VPI上机实验指导书学生.docx
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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
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
1
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
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TCModules>Optical
2
Source>，将拖拉到工作区主界面中。
选择TCModules>OpticalModulators>，将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TCModules>Information&Coding，将和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TCModules>Transmitters>，将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TCModules>Fibers>，将拖拉到工作区主界面中。
从Resources资源列表库中选择TCModules>Receivers>，将拖拉到工作区主界面中。
连接各器件，并保存文件
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*10e9
3
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：
File>Help>SimulationGuide>Chapter4Setting
SimulationParameters
图三、全局变量设置窗口
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
4
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。
5
图六、信号分析仪设置窗口
运行系统
开始运行仿真最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。
6
图七、提交仿真工作对话框
1）首先观察电信号的时域波形：
点击激活SignalAnalyzer_vtms，使其成为当前
窗口，选择菜单栏Analysis>Scope，或者直接点击工具栏上的中时域波形的图标，得到电域波形结果如下：
图八、电信号波形
2）与1类似，设置SignalAnalyzer_vtms，查看光信号的时域波形，如下图所示：
7
图九、光信号波形
3）查看光信号的光谱：
点击激活SignalAnalyzer_vtms，使其成为当前窗口，选
择菜单栏Analysis>OSA，或者直接点击工具栏上的中时域波形的图标，得到调制后的光信号光谱图如下：
图十、光信号光谱
注意：
修改右边的属性参数，可以更改图形的显示字体，曲线颜色、显示区间等，
如下图所示，类似的还可以调整光谱的显示分辨率。
8
图十一、显示设置窗口
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。
9
实验二LD的光谱与噪声特性
1.实验目的
观察LD的光谱特性
分析边摸抑制比，线宽和相对强度噪声对信号质量的影
2.仿真模块与系统
仿真模块包括LaserCW_DSM、Photodiode、Signalanalyzer、Powermeter和NumericalAnalyzer1D等模块，仿真系统如图所示：
图一、LD光谱特性仿真系统
3.实验内容与步骤
改变LaserCW_DSM模块中SidemodeSuppressionRatio，Linewidth和RIN数值大小，观察信号输出光谱，波形和相位变化。
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
如何测量激光器RIN噪声
提示：
射频频谱测量分辨率为1GHz，噪声大小为-50dBm，信号功率大小为
-40dBW。
10
11
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
12
1、双击LaserAnalogDSM，设置ThresholdCurrent为，LaserBias为0；改
变驱动电源DC_Source模块中电流幅度Amplitude数值大小（0~），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
13
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、MZM工作仿真系统
3.实验内容与步骤
1、设置偏置电压为0，运行在0～2Vpi扫描MZM驱动电压大
小，绘制MZM的功率传输曲线。
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图二、扫描设置窗口
2、改变偏置电压Bias，重新扫描输入电压大小，绘制MZM的功率传输曲线，
分析偏置电压点选择对传输曲线的影响。
