（通信与信息系统专业论文）光纤通信系统仿真研究.pdf

摘 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 性论证以及研麓耨登系统豹重要手段，吴有方覆灵活、高效节约等诸 多优点。本论文在全面分析光纤通信系统特性的基础上，深入研究了 光纤通信酶计算祝仿真技术，应爰c + 语言开发了一套功能齐全、 界面友好的仿真软件，并成功地应用于系统性能评估和传输特性研 究。 本文在分析光纤通信系统备组成模块特性的基础上，建立了各模 块熬司冀飒仿真模型，包摄赢款脒冲发生爨、激光器、调制器、含波 器、分波器、光纤信道、放大器、接收机，相位共轭器等。建模中， 综合考虑r 裹遮系统，特别是波分复照系统中影响系统性能的多张因 素，如信道的色散和非线性效应等。 铡囊所建模型，编制了从电发端剩电收端整个系统的特性仿真软 件，建立了一个可用于评估光纤通信系统性能及开展理论研究的实验 平台，能够显示信号波形、性能眼图，给出系统的误码率、灵敏度等。 运用该仿真软件对已有系统进行了性能测试与评估，仿真结果与实际 性熊相符合。 另外，本论文使用b o r l a n dc 什b u i l d e r 进行了软件的界面设计， 使用户可以根据自己的濡要，使用已商模块灵活地搭建自已的光纤通 信系统以进行仿真。并盛由于采用了褥向对象的设计方法，使器件库 易于扩充，以满足用户不断变化的需求。 关键词：光纤通信计算机仿真建模瞧能评储 波分复爝系统 奉研究i 1 4 题为天津市自然科学基盒资助项目( 项目编号。0 1 3 6 0 1 1 1 1 ) a b s t r a c t 7 w i t hm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sc o n v e n i e n c ea n dh i g h e f f i c i e n c y ， c o m p u t e r s i m u l a t i o no f o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a sb e e na n i m p o r t a n t m e a n sf o r s y s t e md e s i g n ，e v a l u a t i o n o ff e a s i b i l i t i e sa n d d e v e l o p m e n to fn e ws y s t e m t h i sp a p e ri s f o c u s e do nt h er e s e a r c ho f c o m p u t e r s i m u l a t i o n t e c h n i q u e s o f o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s b a s e d o nt h e a n a l y s i s o ft h e s y s t e mc h a r a c t e r i s t i c s ，w e h a v e d e v e l o p e d a n a p p l i c a b l es i m u l a t i o ns o f t w a r eu s i n g t h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g ec + + a n d a p p l i e d i tt o s y s t e mp e r f o r m a n c e e v a l u a t i o na n dt r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i cs t u d ys u c c e s s f u l l y t h et h e s i sh a sb u i l tas e to fm o d e l so ft h ec o m p o n e n t si n o p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，s u c ha sl a s e r , m o d u l a r , m u t i p l e x e r , d e m u t i p l e x e r , e d f a ，f i b e r , r e c e i v e r ，a n ds oo n m o d e l i n gt a k e s a c c o u n to fv a r i o u s e f f e c t si n h i g hs p e e ds y s t e m se s p e c i a l l yi nw d m ( w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u