無(wú)源光通信器件課程設(shè)計(jì)--影響光纖通信傳輸系統(tǒng)的因素分析

1、<p>　　Lightsim仿真設(shè)計(jì)說(shuō)明書</p><p>　　——《無(wú)源光通信器件》課程設(shè)計(jì)</p><p>　　題 目 影響光纖通信傳輸系統(tǒng)的因素分析</p><p>　　姓 名 </p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專

2、業(yè)班級(jí) </p><p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p><b>　　2011年12月</b></p><p>　　Lightsim仿真設(shè)計(jì)說(shuō)明書</p><p><b

3、>　　一、設(shè)計(jì)名稱</b></p><p>　　影響光纖通信傳輸系統(tǒng)的因素分析</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)思路和目的</b></p><p>　　通過(guò)利用Lightsim軟件對(duì)簡(jiǎn)單的光纖通信傳輸系統(tǒng)進(jìn)行仿真，在保持整體傳輸系統(tǒng)模塊及其參數(shù)不變的情況下，通過(guò)替換不同的激光器及其參數(shù)，同一激光器的多種調(diào)制方式輸出，來(lái)分析

4、總結(jié)光源的特性對(duì)傳輸系統(tǒng)的影響。然后簡(jiǎn)單地通過(guò)調(diào)整改變不同類型的調(diào)制信號(hào)、光纖類型、光放大器相對(duì)于光纖的位置，利用仿真得到的數(shù)據(jù)總結(jié)光傳輸系統(tǒng)中各部分因素對(duì)其傳輸質(zhì)量的影響。</p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)原理</b></p><p>　　Lightsim軟件可供利用的激光器主要有Single-mode DFB，Multimode FP，CW Laser三種。D

5、FB( Distributed Feedback Laser)，即分布式反饋激光器，其內(nèi)置了布拉格光柵（Bragg Grating），屬于側(cè)面發(fā)射的半導(dǎo)體激光器。其采用模擬殘留邊帶調(diào)幅（AM-VSB）信號(hào)（射頻信號(hào)）直接調(diào)制激光二極管，使得光輸出強(qiáng)度隨著射頻信號(hào)強(qiáng)度的變化而變化。 </p><p>　　Multimode FP(Fabry-perot) Laser，為內(nèi)置了法布里-珀羅諧振腔的激光器，產(chǎn)生多縱模輸

6、出。DFB laser 與 FP Laser 的區(qū)別是DFB Laser是在FP Laser的基礎(chǔ)上采用光柵濾光器器件使得其只有一個(gè)縱模輸出，兩者均屬于內(nèi)調(diào)制激光器。</p><p>　　CW Laser (continuous wave laser)為連續(xù)產(chǎn)生相干光束的激光器，提供連續(xù)光束輸出的激光器，其需要使用外調(diào)制器后用于光纖信號(hào)傳輸。</p><p>　　本軟件可供利用的光調(diào)制器(

7、OM)有Mach-Zender，Electro-Absortive，Directional Coupler，Y fed Coupler四種。</p><p>　　可供利用的光放大器有SOA (Semiconductor Optical Amplifier)為半導(dǎo)體光放大器，EDFA(Erbium-doped Optical Fiber Amplifier)摻鉺光纖放大器。SOA通過(guò)給器件加偏置電流時(shí)，使半導(dǎo)體增益

8、物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生自發(fā)輻射，當(dāng)外光場(chǎng)入射時(shí)會(huì)發(fā)生受激輻射產(chǎn)生信號(hào)增益。EDFA使用摻餌光纖中摻雜離子在受到泵浦光激勵(lì)后躍遷到亞穩(wěn)定的高激發(fā)態(tài)，在信號(hào)光誘導(dǎo)下，產(chǎn)生受激輻射，形成對(duì)信號(hào)光的相干放大。</p><p><b>　　四、系統(tǒng)描述</b></p><p>　　仿真的光纖信號(hào)傳輸系統(tǒng)的基本模塊組成如下圖所示：</p>

