光纖通信教學(xué)仿真軟件介紹

1、光纖通信傳輸性能仿真軟件OpticSimu介紹先進(jìn)光網(wǎng)絡(luò)研究室光通信與光波技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京郵電大學(xué)1 軟件背景通信網(wǎng)絡(luò)的不斷演進(jìn)和信息傳輸帶寬需求的持續(xù)增長(zhǎng)，使人們對(duì)光纖通信提出了更高的要求。為此，許多國(guó)家投入了大量資金進(jìn)行光通信器件與系統(tǒng)的研究，并取得了巨大成功。但是，硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也存在一些限制因素，如：ü 硬件的固定性，實(shí)驗(yàn)配置不靈活；ü 受現(xiàn)實(shí)條件的影響多，很難觀察到理想條件下的現(xiàn)象；ü 研究成本高，光學(xué)儀表價(jià)格昂貴。而仿真軟件恰好可以克服以上硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的不足，可以方便地配置各種光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，形象地得到仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃提

2、供參考，為科學(xué)研究和高校光纖通信的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供軟件仿真平臺(tái)。目前，我國(guó)在商用的光纖通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)大型仿真軟件領(lǐng)域尚處于空白。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室多年研究基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了光纖通信仿真軟件OpticSimu。該軟件功能強(qiáng)大，構(gòu)思新穎，界面友好，使用方便，工作穩(wěn)定，容易擴(kuò)展，為光傳輸系統(tǒng)的研究提供了可靠的軟件仿真平臺(tái)。該軟件已獲得發(fā)明專(zhuān)利：波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)模擬方法（02102712.9）。2 軟件特點(diǎn)從現(xiàn)實(shí)光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際運(yùn)作方式出發(fā)，結(jié)合軟件工程，我們創(chuàng)造性的解決了軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到的困難，提出了極具開(kāi)發(fā)性和擴(kuò)展性的軟件體系結(jié)構(gòu)，使得軟件具有高度的靈活性與可擴(kuò)展能力。該軟件具有以下特點(diǎn)：1) 采用了原

3、子功能模型建模的方法，簡(jiǎn)化了復(fù)雜器件的建模，同時(shí)又能簡(jiǎn)潔、明確、全面的說(shuō)明復(fù)雜器件模型的功能及其結(jié)構(gòu)，如圖2.1所示。圖2.1 原子功能模型建模原子功能模型是在功能上將系統(tǒng)中各種復(fù)雜的設(shè)備進(jìn)行細(xì)化所得出的設(shè)備的最小功能單位。由它們組成光網(wǎng)絡(luò)的原子功能模型庫(kù)，同時(shí)建立其連接規(guī)則。這樣，實(shí)際光網(wǎng)絡(luò)中所建立的物理模型不是面向設(shè)備器件，而是面向功能。任何設(shè)備在功能上都是由原子功能模型庫(kù)的子集按一定的連接規(guī)則構(gòu)成。原子功能模型有很大的優(yōu)越性，它清晰簡(jiǎn)潔的表述了各種復(fù)雜設(shè)備和器件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，使得建模簡(jiǎn)單化。應(yīng)用原子功能模型的意義如下：ü 軟件用戶(hù)能很方便地利用基本的原子功能模型庫(kù)構(gòu)建復(fù)雜的宏器件

4、（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備），自己構(gòu)建各種新型組件與設(shè)備，提高了建模效率，使得軟件具有很強(qiáng)的升級(jí)性和擴(kuò)容性；ü 軟件用戶(hù)可以方便地查看軟件中已存儲(chǔ)的宏器件的功能結(jié)構(gòu)、工作原理，方便地對(duì)宏器件參數(shù)配置進(jìn)行修改，以滿(mǎn)足用戶(hù)仿真的需求；ü 軟件用戶(hù)可以方便地添加、刪除和修改宏器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而無(wú)需修改軟件，具有很強(qiáng)的靈活性。2) 建立了標(biāo)準(zhǔn)化的元件信息模型，為每個(gè)元件定義了接口參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得軟件具有優(yōu)秀的可擴(kuò)展和升級(jí)能力，可以非常方便的開(kāi)發(fā)并添加新的元器件，見(jiàn)圖2.2。圖2.2元件的信息模型3) 元器件庫(kù)內(nèi)容豐富，不僅涵蓋了光通信中常用的各類(lèi)元器件，而且配置好了多種實(shí)用的宏器件。例如，光發(fā)

