数字光纤通信系统仿真软件的研究

Study of Computer Simula t ion for D ig ita lOpt ica l F iber Commun ica t ion Sys2
tem
Abstract　Based on the models of the components in optical communication systems, th is paper developed an application simulation softw are. A n experiment p latfo rm fo r system perfo rmance evaluat ion and research is built. The simulat ion p rogram can also disp lay signalw avefo rm s, generate eye diagram s and
give the bit erro r rate. Some obtained results show ed clo se agreement betw een the simulat ion and actual
perfo rmance.
Key words　digital op t ical fiber communicat ion; computer simulat ion
1　引言
　　建立光纤通信系统的计算机仿真平台, 既能在硬件实现之前进行性能评估和可行性论证, 节约大量时间和经费; 又可在分析中随时改动参数值, 便于理论研究, 并为相关工程技术人员的技术培训提供理想手段。目前国外这类软件往往数万美元, 许多大公司(如日本的N TT ) 也编制仿真软件自用, 而国内还未见有相应软件产品。
　　数字通信系统的仿真方法可以分为3 类: 基于解析计算的方法; 基于时域的Mon te Carlo 模拟; 模拟和解析相混合的混合法。方法1 计算快, 但是由于建模时需要对物理现象作必要的假设和估计, 所以应用范围受到限制; 方法2 最灵活, 但对于误码率很低的系统, 需要很长的输入序列, 计算量大; 方法3 采用Mon te Carlo 处理解析法不易处理的服从统计分布的变量。它首先被用于评价卫星、微波链路, 对于误码
率很低的光纤通信系统(< 10- 9 ) , 采用该方法同样有显著的优越性。本文即采用了混合法对光纤通信系统进行仿真。
2　系统级仿真的软件实现
　　运用已建立的光纤通信系统各部分的数学模型,可以对光纤通信系统进行仿真。仿真中运用了等效基带法的思想, 即将载波带通系统等效为基带系统, 再进行仿真。这样避免了载波频率较高, 计算的数据量非常大, 计算机内存受限和运算时间长的缺点。
仿真系统框图
　　如图1 所示。下面简要说明其软件实现方法。
　　1) 系统初始化模块。主要用于给系统赋初值, 例如由用户输入系统的码率B 、抽样频率、码序列的长度L 、工作波长K等。
　　2) 信号源模块。本程序依据移位寄存器级联产生伪随机码的原理产生了级数为n, 长度为2n - 1 的伪随机序列作为信号源。级数n 可调, 范围是1～ 23, 并假定这个序列是周期性重复的, 这与后面用到的离散傅里叶变换(FFT ) 的定义相吻合。
　　3) 光源调制模块。可选用P 2I 曲线或解激光器单模速率方程两种方法, 求出激光器输出光场的幅度、相位的时域表示。前者需给出P 2I 曲线上的一组离散点, 后者需在文件中给出激光器的本征参数。用四阶Runge2Ku t ta 法解激光器的速率方程时, 应恰
当选择初始值和积分步长。
图1　系统仿真框图
Fig. 1　Scheme of s imulation system
　　4) 光纤的传输模块。光纤在频域可视为一线性滤波器。在进行系统评估时, 可采用光纤频域传输函数,其中包含了光源谱宽因子。在具体研究色散特性时,可采用光纤场域传输函数。
　　为了避免复杂的卷积运算, 缩短计算时间, 仿真采用快速傅立叶变换(FFT ) 来处理。即先将激光器输出光场的时域表示进行傅立叶变换, 变换到频域; 乘以光纤的频域表达式, 再进行傅立叶反变换, 得光纤输出光信号的复数表达式, 取模平方可得光功率的表达式。为了进行计算机运算, 需将模型的表达式离散化, 时域用t= i×T s 代入, 其中i= 0, 1, ⋯⋯L ; T s 为抽样频率。
　　5) 光接收机模块。包括光电转换、放大和均衡模块。分别依据光检测器、放大器和均衡器的数学模型
进行仿真模拟。
　　6) 噪声模块。高斯白噪声的产生方法是先利用C语言库函数中提供的随机数产生函数rand (　) , 先产生独立的均匀分布的随机数。然后, 经过变换, 生成具有高斯分布的随机数。
　　7) 输出后处理部分。根据示波器眼图生成原理,我们在计算机上用C 语言编程实现了眼图观测功能,设观测的眼图个数为N UM 个, 对于接收机输出的长度为L 个码元, 每个码元取M 个抽样点的集合, 先将L 个码元按每N UM 个码元为一段分成若干段, 以一段的长度为作图区域, 将后面的各段依次迭加到该段上; 同时将L 个的码序列进行移位, 得到L 比特长的其它组合, 再重复上述过程, 最后得到眼图。这样, 将均衡器输出序列送至眼图观测模块, 就可得到与实际示波器观测到的一样的直观的眼图。从眼图闭合度可以判定系统性能好坏。改变前面模块的参数, 可以从眼图的变化反映参数对系统性能的影响。
　　另外, 用C+ + 语言编写了一个作图程序, 将每一模块的输出送至该作图模块, 便可作出该模块输出的时域波形。
2. 2　系统仿真软件实现的功能
　　1) 光源、光纤、光电检测器、放大器、均衡和光纤放大器等系统部件的建模与仿真;
　　2) 脉冲在传输系统中传输过程的演示;
　　3) 对给定的设计系统进行性能预测评估, 提供眼图和误码率;
