I n t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   E l e c t r i c a l   a n d   C o m p u t e r   E n g i n e e r i n g   ( I J E C E )   V o l . 2 ,   N o . 4 ,   A u g u s t   2 0 1 2 ,   p p .   5 2 9 ~ 5 3 6   I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8             5 2 9       J o u r n a l   h o m e p a g e :   h t t p : / / i a e s j o u r n a l . c o m / o n l i n e / i n d e x . p h p / I J E C E   M u l t i l e v e l   S i g n a l   A n a l y z e r   T o o l   f o r   O p t i c a l   C o m m u n i c a t i o n   S y s t e m       M . F . L   A b d u l l a h ,   R a h m a t   T a l i b   D e p a r t m e n t   o f   Co m m u n i c a t i o n   E n g i n e e r i n g ,     F a c u l t y   o f   E l e c t r i c a l   &   E l e c t r o n i c   E n g i n e e r i n g   U n i v e r s i t y   T u n   H u s s e i n   O n n   M a l a y s i a       A r t i c l e   I n f o     A B S T R A C T   A r t i c l e   h i s t o r y :   R e c e i v e d   J u n   2 7 ,   2 0 1 2   R e v i s e d   A u g   1 0 ,   2 0 1 2   A c c e p t e d   A u g   2 1 ,   2 0 1 2         T h i s   p a p e r   p r e s e n t s   a n   e d u c a t i o n a l   s o f t w a r e   i n t e r f a c e   t o o l   f o r   a n a l y z i n g   a n d   e s t i m a t i n g   t h e   b i t   e r r o r   r a t e   ( B E R)   o f   a n   o p t i c a l   c o m m u n i c a t i o n   s y s t e m .   Cu r r e n t l y   BE e s t i m a t i o n   t o o l   r e q u i r e d   e x p e n s i v e   m e a s u r e m e n t   e q u i p m e n t   s u c h   a s   s e r i a l   d a t a   a n a l y z e r   ( S D A )   a n d   BE T e s t e r .   Be s i d e s   c o s t ,   a l l   t h i s   e q u i p m e n t   h a s   l i m i t e d   BE R   e s t i m a t i o n   b a s e d   o n   s t a n d a r d   f o r m a t   a n d   i s   n o t   s u i t a b l e   f o r   c u s t o m   a n a l y s i s   b e c a u s e   o f   t i m e   c o n s t r a i n t   t o   u s e   e q u i p m e n t   e v e n   d u r i n g   o f f l i n e   e s t i m a t i o n .   T h i s   e d u c a t i o n a l   s o f t w a r e   i n t e r f a c e   t o o l   i s   d e v e l o p e d   u s i n g   O P T I S Y S T E M   s o f t w a r e   a n d   b u i l t - i n   M A T L A c o m m a n d .   O P T I S Y S T E M   i s   u s e d   t o   d e s i g n   t h e   P A M   t w o   l e v e l s ,   f o u r   l e v e l s ,   a n d   e i g h t   l e v e l s   s y s t e m ,   w h i l e   M A T L A i s   u s e d   a s   a n   i n t e r f a c e   t o   b u i l d   t h e   BE R   e s t i m a t i o n   t o o l   f o r   m e a s u r i n g   t h e   P A M   m u l t i l e v e l   m o d u l a t i o n   t e c h n i q u e .   T h e   M A T L A G U I   s y s t e m   f o r   m e a s u r i n g   BE i s   d e s i g n   u s i n g   G a u s s i a n   p r o b a b i l i t y   e r r o r s   a p p r o x i m a t i o n   m e t h o d .   T h e   d e s i g n e d   B E e s t i m a t i o n   t o o l   s i m u l a t i o n ,   i s   a b l e   t o   p l o t   t h e   e y e   d i a g r a m ,   BE d i a g r a m ,   Q - f a c t o r   v a l u e ,   t h r e s h o l d   v a l u e ,   a n d   t h e   m o s t   i m p o r t a n t   f u n c t i o n   i s   t o   a n a l y s i s   t h e   BE v a l u e   f o r   t w o   l e v e l s ,   f o u r   l e v e l s   a n d   e i g h t   l e v e l s   o f   a   P A M   o p t i c a l   c o m m u n i c a t i o n   s y s t e m s .   T h e   p e r f o r m a n c e   o f   t h e   d e v e l o p   a n a l y z e r   h a s   b e e n   v a l i d a t e d   w i t h   t h e   b u i l d   i n   a n a l y z e r   o f   O p t i S y s t e m .     K e y w o r d :   M u l t i l e v e l   O p t i c a l   S i g n a l   M u l t i l e v e l   s i g n a l   O p t i c a l   C o m m u n i c a t i o n   O p t i S y s t e m   Co p y r i g h t   ©   2 0 1 2   I n s t i t u t e   o f   A d v a n c e d   E n g i n e e r i n g   a n d   S c i e n c e .     A l l   r i g h t s   r e s e r v e d .   C o r r e s p o n d i n g   A u t h o r :   M . F . L   A b d u l l a h ,     D e p a r t e m e n t   o f   C o m m u n i c a t i o n   E n g i n e e r i n g ,   F a c u l t y   o f   E l e c t r i c a l   &   E l e c t r o n i c   E n g i n e e r i n g ,   U n i v e r s i t y   T u n   H u s s e i n   O n n   M a l a y s i a   8 6 4 0 0   P a r i t   R a j a ,   B a t u   P a h a t ,   J o h o r   E m a i l :   f a i z @ u t h m . e d u . m y       1 .   I N T R O D U C T I O N     O p t i c a l   c o m m u n i c a t i o n   p l a y s   a n   i m p o r t a n t   r o l e   i n   p r o v i d i n g   h i g h   c a p a c i t y   c o m m u n i c a t i o n   n e t w o r k   t o   a l l   s o c i e t y   w o r l d w i d e .   