基于Optisystem的单模光纤WDM系统性能仿真

韩 力,李 莉,卢 杰

(吉林大学,吉林长春 130012)

基于Optisystem的单模光纤WDM系统性能仿真

韩 力,李 莉,卢 杰

(吉林大学,吉林长春 130012)

利用Optisystem实现了单模光纤波分复用(WDM)通信系统。在发送端,产生了四路复用的WDM信号,信道采用单模光纤及光放大器,接收端采用光电二极管。利用光谱显示模块显示了关键节点的光谱,利用眼图模块显示了接收端恢复的电信号的眼图。实验表明,建立的单模光纤通信系统具有良好的可靠性,Optisystem非常适合光纤通信系统课程实验。

光通信系统;Optisystem;单模光纤;波分复用

光纤通信系统课程是光通信工程专业的标志性课程。实验教学是“光纤通信系统”课程教学中的一个不可或缺的环节。以往光纤通信系统课程的实验采用硬件设备来实现,这一方面成本非常昂贵,另一方面对学生来讲仅是验证,没有能动性。Optisystem是一个创新性的光通信系统仿真软件,可在光网络物理层上对光学链路进行从器件到系统的设计、测试和优化仿真,如 TDM/ WDM、SDH、光孤子通信等[1-4]。

波分复用技术充分利用光纤的低损耗波段,增加光纤的传输容量,使一根光纤传送信息的物理限度增加一倍至数倍;具有在同一根光纤中,传送2个或数个非同步信号的能力,有利于数字信号和模拟信号的兼容;系统中有源设备得到大幅减少,这样就提高了系统的可靠性[5-9]。波分复用技术是光纤通信系统课程的重要组成部分。本论文利用Optisystem建立了一个波分复用系统,并借助Optisystem的分析功能,对建立的WDM系统性能进行了评价。结果表明,Optisystem非常适合光纤通信系统课程实验教学。

1 WDM通信系统

1.1 WDM通信系统的构成

所谓波分复用(WDM),就是把具有不同标称波长的几个或几十个光通路信号复用到一根光纤中进行传送。WDM系统可以分为单向传输方式和双向传输方式。单向传输的WDM系统的结构如图1所示。WDM光纤系统中的M是指具有波长选路功能的复用器,D代表具有波长选路功能的解复用器。发射机T1,T2,…,Tn分别发射波长为λ1,λ2,…,λn的光信号,这n个光信号经M复用后发送到光纤;在接收端经过D解复用后再由R1,R2,…,Rn接收机分别接收。复用及解复用器是WDM系统的关键器件,这两个器件的使用会造成插入损耗、由波长选择功能不完善引起的复用信道间的串扰问题[10-14]。根据信道间隔的不同,可以将WDM技术分为两类,即密集型波分复用系统(DWDM)与稀疏型波分复用系统(CWDM)。这两种的区别主要体现在信道间隔的差异,CWDM的信道间隔为10~20 nm,而DWDM的信道间隔为0.4~3.2 nm。

图1 WDM光纤系统框图

1.2 WDM系统的关键技术

WDM的关键技术包括三个方面:复用/解复用器、光放大器和光源器件。

(1)复用/解复用器

复用/解复用器实际上就是光学滤波器,其作用是各路光信号进行复用或者对复用的光信号进行解复用。对波分复用器件的主要要求是:插入损耗小,隔离度大;带内平坦,带外插入损耗变化陡峭;温度稳定性好,工作稳定、可靠;复用路数多,尺寸小;具有较高的分辨率等。

(2)光放大器

光放大器的作用是对复用后的光信号进行直接光放大,以解决WDM系统的超长距离传输问题。如图1所示,由于复用/解复用器的插入损耗较大,大大减小了WDM系统的传输距离,满足不了实际需求。因此,在信道中要加入光放大器。对光放大器的要求:有很高的增益、很宽的带宽和较低的噪声系数等。

掺铒光纤放大器(EDFA)以其优越的特性在WDM系统中获得广泛的应用。但在应用中需要解决以下问题:在级联EDFA的WDM系统中,放大的自发辐射噪声会逐渐积累,OSNR(光信噪比)会下降。并且,应用EDFA的增益不平坦及WDM器件和光纤对不同信道的损耗不同,造成自滤波效应,使复用信道之间的功率不均衡。

(3)光源器件

WDM系统的超长距离传输对光源器件提出了非常苛刻的要求,光源器件必须具有十分狭窄的谱宽和非常稳定的发射波长。

光纤通信系统的传输距离不仅受到系统损耗的限制,也还会受到系统色散的限制。在系统传输速率很高的情况下,往往是色散受限占主要地位。光放大器的使用解决了损耗受限的问题,而色散受限的问题则需要选择谱宽极窄的半导体激光器来解决。实践证明,采用传统的直接调制方式会使半导体激光器在高速率工作时产生啁啾现象,它极大地限制了系统的传输距离。要想实现超长距离传输,必须减小或避免啁啾现象,所以WDM系统使用的光源器件采用外调制方法,即所谓外调制型光源。

2 WDM系统的Optisystem实现

图2为基于Optisystem的4路复用的WDM系统仿真模型。图中各器件参数设计如表1所示。

在图2中,在发送端采用外调制产生光源,由4路复用器将光信号复用后注入光纤;信道采用单模光纤和EDFA放大器;在接收端,首先利用解复用其将4路复用的光信号分路,之后利用光电二极管进行检测,将光信号转换为电信号,再经低通恢复发送的信息。

