1、毕业设计(论文)光纤通信系统的仿真分析电子科技大学中山学院教务处制发I光纤通信系统的仿真分析摘 要光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。光纤通信系统的计算机仿真，是对此类系统进行规划设计、可行性论证以及研制新型系统的重要手段，可用于对已设计的光纤传输系统在硬件实现之前进行性能评估和可行性论证，可节约大量时间和经费; 同时在分析中可随时改动参数值，便于理论研究。 本文对光纤通信系统的仿真进行了深入的探讨，首先介绍了光纤通信系统的特点及构成，接着对光纤通信系统仿真软件 Optisystem 的简单介绍并对传输速率为 10
2、Gb/s 的光纤通信系统进行仿真设计和分析，详细介绍了仿真的流程和分析后的结果并作出总结。关键词：光纤通信系统；Optisystem；仿真IISimulation Analysis of Optical Fiber Communication System AbstractOptical fiber communication system used optical wave as carrier，and very fine optical fiber made of high purity glass as transmission medium. It can transmit infor
3、mation through photoelectric conversion.Optical fiber communication systems computer simulation is of such systems planning and design， feasibility study and development of new types of systems important means can be used to have been designed optical transmission systems in hardware prior to the pe
4、rformance evaluation and feasibility study，Can save a lot of time and funding，while in the analysis parameters can be changed at any time，for theoretical research. The paper discusses in depth the simulation of optical fiber communication system，firstly the characteristics and structure of Optical f
5、iber communication system was introduced, then the simulation software (Optisystem) was simply presented, and an optical fiber communication system with transfer rate of 10 Gb/s was simulated and designed, the process and result of simulation was detailed and the summary was made.Keywords: Optical f
6、iber communication system; Optisystem; simulationIII目 录1 绪论 .11.1 光纤通信概述 .11.1.1 光纤通信的优点 11.1.2 光纤通信的缺点 21.1.3 光纤通信的应用 31.2 系统仿真原理 .32 光纤通信系统及其构成 .52.1 光发送机 .52.2 光纤线路 .52.3 光接收机 .62.4 光中继器 .63 光纤通信系统仿真软件 .74 数字模型建立与性能仿真分析 .94.1 发射系统模型的建立 .94.1.1 数字模型建立 94.1.2 光源与系统性能关系的仿真分析 94.2 传输系统模型的建立 .114.2.1
7、数字模型建立 114.2.2 传输速率与光纤传输系统特性的关系 124.2.3 光纤信道参数与光纤传输系统特性的关系 144.2.4 光放大器对系统性能的影响 184.3 接收系统模型的建立 .204.3.1 数字模型建立 204.3.2 光电检测器与系统性能关系的仿真分析 214.4 波分复用系统仿真分析 .235 光纤通信系统仿真实验 .265.1 10Gb/s 光纤通信系统模型的建立 .265.2 仿真结果分析 .275.3 光纤通信技术的发展现状及趋势 .295.3.1 光纤通信技术的现状 296 结论 .30致 谢 .31IV参考文献 .3211 绪论1.1 光纤通信概述通信是指两个
8、或多个实体之间交换信息的过程，而通信系统是该过程的具体实现。一个世纪的通信系统包括信息的采集、格式变换、传输和交换的过程所涉及的所有实体。光通信是指利用某种特定波长频率的光波信号承载信息，并将此光信号通过光纤或者大气信道传送到对方，然后在还原出原始信息的过程。广义上的光通信包括光纤通信和大气光通信两大类，目前在通信领域内主要采用的是光纤通信方式。1977 年，美国西屋电气公司在亚特兰大成功地进行了世界上第一个光纤通信的现场实验，系统采用 GaAlAs（镓铝砷）半导体激光器作光源，多模光纤作传输介质，速率为 44.736Mbit/s，传输 110km。使光纤通信向实用化迈出了一步。光纤通信作为现
9、代通信的主要支柱之一，在现代电信网中，起着举足轻重的作用，本章将概述国内外光纤通信技术的历史，现状和前景。光纤即光导纤维的简称。光纤通信是以光为载频，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。光纤与以往的铜导线相比，具有损耗低，频带宽，无电磁感应等传输特点。因此，人们希望将光纤作为灵活性强，经济的优质传输介质，广泛地应用于数字传输方式和图像通信方式中，这种通信方式在今后非话业务的发展中是不可缺少的。由于光纤通信具有一系列优异的特点，因此，光纤通信技术近几年来发展速度之快，应用面之广是通信史上罕见的。可以说，这种新兴技术，是世界新技术革命的重要标志。又是未来信息社会中各种信息网的主要传输工具。光纤与以
10、往的铜导线相比，有本质的区别，因此，在传输理论，制造技术，连接方法，测试方法等方面，基本上都不能采用铜质电缆的理论与方法。1.1.1 光纤通信的优点（1）容许频带宽，传输容量大光是频率极高的电磁波，传输中可以获得极高的信号频谱。在光纤中传输的激光属于近红外线的范围，波长在 0.75 到 2.5 ，其中仅仅十分之一作为传输所m用的频带，就可传送约 路的电话。所以光纤在单位面积上有着很大的信号传输10能力，也就是说光纤传输在单位面积上的信息密度很高，传输容量很大。（2）传输损耗小，中继距离长目前单模光纤在 1310nm 波长窗口衰减系数约为 0.35dB/km，1550nm 窗口衰减系数约为 0.
