基于VPI的波分复用型无源光网络系统可靠性研究

武警工程大学信息工程学院 周 阳

【目的】在基于光谱分割的波分复用型无源光网络（WDMPON）系统中，为了验证不同光纤长度对系统可靠性的影响。【方法】利用VPI光通信仿真平台，设计并搭建了一个基于光谱分割WDM-PON的光网络系统，通过设置传输光纤的长度及相关参数，在接收端通过光电信号分析仪对接收信号进行频谱、眼图质量分析。【结论】实验结果表明：光纤长度的变化对基于光谱分割WDM-PON系统的抗噪声性能和抗码间干扰能力有较大影响，光纤长度越长，接收端信号质量越差。

新冠肺炎疫情发生以来，远程教育、视频会议等互联网应用迎来了前所未有的发展，这些业务主要承载在光纤传输网络中。为了提高系统带宽，密集波分复用无源光网络（WDM-PON）凭借其利用信道资源少、功率预算低的特点，可以实现用户数目和传输容量的大幅提升，成为了近年来的研究热点。光谱分割是指WDMPON利用宽带光源作为光网络单元（Optical Network Unit，ONU)的光源，输出信号复用到一根光纤上，在光线路终端（optical line terminal，OLT）通过解复用器到达目的接收机。

近年来，许多研究人员对基于光谱分割的WDM-PON系统进行了研究，取得了一些研究成果。马子洋等人从频谱效率、相干接收机等方面出发，对国内外有关超密集波分复用无源光网络的最新研究进展进行了跟踪，并预测了其未来的发展方向。张晨希对基于高阶调制的技术的WDM-PON前传网络进行了研究，其研究的重点是信号的码型和偏振复用技术在系统传输的可行性和优化。G.Sharma and L.Tharani在不同的气候条件下，展示了一种性价比高的非线性光谱分割WDM通信系统掺铒光纤放大器是最佳的放大器，但并未对影响该系统传输性能质量的因素进行分析。

综上所述，目前大部分的研究成果并未涉及影响基于光谱分割WDM-PON光网络系统传输性能的因素。因此，本文利用VPI光通信仿真平台，设计并搭建了基于光谱分割WDM-PON的光网络系统，通过设置光纤长度等相关参数，观察比较输出信号的眼图和频谱，从而得出相关结论。

1 仿真实验与分析

1.1 VPI光通信仿真平台简介

VPI transmission maker（VPI）是德国VPIphotonics公司研发的一款专业的光通信系统仿真软件，它拥有丰富的光通信系统仿真模块，包括各种类型的信息源、发射机和接收机模块、光调制器、复用器和滤波器、光纤、光放大器、分析仪等，研究人员可以根据相关规则随意调用相关模块在实验区搭建相应的实验系统，并可以修改系统内各模块的参数，甚至可以利用MATLAB/C++等编程语言设计相关模块，大大提高了研究人员的工作效率。通过多种类型的分析仪可以得到信号的眼图、波形图、频谱图、误码率等信息，方便了研究人员对光通信系统进行仿真研究。

图1 基于光谱分割WDM-PON的光网络系统

1.2 实验结构图

如图1所示，本文在VPI平台上设计并搭建了一个基于光谱分割WDM-PON的光网络系统。该系统由4个频道组成，1gb/s。发射器是直接调制的LED。在调制之后，信号被多路复用并通过单模光纤发送。多路复用器执行信道切片。在远端节点，采用光电二极管对信道进行解复用和检测；通过改变光纤长度参数大小并在输出端利用光纤信号分析仪来观察输出端信号的质量的影响。

1.3 实验参数设置

系统的参数设置如表1所示，其中带内噪声是一个开关类型的参数，信号发射频率和采样中心频率保持一致，采样模式带宽为1.28×1012，传输光纤的衰减设为0.2e-3，色散为16e-6，色散率为0.08e-3，光纤长度根据实验需求进行改变，其余参数为系统默认值。

表1 参数设置

1.4 实验结果及分析

1.4.1 默认光纤长度下输出信号的质量

默认光纤长度为10e3m，其余参数保持不变，由光电信号分析仪得到输出信号的频谱和眼图如图2所示：

图2 实验结果图

由图2(a)分析可知，输出信号基本没有发生频谱偏移，保持在中心频率193.1Thz附近。由图2(b)可知眼图存在一定程度的线条展宽和模糊，“眼”的张开度较大，取样时间处的失真较小，线条较为清晰，表明抗噪声能力较强；同时，信号时间抖动较小，表明此时系统抗码间干扰能力较强，系统传输可靠性较高。

1.4.2 光纤长度为10e4m条件下输出信号的质量

将光纤长度参数增大为10e4m，其余参数保持不变，由光电信号分析仪得到输出信号的频谱和眼图如图3所示：

图3 实验结果图

由图3(a)分析可知，当光纤长度增大为10e4m时，输出信号也没有发生频谱偏移，保持在中心频率193.1Thz附近，这说明光纤长度的增加不会造成输出信号频谱的偏移。由图3(b)可知眼图线条展宽严重且模糊，“眼”的张开度较小，取样时间处的失真很大，线条杂乱，表明此时系统抗噪声能力很弱；同时，信号时间抖动较大，表明此时系统抗码间干扰能力较弱，系统传输可靠性很低。

2 总结与展望

本文研究了不同光纤长度对基于光谱分割WDM-PON系统的影响。在VPI仿真软件中搭建实验系统，定量分析了两种光纤长度的条件下接受信号的质量。实验结果表明，光纤长度的变化对基于光谱分割WDM-PON系统的抗噪声性能和抗码间干扰能力有较大影响，光纤长度越长，接收端信号质量越差。本文的研究结果为下一步研究影响基于光谱分割WDM-PON光网络系统传输性能的因素提供了依据。