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无源光通信器件课程设计.doc

无源光通信器件课程设计.doc

上传者: 黄杰雄 2017-10-19 评分 3 0 42 6 192 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《无源光通信器件课程设计doc》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含无源光通信器件课程设计无源光通信器件课程设计Lightsim仿真设计说明书《无源光通信器件》课程设计题目影响光纤通信传输系统的因素分析姓名所在学院专符等。

无源光通信器件课程设计无源光通信器件课程设计Lightsim仿真设计说明书《无源光通信器件》课程设计题目影响光纤通信传输系统的因素分析姓名所在学院专业班级学号指导教师年月影响光纤通信传输系统的因素分析Lightsim仿真设计说明书一、设计名称影响光纤通信传输系统的因素分析二、设计思路和目的通过利用Lightsim软件对简单的光纤通信传输系统进行仿真在保持整体传输系统模块及其参数不变的情况下通过替换不同的激光器及其参数同一激光器的多种调制方式输出来分析总结光源的特性对传输系统的影响。然后简单地通过调整改变不同类型的调制信号、光纤类型、光放大器相对于光纤的位置利用仿真得到的数据总结光传输系统中各部分因素对其传输质量的影响。三、设计原理Lightsim软件可供利用的激光器主要有SinglemodeDFBMultimodeFPCWLaser三种。DFB(DistributedFeedbackLaser)即分布式反馈激光器其内置了布拉格光栅(BraggGrating)属于侧面发射的半导体激光器。其采用模拟残留边带调幅(AMVSB)信号(射频信号)直接调制激光二极管使得光输出强度随着射频信号强度的变化而变化。MultimodeFP(Fabryperot)Laser为内置了法布里珀罗谐振腔的激光器产生多纵模输出。DFBlaser与FPLaser的区别是DFBLaser是在FPLaser的基础上采用光栅滤光器器件使得其只有一个纵模输出两者均属于内调制激光器。CWLaser(continuouswavelaser)为连续产生相干光束的激光器提供连续光束输出的激光器其需要使用外调制器后用于光纤信号传输。本软件可供利用的光调制器(OM)有MachZenderElectroAbsortiveDirectionalCouplerYfedCoupler四种。可供利用的光放大器有SOA(SemiconductorOpticalAmplifier)为半导体光放大器EDFA(ErbiumdopedOpticalFiberAmplifier)掺铒光纤放大器。SOA通过给器件加偏置电流时使半导体增益物质产生粒子数反转使电子从价带跃迁到导带产生自发辐射当外光场入射时会发生受激辐射产生信号增益。EDFA使用掺饵光纤中掺杂离子在受到泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发态在信号光诱导下产生受激辐射形成对信号光的相干放大。四、系统描述共页影响光纤通信传输系统的因素分析仿真的光纤信号传输系统的基本模块组成如下图所示:基本构成包括激光器(CWLaser)、光调制器(MachZenderOM)、比特序列信号源(bitSequence)、NRZRZ方波脉冲源(RectangularSource)、模拟信号源(AnalogSource)、乘法运算器(Multiplication)、驱动器(Driver)、光衰减器(opticalattenuator)、光纤(singlemode)、光放大器(EDFA)、光延时器(Timedelay)、光接收器(Photodiode)等。其中光衰减器和光延时器用于表征各连接器间的插入损耗等并非光纤通信传输系统所必须。其中采用振幅键控(ASK)调制的技术其信号调制部分结构如下所示:共页影响光纤通信传输系统的因素分析要调制的信号序列波形图和调制用的载波波形图分别如下:则调制后的信号和经过驱动器的输出波形分别为:将经过驱动器的输出波形直接作用于光调制器可实现对光信号的调制。