t i p l e x ) s y s t e m ，s u c h a sd i s p e r s i o na n d n o n l i n e a r i t ye f f e c th a p p e n e d i n c h a n n e l s a n a p p l i c a b l es i m u l a t i o ns o f t w a r ei sd e v e l o p e da n da ne x p e r i m e n t p l a t f o r mf o rs y s t e mp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n d r e s e a r c hi sb u i l tb y u s i n g t h em o d e l sm e n t i o n e da b o v e t h es i m u l a t i o np r o g r a mc a na l s o d i s p l a y s i g n a lw a v e f o r m s ，g e n e r a t ee y ed i a g r a m s a n d g i v e t h eb i te r r o rr a t e ( b e r ) s o m e o b t a i n e dr e s u l t ss h o w e dc l o s e a g r e e m e n t b e t w e e nt h e s i m u l a t i o na n da c t u a lp e r f o r m a n c e s f u r t h e r m o r e ，i nt h i s t h e s i st h es o f t w a r ei n t e r f a c ei s d e s i g n e db y m e a n so f l a n g u a g e b o r l a n dc + + b u i l d e r , a n dt h ei n t e r f a c ec a r lm a k ei t p o s s i b l e f o ru s e r st oc o n s t r u c tt h e i rs y s t e m si nt h e l i g h t o ft h e i ro w n d e m a n d sf r e e l y t h ec o m p o n e n tl i b r a r yc a nb ee x p e n d e de a s i l yb e c a u s e o ft h eu s eo f o o p ( o r i e n t a t i o no b j e c tp r o g r a m m i n g ) m e t h o d k e y w o r d s ：f i b e rc o m m u n i c a t i o n m o d e l i n g w d m c o m p u t e r s i m u l a t i o n p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n t h ew o r kl ss u p p o s e db yt h en a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no f t i 删i nu n d e rc o n t r a c tn o0 1 3 6 0 独创链声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 辑究蔽聚，鲦7 文孛特鞠翔戳稼注释致涛之签癸，论文巾不惫岔蔡链大露经发裘 戚撰写过的研究成果，t 晓不包含为获得鑫壅基鲎或藏他教育机构的学位或诚 带蔼健爝过豹耪辩。与我司王律熬嗣恚对本蚕嚣究辑徽魏任稼蟊漱均已_ 嶷论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学技论文黪誊签名：孝施考签字疆攒：秽尹冬声其声f 尽 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁洼盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授蔽鑫鎏盘雯霹豁将擎稼论文熊全懿凌瓣分凑褰绽a 蠢关羧据痒避孬羧 索，并采用影印、缩印娥扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借闷。同意学校 海国家鸯关部 l 藏撬秘送交论文熬复臻箨窝磁纛。 ( 僳密的学位论文在解密厝适用本授权说明) 学位论义作者熬名：磨施澎 锄团 签字日期：多p 严年2 片名目 签字日期：魏妙啦年工搿石瞬 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光纤通信的发展方向 目前数据业务爆炸式增长，通信道路越来越拥挤，因此光通信成为惟一的 出路。光纤通信作为一种新兴的通信技术，从一开始就显示出无比的优越性，引 起人们的极大兴趣。与传统的电缆传输方式相比，它具有损耗低、通信容量大、 不受电磁干扰、保密性好等突出优点。因此，光纤通信的出现被认为是通信史上 一次根本性的变革。特别是美国率先提出的“信息高速公路”计划风靡全球，极 大地促进了其脊骨一一光纤传输系统的科研和产业的大发展。随着b - - i s d n 的 建设，能够提供宽带传输的光纤通信，作为二十一世纪通信网的主要传输手段， 将日益蓬勃发展，呈现出旺盛的生命力。 目前，光纤通信的发展方向是： 一是光纤传输系统继续向高速率、大容量方向发展。波分复用( w d m ) 、 频分复用( f d m ) 、时分复用( t d m ) 等技术，克服了单路速率受电子器件的极 限速率限制而升级困难的问题。特别是波分复用技术和光纤技术的突飞猛进，使 现在一根光纤上的传输容量每9 1 2 个月就翻一番。5 g b s 系统已在横跨太平洋 的海底光缆系统( t p c - - 5 6 ) 中使用。波分复用( w d m ) 系统也在海底光缆系 统上使用。1 9 9 9 阿尔卡特进行了3 2 1 0 g b s 传输距离为4 0 0 k i n 的全光传输试验， 采用的技术有前向纠错( f e c ) 、远泵前置光放大和后置光放大以及拉曼放大和 色散管理技术。2 0 0 2 年阿尔卡特在c 波段和l 波段进行了1 0 2 t b s ( 2 5 6 4 2 7 g b s ) 传输距离为3 1 0 0 k m 的试验1 1 1 2 j 【 j 。 二是在光通信系统中大量采用光学技术。随着通信速率超过集成电路的极 限速率，要想提高速率，其出路只有采用光子技术。首先，光放大器( e d f a ) 的应用，能对光信号进行直接放大，替代光一电一光转换的电中继器，被认为是 电信技术的一次革命。其次，光时分复用( o t d m ) 技术和利用非线性效应补偿 光纤色散的光孤子通信，为超高速t b s 速率通信展现了光明的前景。光孤子通 信日前虽未投入商用，但实验做得比较充分，目前己获得1 6 0 g b s 的高速数据传 输2 0 0 公里的记录。再次，光信号的存储、处理和交换，己成为当前研究的热点。 三是光纤宽带综合业务网的建立。随着光纤成本的降低，光纤通信的应用 由干线通信延伸到局域网、用户网。光纤到路边( f t t c ) 、光纤到大楼( f t t b ) 、 光纤到用户( f t t h ) 正逐步成为现实。传输体制由s d h 取代p d h ，网络结构 h 益复杂，可提供宽带业务、网络管理和业务的分配变得更加重要。 四是光集成技术的发展，新型器件和新工艺的不断涌现。为适应g b s 的应 第一章绪论 用，必须实现光电子器件的组件化，集成化。例如激光器与电驱动器已集成在单 片上，光探测器与电预放级也集成在单片上。高速光源( d b f - - l d 、m q w - - l d ) 和新型光纤的研制也不断取得新进展。 1 2 光纤通信系统的计算机仿真 所谓计算机仿真，就是在计算机上利用模型对实际系统进行实验研究的技 术。利用计算机仿真可以多次重复模拟客观世界的同一现象，从而得以找出其内 在发展规律。尤其对含有随机变量和随机过程、难以建立数学模型的客观事物的 研究，计算机仿真研究方法具有突出的优点。目前，计算机仿真在社会科学研究、 自然科学实验研究。系统工程设计、工程建设项目论证与评估等领域得到广泛应 用，成为分析、研究和设计各种系统的主要手段。把计算机仿真技术应用到通信 领域就是其中一项重要的分支。随着通信技术的发展，通信网络的数量复杂度迅 速增长，在通信系统设计中运用计算机仿真技术己成为新系统设计时缩短设计周 期、提高可靠性和已有系统的性能改进的不可缺少的工具。 任何一种现代通信系统，从本质上说，都包含了若干子系统。例如，对消 息源产生的电信号进行处理、变换( 调制) 、传输、反变换( 解调) 、恢复原信号 等过程，都是通信系统中的子系统。现代通信理论的发展已经对常规通信系统及 其子系统建立了比较合理的数学模型。由于任一子系统本身描述的是信号处理与 变换过程，也是一个运算过程，因而可以采用计算机进行相应的运算来模拟信号 在实际通信系统中各部件中的处理与变换过程，这就是通信系统计算机仿真的实 质。 光纤通信作为一门多学科专业交叉综合技术，它涉及到通信基础理论( 如 数字通信技术、新传输体制s d h ) 、微波技术( 光纤信道的电磁场分析) ，以及 电路设计与微电子技术( 如a s i c ) 等。因此，无论是实用系统的精细规划与设 计，还是新型传输系统与体制的探索与研究，都要遇到冗长繁杂的计算。此外， 为要验证部件、系统性能是否符合要求，传统上需要反复进行实验测试。