摘 要

全光分组交换网络中先进调制格式调制器的研究具有非常重大的意义，首先这是光通信的基础，使得光在长距离传输中能够抵抗光纤的色散和非线性效应，保证数字通信质量的一种技术，同时也是为了尽可能提高频谱效率。数字信号三种最基本的调制方法ASK、FSK和PSK，其他各种调制方法都是以上方法的改进或组合。本论文主要针对QAM、RZ格式的研究，重点关注调制格式的频谱效率与误码率之间的关系，在一定条件下，通过对比分析得出适当的QAM设计可以有效提高频谱效率，适当归零比的归零码也可以提高色散容限。同时也研究了调制解调器的构成，光通信系统的整体构造并用仿真软件搭建起来以检测调制格式实际性能,主要是通过误码率，眼图等性能衡量指标,最后通过分析得出有价值的结论。

关键词：光调制；先进调制格式；调制器；色散

Abstract

The research of advanced modulation format modulators in all-optical packet switching networks is of great significance. Firstly, it is the basis of optical communication. It enables light to resist the dispersion and non-linearity effects of optical fibers in long-distance transmission and guarantees the quality of digital communication. At the same time, it is also a technology to improve the spectral efficiency as much as possible. The three most basic modulation methods of digital signal are ASK, FSK and PSK. The other modulation methods are the improvement or combination of the above methods. This paper focuses on the research of QAM and RZ formats, focusing on the relationship between the spectral efficiency and bit error rate of modulation formats. Under certain conditions, through comparative analysis, it is concluded that appropriate QAM design can effectively improve the spectral efficiency, and appropriate zero-to-zero ratio can also improve the dispersion tolerance. At the same time, the composition of modem, the overall structure of optical communication system and simulation software are also studied to detect the actual performance of the modulation format, mainly through the bit error rate, eye diagram and other performance indicators. Finally, valuable conclusions are drawn through the analysis.

Key words: optical modulation；advanced modulation format；modulator；dispersion

目录

第1章 绪言 1

1.1研究现状及目的意义 1

1.2研究采用的技术方案及措施 2

第2章 光通信系统的探究与仿真环境搭建 3

2.1光发射器 3

2.2光纤的非线性效应和色散 7

第3章 M-QAM与M-PSK的光纤传输性能研究 9

3.1 QAM发射机与接收机 9

3.2 眼图与码间串扰 14

3.3 PSK调制格式 15

3.4 QAM调制格式 18

3.5本章小结 21

第4章 RZ-PAM和NRZ-PAM的光纤传输性能研究 23

4.1 RZ-PAM的产生原理和实现器件 23

4.2 NRZ或者RZ的性能分析 24

第5章 总结与展望 30

参考文献 31

致谢 32

第1章 绪言

1.1研究现状及目的意义

在光通信中，最早的调制格式是幅度调制格式，因为调制格式简单，所以，在发射机中，通过电信号控制光载波的幅度，这样产生了载波包络随电信号变化的调幅波，经过光纤传输后，接收机中先经过光电转换为电信号后，只需要简单做个包络检测即可；幅度调制由于实现方法简单，调制解调器件结构简单易于实现，所以在光通信初期便开始大量应用了。

FSK信号是利用两种不同频率来传输一比特信号，相比于ASK，其优点是接收机灵敏度提高了一倍，但缺点是频谱效率降了一半，其实FSK可以看做是两个ASK信号叠加，也就是说将ASK发送了两遍。起先在2003年，丹麦技术大学的zhang J.F.等人提出了FSK直接调制机制，成功实现了光625Mb/s FSK信号产生；Yong Lin Yu等对直接调制机制的性能进行了分析。为了高速FSK信号产生，日本新技术实验室Ｔtetsuya kawanishi等人提出了6臂调制器的外调制机制，实现了10G/s的FSK信号调制，利用该调制器可快速、简便的实现高速FSK信号调制，也是后续进行正交调制格式的重要调制器件，为外调制技术奠定了基础。2010年到2012年，中国复旦大学的Nan Chi等人提出了基于DP化解调的多级调制FSK信号，将FSK信号的速率提升到了40G/s。此后，传输网洛出现了多速率FSK信号产生，应对复杂的接入网络^[1]。往往先进的调制格式的原理和实现方法都较为复杂，但是也有例外，比如说OOK，其实也就是ASK的一种特殊情况，至于这种调制格式为什么能够收欢迎，应该与它的调制方式简单、效果较为不错有关，像一些高速调制时也会考虑到实现的复杂程度与性能来折衷考虑。在未来5G到来后，信息量更是爆炸式增长，人与人、人与物、物与物之间都能联通，所以，为了因对未来通信需求，需要开发更宽的频谱资源，同时也需要保证高速传输网络中的通信质量，先进的调制格式也要应运而生。

