基于Optisystem的單模光纖WDM系統(tǒng)性能仿真

韓 力,李 莉,盧 杰

(吉林大學(xué),吉林長春 130012)

基于Optisystem的單模光纖WDM系統(tǒng)性能仿真

韓 力,李 莉,盧 杰

(吉林大學(xué),吉林長春 130012)

利用Optisystem實現(xiàn)了單模光纖波分復(fù)用(WDM)通信系統(tǒng)。在發(fā)送端,產(chǎn)生了四路復(fù)用的WDM信號,信道采用單模光纖及光放大器,接收端采用光電二極管。利用光譜顯示模塊顯示了關(guān)鍵節(jié)點的光譜,利用眼圖模塊顯示了接收端恢復(fù)的電信號的眼圖。實驗表明,建立的單模光纖通信系統(tǒng)具有良好的可靠性,Optisystem非常適合光纖通信系統(tǒng)課程實驗。

光通信系統(tǒng);Optisystem;單模光纖;波分復(fù)用

光纖通信系統(tǒng)課程是光通信工程專業(yè)的標(biāo)志性課程。實驗教學(xué)是“光纖通信系統(tǒng)”課程教學(xué)中的一個不可或缺的環(huán)節(jié)。以往光纖通信系統(tǒng)課程的實驗采用硬件設(shè)備來實現(xiàn),這一方面成本非常昂貴,另一方面對學(xué)生來講僅是驗證,沒有能動性。Optisystem是一個創(chuàng)新性的光通信系統(tǒng)仿真軟件,可在光網(wǎng)絡(luò)物理層上對光學(xué)鏈路進(jìn)行從器件到系統(tǒng)的設(shè)計、測試和優(yōu)化仿真,如 TDM/ WDM、SDH、光孤子通信等[1-4]。

波分復(fù)用技術(shù)充分利用光纖的低損耗波段,增加光纖的傳輸容量,使一根光纖傳送信息的物理限度增加一倍至數(shù)倍;具有在同一根光纖中,傳送2個或數(shù)個非同步信號的能力,有利于數(shù)字信號和模擬信號的兼容;系統(tǒng)中有源設(shè)備得到大幅減少,這樣就提高了系統(tǒng)的可靠性[5-9]。波分復(fù)用技術(shù)是光纖通信系統(tǒng)課程的重要組成部分。本論文利用Optisystem建立了一個波分復(fù)用系統(tǒng),并借助Optisystem的分析功能,對建立的WDM系統(tǒng)性能進(jìn)行了評價。結(jié)果表明,Optisystem非常適合光纖通信系統(tǒng)課程實驗教學(xué)。

1 WDM通信系統(tǒng)

1.1 WDM通信系統(tǒng)的構(gòu)成

所謂波分復(fù)用(WDM),就是把具有不同標(biāo)稱波長的幾個或幾十個光通路信號復(fù)用到一根光纖中進(jìn)行傳送。WDM系統(tǒng)可以分為單向傳輸方式和雙向傳輸方式。單向傳輸?shù)腤DM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。WDM光纖系統(tǒng)中的M是指具有波長選路功能的復(fù)用器,D代表具有波長選路功能的解復(fù)用器。發(fā)射機(jī)T1,T2,…,Tn分別發(fā)射波長為λ1,λ2,…,λn的光信號,這n個光信號經(jīng)M復(fù)用后發(fā)送到光纖;在接收端經(jīng)過D解復(fù)用后再由R1,R2,…,Rn接收機(jī)分別接收。復(fù)用及解復(fù)用器是WDM系統(tǒng)的關(guān)鍵器件,這兩個器件的使用會造成插入損耗、由波長選擇功能不完善引起的復(fù)用信道間的串?dāng)_問題[10-14]。根據(jù)信道間隔的不同,可以將WDM技術(shù)分為兩類,即密集型波分復(fù)用系統(tǒng)(DWDM)與稀疏型波分復(fù)用系統(tǒng)(CWDM)。這兩種的區(qū)別主要體現(xiàn)在信道間隔的差異,CWDM的信道間隔為10~20 nm,而DWDM的信道間隔為0.4~3.2 nm。

