无线通信与光通信原理实验

无线通信与光通信原理课程实验目录课程实验1多径多普勒效应3课程实验2用外部调制方法创建光传输模块23课程实验3创建子系统38课程实验4光纤WDM系统设计50课程实验1多径多普勒效应实验目的理解在时域和频域的多径信道响应，多普勒效应。实验要求基于MATLAB，比较有无多普勒效应情况下，分析不同因素对时域和频域多径信道响应的影响，并写出课程实验报告。多径信道效应在无线通信中，一个从发送端的信号经过多条路径到达接收端。121,LIILYTASTST是发射信号，L是多径的个数，和是第I个射线的相角和到达时间。IIAST是一个时谐信号，考虑，则接收信号可以写为JTSE，其中1NLJTJTNYTAH1NLJNAE定义为多径环境的传输函数，接收信号保持为与ST有着相同角频率的时HYT谐信号。因此，当ST在时变多径环境下传输时，波形没有失真，但信号幅度改变了，新幅度是的函数。图1频率为自变量的多径衰落参考MATLABCODEMULITATH_FADING_WMCLEARALLAMPLITUDESOF7MULTIPATHARRIVALSA06154079190921807382017630405709355ARRIVALTIMESOF7MULTIPATHARRIVALST09169041030893600579035290813200099I0FREQUENCYINDEXFORW0005100ANGULARFREQUENCIESMULTIPATH_ARRIVALAEXPJWTII1ABS_HIABSSUMMULTIPATH_ARRIVALTHEI_THTRANSFERFUNCTIONENDW0005100PLOTW,ABS_HYLABELAMPLITUDEOFTRANSFERFUNCTIONXLABELANGULARFREQUENCYTITLEFREQUENCYDEPENDENTMULTIPATHFADING既然多径到达信号的幅度和到达时间依赖于发送端和接收端的位置，那么接收信号的强度也同样依赖发送端和接收端的位置。例如，考虑一个只有直射路径（LOS）和反射路径两个到达信号的双线模型。发射天线高度为HR，接收天线为HT，接收机和发射机的水平距离为D，则LOS路径的传输距离为22LOSTRRDH反射路径的传输距离为2REFTR10MLOSREFLECTED2M图2双线模型传输函数/2/2/REFREFLOSLOSJCJRFRFJRCJREBBBHDERR这里R为反射系数，系数和是天线参数。为了方便，选择LSREF1，1，R1，这时LOSBREF2/2/11REFLOSJJRRFHDE如果F1GHZ，波长，10M，2M，可得的幅度虽D的变03CMFTHRH化。图3双线模型参考代码（TWO_RAY_MODELM）CLEARALLHT10HR2C3E8F1E9LC/FR1D10510000D1SQRTD2HTHR2D2SQRTD2HTHR2A1EXPJ2PID1/L/D1A2REXPJ2PID2/L/D2AABSA1A2LDLOG10DLALOG10AFIGURE4PLOTLD,LAXLABELLOG10DISTANCEYLABELLOG10MAGNITUDETITLETWORAYMODELBST包括多个频率分量（AST是时谐信号）有多径到达信号的无线通信信道的传输函数可以写为1NLJNHAE这里和分别是第N条路径的幅度和时延。对一有着多个频率的输入信号ST，NA信道的输出可以写为1,LNYTAST当ST包含多个频率时，12JTSTSED是的频谱，而YT的频谱可以写为SST1NLJNYHSAE以下面6射线模型为例考虑，幅度可以定义为1,03,08,05,04,02NA我们仅考虑两种到达时间分布第一种0，1，2，3，4，5NSSS第二种0，01，02，03，04，05在第一种情况下，第一次到达和最后一次到达的时延间隔是5，而在第二种下只S有05。考虑传输信号是一个每隔5有一次冲击的方波。SS1、时域图图4两种情况下的传输和接收信号参考代码MULTI_FREQ_TIMEMCLEARALLAN1,03,08,05,04,02TN0,1,2,3,4,50,01,02,03,04,05SIGNAL0,ZEROS1,0,ONES1,501,ZEROS1,1000TRANSMITTEDSIGNALFORK12FORTWOCASEFORI16RAYI,ANI0,ZEROS1,100TNK,I,ONES1,501,ZEROS1,1000100TNK,IENDYK,SUMRAY,1ENDENDT11LENGTHY1,1102SUBPLOT2,2,1PLOTT,SIGNALYLABELTRANSMITTEDSIGNALSTTITLECASE1PLOTT,Y1,YLABELRECEIVEDSIGNALYTTITLECASE1LARGEDELAYSPREADSUBPLOT2,2,4PLOTT,Y2,XLABELTIMEUSYLABELTRANSMITTEDSIGNALYTTITLECASE2SMALLDELAYSPREAD2、频域图图5显示了两种情况下的输入频谱和信道函数，幅度函数在上面一行，而相位函数在下面一行。