基于M-Z調(diào)制器的光學(xué)反饋網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合模擬

鄧剛+張謙述

【摘要】 主要作了光學(xué)帶反饋循環(huán)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流動(dòng)特征的剖析，尋找到利用MATLAB循環(huán)語句實(shí)現(xiàn)光學(xué)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的途徑，并成功設(shè)計(jì)了MATLAB Component，克服了Optiwave OptiSystem v7.0不支持仿真反饋循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的缺陷。利用設(shè)計(jì)的基于M-Z調(diào)制器組成的光學(xué)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的MATLAB Component，成功實(shí)現(xiàn)了MATLAB與Optiwave OptiSystem v7.0的聯(lián)合仿真。結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的基于M-Z調(diào)制器組成的光學(xué)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的MATLAB Component的性能與理論值符合，方案可行。

【關(guān)鍵詞】 基于M-Z調(diào)制器的光學(xué)循環(huán)網(wǎng)絡(luò) 聯(lián)合模擬 Optiwave OptiSystem v7.0 MATLAB Simulation of Optical Ring Network Based on M -Z Modulator By Joint Work

DENG Gang ， ZHANG Qian-Shu（1.College of Electronic Information Engineering，China West Normal University，Sichuan，NanChong， 637002，China ）

Abstract：The signal of processing characteristics of optical ring network with feedback loop are mainly analyzed. we Simulated the optical ring network based on the M - Z modulator by using MATLAB statement，designed the MATLAB component of optical ring network based on M - Z modulator，and realized the collaborative simulation of MATLAB with Optiwave OptiSystem v7.0. The simulation results show that the MATLAB component performance composed the theoretical value，The simulation method of the optical ring network is feasible.

Keywords：optical ring network with feedback loop Based on the M - Z modulator ；The joint simulation；Optiwave OptiSystem v7.0；MATLAB

Optiwave是加拿大國(guó)家光學(xué)研究所Spin-off旗下的公司 ，成立于1994年，專門開發(fā)創(chuàng)新的光通訊系統(tǒng)仿真軟件包，包含了OptiSystem，OptiSPICE， OptiBPM，OptiFDTD，OptiGrating和OptiFiber六個(gè)模塊，可以實(shí)現(xiàn)光通訊中從元件層到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。Optiwave OptiSystem v7.0 發(fā)行于2008年，主攻光通信集成系統(tǒng)仿真，是Optiwave OptiSystem v3.0的升級(jí)版，功能更加完善，性能更加優(yōu)越，現(xiàn)已成為光通信網(wǎng)絡(luò)仿真的主流軟件。該款軟件的優(yōu)勢(shì)是對(duì)光學(xué)通信系統(tǒng)仿真，設(shè)計(jì)者按照預(yù)期的目的和理論計(jì)算把電光組件組合到一起形成光學(xué)系統(tǒng)，輸入的信號(hào)在該系統(tǒng)中逐級(jí)向后流通，并用各種虛擬的測(cè)試設(shè)備完成各個(gè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)的檢測(cè)與顯示，從而能降低光通信系統(tǒng)性能預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)的成本（光子組件的設(shè)計(jì)主要由OptiFDTD，OptiSPICE， OptiBPM，OptiFDTD，OptiGrating等其他數(shù)據(jù)包完成，所以本文并不涉及）。

