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1、精品资料软件设计报告软件设计报告课程名称：课程名称： 光通信系统设计光通信系统设计 实验名称实验名称：八路内调制波分复用系统八路内调制波分复用系统实验日期：实验日期：20112011 年年 4 4 月月 1313 日日-2011-2011 年年 4 4 月月 1717 日日1 1、光电综合设计概述光电综合设计概述1.11.1 性质、目的与任务性质、目的与任务光电综合设计是电子科学与技术专业集中实践性教学环节中的专业课程设计。通过本课程的学习与实践，不仅使学生能够基本掌握运用 OptiSystem 软件平台进行光纤通信系统的设计和仿真分析的方法，更重要的是使学生能够将在相关先修课程中所学的知识串
2、接起精品资料来，初步形成在系统层面上分析问题和解决问题的能力，为毕业设计（论文）打下良好的基础。1.21.2 设计内容、学时分配及基本要求设计内容、学时分配及基本要求光电综合设计的课内总学时为 32 学时（2 周） 。教学活动已分散自学和集中上机相结合的方式进行。参加光电综合设计的同学首先利用分散自学时间复习相关课程内容，认真阅读设计指导书，针对课题的设计要求提出设计方案；然后利用集中上机时间对设计方案进行建模、仿真，根据仿真结果，进行设计修改和设计优化，形成最终设计方案。在上述工作的基础上，写出设计报告。光电综合设计光通信系统设计的内容和基本要求见下表 1.1.表 1.1 光通信系统设计内容
3、和基本要求序号课题名称课题内容及要求课题类型备注1OptiSystem 的基本操作熟悉 OptiSystem 界面，掌握基本操作。综合2基本光纤通信系统设计设计一个简单光纤通信系统，并利用 OptiSystem 仿真验证。设计3WDM 系统设计设计一个四波分 WDM 光纤传输系统，并利用OptiSystem 仿真验证。设计4长距离光纤传输系统设计设计一个 4x2.5Gbit/s 长距离光纤传输系统，并利用OptiSystem 仿真验证。设计5OADM 设计设计一个具有四波长通道双向 OADM 并进行仿真验证。设计6EDFA 设计采取不同结构和泵浦波长设计一个 EDFA，并利用设计精品资料Opt
4、iSystem 仿真验证和设计有缘。1.31.3 课程考核课程考核本课程设计以完成课题设计与仿真分析结果以及课程设计报告作为主要考核依据。学生必须在规定时间内完成指定课题的设计和仿真验证分析，并由指导教师考核验收。学生必须完成光电综合设计报告。报告包括：（1） 课题任务及技术指标；（2） 课题分析及设计思路；（3） 系统设计；（4） 仿真结果及结果分析，设计优化；（5） 小结；二、预备知识二、预备知识1970 年，美国康宁玻璃公司研制出损耗为 20dB 的石英光纤，证明光纤作为通信的传输每只是大有希望的。同年，半导体激光器实现了室温下的连续工作，为光纤通信提供了理想的官员。从此，便开始了光纤通
5、信快速发展的时代。在 80 年代，光纤通信得到极大地发展，波分复用技术，相干光纤通信系统，光纤放大器等技术已经受到人们的重视，并得到快速发展。目前最引人瞩目的 WDM 全光通信，它是在传送网中加上光曾，在光上进行交叉连接和分叉复用，从而减轻电交换节点的压力，大大提高整个网络的传输容量和机电的吞吐容量，成为网络升级的首选方案，这也是当前光纤通信的研究热点。光纤通信之所以得到如此迅速的发展，与光纤通信的优越性是分不开的，它的主要优点有：1.传输损耗低；2.尺寸小，重量请，有利于敷设和运输；3.抗电磁干扰性能好，适合应用于有强电干扰和电磁辐射的环境中 ；4.光纤之间的串话小（又称“串音”。通信线路上
6、信号杂散耦合到其他通信线路造成干扰的现象） ；精品资料5.制造光纤的主要原料是二氧化硅，是地球上蕴涵最丰富的物质，取之不尽，用纸不竭；2.12.1 简单光纤通信系统简单光纤通信系统一个基本的光纤通信系统是由发送机，传输介质（光纤） ，接收机三部分构成的。如下图 2.1：其中发送端包括光源、脉冲发射器、解调器等；传输部分包括传输光纤、光纤放大器、色散补偿光纤等；接收端包括 PIN/APD 光、放大器、低通滤波器、解调器等。对于一个光纤通信系统，需要对系统的制式，速率，光纤选型加以完善，全面的考虑。比如新建的长度干线和大城市的市话通信一般都应选择 SDH（Synchronous Digital H
