1光纖通信課程 光接收機(jī)的特性研究匯總

1、通信系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)與實(shí)踐光接收機(jī)的特性研究院（系）名稱(chēng)信息工程學(xué)院電子與通信工程系專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師2016年6月16日課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第II頁(yè)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)20152016學(xué)年第二學(xué)期專(zhuān)業(yè)：光電信息科學(xué)與工程學(xué)號(hào):1301021037姓名:鄭智虹課程設(shè)計(jì)名稱(chēng)：光纖通信系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：光接收機(jī)的特性研究完成期限：自2016年6月_6_日至2016年6月_19_日共2周一、設(shè)計(jì)依據(jù)光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分，它的作用是將由光纖傳來(lái)的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)放大，處理后恢復(fù)原信號(hào)。光接收機(jī)性能對(duì)整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量有著很大的影響，通過(guò)對(duì)光接收機(jī)的誤碼率，靈敏度，動(dòng)態(tài)范圍等

2、性能參數(shù)的研究，為光接收機(jī)的性能檢測(cè)和維護(hù)等方面的工作提供科學(xué)的數(shù)據(jù)參考。并用Optimist仿真軟件進(jìn)行仿真，搭建光接收機(jī)的傳輸系統(tǒng)平臺(tái)，通過(guò)參數(shù)的設(shè)置，分析最小誤碼率下的入纖光功率。二、要求及主要內(nèi)容1. 查閱相關(guān)文獻(xiàn)，掌握影響光接收機(jī)靈敏度的因素。2. 學(xué)會(huì)Optimist仿真軟件的使用方法，并搭建光接收機(jī)的傳輸平臺(tái)；3. 結(jié)合仿真平臺(tái)，分析最佳眼圖效果下的靈敏度、Q值、增益、功率等參數(shù)。分析光接收機(jī)的傳輸性能。三、途徑和方法1. 查閱相關(guān)文獻(xiàn)，掌握光接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和基本工作原理；2. 利用Optimist仿真軟件搭建光接收機(jī)傳輸系統(tǒng)；3. APD和PIN兩種光電檢測(cè)器的對(duì)比分析，驗(yàn)證

3、光接收機(jī)的性能及影響接收機(jī)靈敏度的主要因素；4. 設(shè)置參數(shù)，定向分析兩種光電檢測(cè)器在傳輸系統(tǒng)中的優(yōu)越性。四、時(shí)間安排1. 課題講解：2小時(shí)。2閱讀資料：10小時(shí)。3. 撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)：12小時(shí)。4. 修訂設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)：6小時(shí)。五、主要參考資料1 李履信.光纖通信系統(tǒng)M.機(jī)械工業(yè)出版社，2003.72 劉增基，周洋溢.光纖通信M.西安電子科技大學(xué)出版社3 王磊，裴麗.光纖通信的發(fā)展和未來(lái)J.中國(guó)科技信息2006.44 楊浚明.光纖通信設(shè)計(jì)M.天津科學(xué)技術(shù)出版社，19955 趙梓林.光纖通信工程M.人民郵電出版社，19876 汪杰軍.光纖通信系統(tǒng)中光發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)M.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008指導(dǎo)教師（簽

4、字）：教研室主任（簽字）：批準(zhǔn)日期：年月日課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第III頁(yè)摘要光纖通信技術(shù)(opticalfibercommunications)從光通信中脫穎而出，已成為現(xiàn)代通信的主要支柱之一，在現(xiàn)代電信網(wǎng)中起著舉足輕重的作用。光纖通信作為一門(mén)新興技術(shù)，其近年來(lái)發(fā)展速度之快、應(yīng)用面之廣是通信史上罕見(jiàn)的，也是世界新技術(shù)革命重要標(biāo)志和未來(lái)信息社會(huì)中各種信息的主要傳送工具。本文章首先介紹了光接收機(jī)的發(fā)展歷史及理論知識(shí)；其次使用optisystem模擬仿真軟件，利用仿真，修改光接收機(jī)性能參數(shù)，分析系統(tǒng)的性能和影響性能的參數(shù)因子；最后對(duì)光路結(jié)構(gòu)改進(jìn)以提高光接收機(jī)的性能。關(guān)鍵字：光纖通信技術(shù)，光接收機(jī)和X.燈課