从左边一列可以看书，输入频谱主要集中在200MHZ200MHZ。从信道2可以看出，传输函数的幅度基本平滑，而相位在这个间隔内基本是线性的。因此，信道2会引起微弱失真，这种信道被称为平滑衰落信道。对信道1来说，传输函数的幅度不平滑，相角也不是线性的，因此，信道1会引起较大失真，这种信道被称为频率选择性信道。图5输入频谱，两种情况下的传输函数参考代码MULTI_FREQ_FREQMCLEARALLSONES1,10,ZEROS1,90TRANSMITTEDSIGNALS_FFFTSXS_F150YS_F51100SIGNAL_FY,XINPUTSPECTRUMDT5/10EACHTIMEINTERVALIS001MSDF1/100DTF_SDF09950FREQUENCYVECTORAN1,03,08,05,04,02QMPLITUDESFF_SW2PIFTN_10,1,2,3,4,5ARRIVALTIMESFORCASE1FORI16H1I,ANIEXPJWTN_1IENDH_1SUMH1,1ENDTRANSFERFUNCTIONY_1H_1SIGNAL_FOUTPUTSPECTRUMTN_20,01,02,03,04,05ARRIVALTIMESFORCASE2FORI16H2I,ANIEXPJWTN_2IENDH_2SUMH2,1ENDTRANSFERFUNCTIONY_2H_2SIGNAL_FOUTPUTSPECTRUMFIGURE1SUBPLOT2,3,1PLOTF_S,ABSSIGNAL_FYLABELMAGNITUDETITLEI/PSPECTRUMSUBPLOT2,3,4PLOTF_S,ANGLESIGNAL_FYLABELPHASEXLABELFREQUENCYMHZSUBPLOT2,3,2PLOTF,ABSH_1TITLECHANNEL1SUBPLOT2,3,5PLOTF,ANGLEH_1XLABELFREQUENCYMHZSUBPLOT2,3,3PLOTF,ABSH_2TITLECHANNEL2SUBPLOT2,3,6PLOTF,ANGLEH_2XLABELFREQUENCYMHZFIGURE2SUBPLOT2,3,1PLOTF_S,ABSSIGNAL_FYLABELMAGNITUDETITLEI/PSPECTRUMSUBPLOT2,3,4PLOTF_S,ANGLESIGNAL_FYLABELPHASEXLABELFREQUENCYMHZSUBPLOT2,3,2PLOTF,ABSY_1TITLEO/PSPECTRUM1SUBPLOT2,3,5PLOTF,ANGLEY_1XLABELFREQUENCYMHZSUBPLOT2,3,3PLOTF,ABSY_2TITLEO/PSPECTRUM2SUBPLOT2,3,6PLOTF,ANGLEY_2XLABELFREQUENCYMHZ从图6中，传输函数的变化率（有对频率的响应）是跟时延扩展成比例的，时延扩展越大，传输函数变化率越大。对时延扩展为02的情况，变化周期（从一个峰值到下一个S峰值）是5MHZ，同样，对时延扩展为1，5或者10，时变周期分别为1SMHZ，02MHZ或01MHZ。图6四个时延扩展的传输函数的绝对值参考代码MULTI_FREQ_DELAYMCLEARALLN20NUMBEROFRAYSARAND1,NAMPLITUDESOFNMULTIPATHARRIVALSTTRAND1,NF8800005900DELAY_SPREAD02TTTDELAY_SPREADARRIVALTIMESOFNMULTIPATHARRIVALS,MICROSECI0FREQUENCYINDEXFORFI8800005900ANGULARFREQUENCIESMULTIPATH_ARRIVALAEXPJ2PIFITII1ABS_HIABSSUMMULTIPATH_ARRIVALTHEITHTRANSFERFUMCTIONENDSUBPLOT2,2,1PLOTF,ABS_HYLABELDELAY_SPREAD02MSXLABELFREQUENCY,MHZDELAY_SPREAD1TTTDELAY_SPREADARRIVALTIMESOFNMULTIPATHARRIVALS,MICROSECI0FREQUENCYINDEXFORFI8800005900ANGULARFREQUENCIESMULTIPATH_ARRIVALAEXPJ2PIFITII1ABS_HIABSSUMMULTIPATH_ARRIVALTHEITHTRANSFERFUMCTIONENDSUBPLOT2,2,2PLOTF,ABS_HYLABELDELAY_SPREAD1MSXLABELFREQUENCY,MHZDELAY_SPREAD5TTTDELAY_SPREADARRIVALTIMESOFNMULTIPATHARRIVALS,MICROSECI0FREQUENCYINDEXFORFI8800005900ANGULARFREQUENCIESMULTIPATH_ARRIVALAEXPJ2PIFITII1ABS_HIABSSUMMULTIPATH_ARRIVALTHEITHTRANSFERFUMCTIONENDSUBPLOT2,2,3PLOTF,ABS_HYLABELDELAY_SPREAD5MSXLABELFREQUENCY,MHZDELAY_SPREAD10TTTDELAY_SPREADARRIVALTIMESOFNMULTIPATHARRIVALS,MICROSECI0FREQUENCYINDEXFORFI8800005900ANGULARFREQUENCIESMULTIPATH_ARRIVALAEXPJ2PIFITII1ABS_HIABSSUMMULTIPATH_ARRIVALTHEITHTRANSFERFUMCTIONENDSUBPLOT2,2,4PLOTF,ABS_HYLABELDELAY_SPREAD10MSXLABELFREQUENCY,MHZ多普勒效应和多径效应A多普勒频率搬移（单条路径）1、移动源（单条路径）无线电波的频率设为F,则观察者观察到的等效频率为1VVCVFFFFC因此，多普勒频移为VFFC2、观察者为移动的（单条路径）当发射源静止时，波阵面在T0时如图10所示，两个相邻波阵面的距离为，波阵面以速度C向外传播（远离发射源），如果观察者朝着源以速度V移动，则波阵面和观察者的相对速度为VC，因此，观察者通过一个波长的时间为VCFT等效频率为11VCFFT因此，多普勒频移同样也为VFFC3、发送端和接收端都是移动的（单条路径）随着发送端和接收端之间距离的增加，球形波阵面在观察者看来变成了平面状的波阵面。设为无线波传播方向和观察者移动方向之间的夹角，同样，设为无线波传播方向和发送OS端移动方向之间的夹角。OS波传播方向观察者移动方向源移动方向图7移动接收端收到平面波设观察者的速度为，发送端的速度为，跟发送端移动的情况一样，等效波长为OVSVCOCOSVSSFVF因为观察者相对于波阵面的等效速度为，则。COSVCOSVT对观察者来说，通过一个波阵面达到下一个波阵面，如果速度和远小于C，则多S普勒频移可近似为COSCOS1CO1SSOVVVFFTF1SOSSOFFC因此，移动的发送端和移动的接收端产生的多普勒频移是CSOVVFF对信号ST，它的频谱为JTSSED频谱搬移之后，新信号变为F12JTFTSFED如果ST是一个单频信号，2JFTFSTEB时谐信号的多普勒频移（多径）多径信号被发送端以不同的角度发射出来，以不同的角度到达观察者，因此，不同到达信号的打破了频移常常互不相同。为了方便和没有大范围的损耗，将发送端和接收端之间的相对速度设为V，因为余弦COS的范围是（1，1），所以最大多普勒频移为DVFC当没有多普勒效应是，接收信号为，其中1NLJTJTNYTAEHE1NLJNAE这里N是多径到达信号的总数目，和分别是第N条射线的幅度和到达时间，当N存在多普勒效应时，设是第N条射线的多普勒角频率，接收信号变为2,NDFF，这里,JTYTHE1,NLJTNHTAE它是一个时变传输函数，而不再是时谐信号。传输一个F10MHZ的时谐信号，有20个多径到达信号，20条射线随机产生的幅度和到达时间在图左上部分显示出来。当没有多普勒频移时，一部分接收信号在图右上部分显示出来。可以看出，接收信号依然是F10MHZ的时谐信号，信号没有失真。当存在多普勒频移时，20条射线随机产生的幅度和到达时间在图左下部分显示出来。接收信号的一部分在右下部分显示出来，信号发生了失真，并且随时间的增长而变化。图8时谐信号的多径效应（无多普勒效应）和混合多径加多普勒效应参考代码DOPPLERSHIFTMCLEARALLN20NUMBEROFMULTIPATHARRIVALSARAND1,NAMPLITUDESOFNMULTIPATHARRIVALSTAURAND1,NARRIVALTIMEF_D1SHIFTRAND1,N2F_DF_DDOPPLERSHIFTSF10THEFREQUENCYOFTHETRANSMITTEDHARMONICSIGNALF_SHIFTFSHIFTT2200125NODOPPLERSHIFTS_TEXPJ2PIFTTRANSMITTEDSIGNALY_TSUMAEXPJ2PIFTAUEXPJ2PIFTRECEIVEDSIGNALN1Y_D_TSUMANEXPJ2PIFTAUNEXPJ2PIF_SHIFTNTFORN2NY_D_TY_D_TANEXPJ2PIFTAUNEXPJ2PIF_SHIFTNTRECEIVEDSIGNALENDFIGURE1SUBPLOT2,2,3STEMF_SHIFT,AXLABELFREQUENCY,HZYLABELRAYAMPLITUDETITLEDOPPLERSHIFTSSUBPLOT2,2,2PLOTT,Y_T,RTITLENODOPPLERSHIFTSXLABELTIME,SECYLABELRECEIVEDSIGNALSUBPLOT2,2,1STEMTAU,AXLABELTIME,SECYLABELRAYAMPLITUDETITLETIMEDELAYSUBPLOT2,2,4PLOTT,Y_D_TTITLEWITHDOPPLERSHIFTSXLABELTIME,SECYLABELRECEIVEDSIGNAL时变信号包络的（时间）变化率与多普勒扩展有关，较大的多普勒扩展引起时变信号包络的较快变化。