光纤通信教学仿真软件介绍.doc

光纤通信传输性能仿真软件OpticSimu
介 绍
先进光网络研究室
光通信与光波技术教育部重点实验室
北京邮电大学

1 软件背景
通信网络的不断演进和信息传输带宽需求的持续增长，使人们对光纤通信提出了更高的要求。为此，许多国家投入了大量资金进行光通信器件与系统的研究，并取得了巨大成功。
但是，硬件实验平台也存在一些限制因素，如：
ü 硬件的固定性，实验配置不灵活；
ü 受现实条件的影响多，很难观察到理想条件下的现象；
ü 研究成本高，光学仪表价格昂贵。
而仿真软件恰好可以克服以上硬件实验平台的不足，可以方便地配置各种光纤通信系统和网络，形象地得到仿真实验结果，为系统和网络的设计与规划提供参考，为科学研究和高校光纤通信的实验教学提供软件仿真平台。
目前，我国在商用的光纤通信系统与网络大型仿真软件领域尚处于空白。我们在实验室多年研究基础上，开发了光纤通信仿真软件OpticSimu。该软件功能强大，构思新颖，界面友好，使用方便，工作稳定，容易扩展，为光传输系统的研究提供了可靠的软件仿真平台。该软件已获得发明专利：波分复用光网络模拟方法（02102712.9）。
2 软件特点
从现实光纤通信系统和网络的实际运作方式出发，结合软件工程，我们创造性的解决了软件开发过程中遇到的困难，提出了极具开发性和扩展性的软件体系结构，使得软件具有高度的灵活性与可扩展能力。该软件具有以下特点：
1) 采用了原子功能模型建模的方法，简化了复杂器件的建模，同时又能简洁、明确、全面的说明复杂器件模型的功能及其结构，如图2.1所示。

图2.1 原子功能模型建模
原子功能模型是在功能上将系统中各种复杂的设备进行细化所得出的设备的最小功能单位。由它们组成光网络的原子功能模型库，同时建立其连接规则。这样，实际光网络中所建立的物理模型不是面向设备器件，而是面向功能。任何设备在功能上都是由原子功能模型库的子集按一定的连接规则构成。原子功能模型有很大的优越性，它清晰简洁的表述了各种复杂设备和器件内部的结构，使得建模简单化。应用原子功能模型的意义如下：
ü 软件用户能很方便地利用基本的原子功能模型库构建复杂的宏器件（网络设备），自己构建各种新型组件与设备，提高了建模效率，使得软件具有很强的升级性和扩容性；
ü 软件用户可以方便地查看软件中已存储的宏器件的功能结构、工作原理，方便地对宏器件参数配置进行修改，以满足用户仿真的需求；
ü 软件用户可以方便地添加、删除和修改宏器件的内部结构，而无需修改软件，具有很强的灵活性。
2) 建立了标准化的元件信息模型，为每个元件定义了接口参数和结构参数，使得软件具有优秀的可扩展和升级能力，可以非常方便的开发并添加新的元器件，见图2.2。

图2.2元件的信息模型
3) 元器件库内容丰富，不仅涵盖了光通信中常用的各类元器件，而且配置好了多种实用的宏器件。例如，光发射机库中不仅存储着各种配置光发射机所需要的元器件，如连续波激光器、单电极驱动的Much-Zenhder调制器、双电极驱动的Much-Zenhder调制器、伪随机码发生器、正弦波发生器等，而且配置好了一些常用的宏器件，如归零码（RZ）编码器、载波抑制归零码（CSRZ）发生器、双边带码（SSB）发生器、单信道光发射机、多波长光发射机等，以方便用户使用，以方便多样化的系统配置方案需求。
4) 光纤的数学模型中考虑了各种传输效应的影响，包括光纤的衰减、色散（群速度色散、色散斜率和偏振模色散）、各种非线性光学效应（受激喇曼散射效应、四波混频效应、自相位调制效应和交叉相位调制效应等）。在建模的过程中充分考虑兼顾数学模型的精确性和仿真的时间，根据不同光纤的不同特性，分别构建了G.652、G.653、G.655和色散补偿光纤（DCF）模块。
5) 为了能同时满足系统仿真、验证和对某些设备进行设计与研究的需要，软件还对同一种宏器件针对不同目的建立了不同的数学模型。比如，EDFA分为物理模型和理想模型，物理模型严格按照速率方程求解，可用其对EDFA进行理论研究或设计；理想模型采用的黑盒思想，仅实现了EDFA的功能，参数较少，使用简单，适合系统仿真时使用。
6) 软件中集成了虚拟仪表，能直观的从各方面监视仿真结果，包括信号的光谱、眼图、波形和误码率，具有多样的分析能力，可以直观、形象地显示仿真结果。

