（物理电子学专业论文）宽带多模光纤传输链路电色散补偿技术的研究.pdf

摘要 摘要 本文的主要研究内容是宽带多模光纤链路的电色散补偿( e d c ：e l e c t r o n i cd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n ) 技术。在建立多模光纤传输链路仿真模型的基础上，对现有的主要电色散补偿方案进行了仿真和对 比研究。论文各章的内容如下： 第一章简要介绍了多模光纤局域网所遇到的问题和解决方案。多模光纤以太网标准i e e e8 0 2 3 ( 1 0 g b a s e - l r m 2 0 0 5 ) 建议在已安装的旧标准m m f 上用电均衡技术来补偿带宽不足，从而满足标 准规定的3 0 0 米传输距离。阐明了多模光纤传输链路中的电色散补偿技术的实际意义。 第二章详细介绍了多模光纤传输链路的仿真模型。尤其是对多模光纤的传输特性进行了研究， 采用最小均方误差算法得到m m f 的仿真模型，并与采用三次样条插值法的建模结果进行了对比和分 析，最终确定采用最小均方误差法建立m m f 链路的仿真模型。 第三章介绍了电均衡器的主要类型、结构及其算法。仿真比较了线性均衡器、判决反馈均衡器、 最大似然序列估计( m l s e ：m a x i m u ml i k e l i h o o ds e q u e n c ee s t i m a t i o n ) 均衡器以及i i r ( 无限冲击响应) 均衡器的性能。本章还对最新发展的自适应均衡算法进行了研究，包括最小均方( l m s ：l e a s tm e a n s q u a r e ) 算法和递归最小二乘( r l s ：r e c u r s i v el e a s ts q u a r e ) 算法。仿真对比的结果表明，r l s 算法自适 应均衡对眼开度的改善优于l m s 法。本章为后续章节对均衡器的仿真设计奠定了理论基础。 第四章对线性均衡器和判决反馈均衡器进行了仿真分析，链路建模考虑了传输链路中模间色散、 损耗、噪声等因素的影响。分析和比较了线性均衡器和判决反馈均衡器的结构和参数对链路输出信 号的眼开度、噪声和码间干扰的影响。 第五章对线性均衡器、判决反馈均衡器和最大似然序列估计( m l s e ) 均衡器的误码率和突发错误 进行了仿真。首先验证了m l s e 均衡器良好的误码率性能，然后通过仿真结果的对比说明了第四章中 线性均衡效果不理想的原因，并进一步研究了线性均衡器、判决反馈均衡器和m l s e 均衡器的突发错 误特性。接着又以i e e e 8 0 2 3 a e i 作组推荐的6 类典型光纤为研究对象分析了l m s 自适应算法和r l s 自适应算法的性能优劣。 第六章考察使用3 阶无限冲激响应( i i r ) 滤波器均衡1 0 g b s 数据流在m m f 链路中传输发生的码 间干扰，仿真比较了3 阶i i r 均衡器与同阶以及高阶有限冲激响应( f i r ) 均衡器的性能。基于 l e v e n b e r g m a r q u a r d t ( l m ) 法线性搜索非线性最小二乘函数，从而迭代优化i i r 均衡器的抽头系数。仿 真表明，只有少数个抽头的i i r 均衡器比高阶( 1 3 抽头) f i r 均衡器有更好的性能表现，且实现起来更 加经济。 第七章总结了论文的主要研究内容和成果，并对下一步的研究工作提出了初步建议。 关键词：多模光纤；模间色散；电均衡；偏心注入；l m 算法；非线性拟合 t a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rn u m e r i c a l l ys t u d i e dt h ee l e c t r o n i cd i s p e r s i v ec o m p e n s a t o r ( e d c ) u s e df o rt h ei n t e r m o d a l d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf o rm u l t i m o d eo p t i c a lf i b e r ( m m f ) l i n k s c o n s t r u c t e dam o d e lo fm m fl i n k ， s i m u l a t e dp r i m a r ye d cs h e m e sa n dc o m p a r e dt h e i rr e s u l t s m a i nc o n t e n t so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： t h ef i r s tc h a p t e ro ft h i sa r t i c l eb r i e f l yi n t r o d u c e dt h et r o u b l e se n c o u n t e r e db