11、2dB/km，而且在相当宽的频带内特性几乎一致，因此用光纤比用同轴电缆或波导管的终极距离长得多。工作波长为 1550nm 的色散位移单模光纤通信系2统，若传输速率为 2.5Gbit/s 则中继距离可达 150km；若传输速率为 102.5Gbit/s，则中继距离可达 100km；若采用光纤放大器和色散补偿光纤等，中继距离还可增加。（3）泄露小，保密性好由于光纤传输的特殊机理，在光线中传输的光向外泄露的能量很微弱，难以被截取或窃听。因此与其他无线、有线通信方式相比有很好的保密性，信息在光纤中传输非常安全，单根光缆内部署多根光纤也不会引入串扰。（4）节省了大量的有色金属制造普通的电缆会消耗大量的铅
12、、铜等有色金属。以同轴电缆为例，1km 的四管中同轴电缆大约需要 460kg 的铜，但制造 1km 的光纤，则仅仅需要几十克的石英。而制造光纤的石英（是要成为为 SiO ）原料便宜而又丰富，基本上属于取之2不竭。（5）抗电磁干扰的性能好光纤主要是由石英材料制成，它不易受外界各种电磁场干扰。强电或者雷击等对光纤的传输性能影响也不大。甚至是在核辐射等极端环境中，光纤通信仍然能正常进行，这是普通电缆通信所不能做到的。因此，光纤通信在电力输配、雷击多发地区、核试验、电气化铁路等恶劣环境中应用更能体现它的优越性。（6）重量轻，可挠性好，敷设方便在传输相同的信息量时，光缆的重量通常比其他通信电缆的重量要轻
13、很多。因为每根光纤的直径都很小，所以制成光缆后可充分利用地下管道。有些二次套塑制材料的光纤，即使以几厘米的曲率半径将它弯曲也不会折断，在施工时可以采用与其他电缆类似的敷设技术来进行敷设，通信设备的重量通常很轻而且体积也很小，对军事和航空航天等在特殊应用环境下使用具有非常重要的意义。1.1.2 光纤通信的缺点（1）抗拉强度低光纤的理论抗拉强度大于钢的抗拉强度。但是，由于光纤在生产过程中表面存在获产生微裂痕，光纤受拉时应力全部加于此，从而使光纤的实际抗拉强度非常低，这就是裸光纤很容易折断的原因。（2）光纤连接困难要使光纤的连接损耗小，两根光纤的纤芯比喻严格对准。由于光纤的纤芯很细，加之石英的熔点很
14、高，因此连接很困难，余姚有昂贵的专用工具。（3）光线怕水水进入光缆中会使得信道损耗增大，甚至使通信中断；会造成光缆中的金属构件氧3化，使金属构件腐蚀，导致光缆强度降低。1.1.3 光纤通信的应用光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视与计算机网，以及其他数据传输系统中都得到了广泛的应用。光纤通信单位应用概括如下：（1） 通信网，主要用于遍及全球的电信网和 Internet 中作语音、数据通信。包括全球通信网（国家和国家间的光缆干线） 、各国的公共电信网（如我过的国家一级干线、省级干线及县以下的支线和市话中继通信系统） 、专用网（如电力、铁路、国防通信等的光缆系统）和特殊
15、的通信网络（如石油、化工、煤矿等易燃易爆环境下使用的光缆通信系统） 。（2） 计算机网络，如局域网、存储局域网（SAN）等网络中的交换机、路由器和服务器等之间的高速传输链路。（3） 有线电视网，如有线电视的干线和分配网、工业电视系统的监控和自动控制系统的数据传输等。（4） 综合业务的光纤接入网，可实现电话、数据、视频及媒体业务的接入网络。1.2 系统仿真原理系统仿真是 20 世纪 40 年代末至今一直伴随着计算机技术发展而逐步形成的一门新兴学科。仿真（Optisystem）就是通过软件建立实际系统模型并且利用这些模型对实际系统进行实验研究的过程。最初，仿真技术主要用于航空航天、原子反应堆等价格
16、昂贵、周期长、危险性大、且实际系统实验难以实现的少数领域，后来逐步发展到石油、电力、冶金、化工、机械等一些主要工业部门，并进一步扩大到经济系统、社会系统、交通运输系统以及生态系统等一些非工程系统领域。可以说，现代仿真技术和综合性仿真系统已经成为任何复杂系统的重要手段。其应用范围在不断扩大，应用效益也日益显著。仿真分为系统仿真和电路仿真。系统仿真是利用数字公式或者传输函数来模拟器件的外部特性。电路仿真就是用电阻、电感、电容等常用元器件组成等效电路模型来模拟原器件的一些特性。系统仿真实质上就是对其真实系统的一种模仿。这种模仿是对系统某一层次抽象属性的模拟。我们通常将这种过程称为建模。人们利用所建立
