陳曉明

（肇慶學(xué)院,廣東 肇慶 526061）

1.前言

光纖通信系統(tǒng)是由光發(fā)送機(jī)、光接收機(jī)、光纖（或光纜）和各種耦合器件等組成的信息傳輸系統(tǒng)。隨著數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展和對(duì)其要求的不斷提高，系統(tǒng)的復(fù)雜程度也在大幅度地提高，這給數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展提出了不小難題，而通過(guò)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)仿真軟件，可以直接搭建光纖及測(cè)試儀器與激光器的模型，并對(duì)此進(jìn)行分析和研究。利用系統(tǒng)仿真軟件可以避免器件的購(gòu)買(mǎi)和維護(hù)，減少投資。

2.光纖通信系統(tǒng)的概念

光纖通信系統(tǒng)與其它通信系統(tǒng)的區(qū)別從原理上來(lái)說(shuō)只是載波頻率的不同。光載波的頻率在約100THz的數(shù)量級(jí)，而微波載頻的范圍在1-100GHz，由于光載波頻率與微波頻率之間的差別，光通信的信息容量比微波系統(tǒng)高出10000倍，調(diào)制帶寬可以達(dá)到約1Tbps的量級(jí)。正是由于光通信系統(tǒng)具有如此巨大的帶寬潛力，才使得人們不斷地研究和開(kāi)發(fā)光通信系統(tǒng)。光纖通信系統(tǒng)采用光纖作為通信信道。從原理上講，在任何需要傳遞信息的兩地之間都可以使用光纖通信，但促進(jìn)光纖通信發(fā)展的主要原因是其在電訊領(lǐng)域的應(yīng)用。光纖通信的電訊應(yīng)用大致可以分為兩類，即長(zhǎng)途和短途通信。在長(zhǎng)途通信系統(tǒng)中，干線上要求具有很高的容量，光纖通信系統(tǒng)正好滿足這個(gè)要求。事實(shí)上，光纖通信的發(fā)展也得益于長(zhǎng)途通信應(yīng)用的發(fā)展。與同軸電纜系統(tǒng)相比，中繼距離和碼速成量級(jí)的提高使得光纖通信在長(zhǎng)途應(yīng)用方面具有特別的吸引力，尤其是采用光放大器后，可以使無(wú)光電轉(zhuǎn)換的中繼距離大大增加。

3.數(shù)字光纖通信系統(tǒng)仿真方法和應(yīng)用

數(shù)字光纖通信系統(tǒng)是多種多樣的，為了說(shuō)明基于仿真的方法用于性能評(píng)估，讓我們考察一個(gè)光纖通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型（如圖1）。這個(gè)模型只畫(huà)出了一個(gè)典型數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的功能方框的一部分。為討論方便起見(jiàn)，假定我們對(duì)評(píng)估該系統(tǒng)的誤碼率性能與濾波器參數(shù)、非線性放大器參數(shù)以及信噪比之間的函數(shù)關(guān)系感興趣。

圖1 仿真的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)

由于濾波器及非線性的存在，分析法評(píng)估該系統(tǒng)的性能是困難的。帶寬受限的濾波器引入符號(hào)間干擾(1SI)，而噪聲經(jīng)過(guò)非線性單元會(huì)導(dǎo)致非高斯和非加性現(xiàn)象，這些都是很難描述和分析的?？梢宰瞿承┙疲绾雎苑蔷€性單元前置濾波器的影響，將兩個(gè)噪聲源合并，并將這兩個(gè)噪聲源的總效應(yīng)當(dāng)作加性、高斯噪聲源處理。

仿真在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程實(shí)現(xiàn)的所有階段都能起到重要作用，包括從早期的概念設(shè)計(jì)階段到各個(gè)工程實(shí)現(xiàn)階段，以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。設(shè)計(jì)過(guò)程一般從概念定義開(kāi)始，即對(duì)系統(tǒng)予以說(shuō)明，如信息速率、性能目標(biāo)等。任何通信系統(tǒng)的性能由兩個(gè)重要因素控制：信號(hào)噪聲比(S／N)和累積的信號(hào)失真。一般來(lái)說(shuō)，它們互相影響，必須作一些折衷。

