شکل ۴-۶- نمودار درختی انواع مدولاسیون های ارتباطات نوری]۶[
از سوی دیگر این مدولاسیون ها از نظر تعداد بیت در هر سمبل به دسته های مختلفی تقسیم می شوند. شکل( ۴-۷) این دسته بندی ها را به همراه زیر مجموعه هر کدام نشان میدهد. به طور مثال در دسته اول مدولاسیونها که تنها یک بیت در هر سمبل ارسال میشود، شامل همه انواع مدولاسیون های شدت و نوع DPSK از مدولاسیون فاز است. در دسته بعدی دو بیت در هر سمبل شدت ثابت بوده و تنها ۴ فاز مختلف ارسال میشود، در دسته چهار بیت در هر سمبل، ۴ فاز مختلف در دو پلاریته x و y اعمال می شود و در دسته بیش از چهار بیت در هر سمبل با ترکیبی از شدت ها و فاز های مختلف می توان سمبل های زیادی را ایجاد کرد]۶[.

شکل ۴-۷- دسته بندی انواع مدولاسیون ها بر اساس بیت بر سمبل]۶[
۴-۷-۱- مدولاسیون شدت و محدودیت های آن
نسل اول سیستم های انتقال نوری دیجیتال بر اساس مدولاسیون دامنه و یا اصطلاحا مدولاسیون شدت است که با روشن و خاموش کردن دیود لیزر، دیتای ” ۱” و ” ۰” دیجیتالی را به پالس های روشن و خاموش تبدیل می کند، به این مدولاسیون اختصارا OOK نیز گفته می شود.
سادگی در ارسال، دریافت و تشخیص این نوع مدولاسیون باعث شد که به طور گسترده ای در ارتباطات نوری بکار رود. به طوری که تاکنون روش غالب انتقال نوری مدولاسیون شدت با فرمت NRZ است.
برای پاسخ به افزایش ظرفیت مورد تقاضا، نرخ انتقال نیز باید افزایش یابد. با افزایش سرعت سویچینگ به حدود صد مگابیت در ثانیه، دیود لیزرها با محدودیت تاخیر در عمل روشن و خاموش، مواجه شدند. برای رفع این مشکل مدولاسیون OOK اصلاح شد، به طوری که در حالت دیتا صفر دیگر لیزر خاموش نشده و بلکه در سطح توان کمی بالاتر از آستانه قرار داده می شود با این تکنیک لیزر همواره روشن است ولی شدت توان خروجی در حالت دیتا ” ۱” حداکثر و در حالت دیتا “۰” حدود ۱۰ db پایین تر می باشد به این معیار نسبت تمایز (ER) گفته می شود. با این روش امکان به کارگیری دیود های لیزر در نرخ بیتهای بالاتر تا حد چند گیگا بیت در ثانیه فراهم شده است. با توجه به اینکه توان خروجی و شیب توان نوری نسبت به جریان الکتریکی در دیودهای لیزر در طی طول عمر آ نها کاهش پیدا میکند، در روش ذکر شده، که به آن مدولاسیون مستقیم (DM) گفته می شود لازم است به طور پیوسته جریان لیزر در حالت حداکثر و سطح آستانه توسط مدارات را ه انداز لیزر کنترل و تنظیم شود. همچنین در نسل های اولیه این نوع لیزرها نیاز به کنترل دمای لیزر با الما نهای TEC نیز الزامی بود ،به طوری که بخش راه انداز این دیودها نسبتا پیچیده بود، ولیکن در نسلهای بعدی دیودهای لیزر مدولاسیون مستقیم دیگر نیازی به کنترل دما نداشتند. همانطور که ذکر شد این روش نیز دارای محدودیت سرعت تا حد چند گیگابیت در ثانیه است.

برای افزایش بیشتر سرعت سوئچینگ تکنیک دیگری به عنوان مدولاسیون خارجی(EM) مطرح شد. در این روش لیزر همواره روشن است، که به آ نها دیودهای لیزر موج پیوسته (CW) گفته می شود. ولیکن مدولاسیون شدت در قطع های دیگر به نام مدولاتورو در خارج از لیزر انجام میشود. از اینرو به این تکنیک لفظ مدولاسیون شدت خارجی(EIM) اطلاق شده است.مدولاسیون شدت خارجی توسط انواع مختلفی از مدولاتورها انجام می شود، که به آ نها مدولاتورهای الکتریکی نوری(EO) گفته می شود.مدولاتور الکتریکی نوری به مفهوم کنترل شدت نور خروجی از دیود لیزر توسط سیگنال الکتریکی اعمال شده به مدولاتور است. مطرح ترین نوع مدولاتور خارجی، مدولاتور موجبری تداخل سنج MZI است که تصویری از عملکرد آن در شکل ( ۴-۸) آمده است. سادگی و عدم نیاز به مدارات کنترل لیزر از ویژگی های این روش است. از معایب آن می توان به ابعاد بزرگ مدولاتور اشاره کرد. برای رفع این مشکل از تکنیک مجتمع سازی استفاده می شود، به طوریکه امروزه لیزر موج پیوسته و مدولاتور در یک بستر ساخته می شوند.

