8信道波分复用

目录
1 基本原理 (1)
1.1 光波分复用系统简介 (1)
1.2 光波分复用系统的结构 (1)
2 建立模型描述 (2)
2.1 掺铒光纤放大器EDFA (2)
2.2 阵列波导光栅波分复用器（AWG） (2)
2.3 系统框图 (3)
3 仿真结果及分析 (5)
3.1 系统的特点及数据 (5)
3.2 系统的评估与分析 (11)
4 调试过程及结论 (13)
4.1 调试过程及步骤 (13)
4.2 结果分析 (14)
5 心得体会 (14)
6 参考文献 (15)
基于OptiSystem的8信道WDM系统
的设计与分析
1 基本原理
1.1 光波分复用系统简介
光波分复用是指将两种或多种各自携带有大量信息的不同波长的光载波信号，在发射端经复用器汇合，并将其耦合到同一根光纤中进行传输，在接收端通过解复用器对各种波长的光载波信号进行分离，然后由光接收机做进一步的处理，使原信号复原，这种复用技术不仅适用于单模或多模光纤通信系统，同时也适用于单向或双向传输。

波分复用系统的工作波长可以从0.8μm到1.7μm，由此可见，它可以适用于所有低衰减、低色散窗口，这样可以充分利用现有的光纤通信线路，提高通信能力，满足急剧增长的业务需求。

1.2 光波分复用系统的结构
光波分复用系统一般有单向和双向两种结构，这里出一个单向8信道WDM 点-点通信系统的示意图1。

8个光发送机发送8个不同波长的光信号按一定的间隔排列，在复用器（MUX）中复合在一起送入到传输光纤信道中。

在光接收机端，这8个波长光信号由解复用器（DEMUX）分离后送到相应的可调谐的光接收机。

传输信道中间包括了诸如EDFA、光纤等各种元件。

图1 波分复用系统
2 建立模型描述
2.1 掺铒光纤放大器EDFA
图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。

图2
2.2 阵列波导光栅波分复用器（AWG）
阵列波导光栅（AWG：Arrayed Waveguide Grating）波分复用器由输入输出波导、两个N-N平面波导星形耦合器及AWG构成，集成制造在Si或InP衬底上，该复用器的核心是AWG，它是一系列规则排列的波导，相邻波导间有一恒定的光程差ΔL，对波长为λ的信号，每个波导中产生一个相对相移2πΔL/λ，因此AWG相当于一个相位光栅，所以可以进行波长选择。

N-N平面波导星形耦合器将所有输入波导中的光辐射到中间的自由空间区域，然后再将它们耦合到所有的输出波导中。

自由空间区域的形状用天线理论和傅立叶光学原理设计。

在AWG 波分复用器中，输入光信号先辐射进第一个平面波导区，然后激励阵列波导，传输通过阵列波导后，光束在第二个平面波导区的焦点上产生相长性干涉，焦点位置决定于信号波长λ，结果在特定的端口输出。

当波长不同时，焦点位置不同，输出的端口也不同。

2.3 系统框图
设计一个八路内调制WDM光纤传输系统。

可以先用比特发生器（User Defined Bit Sequence Generator）和非归零码产生器（NRZ Pulse Generator）产生电信号。

电信号进过直接激光调制器（Directly Modulated Laser Measured）调制产生光信号。

复用器将八路光信号复合为一路光信号后，经光纤传输。

由于经光纤传播后会有光损耗，故需要加EDFA进行光功率补偿。

解复用器接收光信号，并将该路光信号分解为多路光信号。

各路光信号经过PIN管光电检测器（Photdetector PIN）,得到电信号。

之后经过低通滤波器（Low Pass Bessel Filter）滤除带外噪声，还原出该路电信号。

3 仿真结果及分析
3.1 系统的特点及数据
由于总共有8路信号，如果对其一一进行分析太过于麻烦，所以我选取了中心频率为193.1THz和中心频率为193.5THz这两路信号进行分析，通过分析可以知道系统的性能，同时也减少了工作量。

