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一 光接收机（OpticalReceivers）设计1.1 光接收机的功能结构图1.1 光接收机的一般结构在光纤通讯系统中，光接收机的任务是以最小的附加噪声及失真，恢复出由光纤传输后由光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通讯系统的性能。一般一个基本的光接收机有以下三个部分组成，可见图2.1：1) 光检测器通常，接收到光脉冲所载的信号代表着0或者的数位，利用光检测器，其转变为电信号。目前广泛使用的光检测器是半导体光电二极管，主要有PIN管和雪崩光电二极管，后者又称APD管。2) 放大器包括前置放大器和主放大器，前者与光电检测器紧相连，故称前置放大器。在一般的光纤通讯系统中，经光电检测器输出的光电流是十分微弱的，为了保证通信质量，显然，必须将这种微弱的电信号通过放大器进行放大。在Opt System提供的Photodiode元件中已内置了前置放大器。3) 均衡器、滤波器需要均衡器、滤波器等其他电路装置对信号进行进一步的处理，消除放大器及其他部件（如光纤）等引起的波形失真，并使噪声及码间干扰减到最小。接收机的噪声和接受机的带宽是成正比的，当使用带宽小于码率的的低通滤波器时，可以降低系统的噪声。4) 解调器为了使信码流能够并有利于在光纤系统中传输，光发射机输出的信号是经过编码处理的，为了使光接收机输出的信号能在PCM系统中传输，则需要将这些经编码处理的信号进行复原。在该结构中，在已经内建了判决器和时钟恢复电路的误码率分析仪（BER Analyzer）中可以得到最终复原的信号，并可对最终的输出信号的误码率等各项参数进行检测、分析。1.2 PIN光电二极管的噪声分析设计的参数指标及其结果1.2.1 设计目的影响光接收机性能的主要因素就是接收机内的各种噪声源。接收机中的放大器本身电阻会引入热噪声（Thermal Noise），而放大器的晶体管会引入散粒噪声（Shot Noise），而且多级放大器中会将前级的噪声同样放大，计算分析这些噪声对我们分析、优化光接收机以及整个光通讯系统都是有十分重要的作用。1.2.2 原理简介 噪声是一种随机性的起伏量，它表现为无规则的电磁场形式，是电信号中一种不需要的成分，干扰实际系统中信号的传输和处理，影响和限制了系统的性能。在光接收机中，可能存在多种噪声源，它们的引入部位如图2.2所示。光检测器前放增益光电效应hf 偏置电阻量子（散粒）噪声暗电流噪声倍增噪声 热噪声 放大器噪声背景噪声漏电流噪声 图1.2 光接收机中的噪声源及其分布1.2.3 模型的设计布局图 图1.3为PIN光电二极管噪声分析的Opt System设计布局图：图1.3 光电二极管的噪声分析的设计布局图图1.4 光电二极管的Shot Noise（上图）图1.5 光电二极管的Thermal Noise（下图）1.3 分析评价如图1.3所示，从外调制激光发送机输出的调制光信号，经衰减器后，由Fork复制为两路相同的信号分别送入不同噪声设置的光电二极管。上端的PIN管不考虑热噪声，而具有Shot Noise；而下端的PIN管的热噪声为1.85e-25W/Hz，没有Shot Noise，然后分别送入滤波器和最终的误码率分析仪中，其中两路中的低通滤波器的截止频率和码率都是一样的。在图2.4中，用户可以看到上端PIN管中Shot Noise是依赖于信号强度大小的。而在图2.5中，下端的PIN管不计入Shot Noise，而只考虑热噪声；可以发现该噪声的大小也是依赖于信号强度的。从本例中，我们可以观察到热噪声和散粒噪声对最终传输的信号质量的影响，并可以根据数据模拟有个定量的分析和计算。此外，还可以对噪声参数的调试，观测不同噪声对整个系统性能的影响程度的大小。并且，我们可以得出，在这样一个小信号系统中，光检测器的偏置电阻及放大器电路的热噪声是最主要的噪声源。1.4 心得体会通过本次设计了解了一个基本的光接收机的三个组成部分和相关功能以及噪声源对光接收机的影响，初步掌握了如何通过光接收机的输出特性反映整个光纤通信系统的性能，在光纤通信教材的基础上对已掌握的东西进行了验证并且进一步丰富了知识面，使得自己在光接收机这一方面有了深刻的认识和了解。二 光波系统（Light wave Systems）设计2.1 光波系统的功能结构 Opt System给用户最重要的功能便是对光通讯系统的模拟，仿真和优化。它把各种分立的有源、无源的元器件有机的组合起来，组成了不同类型、不同用途的光纤通讯系统与网络。 对一个光纤通信系统的基本要求是：（1） 传输距离（2） 要求的传输带宽及码率（3） 系统的保真性（误码率BER、信噪比及失真等）（4） 可靠性和经济性 用户可以使用OptSystem方便的设计光通讯系统的各种方案和模型。以解决实际应用中的各种具体问题。