实验2讲义.docx

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实验2讲义

通信与信息技术公共实验中心

光通讯与光信息技术与系统实验平台

实验指导说明书

（二）

实验名称：

光模拟信号系统仿真实验

2005.6

一、实验名称：

光模拟信号系统仿真试验

二、实验类型：

综合性

三、实验学时：

2学时

四、实验对象：

研究生

五、实验目的：

了解和掌握构成一个光电模拟信息系统的最基本组成部分，多种光模拟调制方法的基本实现方法及评估参数。

六、实验内容：

了解光模拟信号发射系统和接收系统的基本构成，多种光模拟调制方法的设计参数对其输出信号特性的影响；同时了解评价和测量模拟系统的基本指标和重要参数，并了解调整各参数对各种基本性能的影响。

七、实验设备：

PC机；软件OptiSystem4.0。

八、实验原理：

1、模拟光纤通信链路的基本组成单元

图2.1给出模拟光纤通信链路的基本组成单元。

图2.1

最简单的光纤链路形式是直接光强调制（D-IM），对于直接光强调制链路，光发送机只包括半导体激光器光源，不包括调制器。

模拟直接光强调制是用电信号控制光源驱动电流，通过简单地改变偏置点周围的电流以使光源发出光的强度随输入信号而成比例变化。

如图2.2表示模拟电信号线性的直接调制光源的输出光功率。

图2.2

2、模拟光纤通信系统通信质量的评价

评价一个模拟光纤系统时，主要考虑的特性参数是信噪比（SNR）、传输系统中非线性引起的信号失真。

信噪比：

定义为接收信号功率和噪声功率之比。

非线性失真：

实质是输出端产生了输入信号中所没有的谐波分量。

一般来说，实现电光转换的光源，由于在大信号条件下工作，线性较差，所以发射机光源的电输出功率特性是D-IM系统产生非线性失真的主要原因。

如果在一根光纤中，同时传送多个携带不同信息的载波，它们的载频都不相同，则会产生谐波失真和互调失真。

1.）谐波失真

输入余弦波x（t）=A

则输出信号为y（t）=

+

cos

+

cos

+

cos

+…

谐波失真的大小用非线性失真系数D衡量，D定义为输出信号中谐波的功率总和与基波功率之比的平方根，即

D=

2.）互调失真

为了定量的描述互调失真，引入CSO和CTB两个参量。

CSO=10log（峰值载波功率/组合二阶差拍峰值功率）

CTB＝10log（峰值载波功率/组合三阶差拍峰值功率）

注：

当有多个载波频率通过诸如半导体激光器这样的非线性器件时，通过原有频率的线性组合会产生许多新的频率分量，它们也被称作是互调产物或差拍。

由于二阶和三阶差拍主要落在多信道系统的带宽之内，因此本次实验主要关注它们。

九、实验步骤与结果：

1、观察半导体激光器的P-I特性曲线

搭建如图2.2链路：

图2.3

所用器件为：

1.TransmittersLibrary/PulseGenerators/Electrical/BiasGenerator

2.TransmittersLibrary/OpticalSources/LaserRateEquations

3.VisualizerLibrary/Optical/OpticalPowerMeterVisualizer

设置BiasGenerator的幅度为0a.u.；在LaserRateEquations中的main菜单中改变Calculatecurrent，设置为False；把Biascurrent的模式，改为Sweep模式；设置totalsweepiteration为10，使Biascurrent从25到115以10为步长改变；设置Modulationpeakcurrent为0mA；

运行系统，并在Report里绘制以LaserRateEquations>Parameters>Biascurrent为横坐标，以OpticalPowerMeterVisualizer>Results>totalpower（W）为纵坐标的P-I特性曲线；

记录该激光器的阈值电流为。

2、单频信号直接光强调制的仿真及性能分析

1.）参数对于谐波失真的影响

搭建如图2.4链路：

图2.4

所用器件为：

1.TransmittersLibrary/PulseGenerators/Electrical/SineGenerator

2.TransmittersLibrary/OpticalSources/LaserRateEquations

3.OpticalFibersLibrary/OpticalFiber

4.ReceiversLibrary/Photodetectors/PhotodetectorPIN

5.VisualizerLibrary/Optical/OpticalPowerMeterVisualizer

6.VisualizerLibrary/Optical/OpticalTimeDomainVisualizer

7.VisualizerLibrary/Electrical/ElectricalCarrierAnalyzer

8.VisualizerLibrary/Electrical/RFSpectrumAnalyzer

9.VisualizerLibrary/Electrical/OscilloscopeVisualizer（示波器）

全局变量设置：

在Layout中双击空白页面，在SimulationWindow中选择SetSampleRate，Referencebitrate选择为False，设置参数SampleRate为160GHz，Sequencelength为1024bits，Samplesperbit为64。