شکل ۴-۸- ساختار و عملکرد مدولاتور MZI ]6[
روش دیگری نیز برای مجتمع سازی ارائه شده است. در این روش،که به آن مدولاتور جذب الکترونی (EAM) گفته می شود، دیود لیزر به همراه یک آشکار ساز در یک بستر ساخته می شود. تصویری از این نوع مدولاتور در شکل (۴-۹) نشان داده شده است. در این روش با اعمال ولتاژ به آشکار ساز، فوتون های تولید شده توسط لیزر در آشکارساز جذب شده و بنابراین نوری از قطعه خارج نمی شود. این نوع مدولاتور، به دلیل سادگی ساخت و قیمت پایین تر، بیشترین کاربرد را در مدولاسیون های شدت خارجی دارد. امروزه این نوع مدولاتورها به همراه مدارات فرستنده، گیرنده و کنترل دیجیتال در بسته های استاندارد SFP و XFP به ترتیب در نرخ بیت های ۲٫۵ Gbps و
۱۰ Gbps ساخته می شوند. محدودیت این نوع مدولاسیون در نرخ بیت های ذکر شده است.به طوری که دسترسی به نرخ بیت های بالاتر با ساختارهای موجود امکان پذیر نیست.

شکل۴-۹- ساختار مدولاتور EAM ]6[
با ارسال همزمان چند طول موج بروی یک فیبر (هم تاف تگری)، که با ارائه سیستم های WDM امکان پذیر شد، ظرفیت انتقال اطلاعات با ضریب تعداد کانال های WDM افزایش یافت. از این رو برای مدتی، افزایش ظرفیت انتقال با روش افزایش سرعت مدولاسیون دیگر مورد توجه قرار نگرفت.
تصور اولیه این بود که با روش WDM بتوان تعداد زیادی کانال های نوری با نرخ بیتهای بالایی را در فیبر ارسال کرد و به ظرفیت انتقال بسیار بالایی در یک فیبر نوری رسید. ولیکن محدودیت فاصله بین کانالی سیستم های WDM چالش جدیدی برای افزایش تعداد کانالها را ایجاد کرد.
بر طبق رابطه Rate Bit *2 =LW ، که در آن LW پهنای طیف سیگنال مدوله شده است، این حقیقت آشکار می شود که در مدولاسیون به روش NRZ پهنای طیف سیگنال مدوله شده دو برابر نرخ بیت انتقال خواهد بود. به عبارت دیگر پهنای طیف کانال وابسته به سرعت مدولاسیون همان کانال است. به این اثر پهن شدگی طیفی سیگنال در اثر مدولاسیون نیز نامیده می شود. اثر این پدیده در شکل ( ۴-۱۰) برای دو سیگنال با مدولاسیون شدت ۱۰ Gbps و ۴۰ Gbps نشان داده شده است.
شکل ۴-۱۰- اثر مدولاسیون شدت بر پهنای طیف دو سیگنال ۱۰Gbps و ۴۰Gbps ]6[
بر این اساس برای سیستم های ۴۰ Gbps با مدولاسیون NRZ پهنای طیفی هر کانال به ۸۰ GHz می رسد و امکان افزایش تعداد کانال ها با تغییر فاصله بین کانالی از ۱۰۰ GHz به ۵۰ GHz ممکن نیست. از سوی دیگر بالا بردن نرخ بیت هر کانال محدودیت در اثر پاشندگی رنگی و مد پلاریزه را به ترتیب ۱۶ و ۴ برابر تشدید می کند. همچنین عوامل غیر خطی فیبر نیز انتقال به مسافت طولانی با نرخ بیت های زیاد را دچار مشکل می کند. استفاده از مدولاسیون RZ باعث بهبود بودجه توانی در حد چند db شد، ولیکن تفاوت محسوسی در برابر محدودیت های ذکر شده نداشت. بنابراین، محدودیت های ذکر شده باعث شد که حداکثر نرخ بیت در سیستم های با مدولاسیون شدت در حد ۱۰ Gbps محدود شود. برآیند این محدودیت ها محققین را به سمت بالا بردن نرخ بیت انتقال با بهره گرفتن از رو شهای مناسبتری نسبت به مدولاسیون شدت سوق داد.