圖1 WDM光纖系統(tǒng)框圖

1.2 WDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

WDM的關(guān)鍵技術(shù)包括三個方面:復(fù)用/解復(fù)用器、光放大器和光源器件。

(1)復(fù)用/解復(fù)用器

復(fù)用/解復(fù)用器實際上就是光學(xué)濾波器,其作用是各路光信號進(jìn)行復(fù)用或者對復(fù)用的光信號進(jìn)行解復(fù)用。對波分復(fù)用器件的主要要求是:插入損耗小,隔離度大;帶內(nèi)平坦,帶外插入損耗變化陡峭;溫度穩(wěn)定性好,工作穩(wěn)定、可靠;復(fù)用路數(shù)多,尺寸小;具有較高的分辨率等。

(2)光放大器

光放大器的作用是對復(fù)用后的光信號進(jìn)行直接光放大,以解決WDM系統(tǒng)的超長距離傳輸問題。如圖1所示,由于復(fù)用/解復(fù)用器的插入損耗較大,大大減小了WDM系統(tǒng)的傳輸距離,滿足不了實際需求。因此,在信道中要加入光放大器。對光放大器的要求:有很高的增益、很寬的帶寬和較低的噪聲系數(shù)等。

摻鉺光纖放大器(EDFA)以其優(yōu)越的特性在WDM系統(tǒng)中獲得廣泛的應(yīng)用。但在應(yīng)用中需要解決以下問題:在級聯(lián)EDFA的WDM系統(tǒng)中,放大的自發(fā)輻射噪聲會逐漸積累,OSNR(光信噪比)會下降。并且,應(yīng)用EDFA的增益不平坦及WDM器件和光纖對不同信道的損耗不同,造成自濾波效應(yīng),使復(fù)用信道之間的功率不均衡。

(3)光源器件

WDM系統(tǒng)的超長距離傳輸對光源器件提出了非?？量痰囊?光源器件必須具有十分狹窄的譜寬和非常穩(wěn)定的發(fā)射波長。

光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離不僅受到系統(tǒng)損耗的限制,也還會受到系統(tǒng)色散的限制。在系統(tǒng)傳輸速率很高的情況下,往往是色散受限占主要地位。光放大器的使用解決了損耗受限的問題,而色散受限的問題則需要選擇譜寬極窄的半導(dǎo)體激光器來解決。實踐證明,采用傳統(tǒng)的直接調(diào)制方式會使半導(dǎo)體激光器在高速率工作時產(chǎn)生啁啾現(xiàn)象,它極大地限制了系統(tǒng)的傳輸距離。要想實現(xiàn)超長距離傳輸,必須減小或避免啁啾現(xiàn)象,所以WDM系統(tǒng)使用的光源器件采用外調(diào)制方法,即所謂外調(diào)制型光源。

2 WDM系統(tǒng)的Optisystem實現(xiàn)

圖2為基于Optisystem的4路復(fù)用的WDM系統(tǒng)仿真模型。圖中各器件參數(shù)設(shè)計如表1所示。

在圖2中,在發(fā)送端采用外調(diào)制產(chǎn)生光源,由4路復(fù)用器將光信號復(fù)用后注入光纖;信道采用單模光纖和EDFA放大器;在接收端,首先利用解復(fù)用其將4路復(fù)用的光信號分路,之后利用光電二極管進(jìn)行檢測,將光信號轉(zhuǎn)換為電信號,再經(jīng)低通恢復(fù)發(fā)送的信息。

圖2 基于Optisystem的WDM系統(tǒng)仿真模型

表1 WDM系統(tǒng)仿真電路參數(shù)表

2.1 WDM信號的產(chǎn)生

在發(fā)送端首先利用4組器件產(chǎn)生了4個不同波長的光信號。為了避免啁啾現(xiàn)象,每個光信號的產(chǎn)生都采用了外調(diào)制方式,調(diào)制器采用了馬赫增德爾調(diào)制器(MZM)。在每一組器件中,包含了一個隨機(jī)二進(jìn)制碼發(fā)生器(PRBSG),一個不歸零碼脈沖發(fā)生器(NRZ Pulse),一個發(fā)光二極管源(CW Laser)和一個MZM。PRBSG和NRZ Pulse可以產(chǎn)生一個欲傳輸?shù)臄?shù)字基帶信息,這個數(shù)字基帶信號對CW Laser產(chǎn)生的光載波通過MZM進(jìn)行調(diào)制,從而產(chǎn)生一路參與復(fù)用的光源。本仿真系統(tǒng)共有四個要傳輸?shù)臄?shù)字基帶信息,因此,需要四組器件產(chǎn)生四個調(diào)制后的光源。這四個光源的波長各不相同,參數(shù)見表1。這四個光源通過WDM Mux 4×1復(fù)用器復(fù)用,產(chǎn)生一個4路的光復(fù)用信號。

