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基于MATLAB的光纤通信系统仿真.doc

发布时间：2022-06-06 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.89M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    1. 绪论 1.1 光纤通信的发展 光纤通信是指一种利用光与光纤传递资讯的一种方式。属于有线通信 的一种。光经过调变后便能携带资讯。自 1980 年代起，光纤通讯系统对于 电信工业产生了革命性的作用，同时也在数位时代里扮演非常重要的角色。 光纤通信具有传输容量大，保密性好等许多优点。光纤通信现在已经成为 当今最主要的有线通信方式。将需传送的信息在发送端输入到发送机中， 将信息叠加或调制到作为信息信号载体的载波上，然后将已调制的载波通 过传输媒质传送到远处的接收端，由接收机解调出原来的信息 [1] 。 目前，光纤通信的发展方向是： 一是超大容量、超长距离传输技术波分复用技术极大地提高了光纤传输系统 的传输容量,在未来跨海光传输系统中有广阔的应用前景。近年来波分复用系统 发展迅猛,目前 1.6Tbit/s 的 WDM 系统已经大量商用,同时全光传输距离也在大 幅扩展。提高传输容量的另一种途径是采用光时分复用(OTDM)技术,与 WDM 通 过增加单根光纤中传输的信道数来提高其传输容量不同,OTDM 技术是通过提高 单信道速率来提高传输容量,其实现的单信道最高速率达 640Gbit/s。仅靠 OTDM 和 WDM 来提高光通信系统的容量毕竟有限,可以把多个 OTDM 信号进行波分复 用,从而大幅提高传输容量。偏振复用(PDM)技术可以明显减弱相邻信道的相互 作用。由于归零(RZ)编码信号在超高速通信系统中占空较小,降低了对色散管理 分布的要求,且 RZ 编码方式对光纤的非线性和偏振模色散(PMD)的适应能力较 强,因此现在的超大容量 WDM/ OTDM 通信系统基本上都采用 RZ 编码传输方 式。WDM/ OTDM 混合传输系统需要解决的关键技术基本上都包括在 OTDM 和 WDM 通信系统的关键技术中 [2] 。 二是光孤子通信。光孤子是一种特殊的 ps 数量级的超短光脉冲,由于它在光 纤的反常色散区,群速度色散和非线性效应相互平衡,因而经过光纤长距离传输 后,波形和速度都保持不变。光孤子通信就是利用光孤子作为载体实现长距离无 畸变的通信,在零误码的情况下信息传递可达万里之遥。光孤子技术未来的前景 是:在传输速度方面采用超长距离的高速通信,时域和频域的超短脉冲控制技术 以及超短脉冲的产生和应用技术使现行速率 10-20 Gbit/s 提高到 100 Gbit/s 以上; 在增大传输距离方面采用重定时、整形、再生技术和减少 ASE,光学滤波使传输 1
    距离提高到 100000km 以上;在高性能 EDFA 方面是获得低噪声高输出 EDFA。当 然实际的光孤子通信仍然存在许多技术难题,但目前已取得的突破性进展使人们 相信,光孤子通信在超长距离、高速、大容量的全光通信中,尤其在海底光通信系 统中,有着光明的发展前景。 三是全光网络。未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发展 的最高阶段,也是理想阶段。传统的光网络实现了节点间的全光化,但在网络结点 处仍采用电器件,限制了目前通信网干线总容量的进一步提高,因此真正的全光 网已成为一个非常重要的课题。 全光网络以光节点代替电节点,节点之间也是全 光化,信息始终以光的形式进行传输与交换,交换机对用户信息的处理不再按比 特进行,而是根据其波长来决定路由。从现代通信的发展趋势来看,光纤通信也将 成为未来通信发展的主流。人们期望的真正的全光网络的时代也会在不远的将来 到来 [3] 。 1.2 光纤通信系统的仿真 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 [4] 。 