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1、 软件设计报告课程名称： 光通信系统设计 实验名称：八路内调制波分复用系统实验日期：2011年4月13日-2011年4月17 日一、 光电综合设计概述1.1 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接起来，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。1.2 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
2、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
3、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OptiSystem仿真验证和设计有缘。设计1.3 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
4、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，
5、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”。通信线路上信号杂散耦合到其他通信线路造成干扰的现象）；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；2.1 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；
6、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 Hierarchy，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
7、艺成熟，成本低廉，是实用性较好的光纤之一。2.2 掺铒光纤放大器EDFA2.2.1 EDFA的结构和工作原理图2.2给出了双向EDFA的原理性光图，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
8、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
9、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
10、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。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。2.2.2 EDFA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、用作光接收机前
11、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。这种方式下，放大器可以以级联（注3）
12、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的控制，在这种方式下，开始几级EDFA增益较大，随着信
13、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。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。2.3 波分复用技术（WDM
14、，Wavelength Division Mutiplexing)2.3.1 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。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；
15、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。2.3.2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）构建的传统SDH（注7）长途干线网相比，DWDM系统由于采用具有多波长放大能力的接铒光纤放大器技术，从而降低了长途干线网的中继成本，获得了广泛应用。在长途干线传输网中，DWDM负责解决业务的长距离传送，SDH负责解决业务的调度、上下和保护。随着技术的进步和业务的发展，WDM技术正从长途传输领域向城域网领域扩展。适用于城域网领域的W
