实验1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（一）实验名称：光数字收发系统实验2005.6一、实验名称：光数字收发系统实验二、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：本实验通过搭建系统模型，学习相关软件的使用，了解光数字收发系统的基本构成，以及如何评价和测量光电系统。六、实验内容：学习仿真软件的基本使用方法（参见附录），学习光发射系统和光接收系统的基本构成，直接调制、外调制等光调制方法的基本实现方法和不同光学特性，测量并评估光电系统的基本指标和重要参数等。七、实验设备：PC机；软件OptiSystem4.0。八、实验原理：1．光纤数字通信系统的基本组成光纤数字通信系统由发射机、光纤信道、接收机三个基本部分组成。发射机的作用是将电信号转换成光信号形式，并将发射光信号耦合进光纤。光纤数字系统的发射机要完成编码、调制等工作。光源是光发射机的关键器件，光源的发射波长应与光纤的低损耗低色散波长相一致，而光纤的波长特性上有三个低衰减“窗口”，即0.85μm、1.31μm、1.55μm。光纤信道在发射机和接收机间完成光信号的无失真传输。光纤衰减和色散是系统设计的重要问题，常用衰减系数α和色散系数D来衡量。接收机把在光纤末端接收到的光信号还原成电信号，通常由光电二极管和滤波器组成。2．调制方式光纤通信系统中的非相干调制有直接调制和外调制两种。前者是信息信号直接调制光源的输出光强，后者是信息信号通过外调制器对连续输出光进行调制。数字强度光调制，是数字脉冲信号线性地直接调制光源的输出功率。仿真原理框图如图1.1：外调制是激光源与调制器分开，采取对光源发射出去的光束用外加电信号的变化来改变光波的可探测性，即光的强度、相位、偏振和波长等性质。外调制与直接调制相比，其调制带宽要宽得多。外调制仿真原理框图如图1.2：光信号电信号二进制比特信号编码脉冲成形连续波激光器外调制器图1.2数字外调制仿真原理框图电信号光信号激光源二进制比特信号编码脉冲格式变换图1.1数字强度光调制仿真原理框图九、实验步骤与结果：1．外调制系统性能仿真搭建如图1.3所示外调制系统图，双击空白页面，将BitRate设置为10Gb/s。所用器件及路径为：1.TransmittersLibrary/OpticalSources/CWLaser；2.TransmittersLibrary/BitSequenceGenerators/Pseudo-RandomBitSequenceGenerator（随机码序列发生器）；3.TransmittersLibrary/PulseGenerators/Electrical/NRZPulseGenerator（非归零脉冲发生器）；4.TransmittersLibrary/OpticalModulators/Mach-ZehnderModulator；5.OpticalFibersLibrary/OpticalFiber；6.PassivesLibrary/Optical/Attenuators/OpticalAttenuator（光衰减器）；7.ReceiversLibrary/Photodetectors/PhotodetectorPIN；8.FiltersLibrary/Electrical/LowPassBesselFilter；9.VisualizerLibrary/Electrical/BERAnalyzer（误码率分析仪）；10.VisualizerLibrary/Optical/OpticalTimeDomainVisualizer；11.VisualizerLibrary/Optical/OpticalPowerMeterVisualizer（光功率计）；1.）光纤衰减对系统性能的影响(接收机接收功率对误码率的影响)光源CWLaser的参数Power设定为3.079dBm，光纤Length参数为10km。将非归零码脉冲生成器NRZPulseGenerator的“Risetime”和“Falltime”均设为0.15bit。将光电检测器PhotodetectorPIN的Thermalnoise改为8.8*10-23W/Hz。通过改变衰减器Attenuator的值，使接收功率（由功率计OpticalPowerMeterVisualizer测得）按照下表数据变化，运行五次，记录每次的最小误码率值（可以由误码仪右侧的显示直接读出）运行次数12345接收功率(dBm)-21-22-23-24-25最小误码率（BER）2.）光纤色散对系统性能的影响将光源CWLaser的参数Power设定为3.079dBm。非归零码脉冲生成器NRZPulseGenerator的”Risetime”和”Falltime”均设为0.15bit。将光电检测器PhotodetectorPIN的Thermalnoise改为8.8*10-23W/Hz。A．按照下表更改OpticalFiber的“Length”参数和OpticalAttenuator的“Attenuation”参数，保持接收功率为-21dBm，运行五次，将结果填入表中。读出光纤的色散参数D，计算色散值（D*L）运行次数12345Length(km)1030507090色散（D*L）（ps/nm）最小误码率（BER）B．将光电检测器PhotodetectorPIN的噪声项全部设为“False”，如图1.4。使OpticalFiber的“Length”参数由10km到110km以50km为步长变化，观察三次计算后的眼图（选中误码仪右上侧的ShowEyeDiagram），画出草图，记录最低误码率。结合实验A，分析光纤色散对系统性能的影响。Length(km)1060110色散（D*L）（ps/nm）最小误码率（BER）Length(km)眼图草图10601103．