在经波分复用器之前各路光谱信号是相互独立的，他们具有不同的频率以及相同的频率间隔，可以用光谱仪和WDM分析仪对各个信道的特性进行测量，同时可以测得输入信号的波形图，可以和输出波形作比较，从而可以估测系统的合理性。

图4 频率为193.1THz输出光信号频谱图
图5 频率为193.1THz输入电信号频谱图
图6 频率为193.1THz输出光信号功率
图7 频率为193.5THz输入电信号频谱图
图8 频率为193.5THz输出光信号频谱图
图9 频率为193.5THz输出光信号功率
经波分复用器之后，各个不同频率的光就进行了复合，为了测量其信道特性，可以用光谱仪和WDM分析仪对各个信道的功率进行测量，同时运用眼图及Q因子的特性可以对系统的误差及特性进行评估。

图10 输出光信号功率
图11 输出光信号频谱图
波分复用器的插入损耗计算
由图6，图9，图10，我们可以求出波分复用器的插入损耗：
1）对频率为193.1THz的信号来说
用WDM分析仪测得数据算得的插损为：1.27E-2(dB)
2）对频率为193.5THz的信号来说
用WDM分析仪测得数据算得的插损为:1.4E-2(dB)
经波分解复用器之后，各个不同频率的光就进行了分离，为了测量其信道特性，可以用光谱仪和WDM分析仪对各个信道的功率进行测量，同时运用眼图及Q因子的特性可以对系统的误差及特性进行评估。

图12 中心频率为193.1THZ输出光信号频谱图
图13 中心频率为193.1THZ误码率BER
图14 中心频率为193.1THZ眼图
图15 中心频率为193.1THZQ因子
图16 中心频率为193.1THZ输出电信号频谱图
图17 中心频率为193.1THZ输出光信号功率
图18 中心频率为193.5THz输出光信号频谱图
图19 中心频率为193.5THz误码率BER
图20 中心频率为193.5THz眼图
图21 中心频率为193.5THzQ因子
图22 中心频率为193.5THz输出电信号频谱图
图23 中心频率为193.5THz输出光信号功率3.2 系统的评估与分析
串扰计算
通过对图10,17,23的图谱的分析及计算，我们可以求出频率为193.1THZ和频率为193,5THZ的信道串扰：
1）频率为193.1THz信号对频率为193.5THz信道的串扰
由WDM分析仪测得的数据计算得出的串扰
对193.5THz信号产生的串扰：104.9dB ；
2）频率为193.5THz信号对频率为193.1THz信道的串扰
由WDM分析仪测得的数据计算得出的串扰
对193.1THz信号产生的串扰：109.5dB ；
求Q值：
由图15，图21可知，不论频率为193.5THz还是193.1THz，除了跳变点Q 值很低外，在正常工作时，系统的Q值维持在80左右，说明其Q值比较高，系统性能比较好。

求误码率：
由图13，图19可知，不论频率为193.5THz还是193.1THz，除了跳变点误码率很高之外，在正常工作时，系统的误码率比较低，系统性能比较好。

眼图结果分析：
由图14，图20可以看出：两个频率的眼图的线迹都较细，“眼睛张开得较大，所以接收信号中的噪声较小；
仿真结果分析
1）对插入损耗的分析：
由于本次实验加入了较长的光纤，所以只能测量经光纤传输前的插入损耗，因此其是在Optisystem系统下的理想状态完成的，所以免除了人为造成的误差。

