基于某RZ的40 Gbps SMF光纤传输系统的设计与仿真.docx

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基于某RZ的40GbpsSMF光纤传输系统的设计与仿真

课程设计任务书

2016—2017学年第二学期

专业：

学号：

：

课程设计名称：

光纤通信课程设计

设计题目：

基于RZ的40GbpsSMF光纤传输系统的设计与仿真

完成期限：

自2017年5月22日至2017年6月8日共2周

一、设计依据

窗体顶端

光纤通信技术从光通信中脱颖而出，已成为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用。

电发射机把信号转换为适合信道传输的信号，这个转换如果需要调制，则其输出信号称为已调信号，然后把这个已调信号输入光发射机转换为光信号，光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号，电接收机把接收的电信号转换为基带信号，最后由信息宿恢复用户信息。

利用光发送模块、光接收模块以及光纤，设计40Gbps单模光纤传输系统。

并用Optisystem仿真软件进行仿真，最终确定最佳的光纤传输系统的参数设置。

二、要求及主要容

1．查阅相关文献，掌握光纤通信系统的基本结构组成，掌握光纤通信系统光纤通信的基本原理；

2．学会Optisystem仿真软件的使用方法，并搭建40GbpsSMF光纤传输系统；

3．利用直接调制和间接调制两种方法进行仿真分析。

三、途径和方法

1．查阅相关文献，理解光纤传输系统的基本结构和基本工作原理；

2．利用Optisystem仿真软件搭建简单的光纤传输系统；

3．通过改变光源功率、光纤长度来分析传输后的性能参数：

最小误码率、Q值的变化；

4．确定光学传输系统最佳的功率数和光纤长度。

四、时间安排

1．课题讲解：

2小时。

2．阅读资料：

10小时。

3．撰写设计说明书：

12小时。

4．修订设计说明书：

6小时。

五、主要参考资料

[1]　履信．光纤通信系统[M]．机械工业，2003.7

[2]　增基，周洋溢．光纤通信[M]．电子科技大学

[3]　王磊，裴丽．光纤通信的发展和未来[J]．中国科技信息2006.4

[4]　浚明．光纤通信设计[M]．天津科学技术，1995

[5]　梓林．光纤通信工程[M]．人民邮电，1987

[6]　汪杰军．光纤通信系统中光发射机的设计[M]．现代电子技术，2008

指导教师（签字）：

教研室主任（签字）：

批准日期：

年月日

基于RZ的40GbpsSMF光纤传输系统的设计与仿真

摘要

当光纤中只有一个波峰通过且一般v小于2.405时，称为单模光纤，它的芯子很细，约为8-10微米，模式色散很小，能把光以很宽的频带传输很长距离。

单模光纤可容许单模光束传输，可减除频宽振模色散的限制。

单模光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离，在100Mbps的以太网以至1G千兆网，单模光纤都可支持超过5000m的传输距离。

单信道40Gb/s光纤通信系统及其波分复用技术已经成为当前光纤通信研究的热点。

40Gb/s光通信系统中，色度色散、偏振模色散、灵敏度和非线性效应对系统性能影响越来越严重。

本文对这一些特性进行了仿真分析，降低他们对系统性能的影响，并得出了一些结论。

第一部分是对此课题的简单介绍及设计概要。

第二部分是对通过改变光源功率、光纤长度来分析传输后的性能参数：

最小误码率、Q值的变化进行分析。

第三部分是进行仿真，得出他们对光纤特性传输的影响。

最后对得到的数据以及图形分析，总结探究结果。

关键词：

单模光纤，最小误码率，Q值

1绪论1

2光纤传输系统各部分介绍2

2.1光源2

2.2光发送机3

2.3光纤4

2.4光接收机4

2.5中继器5

2.6无源器件6

3光纤传输系统性能7

3.1最小误码率7

3.2Q值8

3.3影响光纤传输系统的主要因素8

3.4光发送机性能参数9

4光纤传输系统仿真分析10

4.1Q值、最小误码率随光源功率的关系11

4.2Q值、最小误码率随光纤长度的关系13

4.3最佳情况下通信系统16

总结19

参考文献20

1绪论

光纤通信在扩大网络传输容量方面起到了其他方式不可替代的作用。

目前，中国已经形成了较完整的光纤通信产业体系，涵盖了光纤光缆、光传输设备、光器件、光模块等领域，受移动互联网、三网融合等新型应用对于带宽需求推动，中国光通信市场开始进入高速成长期[1]。