经过多次仿真后现设定一趋于实际的模拟仿真环境其初始参数设定如下。系统信号持续运行时间(Signaltimeduration)设定为es同时勾选重载随机数生成器和总是计算所有模块选项以及在信号中添加噪声。共页影响光纤通信传输系统的因素分析比特序列信号源(bitSequence)的传输比特序列设定如下为:NRZRZ方波脉冲源(RectangularSource)的输出比特率ebits波形幅度为V脉冲码型为非归零码(NRZ)。模拟信号源(AnalogSource)的输出比特率eHz相当于输入信号频率的倍幅度为V。光衰减器(opticalattenuator)的衰减系数为dB。光纤(singlemode)衰减率为dBkm长度为km对应传输波长为nm零色散波长为nm延时为psnmkm耦合损耗为dB。共页影响光纤通信传输系统的因素分析光放大器(EDFA)的对应增益波长为nm增益为dB。光延时器(Timedelay)延时设定为es。四、具体仿真步骤及结果分析激光器(CWLaser)采用不同调制器的特性分析()采用MachZenderOM建立仿真系统如下图所示共页影响光纤通信传输系统的因素分析下面我们分别对各部分得到的波形进行分析在上面情况中得到的各运行结果图如下激光器(CWLaser)的输出波形:可见CWLaser的本身输出一定值的功率信号需外加调制才可用于光纤信号传输。驱动器(Driver)输出的波形:光调制器(MachZenderOM)后得到的波形:共页影响光纤通信传输系统的因素分析此时MachZenderOM虽然还能看到一定的周期性但已明显地存在失真的现象其信号幅度并不能保持一致。由于软件的一定局限性经过光衰减器(opticalattenuator)、光纤(singlemode)、光放大器(EDFA)、光延时器(Timedelay)的信号波形与光调制器(MachZenderOM)的输出波形有着极大的相似性在此故不再列出。光接收器(Photodiode)接收并输出的波形信号:虽然光电接收管的输出信号中仍能检测出明显的尖峰但此时的信号基本上无法获取原来的调制信号信息。共页影响光纤通信传输系统的因素分析()采用ElectroAbsortiveOM建立仿真系统如下图所示驱动器(Driver)输出的波形和光调制器(ElectroAbsortiveOM)后得到的波形:与信号调制器的波形相比该调制结果有着很好的一致性其周期基本上相同信号幅度的平均略有少许偏差。光接收器(Photodiode)接收并输出的波形信号:总体看来ElectroAbsortiveOM比MachZenderOM的调制效果要好得多但同时可以看出其受到干扰噪声的影响使其包络有一定程度的变化用于数字信号的传输的话基本能实现。共页影响光纤通信传输系统的因素分析()采用DirectionalCouplerOM建立仿真系统如下图所示驱动器(Driver)输出的波形和光调制器(DirectionalCouplerOM)后得到的波形:DirectionalCouplerOM调制后的信号与原来的调制信号刚好反相。光接收器(Photodiode)接收并输出的波形信号:总体来看DirectionalCouplerOM有着反相调制信号的特性但该信号受到噪声的影响较ElectroAbsortiveOM要差一些其振幅波动较大。共页影响光纤通信传输系统的因素分析()采用YfedCouplerOM建立仿真系统如下图所示驱动器(Driver)输出的波形和光调制器(YfedCouplerOM)后得到的波形:YfedCouplerOM调制后的信号与原来的调制信号刚好反相。光接收器(Photodiode)接收并输出的波形信号:接收的信号与调制后的信号波形非常接近受到噪声影响非常微小。可以分析得出利用可以看出MachZenderOM的效果最差不能用于振幅键控(ASK)的传输。DirectionalCouplerOM调制器虽然可用但经传输后的效果不太好DirectionalCouplerOM和YfedCouplerOM都有着反相调制的特性。ElectroAbsortiveOM和YfedCouplerOM的调制性都比较好YfedCouplerOM的抗干扰性较好。