9、<p>　　基本構(gòu)成包括激光器(CW Laser)、光調(diào)制器(Mach-Zender OM)、比特序列信號(hào)源(bit Sequence)、NRZ/RZ方波脈沖源(Rectangular Source)、模擬信號(hào)源(Analog Source)、乘法運(yùn)算器(Multiplication)、驅(qū)動(dòng)器(Driver)、光衰減器(optical attenuator)、光纖(single-mode)、光放大器(EDFA)、光延時(shí)器(Ti

10、me delay)、光接收器(Photodiode)等。其中光衰減器和光延時(shí)器用于表征各連接器間的插入損耗等，并非光纖通信傳輸系統(tǒng)所必須。</p><p>　　其中，采用振幅鍵控（ASK）調(diào)制的技術(shù)，其信號(hào)調(diào)制部分結(jié)構(gòu)如下所示：</p><p>　　要調(diào)制的信號(hào)序列波形圖和調(diào)制用的載波波形圖分別如下：</p><p>　　則調(diào)制后的信號(hào)和經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器的輸出波形分別為：

11、</p><p>　　將經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器的輸出波形直接作用于光調(diào)制器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的調(diào)制。</p><p>　　經(jīng)過(guò)多次仿真后，現(xiàn)設(shè)定一趨于實(shí)際的模擬仿真環(huán)境，其初始參數(shù)設(shè)定如下。</p><p>　　系統(tǒng)信號(hào)持續(xù)運(yùn)行時(shí)間(Signal time duration)設(shè)定為5e-09s，同時(shí)勾選重載隨機(jī)數(shù)生成器和總是計(jì)算所有模塊選項(xiàng)以及在信號(hào)中添加噪聲。</p>

12、;<p>　　比特序列信號(hào)源(bit Sequence)的傳輸比特序列設(shè)定如下，為1011010110：</p><p>　　NRZ/RZ方波脈沖源(Rectangular Source)的輸出比特率2.5e+09 bit/s ，波形幅度為0.028V ，脈沖碼型為非歸零碼(NRZ)。</p><p>　　模擬信號(hào)源(Analog Source)的輸出比特率1e+10Hz，相

13、當(dāng)于輸入信號(hào)頻率的2倍，幅度為0.014V。</p><p>　　光衰減器(optical attenuator)的衰減系數(shù)為6dB。</p><p>　　光纖(single-mode)衰減率為0.5dB/km ，長(zhǎng)度為15km，對(duì)應(yīng)傳輸波長(zhǎng)為1550nm，零色散波長(zhǎng)為1310nm，延時(shí)為17ps/nmkm，耦合損耗為5dB。</p><p>　　光放大器(EDFA

14、)的對(duì)應(yīng)增益波長(zhǎng)為1550nm ， 增益為30dB。</p><p>　　光延時(shí)器(Time delay)延時(shí)設(shè)定為1e-09s。</p><p>　　四、具體仿真步驟及結(jié)果分析</p><p>　　1. 激光器(CW Laser)采用不同調(diào)制器的特性分析</p><p>　　(1) 采用Mach-Zender OM，建立仿真系統(tǒng)如下圖所示&

15、lt;/p><p>　　下面我們分別對(duì)各部分得到的波形進(jìn)行分析，在上面情況中得到的各運(yùn)行結(jié)果圖如下</p><p>　　激光器(CW Laser)的輸出波形：</p><p>　　可見(jiàn)CW Laser的本身輸出一定值的功率信號(hào)，需外加調(diào)制才可用于光纖信號(hào)傳輸。</p><p>　　驅(qū)動(dòng)器(Driver)輸出的波形：</p><