然而， 如果每次都直接用真实系统进行实验，不仅耗资昂贵，费工费时，有时甚至难于 找到问题的症结所在。由于光信号的频率高，不宜直接观测或缺少相应的仪器设 备也给研究带来困难。解决上述问题的有效方法是采用计算机仿真技术，即通过 建立系统、部件及器件的模型，并用模型在计算机上做实验，利用计算机的高速 运算处理能力，以完成对光纤通信设备与系统的分析、设计、以及性能优化与评 估测试。显然，建立光纤通信系统的计算机仿真平台，既能提高设计的一次成功 率，大大缩短新产品研制周期和节省投资费用，还能极大的促进光纤通信的基础 第一章绪论 理论研究，并为相关工程技术人员的技术培训提供理想的培训手段。 对于光纤通信系统的计算机辅助设计，国外已有几种专用设计软件，如美 国推出的适于o e i c 设计的i s m i l e ，能用于高速率线性模块设计的商用微波电 路c a d 软件s u p e r c o m p a c t 、t o u c h s t o n e 的移植版，以及加拿大o p t i w a v e 公司的 用于光通信系统设计的o p t i s y s t e m 等，国外有许多公司和学校也正致力于这方面 的研究。我国与国外水平还有很大差距。至今尚无一功能齐全、界面友好的光通 信系统的c a d 软件面世。在前述国外专用软件大多价格昂贵的情况下，本课题 拟在这方面作一些工作，希望能以较低的成本来基本满足国内教学和科研的需 要。 1 3 课题简介与本论文主要工作 本课题是天津市自然科学基金项目“现代通信系统仿真研究”的一部分。 该部分拟以建立现代数字光纤通信系统仿真软件包为目标，通过对单路和波分复 用光纤通信系统的规划与设计、部件参数提取与建模、性能模拟测试，以实现对 光纤通信系统的计算机仿真，该软件的总体框架如图1 1 所示。 图卜1 软件整体框图 本论文在全面的分析光通信系统特性的基础上，完成了上述的系统级计算 机仿真，包括系统工程设计和系统性能评估两大模块的工作。所做工作如下： 1 系统性能评估模块首先建立了数字光纤通信系统各部分的数学模型，包 括信号源、高斯脉冲、激光器、调制器、合波器、分波器、光纤、放大器、接收 机( 包括检测器、放大器、均衡、判决) 。 2 利用所建模型，编程实现了从电发端到电收端整个系统的性能仿真，构 造了对仿真系统的性能进行评估的模拟测试系统，可以进行眼图分析、信号波形 分析，给出眼开度、误码率评价，从而建立了一个可用于评估光纤通信系统性能 及作理论研究的实验平台。 3 对评价系统性能的主要技术指标灵敏度和误码率的计算方法进行了总 结。 4 采用b o r l a n d 公司的c + + b u i l d e r 实现灵活友好的界面设计和系统的搭设。 第一章绪论 使用户可以自由得拖放各通信模块，以搭建所需系统进行研究。 4 第二章数字光纤通倍系统的累统级建模 2 1 概述 第二章数字光纤通信系统的系统级建模 计算税债囊授术疲溺于研究光纾逶信系统，与实黢磷究稳琵，其膏良下显 著的优点：一是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 可行往论证，可节约大爨对淄葺拜经费：二是在分辑串更缝突警主要矛器，霹任意 改动参数值，进行孤立因素和交叉影响的研究；三是便于理论研究，能模拟一般 系统鹳援限隳爨蠢不会等致系统的臻浚，为繇究系统极黼获态下瓣特毪提供缀大 的帮助，避免了因光信号的频率高，不易直接观测或缺少相应仪器设备造成的研 究主豹澄难。 光纤通信系统的系统级建模，仅考虑子系统模块或器件外部特性，即将篡 睾翌为“罴基孑”，只注羹壤天、浚出关豢，怼是部缝掐不俸考惑。本零营先建立 了数字部分的数学模型，包括l d 模块、调制器模块、光纤传输模块和光纤接收 糗模块。戳这些为基础，建立了对数字走纾逶绩系统避 亍磺究的实验平台。 要建立一个方便、可靠的光纤通信系统仿真平台，脊赖于对系统和器件的分 车厅，对其物理特性进行归纳，建立起系统各模块的数学模型。也就是说，建模是 仿真的关键。 数字光纤传输系绕的主要缎成部分为光发送机、光纤信道釉光接收枫。本文 主要考虑高速率长距离数字光通信系统，此时多采用外调制方式，萁维成框图如 图2 。1 所示。 ( a ) 单路直接调制系统 ( b ) 单路外调制系统 第二章数字光纤通信系统的系统级建模 台分 波 量 波 器器 2 2 各模块的模型 ( c ) 波分复用系统 图2 1 光纤通信系统基本组成 2 2 1 高斯脉冲 在数字光纤通信系统中，多采用高斯脉冲序列，可表示为 4 ( 丁) = 吼b ( t 一线) 式中，吼为脉冲序列，瓦为比特持续时间，则归一化的超高斯脉冲为 即冲柑别 式中，m 为超高斯脉冲陡度，瓦为脉冲在强度的1 e 处的半宽值。 2 2 2 驱动电路 驱动电路的作用是提供电功率给光源并在直接调制方式下按照待发射的电 信号调制光输出。l d 驱动电路可用一低通r c 滤波器来等效，用一总的等效时 间常数r = r c 表征。寄生参量频率响应的滚降限制了调制速率的进一步提高， 即f 值的选取影响调制速率。