7、ierarchy，同步数字体系，根据 ITU-T 的建议定义，是不同速度的数位信号的传输提供相应等级的信息结构，包括复用方法和映射方法，以及相关的同步方法组成的一个技术体制设备） ，长途干线已经采用 STM-16，多路波分复用的 2.5Gbit/s 系统，甚至是 10Gbit/s 系统。至于光纤，G652 光纤目前已经大量敷设，是在 1.3 微米波段性能最佳的单模光纤。该光纤设计简单，工艺成熟，成本低廉，是实用性较好的光纤之一。2.22.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 EDFAEDFA2.2.12.2.1 EDFAEDFA 的结构和工作原理的结构和工作原理图 2.2 给出了双向 EDFA 的
8、原理性光图，其主体是泵浦源和掺铒光纤（EDF） 。泵浦源用来提供能量；EDF 作为有源介质，提供反转粒子；波分复用器（WDM)的作用是将泵浦光合信号光混合，然后送入 EDF 中，对它的要求是能将信号有效地混合而损耗最小；光隔离器（ISO）的作用是防止反射光对 EDFA 的影响，保证系统稳定工作；滤波器的作用是滤除精品资料EDFA 的噪声，提高系统的信噪比（SNR）,在练级宽带 EDFA 中，它还起到增益平坦的作用。EDFA 的泵浦过程需要使用三能级系统。实际上基态能级、亚稳态能级和泵浦能级受托克斯分裂（Stock Splitting)和热效应的影星啊，形成了一个近似联系的能带。由于亚稳态能及和
9、几台能级具有一定的宽度，因此 EDFA 的放大效应具有一定的波长范围。在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部分处于几台的 Er3+例子抽运到激发态，处于激发态的 Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态。由于 Er3+离子在亚稳态能级上的寿命较长，因此很容易在亚稳态和基态间实现粒子数反转。当信号光子通过掺铒光纤时，与处于亚稳态的 Er3+离子相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身完全相同的光子，这时通过掺铒光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用。Er3+离子处于亚稳态时，出了发生受激辐射和受激吸收意外，还要产生自发辐射（ASE)，它造成 EDFA 的噪声。在 EDFA 的光路结构设
10、计中，常见的泵浦方式有同向泵浦（注 1） 、反向泵浦和双向泵浦三种。这些泵浦方式各有其特点：同向泵浦由于在输入端有较高的粒子数反转而具有比较低的噪声。而由于背景损耗小，输出端具有高的离子数反转，因此反向泵浦具有较高的泵浦效率和增益。当 EDF 长度较短是，三种泵浦方式的小信号增益基本相同，NF（注 2）也相差不大，原因下雨三种泵浦方式都已经使整个光纤的 Er3+离子发生完全反转；当 EDF长度增加时，双向泵浦方式的增益最高，反向泵浦方式的增益次之，同向泵浦方式的增益最低。噪声系数（NF）则表现不同，其中同向泵浦方式的 NF 最小，反向泵浦方式的 NF 最大，双向泵浦方式的 NF 介于两者之间。
11、泵浦光功率、泵浦方式与增益、噪声的关系：在给定的 EDF 长度范围内，EDFA 的增益岁泵浦功率的增加而增大，其 NF 岁泵浦功率增加而减小。但是，当泵浦功率增加到一定值精品资料后，增益区域饱和，NF 也趋于定值。图 2.3 是实验得到的泵浦功率与小信号增益、NF 的关系。这是因为，当泵浦功率增加到一定程度时，EDF 中基态能级的 Er3+离子已经基本上被激励到上能级，继续增加泵浦功率对粒子数反转贡献不大，所以增益趋于饱和。2.2.22.2.2 EDFAEDFA 在光纤通信系统中的应用在光纤通信系统中的应用在光纤通信系统中，EDFA 有三种基本的应用方式，分别是用作光发射机输出的功率放大器、用
