pSim Plus光電融合仿真案例：相干光收發(fā)器的設(shè)計(jì)與檢測(cè)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言相干光通信技術(shù)在電信領(lǐng)域帶來(lái)了革命性的進(jìn)步，在靈敏度和頻譜效率方面表現(xiàn)出色。本文將簡(jiǎn)介相干光檢測(cè)的原理以及相干光收發(fā)器的設(shè)計(jì)。通過(guò) pLogic 的GUI來(lái)設(shè)計(jì)并且調(diào)用 pSim Plus 完成仿真。使用的pSim Plus光電融合仿真工具，具備光鏈路和器件仿真接口，進(jìn)行光電融合仿真，使用戶能夠使用單一仿真器完成復(fù)雜的光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析。
相干光檢測(cè)簡(jiǎn)介相干光檢測(cè)是先進(jìn)的信號(hào)檢測(cè)方法，利用相干光源。與傳統(tǒng)的強(qiáng)度檢測(cè)方法相比，這種技術(shù)在靈敏度和頻譜效率方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。
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, q5 ^; ]% v. R% \; w0 x% }/ ]圖1：相干光收發(fā)器設(shè)計(jì)，展示了發(fā)射器（Tx）和接收器（Rx）組件。
相干光檢測(cè)是先進(jìn)的信號(hào)檢測(cè)方法，利用相干光源。與傳統(tǒng)的強(qiáng)度檢測(cè)方法相比，這種技術(shù)在靈敏度和頻譜效率方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。
* ^- b3 N' d/ L5 @$ z相干光檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)1.高靈敏度相干檢測(cè)可以在較低的信噪比下檢測(cè)信號(hào)，顯著提高系統(tǒng)靈敏度和傳輸距離。
, b( }0 }4 N7 @/ t0 T2.高頻譜效率此方法支持各種高階調(diào)制格式，大大提高了頻譜效率。
0 \( Q0 |% p  C3 T# ?/ `* O3.數(shù)字信號(hào)處理（DSP）相干檢測(cè)保留了信號(hào)的相位信息，允許通過(guò)DSP進(jìn)行各種補(bǔ)償和處理，進(jìn)一步增強(qiáng)傳輸性能。
# ]! D2 Y9 l2 T( F% a; I相干發(fā)射器設(shè)計(jì)相干光收發(fā)器主要由兩個(gè)部分組成：發(fā)射器（Tx）和接收器（Rx）。讓我們?cè)敿?xì)研究每個(gè)部分。
7 Q% ?' w) P3 h發(fā)射器（Tx）設(shè)計(jì)
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5 c+ g& i3 c0 D) a; a圖2：發(fā)射器（Tx）設(shè)計(jì)，展示了電信號(hào)生成、光信號(hào)生成和信號(hào)調(diào)制組件。
" A. X* g. l  p3 ?& l相干光系統(tǒng)中的發(fā)射器負(fù)責(zé)生成和調(diào)制光信號(hào)。主要包括三個(gè)階段：1.電信號(hào)生成：

PRBS（偽隨機(jī)比特序列）生成器：產(chǎn)生隨機(jī)比特序列。

NRZ（非歸零）轉(zhuǎn)換器：將PRBS信號(hào)轉(zhuǎn)換為NRZ格式。
2.光信號(hào)生成：

CW（連續(xù)波）激光器：為光信號(hào)調(diào)制提供穩(wěn)定的光源。

Y分路器：將光路分成兩個(gè)分支，供給兩個(gè)MZM（馬赫-曾德調(diào)制器）。
  |0 n2 |: l* h  ?  b) G; N3.信號(hào)調(diào)制：

MZM：調(diào)制光強(qiáng)度，將數(shù)據(jù)嵌入光載波。

光相移器：調(diào)制光信號(hào)的相位。

Y合路器：將兩個(gè)光信號(hào)合并為單一輸出。
, s$ t6 ?+ Z/ n+ i, a3 O電信號(hào)生成階段創(chuàng)建NRZ調(diào)制的電信號(hào)，作為MZM的調(diào)制源。光信號(hào)生成階段提供穩(wěn)定的光源，然后分成兩條路徑。在信號(hào)調(diào)制階段，MZM調(diào)制光強(qiáng)度，而光相移器調(diào)制相位。最后，Y合路器將兩個(gè)調(diào)制信號(hào)合并為單一輸出。
, k1 M9 r9 V7 k, k, |接收器（Rx）設(shè)計(jì)
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圖3：接收器（Rx）設(shè)計(jì)，展示了信號(hào)傳輸、參考光信號(hào)生成和信號(hào)分析組件。
相干光系統(tǒng)中的接收器負(fù)責(zé)檢測(cè)和分析傳輸?shù)男盘?hào)。主要包括三個(gè)階段：1.信號(hào)傳輸：