5、射機(jī)庫(kù)中不僅存儲(chǔ)著各種配置光發(fā)射機(jī)所需要的元器件，如連續(xù)波激光器、單電極驅(qū)動(dòng)的Much-Zenhder調(diào)制器、雙電極驅(qū)動(dòng)的Much-Zenhder調(diào)制器、偽隨機(jī)碼發(fā)生器、正弦波發(fā)生器等，而且配置好了一些常用的宏器件，如歸零碼（RZ）編碼器、載波抑制歸零碼（CSRZ）發(fā)生器、雙邊帶碼（SSB）發(fā)生器、單信道光發(fā)射機(jī)、多波長(zhǎng)光發(fā)射機(jī)等，以方便用戶(hù)使用，以方便多樣化的系統(tǒng)配置方案需求。4) 光纖的數(shù)學(xué)模型中考慮了各種傳輸效應(yīng)的影響，包括光纖的衰減、色散（群速度色散、色散斜率和偏振模色散）、各種非線性光學(xué)效應(yīng)（受激喇曼散射效應(yīng)、四波混頻效應(yīng)、自相位調(diào)制效應(yīng)和交叉相位調(diào)制效應(yīng)等）。在建模的過(guò)程中充分考慮

6、兼顧數(shù)學(xué)模型的精確性和仿真的時(shí)間，根據(jù)不同光纖的不同特性，分別構(gòu)建了G.652、G.653、G.655和色散補(bǔ)償光纖（DCF）模塊。5) 為了能同時(shí)滿(mǎn)足系統(tǒng)仿真、驗(yàn)證和對(duì)某些設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究的需要，軟件還對(duì)同一種宏器件針對(duì)不同目的建立了不同的數(shù)學(xué)模型。比如，EDFA分為物理模型和理想模型，物理模型嚴(yán)格按照速率方程求解，可用其對(duì)EDFA進(jìn)行理論研究或設(shè)計(jì)；理想模型采用的黑盒思想，僅實(shí)現(xiàn)了EDFA的功能，參數(shù)較少，使用簡(jiǎn)單，適合系統(tǒng)仿真時(shí)使用。6) 軟件中集成了虛擬儀表，能直觀的從各方面監(jiān)視仿真結(jié)果，包括信號(hào)的光譜、眼圖、波形和誤碼率，具有多樣的分析能力，可以直觀、形象地顯示仿真結(jié)果。圖2.3虛

7、擬儀表7）軟件界面友好，使用方便。軟件沿用windows界面風(fēng)格，其中可以有多個(gè)子窗口，實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)項(xiàng)目工程的操作與管理。圖2.4是軟件界面的整體視圖。8） 軟件的仿真結(jié)果可靠。經(jīng)過(guò)反復(fù)的測(cè)試、與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比照和與國(guó)際大型軟件比對(duì)，證明我們的OpticSim的仿真結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。近幾年來(lái)，軟件已提供一些高校和公司試用，受到用戶(hù)的好評(píng)。圖2.4軟件總體視圖此圖原為中興合作的，請(qǐng)更換3 軟件功能和應(yīng)用領(lǐng)域本軟件功能強(qiáng)大，通過(guò)對(duì)器件的組合搭建及配置，本軟件可以實(shí)現(xiàn)如下功能：Ø 利用軟件開(kāi)展光纖通信的研究，如研究各種傳輸性質(zhì)對(duì)眼圖、光譜和誤碼率的影響；不同光調(diào)制格式的性能、不同配置和不同性