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、功率传输曲线与Vpi电压有何关系MZM消光比ExtinctionRatio和电压偏置
点对功率传输曲线有什么影响
2、MZM在push-pull工作模式下驱动电压应该如何设置
15
实验五ASK信号调制
1.实验目的
了解ASK信号调制格式NRZ，CSRZ，50%RZ和33%RZ
波形的切割方法。
2.仿真模块与系统
仿真模块包括Tx_OOK（NRZ）、SignalAnalyzer、FuncSinEI、MZ-Modulator等
模块，仿真系统如图所示：
图一、ASK信号调制
3.实验内容与步骤
1、设置用于波形切割调制器的驱动电信号的幅度，频率，相位以及偏振电压大
小。
2、观察输出光信号波形和光谱变化，测量脉冲占空比大小以及光谱宽度。
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
16
1、光信号脉冲占空比，数据传输速率与光谱宽度有何关系
2、在考虑光纤色散和损耗的条件下比较各种信号的传输性能。
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实验六PSK信号
1.实验目的
了解PSK信号格式BPSK和QPSK，以及波形的切割方法
2.仿真模块与系统
1）仿真模块包括Tx_DQPSK、Tx_BPSK、SignalAnalyzer、FuncSinEL、MZ-Modulator
模块，仿真系统如图所示
图一、PSK信号格式仿真系统
3.实验内容与步骤
1）将DPSK和DQPSK发射机中MZM工作方式调整成push-pull模式。
2）观察BPSK和QPSK输出光信号波形和相位的变化，改变发射机模块中
LaserAveragePower和LaserLinewidth数值大小，分析其对信号波形和相位的影
响。
3）将FuncSinEL、MZ-Modulator模块设为active激活状态，对波形进行切割，
实现不同占空比；
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
18
1、还可以用什么调制方式产生BPSK和QPSK信号push-pull模式下相位调制
信号波形会有幅度变化，是什么原因造成的
19
实验七光纤的损耗与色散
1.实验目的
研究光纤的损耗与色散特性
了解色散和损耗对传输的限制
什么是损耗受限系统和色散受限系统
2.仿真模块与系统
模拟光纤损耗谱的仿真模块包括LaserCW、UniversalFiberFwd、Powermeter、Add_2、Mpy_2、NumericalAnalyzer2D、Const和SignalAnalyzer等模块，仿真系
统如图所示：
图一、损耗仿真系统
模拟光纤色散的仿真模块包括Tx_OOK、UniversalFiberFwd和SignalAnalyzer等
模块，仿真系统如图所示：
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图二、色散仿真系统
分辨损耗受限系统和色散受限系统仿真模块包括Tx_OOK、FiberNLS、Signal
analyzer、Rx_OOK_BER、NumericalAnalyzer2D、和Const等模块，仿真系统如
图所示：
图三、损耗受限系统和色散受限系统仿真系统
3.实验内容与步骤
1、对损耗进行仿真时在UniversalFiberFwd中AttenuationDescription选择AttenuationFile，Attfilenama中导入标准单模光纤的损耗文件。
色散仿真时同理在DispersionDescription中选择DispersionFile导入色散文件。
21
2、功率计Powermeter的输出OutputUnits设为dBm，即为光纤Pout；Pin为激
光器器输出功率1mw=0dBm，第一个Const值即为-0。
第二个Const值为光
纤长度的负倒数，输出为-1/L*（Pout-Pin），即为损耗系数。
对激光器输出信号
波长从800nm到1600nm扫描可以得到光纤的损耗谱。
（定义激光器输出频
率为c/Wavelength，c在全局变量中设置为光速，对Wavelength进行扫描）3、色散仿真将三个发射机的频率设为c/1310e-9、c/1460e-9、c/1550e-9，分别观
察在不同的波长下眼图的变化，分析产生差异的原因。
4、分辨损耗受限系统和色散受限系统仿真分以下两步：
a）双击空白处，设置系统信号速率为s（修改BitRateDefault为，SampleRateDefault为10e9，TimeWindow为128/10e9），设置FiberNLS模块中Attenuation和Dispersion的数值大小分别为km和0，以及0和16ps/nm/km，对光纤长度在10～100km范围内进行扫描，得到误码率随光纤长度变化曲线。
确定其为何种系统。
b）双击空白处，设置系统信号速率为40Gb/s（修改BitRateDefault为40e9，SampleRateDefault为160e9，TimeWindow为128/40e9），设置FiberNLS模块中Attenuation和Dispersion的数值大小分别为km和0，以及0和16ps/nm/km，对光纤长度在10～100km范围内进行扫描，得到误码率随光纤长度变化曲线。