5、程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第IV頁(yè)目錄1.緒論11.1光纖通信技術(shù)的發(fā)展歷史、目的及意義11.2光接收機(jī)簡(jiǎn)介11.3 光接收機(jī)的類(lèi)型21.4論文結(jié)構(gòu)和內(nèi)容22. 光接收機(jī)的基本理論32.1 光接收機(jī)的結(jié)構(gòu)32.1.1 光接收電路32.1.2 輸出電路42.1.3 其他電路42.2光接收機(jī)性能指標(biāo)42.2.1 靈敏度42.2.2 動(dòng)態(tài)范圍52.2.3 影響接收機(jī)性能的主要因素52.3靈敏度及噪聲分析62.3.1 理想接收機(jī)靈敏度62.3.2 光接收機(jī)噪聲分析72.3.3 光接收機(jī)誤碼率83. 光接收機(jī)的仿真模擬93.1 OPTISYSTEM軟件簡(jiǎn)介93.2 光接收機(jī)OPTISYSTEM仿真93.2.1 APD

6、接收機(jī)散粒噪聲增強(qiáng)93.2.2 誤比特率對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響153.2.3 最小光功率對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響173.3 本章小結(jié)20總結(jié)21課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)參考文獻(xiàn)22課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第2頁(yè)1.緒論1.1光纖通信技術(shù)的發(fā)展歷史、目的及意義光纖通信是以光波為信息載體，通過(guò)光纖來(lái)傳遞的一種通信設(shè)施。因?yàn)樗哂腥萘看?，傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸速度快，經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，所以在當(dāng)今被廣泛應(yīng)用。光纖通信的發(fā)展史雖然只有二三十年，但由于它無(wú)比的優(yōu)越性，使它成為了現(xiàn)代化通信網(wǎng)絡(luò)中最為重要的傳輸媒介。在光纖通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)(Opticalreceiver)的任務(wù)是以最小的附加噪聲及失真，恢復(fù)出光纖傳輸后由光載波所攜帶的信息，因

7、此光接收機(jī)的輸出特性綜合反映了整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的性能。光發(fā)射機(jī)發(fā)射的光信號(hào)經(jīng)傳輸后，不僅幅度衰減了，而且脈沖波形也展寬了，光接收機(jī)的作用就是檢測(cè)經(jīng)過(guò)傳輸?shù)奈⑷豕庑盘?hào)，并放大、整形、再生成原傳輸信號(hào)。1.2 光接收機(jī)簡(jiǎn)介光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的主要組成部分，其性能是整個(gè)光纖通信系統(tǒng)性能的綜合反映。由光發(fā)送機(jī)發(fā)出的光信號(hào)在光纖線路中傳輸時(shí)，不僅會(huì)受到損耗的影響而造成幅度衰減，同時(shí)光纖色散和非線性效應(yīng)等可能會(huì)引起脈沖波形展寬，由此造成的信號(hào)質(zhì)量下降會(huì)增加接收機(jī)接收信號(hào)的難度，這些都對(duì)接收機(jī)的性能提出了較高的要求。光接收機(jī)的主要功能是將經(jīng)光纖線路傳輸后的微弱光信號(hào)進(jìn)行光電變換，然后經(jīng)過(guò)必要的處理后恢復(fù)

