40Gbs单模光纤的单信道传输系统设计与分析

40Gbs单模光纤的单信道传输系统设计与分析武汉理工大学《专业课程设计4》课程设计说明书目录1 技术要求 ..................................................................... . (1)1.1 设计目的 ..................................................................... (1)1.2 设计要求 ..................................................................... ...................................................... 1 2 建立模型 ..................................................................... . (1)2.1 光通信系统 ..................................................................... .. (1)2.2调制方式 ..................................................................... . (1)2.3码型选择 ..................................................................... . (2)2.4 码型产生 ..................................................................... ...................................................... 3 3 仿真结果及分析 ..................................................................... . (4)3.1 RZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统仿真 (4)3.2 NRZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统仿真 (6)3.3 CS-RZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统仿真 (7)4 调试过程及结论 ..................................................................... . (8)4.1 非线性效应 ..................................................................... .. (8)4.2 灵敏度 ..................................................................... .. (10)4.3 色散容忍度 ..................................................................... (11)4.4 色散补偿 ..................................................................... . (12)4.5 结论 ..................................................................... (13)5 心得体会 ..................................................................... .. (13)6 参考文献 ..................................................................... .. (14)武汉理工大学《专业课程设计4》课程设计说明书40Gb/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发射部分，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。

在传输信道中使用EDFA对信号进行无源中继放大。

图1单信道光纤通信系统1武汉理工大学《专业课程设计4》课程设计说明书2.2调制方式调制方式有直接调制与外调制两种方法，由于系统传输速率较大，只能使用外调制。

图2直接调制图3外调制2.3码型选择使用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能力。

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研究的热点。

10Gb/s及以下速率的光通信系统通常使用的是NRZ 码,其实现简单，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非常敏感，其传输能力受到限制。

针对40Gb/s 系统，人们提出很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。

未来的调制2武汉理工大学《专业课程设计4》课程设计说明书技术将把强度、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、抵抗非线性的能力以及光谱效率。

本文使用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4-1 NRZ图4-2 RZ占空比50%3武汉理工大学《专业课程设计4》课程设计说明书图4-3 CS-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3.1 RZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统仿真图5-1 RZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统仿真图4武汉理工大学《专业课程设计4》课程设计说明书图5-2 RZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统BER曲线图5-3 RZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统眼图5武汉理工大学《专业课程设计4》课程设计说明书 3.2 NRZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统仿真图6-1 NRZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统仿真图图6-2 RZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统BER曲线6武汉理工大学《专业课程设计4》课程设计说明书图6-3 NRZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统眼图3.3 CS-RZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统仿真图7-1 CS-RZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统仿真图7武汉理工大学《专业课程设计4》课程设计说明书图7-2 CS-RZ信号的40Gb/s单模光纤单信道的传输系统BER曲线图7-3 CS-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8武汉理工大学《专业课程设计4》课程设计说明书展宽。

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8-1 NRZ图8-2 RZ9武汉理工大学《专业课程设计4》课程设计说明书图8-3 CS-RZCS-RZ 码抗非线性能力也非常好，RZ 码抗非线性能力居中，NRZ 码抗非线性能力最差。

因为在光域中使用NRZ 编码时，光比特序列的平均功率电平比RZ 编码高，这使得其更容易受到非线性失真的影响。

4.2 灵敏度将各种码型发射端产生的码型不进行传输直接用接收机进行接收，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10武汉理工大学《专业课程设计4》课程设计说明书从图9中可见，同样的误码率情况，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，需要的光信噪比(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。