r 值与调制带宽以。的关系为： o 3 5 r = 一 ， j ” 驱动等效电路如图2 2 所示 ( 2 1 ) 6 第二章数字光纤通信系统的系统级建模 i b t s ( t ) r u 图2 - 2l d 驱动电路等效形式 图中i 。为激光器的起码流集团电流，调制电流i 。( ，) 为 ，。( f ) = 口，i 。g r ( f f 丁) ( 2 - 2 ) f = 式中，i 为调制电流脉冲的幅度；输入码序列( a 。) 为独立的服从均匀分布的二 进制0 、1 伪随机序列；t 为抽样频率；g r ( f ) 为矩形门函数，其表达式为 引归躲g 先不考虑偏置电流部分，则调制电流部分，在时域上满足差分方程 警= 去( f ) 叫f ) ) = 虹( f ) 圳) ( 2 3 ) 对上式两边进行s 变换得 s i ( s ) 一j ( o ) ：h l ( s ) 一，( s ) 】 r 由于i ( 0 ) = o ，故得 ( 2 4 ) 踯，= 器= 击= 兰= 击 p ， 式中l = 1 f 。 为了推出离散化的表达式，需要* , i r as 变换与z 变换的关系求出h ( z ) 。s 变换与z 变换的关系为 第二章数字光纤通信系统的系统级建模 先令 酢，= 孚z 半 z i 5 l ( 2 6 ) = 半= 志= 一击 p ， 对上式进行傅里叶反变换得 书旦盟 ：【，( f ) 1 - e x p ( - r 。t ) 】 ( 2 _ 8 ) i s l 对上式进行离散化，即令r = 七+ t ，t 为抽样频率，得 上式的z 变换为 h i ( 七) = u ( ) 【1 一e x p ( 一f k l ) 】 h i ( 护刍i 一三e z z 一 一 将上式代入式( 2 6 ) 中，得 ( 2 - 9 ) r 2 - 1 0 ) 郫，= 孚刖= 粤1 黑e x o 珊 q 。1 ” zz f 。j 由h ( z ) = 尝苦，可得输入输出序列的关系 m ) ：i ( k 1 ) e x p ( 一三) + ，。( 女一1 ) ( 1 - e x p ( 一旦) ) 77 f 2 1 2 ) 则激光器总的驱动电流为 2 2 3 光源模型 光纤通信系统中最常用的光源是半导体激光器( l d ) 和发光二极管( l e d ) 第二章数字光纤通信系统的系统级建模 尤其是单纵模或单频半导体激光器，在高速率、大容量的数字光纤系统中得到广 泛应用。近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多信道w d m 光纤通信系统的关 键器件，越来越受到人们的关注。l d 的特性包括发射光功率与注入电流的关系 ( p - i ) 曲线、伏安特性v i 曲线、瞬态响应、小信号频率响应及非线性等。这些 特性直接影响系统性能的好坏。要全面反映上述l d 的工作特性，多采用速率方 程来对l d 进行建模。 根据工程应用和进行系统级分析的需要，我们选用了p i 曲线法和求单模速率 方程数值方法，来得到光源的模型。 ( 1 ) p i 曲线法建模 实际工程应用中，激光器的使用说明中通常给出p i 曲线和伏安特性。一般 情况下，p i 曲线的非线性可以通过一个二阶多项式来描述，即： p o ) = a 1 2 + b i + c 取给定的p i 曲线上的一些离散点，利用最d - - 乘法进行曲线拟合，确定参数， 得到p i 曲线的表达式。将注入电流i ( t ) 代入，即可求出对应的功率p ( t ) 。 ( 2 ) 单模速率方程法建模 若要研究激光器的动态特性，如张弛振荡、电光延迟特性，特别是高速系统 中对激光器影响很大的啁啾等，前述的p i 曲线法已无能为力，此时必须用单模速 率方程来表征。 激光器的单模速率方程为 警= 口v g ( n n , x 1 一岱声 一dn(t)：掣一口(一n,xdt8 屹“ ” 塑堕：一竺口vf(nn03dt2 z r g 。s p n ( 2 1 3 ) 式中，s o ) 为光予密度，n ( f ) 为载流子密度，巾( f ) 为光声相位，i ( r ) 为调制电流， a 为增益的斜率常数，v ，为群速度，n ，是净增益为零时的载流子密度，s 为增益 饱和系数，p 是耦合到激光模式中的自发辐射因子，r 为光限制因子，r 。为光子 寿命，r 。为载流予寿命，v 。为有源区体积，口为线宽展宽因子，n 。为偏置下 的载流子密度。 该方程可用叫阶龙格库塔法求得数值解。求出光子密度s 之后再代入下式 + 坶 卫坷 第二章数字光纤通信系统的系统级建模 m = 笔警s 即可得到功率p 的值。 ( 3 ) 在进行外调制时，激光器模型可以采用相对较简单的建模方法，主要考 虑激光器的平均功率和线宽，数学模型描述为 a o ) = 扣丽e x m 加) 1 。( 2 - 1 5 ) 2 2 4 调制器 调制方式分为真接调制和外调制两种。前者是信号直接调制光源的输出光 强；后者是信号通过外调制器对光强进行调制。