G e n e r a l l y ,   o p t i c a l   c o m m u n i c a t i o n   i s   u s e d   f o r   l o n g   h a u l   d a t a   t r a n s m i s s i o n   w i t h   h i g h   b i t   r a t e   b e c a u s e   o f   l o s s e s   i n   f i b e r   o p t i c   i s   v e r y   s m a l l .   O p t i c a l   s i g n a l   i s   a l s o   i m m u n e   t o   e l e c t r o m a g n e t i c   i n t e r f e r e n c e   c o m p a r e d   t o   e l e c t r i c a l   s i g n a l   [ 1 - 3 ] .   C o n v e n t i o n a l   o p t i c a l   c o m m u n i c a t i o n   e m p l o y e d   s i m p l e   m o d u l a t i o n   i s   c a l l e d   a s   O n - O f f   K e y i n g   b a s e d   o n   n o n - r e t u r n - t o - z e r o   ( N R Z ) .   F o r   h i g h   b i t   r a t e ,   O O K   b a s e d   o n   r e t u r n - t o - z e r o   ( R Z )   i s   u s e d   i n   o r d e r   t o   e x t e n d   f i b e r   s p a n .   D u e   t o   t h e   r a p i d   g r o w t h   o f   i n t e r n e t   u s e r s ,   t h e   c a p a c i t y   o f   o p t i c a l   s y s t e m   a l s o   n e e d s   t o   b e   u p g r a d e d   a s   w e l l .   F o r   t h e   n e x t   g e n e r a t i o n   o f   h i g h   c a p a c i t y   o p t i c a l   c o m m u n i c a t i o n   n e t w o r k ,   a d v a n c e   m o d u l a t i o n   w i t h   h i g h   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   ( S E )   i s   t h e   b e s t   o p t i o n   [ 4 - 7 ] .   M u l t i l e v e l   s i g n a l   m o d u l a t i o n   i s   p r o p o s e d   t o   b e   o n e   t h e   c a n d i d a t e   b e c a u s e   i t   w i l l   b e   a b l e   t o   i n c r e a s e   t h e   S E [ 4 ] .     R e c e n t l y ,   M - P A M   o r   M - a r y   A S K   h a s   b e e n   s t u d i e d   f o r   m e t r o   a p p l i c a t i o n [ 8 ] .   T h e   a d v a n t a g e s   o f   t h i s   s y s t e m   i n c l u d i n g   1 )   h i g h e r   S E   c o m p a r e d   t o   O O K ,   2 )   l o w e r   m o d u l a t i o n   b a n d w i d t h ,   3 )   r o b u s t   t o   c h r o m a t i c   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I J E C E   V o l .   2 ,   N o .   4 ,   A u g u s t   2 0 1 2   :     5 2 9     5 3 6   5 3 0 d i s p e r s i o n   ( C D ) ,   4 )   c o m p a t i b l e   w i t h   s i m p l e   i n t e n s i t y   m o d u l a t i o n   a n d   d i r e c t   d e t e c t i o n   ( I M - D D )   s c h e m e ,   a n d   5 )   c o s t   e f f i c i e n t   s y s t e m .   H o w e v e r ,   i n   o r d e r   t o   d e s i g n   a n d   d e v e l o p   t h e   c o m p l e t e   o p t i c a l   s y s t e m   b a s e d   o n   M - P A M ,   a   c o n v e n t i o n a l   b i n a r y   o r   2   l e v e l s   s i g n a l   a n a l y z e r   i s   i n c a p a b l e   o f   e s t i m a t i n g   t h e   p e r f o r m a n c e   o f   t h e   r e c e i v e d   s i g n a l   s u c h   a s   o p t i m u m   t h r e s h o l d   l e v e l ,   m e a n   a n d   v a r i a n c e   f o r   e a c h   s i g n a l   l e v e l ,   m a x i m u m   Q - f a c t o r ,   a n d   m i n i m u m   s y m b o l   e r r o r   r a t e .     T h e r e f o r e ,   i n   t h i s   p a p e r ,   w e   r e p o r t   t h e   d e v e l o p m e n t   o f   m u l t i l e v e l   s i g n a l   a n a l y z e r   t o   e s t i m a t e   t h e   p e r f o r m a n c e   p a r a m e t e r s .   T h e   r e s t   o f   t h e   p a p e r   i s   o r g a n i z e d   a s   f o l l o w s :   s e c t i o n   2   p r e s e n t s   t h e   i n t r o d u c t i o n   o f   B E R   c a l c u l a t i o n   m e t h o d .     t h e   m a t h e m a t i c   f o r m u l a   f o r   c a l c u l a t i n g   t h e   t h r e s h o l d   l e v e l ,   Q - f a c t o r ,   a n d   b i t   o r   s y m b o l   e r r o r   r a t e   f o r   b i n a r y   a n d   M - P A M .   S e c t i o n   3   d i s c u s s e d   t h e   s i m u l a t i o n   s e t u p   o f   M - P A M   o p t i c a l   s y s t e m ,   f l o w c h a r t   o f   t h e   m u l t i l e v e l   s i g n a l   a n a l y z e r   p r o c e s s   a n d   a l s o   d e m o n s t r a t e s   t h e   r e s u l t s   o b t a i n e d   f r o m   t h e   d e v e l o p e d   a n a l y z e r .   F i n a l l y ,   s e c t i o n   4   c o n c l u d e d   t h i s   r e s e a r c h .       2 .   M U L T I L E V E L   A N A L Y Z E R   D E V E L O P M E N T     2 . 