图2.3虚拟仪表
7）软件界面友好，使用方便。软件沿用windows界面风格，其中可以有多个子窗口，实现同时对多个项目工程的操作与管理。图2.4是软件界面的整体视图。
8） 软件的仿真结果可靠。经过反复的测试、与实验结果对比照和与国际大型软件比对，证明我们的OpticSim的仿真结果准确、可靠。近几年来，软件已提供一些高校和公司试用，受到用户的好评。

图2.4 软件总体视图
此图原为中兴合作的，请更换
3 软件功能和应用领域
本软件功能强大，通过对器件的组合搭建及配置，本软件可以实现如下功能：
Ø 利用软件开展光纤通信的研究，如研究各种传输性质对眼图、光谱和误码率的影响；不同光调制格式的性能、不同配置和不同性能参数时系统的性能，等等；
Ø 在高校为学生开设光纤通信系统的仿真实验，在很小的投资下可以实现对各种不同的系统进行仿真试验，像用高档仪表一样形象地显示仿真结果；
Ø 对光纤通信中的重要设备进行优化设计和性能仿真，如利用EDFA的物理模型对EDFA进行辅助设计和参数优化；利用原子功能器件构造新型宏器件（如OADM和OXC），进行光网络传输性能的仿真，等等；
Ø 在工程应用上，对设计的光纤通信系统的传输性能进行仿真，验证设计的合理性和可行性；并通过对不同配置和参数选取情况下的仿真分析实现系统的优化设计。
下面举例说明软件的部分功能及其如何实现。
3.1 光纤通信系统辅助实验
利用本仿真软件可以灵活、方便的搭建实验平台，作为教学辅助实验，可以加深学生对所学理论知识的理解，非常适合高校实验教学的需求。在此平台上可以：
ü 配置各种光纤通信系统和光网络，仿真其传输性能，方便、形象地获得系统和网络中各点的光谱、波形、眼图、光信噪比和接收灵敏度。
ü 对某些感兴趣的现象进行观察和研究，如研究群速度色散、偏振模色散、各种非线性光学效应（自相位调制、交叉相位调制、四波混频等）对传输波形和接收机灵敏度的影响；
ü 研究发射机不同的调制方式和码型对光接收机灵敏度的影响；
ü 对色散补偿、功率均衡等措施进行优化，并观察效果。
图3.4给出了光纤中常见的一些效应对眼图的影响的仿真结果。当我们只想研究光纤中某一效应的影响时，可以将其他参数设为零来进行仿真。例如，我们拟观察三阶色散（TOD））的影响时，可以将群速度色散（GVD）和非线性系数设为零；观察自相位调制效应的影响时，可以使用单信道光纤通信系统，将GVD、TOD、PMD设为零，并提高光纤的入纤功率。

（a）群速度色散GVD （b）三阶色散TOD （c）偏振模色散PMD

（d）自相位调制SPM （e）交叉相位调制XPM （f）四波混频FWM
图3.4 光纤常见效应
3.2 WDM传输系统辅助设计和参数优化
利用本仿真软件对所设计的WDM系统进行仿真，并为参数的优化提供依据。例如，对一个超长距离光传输系统，在本软件平台上，可从以下几个方面对WDM系统进行了优化：
ü 发射机发射功率优化，发射功率过大或过小都不利于信号的传输，利用软件仿真可以找到传输系统比较适中的入纤功率，有利于提高系统误码性能；
ü 色散补偿方案优化，通过仿真可以得到性能最佳的Dispersion Map，从而为实际系统提供参考；
ü 放大器优化配置，传输链路功率管理；
ü 接收机优化配置，接收机的灵敏度对接收性能影响很大本软件可对接收机的灵敏度要求和滤波器配置提供建议。
本软件可以对WDM传输系统进行多方面的仿真与研究，给实际的传输系统设计提供有力的参考。
3.3 利用原子功能器件构造新型宏器件
本软件是一个开放的系统，用户可以利用软件提供的原子器件灵活地设计新型的宏器件，并进行性能仿真。图3.5 是利用原子功能器件搭建的光分插复用器（OADM）和光交叉连接（OXC）结构。运用OADM和OXC，可以构建WDM光网络，并对其进行传输性能仿真，为光网络的设计和规划提供参考。

图3.5 利用原子功能器件搭建的OADM（左）和OXC（右）
4 研制单位和联系人
研制单位：北京邮电大学电信工程学院先进光网络研究室
出版：北京邮电大学出版社
联系人：

顾畹仪教授， 电话：[phone]，Email：wyg@
张杰教授， 电话：[phone]，Email：lgr24@
fax: [phone]