總之，仿真在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起著重要作用。在概念定義階段，導(dǎo)出高層的技術(shù)條件；在設(shè)計(jì)進(jìn)行和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，與硬件開(kāi)發(fā)-起確定最后的技術(shù)條件并檢查子系統(tǒng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的影響；在運(yùn)行情況下，仿真可作檢修故障的工具，并預(yù)計(jì)系統(tǒng)的EOL性能。必須指出，要使系統(tǒng)仿真的結(jié)果精確地與實(shí)際情況一致，仿真的模型就應(yīng)盡可能詳細(xì)。這樣，仿真占用的資源和耗費(fèi)的時(shí)間與精力也就隨之而增加。如何在模型復(fù)雜性與仿真的準(zhǔn)確性之間找到合適的平衡和折衷將是實(shí)現(xiàn)仿真時(shí)需要注意的。

4.系統(tǒng)級(jí)仿真的軟件實(shí)現(xiàn)

通過(guò)利用光纖通信系統(tǒng)已經(jīng)建立的數(shù)學(xué)模型，對(duì)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，采用等效基帶仿真的方法,即將載波帶通系統(tǒng)與基帶系統(tǒng)等效，這樣對(duì)數(shù)據(jù)處理量過(guò)大、載波頻率過(guò)高、耗時(shí)等一些列問(wèn)題帶來(lái)了有效的解決途徑。

可以通過(guò)圖2對(duì)仿真軟件的實(shí)現(xiàn)做直觀的描述。在系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)初始化模塊，其主要作用是對(duì)所研究的系統(tǒng)賦初值（如：抽樣頻率、工作波長(zhǎng)、碼序列的長(zhǎng)度等）；信號(hào)源模塊，通過(guò)按照移位寄存器級(jí)聯(lián)產(chǎn)生偽隨機(jī)碼的基本原理，產(chǎn)生的級(jí)數(shù)是K，那么偽隨機(jī)序列信號(hào)源的長(zhǎng)度為2K-1，其級(jí)數(shù)的K范圍是1≤K≤20，同時(shí)將序列設(shè)定為按周期性重復(fù)的，此時(shí)將會(huì)與后續(xù)的傅里葉變換相互印證；系統(tǒng)光源調(diào)制的模塊，可以通過(guò)應(yīng)用解激光器單模速率方程來(lái)導(dǎo)出激光器輸出光場(chǎng)相位的時(shí)域表示；光纖的傳輸模塊，可以將光纖在頻域等效于一線性濾波器，同時(shí)，為了縮短計(jì)算時(shí)間、避免過(guò)多的復(fù)雜計(jì)算，仿真可以應(yīng)用快速傅立葉變換來(lái)進(jìn)行運(yùn)算處理；光接收機(jī)模塊，主要包括放大和均衡模塊、光電轉(zhuǎn)換，其分別按照相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行仿真處理；噪聲模塊，精確定義了信號(hào)和噪聲后，就可以估計(jì)信噪比SNR；輸出后處理部分，在通過(guò)應(yīng)用計(jì)算機(jī)C++編程按照示波器眼圖生成原理，可以實(shí)現(xiàn)眼圖觀測(cè)功能，其系統(tǒng)的完善與否可以通過(guò)眼圖閉合度來(lái)分析。