8、成原始的信號(hào)。一個(gè)典型的直接檢測(cè)光接收機(jī)主要由光接收電路和輸出接口電路組成。光接收機(jī)的性能直接影響光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離、誤碼率和通信質(zhì)量。1.3 光接收機(jī)的類(lèi)型光接收機(jī)分為模擬光接收機(jī)和數(shù)字光接收機(jī)兩種。模擬光接收機(jī)用于接收模擬信號(hào)，比如說(shuō)光纖CATV信號(hào)。當(dāng)前的通信系統(tǒng)由于大多采用數(shù)字信號(hào)，因而主要用的是數(shù)字光接收機(jī)。檢測(cè)方式分為相干檢測(cè)方式和非相干檢測(cè)方式。相干檢測(cè)方式首先接收將接收到的光信號(hào)與一個(gè)光本地振蕩器在光混頻器混頻之后，再被光電檢測(cè)器變換成一定要求的電信號(hào)，類(lèi)似于無(wú)線電收音機(jī)。常用的非相干檢測(cè)方式就是直接功率檢測(cè)方式，通過(guò)光電二極管直接將接收的光信號(hào)恢復(fù)成基本調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。1

9、.4 論文結(jié)構(gòu)和內(nèi)容通過(guò)閱讀大量的資料及現(xiàn)在人們對(duì)光纖通信系統(tǒng)的研究，本文主要對(duì)光纖傳輸系統(tǒng)中光接收機(jī)的特性的研究。第一章敘述了光纖通信技術(shù)的發(fā)展，其次講解了光接收機(jī)的簡(jiǎn)述及分類(lèi)；第二章介紹了光接收機(jī)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，還說(shuō)明了光接收機(jī)的性能指標(biāo)；第三章簡(jiǎn)單介紹了optisystem這個(gè)軟件，最后是光接收機(jī)的仿真分析?！闭n程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第4頁(yè)2.光接收機(jī)的基本理論2.1 光接收機(jī)的結(jié)構(gòu)圖2.1光接收機(jī)結(jié)構(gòu)(1) 光電檢測(cè)器的輸出信號(hào)電流很小，必須由低噪聲、寬頻帶的前置放大器進(jìn)行放大。(2) 信號(hào)進(jìn)行高增益的放大并對(duì)經(jīng)傳輸和放大后的失真信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償與整形(3) 將信號(hào)的基線(低電平)固定在某一電

10、平上，解決信號(hào)的基線漂移，以便于判決(4) 從收到的帶有噪聲和畸變的波形中識(shí)別信碼“1”和“0”。然后由再生電路重新產(chǎn)生和發(fā)端一樣的數(shù)字脈沖序列。2.1.1 光接收電路光接收電路由檢測(cè)器、前置放大器、主放大器、自動(dòng)增益控制和均衡電路組成。它將光信號(hào)變換成一定幅度的、波形好的電信號(hào)，供后續(xù)電路進(jìn)行再生判決。(1) 光檢測(cè)與前置放大器光電檢測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換。由發(fā)送端發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖線路傳輸后，到達(dá)接收端已經(jīng)很微弱。檢測(cè)器輸出的電流僅在nA數(shù)量級(jí)。所以必須采用多級(jí)放大將微弱的電信號(hào)放大至判決電路能正確識(shí)別。由于信號(hào)微弱又帶有噪聲，如果采用一般的放大器進(jìn)行放大，放大器本身就會(huì)將前一級(jí)放大器所引入的

11、噪聲也進(jìn)行放大，信噪比并沒(méi)有得到改善。因此多級(jí)放大器的前級(jí)必須滿(mǎn)足低噪聲、高增益的要求，才能得到較大的信噪比。(2) 主放和均放信號(hào)經(jīng)前置放大器輸出仍然比較微弱，不能滿(mǎn)足幅度判決的要求，因此還必須加以放大。由于光接收機(jī)的入射光功率有一個(gè)可變化的動(dòng)態(tài)范圍，因此放大器增益也應(yīng)隨入射光功率的變化得到相應(yīng)的調(diào)整，以適應(yīng)在不同輸入信號(hào)情況下仍能保持輸出電平穩(wěn)定。即實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。在光接收機(jī)中，把實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制的放大級(jí)稱(chēng)為主放大器。均放電路的主要作用是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行均衡以利于定時(shí)判決。（3）基線處理與定時(shí)再生由于傳輸線路上所傳送的碼流中“0”、“1”分布并不均勻，并不可避免地有連續(xù)的“0”或連續(xù)的