确定其为何种系统。
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、在不考虑光纤色散条件下增加光信号功率能否无限延长传输距离
2、有哪些方法可以提高色散和损耗受限系统的传输距离请设计一个这样的系
统。
22
实验八光纤的非线性效应
1.实验目的
观察SPM，XPM和FWM效应其对信号传输的影响。
2.仿真模块与系统
1）SPM和XPM仿真系统包括Tx_Pulse（分别强、弱脉冲）、WDM_MUX、SignalAnalyzer、Loop、UniversalFiber、WDM_DEMUX等模块，仿真系统如
图1所示：
图一、模拟SPM、XPM效应（Demo:
SPMandXPM）
2）FWM仿真系统包括TxExtModLaser、WDM_MUX、SignalAnalyzer、FiberNLS
、Powermeter等模块，仿真系统如图2所示：
图二、模拟信道间FWM效应和串扰
23
3.实验内容与步骤
SPM和XPM效应
1、设置两个光脉冲源的峰值功率分别为2mw和20mW，频率间隔分别为
100GHz。
2、将光纤环路的循环次数设为10，总长度设为80km，使得光信号每传输8km
后会输出到外部信号分析模块。
将UniversalFiber模块中SPM_EC、XPM_EC
设为No，关闭SPM和XPM效应，观察信号的波形和光谱的变化。
3、点击宏命令，打开光纤中SPM、XPM效应。
运行程序，观察每
传输8km后强弱脉冲光信号的波形和光谱的变化，分析SPM、XPM效应对
信号传输影响；
FWM效应
1、设置四个光发射机速率为10Gb/s，信道间隔为50GHz，功率为4mW，光纤环路循环次数50次，光纤长度为1km，色散系数为nm/km（为色散位移光纤），使得光信号每传输1km后会输出到外部信号分析模块。
2、将接收端解复用器设置为1×8输出，8个输出信道间隔50GHz，中间4个信道对应4个光发射机频率。
观察随传输距离增加4个信道眼图的变化，光纤输出端光谱的变化和FWM新产生的信道的功率变化。
3、关闭第二个信道，测量其它三个信道FWM对该信道的串扰作用。
4、将光纤的色散系数从nm/km增加到16ps/nm/km，重复上述步骤，并分析结果的差异。
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、强脉冲主要受什么效应影响，弱脉冲呢解释原因。
2、采用哪些方法可以减少FWM效应，为什么
24
实验九光纤中的受激散射
1.实验目的
1.了解SBS和SRS效应的原理、SBS和SRS阈值，以及SBS和SRS对信号传输的影响。
2.观察比较两种效应作用下光纤输入和输出端信号的波形，眼图和光谱图。
观察误码率随传输距离的变化曲线。
2.仿真模块与系统
1.SRS效应
仿真模块包括LaserCW、FiberNLS、Powermeter、NumericalAnalyzer2D、WDM_MUX_N_1_Ideal、FilterOpt等。
图一、SBS效应
2.SBS的阈值
仿真模块包括LaserCW、UniversalFiber、Powermeter、NumericalAnalyzer2D
等。
仿真系统如下图所示：
图二、SRS效应
3.SBS对输出信号眼图的影响
25
仿真模块包括Tx_OOK、UniversalFiber、Signalanalyzer、AmpSysOpt、FilterOpt、Rx_OOK_BER和NumericalAnalyzer1D等，仿真系统如图所示：
图三、SBS对输出信号的影响
3.实验内容与步骤
1.SRS效应
1）按照图1搭建仿真模块。
2）设置光纤长度为1km，Ramancoefficient设置为，两个cw光源的中心频率和功率如图1所示设置。
运行模块。
2.SBS的阈值
1）按照图2搭建仿真模块。
2）将UniversalFiber中的brillouinscattering设为yes，长度设为。
3）扫描CW光源的光功率，运行。
3.SBS对输出信号的影响
1）按照图3所示搭建仿真模块，
2）将一个UniversalFiber中的brillouinscattering设为yes，另一个设为no
。
光纤包括SMF和DCF，其长度设为80km和8km，色散被完全补偿
。
3）运行使得输入信号功率从-10dBm变化到10dBm
，观察两个输出信号的眼图。
扫描光纤长度L，得到误码率随光纤长度变化的曲线。
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。
）
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5.思考题
1、查阅相关文献，了解SRS增益谱和超宽带光纤拉曼放大器（FRA）的设
计方法。
基于模块实现一个超宽带光纤拉曼放大器放大的40Gb/s×82
channel×500kmWDM光传输系统。
要求给出详细的WDM和关键信道的信
号光谱，眼图和误码率测试报告。
提示：
使用UniversalFiber_vtms模块和input目录下实际测量得到的单模光纤的拉曼增益谱数据文
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