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微波光子学在过去的三十年间取得了诸如超宽带信号的生成、光纤射频的分布和传输、可编程MWP滤波器和光子增强雷达系统等多项具有里程碑意义的成就。

并为通信和网络技术的发展带来了新的机遇，被认为是解决通信系统和物联网技术带宽瓶颈的重要途径。

关键技术介绍

激光抽运系统指为激光工作物质提供必要的能量从而为光放大创造条件的装置根据工作物质和激光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装置。

激光工作物质可以被认为是由具有质子和中子的原子组成，这些原子的原子核被离散轨道中的电子围绕。

当原子吸收或释放外部能量时，这些电子会在不同的能级之间跃迁，这种电子和能量光子之间的相互作用主要有三种:受激吸收、自发辐射和受激辐射。

受激吸收:一般来说，处于低能级(B)基态的电子不能自发地跃迁到高能级，只有当它们受到外界激发吸收了能量为两个能级能量差。

自发辐射:激发态是电子的非稳定状态，因此电子只能在激发态停留很短的时间,这段时间被称为激发态电子的寿命，约为10e~s。

(E)激发态衰变到低能级(E)基态，同时辐射出两个与入射光子能量、频率、这三种相互作用总是同时存在的，入射光子被基态电子吸收的机会，与通过和激发态电子相互作用形成受激辐射的机会具有相同的概率。

因此为了促进激光的形成，需要通过激励源来提供必要的能量人为地创造对电子进入激发态更有利的条件，使大名数电子处于激发态，形成粒子数反转。

这是因为此时激光器内部的电子大多处于基态，输出光功率主要来自电子的自发辐射。

发生这种变化的主要原因是此时激光器大多数电子都处于激发态，形成了粒子数反转局面，激光器的输出光功率主要来自电子的受激辐射。

当注入电流超过饱和电流I,后，不难发现激光器斜率效率明显降低，说明输出光功率的提升速率放缓。

这是因为此时激光器内部的绝大多数电子都处于激发态，持续提高注入电流不能明显增加激发态电子的数量，激光器趋于饱和。

模型与算法

本系统在器件的建模过程中主要用到了Box-Muller变换法来生成高斯随机数，实现对白噪声光源和PIN光电探测器等器件的建模。

基于周期图法对信号的功率谱密度进行估值以实现对电谱分析仪和光谱分析仪等测量器件的建模:利用散射矩阵分析法实现了对硅基环形耦合器的建模。

在本系统中主要用于生成高斯白噪声，以对白噪声光源和PIN光电探测器等需要使用高斯白噪声的器件进行建模。

由于Box-Muller变换法是基于服从均匀分布的随机数的变换方法，因此需要先介绍能够生成服从均匀分布随机数的线性同余法。

为了验证本系统所建电谱分析仪模块的准确性，同样将在下文给出在参数设置大体相同的情况下与VPI的性能对比图，其测试链路。

其中上图为VPI的测试链路，下图为本系统的测试链路，两条链路使用基本相同的仿真器件和参数设置所用器件均为:随机序列产生器(PRBS)、不归零码型产生器(NRZ)和电谱分析仪(ESA)。

关键参数设置为:PRBS比特率为10Gbit/s，PRBS概率为0.5，NRZ比特率为10Gbit/s，NRZ高电平为a.u，低电平为0a.u，在上述参数设置下二者的电谱图。

其中左图为VPI内置电谱分析仪产生的电谱图，右图为本系统所建电谱分析仪产生的电谱图，由于各个器件所使用的模型都不尽相同。

二者图像难免存在一定的差异，但不难发现它们的总体趋势和特征大体相同，故能够证明本文采用周期图法对功率谱密度进行估计的正确性。

最简单的通信系统由发射机、信道和接收机组成，对于光通信系统来说，信道主要是指光纤信道，发射器产生的光信号被发送到光纤并经过光纤传输后，光纤会对输出光脉冲造成损耗、色散和非线性等影响。

因此，光纤信道建模是一个旨在从理论上描述和说明这一过程的研究方向。基于该模型，我们可以分析或模拟光脉冲在光纤中的传输过程。

无线通信系统主要由发射器和接收器组成，在实际过程中信号的传输路径并不平坦，可能会因为传输介质或路径的变化导致接收信号功率的衰减，这种现象被称为衰落。

大尺度衰落表示由大面积运动引起的平均信号功率衰减或路径损耗，主要受发射机和接收机之间的地形影响，并且在很长的距离内信号功率会稳步下降。大尺度衰落主要包括路径损耗和阴影衰落。

信号幅值的统计规律一般用概率密度函数来表示，它用来描述某一时刻信号某特定幅值的概率大小。瑞利衰落模型的时域图和一阶统计特性的幅值概率密度分布、相角概率密度分布。

从时域图中可以看到信号幅值波动较大，存在显著的衰落现象。从统计特性图中可以看到，幅值概率密度分布函数符合瑞利分布，相角概率密度分布函数符合均匀分布，符合上文推导的特性。

微波光子仿真系统设计实现与测试

本节首先阐述了系统的设计目标，并以设计目标为起点，以架构体系图、流程图.