16、p>　　光調(diào)制器(Mach-Zender OM)后得到的波形：</p><p>　　此時(shí)Mach-Zender OM雖然還能看到一定的周期性，但已明顯地存在失真的現(xiàn)象，其信號(hào)幅度并不能保持一致。</p><p>　　由于軟件的一定局限性，經(jīng)過(guò)光衰減器(optical attenuator)、光纖(single-mode)、光放大器(EDFA)、光延時(shí)器(Time delay)的信號(hào)波

17、形與光調(diào)制器(Mach-Zender OM)的輸出波形有著極大的相似性，在此故不再列出。</p><p>　　光接收器(Photodiode)接收并輸出的波形信號(hào)：</p><p>　　雖然光電接收管的輸出信號(hào)中仍能檢測(cè)出明顯的尖峰，但此時(shí)的信號(hào)基本上無(wú)法獲取原來(lái)的調(diào)制信號(hào)信息。</p><p>　　(2) 采用Electro-Absortive OM，建立仿真系統(tǒng)

18、如下圖所示</p><p>　　驅(qū)動(dòng)器(Driver)輸出的波形和光調(diào)制器(Electro-Absortive OM )后得到的波形：</p><p>　　與信號(hào)調(diào)制器的波形相比，該調(diào)制結(jié)果有著很好的一致性，其周期基本上相同，信號(hào)幅度的平均略有少許偏差。</p><p>　　光接收器(Photodiode)接收并輸出的波形信號(hào)：</p><p&g

19、t;　　總體看來(lái)，Electro-Absortive OM 比Mach-Zender OM 的調(diào)制效果要好得多，但同時(shí)可以看出，其受到干擾噪聲的影響，使其包絡(luò)有一定程度的變化，用于數(shù)字信號(hào)的傳輸?shù)脑捇灸軐?shí)現(xiàn)。</p><p>　　(3) 采用Directional Coupler OM，建立仿真系統(tǒng)如下圖所示</p><p>　　驅(qū)動(dòng)器(Driver)輸出的波形和光調(diào)制器(Directi

20、onal Coupler OM )后得到的波形：</p><p>　　Directional Coupler OM調(diào)制后的信號(hào)與原來(lái)的調(diào)制信號(hào)剛好反相。</p><p>　　光接收器(Photodiode)接收并輸出的波形信號(hào)：</p><p>　　總體來(lái)看Directional Coupler OM有著反相調(diào)制信號(hào)的特性，但該信號(hào)受到噪聲的影響較Electro-A

21、bsortive OM要差一些，其振幅波動(dòng)較大。</p><p>　　(4) 采用Y fed Coupler OM，建立仿真系統(tǒng)如下圖所示</p><p>　　驅(qū)動(dòng)器(Driver)輸出的波形和光調(diào)制器(Y fed Coupler OM )后得到的波形：</p><p>　　Y fed Coupler OM調(diào)制后的信號(hào)與原來(lái)的調(diào)制信號(hào)剛好反相。</p>

22、<p>　　光接收器(Photodiode)接收并輸出的波形信號(hào)：</p><p>　　接收的信號(hào)與調(diào)制后的信號(hào)波形非常接近，受到噪聲影響非常微小。</p><p>　　可以分析得出利用可以看出Mach-Zender OM的效果最差，不能用于振幅鍵控（ASK）的傳輸。Directional Coupler OM調(diào)制器雖然可用但經(jīng)傳輸后的效果不太好，Directional Cou

23、pler OM和Y fed Coupler OM都有著反相調(diào)制的特性。Electro-Absortive OM和Y fed Coupler OM的調(diào)制性都比較好，Y fed Coupler OM的抗干擾性較好。</p><p>　　2.采用不同激光器的特性分析</p><p>　　(1)采用CW Laser</p><p>　　對(duì)CW Laser的輸出分析已在步驟1