元件变量设置：

SineGenerator的频率为500MHz；幅度分别为0.4a.u.，0.7a.u.（对应输入电流分别为峰—峰8mA，14mA）；相位为0deg。

LaserRateEquations的thresholdcurrent保持为缺省值33.457mA，将CalculateCurrent设置为False后，设置Biascurrent分别为46mA，56mA，66mA，Modulationpeakcurrent设为10mA。

LaserRateEquations的Includenoise和Includephasenoise以及PIN的噪声处于False状态；

光纤长度设为2km，并设置光纤Dispersion/Groupvelocitydispersion为False状态。

ElectricalCarrierAnalyzer的Frequency1按两个一组分别设为500MHz、1GHz；1.5GHz、2GHz；2.5GHz、3GHz；3.5GHz、4GHz；4.5GHz，5GHz。

Bandwidth为5MHz。

通过RFSpectrumAnalyzer和OscilloscopeVisualizer分别在频域和时域观察信号。

通过ElectricalCarrierAnalyzer测量各谐波的能量值，填入下表，从而定量分析谐波失真，并计算非线性失真系数D。

正弦信号幅度（偏置谐波功率电流）（W）

0.4a.u.

（8mA）

0.7a.u.

（14mA）

46mA

500MHz

1GHz

1.5GHz

2GHz

2.5GHz

3GHz

3.5GHz

4GHz

4.5GHz

5GHz

非线性失真系数D

56mA

500MHz

1GHz

1.5GHz

2GHz

2.5GHz

3GHz

非线性失真系数D

66mA

500MHz

1GHz

1.5GHz

2GHz

2.5GHz

3GHz

非线性失真系数D

2.）偏置点对于相对强度噪声（RIN）的影响

搭建如图2.5链路：

图2.5

全局参数的设置同实验1.

设置SineGenerator的频率为500MHz，幅度为0.7a.u.（对应输入电流为14mA），相位为0deg

设置LaserRateEquations的Biascurrent为sweep模式，totalsweepiteration为3，BiasCurrent分别为46mA、56mA、66mA，Modulationpeakcurrent设为10mA。

设置激光器中的Includenoise为True状态；设置Includephasenoise以及PIN的噪声处于False状态；

光纤长度设为2km，并设置光纤Dispersion>Groupvelocitydispersion为False状态。

右击打开RFSpectrumAnalyzer的componentproperties，设置Resolutionbandwidth为on状态，并改Bandwidth为50MHz。

通过RFSpectrumAnalyzer观察激光器的相对强度噪声（RIN），并放大观察500MHz附近，1GHz附近、1.5GHz附近的频谱和RIN噪声。

在Report中拖出RFSpectrumAnalyze>Graphs>Signalspectrum，在0－6GHz的频带内比较当偏置电流变化时RIN噪声的变化。

描述RIN噪声随偏置电流改变而变化的趋势：

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3、多个频率的信号直接光强调制的仿真及性能分析

搭建如图2.6链路：

图2.6

全局参数的设置同实验2.

元件参数设置：

激光器LaserRateEquations中Includenoise和Includephasenoise以及接收机PIN的噪声处于False状态；

将图2.4的SineGenerator变为CableAccessLibrary>CarrierGenerators>CarrierGenerator，设置频率Frenquency为550MHz，Frenquencyspacing为8MHz，设置CarrierGenerator的幅度为0.8，Randomphase设为false，phase设为0deg。

LaserRateEquations的Biascurrent为60mA，Modulationpeakcurrent设为10mA。

光纤长度设为2km，并设置光纤Dispersion/Groupvelocitydispersion为False状态。

ElectricalCarrierAnalyzer的Frequency分别为8MHz、542MHz；550MHz、558MHz；566MHz、1100MHz；1108MHz、1116MHz；1650MHz、1674MHz；Bandwidth为4MHz。

通过频率计和示波器在频域和时域定量观察互调失真现象，并通过ElectricalCarrierAnalyzer测量二阶失真产物和三阶失真产物的能量，并通过公式计算组合三阶差拍（CTB），填入下表。

输入信号

8mA（峰值）

各

个

频

率

分

量

的

能

量

（W）

8MHz

542MHz

550MHz

558MHz

566MHz

1100MHz

1108MHz

1116MHz

1650MHz

1674MHz

计算出CTB（dB）

十、实验思考题：

根据以上实验结果，综合分析偏置点等对传输特性的影响和有关系统的设计优化的相关思路