yt h em u l t i m o d eo p t i c a l f i b e rt r a n s m i s s i o nl i n k sa n dt h es o l u t i o n s 2 0 0 6m u l t i m o d ef i b e r10 g b p se t h e m e ts t a n d a r di e e e8 0 2 3 ( 10 g b a s e l r m ) ，r e q u e s t st h a te l e c t r i cd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g ys h o u l db eu s e di nt h eo l d m m fi n s t a ll e d ，i no r d e rt oa c h i e v e3 0 0m e t e r st r a n s m i s s i o nd i s t a n c e l l l i s oi t so fi m p o r t a n tp r a c t i c a l m e a n i n gt oi n v e s t i g a t ee d c t h es e c o n dc h a p t e rd e s c r i b e dt h em u l t i - m o d ef i b e rt r a n s m i s s i o nl i n ks i m u l a t i o nm o d e li nd e t a i l ， e s p e c i a l l yf o rm u l t i m o d ef i b e rt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ( m m s e ) a n d s p l i n ei n t e r p o s i t i o na l g o r i t h ma r eu s e di nm o d e l i n gm - m f f i n a l l y ，m m s ea l g o r i t h mi sc h o o s e nt om o d e l m u l t i m o d ef i b e r c h a p t e ri i ii n t r o d u c e dt h et y p e ，s 仃u c 眦a n da l g o r i t h mo fm a i ne q u a l i z e r s ，i n c l u d i n gl i n e a re q u a l i z e r ， d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r , t h em a x i m u ml i k e l i h o o ds e q u e n c ee s t i m a t i o n ( m l s e ：m a x i m u ml i k e l i h o o d s e q u e n c ee s t i m a t i o n ) e q u a l i z e r ，a n di i r ( i n f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) e q u a l i z e rp e r f o r m a n c e a sw e l la s a d a p t i v ee q u a l i z a t i o nb a s e do nl e a s tm e a ns q u a r e ( l m s ：l e a s tm e a ns q u a r e ) a l g o r i t h ma n dr e c u r s i v el e a s t s q u a r e s ( r l s ：r e c u r s i v el e a s ts q u a r e ) a l g o r i t h m t h ec h a p t e rl a y sat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o re q u a l i z e r d e s i g n ei nt h ef o l l o w u ps e c t i o no ft h i sp a p e r i nc h a p t e ri v ，i n e r - m o d ed i s p e r s i o n ，l o s s ，n o i s ea n do t h e rf a c t o r sa r et a k e ni n t oa c c o u n ti nm o d e l i n g t h em m ft r a n s m i s s i o nl i n k t h ee f f e c to fl i n e a re q u a l i z