人们对高速通信系统的需求越来越高，光纤通信由于其容量大、传输距离远、节省能源、抗干扰、抗辐射等诸多优点，成为信息高速公路的主体。

目前2.5Gb/S的光纤通信系统已被广泛应用，10Gb/S速率的超高速干线系统正逐渐得到推广并将成为未来我国信息高速公路的主干。

因此，开发具有自主知识产权、用于光纤传输的高速集成电路对我国信息高速公路的建设具有重大意义。

作为RZ的40GbpsSMF光纤传输系统，在光钎通信系统的发展中有重要地位。

2光纤传输系统各部分介绍

光纤通信技术作为一种广泛应用的信号传输技术从光通信中脱颖而出，单信道光纤通信系统已成为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用[2]。

一个光纤传输系统主要包括三大部分，既光发射机、光接收机和光纤线路。

图2.1光纤传输系统

图2.2单信道光纤通信系统

设计一条光纤链路必须考虑下面的系统要求：

最大的传输距离、传输速率或信道带宽、误码率或信噪比。

2.1光源

在光纤通信系统中对光源有一些基本要求：

①光源发光波长必须与光纤的低损耗工作波长相一致；②光源的输出功率必须足够大；③光源应有很高的可靠性；④光源的谱线宽度要窄；⑤电光转换效率要尽量高；⑥光源应便于调制；⑦光源应体积小、重量轻，便于安装[3]。

半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件。

.其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。

发光二极管由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。

当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。

在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。

砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光。

因化学性质又分有机发光二极管OLED和无机发光二极管LED。

2.2光发送机

发送机（transmitter）是指产生并送出信号或数据的设备。

光发送机（Opticaltransmitter）是光传输网中的一类设备，和光接收机（Opticalreceiver）成对使用。

光发送机将电信号转成光信号，通过光纤发送，光接收机则将光信号转成电信号。

在光纤通信系统中，光发送机的作用是把从电端机送来的电信号转变成光信号，并送入光纤线路进行传输。

光发送机的作用是进行电-光转换。

模拟光纤通信系统最重要的技术指标之一是系统的线性度。

在这类系统中，接收端的光检测器（一般采用PIN光电二极管PIN-PD）具有相当好的线性度，各种晶体管电路的线性度也可以设计得很好，于是光源器件（LD或LED）本身的线性度就成为了决定模拟光纤通信系统线性度好坏的主要因素。

相移调制补偿法：

两个特性相同的发光二极管分别由相位不同的注入电流信号来调制，两路LED输出的光信号经Y型光纤耦合器输出至光纤传输。

由相移器所产生的两路注入电流调制信号的相位差不同，可以消除不同的谐波分量。

当相移量为90°时，由二次谐波造成的非线性失真可以得到明显的抑制。

但对三次谐波的补偿作用却甚微；当相移量为60°时，可以明显抑制三次谐波，但对二次谐波的抑制作用很差。

可以用多路不同相移的调制器调制多个相同特性的LED，再一起耦合入纤，用以同时抑制几个谐波成分。

由于这种补偿方式需要多个调制器和LED，且需要性能较好的多路至一路无源光纤定向耦合器，因此，代价很高。

同时，特性完全相同的LED也不易选到。

前馈补偿法:

注入电流信号S被分成两路，一路直接输入调制器1，去调制光源，设由于的非线性而产生的附加失真量为，调制器1的增益为K（常量），则输出的光信号的一小部分为K（S+）。

与封装在一起的PIN光电二极管检测到输出的光信号的一小部分并以良好的线性将其转换成（弱）光生电流信号，再经线性放大器放大（控制）形成含失真成分的输出电流（S+）。

此信号与延迟电路来的信号S分别输出至误差控制器的“-”和“+”输入端，经误差控制器后，输出的只是附加失真量。

2.3光纤

单模光纤：

中心玻璃芯很细（芯径一般为9或10μm），只能传一种模式的光纤。

因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。

后来又发现在1.31μm波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。

这样，1.31μm波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段1.31μm常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITU－T在G652建议中确定的，因此这种光纤又称G652光纤。