1   B i t   E r r o r   R a t e   I n   d i g i t a l   t r a n s m i s s i o n ,   t h e   b i t   e r r o r   r a t e   o r   b i t   e r r o r   r a t i o   ( B E R )   i s   t h e   n u m b e r   o f   r e c e i v e d   b i n a r y   b i t s   t h a t   h a v e   b e e n   a l t e r e d   d u e   t o   n o i s e   a n d   i n t e r f e r e n c e ,   d i v i d e d   b y   t h e   t o t a l   n u m b e r   o f   t r a n s f e r r e d   b i t s   d u r i n g   a   s t u d i e d   t i m e   i n t e r v a l .   B E R   i s   a   u n i t   l e s s   p e r f o r m a n c e   p a r a m e t e r ,   o f t e n   e x p r e s s e d   a s   a   p e r c e n t a g e   n u m b e r .   T h e   b a s i c   e q u a t i o n   t o   d e t e r m i n e   t h e   B E R   i s   a s   f o l l o w :                     ( 1 )       I n   o r d e r   t o   u s e   t h i s   f o r m u l a ,   b i t   t o   b i t   c o m p a r i s o n   b e t w e e n   r e c o v e r e d   b i t   a n d   t r a n s m i t t e d   b i t   m u s t   b e   o b t a i n .   H o w e v e r ,   b i t   t o   b i t   e r r o r   c a l c u l a t i o n   i s   n o t   p r a c t i c a l   b e c a u s e   i t   i s   t i m e   c o n s u m i n g   f o r   h u g e   b i t s   a n d   r e q u i r e d   l a r g e   r a n d o m   a c c e s s   m e m o r y   ( R A M )   o f   c o m p u t e r .   I n   m o d e r n   c o m m u n i c a t i o n   e n g i n e e r i n g ,   p r o b a b i l i t y   o f   e r r o r   m e t h o d   w i t h   G a u s s i a n   a p p r o x i m a t i o n   i s   m o r e   a   c o n v e n i e n t   m e t h o d   t o   e s t i m a t e   t h e   B E R   [ 2 ,   9 ] .       2 . 2   Q - f a c t o r   a n d   P r o b a b i l i t y   o f   E r r o r   f o r   B i n a r y     F i g u r e   1   s h o w s   t h e   p r o b a b i l i t y   d e n s i t y   f u n c t i o n   ( p d f )   o f   a   r e c e i v e d   b i n a r y   s i g n a l   w i t h   s y m b o l   S 0   a n d   s y m b o l   S 1 .   I n   t h i s   d e r i v a t i o n ,   w e   a s s u m e   t h a t   t h e   p d f   i s   G a u s s i a n .   T h e   b a d   r e c e i v e d   b i t   i s   t h e   o v e r l a p p i n g   r e g i o n   b e t w e e n   p d f   o f   s y m b o l   S 0   a n d   s y m b o l   S 1 .         F i g u r e   1 .   P r o b a b i l i t y   d e n s i t y   f u n c t i o n   o f   a   r e c e i v e d   b i n a r y   s i g n a l       I t   i s   v e r y   i m p o r t a n t   t o   s e l e c t   t h e   o p t i m u m   t h r e s h o l d   v a l u e   f o r   t h e   d e c i s i o n   c i r c u i t   i n   o r d e r   t o   m i n i m i z e   t h e   e r r o r .   T h e   t h r e s h o l d   v a l u e   i s   g i v e n   b y   e q u a t i o n   ( 2 )                     ( 2 )   w h e r e   a n d   i s   t h e   m e a n   a n d   s t a n d a r d   d e v i a t i o n   f o r   ,   r e s p e c t i v e l y .   b i t r e c e v i e d e r r o r b i t   t r a n s m i t t e d B E R = 1 1 0 0 1 ( ) ( ) 2 m s m s g - + + = i m i s i S { } 0 1 , S S = Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8         M u l t i l e v e l   S i g n a l   A n a l y z e r   T o o l   f o r   O p t i c a l   C o m m u n i c a t i o n   S y s t e m   ( M . F . L   A b d u l l a h )   5 3 1 T h e   Q - f a c t o r   i s                   ( 3 )   T h e   p r o b a b i l i t y   o f   e r r o r   w h e n   i s   t r a n s m i t t e d   i s :               ( 4 )     F o r   s i m i l a r   t h r e s h o l d   v a l u e ,   t h e   p r o b a b i l i t y   o f   e r r o r   w h e n   i s   t r a n s m i t t e d   i s :                 ( 5 )       a n d   a r e   c o n t r i b u t i n g   t o   t o t a l   p r o b a b i l i t y   o f   e r r o r ,   t h u s ,   t h e   p r o b a b i l i t y   o f   e r r o r   f o r   b i n a r y   i s   g i v e n   b y :                     ( 6 )     w h e r e   a n d   a r e   p r o b a b i l i t y   o f   a n d ,   r e s p e c t i v e l y .     2 . 3   Q - f a c t o r   a n d   P r o b a b i l i t y   o f   E r r o r   f o r   U n i p o l a r   M - P A M   U n i p o l a r   M - P A M   i s   a   m u l t i l e v e l   b a s e b a n d   s i g n a l   w i t h   M   s i g n a l   l e v e l s   o r   s y m b o l s .   T h e r e   a r e   M - 1   t h r e s h o l d   v a l u e s   a n d   t h e   t h   t h r e s h o l d   v a l u e   i s :                 ( 7 )     w h e r e   a n d   i s   t h e   m e a n   a n d   s t a n d a r d   d e v i a t i o n   f o r   ,   r e s p e c t i v e l y .     