Перед началом работы изучить описание САПР LinkSim.

 

Двойным щелчком открыть LinkSim. Загрузить модель одноканальной оптической линии связи со скоростью передачи информации 10 Гбит/с. 10GbpsLink.top, используя меню File \ Open или соответствующую кнопку.

Эту модель необходимо использовать как справочный материал при построении собственной модели.

1. Нажать кнопку построения новой модели.

2. Используя рис. 1 и теорию со страницы 9, построить модель одноканальной линии связи, расставить необходимые графики.

3. Нажав правую кнопку мыши, установить параметры каждого компонента, согласно следующим таблицам.

 

 

 

Символьный стол должен иметь следующие переменные:

4. Менять затухание нормализатора мощности averepower от -15 до -21 с шагом 2.

Запустить программу моделирования.

Задать имя, с которым будут записываться результаты моделирования.

После окончания моделирования, подвести курсор к кнопкам обозначающим графики и двойным нажатием левой кнопки мыши открыть график.

Просмотреть результаты моделирования.

Зарисовать графики в тетрадь.

Построить график BER (averepower).

5. При значении averepower = -15 менять затухание в волокне loss от 0.2 до 0.3 с шагом 0.02.

Запустить программу моделирования.

Задать имя, с которым будут записываться результаты моделирования.

После окончания моделирования, подвести курсор к кнопкам обозначающим графики и двойным нажатием левой кнопки мыши открыть график.

Просмотреть результаты моделирования.

Зарисовать графики в тетрадь.

Построить график BER (loss).

 

6. Менять длину волокна distance от 10 до 130 км с шагом 20, при averepower = -15, loss=0.25.

По показанию BER тестера определить длину регенерационного участка.

 

Отчет должен содержать:

Название работы, цель работы, рисунок модели, графики, объяснение результатов моделирования, ответы на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы

1. Опишите работу модели одноканальной оптической линии.
2. Объяснить графики, полученные в ходе выполнения работы.
3. Критерии работоспособности линии связи.
4. Какие виды дисперсии вы знаете, и как она влияет на работу оптической линии связи?
5. Как моделируется оптическое волокно в САПР LinkSim?
6. Что такое BER тестер?
7. Каковы основные характеристики оптических потерь волокна?

 

Литература

1. А.А. Вербовицкий. Основы проектирования цифровых оптоэлектронных систем связи.-М.: Радио и связь., 2000.-158с, ил.

2. Волоконно-оптическая техника: история, достижения, перспективы. Под ред. С.А. Дмитриева, Н.Н. Слепова.-М; Коннект,2000.-375с, ил.

3. Иванов А.Б. Волоконная оптика. Компоненты, системы передачи, измерения.-М.: Сайрус системе, 1999.-671с, ил.

4. P.P. Убайдулаев. Волоконно-оптические сети.-М.: Эко-трендз, 2000.-267с, ил.

5. Волоконная оптика и приборостроение. Под ред. М.М.Бутусова.-Л.: Машиностроение, 1987.-328с, ил.

6. Дж.Гауэр. Оптические системы связи. Пер. с англ.-М.: Радио и связь, 1989.-502с, ил.

7. Дональд Дж. Стерлинг. Техническое руководство. Волоконная оптика. Пер. с англ.-М.: Лори, 1998.-288с, ил.

Лабораторная работа №3.

Исследование одноканальной оптической линии связи с внешней

Модуляцией сигнала.

 

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 с внешней модуляцией сигнала, показанная на рис.1. Состоит из следующих элементов:

Лазер с синхронизацией мод

Данная модель лазера с синхронизацией мод поддерживает следующие типы импульса выходного оптического сигнала (U(t) - амплитуда сигнала):

Гауссовым: U(t) = exp[-0.5(t / T₀)²];

Sech: U(t) = sech(t/T₀);

On_off: | U(t) |² = линейно приближается к 1 для t_r; находится в 1

для t_FWHM – t_r / 2 - t _f / 2; линейно приближается к 0 для t _f;

RaisedCosAmp: ;

RaisedCosPow: ;

SupGaussian: .

