第5章 光纖通信系統(tǒng)

1、14.1 IM-DD光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)4.2 衰減和色散隊中繼距離的影響衰減和色散隊中繼距離的影響4.3 噪聲及靈敏度分析噪聲及靈敏度分析24.1 IM-DD光纖通信系統(tǒng) 4.1.1 光纖通信中的線路碼型4.1.2 IM-DD光纖通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)34.1.1 光纖通信中的線路碼型 在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中所傳輸?shù)男盘柺菙?shù)字信號，而由交換機送來的電信號符合ITU-T所規(guī)定的脈沖編碼調(diào)制(PCM)通信系統(tǒng)中的接口碼速率和碼型 。 HDB3（三階高密度雙極性碼） CMI（反轉(zhuǎn)碼） PCM系統(tǒng)中的這些碼型并不都適于在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中傳輸 44.1.1 光纖通信中的線路碼型 在PDH光纖通信系統(tǒng)中是通

2、過重新編碼，通常稱為線路編碼，即在原有的碼流中插入脈沖。 在PDH光纖通信系統(tǒng)中，常使用的線路編碼有分組碼、偽雙極性碼(CMI和DMI)和插入碼。 使用不同的 線路編碼，光端機的輸出信號速率不同。因此在PDH系統(tǒng)中僅具有標準的電接口，而無標準的光接口。 但在SDH系統(tǒng)中，SDH信號速率與其線路速率是相同的。54.1.2 IM-DD光纖通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1光發(fā)射機2光接收機3光纖通信系統(tǒng)61光發(fā)射機(1) 光源的調(diào)制特性 光源所采用的調(diào)制方式包括內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制（也稱為直接調(diào)制或間接調(diào)制）。 在IM-DD光纖通信系統(tǒng)中，采用的是內(nèi)調(diào)制。 通常內(nèi)調(diào)制適用于半導(dǎo)體光源。 據(jù)調(diào)制信號的性質(zhì)不同，內(nèi)調(diào)制又可分

3、為模擬信號的調(diào)制和數(shù)字信號的調(diào)制。 71光發(fā)射機 圖4-1 半導(dǎo)體光源的直接調(diào)制原理 81光發(fā)射機 圖4-2 光數(shù)字發(fā)射機原理圖 91光發(fā)射機(2) 對光發(fā)射機的要求 光源的發(fā)光波長要合適 合適的輸出光功率 較好的消光比 調(diào)制特性好此外還希望光發(fā)射機的穩(wěn)定性好，光源的壽命長等。101光發(fā)射機(3) 光發(fā)射機的組成方框圖和各部分功能 均衡放大 碼型變換 復(fù)用 復(fù)用是指利用一個大的傳輸信道來同時傳送多個低容量的信息以及開銷信息的過程。 111光發(fā)射機(3) 光發(fā)射機的組成方框圖和各部分功能 擾碼 為了保證所提取時鐘的頻率以及相位與光發(fā)射機中的時鐘信號一致，必須避免所傳信號碼流中出現(xiàn)長“0”或長“1

4、”的現(xiàn)象。 解決這一問題的方法就是擾碼，即在發(fā)送端加入一個擾碼電路，而在接收端則要加一個與擾碼相反的解擾電路，以恢經(jīng)過擾碼后的數(shù)字信號通過調(diào)制電路對光源進行調(diào)制，讓光源發(fā)出的光信號強度跟隨信號 碼流的變化，形成相應(yīng)的光脈沖送入光纖。復(fù)信號碼流原來的狀態(tài)。 時鐘121光發(fā)射機(3) 光發(fā)射機的組成方框圖和各部分功能 調(diào)制(驅(qū)動) 經(jīng)過擾碼后的數(shù)字信號通過調(diào)制電路對光源進行調(diào)制，讓光源發(fā)出的光信號強度跟隨信號碼流的變化，形成相應(yīng)的光脈沖送入光纖。 131光發(fā)射機(3) 光發(fā)射機的組成方框圖和各部分功能 自動功率控制 由于老化等因素的影響，使得光發(fā)射機的光源在使用一段時間之后，出現(xiàn)輸出光功率降低的現(xiàn)

