光纤实训、

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——关于数字调制的光纤实验

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【引言】............................................................................................... 1 【摘要】............................................................................................... 2 一、几种常见调制方式的简介 ........................................................ 4 1．ASK幅移键控（Amplitude Shift Keying） .......................... 4 2、FSK频移键控（Frequency Shift Keying） ........................... 5 3、PSK相移键控（Phase Shift Keying） ................................... 6 4、QAM正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation) ....9 5、QPSK四相移键控 （QuadriPhase Shift Keying）..............10

6、OQPSK 偏移四相相移键控（offset-QPSK） .................... 12 7、DPSK差分移相键控 （ differential phase shift keying ）13 二、OptiSystem 应用软件简介 ....................................................... 14 三、实验内容 .................................................................................... 19 1、DPSK Step 1 - Pulse generator 差分移相键控脉冲发生器 . 20 2、DPSK Step 2 - Coding and decoding 编码和解码 ............. 22 3、DPSK Step 5 - Transmitter and receiver发射机和接收机 ... 23 4、Manchester - Fiber Link曼彻斯特-光纤链路 ....................... 24 5、OQPSK - Transmitter and receiver 偏移四相相移键控 -发射机和接收机 .................................................................................. 26 6、PAM - Fiber Link 脉幅调制 帕姆-光纤链路 ...................... 29 四、实验小结 .................................................................................... 31 五、参考文献.............................................................................33

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【引言】

现代通信系统中，数字调制技越来越广泛，现有的通信系统都在由模拟方式向数字方式过渡。数字通信技术采用数字技术进行加密和差错控制，便于集成，因此数字通信具有模拟通信不可比似的优势。

数字调制是指用数字基带信号对载波的某些参数进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化的变化而变化。根据控制的载波参量的不同，数字调制有调幅，调相和调频三种基本形式，并可以派生出多种其他形式。由于传输失真，传输损耗以及保证带内特性的原因，基带信号不适合在各种信道上进行长距离传输。为了进行长途传输，必须对数字信号进行载波调制，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。因此，大都分现代通信系统都使用数字调制技术。另外，由于数字通信具有建网灵活，灵活容易采用数字OQPSK也称为偏移四相相移键控差错控制技术和数字加密，便于集成化，并能够进入综合业务数字网（ISDN），所以通信系统都有由模拟方式向数字方式过渡的趋势。因此，对数字通信系统的分析与研究越来越重要，数字调制作为数字通信系统的重要都分之一，对它的研究也是有必要的。通过对调制系统的仿真，我们可以更加直观的了解数字调制系统的性能及影响性能的因素，从而便于改进系统，获得更佳的传输性能。

常见的数字调制方法如：

ASK ——幅移键控调制，把二进制符号0和1分别用不同的幅度来表示。 FSK ——频移键控调制，即用不同的频率来表示不同的符号。如2KHz表示0，3KHz表示1。

PSK——相移键控调制，通过二进制符号0和1来判断信号前后相位。如1时用π相位，0时用0相位。

GFSK——高斯频移键控，在调制之前通过一个高斯低通 滤波器来限制信号的频谱宽度 。

GMSK —— 高斯滤波最小频移键控，GSM系统所用调制技术。 QAM——正交幅度调制。 DPSK——差分相移键控调制。 OQPSK——偏移四相相移键控。

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【摘要】

1934年美国学者李佛西提出脉冲编码调制（PCM）的概念，从此之后通信

数字化的时代应该说已经开始了，但是数字通信的高速发展却是20世纪70年代以后才开始的。随着时代的发展，用户不再满足于听到声音，而且还要看到图像；通信终端也不局限于单一的电话机，而且还有传真机和计算机等数据终端。现有的传输媒介电缆、微波中继和卫星通信等将更多地采用数字传输。

1、数字调制概述 数字信号的载波调制是信道编码的一部分，之所以在信源编码和传输通道之间插入信道编码是因为通道及相应的设备对所要传输的数字信号有一定的限制，未经处理的数字信号源不能适应这些限制。由于传输信道的频带资源总是有限的，因此在充分得利用现有资源的前提下，提高传输效率就是通信系统所追求的最重要指标之一。模拟通信很难控制传输效率，最常见到的单边带调幅（SSB）或残留边带调幅（VSB）可以节省近一半的传输频带。由于数字信号只有―0和―1两种状态，所以数字调制完全可以理解为像报务员用开关键控制载波的过程，因此数字信号的调制方式一般均为较简单的键控方式。 常用的数字调制技术有2ASK（Amplitude Shift Keying，幅移键控）、4ASK、8ASK、BIT/SK（Phase Shift Keying，相移键控）、QPSK、8PSK、2FSK、4FSK等，频带利用率从1bit/s/Hz～3bit/s/Hz。更有将幅度与相位联合调制的QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅调制）技术，目前数字微波中广泛使用的256QAM，其频带利用率可达8bit/s/Hz，8倍于2ASK或BIT/SK。此外，还有可采用减小相位跳变的MSK等特殊的调制技术，为某些专门应用环境提供了强大的工具。近年来，四维调制等高维调制技术的研究也得到了迅速发展，并已应用于高速MODEM中，为进一步提高传输效率奠定了基础。总之，数字通信所能够达到的传输效率远远高于模拟通信，调制技术的种类也远远多于模拟通信，大大提高了用户根据实际应用需要选择系统配置的灵活性。

