基于RZ的40 Gbps SMF光纤传输系统的设计与仿真[研究分析].doc
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1、课程设计任务书20162017学年第二学期专业: 学号: 姓名: 课程设计名称: 光纤通信课程设计 设计题目: 基于RZ的40 Gbps SMF光纤传输系统的设计与仿真 完成期限:自 2017 年 5 月 22 日至 2017 年 6 月 8 日共 2 周一、设计依据 窗体顶端 光纤通信技术从光通信中脱颖而出,已成为现代通信的主要支柱之一,在现代电信网中起着举足轻重的作用。电发射机把信号转换为适合信道传输的信号,这个转换如果需要调制,则其输出信号称为已调信号,然后把这个已调信号输入光发射机转换为光信号,光载波经过光纤线路传输到接收端,再由光接收机把光信号转换为电信号,电接收机把接收的电信号转换
2、为基带信号,最后由信息宿恢复用户信息。利用光发送模块、光接收模块以及光纤,设计40 Gbps单模光纤传输系统。并用Optisystem仿真软件进行仿真,最终确定最佳的光纤传输系统的参数设置。 二、要求及主要内容 1查阅相关文献,掌握光纤通信系统的基本结构组成,掌握光纤通信系统光纤通信的基本原理; 2学会Optisystem仿真软件的使用方法,并搭建40Gbps SMF光纤传输系统; 3利用直接调制和间接调制两种方法进行仿真分析。 三、途径和方法 1查阅相关文献,理解光纤传输系统的基本结构和基本工作原理; 2利用Optisystem仿真软件搭建简单的光纤传输系统; 3 通过改变光源功率、光纤长度
3、来分析传输后的性能参数:最小误码率、Q值的变化; 4确定光学传输系统最佳的功率数和光纤长度。 四、时间安排 1课题讲解:2小时。 2阅读资料:10小时。 3撰写设计说明书:12小时。 4修订设计说明书:6小时。 五、主要参考资料 1李履信光纤通信系统M机械工业出版社,2003.7 2刘增基,周洋溢光纤通信M西安电子科技大学出版社 3王磊,裴丽光纤通信的发展和未来J中国科技信息 2006.4 4杨浚明光纤通信设计M天津科学技术出版社,1995 5赵梓林光纤通信工程M人民邮电出版社,1987 6汪杰军光纤通信系统中光发射机的设计M现代电子技术,2008 指导教师(签字): 教研室主任(签字): 批
4、准日期: 年 月 日 技术发展基于RZ的40 Gbps SMF光纤传输系统的设计与仿真摘 要当光纤中只有一个波峰通过且一般v小于2.405时,称为单模光纤,它的芯子很细,约为8-10微米,模式色散很小,能把光以很宽的频带传输很长距离。单模光纤可容许单模光束传输,可减除频宽振模色散的限制。单模光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离,在100Mbps的以太网以至1G千兆网,单模光纤都可支持超过5000m的传输距离。单信道40 Gb/s光纤通信系统及其波分复用技术已经成为当前光纤通信研究的热点。40 Gb/s光通信系统中,色度色散、偏振模色散、灵敏度和非线性效应对系统性能影响越来越严重。本文对这一些特
5、性进行了仿真分析,降低他们对系统性能的影响,并得出了一些结论。第一部分是对此课题的简单介绍及设计概要。第二部分是对通过改变光源功率、光纤长度来分析传输后的性能参数:最小误码率、Q值的变化进行分析。第三部分是进行仿真,得出他们对光纤特性传输的影响。最后对得到的数据以及图形分析,总结探究结果。关键词:单模光纤,最小误码率,Q值 目 录1绪论12光纤传输系统各部分介绍22.1光源22.2光发送机32.3光纤42.4光接收机42.5中继器52.6无源器件63光纤传输系统性能73.1 最小误码率73.2 Q值83.3影响光纤传输系统的主要因素83.4光发送机性能参数94光纤传输系统仿真分析104.1 Q
6、值、最小误码率随光源功率的关系114.2 Q值、最小误码率随光纤长度的关系134.3最佳情况下通信系统16总 结19参考文献201绪论光纤通信在扩大网络传输容量方面起到了其他方式不可替代的作用。目前,中国已经形成了较完整的光纤通信产业体系,涵盖了光纤光缆、光传输设备、光器件、光模块等领域,受移动互联网、三网融合等新型应用对于带宽需求推动,中国光通信市场开始进入高速成长期1。人们对高速通信系统的需求越来越高,光纤通信由于其容量大、传输距离远、节省能源、抗干扰、抗辐射等诸多优点,成为信息高速公路的主体。目前2.5Gb/S的光纤通信系统已被广泛应用,10Gb/S速率的超高速干线系统正逐渐得到推广并将
7、成为未来我国信息高速公路的主干。因此,开发具有自主知识产权、用于光纤传输的高速集成电路对我国信息高速公路的建设具有重大意义。作为RZ的40GbpsSMF光纤传输系统,在光钎通信系统的发展中有重要地位。2光纤传输系统各部分介绍光纤通信技术作为一种广泛应用的信号传输技术从光通信中脱颖而出,单信道光纤通信系统已成为现代通信的主要支柱之一,在现代电信网中起着举足轻重的作用2。一个光纤传输系统主要包括三大部分,既光发射机、光接收机和光纤线路。图2.1光纤传输系统光源电放大器光放大器光探测器调制器电信号信号处理图2.2单信道光纤通信系统设计一条光纤链路必须考虑下面的系统要求:最大的传输距离、传输速率或信道
8、带宽、误码率或信噪比。2.1光源在光纤通信系统中对光源有一些基本要求:光源发光波长必须与光纤的低损耗工作波长相一致;光源的输出功率必须足够大;光源应有很高的可靠性;光源的谱线宽度要窄;电光转换效率要尽量高;光源应便于调制;光源应体积小、重量轻,便于安装3。半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件。.其工作原理是通过一定的激励方式,在半导体物质的能带(导带与价带)之间,或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用。发光二极管由含镓(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等的化合物制