共页影响光纤通信传输系统的因素分析采用不同激光器的特性分析()采用CWLaser对CWLaser的输出分析已在步骤中实现在此不再列出下面给出CWLaser中存在的啁啾(Chirp)波形和CWLaser中的功率频谱图(PowerSpectrum):(上右图中的横坐标并不全是只是其值趋向于其尾数被省略下同)()采用DFBLaser建立仿真系统如下图所示驱动器(Driver)输出的波形和DFBLaser的输出光信号波形:属于内调制的DFBLaser的输出波形与原调制信号的周期基本符合其受到随机噪声的影响也不大。同理经过光衰减器(opticalattenuator)、光纤(singlemode)、光放大器(EDFA)、共页影响光纤通信传输系统的因素分析光延时器(Timedelay)的信号波形与光调制器(MachZenderOM)的输出波形有着极大的相似性在此故不再列出下同。光接收器(Photodiode)接收并输出的波形信号:最后接收到的信号除了少许幅度偏移外其后基本能保持正常的接收。DFBLaser中存在的chirp波形和起功率频谱图(PowerSpectrum):()采用MultimodeFPLaser建立仿真系统如下图所示MultimodeFPLaser与DFBLaser、CWLaser不同的是其输出为多模激光波长为nm需要利用MultimodeFiber来传输。共页影响光纤通信传输系统的因素分析驱动器(Driver)输出的波形和MultimodeFPLaser的输出光信号波形:光接收器(Photodiode)接收并输出的波形信号:在相同的传输环境下MultimodeFPLaser的输出信号经过传输后已不能正常地被接收提取。MultimodeFPLaser中的功率频谱图(PowerSpectrum):从三种不同Laser的功率频谱图可以发现DFBLaser的频谱特性最好而MultimodeFPLaser的频谱特性最差。同时CWLaser的Chirp波动范围较DFPLaser要少些。在三种激光器的特性比较中可以发现MultimodeFPLaser并不适合用于光纤通信系共页影响光纤通信传输系统的因素分析统传输采用CWLaser时利用不同的外调制器的效果不同ElectroAbsortiveOM和YfedCouplerOM基本能较好的调制输出而CWLaser本身的激光输出特性有着单色性好Chirp影响小的特点。采用DFBLaser调制时其利用本身内调制的特点可减少元器件其传输性能良好而其单色性要比CWLaser要差些。采用不同的调制信号()分别采用NRZ和RZ信号作为调制信号(DigitalSource)建立仿真系统如下图所示当信号分别为NRZ和RZ信号时光接收器(Photodiode)中的波形和SignalStatistics探测结果如下。Receivedopticalpower:Pmed(signal)=dBmPhotogeneratednoisepowers:P(ASE)=INFdBmP(shotASE)=INFdBmP(ASEASE)=INFdBmIrms(signal)=dBm(mA)P(shotsignal)=dBmP(signalASE)=INFdBmPtotal(noise)=dBmIrms(noise)=dBm(mA)SNR=dBOutputphotodiodesignal:P(thermal)=dBmVrms(noise)=INFdBm(mV)fc=eHzVrms(signal)=dBm(emV)SNR=INFdB共页影响光纤通信传输系统的因素分析当信号为RZ信号时光接收器(Photodiode)中SignalStatistics探测结果与上面一致未能从中分析得NRZ和RZ信号作为调制信号时的差异。但就接收的波形来说传输NRZ码时的载波频率相当于比RZ码时的两倍可以认为传输NRZ码时的效果更好。()分别采用调制信号为Analog模拟、prepulse前置脉冲建立仿真系统如下图所示当为Analog模拟信号时原信号波形和调制后(ElectroAbsortiveOM)的激光信号波形:光接收器(Photodiode)接收并输出的波形信号:利用该系统传输模拟信号基本符合要求但仍可看出调制后的激光信号略微有少许失真。