e ra n dd e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e ro ne y eo p e n p e n a l t y ，n o i s em a r g i na n di n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c ea r ec o m p a r e d i nc h a p t e rvs i m u l a t i o nr e s u l t so fl i n e a re q u a l i z e r , d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e ra n dm a x i m u m l i k e l i h o o ds e q u e n c ee s t i m a t i o n0 v i l s e ) e q u a l i z e ro nb i te r r o rr a t ea n db u r s t e r r o rp e r f o r m a n c ea r e c o m p a r e d w i t hg o o db e rp e r f o r m a n c e ，m l s ee q u a l i z e rp l a y sap o o rp e r f o r m a n c ei nb u r s te r r o rc o m p l e x s t r u c t u r e f u r t h e rm o r e ，s t u d i e do nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea d a p t i v ee q u a l i z a t i o nb a s e do nl m sa l g o r i t h m a n dr l sa l g o r i t h m c h a p t e rv is t u d e do ne q u a l i z a t i o nf o ri n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) c a u s e db yl0 g b p sd a t as t r e a m t r a n s m i s s e di nm m fl i n kw i t h3 - o r d e ri n f i n i t e i m p u l s er e s p o n s e ( i i r ) f i l t e r b a s e d o i lt h e l e v e n b e r g - m a r q u a r d t ( l m ) l i n es e a r c hm e t h o do fn o n l i n e a rl e a s ts q u a r e sf u n c t i o n ，i i re q u a l i z e r t a p c o e f f i c i e n t sa r ei t e r a t i v e l yo p t i m i z e d t h ep e r f o r m a n c eo f3 - o r d e ri i re q u a l i z e ra r ec o m p a r e dw i t ht h e s a m eo r d e ro rh i g h e ro r d e rf i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ( f i r ) e q u a l i z e r a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ， i i re q u a l i z e rw i t ho n l yaf e wt a p sp e r f o r m a n c e sb e t t e rt h a nf i re q u a l i z e rw i t hh i g h e r o r d e r ( 13 一t a p s ) t 东南大学硕士论文 c h a p t e rv i is u m m a r i z e st h em a i nt h e s i sr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t so fs i m u l a t i o nr e s e a r c h ，a n da n i n i t i a lp r o p o s a lf o rt h en e x ts t e pi sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：m u l t i m o d ef i b e r ；i n t e r m o d a ld