VPI中信号的表现形式

信号的表现形式

信号的表现形式定义了数据在仿真模块之间传递的形式，决定了模块所能处理的内容。

块模式和采样模式

VPI的模拟仿真中，相邻模块之间可以单向或双向传递数据，模块之间的数据交换频率通常取决于它们之间的物理时延。短时延意味着数据传递频繁，以便形成光学谐振。长时延意味着数据传递频率较低，数据以数据块的形式传递，每个数据块代表波形的一个时间窗口。

大多数系统仿真是通过在组件之间传递数据块来实现高效地执行，即表示时域或频域中信号的向量，这在VPItransmissionMaker系统中称为块模式。

块模式下，当系统模块的输入端有数据可用时，每个模块都会触发。仿真通常会从发射端到接收端依次进行，每次一个模块，如下图所示

另一种模式为采样模式，这种模式下数据一次传递一个样本。采样模式用于组件紧密耦合且皮秒级双向交互需着重考虑的场合中，例如在光子链路和多段激光器中。VPIcomponentMaker包含许多使用采样模式的示例。

块模式内的信号表示

块内数据控制着信号的表现形式，它可以包含以下形式的数据

采样信号，例如光场或电压/电流，以固定时间间隔进行采样。仿真带宽取决于采样率。
- 当各个信道（或信道组）分别由独立的采样信号表示时，就会产生多频带（MFB，Multiple Frequency Bands）。
- 当所有通道都由单个采样频带表示时，就会产生单频带（SFB，Single Frequency Bands），虽然通用但计算效率最低。
统计信号，在波长域中表示，例如信号中的光功率或噪声功率谱密度。
- 参数化信号（PS, Parameterized Signals）将信号通道表示为一组参数，最常见的情况是描述一个数据块的平均功率，此外还包括脉冲形状、色散、累计差分群时延、自相位调制、信号所经过的所有光纤总长度及时间抖动。
  
  畸变（D，Distortion）是一种用于表示寄生信号的特殊类型参数化信号。例如，此类信号可能是由于瑞利散射和布里渊散射产生的。畸变由与参数化信号相同的参数集来描述。
- 噪声箱（NB，Noise Bins）表示噪声频谱，由一个或多个噪声箱的直方图组成，每个区间由起始频率和终止频率定义，且包含其内部功率谱密度。

信号表示方式的选择取决于要模拟的效果，例如：

噪声箱与参数化信号相结合，非常适合用于对放大链路中的光信噪比和功率水平进行建模分析。
多频段MFB非常适合稀疏波分复用（CWDM）系统，在这种系统中低带宽信道之间由空的保护频带隔离开。
波分复用系统中进行四波混频的模拟时，需要单采样频带（SFB）

信号的表示形式

光源的输出数据类型有如下三种：

OutputDataType = Samples，仅用于采样模式，不能在WDM中使用。
OutputDataType = Blocks，用于块模式、SFB或者MFB。
OutputDataType = Parameterized，用于块模式、PS和NB。

光源的采样率和WDM的信道间隔决定了是使用SFB还是MFB。如果Tx的采样率大于WDM的信道间隔，WDM信道将合并为一个单一的采样频带(因为SFB之间产生了交叠)

MFB信号也可以通过Signal Conversion中的JoinBands模块强制转换为SFB信号

仿真带宽（Simulation Bandwidth）

在对非线性光纤进行建模时，各信道的光频可能会互相混合从而产生新的频率分量（四波混频）。这些新频率会超出原始WDM频谱范围，因此仿真带宽必须足够大以容纳这些新频率，否则这些新频率会绕回到频谱的另一端污染原始频谱。

在光纤前应用Resample模块可增加仿真带宽。

Signal Conversion中的Resample模块提供了四种重采样类型：

Absolute模式会创建一个具有给定采样率和中心频率的仿真带宽。
Adaptive模式会将采样率降低到足以提供指定动态范围的水平。
Relative模式会将采样率按指定系数进行更改。
同一文件夹下的LimitBandwidth模块可以设置重采样信号及噪声箱的带宽和中心频率