当为prepulse前置脉冲信号时原信号波形:共页影响光纤通信传输系统的因素分析(传输比特序列为)调制后(ElectroAbsortiveOM)的激光信号波形和光接收器(Photodiode)接收并输出的波形信号:激光调制输出信号与调制信号基本符合但Photodiode显然不能有效地还原该信号只能对其电压升降沿进行检测并不能对实际的波形信号进行还原。分别采用不同类型的光纤建立仿真系统如下图所示共页影响光纤通信传输系统的因素分析采用模拟信号(AnalogSource)直接调制ElectroAbsortiveOMAnalogSource的参数设定如下:AnalogSource的波形为:光纤的参数统一设定为传输波长nm、衰减率=dBkm、长度=km在单模光纤和多模光纤的情况下经光纤传输后和接收管接收到的波形分别为:可以看出单模光纤传输高频信号虽然有少许失真但还能保持其周期完整性。而多模光纤由于其模间色散较大这就限制了传输数字信号的频率对于较高频率信号其传输性能受到较大的影响。共页影响光纤通信传输系统的因素分析通过改变光放大器相对于光纤的位置在设定为相同的参数(单模光纤衰减率=dBkm、长度=km、光放大器增益为dB)下分别置换光纤与光放大器的位置得到探测功率情况如下图所示:可见这两种不同的情况下光放大器设置在光纤后得到的功率损耗比前置时减少dBmdBm=dBm对于整个系统的性能提升明显。五、设计总结本设计通过利用Lightsim软件对简单的光纤通信传输系统进行仿真通过利用控制变量法的原理在保持整体传输系统模块及其参数不变的情况下对各个独立因素进行分析。在对CWLaser的四种不同外调制方式可以分析得出利用可以看出MachZenderOM的效果最差不能用于振幅键控(ASK)的传输。DirectionalCouplerOM调制器虽然可用共页影响光纤通信传输系统的因素分析但经传输后的效果不太好DirectionalCouplerOM和YfedCouplerOM都有着反相调制的特性。ElectroAbsortiveOM和YfedCouplerOM的调制性都比较好YfedCouplerOM的抗干扰性较好。在三种激光器的特性比较中发现MultimodeFPLaser并不适合用于光纤通信系统传输采用CWLaser时利用ElectroAbsortiveOM和YfedCouplerOM基本能较好的调制输出而采用DFBLaser调制时其利用本身内调制的特点可减少元器件其传输性能良好但其单色性要比CWLaser要差些。在分析调制信号源的影响时DigitalSource的RZ和NRZ码都能较好的实现传输但其之间的不同未能反映出来AnalogSource也能基本实现传输但prepulse的传输就存在一定检测困难。在不同光纤的分析上多模光纤传输性能受到的影响而单模光纤就具有较好的性能。光放大器设置在光纤后得到的功率损耗比前置时要少。由于软件本身的局限性和本人的基础知识不够扎实未能总结得到更详细的传输性能分析报告为本文不足的地方。本软件得出的结果仅为理想情况下存在一定的随机噪声所得到的结果但实际应用过程中光纤信号传输系统的复杂程度要大得多所以还需我们不断在实践的过程中总结经验结合利用软件仿真来帮助我们更好地了解分析问题。六、心得体会进行分析前一定要清楚明白当前改变的参数的可比较性进行比较分析时尽量将需要改变的参数控制为一个以便于分析。同时要以平静的心态去理清分析的思路做到心里有数。使用Lightsim软件过程中一定要及时保存当前状态以免在错误操作后使得软件强制关闭后从而使当前数据丢失。由于通常在点击仿真Start开始后易出现错误最好每次进行仿真前都保存一次。在保存之前已调出的器件一定要连接好避免出现再次打开时出现读取失败。摆放元件或进行仿真Start前要处于UNLink状态以免连接符出现乱序。对各个器件在仿真运行后可通过右击该器件就可查看其在仿真过程中的各种波形输出及其它数据因此可减少在界面上摆放的探测模块。软件本身还是存在一定的缺陷仿真是要勾选重载随机数生成器和总是计算所有模块选项以及在信号中添加噪声以趋于实际并改变了参数但结果还是不变。共页

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