在基本调制方式如振幅、相位、频率等基础上，通过改进各自的缺点，或者组合各自的优点，从而提出了许多基友实用性又有创新性的先进调制格式，比如对不归零码进行二级调制、切割波形，从而产生不同归零比的RZ码型，还有进一步结合一些优秀的编码技术，如曼彻斯特编码（MC），差分编码，载波抑制归零码（CSRZ）等等^[3]。不过这还远远不够，由于光线非线性效应与色散，简单的调制编码还不能完全发挥信道的容量潜力，最能提高频谱效率的就是QAM，对QAM的研究也是非常非常得多，也取得了非常多的实用性的成果。对于光通信领域，主要即光纤传输，因此对于光纤传输，OFDM调制格式是非常适合与先进的^[4]。再有就是光孤子系统，自从1973年被Hasegawa和Tappert提出以后，引起了人们广泛研究。空间光孤子是光束在传播过程中由非线性效应平衡衍射效应的结果，空间光孤子一直是非线性光学研究前沿。光孤子是由群速度色散和自相位调制的共同作用下形成的。光孤子在光纤中相遇后，它的幅度、相位、形状能够保持不变，这个是抵抗色散，非线性效应非常有效的一种技术。

先进调制格式涉及到光分组交换的各个方面，从边缘节点先进调制格式的调制机制、解调方式，到核屯、节点调制格式的提取方式、标签交换机制，再到传输链路中调制格式噪声性能抑制等，也直接影响到系统的传输性能，因此先进制格式是光分姐交换网络的重点技术之一^[5]。

先进调制格式是光通信研究领域的一个热点，类比无线通信中，每一代通信技术中最显著变化的技术就是调制技术了^[6]。如CDMA，OFDM再到往后的改进的OFDM，FBMC等等^[7]。一个优秀的调制技术能够对系统性能产生极大的提升，比如频谱效率，通信质量，技术成本等等，同时一个适用的调制技术也需要符合实际需要，考虑实际情况^[8]。对于当前通信量的急剧膨胀，对于通信技术的要求也越来越高了，研究先进调制格式能够充分挖掘通信信道的潜力，对提高频谱效率至关重要^[9]。

1.2研究采用的技术方案及措施

先通过查找资料了解光纤通信的发展历程与整体趋势，了解光纤通信的特点，最后重点关注光纤通信中调制解调的技术趋势，特别是一些先进的调制格式^[10]。了解目前光纤传输系统中普遍采用关键器件^[11]，包括马赫增德尔调制器和马赫增德尔延时干涉仪，并推导其光电转换中的性能与调制的性能，目前光纤通信系统中普遍采用的调制格式的调制与解调方法^[12]，光纤通信系统性能的主要衡量指标^[13]。研究高速光纤通信系统中调制器技术和光纤链路的色散和非线性效应以及所采用的先进光调制格式^[14]。

研究幅度-相位联合键控调制格式和多种RZ的性能。先从理论上分析调制格式的色散容限和非线性容限，再通过仿真软件搭建出光通信仿真系统，以此来验证调制格式抵抗光纤链路的色散和非线性效应对波形的展宽的效果，主要是通过误码率，眼图等性能衡量指标。

对于幅度相位联合键控调制格式和RZ码型，给出其调制和解调结构，并且详细推导调制与解调原理。通过搭建40Gb/s的光纤链路仿真，详细研究色散和非线性特性对此种调制性能的影响，对比其他调制格式来分析色散和非线性性能，通过多次大量实验对比得出有价值的结论。

第2章 光通信系统的探究与仿真环境搭建

2.1光发射器

OptiSystem光学系统是一种光通信系统仿真包，用于设计、测试和优化广谱光网络物理层中几乎任何类型的光链路，从模拟视频广播系统到洲际主干网。基于光纤通信系统真实建模的系统级模拟器，光学系统具有强大的仿真环境和真实的组件和系统层次定义。通过向一系列广泛使用的工具中添加用户组件和无缝接口，可以轻松扩展其功能。