2.2 WDM系統(tǒng)信道模型

在圖2所示的仿真系統(tǒng)中,首先采用了一個3跨的單模光纖與EFDA放大器組合,在每一跨中,利用了一個80 km的單模光纖和一個EDFA放大器,三跨共實現(xiàn)240 km的數(shù)據(jù)傳輸。在此之后,又加入了一個100 km的光纖,所以,總體信道實現(xiàn)了340 km的信息傳輸。三跨是借助 Loop Control來實現(xiàn)的。

2.3 WDM系統(tǒng)接收端恢復(fù)

在接收端,首先利用一個WDM Demux 1×4將4路復(fù)用的光復(fù)用信號分路,之后利用4組器件將分路后的光信號恢復(fù)為4路發(fā)送的數(shù)字基帶信號。在接收端的每一組器件中,包含一個光電檢測器(Photo PIN)和一個低通貝塞爾濾波器(LPBF)。Photo PIN完成將光信號轉(zhuǎn)換為電信號,這個電信號包含了傳輸?shù)臄?shù)字基帶信息。由于數(shù)字基帶信號是低頻信號,加入LPBF的目的是提取數(shù)字基帶信號,抑制其帶外噪聲,從而可以提高輸出信噪比,從而也提高系統(tǒng)的可靠性。

3 仿真結(jié)果

圖3為發(fā)送端發(fā)送的WDM信號的光譜與經(jīng)過光纖信道后的WDM信號光譜圖。

圖3 光纖信道前后的WDM信號光譜對比

顯然可以看出,光信號經(jīng)過了340 km光纖信道的傳輸,盡管在光纖信道中經(jīng)過了三次20 dB的放大,總計放大了60 dB,光信號的功率還是有很大的衰減。經(jīng)過光纖信道帶來的更大的問題是,由于單模光纖信道的非線性和散射,導(dǎo)致信號產(chǎn)生了失真,有了一些新的波長成分的信號出現(xiàn)。

為了分析光通信系統(tǒng)傳輸性能,通常需要通過眼圖或誤碼率來分析系統(tǒng)的碼間串?dāng)_和噪聲對系統(tǒng)的影響。在Optisystem中提供了很多手段,可以用于光通信系統(tǒng)的可靠性分析,如在Visualizer Library中電模塊庫中的BER Analyzer (誤碼率分析儀),通過這個BER分析儀可以得到數(shù)字基帶信號的眼圖、Q值。圖4中給出了在單模光纖為340 km和240 km時的眼圖。另外,在Optisystem中,有report選項卡,在report中,我們可以得到仿真中感興趣的數(shù)據(jù)曲線,圖5為隨著發(fā)射端功率增加的WDM系統(tǒng)的誤碼率曲線。

為了觀察光纖傳輸距離對系統(tǒng)的影響,在仿真中做了光纖距離不同的兩種眼圖的比較。一種是三跨之后加入了100 km光纖,此時光纖距離為340 km;一種是光纖僅使用三跨的光纖信道,此時光纖距離為240 km。圖4(a)為單模光纖長度為340 km的眼圖,圖4(b)為單模光纖長度為240 km的眼圖。由于在使用Optical Fiber_1后,沒有再進(jìn)行光放大,信號強度相對沒有使用Optical Fiber_1要小,因此,進(jìn)行接收時,眼圖和Q值相對沒有使用Optical Fiber_1要差得多。從圖4可見,當(dāng)使用Optical Fiber_1后的眼圖,噪聲較大,眼睛也沒有不使用時睜的大,也就是碼間干擾較大,誤碼率因此也會增加。

