1. Цель работы: Изучение программного пакета САПР, LinkSim (демоверсия). Изучение принципов распространения сигнала в одноканальной линии связи. Исследование характеристик линии связи.
2. Приборы и принадлежности: Автоматизированное рабочее место на базе компьютера с установленным программным обеспечением.
3. Теоретическая часть.
Одноканальная линия связи, показанная на рис. 1. Состоит из следующих элементов:
PRBS Генератор испытательного сигнала.
Эта модель генерирует двоичную последовательность нескольких различных типов. Используя только одну модель PRBS можно обеспечить многократные выходные сигналы, ввести различные каналы WDM или параллельной оптической шины. Каждый канал может иметь собственную модель PRBS, каждая из которых сконфигурирована различным образом. Различные типы модели описаны согласно их имени в списке параметров
пользователя:
PRBS: Производит максимально длинную псевдослучайную двоичную последовательность.
Alternating: Производит ряд битов с чередованием 0 и 1.
Single: Производит 1 в центре ряда из 0.
One: Производит ряд битов из 1.
Zero: Производит ряд битов из 0.
Custom: Производит последовательность бит, определяемых пользователем в файле данных. Этот файл должен размещаться в текущем для данного моделирования каталоге. Этот файл данных должен иметь следующий формат: каждая линия должна содержать 8 двоичных чисел, разделённых пробелом, каждый бит представлен в виде "0" или "1". Колличество бит должно соответствовать установленному в модели.
PreBits и PostВits
Разрядная последовательность может быть изменена таким образом, что первые несколько бит (Prebits) и последние несколько бит (PostBits) установлены в 0. Это полезно при моделированиях, потому что это увеличивает точность быстрого преобразования Фурье (БПФ), согласуя начало и конец последовательности.
Параметры PRBS генератора, определяемые пользователем.
PatternType: тип комбинации бит, которая будет сгенерирована.
Filename: имя файла, содержащего определяемую пользователем двоичную последовательность.
BitRate: разрядность сгенерированной двоичной последовательности. PatternLength: число бит в сгенерированной битовой последовательности - 2х, где х - значение параметра
Offset: число бит выходного сигнала по отношению к стандартной двоичной последовательности.
Shift: число бит смещения каждой повторной выходной последовательности относительно предыдущей (применяется для второго и последующего выходного порта).
Start Time: пусковой период разрядной последовательности.
PreBits: число нулевых бит в начале последовательности.
PostBits: число нулевых бит в конце последовательности.
Диапазон, единицы измерения и номинальные значения модели PRBS генератора представлены в таблице 1 раздела "Приложение".
Сигнал-генератор.
Эта модель преобразует входной двоичный сигнал в выходной электрический сигнал. Для конфигурации электрического выходного сигнала используются пользовательские параметры. Ниже описаны три различных типа моделирования выходного электрического сигнала.
On_off_exp: Генерируется прямоугольный электрический сигнал, который затем пропускается через фильтр.
On_off_ramp: Генерируется электрический сигнал, используя указанные времена нарастания и спада и затем пропускается через фильтр.
RaisedCosine: Генерируется электрический сигнал, используя форму косинуса для представления двоичного сигнала.
Также доступны две различные формы кодирования сигнала: NRZ (Non-Return to Zero) и RZ (Return to Zero).
Форма реального электрического сигнала обычно не является чисто прямоугольной двухпозиционной. Большая часть времени в сигнале "тратится" на срезах импульса. Данный эффект моделируется в LinkSim использованием кольцевого фильтра, через который пропускается идеальный двухпозиционный сигнал. Передаточная функция кольцевого фильтра:
(2.11)
где 
- резонансная частота, 
- фактор демпфирования, RC – постоянная времени, соответствующая времени нарастания, RC = tr/ln(9).
Параметры генератора электрического сигнала, определяемые пользователем.
DriveType: тип модели, используемой для получения сигнала.
ModulationType: тип кодирования (RZ или NRZ).
PointsPerBit: число точек на бит в электрическом сигнале.
Vpk: пиковое напряжение выходного электрического сигнала (значение двоичной единицы).
Vmin: минимальное напряжение выходного электрического сигнала (значение двоичного нуля).
Тг: время нарастания выходного электрического сигнала.
Tf: время спада выходного электрического сигнала.
TimeJitter: время дрожания, добавленного к выходному электрическому сигналу.
FilterType: тип фильтра для кольцевого генератора.
F0: резонансная частота кольцевого фильтра.
Gamma: демпфирование частоты кольцевого фильтра.