2、映射 信息与表示、承载它的信号之间存在着对应关系，这种关系称为―映射。接收端正是根据事先约定的映射关系从接收信号中提取发射端发送的信息的。信息与信号间的映射方式可以有很多种，不同的通信技术就在于它们所

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采用的映射方式不同。实际上，数字调制的主要目的在于控制传输效率，不同的数字调制技术正是由其映射方式区分的，其性能也是由映射方式决定的。 一个数字调制过程实际上是由两个独立的步骤实现的：映射和调制，这一点与模拟调制不同。映射将多个二元比特转换为一个多元符号，这种多元符号可以是实数信号（在ASK调制中），也可以是二维的复信号（在PSK和QAM调制中）。例如在QPSK调制的映射中，每两比特被转换为一个四进制的符号，对应着调制信号的4种载波。多元符号的元数就等于调制星座的容量。在这种多到一的转换过程中，实现了频带压缩。

3、调制方式 数字调制就是将数字符号变成适合于信道传输的波形。所用载波一般是余弦信号，调制信号为数字基带信号。利用基带信号去控制载波的某个参数，就完成了调制。 调制的方法主要是通过改变余弦波的幅度、相位或频率来传送信息。其基本原理是把数据信号寄生在载波的上述三个参数中的一个上，即用数据信号来进行幅度调制、频率调制或相位 调制。数字信号只有几个离散值，因此调制后的载波参数也只有有限个值，类似于用数字信息控制开关，从几个具有不同参量的独立振荡源中选择参量，为此把数字信号的调制方式称为―键控 。

数字调制分为调幅、调相和调频三类，分别对应―幅移键控（ASK）、―相移键控（PSK）和―频移键控（FSK）三种数字调制方式。在―幅移键控方式中，当―1出现时接通振幅为A的载波，―0出现时关断载波，这相当于将原基带信号（脉冲列）频谱搬到了载波的两侧。如果用改变载波频率的方法来传送二进制符号，就是―频移键控的方法，当―1出现时是低频，―0出现时是高频。这时其频谱可以看成码列对低频载波的开关键控加上码列的反码对高频载波的开关键控。如果用―0和―1来改变载波的相位，则称为―相移键控。这时在比特周期的边缘出现相位的跳变，但在间隔中部保留了相位信息。接收端解调通常在其中心点附近进行。一般来说，PSK系统的性能要比开关键控FSK系统好，但必须使用同步检波。 调制的基本原理是用数字信号对载波的不同参量进行调制，其基本公式如下： 载波S（t） = Acos（ωt+ψ） S（t）的参量包括：幅度A、频率ω、初相位ψ，调制就是要使A、ω或ψ随数字基带信号的变化而变化。其中ASK调制方式是用载波的两个不同振幅表示0和1；FSK调制方式是用载波的

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图1-8 ASK、FSK、PSK波形比较

4、QAM正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation）

QAM（Quadrature Amplitude Modulation）就是用两个调制信号对频率相同、相位正交的两个载波进行调幅，然后将已调信号加在一起进行传输或发射。在NTSC制和PAL制中形成色度信号时，用的就是正交调幅方式将两个色差信号调制到色度副载波上。

QAM也可用于数字调制。数字QAM有4QAM、8QAM、16QAM、32QAM等调制方式。其中，16QAM和32QAM广泛用于数字有线电视系统。下面以16QAM为例介绍其原理。 图1-8给出了16QAM调制器框图及星座图。作为调制信号的输入二进制数据流经过串—并变换后变成四路并行数据流。这四路数据两两结合，分别进入两个电平转换器，转换成两路4电平数据。例如，00转换成–3，01转换成–1，10转换成1，11转换成3。这两路4电平数据g1（t）和g2（t）分别对载波cos2πfct和sin2πfct进行调制，然后相加，即可得到16QAM信号。