　　4) 系统(包括指标的合理分配、参数的优化选取(消光比、放大器的带宽B P、均衡器的带宽B m 等) 的优化设计;
　　5) 利用提供的部件模型, 变动参数, 进行理论研究。
3　系统的性能测试与评估
3. 1　眼图分析法
　　实验室里, 将均衡器输出的随机序列输入到示波器的y 轴, 用时钟信号作为外触发信号, 示波器上就显示出随机序列的眼图。眼图垂直张开度表示系统的抗噪声能力, 当输出信噪比很大时, 张开度主要受码间干扰的影响。因此, 观测眼图的张开度就可以估计出码间干扰的大小, 这为系统性能的评估提供了简单而适用的观测手段。
　　衡量系统性能时, 本文采用了眼图张开度这个重要的指标。眼图张开度反映了系统中的各种影响性能的因素, 如各种噪声、光纤色散、光源啁啾的影响等等。所以可通过眼图张开度来对系统性能作出评价。眼图张开度E 0 由下式确定:
　　　　　E 0 =V 1 - V 2V S(1)
其中, V S 为理想状态下“0”码与“1”码接收电平的差, V 1 为判决时刻“1”码对应的最低电平,V 2 为判决时刻“0”码对应的最高电平。
3. 2　计算误码率
　　由高斯近似法, 误码率P e 为
　　　　P e =12 P∫∞Qexp (- z 2ö2) dz=1
2 Pexp (- Q 2ö2)
Q
(2)
式中, 　Q =
V 1 - D
R
1
=
D - V 2
R
0
(3)
其中R
0, R
1 为“0”码和“1”码的噪声方差。由上式可求判决门限D 值。进一步可以计算判决时刻序列的实际抽样值与门限D 的差值, 变换到放大器输入端。与噪声方差相除, 求得Q 值, 最终得到误码率的值。
3. 3　灵敏度的计算
　　对于用P IN 作探测器的系统, 接收机灵敏度的噪声主要来自预放的噪声。因此可利用给定的放大器等效输入噪声对系统的灵敏度进行预估。例如, 在保证误码率B ER = 10- 9条件下,Q = 6, 则对应的放大器输入端的信噪比SN R = 2 Q = 12。即
　　　　SN R = 2 Q =
is
iT
=
P rm in
õR
iT
(4)
其中, iT 为噪声电流, 若已知放大器带宽为B (GHz) ,给定的放大器等效输入噪声谱密度为A (pA ö Hz) ,
则
　　　　P rm in =
12 iT
R
=
12 A B
R
(5)
3. 4　信号波形观测
　　对于一个输入序列, 为了直观地展示经每一模块传输后的输出波形, 用C+ + 语言编写了一个作图程序。将每一模块的输出送至该作图模块, 便可看到该模块输出的时域波形。
4　仿真实例
　　利用所开发的仿真软件, 我们对一个真实的IM öDD 传输系统进行了仿真分析。该系统的码速B =2. 488 Gbös, 已知相关参数, 应用所开发的仿真软件,按顺序输入各个模块参数, 仿真运行结果, 可显示任一模块的输出波形, 计算发光功率的消光比、计算灵敏度, 最后给出眼图, 计算眼开度和误码率, 据此即可作出性能评估。
　　仿真运行后, 系统各部分的输出波形如图2 (a)～ (e) 所示。与实验波形基本符合。
图2　各部分输出波形
Fig. 2　Waveforms of each part of system s imulation
from top to bottom: (a) to (e)
　　该仿真程序给出以下性能评价参数:
　　发射平均光功率P ave= 0. 988 mW = - 0. 053 8
dBm;
　　灵敏度P rm in = 1. 668 0 e206 = - 27. 778 1
dBm;
　　眼张开度Eye2open= 0. 589 3;判决门限D = 0. 064　　Q = 5. 685 3;判决输出码序列为1011100010100110;统计误码个数得误码率B ER 2coun t= 0;据输出波形计算的误码率B ER 2compu te=
6. 719 5 e209。
　　为了进行比较, 同时作出了215 Gbös 背靠背实验( len= 0) 和经40 km 光纤传输的眼图如图3 (a)～(b) 所示。可见, 与背靠背实验相比, 经光纤传输后的眼图眼皮加厚, 眼开度减少。图3 (c) 为码速为622M bös, 经40 km 光纤传输的眼图。与图3 (b) 相比, 低码速系统的眼开度较大, 表明色散等因素引起的码间干扰较小。
图3　眼图
Fig. 3　The eye diagrams
　　仿真程序还可以提供与实际测试同样的功能。如在该程序中, 通过改变光衰减因子LO SS a 的值, 可以得出背靠背实验和经一定长度光纤传输的接收光功率与误码率的关系曲线如图4 所示。通过仿真程序图4　B ER-P r 关系曲线作出的B ER 2P r 曲线, 可方便地得到光通道的功率代价值, 可对光通道作出评价。可见, 与实际测试相比, 利用该仿真软件, 参数改动方便, 且能作出有效的评估。另外, 利用该仿真程序, 变动参数, 还可以作出系统参数与眼开度的关系曲线, 为优化参数提供依据。
　　同时, 该仿真软件, 除了可用于进行系统性能评估之外, 由于其具有参数调整方便的突出优点, 因而可以根据研究的需要, 选取相应的模块, 变动参数, 考察其对系统性能的影响, 进行深入的理论研究。比如,研究激光器的瞬态特性和高速光纤通信系统中限制系统性能主要因素啁啾和色散的相互作用等。
5　结论
　　仿真实例表明, 本文所建模型的正确性和有效性。利用本文建立的系统各组成模块的仿真模型, 用户可根据自己的需要, 调用已提供的仿真模块, 组成自己的仿真系统, 进行系统评估和理论研究。215以上的系统仿真研究如啁啾特性研究的工作正
在进行。
参　考　文　献
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