光纤课程设计

1、武汉工程大学课程设计课题名称： 基于OptiSystem光纤通信WDM城域网设计 专业班级： 学生学号： 学生姓名： 学生成绩： 指导教师： 课题工作时间： 2013.12.31 至 2014.01.08一、课程设计的任务或学年论文的基本要求1. 具备独立查阅光纤通信系统相关文献和资料，能提出并较好地论述课 题实施方案，具有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。2. 具备独立设计简单光纤城域网的能力，能对基本城域网系统的进行研究、分析及比较的能力。3. 具备采用计算机软件数值计算、仿真、绘图等能力。4. 工作中有创新意识，要对现有的方案提出自己独特见解。5. 总结简练完整，理论正确，论述充分，

2、结构严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图标完备、整洁、正确。6. 工作努力，遵守纪律，工作作风严谨务实，按期圆满完成规定的任务。7. 内容不少于3000字，图和计算结果可打印。 任务：1. 写明设计思路，画出设计图。2. 写明设计过程中出现的错误及相应分析3. 系统选取的期间及其相应参数要与实际商用产品基本一致，并列出设定的参数及其相应的取值，不能太理想化。4. 分析构建的系统工作原理、过程及性能评估。 二、进度安排2013年12月31日 文献搜集与整理 学习软件2013年1月06日 学习软件 讨论方案2013年1月08日 连接线路 模拟实际 完成论文 三、课

3、程设计（学年论文）1摘要摘要 介绍了波分复用（WDM）城域环形网的设计思路，阐述了OptiSystem软件对该系统的仿真结果，并分析了该通信网络的传输特性及Q因子、误码率等参数，验证了该网络的正确性及可行性，进而得出相关结论。关键词：OptiSystem；WDM；Q因子；误码率Abstract Introduced the wavelength division multiplying (WDM) the MAN ring system's design mentality, elaborated the OptiSystem software to this system's

4、 simulation result, and has analyzed this parameters, the communication network transmission characteristic, Q factor, BER, has confirmed this network accuracy and the feasibility, then draws the related conclusion.Key words: OptiSystem；WDM；Q factor；BER2、参考资料或参考文献1光纤通信系统顾畹仪，李国瑞，人民邮电出版社2光纤通信，刘增基，周洋溢等

5、，西安电子科技大学出版社3通信原理，樊昌新，清华大学出版社4光纤通信系统，杨祥林，国防工业出版社5张成良光通信系统Q因子测量和原理J电信工程技术与标准化，2001，(4)6optisystem7初级入门中文讲义 郑小歪 五、指导教师评分评价内容具 体 要 求权重得分调查论证能独立查阅文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。10实践能力独立设计、计算、绘图的能力（课程设计）；能正确选择研究（实验）方法，独立进行研究的能力（学年论文） 15分析解决问题能力能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题（课程设计）；或能对课题进行理论分析，得出有价值的

6、结论（学年论文）。15工作量、工作态度按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。10质量综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理（或设计过程完整，设计内容完全）；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文（设计）结果有参考价值。40外语和计算机应用能力在课程设计或学年论文中，能够体现外语和计算机的应用能力。5创新工作中有创新意识；对前人工作有改进或独特见解。5综合评语指导教师签字： 年 月 日 六、答辩记录记录人（签字）： 年 月 日答辩意见及答辩成绩答辩小组教师（签字）： 年 月 日课程设计总评

7、成绩：（指导教师评分×80%+答辩成绩×20%）目录一、引言二、互联波分复用系统的原理2.1 波分复用的原理2.2 OXC相关介绍2.4 环形局域网三、互联波分复用系统设计3.1 互联环形局域网的设计模型3.2 器件选择3.3 互联局域网的设计思路3.4 节点的设计思路四系统的参数设置和性能分析 4.1 参数设置 4.2系统性能分析4.3设计中的问题及其分析五总结 基于OptiSystem的WDM城域网的设计与分析一、引言OptiSystem是一款创新的光通讯系统模拟软件包，它集设计、测试和优化各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身，从长距离通讯系统到 LANS和

8、MANS都适用。OptiSystem具有强大的模拟环境和系统的分级定义，是一个基于实际光纤通讯系统模型的系统级模拟器。在器件库中找到相应的器件，进行系统组网。二、互联波分复用系统的原理2.1波分复用的原理波分复用（WDM）系统基于器件的波长选择机制，将从不同输入端进入的不同波长信号组合在一起从共同输出端输出。WDM系统中的分插复用器（ADM）实现信号的分流与插入，在多信道通信的城域环形网中起着不可或缺的作用。在光纤网络的节点上，ADM可以把某个波长的光信号从传输系统中分出来，或是把某个波长的光信号插进该传输系统的节点进行传输. WDM又叫波分复用技术是新一代的超高速的光缆技术，所谓波