QAM调制效率高，要求传送途径的信噪比高，适合有线电视电缆传输。在美国，正交调幅通常用在地面微波链路，不用于国内卫星，欧洲的电缆数字电视采用QAM调制，而加拿大的卫星采用正交调幅。QAM是幅度、相位联合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相 位来传递信息比特，因此在最小距离相同的条件下，QAM星座图中可以容纳更多的星座点，即可实现更高的频带利用

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率，目前QAM星座点最高已可达256QAM。

PSK只利用了载波的相位，它所有的星座点只能分布在半径相同的圆周上。当星座点较多时，星座点之间的最小距离就会很密，非常容易受到噪声干扰的影响。调制技术的可靠性可由相邻星座点之间的最小距离来衡量，最小距离越大，抵抗噪声等干扰的能力越强，当然前提是信号的平均功率相同。当噪声等干扰的幅度小于最小距离的1/2时，解调器不会错判，即不会传输误码；当噪声等干扰的幅度大于最小距离的1/2时，将传输误码。因此PSK一般只用在8PSK以下，常用的是BIT/SK和QPSK。当星座点进一步增加时，即需要更高的频带利用率时，就要采用QAM调制。在PSK中I信号和Q信号互相不独立，为了得到恒定的包络信号，它们的数值是受到限制的，这是PSK信号的基本特性。如果去掉这一限制，就得到正交幅度调制QAM。作为一个特例，当每个正交信号只有两个数值时，QAM与4-PSK完全相同。当M>4时QAM的信号星座呈正方形分布，而不再像PSK那样沿着一个固定的圆周分布。

图1- 8 16QAM调制器框图及星座图

5、QPSK四相移键控 （QuadriPhase Shift Keying）

QPSK（QuadriPhase Shift Keying）数字解调包括：模数转换、抽取或插值、匹配滤波、时钟和载波恢复等。

在实际的调谐解调电路中，采用的是非相干载波解调，本振信号与发射端的载波信号存在频率偏差和相位抖动，因而解调出来的模拟I、Q基带信号是带

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有载波误差的信号。这样的模拟基带信号即使采用定时准确的时钟进行取样判决，得到的数字信号也不是原来发射端的调制信号，误差的积累将导致抽样判决后的误码率增大，因此数字QPSK解调电路要对载波误差进行补偿，减少非相干载波解调带来的影响。此外，ADC的取样时钟也不是从信号中提取的，当取样时钟与输入的数据不同步时，取样将不在最佳取样时刻进行所得到的取样值的统计信噪比就不是最高，误码率就高，因此，在电路中还需要恢复出一个与输入符号率同步的时钟，来校正固定取样带来的样点误差，并且准确的位定时信息可为数字解调后的信道纠错解码提供正确的时钟。校正办法是由定时恢复和载波恢复模块通过某种算法产生定时和载波误差，插值或抽取器在定时和载波误差信号的控制下，对A/D转换后的取样值进行抽取或插值滤波，得到信号在最佳取样点的值，不同芯片采用的算法不尽相同，例如可以采用据辅助法(DA)载波相位和定时相位联合估计的最大似然算法。

数字调制用“星座图”来描述，星座图中定义了一种调制技术的两个基本参数：（1）信号分布；（2）与调制数字比特之间的映射关系。星座图中规定了星座点与传输比特间的对应关系，这种关系称为“映射”，一种调制技术的特性可由信号分布和映射完全定义，即可由星座图来完全定义。四相相移调制是利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息，是四进制移相键控。QPSK是在M=4时的调相技术，它规定了四种载波相位，分别为45°，135°，225°，315°，调制器输入的数据是二进制数字序列，为了能和四进制的载波相位配合起来，则需要把二进制数据变换为四进制数据，这就是说需要把二进制数字序列中每两个比特分成一组，共有四种组合，即00，01，10，11，其中每一组称为双比特码元。每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成，它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。QPSK中每次调制可传输2个信息比特，这些信息比特是通过载波的四种相位来传递的。解调器根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发送端发送的信息比特。

首先将输入的串行二进制信息序列经串－并变换，变成m=log2M个并行数据流，每一路的数据率是R/m，R是串行输入码的数据率。I/Q信号发生器将每一个m比特的字节转换成一对（pn，qn）数字，分成两路速率减半的序列，电平发生器分别产生双极性二电平信号I(t)和Q(t)，然后对coswct和sinwct进行

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调制，相加后即得到QPSK信号。

QPSK是一种频谱利用率高、抗干扰性强的数调制方式, 它被广泛应用于各种通信系统中. 适合卫星广播。例如，数字卫星电视DVB-S2 标准中，信道噪声门限低至4. 5 dB，传输码率达到45M b。