5、象。 為了保持光源輸出功率的穩(wěn)定，在光發(fā)射機中常使用自動功率控制(APC)電路。 141光發(fā)射機 圖4-5 激光器老化使輸出光功率降低 151光發(fā)射機 圖4-6 激光器溫度變化引起輸出功率的變化 161光發(fā)射機(3) 光發(fā)射機的組成方框圖和各部分功能 自動溫度控制 特性曲線對環(huán)境溫度的變化反映很靈敏，使輸出光功率的大小隨溫度出現(xiàn)變化。 在環(huán)境溫度發(fā)生變化時，為了能使激光器的輸出特性保持穩(wěn)定，在發(fā)射機盤上需安裝自動溫度控制(ATC)電路。171光發(fā)射機 圖4-8 環(huán)境溫度變化引起輸出光功率的變化 181光發(fā)射機 圖4-9 自動溫度控制電路方框圖 192光接收機(3) 光發(fā)射機的組成方框圖和各部分

6、功能 其他保護、監(jiān)測電路 LD保護電路 無光告警電路 202光接收機 圖4-10 數(shù)字光纖通信接收光端機方框圖 212光接收機 光電檢測器 光電檢測器的作用是將由發(fā)送光端機經(jīng)光纖傳過來的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，即具有?電轉(zhuǎn)換功能。 目前廣泛使用的光電檢波管是PIN管和雪崩光電二極管，前者稱為半導(dǎo)體光電二極管后者又稱為APD管。后者具有信號放大的作用。 222光接收機 前置放大器 由于這個放大器與光電檢測器緊緊相連，故稱前置放大器。 對多數(shù)放大器的前級提出特別的要求是非常必要的，它應(yīng)具有低噪聲、高增益的特性，這樣才能得到較大的信噪比。 由于跨阻型前置放大器不僅具有寬頻帶、低噪聲的優(yōu)點，而且其動態(tài)范

7、圍也比高阻型前置放大器改善很多，因此在光纖通信中得到廣泛的使用。 232光接收機 放大器 主放大器的作用有下述兩個方面。 將前置放大器輸出的信號放大到判決電路所需要的信號電平。 它還是一個增益可調(diào)節(jié)的放大器。 一般主放大器的峰峰值輸出是幾伏數(shù)量級。242光接收機 均衡器 拖尾現(xiàn)象 采用均衡器來使經(jīng)過其后的波形，在本碼判決時刻，其瞬時值應(yīng)為最大值；而這個本碼波形的拖尾在鄰碼判決時刻的瞬時值應(yīng)為零。 這樣，即使經(jīng)過均衡后的輸出波形仍有拖尾，但是這個拖尾在鄰碼判決的這個關(guān)鍵時刻為零，從而不干擾對鄰碼的判決。252光接收機 圖4-13 未經(jīng)均衡出現(xiàn)的脈沖拖尾現(xiàn)象 262光接收機 圖4-14 單個脈沖均

8、衡前后波形的比較 272光接收機 判決器和時鐘恢復(fù)電路 判決器由判決電路和碼形成電路構(gòu)成。 判決器和時鐘恢復(fù)電路合起來構(gòu)成脈沖再生電路。 脈沖再生電路的作用是將均衡器輸出的信號恢復(fù)成理想的數(shù)字信號 282光接收機 圖4-15 信號再生示意圖 292光接收機 圖4-16 時鐘恢復(fù)電路方框圖 302光接收機 圖4-17 時鐘恢復(fù)電路波形圖 312光接收機 圖4-18 NRZ碼的功率譜密度分布圖 322光接收機 圖4-19 RZ碼功率譜密度分布圖 332光接收機 圖4-20 一種非線性處理電路 342光接收機 圖4-21 非線性處理電路中的波形圖 352光接收機 判決器和時鐘恢復(fù)電路 調(diào)諧放大它的作

9、用是用非線性處理后的波形來激勵調(diào)諧放大器，然后在它的諧振回路中選出時鐘頻率fb的簡諧波，經(jīng)調(diào)諧放大后的波形如圖4-17(d)所示。 限幅經(jīng)過限幅，可將上述簡諧信號波形變?yōu)槿鐖D4-17(e)所示的波形。 整形、移相整形電路將經(jīng)限幅后的波形變?yōu)榫匦蚊}沖；移相網(wǎng)絡(luò)再將此矩形脈沖串的相位調(diào)整到最佳判決時所需要的相位，最后得到如圖4-17(f)所示的時鐘信號。362光接收機 光接收機的動態(tài)范圍和自動增益控制 光接收機的動態(tài)范圍D是在保證系統(tǒng)的誤碼率指標要求下，光接收機的最低輸入光功率(用dBm來描述)和最大允許輸入光功率(用dBm描述)之差，其單位為dB。 它表示光接收機正常工作時，光信號應(yīng)有一個范圍，