帶有反饋功能的循環(huán)網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子電路的設(shè)計(jì)和通訊系統(tǒng)中，其思路是把一個(gè)信號(hào)輸入到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元，在網(wǎng)絡(luò)單元的輸出端把信號(hào)注入到下一功能單元，與此同時(shí)，就在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元的輸出端提取一定量的信號(hào)反饋到這個(gè)單元或者更前級(jí)的單元。這種思路的指導(dǎo)思想有兩條：第一，提高系統(tǒng)性能，使輸出信號(hào)更加完美；第二，設(shè)計(jì)不需要人工控制的智能化的通信系統(tǒng)。在輸出端提取一定量的信號(hào)，可以逐級(jí)偵測(cè)信號(hào)的惡化程度，并把這個(gè)信號(hào)反饋到設(shè)計(jì)者預(yù)定的前端，根據(jù)這個(gè)反饋信號(hào)就可觸發(fā)前端網(wǎng)絡(luò)單元中啟用最優(yōu)的運(yùn)算方案，始終保證輸出的信號(hào)能夠保持良好的質(zhì)量，而且不需要人工控制，此即為通信智能化。其中，重要的思路就是反饋，循環(huán)，所以在電子電路的仿真軟件和工程實(shí)際中，反饋和循環(huán)已經(jīng)做得十分完善，智能化也是將來光通信發(fā)展的必然趨勢(shì)。光通信領(lǐng)域崛起時(shí)間不算長(zhǎng)，仍有許多問題亟待解決，雖然Optiwave OptiSystem v7.0相對(duì)以前版本作了很大改善，但依然存在嚴(yán)重缺陷，那就是它不支持帶有反饋功能的光學(xué)循環(huán)系統(tǒng)。造成這個(gè)缺陷的具體原因是它沒有提供反饋算法，而且大規(guī)模通信系統(tǒng)的反饋實(shí)現(xiàn)并不能由單個(gè)組件完成，因此，專門用于設(shè)計(jì)單個(gè)器件的軟件并不能提供整個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)的模擬，所以利用Optiwave OptiSystem v7.0這個(gè)平臺(tái)，尋找一種能夠?qū)崿F(xiàn)模擬具有反饋功能的光通信網(wǎng)絡(luò)的途徑，顯得十分必要而迫切。正因?yàn)閷?shí)踐提出了這樣的需要，而Optiwave OptiSystem v7.0又不能提供這樣的服務(wù)，那么尋找一條解決上述矛盾的途徑就十分有意義了。MATLAB擁有出色的數(shù)學(xué)計(jì)算能力，且循環(huán)用語言容易實(shí)現(xiàn)，足可以彌補(bǔ)Optiwave OptiSystem v7.0不能實(shí)現(xiàn)反饋循環(huán)的缺陷。為此，聯(lián)合Optiwave OptiSystem v7.0開發(fā)新MATLAB Component，實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ)，這在光通信領(lǐng)域有重要意義。目前，根據(jù)可查證的文獻(xiàn)了解到，國(guó)內(nèi)和國(guó)外在這方面研究較少，因此這項(xiàng)研究具有領(lǐng)先意義。為此，作者將主要精力集中在研究MATLAB聯(lián)合Optiwave OptiSystem v7.0實(shí)現(xiàn)帶有反饋功能的光電通信網(wǎng)絡(luò)。為具體演繹MATLAB與Optiwave OptiSystem v7.0的聯(lián)合仿真，本文以新結(jié)構(gòu)基于M-Z調(diào)制器組成的光學(xué)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)為例加以說明。

一、基于M-Z調(diào)制器組成的光學(xué)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)在Optiwave OptiSystem v7.0中的模擬實(shí)際

1.1基于M-Z調(diào)制器組成的光學(xué)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能預(yù)期

從（1）（2）（3）式中可知：1）射頻信號(hào)經(jīng)過兩個(gè)M-Z調(diào)制器的反饋循環(huán)調(diào)制，能依次產(chǎn)生各個(gè)階次對(duì)稱邊帶；2）由遞推關(guān)系可知，每個(gè)抽頭信號(hào)是前一個(gè)抽頭信號(hào)的兩次余弦調(diào)制加衰減；3）余弦函數(shù)總是小于1，所以這樣的調(diào)制可以理解為兩次指數(shù)衰減；4）反饋循環(huán)網(wǎng)絡(luò)最終輸出的結(jié)果是無數(shù)多個(gè)抽頭信號(hào)相互干涉，在時(shí)域內(nèi)疊加的結(jié)果（因時(shí)域有延遲）。

