pSim Plus光電融和仿真示例：光通信中的4D PS-QPSK和2D PDM-QPSK調(diào)制技術

逍遙設計自動化

引言在光通信領域，先進的調(diào)制技術對提高數(shù)據(jù)傳輸效率和可靠性起著關鍵作用。本文將重點介紹兩種重要的調(diào)制方法：4D PS-QPSK（四維偏振切換正交相移鍵控）和2D PDM-QPSK（二維偏振分集多路復用正交相移鍵控）。我們將探討這些技術的原理、實現(xiàn)方法和性能特征，為讀者提供全面的了解。這些技術的研究對光電聯(lián)合仿真具有重要意義。
8 z$ k- T- f) _: H

圖1：展示了在 pSim Plus 中自帶的 pLogic 原理圖工具中設計 4D PS-QPSK 以及 2D PDM-QPSK線路圖并隨后利用 pSim Plus 光電融合仿真工具進行仿真。

4D PS-QPSK：提高頻譜效率和抗噪聲能力
4D PS-QPSK是先進的調(diào)制技術，旨在提高數(shù)字通信系統(tǒng)的頻譜效率和抗噪聲能力。該方法利用四維空間進行數(shù)據(jù)符號映射，結合兩個正交偏振狀態(tài)（X和Y）和兩個相位（I和Q）。
' A2 I" |0 q0 R# Q9 H2 e1 x
8 @3 e" D# D; L8 d/ f0 s( P4 _調(diào)制方法4D PS-QPSK技術將數(shù)據(jù)符號映射到四維空間。這個空間由兩個正交偏振狀態(tài)（X和Y）和兩個相位（同相和正交）組成。這些維度的組合使得可用信號空間得到更有效的利用，從而提高了頻譜效率。數(shù)學表示4D PS-QPSK中的傳輸信號可以用數(shù)學表達式表示為：s(t) = Ix(t) + jQx(t) + Iy(t) + jQy(t)其中：Ix(t)和Qx(t)分別表示X偏振狀態(tài)的同相和正交分量
3 u; I2 j0 o5 z3 e: j# vIy(t)和Qy(t)分別表示Y偏振狀態(tài)的同相和正交分量
0 {5 a. s6 V) g- B  t0 X9 |$ U符號映射在4D PS-QPSK中，每個數(shù)字符號被映射到相位空間中的特定點。這個點的位置決定了每個符號的相位組合，從而實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)編碼。
# @+ P- ~# v( U3 e1 w
圖2：展示了4D PS-QPSK的符號映射，說明了數(shù)字符號如何映射到相位空間中的點。
" ]! x. S# j8 Q. S! C" B線路實現(xiàn)4D PS-QPSK的實現(xiàn)涉及幾個關鍵組件：1. 信號生成

PRBS（偽隨機比特序列）生成器：產(chǎn)生偽隨機比特序列。

MAP：將PRBS的比特映射到四維相位空間中的符號點。
2. 偏振復用ME（模式提取器）：提取和處理不同的偏振信號。
MPM（模式偏振復用器）：將不同偏振狀態(tài)的光信號合并成單一輸出，實現(xiàn)偏振復用。
$ B# s; b* f- q3 J  C, v/ w
3. 信號處理

OSNR（光信噪比）控制器：通過控制光信噪比確保傳輸質(zhì)量。

BPF（帶通濾波器）：去除不需要的頻率分量，維持信號質(zhì)量。
4. 信號接收和分析：

RxDP（雙偏振接收器）：同時處理兩個正交偏振狀態(tài)的信號。

BER（誤碼率）分析儀：測量誤碼率。

OSC（示波器）：監(jiān)測和顯示信號波形。


圖3：展示了4D PS-QPSK實現(xiàn)的線路圖，說明了信號生成、處理和分析涉及的各種組件。
性能分析為評估4D PS-QPSK的性能，我們可以檢查X和Y偏振的誤碼率（BER）。

* i5 h2 f  C9 C3 I. R& D! Y; z圖4：顯示了4D PS-QPSK的BER結果，X和Y偏振的BER均為0。
2D PDM-QPSK：結合偏振復用和QPSK
' b1 W2 T9 x0 A4 v2 m9 c2D PDM-QPSK是一種廣泛使用的光通信調(diào)制技術，將偏振分集復用（PDM）與正交相移鍵控（QPSK）相結合。該方法通過利用偏振和相位調(diào)制，提高了數(shù)據(jù)傳輸容量。

