李佳泯;刘继红
【摘 要】从理论上分析马赫曾德尔调制器对光信号的调制原理，对几种基于马赫曾德尔调制器的主要调制格式，如归零码（RZ）、抑制载波归零码（CSRZ）、单边带调制（SSB），归零差分相移键控码（RZ-DPSK）、抑制载波归零差分相移键控（CSRZ-DPSK）的产生原理以及实现方法进行分析和论述，并进一步运用光通信系统仿真软件进行了波形的仿真。对常用的接收检测方式进行介绍，并给出文中几种调制格式的解调方式。 【期刊名称】《广东通信技术》
【年(卷),期】2011(031)010
【总页数】5页(P58-61,76)
【关键词】光调制格式;马赫曾德尔调制器;先接受检测
【作 者】李佳泯;刘继红
【作者单位】西安邮电学院通信与信息工程学院;西安邮电学院电子工程学院风叶
【正文语种】中 文
【中图分类】TN929.11
引言
随着通信技术的飞速发展，带宽需求对通信提出很高要求，表现为信息容量大、通信距离长、通信质量高、系统可靠性好。光纤通信以其巨大的带宽资源和良好的通信质量成为骨干传输的必然选择。由于光调制格式对提高传输性能和改善频谱效率有很大作用，已经成为大容量长距离光纤传输系统中的一大研究热点。 二进制非归零调制（NRZ, Non Return to Zero）机脉冲信号模型,并应用随机理论计算得出相应的由于其调制解调设备简单，成本低，是目前SDH和WDM系统中应用最广泛的码型。由于NRZ码元过度不归零，对传输损伤敏感，在高速长距离的信号传输中，不能有效抵抗散、非线性、噪声的影响，其传输能力受到限制，因此各种新的调制格式应运而生。光场中可用来承载信息的物理量有：强度；相位；偏振态。基于强度和相位的数据调
制格式已经广泛应用于高速光通信系统，相比之下，由于在发射端需要灵活的偏振管理，将信息加载于偏振态的传输受到相对较少的关注。尽管如此，偏振自由度被用来提高伪多进制和相关编码调制格式的传输性能，除此之外，偏振态有时被用在提高频谱效率的研究实验中。图1给出了现今的光通信系统中讨论较多的基于强度和基于相位调制的调制格式的分类。
图1 先进光通信系统中重要的基于强度和相位调制的调制格式分类
其中，(N)RZ:（非）归零信号（(non)return to zero）；OOK: 开关键控（on/off keying）；SSB:单边带调制（single sideband）；M-ASK:多进制幅移键控（multilevel amplitude-shift keying）;CSRZ: 抑制载波归零调制（carrier-suppressed RZ）；PSBT:相位整形二进制传输调制格式（phase-shaped binary transmission）；DB:双二进制调制（duobinary）；DPSK:差分相移键控（differential phase-shift keying）；DQPSK: 差分正交相移键控（differential quadrature phase-shift keying）。CRZ: 啁啾归零码（(alternate) chirped RZ）；C-NRZ: 啁啾不归零码（chirped NRZ）；
在光通信系统中数据率通常会受到光电器件的限制，所以在设计调制格式时考虑实际中的
调制解调硬件非常重要。光通信系统中被广泛使用的光调制器件有：直接调制激光器（DML）、电吸收调制器（EAM）、马赫曾德尔调制器（MZM）。MZM作为重要的光调制格式所用调制器件，由于具有波长无关调制特性，能够较好控制调制性能及调制光强度和相位而受到了广泛的关注和研究。
本文重点分析了MZM的基本调制原理，运用MZM来实现几种主要的新型二进制调制格式。对它们进行仿真实现。并给它们的解调方式。
1 马赫曾德尔调制器
马赫曾德尔调制器（MZM, Mach－Zehnder modula-dulator)）根据材料的电光效应制成，通过外加电压的变化来改变输出光功率，其结构如图2所示。输入光波由第一个分支分成功率相等的两束，分别通过两路光波导传播。此处光波导由电材料制成,折射率随外加电压的大小而变化，从而使两束光信号到达第二个分支处产生相位差。若两束光的光程差是波长的整数倍，则相干加强；若两束光的光程差是光波的半整数倍，则相干抵消。因此可通过控制外加电压来对光信号进行调制。
人体弹弓图2 MZM结构示意图
