VPI/Matlab联合仿真学习记录

VPI/Matlab联合仿真学习记录——不断更新版

• 相干光通信和非相干光通信
• VPI与Matlab软件介绍
• VPI通信系统搭建
• • VPI TransmissionMaker 仿真基本器件
  • • 发射端
    • 传输链路
    • 接收端
    • VPI/Matlab协同仿真
    • MATLAB仿真程序调试说明
    • • 通信发射端
      • • 基带（或者中频信号）数字信号产生（理解波特率、采样率、载频的含义）
        • 调制（直接调制、外调制）、放大、光纤传输
        • 光外差拍频
        • 通信接收端
        • • 下变频至中频（相干接收或者包络检波的概念）
          • 相关的DSP处理流程及介绍
          • 发射端DSP基本流程
          • • 二进制数据产生、QAM映射、上采样、脉冲成型等概念
            • 接收端DSP基本流程
            • • 下变频至基带（频域，傅里叶变换），滤波，重采样（自行理解概念），正交归一化，时钟同步，CMA（恒模算法，理解作用），频偏估计，载波相位恢复（理解概念），DDLMS，同步（与发射端数据），误码计算等等

                相干光通信和非相干光通信

                1.“相干”，理解为“互相关联或牵涉”的意思；光的相干（coherence），是指两个光波在传输的过程中，同时满足以下3个条件：a.频率（波长）相同；b.振动方向相同；c.相位差恒定;两束光，在传输时，相互之间能产生稳定的干涉（interference），既可以是相长干涉（加强），也可以是相消干涉（抵消）。

                2.相干光通信之所以叫“相干光通信”，并不是取决于传输过程中用的光，而是取决于在发送端使用了相干调制，在接收端使用了相干技术进行检测；

                3.非相干光通信，是在传输过程中，使用很多的放大器，不断中继和放大信号。而相干光通信，直接在接收端，对微弱的到达信号进行混频放大。这就是相干光通信技术的本质；

                

                

                VPI与Matlab软件介绍

                VPI软件全称为VPI TransmissionMaker，用于实现光通信系统、光纤通信等系统的搭建及仿真模拟，以及性能分析等。它可以与Matlab或者Python实现联合仿真，其中VPI TransmissionMaker用于实现系统平台的搭建及信号传输，通过调用Matlab代码实现信号的处理等。

                对于VPI软件的使用，具体参考官方说明文档DEV-Guide、SIM-Guide和OpticalSystems。

                VPI通信系统搭建

                参考链接：VPI Transmission Maker超入门技巧

                VPI TransmissionMaker 仿真基本器件

                发射端

                传输链路

                接收端

                VPI/Matlab协同仿真

                在 VPItransmissionMaker 中与MATLAB进行协同仿真，使用协同仿真接口Cosimulation Interface

                ，具体位置：Module Library —>cosimulation，图片中红色圈出为该组件。

                

                该模块执行以下功能：

                1.将协同仿真星系和全局参数设置复制到目标环境中

                2.将通过连接的协同仿真输入模块（CoSimInputOpt、CoSimInputEl 等）接收到的仿真输入数据复制到目标环境中

                3.在目标环境中执行特定功能或指定命令

                4.从目标环境中复制输出数据并将其发送到连接的协同仿真输出模块（CoSimOutputOpt、CoSimOutputEl 等）的输出端口

                5.可让选择目标环境（matlab)、指定包含协同仿真代码的目录路径、指定可能需要的脚本或库文件的名称、指定逻辑信息在6.协同仿真中是否可用并命名在模拟的启动、运行和结束时要执行的函数

                Cosimulation Interface需要进行相应的设置后才能进行仿真：

                

                下面是对参数的一些解释：

                InterfaceType :协同仿真类型设置为：MATLAB

                Path: 此处提供的路径添加到 MATLAB 搜索路径中,将此参数设置为指向包含实现 MATLAB 协同仿真代码的 .m 文件的目录;可以将 MATLAB 脚本文件附加到协同仿真 galaxy 包并从 Inputs 包文件夹运行它们。但是，重要的是要确保当有多个源脚本时，所有不属于标准安装或安装在默认搜索路径上的脚本都包含在 Inputs 文件夹中。要使用附加的脚本，请将 Path 参数留空