۴-۷-۲-مدولاسیون فاز
در این شرایط در چند سال اخیر، تجربه موفق به کارگیری مدولاسیون تغییر فاز (PSK) در افزایش ظرفیت انتقال سیستم های کابل مسی با غلبه بر Bit Rate مورد توجه قرار گرفت، همانطورکه می دانیم نرخ انتقال در این سیستم ها چند برابر نرخ بیت است.
اساس کار در این نوع مدولاسیونها انتقال چندین سطح در هر حالت است. از آ نجایکه در مدولاسیون شدت دیجیتال در هر لحظه یکی از دو سطح ” ۰” و یا ” ۱” ارسال می شود. به کارگیری مدولاسیون چند سطحی در مدولاسیون شدت بدلیل امکان پذیر نبودن تشخیص سطوح مختلف در گیرنده رایج نیست. ولی در مدولاسیون فاز به طور مثال می توان در یک لحظه یکی از ۴ حالت فاز را انتقال داد. از اینرو مطابق جدول(۴- ۱) در این حالت در هر لحظه امکان ارسال یکی از ۴نماد مختلف که معرف ۲ بیت است، وجود دارد.
جدول ۴-۱: سمبل های مختلف در مدولاسیون فاز QPSK ]6[
به این روش که مدولاسیون QPSK گفته می شود نرخ Rate Baud دوبرابر Rate Bit است. این مطلب در مخابرات نوری بدین مفهوم است که میتوان بدون مواجه شدن با محدودیتهای افزایش نرخ بیت،اطلاعات بیشتری را انتقال داد. که از مزایای این نوع مدولاسیون در ارتباطات فیبر نوری است.
از سوی دیگر چون در مدولاسیون فاز شدت نور تغییر نمی کند وتنها فاز سیگنال نوری تغییر می کند، در مقابل عوامل محدود کننده سیستم های انتقال نوری عملکرد به مراتب بهتری دارند، با به کارگیری این روش نرخ بیت هر کانال به ۴۰ Gbps رسیده است.
برای افزایش بیشتر نرخ بیت به سطح ۱۰۰ Gbps لازم است بخش دیگری هم تغییر کند. اینجا به سیگنال هایی با دو قطبش متفاوت نیاز خواهیم داشت تا بتوانند به دریافت کننده های جدا گانه ای ارسال شوند و هر کدام حامل نیمی از داده ها را بر عهده بگیرند و به این روش مدولاسیون
DP-QPSK یا PM-QPSK گفته می شود.
در این حالت ابتدا سیگنال نوری به دو قطبش مجزا شده، و بر روی هر قطبش مدولاسیون QPSK انجام شده و سپس قطبش ها ترکیب شده و ارسال می شوند. این عمل در گیرنده نیز انجام می شود. بلوک دیاگرامی از این طرح در شکل ( ۴-۱۱) آمده است.
در این نوع مدولاسیون، عملا همتافتگری پلاریزاسیون انجام م یشود که به اختصار PDM نامیده می شود. همچنین برای ثابت نگه داشتن پاشندگی مسیر فیبر نوری، جبرا نسازی هوشمند پاشندگی در این سیستم ها الزامی است.
شکل۴-۱۱- بلوک دیاگرام مدولاسیون QPSK – DP یا QPSK –PM ]6[
در شکل ( ۴-۱۲) مقایسه ای بین اثر پهن شدگی طیف در اثر مدولاسیون های مختلف نشان داده شده است. در این شکل مقایسه پهنای طیف بین مدولاسیون ۱۰ G-NRZ با انواع مدولاسیون های دیگر در سیستم با پهنای کانال ۵۰ Ghz نشان داده شده است. همانطور که در شکل نشان داده شده است، برای نرخ بیت ۴۰ Gbps به ترتیب سیستم های QPSK – DP و DQPSK نزدیکترین پهنای طیف را در مقایسه با سیستم های ۱۰ G-NRZ دارند. ولی سیستم های PSBT و DPSK –NRZ در رده ۴۰ Gbps ، پهنای طیفی خارج از بازه فاصله بین کانالی ۵۰ Ghz را دارند]۶[.