9、成。当电子与空穴复合时能辐射出可见光,因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯,或者组成文字或数字显示。砷化镓二极管发红光,磷化镓二极管发绿光,碳化硅二极管发黄光,氮化镓二极管发蓝光。因化学性质又分有机发光二极管OLED和无机发光二极管LED。2.2光发送机发送机(transmitter)是指产生并送出信号或数据的设备。光发送机(Optical transmitter)是光传输网中的一类设备,和光接收机(Optical receiver)成对使用。光发送机将电信号转成光信号,通过光纤发送,光接收机则将光信号转成电信号。在光纤通信系统中,光发送机的作用是把从电端机送来的电信号转变成光
10、信号,并送入光纤线路进行传输。光发送机的作用是进行电-光转换。模拟光纤通信系统最重要的技术指标之一是系统的线性度。在这类系统中,接收端的光检测器(一般采用PIN光电二极管PIN-PD)具有相当好的线性度,各种晶体管电路的线性度也可以设计得很好,于是光源器件(LD或LED)本身的线性度就成为了决定模拟光纤通信系统线性度好坏的主要因素。相移调制补偿法:两个特性相同的发光二极管分别由相位不同的注入电流信号来调制,两路LED输出的光信号经Y型光纤耦合器输出至光纤传输。由相移器所产生的两路注入电流调制信号的相位差不同,可以消除不同的谐波分量。当相移量为90时,由二次谐波造成的非线性失真可以得到明显的抑制
11、。但对三次谐波的补偿作用却甚微;当相移量为60时,可以明显抑制三次谐波,但对二次谐波的抑制作用很差。可以用多路不同相移的调制器调制多个相同特性的LED,再一起耦合入纤,用以同时抑制几个谐波成分。由于这种补偿方式需要多个调制器和LED,且需要性能较好的多路至一路无源光纤定向耦合器,因此,代价很高。同时,特性完全相同的LED也不易选到。前馈补偿法:注入电流信号S被分成两路,一路直接输入调制器1,去调制光源 ,设由于的非线性而产生的附加失真量为,调制器1的增益为K(常量),则输出的光信号的一小部分为K(S+ )。与 封装在一起的PIN光电二极管检测到输出的光信号的一小部分并以良好的线性将其转换成(弱
12、)光生电流信号,再经线性放大器放大(控制)形成含失真成分的输出电流(S+)。此信号与延迟电路来的信号S分别输出至误差控制器的“-”和“+”输入端,经误差控制器后,输出的只是附加失真量。2.3光纤单模光纤:中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10m),只能传一种模式的光纤。因此,其模间色散很小,适用于远程通讯,但还存在着材料色散和波导色散,这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求,即谱宽要窄,稳定性要好。后来又发现在1.31m波长处,单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负,大小也正好相等。这样,1.31m波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口,也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段1.31
13、m常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITUT在G652建议中确定的,因此这种光纤又称G652光纤。652单模光纤满足ITU-T.G.652要求的单模光纤,常称为非色散位移光纤,其零色散位于1.3um窗口低损耗区,工作波长为1310nm(损耗为0.36dB/km)。我国已敷设的光纤光缆绝大多数是这类光纤。随着光纤光缆工业和半导体激光技术的成功推进,光纤线路的工作波长可转移到更低损耗(0.22dB/km)的1550nm光纤窗口。653零色散光纤满足ITU-T.G.653要求的单模光纤,常称色散位移光纤(DSF=Dispersion Shifled Fiber),其零色散波长移位到损耗极低的15
14、50nm处。这种光纤在有些国家,特别在日本被推广使用,我国京九干线上也有所采纳。美国AT&T早期发现DSF的严重不足,在1550nm附近低色散区存在有害的四波混频等光纤非线性效应,阻碍光纤放大器在1550nm窗口的应用。2.4光接收机在光纤通信系统中,光接收机的任务是以最小的附加噪声及失真,恢复出光纤传输后由光载波所携带的信息,因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能。光发射机发射的光信号经传输后,不仅幅度衰减了,而且脉冲波形也展宽了,光接收机的作用就是检测经过传输的微弱光信号,并放大、整形、再生成原传输信号。组成部分:1. 光学接收系统:在接收端,接收天线的作用是将空间传播的光
15、场收集并汇聚到探测器表面。2. 信号处理空间光通信系统中,光接收机接收到的信号是十分微弱的,又加之在高背景噪声场的干扰情况下,会导致接收端信噪比S/N1。所以对信号的处理是十分必要的。通常采取的措施有:一是在光学信道上,采用光窄带滤波器对所接收光信号进行处理,以抑制背景杂散光的干扰。光学滤波器的基本类型有吸收滤光器、干涉滤光器、双折射滤光器和新型的原子共振滤光器等。二是在电信道上,采用前置放大器将光电探测器产生的微弱的光生电流信号转化为电压信号,再通过主放大器对信号进行进一步放大。然后采用均衡和滤波等方法对信号进行整形和处理,最后通过时钟提取、判决电路及解码电路,恢复出发送端的信息。2.5中继
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