1光纖通信課程 光接收機(jī)的特性研究

1、課程設(shè)計(jì)說明書 通信系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)與實(shí)踐光接收機(jī)的特性研究 院（系）名稱信息工程學(xué)院電子與通信工程系 專業(yè)名稱 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師2016 年 6 月 16 日課程設(shè)計(jì)說明書 第 頁課程設(shè)計(jì)任務(wù)書20152016 學(xué)年第二學(xué)期專業(yè)： 光電信息科學(xué)與工程 學(xué)號(hào)： 1301021037 姓名： 鄭智虹 課程設(shè)計(jì)名稱： 光纖通信系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目： 光接收機(jī)的特性研究 完成期限：自 2016 年 6 月 6 日至 2016 年 6 月 19 日共 2 周一、設(shè)計(jì)依據(jù) 光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分，它的作用是將由光纖傳來的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)放大，處理后恢復(fù)原信號(hào)。光接收機(jī)性能對(duì)整個(gè)光纖

2、通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量有著很大的影響，通過對(duì)光接收機(jī)的誤碼率，靈敏度，動(dòng)態(tài)范圍等性能參數(shù)的研究，為光接收機(jī)的性能檢測(cè)和維護(hù)等方面的工作提供科學(xué)的數(shù)據(jù)參考。并用Optimist 仿真軟件進(jìn)行仿真， 搭建光接收機(jī)的傳輸系統(tǒng)平臺(tái)，通過參數(shù)的設(shè)置，分析最小誤碼率下的入纖光功率。 二、要求及主要內(nèi)容 1查閱相關(guān)文獻(xiàn)，掌握影響光接收機(jī)靈敏度的因素。 2學(xué)會(huì) Optimist 仿真軟件的使用方法，并搭建光接收機(jī)的傳輸平臺(tái)； 3結(jié)合仿真平臺(tái)，分析最佳眼圖效果下的靈敏度、Q 值、增益、功率等參數(shù)。分析光接收機(jī)的傳輸性能。 三、途徑和方法 1查閱相關(guān)文獻(xiàn)，掌握光接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和基本工作原理； 2利用 Optimis

3、t 仿真軟件搭建光接收機(jī)傳輸系統(tǒng)； 3 APD 和 PIN 兩種光電檢測(cè)器的對(duì)比分析，驗(yàn)證光接收機(jī)的性能及影響接收機(jī)靈敏度的主要因素； 4設(shè)置參數(shù)，定向分析兩種光電檢測(cè)器在傳輸系統(tǒng)中的優(yōu)越性。 四、時(shí)間安排 1課題講解：2 小時(shí)。 2閱讀資料：10 小時(shí)。 課程設(shè)計(jì)說明書 第 I 頁 3撰寫設(shè)計(jì)說明書：12 小時(shí)。 4修訂設(shè)計(jì)說明書：6 小時(shí)。 五、主要參考資料 1李履信光纖通信系統(tǒng)M機(jī)械工業(yè)出版社，2003.7 2劉增基，周洋溢光纖通信M西安電子科技大學(xué)出版社 3王磊，裴麗光纖通信的發(fā)展和未來J中國科技信息 2006.4 4楊浚明光纖通信設(shè)計(jì)M天津科學(xué)技術(shù)出版社，1995 5趙梓林光纖通信工

4、程M人民郵電出版社，1987 6汪杰軍光纖通信系統(tǒng)中光發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)M現(xiàn)代電子技術(shù)，2008 指導(dǎo)教師（簽字）： 教研室主任（簽字）： 批準(zhǔn)日期： 年 月 日 課程設(shè)計(jì)說明書 第 II 頁 摘要摘要光纖通信技術(shù)（optical fiber communications）從光通信中脫穎而出，已成為現(xiàn)代通信的主要支柱之一，在現(xiàn)代電信網(wǎng)中起著舉足輕重的作用。光纖通信作為一門新興技術(shù)，其近年來發(fā)展速度之快、應(yīng)用面之廣是通信史上罕見的，也是世界新技術(shù)革命重要標(biāo)志和未來信息社會(huì)中各種信息的主要傳送工具。本文章首先介紹了光接收機(jī)的發(fā)展歷史及理論知識(shí)；其次使用 optisystem 模擬仿真軟件，利用仿真，修改

