vpi上机实验指导书-学生

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1、 VPI 光纤通信仿真 实验指导书 2014420 1 目目 录录 实验一 光传输系统的组成 2 实验二 LD 的光谱与噪声特性 10 实验三 LD 调制特性 12 实验四 MZM 工作原理 14 实验五 ASK 信号调制 . 16 实验六 PSK 信号 18 实验七 光纤的损耗与色散 20 实验八 光纤的非线性效应 23 实验九 光纤中的受激散射 25 实验十 光接收机 28 实验十一 误码率与接收机灵敏度 . 31 实验十二 相干光接收机 33 实验十三 信号的损伤与补偿算法 . 38 实验十四 无源光网络的组成 41 实验十五 掺铒光纤放大器 43 实验十六 前向纠错码 45 2 实验一

2、实验一 光传输系统的组成光传输系统的组成 1. 实验目的 熟悉 VPI TransmissionMaker 仿真软件的基本操作 了解光纤通信系统的组成，各个部分的作用和基本特性。 2. 仿真模块与系统 仿真模块包括 Tx_OOK （内部包含 LaserCW、ModulatorDiffMz_DSM、PRBS 、CoderDriver_OOK） 、Signal Analyzer、FiberNLS 和 Rx_OOK 等模块，仿真系 统如图所示： 图一、光发射机的组成（包含光信号分析仪） 图二、光通信系统的组成（包含了信号分析仪） 3. 实验内容与步骤 3.1 搭建上述系统 搭建光发射机的具体步骤如下

3、： 从Resources资 源 列 表 库 中 选 择TC Modules Optical 3 SourceLaserCW.vtms，将 LaserCW.vtms 拖拉到工作区主界面中。 选择 TC Modules Optical Modulators ModulatorDiffMz_DSM.vtms，将 ModulatorDiffMz_DSM.vtms 拖到工作区主界面下。注意：一般情况下，VPI 软件默认设置下，器件的端口之间的连接不会自动连接，需要手动对应的连 接起来。当然可以设置为自动连接：选择工具栏中的 Macros 下拉列表下的 Link Components。 选 择TC Mod

4、ules Information & Coding ， 将PRBS.vtms和和 CoderDriver_OOK.vtms 依次拖到工作区主界面下。 连接各器件，并保存文件。 搭建光传输系统的具体步骤如下： 从Resources资源列表库中选择TC Modules TransmittersTx_OOK.vtmg， 将 Tx_OOK.vtmg 拖拉到工作区主界面中。 点击右键菜单look inside 可以看 到其内部组成与图 可以看 到其内部组成与图 1 相同。相同。 （注：有若干后缀名为 vtms 的元器件组成的子系 统可以保存为后缀名为 vtmg 的子系统模块，以供直接使用。） 从 Res

5、ources 资源列表库中选择 TC Modules FibersFiberNLS.vtms，将 FiberNLS.vtms 拖拉到工作区主界面中。 从 Resources 资源列表库中选择 TC Modules ReceiversRx_OOK.vtmg， 将 Rx_OOK.vtmg 拖拉到工作区主界面中。 连接各器件，并保存文件 3.2 查看和编辑全局变量的参数 全局变量的参数设置是对所有的 VPI 仿真都相同，当你建立一个新的设计 工程时，你必须定义全局仿真参数，这些全局参数对仿真是至关重要的，它们不 仅在仿真中对与之相关的每个器件都有影响， 而且它们在系统的设计阶段就能决 定系统的工作速

6、率、精度、内存需要量。双击工作区的空白区域，将出现全局参 数设置对话框如下图所示： 设置参数如下：设置参数如下： 1）比特率（BitRateDefault）: 10G，即 10e9 2）时间窗口（TimeWindow）: 1024/10e9，其中 BitRateDefault=10e9 3）采样速率（SampleRateDeafult）：16*10e9 4 注意：注意：这三个参数之间的关系为： 时间窗口=数据长度/比特速率 采样速率=每比特的采样点数*比特速率 采样速率=总采样数据点数/时间窗口 总采样数据点数=数据长度*每比特的采样点数 另外，VPI 仿真软件中，所有的器件都共同享用时间窗口

