基于M-Z调制器的光学反馈网络的联合模拟

邓刚+张谦述

【摘要】 主要作了光学带反馈循环网络数据流动特征的剖析，寻找到利用MATLAB循环语句实现光学循环网络的途径，并成功设计了MATLAB Component，克服了Optiwave OptiSystem v7.0不支持仿真反馈循环网络的缺陷。利用设计的基于M-Z调制器组成的光学环形网络的MATLAB Component，成功实现了MATLAB与Optiwave OptiSystem v7.0的联合仿真。结果显示，设计的基于M-Z调制器组成的光学环形网络的MATLAB Component的性能与理论值符合，方案可行。

【关键词】 基于M-Z调制器的光学循环网络 联合模拟 Optiwave OptiSystem v7.0 MATLAB Simulation of Optical Ring Network Based on M -Z Modulator By Joint Work

DENG Gang ， ZHANG Qian-Shu（1.College of Electronic Information Engineering，China West Normal University，Sichuan，NanChong， 637002，China ）

Abstract：The signal of processing characteristics of optical ring network with feedback loop are mainly analyzed. we Simulated the optical ring network based on the M - Z modulator by using MATLAB statement，designed the MATLAB component of optical ring network based on M - Z modulator，and realized the collaborative simulation of MATLAB with Optiwave OptiSystem v7.0. The simulation results show that the MATLAB component performance composed the theoretical value，The simulation method of the optical ring network is feasible.

Keywords：optical ring network with feedback loop Based on the M - Z modulator ；The joint simulation；Optiwave OptiSystem v7.0；MATLAB

Optiwave是加拿大国家光学研究所Spin-off旗下的公司 ，成立于1994年，专门开发创新的光通讯系统仿真软件包，包含了OptiSystem，OptiSPICE， OptiBPM，OptiFDTD，OptiGrating和OptiFiber六个模块，可以实现光通讯中从元件层到系统的设计。Optiwave OptiSystem v7.0 发行于2008年，主攻光通信集成系统仿真，是Optiwave OptiSystem v3.0的升级版，功能更加完善，性能更加优越，现已成为光通信网络仿真的主流软件。该款软件的优势是对光学通信系统仿真，设计者按照预期的目的和理论计算把电光组件组合到一起形成光学系统，输入的信号在该系统中逐级向后流通，并用各种虚拟的测试设备完成各个节点信号的检测与显示，从而能降低光通信系统性能预测与评价的成本（光子组件的设计主要由OptiFDTD，OptiSPICE， OptiBPM，OptiFDTD，OptiGrating等其他数据包完成，所以本文并不涉及）。

带有反馈功能的循环网络广泛应用于现代电子电路的设计和通讯系统中，其思路是把一个信号输入到一个网络单元，在网络单元的输出端把信号注入到下一功能单元，与此同时，就在这个网络单元的输出端提取一定量的信号反馈到这个单元或者更前级的单元。这种思路的指导思想有两条：第一，提高系统性能，使输出信号更加完美；第二，设计不需要人工控制的智能化的通信系统。在输出端提取一定量的信号，可以逐级侦测信号的恶化程度，并把这个信号反馈到设计者预定的前端，根据这个反馈信号就可触发前端网络单元中启用最优的运算方案，始终保证输出的信号能够保持良好的质量，而且不需要人工控制，此即为通信智能化。其中，重要的思路就是反馈，循环，所以在电子电路的仿真软件和工程实际中，反馈和循环已经做得十分完善，智能化也是将来光通信发展的必然趋势。光通信领域崛起时间不算长，仍有许多问题亟待解决，虽然Optiwave OptiSystem v7.0相对以前版本作了很大改善，但依然存在严重缺陷，那就是它不支持带有反馈功能的光学循环系统。造成这个缺陷的具体原因是它没有提供反馈算法，而且大规模通信系统的反馈实现并不能由单个组件完成，因此，专门用于设计单个器件的软件并不能提供整个反馈网络的模拟，所以利用Optiwave OptiSystem v7.0这个平台，寻找一种能够实现模拟具有反馈功能的光通信网络的途径，显得十分必要而迫切。正因为实践提出了这样的需要，而Optiwave OptiSystem v7.0又不能提供这样的服务，那么寻找一条解决上述矛盾的途径就十分有意义了。MATLAB拥有出色的数学计算能力，且循环用语言容易实现，足可以弥补Optiwave OptiSystem v7.0不能实现反馈循环的缺陷。为此，联合Optiwave OptiSystem v7.0开发新MATLAB Component，实现功能互补，这在光通信领域有重要意义。目前，根据可查证的文献了解到，国内和国外在这方面研究较少，因此这项研究具有领先意义。为此，作者将主要精力集中在研究MATLAB联合Optiwave OptiSystem v7.0实现带有反馈功能的光电通信网络。为具体演绎MATLAB与Optiwave OptiSystem v7.0的联合仿真，本文以新结构基于M-Z调制器组成的光学环形网络为例加以说明。

一、基于M-Z调制器组成的光学循环网络在Optiwave OptiSystem v7.0中的模拟实际

1.1基于M-Z调制器组成的光学循环网络的结构和功能预期

从（1）（2）（3）式中可知：1）射频信号经过两个M-Z调制器的反馈循环调制，能依次产生各个阶次对称边带；2）由递推关系可知，每个抽头信号是前一个抽头信号的两次余弦调制加衰减；3）余弦函数总是小于1，所以这样的调制可以理解为两次指数衰减；4）反馈循环网络最终输出的结果是无数多个抽头信号相互干涉，在时域内叠加的结果（因时域有延迟）。