17、的模型进行一些相关的试验，从中获得我们所想要的信息，然后对其进行深入的认识、分析以及理解其在真实系统中该层次的相关规律，从而进行深入判断、决策和对其处理。人们不仅只针对模型分析还可以将其投入到实际的系统中，对直接参与实验的对象之间进行相关分析。 系统仿真技术已广泛地应用于各个领域的研究、设计、训练和开发。在国际上4一致认为它是 “迄今为止最有效、最经济的综合集成方法 “，是 “推动科技进步的战略技术 “。随着计算机技术和仿真技术的发展，计算机所控制的空间将是所有互连的远程通信网的总和。在未来或许人们只要用一根电缆插入与大脑固定连接的插座，将计算机与大脑连接起来就能进入计算机空间，领略各种美妙的
18、奇景，就可以周游列国或入地心游览。计算机空间能为不同文化、国家和民族的人们提供相互交流思想的平台和为汇集他们的集体智慧提供无穷的机遇。 本论文中在对光纤通信系统理论分析的基础上，利用 Optisystem 仿真软件，建立了高速大容量光纤系统的仿真模型，目的是验证光纤通信系统中各个器件的某些参数与高速光纤通信系统特性的关系。具体包括光源器件中激光器调制频率和偏置电流与系统特性的关系；光纤的损耗和色散以及光放大器对系统特性的影响；接收机的光电检测器与系统性能的关系；并对波分复用以传输速率为 10Gb/s 的光纤通信系统进行仿真分析。在建模中通过对系统的改进以及对各项参数的调试，得到传输速率为 10
19、Gb/s，传输距离为 40km，误码率在 以下的光纤通信系统仿真模型，910及一组比较优化的系统参数。52 光纤通信系统及其构成光纤通信系统由光发送机、光纤线路、光中继器、光接收机组成其连接如图 2-1 所示；图2-1 光纤通信体统的组成框图2.1 光发送机光发送机由光源、驱动器和调制器组成，其中发送机的核心是光源。光发送机的作用是将输入的电信号转换成光信号并且最大限度地注入光纤线路。对核心光源的要求是输出功率够大，调制速率高，输出的光功率和光波的长度要相对稳定，器件寿命需长等。普通的激光器谱线宽度较宽，是多纵模激光器，在高速率调制下，激光器输出频谱较宽，从而限制了传输的码速和中继距离。目前最
20、使用广泛的光源有半导体发光二极管（LED）和半导体激光器（LD ） 。在通信网络中大量应用的是分布反馈激光器（DFB-LD）和多量子阱激光器（MQW-LD）等高性能单纵模激光器。光发送机把电信号转换成光信号的过程是通过电信号对光源进行调制而实现的。光调制一般分为直接调制、外调制两种。直接调制又称内调制指直接用电信号来控制半导体光源的振荡参数（光强、频率等） ，从而得到光频的调频波或调幅波；外调制是让光源输出的频率与幅度等一定的光载波在通过光调制器后，实现对光载波的频率、幅度及相位等的调制，外调制方式需要调制器，结构复杂，但容易获得好的的调制性能，尤其是适合于高速率下的运用。2.2 光纤线路光纤
21、线路由光纤、光纤接头、光纤连接器组成。是光信号的传输媒介。把来自发送机的光信号以尽可能小的衰减和脉冲展宽传送到接收机。对光纤的要求是基本传输参数、衰减和色散要尽可能小，光纤要有一定的机械特性和环境特性。工程中使用的是由许多根光纤绞合在一起组成的光缆。按照传输模式一般分为单模光纤和6多模光纤。由于单模光纤的传输性能比多模光纤优越得多，因此目前包括骨干网络、城域网络和接入网络中都普遍采用单模光纤。目前常用的光纤主要是石英光纤，其损耗和波长特性中有三个低损耗的波长区，即波长在 850nm、1310nm、1550nm。为此光纤通信系统的工作波长时只能是选择在这三个波长区。激光器的发射波长、光检测器的相