"SupGaussian" - аппроксимация прямоугольного импульса с закругленными краями. Параметр m определяется исходя из времени нарастания импульса. Хотя t_r и t_f могут быть различными для типа "on_off", они должны быть одинаковыми для типа "supGaussian". Для типа "supGaussian" применяется правило времени нарастания 10% - 90%, в то время как для двухпозиционного типа "on_off" время нарастания или спада определяется соответственно общим временем нарастания или спада. Ширина FWHM для различных типов импульса:

Гауссовый: ;

Sech: ;

RaisedCosAmp: ;

RaisedCosPow: ;

SupGaussian: .

К каждой из этих форм импульса может быть добавлено произвольное количество линейных всплесков ("звон"), определяемых переменной ChirpFactor. Всплески могут возникать в результате перегрузки независимо от формы импульса. Выражение для амплитуды импульса со всплесками С:

. (3.1)

Выражение для дополнительного спектрального уширения из-за всплесков импульса:

. (3.2)

В случае источников с синхронизацией мод, допускается сдвиг фаз

между смежными битами, что позволяет анализировать методику солитонной передачи.

Параметры лазера с синхронизацией мод, определяемые пользователем.

Туре: тип источника.

RepRate: скорость передачи данных источником.

Pattern Length: длина комбинации разрядов = 2х, где х - длина на входе.

PointsPerBit: колличество точек на бит в выходном оптическом сигнале.

PeakPower: пиковая мощность.

WaveLength: длина волны лазера.

RIN: относительная интенсивность шума лазера.

Width: параметр ширины импульса (FWHM).

ChirpFactor. фактор "звона" С.

PhaseShift: сдвиг фаз между смежными импульсами.

Pattern: отдельный импульс или последовательность импульсов в разрядном потоке.

RiseTime: время нарастания импульса для двухпозиционного типа on-off и типа supGaussian.

FallTime: время спада импульса для двухпозиционного типа "on_off.

Диапазон, единицы измерения и номинальные значения модели лазера с синхронизацией мод представлены в таблице 3 раздела "Приложение".

Электрооптический модулятор.

Эта модель позволяет смоделировать несколько типов модуляторов, включая модулятор Маха-Цендера. При совместном использовании модели модулятора и модели лазера с синхронизацией мод пользователь должен установить одинаковое значение числа точек на бит и разрядной ширины последовательности для моделей генератора двоичной последовательности и лазера с синхронизацией мод. Электрическая частотная характеристика для модулятора определяется одним из трёх типов:

(3.3)

Здесь f выражается в единицах ГГц. Следует обратить внимание на полиномиальный тип. Он должен согласовываться с выборочной частотой БПФ. Если необходима идеальная частотная характеристика, следует

использовать тип Коэффициентов (Coefficients type) с Соеf1=1.0 и Соеf2=0.0.

Передаточная характеристика интенсивности модулятора вычисляется в зависимости от выбранного типа модуляции.

Для модулятора типа Маха-Цендера используется следующая передаточная функция интенсивности:

, (3.4)

где R_on/off - отношение вымирания модулятора, V_signal представляет электрический сигнал после изменения частотной характеристики и фактически соответствующий такому уровню, в котором средний уровень является нулевым при моделировании.

В модуляторе Маха-Цендера функция синуса используется вместо функции косинуса так, чтобы модулируемый сигнал имел ту же самую полярность как первоначальная двоичная последовательность. Это важно для увеличения точности при моделировании. Чтобы дезактивировать изменение отношения вымирания сигнала, необходимо установить параметр отношения вымирания в 0.

Также имеется возможность моделирования "звона" модулятора. Фазовращатель с учётом "щебета" рассчитан следующим образом:

, что дает , (3.5)

где α - параметр "звона", - оптическая мгновенная: фаза, S - мгновенная интенсивность света.