7、这一全局参数，也即是 所有的器件都在同一时间窗口下工作， 但是每个器件能工作在不同的采样速率下。 更多全局变量参数的设置请查阅：FileHelpSimulation GuideChapter 4 Setting Simulation Parameters 图三、全局变量设置窗口 3.3 查看和调整模块和信号分析仪参数 在工作区界面下，双击器件和模块器件和模块的图标，将弹出连续其的属性对话框。属 性对话框中参数一般是按类组织放在一起的。如双击 Tx_OOK 模块，弹出的属 5 性对话框如下图所示，分别可以设置系统参数、laser、PRBS、coder 和 MZM 器 件的参数。 图四、光发射机参

8、数设置窗口 点击左侧三角符号可以展开所有具体参数，如下图所示。 图五、光发射机参数设置窗口 在工作区界面下，双击 SignalAnalyzer_vtms1 的图标也弹出属性编辑对话框 此对话框。如下图所示，在 InitialAnalysisType 中选择观察仪的功能如频谱仪、 示波器、眼图等。 6 图六、信号分析仪设置窗口 3.4 运行系统 开始运行仿真最简单的方法是点击工具栏上的 Run 按钮，这将会按照当前 的设置或默认的设置来运行仿真，包括运行次数、运行脚本等。为了更灵活地控 制仿真，可以利用提交仿真工作对话框来启动运行，如图 9 所示，弹出该对话框 有两种方法：键盘上的快捷键 F9

9、或选择 Run 按钮下的三角形中的下拉菜单中的 run。本例中选择默认的运行次数 1 次，多次运行一般用于 sweep 模式中进行参 数的优化。注意：需要停止或中断本次运行时，请点击中的 Stop 按钮或用工作 管理器来终止仿真的运行。 1） 2） 首先观察电电 窗口，选择 中时域波形 与 1 类似， 电电信号的信号的时时 择菜单栏 An 形的图标， 设置 Signa 图七、提 时时域波形域波形：点 nalysisSco 得到电域波 图 alAnalyzer_ 提交仿真工作 点击激活 Si ope，或者直 波形结果如 图八、电信号 _vtms， 查看 作对话框 ignalAnaly 直接点击工

10、 如下： 号波形 看光信号光信号的的 zer_vtms， 工具栏上的 的的时域波形时域波形， 使其成为当 如下图所示 7 当前 示： 3） 注注意意 如下 查看光信光信号号 择菜单栏 A 形的图标， 意意： 修改右边 下图所示， 号号的光谱的光谱： AnalysisO 得到调制 边的属性参 类似的还可 图 点击激活 S OSA，或者 后的光信号 图十 参数， 可以更 可以调整光 图九、光信号 SignalAnal 者直接点击工 号光谱图如 十、光信号光 更改图形的显 光谱的显示分 号波形 lyzer_vtms 工具栏上的 如下： 光谱 显示字体， 分辨率。 ，使其成为 的 曲线颜色、 为当前窗

11、口， 中时域 显示区间等 8 ，选 域波 等， 9 图十一、显示设置窗口 3.5 实验要求 分别在全局参量和模块参量修改信号速率，激光器输出功率（laserPower） ，光纤长度等参数（请在相应的模块进行设置），观察记录激光器输出信号，电 信号，光发射机输出信号，光纤输出端信号，和光接收机输出信号波形。 4. 数据分析与讨论 （说明：请按照实验内容和步骤实验内容和步骤对所获得的数据、图表进行分析和讨论，本部分为评分关键 因素，请结合实验目的实验目的详细阐述你对结果的分析和理解。 ） 5. 思考题 1、谈谈你对 VPI 仿真系统的认识。 2、在全局变量中调节比特率（BitRateDefault