圖2 系統(tǒng)仿真框圖

5.系統(tǒng)的性能測(cè)試與評(píng)估

5.1 誤碼率的計(jì)算

判決／譯碼輸出一般有誤碼，該輸出又組成另一集合，對(duì)集合中的第k個(gè)元素，定義誤碼率.設(shè) ek(t)為誤碼指示函數(shù)，即t時(shí)刻有誤碼，則ek(t)=1，反之ek(t)=0.集合誤碼率P=EK[ek(t)]在平穩(wěn)的假設(shè)下與t無(wú)關(guān)，如誤碼率具有各態(tài)歷經(jīng)性質(zhì)，PK=P。仿真中可采用某種獨(dú)特的集合，所獲得的系統(tǒng)性能可代表理想集合的結(jié)果。以此，可以進(jìn)一步計(jì)算分析時(shí)刻序列的實(shí)際抽樣值,變換到放大器輸入端，并與噪聲方差相關(guān)聯(lián)，以此計(jì)算出誤碼率的值。

5.2 靈敏度的分析

當(dāng)系統(tǒng)采用PIN作探測(cè)器時(shí),預(yù)放的噪聲便會(huì)成為系統(tǒng)接收機(jī)靈敏度的主要噪聲源，因此可以采用給定的放大器等效輸入噪聲來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的靈敏度預(yù)估。

式中，i為噪聲電流，如果對(duì)于放大器的帶寬D為已知時(shí)，那么對(duì)于放大器的等效輸入噪聲譜密度設(shè)為A，那么Pmin=

4.3 信號(hào)波形觀測(cè)

為了使模塊傳輸后的輸出波形能直觀形象地表示出來(lái)，可以通過(guò)C++語(yǔ)言編輯相關(guān)作圖程序，以此可以觀察到某一模塊輸出的時(shí)域波形。

6.系統(tǒng)仿真技術(shù)及軟件的應(yīng)用在通信系統(tǒng)中的作用

仿真技術(shù)的主要應(yīng)用之一就是輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，也就是計(jì)劃、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)數(shù)值光纖通信系統(tǒng)的過(guò)程。實(shí)際系統(tǒng)的仿真不同于傳統(tǒng)的分析問(wèn)題，它有自己的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)仿真過(guò)程中，不能依靠對(duì)系統(tǒng)各單元特性的詳細(xì)而精密的了解，這里面有現(xiàn)實(shí)而又重要的原因。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須決定合適的參數(shù)來(lái)給以一定的初始限制。在這些初始參數(shù)說(shuō)明的基礎(chǔ)上，我們就可以建立一個(gè)仿真模型來(lái)確定假設(shè)系統(tǒng)所造成的性能蛻化，把它與原來(lái)的鏈路預(yù)算放在一起考慮，我們從這些信息了解鏈路是否閉合。鏈路閉合是指失真和信噪比都調(diào)整到了滿足系統(tǒng)性能要求的值，或許還有一些余量。如果不是這種情況，那么鏈路預(yù)算和失真參數(shù)都必須重新檢查并調(diào)整到獲得鏈路閉合為止。

在光纖通信系統(tǒng)中連接器的衰減影響已包含在信源模型中。濾波器模塊包括放大器及均衡濾波器模塊。放大器的熱噪聲用仿真模塊團(tuán)中的加性高斯白噪聲模擬。R的測(cè)量可通過(guò)在最佳取樣時(shí)間附近以很多固定增量對(duì)接收波形取樣而得到。仿真中并不明顯含有時(shí)間抖動(dòng)。抖動(dòng)統(tǒng)計(jì)特性(可單獨(dú)獲得)可用來(lái)加權(quán)靜態(tài)條件下得出的BER。在實(shí)際情況下，經(jīng)常使用公式或圖解來(lái)近似表達(dá)功率或上升時(shí)間的預(yù)算，但更有效的方法是通過(guò)仿真使各種假設(shè)更加合理。最好的方法自然是直接測(cè)試實(shí)際硬件，但通常這是不實(shí)際的?？赡艿氖窃谟谙到y(tǒng)級(jí)實(shí)施硬件測(cè)量。系統(tǒng)仿真軟件可很容易地與這種信息結(jié)合起來(lái)。在提出的設(shè)計(jì)通過(guò)較“簡(jiǎn)單和近似”的測(cè)試后，仿真是正確估算一個(gè)系統(tǒng)的有力補(bǔ)充。

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