直接调制系统性能仿真1）光纤色散对系统性能的影响建立如图1.5所示的数字系统直接调制的系统图，双击空白页面，将BitRate设置为10Gb/s。所用光源器件为TransmittersLibrary--OpticalSources--DirectlyModulatedLaserMeasured，其中：○1main参数中的“Power”设定为2.975dBm，“Extinctionratio”设为30dB；○2Measurements参数中的“Risetime”和“Falltime”均设为1/(Bitrate)*0.15s；“Dampingtimeleadingedge”和“Dampingtimetrailingedge”均设为1/(Bitrate)*0.01s；○3chirp参数中的“Alphaparameter”设定为0.8。图1.5光纤数字直接调制系统仿真图图1.4PIN元件噪声选项另外，将非归零码脉冲生成器NRZPulseGenerator的“Risetime”和“Falltime”均设为0.15bit。将光电检测器PhotodetectorPIN的Thermalnoise改为8.8*10-23W/Hz。按照下表更改OpticalFiber的“Length”参数和OpticalAttenuator的“Attenuation”参数，保持接收功率为-21dBm，运行三次，将结果填入表中。记录各次运行得到的眼图图形，结合外调制色散仿真实验，分析光纤色散对系统性能的影响。比较相同条件下，直接调制与外调制系统的性能差别。运行次数12345Length(km)1030507090色散（ps/nm）最小误码率（BER）Length(km)眼图草图1050902）直接调制信号的相位变化使用光示波器OpticalTimeDomainVisualizer观察直接调制后的波形及其相位（观察PowerY，并选中右下角的Analysis，可观察相位），画出图形并和外调制情况比较（外调制图形也需画出）十、实验思考题：与外调制方式比较，为何直接调制的传输特性有所不同？请结合上面的仿真结果进行分析。附：OpticSystem软件使用基本说明一、Optisystem软件介绍OptiSystem是光通讯系统模拟软件包，它集设计、测试和优化各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身，从长距离通讯系统到LAN和MAN都使用。一个基于实际光纤通讯系统模型的系统级模拟器，OptiSystem具有强大的模拟环境和真实的器件和系统的分级定义。它的性能可以通过附加的用户器件库和完整的界面进行扩展，而成为一系列广泛使用的工具。二、Optisystem用户图形界面基本介绍Optisystem用户图形界面包括以下几部分，其中1、图层（layout）：是主要的工作区，可以在其中插入元件，修改参数及连接元件构建系统；2、dockers：包括元件库窗口、工程浏览器窗口以及图层描述窗图层描述图层工程浏览器元件库状态栏菜单栏工具栏口，可以通过菜单File/View来选择是否显示在界面上；3、状态栏（statusbar）：显示工程计算进程信息、其他提示及帮助信息；4、菜单栏（menubar）：每一级菜单都有下拉菜单，具体功能在状态栏中均有提示；5、工具栏（toolbars）：新建工程打开工程保存工程运算三、基本操作1.打开使用范例单击工具栏中的，或者通过File/Open，打开OptiSystem安装目录/Samples，选择所要打开的范例。2、建立新工程单击工具栏中的或者通过File/New，新建工程。3、插入元件在元件库窗口中，双击可进入所选择的元件库，选中元件后，将其拖放入图层。4、复制元件可按住Ctrl键，单击元件后，将叠放在元件上的复制元件移开即可。5、连接元件当把元件放入图层时，系统默认的自动连接会把该元件的输入端口会与距离最近的其他元件输出端口自动连接，输出端口也会与距离最近的其他元件输入端口连接。可以通过单击图层操作工作栏中的自动连接按钮来打开或者取消自动连接功能。手动连线时，可把指针放在输出接口处，指针变为十字，说明是可以连接的，此时将会出现端口信息，单击此端口并将指针拖至要连接的端口处，放开鼠标即可。注意：连接的两个端口必须同种性质（电或者光），两个输入（或输出）端口之间是不能相连的。6、连线操作可通过单击选中连线，按Delete键将其删除。7、运行系统在File菜单里选择Calculate，或单击按钮，在弹出的运算对话框中，左侧有三个选项，由上至下分别为运算整个工程运算当前图层的所有扫描值运算当前单击运行按钮，运算结束后在Calc.output栏中，出现Calculationfinished，此时单击，关闭对话框，通过双击各观测仪来观测仿真结果。四、参数操作1、图层全局参数操作双击主图层的空白部分，出现图层参数对话框，其中的参数对整个图层均有效，2、元件参数操作双击元件或右击元件后在快捷菜单中选择ComponentProperties，出现元件参数对话框。如图所示，Disp单选框决定该参数值是否显示在工程图层中的元件下方，Value、Unit、Mode分别改变参数值、单位及运行模式。其中Mode下拉框中包括Normal、Sweep、Scrip三个选项，选择normal可以在Value输入或者选择所需要的单个数值；选择Sweep，该参数运行在扫描模式下，通过点击Value中的按钮，选择参数值范围和分布后可以让该系统在不同的参数值下运行多次；选择Scrip，可以在Value中输入脚本语言的语句，实现参数的选择与控制。四、report操作（绘制仿真结果B与元件参数A的函数曲线）1、改变参数A的设置在菜单栏中选择LayoutSetTotalSweepsIteration，出现对话框，设定总扫描次数。打开元件的参数设置对话框，将参数A的方式改为Sweep；2、设定A所取数据单击Value中的图标，出现ParameterSweeps对话框，可以逐个输入数据或单击参数栏（如图中的Power[dBm]）选定所有数据后单击Sprea