                InitCommand： 将此参数设置为应在接口初始化时执行的MATLAB 命令。如果留空，则不会运行任何初始化命令

                RunCommand： 将此参数设置为在模拟运行期间每次触发模块时执行的MATLAB 命令

                WrapupCommand： 将此参数设置为要在接口关闭之前执行的MATLAB 命令

                ShareInterface： 如果此参数设置为ON，则一个设置中的所有协同仿真接口实例将共享同一个MATLAB 进程。因此只需要一个 MATLAB 许可证，但必须注意这些不同的接口不会相互干扰。如果设置为 OFF，每个协同仿真接口将使用自己的 MATLAB 引擎，这将需要与协同仿真接口一样多的许可证

                逻辑信息（LogicalInformation）： 将此参数设置为 “是”，以便在协同仿真期间访问逻辑通道。注意，全局参数LogicalInformation也应该是On或CurrentRun。

                从图中能看到，Cosimulation Interface组件有输入输出端口，因为协同仿真星系的每个输入或输出端口与 CoSimInterface 模块之间需要一个数据接口模块：

                数据接口模块的作用是定义端口的具体类型（例如光信号、电信号、浮点等）,提供以下数据接口模块：

                1.浮点数和矩阵(CoSimInputFlt, CoSimOutputFlt,CoSimInputMxFlt, CoSimOutputMxFlt)

                2.复数和矩阵(CoSimInputCx, CoSimOutputCx, CoSimInputMxCx,CoSimOutputMxCx)

                3.电样本和块信号(CoSimInputEl and CoSimOutputEl) • Optical samples and block signals (CoSimInputOpt,CoSimInputOpt_N, CoSimOutputOpt and CoSimOutputOpt_N

                4.比特序列(CoSimInputBitSeq)

                MATLAB仿真程序调试说明

                凭借个人理解说明光通信系统的基本概念，用于日后回顾；

                通信发射端

                通信发射端用于实现电信号到光信号的电光调制，将Matlab生成的离线数字信号加载到光载波，同时实现上变频并发射。

                基带（或者中频信号）数字信号产生（理解波特率、采样率、载频的含义）

                波特率：表示单位时间内传送的码元符号数，单位为Baud(Bd),用于描述符号传输速率；

                采样率：表示单位时间内从连续时间提取为离散信号时的采样个数，单位为赫兹（Hz）,它是采样时间（相邻采样点的采样时间间隔）的倒数，需要满足采样定理（奈奎斯特采样）;

                载频：载波的频率或者载频是指特定频率的无线电波，如毫米波（频率为30-300GHz）、太赫兹波（频率为0.1T-10THz）,通过调制其幅度、频率或者相位实现信息的加载。

                调制（直接调制、外调制）、放大、光纤传输

                调制：一般来说，调制方式分为直接调制（内调制）和外调制。直接调制器是作用于激光器本身，也叫内调制，它是用电信号控制激光器内部驱动电流从而控制输出光源；外部调制是针对产生后的光信号进行调制（这需要铌酸锂晶体制作的外部调制器），感觉本质上就是一个在光源上（还没产生），外调制就是对产生出来的光源调控；

                放大：放大是指对光纤链路中的光信号进行放大，需要用到光放大器（如EDFA掺铒光纤放大器等）以提高信号发射功率，实现长距离传输，同时在接收端也需要进行放大用于补偿传输损耗，但补偿过程中会引入串扰；

                光纤传输：Optical fiber transmission，光纤传输需要以光导纤维为介质进行数据、信号传输，需要用到光纤（单模光纤、多模光纤以及各种其它类型的光纤）；

                光外差拍频

                首先理解什么是“拍频”，拍频就是两个相干光叠加，即频率（波长）、振动方向相同、相位差恒定的两束光，相互之间能产生稳定的干涉（interference），既可以是相长干涉（加强），也可以是相消干涉（抵消），一强一弱为一拍；单位时间内的变化次数就是拍频；

                通过外差拍频，将高频信号中的频率信息和位相信息转移到差频信号之中，使它们由难以测量变得容易测量，可以用来产生毫米波、太赫兹信号；

                通信接收端

                下变频至中频（相干接收或者包络检波的概念）

                检测方式：相干检测和非相干检测（直接检测）

                （1）相干检测

                相干探测是一种间接检测技术，利用光的相干特性，将本振光和载有被测信息的信号光在进入光探测器之前通过混频器进行光学混频，产生一个本振光和信号光的差频分量，然后通过探测两束相干光的光强信息，进而获得更大信噪比。

