光通信鏈路傳輸性能的研究

洪奇峰 施偉斌

摘 ?要： 隨著大容量通信的需求，光傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展愈發(fā)迅猛。光傳輸網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃與建設(shè)已經(jīng)成為當(dāng)前研究的重點。光纖通信的優(yōu)點是通信容量大，傳輸距離遠，信號干擾小，保密性好，抗電磁干擾等。建立一個通信收發(fā)系統(tǒng)的模型，針對不同的星座圖，得出各調(diào)制格式下BER-SNR關(guān)系曲線。根據(jù)光傳輸鏈路圖，建立光鏈路性能計算模型，計算BER-SNR傳輸跨數(shù)關(guān)系曲線。依據(jù)的BER-SNR關(guān)系曲線，可得出信噪比的門限值，結(jié)合BER-SNR傳輸跨數(shù)關(guān)系曲線，得到光纖信號的最遠傳輸距離，并對不同調(diào)制格式下的傳輸性能比較分析。

關(guān)鍵詞： 光纖通信;星座圖;信噪比;誤碼率;傳輸距離

中圖分類號： TP391.41 ? ?文獻標(biāo)識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.059

本文著錄格式：洪奇峰，施偉斌. 光通信鏈路傳輸性能的研究[J]. 軟件，2020，41（01）：270275

【Abstract】： With the demand of high capacity communication， the development of optical transmission network technology is more and more rapid. The planning and construction of optical transmission network has become the focus of current research.The advantages of optical fiber communication are large communication capacity， long transmission distance， small signal interference， good confidentiality， anti-electromagnetic interference and so on.A model of communication transceiver system is established， and the BER-SNR relation curves of different modulation formats are obtained.According to the optical transmission link diagram， an optical link performance calculation model is established to calculate the BER-SNR transmission cross-number relation curve.According to the BER-SNR relation curve， the threshold value of SNR can be obtained. The transmission performance of different modulation formats is compared and analyzed.

【Key words】： Optical fiber communication; Constellation diagram; Signal to noise ratio; Bit error rate; Transmission distance

0 ?引言

在過去的幾十年來基于數(shù)字光纖通信技術(shù)[1-3]的光傳送網(wǎng)構(gòu)建起了全球通信的骨架，運用于各個場合[4-7]。光纖通信技術(shù)（optical fiber communications）從光通信中脫穎而出，已成為現(xiàn)代通信的主要支柱之一，在現(xiàn)代電信網(wǎng)中起著舉足輕重的作用。

數(shù)字通信傳送系統(tǒng)可認(rèn)為是對01101...二進制序列進行編碼傳送的系統(tǒng)，1個二進制的1或0稱為1比特（bit）。無論是圖像、信息、語音、視頻等任何類型的消息，經(jīng)過一系列處理的都可以數(shù)字化為一串串“0101…”二進制比特序列，經(jīng)編碼和調(diào)制為某個“載體信號”后，并通過特定的“信道[8]”（信息的通道）傳送到目的地。如圖1所示，中給出了簡化的模型。在光纖通信中，光纖就是信道，光纖傳送的光波就是信息的載體。信道中無法避免的一系列噪聲和損失將會使最終接收的二進制序列中比特出錯，即產(chǎn)生誤碼。

光纖傳送鏈路[9-10]由很多個相同跨段串聯(lián)而成。如圖2所示，幾十km長度的光纖和一個放大器構(gòu)成了1個跨段。信號每傳送15km，光功率[11-12]衰減為原來一半，通過一段光纖傳送后，光功率衰減，用放大器對功率進行補償。在放大器對信號、噪聲[13-14]同步放大的同時，還引入相應(yīng)的輻射噪聲，其公式為

其中h為普朗克常數(shù)（6.62606896×10–34J?S），f是光波頻率（可定為193.1 THz），B為帶寬（設(shè)為50 GHz），NF為噪聲指數(shù)（可設(shè)為4），Gain為補償光纖衰減所對應(yīng)的功率增益。此外，光纖作為一種傳輸媒介，由于其本身的非線性效應(yīng)，相應(yīng)的也會等效地引入噪聲。其入纖功率與等效噪聲功率近乎呈平方關(guān)系，當(dāng)光纖功率為1 mW時，其非線性噪聲約等于單個放大器噪聲的2/3。放大器的自發(fā)輻射噪聲和光纖的非線性噪聲都是加性噪聲。非線性噪聲在光傳輸鏈路的每跨開頭疊加，放大器噪聲在每跨的末尾疊加;每跨中間信噪比保持不變。每跨疊加的噪聲間相互獨立。