24、中實(shí)現(xiàn)，在此不再列出，下面給出CW Laser中存在的啁啾(Chirp)波形和CW Laser中的功率頻譜圖(Power Spectrum)：</p><p>　?。ㄉ嫌覉D中的橫坐標(biāo)并不全是1550，只是其值趨向于1550，其尾數(shù)被省略，下同）</p><p>　　(2)采用DFB Laser，建立仿真系統(tǒng)如下圖所示</p><p>　　驅(qū)動(dòng)器(Driver)輸出的

25、波形和DFB Laser的輸出光信號(hào)波形：</p><p>　　屬于內(nèi)調(diào)制的DFB Laser的輸出波形與原調(diào)制信號(hào)的周期基本符合，其受到隨機(jī)噪聲的影響也不大。</p><p>　　同理，經(jīng)過(guò)光衰減器(optical attenuator)、光纖(single-mode)、光放大器(EDFA)、光延時(shí)器(Time delay)的信號(hào)波形與光調(diào)制器(Mach-Zender OM)的輸出波形有

26、著極大的相似性，在此故不再列出，下同。</p><p>　　光接收器(Photodiode)接收并輸出的波形信號(hào)：</p><p>　　最后接收到的信號(hào)除了少許幅度偏移外，其后基本能保持正常的接收。</p><p>　　DFB Laser 中存在的chirp波形和起功率頻譜圖(Power Spectrum)：</p><p>　　(3)采用M

27、ultimode FP Laser，建立仿真系統(tǒng)如下圖所示</p><p>　　Multimode FP Laser與DFB Laser、CW Laser不同的是其輸出為多模激光，波長(zhǎng)為1310nm，需要利用Multi-mode Fiber來(lái)傳輸。</p><p>　　驅(qū)動(dòng)器(Driver)輸出的波形和Multimode FP Laser的輸出光信號(hào)波形：</p><p

28、>　　光接收器(Photodiode)接收并輸出的波形信號(hào)：</p><p>　　在相同的傳輸環(huán)境下，Multimode FP Laser的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸后，已不能正常地被接收提取。</p><p>　　Multimode FP Laser中的功率頻譜圖(Power Spectrum)：</p><p>　　從三種不同Laser的功率頻譜圖，可以發(fā)現(xiàn)DFB

29、Laser的頻譜特性最好，而Multimode FP Laser的頻譜特性最差。同時(shí)，CW Laser的Chirp波動(dòng)范圍較DFP Laser要少些。</p><p>　　在三種激光器的特性比較中，可以發(fā)現(xiàn)Multimode FP Laser并不適合用于光纖通信系統(tǒng)傳輸，采用CW Laser時(shí)，利用不同的外調(diào)制器的效果不同，Electro-Absortive OM和Y fed Coupler OM基本能較好的調(diào)制

30、輸出，而CW Laser本身的激光輸出特性有著單色性好，Chirp影響小的特點(diǎn)。</p><p>　　采用DFB Laser調(diào)制時(shí)，其利用本身內(nèi)調(diào)制的特點(diǎn)，可減少元器件，其傳輸性能良好，而其單色性要比CW Laser要差些。</p><p>　　3.采用不同的調(diào)制信號(hào)</p><p>　　(1) 分別采用NRZ和RZ信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)(Digital Source)，

31、建立仿真系統(tǒng)如下圖所示</p><p>　　當(dāng)信號(hào)分別為NRZ和RZ信號(hào)時(shí)，光接收器(Photodiode)中的波形和Signal Statistics 探測(cè)結(jié)果如下。</p><p>　　Received optical power:</p><p>　　Pmed (signal) = -12.8621 dBmP (ASE) = -INF dBm</p&

32、gt;<p>　　Photogenerated noise powers:</p><p>　　P (shot-signal) = -94.7505 dBmP (shot-ASE) = -INF dBm</p><p>　　P (signal-ASE) = -INF dBmP (ASE-ASE) = -INF dBm</p><p>　　Pt