調(diào)制方法

QPSK：每個符號表示兩個比特，產(chǎn)生四種不同的相位狀態(tài)（0°、90°、180°、270°）。

PDM：光信號被分為兩個正交偏振狀態(tài)（X和Y），使得在同一波長上可以傳輸兩個獨立的信號。
1 @$ C6 x2 H( E  X( t[/ol]數(shù)學表示對于每個偏振狀態(tài)，QPSK符號可以表示為：s(t) = I(t) cos(ωt) + Q(t) sin(ωt)其中I(t)和Q(t)分別是同相和正交分量。
  h9 V3 v( y7 `總的PDM-QPSK信號是兩個偏振狀態(tài)信號的疊加：
0 T' g7 n6 ^  M/ P) aSPDM(t) = sX(t) + sY(t)其中sX(t)和sY(t)分別是X和Y偏振的QPSK信號。
& c1 x/ X8 v* ^8 ?4 d線路實現(xiàn)2D PDM-QPSK的實現(xiàn)包括以下階段：1. 數(shù)據(jù)分割

PRBS：生成偽隨機比特序列。

FECe（前向糾錯編碼器）：在傳輸前對數(shù)據(jù)進行編碼，提高系統(tǒng)抗噪聲和干擾的能力。2. QPSK調(diào)制

MAPIQ：將數(shù)字數(shù)據(jù)映射到每個偏振狀態(tài)的QPSK符號。
) \6 r: E* s" e2 z% s3. 偏振合并

MPM：將不同偏振狀態(tài)的信號合并成單一輸出。
4. 信號處理

OSNR控制器：在傳輸過程中確保信號質(zhì)量。

BPF：對光信號進行頻率選擇性濾波。
8 k- @3 G- w" B. A0 w% G5. 信號接收

RxDP：同時處理兩個正交偏振狀態(tài)的信號。

ME：從混合信號中提取特定偏振狀態(tài)的分量。
4 w+ F  j. a2 \: v& u8 q1 I6. 信號分析

BER分析儀：測量誤碼率。

FEC解碼器：解碼接收到的數(shù)據(jù)并糾正錯誤。

OSC：監(jiān)測和測量電信號


圖5：展示了2D PDM-QPSK實現(xiàn)的線路圖，顯示了信號生成、處理和分析涉及的組件。
4 f, j6 k8 l* R$ I性能分析為評估2D PDM-QPSK的性能，我們可以在FEC編碼前后檢查誤碼率（BER）。
' Y* u  j, C& {. l7 f: q
. s+ U' z; {$ A3 u4 D# j! u3 O圖6：顯示了2D PDM-QPSK在FEC編碼前的BER結果，兩個偏振的BER均為0。
, ?% o4 k1 N3 `5 D, [
) G. ?6 i; a! K  }% {
4 e3 q' O$ |7 b, E4 G5 d圖7：展示了2D PDM-QPSK在FEC編碼后的BER結果，兩個偏振的BER仍為0。

比較和結論4D PS-QPSK和2D PDM-QPSK都是光通信系統(tǒng)中強大的調(diào)制技術。4D PS-QPSK通過利用四維信號空間提高了頻譜效率和抗噪聲能力。而2D PDM-QPSK結合了偏振復用和QPSK調(diào)制的優(yōu)點，提高了數(shù)據(jù)傳輸容量。
性能分析表明，在理想條件下，這兩種技術都能達到極低的誤碼率。然而，在這兩種調(diào)制方法之間的選擇取決于具體的應用需求，如頻譜效率需求、硬件復雜度和系統(tǒng)穩(wěn)健性。
& x$ A9 u! I- n7 q2 p了解這些先進的調(diào)制技術對設計和優(yōu)化現(xiàn)代光通信系統(tǒng)具有重要意義。隨著對更高數(shù)據(jù)傳輸速率和更高頻譜利用效率需求的不斷增長，4D PS-QPSK和2D PDM-QPSK等技術將在塑造光通信未來方面發(fā)揮越來越重要的作用。這些技術的發(fā)展也為光電聯(lián)合仿真、光電共封裝和光計算等領域的進步提供了基礎，推動了光電子技術和硅基光電子的發(fā)展。
- V: M  v, T- A
- END -
$ X  t2 o/ S* |! T9 L  \- i
8 F$ h# m( r' p) K& k( o  B" K- N2 u: b軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點擊左下角"閱讀原文"馬上申請

- E8 B# l, d& J3 i: n' R歡迎轉載

# c  D, j( P) y  C8 S" f轉載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！





關注我們

                     

+ L0 Q& |! M- p' L1 h6 P" T

關于我們：
深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導體芯片設計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設計和仿真軟件，提供成熟的設計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務，廣泛服務于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術與服務。
3 t) j  w8 |1 I1 n& P7 |
http://www.latitudeda.com/
$ u# a* J0 ~  O; v（點擊上方名片關注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）