i s p e r s i o n ；o f f s e tl a u n c h ；e l e c t r o n i ce q u a l i z a t i o n i l 东南大学硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：缢邀 日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：氇盛 导师签名： 日 期：啦2 汐 一$ 绪论 第一章绪论 1 1 光纤以太网及多模光纤的发展1 1 , 2 , 3 i 随着高速光互连和短距离通信系统的迅述发腱，多模光纤( m m f ：m u l t i m o d ef i b e r ) 以其连接简 便、成奉低等优点在其中扮演了重要的角色。多模光纤在已颁布的1 0 m b p s 至1 0 g b p s 以太网标准， 以及f 一代4 0 g b p s l o o g b p s 标准中都得到了采用。 1 1 1 多模光纤的特点及应用 m m f 一直受到重视的原因在于其易连接 周期成本。而单模光纤收发机由于光纤对准、 千兆以太网的主耍传输介质。 低成本的特点，可以提供较低的初期投 成本与运营 封装的成本较高，性价比不如m m f ，所以m m f 是目前 图1 1 描述了典型单模和m m f 的几何尺寸。图中，m m f 的纤芯面积大约是单模的3 0 倍。m m f 的 大芯径是其最突出的优点，可以保证较低的连接损耗，使得光纤与收发器以及光纤与光纤的连接损 耗较低冈此非常适合应用在连接密集的短距离企业阿与局域网中。 图1 1 单多模光纤芯几何尺寸对比”o 图1 2 表明，在网络结构的总体成本中，光收发器是除交换设备以外最昂贵的部分，因此收发器 成本成为影响局域网总体成本的主要因素。 蚕诗鬈莲 d $ s 目共g t * r 忙 图i - 2 用料组件成本结构i m m f 及其通信的发展是与光源的发展紧密相关的。甲期的m m f 通信系统采用火发光面的l e d 东南大学硕士学位论文 光源，主要是利用l e d 与m m f 耦合的低成本优势，取得低速率市场。当l a n 的速率提高到i g b p s 时， l e d 由于其自身的带宽限制在企业网中的应用不断降低。同时垂直腔面发射激光器( v c s e l ：v e r t i c a l c a v i t ys u r f a c ee m m i t t i nl a s i n g ) 在1 9 9 0 s 得到迅速的发展，更高性i i 皂白勺v c s e l 激光器已经成为企业网应 用的主流收发器选择。v c s e l 的优点如下： 阈值电流小。 发光效率高。 调制频率高。 较大的有效区域( 1 5 a m ) 和圆形光束，可以方便、有效地耦合到多模光纤较大的纤芯中去。 平面工艺，易于集成和在线检测。 成本低。 为了在局域网使用高性价比的v c s e l 必须配合使用i v l l v i f ，才能获得最佳的光耦合效率。多模光 纤方案的低成本还体现在因其较大的芯径，所以与其配合的接头、熔接等等要求也相应较低，从而 使方案总体成本进一步降低。低连接成本还使m l v l f 方案日后的升级维护比单模光纤方案的要低，实 现了低成本运行维护。 1 1 2 多模光纤类型 2 0 0 2 年9 月，i s o i e c1 1 8 0 1 正式颁布了新的多模光纤标准等级，将多模光纤重新分为o m l 、o m 2 和o m 3 - - 类，其中o m l 指旧标准加2 5 a m 多模光纤，o m 2 指旧标准声0 i n n 多模光纤，o m 3 是新增的 万兆光纤。 从带宽角度，m m f 可以分为两类： ( 1 ) 1 6 0 2 0 0 m h z - k m - 加2 5 r t mm m f ，8 5 0 n m 波长； ( 2 ) 5 0 0 m h z k m - - - - 加2 5 p mm m f ，1 3 0 0n m 波长；加0 1 a mm m f ，8 5 0 n m 1 3 0 0n m 波长； 总体来说，芯泡尺寸大则制作成本高、抗弯性能差，而且传输模数量增多，带宽降低。加2 5 p m 芯径多模光纤比声o 1 芯径多模光纤芯径大、数值孔径高，能从光源耦合入更多的光功率，具有较 强的集光能力和抗弯曲特性；声o 1 2 5 陋1 光纤数值孔径和芯径较小，带宽比如2 5 1 2 5 1 m a 光纤高，制 作成本也可降低1 3 。 1 2 提高多模光纤带宽距离积的方法 m m f 的传输性能常用3 d b 带宽距离积( m h z - k m ) 来衡量。以1 0 g 以太网来说，采用5 0 0 m h z - k m 的m m f 做为传输媒质，色散将高速光纤链路的传输距离限制在几十米，而2 0 0 4 年1 1 月 i e e e 8 0 2 3 a e l 0 g 以太网任务组在1 0 g 以太网的标准规定了已铺设的m v l f 中，传输1 0 g 以太网的距 离为2 2 0 m 。2 0 0 4 年，新标准中将光信号的传输距离延长到3 0 0 m 。