纤单信道的传输系统，进行模型仿真，调试程序使其达到设计指标要求及分析仿真结果。1.2设计要求设计一个40Gb/s单模光纤单信道的传输系统，其中连续激光器的中心波长为1550nm。对比分析RZ码、NRZ码、CS-RZ等码型对其传输性能的影响，并对系统性能进行优化。2建立模型2.1光通信系统一个完整的光通信系统包括光放射部分，传输信道，中继放大，光接收部分，调制解调部分。由于本次的系统是单模光纤单信道传输系统，因此选标准单模光纤G.652作为传输介质。在传输信道中运用EDFA对信号进行无源中继放大。图1单信道光纤通信系统2.2调制方式调制方式有干脆调制与外调制两种方法，由于系统传输速率较大，只能运用外调制。图2干脆调制图3外调制2.3码型选择运用Optisystem仿真工具，对非归零（NRZ），归零（RZ）和载波抑制归零（CS-RZ）三种码型在40Gb/s单信道传输系统中的灵敏度，非线性效应和色散容忍度进行比较，并对标准单模光纤（G.652）中三种码型的单信道40Gb/s长距离传输进行了仿真，结果表明：CS-RZ具有更优的灵敏度和抗噪声实力。在较低入纤功率条件下，G.652光纤作为传输介质，CS-RZ系统的传输性能最优。光纤通信传输系统正朝着高速率、大容量、长距离的方向发展。在单波长40Gb/s或更高速率系统中，限制其传输性能的主要因素是色散、噪声及光纤的非线性。先进的调制码技术是光通信探讨的热点。10Gb/s及以下速率的光通信系统通常运用的是NRZ码,其实现简洁，成本也较低。但是对40Gb/s和更高速率系统，NRZ码由于对噪声、偏振模色散和非线性特别敏感，其传输实力受到限制。针对40Gb/s系统，人们提出许多新型码型如光双二进制(ODB)、归零码（RZ）、载波抑制归零码(CS-RZ)、归零差分移相键控码（RZ-DPSK）、非归零差分移相键控码（NRZ-DPSK）、差分正交相移键控(DQPSK)和偏振复用DQPSK等。ODB、RZ、CS-RZ属于强度调制系统，DPSK和DQPSK属于相位调制系统。将来的调制技术将把强度、相位和偏振结合起来，以提高系统的光信噪比、群速度色散和偏振模色散容限、反抗非线性的实力以及光谱效率。本文运用Optisystem仿真工具，产生了40Gb/sNRZ、RZ、CS-RZ光信号，比较其光谱、灵敏度、非线性效应和色散容忍度，并对G.652光纤中四种码型的单信道长距离传输进行仿真。2.4码型产生三种调制格式的产生装置都用Optisystem软件元件库里的元件组合成的子系统,主要用到了伪随机序列、脉冲产生器、马赫-曾德尔调制器(MZM)和激光器等器件；RZ码、NRZ码，CS-RZ码，其中CS-RZ码通过两级MZ调制的方式实现。三种调制格式的光谱如图4-1，4-2，4-3所示。图4-1NRZ图4-2RZ占空比50%图4-3CS-RZ可以看出，NRZ信号光谱，在一阶边带和基带上是最紧凑的。RZ信号光谱在基带和一阶边带都有很明显的线状光谱，且其光谱宽度比NRZ和CS-RZ都要大。CS-RZ信号光谱宽度介于NRZ信号和RZ信号之间，在载波处无线状谱。3仿真结果及分析3.1RZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统仿真图5-1RZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统仿真图图5-2RZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统BER曲线图5-3RZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统眼图3.2NRZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统仿真图6-1NRZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统仿真图图6-2RZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统BER曲线图6-3NRZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统眼图3.3CS-RZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统仿真图7-1CS-RZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统仿真图图7-2CS-RZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统BER曲线图7-3CS-RZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统眼图4调试过程及结论4.1非线性效应在单信道系统中光纤的非线性主要是自相位调制SPM，自相位调制将导致光信号频谱展宽。利用Optisystem仿真非线性效应对各种码型的影响，仿真模型主要由码型产生模块、非线性模块、光谱分析仪组成。各码型信号经非线性模块作用后，其输出频谱与其原始频谱比较，得到结果如图8-1，8-2，8-3。图8-1NRZ图8-2RZ图8-3CS-RZCS-RZ码抗非线性实力也特别好，RZ码抗非线性实力居中，NRZ码抗非线性实力最差。因为在光域中运用NRZ编码时，光比特序列的平均功率电平比RZ编码高，这使得其更简洁受到非线性失真的影响。4.2灵敏度将各种码型放射端产生的码型不进行传输干脆用接收机进行接收，可以得到各种码型的灵敏度。背靠背系统仿真模型主要由码型产生模块、PIN接收机、电滤波器、光功率计和误码分析仪组成。