Диапазон, единицы измерения и номинальные значения модели генератора электрического сигнала представлены в таблице 2 раздела "Приложение".
Волокно.
Эта модель вычисляет реакцию сигнала на волокно. При этом принимается во внимание затухание, дисперсия и нелинейность волокна. При использовании одноканального способа мультиплексирования волоконной модели, также принимается во внимание четырехволновое смешивание. При многоканальном способе четырехволновое смешивание не моделируется между отдельными каналами.
Распространение различных WDM-канальных сигналов моделируется следующим уравненем:
(2.12)
Здесь Аi - модуль комплексной амплитуды сигнала i-го канала, vgi- групповая скорость, β2i - коэффициент дисперсии второго порядка, β3i - коэффициент дисперсии третьего порядка, αi, - коэффициент поглощения, gRji -коэффициент усиления Рамана в i-м канале, вызванного j-м каналом, γi -параметр нелинейности волокна (γi =2πn2/λiАeff), где n2 - коэффициент нелинейности, а Аеff- эффективное поперечное сечение волокна.
Коэффициенты усиления Рамана gRji интерполируются из экспериментальной кривой усиления Рамана кремниевого волокна. Состояния поляризации рассматриваются в равной степени распределенными среди параллельных и перпендикулярных состояний. Коэффициент усиления Рамана отрицательный, если i-й канал имеет более короткую длину волны, чем j-й канал.
Выражение для gRji имеет вид:
, (2.13)
где 
- интерполируемое усиление Рамана, λ0 = 1.0 мкм - длина волны для нормирования кривой усиления Рамана, поскольку расчетные коэффициенты усиления имеют единицу м-1Вт-1, gRmax=0.98·10-13 м/Вт -пиковое усиление Рамана.
Модели дисперсии.
Для дисперсии могут использоваться три различных модели: defined,
defined2 и custom. Они определяются в параметре dataType.
Для типа "defined" дисперсия определяется следующим выражением:
. (2.14)
Для типа "defined2" выражение для дисперсии имеет вид:
. (2.15)
Для типа "custom" значения дисперсии β2 и β3 задаются пользователем.
Размер шага.
Размер шага может быть определен автоматически моделью, или может устанавливаться пользователем. Если необходимо установить размер шага вручную, то параметру zStepSize должно быть присвоено положительное значение. Отрицательное значение этого параметра указывает на то, что размер шага должен быть вычислен автоматически.
Автоматически вычисленный размер шага моделирования зависит от того, какие нелинейности доминируют. Для данного волоконного и оптического уровня мощности программа вычисляет характерную длину дисперсии второго порядка, характерную длину дисперсии третьего порядка, значение нелинейного коэффициента и берет величину доминирующей длины (пользователь указывает в параметре zStepFac) как шаг расстояния при моделировании.
Для вычисления распространения волн используется пошаговый метод Фурье. Текущее состояние, включая размер шага и моделируемое в данный момент расстояние можно показывать в окне моделирования и сохранять в log - файле, если в опции showstatus установлено Yes.
PMD
Пользователь может включать PMD при моделировании волокна установкой параметра pmd_method в Course_Step и параметров pmd_соеf и pmd_corlen в отличные от нуля значения.
Оптимизации.
Для ускорения моделирования пользователь может выбрать один из нескольких уровней оптимизаций. При умолчании значение уровня оптимизации соответствует 3.
Наклон.
При использовании параметра наклона skew к сигналу может быть добавлен постоянный наклон. В сущности при этом указанный наклон времени добавляется к оси времени сигнала. Это полезно при моделировании параллельной волоконной шины, если необходим наклон между различными волокнами в шине. В этом случае часто бывает полезным использование нулевого значения и среднеквадратичного отклонения отличного от нуля в
комбинации со статистическим моделированием.
Параметры волокна, определяемые пользователем.
Distance: длина волокна.
ZstepFac: фактор для шага длины.
ZstepSize: определяемый пользователем размер шага.
Diameter: диаметр ядра.
Aeff: эффективное поперечное сечение волокна.
Loss: затухание в волокне на единицу длины.
Beta2.: дисперсия групповой скорости.
Beta3: дисперсия групповой скорости.
N1: групповой коэффициент.
N2: коэффициент нелинейности.
DispersionLambda0: длина волны нулевой дисперсии λ0.
DispersionS0: наклон дисперсии в λ0..
DispersionOffset: смещение дисперсии от λ0.
DataType: тип данных дисперсии.
