VPI上机实验指导书-学生
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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： 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
图一、LD 光谱特性仿真系统
3. 实验内容与步骤
改变 LaserCW_DSM 模块中 SidemodeSuppressionRatio， Linewidth 和 RIN 数值 大小，观察信号输出光谱，波形和相位变化。
4. 数据分析与讨论
（说明：请按照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，请结合实验目的详细阐述你对结果的分析和理解。）
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： 从 Resources 资 源 列 表 库 中 选 择 TC Modules >Optical
2
Source>LaserCW.vtms，将 LaserCW.vtms 拖拉到工作区主界面中。 选择 TC Modules >Optical Modulators >ModulatorDiffMz_DSM.vtms，将
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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，请结合实验目的详细阐述你对结果的分析和理解。）
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 Modules >Information & Coding ， 将 PRBS.vtms 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 >Transmitters>Tx_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 1 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 Resources 资源列表库中选择 TC Modules >Fibers>FiberNLS.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 >Receivers>Rx_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
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图九、光信号波形
3）查看光信号的光谱：点击激活 SignalAnalyzer_vtms，使其成为当前窗口，选
择菜单栏 Analysis>OSA，或者直接点击工具栏上的 形的图标，得到调制后的光信号光谱图如下：
中时域波
图十、光信号光谱
注意：修改右边的属性参数，可以更改图形的显示字体，曲线颜色、显示区间等， 如下图所示，类似的还可以调整光谱的显示分辨率。
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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 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。
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图七、提交仿真工作对话框
1）首先观察电信号的时域波形：点击激活 SignalAnalyzer_vtms，使其成为当前 窗口，选择菜单栏 Analysis>Scope，或者直接点击工具栏上的 中时域波形的图标，得到电域波形结果如下：
图八、电信号波形
2）与 1 类似，设置 SignalAnalyzer_vtms，查看光信号的时域波形，如下图所示：
图一、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
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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（0~0.03A），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，绘制 P-I 特性曲线。
1
实验一 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：
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
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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。
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实验二 LD 的光谱与噪声特性
1. 实验目的
观察 LD 的光谱特性 分析边摸抑制比，线宽和相对强度噪声对信号质量的影
2. 仿真模块与系统
仿真模块包括 LaserCW_DSM、Photodiode、Signal analyzer、Power meter 和 NumericalAnalyzer1D 等模块，仿真系统如图所示：
3
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：File>Help>Simulation Guide>Chapter 4 Setting
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，其源自文库理是什么？ 2、高速直接调制下 LD 输出光信号波形为发生那些畸变？
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），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。
VPI 光纤通信仿真 实验指导书
2014‐4‐20
目录
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
5. 思考题
如何测量激光器 RIN 噪声？ 提示：射频频谱测量分辨率为 1GHz，噪声大小为-50dBm，信号功率大小为 -40dBW。
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实验三 LD 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：
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： 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
图一、LD 光谱特性仿真系统
3. 实验内容与步骤
改变 LaserCW_DSM 模块中 SidemodeSuppressionRatio， Linewidth 和 RIN 数值 大小，观察信号输出光谱，波形和相位变化。
4. 数据分析与讨论
（说明：请按照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，请结合实验目的详细阐述你对结果的分析和理解。）
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： 从 Resources 资 源 列 表 库 中 选 择 TC Modules >Optical
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Source>LaserCW.vtms，将 LaserCW.vtms 拖拉到工作区主界面中。 选择 TC Modules >Optical Modulators >ModulatorDiffMz_DSM.vtms，将
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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，请结合实验目的详细阐述你对结果的分析和理解。）
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 Modules >Information & Coding ， 将 PRBS.vtms 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 >Transmitters>Tx_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 1 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 Resources 资源列表库中选择 TC Modules >Fibers>FiberNLS.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 >Receivers>Rx_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
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图九、光信号波形
3）查看光信号的光谱：点击激活 SignalAnalyzer_vtms，使其成为当前窗口，选
择菜单栏 Analysis>OSA，或者直接点击工具栏上的 形的图标，得到调制后的光信号光谱图如下：
中时域波
图十、光信号光谱
注意：修改右边的属性参数，可以更改图形的显示字体，曲线颜色、显示区间等， 如下图所示，类似的还可以调整光谱的显示分辨率。
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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 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。
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图七、提交仿真工作对话框
1）首先观察电信号的时域波形：点击激活 SignalAnalyzer_vtms，使其成为当前 窗口，选择菜单栏 Analysis>Scope，或者直接点击工具栏上的 中时域波形的图标，得到电域波形结果如下：
图八、电信号波形
2）与 1 类似，设置 SignalAnalyzer_vtms，查看光信号的时域波形，如下图所示：
图一、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
12
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（0~0.03A），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，绘制 P-I 特性曲线。
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实验一 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：
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
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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。
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实验二 LD 的光谱与噪声特性
1. 实验目的
观察 LD 的光谱特性 分析边摸抑制比，线宽和相对强度噪声对信号质量的影
2. 仿真模块与系统
仿真模块包括 LaserCW_DSM、Photodiode、Signal analyzer、Power meter 和 NumericalAnalyzer1D 等模块，仿真系统如图所示：
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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：File>Help>Simulation Guide>Chapter 4 Setting
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，其源自文库理是什么？ 2、高速直接调制下 LD 输出光信号波形为发生那些畸变？
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），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。
VPI 光纤通信仿真 实验指导书
2014‐4‐20
目录
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
5. 思考题
如何测量激光器 RIN 噪声？ 提示：射频频谱测量分辨率为 1GHz，噪声大小为-50dBm，信号功率大小为 -40dBW。
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实验三 LD 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：