T h e   Q - f a c t o r   i s                 ( 8 )       T h e   p r o b a b i l i t y   o f   e r r o r   i s   g i v e n   b y :                 ( 9 )     w h e r e   i s   p r o b a b i l i t y   o f     a n d     1 0 1 0 u u Q s s - = + 0 S ( ) 2 1 0 0 1 2 0 0 1 / 2 P e S e g m s g p s - - ¥ = 1 0 0 1 2 2 e r f c g m s - = 1 S ( ) 2 1 1 1 1 2 1 1 1 / 2 P e S e m g g s p s - - - ¥ = 1 1 1 1 2 2 e r f c m g s - = ( ) 0 / P e S ( ) 1 / P e S ( ) ( ) 0 0 1 1 / / e S S P p P e S p P e S = + 0 S p 1 S p 0 S 1 S i 1 1 ( ) ( ) 2 k k k k k m s m s g - - - + - = k m k s k S { } 0 1 1 , , . . . , M S S S - = 1 1 k k k k k u u Q s s - - - = + 1 1 0 0 , 1 2 2 M M k l e M P A M k k l l k A P p e r f c - - - = = ¹ = k p k S { } 0 1 1 , , . . . , M S S S - = Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I J E C E   V o l .   2 ,   N o .   4 ,   A u g u s t   2 0 1 2   :     5 2 9     5 3 6   5 3 2     2 . 4   S i m u l a t i o n   o f   O p t i c a l   C o m m u n i c a t i o n   S y s t e m     T h e   p e r f o r m a n c e   o f   o p t i c a l   c o m m u n i c a t i o n   s y s t e m   c a n   b e   o b t a i n e d   b y   a n a l y z i n g   t h e   r e c e i v e d   s i g n a l   a t   t h e   r e c e i v e r   s i d e .   A t   t h i s   p o i n t ,   t h e   t r a n s m i t t e d   s i g n a l   h a s   b e e n   e x p o s e d   w i t h   v a r i o u s   i m p e r f e c t i o n s   o f   m e d i u m   a n d   d e v i c e s .   I n   o r d e r   t o   s e e   t h e   s e r i o u s n e s s   o f   t h i s   p r o b l e m ,   e y e - d i a g r a m   a n d   B E R   e s t i m a t i o n   a r e   t h e   t y p i c a l   p e r f o r m a n c e   p a r a m e t e r s   r e q u i r e   t o   b e   d e t e r m i n e d .   I n   o r d e r   t o   o b t a i n   t h e   r e c e i v e d   s i g n a l ,   a   c o m p l e t e   o p t i c a l   c o m m u n i c a t i o n   s y s t e m   s h o u l d   b e   d e v e l o p e d .   I n   t h i s   r e s e a r c h ,   a n   o p t i c a l   c o m m u n i c a t i o n   s y s t e m   i s   d e v e l o p e d   u s i n g   O p t i S y s t e m   s o f t w a r e   p l a t f o r m .   T h e   a d v a n t a g e s   o f   O p t i S y s t e m   i n c l u d i n g ;   m o s t   c o m p o n e n t s   a v a i l a b l e   i n   l i b r a r y ,   e a s y   t o   i n t e g r a t e   w i t h   o t h e r   s o f t w a r e   p l a t f o r m   i n c l u d i n g   M a t l a b ,   a n d   p a r a m e t e r   m o d i f i c a t i o n   i s   m o r e   e a s i e r   c o m p a r e   t o   r e a l   o p t i c a l   c o m m u n i c a t i o n   s y s t e m .   I n   t h i s   r e s e a r c h ,   2 - P A M   o r   n o n - r e t u r n - t o - z e r o   ( N R Z ) ,   4 - P A M   a n d   8 - P A M   b a s e d   o n   t h e   i n t e n s i t y   m o d u l a t i o n   h a v e   b e e n   d e v e l o p e d   a n d   s i m u l a t e d .   F i g u r e   2   s h o w s   t h e   s i m u l a t i o n   s e t u p   f o r   2 ,   4   a n d   8 - P A M .   2 N - 1   b i t s   s e q u e n c e   o f   p s e u d o   r a n d o m   b i n a r y   s i g n a l   ( P R B S )   a t   R   b i t   r a t e   i s   m a p p e d   t o   2 ,   4   a n d   8 - P A M   s y m b o l   s e q u e n c e .   T h i s   s y m b o l   s e q u e n c e   i s   t h e n   c o n v e r t e d   t o   b a s e b a n d   s i g n a l   f o r   m o d u l a t i n g   t h e   1 5 5 0 n m   c o n t i n u o u s   w a v e   ( C W )   l a s e r   u s i n g   e x t e r n a l   m o d u l a t o r .   I n   o r d e r   t o   v a r y   t h e   r e c e i v e d   o p t i c a l   p o w e r ,   a n   o p t i c a l   a t t e n u a t o r   i s   i n s e r t e d   b e f o r e   t h e   p h o t o   d i o d e .   T h e   a t t e n u a t e d   o p t i c a l   s i g n a l   i s   c o n v e r t e d   t o   e l e c t r i c a l   s i g n a l   v i a   p - i - n   p h o t o   d i o d e .   T h e   n o i s e   s i g n a l   p a s s   t h r o u g h   a   l o w   p a s s   f i l t e r   w i t h   0 . 7 5 * R   H z   o f   c u t o f f   f r e q u e n c y .     T h i s   f i l t e r e d   s i g n a l   i s   t h e n   s a v e d   i n   a   m a t   f i l e   o f   m a t l a b   s o f t w a r e .     2 . 5   D e v e l o p m e n t   o f   M u l t i l e v e l   S i g n a l   A n a l y z e r   T h e   d e v e l o p e d   o p t i c a l   s y s t e m   i n   O p t i S y s t e m   p l a t f o r m   i s   v e r y   u s e f u l   f o r   s t u d y i n g   a n y   t r a n s m i s s i o n   i s s u e s .   