基于Optisystem的光纤通信系统设计与仿真

徐云霞 时翔 汤祺 金维东

摘 要：将虚拟仿真与光纤通信融合，进行系统的设计、仿真和调试，通过数据分析进行系统优化，大大减少了光纤通信网络规划及工程实施的实际支出。文章利用Optisystem工具进行光纤通信系统的辅助设计，建立光发送机、接收机及波分复用系统的电路模型，进行噪声与信号波形的仿真与分析，以期达到系统的优化。

关键词：光纤通信;虚拟仿真;波分复用;Optisystem

0 引言

计算机仿真工具对于硬件与系统的设计、可行性分析等都有着重要的意义。光纤通信的发展迅速，光通信系统愈加趋于复杂。层出不穷的器件和复杂的网络结构让光纤系统设计变得困难[1-2]。

光纤通信的虚拟仿真工具Optisystem，具有强大的模拟环境，支持自定义器件与快速低成本的设计模型，其本质是通过建造系统模型进行由表及里、从外到内的试验性研究，找出不足并保留优点，以期达到系统模型及其运行的最佳状态[3-4]。本文使用Optisystem工具，对光纤通信系统中的光发送机、光接收机以及波分复用（WDM）系统进行仿真设计，实现直接调制的光发送机系统设计与仿真、基于PIN光电二极管的光接收机系统设计与仿真以及四路复用的单模光纤WDM通信系统设计与仿真。设计完成后在Optisystem中进行仿真模型搭建和运行，观测各处的数据并进行对比分析。

1 光纤通信系统总体设计

一个完整的光纤通信系统包含光发送机和光接收机两个部分，光发送机的作用是将传输过来的电信号转化成光信号，而光接收机的作用则是将光信号转化成电信号，这个转化的过程简称为“电—光—电效应”，而光纤通信系统正是通过“电—光—电效应”来传输信息的通信系统。在利用Optisystem工具进行光纤通信系统的总体设计之前，考虑到实际应用，进行如下总体设计。

（1）光发送机及光接收机调制方式选择不归零码（NRZ）制式。输入的光信号经过NRZ调试之后频谱特性会变得更为紧密，解调更为快速方便，十分容易。

（2）光发送机系统选择直接调制。直接调制是直接调制信号电流强度，使输入功率随着电流强度的变化而变化，直接调制方式简单而方便。外调制方式一般适用于更高级的通信系统，故不采纳。

（3）光发送机系统选择低通高斯响应滤波器（Low Pass Gauss Filter）。理想低通濾波器可供理论研究的结果趋于完美。但实际应用时，必须考虑理想模型和实际电路之间的差异对结果的影响。

（4）为了便于观测整个系统的实时运行状态，需要在NRZ脉冲仪器加入一个示波器，观测未调制前的时域波形，在直接调制元件加入光谱仪、光功率计和光时域观察仪，以获取调制后波形的光谱、功率以及时域波形，加入眼图和误码率分析仪则是为了获取整个系统的分析数据，从而判断其运行状态。

（5）WDM系统中，发送端由四路发射器件组成并产生信号，经过复用器接入信道。信道连接解复用器且最后将信号传输到接收端，在系统关键节点接入显示模块，观测数据以此评估所搭建系统的性能。

2 系统设计与仿真

2.1  光发送机系统设计与仿真

光发送机系统的设计流程如下：第一步，随机码发生器生成随机信号序列。第二步，已经生成的信号经过NRZ脉冲将数字信号转化为电信号输入低通高斯滤波器。第三步，高斯滤波器开始处理电信号，将其信号的信噪比增大，得到较为清晰的波形与真实的信号，此时设置截止频率为0.75比特/赫兹。第四步，分路器将路线一分为二，一路信号直接进入MZ（Mach-Zehnder结构）调制器，另一路则是经过信号增益放大进入调制器，同时激光器所发射的光信号也进入其中。为便于采集信号的波形，设置两个示波器，观察波形。第五步，开始在MZ调制器进行信号的调制，即将两路信号合成一路信号，进行信号的调制。同时在调制器后面链接上一个光时域观察仪，获取其调制后的信号波形、图像、啁啾量等试验结果。

