徐云霞 時翔 湯祺 金維東

摘 要：將虛擬仿真與光纖通信融合，進行系統(tǒng)的設計、仿真和調(diào)試，通過數(shù)據(jù)分析進行系統(tǒng)優(yōu)化，大大減少了光纖通信網(wǎng)絡規(guī)劃及工程實施的實際支出。文章利用Optisystem工具進行光纖通信系統(tǒng)的輔助設計，建立光發(fā)送機、接收機及波分復用系統(tǒng)的電路模型，進行噪聲與信號波形的仿真與分析，以期達到系統(tǒng)的優(yōu)化。

關鍵詞：光纖通信;虛擬仿真;波分復用;Optisystem

0 引言

計算機仿真工具對于硬件與系統(tǒng)的設計、可行性分析等都有著重要的意義。光纖通信的發(fā)展迅速，光通信系統(tǒng)愈加趨于復雜。層出不窮的器件和復雜的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)讓光纖系統(tǒng)設計變得困難[1-2]。

光纖通信的虛擬仿真工具Optisystem，具有強大的模擬環(huán)境，支持自定義器件與快速低成本的設計模型，其本質(zhì)是通過建造系統(tǒng)模型進行由表及里、從外到內(nèi)的試驗性研究，找出不足并保留優(yōu)點，以期達到系統(tǒng)模型及其運行的最佳狀態(tài)[3-4]。本文使用Optisystem工具，對光纖通信系統(tǒng)中的光發(fā)送機、光接收機以及波分復用（WDM）系統(tǒng)進行仿真設計，實現(xiàn)直接調(diào)制的光發(fā)送機系統(tǒng)設計與仿真、基于PIN光電二極管的光接收機系統(tǒng)設計與仿真以及四路復用的單模光纖WDM通信系統(tǒng)設計與仿真。設計完成后在Optisystem中進行仿真模型搭建和運行，觀測各處的數(shù)據(jù)并進行對比分析。

1 光纖通信系統(tǒng)總體設計

一個完整的光纖通信系統(tǒng)包含光發(fā)送機和光接收機兩個部分，光發(fā)送機的作用是將傳輸過來的電信號轉(zhuǎn)化成光信號，而光接收機的作用則是將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，這個轉(zhuǎn)化的過程簡稱為“電—光—電效應”，而光纖通信系統(tǒng)正是通過“電—光—電效應”來傳輸信息的通信系統(tǒng)。在利用Optisystem工具進行光纖通信系統(tǒng)的總體設計之前，考慮到實際應用，進行如下總體設計。

（1）光發(fā)送機及光接收機調(diào)制方式選擇不歸零碼（NRZ）制式。輸入的光信號經(jīng)過NRZ調(diào)試之后頻譜特性會變得更為緊密，解調(diào)更為快速方便，十分容易。

（2）光發(fā)送機系統(tǒng)選擇直接調(diào)制。直接調(diào)制是直接調(diào)制信號電流強度，使輸入功率隨著電流強度的變化而變化，直接調(diào)制方式簡單而方便。外調(diào)制方式一般適用于更高級的通信系統(tǒng)，故不采納。

（3）光發(fā)送機系統(tǒng)選擇低通高斯響應濾波器（Low Pass Gauss Filter）。理想低通濾波器可供理論研究的結(jié)果趨于完美。但實際應用時，必須考慮理想模型和實際電路之間的差異對結(jié)果的影響。

（4）為了便于觀測整個系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)，需要在NRZ脈沖儀器加入一個示波器，觀測未調(diào)制前的時域波形，在直接調(diào)制元件加入光譜儀、光功率計和光時域觀察儀，以獲取調(diào)制后波形的光譜、功率以及時域波形，加入眼圖和誤碼率分析儀則是為了獲取整個系統(tǒng)的分析數(shù)據(jù)，從而判斷其運行狀態(tài)。

（5）WDM系統(tǒng)中，發(fā)送端由四路發(fā)射器件組成并產(chǎn)生信號，經(jīng)過復用器接入信道。信道連接解復用器且最后將信號傳輸?shù)浇邮斩?，在系統(tǒng)關鍵節(jié)點接入顯示模塊，觀測數(shù)據(jù)以此評估所搭建系統(tǒng)的性能。

2 系統(tǒng)設計與仿真

2.1? 光發(fā)送機系統(tǒng)設計與仿真

光發(fā)送機系統(tǒng)的設計流程如下：第一步，隨機碼發(fā)生器生成隨機信號序列。第二步，已經(jīng)生成的信號經(jīng)過NRZ脈沖將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為電信號輸入低通高斯濾波器。第三步，高斯濾波器開始處理電信號，將其信號的信噪比增大，得到較為清晰的波形與真實的信號，此時設置截止頻率為0.75比特/赫茲。第四步，分路器將路線一分為二，一路信號直接進入MZ（Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)）調(diào)制器，另一路則是經(jīng)過信號增益放大進入調(diào)制器，同時激光器所發(fā)射的光信號也進入其中。為便于采集信號的波形，設置兩個示波器，觀察波形。第五步，開始在MZ調(diào)制器進行信號的調(diào)制，即將兩路信號合成一路信號，進行信號的調(diào)制。同時在調(diào)制器后面鏈接上一個光時域觀察儀，獲取其調(diào)制后的信號波形、圖像、啁啾量等試驗結(jié)果。