12、“1”出現(xiàn)，使得信號(hào)中的直流成分有起伏變化，這種信號(hào)在接收機(jī)中處理時(shí)，因各級(jí)間的耦合均為交流耦合，即RC耦合，這會(huì)使信號(hào)的基線隨直流成分的變化而漂移。這種漂移嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使判決產(chǎn)生誤碼。在發(fā)送端雖已進(jìn)行了線路碼型變換，以使碼流中的“0”、“1”分布盡可能均勻使信號(hào)中的直流分量盡可能恒定，但是由于種種原因，難以達(dá)到理想程度。因此在定時(shí)再生電路中，首先要對(duì)基線漂移進(jìn)行處理，即將信號(hào)的基線（低電平）固定在某一電平上。經(jīng)過(guò)基線處理的信號(hào)，首先要進(jìn)行幅度判決，然后再經(jīng)過(guò)時(shí)鐘提取，還原出幅度和時(shí)鐘準(zhǔn)確的再生信號(hào)是定時(shí)再生。2.1.2 輸出電路輸出電路是光端機(jī)接收部分在定時(shí)再生之后的信號(hào)處理部分。通常包括線路

13、碼型反變換、輸出接口兩大部分。低中速率的光端機(jī)，則將這兩部分安裝在一塊機(jī)盤(pán)中，稱(chēng)為輸出盤(pán)。在“光電合架”設(shè)備中，取消了輸出接口電路，則碼型反變換部分和光接收電路裝在同一塊機(jī)盤(pán)中。2.1.3 其他電路告警電路、倒換電路、公務(wù)電路、電源電路2.2光接收機(jī)性能指標(biāo)光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)包括接收機(jī)靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、過(guò)載功率、誤碼率、信噪比、Q值等，其中靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍是光接收機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)。靈敏度表示在給定的誤碼率（或信噪比）條件下，光接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力。動(dòng)態(tài)范圍表示光接收機(jī)適應(yīng)輸入信號(hào)變化的能力。2.2.1 靈敏度課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第8頁(yè)光接收機(jī)靈敏度是表征光接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)，接收微弱光信號(hào)的

14、能力。它可用下列三種物理量表示。在保證達(dá)到所要求的誤碼率（或信噪比）條件下，接收機(jī)所需的：（1）輸入的最小平均光功率PR；（2）每個(gè)光脈沖的最低平均光子數(shù)n0；（3）每個(gè)光脈沖的最低平均能量Ed。d三種表示方法之間的關(guān)系：EnhfPr=寸=2r(式2-1)式中:T為脈沖碼元時(shí)隙,T=1/fbhf是一個(gè)光子能量PR的單位為W,常用mW。若用dBm來(lái)表示靈敏度Sr,則可寫(xiě)為:S二10仗上(dBm)r1mW式2-2)2.2.2 動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍表征的是光接收機(jī)適應(yīng)輸入信號(hào)變化的能力,也即光接收機(jī)靈敏度和過(guò)載功率之間的差值。即D=10lgP(mW)max1(mW)-10lgP(mW)min1(mW)P

15、=10lgmaxPmin(dB)式2-3）2.2.3影響接收機(jī)性能的主要因素由上述計(jì)算接收機(jī)最小接收光功率的公式中看出,在一定誤碼率條件下,影響接收機(jī)靈敏度的因素有:碼間干擾、消光比、暗電流、量子效率、光波波長(zhǎng)、信號(hào)速率、各種噪聲等。下面只對(duì)碼間干擾、消光比、暗電流的影響進(jìn)行分析。（1）碼間干擾在光纖通信系統(tǒng)中,光接收機(jī)的輸入光脈沖信號(hào)寬度與光發(fā)送脈沖及光纖的帶寬有關(guān)。在光纖色散較大的情況下,光脈沖通過(guò)光纖時(shí)將被展寬,產(chǎn)生碼間干擾,降低光接收機(jī)的靈敏度。（2）消光比光源在直接強(qiáng)度調(diào)制下，由于要考慮一定的偏置電流，使得無(wú)信號(hào)脈沖時(shí)仍會(huì)有一定的輸出功率。這種殘留的光將在接收機(jī)中產(chǎn)生噪聲，影響接收機(jī)