9、分复用技术，就是在单一光纤内同步传输多个不同波长的光波，让数据传输速度和容量获得倍增，它充分利用单模光纤的低损耗区的巨大带宽资源，采用合波器，在发送端将不同规定波长的光载波进行合并，然后传人单模光纤。在接收部分将再由分波器将不同波长的光载分开的复用方式，由于不同波长的载波是相互独立的，所以双向传输问题，迎刃而解。波分复用技术(WDM)满足了点对点系统中光纤耗尽现象,它可以在节省3050的成本情况下极大地提供光纤中的传输容量。利用WDM技术对网络的升级、发展宽带业务、充分挖掘和利用光纤带宽能力，特别是在实现超高速通信具有十分重要的意义。2.2 OXC相关介绍 光子化和网络化的传送节点是光传送网的

10、核心技术和研究重点。光交叉连接（OXC）设备和光分插复用（OADM）设备是光传送网的主要节点设备，其中OXC是最典型的光传送网的网元设备，是构建骨干格形光传送网的必备设备。OXC节点作为光传送网的关键节点，它的功能和特性在某种程度上代表了光网络能够提供的主要服务功能。从对业务的处理方式角度来看，OXC节点主要完成光通道的交叉连接功能和本地上下路。OXC的主要功能有1.提供以波长为基础的半永久的交叉连接功能；2.对波长通道进行配置以实现对网络光纤资源的优化；3.当网络出现故障时，迅速提供网络的重新配置；4.根据业务量的变化优化网络；5.尽量允许运营者自由使用各种信号格式（即尽量保持网络的透明）。

11、2.3环形局域网网络拓扑结构是指网络中各个站点相互连接的形式，在局域网中明确一点讲就是文件服务器、工作站和电缆等的连接形式。现在最主要的拓扑结构有总线型拓扑、星型拓扑、环型拓扑、树形拓扑（由总线型演变而来）以及它们的混合型。顾名思义，总线型其实就是将文件服务器和工作站都连在称为总线的一条公共电缆上，且总线两端必须有终结器；星型拓扑则是以一台设备作为中央连接点，各工作站都与它直接相连形成星型；而环型拓扑就是将所有站点彼此串行连接，像链子一样构成一个环形回路；把这三种最基本的拓扑结构混合起来运用自然就是混合型了。环型拓扑是指在环形网中各结点通过环路接口连在一条首尾相连的闭合环形通信线路中，就是把每

12、台PC连接起来，数据沿着环依次通过每台PC直接到达目的地，环路上任何结点均可以请求发送信息。请求一旦被批准，便可以向环路发送信息。环形网中的数据可以是单向也可是双向传输。信息在每台设备上的延时时间是固定的。 由于环线公用，一个结点发出的信息必须穿越环中所有的环路接口，信息流中目的地址与环上某结点地址相符时，信息被该结点的环路接口所接收，而后信息继续流向下一环路接口，一直流回到发送该信息的环路接口结点为止。 特别适合实时控制的局域网系统。 在环行结构中每台PC都与另两台PC相连每台PC的接口适配器必须接收数据再传往另一台。因为两台PC之间都有电缆，所以能获得好的性能。 最著名的环形拓扑结构网络是

13、令牌环网（Token Ring）环形拓扑结构各结点通过通信线路组成闭合回路，环中数据只能单向传输。 优点：结构简单，适合使用光纤，传输距离远，传输延迟确定。缺点：环网中的每个结点均成为网络可靠性的瓶颈，任意结点出现故障都会造成网络瘫痪，另外故障诊断也较困难。三、互联波分复用系统设计3.1 设计目标设计一个互联环形WDM系统局域网，它由两个环形局域网构成，一个环中设置4个节点，两个节点间分别相互通信，传送3个波长；另一个环中传送一个波长，节点间可两两相互通信。中间利用WDM系统实现两个环内节点的通信，第二个环就可以接收到上一个环传来的波长。从而实现两个环形局域网的连接。3.2器件的选取CW la

14、ser 连续激光发射器，用于发出光信号Pseudo-Random Bit Sequence Generator伪随机码发生器，用作信息源NRZ Pulse Generator非归零码电脉冲发生器，发出电脉冲信号Mach-Zehnder Modulator 马赫曾德尔调制器，实现光强度的调制Fork 1×2光叉，实现光的均匀分配WDM add and drop 分插复用器，加入光信号或者把信号留在本地Optical attnuation光衰减器，衰减光信号Photodetector PIN，PIN光电探测器，检测光信号，将其转化成电信号Low pass Bessel Filter低通贝