Skew: наклон времени, прибавленный к выходному оптическому сигналу.
Showstatus: показывать и сохранять в процессе моделирования шаг и длину.
Pmdcoef: коэффициент PMD.
Pmd corlen: длина корреляции PMD.
Pmd method: метод, определяющий использование PMD моделирования.
Raman effects: включить в моделирование эффект усиления Рамана.
Optimizationlevel: уровень оптимизаций моделирования.
Оптический нормализатор мощности
Эта модель нормирует оптическую мощность сигнала до указанного уровня средней производимой мощности. Эта модель наиболее часто используется для управления входной оптической мощностью в приемнике. Модель может использоваться для затухания всех входных оптических сигналов до указанного уровня средней производимой мощности, независимо от различных средних входных мощностей, или для затухания всех входных оптических сигналов таким образом, что сигнал с самой большой средней входной мощностью имеет указанную среднюю производимую мощность. Входы:
* 1-N: Оптический сигнал
Выходы:
* 1-N: Оптический сигнал
Параметры:
| Название | Тип | По умолчанию | Диапазон |
| AvePowerOut | double | -20 | -lel6J x J lel6 |
| AttenuationType | enumerated | Uniform, Nonuniform |
Описание параметров:
AvePowerOut: средняя производимая оптическая мощность оптического нормализатора мощности.
AttenuationType: Uniform - затухают все входные оптические сигналы таким образом, что оптический сигнал с самой большой средней входной мощностью имеет указанную среднюю производимую мощность.
Nonuniform - затухют все входные оптические сигналы таким образом, что каждый выходной оптический сигнал имеет указанную среднюю производимую мощность.
Приёмник.
Это модель оптического приемника и всех его стандартных составляющих. Данная модель преобразует входной оптический сигнал в электрический сигнал, который затем усиливает и фильтрует, а также вычисляет шум в сигнале. Рассмотрим различные части этой модели приемника.
Модель фотодетектора и параметры:
Данная модель определяет характеристики фотодетектора (ФД), используемого в приемнике. При этом могут быть смоделированы приёмники двух типов: PIN и APD.
Квантовая эффективность dc может входить как значение или может быть рассчитана программой исходя из толщины слоя поглощения и коэффициента поглощения. Для непосредственного ввода квантовой эффективности необходимо установить параметр pd_Qemethod в defined. Для вычисления квантовой эффективности программой необходимо установить параметр pd_Qemethod в computed.
Квантовая эффективность вычисляется:
? (2.16)
где L - толщина слоя, α - коэффициент поглощения, R f отражающая способность.
Чувствительность dc вычисляется:
, (2.17)
где е - заряд электрона, λ - длина волны входного оптического сигнала, h -постоянная Планка, с - скорость света в вакууме.
Частотная характеристика фотодетектора может быть учтена при расчёте переходной характеристики усилителя. Для этого необходимо установить параметр pd_detect в false. При необходимости частотная характеристика ФД может быть отделена от частотной характеристики усилителя. Для этого нужно установить параметр pd_detect в true и
определить тип переходной характеристики в параметре pd_modeltype. Это, например, может быть полезно, если фотодетектор непосредственно соединен с усилителем.
Частотная характеристика.
Собственная частотная характеристика ФД вычисляется:
,(2.18)
где времена жизни и пролета электрона даются 
и 
, Cp -паразитическая емкость фотодетектора, Rd - сопротивление нагрузки, Rs -сопротивление ряда и другие предварительно заданные параметры. Постоянные усиления или потерь могут быть также включены в передаточную характеристику приёмника установкой параметра pd_lossGain в значение, отличное от нуля.
Эмпирическая частотная характеристика.
Обычно индуктивность проводов входит в фактическую частотную характеристику ФД в качестве члена второго. Для его учёта частотная характеристика моделируется следующим образом:
, (2.19)
где f p, f 0, γ - параметры, определённые пользователем опытным путем и установленные в модели как параметры pd_respfp, pd_respfo и pd_respg. Постоянные усиления или потерь могут быть также включены в передаточную характеристику установкой параметра pd_lossGain в значение, отличное от нуля.
Модель усилителя фронта и параметры:
Трансимпедансная частотная характеристика фронта приемника, может быть определена одним из двух различных способов, в зависимости от установки параметра fe_modeltype: defined - фронт характеризуется просто предельным значением для трансимпеданса ZT, низкочастотного нуля f и значения высокой частоты f 0 в передаточной характеристике. Полная реакция (передаточная характеристика) записывается:
(2.20)
Второй способ моделирования частотной характеристики усилителя
состоит в использовании файла данных. Имя файла определяется в параметре fe_filename. Этот файл должен иметь формат, состоящий из трех колонок, которые определяют частоту (Гц), вещественную часть (Ом) и. мнимую часть (Ом) соответственно. Самая первая линия определяет общее число точек данных.