16、靈敏度。定義參數(shù)消光比（EXT）為：EXT=全“”碼時(shí)平均輸出光功率（式2-4）-全“1”碼時(shí)平均輸出光功率一般要求EXTW10%。當(dāng)EXTHO時(shí)，光源的殘留光使檢測(cè)器產(chǎn)生噪聲。EXT越大時(shí)對(duì)靈敏度的影響也越大，其值與使用的光檢測(cè)器有關(guān)。（3）暗電流光電檢測(cè)器中的暗電流對(duì)光接收機(jī)靈敏度的影響與消光比的影響相似。暗電流與光源無(wú)信號(hào)時(shí)的殘留光一樣，在接收機(jī)中產(chǎn)生噪聲，降低接收機(jī)的靈敏度。在APD光電檢測(cè)器中，有兩種暗電流，一種是無(wú)倍增的，一種是有倍增的，后者對(duì)靈敏度的影響要比前者更大一些。2.3靈敏度及噪聲分析光接收機(jī)的作用是將接收到的微弱的數(shù)字光信號(hào)通過(guò)光電二極管轉(zhuǎn)換為光電流，并經(jīng)放大、整形、判

17、決等信號(hào)處理，完成信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)。一個(gè)性能優(yōu)良的光接收機(jī)應(yīng)具有盡可能高的接收靈敏度。但靈敏度的提高受到了接收機(jī)中存在的噪聲的影響。噪聲的存在將會(huì)降低接收機(jī)的靈敏度。2.3.1 理想接收機(jī)靈敏度考慮一個(gè)理想光纖通信系統(tǒng)，即是假設(shè)系統(tǒng)的頻帶無(wú)限寬，系統(tǒng)無(wú)噪聲。對(duì)這樣的系統(tǒng)，我們可認(rèn)為，發(fā)送端調(diào)制信號(hào)是矩形脈沖，光脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)浇邮斩?，?jīng)過(guò)光電檢測(cè)器檢測(cè)得到的電信號(hào)還是矩形脈沖。那在這種系統(tǒng)中，接收機(jī)的靈敏度將受到什么限制呢？最大可能的值是多少呢？（1）理想接收機(jī)靈敏度的計(jì)算根據(jù)Pe=PN切=fhf（式2-5）在誤碼率要求為Pe=1-9時(shí)，即可求出Ed,即為理想光纖通信系統(tǒng)接收靈敏度。Ed=

18、21f/（式2-6）由上式可見(jiàn)，理想光纖通信系統(tǒng)的靈敏度（Pe=10-9時(shí)）為21個(gè)光子的能量?；蛘哂孟率奖硎綪=10.5hcf/切（式2-7）Rb由此可知，理想接收機(jī)的靈敏度與光信號(hào)速率、光波頻率（或波長(zhǎng)）、檢測(cè)器的量子效率n有關(guān)。（2）工程中靈敏度的計(jì)算在實(shí)際工程應(yīng)用中，接收機(jī)所需的最小接收光功率可按如下近似公式計(jì)算。當(dāng)光電檢測(cè)器為PIN時(shí)：P=10-9，P=3.25x10-8（b-）3/2eRf（式2-8）b0當(dāng)光電檢測(cè)器為APD時(shí)：fP=10-9，P=1.64x10-9（4）7/6eRfb0（式2-9）式中fb為系統(tǒng)碼速M(fèi)bit/s，fb0為基準(zhǔn)計(jì)算碼速，fb0=25Mbit/s。2.