1.3 MATLAB利用循环控制流程语言模拟反馈光学循环网络

虽然Optiwave OptiSystem v7.0提供可视化服务，操作简捷，功能强大，但由于Optiwave OptiSystem v7.0软件不能为反馈光学循环网络提供有效的反馈算法，在仿真运算中，信号逐级向后流通，从而使得Optiwave OptiSystem v7.0不能对带有反馈信号的光循环网络进行仿真运算，也就无法对本文所说的基于M-Z调制器组成的光学环形网进行仿真。

虽然MATLAB数字计算能力优势明显，但是不提供操作简单的可视化服务，需要全程编程，专业性要求更强，必然造成更大困难。为了简单可靠地实现反馈循环网络的仿真，可利用MATLAB循环控制流程语句（if........end或for.....end）编写一个MATLAB Component以实现联合仿真。其中，已知输入光信号和射频信号，根据（1）就可以算出第一个抽头信号，根据（2）的递推关系就可以算出以后的各个抽头信号；由函数关系式（3），把无穷多个抽头信号光场按时域叠加得出输出光场。由抽头信号的递推关系可看出，每一个抽头信号是前一个的两次余弦衰减，衰减剧烈，输出的光场主要体现在前面的有限项内，再考虑到现代计算机的计算能力已有显著提高，具体编写程序时，考虑前2000项截断，误差也可承受。以下是根据（1），（2），（3）的描述所写的MATLAB原代码如下：

Optiwave OptiSystem v7.0和MATLAB数据交换的方式是建立数据接口，这样就能实现二者的数据传递和协同运算，既把MATLAB和Optiwave OptiSystem v7.0的优势结合起来，也实现短板互补（MATLAB虽然数学计算能力强，但操作完全需要编程，不提供可视化服务），就能实现带有反馈循环网络的仿真，操作的难度也不会明显增加。

二、基于M-Z调制器光循环网络MATLAB Component设计

MATLAB联合Optiwave OptiSystem v7.0在本结构中仿真的流程是从Optiwave OptiSystem v7.0输出原始数据流，这些数据流通过二者之间建立的数据接口，传递到MATLAB Component中去，实现预定运算后，再将数据流传回到Optiwave OptiSystem v7.0。MATLAB Component的可理解为一个具有外包装的传递函数文件，建立数据端口后：前级输出的数据流就是函数的输入变量，然后在MATLAB Component进行函数运算，即实现反馈循环流程，运算的结果再输出到后一级。MATLAB Component外包装其实就是建立数据接口的过程。在Optiwave OptiSystem v7.0中设定环形网络的端口数目，并确定好各个端口的功能和信号类型：0代表光信号，1代表电信号，2代表二进制信号。本方案的端口如表1：

此外，还需要定义如下四个基本参数：分别是Parameter0到Parameter3，如表2：

Optiwave OptiSystem v7.0在调用MATLAB Component时，还需要在Main菜单中设定调用MATLAB的程序名和这个程序存放的路径，如表3：

以上就是MATLAB Component设计的主要过程，需要注意事项是：第一，建立端口设定变量的时候，注意区分传入/传出变量文件名，尤其区分变量名中的大小写，否者会导致数据传递失败。第二，MATLAB调用MATLAB Component文件的时候是在默认目录下调用的，如果存放MATLAB Component的位置不是默认的，则需要把这个路径添加为默认目录。

三、基于M-Z调制器组成的光学循环网络的MATLAB和Optiwave OptiSystem v7.0的联合仿真

按照上述3个表格设定好参数，搭建了如下的仿真图，并分别用5G，10G，20G的射频信号进行了仿真，结果如下：

根据以上描述，选取了5G，10G，20G的射频信号调制到基于M-Z调制器组成的光学循环网络中去，所产生的边带在循环网络中一部分成分满足谐振条件而得到加强，而其他成分和噪声得到有效抑制，光信号从循环网络输出后，送到APD探测，在APD上拍频，从而转换为电信号，最后用RF Spectrum Analyzer显示，显示表明，呈现的梳状谱信号比噪声高出50dB到70dB，这与理论预期的一致。

四、结论

本文提出了基于M-Z调制器组成的光学循环网络这种新结构，分析了Optiwave OptiSystem v7.0软件仿真流程及其特点，编写了能够实现反馈流程的MATLAB Component，并成功实现了Optiwave OptiSystem v7.0与MATLAB联合仿真。仿真结果表明，基于M-Z调制器组成的光学环形网络能够很好地实现射频信号的循环调制，并对满足谐振条件的调制光能实现比较满意的干涉加强，呈现质量较高的梳状谱，达到了理论预期。仿真结果表明，把MATLAB和 Optiwave OptiSystem v7.0联合起来实现带有反馈功能的光学循环系统的仿真是可行的，能够实现功能互补，从而为光学通信系统提供了一种可以实现具有反馈功能的循环系统的模拟的思路，应具有领先意义。

五、问题展望思考

1.本结构是否对更高频率的射频信号适用？2.如何在梳状频谱中实现无滤波提取单一频率？3.如何在大规模的光智能通信网络中实现多级反馈和实现的意义？

参 考 文 献

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