外調(diào)制光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、課 程 設(shè) 計(jì) 題目:外調(diào)制光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué) 院:信息科學(xué)與工程學(xué)院年級專業(yè):09級光電子 1班學(xué) 號:xxxxxxxx學(xué)生姓名:xxxxx指導(dǎo)教師:xxx一、設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì) 10Gpb 速率的外調(diào)制光纖鏈路,保證鏈路能正常通信,誤碼率 BER 小 于 10-12,對應(yīng)的品質(zhì)因數(shù) Q 大于 7二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)2 光纖傳輸距離 120km3 光發(fā)射機(jī)發(fā)射光功率范圍:10dBm 13dBm ,可取 10dBm4APD 光接收機(jī)靈敏度范圍:-25dBm -9dBm ,可取 -18dBm5 G.652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖,光纖的衰減系數(shù) =0.2dB/km,色散系數(shù) D=17ps/nm/km7 線路編碼為 N

2、RZ8 連接器損耗 =1dB/個(gè)二、設(shè)計(jì)要點(diǎn)鏈路采用外調(diào)制的模式,系統(tǒng)通過電信號(NRZ 碼控制光調(diào)制器產(chǎn)生光 信號。產(chǎn)生的光信號通過光纖傳輸至信號接收端,經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號, 完成鏈路的傳輸。衰減 :在實(shí)際工作中,光纖有一個(gè)衰減系數(shù),光信號會隨著傳輸而衰減。為 了使光信號傳輸?shù)教綔y器時(shí), 信號的功率在光電探測器的靈敏度范圍之內(nèi), 鏈路 設(shè)計(jì)放大模塊將信號放大。色散 :不同頻率的光波在光纖中傳播的速度不同, 頻率較小的光傳播速度快, 頻率較大的光傳播速度慢。 由于鏈路采用的光源激光器存在一定的帶寬, 因而光 信號在傳輸過程中會產(chǎn)生色散, 傳輸距離越長, 色散現(xiàn)象越嚴(yán)重。 針對色散問題,

3、鏈路設(shè)計(jì)了色散補(bǔ)償光纖來消除色散。因此, 設(shè)計(jì)鏈路所需要解決的主要問題是色散和衰減。 通過改變色散光纖的 長度和放大器的放大方法來消除傳輸中帶來的色散問題和衰減問題。 另外, 在設(shè) 計(jì)時(shí),系統(tǒng)的噪聲因素也應(yīng)考慮在內(nèi)。三、鏈路設(shè)計(jì)1. 根據(jù)要求設(shè)計(jì)鏈路通信鏈路由信號源、線路編碼器、光源、連接器、光纖、必要補(bǔ)償單元、連 接器、光接收機(jī)組成。設(shè)計(jì)時(shí),使用偽隨機(jī)碼發(fā)生器充當(dāng)信號源,用連續(xù)波激光 器和 M-Z 調(diào)制器組成外調(diào)制型光源,用 1dB 衰減器充當(dāng)連接器,使用不同參數(shù) 的光纖分別充當(dāng)傳輸光纖和色散補(bǔ)償光纖,使用 7dB 衰減器充當(dāng)系統(tǒng)衰減富余 量, 使用眼圖分析儀來觀察鏈路傳輸?shù)难蹐D、 分析鏈路

4、的誤碼率和品質(zhì)因數(shù)。 設(shè) 計(jì)鏈路,初始時(shí)不添加色散光纖(色散光纖長度為 0和增益,檢測系統(tǒng)的眼圖 和品質(zhì)因數(shù)。如下圖所示: 圖 1 鏈路連接圖和眼圖由眼圖可以看到,此時(shí)眼圖無規(guī)則形狀,誤碼率為 1,品質(zhì)因數(shù)為 0。要想 使鏈路能正常工作,必須添加色散補(bǔ)償模塊和功率放大模塊。本鏈路采用色散光纖來消除色散, 當(dāng)鏈路引入色散光纖時(shí), 光信號的傳輸距 離會加長, 信號衰減會增大, 色散光纖就成為了信號衰減的元素之一; 采用光放 大器增加信號功率,光放大器是獨(dú)立的器件,不會影響光的色散。所以,應(yīng)先消 除鏈路的色散,再設(shè)計(jì)功率的放大。2. 色散補(bǔ)償光在光纖中傳輸會產(chǎn)生色散,傳輸光纖中的色散系數(shù)為 17ps