5、光接收機(jī)性能參數(shù)，分析系統(tǒng)的性能和影響性能的參數(shù)因子；最后對(duì)光路結(jié)構(gòu)改進(jìn)以提高光接收機(jī)的性能。關(guān)鍵字關(guān)鍵字：光纖通信技術(shù)，光接收機(jī) 課程設(shè)計(jì)說明書 第 III 頁 目錄目錄1.緒論 .11.1 光纖通信技術(shù)的發(fā)展歷史、目的及意義 .11.2 光接收機(jī)簡(jiǎn)介 .11.3 光接收機(jī)的類型.21.4 論文結(jié)構(gòu)和內(nèi)容 .22.光接收機(jī)的基本理論 .32.1 光接收機(jī)的結(jié)構(gòu).32.1.1 光接收電路 .32.1.2 輸出電路 .42.1.3 其他電路 .42.2 光接收機(jī)性能指標(biāo) .42.2.1 靈敏度 .42.2.2 動(dòng)態(tài)范圍.52.2.3 影響接收機(jī)性能的主要因素 .52.3 靈敏度及噪聲分析 .62

6、.3.1 理想接收機(jī)靈敏度 .62.3.2 光接收機(jī)噪聲分析 .72.3.3 光接收機(jī)誤碼率 .83.光接收機(jī)的仿真模擬 .93.1 OPTISYSTEM軟件簡(jiǎn)介 .93.2 光接收機(jī) OPTISYSTEM仿真 .93.2.1 APD 接收機(jī)散粒噪聲增強(qiáng) .93.2.2 誤比特率對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響 .153.2.3 最小光功率對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響.173.3 本章小結(jié).20總結(jié) .21課程設(shè)計(jì)說明書 第 IV 頁 參考文獻(xiàn) .22課程設(shè)計(jì)說明書 第 0 頁 1.緒論緒論1.1 光纖通信技術(shù)的發(fā)展歷史、目的及意義光纖通信技術(shù)的發(fā)展歷史、目的及意義光纖通信是以光波為信息載體，通過光纖來傳遞的一種

7、通信設(shè)施。因?yàn)樗哂腥萘看?，傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸速度快，經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，所以在當(dāng)今被廣泛應(yīng)用。光纖通信的發(fā)展史雖然只有二三十年，但由于它無比的優(yōu)越性，使它成為了現(xiàn)代化通信網(wǎng)絡(luò)中最為重要的傳輸媒介。在光纖通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)（Optical receiver）的任務(wù)是以最小的附加噪聲及失真，恢復(fù)出光纖傳輸后由光載波所攜帶的信息，因此光接收機(jī)的輸出特性綜合反映了整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的性能。光發(fā)射機(jī)發(fā)射的光信號(hào)經(jīng)傳輸后，不僅幅度衰減了，而且脈沖波形也展寬了，光接收機(jī)的作用就是檢測(cè)經(jīng)過傳輸?shù)奈⑷豕庑盘?hào)，并放大、整形、再生成原傳輸信號(hào)。1.2 光接收機(jī)簡(jiǎn)介光接收機(jī)簡(jiǎn)介光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的主要組成部分，其性能是整

8、個(gè)光纖通信系統(tǒng)性能的綜合反映。由光發(fā)送機(jī)發(fā)出的光信號(hào)在光纖線路中傳輸時(shí)，不僅會(huì)受到損耗的影響而造成幅度衰減，同時(shí)光纖色散和非線性效應(yīng)等可能會(huì)引起脈沖波形展寬，由此造成的信號(hào)質(zhì)量下降會(huì)增加接收機(jī)接收信號(hào)的難度，這些都對(duì)接收機(jī)的性能提出了較高的要求。光接收機(jī)的主要功能是將經(jīng)光纖線路傳輸后的微弱光信號(hào)進(jìn)行光電變換，然后經(jīng)過必要的處理后恢復(fù)成原始的信號(hào)。一個(gè)典型的直接檢測(cè)光接收機(jī)主要由光接收電路和輸出接口電路組成。光接收機(jī)的性能直接影響光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離、誤碼率和通信質(zhì)量。課程設(shè)計(jì)說明書 第 1 頁 1.3 光接收機(jī)的類型光接收機(jī)的類型光接收機(jī)分為模擬光接收機(jī)和數(shù)字光接收機(jī)兩種。模擬光接收機(jī)用于接