对于多普勒扩展为001HZ的情况，时变周期为100S,同样还有时延扩展为005HZ,01HZ,05HZ，时变周期分别为20S,10S,2S。图9当发射信号为F10MHZ的时谐信号时的时变信道的接收信号参考代码DOPPLER_SPREADMCLEARALLN20NUMBEROFMULTIPATHARRIVALSARAND1,NAMPLITUDESOFNMULTIPATHARRIVALSTAURAND1,NARRIVALTIMEF_D001SHIFTRAND1,N2F_DF_DDOPPLERSHIFTSF10THEFREQUENCYOFTHETRANSMITTEDHARMONICSIGNALF_SHIFTFSHIFTT000150N1Y_D_TSUMANEXPJ2PIFTAUNEXPJ2PIF_SHIFTNTFORN2NY_D_TY_D_TANEXPJ2PIFTAUNEXPJ2PIF_SHIFTNTRECEIVEDSIGNALENDSUBPLOT2,2,1PLOTT,Y_D_TXLABELTIME,SECYLABELF_D001N20NUMBEROFMULTIPATHARRIVALSARAND1,NAMPLITUDESTAURAND1,NARRIVALTIMEF_D005SHIFTRAND1,N2F_DF_DDOPPLERSHIFTSF10THEFREQUENCYOFTHETRANSMITTEDHARMONICSIGNALF_SHIFTFSHIFTT000150N1Y_D_TSUMANEXPJ2PIFTAUNEXPJ2PIF_SHIFTNTFORN2NY_D_TY_D_TANEXPJ2PIFTAUNEXPJ2PIF_SHIFTNTRECEIVEDSIGNALENDSUBPLOT2,2,2PLOTT,Y_D_TXLABELTIME,SECYLABELF_D005N20NUMBEROFMULTIPATHARRIVALSARAND1,NAMPLITUDESTAURAND1,NARRIVALTIMEF_D01SHIFTRAND1,N2F_DF_DDOPPLERSHIFTSF10THEFREQUENCYOFTHETRANSMITTEDHARMONICSIGNALF_SHIFTFSHIFTT000150N1Y_D_TSUMANEXPJ2PIFTAUNEXPJ2PIF_SHIFTNTFORN2NY_D_TY_D_TANEXPJ2PIFTAUNEXPJ2PIF_SHIFTNTRECEIVEDSIGNALENDSUBPLOT2,2,3PLOTT,Y_D_TXLABELTIME,SECYLABELF_D01N20NUMBEROFMULTIPATHARRIVALSARAND1,NAMPLITUDESTAURAND1,NARRIVALTIMEF_D05SHIFTRAND1,N2F_DF_DDOPPLERSHIFTSF10THEFREQUENCYOFTHETRANSMITTEDHARMONICSIGNALF_SHIFTFSHIFTT000150N1Y_D_TSUMANEXPJ2PIFTAUNEXPJ2PIF_SHIFTNTFORN2NY_D_TY_D_TANEXPJ2PIFTAUNEXPJ2PIF_SHIFTNTRECEIVEDSIGNALENDSUBPLOT2,2,4PLOTT,Y_D_TXLABELTIME,SECYLABELF_D05C多频率信号的多普勒多径效应在时变的多径环境下（如有多普勒效应），接收信号（决定于发送的时谐信号）为JTE，这里是时变频谱，考虑到信号有,JTYTHE1,NLJTNHTAE多个频率分量，则2JTSTSED接收信号的时变频谱为，接收接收的时域表达式为,SHT11,22NNJTJTJTNYTEDASED112NNNNNJTJTJTNNASEDASTE在第一个例子中，考虑了两种不同多普勒扩展的情况，在每种情况中有六条射线，且六条射线的幅度为1,03,08,05,04,02NA多普勒频移为第一种情况0，2HZ，10HZ，6HZ，8HZ，4HZ，N第二种情况0，20HZ，100HZ，60HZ，80HZ，40HZ现在，我们假设所有的传输时延都为0，考虑在,上为1，其余区间为ST05T0，我们在图10中画出当0和20S时的YT，可以看出，第一，由于所有传输时延为0T0故接收端没有失真；第二，多普勒扩展引起信号随时间而变化，在不同的观察时间，接收信号时不同的；第三，多普勒扩展越大，时间变化率越大。