19、3.2光接收機(jī)噪聲分析光接收機(jī)中存在各種噪聲源，根據(jù)噪聲產(chǎn)生的不同機(jī)理，噪聲可分為兩類(lèi)：散粒噪聲和熱噪聲。接收機(jī)中的噪聲源及其引入部位如圖4-12所示。其中散粒噪聲包括光檢測(cè)器的量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲和APD倍增噪聲；熱噪聲主要指負(fù)載電阻產(chǎn)生的熱噪聲，放大器噪聲（主要是前置放大器噪聲）中，既有熱噪聲，又有散粒噪聲。信號(hào)輸入噪聲溺臓負(fù)載電,阻I熱噪聲放大器噪聲量子噪聲暗電流噪聲倍增噪聲圖2.2光接收機(jī)噪聲對(duì)于光檢測(cè)器的噪聲，采用的主要方法是從建立噪聲的數(shù)學(xué)模型著手進(jìn)行分析。（此處推導(dǎo)過(guò)程不作要求）如果規(guī)定誤碼率指標(biāo)為不超過(guò)Pe=10-9，則最小必須接收的光脈沖能量應(yīng)為min（式2-10

20、）如果量子效率n=i,則最小檢測(cè)的光脈沖能量必須等于2ihf，也就是說(shuō)最小必須接收21個(gè)光子，才能保證誤碼率不大于10-9。如發(fā)送端發(fā)出的“1”碼和“0”碼等概率出現(xiàn)（數(shù)目相等）每位碼持續(xù)時(shí)間為T(mén),那么平均檢測(cè)光功率必須至少為min21hf2T式2-ii)這就是接收機(jī)靈敏度對(duì)規(guī)定誤碼率Pe=10-9的基本極限，即所謂量子極限。2.3.3光接收機(jī)誤碼率光接收機(jī)的誤碼主要由散粒噪聲、倍增噪聲、熱噪聲等綜合的總噪聲引起。誤碼的多少及分布不僅和總噪聲的大小有關(guān)，還與總噪聲的分布有關(guān)。入射光子在PIN內(nèi)產(chǎn)生的電子或在APD內(nèi)產(chǎn)生的一次電子通常服從泊松分布。但經(jīng)過(guò)電子倍增，再經(jīng)放大、均衡后，噪聲分布變得很

21、復(fù)雜。所以要精確計(jì)算誤碼率及靈敏度就比較困難。（1）誤碼率的定義是出錯(cuò)的比特?cái)?shù)總的比特?cái)?shù)式2-12)造成誤碼的原因很多，如光纖的色散、光電二極管的噪聲、前置放大器的噪聲等，在這里討論的是光接收機(jī)噪聲對(duì)誤碼率的影響。為了計(jì)算光接收機(jī)的誤碼率，必須知道濾波器輸出信號(hào)的概率分布2）最小誤碼率分析在判決點(diǎn)上電壓V0超過(guò)D的概率，即為把“0”碼誤判為T(mén)”碼的概率可以表示為P二P(VD)二1J00exp(-XJLdV=1-J00_exp(-蘭)dxe，010事2兀ND2N00彩兀D八N02式2-12)把“1”碼誤判為“0”碼的概率為P=P(V-VV-D)=J-(V”-D)exp-匕_V)2e,10m1m2

22、Nd(V-V)=丄J化E%exp(-Y)dY1m-;2rt-o2式2-13)Pe,01=Pe,10時(shí)可獲得最小的誤碼率P二1P+1P二P二P、e2e,012e,10e,01e,10(式2-14)式2-15)”課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第9頁(yè)3.光接收機(jī)的仿真模擬3.1 OptiSystem軟件簡(jiǎn)介隨著光纖通信系統(tǒng)日新月異的發(fā)展，光通信系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜?，F(xiàn)行的光纖通信系統(tǒng)通常包括眾多非線性器件和非高斯噪聲源，對(duì)這樣的光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析是非常復(fù)雜的，需要耗費(fèi)極其多的時(shí)間。因此，人工或者單純依靠經(jīng)驗(yàn)計(jì)算設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)已經(jīng)越來(lái)越顯得力不從心。在這背景下，這些設(shè)計(jì)和分析任務(wù)被高效、有效、先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助軟件執(zhí)

