基于Optisystem的光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

徐云霞 時(shí)翔 湯祺 金維東

摘 要：將虛擬仿真與光纖通信融合，進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真和調(diào)試，通過數(shù)據(jù)分析進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，大大減少了光纖通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及工程實(shí)施的實(shí)際支出。文章利用Optisystem工具進(jìn)行光纖通信系統(tǒng)的輔助設(shè)計(jì)，建立光發(fā)送機(jī)、接收機(jī)及波分復(fù)用系統(tǒng)的電路模型，進(jìn)行噪聲與信號(hào)波形的仿真與分析，以期達(dá)到系統(tǒng)的優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：光纖通信;虛擬仿真;波分復(fù)用;Optisystem

0 引言

計(jì)算機(jī)仿真工具對(duì)于硬件與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、可行性分析等都有著重要的意義。光纖通信的發(fā)展迅速，光通信系統(tǒng)愈加趨于復(fù)雜。層出不窮的器件和復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)讓光纖系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得困難[1-2]。

光纖通信的虛擬仿真工具Optisystem，具有強(qiáng)大的模擬環(huán)境，支持自定義器件與快速低成本的設(shè)計(jì)模型，其本質(zhì)是通過建造系統(tǒng)模型進(jìn)行由表及里、從外到內(nèi)的試驗(yàn)性研究，找出不足并保留優(yōu)點(diǎn)，以期達(dá)到系統(tǒng)模型及其運(yùn)行的最佳狀態(tài)[3-4]。本文使用Optisystem工具，對(duì)光纖通信系統(tǒng)中的光發(fā)送機(jī)、光接收機(jī)以及波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)直接調(diào)制的光發(fā)送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真、基于PIN光電二極管的光接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真以及四路復(fù)用的單模光纖WDM通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真。設(shè)計(jì)完成后在Optisystem中進(jìn)行仿真模型搭建和運(yùn)行，觀測(cè)各處的數(shù)據(jù)并進(jìn)行對(duì)比分析。

1 光纖通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的光纖通信系統(tǒng)包含光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)兩個(gè)部分，光發(fā)送機(jī)的作用是將傳輸過來的電信號(hào)轉(zhuǎn)化成光信號(hào)，而光接收機(jī)的作用則是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，這個(gè)轉(zhuǎn)化的過程簡(jiǎn)稱為“電—光—電效應(yīng)”，而光纖通信系統(tǒng)正是通過“電—光—電效應(yīng)”來傳輸信息的通信系統(tǒng)。在利用Optisystem工具進(jìn)行光纖通信系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)之前，考慮到實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)行如下總體設(shè)計(jì)。

（1）光發(fā)送機(jī)及光接收機(jī)調(diào)制方式選擇不歸零碼（NRZ）制式。輸入的光信號(hào)經(jīng)過NRZ調(diào)試之后頻譜特性會(huì)變得更為緊密，解調(diào)更為快速方便，十分容易。

（2）光發(fā)送機(jī)系統(tǒng)選擇直接調(diào)制。直接調(diào)制是直接調(diào)制信號(hào)電流強(qiáng)度，使輸入功率隨著電流強(qiáng)度的變化而變化，直接調(diào)制方式簡(jiǎn)單而方便。外調(diào)制方式一般適用于更高級(jí)的通信系統(tǒng)，故不采納。

（3）光發(fā)送機(jī)系統(tǒng)選擇低通高斯響應(yīng)濾波器（Low Pass Gauss Filter）。理想低通濾波器可供理論研究的結(jié)果趨于完美。但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，必須考慮理想模型和實(shí)際電路之間的差異對(duì)結(jié)果的影響。

（4）為了便于觀測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，需要在NRZ脈沖儀器加入一個(gè)示波器，觀測(cè)未調(diào)制前的時(shí)域波形，在直接調(diào)制元件加入光譜儀、光功率計(jì)和光時(shí)域觀察儀，以獲取調(diào)制后波形的光譜、功率以及時(shí)域波形，加入眼圖和誤碼率分析儀則是為了獲取整個(gè)系統(tǒng)的分析數(shù)據(jù)，從而判斷其運(yùn)行狀態(tài)。

（5）WDM系統(tǒng)中，發(fā)送端由四路發(fā)射器件組成并產(chǎn)生信號(hào)，經(jīng)過復(fù)用器接入信道。信道連接解復(fù)用器且最后將信號(hào)傳輸?shù)浇邮斩?，在系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)接入顯示模塊，觀測(cè)數(shù)據(jù)以此評(píng)估所搭建系統(tǒng)的性能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

2.1? 光發(fā)送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

光發(fā)送機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如下：第一步，隨機(jī)碼發(fā)生器生成隨機(jī)信號(hào)序列。第二步，已經(jīng)生成的信號(hào)經(jīng)過NRZ脈沖將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸入低通高斯濾波器。第三步，高斯濾波器開始處理電信號(hào)，將其信號(hào)的信噪比增大，得到較為清晰的波形與真實(shí)的信號(hào)，此時(shí)設(shè)置截止頻率為0.75比特/赫茲。第四步，分路器將路線一分為二，一路信號(hào)直接進(jìn)入MZ（Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)）調(diào)制器，另一路則是經(jīng)過信號(hào)增益放大進(jìn)入調(diào)制器，同時(shí)激光器所發(fā)射的光信號(hào)也進(jìn)入其中。為便于采集信號(hào)的波形，設(shè)置兩個(gè)示波器，觀察波形。第五步，開始在MZ調(diào)制器進(jìn)行信號(hào)的調(diào)制，即將兩路信號(hào)合成一路信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)的調(diào)制。同時(shí)在調(diào)制器后面鏈接上一個(gè)光時(shí)域觀察儀，獲取其調(diào)制后的信號(hào)波形、圖像、啁啾量等試驗(yàn)結(jié)果。