图10有多个频率分量信号的多普勒效应参考代码DOPPLER_SPREAD_TIMEMCLEART000110AN1,03,08,05,04,02WN0,2,10,6,8,4FORI16S1I,ANIEXPJ0WNIONES1,501,ZEROS1,500S2I,ANIEXPJ002WNIONES1,501,ZEROS1,500ENDY11,SUMS1Y21,SUMS2WN10,20,100,60,80,40FORK16S3K,ANKEXPJ0WNKONES1,501,ZEROS1,500S4K,ANKEXPJ0WNKONES1,501,ZEROS1,500ENDY31,SUMS3Y41,SUMS4SUBPLOT2,1,1PLOTT,ABSY1YLABELYTXLABELTIMESUSTITLECASE1SMALLDOPPLERSPREADYLIM0222HOLDONPLOTT,ABSY2,RHOLDOFFLEGENDT_00MS,T_020MSSUBPLOT2,1,2PLOTT,ABSY3YLABELYTXLABELTIMESUSTITLECASE2LARGEDOPPLERSPREADYLIM0222HOLDONPLOTT,ABSY3,RHOLDOFFLEGENDT_00MS,T_020MS考虑传播时延为非零，有时延扩展和多普勒扩展的不同组合的四种情况，在每种情况中有六条射线，且六条射线的幅度为1,03,08,05,04,02NA多普勒频移为第一种和第三种情况是较小的多普勒扩展0，2HZ，10HZ，6HZ，8HZ，4HZ，N第二种和第四种情况是较大的多普勒扩展0，20HZ，100HZ，6N0HZ，80HZ，40HZ传输时延为第一种和第二种情况时延较大0，1，2，3，4，5NSSS第三种和第四种情况时延较小0，01，02，03，04，05首先来讨论频域图，图11给出了在0和20MS，频率为1MHZ,1MHZ的传输0T函数（幅度和相位）。图11较大的延迟扩展引起较快的频率变化率（第一和第二种情况）。较大的多普勒扩展引起较快的时间变化率（第二和第四种情况），注释红（蓝）线代表20MS（0MS）0T的情况。参考代码FRE_TRANSFERMCLEARAN1,03,08,05,04,02TN0,1,2,3,4,50,1,2,3,4,50,01,02,03,04,050,01,02,03,04,05WN0,2,10,6,8,40,20,100,60,80,400,2,10,6,8,40,20,100,60,80,40F10011W2PIFFORK14FORI16H1I,ANIEXPJWTNK,IEXPJWNK,I0H2I,ANIEXPJWTNK,IEXPJWNK,I002ENDH1_1K,SUMH1,1ENDH1_2K,SUMH2,1ENDENDSUBPLOT4,2,1PLOTF,ABSH1_11,YLABELCASE1YLIM04HOLDONPLOTF,ABSH1_21,RTITLEAMPLITUDEHOLDOFFSUBPLOT4,2,2PLOTF,ANGLEH1_11,YLIM44HOLDONPLOTF,ANGLEH1_21,RTITLEPHASEHOLDOFFSUBPLOT4,2,3PLOTF,ABSH1_12,YLABELCASE2YLIM04HOLDONPLOTF,ABSH1_22,RHOLDOFFSUBPLOT4,2,4PLOTF,ANGLEH1_12,YLIM44HOLDONPLOTF,ANGLEH1_22,RHOLDOFFSUBPLOT4,2,5PLOTF,ABSH1_13,YLABELCASE3YLIM04HOLDONPLOTF,ABSH1_23,RHOLDOFFSUBPLOT4,2,6PLOTF,ANGLEH1_13,YLIM44HOLDONPLOTF,ANGLEH1_23,RHOLDOFFSUBPLOT4,2,7PLOTF,ABSH1_14,XLABELFREQUENCYMHZYLABELCASE4YLIM04HOLDONPLOTF,ABSH1_24,RHOLDOFFSUBPLOT4,2,8PLOTF,ANGLEH1_14,XLABELFREQUENCYMHZYLIM44HOLDONPLOTF,ANGLEH1_24,RHOLDOFF从上图可以看出一三多普勒扩展较小，因此相位变化很小，而二四相位变化显著；一二时延较大，故频域的相位和幅度的变化较大，而三四相位和幅度变化较小。现在讨论时域视图，考虑在,上为1，其余区间为0，在图12中画出当ST05T0和20S时的YT。0T图12较大的延迟扩展引起较大失真（第一和第二种情况）。较大的多普勒扩展引起较快的时间变化率（第二和第四种情况），注释红（蓝）线代表20MS（0MS）的情况。0T参考代码TIM_TRANSFERMCLEARALLAN1,03,08,05,04,02TN0,1,2,3,4,50,1,2,3,4,50,01,02,03,04,050,01,02,03,04,05WN0,2,10,6,8,40,20,100,60,80,400,2,10,6,8,40,20,100,60,80,40FORK14FORI16S1I,ANIEXPJ0WNK,IZEROS1,100TNK,I,ONES1,501,ZEROS1,1000100TNK,IS2I,ANIEXPJ002WNK,IZEROS1,100TNK,I,ONES1,501,ZEROS1,1000100TNK,IENDY1K,SUMS1,1ENDY2K,SUMS2,1ENDENDT11LENGTHY11,1102SUBPLOT4,2,1PLOTT,REALY11,YLABELCASE1YLIM22HOLDONPLOTT,REALY21,RTITLEREALPARTHOLDOFFSUBPLOT4,2,2PLOTT,IMAGY11,YLIM22HOLDONPLOTT,REALY