这就要求采用一定的手段延长传 输距离，提高带宽距离积。 2 第一章绪论 1 2 1 光纤色散和码间干扰( i s l ) 光波系统中的传输损伤分为两类： ( 1 ) 信号畸变。 信号的畸变是指脉冲的变形和展宽。它将导致码间干扰的产生，从而限制最大比特率。信号畸 变的主要特征是它可通过传输损伤直接计算得出的确定性特征。畸变将导致接收信号眼图在垂直方 向或水平方向上的变窄或闭合，垂直方向的眼图闭合是由接收机取样时间点处信号电平受码型影响 而引起的，而水平方向的眼图闭合是由于与眼图相关的抖动引起的。 ( 2 ) 噪声。散弹噪声和热噪声，若有放大器还有放大的自发辐射噪声。 多模光纤色散主要包括三类： 模间色散：多模光纤中的各个导模之间群速度不同造成模问色散。在发送端多个导模同时 激励时，各个导模具有不同的群速，到达接收端的时刻不同。 波导色散：这是某个导模在不同波长( 光源有一定的谱宽) 下的群速度不同引起的色散， 它与光纤结构的波导效应有关，因此又称结构色散。 材料色散：这是由于光纤材料的折射率随光频率变化，而光源有一定谱宽，于是不同的波 长引起不同的群速度。 其中波导色散和材料色散正比于光源的谱宽，故总称波长色散( 或色度色散) ，它们的相对大小 与光源本身谱宽及调制边带宽度有关。这些色散机制可以近似认为是独立的，不会相互干扰1 6 j 。 各种色散都会在光纤链路末端引起码间干扰( i s i ：i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。眼图能够反映伪随 机信号中数据比特的逻辑“1 ”和逻辑“0 ”的重叠程度。系统损伤如i s l 、噪声和有限成分带宽都会在垂 直和水平方向导致眼图闭合。图1 3 的这种色散现象限制旧标准m m f 链路的带宽性能，1 0 g b p s 以太 网标准在传统m m f 链路上传输距离仅几十米。 i 。a 一一一 ，”y 7 - 、，j 。 无条件发射 ，、 一蹲；擞 = i 。o o i 一- ( b ) 偏心发射 图1 - 3 经过m m f 后色散的影响四 在m m f 链路中，尤其是使用旧标准m m f 的链路，模间色散是限制传输带宽的主要因素。这是 由于各个导模在光纤中传播速度不一致，导致脉冲展宽从而引起i s l ( 波形的重叠或拖尾) ，其产生机 理示意图如卜4 所示。衡量光纤色散性能的标准是差分模式延迟( d m d ：d i f f e r e n t i a lm o d ed e l a y ) ， 到达光纤输出端的最早脉冲和最迟脉冲的时间差就是d m d 。i s i 的影响随数据吞吐量和传输距离的 3 东南大学硕士学位论文 增长而变得更剧烈，也就是说对给定的d m d ，i s i 的影响对高速率影响更甚。 i 0i ( 多梗) 光纤薹t1 1 2 2 多模光纤应用中的基本问题 图l 一4 码问干扰示意图 m m f 通信链路中模间色散是限制m m f 传输带宽的主要因素。d m d 限制了高速光纤链路的传 输距离【8 】，如表1 1 所示。 表1 1 光纤链路的传输距离 光纤 带宽距离积( v h z k m )1 0 g b p s 传输距离o n ) 加2 5 岬m m f ( 波长8 5 0 n m ) 1 6 02 6 声o p mm m f ( 波长8 5 0 n m ) 5 0 08 2 加2 ，5 9 mm m f ( 波长1 3 1 0 n m ) 4 0 0 5 0 声o “mm m f ( 波长1 3 1 0 h m ) 5 0 0 5 0 声0 1 a m10 g b em m f ( 波长8 5 0 n m ) 2 0 0 03 0 0 而2 0 0 2 年6 月，i e e e 8 0 2 3 a e l 0 g 以太网任务组规定了1 0 g 以太网的标准，规定在已铺设的多模 光纤中，传输l o g 以太网的距离为2 2 0 m 。2 0 0 4 年1 1 月，新标准中将光信号的传输距离延长到3 0 0 m 。 可见旧标准m m f 的传输距离远远小于现在以太网标准的规定，要求采用色散补偿等技术来提高其 带宽距离积，以满足目前以太网标准的要求。 1 2 3 提高带宽距离积的方法 提高带宽距离积主要有两种解决方案，一种是采用带宽距离积更高的光纤；另一种是对带宽距 离积低的光纤应用电色散补偿技术。 ( 1 ) 下一代多模光纤。 有更好折射率分布( r i p ：r e f r a c t i v ei n d e xp r o f i l e ) 的新型光纤下一代多模光纤州g m m f ：n e x t g e n e r a t i o nm m f ) 和能更好限制光束功率分布的激光源，在过饱和注入条件下测量其在8 5 0 r i m 的带宽 大于2 0 0 0m h z k m ，传输至少可达到3 0 0 m 。在n g m m f 中延长距离可以通过限制光纤折射率分布、 源发射参数( 如环流量) 和对准来获得。这种方法确实利于新网络，但却不适用于提高已铺设网络 的数据传输率。