5、/nm/km,為了 消除色散,鏈路增加了色散系數(shù)為 -100 ps/nm/km的色散補(bǔ)償光纖。根據(jù)色散補(bǔ) 償公式:D E L E +DC L C =0 可計(jì)算出需要的色散補(bǔ)償光纖長度為 20.4km 。為了調(diào) 試系統(tǒng)的色散補(bǔ)償,可以先將傳輸光纖和色散補(bǔ)償光纖的衰減因數(shù)設(shè)置為 0,即 不考慮光纖的衰減, 再選取不同長度的色散補(bǔ)償光纖進(jìn)行調(diào)試, 找出實(shí)際中最佳 的長度。色散光纖長度與Q值4圖 2 色散光纖長度對 Q 值的影響如圖 2所示, 為測試得到的色散光纖長度對品質(zhì)因數(shù)的影響。 由圖可見, 當(dāng) 色散光纖長度為 20.4km 時(shí), Q 值最高,此時(shí)鏈路的色散達(dá)到最小,并且此時(shí)的 色散補(bǔ)償光纖長度

6、與計(jì)算出的理論值相同,故我們可以將色散補(bǔ)償光纖設(shè)置為 20.4km ,來消除鏈路的色散。此時(shí)系統(tǒng)眼圖如下: 圖 3 色散補(bǔ)償后眼圖將圖 3與圖 1對比可以發(fā)現(xiàn), 鏈路經(jīng)過色散補(bǔ)償以后, 眼圖已經(jīng)出現(xiàn)規(guī)則的 形狀。但是眼圖“上眼皮”仍是比較雜亂,這主要是由于光在光纖傳輸過程無衰 減(前面設(shè)置的而造成噪聲的積累。當(dāng)給光纖加上衰減系數(shù)后,噪聲會得到衰 減,我們再適當(dāng)?shù)奶砑釉鲆?系統(tǒng)會將噪聲的影響減小,眼圖得到改善。3. 功率補(bǔ)償色散補(bǔ)償后,恢復(fù)光纖的衰減系數(shù),運(yùn)行該工程,得到如圖 4 所示眼圖:圖 4 光纖加入衰減后眼圖可以看到, 由于光在光纖傳輸?shù)乃p, 使得光信號功率在接收端低于光接收 機(jī)的靈敏

7、度,導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作,誤碼率為 1,品質(zhì)因數(shù)為 0,因此,鏈路 需要添加增益模塊來提高信號的功率。光放大有三種:前置放大、 功率放大和在線放大。 前置放大是在光接收機(jī)前 加一光放大器, 來增加信號的功率。 這種放大方式往往需要較大增益的放大器功 率, 并且放大出的信號噪聲較大。 功率放大是在光信號發(fā)送端加一光放大器, 通 過提高鏈路光信號初始功率來進(jìn)行傳輸。 這種方式初始功率較大, 損耗功率較大, 使得整個(gè)鏈路擁有較高的損耗。在線放大是在光信號傳輸中途對光信號進(jìn)行中 繼。 優(yōu)點(diǎn)是光功率在整個(gè)鏈路中分布相對比較均勻, 缺點(diǎn)是需要的中繼器比較多, 引入噪聲也較多。本鏈路的光源光功率為 10dBm ,無需功率放大,只需一個(gè)在線放大器在光 纖 60km 處中繼一次, 再用一個(gè)前置放大器在信號接收端放大光信號就可以得到 比較理想的結(jié)果。 將前置放大器和在線放大器的放大系數(shù)同時(shí)變化, 得到如下圖: 圖 5 放大器增益與品質(zhì)因數(shù)關(guān)系由圖 5 可以看出，放大器增益為 6-12 期間，Q 值會隨著放大倍數(shù)的增加而 增加。當(dāng)放大器增益為 9dB 時(shí)，取得的 Q 值為 6.64，再微調(diào)前置放大器的放大 增益，使得 Q 值大于 7。實(shí)驗(yàn)測得，當(dāng)前置放大器的放大倍數(shù)為 10dB 時(shí)，鏈路 的品質(zhì)因數(shù)