21,RTITLEIMAGINARYPARTHOLDOFFSUBPLOT4,2,3PLOTT,REALY12,YLABELCASE2YLIM22HOLDONPLOTT,REALY22,RHOLDOFFSUBPLOT4,2,4PLOTT,IMAGY12,YLIM22HOLDONPLOTT,REALY22,RHOLDOFFSUBPLOT4,2,5PLOTT,REALY13,YLABELCASE3YLIM22HOLDONPLOTT,REALY23,RHOLDOFFSUBPLOT4,2,6PLOTT,IMAGY13,YLIM22HOLDONPLOTT,REALY23,RHOLDOFFSUBPLOT4,2,7PLOTT,REALY14,YLABELCASE4YLIM22HOLDONPLOTT,REALY24,RHOLDOFFSUBPLOT4,2,8PLOTT,IMAGY14,YLIM22HOLDONPLOTT,REALY24,RHOLDOFF课程实验2用外部调制方法创建光传输模块实验要求用外部调制方法创建光传输模块，熟悉软件的基本使用。用外部调制创建光调制解调系统，熟悉掌握元器件库、主界面、元件参数，可视化工具。按照例子给出仿真源程序，写出设计报告。例子打开OPTISYSTEM,执行下列步骤1在任务栏,点击打开2选择PROGRAMSOPTIWAVESOFTWAREOPTISYSTEM70OPTISYSTEM70打开OPTISYSTEM可以看到以下用户界面图13图13用户界面一MAINPARTSOFTHEGUI的主要部分OPTISYSTEMGUI包括以下主要的窗口工程设计DOCKERS元件库；工程浏览；说明状态栏1工程设计窗口这是向设计中添加元件、编辑元件、创建元件之间连接的主要工作位置图14工程设计窗口2DOCKERS窗口DOCKERS位于主要设计中以显示当前工程的信息元件库；工程浏览；说明1）元件库窗口在系统设计中用于存取元件见图15图152）工程浏览窗口组织工程使它更加有效地得到结果及操作当前工程（见图16）图16工程浏览窗口3）说明窗口显示当前工程的细节信息（图17）图17说明窗口3状态栏显示在使用OPTISYSTEM过程中的有用的提示和一些其他的帮助位于工程设计窗口下面FIGURE18STATUSBAR4菜单栏包括OPTISYSTEM中的有效菜单（图19）很多菜单项目跟工具栏上的或者其他目录上的按钮一样有效。图19菜单栏二元件库的使用在下面的例子中你要设计外部调制传输模块。你要在元件库中选择器件放入主要设计窗口中注解OPTISYSTEM提供了一个内置默认元件设置。按以下步骤使用元件库。1在主工具栏中建立一个新的工程，选择FILENEW工程设计窗口中出现一个空白的主设计界面2在元件库中选择DEFAULTTRANSMITTERSLIBRARYOPTICALSOURCES3把CWLASER拖入主设计界面见图20图20加入CWLASER到主设计界面4从元件库中选择DEFAULTTRANSMITTERSOPTICALMODULATORS5把MACHZEHNDERMODULATOR拖入主设计界面（图21）注释自动连接特征是默认地打开的。当你打开一个主设计界面，元件的输入端自动地连接到可连接元件的输出端。要关闭自动连接，见“打开和关闭自动连接”6从元件库中选择DEFAULTTRANSMITTERSLIBRARYBITSEQUENCEGENERATORS7把PSEUDORANDOMBITSEQUENCEGENERATOR拖入主设计界面8从元件库中选择DEFAULTTRANSMITTERSPULSEGENERATORSELECTRICAL9把NRZPULSEGENERATOR拖入主设计界面图21添加元件三自动连接特征放入元件时自动连接是默认有效的。有两种方法可以自动连接放入元件时自动连接当你从元件库中拖出一个元件放入主设计界面中时，元件的输入端就自动地连接到另一个最近的元件的输出端。移动元件时自动连接当你在主设计界面中一定一个元件，元件的输入端就自动地连接到最近的元件的输出端。打开和关闭自动连接按照以下步骤打开和关闭自动连接。1关闭自动连接，在设计操作工具栏中点击活动按钮“放入元件时自动连接”和“移动元件时自动连接”图标为不活动的（图22）时元件不再自动连接FIGURE22INACTIVEAUTOCONNECTBUTTONS2打开自动连接，在设计操作工具栏中点击活动按钮“放入元件时自动连接”和“移动元件时自动连接”图标为活动的（图23）时元件自动连接FIGURE23ACTIVEAUTOCONNECTBUTTONS手动连接元件只有可传输相同类型信号的元件才可以建立连接。除非端口可以加到子系统或者库中的某些拥有特定的可支持所有类型的信号的端口的元件（比如叉）注释你只能把输出端口接到输入端口，反之亦然。图24橡皮圈光标当你把鼠标放到端口上时会出现一个橡皮圈光标。要用设计工具连接元件，请参照以下步骤。1把鼠标放到最初的端口上光标变成橡皮圈光标（链接）（图24）出现箭头时表示此类型的信号与这个端口匹配（图25）2点击并拖到端口完成连接。