因此，不可能在不增加链路整体花费的情况下，通过加强这些限制而进一步提高网 络的数据传输率。 4 第一章绪论 ( 2 ) 另一种方法就是开发一种简单的方法提升已铺设网络( 标准m m f ) 的数据传输率： 各种方法如波分复用、副载波调制f 9 l 或联合f l o 】使用，尽管都可以降低d m d ( 尤其是同时采 用时) ，提高带宽距离积，但也使系统变得复杂和昂贵。故都没有成为i e e e 8 0 2 3 a e 标准。 电均衡。电均衡可以补偿光传输引起的信号失真，由于多模光纤的信号失真主要是由于模 间色散的作用，故在此电均衡就是补偿m m f 信道中的色散效应引起的i s i ，也叫电色散补偿。电均 衡不同于前述技术，不是要最小化d m d ，而是用电路消除d m d 对电输出信号i s i 的影响。在信道 末端接收机处加上均衡器可能是保证高数据传输率的最简单方法了。标准m m f 和n g m m f 的链路 长度都可以通过此技术得到扩展。 1 3 本论文主要内容及研究目标 随着高速光互连和短距离通信系统的迅速发展，多模光纤( m m f ) 以其连接简便、成本低等优点 在已颁布的以太网标准中得到采用。2 0 0 6 年多模光纤1 0 0 b p s 以太网标准i e e e8 0 2 3 ( 1 0 g b a s e l r m ) 要求实现3 0 0 米的链路传输距离 1 q ，并规定在已安装旧标准多模光纤上用电均 衡技术补偿光纤带宽不足，从而实现此目标距离。因此本文研究有重要的实际意义。 本文的主要研究是针对宽带多模光纤链路的电色散补偿( e d c ：e l e c t r o n i cd i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o n ) 技术展开的。在建立多模光纤传输链路模型的基础上，对现有的主要电色散补偿方案 进行了仿真和对比研究。本文具体内容如下： ( 1 ) 仿真比较了采用三次样条插值法和最小均方误差法对多模光纤传输信道进行建模的效果， 最终确定本文将采用在不同偏心注入条件下近似程度都较好的最小均方误差法。 ( 2 ) 在光源与光纤之间偏心注入条件下，分别用线性前馈均衡器、判决反馈均衡器( d f e ) 对模 问色散的电域补偿进行仿真研究。考察线性前馈均衡器的抽头系数对眼圈张开劣化度和抗噪性能的 影响，找到了线性均衡抽头个数的优化值。并将不周反馈抽头数的d f e 与线性均衡器的性能进行了 分析比较，结果表明，d f e 对抗噪性有改善。 ( 3 ) 比较线性均衡器、d f e 和最大似然序列估计( m l s e ) 均衡器的误码率性能、动态频谱特性 及突发错误性能。仿真结果肯定了m l s e 均衡器的良好的误码率性能，但是d f e 和m l s e 均衡器 有显著的突发错误。 ( 4 ) 对基于最小均方误羞算法的自适应均衡进行了研究，并讨论了步长对其收敛特性( 收敛速 度) 的影响，还进一步与基于递归最小二乘算法的自适应均衡器对信号眼开度及定时抖动的改善进 行了对比。 ( 5 ) 采用“1 0 8 光纤集合”中i e e e 8 0 2 31 0 g b a s e l r m 标准委员会推荐的的典型光纤做为研 究对象【l2 1 ，在1 7 1 a m 、2 0 1 i m 和2 3 1 x m 偏心注入条件下，仿真比较了3 阶码元步长无限脉冲响应 ( i i r ：i n f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 和同阶及更高阶码元步长有限脉冲响应( f i r ：f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 均衡器的码间干扰( i s i ) 代价和定时抖动性能，本文采用l e v e n b e r g - m a r q u a r d t 法计算i i r 系数。 5 东南大学硕上学位论文 第二章多模光纤传输链路模型 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 究上的困难。 本章建立多模光纤传输链路的数值仿真模型，为电色散补偿( e d c ：e l e c t r o n i cd i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o n ) 器的设计、光链路性能的分析奠定基础。 2 1 链路结构及其仿真模型 在以太网传输中绝大部分规范采用基带传输模式，1 0 1 0 0 1 0 0 0 b a s e t 中的b a s e 一词指的就是 基带传输。光纤通信系统的系统级建模，仅考虑子系统模块或器件外部特性，即将其视为“黑匣子”， 只注重输入、输出关系，对内部结构不作考虑。本章首先建立了链路各个部分的数学模型，包括发 射模块、光纤传输模块和接收机模块。以这些为基础，建立了对光纤通信系统进行研究的仿真平台。 要建立一个方便、可靠的光纤通信系统仿真平台，有赖于对系统和器件的分析，对其物理特性 进行归纳，建立起系统各模块的数学模型。也就是说，建模是仿真的关键。 