8、能參數(shù)時(shí)系統(tǒng)的性能，等等；Ø 在高校為學(xué)生開(kāi)設(shè)光纖通信系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，在很小的投資下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種不同的系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，像用高檔儀表一樣形象地顯示仿真結(jié)果；Ø 對(duì)光纖通信中的重要設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能仿真，如利用EDFA的物理模型對(duì)EDFA進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化；利用原子功能器件構(gòu)造新型宏器件（如OADM和OXC），進(jìn)行光網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的仿真，等等；Ø 在工程應(yīng)用上，對(duì)設(shè)計(jì)的光纖通信系統(tǒng)的傳輸性能進(jìn)行仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和可行性；并通過(guò)對(duì)不同配置和參數(shù)選取情況下的仿真分析，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。下面舉例說(shuō)明軟件的部分功能及其如何實(shí)現(xiàn)。3.1 光纖通信系統(tǒng)輔助實(shí)驗(yàn)利

9、用本仿真軟件可以靈活、方便的搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，作為教學(xué)輔助實(shí)驗(yàn)，可以加深學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解，非常適合高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。在此平臺(tái)上可以：ü 配置各種光纖通信系統(tǒng)和光網(wǎng)絡(luò)，仿真其傳輸性能，方便、形象地獲得系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)中各點(diǎn)的光譜、波形、眼圖、光信噪比和接收靈敏度。ü 對(duì)某些感興趣的現(xiàn)象進(jìn)行觀察和研究，如研究群速度色散、偏振模色散、各種非線性光學(xué)效應(yīng)（自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻等）對(duì)傳輸波形和接收機(jī)靈敏度的影響；ü 研究發(fā)射機(jī)不同的調(diào)制方式和碼型對(duì)光接收機(jī)靈敏度的影響；ü 對(duì)色散補(bǔ)償、功率均衡等措施進(jìn)行優(yōu)化，并觀察效果。圖3.4給出了光纖中常見(jiàn)的一些

10、效應(yīng)對(duì)眼圖的影響的仿真結(jié)果。當(dāng)我們只想研究光纖中某一效應(yīng)的影響時(shí)，可以將其他參數(shù)設(shè)為零來(lái)進(jìn)行仿真。例如，我們擬觀察三階色散（TOD）的影響時(shí)，可以將群速度色散（GVD）和非線性系數(shù)設(shè)為零；觀察自相位調(diào)制效應(yīng)的影響時(shí)，可以使用單信道光纖通信系統(tǒng)，將GVD、TOD、PMD設(shè)為零，并提高光纖的入纖功率。（a）群速度色散GVD （b）三階色散TOD （c）偏振模色散PMD（d）自相位調(diào)制SPM （e）交叉相位調(diào)制XPM （f）四波混頻FWM圖3.4 光纖常見(jiàn)效應(yīng)3.2 WDM傳輸系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化利用本仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的WDM系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并為參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。例如，對(duì)一個(gè)超長(zhǎng)距離光傳輸系統(tǒng)，在

11、本軟件平臺(tái)上，可從以下幾個(gè)方面對(duì)WDM系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化： ü 發(fā)射機(jī)發(fā)射功率優(yōu)化，發(fā)射功率過(guò)大或過(guò)小都不利于信號(hào)的傳輸，利用軟件仿真可以找到傳輸系統(tǒng)比較適中的入纖功率，有利于提高系統(tǒng)誤碼性能；ü 色散補(bǔ)償方案優(yōu)化，通過(guò)仿真可以得到性能最佳的Dispersion Map，從而為實(shí)際系統(tǒng)提供參考；ü 放大器優(yōu)化配置，傳輸鏈路功率管理；ü 接收機(jī)優(yōu)化配置，接收機(jī)的靈敏度對(duì)接收性能影響很大，本軟件可對(duì)接收機(jī)的靈敏度要求和濾波器配置提供建議。本軟件可以對(duì)WDM傳輸系統(tǒng)進(jìn)行多方面的仿真與研究，給實(shí)際的傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有力的參考。3.3 利用原子功能器件構(gòu)造新型宏器件本軟件是一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)，用戶(hù)可以利用軟件提供的原子器件靈活地設(shè)計(jì)新型的宏器件，并進(jìn)行性能仿真。圖3.5 是利用原子功能器件搭建的光分插復(fù)用器（OADM）和光交叉連接（OXC）結(jié)構(gòu)。運(yùn)用OADM和OXC，可以構(gòu)建WDM光網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)其進(jìn)行傳輸性能仿真，為光網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和規(guī)