OPTISYSTEM在“光纖通信”新技術實驗教學中的應用

陳琳　徐悅婷　朱武　初鳳紅

摘要：光纖通信是當今最主要的有線通信方式，在現(xiàn)代通信網(wǎng)中起著舉足輕重的作用。本文根據(jù)“光纖通信”課程技術更新快的特點，引入OPTISYSTEM，將軟件仿真應用于光纖通信新技術的教學，有效地提高了實驗教學的效果，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才打下了堅實的基礎。

關鍵詞：光纖通信；實驗教學；Optisystem；光OFDM

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）05-0257-02

針對光纖通信的課程特點，本文利用OPTISYSTEM仿真軟件，基于正交頻分復用技術，構建光纖通信系統(tǒng)模型。通過OPTISYSTEM軟件對發(fā)射機、電光調(diào)制、光纖信道、光電檢測和接收機等模塊進行仿真分析，有效地提高了學生的實驗效率，節(jié)省了教學成本。

一、OPTISYSTEM仿真軟件簡介

OPTISYSTEM是OPTIWAVE公司開發(fā)的一套光通信系統(tǒng)模擬軟件。在OPTISYSTEM系統(tǒng)仿真實驗中，學生可以通過調(diào)整光學元器件參數(shù)，對通信系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，直觀地模擬整個光纖通信系統(tǒng)的傳輸過程。利用仿真軟件進行系統(tǒng)性能分析，有利于引導學生對復雜系統(tǒng)進行探索，提高學生對系統(tǒng)性能的全面認識。本文利用該軟件搭建基于相干檢測光正交頻分復用系統(tǒng)，并對光譜、星座圖等進行比較分析。

二、光OFDM系統(tǒng)仿真模型

相較無線通信領域，OFDM技術在光通信中的研究相對較晚。直到2005年，Jolley等人提出將無線通信的OFDM技術應用到高速光纖傳輸領域，人們才開始考慮將OFDM技術用于光通信，即光正交頻分復用系統(tǒng)。

光OFDM可以分為直接檢測光OFDM和相干檢測光OFDM兩種。相干檢測光OFDM結合了相干光檢測和OFDM技術優(yōu)勢，可有效利用光譜資源實現(xiàn)大容量、長距離傳輸。CO-OFDM系統(tǒng)框圖如圖1所示。

相干檢測光正交頻分復用系統(tǒng)可分為五個功能模塊：RF-OFDM發(fā)射機；電光調(diào)制模塊；光信道；光電檢測模塊；RF-OFDM接收機。各模塊具體性能如下：

（1）RF-OFDM發(fā)射機：如圖2所示，將二進制高速比特率數(shù)據(jù)進行QAM星座調(diào)制，并通過串并（S/P）變換成N個低速比特率并行數(shù)據(jù)。再對復數(shù)數(shù)據(jù)作IFFT變換，并通過并/串轉(zhuǎn)換將N路并行載波變?yōu)榇袛?shù)據(jù)作為一個OFDM符號。然后，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換（DAC），將符號變?yōu)槟M信號，即得到射頻OFDM信號。

（2）電光調(diào)制模塊：如圖3所示，將射頻電域OFDM信號，利用電光調(diào)制模塊轉(zhuǎn)換為光信號進行傳輸。使用一對并行的雙臂馬赫曾德爾調(diào)制器構成光學I/Q調(diào)制器，由電域放大器來控制下臂的輸入信號相位偏移。

（3）光信道：如圖4所示，通過電光調(diào)制模塊將射頻電域OFDM信號轉(zhuǎn)換為光信號后，形成的光信號在單模光纖中進行傳輸，傳輸過程中為了延長傳輸距離以及增強信號的質(zhì)量，在光信道模塊加入光放大器和光濾波器。

（4）光電檢測模塊：如圖5所示，在CO-OFDM系統(tǒng)中，光電檢測模塊采用相干檢測技術將光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。使用兩對平衡的PIN光電檢測器構成檢測器，通過用90°光混頻和兩個平衡檢測器得到射頻基帶OFDM信號I/Q元件。

（5）RF-OFDM接收機：如圖6所示，從射頻信號解調(diào)出的OFDM基帶信號經(jīng)模數(shù)變換（ADC）后變?yōu)閿?shù)字串行信號。該信號通過串/并（S/P）轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換為并行信號。利用OFDM解調(diào)器件，對所得的并行數(shù)據(jù)做快速傅立葉變換（FFT），并利用并/串（P/S）轉(zhuǎn)換器變?yōu)榇行盘枴Ｍㄟ^QAM星座解調(diào)，恢復成二進制數(shù)據(jù)信號輸出。

三、仿真結果分析

CW激光器的相位噪聲可以由譜線寬度來描述。圖7（a）、（b）、（c）分別為譜線寬度為0MHz、0.15Mhz和15Mhz時激光器輸出的光譜圖。由圖7可知，隨著激光器的譜線寬度增加，產(chǎn)生的干擾也會增加。

光纖的長度會影響到最終的傳輸質(zhì)量，因此，分別測試50KM、100KM、200KM、1000KM的情況。如圖8所示，在傳輸50km或100km后，沒有出現(xiàn)很明顯的星座模糊和偏移。而在傳輸1000km后，星座圖模糊不堪已經(jīng)無法正常顯示。

分別取不同比特率進行傳輸，輸出端星座圖如圖9所示。可以發(fā)現(xiàn)，色散對系統(tǒng)的影響程度與傳輸速率有關，傳輸速率越大，色散對系統(tǒng)的影響程度也越大。

通過用OPTISYSTEM軟件設計分析，可以了解光通信系統(tǒng)各個器件節(jié)點處的波形和頻譜特點，簡單直觀、形象生動。教師可以根據(jù)教學大綱設置相應的實驗項目，讓學生課后學習OPTISYSTEM軟件，并引導學生根據(jù)實驗內(nèi)容建立相應的系統(tǒng)模型進行仿真實驗分析。

四、結束語

運用OPTISYSTEM仿真軟件進行實驗教學，很好地彌補了缺少硬件實驗器件所帶來的不足，豐富了實驗教學內(nèi)容；同時，節(jié)省了實驗課堂教學時間，加深了學生對系統(tǒng)理論知識的理解和提高了他們的知識運用能力。通過對“光纖通信”實驗教學手段的改革，引入了新的技術，提高了學生對實驗教學的積極性，提升了實驗教學的質(zhì)量。

參考文獻：

[1]周雪芳，王天樞.仿真軟件在《光纖通信》實驗教學中的應用研究[J].實驗科學與技術，2011，9（5）：53-56.

[2]李書旗，朱昌平，陳小剛.光纖通信實驗教學的改革與探索[J].中國電力教育，2010，（36）：132-133.