22、应波长都与其一致。 单模2iOS光纤在这三个低损耗波长区的衰减系数典型值分别小于 2 、0.4 和 0.25dB/km/。石英光纤在 =1310nm 附近有一个零色散区，此处色散值可能做到最小。dB/km通过光纤的设计，可以使零色散波长移到 1550nm 处，即在 =1550nm 处实现损耗和色散都最小的色散位移光纤。2.3 光接收机光检测器、放大器、相关电路组成了光接收机。它的主要功能是将由发送机发送的光信号转换为电信号，经放大、再生恢复后变为原来的电信号。对光检测器的主要是响应度要高、噪声要低、响应速度要快。目前我国广泛使用的光检测器有雪崩光电二极管（APD）和光电二极管（PIN） 。光接
23、收机通过光检测器把光信号转换为电信号。直接检测、外差检测是光检测器常用的两种检测方法。直接检测是通过光检测器直接将光信号转换成电信号。外差检测则是在接收机中设置了两个元器件：本地振荡器和混频器，将本地震荡光和光纤输出的光进行混频，产生了差拍从而输出中频信号，再通过光检测器把中频信号转换为电信号。这种外差检测的方式，对本地激光器的要求很高，它要求光源非常稳定、谱线宽度非常窄、相位和偏振的方向要可以控制的单模激光器，虽然要求很高但有一个显著的有点就是接收的灵敏度非常高。目前光纤通信系统中常用的是直接检测方式。外差检测的方式虽然技术复杂，但也有这很多有点例如：传输速率高、接收灵敏度高，所以在通信方式
24、中会很有前景。2.4 光中继器目前光纤通信系统大多采用光中继器，它采用光电光的形式，将光信号先变换为电信号，再将恢复后的电信号再变为光信号，而不是直接放大，因此光中继结构较为复杂，价格昂贵。随着光放大器的开发、成熟、使用，可进行光的直接放大，实现全光通信。73 光纤通信系统仿真软件光通讯系统正在变得日益复杂。先进的软件工具使得这些系统的设计和分析变得迅速而有效。本文我们将用到 OptiSystem 软件对其系统进行仿真分析。OptiSystem 是一款光通信系统模拟软件包，它的优势是设计、测试和优化各种宽带光网络物理层的虚拟光连接等，无论是长距离的通信系统还是局域网或城域网都可以使用此软件。全
25、面的图形用户界面设计、形象的器件模型和真实的演示。包括波长实际的相关参数和优化的巨大的有源器件库和无源器件库，方便使用者研究特定的器件参数、技术参数对系统性能的影响。Optisystem 光仿真软件的优点：a) 大幅度降低投资风险；b) 原型设计不仅快速而且低成本；c) 全面认识系统的性能；d) 直观的面向用户的设计选择和脚本；e) 直接存取大规模的系统特征数据；Optisystem 光仿真软件各器件的功能运用如下：发射器件库包含了如半导体激光器、编码器、调制器和比特序列发生器等的所有与光信号产生和编码有关的器件。使用 OptiSystem 仿真软件允许用户输入曾经测量出来的数据来评估现在所需
26、的参数。对于随即数字的发生器，编码器和比特序列产生器允许用户在不同调制的模式下和算法之间进行相关选择。传输通道主要是以光纤为主。对于任意 WDM 信号，OptiSystem 仿真软件采用了一种非线性色散传播的单模光纤模型，用以说明信号振幅和相位受影响的相关现象和效果。在很大程度上，可以真实的预测波形的失真和眼图的退化等其它关键要素。 目前光纤网络所需的器件有 EDFA 和拉曼放大器，无论是 WDM 的网络转发器还是到 CATV 的接线放大器，都有着广泛的应用。 OptiSystem 可以让用户选择想要的模型。在通过利用具有多功能特性的半导体激光器，来完成信号的放大和波长转换。用户可以依据光探测
27、器的输入端的混合信号来选择不同的模型。如果是噪声与信号混在一起的话，使用适当的 PFD 来描述是必要的，这样可以增加数字化噪声。电滤波器件的内部库包括实际的、频率等相关的参数。在这个库中，用户可以考虑用不同的滤波器形式来设计接收器。总之，OptiSystem 光纤系统仿真软件非常适合对光纤通信系统进行仿真，并且可以很好地实现对其系统参数的测试。在该系统发展迅速的当前，对其进行仿真是减少经费开支和试验时间最好的途径。84 数字模型建立与性能仿真分析4.1 发射系统模型的建立4.1.1 数字模型建立光发射机的作用是把输入的电信号转换成光信号并且将光信号最大限度地注入光纤线路。光源、调制器和驱动器组