شکل ۴-۱۲-مقایسه بین اثر پهن شدگی طیف در اثر مدولاسیون های مختلف]۶[
۴-۸-افزایش ظرفیت انتقال کانال
رشد تقاضا برای دیتا در چند سال اخیر در سطح جهانی نیازمند بالا بردن ظرفیت انتقال زیر ساخت های مخابراتی است.که راه حل آن افزایش پهنای باند بر روی سیستم های مخابراتی موجود بود برای افزایش پهنای باند بدون اضافه کردن فیبر جدید ، دو راه حل وجود دارد :
الف: روش اول دستیابی به سیستم های با نرخ بیت بالاتر بر روی کانال های نوری موجود است، که تکنیک مالتی پلکس کردن به روش تقسیم زمانی (TDM) نام دارد.تکنیک های TDM در شکل ۴-۱۳ نشان داده شده است.
شکل ۴-۱۳-تکنیک مالتی پلکس کردن به روش تقسیم زمانی
ب: روش دوم تکنیک مالتی پلکس کردن به روش تقسیم طول موج(WDM) نام دارد.
شکل ۴-۱۴- بلوک دیاگرام تکنیک مالتی پلکس کردن به روش تقسیم طول موج
در این روش امکان انتقال همزمان چندین کانال نوری حاوی اطلاعات مختلف بر روی یک فیبر نوری وجود دارد مطابق شکل دو یا بیش از دو سیگنال نوری که دارای طول موج های متفاوتی هستند با یکدیگر ترکیب شده و به طور همزمان در یک فیبر انتقال می یابند.این سیگنالها سپس با توجه به طول موج خود در انتهای مسیر از یکدیگر تفکیک می شوند به بیان ساده تر WDM روشی برای حداقل دوبرابر کردن پهنای باند فیبر است.
۴-۹-تجزیه و تحلیل های مربوط به مدل های شبیه سازی جعبه ابزار SoftTdm 2012 در نرم افزار متلب برای سیستم های مخابرات نوری
SoftTdm یک ابزار شبیه سازی سیستم های مخابرات نوری است که به دلیل احساس نیاز به نرم افزاری که با جنبه آموزشی برای پیاده سازی سیستم های مخابرات نوری در نرم افزار متلب طراحی شده است. در این نرم افزار اجزائ سیستم مخابرات نوری به صورت مجموعه بلوک های آماده ساخته شده اند . این بلوک ها در پایان نامه برای شبیه سازی سیستم مخابرات نوری استفاده شده است لذا این ایجاب می کرد که قبل از استفاده از این بلوک ها با کاتولوگ بلوک های استفاده شده آشنایی پیدا شود بر همین اساس با جزئیات بیشتر فیبر نوری و فرستنده و گیرنده نوری و به همراه تقویت کننده های نوری در ادامه معرفی خواهد شد.کتابخانه Softtdm Ver1 2012 دارای بیش از ۱۷۵ بلوک و مدل های مختلف مانند مدل های ژنراتور،لیزر ، فیبر نوری ، مالتی پلکسیر و دمالتی پلکسیر و … می باشد.
بعد از نصب و اجرای نرم افزار اولین صفحه ای که با آن روبرو می شویم شکل(۴-۱۵) خواهد بود از این صفحه قسمت Libraries را انتخاب می نماییم در کتابخانه باز شده تمام بلوک هایی که برای سیستم مخابرات نوری مورد نیاز می باشد وجود دارد که در شکل ۴-۱۶ نشان داده شده است از میان مجموعه بلوک ها ،چهار بلوک Optical Transmitter ، Fiber Optic ، Optical Regenerator ، Optical Reciver را برای کار پایان نامه انتخاب شده است] ۸[.
شکل ۴-۱۵-محیط کتابخانه SOFTTDM ]8[
شکل ۴-۱۶- مجموعه بلوک های سیستم مخابرات نوری در کتابخانه SOFTTDM ]8[
۴-۹-۱-مدل های مورد استفاده از کتابخانه softtdm
در این بخش اصول اولیه عملکرد هر یک از بخش ها توضیح داده خواهد شد پارامترها قابل تغییر هر مدل به همراه ویژگی هر کدام بیان می شود.
۴-۹-۲-آشنایی با ساختار مدل Optical Transmitter
این قسمت یک بلوک لیزر است که هدف این مدل تبدیل سیگنال ورودی الکتریکی به سیگنال نوری است به طوری که بتوان آن را از طریق تار های نوری منتقل نمود.شکل ۴-۱۷ بلوک دیاگرام آن را نشان می دهد.
این بلوک دارای یک منبع جریان داخلی است که سیگنال الکتریکی را به یک سیگنال جریان متناسب با آن تبدیل می کند به طوری که سیگنال الکتریکی توسط لیزر مدوله می شود.معادله این مدولاسیون به صورت زیر است :
(۴-۱)