15、塞尔滤波器，过滤光信号Optical Spectrum Analyzer光谱仪，从波长域上观察被调制输出的光信号Optical Power Meter光功率计，用来检测输出光功率BER Analyzer误码率分析仪，用于对原始信号和传输解调信号的比较，以判断信号传输质量EDFA掺铒光纤放大器，对光信号进行直接放大，客服光纤损耗对通信距离的限制SMF单模光纤，用于传输光信号DCF色散补偿光纤，降低色散，延长无中继距离3.3、互联局域网的设计思路 节点1.2 本文才采用的是八个节点的上下两个环之间的通信。上面一个环，下面一个环。分别分配四个节点，中间加一个分差复用器将两环连接起来，实现之间的互通。

16、环一的主干网上传输的是193.1THZ和193.4THZ两个信号，环二的主干网传输的是193.2THE和193.3THZ两个信号。节点1.1和节点1.2在信道一（193.1THZ）中传输，节点1.3和节点1.4在信道二(193.4THZ)中传输。节点2.1和节点2.2，节点2.3和节点2.4在信道三（193.2THZ）中传输，从上面掉下一个波长在信道四个传输（信道四193.3THZ）。所以该信道实现了八节点四信道两环之间的传输。该系统基本原理图如图1所示。节点1.3节点1.1 节点1.4环一分差复用器节点2.2节点2.3节点2.1环二节点2.4 图1 上环有三个波长，两个作为信道，一个掉下来在

17、下面的环中传输，下环中也有两个信道。环中的分差复用器过滤的是193.3THZ的波长，分差复用器的频率和过滤下来的频率相同。该系统的外部结构如图2所示。 图2. 系统外部结构图（具体见附录表一）34、节点内部结构和内部参数1.1,1.2,1.3,2.1,2.2,2.3,2.4节点内部结构是相同的，这里就拿节点1.1来作分析（结构图如图3所示）。在此内部结构中，选用了连续激光器（CW Laser）作为光源，应用马赫-曾德尔调制器对信号进行外调制，调制后的信号通过WDM分差复用器耦合进主干网。而PIN接收机是用来检测光信号，在其后面接一个低通滤波器，可降低噪声影响。伪随机码发生器产生脉冲由Y型开关选

18、择器，一部分传输到非归零脉冲发生器再传到马赫-曾德尔调制器。WDM分差复用器后面又加了衰减器和合并信号带。光纤是主要的传输通道。对于任意的 WDM信道，OptiSystem采用一种非线性色散传播的单模光纤模型，用以说明信号的振幅和相位受影响的现象和效果。 图3 节点内部结构图1.4节点图和另外七个差不多，多了一个连续激光器产生第四个信道的激光，最后通过分差复用器过滤到下面一个环，实现环之间信号的传输。其结构如下图4所示。 图4 节点内部结构图四、性能分析4.1参数设定SMF的损耗为0.2dB/km色散系数为1.5ps/(nmkm)零色散斜率为0.075ps/(nm km)有效面积为80mDCF

19、的损耗为0.5dB/km有效面积为22mEDFA增益为10dBEDFA噪声系数为4dB节点内的信号衰减为3.8dBWDM add and drop的插入损耗为1.2dB入纤功率10dBmAPD管响应度设定为1A/W4.2性能的分析在光纤线路的传输中存在损耗和色散，因而需要加放大器。在光通信系统中，特别是WDM系环路上的EDFA（功率放大器）则可以将上由一个节点传来的信号放大之后传入下一个节点，减小损耗，整个环行通信系统由环路控制器（Ring Controller）控制，通过设定环路控制器的循环数，控制环形网络数据传输的次数，再此过程中实现网络信息传输及不同节点同一信道间的通信。统中，

20、BER是衡量光路性能的重要指标之一。通常，作为一个品质因数，采用信号的Q因子来衡量系统传输的质量，并由它来表征系统的BER，Q因子被定义为在最佳判决点信号与噪声的比值。从误码分析仪的眼图上可以观察出码间串扰的强弱，直观的了解到这个系统的性能。 图4 系统眼图 由眼图可知，Q因子随眼图的张开程度作如下变化：越靠近眼图张开最大处，其Q因子越大，对应的BER就越小。在眼图张开最大时刻其Q因子分别达到了4.9200、4.9100。因为当Q=6时，BER约为10-9；当Q=7时，对应的BER约为10-12。眼图的张开宽度决定了接收信号的抽样间隔，在此间隔内抽样能抵挡码间串扰不发生误码；接收波形的最佳抽样时间在眼睛张开的最大处。由于数据信号的失真，眼睛张开的高度会降低，眼睛张开的顶端与信号电平的最大值之间的垂直距离表示了最大失真，眼睛越小，鉴别能力越差。将Optical Spectrum Analyzer 接入环形局域网中，运行后可以得到两个相互通信的节点的光谱图 中心频率带集中于193.2THZ附近图5光功率分析图 中心频率带集中于193.2THZ附近波峰为吸收峰，从光谱分析图中可以看出，发送和接受的频率均在193.2THZ附近，所以在环2中实现了两个节点的通信。43、设计缺陷及分析1.由于对一些模拟器件的用法不太熟悉，系统不能实现自动控制