pSim Plus光電融合仿真案例：相干光收發(fā)器的設計與檢測

逍遙設計自動化

引言相干光通信技術在電信領域帶來了革命性的進步，在靈敏度和頻譜效率方面表現出色。本文將簡介相干光檢測的原理以及相干光收發(fā)器的設計。通過 pLogic 的GUI來設計并且調用 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，進行光電融合仿真，使用戶能夠使用單一仿真器完成復雜的光電系統設計和分析。
相干光檢測簡介相干光檢測是先進的信號檢測方法，利用相干光源。與傳統的強度檢測方法相比，這種技術在靈敏度和頻譜效率方面具有顯著優(yōu)勢。
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圖1：相干光收發(fā)器設計，展示了發(fā)射器（Tx）和接收器（Rx）組件。
相干光檢測是先進的信號檢測方法，利用相干光源。與傳統的強度檢測方法相比，這種技術在靈敏度和頻譜效率方面具有顯著優(yōu)勢。
0 }* q' g3 x3 c* l! Z相干光檢測的優(yōu)勢1.高靈敏度相干檢測可以在較低的信噪比下檢測信號，顯著提高系統靈敏度和傳輸距離。
( D) H8 N* Y8 W" }! z. r2.高頻譜效率此方法支持各種高階調制格式，大大提高了頻譜效率。
3.數字信號處理（DSP）相干檢測保留了信號的相位信息，允許通過DSP進行各種補償和處理，進一步增強傳輸性能。
4 f6 ^, ^) L9 s/ f5 X9 z2 d相干發(fā)射器設計相干光收發(fā)器主要由兩個部分組成：發(fā)射器（Tx）和接收器（Rx）。讓我們詳細研究每個部分。
發(fā)射器（Tx）設計

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圖2：發(fā)射器（Tx）設計，展示了電信號生成、光信號生成和信號調制組件。
相干光系統中的發(fā)射器負責生成和調制光信號。主要包括三個階段：1.電信號生成：

PRBS（偽隨機比特序列）生成器：產生隨機比特序列。

NRZ（非歸零）轉換器：將PRBS信號轉換為NRZ格式。
% |: R# V* U* B7 m2.光信號生成：

CW（連續(xù)波）激光器：為光信號調制提供穩(wěn)定的光源。

Y分路器：將光路分成兩個分支，供給兩個MZM（馬赫-曾德調制器）。
1 B0 g2 M" ?: @( T3.信號調制：
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MZM：調制光強度，將數據嵌入光載波。

光相移器：調制光信號的相位。

Y合路器：將兩個光信號合并為單一輸出。
3 f& s1 l) X$ }電信號生成階段創(chuàng)建NRZ調制的電信號，作為MZM的調制源。光信號生成階段提供穩(wěn)定的光源，然后分成兩條路徑。在信號調制階段，MZM調制光強度，而光相移器調制相位。最后，Y合路器將兩個調制信號合并為單一輸出。
接收器（Rx）設計

圖3：接收器（Rx）設計，展示了信號傳輸、參考光信號生成和信號分析組件。
1 T$ x' j) Z  n8 j! ?4 A( e相干光系統中的接收器負責檢測和分析傳輸的信號。主要包括三個階段：1.信號傳輸：

濾波器：傳輸入射信號。

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

CW激光器：為光信號調制提供穩(wěn)定的光源。

分路器：將光路分成兩條，每條連接到單獨的DC。

光相移：在傳輸到DC之前對一條光路進行相位調制。

DC（定向耦合器）：耦合和分配信號。
3.信號分析：

PD（光電探測器）：將光信號轉換為電信號。

減法器：執(zhí)行差分操作以消除干擾。

LP RC濾波器：去除信號中的高頻噪聲。眼圖：評估信號質量和失真。

6 Q/ {* N) a, s( n* X) e( w7 h' _在信號傳輸階段，入射信號經過濾波和分路成兩條路徑。參考光信號生成階段使用CW激光器創(chuàng)建參考信號，然后分路并進行相位調制，再發(fā)送到定向耦合器。在信號分析階段，光電探測器將光信號轉換為電信號，然后進行處理以去除干擾和噪聲。最后，使用眼圖評估接收信號的質量。
眼圖分析
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" H$ R( R8 ]) [# {圖4：眼圖1和2，展示了信號質量和失真分析。
6 U0 t# x- w# S* c眼圖是評估光通信系統性能的重要工具。提供了信號質量的可視化表示，有助于識別各種類型的信號失真。
3 I5 w( T, v7 P% V! P圖中可以看到兩個眼圖。這些圖是通過將接收信號的多個比特疊加在一起而創(chuàng)建的。結果的圖案類似于眼睛，因此得名。
3 }6 S% m# ]2 N& |; S$ v. z眼圖分析的關鍵方面包括：1.眼圖開口：圖中中央的清晰區(qū)域。較大的開口表示信號更干凈，噪聲和失真較少。
3 \* E% M4 j7 u1 k  \  U9 C2.抖動：由眼圖交叉點處線條的粗細表示。抖動越小，線條越細，表示時序穩(wěn)定性更好。
3.上升和下降時間：由轉換的斜率表示。斜率越陡，表示上升和下降時間越快，通常這是理想的。
4.幅度變化：由眼圖上下電平的粗細表示。電平越細，表示幅度噪聲越小。
! Z: G; j' Y4 s7 R' Y4 e通過比較圖中的兩個眼圖，我們可以評估不同系統配置的相對性能或識別信號傳輸中的潛在問題。
, x; F2 R9 {' r% K結論相干光檢測和收發(fā)器設計代表了光通信技術的重大進步。通過利用相干光混合和先進的信號處理技術，這些系統與傳統方法相比，提供了更高的靈敏度和頻譜效率。
我們探討的相干光收發(fā)器設計展示了發(fā)射器和接收器中電子和光學組件之間復雜的相互作用。從電信號的生成到光載波的調制，從這些信號的接收到分析，每個階段在確保高質量數據傳輸中都發(fā)揮關鍵作用。
7 c- {: u' Y1 _4 H) F$ |隨著我們對通信網絡中更高數據速率和更長傳輸距離的需求不斷增加，相干光系統將發(fā)揮越來越重要的作用。通過理解本文討論的原理和設計，工程師和研究人員可以繼續(xù)推動光通信可能性的邊界，為未來更先進、更高效的系統奠定基礎。


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