图1所示为光发送机系统的模型及其仿真模型。系统采用外部直接调制的方式，在Low Pass Gauss Filter、调制器输出、放大器输出模块分布放置示波器1、光频谱分析仪和示波器2，以进行波形数据观察。

2.2  光接收机系统设计与仿真

光接送机系统的设计流程如下：第一步，随机元序列生成随机数字信号，这里仍然保持默认，不加改动。第二步，新生成的数字信号经过NRZ脉冲将数字信号转化成电信号输出到MZ调制器，同时激光发射器会发出光信号进入MZ调制器。第三步两路信号进入之后合成一路信号进入光衰减器，光衰减器是通过改变其衰减量从而改变光信号的功率，暂且设定其元件参数为0 dB。第四步，经过一个1×2分路器，将光信号输出到下一个器件。第五步，可以观察到两路都需要经过PIN光电二极管和低通贝塞尔滤波器，这里暂时没有设置，其实一路是加入散粒噪声，另一路是加入热噪声。第六步，通过各种观测仪器，比如眼图和示波器观察接收到波形和影响因素，采集数据，进行系统分析和调试。

图2所示为光接收机系统的模型及其仿真模型。在调制器输出处设置光时域观察仪，在PIN光电二极管输出处设置示波器1，在滤波器输出处设置示波器2，在全系统输入输出处设置眼图分析仪，进行数据采集及波形分析。

2.3  WDM系统设计与仿真

WDM系统发送端将使用4组元器件来产生四路不同波长的信号，为避免光色散及产生啁啾现象，每一路光信号的产生都将采用外调制的方法。每一路光信号的产生都将由一组器件完成，每一组器件都由一个随机二进制码发生器、一个NRZ发生器、一个连续波激光器和一个M-Z调制器组成。系统发送端光源使用外调制型光源，并使用四路复用的方式发出的光信号，发出的信号由四路复用器复用后传入传输信道。传送信道由单模光纤、EDFA、循环控制器组合而成，复用的信号将由传输信道传入解复用器，将经过复用的信号分为四路信号传入输出端。在输出端由光电检测器对光信号进行光电转换，并由低通滤波器将所包含的数字基带信息提取出来。接收端由光电检测器、Bessel低通滤波器、1×4型解复用器组成。此外除去这些需要系统的组成器件，还需要一些测量仪器：光学频谱分析仪（Optical Spectrum Analyzer），波分复用分析仪（WDM Analyzer），光时域观察仪（Optical Time Domain Visualizer），误码率分析仪（BER Analyzer）和再生器（3R Regenerator）。这些仪器将安置在关键节点处观察信号经过信道前后的状态以及系统整体的性能。

系统搭建完成并将各器件参数调整完成后，即可开始仿真，运行仿真系统后即可观测数据。在通过对四路复用的WDM通信系统的搭建和优化的过程中，发现WDM通信系统依靠于组成部分的复用器、解复用器、放大器等器件使得信号能在长距离内传输，并且保证传输效率，通过模拟仿真可以发现光纤长度、放大器增益、发射端功率等因素影响着系统的整体性能。

3 结语

本文利用Optisystem通信仿真软件进行了光发送机、光接收机及WDM系统的设计与仿真。与实际的实验操作或工程设计相比，应用Optisystem工具最大的优点是可以快速地设计和布设系统，及时进行数据采集及波形分析，根据仿真结果对系统各模块的参数进行优化，从而快速地实现一个优良系统的初步设计和定性分析，节省了大量的时间和经济成本。在进行光纤通信的网络布设和工程的实际实施之前，利用Optisystem工具能够为通信系统提供很好的工程指导，同时，在实际实施时，还需要考虑理想模型和实际电路模块之间的差异，以正确指导工程的实施。

[参考文献]

[1]马毅涛.光纤通信技术在广播电视传输中的应用分析[J].电子元器件与信息技术，2020（10）：40-41.

[2]陆少华.光纤技术通讯技术的发展和应用[J].中国新通信，2020（18）：5-6.

[3]耿宁遥，蒋远堃，王爽.基于Matlab与Optisystem的OFMD信号的产生以及在光纤通信系统中的传输过程的仿真[J].信息通信，2017（8）：48-50.

[4]雒明世，郑圆圆.基于OptiSystem的光纤通信系统的仿真与分析[J].科技创新与应用，2020（34）：20-21.

（编辑 王雪芬）