2.2 40G单模光纤的单信道传输系统设计的参数指标及其结果2.2.1 设计目的 在40G高速光纤通信系统中，最重要，也是最主要的问题就是系统中产生的线性色散问题，所以我们希望通过OptiSystem模型的建立，对真实情况下色散的问题进行模拟和解决，以期在实际应用中选择并达到最佳通信质量和性能。 2.2.2 设计原理 典型情况下，单模光纤在1.55m时的2=-20ps2/km传输导致的色散系数D为16ps/(nm.km) 。当系统的码率B = 40Gb/s时，TB=25ps，相应色散长度LD约为2.8km。 在对40Gb/s码率单模光纤中的归零型（RZ）和非归零型（NRZ）的传输过程中需考虑到：群速度色散、Kerr非线性效应导致的自相位调制，线性损耗、ASE噪声的周期性放大。具体的计算分析可见下节。2.2.3 模型设计布局图图2.1和2.2是分别针对RZ和NRZ型调制的布局设计图： 图2.1 RZ型调制的40Gb/s光波系统 图2.2 NRZ型调制的40Gb/s光波系统一些全局参数为： 所以Number of Samples = Sequence Length*Sample per Bit = 16384Time Window = Sequence Length * Bit Slot = 3.2nsSample interval = Time Window/ Number of Samples = 0.195psSample rate = 1/ the sampling interval = 5.12THz其中两个Layout中的Pseudo-random Bit Sequence generators的设定是相同的。而对于RZ generator有以下属性：Rectangle Shape : GaussianDuty Cycle = 0.5 BitRise Time = 0.15 BitFall Time = 0.25 Bit使用外调制连续波长激光器（1550nm，线宽0.1MHz）作为光源。对于单模光纤，可得到：色散系数D：色散斜率：非线性系数：线性损耗：=0.2dB/km光纤长度：LSMF= 50km经过单模光纤的损耗后，使用一个EDFA补偿这个线性损耗。对于色散补偿光纤，具有以下属性：色散系数：色散斜率：非线性系数：线性损耗：=0.5dB/km光纤长度：LDCF= 10km经过DCF光纤的损耗后，使用一个EDFA补偿这个线性损耗。Bessel光滤波器的波长为1550nm，带宽为4* Bit Rate低通Bessel电滤波器的截止频率为0.75* Bit Rate这里使用OptiSystem提供的理想EDFA作为增益补偿器（也考虑到了ASE噪声），经过EDFA后，单模光纤的增益为10dB，噪声为6dB。（DCF中相应的数值为5dB和6dB）。首先，我们对RZ型和NRZ型加以比较。在500km中SMF（10Loops*50km）经每一次的增益补偿，最大Q影响因子和输入功率的曲线如图6.3所示；而误码率分析仪眼图则表征出最佳点的输入功率约为4mW 图2.3 RZ型的40Gb/s系统仿真结果当传输距离大于500km时，最大Q影响因子会小于6，即这是会有较好Q性能的最大传输距离。图2.4中为NRZ型的高色散光纤的40G系统，传输距离为250km（5loops*50km），根据BER分析仪的眼图，在输入功率约为1.25mW处，最大影响因子Q具有最佳值。 图2.4 NRZ型的40Gb/s系统模拟结果当传输距离大于250km时，最大影响因子Q会小于6，即这是会有较好Q性能的最大传输距离。从以上两套系统的影响因子曲线的比较可以看出，我们可以清楚的看到RZ型有较大输入功率。表明RZ调制的Duty Cycle = 0.5要优于传统的NRZ调制格式。其次，我们会对40Gb/s单模光纤传输系统RZ调制中的累积放大噪声和自相位调制的影响做一定分析。有以下两种情况：l 自相位调制假设为0l 不考虑噪声因素图2.5为具体的分析结果： 图2.5 40Gb/s系统，传输距离为500kg时的Max Q VS Input Power曲线2.3分析评价由上图可见，在低输入功率系统中，影响系统性能的主要因素为累积噪声放大效应；而在高输入功率阶段，传输距离则由于自相位调制而大幅度减小。从以上分析可得到在不同输入功率时，系统性能，例如传输距离的大小有不同权重的因素所导致，这为我们在具体应用中提供了良好的分析方向和优化工具。2.4心得体会通过本次设计对OptSystem这款软件的功能有了更深的认识，即对光通讯系统的模拟，仿真和优化。方便用户设计光通讯系统的各种方案和模型。以解决实际应用中的各种具体问题。同时深刻地了解和认识光波系统尤其是在40G高速光纤通信系统中通过OptSystem模型的建立，对真实情况下色散的问题进行模拟和解决，进一步丰富自己的知识面，提高了动手实践操作能力。一 光接收机（OpticalReceivers）设计11.1 光接收机的功能结构