图25连接部件符号图26连接端口功能要连接元件，点击一个元件的端口并把连接线拖到匹配元件的端口A把伪随机序列发生器的输出端接到NRZ脉冲序列发生器的输入端图27已连接的元件B将NRZ脉冲发生器的输出端接到相应的调制器（MACHZEHNDERMODULATOR）的输入端C把CWLASER的输出端接到MACHZEHNDERMODULATOR的输入端FIGURE28CONNECTINGCOMPONENTS四观察结果OPTISYSTEM提供了几种观察仿真结果的方式。元件库中的观察仪器库允许你进行操作并显示仿真结果。根据输入信号把观察仪分为电子的和光学的两类。例如，当观察时域内NRZ脉冲发生器产生的电信号时，使用示波器观察仪。一）观察结果按照以下步骤查看结果。1从元件库中选择DEFAULTVISUALIZERLIBRARYELECTRICAL2把示波器拖到主设计界面光信号也可以通过相应的库内的示波器显示FOREXAMPLE例如，用一个光谱分析器和光时域观察仪来观察时域内调制后的光波信号。3从元件库中选择SELECTDEFAULTVISUALIZERLIBRARYOPTICAL4把光谱分析器拖到主设计界面5把OPTICALTIMEDOMAINVISUALIZER拖到主设计界面图29FIGURE29VISUALIZERSINMAINLAYOUT二）连接观测仪要观察元件的信号，必须把元件连接到观察仪上。一个元件可以连接多个观测仪，因此你可以把多个观测仪连接到一个元件的输出端。按照以下步骤连接观测仪。TO点击元件的输出端并拖到观测仪的输入端建立连接。（图30）。注释一个观测仪只能连接一个元件A连接NRZPULSEGENERATOR和OSCILLOSCOPEVISUALIZERB连接MACHZEHNDERMODULATOR到OPTICALSPECTRUMANALYZER和OPTICALTIMEDOMAINVISUALIZERFIGURE30CONNECTINGCOMPONENTSTOVISUALIZERS三）观测仪和数据检测器当连接元件和观测仪时OPTISYSTEM嵌入一个默认的数据检测器到元件的输出端。这时你可以建立连接。注释VISUALIZERS观测仪总是链接到检测器的。一个元件的输出端可以连接到多个观测仪，因为实际上它已经链接到了检测器上而不是元件上（见图31元件输出端周围的方框代表数据检测器（见图31）FIGURE31VISUALIZERSANDMONITORS建立检测器和端口的连接。观测仪处理数据检测器存储的数据。你可以在不连接观测仪的情况下把检测器连接到端口上，检测器会在仿真结束后保存数据。如果你在仿真开始前把检测器连接到端口上，可以在仿真结束后把观测仪接到检测器上而不用再运行一次。按照以下步骤连接检测器和端口。1在LAYOUTTOOLS工具栏选择MONITORTOOL光标变成检测器工具2点击CWLASER的输出端3要取消检测器工具，在设计工具栏点击设计工具LAYOUTTOOL检测器在CWLASER的输出端保存了数据注释NOTE如果端口有了检测器，点击检测器工具撤销现有的检测器。五元件参数一）查看和编辑元件性能。双击元件以查看和编辑元件参数（图32）要查看元件参数，执行以下操作在主设计界面双击CWLASER出现CWLASERPROPERTIES对话框元件参数是以类别组织起来的。CWLASER有5个参数类别。主要参数包括访问激光器需要的参数（频率，功率，带宽，初相）偏振模拟仿真噪声随机数FIGURE32COMPONENTPARAMETERS每个类别都有一个参数设置，参数有以下性质（道具）DISP文件信息服务程序NAME名称VALUE值UNITS单位MODE样式二）在设计中显示参数DISPLAYPARAMETERSINTHELAYOUT第一个参数性质是DISP当选择这一性质时，主设计界面出现元件的名称，值，单位例如，如果你选择频率和功率的DISP这些参数就会在主设计界面出现（图33）FIGURE33DISPLAYINGPARAMETERSINTHEMAINLAYOUT1参数单位PARAMETERUNITS有一些参数，如频率和功率，可以有多种单位。频率可以用HZ,THZ或者NM,功率可以用W,MW,ORDBM见图34单位的转换是自动的。注释你必须按回车键或者点击另一个表格完成赋值。FIGURE34PARAMETERUNITS改变参数的样式算术表达式每个参数可以有三种模式正常，扫描和脚本。脚本模式，您可以输入算术运算和存取定义的全局参数。若要变更参数模式，请执行下列程序。1在主要版面，双击CW激光。出现CW激光属性对话框（见图35）。2单击进入频率旁边的模式框。出现拉列表。3从下拉列表中，选择脚本。4单击进入频率旁边的赋值。5在参数的脚本编辑器对话框中，键入1931016点击评估，确定。7点击估计脚本。脚本表达式出现在CW激光属性对话框底部的信息窗口。变频结果是193200000。8要保存设置并返回到主设计版面，单击确定。FIGURE35SCRIPTEDPARAMETERS访问器的参数要访问参数器，请执行下列程序。注意您必须右击观测器获得的参数。双击观测器出现一个可以观察图像和在仿真过程中产生的结果（而不是参数）的对话框。步骤1在主要版面，选择子系统，右击光学频谱分析仪。背景菜单出现（见图36）。