UML类图和函数功能表等多种方式详细阐述了系统的具体设计实现过程。

本系统的首要目标是为国内高校、科研机构和企业的微波光子学相关从业人员提供一个能够对微波光子实验进行模拟仿真的系统。

并且用户在对某些长耗时的实验链路仿真时能够通过该系统的云仿真功能提升系统的仿真运行速率，节约时间成本。

系统内置足量的器件模块，尽可能满足用户所有微波光子实验的仿真需求并且提供作为仿真软件需要具备的常见功能，比如文件、编辑、视图等功能，尽可能同步用户能在真实实验场景下的所有操作。

系统提供云仿真功能，对于某些特殊链路，比如测量器件较多的链路、使用了光合束器的链路等，用户能够利用云仿真功能提升系统的仿真运行效率，节约时间成本。

系统拥有用户友好的交互界面，使用户能够更加方便高效的操作本系统。系统具有高度可拓展性，可以在后续的开发中不断为本系统添加新的功能。

本分布式微波光子仿真系统主要包括文件功能、剪贴板功能、编辑功能、仿真控制功能、视图功能以及云仿真功能，其总体设计架构划分为的三个层次。

应用展示层、逻辑控制层和数据存储层。应用展示层主要提供DI界面和顶层应用逻辑控制层负责各个功能的逻辑实现和交互控制，数据存储层依靠Json、txt等文件格式为系统提供链路模型持久化方案，使用Redis作为云服务器保存数据结果的后台。

接下来对各个分区的功能进行简要介绍。仿真区:主要用于用户自定义微波光子系统链路仿真实验模型。

模块库区:主要给用户提供用于微波光子系统链路仿真实验模型搭建的器件模块。参数设置区:主要用于设置微波光子系统链路仿真实验模型的仿真参数。

菜单栏:提供了文件功能、剪贴板功能、编辑功能、仿真功能、视图功能和云仿真功能的快捷按钮。

在使用软件的云仿真功能时，这四大功能区的交互如流程图。程序启动后，系统会先将四大功能区加载到主界面。

然后用户需要在仿真区新建文件或打开已有文件，之后用户就可以把模块库区中需要用到的器件拖入到仿真区已打开的文件中，设置仿真实验全局参数和各个仿真器件的参数。

逐步完成对微波光子链路实验仿真模型的搭建，与此同时如果用户需要使用云仿真功能的话可以开启软件的云仿真开关并选择相应的加速模式和工作节点。

点击软件的运行按钮后系统会把对各个模块的计算任务分配给已选工作节点供其消费，待所有任务被消费完毕后仿真运行完成，双击测量器件即可显示仿真实验模型结果。

模块库区主要存放系统提供的器件，通过双击各个模块库，可以从模块库中选取仿真模型器件，这些模块在模块库中有各自的仿真参数默认设定。

VNA模式主要适用于需要多次循环仿真的链路，以前文介绍的系统增益测量链路为例。

在该链路中，需要在所设频率范围内使用不同的频率多次循环对链路进行仿真，每次循环互相对立，因此可以使用多个工作节点同时计算从而实现提高仿真效率。

上述链路在不开启云仿真的情况下，软件的总耗时为1810.59秒，相同参数设置下的VPI耗时为483.69秒。

在开启了云仿真的VNA模式且选择了12个工作节点的情况下仿真运行时间缩短为358.02秒。

耗时约为普通仿真的五分之，并超越了该情境下VPI的仿真效率，性能肉眼可见的得到了大幅度的提升。

第二种加速模式为合束器模式，适用于存在合束器件的链路，合束器前的多路输入互相独立，因此可以利用多个工作节点同时进行计算实现仿真加速。

波分复用链路框图即分束器模式的测试用例原理图，多路LD发射的激光与微波源通过MZM将信号调制到光域中并经过复用器将各路光信号进行复用。

通过光纤和EDFA后再经由解复用器对复用后的光信号进行解复用，接着光信号经由不同中心波长的滤波器后分为两路。

一路经过光谱分析仪显示其光谱图，另一路经由PD转换成电信号最后在ESA上显示出图像。

在微波光子链路实际应用中，非线性和噪声对微波光子链路性能有着极其重要的影响，本文已于第二章介绍了微波光子链路的三个主要性能指标。

为此，本系统专门针对这些指标分别实现了矢量网络分析(VNA)功能、三阶交调分量测量功能以及无杂散动态范围分析功能，使系统具备对微波光子链路的损耗、噪声和非线性进行分析和测量的功能。

多测量模式适用于存在较多测量器件的链路，在精度较高的情境下部分测量器件耗时较高，因此可以使用多个工作节点同时计算达到提高仿真效率的目。