圖1所示為光發(fā)送機(jī)系統(tǒng)的模型及其仿真模型。系統(tǒng)采用外部直接調(diào)制的方式，在Low Pass Gauss Filter、調(diào)制器輸出、放大器輸出模塊分布放置示波器1、光頻譜分析儀和示波器2，以進(jìn)行波形數(shù)據(jù)觀察。

2.2? 光接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

光接送機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如下：第一步，隨機(jī)元序列生成隨機(jī)數(shù)字信號(hào)，這里仍然保持默認(rèn)，不加改動(dòng)。第二步，新生成的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過NRZ脈沖將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸出到MZ調(diào)制器，同時(shí)激光發(fā)射器會(huì)發(fā)出光信號(hào)進(jìn)入MZ調(diào)制器。第三步兩路信號(hào)進(jìn)入之后合成一路信號(hào)進(jìn)入光衰減器，光衰減器是通過改變其衰減量從而改變光信號(hào)的功率，暫且設(shè)定其元件參數(shù)為0 dB。第四步，經(jīng)過一個(gè)1×2分路器，將光信號(hào)輸出到下一個(gè)器件。第五步，可以觀察到兩路都需要經(jīng)過PIN光電二極管和低通貝塞爾濾波器，這里暫時(shí)沒有設(shè)置，其實(shí)一路是加入散粒噪聲，另一路是加入熱噪聲。第六步，通過各種觀測(cè)儀器，比如眼圖和示波器觀察接收到波形和影響因素，采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)分析和調(diào)試。

圖2所示為光接收機(jī)系統(tǒng)的模型及其仿真模型。在調(diào)制器輸出處設(shè)置光時(shí)域觀察儀，在PIN光電二極管輸出處設(shè)置示波器1，在濾波器輸出處設(shè)置示波器2，在全系統(tǒng)輸入輸出處設(shè)置眼圖分析儀，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及波形分析。

2.3? WDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

WDM系統(tǒng)發(fā)送端將使用4組元器件來產(chǎn)生四路不同波長(zhǎng)的信號(hào)，為避免光色散及產(chǎn)生啁啾現(xiàn)象，每一路光信號(hào)的產(chǎn)生都將采用外調(diào)制的方法。每一路光信號(hào)的產(chǎn)生都將由一組器件完成，每一組器件都由一個(gè)隨機(jī)二進(jìn)制碼發(fā)生器、一個(gè)NRZ發(fā)生器、一個(gè)連續(xù)波激光器和一個(gè)M-Z調(diào)制器組成。系統(tǒng)發(fā)送端光源使用外調(diào)制型光源，并使用四路復(fù)用的方式發(fā)出的光信號(hào)，發(fā)出的信號(hào)由四路復(fù)用器復(fù)用后傳入傳輸信道。傳送信道由單模光纖、EDFA、循環(huán)控制器組合而成，復(fù)用的信號(hào)將由傳輸信道傳入解復(fù)用器，將經(jīng)過復(fù)用的信號(hào)分為四路信號(hào)傳入輸出端。在輸出端由光電檢測(cè)器對(duì)光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并由低通濾波器將所包含的數(shù)字基帶信息提取出來。接收端由光電檢測(cè)器、Bessel低通濾波器、1×4型解復(fù)用器組成。此外除去這些需要系統(tǒng)的組成器件，還需要一些測(cè)量?jī)x器：光學(xué)頻譜分析儀（Optical Spectrum Analyzer），波分復(fù)用分析儀（WDM Analyzer），光時(shí)域觀察儀（Optical Time Domain Visualizer），誤碼率分析儀（BER Analyzer）和再生器（3R Regenerator）。這些儀器將安置在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處觀察信號(hào)經(jīng)過信道前后的狀態(tài)以及系統(tǒng)整體的性能。

系統(tǒng)搭建完成并將各器件參數(shù)調(diào)整完成后，即可開始仿真，運(yùn)行仿真系統(tǒng)后即可觀測(cè)數(shù)據(jù)。在通過對(duì)四路復(fù)用的WDM通信系統(tǒng)的搭建和優(yōu)化的過程中，發(fā)現(xiàn)WDM通信系統(tǒng)依靠于組成部分的復(fù)用器、解復(fù)用器、放大器等器件使得信號(hào)能在長(zhǎng)距離內(nèi)傳輸，并且保證傳輸效率，通過模擬仿真可以發(fā)現(xiàn)光纖長(zhǎng)度、放大器增益、發(fā)射端功率等因素影響著系統(tǒng)的整體性能。

3 結(jié)語

本文利用Optisystem通信仿真軟件進(jìn)行了光發(fā)送機(jī)、光接收機(jī)及WDM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作或工程設(shè)計(jì)相比，應(yīng)用Optisystem工具最大的優(yōu)點(diǎn)是可以快速地設(shè)計(jì)和布設(shè)系統(tǒng)，及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及波形分析，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)系統(tǒng)各模塊的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而快速地實(shí)現(xiàn)一個(gè)優(yōu)良系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)和定性分析，節(jié)省了大量的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。在進(jìn)行光纖通信的網(wǎng)絡(luò)布設(shè)和工程的實(shí)際實(shí)施之前，利用Optisystem工具能夠?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)提供很好的工程指導(dǎo)，同時(shí)，在實(shí)際實(shí)施時(shí)，還需要考慮理想模型和實(shí)際電路模塊之間的差異，以正確指導(dǎo)工程的實(shí)施。

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（編輯 王雪芬）