                相干探测在发送端，采用外调制方式将信号调制到光载波上进行传输。当信号光传输到达接收端时，首先与一本振光信号进行相干耦合，然后由平衡接收机进行探测。相干光通信根据本振光频率与信号光频率不等或相等，可分为外差检测和零差检测。前者光信号经光电转换后获得的是中频信号，还需二次解调才能被转换成基带信号。后者光信号经光电转换后被直接转换成基带信号，不用二次解调，但它要求本振光频率与信号光频率严格匹配，并且要求本振光与信号光的相位锁定。

                

                外差(Heterodyne)：信号光与本振光频率不同

                内差(Intradyne)：信号光与本振光频率近似 频差估计、相位估计

                零差(Homodyne)：信号光与本振光频率相同、相位锁定

                （2）非相干检测（ DD直接探测）

                通过PD光电探测器进行Square-Law detection 平方律检测，将接受到的光信号进行平方，转化为电流信号，检测生成的光电流强度，即幅度信息，但是丢失了相位等其他信息；

                包络检波应该是属于直接检测方式，但是它和平方律检测不同；平方律检波输出电压正比于输入功率，或者说正比于输入电压幅度的平方。包络检波输出电压正比于输入电压幅度，与输入功率不成正比。两者转移特性不同，用平方律检波器检出的包络是失真的

                相关的DSP处理流程及介绍

                

                发射端DSP基本流程

                二进制数据产生、QAM映射、上采样、脉冲成型等概念

                二进制数据产生由伪随机二进制序列（PRBS，Pseudo-Random Binary Sequence）；

                星座图代表的是星座空间，理解星座空间之前需了解码元映射，而码元映射需了解IQ调制，iq调制是基于信号的分解，需了解向量在坐标轴的表示方法，参考介绍：

                1.https://www.mobibrw.com/2018/12118

                2.https://blog.csdn.net/weixin_44586473/article/details/104066625

                3.IQ调制解调原理

                符号映射：符号映射就是将比特流数据按照一定规则映射至IQ坐标系上，形成星座图

                什么是QAM调制？

                IQ调制和QAM调制的区别？

                接收端DSP基本流程

                接收端信号处理算法

                1.数字下变频

                经过外差相干接收后太赫兹信号变为中频信号，需要变为基带信号后，才能适用于后续的数字信号处理算法

                原理: 利用数字域本振源产生同频信号与中频信号相乘，滤波器滤除高频分量

                2. IQ两路正交化和归一化

                实际系统中，受到噪声干扰破坏正交性，需要正交化处理：格拉姆-施密特算法

                利用功率归一化解决光电探测器响应和ADC转换精度问题，提高后续算法的补偿准确度

                3.时钟提取

                实际ADC时钟振荡器不理想造成接收端与发送端时钟存在频率和相位偏移，信道损伤也加大频率偏移和相位抖动

                时钟提取可以补偿发送和接收端时钟之间的误差：级联数字滤波的平方时钟恢复算法

                4.CMA/CMMA解偏振复用/信道盲均衡算法

                是否使用训练序列:盲均衡算法/基于训练序列的均衡算法

                5.频率偏移和相位偏移恢复算法

                本振光和发射端激光器之间频率难以恒定，会有频率偏移；激光器的线宽会带来相位偏移

                基于经典的维特比（Viterbi-Viterbi)算法的载波恢复算法—适用于横模调制的信号，如QPSK； 盲相位搜索算法（blind phase search,BPS)–高阶QAM

                6.判决引导最小均方LMS/DD-LMS算法

                最小均方（least mean square,LMS)算法属于使用训练序列的均衡算法：由最小均方误差准则确定代价函数及收敛方法;DD-LMS属于盲均衡算法

                下变频至基带（频域，傅里叶变换），滤波，重采样（自行理解概念），正交归一化，时钟同步，CMA（恒模算法，理解作用），频偏估计，载波相位恢复（理解概念），DDLMS，同步（与发射端数据），误码计算等等

                注意文件加载路径、数据长度匹配以及行向量与列向量问题