6、OQPSK 偏移四相相移键控（offset-QPSK）

是QPSK的改进型。它与QPSK有同样的相位关系，也是把输入码流分成两路，然后进行正交调制。不同点在于它将同相和正交两支路的码流在时间上错开了半个码元周期。由于两支路码元半周期的偏移，每次只有一路可能发生极性翻转，不会发生两支路码元极性同时翻转的现象。因此，OQPSK信号相位只能跳变0°、±90°，不会出现180°的相位跳变。

OQPSK信号可采用正交相干解调方式解调，它与QPSK信号的解调原理基本相同，其差别仅在于对Q支路信号抽样判决时间比I支路延迟了T/2，这是因为在调制时Q支路信号在时间上偏移了T/2，所以抽样判决时刻也应偏移T/2，以保证对两支路交错抽样。

OQPSK克服了QPSK的l80°的相位跳变，信号通过BPF后包络起伏小，性能得到了改善，因此受到了广泛重视。但是，当码元转换时，相位变化不连续，存在90°的相位跳变，因而高频滚降慢，频带仍然较宽。

图1-9 键控法调制原理

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7、DPSK差分移相键控 （ differential phase shift keying ）

DPSK （ differential phase shift keying ）具有很好的解调性能，因此将DPSK自适应解调的误码性能与 DPSK 相干解调性能作比较具有重要意义。在二进制相移键控方式中，有绝对调相和相对解调两种方式。近年来自适应滤波(ADF)技术在通信系统中应用越来越广泛，如自适应干扰抵消、自适应频率跟踪与检测等。随着大规模集成电路技术的发展，采用现有的DSPK使自适应滤波技术的关键算法付诸于工程实际已有可能。DPSK调制解调是数据传输的常用手段之一。常用的DPSK解调方法有两种，即差分相干解调和相干解调法。DPSK相干解调的性能较好而常常被采用，其性能优劣主要在于如何得到同频同相载波。相干解调在实现上结构复杂、成本高，在工作频率高的场合下实现难度较大。自适应滤波技术中的单频跟踪技术在运用于信号解调时，兼有锁相和相干解调的功能，通过检测2DPSK信号的相位信息并适当调整跟踪步长，可以获得优良的解调性能。

2DPSK方式即是利用前后相邻码元的相对相位值去表示数字信息的一种方

式。现假设用Φ表示本码元初相与前一码元初相之差，并规定：Φ＝0表示0码，Φ＝π表示1码。则数字信息序列与2DPSK信号的码元相位关系可举例表示如2PSK信号是用载波的不同相位直接去表示相应的数字信号而得出的，在接收端只能采用相干解调。 在这种绝对移相方式中，发送端是采用某一个相位作为基准，所以在系统接收端也必须采用相同的基准相位。如果基准相位发生变化，则在接收端回复的信号将与发送的数字信息完全相反。所以在实际过程中一般不采用绝对移相方式，而采用相对移相方式。 定义△Φ为本码元初相与前一码元初相之差，假设： △Φ=0代表数字信息“0”； △Φ=π代表数字信息“1”； 则数字信息序列与2DPSK信号的码元相位关系可举例表示如下： 数字信息： 1011011101 2DPSK信号相位：

图1-10 2DPSK调制与解调总原理框图

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? 2DPSK信号的调制原理

一般来说，2DPSK信号有两种调试方法，即模拟调制法和键控法。2DPSK信号的模拟调制法框图如图2所示，其中码变换的过程为将输入的单极性不归零码转换为双极性不归零码。????

图1-11 模拟调制法

2DPSK信号的的键控调制法框图如图3所示，其中码变换的过程为将输入的基带信号差分，即变为它的相对码。选相开关作用为当输入为数字信息“0” 时接相位0，当输入数字信息为“1”时接 π?。

图1-12 键控法调制原理

二、OptiSystem 应用软件简介

OptiSystem (光通信系统设计软件)，什么是Optisystem？光通讯系统正在变得日益复杂。这些系统通常包含多个信号通道、不同的拓扑结构、非线性器件和非高斯噪声源，对们的设计和分析是相当的复杂和需要高强度劳动的。先进的软件工具使得这些系统的设计和分析变得迅速而有效。