10、這個范圍就是光接收機的動態(tài)范圍。 minmax3min3maxlg1010lg1010lg10PPPPD372光接收機 光接收機的動態(tài)范圍和自動增益控制 光接收機的自動增益控制(AGC)就是用反饋環(huán)路來控制主放大器的增益，在采用雪崩管的光接收機中還通過控制雪崩管的高壓來控制雪崩管的雪崩增益。 382光接收機 圖4-23 自動增益控制工作原理方框圖 392光接收機 解擾、解復(fù)用和碼型變換電路 在光發(fā)射機中首先進行碼型變換。 在光發(fā)射機中對數(shù)字碼流進行擾碼處理。 還需將判決器輸出的信號進行解擾碼和碼型變換處理以恢復(fù)原碼流。 發(fā)送端根據(jù)所輸入信號的性質(zhì)不同，將會采用不同的復(fù)用方式以提高信道的利用率，

11、因而接收端則需進行相反的操作，即解復(fù)用。402光接收機 輔助電路 輔助電路包括箝位電路、溫度補償電路和告警電路等。 413光纖通信系統(tǒng) 圖4-25 IM-DD光纖通信系統(tǒng)原理框圖 423光纖通信系統(tǒng)(1) 光中繼器 光脈沖信號從光發(fā)射機輸出經(jīng)光纖傳輸若干距離以后，由于光纖損耗和色散的影響，將使光脈沖信號的幅度受到衰減，波形出現(xiàn)失真，這樣就限制了光脈沖信號在光纖中做長距離的傳輸。 433光纖通信系統(tǒng) 圖4-26 最簡單的光中繼器原理方框圖 443光纖通信系統(tǒng) 圖4-27 實用的中繼器方框圖 453光纖通信系統(tǒng)(2) 監(jiān)控系統(tǒng) 監(jiān)控系統(tǒng)為監(jiān)視、監(jiān)測和控制系統(tǒng)的簡稱。 在光纖通信的監(jiān)控系統(tǒng)中，通常采

12、用的是集中監(jiān)控方式。 監(jiān)控內(nèi)容 監(jiān)控的內(nèi)容分別包括監(jiān)視和控制兩部分。 監(jiān)控信號的傳輸 在數(shù)字通信系統(tǒng)中采用時分復(fù)用的方式來完成監(jiān)控信號的傳輸，但不同的傳輸體制，其監(jiān)控信號的傳輸方式有所區(qū)別。 464.2 衰減和色散對中繼距離的影響4.2.1 衰減和色散對中繼距離的影響4.2.2 10Gbit/s及10Gbit/s以上的SDH光線路4.2.3 使用光放大器的SDH高速線路474.2.1 衰減和色散對中繼距離的影響1衰減對中繼距離的影響2色散對中繼距離的影響3最大中繼距離的計算481衰減對中繼距離的影響 一個中繼段上的傳輸衰減包括兩部分，其一是光纖本身的固有衰減，再者就是光纖的連接損耗和微彎帶來的

13、附加損耗。 構(gòu)成光纖損耗的原因很復(fù)雜，歸結(jié)起來主要包括兩大類：吸收損耗和散射損耗。 引起光纖損耗的因素還有光纖彎曲和微彎產(chǎn)生的損耗以及纖芯與包層中的損耗等等。 492色散對中繼距離的影響 光纖自身存在色散，即材料色散、波導(dǎo)色散和模式色散。 對于單模光纖，因為僅存在一個傳輸模，故單模光纖只包括材料色散和波導(dǎo)色散。 除此之外，還存在著與光纖色散有關(guān)的種種因素，其中比較重要的有三類：碼間干擾、模分配噪聲和啁啾聲。 502色散對中繼距離的影響 (1) 碼間干擾對中繼距離的影響 系統(tǒng)的傳輸速率越高，光纖的色散系數(shù)越大，光源譜寬越寬。 512色散對中繼距離的影響 (2) 模分配噪聲對中繼距離的影響 激光器

14、的光譜特性 模分配噪聲的產(chǎn)生及影響522色散對中繼距離的影響 圖4-28 普通激光器的靜態(tài)和動態(tài)譜線 532色散對中繼距離的影響 圖4-29 高速調(diào)制時多縱模的隨機起伏 542色散對中繼距離的影響(3) 啁啾聲對中繼距離的影響 對于處于直接強度調(diào)制狀態(tài)下的單縱模激光器，其載流子密度的變化隨注入電流的變化而變化。這樣使有源區(qū)的折射率指數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致激光器諧振腔的光通路長度相應(yīng)變化，結(jié)果致使振蕩波長隨時間偏移，這就是頻率啁啾現(xiàn)象。 因為這種時間偏移是隨機的，因而當受上述影響的光脈沖經(jīng)過光纖后，在光纖色散的作用下，可以使光脈沖波形發(fā)生展寬，因此接收取樣點所接收的信號中就會存在隨機成分，這就是一