9、收模擬信號(hào)，比如說光纖 CATV 信號(hào)。當(dāng)前的通信系統(tǒng)由于大多采用數(shù)字信號(hào)，因而主要用的是數(shù)字光接收機(jī)。檢測(cè)方式分為相干檢測(cè)方式和非相干檢測(cè)方式。相干檢測(cè)方式首先接收將接收到的光信號(hào)與一個(gè)光本地振蕩器在光混頻器混頻之后，再被光電檢測(cè)器變換成一定要求的電信號(hào)，類似于無線電收音機(jī)。常用的非相干檢測(cè)方式就是直接功率檢測(cè)方式，通過光電二極管直接將接收的光信號(hào)恢復(fù)成基本調(diào)制信號(hào)的過程。1.4 論文結(jié)構(gòu)和內(nèi)容論文結(jié)構(gòu)和內(nèi)容 通過閱讀大量的資料及現(xiàn)在人們對(duì)光纖通信系統(tǒng)的研究，本文主要對(duì)光纖傳輸系統(tǒng)中光接收機(jī)的特性的研究。第一章敘述了光纖通信技術(shù)的發(fā)展，其次講解了光接收機(jī)的簡(jiǎn)述及分類；第二章介紹了光接收機(jī)的結(jié)

10、構(gòu)組成及工作原理，還說明了光接收機(jī)的性能指標(biāo)；第三章簡(jiǎn)單介紹了optisystem這個(gè)軟件，最后是光接收機(jī)的仿真分析。課程設(shè)計(jì)說明書 第 2 頁 2.光接收機(jī)的基本理論光接收機(jī)的基本理論2.1 光接收機(jī)的結(jié)構(gòu)光接收機(jī)的結(jié)構(gòu)圖 2.1 光接收機(jī)結(jié)構(gòu)(1) 光電檢測(cè)器的輸出信號(hào)電流很小，必須由低噪聲、寬頻帶的前置放大器進(jìn)行放大。(2) 信號(hào)進(jìn)行高增益的放大并對(duì)經(jīng)傳輸和放大后的失真信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償與整形(3) 將信號(hào)的基線（低電平）固定在某一電平上，解決信號(hào)的基線漂移，以便于判決(4) 從收到的帶有噪聲和畸變的波形中識(shí)別信碼“1”和“0”。然后由再生電路重新產(chǎn)生和發(fā)端一樣的數(shù)字脈沖序列。2.1.1 光接

11、收電路光接收電路光接收電路由檢測(cè)器、前置放大器、主放大器、自動(dòng)增益控制和均衡電路組成。它將光信號(hào)變換成一定幅度的、波形好的電信號(hào)，供后續(xù)電路進(jìn)行再生判決。（1）光檢測(cè)與前置放大器光電檢測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換。由發(fā)送端發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)過光纖線路傳輸后，到達(dá)接收端已經(jīng)很微弱。檢測(cè)器輸出的電流僅在 nA 數(shù)量級(jí)。所以必須采用多級(jí)放大將微弱的電信號(hào)放大至判決電路能正確識(shí)別。 由于信號(hào)微弱又帶有噪聲，如果采用一般的放大器進(jìn)行放大，放大器本身就會(huì)將前一級(jí)放大器所引入的噪聲也進(jìn)行放大，信噪比并沒有得到改善。因此多級(jí)放大器的前級(jí)必須滿足低噪聲、高增益的要求，才能得到較大的信噪比。（2）主放和均放信號(hào)經(jīng)前置放大器輸出仍

12、然比較微弱，不能滿足幅度判決的要求，因此還必須加以放大。由于光接收機(jī)的入射光功率有一個(gè)可變化的動(dòng)態(tài)范圍，因此放大器增益也應(yīng)隨入射光功率的變化得到相應(yīng)的調(diào)整，以適應(yīng)在不同輸入信號(hào)情況下仍能保持輸出電 AGC 課程設(shè)計(jì)說明書 第 3 頁 平穩(wěn)定。即實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。在光接收機(jī)中，把實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制的放大級(jí)稱為主放大器。 均放電路的主要作用是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行均衡以利于定時(shí)判決。（3）基線處理與定時(shí)再生由于傳輸線路上所傳送的碼流中“0”、“1”分布并不均勻，并不可避免地有連續(xù)的“0”或連續(xù)的“1”出現(xiàn)，使得信號(hào)中的直流成分有起伏變化，這種信號(hào)在接收機(jī)中處理時(shí)，因各級(jí)間的耦合均為交流耦合，即 RC 耦