OptiSystem是一款创新的光通讯系统模拟软件包，它集设计、测试和优化

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各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身，从长距离通讯系统到 LANS和MANS都适用。一个基于实际光纤通讯系统模型的系统级模拟器，OptiSystem具有强大的模拟环境和真实的器件和系统的分级定义。它的性能可以通过附加的用户器件库和完整的界面进行扩展，而成为一系列广泛使用的工具。全面的图形用户界面控制光子器件设计、器件模型和演示。巨大的有源和无源器件的库包括实际的、波长相关的参数。参数的扫描和优化允许用户研究特定的器件技术参数对系统性能的影响。因为是为了符合系统设计者、光通讯工程师、研究人员和学术界的要求而设计的，OptiSystem满足了急速发展的光子市场对一个强有力而易于使用的光系统设计工具的需求。

优点 ·投资风险大幅度降低，快速投入市场 ·快速、低成本的原型设计 ·系统性能的全面认识

·辅助设计容差参数的参数灵敏性评估 ·面向用户的直观的设计选项和脚本 ·直接存取大规模的系统特征数据 ·自动的参数扫描和优化应用

OptiSystem允许对物理层任何类型的虚拟光连接和宽带光网络的分析，从远距离通讯到MANS和LANS都适用。它的广泛应用包括:

·物理层的器件级到系统级的光通讯系统设计 ·CATV或者TDM?WDM网络设计

·SONET?SDH的环形设计，Radio over Fiber系统，自由空间光通信系统（FSO）

·传输器、信道、放大器和接收器的设计 ·色散图设计

·不同接受模式下误码率（BER）和系统代价（penalty）的评估 ·放大的系统BER和连接预算计算主要特点.

1． 器件库 为了完全发挥效率，器件模块应该再现真实器件的实际的性能，确定由于选择精度和效率引起的影响。OptiSystem器件库中包括了超过200种的模型，为了给出那些与实际应用相比较的结果，这些模块都已被仔细的测试过了。

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2． 器件测量 OptiSystem能让用户进入那些可以从实际的器件中测量的参数。 3． 与Optiwave软件工具的集成 在子系统级和器件级上，OptiSystem允许用户将其它Optiwave软件工具集成使用：OptiAmplifier，OptiBPM，OptiGrating和OptiFiber。

4． 混合信号表示 在器件库中，对于光信号和电信号，OptiSystem处理混合信号格式。OptiSystem将根据模拟所需的精度和效率来选择合适的算法来计算。 5． 质量和性能的算法 为了预测系统性能，OptiSystem将采用分析法，或者对于受中间信号串扰和噪声所限制的系统采用半分析技术，分别计算出诸如BER和Q因子等参数。

6． 高级的可视化工具 高级的可视化工具可以生成OSA频谱、示波器和眼图（EYE Diagram）。信号功率、增益、噪声系数以及OSNR也包含在WDM分析工具中。

7． 数据监视器 在模拟完成后，用户可以选择器件的端口的数据来存储，并且显示在监视器上。这就使用户可以在模拟完成后直接处理，而不必重新计算。在同一个端口，用户可以在显示器上打开任意数目的观察仪。

8． 用子系统分级模拟 为了使模拟工具灵活和有效，那么在系统级、子系统级和器件级等不同层次上，提供模型就是必需的。OptiSystem的特点是器件和系统的真正分级定义，是用户在器件级的集成和光纤光学方面可以使用特殊的软件工具，并且使模拟可以达到制定的精度要求。

9． 自定义器件 用户可以基于子系统和自定义库，或者利用诸如Matlab之类的第三方软件工具来联合模拟，来创建新的器件。

10．脚本语言 用户可以输入代数表达式和设置在器件和子系统都可以使用的符号参数。

11．状态技术 计算数据流计算调度程序根据选择的数据流模式，通过确定器件模块的执行等级来控制模拟过程。处理传输层模拟的主数据流模型是器件迭代数据流（CIDF）。CIDF域使用运行调度法、支持条件、数据相关迭代和真循环。 12．复合方案图 用户可以使用相同的方案文件创建多个设计，每个方案文件允许用户快速而有效的创建和修改自己的设计。每个方案文件包含多个设计版本。这些设计版本的计算和修改是相互独立的，但是不同的设计版本的计算结果

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可以合并起来。这就允许用户可以比较这些设计。

13．并行计算 如果能够对两个器件同时进行计算，那么它们也能在不同的线程中更有效的被调度。根据可利用的计算资源，用户可以控制线程的数目，加速计算的过程。

14．图形和结果管理器 直观的图形管理使用户可以用图形表示出几乎全部的设计中设置的参数。生成的图形组成大小可调、可以移动的图形窗口，这些窗口可以形成一个可以保存和重新使用的结果图。

15．参数扫描和优化 使用参数的迭代变化，模拟可以反复进行。OptiSystem也能优化任何参数，使任何结果最大或者最小，或者搜寻目标结果。用户可以多参数扫描和复合优化。

