摘 要 建立基于OOK的单波长背靠背传输系统(不包含光纤)，讨论如光发射机消光比、相对强度噪声、光接收机热噪声、散粒噪声等劣化因素对接收机灵敏度的影响。通过眼图描述不同因素的作用效果;通过扫描确定Q=6或BER=10-9对应的接收机灵敏度;在此基础上，优化选择线性通道中低通滤波器的线型与带宽。
关键词 背靠背系统,光接收机,灵敏度,消光比
1仿真系统设计
整体框图：在VPI中搭建的仿真系统图(如图1)。
衰减器：用于衰减发射机模块输出的光信号，模拟光纤的衰减作用。
功率计：用于测量输入到接收机电信号的功率，用于测量接收机的灵敏度。
2参数设置
2.1直接影响接收机灵敏度的关键参数
RIN和IncludeRIN为LaserCW_DSM模块的参数，RIN参数决定激光器相对强度噪声的大小，IncludeRIN决定是否考虑激光器的相对强度噪声。RJ_Amplitude_RMS为CoderDriver_OOK模块的参数，决定调制器驱动信号时钟抖动的均方根值，即表示驱动电压码元持续时间的变化量的大小。ExtinctionRatio为调制器的消光比，是模块ModulatorDiffMZ_DSM的参数，它将决定OOK发射机输出信号的消光比。ElectricalLPFilterTyp，Bandwidth，IncludeShotNoise，ThermalNoise 均为Rx_OOK_BER的参数。ElectricalLPFilterType决定线性通道中低通滤波器的线型，Bandwidth决定线性通道中低通滤波器的带宽，IncludeShotNoise决定接收机是否受到散粒噪声的影响，ThermalNoise决定接收机热噪声的大小。图中所示的各参数大小为其理想状态下的值，在仿真时我们将改变部分参数的大小，详细的参数更改信息将在仿真结果中说明。
2.2其余模块的参数
发射机中激光器的参数设置：Linewidth=0 即仿真中不考虑激光器线宽和边模的影响。
接收机中光探测器的参数设置：ThermalNoise与IncludeShotNoise设置为Player Parameter，仿真中只考虑热噪声和散粒噪声的影响。
3运行结果分析与讨论
3.1接收机灵敏度的测量方法
为了了解各参数对接收机灵敏度的影响，我们首先要确定一种接收机灵敏度的测量方法。本仿真中的接收机灵敏度用误码率等于1.0e-9时的接收机输入功率来衡量。
在仿真中，发射机的输出功率是恒定的，发射机中激光器的平均输出功率设置为0dBm。发射机的输出信号通过衰减器后功率降低，由于接收机受到散粒噪声和热噪声的影响，输入功率越低，则接收信号的误码率越大，因此可以通过调节衰减器的衰减系数使误码率等于1.0e-9。VPI软件中的 optimization功能能够实现这一操作。Optimization 和sweep一样，属于interactive simulation的一种，其原理是将1.0e-9设置为误码率的目标值，VPI对衰减器的衰减系数进行扫描，并对误码率的大小进行监控，然后通过计算自动改变衰减系数的大小，使得误码率的值逐渐接近1.0e-9，最后得到使误码率等于1.0e-9时的衰减系数，此时我们可从功率计上读出接收机的输入功率，从而得到接收机的最小可探测功率。
Optimization运行方式设置为Target，目标值为1.0e-9，Precision表示当所得误码率与目标值之差在10e-12之内则视为达到目标值。误码率的大小通过Postvalue模块来监控并将其值传送到Monitor Panel中。
3.2光发射机消光比对接收机灵敏度的影响
(1)参数设置
关键模块参数设置如下：