对四种码型进行误码测量，得到接收功率与误码率的关系，如图9所示。图9各种码型的接收端功率和误码率关系图从图9中可见，同样的误码率状况，所需接收功率CS-RZ码＜RZ码＜NRZ码。当BER=10-9，接收端所接收的光功率即为灵敏度。在本试验中，测得CS-RZ码的灵敏度为-37dBm，RZ码的灵敏度为-29dBm,NRZ码的灵敏度为-28dBm。由此可以看出，几种码型中，NRZ的灵敏度最低，须要的光信噪比（OSNR）高。这是因为CS-RZ和RZ相对于NRZ码，占空比小，在同样平均功率的条件下峰值功率高，因此灵敏度比NRZ图1各种码型的输出光谱图要小，允许接收的OSNR更低。系统仿真考虑的是志向状态，并没有考虑噪声、非线性、色散等因素，因此测得各种码型的灵敏度远远大于实际灵敏度。4.3色散容忍度不同的码型有不同的光谱，不同的光谱宽度确定了色散对不同码型的影响不一样。系统仿真模型主要由码型产生模块、可调色散模块、可调光衰减器、PIN光接收机、电滤波器和误码分析仪组成。通过变更可调色散模块的群速度色散值来表示传输中所产生的剩余色散量,不考虑传输中的非线性以及损耗的影响。得到色散量和Q值之间的关系如图10所示。图10各种码型的色散容忍度NRZ码由于频谱最窄，受群速度色散影响最小，Q值抖动最小最平坦；CS-RZ码Q值曲线也比较平坦；RZ-DPSK码、RZ码由于频谱比较宽,受群速度色散影响大，Q值抖动较大。在本试验中，测得NRZ码的色散容限为90ps/km，RZ码色散容限为55ps/km，CS-RZ码色散容限为58ps/km；可见RZ码的色散容限最低。所以，RZ码对色散效应更敏感，采纳RZ码传输，系统要求更加困难的色散管理。此试验只考虑了群速度色散(GVD)的影响，并未考虑非线性效应。事实上经过长途传输后，由于光纤非线性效应特殊是自相位调制的影响，各码型的色散容限将降低，特殊是NRZ码的色散容限将大大降低。4.4色散补偿在40Gb/s高速光纤传输系统中，需进行色散管理。光纤色散补偿的方式许多，仿真采纳最常用的SMF+DCF的配置方式进行色散补偿，由于对称补偿效果最佳，所以将DCF放置于整个系统的中间；并采纳掺铒光纤放大器(EDFA)对光纤损耗进行补偿。系统采纳的光纤模型综合考虑了群速度色散（GVD）、三阶色散(TOD)、自相位调制(SPM)及偏振模色散（PMD）等效应,光纤参数如表1所示。每个跨段由50kmG.652光纤+EDFA+20km色散补偿光纤+EDFA+50kmG.652光纤+EDFA组成，EDFA的增益为10dB，噪声指数为6dB。放射信号速率40Gb/s，序列长度128bits,每比特取样128,光源波长1550nm。入纤功率为0dBm，在接收端进行误码测量并进行Q值分析，通过变更环路限制器的环形圈数来变更整个传输长度，圈数从1变更至15，每一个跨段的距离为120km，得到接收端的Q因子与传输距离的关系如图11所示。从图中可以看出，随着传输距离的增加，各种码型的Q值随之减小。当L=9、传输距离为1080km时，CS-RZ的Q值为7.53248、RZ的Q值为6.43593、NRZ的Q值为4.70334，可知CS-RZ传输性能最佳，NRZ传输性能最差。在本试验中，最远传输距离NRZ码型达到960km,RZ码达到1080km，CS-RZ码可达到1320km(满意Q≥6，对应BER≤10-9)。图11各种码型传输距离与Q值之间的关系由于此时入纤功率较低，没有引起较大的非线性，而且光纤的色散已经完全补偿，此时限制传输距离主要因素是EDFA的ASE噪声。因此CS-RZ格式抗EDFA噪声实力最强。4.5结论本文采纳Optisystem软件对四种典型调制格式在40Gb/s单信道系统中的传输特性进行仿真，得到的主要结论如下：（1）RZ、CS-RZ两种格式都比NRZ抗非线性实力强，其中CS-RZ抗非线性实力最强。（2）RZ、CS-RZ两种格式的灵敏度都优于NRZ格式，所须要的OSNR相对较低，其中CS-RZ灵敏度最优。（3）NRZ格式由于光谱最窄，其色散容限最优，RZ码由于光谱最宽，其色散容限最低。所以在40Gb/s的传输系统中采纳RZ、CS-RZ等调制格式，要求更为困难的色散管理。（4）RZ、CS-RZ两种格式抗噪声（主要是EDFA的ASE噪声）实力都比NRZ强，其中CS-RZ码抗噪声实力最强。综上所述，CS-RZ格式性能较优，而且在较低的入纤功率条件下（即非线性效应并不突出），采纳G.652光纤作为传输介质，CS-RZ系统传输距离最长。所以在现阶段，采纳CS-RZ码从成本和性能上看，都是一个比较好的选择。5心得体会本次设计的原理比较简洁，光纤通信方面的原理学问与光纤光学部分的原理有关的学问在以前的理论课程中已经具体学过，应用起来并不困难。故本次设计的原理部分并未对对设计的顺当完成造成大的困难。但将理论学问运用于实际的设计之中却并不是一件简洁的事情，这或许就是理论与实践之间的差距吧。在设计之中，光纤通信方面的学问理解起来并不困难，但将之应用于实际设计之中之时，却遇到了较大的困难。由于对器件的了解不够，选择的器件与系统要求不匹配，导致多次的调试结果与要求相差较大，例如设置好了前一个器件，后一个器件出现问题，设置好了后一个器件，前一个器件又和系统不匹配了，反复调试与修改奢侈了大量时间。通过本次设计，我深深的体会到，在以后设计系统之前，首先要对系统有一个整体的规划，然后在将规划好的参数应用于实际的设计之中，以保证设计的顺当完成。而且在以后的学习过程中要更多地将学到的理论学问应用于实践之中，这样才能让自己学到的学问有用武之地。本次设计是我第一次运用OptiSystem软件，对OptiSystem感到特别的生疏，在运用OptiSystem完成设计时遇到了较大的困难。而且运用的OptiSystem软件的界面是英文的，这无形之中