28、成了光发射机，发送机的核心是光源。其功能是将来自电端机的电信号与光源发出的光波进行调制，然后再将已经调制好的的光信号放入光纤或光缆中去传输。光源模型的建立。光纤通信系统中常用的光源是 发光二极管( LED)和半导体激光器( LD)，其中 LD 的特性有伏安特性 V- I 曲线、发射光功率与注入电流的关系( PI) 曲线等。考虑到一般使用外调制系统，激光器的模型应该采用相对简单的方式建模，考虑到激光器的平均功率和线宽，数学模型通常描述为：A(t) = exp (t) ）（ tPJ（1）驱动电路模型的建立。LD 驱动电路常用 RC 低通滤波器来代替，等效时间常数用 = RC 表征。调制器模型的建立
29、。高性能的光纤通信系统要求对直流激光源发出的激光施行外调制。外调制器的数学模型通常描述为：Pout= Pin (t) d(t) = Pin (t) cos2 (t) （2）其中，d(t)表示激光器的功率传输函数， (t)表示由调制信号引起的相位变化。4.1.2 光源与系统性能关系的仿真分析在高速光纤传输系统中，当对半导体激光器进行直接调制时，调制频率必须小于激光场的张驰振荡频率。张驰振荡频率由载流子寿命与光子的寿命决定。理论上，若假设光的增益与载流子的浓度成线性相关，则张驰振荡频率约为：式(4-2)2121Ifphsres9图 4-1 光纤通信系统仿真模型对于腔长为 300m 的激光器，载流子
30、寿命 约为 1nm，光子寿命 的大小phph在 2ps 的量级上，当注入电流大约为阈值电流两倍的时候，调制频率的最大值约为3.56GHz。因此，在图 4-1 所示的仿真模型中调制峰值电流 I=76mA，偏置电流=76mA。仿真系统的数字参数为：序列长度为 128b，每比特的抽样数为 512，BI取信息速率分别为 1Gb/s 和 10Gb/s，其他参数相同，运行如图 4-1 所示的仿真系统，得到眼图及误码率如图 4-2 所示。图 4-2 a)信息速率分别为 1Gb/s 10图 4-2 b)信息速率分别为 10Gb/s图4-2 系统性能与调制频率的关系（偏置电流 =76mA）BI图4-3 偏置电流
31、 =25mA低于阈值电流时的眼图BI从图 4-3 可以得出，当调制频率大于激光场的张驰振荡频率时将导致不可接收的系统性能变坏。图 4-3 为信息速率为 10Gb/s 系统其他参数不改变，偏置电流为=25mA 时系统的性能。比较在图 4-2 中的(a) 和图 4-3 的两个眼图中，我们不难BI看出，在其他参数相同的情况下，光偏置电流低于阈值电流时，系统的性能则会降低，这与相关的理论分析是一致的。4.2 传输系统模型的建立4.2.1 数字模型建立光纤模块。光在光纤中传输表现出损耗、色散和非线性特性，使光脉冲在传输过程中发生了畸变，降低了系统的性能。考虑到光纤的衰减特性，得频域传输函数：2/-exp
32、10-aLH(3)放大器模块。光纤放大器是光纤通信系统对光信号直接进行放大的器件。其中掺饵光纤放大器( EDFA) 是当前光纤通信中应用最广的光放大器件。利用黑盒模型可建立 EDFA 的放大特性的模型，根据实际测试的几组数据建模，不需要了解EDFA 内部参数和内部实际结构。用来描述 EDFA 饱和增益及噪声系数的两组公式如下： log10 ( ) = a log10 a log10Ps (4)g-0inP11ln( N- ) = a+ b( - g) (5)goN0式(4)中， 和 g 分别表示输入信号功率为 Pin 时的小信号增益和饱和增益，0其中 Ps 和 是两个待定的参数；式(2)中 和