光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导 纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。最基本 的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。任何一种 现代通信系统，从本质上说，都包含了若干子系统。现代通信理论的发展已经对 常规通信系统及其子系统建立了比较合理的数学模型。由于任一子系统本身描述 的是信号处理与变换过程，也是一个运算过程，因而可以采用计算机进行相应的 运算来模拟信号在实际通信系统中各部件中的处理与变换过程，这就是通信系统 2
    计算机仿真的实质。 计算机仿真是将实际系统抽象描述为数学模型，再转化成计算机求解的仿真 模型，然后编制程序，上机运行，进行仿真实验并显示结果，其一般过程为1： 系统的数学模型是系统本身固有特性以及在外界作用下动态响应的数学描述形 态。它有多种表达形式，如连续系统的微分方程、离散系统的差分方程、复杂系 统的传递函数以及机械制造系统中对各种离散事件的系统分析模型等。要注意的 是，仿真所需建立的数学模型应与优化设计等其它设计方法中建立的数学模型相 协调。某种情况下，二者是统一的，即使不统一，也不应相互矛盾、相互违背。 2：在建立数学模型的基础上，设计一种求解数学模型的算法，即选择仿真方法， 建立仿真模型。如果仿真模型与假设条件偏离系统模型，或者仿真方法选择不当， 则将降低仿真结果的价值和可信度。一般而言，仿真模型对实际系统描述得越细 致，仿真结果就越真实可信，但同时，仿真实验输入的数据集就越大，仿真建模 的复杂度和仿真时间都会增加。因此，需要在可信度、真实度与复杂度之间认真 加以权衡。3：根据仿真模型，画出仿真流程图，再使用通用高级语言或专用仿 真语言编制计算机程序。4：选择并输入仿真所需要的全部数据，在计算机上运 行仿真程序，进行仿真实验，以获得实验数据，并动态显示仿真结果。通常是以 时间为序，按时间间隔计算出每个状态结果，在屏幕上轮流显示，以便直观形象 地观察到实验全过程。5：对仿真实验结果数据进行统计分析，对照设计需求和 预期目标，综合评价仿真对象。6：对仿真模型的适用范围、可信度，仿真实验 的运行状态、费用等进行总结 [5] 。 根据不同的仿真软件需求进行不同仿真工具的选择。对于网络层次的建模和 仿真问题，有OPNET,NS等软件平台可供选用。对于链路层次的仿真问题， Matlab/Simulink，Systemview，Scilab以及C,C++语言都可以根据仿真目标的不同 来选择。对于电路实现层次的仿真问题，Spice常用于模拟电子电路的建模与仿 真中，而VHDL语言则常用于数字系统的仿真与实现。本文研究的是通信系统链 路层次的仿真问题，以Matlab/Simulink作为仿真平台。 计算机仿真技术是作为分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动 规律的一种重要手段和方法。它是一种描述性技术，是一种定量分析方法。 通过建立某一过程和某一系统的模式，来描述该过程或该系统，然后用一 3
    系列有目的、有条件的计算机仿真实验来刻画系统的特征，从而得出数量 指标，为决策者提供有关这一过程或系统得定量分析结果，作为决策的理 论依据。随着计算机技术和网络技术、多媒体技术、人工智能、知识工程、自 动程序设计、神经网络、自动化、建模技术、系统理论、材料科学、通信技术、 空间技术等的迅速发展给计算机仿真这个领域带来了生机与活力，出现了许多新 的仿真技术。其中关键技术有：面向对象的仿真、分布交互仿真、智能仿真、人 机和谐仿真 [6] 。 1.3 本文的主要工作 本文在全面的分析单模数字光纤通信系统特性的基础上，完成了系统的计 算机仿真。大致工作如下： 1.