2从背景菜单中，选择组件属性。出现光学频谱分析仪的属性对话框（见图37）。FIGURE36LAYOUTMENUFIGURE37VISUALIZERSPARAMETERDIALOG3要保存设置并返回到各主要版面，点击OK运行仿真OPTISYSTEM提供了三种不同的控制计算方法计算整个项目对多重设计进行波动计算计算有效设计中的波动对当前设计的仿真波动进行计算计算当前波动对当前的设计仿真波动进行计算默认情况下，您会计算整个项目，因为当前没有多个设计和多个波动。要运行仿真，执行下列步骤。步骤1从文件菜单上，选择计算。出现OPTISYSTEM计算对话框（见图38）。2在OPTISYSTEM计算对话框中，单击运行，开始仿真（见图38）。计算结果出现在对话框中，仿真结果出现在主设计界面的元件下面。FIGURE38RUNNINGTHESIMULATION保存仿真结果SAVINGTHESIMULATIONRESULTSOPTISYSTEM可以用检测器保存数据。这可以让您用检测器里的信息保存项目文件。当下一次您载入文件时，观测仪将重新计算图表和检测器的结果。按以下步骤保存仿真结果。步骤1在计算结束后，从工具菜单上，选择“选项”。出现“选项”对话框（见图39）。2选择“保存监测器数据”，并点击保存。结果被保存为项目文件。3选择“文件”计算。出现OPTISYSTEM计算对话框。4在OPTISYSTEM计算对话框中，单击运行，开始仿真（见图38）。5当计算完成后，选择“文件”另存为。出现“另存为”对话框中（见图40）。6保存该项目。FIGURE39SAVEMONITORDATASELECTIONFIGURE40SAVEASDIALOGSAVEMONITORDATACHECKBOX从观测仪中显示结果DISPLAYINGRESULTSFROMAVISUALIZER从观测仪中显示结果，执行下列步骤。步骤双击观测仪以查看仿真产生的图表和结果。注再次双击关闭该对话框。示波器用示波器观察时域电信号。（见图41）按照下列步骤。双击示波器观测仪出现示波器观测仪对话框。OPTISYSTEM可以分开传播信号与噪声，您分别观察结果。使用图形左边的制表符来选择您要查看的图形。信号噪声信号噪声全部FIGURE41OSCILLOSCOPE光学频谱分析仪用光学频谱分析仪观察光信号的频域（见图42），请执行下列步骤。步骤双击光学频谱分析仪。出现光学频谱分析仪对话框。因为OPTISYSTEM使用了混合信号的图像，你可以根据图像观察信号。使用图形左边的制表符图形来选择您要查看的图形。采样参数噪声全部要观察光信号偏振现象，使用图像底部的制表符。功率总功率功率XX偏振的功率功率YY偏振的功率FIGURE42OSAOPTICALTIMEDOMAINVISUALIZER光时域观测仪要用光时域观测仪观察时域光信号（见图43）请执行下列步骤。步骤双击光时域观测仪出现光时域观测仪对话框。在时域，OPTISYSTEM把光信号和噪声功率谱密度转化为时域中的数字化噪声。使用图形底部的制表符来查看你要查看的图像。功率总功率功率XX偏振的功率功率YY偏振的功率注意当您选择偏振X或Y，你还可以选择显示特殊偏振信号的图像或者声音。FIGURE43OPTICALTIMEDOMAINVISUALIZER信息窗口INFOWINDOW当您打开信息窗口，它出现在一个观测仪的工作区。默认情况下，信息窗口显示当前位置（数据库中的坐标）的光标。当您缩放，扩大，或追踪图像，坐标中的信息窗口，以反映变化的光标坐标访问信息窗若要访问信息窗口，请执行下列步骤。步骤1双击观测仪，以查看图形。2要打开信息窗口，右键单击图像上的任何位置，并从出现的图像工具箱选择信息工具，或点击图形菜单按钮并选择信息窗口。信息窗口出现在图像旁边。注缩小，放大和描绘工具可以帮助你分析和提取图像的信息。ZOOMINGINTOAGRAPH缩放成图要放大成为一个图，请执行下列步骤1要打开光学频谱分析仪显示，双击光学频谱分析仪。2打开信息窗口（见访问信息窗口）。3要访问缩放工具，右击图像上的任何位置，并从出现的图形工具箱中选择缩放工具或按点击图形菜单按钮并选择缩放。光标变为一个放大镜。4点击并拖动放大镜到要放大的图像的位置。信息窗口出现光标坐标。注意默认情况下，变焦操作放大中心位置。5双击图像上的任何位置返回到原来的大小。平铺图像（PANNINGAGRAPH）平铺图像以及查看图像的某部分部分，请执行下列步骤。步骤1打开光学频谱分析仪显示，双击光学频谱分析仪。2打开信息窗口（见访问的信息窗口）。3要访问平铺工具，右击图像上的任何位置，并在出现的图形工具箱中选择平铺表或者点击图菜单按钮并选择平铺。光标变为手。4用平铺工具移动图形并查看图形的特定部分。光标坐标在信息窗口中出现。TRACINGAGRAPH追踪图像要追踪图像并且获得图像上每个点的值，请执行下列步骤1要打开光学频谱分析仪显示，双击光学频谱分析仪。2打开信息窗口（见访问信息窗口）。3要访问示踪工具，右击图像上的任何位置，并在出现的图像工具箱中选择追踪器或者点击图菜单按钮并选择追踪器。光标变为双头箭头4要查看X和Y坐标轴，点击图像的任何地方。X和Y坐标轴出现。5将X和Y坐标轴移动到曲线图上你要查看的坐标位