I n   o r d e r   t o   d e t e r m i n e   t h e   p e r f o r m a n c e   o f   s i g n a l ,   t h e   b u i l d   i n   B E R   A n a l y z e r   i s   a v a i l a b l e .   T h i s   a n a l y z e r   p r o v i d e s   t h e   e y e - d i a g r a m ,   Q - f a c t o r ,   t h r e s h o l d   l e v e l   a n d   B E R .   H o w e v e r ,   t h i s   a n a l y z e r   i s   l i m i t e d   t o   b i n a r y   s i g n a l   s u c h   a s   N R Z   a n d   R Z .   I n   o r d e r   t o   a n a l y z e   f o r   4 - P A M   a n d   8 - P A M ,   a   M a t l a b   p r o g r a m m e   i s   d e v e l o p e d   t o   c a l c u l a t e   t h e   S E R .   T h e   i n p u t   s o u r c e   f o r   t h i s   a n a l y z e r   i s   t h e   r e c e i v e d   s i g n a l   o f   a n   o p t i c a l   s y s t e m   t h a t   h a s   b e e n   d e v e l o p e d   a n d   s i m u l a t e d   u s i n g   O p t i S y s t e m .   I n   o r d e r   t o   o b t a i n   t h e   r e c e i v e d   s i g n a l ,   M a t l a b   C o s i m u l a t o r   t o o l   h a s   b e e n   a t t a c h e d   t o   t h e   s i m u l a t i o n   s e t u p   o f   a n   o p t i c a l   c o m m u n i c a t i o n   s y s t e m .     F i g u r e   3   d e p i c t s   t h e   f l o w c h a r t   i n   d e v e l o p i n g   a   m u l t i l e v e l   s i g n a l   a n a l y z e r .     F i r s t l y ,   t h e   s a v e d   d a t a   f r o m   t h e   s i m u l a t i o n   o f   O p t i S y s t e m   i s   l o a d e d   t o   a   m a t l a b   w o r k s p a c e .   T h e   s i g n a l   i s   t h e n   g r o u p e d   d e p e n d i n g   o n   t h e   s y m b o l .   T h e   m e a n   a n d   s t a n d a r d   d e v i a t i o n   f o r   e a c h   s y m b o l   a r e   c a l c u l a t e d .   T h e n   t h e   t h r e s h o l d   l e v e l   i s   e s t i m a t e d   b a s e d   o n   t h e   m e a n   a n d   s t a n d a r d   d e v i a t i o n   o f   s y m b o l .           F i g u r e   2 .   S i m u l a t i o n   s e t u p       F i g u r e   3 .   F l o w c h a r t   o f   m u l t i l e v e l   s i g n a l   a n a l y z e r       1 l k k k l k l k f o r k l A f o r l k g m s m g s + - < = - < Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8         M u l t i l e v e l   S i g n a l   A n a l y z e r   T o o l   f o r   O p t i c a l   C o m m u n i c a t i o n   S y s t e m   ( M . F . L   A b d u l l a h )   5 3 3 3 .   R E S U L T   A N D   A N A L Y S I S   T h e   d e v e l o p e d   m u l t i l e v e l   a n a l y z e r   h a s   b e e n   u s e d   t o   a n a l y z e   d a t a   f i l e   o f   2 - P A M ,   4 - P A M   a n d   8 - P A M   s i g n a l s .   F o r   e a c h   m u l t i l e v e l   s i g n a l ,   t h i s   a n a l y z e r   p r o v i d e s   a   v i s u a l   p r e s e n t a t i o n   o f   s y s t e m   p e r f o r m a n c e   i n c l u d i n g   e y e   d i a g r a m   a n d   e s t i m a t i o n   S E R   u s i n g   G a u s s i a n   a p p r o x i m a t i o n .   O t h e r   i m p o r t a n t   p a r a m e t e r s   s u c h   a s   Q   f a c t o r ,   t h r e s h o l d   a n d   S E R   a r e   a l s o   g i v e n   i n   n u m e r i c a l   f o r m a t .   F i g u r e   4 ,   F i g u r e   5   a n d   F i g u r e   6   d e p i c t   t h e   e y e   d i a g r a m   f o r   2 - P A M ,   4 - P A M   a n d   8 - P A M ,   r e s p e c t i v e l y .   2 - P A M   c o n t a i n s   a   s i n g l e   e y e   b e c a u s e   i t   h a s   2   s y m b o l s   w h i c h   a r e   l e v e l   0   ( f i r s t   s y m b o l )   a n d   l e v e l   1 ( s e c o n d   s y m b o l ) .   M e a n w h i l e ,   4 - P A M   c o n t a i n s   3   s m a l l   e y e s   b e c a u s e   i t   h a s   4   s y m b o l s   w h i c h   i s   l e v e l   0   ( f i r s t   s y m b o l ) ,   l e v e l   1 ( S e c o n d   s y m b o l ) ,   l e v e l   2 ( T h i r d   s y m b o l )   a n d ,   l e v e l   3 ( F o u r t h   s y m b o l ) .     8 - P A M     c o n t a i n s   7   s m a l l   e y e s   b e c a u s e   i t   h a s   8   s y m b o l s   w h i c h   i s   l e v e l   0   ( f i r s t   s y m b o l ) ,   l e v e l   1   ( s e c o n d   s y m b o l ) ,   l e v e l   2   ( t h i r d   s y m b o l ) ,   l e v e l   3   ( f o u r t h   s y m b o l ) ,   l e v e l   4   ( f i f t h   s y m b o l ) ,   l e v e l   5   ( s i x t h   s y m b o l ) ,   l e v e l   6   ( s e v e n t h   s y m b o l ) ,   a n d   l e v e l   7 ( e i g h t h   s y m b o l ) .   