2 1 1 仿真模型的建立与假设条件 本文q 日m m f 传输系统模型基于如下假设f 1 3 】： ( 1 ) 线性链路模型 m m f 链路近似为小信号线性传输系统。光纤模组间无耦合，并且模式功率分布在脉冲传播过程 中保持为常数。 ( 2 ) 模式平均延时 多模光纤中传播常数相近的导模简并为主模群，主模群的传播延迟用群内简并模式的平均传播 延迟近似表示。 m b l f 支持的偏振模式可以达到上百个，对于每一个单独的模式用下标脏( u ，d 简单的标明，对 应的每个模式的传播常数或者说是相位常数是侥( ) 。传播常数相同的模式归属于同一个模式群( 主 模) 。主模的多少取决于本征值阢( ( o ) 的简并度。最重要的、决定b l m f 性能的因素是一套模式延迟 ( 群速度的倒数) 。在工作波长1 3 1 0 n m 处，加2 5 p m 的m m f 有1 8 个模式组，假定模组间的耦合 是完全的，以便于每个光纤可以用一套模组延时来形容，色散影响每个激励模式的相对群延时，不 改变脉冲形状，也和任何其他的传播模式无关；每个激励的模式以各自群速度传播，并在输出端在 6 第二章多模光纤传输链路模型 一些特定时刻释放出各自能量来进行脉冲合成。 对每个特定的发射条件，都能得到对应的耦合光源过滤系数分布 l 锄缈h = l a h l 2 ) 。根据每个耦 合功率系数和群延时函数例分布，模式冲激响应白砂就可用平均模式延时t m = 刻画出来。 龟h 和 口h q ) 依赖于模式数h ，在此假设v c s e l 光源谱宽很窄，可近似为单一波长。 ( 3 ) 忽略色度色散 m m f 中影响脉冲传播的主要是主模群间的差模延时。色度色散影响相对较小，可以忽略。本文 在多模光纤模型中忽略了色度色散的影响。 根据上面的假设，m m f 冲激响应的一般表达式可以写为每个激励模式色度色散冲激响应适当地 乘上由每个对应的群延时携带的功率耦合系数的线性叠加。 2 1 2 系统设计 ( 1 ) 首先建立光纤通信系统各部分的数学模型，包括信号源、高斯脉冲成形、激光器、光纤、放 大器、接收机( 包括检测器、放大器、均衡、判决) 。 ( 2 ) 利用所建模型，编程实现从电发端到电收端整个系统的性能仿真，构造对仿真系统的性能进 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。 ( 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了总结。 2 1 3 多模光纤系统仿真模型描述 为保证收发机低成本，标准中建议使用基于v c s e l 的链路。模型包括信号源、高斯脉冲成形、 激光器、光纤、放大器、接收机( 包括检测器、放大器、均衡、判决) ，如图2 一l 所示，实际模块与 仿真模块的对应见图2 2 。 图2 - 1 系统模块构成 以一串伪随机序y u ( p r b s ) 信号x ( k ) 作为链路的输入数据流，用非归零( n r z ：n o n r e t u r nz e r o ) 码 驱动v c s e l 。v c s e l 用发送滤波器来模拟，设此发送滤波器的冲激响应p ( t ) 具有高斯脉冲特性。光 纤输入端的包络y t ( x ) 和激光器输出功率的方根成正比，仿真链路采用m m f 常用的多模v c s e l ，其 出射模场包括4 个横模。v c s e l 的4 个出射模激励m m f 中的导模( 1 8 个主模) ，从而得到m m f 中导模的模式功率分布( m p d ：m o d ep o w e rd i s t r i b u t i o n ) 。光纤中各主模的传播常数不同，在l v l l v i f 中 传输一段距离后就经历了不同的延时，携带了不等的能量，从而表现为信号脉冲展宽。光接收器探 测光信号，接收器端的p i n 光e g - - 极管将电场转换为电信号，此电信号和信号功率成比例y e ( t ) = l y ( t ) 1 2 因此，尽管光纤本身是个线性滤波器，由于方根和幅度平方的操作，整个系统是非线性的1 1 4 1 。然后 7 东南大学硕士学位论文 馈入e d c 进行模问色散补偿。最后进行眼图分析。 ( n r z ) 高斯冲激响应 加性高斯自机 ( b e s s e l 滤波器) 图2 - 2 均衡链路对应仿真模型 模问色散对信号脉冲展宽的影响取决于l v m f 内的m p d ，因此 v i p d 是m m f 链路中需要控制 的关键因素【1 5 l 。另外，由于激光器与光纤连接时存在的对准偏差、激光器与光纤参数不匹配都将导 致i v i p d 变化，从而在链路中引入失真和额外的l s l 损伤 1 6 , 1 7 。采用e d c 补偿 v i m f 的模间色散，就 需要考虑这些因素的影响。本文实际仿真过程中需要做的工作如下图2 - 3 所示，每个模块要考虑的 影响因素在图2 - 4 中列出。 