Модель полосового фильтра и параметры:
Полосовой фильтр модулирующих частот используется в приемнике для придания формы глаза и шумового ограничения. Поддерживаются следующие типы фильтров: низких частот (LP), высоких частот (HP), полосовые (ВР), фильтры Баттерворта, Чебышева и Бесселя. Обычно используют наиболее распространённые: фильтры LP и Бесселя 4-го порядка.
Параметры шума предварительного усилителя:
Параметры шума предварительного усилителя определяют тепловой шум в приёмной части в форме разложения в ряд по мощности. Общая мощность шума на входе на единицу ширины диапазона (Гц) записывается:
. (2.21)
Параметры приёмника, определяемые пользователем.
Параметры фотодетектора.
Pd_modeltype: тип модели частотной характеристики.
Pd_loadResistance: сопротивление нагрузки.
Pd_seriesResistance: сопротивление ряда.
Pd_deviceCapacitance: ёмкость прибора.
Pd_layerThickness: толщина активной области.
Pd_electronVelocity: скорость насыщения электронов.
Pd_holeVelocity: сечение скорости насыщения.
Pd_absorptionCoeff: коэффициент поглощения.
Pd_reflectivity: отражающая способность фотодиода.
Pd_quantumEff: квантовая эффективность.
Pd_Qemethod: метод определения квантовой эффективности.
Pd_lossGain: усиление или потеря реакции фото детектора.
Pd_darkCurrent: темновой ток.
Pd_respfp: паразитическая частота эмпирической частотной характеристики.
Pd_respfo: резонансная частота эмпирической частотной характеристики.
Pd_respg: γ эмпирической частотной характеристики.
Pd_APD_Multiplier: значение множителя APD (1.0 для PIN - детектора).
Pd_ionizationCoef: коэффициент ионизации APD (1.0 для PIN - детектора).
Pd_detect: использовать модель PD.
Параметры для усилителя фронта:
Fe_modeltype: тип модели для фронтальной части.
Fe_filename: имя файла данных.
Fe_tZ: трансимпеданс.
Fe_zero: нулевая точка низкой частоты.
Fe_pole: значение высокой частоты.
Параметры для полосового фильтра:
Fit_type: тип фильтра.
Fit_bandwidth: фильтр с шириной диапазона 3dB.
Fit_geonietricCenter: центральная частота для полосового фильтра.
Fit_order: порядок фильтра.
Fit_JossGain: усиление или потеря фильтра.
Fit_passbandRipple: размывание полосы пропускания для фильтра Чебышева.
Fit_dcOffset: для фильтра Чебышева.
Fit_bandedge: для фильтра Чебышева.
Параметры для реакции шума приемника:
N_а0, N_a2, N_a4, N_a6: коэффициенты ряда Тейлора.
Сейчас рассмотрим параметры, влияющие на форму сигнала, передаваемого линией связи.
Рассмотрим основные характеристики оптических потерь волокна.
При распространении оптического сигнала внутри волокна происходит его экспоненциальное затухание, вызванное потерей мощности Р и обусловленное различными линейными и нелинейными механизмами взаимодействия световых волн/частиц со средой волокна. Основными из них являются механизмы поглощения и рассеяния. Закон затухания имеет общий вид
P = P0exp(-αL), (2.22)
где Р0 - мощность, вводимая в волокно, L - длина волокна, α - постоянная затухания, или потери в волокне. Используя эту формулу, можно получить выражение для оценки удельных потерь αуп в дБ/км
αуп = -(10 /L)·lg(P/P0) = 4,343α (2.23)
Типичный характер зависимости удельных потерь от длины волны (в диапазоне волн, используемых в ВОЛС: 0,7-1,6 мкм) и типа волокна приведен на рис. 2.
Характер зависимости общей функции потерь Lп(λ) можно представить как композицию трех основных составляющих:
Lп(λ) = αpp(λ) + αпп(λ) + αми(n) (2.24)
Первая составляющая αpp характеризует потери от релеевского рассеяния, вторая αпп - потери от поглощения примесями, третья αми - потери от изгибов и других механических микро- и макропричин.
Рис. 2. Зависимость потерь в волокне от длины волны