圖4 接收端數(shù)字基帶信號的眼圖

圖5給出了光纖長度為340Km情形下的隨著發(fā)射端CW Laser的功率由小變大(從-10dBm到10dBm)時,系統(tǒng)的誤碼率曲線?？梢钥闯?隨著發(fā)射端功率的增加,誤碼率越來越小。

圖5 WDM系統(tǒng)的誤碼率

4 結(jié) 論

論文通過對WDM系統(tǒng)的仿真,驗證了WDM原理,也確認(rèn)了Optisystem應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)課程實驗的可行性。通過本文可以看出,借助Optisystem完成光纖通信系統(tǒng)課程實驗,建立系統(tǒng)成本低、簡潔方便;可以靈活地進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié),并利用Optisystem得到的實際參數(shù)的測量結(jié)果,可以對系統(tǒng)中存在的問題進(jìn)行改進(jìn),簡化了系統(tǒng)性能優(yōu)化的過程。在實驗室中,為了觀察實驗中的現(xiàn)象,我們會用光譜分析儀、頻譜分析儀、示波器等,由于條件的限制,基本上一臺硬件設(shè)備只能相應(yīng)地配一套觀察設(shè)備,很難滿足同時監(jiān)測多點信號,對多點信號進(jìn)行對比分析。Optisystem做多點同時監(jiān)測,對比分析優(yōu)勢非常明顯;最后, Optisystem打破了硬件電路不能自己設(shè)計的限制,可以增加學(xué)生的能動性,根據(jù)學(xué)習(xí)的理論知識,根據(jù)給出的指標(biāo)自己設(shè)計系統(tǒng),非常適合光纖通信系統(tǒng)實驗教學(xué)。

[1] 楊東,蔣華勤.WDM在光纖通信實驗中的設(shè)計與實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索,2014,33(6):36-39.

[2] 畢衛(wèi)紅,張力方,祝亞男.基于Optisystem的波分復(fù)用性能的仿真研究[J].光通信技術(shù),2009(1): 10-11.

[3] 王喆,郭健健.WDM系統(tǒng)傳輸容量的仿真研究[J].光通信技術(shù),2010(8):25-27.

[4] 杜麗霞,WDM光傳送網(wǎng)8信道傳送實驗研究[J].實驗室研究與探索,2014,33(7):120-124.

[5] 顧畹儀.光纖通信系統(tǒng)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,1999.

[6] 楊英杰,趙小蘭.光纖通信原理及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[7] 王輝,王平,于虹.光纖通信[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[8] 唐志軍,席在芳,吳新開.光纖通信實驗教學(xué)的探索與實踐[J].實驗室研究與探索,2008,27(5): 101-104.

[9] 張榮君,鄭玉祥,李晶,等.單模光纖的色散和損耗特性測量系統(tǒng)[J].實驗室研究與探索,2009,28 (10):29-31.

[10]顧畹儀.WDM超長距離光傳輸技術(shù)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,1999.

[11]紀(jì)越峰,李慧,陸月明.自動交換光網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2006.

[12]張繼軍,楊壯.新一代城域光傳送技術(shù)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2005.

[13]張勁松,陶智勇,韻湘.光波分復(fù)用技術(shù)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2002.

[14]曲天良.光纖數(shù)值孔徑與衰減系數(shù)的測量實驗[J].大學(xué)物理實驗,2013,6(1):1-3.

Simulation and Analysis for System Performance of SMFWDM Based on Optisystem

HAN Li,LILi,LU Jie
(Jilin University,Jilin Changchun 130012)

Single-mode fiber wavelength division multiplexing(WDM)communication system is simulated by Optisystem.On the sender,a four-waymultiplexWDM signal is produced.Then,theWDM signal is transmitted through the single-mode optical fiber(SMF)and optical amplifiers.On the receiver,photodiode is used to detect the signals.The spectrum are displayed at key nodes by Optical Spectrum Analyzer,and the eye diagram of recovered electrical signal are showed by BER Analyzer at the receiver end.Simulation results show that the designed single-mode optical fiber communication system ownswell reliability,and Optisystem is ideal for optical fiber communication systems experimental course.

optical communication system;optisystem;SMF;WDM

TN 29;TP 391.9

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.005.028

1007-2934(2015)05-0097-05

2015-06-03

吉林大學(xué)實驗教學(xué)改革項目(2013002)