濾波器：傳輸入射信號(hào)。

分路器：將信號(hào)分成兩條路徑，每條路徑連接到單獨(dú)的定向耦合器（DC）。
2.參考光信號(hào)生成：

CW激光器：為光信號(hào)調(diào)制提供穩(wěn)定的光源。

分路器：將光路分成兩條，每條連接到單獨(dú)的DC。

光相移：在傳輸?shù)紻C之前對(duì)一條光路進(jìn)行相位調(diào)制。

DC（定向耦合器）：耦合和分配信號(hào)。
3.信號(hào)分析：
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PD（光電探測(cè)器）：將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

減法器：執(zhí)行差分操作以消除干擾。

LP RC濾波器：去除信號(hào)中的高頻噪聲。眼圖：評(píng)估信號(hào)質(zhì)量和失真。

在信號(hào)傳輸階段，入射信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波和分路成兩條路徑。參考光信號(hào)生成階段使用CW激光器創(chuàng)建參考信號(hào)，然后分路并進(jìn)行相位調(diào)制，再發(fā)送到定向耦合器。在信號(hào)分析階段，光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后進(jìn)行處理以去除干擾和噪聲。最后，使用眼圖評(píng)估接收信號(hào)的質(zhì)量。
' T7 ]4 }. i2 R0 {2 @, U7 X眼圖分析
' Y# i7 |8 W1 R9 |/ I( |/ Z
! ^; W4 ?) c5 S
' p7 ~6 z. h$ d* F圖4：眼圖1和2，展示了信號(hào)質(zhì)量和失真分析。
# N1 b# O3 L" F眼圖是評(píng)估光通信系統(tǒng)性能的重要工具。提供了信號(hào)質(zhì)量的可視化表示，有助于識(shí)別各種類型的信號(hào)失真。
* o! F3 ^2 |! n  o2 G  d" _2 b圖中可以看到兩個(gè)眼圖。這些圖是通過(guò)將接收信號(hào)的多個(gè)比特疊加在一起而創(chuàng)建的。結(jié)果的圖案類似于眼睛，因此得名。
眼圖分析的關(guān)鍵方面包括：1.眼圖開(kāi)口：圖中中央的清晰區(qū)域。較大的開(kāi)口表示信號(hào)更干凈，噪聲和失真較少。
2.抖動(dòng)：由眼圖交叉點(diǎn)處線條的粗細(xì)表示。抖動(dòng)越小，線條越細(xì)，表示時(shí)序穩(wěn)定性更好。
3.上升和下降時(shí)間：由轉(zhuǎn)換的斜率表示。斜率越陡，表示上升和下降時(shí)間越快，通常這是理想的。
, h0 w) ]/ p' K& C( d  E! _4.幅度變化：由眼圖上下電平的粗細(xì)表示。電平越細(xì)，表示幅度噪聲越小。
通過(guò)比較圖中的兩個(gè)眼圖，我們可以評(píng)估不同系統(tǒng)配置的相對(duì)性能或識(shí)別信號(hào)傳輸中的潛在問(wèn)題。
3 n) c+ q8 d, [結(jié)論相干光檢測(cè)和收發(fā)器設(shè)計(jì)代表了光通信技術(shù)的重大進(jìn)步。通過(guò)利用相干光混合和先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，這些系統(tǒng)與傳統(tǒng)方法相比，提供了更高的靈敏度和頻譜效率。
: K- I1 U" Q" I4 x1 U我們探討的相干光收發(fā)器設(shè)計(jì)展示了發(fā)射器和接收器中電子和光學(xué)組件之間復(fù)雜的相互作用。從電信號(hào)的生成到光載波的調(diào)制，從這些信號(hào)的接收到分析，每個(gè)階段在確保高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸中都發(fā)揮關(guān)鍵作用。
7 X, I6 F' U; C$ ^% z隨著我們對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)中更高數(shù)據(jù)速率和更長(zhǎng)傳輸距離的需求不斷增加，相干光系統(tǒng)將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。通過(guò)理解本文討論的原理和設(shè)計(jì)，工程師和研究人員可以繼續(xù)推動(dòng)光通信可能性的邊界，為未來(lái)更先進(jìn)、更高效的系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

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