13、合，這會(huì)使信號(hào)的基線隨直流成分的變化而漂移。這種漂移嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使判決產(chǎn)生誤碼。在發(fā)送端雖已進(jìn)行了線路碼型變換，以使碼流中的“0”、“1”分布盡可能均勻使信號(hào)中的直流分量盡可能恒定，但是由于種種原因，難以達(dá)到理想程度。因此在定時(shí)再生電路中，首先要對(duì)基線漂移進(jìn)行處理，即將信號(hào)的基線（低電平）固定在某一電平上。 經(jīng)過基線處理的信號(hào)，首先要進(jìn)行幅度判決，然后再經(jīng)過時(shí)鐘提取，還原出幅度和時(shí)鐘準(zhǔn)確的再生信號(hào)是定時(shí)再生。2.1.2 輸出電路輸出電路輸出電路是光端機(jī)接收部分在定時(shí)再生之后的信號(hào)處理部分。通常包括線路碼型反變換、輸出接口兩大部分。低中速率的光端機(jī)，則將這兩部分安裝在一塊機(jī)盤中，稱為輸出盤。在“光

14、電合架”設(shè)備中，取消了輸出接口電路，則碼型反變換部分和光接收電路裝在同一塊機(jī)盤中。2.1.3 其他電路其他電路告警電路、倒換電路、公務(wù)電路、電源電路2.2 光接收機(jī)性能指標(biāo)光接收機(jī)性能指標(biāo)光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)包括接收機(jī)靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、過載功率、誤碼率、信噪比、Q 值等，其中靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍是光接收機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)。靈敏度表示在給定的誤碼率（或信噪比）條件下，光接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力。動(dòng)態(tài)范圍表示光接收機(jī)適應(yīng)輸入信號(hào)變化的能力。課程設(shè)計(jì)說明書 第 4 頁 2.2.1 靈敏度靈敏度光接收機(jī)靈敏度是表征光接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)，接收微弱光信號(hào)的能力。它可用下列三種物理量表示。 在保證達(dá)到所要求的誤

15、碼率（或信噪比）條件下，接收機(jī)所需的：（1）輸入的最小平均光功率 PR；（2）每個(gè)光脈沖的最低平均光子數(shù) n0；（3）每個(gè)光脈沖的最低平均能量 Ed。三種表示方法之間的關(guān)系： （式 2-1）式中：T 為脈沖碼元時(shí)隙，T=1/fbhf 是一個(gè)光子能量PR 的單位為 W，常用 mW。若用 dBm 來表示靈敏度 Sr，則可寫為： （式 2-2）2.2.2 動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍表征的是光接收機(jī)適應(yīng)輸入信號(hào)變化的能力，也即光接收機(jī)靈敏度和過載功率之間的差值。即 （式 2-3）2.2.3 影響接收機(jī)性能的主要因素影響接收機(jī)性能的主要因素由上述計(jì)算接收機(jī)最小接收光功率的公式中看出，在一定誤碼率條件下，影

16、響接收機(jī)靈敏度的因素有：碼間干擾、消光比、暗電流、量子效率、光波波長、信號(hào)速率、各種噪聲等。下面只對(duì)碼間干擾、消光比、暗電流的影響進(jìn)行分析。(1)碼間干擾在光纖通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)的輸入光脈沖信號(hào)寬度與光發(fā)送脈沖及光纖的帶寬有關(guān)。在光纖色散較大的情況下，光脈沖通過光纖時(shí)將被展寬，產(chǎn)生碼間干擾，降低光接收機(jī)的靈敏度。ThfnTEPdR220)(1lg10dBmmWPSRr)(lg10)(1)(lg10)(1)(lg10minmaxminmaxdBPPmWmWPmWmWPD課程設(shè)計(jì)說明書 第 5 頁 (2)消光比光源在直接強(qiáng)度調(diào)制下，由于要考慮一定的偏置電流，使得無信號(hào)脈沖時(shí)仍會(huì)有一定的輸出功率。