16． 发射器 发射器件库包括了所有与光信号产生和编码相关的器件，例如半导体激光器、调制器、编码器和比特序列发生器等。半导体激光器由于它在发射器中的重要角色而成为了最重要的发射器部件。使用OptiSystem，用户可以输入测量过的数据来评估速率方程所需的那些参数。当使用外调制的CW激光器时，对于啁啾和衰减来说，MQW马赫－曾德尔调制器和电吸收调制器的模型是基于测量的，并且能使用户优化偏置和调制电压，从而得到接收器灵敏度的最小退化。对于随即数字发生器，编码器和比特序列产生器允许用户在不同的调制模式和算法之间进行选择。

17． 光纤 光纤是主要的传输通道。对于任意的WDM信号，OptiSystem采用一种非线性色散传播的单模光纤模型，用以说明信号的振幅和相位受影响的现象和效果。在很大的条件范围内，这个模型都可以真实的预测波形的失真、眼图的退化和信号的其它要素。

18． 光放大器 EDFA和拉曼放大器已经成为光纤网络所需的器件，从WDM网络转发器到CATV接线放大器，都有着广泛的应用。OptiSystem能使用户选择不同的模型，例如自定义增益和噪声系数的理想放大器，或者是基于测量或者速率方程静态或者动态的解的黑匣子模型。通过利用半导体激光器的多功能特性，可以完成放大和波长转换。

19． 接收器 用户可以依据光探测器输入端的混合信号来选择不同的模型。如果噪声用概率密度函数（PSD）来描述，PIN或者APD将采用基于高斯近似的准

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分析模型来计算噪声的作用。如果噪声是与信号混合在一起，那么使用适当的PFD来描述光电子统计时，这个模型可以增加数字化噪声。电滤波器件的内部库包括实际的、频率相关的参数。在这个库中，用户可以考虑不同滤波器形式来设计接收器。

20． 网络器件 复用器?解复用器 ·上路?下路 ·阵列波导光栅 ·静态和动态开关 ·循环?环形元件 ·交叉连接 ·波长转换。

21． 无源器件 滤波器 ·调制器 ·耦合器 ·分波器 ·合波器 ·环形器 ·隔离器 ·偏振器件 ·光纤光栅。

22． 观察仪 客户可以在任何器件使用观察仪来打开端口数据监视器，并且存取结果。数据监视器可以保存处理过的信号信息，而没有必要预先确定观察仪的类型。因此，一个 OSA或WDM分析仪可以加在相同的监视器上，一旦一个计算完成，就不需要再次运算。库中可以利用的观察仪包括：光?射频频谱分析仪 ·示波器?光时域分析仪 ·眼图分析仪 ·误码率分析仪 ·WDM分析仪 ·功率计光学方案图编辑器这个界面可以让用户快速而有效的创建和修改自己的设计。每个OptiSystem方案文件可以包含足够多的设计版本。这些设计版本可以相互独立的被计算和修改，但是来自于不同版本的计算结果可以合并起来进行比较。图形演示 ·OSA频谱、示波器和眼图 ·探针和可视化工具列出信号功率、增益、噪声系数和OSNR ·眼图中超过70次的测量 ·图形生成工具可以对任何参数扫描的任意结果进行比较 ·直观的图形管理器使用户可以画出设计中使用的几乎所用的参数的曲线 ·生成的图形组尺寸可变、视角可变换，并将这些视图转变成可以保存和重新使用的结果方案图 ·将复合图合并成3D图 OptiSystem的改进这个软件的新特性更好的满足光系统和器件设计者的需要，并且反映了Optiwave于客户之间紧密的联系。

23．器件库 在光源、调制器、放大器、接收器、滤波器、色散补偿、脉冲发生器、信号处理、工具以及光网络库中，加入了超过50种新单色器件。 24．信号库数字化传播 噪声从电信号中分离出来了。库中所有的电子器件都支持这个功能。

25．功率预算计算 在计算后，为每个器件端口的每个信号预测信号功率、噪声和OSNR。与通道和通道跟踪相结合，功率预算计算允许用户在系统设计过程

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中分配系统余量。

26．库管理器 启动和禁用系统库来改善系统存储器的使用。器件搜索功能为用户提供了一个节省时间的工具，来找到特定的器件。将器件载入和保存为文件，使用户可以使用自定义的工具。用密码来保护器件以增加安全性。