从有线电视/WDM网络设计、SONET/SDH环设计到地图设计、发射机、信道、放大器和接收机设计，光学系统的应用范围很广。Optisystem包含一个Matlab组件，该组件允许用户在其环境中调用Matlab，以将新组件或模型合并到软件中。Optisystem使用Matlab.dll文件评估组件中的Matlab脚本以执行计算。屡获殊荣的OptiSystem可以最大限度地减少时间要求，并降低与光学系统，链路和组件设计相关的成本。OptiSystem是一种创新，快速发展，功能强大的软件设计工具，使用户能够规划，测试和模拟从LAN，SAN，MAN到超长的广泛光网络传输层中的几乎所有类型的光链路。 -运输。它提供从组件到系统级的传输层光通信系统设计和规划，并直观地呈现分析和场景。

OptiSystem旨在满足研究科学家，光学电信工程师，系统集成商，学生和各种其他用户的需求，满足不断发展的光子学市场对功能强大且易于使用的光学系统设计工具的需求。

光发射器是一个电光转换的器件，能够发射光信号，它通常以dBm为单位表示，参考功率为1 mW，发射器如图2.1。

图2.1 发射器

半导体激光调制响应：当使用直接调制激光器用于高速传输系统时，调制频率应该不大于弛豫振荡的频率。弛豫振荡取决于载流子寿命和光子寿命。弛豫振荡频率随激光偏置电流而增加。演示高速系统的性能，同时使用调制频率和增加共振频率（通过提高系统性能）和激光偏置电流，显然，频率远高于谐振频率的调制会导致较差的系统性能，该眼图如图2.2。

图2.2 眼图

为证明偏置电流对谐振频率的影响，从而对固定比特率的系统性能的影响。使用1.3Gb/s传输，保持所有其他参数相同，并使用IB = 20mA，可以清楚地证明偏置电流降低到其阈值以下会导致系统性能下降。眼图如图2.3。

图2.3 眼图

半导体激光大信号调制：大信号特性与激光二极管的数字开/关切换有关。首先，我们将展示实现粒子数反转以产生增益所需的延迟时间。其次，我们将演示半导体激光器幅度和相位调制的直接调制的典型。对于完全关闭的激光器，载流子寿命将限制调制速率。需要实现倒置以产生收益。可以通过将二极管偏置在激光阈值电流来消除时间延迟。数值参数：比特率为1Gb/s，序列长度为8比特，因此，时间窗口为8ns。每位采样数为512，因此采样率约为500GHz。因此，默认分辨率约为120MHz，初始电脉冲如图2.4。

图2.4 初始电脉冲

而在接下来的两个图中显示了生成的光脉冲，调制峰值功率电流I=50mA。在图2.5左侧的图中，IB=10mA，低于默认值Ith=33.46mA，在右图中，IB=Ith=10mA。在IB=10mA的情况下，当我们取T=Tsp时，td约为0.6ns，生成的光脉冲对比如图2.5。

图2.5 生成的光脉冲对比

当我们将左边的图形产生的光脉冲与电脉冲进行比较时，我们可以看到光脉冲出现的时间延迟，大约为0.6ns。如果我们将右边图表中产生的光脉冲与电脉冲进行比较，我们看到时间延迟td约为0。

Mach-Zehnder锂铌酸盐调制器中的啁啾：下面是证明施加到调制器臂的电压与MZ铌酸锂调制器输出中的啁啾之间的关系。啁啾是高比特率光波系统中的关键因素，因为它可以干扰系统距离的限制。外部调制器提供了一种减少或消除啁啾的方法，因为激光源保持在窄线宽，稳态模式。外部调制器通常是LiNbO3调制器或电吸收调制器。在本设计中，基于操作电压由LiNbO 3产生的啁啾。这里，调制器双驱动设计中两臂电压ΔV1=-ΔV2。

调制器工作在正交模式。这意味着偏置电压将调制器置于光学响应曲线的中点，因此，强度为其峰值的一半。消光比设置为200dB，以避免由不对称Y分支波导引起的任何啁啾。调制器设置为以非标准化方式工作，这意味着电输入信号将不被标准化。对于双驱动调制器，几何形状对于两个臂完全相同。为了从调制器实现零啁啾，所施加的两臂电压之间的关系必须是V1= -V2。光信号的幅度在0到1mW之间变化,啁啾的幅度大约为100赫兹（由于其值很小，因此可以认为它几乎为零）。

为显示在施加电压的变化的线性调频的值的差，将峰-峰电压设定为V1PP= 3.0V，V2PP=1.0V，以得到α= 0.5。光信号似乎相同，但是，信号中的啁啾却达到3G。对于α= -0.5，峰-峰电压设定为V1PP=1.0V，V2PP= 3.0V，啁啾达到了3G。Mach-zehnder调制器中输出信号的啁啾可以通过调节施加在调制器臂上的电压来控制。