33、 N 分别是对应于小信号增益 和饱0 0g和增益 g 的噪声因子，a 和 b 是两个待定的参数，其中 和 g 的单位都是 dB。式(4) 和0式(5) 中各有两个待定参数，理论上只需要取测量数据中的任意两点就可以得到其中的参数。可取任意多点测量数据，得到一个超定方程组，求解出待定参数，然后通过一致逼近计算出不同输入信号功率时放大器的增益和噪声系数。4.2.2 传输速率与光纤传输系统特性的关系一般说来，传输速率越低光纤通信系统的性能就越好。但在某些情况下，例如：在速率非常低时，系统的误码率并不会降低而会上升。这是由于在限定误码率的条件下，决定光接收机灵敏度的主要因素是传输速率和光检测器、前置放大
34、器的特性。传输间隙会使光检测器的识别码元的性能降低，继而使误码率上升，而且这会使系统的有效性降低。以传输速率为 10Kb/s、1Gb/s 和 10Gb/s 光纤系统为例。图 4-4 为系统模型。其中系统包括用户自定义比特序列发生器(User Defined Bit Sequence Generator)、直接调制激光器(Directly Modulated Laser Measured)、非归零脉冲发生器(NRZ Pulse Generator)、光纤信道 (Optical Fiber)、光检测器 APD(Photodetector APD)、掺铒光纤放大器(EDFA) 、低通滤波器(Low
35、Psaa Gaussian Filter)。还有眼图观察仪，光脉冲观察仪误码率观察仪和误码率观察仪。仿真系统的参数为：序列长度为 128b，每比特的抽样数为 64，取信息速率为1Gb/s。发射机调制速率为 193.1THz，幅宽为 10MHz ，消光比为 10dB。比特序列发生器的比特序列为 010110111011110。放大器的掺铒光纤长度为 10m，波长为1550nm 的损耗系数为 0.1dB/m。光检测器的响应度为 1A/W。12图4.4 光纤通信系统仿真模型当系统传输速率为 1Gb/s 时，它的系统参数、误码率和眼图如图 4-5 示：图4-5 a)传输速率为1Gb/s时的系统参数图4
36、-5 b)传输速率为1Gb/s时系统Q值 图4-5 c) 传输速率为1Gb/s 时系统眼图将系统传输速率 Bit rate 改为 10Gb/s 时，则等到如图 4-6 示的系统误码率和眼图：13图 4-6 a)传输速率为 10Gb/s 时系统 Q 值 图 4-6 b)传输速率为 10Gb/s 时系统眼图将系统传输速率 Bit rate 改为 1Kb/s 时，则得到如图 4-7 示的系统误码率和眼图：图 4-7 a)传输速率为 10Kb/s 时系统 Q 值 图 4-7 b)传输速率为 10Kb/s 时系统眼图根据仿真实验，从图 4-5、4-6、4-7 可以看出，当传输速率逐渐增大时，系统眼图所显
37、示信号的电压变小，失真程度变大，判决门限变低，系统对定时误差的敏感程度变差。4.2.3 光纤信道参数与光纤传输系统特性的关系光纤的损耗和色散随着信号在光纤中传输距离的增加而增加，在图 4-4 所示的光纤通信系统中，在其他参数相同的情况下，将传输速率设定为 10Gb/s 改变图 4-8中长度参数 Length 为 50m、50km。如图 4-9 所示，观察所输出的眼图及 Q 值。14图4-8 光纤信道参数图4-9 a)光纤长度为50m时的系统眼图及Q 值 图4-9 b)光纤长度为50km时的系统眼图及Q 值 由图 4-9 所示，当光纤长度增大时，眼图的信号电压随之减小，这对光纤通信系统有着很大的
38、影响；在光纤长度增加时，眼图对定时误差的灵敏度逐渐变低，幅度畸变变大。归结到底，是由于光纤的损耗和色散特性。若光纤不存在此特性，则其长度并不能对系统性能造成任何影响。光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变（失真）和衰减传输到光接收机。对光纤的基本要求是损耗和色散这两个传输特性参数都尽可能的小，而且有足够好的机械特性和环境特性。随着光纤通信的发展，网络容量也在不断扩大，当前，光纤的损耗和色散是影响光纤通信向高速大容量发展的两个主要15因素，因此损耗和色散成为光纤通道设计中的两个重要因素。损耗限制系统的传输距离，色散则限制系统的传输容量。光纤损耗用损耗系数 来表示，光信号在光纤中