不考虑发射机的相对强度噪声和驱动电压时钟抖动，接收机受散粒噪声和热噪声的影响，接收机线性通道低通滤波器的为贝塞尔滤波器，带宽为 0.75*BitRateDefault。另外Attenuator模块的损耗设置为20dB，通过降低接收机输入功率使接收信号误码率的大小位于合适的范围内(1e-9附近)。此时输入到接收机的信号功率为：-23.01dBm
(2)消光比对接收信号误码率的影响
对ExtinctionRatio进行扫描，扫描范围为20dB到40dB，扫描精度1dB，即每间隔1dB运行一次仿真。得到误码率随消光比变化的曲线图(如图2)：
横坐标为消光比(单位dB)，纵坐标为误码率。有曲线可得，误码率随着消光比增加而逐渐减小。
(3)消光比对接收机灵敏度的影响
更改消光比的大小，在不同的消光比下，可得到相应的可探测最小功率的大小。消光比和可探测最小功率的对应关系如下表所示：
由数据变化规律可得，消光比越高，特定误码率(1.0e-9)下接收机所要求的输入功率越低，因此接收机灵敏度越高。
3.3相对强度噪声对接收机灵敏度的影响
(1)参数设置
设置消光比恒定为40dB，接收机受散粒噪声和热噪声的影响，接收机线性通道低通滤波器的为贝塞尔滤波器，带宽为0.75*BitRateDefault。
Attenuator的损耗设置为19.2dB，使误码率的大小位于合适的范围内(1e-9附近)。此时输入到接收机的信号功率为：-21.2dBm。
(2)RIN对接收信号误码率的影响
对RIN进行扫描，扫描范围：-140dB/Hz到-120dB/Hz，扫描精度为-0.1dB/Hz。 得到误码率随RIN变化的曲线：(如图3)
横坐标为RIN(单位dB/Hz)，纵坐标为误码率。在-135dB/Hz到-125dB/Hz范围内，误码率随着相对强度噪声的增大而增加。
(3)RIN对接收机灵敏度的影响
更改RIN的大小，在不同的RIN值下，通过Optimization得到相应的灵敏度的大小，RIN和可探测最小功率的对应关系如下表所示：
由数据变化规律可得，相对强度噪声越大，特定误码率(1.0e-9)下接收机所要求的输入功率越高，因此接收机灵敏度越低。
3.4热噪声和散粒噪声对灵敏度的影响
(1)参数设置
关键参数设置如下：
即不考虑发射机的相对强度噪声和驱动电压时钟抖动，消光比恒定为40dB，接收机受热噪声的影响，接收机线性通道低通滤波器的为贝塞尔滤波器，带宽为0.75*BitRateDefault。接收机是否受散粒噪声的影响不再设置为Player Parameter。
Attenuator的损耗设置为19.7dB，使误码率的大小位于合适的范围内(1e-9附近)。此时输入到接收机的信号功率为：-23.0dBm
将仿真系统稍作更改，更改后的系统图如图4。
其中接收机Rx_OOK_BER_A受散粒噪声的影响，Rx_OOK_BER_B不受散粒噪声的影响。两个接收机得到的误码率值都将在NumericalAnalyzer2D中显示。
(2)热噪声和散粒噪声对误码率的影响
对ThermalNoise进行扫描，扫描范围10.0e-12A/Hz^(1/2)到11.0e-12A/Hz^(1/2)，扫描精度0.02e-12 A/Hz^(1/2)。得到误码率随ThermalNoise变化的曲线为：(如图5)
图6
横坐标为热噪声的值(单位A/Hz^(1/2))，纵坐标为误码率。红色曲线代表有散粒噪声时，误码率随热噪声变化的曲线，绿色曲线代表有散粒噪声时，误码率随热噪声变化的曲线。两条曲线都表明，随着热噪声的增加，误码率将逐渐增大。
(3)热噪声和散粒噪声对接收机灵敏度的影响
散粒噪声：散粒效应噪声是Schottky于1918年研究此类噪声时，用子弹射入靶子时所产生的噪声命名的。因此，它又称为散弹噪声或颗粒噪声。在电化学研究中，当电流流过被测体系时，如果被测体系的局部平衡仍没有被破坏，此时被测体系的散粒效应噪声可以忽略不计。
