數(shù)字光纖通信系統(tǒng)仿真軟件的研究

陳曉明

（肇慶學(xué)院,廣東 肇慶 526061）

1.前言

光纖通信系統(tǒng)是由光發(fā)送機、光接收機、光纖（或光纜）和各種耦合器件等組成的信息傳輸系統(tǒng)。隨著數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展和對其要求的不斷提高，系統(tǒng)的復(fù)雜程度也在大幅度地提高，這給數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展提出了不小難題，而通過數(shù)字光纖通信系統(tǒng)仿真軟件，可以直接搭建光纖及測試儀器與激光器的模型，并對此進行分析和研究。利用系統(tǒng)仿真軟件可以避免器件的購買和維護，減少投資。

2.光纖通信系統(tǒng)的概念

光纖通信系統(tǒng)與其它通信系統(tǒng)的區(qū)別從原理上來說只是載波頻率的不同。光載波的頻率在約100THz的數(shù)量級，而微波載頻的范圍在1-100GHz，由于光載波頻率與微波頻率之間的差別，光通信的信息容量比微波系統(tǒng)高出10000倍，調(diào)制帶寬可以達到約1Tbps的量級。正是由于光通信系統(tǒng)具有如此巨大的帶寬潛力，才使得人們不斷地研究和開發(fā)光通信系統(tǒng)。光纖通信系統(tǒng)采用光纖作為通信信道。從原理上講，在任何需要傳遞信息的兩地之間都可以使用光纖通信，但促進光纖通信發(fā)展的主要原因是其在電訊領(lǐng)域的應(yīng)用。光纖通信的電訊應(yīng)用大致可以分為兩類，即長途和短途通信。在長途通信系統(tǒng)中，干線上要求具有很高的容量，光纖通信系統(tǒng)正好滿足這個要求。事實上，光纖通信的發(fā)展也得益于長途通信應(yīng)用的發(fā)展。與同軸電纜系統(tǒng)相比，中繼距離和碼速成量級的提高使得光纖通信在長途應(yīng)用方面具有特別的吸引力，尤其是采用光放大器后，可以使無光電轉(zhuǎn)換的中繼距離大大增加。

3.數(shù)字光纖通信系統(tǒng)仿真方法和應(yīng)用

數(shù)字光纖通信系統(tǒng)是多種多樣的，為了說明基于仿真的方法用于性能評估，讓我們考察一個光纖通信系統(tǒng)的簡化模型（如圖1）。這個模型只畫出了一個典型數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的功能方框的一部分。為討論方便起見，假定我們對評估該系統(tǒng)的誤碼率性能與濾波器參數(shù)、非線性放大器參數(shù)以及信噪比之間的函數(shù)關(guān)系感興趣。

圖1 仿真的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)

由于濾波器及非線性的存在，分析法評估該系統(tǒng)的性能是困難的。帶寬受限的濾波器引入符號間干擾(1SI)，而噪聲經(jīng)過非線性單元會導(dǎo)致非高斯和非加性現(xiàn)象，這些都是很難描述和分析的。可以做某些近似，如忽略非線性單元前置濾波器的影響，將兩個噪聲源合并，并將這兩個噪聲源的總效應(yīng)當(dāng)作加性、高斯噪聲源處理。

仿真在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)設(shè)計和工程實現(xiàn)的所有階段都能起到重要作用，包括從早期的概念設(shè)計階段到各個工程實現(xiàn)階段，以及現(xiàn)場試驗。設(shè)計過程一般從概念定義開始，即對系統(tǒng)予以說明，如信息速率、性能目標(biāo)等。任何通信系統(tǒng)的性能由兩個重要因素控制：信號噪聲比(S／N)和累積的信號失真。一般來說，它們互相影響，必須作一些折衷。

總之，仿真在通信系統(tǒng)設(shè)計中起著重要作用。在概念定義階段，導(dǎo)出高層的技術(shù)條件；在設(shè)計進行和開發(fā)過程中，與硬件開發(fā)-起確定最后的技術(shù)條件并檢查子系統(tǒng)對整個系統(tǒng)性能的影響；在運行情況下，仿真可作檢修故障的工具，并預(yù)計系統(tǒng)的EOL性能。必須指出，要使系統(tǒng)仿真的結(jié)果精確地與實際情況一致，仿真的模型就應(yīng)盡可能詳細。這樣，仿真占用的資源和耗費的時間與精力也就隨之而增加。如何在模型復(fù)雜性與仿真的準(zhǔn)確性之間找到合適的平衡和折衷將是實現(xiàn)仿真時需要注意的。

4.系統(tǒng)級仿真的軟件實現(xiàn)

通過利用光纖通信系統(tǒng)已經(jīng)建立的數(shù)學(xué)模型，對數(shù)字光纖通信系統(tǒng)進行仿真研究，采用等效基帶仿真的方法,即將載波帶通系統(tǒng)與基帶系統(tǒng)等效，這樣對數(shù)據(jù)處理量過大、載波頻率過高、耗時等一些列問題帶來了有效的解決途徑。

