數字光纖通信系統仿真軟件的研究

陳曉明

（肇慶學院,廣東 肇慶 526061）

1.前言

光纖通信系統是由光發送機、光接收機、光纖（或光纜）和各種耦合器件等組成的信息傳輸系統。隨著數字光纖通信系統的不斷發展和對其要求的不斷提高，系統的復雜程度也在大幅度地提高，這給數字光纖通信系統的發展提出了不小難題，而通過數字光纖通信系統仿真軟件，可以直接搭建光纖及測試儀器與激光器的模型，并對此進行分析和研究。利用系統仿真軟件可以避免器件的購買和維護，減少投資。

2.光纖通信系統的概念

光纖通信系統與其它通信系統的區別從原理上來說只是載波頻率的不同。光載波的頻率在約100THz的數量級，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高出10000倍，調制帶寬可以達到約1Tbps的量級。正是由于光通信系統具有如此巨大的帶寬潛力，才使得人們不斷地研究和開發光通信系統。光纖通信系統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，但促進光纖通信發展的主要原因是其在電訊領域的應用。光纖通信的電訊應用大致可以分為兩類，即長途和短途通信。在長途通信系統中，干線上要求具有很高的容量，光纖通信系統正好滿足這個要求。事實上，光纖通信的發展也得益于長途通信應用的發展。與同軸電纜系統相比，中繼距離和碼速成量級的提高使得光纖通信在長途應用方面具有特別的吸引力，尤其是采用光放大器后，可以使無光電轉換的中繼距離大大增加。

3.數字光纖通信系統仿真方法和應用

數字光纖通信系統是多種多樣的，為了說明基于仿真的方法用于性能評估，讓我們考察一個光纖通信系統的簡化模型（如圖1）。這個模型只畫出了一個典型數字光纖通信系統的功能方框的一部分。為討論方便起見，假定我們對評估該系統的誤碼率性能與濾波器參數、非線性放大器參數以及信噪比之間的函數關系感興趣。

圖1 仿真的數字光纖通信系統

由于濾波器及非線性的存在，分析法評估該系統的性能是困難的。帶寬受限的濾波器引入符號間干擾(1SI)，而噪聲經過非線性單元會導致非高斯和非加性現象，這些都是很難描述和分析的。可以做某些近似，如忽略非線性單元前置濾波器的影響，將兩個噪聲源合并，并將這兩個噪聲源的總效應當作加性、高斯噪聲源處理。

仿真在數字光纖通信系統設計和工程實現的所有階段都能起到重要作用，包括從早期的概念設計階段到各個工程實現階段，以及現場試驗。設計過程一般從概念定義開始，即對系統予以說明，如信息速率、性能目標等。任何通信系統的性能由兩個重要因素控制：信號噪聲比(S／N)和累積的信號失真。一般來說，它們互相影響，必須作一些折衷。

總之，仿真在通信系統設計中起著重要作用。在概念定義階段，導出高層的技術條件；在設計進行和開發過程中，與硬件開發-起確定最后的技術條件并檢查子系統對整個系統性能的影響；在運行情況下，仿真可作檢修故障的工具，并預計系統的EOL性能。必須指出，要使系統仿真的結果精確地與實際情況一致，仿真的模型就應盡可能詳細。這樣，仿真占用的資源和耗費的時間與精力也就隨之而增加。如何在模型復雜性與仿真的準確性之間找到合適的平衡和折衷將是實現仿真時需要注意的。

4.系統級仿真的軟件實現

通過利用光纖通信系統已經建立的數學模型，對數字光纖通信系統進行仿真研究，采用等效基帶仿真的方法,即將載波帶通系統與基帶系統等效，這樣對數據處理量過大、載波頻率過高、耗時等一些列問題帶來了有效的解決途徑。

可以通過圖2對仿真軟件的實現做直觀的描述。在系統光纖通信系統初始化模塊，其主要作用是對所研究的系統賦初值（如：抽樣頻率、工作波長、碼序列的長度等）；信號源模塊，通過按照移位寄存器級聯產生偽隨機碼的基本原理，產生的級數是K，那么偽隨機序列信號源的長度為2K-1，其級數的K范圍是1≤K≤20，同時將序列設定為按周期性重復的，此時將會與后續的傅里葉變換相互印證；系統光源調制的模塊，可以通過應用解激光器單模速率方程來導出激光器輸出光場相位的時域表示；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，為了縮短計算時間、避免過多的復雜計算，仿真可以應用快速傅立葉變換來進行運算處理；光接收機模塊，主要包括放大和均衡模塊、光電轉換，其分別按照相應的數學模型來進行仿真處理；噪聲模塊，精確定義了信號和噪聲后，就可以估計信噪比SNR；輸出后處理部分，在通過應用計算機C++編程按照示波器眼圖生成原理，可以實現眼圖觀測功能，其系統的完善與否可以通過眼圖閉合度來分析。

圖2 系統仿真框圖

5.系統的性能測試與評估

5.1 誤碼率的計算

判決／譯碼輸出一般有誤碼，該輸出又組成另一集合，對集合中的第k個元素，定義誤碼率.設 ek(t)為誤碼指示函數，即t時刻有誤碼，則ek(t)=1，反之ek(t)=0.集合誤碼率P=EK[ek(t)]在平穩的假設下與t無關，如誤碼率具有各態歷經性質，PK=P。仿真中可采用某種獨特的集合，所獲得的系統性能可代表理想集合的結果。以此，可以進一步計算分析時刻序列的實際抽樣值,變換到放大器輸入端，并與噪聲方差相關聯，以此計算出誤碼率的值。

5.2 靈敏度的分析

當系統采用PIN作探測器時,預放的噪聲便會成為系統接收機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進行系統的靈敏度預估。

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

4.3 信號波形觀測

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

6.系統仿真技術及軟件的應用在通信系統中的作用

仿真技術的主要應用之一就是輔助系統的設計過程，也就是計劃、設計和實現數值光纖通信系統的過程。實際系統的仿真不同于傳統的分析問題，它有自己的特點。在設計仿真過程中，不能依靠對系統各單元特性的詳細而精密的了解，這里面有現實而又重要的原因。

系統設計者必須決定合適的參數來給以一定的初始限制。在這些初始參數說明的基礎上，我們就可以建立一個仿真模型來確定假設系統所造成的性能蛻化，把它與原來的鏈路預算放在一起考慮，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整到了滿足系統性能要求的值，或許還有一些余量。如果不是這種情況，那么鏈路預算和失真參數都必須重新檢查并調整到獲得鏈路閉合為止。

在光纖通信系統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中的加性高斯白噪聲模擬。R的測量可通過在最佳取樣時間附近以很多固定增量對接收波形取樣而得到。仿真中并不明顯含有時間抖動。抖動統計特性(可單獨獲得)可用來加權靜態條件下得出的BER。在實際情況下，經常使用公式或圖解來近似表達功率或上升時間的預算，但更有效的方法是通過仿真使各種假設更加合理。最好的方法自然是直接測試實際硬件，但通常這是不實際的。可能的是在于系統級實施硬件測量。系統仿真軟件可很容易地與這種信息結合起來。在提出的設計通過較“簡單和近似”的測試后，仿真是正確估算一個系統的有力補充。

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