F i g u r e   7 ,   F i g u r e   8   a n d   F i g u r e   9   i l l u s t r a t e s   t h e   S E R   c a l c u l a t e d   b a s e   o n   G a u s s i a n   a p p r o x i m a t i o n   o v e r   t h e   s y m b o l   p e r i o d   f o r   2 - P A M ,   4 - P A M   a n d   8 - P A M ,   r e s p e c t i v e l y .   T h e   b e s t   s a m p l i n g   p o i n t   f o r   2 - P A M ,   4 - P A M   a n d   8 - P A M   i s   a t   8 0   p s ,   7 0   p s   a n d   1 5 0   p s ,   r e s p e c t i v e l y .   A t   t h i s   s a m p l i n g   p o i n t ,   m i n i m u m   v a l u e   o f   S E R   i s   o b t a i n e d .   A t   t h e   b e s t   s a m p l i n g   p o i n t ,   t h e   Q - f a c t o r ,   t h r e s h o l d   l e v e l   a n d   S E R   a r e   d e t e r m i n e d   a s   s h o w n   i n   T a b l e   1 ,   T a b l e   2   a n d   T a b l e   3   f o r   2 - P A M ,   4 - P A M   a n d   8 - P A M ,   r e s p e c t i v e l y .         F i g u r e   4 .   E y e   d i a g r a m   f o r   2 - P A M       F i g u r e   5 .   E y e   d i a g r a m   o f   4 - P A M         F i g u r e   6 .   E y e   D i a g r a m   o f   8 - P A M       F i g u r e   7 .   S E R   o f   N R Z         0 0 . 1 0. 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0. 8 0 . 9 1 x   1 0 - 10 - 5 0 5 1 0 1 5 2 0 x   1 0 - 7 t i m e ( s ) V o l t a ge ( V ) 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 4 1 . 6 1 . 8 2 x   1 0 - 1 0 - 0 . 5 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 x   1 0 - 5 t i m e ( s ) V o l t a g e ( V ) 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 x   1 0 - 1 0 - 1 0 1 2 3 4 5 6 7 x   1 0 - 5 t i m e ( s ) V o l t a g e ( V ) 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 x   1 0 - 1 0 1 0 - 8 1 0 - 7 1 0 - 6 1 0 - 5 1 0 - 4 1 0 - 3 1 0 - 2 1 0 - 1 1 0 0 t i m e ( s ) M i n   B E R   u s i n g   G a u s s i a n   a p p r o x Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I J E C E   V o l .   2 ,   N o .   4 ,   A u g u s t   2 0 1 2   :     5 2 9     5 3 6   5 3 4 F i g u r e   8 .   S E R   o f   4 - P A M   F i g u r e   9 .   S E R   o f   8 - P A M     T a b l e   1 .   V a l u e   F r o m   T h e   R e s u l t   ( N R Z )   Q - F a c t o r   5 . 8 1 1 3   T h r e s h o l d   7 . 4 4 6 5 x 1 0 - 7   V   B e r   4 . 1 6 0 1   X 1 0 - 8       T a b l e   2 .   V a l u e   f r o m   t h e   R e s u l t   ( 4 -   P a m )   Q - f a c t o r   T h r e s h o l d     M i n   B E R           5 . 0 4 6 5           4 . 4 4   x 1 0 - 6     5 . 3 7 4 5   x 1 0 - 6           4 . 3 6 2 7           1 . 2 8 3   x 1 0 - 5           4 . 5 4 6 3           2 . 0 8 8   x 1 0 - 5       T a b l e   3 .   V a l u e   f r o m   t h e   R e s u l t   ( 8   l e v e l   P A M )   Q - f a c t o r   T h r e s h o l d     M i n   B E R           6 . 1 5 7 6           4 . 6 9   x 1 0 - 6     3 . 9 9 4 2 x 1 0 - 8           6 . 7 1 9 3           1 . 3 5 4   x 1 0 - 5           7 . 0 2 6 6           2 . 2 7 2   x 1 0 - 5           6 . 9 0 3 2           3 . 1 6 7   x 1 0 - 5           6 . 3 3 1 5           4 . 0 7 3   x 1 0 - 5           5 . 6 4 6 9           4 . 9 8 6   x 1 0 - 5           5 . 2 3 9 7           5 . 8 9 9   x 1 0 - 5     I n   o r d e r   t o   v a l i d a t e   t h e   B E R   r e s u l t   p r o d u c e   u s i n g   t h e   d e v e l o p e d   a n a l y z e r ,   a   c o m p a r i s o n   a g a i n s t   t h e   b u i l d   i n   B E R   a n a l y z e r   o f   O p t i S y s t e m   h a s   b e e n   d o n e   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   1 0 .   T h e   f i g u r e   s h o w s   t h a t   t h e   d e v e l o p e d   a n a l y z e r   h a s   c l o s e   m a t c h   w i t h   t h e   b u i l d   i n   B E R   a n a l y z e r   o f   O p t i S y s t e m .   T h i s   c o n f i r m e d   t h a t   o u r   d e v e l o p e d   a n a l y z e r   a l g o r i t h m   a n d   m a t l a b   c o d i n g   a r e   v a l i d .         F i g u r e   1 1   s h o w s   t h e   c o m p a r i s o n   b e t w e e n   2 - P A M   a n d   8 - P A M   u s i n g   t h e   d e v e l o p e d   a n a l y z e r .   8 - P A M   o p t i c a l   s y s t e m   r e q u i r e s   a r o u n d   2 0   d B   S N R   m o r e   c o m p a r e d   t o   2 - P A M .   T h e o r e t i c a l l y ,   i n   a d d i t i v e   w h i t e   G a u s s i a n   n o i s e   c h a n n e l ,   S N R   p e n a l t y   i s   a r o u n d   1 1   d B   f o r   e q u a l   s i g n a l   l e v e l   a n d   n o i s e   v a r i a n c e [ 1 0 ] .   I n   t h i s   o p t i c a l   s y s t e m ,   o t h e r   i m p a i r m e n t s   c o n t r i b u t e   a d d i t i o n a l   p o w e r   p e n a l t y .         