27．用户界面 项目窗口中的同步符使得项目方案图窗口中保持连贯性。拖动的功能可以更容易和快速的建立连接和在图形窗口中加入图形。

28．图形窗口 提供从简单的单个扫描迭代曲线到三维数据的3D图形的一系列图表。

29．方案图演示 当光标放置在输出端口上时，在方案图上将会持续（这个选项可以启动或者禁用）或者作为工具提示，演示这个端口的信号值。 30．通道 很容易定义通过几个器件的通道。每个通道都有不同的颜色，这使得在方案图中相交的通道很清楚地被区分开。

31．通道跟踪 跟踪一个通道地信号值，演示信号值变化的图。 32．参数定义、浏览和绘出多维参数的扫描图。

33．报告生成器 以HTML或者RTF的格式生成完全的用户定制的报告。这个报告包括详细的OptiSystem方案文件的信息。

34．软件开发工具包 使用VC＋＋语言，按照器件库中的范例可以创建用户自己的器件库，用VC＋＋语言进行添加和嵌入。

2008年5月14日，Optiwave系统公司推出OptiSystem 7.0 版本软件。该版本产品支持一些激动人心的新功能，包括OCDMA-PON网络的模拟等。OCDMA-PON被认为是高性价比的传输，支持多协议应用的技术平台。此外7.0版本软件还采用64位操作系统技术，支持复杂的计算模拟。其优化的软件结构可以改善计算性能和提高存储器的利用率。这些特点可以让软件支持更大规模的网络模拟。新版软件还可以支持包括反射式半导体光放大器RSOA在内的新器件。

官方网站http://www.optiwave.com

三、实验内容

由上述调制原理及应用，我们将利用OptiSystem软件来完成以下实验：

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1、DPSK Step 1 - Pulse generator 差分移相键控脉冲发生器

其实验框图如图3-1：

图3-1 DPSK Step 1 - Pulse generator

根据ＤＰＳＫ的调制原理，示波器和示波器1的波形图将不同，星座图

上将出现8个点。结果显示如下图：

图3-2 示波器显示图形

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图3-3 示波器1显示的图形

图3-4 星座图

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2、DPSK Step 2 - Coding and decoding 编码和解码

本实验在实验1的基础上添加了一ＤＰＳＫ解码器，使其输出的里昂波形相同。

图3-5 DPSK Step 2 - Coding and decoding 示波器显示波形对比如图3-6所示。

图3-6

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3、DPSK Step 5 - Transmitter and receiver发射机和接收机

本实验是在前几个实验的基础上添加了发射机和接收机的相关功能，其原始信号经编码后解码，调制后解调，最终输出波形与原始输出波形一致（如图3-8）。但在期间过程中的波形将会出现失真（如图3-9）。

图3-7 DPSK Step 5 - Transmitter and receiver

图3-8原始输出波形与最终输出波形

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经ＰＳＫ解调后输出波形，因在解调过程中加了一个带通滤波器，所以其输出信号与原始波形一致。

图3-17 经ＰＳＫ解调后输出波形

6、PAM - Fiber Link 脉幅调制 帕姆-光纤链路

本实验验证了PAM编码及解码，以及光纤链路的传输性能。原始信号（如图3-18）经PAM编码后，一路经光纤链路传输后（如图3-19）再经时钟恢复显示波形（如图3-20），另一路直接经时钟恢复，PAM解码后输出波形（如图3-21）。

图3-18 原始信号波形

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经光纤链路传输后的波形，存在失真抖动。

图3-19 经光纤链路传输后的波形

经光纤链路传输后再经时钟恢复显示波形，存在严重失真，系统性能不好。

图3-20 经光纤链路传输后再经时钟恢复显示波形

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直接经PAM解码后输出波形，与原始信号波形一致。

图3-21 直接经PAM解码后输出波形

四、实验小结

实验内容还有一些没有描述，这里指挑选一些典型的来简单叙述。通过本次实训，我初步掌握了OptiSystem 应用软件的基本操作方法，以及部分功能。使课本上的一些知识更加鲜明的显现在我们眼前，使我们对调制解调等原理及过程掌握的更加扎实，理解的更加深刻。

通信系统中采用的数字调制技术有以下四种。①四相移相键控(QPSK)：采用四个对称的相位来传送两个二进制码元。它的频谱效率较高、抗干扰性较强，是数字卫星、数字微波和有线数传中的一种主要调制方式。②参差四相移相键控 (OQPSK)和最小移频键控(mfsk)：前者是将四相键控的两个调制码元偏移半个码长,后者是将连续相位移频键控的移频指数定为0.5，它们是四相键控的派生形式。它们具有包络较恒定、非线性信道引起的频谱展宽较小等优点，比较适用于卫星信道。③八相移相键控(8psk)、正交部分响应调制(QPRS)、16状态和64状态正交