实验测得的插入损耗普遍较小，均低于0.1dB。

不过，由光谱仪测得的数据中，计算得出的对频率高于193.5THz的信号（包括193.5THz）的插入损耗都是绝对值较小的负值。

插入损耗为负值的含义是输出信号比输入信号强，显然，在没有添加放大器的情况下是不太可能的。

而由WDM分析仪测得的数据算得的各路信道的插损普遍稳定在0.05dB左右。

所以可以判定，由光谱仪测得的数据存在的绝对误差虽然较小，但还是比WDM分析仪略大。

另外，光谱仪测得的输入信号是在复用器之前，WDM分析仪测得的数据是在复用器之后，这也可能产生一定的差异。

2）对串扰的分析：
从已得的结果可以发现，由光谱仪测得数据算出的串扰和由WDM分析仪测得数据算出的串扰虽然存在一定的差异，但相差不大。

此外，各个频率的信号对相隔较近信道产生的串扰值较小，对相隔较远的信道产生的串扰值较大。

这说明，对频率间隔相近的信道干扰较大，对频率间隔较远的信道干扰较小。

4 调试过程及结论
4.1 调试过程及步骤
在本次试验中，需要输入8路光波信号，所以我们把光的频率分别设为193.1THZ到193.8THZ,把它们经过波分复用系统后，8路信号就合为了一路信号，通过测量合成信号的光信号功率，我们就可以对波分复用系统的优劣进行评估，确定是否需要修改；接下来，将合成信号经光纤进行传输，在光纤末端加上功率谱分析仪后，可测得输出的信号的光功率，会发现输出功率明显变小，为了补偿功率的损失，我们在发现前端加入了EDFA光纤放大器。

将输出信号接入光解波分复用系统后，就可以还原出原光谱信号。

应用光谱分析仪以及WDM光功率分析仪，我们就能求出光波分复用和解波分复用系统的性能。

而如何设计发光二极管的发光频率以及各频率之间的差值，如何设计光纤长度以及EDFA光纤发大器的长度，将会对整个系统产生很大的影响。

如果想要得到更好的实验效果，我们还可以加入色散补偿光纤来进行色散补偿。

为了较好的还原出基带电信号，需要将光电转换后的电信号通过低通滤波器来进行滤波处理，合理的设计低通滤波器的通频带也会对实验结果产生比较大的影响。

在本次实验中，一些元器件的具体参数设置如下所示
（1）比特发生器的比特率为2.5Gbit/s；
（2）直接激光调制器的功率为10dBm，消光比（注11）为10dB;
（3）波分复用器，解复用带宽均为15GHz；
(4) PIN光电检测器暗电流均为10nw，响应度均为1A/W；
4.2 结果分析
（1）复用器及解复用器的带宽的变化，对该信道信号的接受光强变化没有太大影响，所以对插入损耗影响不大；
（2）复用器及解复用器的带宽越小，噪声及其他信道的干扰越小，输出信噪比越大；复用器及解复用器的带宽越大，噪声及其他信道的干扰越大，输出信噪比越小；
5 心得体会
本次实验已经结束，在本次实验中，我们小组有了许多收获。

1、对OptiSystem软件有了一定的认识，掌握了如何用OptiSystem软件搭建一个简单光纤通信系统并进行模拟分析的方法。

2、熟悉了光纤通信的主要发展历史，对当前的光纤通信的地位和作用有了简单的认识，对当前光纤通信中的一些技术哟了较深刻的了解。

同时，对未来光纤通信的发展方向有了一定的认识。

3、对用OptiSystem搭建波分复用系统的认识
1）主要过程是将各路电信号经过直接或间接调制转变成光信号，经复用器耦合至一根光纤中传输，传输过程中可加上放大器；然后经解复用器分隔后还原出各路光信号，经过光电检测器又将光信号还原成电信号。

2）复用器与解复用器是WDM系统的关键器件。

这两个器件的引入，必定会带来一定的损耗以及由波长选择功能不完善而引起的复用信道间的串扰。

另外，这两个器件的参数选择，例如带宽，也会直接影响系统的性能。

在本次实验中，我们小组一起查找资料，一起学习optisystem软件，遇到问题大家一起努力克服，从而使得我们的这次实验能圆满的完成，在这过程中，我们遇到很多问题，例如由于光收发模块的频率调制的不合理，导致输出光信号出现较大的误差；由于光纤选的太长而导致光功率损耗很大，后来加入了EDFA光
放大器后使输出结果得到了很大的改观。

这次实验不仅让我们学到了很多专业知识，也使我们进一步加强了团队合作精神。

6 参考文献
【1】赵小东，DWDM系统工程的设计与建设，中国数据通，2005
【2】徐宁榕，周春燕，DWDM技术与应用，人民邮电出版社，2002
【3】张劲松，陶智勇，韵湘，光波分复用技术，北京；邮电大学出版社，2002。