1.3 MATLAB利用循環(huán)控制流程語言模擬反饋光學(xué)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)

雖然Optiwave OptiSystem v7.0提供可視化服務(wù)，操作簡(jiǎn)捷，功能強(qiáng)大，但由于Optiwave OptiSystem v7.0軟件不能為反饋光學(xué)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)提供有效的反饋算法，在仿真運(yùn)算中，信號(hào)逐級(jí)向后流通，從而使得Optiwave OptiSystem v7.0不能對(duì)帶有反饋信號(hào)的光循環(huán)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真運(yùn)算，也就無法對(duì)本文所說的基于M-Z調(diào)制器組成的光學(xué)環(huán)形網(wǎng)進(jìn)行仿真。

雖然MATLAB數(shù)字計(jì)算能力優(yōu)勢(shì)明顯，但是不提供操作簡(jiǎn)單的可視化服務(wù)，需要全程編程，專業(yè)性要求更強(qiáng)，必然造成更大困難。為了簡(jiǎn)單可靠地實(shí)現(xiàn)反饋循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的仿真，可利用MATLAB循環(huán)控制流程語句（if........end或for.....end）編寫一個(gè)MATLAB Component以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真。其中，已知輸入光信號(hào)和射頻信號(hào)，根據(jù)（1）就可以算出第一個(gè)抽頭信號(hào)，根據(jù)（2）的遞推關(guān)系就可以算出以后的各個(gè)抽頭信號(hào)；由函數(shù)關(guān)系式（3），把無窮多個(gè)抽頭信號(hào)光場(chǎng)按時(shí)域疊加得出輸出光場(chǎng)。由抽頭信號(hào)的遞推關(guān)系可看出，每一個(gè)抽頭信號(hào)是前一個(gè)的兩次余弦衰減，衰減劇烈，輸出的光場(chǎng)主要體現(xiàn)在前面的有限項(xiàng)內(nèi)，再考慮到現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力已有顯著提高，具體編寫程序時(shí)，考慮前2000項(xiàng)截?cái)?，誤差也可承受。以下是根據(jù)（1），（2），（3）的描述所寫的MATLAB原代碼如下：

Optiwave OptiSystem v7.0和MATLAB數(shù)據(jù)交換的方式是建立數(shù)據(jù)接口，這樣就能實(shí)現(xiàn)二者的數(shù)據(jù)傳遞和協(xié)同運(yùn)算，既把MATLAB和Optiwave OptiSystem v7.0的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，也實(shí)現(xiàn)短板互補(bǔ)（MATLAB雖然數(shù)學(xué)計(jì)算能力強(qiáng)，但操作完全需要編程，不提供可視化服務(wù)），就能實(shí)現(xiàn)帶有反饋循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的仿真，操作的難度也不會(huì)明顯增加。

二、基于M-Z調(diào)制器光循環(huán)網(wǎng)絡(luò)MATLAB Component設(shè)計(jì)

MATLAB聯(lián)合Optiwave OptiSystem v7.0在本結(jié)構(gòu)中仿真的流程是從Optiwave OptiSystem v7.0輸出原始數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)流通過二者之間建立的數(shù)據(jù)接口，傳遞到MATLAB Component中去，實(shí)現(xiàn)預(yù)定運(yùn)算后，再將數(shù)據(jù)流傳回到Optiwave OptiSystem v7.0。MATLAB Component的可理解為一個(gè)具有外包裝的傳遞函數(shù)文件，建立數(shù)據(jù)端口后：前級(jí)輸出的數(shù)據(jù)流就是函數(shù)的輸入變量，然后在MATLAB Component進(jìn)行函數(shù)運(yùn)算，即實(shí)現(xiàn)反饋循環(huán)流程，運(yùn)算的結(jié)果再輸出到后一級(jí)。MATLAB Component外包裝其實(shí)就是建立數(shù)據(jù)接口的過程。在Optiwave OptiSystem v7.0中設(shè)定環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的端口數(shù)目，并確定好各個(gè)端口的功能和信號(hào)類型：0代表光信號(hào)，1代表電信號(hào)，2代表二進(jìn)制信號(hào)。本方案的端口如表1：