39、传播时，起光功率 P 随着传输距离的增加按指数形式衰减，即 ZPd1-(4-5)设输入功率为 ，则在光纤中传输异端距离 后，光纤的输出功率为inPL(4-6)expoutinL由此可得出衰减系数 (其中 单位为 1dB/km) (4-7)inoutPl1-在光纤长度一定的情况下，图 4-4 所示的光纤通信系统中，设定光纤速率为10Gb/s、长度为 50km，将如图 4-8 的光纤信道参数中的 Attenuation 改变，光纤损耗系数对系统性能的影响如图 4-10 示。 图4-10 a)光纤损耗系数为0.2dB/km 16图4-10 b)光纤损耗系数为0.8dB/km图4-10 c)光纤损耗系
40、数为2dB/km图4-10 改变光纤损耗系数系统性能眼图及 Q值由上图示随损耗系数的增加，系统眼图信号电压变小，失真程度变大，判决门限变低，系统对定时误差的敏感程度变差。由此可知在光纤类型一定，波长一定的情况下，系统性能随参数的增加而变差。但光纤损耗系数是对于选定的光纤来说是固定的，它只是光纤的一个具体参数，耗损只存在于选择光纤类型和传输波长。目前在三个损耗相对较低的窗口，即 0.85 、1.31 、1.55 ，1.31 处光纤损mm耗在 0.30.4dB/km 范围内，1.55 处光纤损耗已低于 0.2dB/km。当系统参数同上不变时，当当光纤损耗为 0.2dB/km 时，改变如图 4-11
41、 所示的色散系数 Dispersion 的值，观察光纤色散系数对系统性能的影响，如图 4-12 示。17图4-11 光纤参数的色散系数图4-12 a)光纤色散系数为16.75 图4-12 b)光纤色散系数为 5018图4-12 c)光纤色散系数为100图4-12 改变光纤色散系数系统性能眼图及 Q值由图 4-12 示随着色散系数的增加，系统眼图信号电压则会变小，失真程度会变大，判决门限变低，系统对定时误差的敏感程度变差。与光纤损耗相似，在光纤类型一定，波长一定的情况下，光纤色散系数也是固定的，这是光纤的一个具体参数。它和损耗系数一样都会影响光纤通信的系统性能，对其参数的选择实际是对光纤类型的选
42、择。即选择同时满足这两方面的光纤类型。4.2.4 光放大器对系统性能的影响在光纤通信系统中，信号的传输是有一定距离限制的，这是因为光纤存在色散和损耗，而光放大器可以缓解这种弊端。放大器最主要的参数之一是信号增益 G，其定义为：(4-13) insoutPG.等式中 和 放大的光信号输入功率和输出功率。,si,sout在光子能量为 时，辐射强度与穿过发射激光腔的呈指数规律变化，可以得hv到激活介质中的单程增益为： (4-14)LzggGmexp-exp等式中， 是激光腔中的光限制因子， 是材料增益系数， 是光路中材料mg的有效吸收系数，L 是放大器长度， 是单位长度上的总增益。由上式可以看）（
43、z出，放大器的增益随着其长度的增加而增加。然而，放大器的内部增益会受到增益饱和的限制。19图 4.5 示系统中信号在发射机、传输信道和放大器之后的脉冲波形如图 4-13 示。图4-13 a) 发射机脉冲波形 图4-13 b) 传输信道的脉冲波形图4-13 c) 放大器的脉冲波形从图 4-13(b)可以看出信号经过传输信道后，与图(a)相比信号能量衰减了，从图(c) 可以得出，放大器的确放大了信号能量，但同时也放大了噪声能量。导致了在光接收机中除了光检测器的热噪声之外，还有三种不同的噪声成分。这是因为光电流中除了信号场和自发辐射场的平方之外，还包括信号和光噪声场之间的许多差拍信号。这些信号会影响
44、光接收机的信噪比，所以要在光检测器之前放置一个光滤波器。4.3 接收系统模型的建立4.3.1 数字模型建立光接收机的作用是把经光纤传输后幅度被衰减，波形被展宽的微弱光信号转换为电信号， 并处理放大，20恢复为原发射的数字序列。若要对接收机各组成部分进行分析、优化， 则每一部分须分别建模。光检测器模块。光纤通信中最常用的光电检测器是光电二极管和雪崩二极管(PIN 和 APD)。APD 比 PIN 有较高的灵敏度，但其倍增噪声较大，需要高偏置电压。对于 APD 模型，电流 i(t)应写成：(4-15)tglin1e(t)式(4-15)中，g l 为在时间 内产生的 n 个一次电子 -空穴对倍增后所