652单模光纤

满足ITU-T.G.652要求的单模光纤，常称为非色散位移光纤，其零色散位于1.3um窗口低损耗区，工作波长为1310nm（损耗为0.36dB/km）。

我国已敷设的光纤光缆绝大多数是这类光纤。

随着光纤光缆工业和半导体激光技术的成功推进，光纤线路的工作波长可转移到更低损耗（0.22dB/km）的1550nm光纤窗口。

653零色散光纤

满足ITU-T.G.653要求的单模光纤，常称色散位移光纤（DSF=DispersionShifledFiber），其零色散波长移位到损耗极低的1550nm处。

这种光纤在有些国家，特别在日本被推广使用，我国京九干线上也有所采纳。

美国AT&T早期发现DSF的严重不足，在1550nm附近低色散区存在有害的四波混频等光纤非线性效应，阻碍光纤放大器在1550nm窗口的应用。

2.4光接收机

在光纤通信系统中，光接收机的任务是以最小的附加噪声及失真，恢复出光纤传输后由光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能。

光发射机发射的光信号经传输后，不仅幅度衰减了，而且脉冲波形也展宽了，光接收机的作用就是检测经过传输的微弱光信号，并放大、整形、再生成原传输信号。

组成部分：

1.光学接收系统:

在接收端，接收天线的作用是将空间传播的光场收集并汇聚到探测器表面。

2.信号处理

空间光通信系统中，光接收机接收到的信号是十分微弱的，又加之在高背景噪声场的干扰情况下，会导致接收端信噪比S/N<1。

所以对信号的处理是十分必要的。

通常采取的措施有:

一是在光学信道上，采用光窄带滤波器对所接收光信号进行处理，以抑制背景杂散光的干扰。

光学滤波器的基本类型有吸收滤光器、干涉滤光器、双折射滤光器和新型的原子共振滤光器等。

二是在电信道上，采用前置放大器将光电探测器产生的微弱的光生电流信号转化为电压信号，再通过主放大器对信号进行进一步放大。

然后采用均衡和滤波等方法对信号进行整形和处理，最后通过时钟提取、判决电路及解码电路，恢复出发送端的信息。

2.5中继器

中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。

它的作用有两个：

一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行整形。

实用的光纤数字通信系统都是用二进制PCM信号对光源进行直接强度调制的。

光发送机输出的经过强度调制的光脉冲信号通过光纤传输到接收端。

由于受发送光功率、接收机灵敏度、光纤线路损耗、甚至色散等因素的影响及限制，光端机之间的最大传输距离是有限的。

光中继器的功能是补偿光的衰减，对失真的脉冲信号进行整形。

当光信号在光纤中传输一定距离后（约50—70KM），光能衰减，从而使信息传输质量下降。

为了克服这一特点，在大容量、远距离光纤通信系统中，每隔一段距离设置一个中继器，保证光纤高质量远距离传输。

这种系统也叫光纤中继通信。

为便于维护，光中继器应具有公务联络、监控、告警等功能，有的还具有区间通信功能。

光中继器是在长距离的光纤通信系统中补偿光缆线路光信号的损耗和消除信号畸变及噪声影响的设备。

是光纤通信设备的一种。

其作用是延长通信距离。

通常由光接收机、定时判决电路和光发送机三部分及远供电源接收、遥控、遥测等辅助设备组成。

光中继器将从光纤中接收到弱光信号经光检测器转换成电信号，再生或放大后，再次激励光源，转换成较强的光信号，送入光纤继续传输。

2.6无源器件

由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的（如1Km）。

因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。

于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。

3光纤传输系统性能

光纤中传输的光信号具有一定的频谱宽度，也就是说光信号具有许多不同的频率成分。

同时，在多模光纤中，光信号还可能由若干个模式叠加而成。

3.1最小误码率

误码的产生是由于在信号传输中，衰变改变了信号的电压，致使信号在传输中遭到破坏，产生误码。

噪音、交流电或闪电造成的脉冲、传输设备故障及其他因素都会导致误码（比如传送的信号是1，而接收到的是0；反之亦然）。

各种不同规格的设备，均有严格的误码率定义，如通常视/音频双向光端机的误码率应该在：

（BER）≤10E-9（3.1）

由于种种原因，数字信号在传输过程中不可避免地会产生差错。

例如在传输过程中受到外界的干扰，或在通信系统部由于各个组成部分的质量不够理想而使传送的信号发生畸变等。

当受到的干扰或信号畸变达到一定程度时，就会产生差错。

在数据通信中，如果发送的信号是“1”，而接收到的信号却是“0”，这就是“误码”，也就是发生了一个差错。

在一定时间收到的数字信号中发生差错的比特数与同一时间所收到的数字信号的总比特数之比，就叫做“误码率”，也可以叫做“误比特率”。

误码率（BER：

biterrorrate）是衡量数据在规定时间数据传输精确性的指标。

误码率=错误码元数/传输总码元数。

误比特率=错误比特数/传输总比特数。

误码率是最常用的数据通信传输质量指标。

它表示数字系统传输质量的式是“在多少位数据中出现一位差错”。

（3.1）

其中，Pb（e）表示发生误码的可能性，等同于误码率；

P（e）表示波形发生错误并被用户发现的可能性；

M是间断信号的数量

3.2Q值

一个光学谐振腔的质量用品质因数Q来描述的，Q是衡量光学谐振腔的储能（光能）和选择频率的能力。

Q值的定义公式是：

（3.2）

式中，v为腔的谐振频率，E2为腔存储的能量，E1为每秒损耗的能量。

腔存储的能量越多，或者每秒损失的能量越少，谐振腔的质量越好，即品质因素Q的值越高。

通常，Q的定义式没有实际操作的意义。

其中是无源谐振腔的透射光谱谐振峰半高宽，是谐振峰的中心频率。

通常，腔体积越大，对光束能量反馈越高，Q就越高。

需要注明的是，同一个光学谐振腔，对不同的波长有不同的Q。

因为考虑到增益介质的吸收，不同波长的光，在不同的泵浦条件下，在谐振腔的损耗不同。

3.3影响光纤传输系统的主要因素

在光纤中传输的光信号（脉冲）的不同频率成份或不同的模式分量以不同的速度传播，到达一定距离后必然产生信号失真（脉冲展宽），这种现象称为光纤的色散或弥散。

光纤的色散主要有材料色散、波导色散、偏振模色散和模间色散四种。

其中，模间色散是多模光纤所特有的。

这四种色散作用还相互影响，由于材料折射率n是波长λ（或频率w）的非线性函数，d2n/d2λ≠0，于是不同频率的光波传输的群速度不同，所导致的色散成为材料色散。

由于导引模的传播常数β是波长λ（或频率w）的非线性函数，使得该导引模的群速度随着光波长的变化而变化，所产生的色散成为波导色散（或结构色散）。

偏振模色散指光纤中偏振色散，它是由于实际的光纤中基模含有两个相互垂直的偏振模，沿光纤传播过程中，由于光纤难免受到外部的作用，如温度和压力等因素变化或扰动，使得两模式发生耦合，并且它们的传播速度也不尽相同，从而导致光脉冲展宽，引起信号失真。

不同的导引模的群速度不同引起的色散成为模间色散，模间色散只存在与多模光纤中。

光纤的色散及非线性对系统的影响日益突出，在单信道传输速率进一步提高和信道间隔进一步压缩受限制的情况，增加系统的传输速率更期待与增加系统的传输带宽，而采用更大带宽的光纤是其必然的选择[4]。

