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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(shù)

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發(fā)表于 2024-9-5 08:07:00 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式
引言在光通信領(lǐng)域,先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)對提高數(shù)據(jù)傳輸效率和可靠性起著關(guān)鍵作用。本文將重點(diǎn)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(fù)用正交相移鍵控)。我們將探討這些技術(shù)的原理、實(shí)現(xiàn)方法和性能特征,為讀者提供全面的了解。這些技術(shù)的研究對光電聯(lián)合仿真具有重要意義。
0 ~9 R9 y6 i/ N0 Q/ P. p6 s- p
# V  U) ]+ ]& p) Q" M ! s3 T" X! y/ ]3 R
圖1:展示了在 pSim Plus 中自帶的 pLogic 原理圖工具中設(shè)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(jìn)行仿真。9 W# v$ `; O6 ]; L/ {

4 o/ X& ~( a- Y2 O) y. E6 [# h4D PS-QPSK:提高頻譜效率和抗噪聲能力+ x1 h- t5 g8 C7 k
4D PS-QPSK是先進(jìn)的調(diào)制技術(shù),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(jìn)行數(shù)據(jù)符號映射,結(jié)合兩個正交偏振狀態(tài)(X和Y)和兩個相位(I和Q)。
, o/ }* N# k' Y8 ?8 P% U; B2 |
1 l1 d- }$ W  L- B調(diào)制方法4D PS-QPSK技術(shù)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(xué)表示4D PS-QPSK中的傳輸信號可以用數(shù)學(xué)表達(dá)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& l3 l) i3 ~8 r6 J; ^& I5 Z$ \7 X
Iy(t)和Qy(t)分別表示Y偏振狀態(tài)的同相和正交分量
" ~  Z9 g" R/ d: {0 T/ w. f
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(diǎn)。這個點(diǎn)的位置決定了每個符號的相位組合,從而實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)編碼。
: l! ?+ s8 @% Y: D5 m/ ?
* C0 o4 H3 n+ u, j& F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(diǎn)。. b9 p' z5 M( ~: J( c, T( {' r; L* S
線路實(shí)現(xiàn)4D PS-QPSK的實(shí)現(xiàn)涉及幾個關(guān)鍵組件:1. 信號生成
  • PRBS(偽隨機(jī)比特序列)生成器:產(chǎn)生偽隨機(jī)比特序列。
  • MAP:將PRBS的比特映射到四維相位空間中的符號點(diǎn)。' h5 [) z: {5 O  F2 _9 ]
    2. 偏振復(fù)用ME(模式提取器):提取和處理不同的偏振信號。
    : {' H- X6 Z. |. G' I2 _( IMPM(模式偏振復(fù)用器):將不同偏振狀態(tài)的光信號合并成單一輸出,實(shí)現(xiàn)偏振復(fù)用。
    ) e" D! C9 X+ t( h+ i+ h: f4 j
    + I) C/ @+ i8 m; ~( A7 {
    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。
    7 Y8 B0 M6 g3 ]5 j; t/ S0 w6 [5 S4. 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。+ O( N) y# y3 A; C# f7 S/ I
    7 Z6 h, K& H* ?0 [3 N  M# A' O3 M

    3 Z0 X% s7 ~- P. f* M9 R3 I7 E' }圖3:展示了4D PS-QPSK實(shí)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。
    / H- D; p7 d: y" k( a  U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)。. e* }1 p  j  O* z

    # Y! x! L1 T7 E  H. Z7 y圖4:顯示了4D PS-QPSK的BER結(jié)果,X和Y偏振的BER均為0。+ \& P* ~. V" `. U
    2D PDM-QPSK:結(jié)合偏振復(fù)用和QPSK
    % W% m1 l* o* l" J( V$ b! x- ~7 f2D PDM-QPSK是一種廣泛使用的光通信調(diào)制技術(shù),將偏振分集復(fù)用(PDM)與正交相移鍵控(QPSK)相結(jié)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。& v6 {4 B- f$ x! o* K0 E
    ) C  n7 j9 i' b* _9 f4 p
    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(dú)立的信號。; _' k+ F. r& Z5 K( F
    [/ol]數(shù)學(xué)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。
    # o' Y7 c0 _/ Y/ y" Q7 D總的PDM-QPSK信號是兩個偏振狀態(tài)信號的疊加:5 v2 {3 h& f3 \" P
    SPDM(t) = sX(t) + sY(t)其中sX(t)和sY(t)分別是X和Y偏振的QPSK信號。
    / \6 E- v0 ]6 R+ S線路實(shí)現(xiàn)2D PDM-QPSK的實(shí)現(xiàn)包括以下階段:1. 數(shù)據(jù)分割
  • PRBS:生成偽隨機(jī)比特序列。
  • FECe(前向糾錯編碼器):在傳輸前對數(shù)據(jù)進(jìn)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?jǐn)?shù)據(jù)映射到每個偏振狀態(tài)的QPSK符號。
    ( X  G3 ^! Z2 T" @* ]0 ^
    3. 偏振合并
  • MPM:將不同偏振狀態(tài)的信號合并成單一輸出。
    ! u! H8 L! d: d  Q  x( M$ G
    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(jìn)行頻率選擇性濾波。/ u. d& V2 [( f, Y
    5. 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。
    5 z) F! \2 U6 g1 [  X6. 信號分析9 f" u6 W+ m9 Z: J+ G
  • 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% c  j& Y- @+ }8 [0 c

    + g( w) [  O. u1 {5 F 3 D# p; G0 ^: p
    圖5:展示了2D PDM-QPSK實(shí)現(xiàn)的線路圖,顯示了信號生成、處理和分析涉及的組件。
    0 E9 n# d0 l. b% Q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)。
    * M2 _* @( H; l/ F. x+ d  W/ i- D$ Z
    1 j) {) ]6 X: N! o" i圖6:顯示了2D PDM-QPSK在FEC編碼前的BER結(jié)果,兩個偏振的BER均為0。9 D# C' m5 o6 M+ J$ T2 V0 E
    , [' g2 N7 Q; F- G% ], V; Y6 n
    ; }; b+ S" v6 a" }9 o  |
    圖7:展示了2D PDM-QPSK在FEC編碼后的BER結(jié)果,兩個偏振的BER仍為0。5 F) j8 m( v8 P" x  C9 S/ ?) \
    0 Z2 x" v: P. j8 @. t
    比較和結(jié)論4D PS-QPSK和2D PDM-QPSK都是光通信系統(tǒng)中強(qiáng)大的調(diào)制技術(shù)。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(jié)合了偏振復(fù)用和QPSK調(diào)制的優(yōu)點(diǎn),提高了數(shù)據(jù)傳輸容量。( h4 d+ H& C4 J7 p2 @/ X, O1 c
    性能分析表明,在理想條件下,這兩種技術(shù)都能達(dá)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(yīng)用需求,如頻譜效率需求、硬件復(fù)雜度和系統(tǒng)穩(wěn)健性。
    6 Q2 ]# i/ h  P8 A" n了解這些先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)對設(shè)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(shù)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(shù)的發(fā)展也為光電聯(lián)合仿真、光電共封裝和光計算等領(lǐng)域的進(jìn)步提供了基礎(chǔ),推動了光電子技術(shù)和硅基光電子的發(fā)展。
    % G+ _4 z3 W  Q* \! E3 B  [' @: E/ P# v; n6 C( Y
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    & i# M6 p6 D% ^. t轉(zhuǎn)載請注明出處,請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!5 V9 v3 k, w9 p8 o* B5 F

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    3 x  p' f6 q0 g/ N' w" ^深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)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(shè)計和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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