摘 要 建立基于OOK的單波長背靠背傳輸系統(不包含光纖)，討論如光發射機消光比、相對強度噪聲、光接收機熱噪聲、散粒噪聲等劣化因素對接收機靈敏度的影響。通過眼圖描述不同因素的作用效果;通過掃描確定Q=6或BER=10-9對應的接收機靈敏度;在此基礎上，優化選擇線性通道中低通濾波器的線型與帶寬。

　　關鍵詞 背靠背系統,光接收機,靈敏度,消光比

　　1仿真系統設計

　　整體框圖：在VPI中搭建的仿真系統圖(如圖1)。

　　衰減器：用于衰減發射機模塊輸出的光信號，模擬光纖的衰減作用。

　　功率計：用于測量輸入到接收機電信號的功率，用于測量接收機的靈敏度。

　　2參數設置

　　2.1直接影響接收機靈敏度的關鍵參數

　　RIN和IncludeRIN為LaserCW_DSM模塊的參數，RIN參數決定激光器相對強度噪聲的大小，IncludeRIN決定是否考慮激光器的相對強度噪聲。RJ_Amplitude_RMS為CoderDriver_OOK模塊的參數，決定調制器驅動信號時鐘抖動的均方根值，即表示驅動電壓碼元持續時間的變化量的大小。ExtinctionRatio為調制器的消光比，是模塊ModulatorDiffMZ_DSM的參數，它將決定OOK發射機輸出信號的消光比。ElectricalLPFilterTyp，Bandwidth，IncludeShotNoise，ThermalNoise 均為Rx_OOK_BER的參數。ElectricalLPFilterType決定線性通道中低通濾波器的線型，Bandwidth決定線性通道中低通濾波器的帶寬，IncludeShotNoise決定接收機是否受到散粒噪聲的影響，ThermalNoise決定接收機熱噪聲的大小。圖中所示的各參數大小為其理想狀態下的值，在仿真時我們將改變部分參數的大小，詳細的參數更改信息將在仿真結果中說明。

　　2.2其余模塊的參數

　　發射機中激光器的參數設置：Linewidth=0 即仿真中不考慮激光器線寬和邊模的影響。

　　接收機中光探測器的參數設置：ThermalNoise與IncludeShotNoise設置為Player Parameter，仿真中只考慮熱噪聲和散粒噪聲的影響。

　　3運行結果分析與討論

　　3.1接收機靈敏度的測量方法

　　為了了解各參數對接收機靈敏度的影響，我們首先要確定一種接收機靈敏度的測量方法。本仿真中的接收機靈敏度用誤碼率等于1.0e-9時的接收機輸入功率來衡量。

　　在仿真中，發射機的輸出功率是恒定的，發射機中激光器的平均輸出功率設置為0dBm。發射機的輸出信號通過衰減器后功率降低，由于接收機受到散粒噪聲和熱噪聲的影響，輸入功率越低，則接收信號的誤碼率越大，因此可以通過調節衰減器的衰減系數使誤碼率等于1.0e-9。VPI軟件中的 optimization功能能夠實現這一操作。Optimization 和sweep一樣，屬于interactive simulation的一種，其原理是將1.0e-9設置為誤碼率的目標值，VPI對衰減器的衰減系數進行掃描，并對誤碼率的大小進行監控，然后通過計算自動改變衰減系數的大小，使得誤碼率的值逐漸接近1.0e-9，最后得到使誤碼率等于1.0e-9時的衰減系數，此時我們可從功率計上讀出接收機的輸入功率，從而得到接收機的最小可探測功率。

　　Optimization運行方式設置為Target，目標值為1.0e-9，Precision表示當所得誤碼率與目標值之差在10e-12之內則視為達到目標值。誤碼率的大小通過Postvalue模塊來監控并將其值傳送到Monitor Panel中。

　　3.2光發射機消光比對接收機靈敏度的影響

　　(1)參數設置

　　關鍵模塊參數設置如下：

　　不考慮發射機的相對強度噪聲和驅動電壓時鐘抖動，接收機受散粒噪聲和熱噪聲的影響，接收機線性通道低通濾波器的為貝塞爾濾波器，帶寬為 0.75*BitRateDefault。另外Attenuator模塊的損耗設置為20dB，通過降低接收機輸入功率使接收信號誤碼率的大小位于合適的范圍內(1e-9附近)。此時輸入到接收機的信號功率為：-23.01dBm