Для идеального типа модулятора (Ideal type) сигнала используется следующая передаточная функция интенсивности:

, (3.6)

где R_on/off - отношение вымирания модулятора, V_signal представляет электрический сигнал после изменения частотной характеристики и фактически соответствующий такому уровню, в котором средний уровень является нулевым при моделировании. Чтобы получить идеальную

частотную характеристику, необходимо использовать тип Коэффициентов (Coefficients type) с Соеf1=1.0 и Соеf2=0.0. Чтобы дезактивировать изменение отношения вымирания, необходимо установить параметр отношения вымирания в 0. Следует заметить, что интенсивность - это площадь области, следовательно, синусоидальный модулирующий электрический сигнал применяет синусоидальную модуляцию к электрическому полю выходного оптического сигнала. Также следует обратить внимание на поведение функции реакции при , и установить значения таким образом, чтобы избежать любого нежелательного поведения.

В идеальный модулятор также может быть включен "звон". Если параметр ChirpFactor установлен в 0, то "звон" моделироваться не будет. Фазовращатель с учётом "звона" рассчитан также как в модуляторе типа Маха-Цендера.

Для амплитудного модулятора (Amplitude type) используется следующая передаточная функция интенсивности:

, (3.7)

где R_on/off - отношение вымирания модулятора, V_signal представляет электрический сигнал после изменения частотной характеристики и фактически соответствующий такому уровню, в котором средний уровень является нулевым при моделировании. Чтобы получить идеальную частотную характеристику, необходимо использовать тип Коэффициентов (Coefficients type) с с Соеf1=1.0 и Соеf2=0.0. Чтобы дезактивировать изменение отношения вымирания, необходимо установить параметр отношения вымирания в 0. Нельзя допускать, чтобы значение передаточной функции было меньше 0, так как в нуле передаточная функция реакции.

Также в идеальный амплитудный модулятор может быть включен "звон". Если параметр ChirpFactor установлен в 0, то "звон" моделироваться не будет. Фазовращатель с учётом "звона" рассчитан также как в модуляторе типа Маха-Цендера.

Для фазового модулятора (Phase type) используется следующая передаточная функция интенсивности:

, (3.8)

где - указанный сдвиг фаз, V_signal представляет электрический сигнал после изменения частотной характеристики и фактически соответствующий такому

уровню, в котором средний уровень, является нулевым при моделировании. Чтобы получить идеальную частотную характеристику, необходимо использовать тип Коэффициентов (Coefficients type) с Coefl=1.0 и Coef2=0.0.

Также в идеальный амплитудный модулятор может быть включен "звон". Если параметр ChirpFactor установлен в 0, то "звон" моделироваться не будет. Фазовращатель с учётом "звона" рассчитан также как в модуляторе типа Маха-Цендера.

Параметры электрооптического модулятора, определяемые пользователем.

FittingType: тип электрического модулятора,

ModulationType: тип функции реакция модуляции.

LevelShift: выравнивать ли сигнал входного напряжения смещения, чтобы иметь среднее нулевое значение сигнала перед применением модуляции к оптическому сигналу.

MatchEnds: изменять ли оценочное значение выходного оптического сигнала в последних двух разрядных периодах для совмещения с начальным значением оптического сигнала.

VPi: VPi модулятора.

VBias: падение напряжения на модуляторе.

VOffset: напряжение смещения модулятора.

OnOffRatio: вымирание или двухпоэ-иционное отношение.

InsertionLoss: вносимая потеря = волновод + потеря на соединении.

Foffset: смещение частотной характеристики.

Power: показатель степени частотной характеристики.

Coefl: Coefl в; модуляторе Coefficients.

Coef2: Coef2 в модуляторе Coefficients.

ChirpFactor: параметр "звона" а для модулятора Маха-Цендера.

А0, А1, А2, A3, А4: коэффициенты в формуле электрического модулятора полиномиального типа.

Диапазон, единицы измерения и номинальные значения модели электрооптического модулятора представлены в таблице 4 раздела "Приложение".

Оптический усилитель (EDFA).

Это модель блока оптического усилителя, в частности волоконного усилителя с добавками эрбия. Имеются два типа моделей EDFA-усилителей: "defined" и "custom". Имеются также различные типы шумовых моделей EDFA-усилителей: "uniform", "gaussian" и "custom".

