论相干光通信仿真技术的研究

【摘要】随着通信系统的日新月异的发展，对于通信系统的建立的技术手段也日益增多。特别是随着科技的进步，对于通信系统的功能以及要求也越来越高。为了节约成本，缩小建程。对于正在规划中的通信系统可以先建立方案模型，通过对模型的参数实验来设计出最优方案，改进已有方案以寻求更完美的解决办法。特别是对于光弧子通信，波分复用等实验难度大的系统，通过计算机仿真，就能产生更高的性价比，以达到更大的实用价值。

【关键词】仿真 模型 光通信

一、关于相干光通信系统计算机仿真技术

二十世纪七十年代，人类的信息时代拉开序幕。在全球信息化的大背景下，人类对于通信的质量，容量的高需求急剧增加。高速宽带光纤网络正是在这种大背景和大需求下产生的。由于它极大的适应了人类发展的要求，其地位也随之突飞猛进。

光波系统的传输方式传统上分为两种，一种是系统结构简单的强度调制-直接检测。强度调制直接检测（IM-DD）就是对强度调制的光载无线信号直接进行包络检测，也就是说强度调制信号直接通过光电探测器则可恢复出原信号，这是一种古老的通信方式。另外一种就是称之为相干光波系统的光纤通信系统，它是通过调制光载波的频率或相位传输信息，利用零差或外差技术检测传输信号的方案。也是近代通信领域最常用的方案。

与强度调制-直接检测的光波系统相比，相干光波系统有着无可比拟的优点。因为光接收机的灵敏度高，因而可以大大的延长传输距离。同时它还可以最大限度的使用光纤带宽，实现多信道的复用。通过它种种的优点也不难看出，相干光波系统涉及的学科专业交叉繁杂，不仅涉及光通信的理论知识，还包括电磁场的分析，微电子技术，电路规划设计等。所以，对此技术的开发与实验通常耗资昂贵，而且缺乏专业人才对其分析评估。由此看来，建立计算机仿真相光波系统，就显得十分具有参考价值。

总的来说，相干光波系统的仿真，可以通过计算机的建模计算来达到最佳的系统数值以达到目的，可以节约大量的资金。特别是对于结构复杂，实验难度大，实验器具昂贵的现代光纤通信系统。笔者接下来将通过数学建模等手段来论证这一设想的可行性。

二、光纤通信系统仿真技术的现状

仿真技术是一门多学科的综合性技术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验。在国外，已经出现了一些光纤通信系统的仿真软件，例如BOSS，是一种光链路的仿真软件，适用于单一波长系统。再例如Simulation of light using spice，是基于spice电路仿真软件的专用于信号的分析软件。还有一些新开发的仿真软件，如IFROST等，可用于调试其他仿真软件来达到混合级别的仿真效果。上面所介绍的这些软件，都属于系统级仿真软件，即通过传输函数或者数学公式来对器件的外部特征进行模拟，与电路级仿真软件相比有质的提升。但是通过对上述一些软件的研究，笔者发现，针对现代光纤通信系统的仿真软件从本质上根本没有质的提升，而且研发者往往都会忽视对于建模软件的研究，所以在这一块区域内的科研技术还很不成熟。

在国内目前的光纤通信系统的仿真研究已经逐步的受到重视，特别是对于光互联系统仿真的研究。光互联通信系统有很多种拓补结构，这些连接可能是点对点的连接，也可能是网络间的连接，而不同的连接方式就要采用不同的计算机仿真方法来建模。

多信道的光互联有时分复用，波分复用，空分复用几种形式。其中，空分复用SDM，Space Division Multiplexing，多对电线或光纤共用1条缆的复用方式。比如5类线就是4对双绞线共用1条缆，还有市话电缆（几十对）也是如此。能够实现空分复用的前提条件是光纤或电线的直径很小，可以将多条光纤或多对电线做在一条缆内，既节省外护套的材料又便于使用。在移动通信中，能实现空间分割的基本技术就是采用自适应阵列天线，在不同的用户方向上形成不同的波束。它是一项相对成熟的技术，要考虑的因素也不仅仅是限于光缆所产生的光串扰，而且要考虑发射机阵列和接收机阵列的叫唤噪声和电串扰。目前，空分复用还没有较为完善的仿真软件。

