VPI上机实验指导书-学生

VPI光纤通信仿真实验指导书2014‐4‐20 1  目录实验一光传输系统的组成 .......................................... 2 实验二LD的光谱与噪声特性 .................................. 10 实验三LD调制特性 .................................................. 12 实验四MZM工作原理 .............................................. 14 实验五ASK信号调制 ............................................... 16 实验六PSK信号 ........................................................ 18 实验七光纤的损耗与色散 ........................................ 20 实验八光纤的非线性效应 ........................................ 23 实验九光纤中的受激散射 ........................................ 25 实验十光接收机 ........................................................ 28 实验十一误码率与接收机灵敏度 ............................. 31 实验十二相干光接收机 ............................................ 33 实验十三信号的损伤与补偿算法 ............................. 38 实验十四无源光网络的组成 .................................... 41 实验十五掺铒光纤放大器 ........................................ 43 实验十六前向纠错码 ................................................ 45   2  实验一光传输系统的组成1.实验目的熟悉VPITransmissionMaker仿真软件的基本操作了解光纤通信系统的组成，各个部分的作用和基本特性。2.仿真模块与系统仿真模块包括Tx_OOK（内部包含LaserCW、ModulatorDiffMz_DSM、PRBS、CoderDriver_OOK）、SignalAnalyzer、FiberNLS和Rx_OOK等模块，仿真系统如图所示：图一、光发射机的组成（包含光信号分析仪）图二、光通信系统的组成（包含了信号分析仪）3.实验内容与步骤3.1搭建上述系统搭建光发射机的具体步骤如下：从Resources资源列表库中选择TCModulesOptical3  SourceLaserCW.vtms，将LaserCW.vtms拖拉到工作区主界面中。选择TCModulesOpticalModulatorsModulatorDiffMz_DSM.vtms，将ModulatorDiffMz_DSM.vtms拖到工作区主界面下。注意：一般情况下，VPI软件默认设置下，器件的端口之间的连接不会自动连接，需要手动对应的连接起来。当然可以设置为自动连接：选择工具栏中的Macros下拉列表下的LinkComponents。选择TCModulesInformation&Coding，将PRBS.vtms和CoderDriver_OOK.vtms依次拖到工作区主界面下。连接各器件，并保存文件。搭建光传输系统的具体步骤如下：从Resources资源列表库中选择TCModulesTransmittersTx_OOK.vtmg，将Tx_OOK.vtmg拖拉到工作区主界面中。点击右键菜单lookinside可以看到其内部组成与图1相同。（注：有若干后缀名为vtms的元器件组成的子系统可以保存为后缀名为vtmg的子系统模块，以供直接使用。）从Resources资源列表库中选择TCModulesFibersFiberNLS.vtms，将FiberNLS.vtms拖拉到工作区主界面中。从Resources资源列表库中选择TCModulesReceiversRx_OOK.vtmg，将Rx_OOK.vtmg拖拉到工作区主界面中。连接各器件，并保存文件3.2查看和编辑全局变量的参数全局变量的参数设置是对所有的VPI仿真都相同，当你建立一个新的设计工程时，你必须定义全局仿真参数，这些全局参数对仿真是至关重要的，它们不仅在仿真中对与之相关的每个器件都有影响，而且它们在系统的设计阶段就能决定系统的工作速率、精度、内存需要量。双击工作区的空白区域，将出现全局参数设置对话框如下图所示：设置参数如下：1）比特率（BitRateDefault）:10G，即10e92）时间窗口（TimeWindow）:1024/10e9，其中BitRateDefault=10e93）采样速率（SampleRateDeafult）：16*10e94  注意：这三个参数之间的关系为：时间窗口=数据长度/比特速率采样速率=每比特的采样点数*比特速率采样速率=总采样数据点数/时间窗口总采样数据点数=数据长度*每比特的采样点数另外，VPI仿真软件中，所有的器件都共同享用时间窗口这一全局参数，也即是所有的器件都在同一时间窗口下工作，但是每个器件能工作在不同的采样速率下。更多全局变量参数的设置请查阅：FileHelpSimulationGuideChapter4SettingSimulationParameters图三、全局变量设置窗口3.3查看和调整模块和信号分析仪参数在工作区界面下，双击器件和模块的图标，将弹出连续其的属性对话框。