12、） ，时间窗口（TimeWindow),采样 速率（SampleRateDeafult）产生不同速率，不同时间长度和采样速率的光信 号，通过信号分析仪 SignalAnalyzer 观察信号速率，波形，频谱（包括频谱 宽带和频谱分辨率）的变化。 1. 实验 2. 仿真 仿真 Num 3. 实验 改变 大小 4. 数据 （说 因素 5. 思考 如何 提示 -40d 验目的 观察 LD 的 分析边摸抑 真模块与系 真模块包括 mericalAnal 验内容与步 变 LaserCW 小，观察信 据分析与讨 说明：请按照 素，请结合实实 考题 何测量激光 示：射频频 dBW。 实实 的光谱特性 抑制比

13、，线 系统 括 LaserCW lyzer1D 等模 步骤 W_DSM 模块 号输出光谱 讨论 实验内容和实验内容和 实实验目的验目的详细 光器 RIN 噪声 频谱测量分辨 实实验二验二 LD 性 线宽和相对强 W_DSM、P 模块，仿真 图一、L 块中 Sidem 谱，波形和 步骤步骤对所获得 细阐述你对结 声？ 辨率为 1GH D 的光谱的光谱 强度噪声对 Photodiode、 真系统如图 LD 光谱特性仿 modeSuppres 和相位变化。 得的数据、图 果的分析和理 Hz，噪声大 与噪声与噪声特特 对信号质量 、Signal an 所示： 仿真系统 ssionRatio， 图表进行

14、分析 理解。 ） 大小为-50dB 特特性性 的影 nalyzer、Po Linewidt 析和讨论，本 Bm，信号功 ower meter th 和 RIN 数 本部分为评分 功率大小为 10 r 和 数值 关键 为 11 12 实验三实验三 LD 调制特性调制特性 1. 实验目的 LD 的 P-I 特性曲线 LD 的直接调制特性 2. 仿真模块与系统 观测 LD 的 P-I 特性曲线的仿真系统包括 DC_Source、LaserAnalogDSM、 Powermeter、SignalAnalyzer、Const 和 NumericalAnalyzer2D 等模块，仿真系统 如图所示： 图一

15、、P-I 特性曲线仿真系统 观测 LD 直接调制特性的仿真系统包括 PRBS，CoderNRZEl，LaserDriver， LaserSMRE，Photodiode 等模块，系统如下图所示： 图二、LD 直接调制特性的仿真系统 3. 实验内容与步骤 13 1、双击 LaserAnalogDSM，设置 ThresholdCurrent 为 0.01A，LaserBias 为 0；改 变驱动电源 DC_Source 模块中电流幅度 Amplitude 数值大小（00.03A），观 察信号输出光谱。连续改变 Amplitude 的数值（可以使用 sweep 方式），记 录输出光功率与驱动电流的大小

16、，绘制 P-I 特性曲线。 2、设置数字信号的速率分别为 1，4，8Gb/s 观察输入电信号和输出光信号波形 的变化，分析光信号波形畸变的原因。 4. 数据分析与讨论 （说明：请按照实验内容和步骤实验内容和步骤对所获得的数据、图表进行分析和讨论，本部分为评分关键 因素，请结合实验目的实验目的详细阐述你对结果的分析和理解。 ） 5. 思考题 1、激光器在阈值电流以下是否发光，其机理是什么？ 2、高速直接调制下 LD 输出光信号波形为发生那些畸变？ 14 实验四实验四 MZM 工作原理工作原理 1. 实验目的 了解 MZM 器件的工作原理，Vpi 电压，功率传输曲线，以及偏振点的选择 方法。 2. 仿真模块与系统 仿真模块包括 LaserCW、ModulatorDiffMZ_DSM、DC_Source、Fork_2、Power meter、Const 和 NumericalAnalyzer1D 等模块，仿真系统如图所示： 图一、MZM 工作仿真系统 3. 实验内容与步骤 1、设置偏置电压为 0， 运