光通信链路传输性能的研究

洪奇峰 施伟斌

摘  要： 随着大容量通信的需求，光传输网络技术发展愈发迅猛。光传输网络的规划与建设已经成为当前研究的重点。光纤通信的优点是通信容量大，传输距离远，信号干扰小，保密性好，抗电磁干扰等。建立一个通信收发系统的模型，针对不同的星座图，得出各调制格式下BER-SNR关系曲线。根据光传输链路图，建立光链路性能计算模型，计算BER-SNR传输跨数关系曲线。依据的BER-SNR关系曲线，可得出信噪比的门限值，结合BER-SNR传输跨数关系曲线，得到光纤信号的最远传输距离，并对不同调制格式下的传输性能比较分析。

关键词： 光纤通信;星座图;信噪比;误码率;传输距离

中图分类号： TP391.41    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.059

本文著录格式：洪奇峰，施伟斌. 光通信链路传输性能的研究[J]. 软件，2020，41（01）：270275

【Abstract】： With the demand of high capacity communication， the development of optical transmission network technology is more and more rapid. The planning and construction of optical transmission network has become the focus of current research.The advantages of optical fiber communication are large communication capacity， long transmission distance， small signal interference， good confidentiality， anti-electromagnetic interference and so on.A model of communication transceiver system is established， and the BER-SNR relation curves of different modulation formats are obtained.According to the optical transmission link diagram， an optical link performance calculation model is established to calculate the BER-SNR transmission cross-number relation curve.According to the BER-SNR relation curve， the threshold value of SNR can be obtained. The transmission performance of different modulation formats is compared and analyzed.

【Key words】： Optical fiber communication; Constellation diagram; Signal to noise ratio; Bit error rate; Transmission distance

0  引言

在过去的几十年来基于数字光纤通信技术[1-3]的光传送网构建起了全球通信的骨架，运用于各个场合[4-7]。光纤通信技术（optical fiber communications）从光通信中脱颖而出，已成为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用。

数字通信传送系统可认为是对01101...二进制序列进行编码传送的系统，1个二进制的1或0称为1比特（bit）。无论是图像、信息、语音、视频等任何类型的消息，经过一系列处理的都可以数字化为一串串“0101…”二进制比特序列，经编码和调制为某个“载体信号”后，并通过特定的“信道[8]”（信息的通道）传送到目的地。如图1所示，中给出了简化的模型。在光纤通信中，光纤就是信道，光纤传送的光波就是信息的载体。信道中无法避免的一系列噪声和损失将会使最终接收的二进制序列中比特出错，即产生误码。

光纤传送链路[9-10]由很多个相同跨段串联而成。如图2所示，几十km长度的光纤和一个放大器构成了1个跨段。信号每传送15km，光功率[11-12]衰减为原来一半，通过一段光纖传送后，光功率衰减，用放大器对功率进行补偿。在放大器对信号、噪声[13-14]同步放大的同时，还引入相应的辐射噪声，其公式为

其中h为普朗克常数（6.62606896×10–34J?S），f是光波频率（可定为193.1 THz），B为带宽（设为50 GHz），NF为噪声指数（可设为4），Gain为补偿光纤衰减所对应的功率增益。此外，光纤作为一种传输媒介，由于其本身的非线性效应，相应的也会等效地引入噪声。其入纤功率与等效噪声功率近乎呈平方关系，当光纤功率为1 mW时，其非线性噪声约等于单个放大器噪声的2/3。放大器的自发辐射噪声和光纤的非线性噪声都是加性噪声。非线性噪声在光传输链路的每跨开头叠加，放大器噪声在每跨的末尾叠加;每跨中间信噪比保持不变。每跨叠加的噪声间相互独立。