根據(jù)上述條件，在不同星座圖的給定條件下，得出糾前誤碼率與信噪比關(guān)系圖和光鏈路傳輸?shù)男阅堋?/p>

1 ?BER與SNR的關(guān)系曲線圖

1.1 ?星座圖

2.3 ?光傳送鏈路的模型建立

根據(jù)2.2的理論分析可知，當(dāng)信號的功率不同時，我們最遠傳輸?shù)木嚯x不同，發(fā)送功率越大，信噪比下降的越快，能傳輸?shù)目鐢?shù)較小，發(fā)送功率越小，信噪比下降的很緩慢，能傳輸?shù)目鐢?shù)較大。為簡化模型，我們做一些假設(shè)，先假設(shè)發(fā)送信號為10 mW，放大器所補償?shù)墓β试鲆鎰偤脤⒁豢缧盘柕乃p給補償回來。即A*Gain=1，由題可知，每經(jīng)過15 km，信號就會衰減一半，則信號與距離的關(guān)系表達式如下所示，

按照以上的建模和假設(shè)條件，我們就可以得到每一跨的信噪比了，因為光纖的非線性噪聲和放大器的噪聲均為加性高斯白噪聲，所以1中BER和SNR的關(guān)系曲線圖我們得到在BER為0.02時，三種調(diào)制格式下SNR分別為6.4 db，10.4 db，12.8 db，因此編寫程序計算SNR所對應(yīng)的跨數(shù)。

2.4 ?仿真結(jié)果及其分析

按照上述的建模方法，我們給出了圖3三種不同的調(diào)制格式下，分別能傳輸最大跨數(shù)的一個仿真圖。

當(dāng)單跨的長度為80 km，調(diào)制格式為QPSK的時候，得到的仿真圖如圖7所示。

從圖8中可以看出，在信號功率為10 mW，QPSK的調(diào)制模式下，能傳輸?shù)淖畲罂鐢?shù)為155跨，此時傳輸?shù)淖钸h距離為12400 km。

當(dāng)單跨的長度為80 km，調(diào)制格式為8QAM的時候，得到的仿真圖如圖8所示。

從圖9中可以看出，當(dāng)星座圖的點數(shù)增多的時候，光纖能傳輸跨數(shù)明顯變少了，從圖9中能得出，當(dāng)調(diào)制格式變成8QAM的時候，傳輸?shù)目鐢?shù)為78，傳輸?shù)淖钸h距離為6240 km。

當(dāng)單跨的長度為80 km，調(diào)制格式為16QAM的時候，得到的仿真圖如圖9所示。

從圖9中，我們得出，16QAM能傳輸?shù)目鐢?shù)最小，為46跨，傳輸?shù)淖钸h距離為3680 km。

最后，我們將三種不同星座圖下能傳輸?shù)淖钸h距離做一個比較，如表2所示。

當(dāng)單跨的長度為100 km時，在調(diào)制格式為QPSK下，最遠能傳輸?shù)目鐢?shù)仿真圖如圖10所示。

圖10中顯示，BER=0.02時，所對應(yīng)的光纖跨數(shù)為130，因此能傳輸?shù)淖钸h距離為13000 km。從圖中看出，因為單跨的長度變長了，在跨尾處的信號衰減也相應(yīng)的變大，那么放大器的需要補償?shù)脑鲆鍳ain也就變大了，由放大器的噪聲功率公式可得，Gain變大了，放大器加入的噪聲功率也就變大了，即信噪比的下降速度變快了，因此光纖能傳輸?shù)淖畲罂鐢?shù)變小了，最遠的距離也就變短了。

當(dāng)單跨的長度為100 km時，在調(diào)制格式為8QAM下，最遠能傳輸?shù)目鐢?shù)仿真圖如圖11所示。

當(dāng)調(diào)制格式變?yōu)?QAM的時候，星座圖的點數(shù)變多，相比與QPSK而言，傳輸最遠的跨數(shù)變少，圖中所對應(yīng)的跨數(shù)為65，最遠的傳輸距離為6500 km。

當(dāng)單跨的長度為100 km時，在調(diào)制格式為16QAM下，最大能傳輸?shù)目鐢?shù)仿真圖如圖12所示。

從圖12中可以看出，同樣，16QAM調(diào)制格式下，最遠能傳輸?shù)目鐢?shù)是三種調(diào)制格式中最小的，能傳輸?shù)淖畲蟮牡目鐢?shù)為39跨，最遠能傳輸?shù)木嚯x為3900 km。

同樣，我們將三種不同星座圖下能傳輸最大跨數(shù)放在一張圖上進行比較，如表3所示，表3為不同調(diào)制格式下最遠傳輸距離。

3 ?總結(jié)與展望

在光傳輸鏈路在過去幾十年的發(fā)展過程中，本文探索了其每跨傳輸距離與不同調(diào)整格式的各種關(guān)系，其在光傳輸鏈路方面已經(jīng)成為非常重要的研究領(lǐng)域。

由本文上述可知，當(dāng)糾前BER不變時，降低SNR容限點可以提高系統(tǒng)容忍噪聲的能力，從而可以延長鏈路的總長度。但是我們都是在傳統(tǒng)的調(diào)整格式和星座圖下進行的各種仿真計算，隨著通信理論的不斷發(fā)展，我們可以改變方案中星座點的位置、數(shù)量或每個點的概率，探索產(chǎn)生比文中中星座圖（相鄰各星座點之間距離相等）具有更低SNR容限點和更遠傳輸距離的調(diào)制，這是未來的一個研究方向。

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