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调幅（16QAM和64QAM）：这是一些频谱效率很高、误码性能也较好的数字调制技术，它们主要用于中、大容量的数字微波接力通信系统。④连续相位调制(CPM)、受控调频(TFM)和高斯预滤波最小移频键控 (GMFSK)：这是一些具有较好频谱效率和误码性能的数字调制技术,其主要特点是包络恒定,旁瓣很低，非线性信道引起的频谱展宽很小，可用于移动通信和卫星通信。

解调 最常用的解调方式是相干解调，它按以下几个步骤进行：①用参考载波与键控信号相乘，得到基带信号；②用低通滤波器（或积分器）对此基带信号过滤，以便最大限度地集中信号能量并滤除噪声；③对过滤后的基带信号进行采样和判决，并还原出形状规则的数字信号脉冲，这个过程也称为再生，适当选择低通滤波器的传输特性，使收信端的综合频域响应和发送信号的频谱满足共轭匹配关系，就可以在加性高斯白噪声信道上获得最小误码性能，这种解调称为最佳相干检测。在选择滤波器的响应时，应使收发综合响应满足奈奎斯特准则，或采取必要的均衡措施，以消除或克服码间干扰的影响（见基带传输）。

数字信号在传输过程中由于干扰、噪声和波形畸变的影响，可能产生误码。二进制数字信号在加性高斯白噪声信道上通过载波键控方式传输时，如果收信端采用最佳相干检测并消除码间干扰，则平均误码率Pe和归一化信噪比Es/N0的关系可以表示为

式中Es为单位码元的平均信号能量，N0为噪声谱密度，erfc（x）为互补误差函数，ρ为键控波形的互相关系数。对于移相键控，ρ=-1；对于移幅键控和移频键控，ρ=0。可以看出，为达到同样的误码率，移幅键控和移频键控所需的归一化信噪比等于移相键控的两倍。

键控 用电键进行控制，这是借用了电报传输中的术语。载波键控是以数字信号作为电码，用它对正弦载波进行控制，使载波的某个参数随电码变化。 根据正弦波受控参数的不同，载波键控可以分为三大类:移幅键控(ASK)、移频键控(FSK)、移相键控(PSK)。它们分别是正弦波的幅度、频率、相位随着数字信号而变化，图为三种键控相应的波形和功率谱密度。从图中可以看出，移幅键控和移相键控的带宽比移频键控窄。

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数字调制

单位时间内的键控次数称为键控速率（又称符号速率，传输码元速率），其单位为波特(baud)。单位时间内所传输的信息量，称为信息速率(又称比特速率)，其单位为比特／秒 (bit/s)。信息速率等于键控速率乘以键控信号所携带的平均信息量。

五、参考文献

《通信原理》，樊昌信等：国防工业出版社，北京，1980。 2、《现代通信原理》 第二版 沈保锁 著 ，2001。

3、《 一种新的数字调制信号符号率估计和同步算法》 石明军 2009 通信技术 万方数据

4、P.Z.Peebles,Communication System Principles,Addison Wesley Co., Reading, Mass., 1976.

5、 D. H. Guo and Ch.-Y. Hsu, “Minimization of the PARP of OFDM by linear systematic block coding”, in Asia-Pacific Conf. Commun. APCC, Malaysia, 2003, pp. 129-133.

6、L. W. Couch, Digital and Analog Communication Systems. 6th ed. Singapore: Pearson Education, 2002.

7、 D. A. Wegandt, Z. Wu, and C. R. Nassar, “High throughput, high performance OFDM via pseudo-orthogonal carrier interformely spreading codes”, IEEE Trans. Commun., vol. 51, no. 7,pp. 1123-1134, 2003.

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8、A. F. Molish, Wideband Wireless Digital Communications. Singapore: Pearson Education, 2003, Chapt. 18 and 20.

9、 H. Zhang and Y. Li, “Optimum frequency domain partial response encoding in OFDM system”, IEEE Trans. Commun., vol. 51,p. 1068, 2003.

10、X. Cai, S. Zhou, and G. B. Giannakis, “Group-orthogonal multi-carrier CDMA”, IEEE Trans. Commun., 2003 (to appear).

11、 P. Banelli and S. Cacopardi, “Theoretical anlysis and performance of ODDM signal in nonlinear AWGN channels”, IEEE Trans. Commun., vol. 48, no. 3, pp. 430{441, 2000.

[12、M. A. Saeed, B. M. Ali, and M. H. Habaebi, “Performance evaluation of OFDM scenes over multipath fading channel”, in Asia-Pacific Conf. Commun. APCC, Malaysia, 2003, pp. 415-419.

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