根据上述条件，在不同星座图的给定条件下，得出纠前误码率与信噪比关系图和光链路传输的性能。

1  BER与SNR的关系曲线图

1.1  星座图

2.3  光传送链路的模型建立

根据2.2的理论分析可知，当信号的功率不同时，我们最远传输的距离不同，发送功率越大，信噪比下降的越快，能传输的跨数较小，发送功率越小，信噪比下降的很缓慢，能传输的跨数较大。为简化模型，我们做一些假设，先假设发送信号为10 mW，放大器所补偿的功率增益刚好将一跨信号的衰减给补偿回来。即A*Gain=1，由题可知，每经过15 km，信号就会衰减一半，则信号与距离的关系表达式如下所示，

按照以上的建模和假设条件，我们就可以得到每一跨的信噪比了，因为光纤的非线性噪声和放大器的噪声均为加性高斯白噪声，所以1中BER和SNR的关系曲线图我们得到在BER为0.02时，三种调制格式下SNR分别为6.4 db，10.4 db，12.8 db，因此编写程序计算SNR所对应的跨数。

2.4  仿真结果及其分析

按照上述的建模方法，我们给出了图3三种不同的调制格式下，分别能传输最大跨数的一个仿真图。

当单跨的长度为80 km，調制格式为QPSK的时候，得到的仿真图如图7所示。

从图8中可以看出，在信号功率为10 mW，QPSK的调制模式下，能传输的最大跨数为155跨，此时传输的最远距离为12400 km。

当单跨的长度为80 km，调制格式为8QAM的时候，得到的仿真图如图8所示。

从图9中可以看出，当星座图的点数增多的时候，光纤能传输跨数明显变少了，从图9中能得出，当调制格式变成8QAM的时候，传输的跨数为78，传输的最远距离为6240 km。

当单跨的长度为80 km，调制格式为16QAM的时候，得到的仿真图如图9所示。

从图9中，我们得出，16QAM能传输的跨数最小，为46跨，传输的最远距离为3680 km。

最后，我们将三种不同星座图下能传输的最远距离做一个比较，如表2所示。

当单跨的长度为100 km时，在调制格式为QPSK下，最远能传输的跨数仿真图如图10所示。

图10中显示，BER=0.02时，所对应的光纤跨数为130，因此能传输的最远距离为13000 km。从图中看出，因为单跨的长度变长了，在跨尾处的信号衰减也相应的变大，那么放大器的需要补偿的增益Gain也就变大了，由放大器的噪声功率公式可得，Gain变大了，放大器加入的噪声功率也就变大了，即信噪比的下降速度变快了，因此光纤能传输的最大跨数变小了，最远的距离也就变短了。

当单跨的长度为100 km时，在调制格式为8QAM下，最远能传输的跨数仿真图如图11所示。

当调制格式变为8QAM的时候，星座图的点数变多，相比与QPSK而言，传输最远的跨数变少，图中所对应的跨数为65，最远的传输距离为6500 km。

当单跨的长度为100 km时，在调制格式为16QAM下，最大能传输的跨数仿真图如图12所示。

从图12中可以看出，同样，16QAM调制格式下，最远能传输的跨数是三种调制格式中最小的，能传输的最大的的跨数为39跨，最远能传输的距离为3900 km。

同样，我们将三种不同星座图下能传输最大跨数放在一张图上进行比较，如表3所示，表3为不同调制格式下最远传输距离。

3  总结与展望

在光传输链路在过去几十年的发展过程中，本文探索了其每跨传输距离与不同调整格式的各种关系，其在光传输链路方面已经成为非常重要的研究领域。

由本文上述可知，当纠前BER不变时，降低SNR容限点可以提高系统容忍噪声的能力，从而可以延长链路的总长度。但是我们都是在传统的调整格式和星座图下进行的各种仿真计算，随着通信理论的不断发展，我们可以改变方案中星座点的位置、数量或每个点的概率，探索产生比文中中星座图（相邻各星座点之间距离相等）具有更低SNR容限点和更远传输距离的调制，这是未来的一个研究方向。

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