首先建立了单模数字光纤通信系统各部分的数字模块组，包括伪随机序列 发生器、线路编码、光源、光纤通道、光电检测器、高斯白噪声、滤波器、判决 电路，并对各部分进行模拟分析。 2.利用所建模型，运用Matlab编程实现了整个系统的功能仿真，生成了仿真 系统的性能进行评估的模拟测试系统，可以进行眼图分析、信号波形分析，给出 眼开度、误码率评价，从而建立了一个可用于评估光纤通信系统性能及作理论研 究的实验平台。 3.对评价系统性能的主要技术指标灵敏度和误码率的计算方法进行总结。 4.对影响系统灵敏度和误码率的参数进行仿真实验分析讨论。 2.光纤通信系统建模 2.1 概述 计算机仿真技术应用于研究光纤通信系统，与实验研究相比，具有以下显著 的优点：一是可用于对已设计的光纤传输系统在硬件实现之前进行性能评估和可 行性论证，可节约大量时间和经费；二是在分析中更能突出主要矛盾，可任意改 动参数值，进行孤立因素和交叉影响的研究；三是便于理论研究，能模拟一般系 统的极限情况而不会导致系统的崩溃，为研究系统极限状态下的特性提供很大的 帮助，避免了因光信号的频率高，不易直接观测或缺少相应仪器设备造成的研究 4
    上的困难 [7] 。 光纤传输信号传输可分为两种方式，即模拟方式（基带信号）和数字方式， 模拟传输方式是把光强进行模拟调制，将输入信号变为传输信号的振幅(频率或 相位)的连续变化。数字传输方式是把输入的信号变换成“1”，“0”脉冲信号， 并以其作为传输信号，在接受端再还原成原来的信号。早期的光传输中采用模拟 方式，即由光的亮度直接表示信号的幅度（AM方式或IM方式），这种传输原理 与在电缆中传输无本质的区别。其明显的缺点在于信号的质量受到传输系统的影 响，另外就是信号的带宽不高。而数字传输是利用码流中的0和1控制激光管的开 /关，形成脉冲的光信号，收端再将光脉冲恢复为电信号，其优点是：1、只要收 端的光脉冲接收正确，就可无损地恢复原信号，并且在传输中还可对数字信号进 行纠错，这与数字信号传输原理一样； 2、激光管的开/关速度足够快（可在几 十个GHZ）因此传输信号的码流也可足够快，信号带宽很宽。光纤传输系统主要 由三部分组成：光源(又称光发送机)、传输介质、检测器(又称光接收机)。 图2-1 系统框图 计算机网络之间的光纤传输中，光源和检测器的工作一般都是用光纤收发器 完成的，光纤收发器简单的来说就是实现双绞线与光纤连接的设备，其作用是将 双绞线所传输的信号转换成能够通过光纤传输的信号(光信号)。当然也是双向 的，同样能将光纤传输的信号转换能够在双绞线中传输的信号，实现网络间的数 据传输 [8] 。光纤作为传输介质，是光纤传输系统的重要因素。可按不同的方式进 行分类：按照传输模式来划分： 光线只沿光纤的内芯进行传输， 只传输主模我 们称之为单模光纤(Single—Mode)。在此单模数字光纤传输系统光发送机由伪随 机序列发生器、线路编码器以及光源组成，光纤信道主要指单模数字光纤通道， 5
    而光接收机端则主要由光电检测器、高斯白噪声、均衡器(滤波器)以及判决器等 部分组成。系统框图如图2-1所示。 2.2 各模块的实现 2.2.1 伪随机序列发生器 在多址通信和现代电子战中，伪随机序列（PN）发挥着极其重要的作用。 如果一个序列，一方面它是可以预先确定的，并且是可以重复地生产和复 制的；一方面它又具有某种随机序列的随机特性（即统计特性），我们便称 这种序列为伪随机序列。因此可以说，伪随机序列是具有某种随机特性的 确定的序列。它们是由移位寄存器产生确定序列，然而他们却具有某种随 机序列的随机特性。因为同样具有随机特性，无法从一个已经产生的序列 的特性中判断是真随机序列还是伪随机序列，只能根据序列的产生办法来 判断。伪随机序列系列具有良好的随机性和接近于白噪声的相关函数，并 且有预先的可确定性和可重复性。特性为：序列中两种元素出现的个数大 致相等。 产生伪随机序列的序列产生器，用于随机数字的产生或应用于一种序列密码 装置中，该序列产生器包括多个线性反馈移位寄存器，用来产生多个二进制序列； 多个非线性函数，以二进制序列作为其输入，以用来产生多个第二二进制序列； 还具有至少两个转换器和一个控制器，控制器包括一个移位寄存器，用来控制所 述第一和第二转换器。