0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 4 1 . 6 1 . 8 2 x   1 0 - 1 0 1 0 - 6 1 0 - 5 1 0 - 4 1 0 - 3 1 0 - 2 1 0 - 1 1 0 0 t i m e ( s ) M i n   B E R   u s i n g   G a u s s i a n   a p p r o x 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 x   1 0 - 1 0 1 0 - 8 1 0 - 7 1 0 - 6 1 0 - 5 1 0 - 4 1 0 - 3 1 0 - 2 1 0 - 1 1 0 0 t i m e ( s ) M i n   B E R   u s i n g   G a u s s i a n   a p p r o x Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8         M u l t i l e v e l   S i g n a l   A n a l y z e r   T o o l   f o r   O p t i c a l   C o m m u n i c a t i o n   S y s t e m   ( M . F . L   A b d u l l a h )   5 3 5     F i g u r e   1 0 .   C o m p a r i s o n   o f   l o g   B E R   p e r f o r m a n c e   b e t w e e n   O p t i S y s t e m   a n d   D e v e l o p e d   A n a l y z e r f o r   2 - P A M       F i g u r e   1 1 .   l o g   B E R   v e r s u s   S N R   f o r   2 - P A M   a n d   8 - P A M         4 .     C O N C L U S I O N   I n   t h i s   p a p e r ,   t h e   m a t h e m a t i c a l   f o r m u l a   t h a t   h a s   b e e n   u s e d   t o   c a l c u l a t e   t h e   t h r e s h o l d   v a l u e ,   Q - f a c t o r   a n d   b i t   o r   s y m b o l   e r r o r   r a t e   b a s e d   o n   p r o b a b i l i t y   o f   e r r o r   m e t h o d   f o r   b i n a r y   a n d   M - P A M   o p t i c a l   s y s t e m   h a s   b e e n   d i s c u s s e d .   M a t l a b   s o f t w a r e   h a s   u s e d   t o   d e v e l o p   t h e   m u l t i l e v e l   s i g n a l   a n a l y z e r .   T h e   p e r f o r m a n c e s   o f   2 ,   4   a n d   8 - P A M   o p t i c a l   c o m m u n i c a t i o n   s y s t e m   h a v e   b e e n   a n a l y z e d   u s i n g   t h i s   d e v e l o p e d   a n a l y z e r .   B a s e d   o n   t h e   B E R   p e r f o r m a n c e   o f   2 - P A M ,   t h e   d e v e l o p e d   a n a l y z e r   g i v e s   v a l i d   e s t i m a t i o n   c o m p a r e d   t o   b u i l d   i n   O p t i S y s t e m   A n a l y z e r .       A C K N O W L E D G M E N T   T h e   a u t h o r s   a r e   v e r y   g r a t e f u l   t o   o u r   F a c u l t y   o f   E l e c t r i c a l   a n d   E l e c t r o n i c   E n g i n e e r i n g ,   U n i v e r s i t y   T u n   H u s s i e n   O n n   M a l a y s i a   f o r   i t s   s u p p o r t   i n   c o m p l e t i n g   t h i s   p r o j e c t .   T h i s   r e s e a r c h   h a s   b e e n   a w a r d e d   c o n s o l a t i o n   p r i z e   i n   R e s e a r c h   &   I n n o v a t i o n   F e s t   2 0 1 1   c o m p e t i t i o n .     R E F E R E N C E   [ 1 ]   R.   Ra m a s w a m i   a n d   K .   N .   S i v a r a j a n ,   O p t i c a I   Ne t wo r k s :   A   P r a c t i c a l   P e r s p e c t i v e ,   2 n d   e d .   S a n   F r a n c i s c o :   M o r g a n   K a u f m a n n ,   2 0 0 2 .   [ 2 ]   G .   P .   A g r a w a l ,   F i b e r - O p t i c   Co m m u n i c a t i o n   S y s t e m s ,   3 r d   e d .   N e w   Y o r k :   J o h n   W i l e y   &   S o n s ,   2 0 0 2 .   [ 3 ]   G .   K e i s e r ,   O p i t i c a l   Co m m u n i c a t i o n s   E s s e n t i a l s .   N e w   Y o r k :   M c G r a w - H i l l ,   2 0 0 3     [ 4 ]   N .   K i k u c h i ,   K .   S e k i n e ,   a n d   S .   S a s a k i ,   " M u l t i l e v e l   s i g n a l l i n g   f o r   H i g h - s p e e d   o p t i c a l   t r a n s m i s s i o n , "   i n   P r o c .   3 2 n d   E u r o p e a n   C o n f .   O p t i c a l   C o m m u n i c a t i o n   ( E CO C) , .   Ca n n e s ,   F r a n c e ,   2 0 0 6 .   [ 5 ]   G .   A .   M a h d i r a j i ,   M .   K .   A b d u l l a h ,   A .   M .   M o h a m m a d i ,   A .   F .   A b a s ,   M .   M o k h t a r ,   a n d   E .   Z a h e d i ,   " D u t y - c y c l e   d i v i s i o n   m u l t i p l e x i n g   ( D CD M ) , "   O p t i c s   &   L a s e r   T e c h n o l o g y ,   v o l .   4 2 ,   p p .   2 8 9 - 2 9 5 ,   2 0 1 0 .   [ 6 ]   J .   Y u   a n d   X .   Z h o u ,   " M u l t i l e v e l   m o d u l a t i o n s   a n d   d i g i t a l   c o h e r e n t   d e t e c t i o n , "   O p t i c a l   F i b e r   T e c h n o l o g y ,   v o l .   1 5 ,   p p .   1 9 7 - 2 0 8 ,   2 0 0 9 .   [ 7 ]   N .   K i k u c h i ,   K .   M a n d a i ,   K .   S e k i n e ,   a n d   S .   S a s a k i ,   " I n c o h e r e n t   3 2 - L e v e l   O p t i c a l   M u l t i l e v e l   S i g n a l i n g   T e c h n o l o g i e s , "   J o u r n a l   o f   L i g h t w a v e   T e c h n o l o g y ,   v o l .   