　　(2)消光比對接收信號誤碼率的影響

　　對ExtinctionRatio進行掃描，掃描范圍為20dB到40dB，掃描精度1dB，即每間隔1dB運行一次仿真。得到誤碼率隨消光比變化的曲線圖(如圖2)：

　　橫坐標為消光比(單位dB)，縱坐標為誤碼率。有曲線可得，誤碼率隨著消光比增加而逐漸減小。

　　(3)消光比對接收機靈敏度的影響

　　更改消光比的大小，在不同的消光比下，可得到相應的可探測最小功率的大小。消光比和可探測最小功率的對應關系如下表所示：

　　由數據變化規律可得，消光比越高，特定誤碼率(1.0e-9)下接收機所要求的輸入功率越低，因此接收機靈敏度越高。

　　3.3相對強度噪聲對接收機靈敏度的影響

　　(1)參數設置

　　設置消光比恒定為40dB，接收機受散粒噪聲和熱噪聲的影響，接收機線性通道低通濾波器的為貝塞爾濾波器，帶寬為0.75*BitRateDefault。

　　Attenuator的損耗設置為19.2dB，使誤碼率的大小位于合適的范圍內(1e-9附近)。此時輸入到接收機的信號功率為：-21.2dBm。

　　(2)RIN對接收信號誤碼率的影響

　　對RIN進行掃描，掃描范圍：-140dB/Hz到-120dB/Hz，掃描精度為-0.1dB/Hz。 　　得到誤碼率隨RIN變化的曲線：(如圖3)

　　橫坐標為RIN(單位dB/Hz)，縱坐標為誤碼率。在-135dB/Hz到-125dB/Hz范圍內，誤碼率隨著相對強度噪聲的增大而增加。

　　(3)RIN對接收機靈敏度的影響

　　更改RIN的大小，在不同的RIN值下，通過Optimization得到相應的靈敏度的大小，RIN和可探測最小功率的對應關系如下表所示：

　　由數據變化規律可得，相對強度噪聲越大，特定誤碼率(1.0e-9)下接收機所要求的輸入功率越高，因此接收機靈敏度越低。

　　3.4熱噪聲和散粒噪聲對靈敏度的影響

　　(1)參數設置

　　關鍵參數設置如下：

　　即不考慮發射機的相對強度噪聲和驅動電壓時鐘抖動，消光比恒定為40dB，接收機受熱噪聲的影響，接收機線性通道低通濾波器的為貝塞爾濾波器，帶寬為0.75*BitRateDefault。接收機是否受散粒噪聲的影響不再設置為Player Parameter。

　　Attenuator的損耗設置為19.7dB，使誤碼率的大小位于合適的范圍內(1e-9附近)。此時輸入到接收機的信號功率為：-23.0dBm

　　將仿真系統稍作更改，更改后的系統圖如圖4。

　　其中接收機Rx_OOK_BER_A受散粒噪聲的影響，Rx_OOK_BER_B不受散粒噪聲的影響。兩個接收機得到的誤碼率值都將在NumericalAnalyzer2D中顯示。

　　(2)熱噪聲和散粒噪聲對誤碼率的影響

　　對ThermalNoise進行掃描，掃描范圍10.0e-12A/Hz^(1/2)到11.0e-12A/Hz^(1/2)，掃描精度0.02e-12 A/Hz^(1/2)。得到誤碼率隨ThermalNoise變化的曲線為：(如圖5)

　　圖6

　　橫坐標為熱噪聲的值(單位A/Hz^(1/2))，縱坐標為誤碼率。紅色曲線代表有散粒噪聲時，誤碼率隨熱噪聲變化的曲線，綠色曲線代表有散粒噪聲時，誤碼率隨熱噪聲變化的曲線。兩條曲線都表明，隨著熱噪聲的增加，誤碼率將逐漸增大。

　　(3)熱噪聲和散粒噪聲對接收機靈敏度的影響

　　散粒噪聲：散粒效應噪聲是Schottky于1918年研究此類噪聲時，用子彈射入靶子時所產生的噪聲命名的。因此，它又稱為散彈噪聲或顆粒噪聲。在電化學研究中，當電流流過被測體系時，如果被測體系的局部平衡仍沒有被破壞，此時被測體系的散粒效應噪聲可以忽略不計。