23、行已成為必然的趨勢(shì)。OptiSystem就此營(yíng)運(yùn)而生。OptiSystem是一款創(chuàng)新的光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真軟件，它集成了設(shè)計(jì)、測(cè)試和優(yōu)化各種光網(wǎng)絡(luò)物理層等諸多功能，從模擬視頻廣播系統(tǒng)到洲際骨干光纖鏈路的設(shè)計(jì)均可以使用OptiSystem進(jìn)行設(shè)計(jì)、測(cè)試、優(yōu)化。OptiSystem作為一款獨(dú)立的產(chǎn)品，不依賴(lài)于其他模擬框架。它是一款基于現(xiàn)實(shí)光纖通信系統(tǒng)模型的系統(tǒng)級(jí)仿真軟件。它擁有強(qiáng)大的新的模擬環(huán)境、真正的分層結(jié)構(gòu)定義組件。它允許添加用戶(hù)自定義組件，具備良好的系統(tǒng)擴(kuò)展性，可以實(shí)現(xiàn)與其他仿真軟件比如Matlab的無(wú)縫銜接。OptiSystem具備全面的用戶(hù)圖形界面(GUI,GraphicalUserI

24、nterface),可以靈活控制光學(xué)元件的布局、網(wǎng)表、組件模型、演示圖形等。擁有豐富的元件庫(kù)，其中包含大量的有源和無(wú)源器件，可以滿(mǎn)足一般情況下系統(tǒng)仿真的需求。并且相關(guān)器件均包括實(shí)際的、波長(zhǎng)相關(guān)的參數(shù)。參數(shù)的掃描和優(yōu)化允許用戶(hù)研究特定的器件技術(shù)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。3.2 光接收機(jī)OptiSystem仿真3.2.1 APD接收機(jī)散粒噪聲增強(qiáng)本仿真用于實(shí)現(xiàn)光接收機(jī)使用PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管是接受信號(hào)的噪聲性能。和X.燈課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第13頁(yè)11hlI-51也碎tyiiBaiurAtterLuatiorii=10dIBOpticalPowerMeterLowPassBesselFil

25、terCutofffrequency=0.75BrtrateHzPseixJo-RandbniBrtSeauencNRZPulseGmaatorBitrate=Bit:ateBitssCWLaserFreauerKY=153.1THzPower=0dBmPtLGtoSeteDtorAPDGain=5.55556PhotoietectorPINFork1x2Mach-ZehnderModulator圖3.1接收機(jī)使用PIN和APD性能比較原理圖APD光接收機(jī)在相同入射光功率的情況下具有更高的信噪比SNR,而其信噪比帶的改善來(lái)源于使光電流以倍增因子M增加的內(nèi)增益。1）確定光衰減器的最佳值圖3.2光

26、衰減器衰減變化量曹EyeDiagramAnalyzerDblClickOnObjectstoopenproperties.MoveObjectswithMouseDrag,LI0.51feooo000-08000EoooLi0.51Time(bitperiod)1圖3.3衰減量為5db時(shí)，APD眼圖當(dāng)EyeDiagramAnalyzerDblClickOnObjects,toopenproperties.MoveObjectswithMouseDrag00.51.i.i.ioom-口口l?-J口_-口(TryHprxu一dul00.51Time(bitperiod)圖3.4衰減量為10db時(shí)，