散粒噪声是由形成电流的载流子的分散性造成的，在大多数半导体器件中，它是主要的噪声来源。在低频和中频下，散粒噪声与频率无关(白噪声)，高频时，散粒噪声谱变得与频率有关。
散粒噪声有白噪声的特性，其电流均方值与电子电荷量q、总的直流电流Idc和带宽delt(f)成正比关系：I^2=2*q*Idc*delt(f)。
在有散粒噪声和没有散粒噪声两种条件下，更改热噪声的大小，在不同的热噪声值下，通过Optimization得到相应的可探测最小功率的大小，热噪声和可探测最小功率的对应关系如下表所示：
在excel绘制出在有散粒噪声和没有散粒噪声两种条件下，热噪声大小和可探测最小功率变化规律可得，热噪声越大，特定误码率(1.0e-9)下接收机所要求的输入功率越高，因此接收机灵敏度越低。
3.5驱动信号时钟抖动对灵敏度的影响
(1)参数设置
关键参数设置如下：
即不考虑发射机激光器的相对强度噪声，消光比恒定为40dB，接收机受散粒噪声和热噪声的影响，接收机线性通道低通滤波器的为贝塞尔滤波器，带宽为0.75*BitRateDefault。
Attenuator的损耗设置为19.7dB，使误码率的大小位于合适的范围内(1e-9附近)。此时输入到接收机的信号功率为：-23.0dBm
(2)时钟抖动对误码率的影响
对RJ_Amplitude_RMS扫描，扫描范围：0到0.06/BitRatedefault，扫描精度0.001/BitRateDefault。误码率随RJ_Amplitude_RMS变化的曲线图：(如图6)
横坐标为时钟抖动的均方根值(单位s)，纵坐标为误码率。误码率大小随着时钟抖动程度的增加而增大。
3.6优化选择线性通道中低通滤波器的线型与带宽
(1)参数设置
对仿真系统图稍作更改，修改后的系统图如下所示：(如图7)
接收端的四个接收机分别具有不同线型的低通滤波器，自上而下，四个接收机滤波器的类型分别为贝塞尔滤波器，高斯滤波器，切比雪夫Ⅱ型滤波器，巴特沃斯滤波器。滤波器还有其他几种类型，如切比雪夫Ⅰ型滤波器，椭圆滤波器，积分滤波器等，在本仿真中并不对其进行讨论，但使用本仿真的方法容易对不同类型的滤波器性能进行评估。
关键参数的设置如下：
即不考虑发射机的相对强度噪声和驱动电压时钟抖动，消光比恒定为40dB，接收机受散粒噪声和热噪声的影响。
Attenuator的损耗设置为20dB，使误码率的大小位于合适的范围内(1e-9附近)。此时输入到接收机的信号功率为：-23.29dBm。
(2)滤波器带宽对误码率的影响
对bandwidth进行扫描，扫描范围为0.49*BitRateDefault到0.66*BitRateDefault，扫描精度为0.01*BitRateDefault。
将四条曲线绘制可如下所示：(如图8)
图示曲线的横坐标均为滤波器带宽(单位Hz)，纵坐标均为误码率，不同颜色的曲线代表不同类型的滤波器的仿真结果，具体对应关系由图中示例说明。
从误码率随滤波器带宽变化曲线中可以看出贝塞尔滤波器在带宽扫描范围内均具有较小的误码率，其误码率最小值与巴特沃斯滤波器误码率最小值大小接近。因此选用贝塞尔滤波器作为接收机线性通道的低通滤波器。当滤波器带宽为0.54*BitRateDefault时，接收到信号的误码率最小，因此最佳低通滤波带宽应为0.54*BitRateDefault。
参考文献：
[1] 杨淑雯.光前放接受机的噪声与灵敏度：灵敏度影响因素分析与实验[M].深圳大学学报，1993，2.
[2] 杜永.啁啾色散对光接受机灵敏度的影响研究[M].兰州大学学报，2001，8.