直接调制是激光器的注入电流直 接随承载信号而变化。少量电流的变化就可以调制激光器的光频( 波长) ，大约 是1n m m a 。这就提供了实现f m 和f s k 的简单而有效的方法。但是用真接调 制来实现a m 和a s k 时注入电流的变化要非常大，并引入不希望有的线性调 频( 啁啾) 。( 如前述) 外调制方式是让激光器连续工作，把外调制器放在激光器 输出端之后，用承载信息的信号，通过调制器对激光器的连续输出进行调制。只 要调制器的反射足够小，激光器的线宽就不会增加。为此，通常要插入法拉弟 ( f a r a d a y ) 隔离器。外调制器主要有电光调制器、声光调制器和磁光调制器三种， 其中最常用的调制器是电光调制器。电光调制器又分为电光调幅、电光调相和横 向电光调制三类。本文主要运用了电光调相方式。 ， a “、 1 图2 - 3 电竞调制 电光调制方程如下： ，。= 1 ，s i n 2 ( 4 - - 2 - , y g d 。_ ) 式中， k 2 去为半波电压，即相位延迟为石时的电压。 1 0 第二章数字光纤通信系统的系统级建模 调制器被偏置在v = v ，2 点上。 2 2 5 信道模块 在广泛使用e d f a 之前，长距离传输信号需要周期性地再生。这种检测和重 发就能补偿衰减和光纤的色散效应。可是使用e d f a 只能补偿衰减，而其它效应比 如色散和非线性效应，则沿传输链路不受任何阻碍地积累起来。虽然在带有e d f a 的系统中，能够使用色散位移光纤将信道安排在零色散波长附近以减小色散的影 响但是仍有各种非线性效应将沿链路累积起来，并最终对w d m 系统产生严重的限 制。这些非线性就包括受激散射过程( 即r a m a n 和b r i l l o u i n 散射) 和材料折射率 的相互作用( 也就是自相位调制和交叉相位调制以及四波混频) 。 ( 1 ) 衰减 因为通信光纤由二氧化硅制成，所以光纤的衰减也由二氧化硅的衰减决定。 图2 4 表明了二氧化硅衰减与波长的关系。 图2 4 二氧化硅衰减与波长关系 两条虚线对应于二氧化硅分子因光散射和吸收现象引起的理论衰减极限。图 2 4 表明二氧化硅光纤衰减现己接近理论极限。其中两个附加峰是由于光纤材料 中的残余杂质所致。两个低损耗区是在波长1 3 u m 附近和1 5 5 u m 附近。1 5 5 u m 附近区域有最低的衰减。两个低损耗区，或称低损耗窗口，都被用于通信。在一 些短距离应用中，例如计算机互连，也使用0 8 u m 波长及其它波长。 工作在1 3 u m 波段的系统比工作在l 5 5 u m 波段的系统发展得早。但由于在 l - 5 5 u m 波段上光纤损耗较低，及1 5 5 u m 掺饵光纤放大器的实际应用，许多新设 计的系统都工作在1 5 5 u m 波段上。在1 5 5 u m 波段上光纤的准确衰减值，取决于 光纤的化学成分( 即取决于二氧化硅的纯度和加其中的掺杂物) ；0 2 2d b k m 的衰 减值是相当普通的，甚至一些光纤有低至0 1 7 d b k m 的衰减值。 如果给出光纤的衰减值a d s k m ( 图2 4 ) 及发射机功率p t ，我们能求出在光纤 第二章数字光纤通信系统的系统级建模 链路终端( 即接收机端) 的光功率。接收功率p r 能够写成下式： p 。= p t 1 0 一“7 1 0 ( 2 1 6 ) 式中，l 为链路长度( k m ) 。公式( 2 - 1 6 ) 中假设了功率足够低，以至可忽略光纤的 非线性效应。 一个接收机需要某一最小光功率才能正常工作。这个最小值被称为接收机灵 敏度。在无放大的链路中，最大传输距离可由下式给出： l o发射机输出功率 l m a x2 i l o g l o1 蔽瓦丽 从上式中也可以看出，光纤衰减对传输距离的影响，比发射机输出功率或接收机 灵敏度对传输距离的影响要大得多，这是因为后者参数的对数，才对l 。起作用。 ( 2 ) 色散 复合光的不同分量( 不同的模式和或不同的频率，或颜色等) ，通常以不同的 速度在光纤中传输。这个现象被称为色散。当复合光信号在光纤中传输时，由于 光纤色散的影响，信号会产生失真。 实际上，通常在数字系统中使用的脉冲信号，由于光纤色散可能引起脉冲展 宽a r 。很明显，我们希望a r 能在小于脉冲宽度t 的几分之一的范围内。下列经 验公式常被使用： ar三t(2-17) 4 r 。蔓1 。 4 r ( 2 1 8 ) 式中，r 。：i t 是以b i t s 为单位的信息传输速率。在( 2 一1 7 ) 式和( 2 1 8 ) 式中 的因子4 是无关紧要的，也可以用因子3 或5 。由于色散，采用因子3 将导致较 大的因色散引起的功率代价，而采用因子5 将有较小的功率代价。 如果光纤可传输几个模，刚起主要作用的色散机理是模式色散或模式间色散 ( 即不同的模以不同的速度传输引起的色散) 。如果是单模光纤，则起主要作用的 色散机理是色度色散( 即不同的光频率以不同的速度传输的色散) 。 