17、這種殘留的光將在接收機(jī)中產(chǎn)生噪聲，影響接收機(jī)靈敏度。定義參數(shù)消光比（EXT）為： （式 2-4）一般要求 EXT10%。 當(dāng) EXT0 時(shí)，光源的殘留光使檢測(cè)器產(chǎn)生噪聲。EXT 越大時(shí)對(duì)靈敏度的影響也越大，其值與使用的光檢測(cè)器有關(guān)。(3)暗電流光電檢測(cè)器中的暗電流對(duì)光接收機(jī)靈敏度的影響與消光比的影響相似。暗電流與光源無信號(hào)時(shí)的殘留光一樣，在接收機(jī)中產(chǎn)生噪聲，降低接收機(jī)的靈敏度。 在 APD 光電檢測(cè)器中，有兩種暗電流，一種是無倍增的，一種是有倍增的，后者對(duì)靈敏度的影響要比前者更大一些。 2.3 靈敏度及噪聲分析靈敏度及噪聲分析光接收機(jī)的作用是將接收到的微弱的數(shù)字光信號(hào)通過光電二極管轉(zhuǎn)換為光電流

18、，并經(jīng)放大、整形、判決等信號(hào)處理，完成信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)。一個(gè)性能優(yōu)良的光接收機(jī)應(yīng)具有盡可能高的接收靈敏度。但靈敏度的提高受到了接收機(jī)中存在的噪聲的影響。噪聲的存在將會(huì)降低接收機(jī)的靈敏度。2.3.1 理想接收機(jī)靈敏度理想接收機(jī)靈敏度 考慮一個(gè)理想光纖通信系統(tǒng)，即是假設(shè)系統(tǒng)的頻帶無限寬，系統(tǒng)無噪聲。對(duì)這樣的系統(tǒng)，我們可認(rèn)為，發(fā)送端調(diào)制信號(hào)是矩形脈沖，光脈沖信號(hào)經(jīng)過光纖傳輸?shù)浇邮斩?，?jīng)過光電檢測(cè)器檢測(cè)得到的電信號(hào)還是矩形脈沖。那在這種系統(tǒng)中，接收機(jī)的靈敏度將受到什么限制呢？最大可能的值是多少呢？（1）理想接收機(jī)靈敏度的計(jì)算根據(jù) （式 2-5） 在誤碼率要求為 Pe=10-9 時(shí)，即可求出 Ed，即為理

19、想光纖通信系統(tǒng)接收靈敏度。 ”碼時(shí)平均輸出光功率全“”碼時(shí)平均輸出光功率全“10EXThfENedePP/)0(/21hfEd課程設(shè)計(jì)說明書 第 6 頁 （式 2-6）由上式可見，理想光纖通信系統(tǒng)的靈敏度（Pe=10-9 時(shí)）為 21 個(gè)光子的能量?；蛘哂孟率奖硎?（式 2-7） 由此可知，理想接收機(jī)的靈敏度與光信號(hào)速率、光波頻率（或波長）、檢測(cè)器的量子效率有關(guān)。（2）工程中靈敏度的計(jì)算在實(shí)際工程應(yīng)用中，接收機(jī)所需的最小接收光功率可按如下近似公式計(jì)算。當(dāng)光電檢測(cè)器為 PIN 時(shí)： （式 2-8）當(dāng)光電檢測(cè)器為 APD 時(shí)： （式 2-9） 式中 fb 為系統(tǒng)碼速 Mbit/s，fb0 為基準(zhǔn)計(jì)

20、算碼速，fb0=25Mbit/s。 2.3.2 光接收機(jī)噪聲分析光接收機(jī)噪聲分析 光接收機(jī)中存在各種噪聲源，根據(jù)噪聲產(chǎn)生的不同機(jī)理，噪聲可分為兩類：散粒噪聲和熱噪聲。接收機(jī)中的噪聲源及其引入部位如圖 4-12 所示。其中散粒噪聲包括光檢測(cè)器的量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲和 APD 倍增噪聲；熱噪聲主要指負(fù)載電阻產(chǎn)生的熱噪聲，放大器噪聲（主要是前置放大器噪聲）中，既有熱噪聲，又有散粒噪聲。圖 2.2 光接收機(jī)噪聲對(duì)于光檢測(cè)器的噪聲，采用的主要方法是從建立噪聲的數(shù)學(xué)模型著手進(jìn)行分析。（此處推導(dǎo)過程不作要求）/5 .10bRhcfP 2/3089)(1025. 310bbReffPP，6/709