Модель усиления "defined".

В этой модели EDFA усилителя усиление не зависит от длины
волны. Причиной этого частично является зависимость коэффициента усиления от уровня насыщения усилителя, что усложняет моделирование. Коэффициент усиления является значительным фактором при

моделировании многоволновых систем со спектральным разделением (WDM). В эту модель включено насыщение усиления при высоких входных мощностях и указанном усилении мощности:

, (3.9)

где G₀ - малое усиление мощности сигнала, Р_sat - выходная мощность насыщения, P_ave - общая средняя мощность в волокне.

Усиление G получают как сигнал так и предварительно сгенерированный самопроизвольный шум.

Модель усиления "custom".

В данную модель усилителя включены зависимость усиления от длины волны и насыщение усиления, при этом измеренные или найденные теоретически спектры усиления при различных общих входных мощностях считываются из файла данных. Программа будет интерполировать оптическое усиление для каждого канала под фактическую общую входную мощность. "Custom" файл имеет двухколончатый формат, в котором определена длина волны (нм) и усиление мощности (дБ). Данные кривых усиления (каждая соответствуют различной входной мощности) размещаются друг за другом внутри файла данных. Количество кривых, определённых в файле данных, не ограничено. Самая первая линия каждой кривой усиления начинается с '0'. Этот '0' сообщает программе о начале новой кривой усиления. В конце линии могут быть добавлены комментарии. Каждый комментарий заканчивается ′*′. Область данных заканчивается линией ′-1 -1 ' в конце файла. В конце последней линии должен быть произведён возврат каретки.

Кривые усиления сигнала проходят в блок EDFA. Блок EDFA вычисляет среднюю входную оптическую мощность и определяет усиление волн различной длины в WDM-канале. Затем, исходя из вычисленных данных, блок EDFA производит усиление соответствующей входной мощности для различных каналов.

В этой модели, как и в предыдущей усиление применяется к спектрам самопроизвольного шума соответственно длине волны.

Модели самопроизвольного шума.

Uniform и Gaussian.

Шумовые модели 'uniform' и 'gaussian' определяются параметром NoiseShape и характеризуют шум. Усиление плотности мощности самопроизвольного шума моделируется следующим выражением:

, (3.10)

где - фактор инверсии населенности, F_n - фактор шума усилителя, hv - энергия фотона. Шумовой спектр определяется, исходя из параметров F_n и

noiseShape, определяющих форму шумового спектра, параметра BW, определяющего ширину шумового диапазона, параметра noiseCenter, определяющего среднюю длину волны шумового спектра, и параметра noiseResolution, определяющего спектральное разрешение сгенерированных шумовых спектров. Это разрешение должно быть приблизительно на порядок меньшее ширины самого узкого оптического диапазона в линии связи.

Custom.

Модель шума 'custom' использует длину волны и мощность самопроизвольного шума из файла, формат которого аналогичен формату файла из модели усиления 'custom'. Шумовые спектры определены в единицах дБм на различных средних уровнях входных мощностей и длинах волн. Имя файла шума задаётся в параметре noiseFilename. Параметр NoiseResolution используется для установки разрешения сгенерированных шумовых спектров. Разрешение должно быть приблизительно на порядок меньшее ширины самого узкого оптического диапазона в линии связи.

Параметры оптического усилителя EDFA, определяемые пользователем. Туре: тип модели усилителя.

SpectraFilename: имя файла спектра усилителя (только для 'custom').

NoiseFilename: имя файла спектра шума усилителя (только для 'custom')

Gain: усиление оптического сигнала по амплитуде (только для 'defined').

Psat: оптическая мощность насыщения усилителя (только для 'defined').

Fn: фактор шума усилителя.

BW: ширина диапазона самопроизвольного шума оптического усилителя (только для 'defined').

NoiseCenter. средняя длина волны шумового спектра оптического усилителя (только для 'defined').

NoiseShape: форма шума оптического усилителя.

NoiseResolution: разрешение ASE шума оптического усилителя.