OPTISYSTEM在“光纖通信”新技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

陳琳　徐悅婷　朱武　初鳳紅

摘要：光纖通信是當(dāng)今最主要的有線(xiàn)通信方式，在現(xiàn)代通信網(wǎng)中起著舉足輕重的作用。本文根據(jù)“光纖通信”課程技術(shù)更新快的特點(diǎn)，引入OPTISYSTEM，將軟件仿真應(yīng)用于光纖通信新技術(shù)的教學(xué)，有效地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：光纖通信；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；Optisystem；光OFDM

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）05-0257-02

針對(duì)光纖通信的課程特點(diǎn)，本文利用OPTISYSTEM仿真軟件，基于正交頻分復(fù)用技術(shù)，構(gòu)建光纖通信系統(tǒng)模型。通過(guò)OPTISYSTEM軟件對(duì)發(fā)射機(jī)、電光調(diào)制、光纖信道、光電檢測(cè)和接收機(jī)等模塊進(jìn)行仿真分析，有效地提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效率，節(jié)省了教學(xué)成本。

一、OPTISYSTEM仿真軟件簡(jiǎn)介

OPTISYSTEM是OPTIWAVE公司開(kāi)發(fā)的一套光通信系統(tǒng)模擬軟件。在OPTISYSTEM系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以通過(guò)調(diào)整光學(xué)元器件參數(shù)，對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，直觀地模擬整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的傳輸過(guò)程。利用仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)性能分析，有利于引導(dǎo)學(xué)生對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行探索，提高學(xué)生對(duì)系統(tǒng)性能的全面認(rèn)識(shí)。本文利用該軟件搭建基于相干檢測(cè)光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)，并對(duì)光譜、星座圖等進(jìn)行比較分析。

二、光OFDM系統(tǒng)仿真模型

相較無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，OFDM技術(shù)在光通信中的研究相對(duì)較晚。直到2005年，Jolley等人提出將無(wú)線(xiàn)通信的OFDM技術(shù)應(yīng)用到高速光纖傳輸領(lǐng)域，人們才開(kāi)始考慮將OFDM技術(shù)用于光通信，即光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)。

光OFDM可以分為直接檢測(cè)光OFDM和相干檢測(cè)光OFDM兩種。相干檢測(cè)光OFDM結(jié)合了相干光檢測(cè)和OFDM技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可有效利用光譜資源實(shí)現(xiàn)大容量、長(zhǎng)距離傳輸。CO-OFDM系統(tǒng)框圖如圖1所示。

相干檢測(cè)光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)可分為五個(gè)功能模塊：RF-OFDM發(fā)射機(jī)；電光調(diào)制模塊；光信道；光電檢測(cè)模塊；RF-OFDM接收機(jī)。各模塊具體性能如下：

（1）RF-OFDM發(fā)射機(jī)：如圖2所示，將二進(jìn)制高速比特率數(shù)據(jù)進(jìn)行QAM星座調(diào)制，并通過(guò)串并（S/P）變換成N個(gè)低速比特率并行數(shù)據(jù)。再對(duì)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)作IFFT變換，并通過(guò)并/串轉(zhuǎn)換將N路并行載波變?yōu)榇袛?shù)據(jù)作為一個(gè)OFDM符號(hào)。然后，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換（DAC），將符號(hào)變?yōu)槟M信號(hào)，即得到射頻OFDM信號(hào)。

（2）電光調(diào)制模塊：如圖3所示，將射頻電域OFDM信號(hào)，利用電光調(diào)制模塊轉(zhuǎn)換為光信號(hào)進(jìn)行傳輸。使用一對(duì)并行的雙臂馬赫曾德?tīng)栒{(diào)制器構(gòu)成光學(xué)I/Q調(diào)制器，由電域放大器來(lái)控制下臂的輸入信號(hào)相位偏移。

（3）光信道：如圖4所示，通過(guò)電光調(diào)制模塊將射頻電域OFDM信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)后，形成的光信號(hào)在單模光纖中進(jìn)行傳輸，傳輸過(guò)程中為了延長(zhǎng)傳輸距離以及增強(qiáng)信號(hào)的質(zhì)量，在光信道模塊加入光放大器和光濾波器。

（4）光電檢測(cè)模塊：如圖5所示，在CO-OFDM系統(tǒng)中，光電檢測(cè)模塊采用相干檢測(cè)技術(shù)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。使用兩對(duì)平衡的PIN光電檢測(cè)器構(gòu)成檢測(cè)器，通過(guò)用90°光混頻和兩個(gè)平衡檢測(cè)器得到射頻基帶OFDM信號(hào)I/Q元件。

（5）RF-OFDM接收機(jī)：如圖6所示，從射頻信號(hào)解調(diào)出的OFDM基帶信號(hào)經(jīng)模數(shù)變換（ADC）后變?yōu)閿?shù)字串行信號(hào)。該信號(hào)通過(guò)串/并（S/P）轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換為并行信號(hào)。利用OFDM解調(diào)器件，對(duì)所得的并行數(shù)據(jù)做快速傅立葉變換（FFT），并利用并/串（P/S）轉(zhuǎn)換器變?yōu)榇行盘?hào)。通過(guò)QAM星座解調(diào)，恢復(fù)成二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)輸出。

三、仿真結(jié)果分析

CW激光器的相位噪聲可以由譜線(xiàn)寬度來(lái)描述。圖7（a）、（b）、（c）分別為譜線(xiàn)寬度為0MHz、0.15Mhz和15Mhz時(shí)激光器輸出的光譜圖。由圖7可知，隨著激光器的譜線(xiàn)寬度增加，產(chǎn)生的干擾也會(huì)增加。

光纖的長(zhǎng)度會(huì)影響到最終的傳輸質(zhì)量，因此，分別測(cè)試50KM、100KM、200KM、1000KM的情況。如圖8所示，在傳輸50km或100km后，沒(méi)有出現(xiàn)很明顯的星座模糊和偏移。而在傳輸1000km后，星座圖模糊不堪已經(jīng)無(wú)法正常顯示。

分別取不同比特率進(jìn)行傳輸，輸出端星座圖如圖9所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，色散對(duì)系統(tǒng)的影響程度與傳輸速率有關(guān)，傳輸速率越大，色散對(duì)系統(tǒng)的影響程度也越大。

通過(guò)用OPTISYSTEM軟件設(shè)計(jì)分析，可以了解光通信系統(tǒng)各個(gè)器件節(jié)點(diǎn)處的波形和頻譜特點(diǎn)，簡(jiǎn)單直觀、形象生動(dòng)。教師可以根據(jù)教學(xué)大綱設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生課后學(xué)習(xí)OPTISYSTEM軟件，并引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容建立相應(yīng)的系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析。

四、結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用OPTISYSTEM仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，很好地彌補(bǔ)了缺少硬件實(shí)驗(yàn)器件所帶來(lái)的不足，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容；同時(shí)，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)時(shí)間，加深了學(xué)生對(duì)系統(tǒng)理論知識(shí)的理解和提高了他們的知識(shí)運(yùn)用能力。通過(guò)對(duì)“光纖通信”實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的改革，引入了新的技術(shù)，提高了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極性，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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