属性对话框中参数一般是按类组织放在一起的。如双击Tx_OOK模块，弹出的属5  性对话框如下图所示，分别可以设置系统参数、laser、PRBS、coder和MZM器件的参数。图四、光发射机参数设置窗口点击左侧三角符号可以展开所有具体参数，如下图所示。图五、光发射机参数设置窗口在工作区界面下，双击SignalAnalyzer_vtms1的图标也弹出属性编辑对话框此对话框。如下图所示，在InitialAnalysisType中选择观察仪的功能如频谱仪、示波器、眼图等。6  图六、信号分析仪设置窗口3.4运行系统开始运行仿真昀简单的方法是点击工具栏上的Run按钮，这将会按照当前的设置或默认的设置来运行仿真，包括运行次数、运行脚本等。为了更灵活地控制仿真，可以利用提交仿真工作对话框来启动运行，如图9所示，弹出该对话框有两种方法：键盘上的快捷键F9或选择Run按钮下的三角形中的下拉菜单中的run。本例中选择默认的运行次数1次，多次运行一般用于sweep模式中进行参数的优化。注意：需要停止或中断本次运行时，请点击中的Stop按钮或用工作管理器来终止仿真的运行。 1）2）首先观察电窗口，选择中时域波形与1类似，电信号的时择菜单栏An形的图标，设置Signa图七、提时域波形：点nalysisSco得到电域波图alAnalyzer_提交仿真工作点击激活Siope，或者直波形结果如图八、电信号_vtms，查看作对话框ignalAnaly直接点击工如下：号波形看光信号的zer_vtms，工具栏上的的时域波形，使其成为当如下图所示7 当前示： 3）注意如下查看光信号择菜单栏A形的图标，意：修改右边下图所示，号的光谱：AnalysisO得到调制边的属性参类似的还可图点击激活SOSA，或者后的光信号图十参数，可以更可以调整光图九、光信号SignalAnal者直接点击工号光谱图如十、光信号光更改图形的显光谱的显示分号波形lyzer_vtms工具栏上的如下：光谱显示字体，分辨率。，使其成为的曲线颜色、为当前窗口，中时域显示区间等8 ，选域波等，9  图十一、显示设置窗口3.5实验要求分别在全局参量和模块参量修改信号速率，激光器输出功率（laserPower），光纤长度等参数（请在相应的模块进行设置），观察记录激光器输出信号，电信号，光发射机输出信号，光纤输出端信号，和光接收机输出信号波形。4.数据分析与讨论（说明：请按照实验内容和步骤对所获得的数据、图表进行分析和讨论，本部分为评分关键因素，请结合实验目的详细阐述你对结果的分析和理解。）5.思考题1、谈谈你对VPI仿真系统的认识。2、在全局变量中调节比特率（BitRateDefault），时间窗口（TimeWindow),采样速率（SampleRateDeafult）产生不同速率，不同时间长度和采样速率的光信号，通过信号分析仪SignalAnalyzer观察信号速率，波形，频谱（包括频谱宽带和频谱分辨率）的变化。 1.实验2.仿真仿真Num3.实验改变大小4.数据（说因素5.思考如何提示-40d验目的观察LD的分析边摸抑真模块与系真模块包括mericalAnal验内容与步变LaserCW小，观察信据分析与讨说明：请按照素，请结合实考题何测量激光示：射频频dBW。实的光谱特性抑制比，线系统括LaserCWlyzer1D等模步骤W_DSM模块号输出光谱讨论实验内容和实验目的详细光器RIN噪声频谱测量分辨实验二LD性线宽和相对强W_DSM、P模块，仿真图一、L块中Sidem谱，波形和步骤对所获得细阐述你对结声？辨率为1GHD的光谱强度噪声对Photodiode、真系统如图LD光谱特性仿modeSuppres和相位变化。得的数据、图果的分析和理Hz，噪声大与噪声特对信号质量、Signalan所示：仿真系统ssionRatio，图表进行分析理解。）大小为-50dB特性的影nalyzer、PoLinewidt析和讨论，本Bm，信号功owermeterth和RIN数本部分为评分功率大小为10 r和数值关键为11  12  实验三LD调制特性1.实验目的LD的P-I特性曲线LD的直接调制特性2.仿真模块与系统观测LD的P-I特性曲线的仿真系统包括DC_Source、LaserAnalogDSM、Powermeter、SignalAnalyzer、Const和NumericalAnalyzer2D等模块，仿真系统如图所示：图一、P-I特性曲线仿真系统观测LD直接调制特性的仿真系统包括PRBS，CoderNRZEl，LaserDriver，LaserSMRE，Photodiode等模块，系统如下图所示：图二、LD直接调制特性的仿真系统3.实验内容与步骤13  1、双击LaserAnalogDSM，设置ThresholdCurrent为0.01A，LaserBias为0；改变驱动电源DC_Source模块中电流幅度Amplitude数值大小（0~0.03A），观察信号输出光谱。连续改变Amplitude的数值（可以使用sweep方式），记录输出光功率与驱动电流的大小，绘制P-I特性曲线。2、设置数字信号的速率分别为1，4，8Gb/s观察输入电信号和输出光信号波形的变化，分析光信号波形畸变的原因。4.数据分析与讨论（说明：请按照实验内容和步骤对所获得的数据、图表进行分析和讨论，本部分为评分关键因素，请结合实验目的详细阐述你对结果的分析和理解。）5.思考题1、激光器在阈值电流以下是否发光，其机理是什么？2、高速直接调制下LD输出光信号波形为发生那些畸变？14  实验四MZM工作原理1.实验目的了解MZM器件的工作原理，Vpi电压，功率传输曲线，以及偏振点的选择方法。2.仿真模块与系统仿真模块包括LaserCW、ModulatorDiffMZ_DSM、DC_Source、Fork_2、Powermeter、Const和NumericalAnalyzer1D等模块，仿真系统如图所示：图一