输入数据 驱动激光嚣 l 高斯分布 | 模式动率l 分布 门 f w 一一 光评iq 频喻是d i d 和功 1 兀玎偎a 难叫r _d i d 一率分布的函数 厂一 分甓羹铲 一先l冲击岫卜- 4 频啊i - - _ _ _ - h - _ _ 一t “_ _ n - - _ 输出信号h 码嗡代价 接藿器卜 一l 传输函数l谢h 图2 - 3 仿真模块考虑因素 1 ) 数字”0 ”、1 ) 按照输 ”l ”转换入光功率 为模拟量和消光比 进行变换 1 ) 响应度 2 ) 噪声 1 ) 低通滤波 2 ) 噪声 3 l 放大 图2 - 4 仿真模块考虑因素 8 第二章多模光纤传输链路模型 2 2 多模光纤信道模型 如2 1 节所述，本节将详细分析对多模光纤建模所需要考虑的影响到光纤传输性能的主要因素 损耗和色散。 2 2 1 损耗 一个接收机需要某一最小光功率才能正常工作。这个最小值被称为接收机灵敏度。在无放大的 链路中，最大传输距离可由下面( 2 1 ) 式给出： ，1 0 发射机输出功率 2 - 2 1 。g i 。孺丽丽 ( 2 1 ) 从( 2 1 ) 式中也可以看出，光纤衰减对传输距离的影响，比发射机输出功率或接收机灵敏度对传 输距离的影响要大得多，这是因为后者参数的对数，才对【吖。起作用。 考虑光纤的衰减特性，得到频域传输函数h ( r o ) = 1 0 刮1 0 e x p ( - d w 2 2 ) ，式中：q 为光纤的衰减因子， 量纲为d b k m ，本文采用1 5 d b k m ，o 是光纤的均方根展宽参数。 2 2 2 色散 ( 1 ) 决定色散的因素 2 1 节讨论的假设定义了为数值计算m m f 冲激响应所需要的模型，还需要掌握下面2 个决定因 素。一旦知道了如下2 个决定因素，m m f 的色散冲激响应就可计算【1 8 】。 群延时分布 t 曲( ”) 光源耦合系数分布 球” ( 2 ) m m f 模间色散冲激响应 如2 3 2 中所述，一旦知道了 1 曲) 和 a h ) 这2 个决定因素，并且假设色度色散可忽略不计、 线性传播且无模式间相互作用，m m f 的模间色散冲击响应就可用( 2 2 ) 式计算。 掰 ( z ，朋) = 1 ( 硝6 t - z r g ，。( a ) 】 一i ( 2 2 ) 这里f ( 五) 就是每个主模的单位长度延时。 2 2 3 多模光纤仿真及性能分析 本文以1 0 g b a s e l r m 委员会开发的”1 0 8 光纤集合模型”为研究对象考察了v c s e l 和m m f 对准偏差分别为0 、l 、3 、5 、7 和1 0 1 t m 的情况。本小节以其中典型的c a m m m f 0 0 3 光纤为例说明 仿真结果。 图2 - 5 ( a ) 为v c s e l 与光纤存在对准偏差情况下，光纤的m p d 。光纤中各主模的传播常数不同，在 9 东南大学颤十学位论文 一段多模光纤中传辅后经历了不同的延时，携带着不等的功率( 如立体图2 - 5 ( b ) 所示) ，从而使信号 脉冲展宽。 o 1 o , 4 oz 喈 。菌 删“ ( 8 ) 曲) 田2 - 5 各圭杆同珏时、不同功奉分布 多模光纤仿真链路模型的关键是建立接近真实晴况的信遒磷型。根据2 3 2 节已知m m f 冲濑响应如 下式所示 ”。三，p 6 ( t - r ) ( 2 3 ) 其中p m 表示m m f 的m 个主模中第m 个主模携带的功率，t 。是第m 个主模的模式延时。输八光 纤的信号经过3 0 0 m 的传辅距离后m 岍中各个携带不同功率的模组分离图如下图2 所示。可更加直观 地看出它们到达接收端时经历了不同的延时和损耗。 删f 十* 十十h * h f h 自$ n $ i m n 1 5 g 、t 7 r l i o on 5；，s “。j2 53 m ) 。1 0 圈2 m m f 中菩十携带不同功率的主柱 由( 23 ) 式得到m m f 功率转移函数，进而对m 岍建模。这是因为要将不等延时的信道等效 为与电色散补偿器抽头延时相同的有限冲击响应( f i r ) 滤波器信道，以便于后续的均衡算法的进行。 本章对小同偏心发射情况下的m m f 传输信道分别采用了三次样条插值法和最小均方误差方法进行 等效建模。晟小均方误差法等效系统的原理忡蜘下图”所示， 女口# 第二章多模光纤传输链路模型 等效输出为 于是，等效误差表示为 设数据长度为m ，则 x = x f 7 i ) 图2 - 7 最小均方误差法等效系统原理 乡( 以) = b 。x ( n - i ) j = o p ( 刀) = 少( 疗) 一b , x ( n - o x ( 1 ) 0 x ( 2 ) x o ) x ( 3 )x ( 2 ) o 0 o 0 o o o 0 x ( m ) x ( m 1 ) x ( m 一2 ) x ( m 一) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 那么， ( 2 5 ) 式可写成矩阵形式e = y - x b ，e h fo , - x b ) ( y - x b ) 。最终得到等效的冲击响应为 b - - b o 岛6 一l 】- - ( x 何x ) 一1 x 日y ( 2 7 ) 图2 8