3.4光发送机性能参数

光信号经过光纤信道的传输，幅度发生了损耗而且脉冲也被展宽。

光接收机的主要作用，是将接收到的微弱光信号转变为相应的电信号，再经过放大和处理，使其恢复为原来的形式[5]。

光发送机的主要性能参数包括：

平均光发送光率、光源的均方根谱宽（RMS）、-3dB谱宽（FWHM）和-20dB谱宽、边模抑制比、消光比和眼图模框等。

平均发送光功率是指在正常的工作条件下，光发送机输出的平均光功率。

对于采用半导体激光器为光源的光发送机而言，其平均发光功率一般在mW级别

均方根谱宽定义为：

用高斯函数

近似光谱包络分布，若

为均方根谱宽值，则有

（3.1）

式中，

为光源波长，

为光源中心波长。

-3dB谱宽定义为：

光源谱线中主模峰值波长的幅度下降一半处光谱线两点间的波长间隔。

-20dB谱宽定义为：

光源谱线中主模峰值波长的幅度下降20dB处光谱线两点间的波长间隔。

边模抑制比定义为：

主模光功率强度与最大边模光功率强度之比的对数。

4光纤传输系统仿真分析

利用OptiSystem软件设计一个40Gb/s单模光纤单信道的传输系统，进行模型仿真，调试程序使其达到设计指标要求及分析仿真结果。

并对40Gb/s光通信系统中，通过改变光源功率、光纤长度来分析传输后的性能参数：

最小误码率、Q值的变化。

设计一个40Gb/s单模光纤单信道的传输系统，分析RZ码对其传输性能的影响，并对系统性能进行优化。

确定光学传输系统最佳的功率数和光纤长度。

仿真系统基本参数设置：

LoopControl：

numberofloops=2

Mach-ZehnderModulator：

extinctionmodulator=30dB

BesselOpticalFilter：

Bandwidth=160GHzFrequency=1550nm

EDFAIdeal：

Gain=10dBNoisefigure=6dB

EDFAIdeal1：

Gain=5dBNoisefigure=6dB

LowPassBesselFilter：

Cutofffrequency=0.75*Bitrate

DCFFiber：

Length=10KmDispersion=-80（ps/nm/km）

从而画出了到RZ的40GbpsSMF光纤传输系统的仿真图4.1。

图4.1基于RZ的40GbpsSMF光纤传输系统

4.1Q值、最小误码率随光源功率的关系

在系统基本条件不变的情况下，设置SMFFiber：

Length=50Km，将光源功率从0.1mW到7mW分为10级，对比系统的误码率和Q值随光功率的变化。

图4.2光源功率变化梯度

图4.3光功率变化与最小误码率的关系

由图4.3可知，随着光源光功率的增加，误码率随着光功率的增加先减小后增大，当光源光功率为0.8mW时系统的误码率最小，系统达到最优如图4.4。

图4.4光源光功率0.88mW时眼图

图4.5光功率0.1mW时眼图图4.6光功率2.4mW时眼图

对比光源光功率分别为0.88mW、0.1mW、2.4mW时的眼图可得，当光源光功率为0.88mW时系统的误码率最小，眼图达到最优的效果；当源光功率分别为0.1mW、2.4mW时系统误码率增加。

图4.7功率变化与Q值的变化曲线

由图4.7可知Q值随着光输入功率的增加先增大后减小，当光功率为0.88mW时Q值最大，系统在本条件下达到最优。

4.2Q值、最小误码率随光纤长度的关系

在光起纤通信系统基本条件不变的情况下，光源光功率为1.25mW时，将SMFFiberr的长度变化围从46Km到55Km，对比系统的误码率和Q值随光功率的变化。

图4.8光纤长度变化

图4.9光纤长度与最小误码率的关系

图4.10光纤长度为50KM后的眼图

由图可知，光纤通信系统随着OpticalFiber的增长先下降后上升，单模光纤的光纤长度为50Km时误码率最小，系统在预设情况下达到最优情况。

图4.11光纤长度与Q值的变化曲线

图4.12SMFFiber不同长度下Q值分布

由图可知，光纤通信系统随着OpticalFiber的增长先上升后下降，当光纤长度为50Km时Q值最大，系统在预设情况下达到最优情况。

4.3最佳情况下通信系统

图4.13Q值变化图4.14最小误码率变化

由图可知在环路控制为2时的系统最佳情况下，光源输出光功率为0.88mW，单模光纤传输长度为50Km。

设置输入光功率围0.1mW到4.9mW，SMFFibre长度围45Km到55Km，DCFFibre色散系数围-75到-85（ps/nm/km），如图4.15、4.16、4.17。

图4.15改变输入光功率围

图4.16改变SMFFibre长度围

图4.17改变DCFFibre色散系数围

得到输入光功率、SMFFibre长度、DCFFibre色散系数与Q值、误码率的关系。

图4.18输入光功率与Q值、误码率的关系

图4.19SMFFibre长度与Q值、误码率的关系

图4.20DCFFibre色散系数与Q值、误码率的关系

图4.21光功率为2.2mW、SMFFibre长度为49.4Km、色散系数为-79.4时下眼图

由图可知在基础条件不变的情况下，修改三个参数的变化围，在所选的变化围，输入光功率为2.2mW、SMFFibre长度为49.4Km、DCFFibre色散系数为-79.4（ps/nm/km）时，系统达到最佳。

总结

误码率与Q值作为光纤传输系统传输性能的重要指标，在每次改变光纤传输系统光纤长度、输入功率等因素时都应该重新对误码率与Q值进行测量，以便使系统达到最优性能。

本文采用Optisystem软件对基于RZ的40GbpsSMF光纤传输系统进行仿真，设置输入光功率围0.1mW到4.9mW，SMFFibre长度围45Km到55Km，DCFFibre色散系数围-75到-85（ps/nm/km）得到，在输入光功率为2.2mW、SMFFibre长度为49.4Km、DCFFibre色散系数为-79.4（ps/nm/km）时，达到此种变化围的最佳系统参数。

参考文献

[1]履信.光纤通信系统[M].机械工业，2003.

[2]郭胜强.光纤发送系统设计[M].马市广播电视台，2016.

[3]庞威.光端机技术的发展与应用[M].威汉邦高科科技，2013.

[4]何珍宝.型宽带通信光纤的研制[M].华中科技大学，2006.

[5]记梅.基于点对点传输的光纤通信系统仿真软件开发[M].海事大