由于现阶段用得较多的为单模光纤，所以这里我们只讨论色度色散。单模光 纤中只传输一种模式，因此不存在模式色散。 数学上，色散可用口对珊的二阶导数历表征，或用所谓的群速度色散( g v d ) 系数d 来描述。当然，两个系数尻和d 是相关的，因为它们描述了同一个物弹现 第二章数字光纤通信系统的系统级建模 象。为了找出它们之间的关系，我们首先导出脉冲展宽同色度色散项 卢：b2 0 r a d2 ) 的关系。 设f 为在某一角频率w 下的传输时延： f 旦 ( 2 1 9 ) v g 式中，l 是光纤长度，v 。是相应于的群速度。v g 通常是同频率有关的， k 2 嚣，卢为传输常数。由( 2 - 1 9 ) 式可得 丝：三旦上l 磐：l ： 2 2 o c oo c ov 。a 2 如果信号频率谱宽度为a c o ，则该信号频谱两侧边缘的信号频率分量的传输时 间差将是： f 阱= 剖 l a o a = l f l ：i ( 2 - 2 1 ) 可见，脉冲展宽是同屈、光纤长度l 和信号谱宽a o 成正比的。 现在来求以g v d 系数d l s ( 溯”m ) j 表达的脉冲展宽。d 定义为： 由( 2 - 2 2 ) 式可得 d d e f 堕 皇上觑 d ：! 盟：! 塑塑 la la r0 a 由协乡= 等删有 o 。c 。o _ 。o 。( z x c ) 一等o o 2 将( 2 - 2 3 ) 式和( 2 - 2 4 ) 式代入( 2 2 2 ) 式，可以得到： 。= 盼( _ 等卜等，。la 2 a ! f 2 - 2 2 ) f 2 - 2 3 ) f 2 2 4 ) f 2 - 2 5 1 第二章数字光纤通信系统的系统级建模 方程( 2 2 5 ) 给出了两个色散系数岛和d 之间的关系。注意：尼的标称单位是 s2 m r a d2 ( 秒2 米弧度2 ) ，而d 的标称单位是s m2 ( 秒米2 ) 。通常d 用p s n m k m ( 皮秒纳米 ) 用d 值表示脉冲展宽的表达式可由( 2 2 3 ) 直接积分得到，或将( 2 2 1 ) 式代入 ( 2 - 2 5 ) 式得到。当然，两种情况下的结果是相同的： a r = l d l a l l 2 叫 其中， 是以波长单位( 通常为n m ) 表达的光信号谱宽。 口，和g v d 系数d 的值取决于两个色度色散现象： 材料色散。二氧化硅的介电常数和折射率n 值随光频变化。 波导色散。即使f 同0 9 无关，传输常数口也非线性地随光频率c o 变化。 图2 - 5 画出了常规单模光纤和色散位移光纤中的总色散d ，材料色散分量d 。 和波导色散d 分量变化曲线。由于波导影响，零色散波长移向较高值。 3 0 2 0 1 0 口5 ，雠l l m k m o t 0 2 0 - 3 0 。：影 i n 籼光? 夕弋 移荨 1 ，11 21 3t 41 5t61 7 波长m n 图2 - 5d 、d m 、d w 随波长变化曲 从图2 - 5 ，可以得到以下几个结论：当丑 1 3 f o r t 时标榜色散是正的( d 。 0 ) ，而 波导色散是负的( d 。 r 。因此n ，能 级上粒子数可近似为零。从而与1 4 8 0 n m 泵浦系统一样可用二能级系统来描述。 对1 4 8 0 n m 波长泵浦的掺饵光纤放大器赏采用二模型分析，激态吸收( e s a ) 的影响，一般二能级系统的粒子数速率方程为 象= p k i k c r ；n 舸删一p k i k c r ；n ：加) 一半竽( 2 _ ，s ) 并且粒子数守恒 ，2 ，( ，妒，z ) ：聆l ( r ，p ，z ) + 珂2 ( ，妒，z ) ( 2 - 3 9 ) 式中n ，和n ，分别为上能级和下能级上的粒子数，n ，为总的粒子数，k = s 、p 、 a s e + 、a s e 一分别表示信号光、豆浦光、正向传输和反向传输a s e ，仃；和盯；分 别为泵浦光的吸收和发射截面，p 。( k = s 、p 、a s e + 、a s e - - ) 分别为信号光、 泵浦光、正向和反向a s e 功率，( ，) 归一化模场分布，咋、y 。、y 。口分别为信 号光、泵浦光和a s e 光频，f 为上能级寿命，h 为普朗克常量。 在稳态条件下，d n ，a t = 0 则由式( 2 3 8 ) 和式( 2 3 9 ) 可得上、下能级上的粒 子数分别为： 。：c，矿，：，：。，c，妒，：，蒜evk 。：。， 2 r ，矿，z = 玎f l 妒 z ：；i j i i ：! i j ! ：i j ! i j 二- ：i 2 - 4 。 fv t 2 0 第二章数字光纤通信系统的系统级建模 hl(r，庐，z)=hf(r，z)2j车cz-a， v 垡盟 对于单模传输，信号光和泵浦光的归一化光场分布函数可用高斯分布来表 示，即 。p ( r ) _ 石。1 蝣e x p ( 丢) f 2 - 4 2 ) 式中心，为模斑尺寸。 