2.2光纤的非线性效应和色散

光纤的色散是由于光穿过时发生散射导致光信号的失真。其实质是由于不同光频率经过光纤的传播速度不同而导致的不同频率成分的延迟，也就是说经过一定距离后，信号脉冲会发生展宽。展宽的前后脉冲之间如果距离非常小，就会导致两个脉冲相互干扰，也就是所谓码间干扰，限制了光纤的带宽和光信号高速传输的中继距离。 

在光学中，色散是波的相速度依赖于其频率的现象。具有这种共同性质的介质可以称为分散介质。有时，术语“色分散”用于表示特异性。虽然这个术语在光学领域被用来描述光和其他电磁波，但同样意义上的色散也适用于任何类型的波运动，如声波和地震波的声色散、重力波（海浪）以及沿传输线的电信信号（如同轴电缆）。或光纤。在色散棱镜中，材料色散（波长相关的折射率）使不同的颜色以不同的角度折射，将白光分解成光谱。通过阿米西棱镜看到的紧凑型荧光灯。在光学中，色散的一个重要和常见的后果是不同颜色的光的折射角的变化，如在由色散棱镜产生的光谱和透镜的色差中所见。复合消色差透镜的设计主要消除了色差，它使用了由阿贝数v给出的玻璃色散的量化，其中较低的阿贝数对应于可见光谱上较大的色散。在某些应用中，例如电信，波的绝对相位通常不重要，但只重要波包或“脉冲”的传播；在这种情况下，人们只关心群速度随频率的变化，即所谓的群速度色散。

最常见的是，色散是指体积材料的色散，即折射率随光学频率的变化。然而，在波导中也存在波导色散现象，在这种情况下，由于结构的几何结构，波在结构中的相速度仅取决于其频率。例如，在光纤中，材料和波导的色散可以有效地相互抵消，产生一个零色散波长，这对于快速光纤通信很重要。

在产生短脉冲的激光器中，色散控制也很重要。光学谐振器的整体色散是决定激光脉冲持续时间的一个主要因素。可以设置一对棱镜来产生净负色散，这可以用来平衡激光介质通常的正色散。衍射光栅也可用于产生色散效应；这些通常用于高功率激光放大器系统。最近，人们发明了一种替代棱镜和光栅的方法：啁啾反射镜。这些介质反射镜的涂层使得不同的波长具有不同的穿透长度，因此具有不同的群延迟。可对涂层进行调整以实现净负分散。
脉冲展宽的原因有很多，可以从多个方面来看待，对于多模光纤主要有模式色散、材料色散和波导色散等，其中模式色散是主要因素。而对于单模光纤，就会简单许多，因为单模光纤由于只传输一种模式，故不存在模式色散，所以单模光纤现在用途非常大，实用性非常高，但是单模光纤中也会有许多其他非线性因素，如材料色散，不同的材料会导致不同的脉冲失真，波导色散也是其中之一，除此之外，还有偏振模色散的影响，偏振模色散是因为光纤并非轴对称的，所以导致周期性的色散效果。由于光纤的模式色散比材料色散的影响大得多，因此多模光纤的带宽受到了很大的限制。总之，色散对信号会有非常大的影响。 

第3章 M-QAM与M-PSK的光纤传输性能研究

3.1 QAM发射机与接收机

星型QAM发射机：与纯相位调制相比，组合相位和幅度调制（正交幅度调制，QAM）表现出较小的相位数表示相同数量的符号。星座点可以安排在一个正方形（方形QAM格式）或它们可以位于多个圆圈。对于Star QAM格式，相位以相等的间距排列对于Star 16QAM，任意两个符号的相位差对应于星座图和相位信息中定义的相位状态，可以对DPSK格式进行差分编码^[15]。因此，Star QAM发出信号差分编码相位适合于由具有差分检测的接收器检测。相比之下，方形QAM信号可以通过相同的同步接收机方便地检测，但也可以通过差分检测来检测发射机采用相位预积分。用差分编码实现Star QAM信号的生成相位，相同的设备可以用于DPSK发射机^[16]。DPSK发射器、串联或并联配置仅需要通过额外的MZM进行强度调制，以便能够放置符号在不同的强度环上。原则上，任意Star QAM星座都是可能的。Star 8QAM发射器可以由DQPSK发射器和一个额外的MZM组成，可以使用与DQPSK发射器相同的差分编码器。Star的发射器16QAM由8DPSK发射器组成，由MZM扩展用于强度调制，星型QAM串行发射机如图3.1。

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