光纤通信系统仿真（王金梅） [摘 要] 介绍了光纤通信的发展方向，阐述了系统仿真的 特点及国内外的发展状况 [关键词] 光纤通信；发展方向；系统仿真 1 概述 1.1 光纤通 信 在“信息高速公路”的概念被提出以后，光纤通信技术在加大容量和延长通信距离 方面取得了突飞猛进的发展。宽带光纤放大器 W-EDFA（Wide band Erbium-Doped Fiber Amplifier）和密集波分复用是光纤通信技术发展最引人瞩目的方向。为了降低损 耗和色散设计了色散位移光纤 DSF（Dispersion Shifted Fiber），在 1525-1565nm 波 段内，色散降至－2-＋3ps/（nm·km）间；在 1540nm 色散为零。为减小 DWDM 系统 的四波混频效应，还设计了一种新型的非零色散光纤 NZDF（Non-Zero Dispersion Fiber）。与此同时，光电子集成技术（OEIC）也在飞速发展，垂直腔面发射激光器 VCSEL（Vertical Ca- vity Surface Emitting Laser）和光电接收机已经实现了光电子集 成。光的时分多种（OTDM）目前国际上也有单位积极从事研究。 1.2 系统的仿真 系 统仿真是近二十年发展起来的一门新兴技术科学。所谓计算机仿真就是在计算机上利 用模型对实际系统进行实验研究的过程。利用计算机仿真可以多次重复模拟客观世界 的同一现象，从而得以找出其内在规律。尤其对含有随机变量和随机过程，难以建立 数学模型的客观事物的研究，计算机仿真方法具有突出的优点，已成为分析、研究和 设计各种系统的重要手段。把计算机仿真技术应用到通信领域就是其中的一项重要分 支。随着通信技术的发展，通信网络的数量和复杂度的迅速增长，在通信系统设计中 运用计算机仿真技术已成为新系统设计时缩短设计周期、提高设计可靠性和已有系统 性能改进的不可缺少的工具。 2 光纤通信系统的仿真 光纤通信技术是一门多学科专业 交叉渗透的综合技术。它涉及到通信基础理论（如数字通信技术），微波技术（如光 纤信道的电磁场分析）以及电路设计与微电子技术（如 ASIC 专用集成电路）等。因此， 无论是系统的规划与设计，还是新型传输系统与体制的探索与研究，都要遇到冗长繁 杂的计算。此外，为了验证其性能是否合科要求，还需反复进行实验研究与测试。如 果每次都直接用真实系统进行实验，不仅耗资昂贵，费工费时，有时甚至难于找到问 题症结所在，因此，解决上述问题的有效方法是采用计算机仿真技术，即通过建立器 件、部件乃至系统的模型，并用模型在计算机上做实验，利用计算机的高速运算处理 能力，完成对光纤通信设备与系统的分析、设计以及性能优化与评估测试。显然，建 立光纤通信系统的计算机仿真平台，既能提高设计的一次成功率，大大缩短新产品研 制周期和节省投资费用，还能极大地促进光纤通信的基础理论研究，并为相关工程技 术人员的技术培训提供理想的实验手段。 2.1 光纤通信系统仿真软件的现状 仿真分为 电路仿真和系统级仿真。电路级仿真就是由电阻、电容、电感等组成等效的电路模型 来模拟器件的外特性。系统级仿真是肜传输函数或数字公式来模拟器件的外特性的模 拟。国外已有一些光纤通信系统仿真软件，用于电路分析时，其侧重点不同，例如 Boss 是一种界面友好的光链路仿真软件，它包括光纤器件模型，但只适用于单一波长 系统。SCOPE（Super Co- mpact Optoelectronic Simulation）是一种把系统的光电器 件和光器件用两端口网络模型来模拟的非线性微波仿真软件，其主要用途是对在微波 

频率的 IM/DD 光通信系统进行仿真。DEX SOLUS （Simulation of Light Using Spice） 是基于 Spice 电路仿真软件的专用于光通信领域的信号分析软件，它采用等效电路模 型来模拟光电器件，这些模型的光功率在仿真中用电压来表征。还有其它电路级的仿 真软件如 iSMILE 和 MISIM 等。IBM 的 OLAP（Optical Link Analysis PRogram）是一个 把 SYSTID 和低级的光器件仿真软件综合起来应用的软件。还有一些新的仿真软件如 iFROST （illinois FibeR-optic and Optoelectronic Systems Toolkit）等，用户可调用其 他仿真软件来提供混合级的仿真环境。 2.2 光互联通信系统的仿真 光互联（Optical Interconnects）通信系统有多种拓扑结构，可以是单信道长距离、单一波长、码字串 行通过光纤传输的光链路，也可以是短距离通过光纤或自由空间、码字并行传输的光 总线（Optical Buses）。这些连接可能是点对点的，也可能是网络间的连接，根据不 同的连接方式，就要采用不同的计算机仿真和设计方法。对于高速、长距离、单一波 长码字串行传输链路，设计者的目的是用尽量少的中继器和放大器放在最佳位置，使 误码率最低。目前，多信道光互联有以下几种形式： 1）时分复用（TDMA），即若干 逻辑信道在单根光纤的单一波长上复用。 2）波分复用（WDM），即不同信道在同一 根光纤的不同波长上复用，对于 WDM 系统，接收机阵列前不同信道的漂移必须加以 考虑，在仿真中应该包括由于光滤波器的非理想带宽而产生的符号干扰和在同种传输 介质不同波长的信道间串扰。 3）空分复用（SDM），即若干个并行光纤信道通过不 同的光纤连接到发射机阵列和接收机阵列上。SDM 采用激光器阵列、光纤带和检测器 阵列是为了便于板间计算机的连接。与长距离点对点链路中不同的是在 SDM 系统中不 仅要考虑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交换噪声和电 串扰。因此不能简单地用长距离链路的仿真软件来仿真光互联系统。高性能计算机间 光互联不同于点对点的光链路，目前尚无较完善的仿真软件。 在长距离点对点的链路 中，主要的费用是光缆和交换设备。在短距离光互联中，收发信机的费用成为主要部 分。有效的 CAD 工具可以在两方面减少费用：1）在光电子集成互联器件生产以前， 用 CAD 来预测和优化性能；2）可用来优化不同系统的器件参数。对光功率进行预算， 是设计和仿真中的重点考虑因素，仿真和设计工具应该能够准确地计算出各种因素对 信号造成的功率代价和灵敏度，对波分复用（WDM）、空分复用（SDM）多信道光互 联通信系统，信道间的串扰也是需要考虑的因素。对不同的网络拓扑的光链路，在仿 真中也可借用传统的电路 CAD 仿真技术，如用于分析高密度并行传输光总线中接收机 和发射机的电串扰，光缆间的光串扰等。 3 结束语 目前，我国在光纤通信系统仿真研 究方面已经起步，如清华大学、天津大学等均取得一些成绩，设计一个功能较强，性 能可靠的光纤通信系统的仿真软件包，对适应光纤通信的飞速发展有着重要的理论意 义和现实意义，具有较高的性价比和广泛的应用前景。摘自《光纤与电缆》 -