第一转换器用来选择多个第二二进制序列中的一个序列作 为移位寄存器的第一比特，第二转换器用来选择所述多个第二二进制序列中的一 个序列作为序列产生器的输出。 2.2.2 线路编码器 PCM(脉冲编码调制)的编码原理比较简单，它的原理框图如图2-2所示： PCM（Pulse Code Modulation）通信系统采用基带传输的PCM通信系统发送 端通常由抽样，量化和编码三部分组成,其中量化和编码共同完成模拟到数字 (A/D变换)功能"信源f(t)经脉冲序列p(t)抽样产生零阶抽样保持信号fs(t),它 6
    图2-2 PCM 编码框图 是PAM信号,具有离散时间,连续幅度"量化过程就是将此信号转换成离散时间, 离散幅度的多电平数字信号"从数学角度理解,量化是把一个连续幅度值的无限 数集合映射到一个离散幅度值有限的集合"fD(t)为编码后PCM信号"fD(t)经数字- 模拟转换(D/A变换)后恢复为PAM信号fs(t),再经1/Sa(x)低通补偿滤波器即可重 建f(t)。PCM编码的最大的优点就是音质好，最大的缺点就是体积大 [9] 。 PCM编码输出的二进制序列中，每个样值用8位二进制码表示，其中最高比 特位表示样值的正负极性，规定负值用0表示，正值用1表示。接下来的3位比特 表示样值的绝对值所在的8段折线的段落号，最后4位是样值处于段落内的16个均 匀间隔上的间隔序号。在数学上，PCM编码较低的7位相当于对样值的绝对值进 行13折线近似压缩后的7位均匀量化编码输出。这里采用PCM将伪随机二进制序 列 分 别 转 化 成 单 极 性 归 零 码 (RZ) 、 单 极 性 不 归 零 码 (NRZ) 、 曼 彻 斯 特 码 (Manchester)。 在RZ码中用正电平和零电平分别表示二进制信息“1”和“0”，发送“1” 时在整个码元期间高电平只持续一段时间，在码元的其余时间内则返回到零电 平。RZ波形是指它的电脉冲宽度小于码元宽度，即信号电压在一个码元终止时 刻前总要回到零电平。通常，RZ波形使用半占空码，即占空比为50%，从RZ波 形可以直接提取定时信息，它是其他码型提取同步信息时常采用的一种过渡波 形。如图2-3所示： 图2-3 单极性归零码 7
    NRZ与RZ不同的是发送“1”时在整个码元期间内保持电平不变。该波形的特 点是电脉冲之间无间隔，极性单一，易于用TTL、COMS电路产生；缺点是有直 流分量，要求传输路线具有直流传输能力，因而不适应有交流耦合的远距离传输， 只适用于计算机内部或极近距离（如印制电路板内和机箱内）的传输。波形如图 2-4所示： 图2-4 单极性不归零码 曼彻斯特码 Manchester code (又称裂相码、双向码），一种用电平跳变 来表示1或0的编码，其变化规则很简单，即每个码元均用两个不同相位的 电平信号表示，也就是一个周期的方波，但0码和1码的相位正好相反。 其对应关系为： 0→01 1→10 零相位的一个周期的方波 π相位的一个周期的方波 曼彻斯特编码是一种自同步的编码方式，即时钟同步信号就隐藏在数 据波形中。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既 作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示"1"，从低到高跳变表示"0"。 这种码可以用单极性非归零码(NRZ)与位同步信号的模二和来产生，既能提取足 够的定时分量，又无直流漂移，编码过程简单，但这种码的带宽要加倍，频带利 用率降低了。它适用于数据终端设备近距离上传输，局域网常采用该码作为传输 码型。原理图如图2-5所示 归零码(RZ)是非归零码(NRZ)和时钟相乘(数字电路实现可用与门)得出的。 8
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