可以通過圖2對仿真軟件的實現(xiàn)做直觀的描述。在系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)初始化模塊，其主要作用是對所研究的系統(tǒng)賦初值（如：抽樣頻率、工作波長、碼序列的長度等）；信號源模塊，通過按照移位寄存器級聯(lián)產(chǎn)生偽隨機碼的基本原理，產(chǎn)生的級數(shù)是K，那么偽隨機序列信號源的長度為2K-1，其級數(shù)的K范圍是1≤K≤20，同時將序列設(shè)定為按周期性重復(fù)的，此時將會與后續(xù)的傅里葉變換相互印證；系統(tǒng)光源調(diào)制的模塊，可以通過應(yīng)用解激光器單模速率方程來導(dǎo)出激光器輸出光場相位的時域表示；光纖的傳輸模塊，可以將光纖在頻域等效于一線性濾波器，同時，為了縮短計算時間、避免過多的復(fù)雜計算，仿真可以應(yīng)用快速傅立葉變換來進行運算處理；光接收機模塊，主要包括放大和均衡模塊、光電轉(zhuǎn)換，其分別按照相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來進行仿真處理；噪聲模塊，精確定義了信號和噪聲后，就可以估計信噪比SNR；輸出后處理部分，在通過應(yīng)用計算機C++編程按照示波器眼圖生成原理，可以實現(xiàn)眼圖觀測功能，其系統(tǒng)的完善與否可以通過眼圖閉合度來分析。

圖2 系統(tǒng)仿真框圖

5.系統(tǒng)的性能測試與評估

5.1 誤碼率的計算

判決／譯碼輸出一般有誤碼，該輸出又組成另一集合，對集合中的第k個元素，定義誤碼率.設(shè) ek(t)為誤碼指示函數(shù)，即t時刻有誤碼，則ek(t)=1，反之ek(t)=0.集合誤碼率P=EK[ek(t)]在平穩(wěn)的假設(shè)下與t無關(guān)，如誤碼率具有各態(tài)歷經(jīng)性質(zhì)，PK=P。仿真中可采用某種獨特的集合，所獲得的系統(tǒng)性能可代表理想集合的結(jié)果。以此，可以進一步計算分析時刻序列的實際抽樣值,變換到放大器輸入端，并與噪聲方差相關(guān)聯(lián)，以此計算出誤碼率的值。

5.2 靈敏度的分析

當(dāng)系統(tǒng)采用PIN作探測器時,預(yù)放的噪聲便會成為系統(tǒng)接收機靈敏度的主要噪聲源，因此可以采用給定的放大器等效輸入噪聲來進行系統(tǒng)的靈敏度預(yù)估。

式中，i為噪聲電流，如果對于放大器的帶寬D為已知時，那么對于放大器的等效輸入噪聲譜密度設(shè)為A，那么Pmin=

4.3 信號波形觀測

為了使模塊傳輸后的輸出波形能直觀形象地表示出來，可以通過C++語言編輯相關(guān)作圖程序，以此可以觀察到某一模塊輸出的時域波形。

6.系統(tǒng)仿真技術(shù)及軟件的應(yīng)用在通信系統(tǒng)中的作用

仿真技術(shù)的主要應(yīng)用之一就是輔助系統(tǒng)的設(shè)計過程，也就是計劃、設(shè)計和實現(xiàn)數(shù)值光纖通信系統(tǒng)的過程。實際系統(tǒng)的仿真不同于傳統(tǒng)的分析問題，它有自己的特點。在設(shè)計仿真過程中，不能依靠對系統(tǒng)各單元特性的詳細而精密的了解，這里面有現(xiàn)實而又重要的原因。

系統(tǒng)設(shè)計者必須決定合適的參數(shù)來給以一定的初始限制。在這些初始參數(shù)說明的基礎(chǔ)上，我們就可以建立一個仿真模型來確定假設(shè)系統(tǒng)所造成的性能蛻化，把它與原來的鏈路預(yù)算放在一起考慮，我們從這些信息了解鏈路是否閉合。鏈路閉合是指失真和信噪比都調(diào)整到了滿足系統(tǒng)性能要求的值，或許還有一些余量。如果不是這種情況，那么鏈路預(yù)算和失真參數(shù)都必須重新檢查并調(diào)整到獲得鏈路閉合為止。

在光纖通信系統(tǒng)中連接器的衰減影響已包含在信源模型中。濾波器模塊包括放大器及均衡濾波器模塊。放大器的熱噪聲用仿真模塊團中的加性高斯白噪聲模擬。R的測量可通過在最佳取樣時間附近以很多固定增量對接收波形取樣而得到。仿真中并不明顯含有時間抖動。抖動統(tǒng)計特性(可單獨獲得)可用來加權(quán)靜態(tài)條件下得出的BER。在實際情況下，經(jīng)常使用公式或圖解來近似表達功率或上升時間的預(yù)算，但更有效的方法是通過仿真使各種假設(shè)更加合理。最好的方法自然是直接測試實際硬件，但通常這是不實際的。可能的是在于系統(tǒng)級實施硬件測量。系統(tǒng)仿真軟件可很容易地與這種信息結(jié)合起來。在提出的設(shè)計通過較“簡單和近似”的測試后，仿真是正確估算一個系統(tǒng)的有力補充。

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