27、APD眼圖當(dāng)EyeDiagramAnalyzerDblClickOnObjectstoopenproperties.MoveObjectswithMouseDrag圖3.5光衰減量為16.67時(shí)，APD眼圖由圖3.3,3.4,3.5對(duì)比得知，光衰減量為10時(shí)，眼圖效果最佳。下面就以光衰減量為10。2)圖3.6APD光接收機(jī)Gain的參數(shù)變化曹EymDiagramAnalyzErDblClickOnObjectstoopenproperties.MoveObjectswithMouseDragTime(bitperiod)圖3.7Gain=5.56時(shí)，APD眼圖當(dāng)EyeDiagramAnalyz

28、er_1DblClickOnObjectstoopenproperties.MoveObjectswithMouseDrag00.5100.51Time(bitperiod)圖3.8PIN眼圖由圖3.7和圖3.8對(duì)比可以看出，這時(shí)，APD系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)高于PIN系統(tǒng)。和X.燈課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第26頁(yè)圖3.9Gain=ll.ll時(shí)，APD眼圖由圖37圖3.9比發(fā)現(xiàn)，如果倍增因子M增大，則會(huì)存在一個(gè)點(diǎn)，在這個(gè)點(diǎn)上散粒噪聲會(huì)降低系統(tǒng)性能，因此找到最優(yōu)的APD增益是很重要的。圖3.10APD不同增益下的Q值分布雪崩光電二極管APD在不同的增益下Q值分布曲線如圖3.6,由圖可知，增益越大,APD的Q值越高

29、。圖3.11APD的增益值與誤碼率的變化曲線sffikoao-.iftMin.logofBER(Gain)blClickOnObjectstcopenproperties.ObjectswithMnueDrag由圖3.11，APD的增益值變化曲線知，增益值在022之間時(shí)，誤碼率對(duì)APD的增益沒(méi)影響;增益值在22以后，誤碼率對(duì)APD的增益影響巨大。3.2.2誤比特率對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響仿真在利用誤比特率度量接收機(jī)靈敏度時(shí)，分析在不同的光功率輸入情況下，數(shù)據(jù)恢復(fù)階段誤比特率BER與Q的關(guān)系。21-1OpticalAttenuator1Attenuation=39dBGWLaserFreciuerK

30、V=193.1THzPer=22.2222dlBm圖3.12誤比特率仿真原理圖010.20.40.60.8Time(bitperiod10QFactorIteration:10blClickOnObjectstcopenproperties.MoveObjectswithMouseDra0.20.40.60.8Timeffaitperiod*圖3.10不同衰減量下的Q值曲線光電二極管PIN在不同衰減量鞋的Q值分布曲線如圖3.10所示.由圖可知，衰減量越大，PIN的Q值越高。1Min.BERIteration:10DblClickOnObjectstoopenproperties.Mnv&Obj

31、ectswithMouseDn圖3.11不同衰減量下的BER曲線光電二極管PIN在不同衰減量下的BER分布曲線如圖3.11所示。由圖可知，衰減量越大，PIN的BER越小。Mirt.BERatUserDefinedDecisionInstant(Power(dBm)DblClickOnObjectstcop&nproperties.ObjectswithMouseDragPower圖3.12光功率與誤比特率的關(guān)系卡巒匚一匚.9更39口P4EU0口Mrl垢ds由圖3.12知，光電二極管PIN的光功率在011db時(shí)，誤比特率對(duì)PIN的光功率無(wú)影響；PIN的光功率在11db17db時(shí)，誤比特率對(duì)PIN

32、的光功率影響明顯；17db20db時(shí)，誤比特率對(duì)PIN的光功率影響不明顯；20db以后，誤比特率對(duì)PIN的光功率無(wú)影響。3.2.3最小光功率對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響仿真對(duì)于接收機(jī)靈敏度指定誤比率的條件下，所需的最低輸入光功率。FileEditViewLayoutToolsReportScriptAdd-InsWindowHelpJQ國(guó)國(guó)|LayoutT園gl|SweepIteration1三|11|IDefault/PassivesLibrary/OpticaUAttenuators/|xOpticalAttenuatorAttenuatorBidirectionalReady-Injx|1D.I&3itrate=BitJrate