45、产生的二t次电子空穴对数( 包括一次电子空穴对在内)，也是一个随机变量。APD 的模型按式(1) 产生的随机数序列来模拟。放大器模块。放大器包括前置放大器和主放大器两部分。前置放大器对接收机的性能起决定性的作用。主放大器主要用来提供高增益， 将前放的输出放大到适合于判决电路所需的电平。求出放大器的脉冲传递函数，可得到输入、输出序列之间的关系，建立其模型。均衡器模块。它的作用是补偿对经光纤传输、光电转换和放大后产生的失真的电信号，使输出的信号的波形适合于判决，以消除码间干扰。通常输出波形被均衡成升余弦频谱。对于均衡器优化设计，可按式( 6) 最后均衡成升余弦频谱，来导出均衡器传输函数：(4-16
46、)aHHfpcos)(式中，H( )是均衡网络的传递函数、Hcos ( )为升余弦频谱函数，Hp ( )、Hf ( )、Ha ( )分别是发送脉冲、光纤、放大器的频谱。判决电路模块。判决电路由判决器和时钟恢复电路组成，其作用是将均衡输出的脉冲波形恢复为标准的数字脉冲信号。时钟恢复电路是把信号中的定时信号提取出来，使判决电路进行定时判决，判决由均衡器发来信号，最佳的判决时间应是升余弦的正负峰值，若输入信号大于判决门限的电平，则判为 1!码，低于判决的电平，则判为 0!码。在系统仿真中，判决电路视为电压比较器，满足如下关系：(4-17)1,35.n )V(21nT0.maxoutin,out ）（
47、V其中， 为 1 码对应的最小输出电平， 为 0 码对应的最大输出电平。mi,t max,outV4.3.2 光电检测器与系统性能关系的仿真分析光检测器的工作特性可以用工作参数来表示，这些参数最主要有响应度和量子效率、响应时间、暗电流等。21响应度和量子效率都是描述光电转换能力的物理量。响应度 定义为0R(4-18)WAPIRp/0其中 为光电检测器的输出电流， 光电检测器的平均输入功率。I 0P量子效率 定义为 (4-19)入 射 光 子 数空 穴 对 数光 生 电 子 -响应度和量子效率虽然都是描述光电转换能力，但分析角度不同。PIN 和APD 的响应度与波长有关，Si-PIN 和 Si-
48、APD 的波长响应范围为 6001000nm，对检测 0.85 的光非常有效。Ge-PIN 和 Ge-APD 范围为 10001650nm，可以接收m1310nm 和 1550nm 的光信号。响应时间表征光检测器对光信号变化响应速度的快慢。它受三个因素的影响：渡越时间 ，扩散时间 和光电检测电路的上升时间 。总的上升时间为：diRC(4-20)122RCi对于设计较好的光电检测器，Si-PIN 上升时间 可达 500ps 以下，Ge-PIN 上升时间 可达 100ps 以下。暗电流：指在 PIN 规定的反向电压或者 APD 的 90%击穿电压时，在无入射光的情况下期间内部的反向电压。由于它可以
49、引起光接收机的噪声增大，所以越小越好。在不同的系统中，PIN 和 APD 有着不同的应用。为了提高光电检测器的响应速度和光电转换效率，设计出了 PIN 光电二极管，为使光电检测器有较大的输出电流，利用半导体的雪崩倍增效应制成了 APD 雪崩二极管。在图 4-14 示的系统中，设定传输速率为 10Gb/s 其他参数一定的情况下，比较了 PIN 和 APD 的性能。图4-14 光纤通信系统仿真模型在上述系统中，光源激光器的脉冲波形如图 4-15 示。22图4-15 光源激光器的脉冲波形把 APD 换为 PIN，它们对系统性能的影响如图 4.16 所示。图4-16 a) 信号经APD后波形 图4-16 b) 信号经PIN后波形图 4-16 c) 光检测器为 APD 的系统眼