21、9)(1064. 110bbReffPP， SN 課程設(shè)計(jì)說明書 第 7 頁 如果規(guī)定誤碼率指標(biāo)為不超過 Pe10-9，則最小必須接收的光脈沖能量應(yīng)為 (式 2-10)如果量子效率 1，則最小檢測(cè)的光脈沖能量必須等于 21hf，也就是說最小必須接收 21 個(gè)光子，才能保證誤碼率不大于 10-9。如發(fā)送端發(fā)出的“1”碼和“0”碼等概率出現(xiàn)（數(shù)目相等）每位碼持續(xù)時(shí)間為 T，那么平均檢測(cè)光功率必須至少為 （式 2-11） 這就是接收機(jī)靈敏度對(duì)規(guī)定誤碼率 Pe10-9 的基本極限，即所謂量子極限。2.3.3 光接收機(jī)誤碼率光接收機(jī)誤碼率光接收機(jī)的誤碼主要由散粒噪聲、倍增噪聲、熱噪聲等綜合的總噪聲引起。

22、誤碼的多少及分布不僅和總噪聲的大小有關(guān)，還與總噪聲的分布有關(guān)。入射光子在 PIN 內(nèi)產(chǎn)生的電子或在 APD 內(nèi)產(chǎn)生的一次電子通常服從泊松分布。但經(jīng)過電子倍增，再經(jīng)放大、均衡后，噪聲分布變得很復(fù)雜。所以要精確計(jì)算誤碼率及靈敏度就比較困難。 （1）誤碼率的定義是 （式 2-12） 造成誤碼的原因很多，如光纖的色散、光電二極管的噪聲、前置放大器的噪聲等，在這里討論的是光接收機(jī)噪聲對(duì)誤碼率的影響。為了計(jì)算光接收機(jī)的誤碼率，必須知道濾波器輸出信號(hào)的概率分布。（2）最小誤碼率分析在判決點(diǎn)上電壓 V0 超過 D 的概率，即為把“0”碼誤判為“1”碼的概率 可以表示為 （式 2-12）把“1”碼誤判為“0”碼

23、的概率為 （式 2-13） Pe,01Pe,10 時(shí)可獲得最小的誤碼率hfE21minThfP221min總的比特?cái)?shù)出錯(cuò)的比特?cái)?shù)BER0220,0100/0011()exp()exp()2222eDDNVxPP VDdVdxNN122()()/1,101111()11()exp ()exp()2222mmVDVDNmemmmVVYPP VVVDd VVdYNN課程設(shè)計(jì)說明書 第 8 頁 （式 2-14） （式 2-15） 3.光接收機(jī)的仿真模擬光接收機(jī)的仿真模擬3.1 OptiSystem 軟件簡(jiǎn)介軟件簡(jiǎn)介隨著光纖通信系統(tǒng)日新月異的發(fā)展，光通信系統(tǒng)越來越復(fù)雜?，F(xiàn)行的光纖通信系統(tǒng)通常包括眾多非線

24、性器件和非高斯噪聲源，對(duì)這樣的光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析是非常復(fù)雜的，需要耗費(fèi)極其多的時(shí)間。因此，人工或者單純依靠經(jīng)驗(yàn)計(jì)算設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)已經(jīng)越來越顯得力不從心。在這背景下，這些設(shè)計(jì)和分析任務(wù)被高效、有效、先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助軟件執(zhí)行已成為必然的趨勢(shì)。OptiSystem 就此營運(yùn)而生。OptiSystem 是一款創(chuàng)新的光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真軟件，它集成了設(shè)計(jì)、測(cè)試和優(yōu)化各種光網(wǎng)絡(luò)物理層等諸多功能，從模擬視頻廣播系統(tǒng)到洲際骨干光纖鏈路的設(shè)計(jì)均可以使用 OptiSystem 進(jìn)行設(shè)計(jì)、測(cè)試、優(yōu)化。OptiSystem 作為一款獨(dú)立的產(chǎn)品，不依賴于其他模擬框架。它是一款基于現(xiàn)實(shí)光纖通信系統(tǒng)模型的系統(tǒng)級(jí)仿