圖1所示為光發(fā)送機系統(tǒng)的模型及其仿真模型。系統(tǒng)采用外部直接調(diào)制的方式，在Low Pass Gauss Filter、調(diào)制器輸出、放大器輸出模塊分布放置示波器1、光頻譜分析儀和示波器2，以進行波形數(shù)據(jù)觀察。

2.2? 光接收機系統(tǒng)設計與仿真

光接送機系統(tǒng)的設計流程如下：第一步，隨機元序列生成隨機數(shù)字信號，這里仍然保持默認，不加改動。第二步，新生成的數(shù)字信號經(jīng)過NRZ脈沖將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成電信號輸出到MZ調(diào)制器，同時激光發(fā)射器會發(fā)出光信號進入MZ調(diào)制器。第三步兩路信號進入之后合成一路信號進入光衰減器，光衰減器是通過改變其衰減量從而改變光信號的功率，暫且設定其元件參數(shù)為0 dB。第四步，經(jīng)過一個1×2分路器，將光信號輸出到下一個器件。第五步，可以觀察到兩路都需要經(jīng)過PIN光電二極管和低通貝塞爾濾波器，這里暫時沒有設置，其實一路是加入散粒噪聲，另一路是加入熱噪聲。第六步，通過各種觀測儀器，比如眼圖和示波器觀察接收到波形和影響因素，采集數(shù)據(jù)，進行系統(tǒng)分析和調(diào)試。

圖2所示為光接收機系統(tǒng)的模型及其仿真模型。在調(diào)制器輸出處設置光時域觀察儀，在PIN光電二極管輸出處設置示波器1，在濾波器輸出處設置示波器2，在全系統(tǒng)輸入輸出處設置眼圖分析儀，進行數(shù)據(jù)采集及波形分析。

2.3? WDM系統(tǒng)設計與仿真

WDM系統(tǒng)發(fā)送端將使用4組元器件來產(chǎn)生四路不同波長的信號，為避免光色散及產(chǎn)生啁啾現(xiàn)象，每一路光信號的產(chǎn)生都將采用外調(diào)制的方法。每一路光信號的產(chǎn)生都將由一組器件完成，每一組器件都由一個隨機二進制碼發(fā)生器、一個NRZ發(fā)生器、一個連續(xù)波激光器和一個M-Z調(diào)制器組成。系統(tǒng)發(fā)送端光源使用外調(diào)制型光源，并使用四路復用的方式發(fā)出的光信號，發(fā)出的信號由四路復用器復用后傳入傳輸信道。傳送信道由單模光纖、EDFA、循環(huán)控制器組合而成，復用的信號將由傳輸信道傳入解復用器，將經(jīng)過復用的信號分為四路信號傳入輸出端。在輸出端由光電檢測器對光信號進行光電轉(zhuǎn)換，并由低通濾波器將所包含的數(shù)字基帶信息提取出來。接收端由光電檢測器、Bessel低通濾波器、1×4型解復用器組成。此外除去這些需要系統(tǒng)的組成器件，還需要一些測量儀器：光學頻譜分析儀（Optical Spectrum Analyzer），波分復用分析儀（WDM Analyzer），光時域觀察儀（Optical Time Domain Visualizer），誤碼率分析儀（BER Analyzer）和再生器（3R Regenerator）。這些儀器將安置在關鍵節(jié)點處觀察信號經(jīng)過信道前后的狀態(tài)以及系統(tǒng)整體的性能。

系統(tǒng)搭建完成并將各器件參數(shù)調(diào)整完成后，即可開始仿真，運行仿真系統(tǒng)后即可觀測數(shù)據(jù)。在通過對四路復用的WDM通信系統(tǒng)的搭建和優(yōu)化的過程中，發(fā)現(xiàn)WDM通信系統(tǒng)依靠于組成部分的復用器、解復用器、放大器等器件使得信號能在長距離內(nèi)傳輸，并且保證傳輸效率，通過模擬仿真可以發(fā)現(xiàn)光纖長度、放大器增益、發(fā)射端功率等因素影響著系統(tǒng)的整體性能。

3 結(jié)語

本文利用Optisystem通信仿真軟件進行了光發(fā)送機、光接收機及WDM系統(tǒng)的設計與仿真。與實際的實驗操作或工程設計相比，應用Optisystem工具最大的優(yōu)點是可以快速地設計和布設系統(tǒng)，及時進行數(shù)據(jù)采集及波形分析，根據(jù)仿真結(jié)果對系統(tǒng)各模塊的參數(shù)進行優(yōu)化，從而快速地實現(xiàn)一個優(yōu)良系統(tǒng)的初步設計和定性分析，節(jié)省了大量的時間和經(jīng)濟成本。在進行光纖通信的網(wǎng)絡布設和工程的實際實施之前，利用Optisystem工具能夠為通信系統(tǒng)提供很好的工程指導，同時，在實際實施時，還需要考慮理想模型和實際電路模塊之間的差異，以正確指導工程的實施。

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[3]耿寧遙，蔣遠堃，王爽.基于Matlab與Optisystem的OFMD信號的產(chǎn)生以及在光纖通信系統(tǒng)中的傳輸過程的仿真[J].信息通信，2017（8）：48-50.

[4]雒明世，鄭圓圓.基于OptiSystem的光纖通信系統(tǒng)的仿真與分析[J].科技創(chuàng)新與應用，2020（34）：20-21.

（編輯 王雪芬）