这样，在掺饵光纤中传输时，信号光功率r ( z ) 、泵浦光功率p p ( z ) 及正向和 反向a s e 功率p ：。和尸孟要满足传输方程 掣咄，吨刖_ 弘1 ( ，加址( r ，妒) 删( 2 一，) 一 。+ f 。) 只z ) 坐笋却，峨州_ 2 0 m 0 ( ，加k 们删( 2 _ 一。) 一 。+ ，。) p o ( z ) 2 ( r ，矿，z ) i s e ( r ，庐) r l 删庐 干( a a s e + ，a s e ) p 矗e ( z ) + 2 h v “l 苫： 2 fo f 弦鸭( r ，庐，砒m ( r ，庐) r 毋却 00 ( 2 4 5 ) 第二章数字光纤通信系统的系统级建模 式中，耐口g + 分别为掺饵光纤的吸收系数和增益系数，当铒离子在掺铒光纤芯截 面上均匀分布时，= 盯；_ ，g ：= 盯：_ ，1 为掺铒光纤的本征损耗， 2 h v 。a v o n ：粒子产生的自发辐射的贡献，y 为a s e 的等效常宽，为归一化模 场分布与掺铒离子的重叠积分 r = 讹庐p d r d f 6 用以上四式对e d f a 特性进行计算分析，可得到输出功率和增益g 。 2 2 7 波分复用解复用器 波分复用器是波分复用系统的核心部件之一，它们分别将n x 路光信号以 模拟方式汇集到一根光纤中，各光信号在功率上叠加，在频谱上是分开的。由于 光的可逆性，我们可以把波分解复用看作波分复用的一个逆过程。由于以上采用 的均为时域模型，因此，我们在这里仅考虑它们的插入损耗a ，定义为： 弘l o g p 。， 式中p i n 、p o u t 分别为其输入和输出功率。 2 2 8 光接收机 光发射机发射的光信号，在光纤中传输时，不仅幅度被衰减，而且脉冲的波 形被展宽。光接收机的作用，是探测经过传输的微弱光信号，并放大、再生成原 传输的信号。 对强度调制的数字光信号，在接收端采用直接检测( d d ) 方式时，光接收机 的主要组成如图2 - 1 2 所示。 光哐旧p 叫犁 图2 - 1 2 光接收帆组成 在光接收机中，首先需要将光信号转换成电信号，即对光进行解调，这个过 程是由光电检测器( 光电二极管或雪崩光电二极管) 来完成的。光电检测器把光 第二章数字光纤通信系统的系统级建模 信号转换成电流信号后送入前置放大器。前置放大器的噪声对整个放大器的输出 噪声影响很大，因此，它应该是精心设计和制作的低噪声放大器。主放大器的作 用，除提供足够的增益外，它的增益还爱a g c 电路控制，传输出信号的幅度在一 定范围内不受输入信号的幅度的影响。均衡滤波器的作用，是保证判决时不存在 码间干扰。判决器和时钟恢复电路对信号进行再生。如果在发射端进行了线路编 码( 或扰码) ，那么，在接收端需要有相应的译码( 或解扰) 电路。 光接收机最主要的性能指标是接收机灵敏度。在接收机的理论中，中心的问 题敢是如何降低输入端的噪声、提高接收灵敏度。灵敏度主要取决于光电检测器 的响应度以及检测器和放大器引入的噪声。 ( 1 ) 光检测器模块 光电检测器是光接收机的第一个关键部件，它的作用是把接收到的光信号转 换成电流信号。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( p i n 和a p d ) 。a p d 比p i n 有较高的灵敏度，但其倍增噪声较大，需要高偏置电压。 由于p i n 可以看成倍增因子g = 1 的a p d ，所以光电转换表达式可统一写成： i s ( 垆g 罟p ( f ) + g 2 。 ( 2 _ 4 8 ) 式中，g 为a p d 平均倍增因子，n 为量子效率，y 光频率，矗为暗电流，p 为输 入光功率。 实际上由于入射光信号脉冲的光量子起伏，使得在任意间隔内所产生的一次 电子空穴对的总数是一个随机变量，从而产生的电流为一时变的随机泊松过程。 设在时间t 内产生的电子一空穴对的平均数为 祜三p ( t ) a t + 2 0 a t ( 2 - 4 9 ) ，2 ， 则实际产生的电子一空穴对为一泊松过程，在时间t 内产生r 1 个电子一空穴对 的概率为 p = 学 ( 2 - 5 。) 月!l o ， 由以上两式，p i n 产生的电流可表示为 (f)=efn(2-51) 对于a p d 模型，电流i ( t ) 应写成 第二章数字光纤通信系统的系统级建模 e g ， i ( t ) = l f r 2 一s 2 ) 式中，g ，为在时间t 内产生的1 1 个一次电子一空穴对倍增后所产生的二次电子 空穴对数( 包括一次电子空穴对在内) ，也是个随机变量。 对于时间内t 内入射的光功率，a p d 产生的初始电子一空穴对是概率密度为泊松 分布的随机变量，而每一个初始电子一空穴对又雪崩倍增成随机数为g ，的二次 电子一空穴对，因此，在时间t 内产生b 个电子一空穴对的概率为： w ，= 薹峰。陲= ) 陋s ， 式中， ( g ，= 声) 是n 个随机变量的和的概率密度，g ；是独立无关的。 i = l 因此和的概率密度等于n 个概率密度的总