25、真軟件。它擁有強(qiáng)大的新的模擬環(huán)境、真正的分層結(jié)構(gòu)定義組件。它允許添加用戶自定義組件，具備良好的系統(tǒng)擴(kuò)展性，可以實(shí)現(xiàn)與其他仿真軟件比如 Matlab 的無縫銜接。OptiSystem 具備全面的用戶圖形界面（GUI,Graphical User Interface）,可以靈活控制光學(xué)元件的布局、網(wǎng)表、組件模型、演示圖形等。擁有豐富的元件庫，其中包含大量的有源和無源器件，可以滿足一般情況下系統(tǒng)仿真的需求。并且相關(guān)器件均包括實(shí)際的、波長相關(guān)的參數(shù)。參數(shù)的掃描和優(yōu)化允許用戶研究特定的器件技術(shù)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。3.2 光接收機(jī)光接收機(jī) OptiSystem 仿真仿真3.2.1 APD 接收機(jī)散粒噪聲

26、增強(qiáng)接收機(jī)散粒噪聲增強(qiáng)本仿真用于實(shí)現(xiàn)光接收機(jī)使用 PIN 光電二極管和 APD 雪崩光電二極管是接受信號(hào)的噪聲性能。10,01,10,01,2121eeeeePPPPPQedxxP)2exp(212課程設(shè)計(jì)說明書 第 9 頁 圖 3.1 接收機(jī)使用 PIN 和 APD 性能比較原理圖APD 光接收機(jī)在相同入射光功率的情況下具有更高的信噪比 SNR，而其信噪比帶的改善來源于使光電流以倍增因子 M 增加的內(nèi)增益。（1）確定光衰減器的最佳值圖 3.2 光衰減器衰減變化量課程設(shè)計(jì)說明書 第 10 頁 圖 3.3 衰減量為 5db 時(shí)，APD 眼圖圖 3.4 衰減量為 10db 時(shí)，APD 眼圖課程設(shè)計(jì)

27、說明書 第 11 頁 圖 3.5 光衰減量為 16.67 時(shí)，APD 眼圖由圖 3.3,3.4,3.5 對(duì)比得知，光衰減量為 10 時(shí)，眼圖效果最佳。下面就以光衰減量為 10。（2）圖 3.6 APD 光接收機(jī) Gain 的參數(shù)變化課程設(shè)計(jì)說明書 第 12 頁 圖 3.7 Gain=5.56 時(shí)，APD 眼圖圖 3.8 PIN 眼圖由圖 3.7 和圖 3.8 對(duì)比可以看出，這時(shí)，APD 系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)高于 PIN 系統(tǒng)。課程設(shè)計(jì)說明書 第 13 頁 圖 3.9 Gain=11.11 時(shí)，APD 眼圖由圖 37 圖 3.9 比發(fā)現(xiàn)，如果倍增因子 M 增大，則會(huì)存在一個(gè)點(diǎn)，在這個(gè)點(diǎn)上散粒噪聲會(huì)降低

28、系統(tǒng)性能，因此找到最優(yōu)的 APD 增益是很重要的。圖 3.10 APD 不同增益下的 Q 值分布雪崩光電二極管 APD 在不同的增益下 Q 值分布曲線如圖 3.6，由圖可知，增益越大，APD 的 Q 值越高。課程設(shè)計(jì)說明書 第 14 頁 圖 3.11 APD 的增益值與誤碼率的變化曲線由圖 3.11，APD 的增益值變化曲線知，增益值在 022 之間時(shí)，誤碼率對(duì) APD 的增益沒影響;增益值在 22 以后，誤碼率對(duì) APD 的增益影響巨大。3.2.2 誤比特率對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響誤比特率對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響仿真在利用誤比特率度量接收機(jī)靈敏度時(shí)，分析在不同的光功率輸入情況下，數(shù)據(jù)恢復(fù)階段誤比特率 BER 與 Q 的關(guān)系。圖 3.12 誤比特率仿真原理圖課程設(shè)計(jì)說明書 第 15 頁 圖 3.10 不同衰減量下的 Q 值曲線光電二極管 PIN 在不同衰減量鞋的 Q 值分布曲線如圖 3.10 所示.由圖可知，衰減量越大，PIN 的 Q 值越高。圖 3.11 不同衰減量下的 BER 曲線課程設(shè)計(jì)說明書 第 16 頁 光電二極管 PIN 在不同衰減量下的 BER 分布曲線如圖 3.11 所示。由圖可知，衰減量越大，PIN 的 BER 越小。圖 3.12 光功率與誤比特率的關(guān)系由圖 3.12 知，光電二極管 P