此外，還需要定義如下四個(gè)基本參數(shù)：分別是Parameter0到Parameter3，如表2：

Optiwave OptiSystem v7.0在調(diào)用MATLAB Component時(shí)，還需要在Main菜單中設(shè)定調(diào)用MATLAB的程序名和這個(gè)程序存放的路徑，如表3：

以上就是MATLAB Component設(shè)計(jì)的主要過程，需要注意事項(xiàng)是：第一，建立端口設(shè)定變量的時(shí)候，注意區(qū)分傳入/傳出變量文件名，尤其區(qū)分變量名中的大小寫，否者會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳遞失敗。第二，MATLAB調(diào)用MATLAB Component文件的時(shí)候是在默認(rèn)目錄下調(diào)用的，如果存放MATLAB Component的位置不是默認(rèn)的，則需要把這個(gè)路徑添加為默認(rèn)目錄。

三、基于M-Z調(diào)制器組成的光學(xué)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的MATLAB和Optiwave OptiSystem v7.0的聯(lián)合仿真

按照上述3個(gè)表格設(shè)定好參數(shù)，搭建了如下的仿真圖，并分別用5G，10G，20G的射頻信號(hào)進(jìn)行了仿真，結(jié)果如下：

根據(jù)以上描述，選取了5G，10G，20G的射頻信號(hào)調(diào)制到基于M-Z調(diào)制器組成的光學(xué)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)中去，所產(chǎn)生的邊帶在循環(huán)網(wǎng)絡(luò)中一部分成分滿足諧振條件而得到加強(qiáng)，而其他成分和噪聲得到有效抑制，光信號(hào)從循環(huán)網(wǎng)絡(luò)輸出后，送到APD探測(cè)，在APD上拍頻，從而轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最后用RF Spectrum Analyzer顯示，顯示表明，呈現(xiàn)的梳狀譜信號(hào)比噪聲高出50dB到70dB，這與理論預(yù)期的一致。

四、結(jié)論

本文提出了基于M-Z調(diào)制器組成的光學(xué)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)這種新結(jié)構(gòu)，分析了Optiwave OptiSystem v7.0軟件仿真流程及其特點(diǎn)，編寫了能夠?qū)崿F(xiàn)反饋流程的MATLAB Component，并成功實(shí)現(xiàn)了Optiwave OptiSystem v7.0與MATLAB聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果表明，基于M-Z調(diào)制器組成的光學(xué)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)能夠很好地實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的循環(huán)調(diào)制，并對(duì)滿足諧振條件的調(diào)制光能實(shí)現(xiàn)比較滿意的干涉加強(qiáng)，呈現(xiàn)質(zhì)量較高的梳狀譜，達(dá)到了理論預(yù)期。仿真結(jié)果表明，把MATLAB和 Optiwave OptiSystem v7.0聯(lián)合起來實(shí)現(xiàn)帶有反饋功能的光學(xué)循環(huán)系統(tǒng)的仿真是可行的，能夠?qū)崿F(xiàn)功能互補(bǔ)，從而為光學(xué)通信系統(tǒng)提供了一種可以實(shí)現(xiàn)具有反饋功能的循環(huán)系統(tǒng)的模擬的思路，應(yīng)具有領(lǐng)先意義。

五、問題展望思考

1.本結(jié)構(gòu)是否對(duì)更高頻率的射頻信號(hào)適用？2.如何在梳狀頻譜中實(shí)現(xiàn)無濾波提取單一頻率？3.如何在大規(guī)模的光智能通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)多級(jí)反饋和實(shí)現(xiàn)的意義？

參 考 文 獻(xiàn)

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