图2 基于Optisystem的WDM系统仿真模型

表1 WDM系统仿真电路参数表

2.1 WDM信号的产生

在发送端首先利用4组器件产生了4个不同波长的光信号。为了避免啁啾现象,每个光信号的产生都采用了外调制方式,调制器采用了马赫增德尔调制器(MZM)。在每一组器件中,包含了一个随机二进制码发生器(PRBSG),一个不归零码脉冲发生器(NRZ Pulse),一个发光二极管源(CW Laser)和一个MZM。PRBSG和NRZ Pulse可以产生一个欲传输的数字基带信息,这个数字基带信号对CW Laser产生的光载波通过MZM进行调制,从而产生一路参与复用的光源。本仿真系统共有四个要传输的数字基带信息,因此,需要四组器件产生四个调制后的光源。这四个光源的波长各不相同,参数见表1。这四个光源通过WDM Mux 4×1复用器复用,产生一个4路的光复用信号。

2.2 WDM系统信道模型

在图2所示的仿真系统中,首先采用了一个3跨的单模光纤与EFDA放大器组合,在每一跨中,利用了一个80 km的单模光纤和一个EDFA放大器,三跨共实现240 km的数据传输。在此之后,又加入了一个100 km的光纤,所以,总体信道实现了340 km的信息传输。三跨是借助 Loop Control来实现的。

2.3 WDM系统接收端恢复

在接收端,首先利用一个WDM Demux 1×4将4路复用的光复用信号分路,之后利用4组器件将分路后的光信号恢复为4路发送的数字基带信号。在接收端的每一组器件中,包含一个光电检测器(Photo PIN)和一个低通贝塞尔滤波器(LPBF)。Photo PIN完成将光信号转换为电信号,这个电信号包含了传输的数字基带信息。由于数字基带信号是低频信号,加入LPBF的目的是提取数字基带信号,抑制其带外噪声,从而可以提高输出信噪比,从而也提高系统的可靠性。

3 仿真结果

图3为发送端发送的WDM信号的光谱与经过光纤信道后的WDM信号光谱图。

图3 光纤信道前后的WDM信号光谱对比

显然可以看出,光信号经过了340 km光纤信道的传输,尽管在光纤信道中经过了三次20 dB的放大,总计放大了60 dB,光信号的功率还是有很大的衰减。经过光纤信道带来的更大的问题是,由于单模光纤信道的非线性和散射,导致信号产生了失真,有了一些新的波长成分的信号出现。

为了分析光通信系统传输性能,通常需要通过眼图或误码率来分析系统的码间串扰和噪声对系统的影响。在Optisystem中提供了很多手段,可以用于光通信系统的可靠性分析,如在Visualizer Library中电模块库中的BER Analyzer (误码率分析仪),通过这个BER分析仪可以得到数字基带信号的眼图、Q值。图4中给出了在单模光纤为340 km和240 km时的眼图。另外,在Optisystem中,有report选项卡,在report中,我们可以得到仿真中感兴趣的数据曲线,图5为随着发射端功率增加的WDM系统的误码率曲线。

为了观察光纤传输距离对系统的影响,在仿真中做了光纤距离不同的两种眼图的比较。一种是三跨之后加入了100 km光纤,此时光纤距离为340 km;一种是光纤仅使用三跨的光纤信道,此时光纤距离为240 km。图4(a)为单模光纤长度为340 km的眼图,图4(b)为单模光纤长度为240 km的眼图。由于在使用Optical Fiber_1后,没有再进行光放大,信号强度相对没有使用Optical Fiber_1要小,因此,进行接收时,眼图和Q值相对没有使用Optical Fiber_1要差得多。从图4可见,当使用Optical Fiber_1后的眼图,噪声较大,眼睛也没有不使用时睁的大,也就是码间干扰较大,误码率因此也会增加。

图4 接收端数字基带信号的眼图

图5给出了光纤长度为340Km情形下的随着发射端CW Laser的功率由小变大(从-10dBm到10dBm)时,系统的误码率曲线。可以看出,随着发射端功率的增加,误码率越来越小。

图5 WDM系统的误码率

4 结 论

论文通过对WDM系统的仿真,验证了WDM原理,也确认了Optisystem应用于光纤通信系统课程实验的可行性。通过本文可以看出,借助Optisystem完成光纤通信系统课程实验,建立系统成本低、简洁方便;可以灵活地进行参数调节,并利用Optisystem得到的实际参数的测量结果,可以对系统中存在的问题进行改进,简化了系统性能优化的过程。在实验室中,为了观察实验中的现象,我们会用光谱分析仪、频谱分析仪、示波器等,由于条件的限制,基本上一台硬件设备只能相应地配一套观察设备,很难满足同时监测多点信号,对多点信号进行对比分析。Optisystem做多点同时监测,对比分析优势非常明显;最后, Optisystem打破了硬件电路不能自己设计的限制,可以增加学生的能动性,根据学习的理论知识,根据给出的指标自己设计系统,非常适合光纤通信系统实验教学。

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Simulation and Analysis for System Performance of SMFWDM Based on Optisystem

HAN Li,LILi,LU Jie
(Jilin University,Jilin Changchun 130012)

Single-mode fiber wavelength division multiplexing(WDM)communication system is simulated by Optisystem.On the sender,a four-waymultiplexWDM signal is produced.Then,theWDM signal is transmitted through the single-mode optical fiber(SMF)and optical amplifiers.On the receiver,photodiode is used to detect the signals.The spectrum are displayed at key nodes by Optical Spectrum Analyzer,and the eye diagram of recovered electrical signal are showed by BER Analyzer at the receiver end.Simulation results show that the designed single-mode optical fiber communication system ownswell reliability,and Optisystem is ideal for optical fiber communication systems experimental course.

optical communication system;optisystem;SMF;WDM

TN 29;TP 391.9

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.005.028

1007-2934(2015)05-0097-05

2015-06-03

吉林大学实验教学改革项目(2013002)