对于不同的网络拓补的光链路，在仿真中其实可以借用CAD仿真技术来分析高密度并行传输光总线中发射机和接收机，以及光缆之间的电串扰等。仿真建模的基本原则是要能描述器件的特性，同时要兼顾计算的复杂性以及研究建模的目的。计算机仿真系统的重要功能就是实测，进而得出误码率，对设备进行性能的预测与评估。常用的评估方法有计算功率代价，计算误码率等。

三、相干光通信建模的具体操作

在相干光通信中主要利用了相干调制和外差检测技术。所谓相干调制，就是利用要传输的信号来改变光载波的频率、相位和振幅（而不象强度检测那样只是改变光的强度），这就需要光信号有确定的频率和相位（而不象自然光那样没有确定的频率和相位），即应是相干光。激光就是一种相干光。所谓外差检测，就是利用一束本机振荡产生的激光与输入的信号光在光混频器中进行混频，得到与信号光的频率、位相和振幅按相同规律变化的中频信号。从中可以看出，建立相干光通信模型是十分复杂的。

建立数字光纤通信系统各部分的数学模型是十分重要的，具体流程是：系统初始化——产生伪随机码和驱动信号——光源强度调制——光纤传输模块——光接收机模块（光电检测，放大，均衡）——输出后处理模块（计算误码率，绘制图）。

（一）仿真波形的研究。

DPSK是数字调制方式的一种。差分移相键控（DPSK）：Differential Phase Shift Keying ，用调制信号前后码元之间载波相对相位的变化来传递信息。用于光传输系统中对DPSK调制信号的接收解调。DPSK是一个1 Bit延迟器，输入一个信号，可以得到两路相差一个比特的信号，形成信号对DPSK信号进行相位解调，实现相位到强度的转化。利用DPSK调制技术可有效提高混沌通信系统的性能，并有利于提高信号的隐藏性。

在对系统进行仿真后，会得出一系列的仿真波形。如调制信息波形，调制后的DPSK的信号波形，双线性滤波器输入波形，判决后输出波形等等，通过这些波形，可以准确的验证双滤波器检测的光DPSK外差系统仿真模型的正确性。

（二）噪声加入。

由于种种原因，数字信号在传输过程中不可避免地会产生差错。例如在传输过程中受到外界的干扰，或在通信系统内部由于各个组成部分的质量不够理想而使传送的信号发生畸变等。当受到的干扰或信号畸变达到一定程度时，就会产生差错。

误码率（BER：bit error ratio）是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。误码率=传输中的误码/所传输的总码数*100%。如果有误码就有误码率。另外，也有将误码率定义为用来衡量误码出现的频率。IEEE802.3标准为1000Base-T网络制定的可接受的最高限度误码率为10-10。这个误码率标准是针对脉冲振幅调制（PAM-5）编码而设定的，也就是千兆以太网的编码方式。

在加入了不同相位噪声的情况下，得出了具体的误码率曲线。该项测试的结果表明，在相同的输入光功率下，随着规范化线宽从小到大的增加依次对应BER逐渐增大。规范化线宽越大，接收端误码率就越大，双线性滤波器能以较小的差错率完成对原始信号的调解，同时，这也说明相干光通信系统具有较好的抗噪声性特点，故可以大大延长其传输距离，达到仿真的目的。

仿真技术得以发展的主要原因，是它所带来的巨大社会经济效益。50年代和60年代仿真主要应用于航空、航天、电力、化工以及其他工业过程控制等工程技术领域。目前，相干光通信的仿真技术已经越来越受到重视，我国在光纤通信系统的仿真建模方面也加大了投入力度，可以说在这方面的研究已经正式起步了。如清华大学，天津大学等名校都已经取得了一些成效。设计一个功能性强，性价比高，安全稳定系数高的仿真系统。对适应光纤通信的飞速发展有着重要的里程碑式的意义。这也是我们研究相干光通信仿真技术的意义所在。

参考文献：

[1]毛谦，张继军.光纤技术的现状与反展趋势[J].中国电信建设，2009，（3）.

[2]李玲，黄永清.光纤通信基础[M].国防工业出版社，2003.