仿真带宽与仿真数据（仿真时间间隔/仿真数据点数量）的关系

以Resampling Options示例为例，详细分析Global设定中各个参数的物理意义及其间的关系：

BitRateDefault指默认比特速率B，是仿真最基本的参数。
TimeWindow指仿真时间窗口，也是时间数据的结束值（起始值为0）。当设定了默认比特速率（BitRateDefault）后，可以将两者相乘得到仿真的比特数；当设定了默认采样速率（SampleRateDefault）后，可以将两者相乘得到采样点数。但要注意，这个采样点数指的是SFB的采样点数，而非整个仿真带宽的总体采样点数。时间窗口设置为M/B，其中M指每个块信号（Block）中要模拟的位数。
GreatestPrimeFactorLimit指仿真的最大质因数限制，这决定了整个仿真带宽的总体采样点数和仿真引擎的FFT计算效率。为确保FFT的高效，采样数N的最大质因数GPF不应大于13，且当GPF=2时，FFT的速度最大，因此整个仿真带宽会根据GPF的值来确定总体采样点数N。如果MFB对应-535~535 GHz，TimeWindow=64/10e9 s此时奈奎斯特频率为535 GHz，采样频率为两倍奈奎斯特频率1070 GHz，对应采样点数N为TimeWindow*(1070 GHz)=6484。但GPF=2时，需要N为 $2^m$ ，能满足上述采样点数大于等于6484且最小整数 $m$ 的N为8192，因此整个仿真带宽的总体采样点数为8192。如果GPF=-1，则采样点数N可以为任意值，不需要进行修改。

设置总仿真带宽

设置总仿真带宽有两种方法：

安全的方法是将各频段合并，以确保多频段波束成为单频段波束，然后重新采样以设置总带宽。
将发射机的采样频率设置得足够高：
- 抽样频带互相重叠，确保复用时具有连续的频谱带宽；
- 总带宽允许信号不出现带绕转，这通常要求单通道采样率高达总WDM带宽的两倍。
这样处理会让“非物理”模块（用于仿真目的而非代表物理组件的模块）的使用减少，然而由于每个Tx都在处理大量带宽信息，计算工作量会变得更加庞大。

统计信号与采样信号

WDM系统仿真涉及大量信道以及一系列光放大器的仿真，详细地对每个信道及放大器产生的宽带噪声建模会让仿真效率低下。因此除了采样信号外，还能通过统计信号（参数化信号和噪声箱）来进行系统仿真。

噪声箱（Noise Bins）

宽带光噪声源（如光放大器）产生的噪声频谱范围远超表示WDM信道本身所需的范围，因此用统计特性表示宽带噪声比生成极高的采样噪声信号更有效。只要达到光电二极管的任何噪声在与信号混频之前都已转化为随机过程（可认为噪声是线性叠加在信号之上的），这种方法就是有效的。

VPItransmissionMaker光学系统中，样本频带光谱范围外产生的噪声始终由噪声箱表示。样本信号光谱范围外的噪声有两种处理方式：

作为随机字段添加到采样频段（与SFB内的NB合并），InBandNoiseBins=off；
添加到采样频段内的噪声箱中（与SFB内的NB分开），InBandNoiseBins=on;

注意：FiberNLS模型可选择将各频段内的噪声转换为采样信号，若要保留频带内的噪声频段，需默认（AddNoiseBinsToSignal=NO）此项。

参数化信号（Parameterized Signals）

如果大多数信道由参数化信号表示，只有少数信道由采样信号表示，就能大大提高仿真效率。这种方法被称为平均场方法（Mean Field Approach）。参数化信号用于饱和放大器增益并通过拉曼散射传输功率，不能用于计算接收波形。采样信号频带包含其中所有信道的相互作用，但不考虑来自参数化信道的四波混频（FWM）。这种近似是可以接受的，因为FWM只发生在频率相近的信道之间。

可以通过为参数化信号和采样信号分别设置单独的Tx阵列来建立混合采样和参数化信号的仿真过程，然后将这些阵列的OutputDataTypes设置为Blocks或Parameterized。

畸变（Distortions）

畸变是一种特殊的参数化信号。虽然参数化信号通常表示携带信息的有用信号，但畸变则表示导致有用信号质量下降的寄生信号。例如，UniversalFiber和DopedFiber模块会产生畸变信号，用以表示由于瑞利散射而散射的光功率。如果将参数化信号输入到激活了考虑瑞利散射的UniversalFiber模块中，输出信号将同时包含参数化信号和同频的瑞利畸变。

与参数化信号类似，畸变是由其频率、功率和斯托克斯矢量来表征。默认情况下，用以处理参数化信号和畸变的算法是相同的。例如，光学滤波器会同等衰减具有相同频率的参数化信号和畸变。然后，在某些情况下，算法有所不同，例如在UniversalFiber和DopedFiber模块中。该仿真软件支持在任何模块中单独为畸变应用特殊算法，与参数化信号的处理算法分开。

在可视化工具中，畸变会用比参数化信号箭头更小的箭头来表示。由于畸变导致的信号劣化可以通过计算信号/畸变功率比来大致估算，这些可以通过使用SignalAnalyzer来完成。

以下类型的畸变情况会被考虑在内：