33、otal (noise) = -94.7505 dBmIrms (signal) = -12.8615 dBm (0.05174 mA)</p><p>　　Irms (noise) = -32.3753 dBm (0.0005787 mA)SNR = 39.0274 dB</p><p>　　Output photodiode signal:</p><p>

34、;　　P (thermal) = -27.8064 dBmVrms (signal) = 47.1401 dBm (5.176e+04 mV)</p><p>　　Vrms (noise) = -INF dBm (0 mV)SNR = +INF dB</p><p>　　fc = 1.592e+06 Hz</p><p>　　當(dāng)信號(hào)為RZ信號(hào)時(shí)，光接收器(

35、Photodiode)中Signal Statistics 探測(cè)結(jié)果與上面一致，未能從中分析得NRZ和RZ信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)時(shí)的差異。但就接收的波形來(lái)說(shuō)，傳輸NRZ碼時(shí)的載波頻率相當(dāng)于比RZ碼時(shí)的兩倍，可以認(rèn)為傳輸NRZ碼時(shí)的效果更好。</p><p>　　(2) 分別采用調(diào)制信號(hào)為Analog模擬、pre pulse前置脈沖，建立仿真系統(tǒng)如下圖所示</p><p>　　當(dāng)為Analog模擬

36、信號(hào)時(shí)，原信號(hào)波形和調(diào)制后(Electro-Absortive OM)的激光信號(hào)波形：</p><p>　　光接收器(Photodiode)接收并輸出的波形信號(hào)：</p><p>　　利用該系統(tǒng)傳輸模擬信號(hào)基本符合要求，但仍可看出調(diào)制后的激光信號(hào)略微有少許失真。</p><p>　　當(dāng)為pre pulse前置脈沖信號(hào)時(shí)，原信號(hào)波形：</p><p

37、>　　(傳輸比特序列為10110)</p><p>　　調(diào)制后(Electro-Absortive OM)的激光信號(hào)波形和光接收器(Photodiode)接收并輸出的波形信號(hào)：</p><p>　　激光調(diào)制輸出信號(hào)與調(diào)制信號(hào)基本符合，但Photodiode顯然不能有效地還原該信號(hào)，只能對(duì)其電壓升降沿進(jìn)行檢測(cè)，并不能對(duì)實(shí)際的波形信號(hào)進(jìn)行還原。</p><p>　

38、　4.分別采用不同類型的光纖，建立仿真系統(tǒng)如下圖所示</p><p>　　采用模擬信號(hào)（Analog Source）直接調(diào)制Electro-Absortive OM，Analog Source的參數(shù)設(shè)定如下：</p><p>　　Analog Source的波形為：</p><p>　　光纖的參數(shù)統(tǒng)一設(shè)定為傳輸波長(zhǎng)1550nm、衰減率=0.5dB/km、長(zhǎng)度=10k

39、m，在單模光纖和多模光纖的情況下，經(jīng)光纖傳輸后和接收管接收到的波形分別為：</p><p>　　可以看出，單模光纖傳輸高頻信號(hào)雖然有少許失真，但還能保持其周期完整性。而多模光纖由于其模間色散較大，這就限制了傳輸數(shù)字信號(hào)的頻率，對(duì)于較高頻率信號(hào)，其傳輸性能受到較大的影響。</p><p>　　5.通過(guò)改變光放大器相對(duì)于光纖的位置</p><p>　　在設(shè)定為相同的參數(shù)

40、(單模光纖衰減率=0.6dB/km、長(zhǎng)度=10km、光放大器增益為32dB)下，分別置換光纖與光放大器的位置，得到探測(cè)功率情況如下圖所示：</p><p>　　可見(jiàn)這兩種不同的情況下，光放大器設(shè)置在光纖后得到的功率損耗比前置時(shí)減少8.0671dBm-5.1133dBm=2.9538dBm ， 對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的性能提升明顯。</p><p><b>　　五、設(shè)計(jì)總結(jié)</b>