2 6 ,   p p .   1 5 0 - 1 5 7 ,   2 0 0 8 .   [ 8 ]   D .   A n n i k a ,   A . - D .   M a j e d   O m a r ,   a n d   R.   W e r n e r ,   " O p t i m i z a t i o n   o f   Co s t   E f f i c i e n t   M u l t i l e v e l - A S K   M o d u l a t i o n   F o r m a t s   u n d e r   t h e   Co n s t r a i n t   o f   Ch r o m a t i c   D i s p e r s i o n , "   i n   O p t i c a l   F i b e r   Co m m u n i c a t i o n   Co n f e r e n c e ,   O S A   T e c h n i c a l   D i g e s t   ( CD ) :   O p t i c a l   S o c i e t y   o f   A m e r i c a ,   2 0 1 0 ,   p p .   O M J 7 .   [ 9 ]   E .   S a c k i n g e r ,   B r o a d b a n d   Ci r c u i t s   f o r   O p t i c a l   F i b e r   Co m m u n i c a t i o n ,   1 s t   e d .   N e w   J e r s e y :   J o h n   W i l e y   &   S o n s ,   2 0 0 5 .   [ 1 0 ]   F .   X i o n g ,   D i g i t a l   M o d u l a t i o n   T e c h n i q u e s ,   2 n d   e d .   N o r w o o d :   A r t e c h   H o u s e ,   2 0 0 6 .           1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 - 1 5 - 1 0 - 5 S N R ( d B ) l o g   B E R     O p t i S y s t e m   A n a l y z e r D e v e l o p e d   A n a l y z e r 0 1 0 2 0 3 0 4 0 - 1 5 - 1 0 - 5 0 S N R ( d B ) l o g   B E R     2 - P A M 8 - P A M Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I J E C E   V o l .   2 ,   N o .   4 ,   A u g u s t   2 0 1 2   :     5 2 9     5 3 6   5 3 6   B I O G R A P H I E S   O F   A U T H O R S         M o h a m m a d   F a i z   L i e w   A b d u l l a h   r e c e i v e d   BS c   ( H o n s )   i n   E l e c t r i c a l   E n g i n e e r i n g   ( Co m m u n i c a t i o n )   i n   1 9 9 7 ,   D i p   E d u c a t i o n   i n   1 9 9 9   a n d   M E n g   b y   r e s e a r c h   i n   O p t i c a l   F i b e r   Co m m u n i c a t i o n   i n   2 0 0 0   f r o m   U n i v e r s i t y   o f   T e c h n o l o g y   M a l a y s i a   ( U T M ) .   H e   c o m p l e t e d   h i s   P h D   i n   A u g u s t   2 0 0 7   f r o m   T h e   U n i v e r s i t y   o f   W a r w i c k ,   U n i t e d   K i n g d o m   i n   W i r e l e s s   O p t i c a l   Co m m u n i c a t i o n   E n g i n e e r i n g .   H e   s t a r t e d   h i s   c a r e e r   a s   a   l e c t u r e r   a t   P o l y t e c h n i c   S e b e r a n g   P r a i   ( P S P )   i n   1 9 9 9   a n d   w a s   t r a n s f e r r e d   t o   U T H M   i n   2 0 0 0   ( f o r m e r l y   k n o w n   a s   P L S P ) .   A t   p r e s e n t   h e   i s   a n   A s s o c i a t e   P r o f e s s o r   a n d   t h e   D e p u t y   D e a n   ( Re s e a r c h   a n d   D e v e l o p m e n t ) ,   F a c u l t y   o f   E l e c t r i c a l   &   E l e c t r o n i c   E n g i n e e r i n g ,   U n i v e r s i t y   T u n   H u s s e i n   O n n   M a l a y s i a   ( U T H M ) .   H e   h a d   1 0   y e a r s   e x p e r i e n c e   o f   t e a c h i n g   i n   h i g h e r   e d u c a t i o n ,   w h i c h   i n v o l v e d   t h e   s u b j e c t   O p t i c a l   F i b e r   Co m m u n i c a t i o n ,   A d v a n c e d   O p t i c a l   Co m m u n i c a t i o n ,   A d v a n c e d   D i g i t a l   S i g n a l   P r o c e s s i n g   a n d   e t c .   H i s   r e s e a r c h   a r e a   o f   i n t e r e s t   a r e   w i r e l e s s   a n d   o p t i c a l   c o m m u n i c a t i o n ,   p h o t o n i c s   a n d   r o b o t i c   i n   c o m m u n i c a t i o n .               Ra h m a t   T a l i b   r e c e i v e d   t h e   BE n g   i n   e l e c t r i c a l   e n g i n e e r i n g   f r o m   U n i v e r s i t i   K e b a n g s a a n   M a l a y s i a ,   i n   1 9 9 6   a n d   M E n g   i n   t e l e c o m m u n i c a t i o n   e n g i n e e r i n g   f r o m   U n i v e r s i t i   T e k n o l o g i   M a l a y s i a   i n   2 0 0 4 .   H e   i s   c u r r e n t l y   w o r k i n g   t o w a r d   h i s   P h D   i n   e l e c t r i c a l   e n g i n e e r i n g   a t   U n i v e r s i t i   T u n   H u s s e i n   O n n   M a l a y s i a .   H e   i s   a   s t u d e n t   m e m b e r   o f   I E E E   a n d   O p t i c a l   S o c i e t y   o f   A m e r i c a ( O S A ) .   H i s   r e s e a r c h   i n t e r e s t s   i n c l u d e   o p t i c a l   f i b r e   c o m m u n i c a t i o n ,   m u l t i p l e x i n g   t e c h n i q u e   a n d   s o f t w a r e   d e f i n e d   r a d i o   ( S D R) .           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.