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光纤通信系统仿真（王金梅）
[摘 要] 介绍了光纤通信的发展方向，阐述了系统仿真的特点及国内外的发展状况
[关键词] 光纤通信；发展方向；系统仿真
1 概述
1.1 光纤通信
在“信息高速公路”的概念被提出以后，光纤通信技术在加大容量和延长通信距离方面
取得了突飞猛进的发展。宽带光纤放大器W-EDFA（Wide band Erbium-Doped Fiber Amplifier）
和密集波分复用是光纤通信技术发展最引人瞩目的方向。为了降低损耗和色散设计了色散位移
光纤DSF（Dispersion Shifted Fiber），在
1525-1565nm波段内，色散降至－2-＋3ps/（nm·km）间；在1540nm色散为零。为减小DWDM系
统的四波混频效应，还设计了一种新型的非零色散光纤NZDF（Non-Zero Dispersion Fiber）。
与此同时，光电子集成技术（OEIC）也在飞速发展，垂直腔面发射激光器VCSEL（Vertical Ca-
vity Surface Emitting Laser）和光电接收机已经实现了光电子集成。光的时分多种（OTDM）
目前国际上也有单位积极从事研究。
1.2 系统的仿真
系统仿真是近二十年发展起来的一门新兴技术科学。所谓计算机仿真就是在计算机上利用
模型对实际系统进行实验研究的过程。利用计算机仿真可以多次重复模拟客观世界的同一现象
，从而得以找出其内在规律。尤其对含有随机变量和随机过程，难以建立数学模型的客观事物
的研究，计算机仿真方法具有突出的优点，已成为分析、研究和设计各种系统的重要手段。把
计算机仿真技术应用到通信领域就是其中的一项重要分支。随着通信技术的发展，通信网络的
数量和复杂度的迅速增长，在通信系统设计中运用计算机仿真技术已成为新系统设计时缩短设
计周期、提高设计可靠性和已有系统性能改进的不可缺少的工具。
2 光纤通信系统的仿真
光纤通信技术是一门多学科专业交叉渗透的综合技术。它涉及到通信基础理论（如数字通
信技术），微波技术（如光纤信道的电磁场分析）以及电路设计与微电子技术（如ASIC专用集
成电路）等。因此，无论是系统的规划与设计，还是新型传输系统与体制的探索与研究，都要
遇到冗长繁杂的计算。此外，为了验证其性能是否合科要求，还需反复进行实验研究与测试。
如果每次都直接用真实系统进行实验，不仅耗资昂贵，费工费时，有时甚至难于找到问题症结
所在，因此，解决上述问题的有效方法是采用计算机仿真技术，即通过建立器件、部件乃至系
统的模型，并用模型在计算机上做实验，利用计算机的高速运算处理能力，完成对光纤通信设
备与系统的分析、设计以及性能优化与评估测试。显然，建立光纤通信系统的计算机仿真平台
，既能提高设计的一次成功率，大大缩短新产品研制周期和节省投资费用，还能极大地促进光
纤通信的基础理论研究，并为相关工程技术人员的技术培训提供理想的实验手段。
2.1 光纤通信系统仿真软件的现状
仿真分为电路仿真和系统级仿真。电路级仿真就是由电阻、电容、电感等组成等效的电路
模型来模拟器件的外特性。系统级仿真是肜传输函数或数字公式来模拟器件的外特性的模拟。
国外已有一些光纤通信系统仿真软件，用于电路分析时，其侧重点不同，例如Boss是一种界面
友好的光链路仿真软件，它包括光纤器件模型，但只适用于单一波长系统。SCOPE（Super Co-
mpact Optoelectronic Simulation）是一种把系统的光电器件和光器件用两端口网络模型来模
拟的非线性微波仿真软件，其主要用途是对在微波频率的IM/DD光通信系统进行仿真。DEX SOLUS
（Simulation of Light Using Spice）是基于Spice电路仿真软件的专用于光通信领域的信号
分析软件，它采用等效电路模型来模拟光电器件，这些模型的光功率在仿真中用电压来表征。
还有其它电路级的仿真软件如iSMILE和MISIM等。IBM的OLAP（Optical Link Analysis Program）
是一个把SYSTID和低级的光器件仿真软件综合起来应用的软件。还有一些新的仿真软件如iFROST
（illinois FibeR-optic and Optoelectronic Systems Toolkit）等，用户可调用其他仿真软
件来提供混合级的仿真环境。
2.2 光互联通信系统的仿真
光互联（Optical Interconnects）通信系统有多种拓扑结构，可以是单信道长距离、单一
波长、码字串行通过光纤传输的光链路，也可以是短距离通过光纤或自由空间、码字并行传输的
光总线（Optical Buses）。这些连接可能是点对点的，也可能是网络间的连接，根据不同的连
接方式，就要采用不同的计算机仿真和设计方法。对于高速、长距离、单一波长码字串行传输链
路，设计者的目的是用尽量少的中继器和放大器放在最佳位置，使误码率最低。目前，多信道光
互联有以下几种形式：
1）时分复用（TDMA），即若干逻辑信道在单根光纤的单一波长上复用。
2）波分复用（WDM），即不同信道在同一根光纤的不同波长上复用，对于WDM系统，接收机阵
列前不同信道的漂移必须加以考虑，在仿真中应该包括由于光滤波器的非理想带宽而产生的符号
干扰和在同种传输介质不同波长的信道间串扰。
3）空分复用（SDM），即若干个并行光纤信道通过不同的光纤连接到发射机阵列和接收机阵
列上。SDM采用激光器阵列、光纤带和检测器阵列是为了便于板间计算机的连接。与长距离点对点
链路中不同的是在SDM系统中不仅要考虑光缆所产生的光串扰，而且要考虑发射机阵列和接收机阵
列的交换噪声和电串扰。因此不能简单地用长距离链路的仿真软件来仿真光互联系统。高性能计
算机间光互联不同于点对点的光链路，目前尚无较完善的仿真软件。
在长距离点对点的链路中，主要的费用是光缆和交换设备。在短距离光互联中，收发信机的
费用成为主要部分。有效的CAD工具可以在两方面减少费用：1）在光电子集成互联器件生产以前，
用CAD来预测和优化性能；2）可用来优化不同系统的器件参数。对光功率进行预算，是设计和仿
真中的重点考虑因素，仿真和设计工具应该能够准确地计算出各种因素对信号造成的功率代价和
灵敏度，对波分复用（WDM）、空分复用（SDM）多信道光互联通信系统，信道间的串扰也是需要
考虑的因素。对不同的网络拓扑的光链路，在仿真中也可借用传统的电路CAD仿真技术，如用于分
析高密度并行传输光总线中接收机和发射机的电串扰，光缆间的光串扰等。
3 结束语
目前，我国在光纤通信系统仿真研究方面已经起步，如清华大学、天津大学等均取得一些成
绩，设计一个功能较强，性能可靠的光纤通信系统的仿真软件包，对适应光纤通信的飞速发展有
着重要的理论意义和现实意义，具有较高的性价比和广泛的应用前景。
摘自《光纤与电缆》
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