41、;</p><p>　　本設(shè)計(jì)通過(guò)利用Lightsim軟件對(duì)簡(jiǎn)單的光纖通信傳輸系統(tǒng)進(jìn)行仿真，通過(guò)利用控制變量法的原理，在保持整體傳輸系統(tǒng)模塊及其參數(shù)不變的情況下，對(duì)各個(gè)獨(dú)立因素進(jìn)行分析。</p><p>　　在對(duì)CW Laser的四種不同外調(diào)制方式，可以分析得出利用可以看出Mach-Zender OM的效果最差，不能用于振幅鍵控（ASK）的傳輸。Directional Coupler OM

42、調(diào)制器雖然可用但經(jīng)傳輸后的效果不太好，Directional Coupler OM和Y fed Coupler OM都有著反相調(diào)制的特性。Electro-Absortive OM和Y fed Coupler OM的調(diào)制性都比較好，Y fed Coupler OM的抗干擾性較好。</p><p>　　在三種激光器的特性比較中，發(fā)現(xiàn)Multimode FP Laser并不適合用于光纖通信系統(tǒng)傳輸，采用CW Laser

43、時(shí)，利用Electro-Absortive OM和Y fed Coupler OM基本能較好的調(diào)制輸出，而采用DFB Laser調(diào)制時(shí)，其利用本身內(nèi)調(diào)制的特點(diǎn)，可減少元器件，其傳輸性能良好，但其單色性要比CW Laser要差些。</p><p>　　在分析調(diào)制信號(hào)源的影響時(shí)，Digital Source的RZ和NRZ碼都能較好的實(shí)現(xiàn)傳輸，但其之間的不同未能反映出來(lái)，Analog Source也能基本實(shí)現(xiàn)傳輸，但p

44、re pulse的傳輸就存在一定檢測(cè)困難。在不同光纖的分析上，多模光纖傳輸性能受到的影響，而單模光纖就具有較好的性能。光放大器設(shè)置在光纖后得到的功率損耗比前置時(shí)要少。</p><p>　　由于軟件本身的局限性和本人的基礎(chǔ)知識(shí)不夠扎實(shí)，未能總結(jié)得到更詳細(xì)的傳輸性能分析報(bào)告，為本文不足的地方。本軟件得出的結(jié)果僅為理想情況下，存在一定的隨機(jī)噪聲所得到的結(jié)果，但實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，光纖信號(hào)傳輸系統(tǒng)的復(fù)雜程度要大得多，所以還需

45、我們不斷在實(shí)踐的過(guò)程中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合利用軟件仿真來(lái)幫助我們更好地了解分析問(wèn)題。</p><p><b>　　六、心得體會(huì)</b></p><p>　　進(jìn)行分析前，一定要清楚明白當(dāng)前改變的參數(shù)的可比較性，進(jìn)行比較分析時(shí)盡量將需要改變的參數(shù)控制為一個(gè)，以便于分析。同時(shí)要以平靜的心態(tài)去理清分析的思路，做到心里有數(shù)。</p><p>　　使用Light

46、sim軟件過(guò)程中，一定要及時(shí)保存當(dāng)前狀態(tài)，以免在錯(cuò)誤操作后使得軟件強(qiáng)制關(guān)閉后從而使當(dāng)前數(shù)據(jù)丟失。由于通常在點(diǎn)擊仿真Start開(kāi)始后易出現(xiàn)錯(cuò)誤，最好每次進(jìn)行仿真前都保存一次。</p><p>　　在保存之前，已調(diào)出的器件一定要連接好，避免出現(xiàn)再次打開(kāi)時(shí)出現(xiàn)讀取失敗。 擺放元件或進(jìn)行仿真Start前要處于UN-Link狀態(tài)，以免連接符出現(xiàn)亂序。</p><p>　　對(duì)各個(gè)器件，在仿真運(yùn)行后，可