12、作光接收机前段的前置放大器和用作远距离传输的线路放大器。功率放大器（后置放大器）方式是把 EDFA 置于光发射机之后，用以提升输出信号的功率，可用来保证点对多点的光功率分配，并可降低高速系统中半导体激光器直接调制的“啁啾”影响。功率放大器对放大性能的要求是输出功率大。前置放大器方式是将 EDFA 置于光接收机 PIN 管光检测器的前面，用以改善输入光信号的信噪比，提高光接收机的接受灵敏度。前置放大器对放大性能的要求是噪声性能要求高。线路放大器应用方式是将 EDFA 在线插在传输线路的一个或多个位置，用来周期性地补偿光信号衰减。这种衰减或来自光纤的吸收损耗，或来自网络分配引起的分光损耗。这种方式
13、下，放大器可以以级联（注 3）方式存在。线路放大器对放大性能的要求输出功率和噪声性能两者兼顾。由于光放大器对信号的调制方式和传输速率等方面的透明性，EDFA 在模拟，数字光纤通信系统以及光孤子系统中现实了广阔的应用前景。尤其是在长距离数字通信系统中，波分复用技术与 EDFA 结合将大大提高系统容量和传输距离，WDM+EDFA 已经成为当前光纤通精品资料信系统最重要的发展方向之一。在级联 EDFA 的系统中，ASE（注 4）噪声将不断积累。由于级联方式的不同，系统的噪声性能略有不同。根据每级增益安排的不同，EDFA 可以有三种不同的级联方式。第一种级联方式是所谓的“自愈”方式即对没几增益不做专门
14、的控制，在这种方式下，开始几级EDFA 增益较大，随着信号光功率的增加和 ASE 噪声积累，EDFA 增益饱和，最后没几 EDFA输出功率趋于恒定，此时信号光功率不断下降，而 ASE 噪声功率不断增加。第二种方式是保证 EDFA 输出功率恒定，光功率的变化趋势与第一种级联方式的后半部分相同，第三种级联方式是宝石每点击的增益恰好抵消级间损耗。这种情况下，每级 EDFA 输出的信号光功率恒定，但是，由于 ASE 噪声积累，总功率将不断上升。在含有 EDFA 的系统中，由于 EDFA 能踢狗足够的增益，使信号的传输距离大大延长，随着信号速率的不断提高，光纤色散和非线性效应对系统性能的影响变得突出起来
15、。各种补偿方案也相继提出，具体的色散补偿技术，健在后面讨论。2.32.3 波分复用技术（波分复用技术（WDMWDM，WavelengthWavelength DivisionDivision Mutiplexing)Mutiplexing)2.3.12.3.1 波分复用技术的基本原理波分复用技术的基本原理光多路 WDM 系统的组成如图 2.4 所示，N 个光发射机分别发射 N 个不同波长，经过光波分复用器（合波器）合到一起，耦合进单根光线中传输。到接收端，经过具有光波长选择的解复用器（分波器） ，将不同波长的光信号分开，送到 N 个光接收机接收。图 2.4 为WDM 系统结构图。WDM 系统的
16、关键器件是复用和解复用器，这两个器件的引入，开来了一定的损耗和由波长选择功能不完善而引起的复用信道间的串扰，在实际应用中，需要将此情况考虑在内。精品资料WDM 系统的主要优点有：1、充分利用光纤的低损耗波段，大大增加光纤的传输容量、降低成本；2、对各个信道传输的信号速率、格式具有透明性，有利于数字信号和模拟信号的兼容；3、节省光纤和光中继器，便于对已建成系统的扩容性；4、可提供波长选路，使建立透明的、具有高度生存性的 WDM 全光通信网成为可能。随着 1550nm 窗口的 EDFA 的商用话，WDM 系统主要只在 1550nm 窗口传送多路光载波信号，其波长间隔一般效率 1.6nm，并能够在一个窗口内共享 EDFA，人们把这样的 WDM 系统称为密集波分复用（DWDM,:Dense Wavelength Division Multiplexing）系统。2.3.22.3.2 波分复用技术在光纤通信系统中的应用波分复用技术在光纤通信系统中的应用与由分插复用器(注 5)和中继器（注 6）构建的传