　　散粒噪聲是由形成電流的載流子的分散性造成的，在大多數半導體器件中，它是主要的噪聲來源。在低頻和中頻下，散粒噪聲與頻率無關(白噪聲)，高頻時，散粒噪聲譜變得與頻率有關。

　　散粒噪聲有白噪聲的特性，其電流均方值與電子電荷量q、總的直流電流Idc和帶寬delt(f)成正比關系：I^2=2*q*Idc*delt(f)。

　　在有散粒噪聲和沒有散粒噪聲兩種條件下，更改熱噪聲的大小，在不同的熱噪聲值下，通過Optimization得到相應的可探測最小功率的大小，熱噪聲和可探測最小功率的對應關系如下表所示：

　　在excel繪制出在有散粒噪聲和沒有散粒噪聲兩種條件下，熱噪聲大小和可探測最小功率變化規律可得，熱噪聲越大，特定誤碼率(1.0e-9)下接收機所要求的輸入功率越高，因此接收機靈敏度越低。

　　3.5驅動信號時鐘抖動對靈敏度的影響

　　(1)參數設置

　　關鍵參數設置如下：

　　即不考慮發射機激光器的相對強度噪聲，消光比恒定為40dB，接收機受散粒噪聲和熱噪聲的影響，接收機線性通道低通濾波器的為貝塞爾濾波器，帶寬為0.75*BitRateDefault。

　　Attenuator的損耗設置為19.7dB，使誤碼率的大小位于合適的范圍內(1e-9附近)。此時輸入到接收機的信號功率為：-23.0dBm

　　(2)時鐘抖動對誤碼率的影響

　　對RJ_Amplitude_RMS掃描，掃描范圍：0到0.06/BitRatedefault，掃描精度0.001/BitRateDefault。誤碼率隨RJ_Amplitude_RMS變化的曲線圖：(如圖6)

　　橫坐標為時鐘抖動的均方根值(單位s)，縱坐標為誤碼率。誤碼率大小隨著時鐘抖動程度的增加而增大。

　　3.6優化選擇線性通道中低通濾波器的線型與帶寬

　　(1)參數設置

　　對仿真系統圖稍作更改，修改后的系統圖如下所示：(如圖7)

　　接收端的四個接收機分別具有不同線型的低通濾波器，自上而下，四個接收機濾波器的類型分別為貝塞爾濾波器，高斯濾波器，切比雪夫Ⅱ型濾波器，巴特沃斯濾波器。濾波器還有其他幾種類型，如切比雪夫Ⅰ型濾波器，橢圓濾波器，積分濾波器等，在本仿真中并不對其進行討論，但使用本仿真的方法容易對不同類型的濾波器性能進行評估。

　　關鍵參數的設置如下：

　　即不考慮發射機的相對強度噪聲和驅動電壓時鐘抖動，消光比恒定為40dB，接收機受散粒噪聲和熱噪聲的影響。

　　Attenuator的損耗設置為20dB，使誤碼率的大小位于合適的范圍內(1e-9附近)。此時輸入到接收機的信號功率為：-23.29dBm。

　　(2)濾波器帶寬對誤碼率的影響

　　對bandwidth進行掃描，掃描范圍為0.49*BitRateDefault到0.66*BitRateDefault，掃描精度為0.01*BitRateDefault。

　　將四條曲線繪制可如下所示：(如圖8)

　　圖示曲線的橫坐標均為濾波器帶寬(單位Hz)，縱坐標均為誤碼率，不同顏色的曲線代表不同類型的濾波器的仿真結果，具體對應關系由圖中示例說明。

　　從誤碼率隨濾波器帶寬變化曲線中可以看出貝塞爾濾波器在帶寬掃描范圍內均具有較小的誤碼率，其誤碼率最小值與巴特沃斯濾波器誤碼率最小值大小接近。因此選用貝塞爾濾波器作為接收機線性通道的低通濾波器。當濾波器帶寬為0.54*BitRateDefault時，接收到信號的誤碼率最小，因此最佳低通濾波帶寬應為0.54*BitRateDefault。

　　參考文獻：

　　[1] 楊淑雯.光前放接受機的噪聲與靈敏度：靈敏度影響因素分析與實驗[M].深圳大學學報，1993，2.

　　[2] 杜永.啁啾色散對光接受機靈敏度的影響研究[M].蘭州大學學報，2001，8.