2 几种主要调制格式的产生及仿真
2.1 几种基于强度调制的二进制调制格式的产生及仿真
RZ、CSRZ、SSB二极调制的原理如图3所示。第一级调制器将电的NRZ信号加载在调制端，第二级调制器采用铌酸锂马赫曾德尔调制器。每个调制端均加上一个时钟信和一个偏置电压。选取不同的时钟信号幅度、频率和相位以及直流偏压便在MZ2的输出端产生不同调制格式的信号脉冲Eout。 图3 基于强度调制的二级调制原理图
2.1.1 归零调制格式
RZ调制可分为全频率调制格式和半频率调制格式。在全频率制格式中，MZ2偏置在Vπ,/2处，时钟信号的幅度和频率分别为Vπ,/4和ω。两时钟信号相位差为π，可得到占空比为1/2的归零信号。其信号眼图如图4所示。半频率调制格式中，MZ2偏执点在2Vπ(或0)处，时钟信号幅度和频率分别为Vπ,/2和ω/2。两时钟信号相位差为π，可得到占空比为1/3的归零信号。其信号眼图如图5所示。
图4 全频率调制RZ信号
图5 半频率调制RZ信号
2.1.2 载波抑制归零调制格式做指挥中心控制台
载波抑制归零调制格式(CSRZ)的MZ2偏置在Vπ处，时钟信号和频率分别为Vπ,/2和ω/2。两时钟相位差为π，可得到占空比为2/3的CSRZ信号。其信号眼图如图6所示。
图6 制载波归零调制格式
2.1.3 单边带调制格式
单边带调制格式（SSB）是将信号频谱的某个第一级边带进行压制的调制格式。其MZ2偏置在Vπ,/2处，时钟信号和频率分别为和ω。两时钟相位差为π/2。其信号眼图7所示。
图7 单边带调制格式
2.2 几种基于相位调制的调制格式的产生及仿真。
DPSK与RZ、CSRZ、SSB的产生方法类似，也可以通过二级调制的方式产生。其调制原理如图8所示。第一级调制器将电的和NRZ分别加在MZM的两端，第二级调制器仍然采用双端调制，每个调制端均加上一个时钟信号和一个偏置电压，选取不同的时钟信号幅度、频率和相位以及直流偏压，便在MZ2的输出端产生不同的调制格式的信号脉冲。
图8 基于相位调制的二级调制原理图
2.2.1 归零差分相移键控
当MZ2偏置点在Vπ,/2处，时钟信号幅度和频率分别为Vπ,/4和ω，可得到全频率调制RZ调制格式，其占空比为1/2。其信号眼图如图9所示。当MZ2偏置点在2Vπ（或0）处，时钟信号幅度和频率分别为Vπ,/2和ω/2，得到半频率调制RZ调制格式，其占空比为1/3，其信号眼图如图10所示。
2.2.2 抑制载波归零差分相移键控
将MZ2偏置置于传输曲线零值处，可输出占空比为2/3的CSRZ信号。其信号眼图如图11所示。
迪克静脉
图9 全频率调制RZ-DPSK信号
图10 半频率调制RZ-DPSK信号
图11 CSRZ-DPSK信号
3 光调制格式的接收检测
光通信系统中的检测方式有：非相干检测、差分相干检测、相干检测。现今大部分系统均采用二进制调制格式，如开关键控（on-off keying）或差分相移键控，每个码元均携带一比特的信息。
对于较为简单的开关键控调制，一般采用非相干检测中的一种，直接检测，其解调原理如图12所示。其中，Es(t)是接收信号，经过一个光电检测器将光信号转变会电信号，最后通过判决器对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。
图12 直接检测原理图
对于二进制差分相移键控（DPSK），一般采用差分相干检测，其原理图如图13所示。2D
PSK是
利用前后相邻码元的载波相对变化传递信息。对于差分相干解调，不需要专门的相干载波，只需由接受收到的2DPSK信号延时一个码元间隔Ts，然后与其信号本身相乘，其结果反应了前后码元的相位差。输出端再接到光电检测器上，输出电信号经过一定处理后可得到解调的电信号。其输出端的光电流为：
其中，Es(t)为接受信号，R为每个光电二极管的响应度，Ts是一个码元周期。
箱型钢图13 差分相干检测原理图
4 结束语
以往的光通信系统通常采用简单的二进制振幅键控方式，即通-断键控（on off keying，OOK）调制格式，由于其实现简单在现今仍是首选的调制格式。但随着传输距离的增大，WDM系统中单信道比特率的增长，以及信道间隔的减小，越来越多的先进调制格式被研究应用以减小非线性传输损伤，提高接收机的灵敏度和单信道比特率。