15、種噪聲啁啾聲。 553最大中繼距離的計算 中繼距離是光纖通信系統(tǒng)設(shè)計的一項主要任務(wù)。 在中繼距離的設(shè)計中應(yīng)考慮衰減和色散這兩個限制因素。 563最大中繼距離的計算 (1) 衰減受限系統(tǒng) 在衰減受限系統(tǒng)中，中繼距離越長，則光纖通信系統(tǒng)的成本越低，獲得的技術(shù)經(jīng)濟效益越高。 極限值設(shè)計法 574.2.2 10Gbit/s及10Gbit/s以上的SDH光線路1光源頻率啁啾影響 2光纖的色散特性影響 3極化模色散的影響 4系統(tǒng)功率預(yù)算限制 581光源頻率啁啾影響 為了能夠直觀地度量其影響，因此引入啁啾系數(shù)a來評估光源的頻率啁啾影響。 啁啾系數(shù)的定義如下： dtdPPdtda21592光纖的色散特性影響

16、通常將接收機靈敏度下降1dB光纖長度稱為色散受限距離。 通常在采用單縱模激光器的光纖通信系統(tǒng)中，影響接收靈敏度的因素有兩個，其一是傳輸信號的速率（即信號的信息帶寬），其二是頻率啁啾。 603極化模色散的影響 理論上單模光纖中只傳輸一個基模，但實際上在單模光纖中的基模存在兩個模式，即橫向電場沿y方向極化和沿x方向極化的的兩個模式，它們的極化方向相互垂直，這兩種模式分別為LP01x和LP01y 。 但在實際光纖中，由于光纖形狀、折射率以及應(yīng)力等分布的不均勻，兩種模式的縱向速度不同，從而導(dǎo)致相移不同，在時間上表現(xiàn)為不同極化態(tài)之間的群時延不同，使脈沖波形出現(xiàn)展寬現(xiàn)象。 614系統(tǒng)功率預(yù)算限制 系統(tǒng)功率

17、預(yù)算是指光纖通信系統(tǒng)中光源輸出功率與接收靈敏度之差。 為了避免光纖工作于非線性狀態(tài)，通常，光源輸出光功率不得超過3dBm。 另外，信號經(jīng)信道傳輸時或多或少都會受到信道噪聲的影響。 為了解決傳輸距離較短的問題，人們在光纖通信系統(tǒng)中采用摻餌光纖放大器（EDFA）。 624.2.3 使用光放大器的SDH高速線路1使用EDFA的光纖通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點 2EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用 3無電再生的最大中繼距離 4EDFA在級聯(lián)中可能出現(xiàn)的問題及解決方法 631使用EDFA的光纖通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點（1） 可擴展中繼距離。（2） 具有透明性。（3） 可作中繼器使用，節(jié)約成本。（4） 可擴大用戶數(shù)。642E

18、DFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用 EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的主要作用是延長中繼距離，當它與波分復(fù)用技術(shù)、光孤子技術(shù)相結(jié)合時，可實現(xiàn)超大容量、超長距離的傳輸。 （1） 作為前置放大器（2） 作為功率放大器（3） 作光中繼器使用652EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用 圖4-30 EDFA的應(yīng)用 663無電再生的最大中繼距離 在使用光放大器的光纖通信系統(tǒng)中同樣要考慮衰減和色散的影響。 衰減受限光纖通信系統(tǒng)的中繼距離可以表示為cfsfEPFCCRCTRT/MLAAMPNGAAAPPLa674EDFA在級聯(lián)中可能出現(xiàn)的問題及解決方法（1） 噪聲積累影響（2） 光纖的非線性限制（3） 增益均衡684EDFA在級

19、聯(lián)中可能出現(xiàn)的問題及解決方法 圖4-31 EDFA增益不平坦性對多級級聯(lián)的影響 694.3 噪聲及靈敏度分析 4.3.1 IM-DD光纖通信系統(tǒng)噪聲及靈敏度 4.3.2 EDFA的級聯(lián)系統(tǒng)704.3.1 IM-DD光纖通信系統(tǒng)噪聲及靈敏度1接收機噪聲2接收靈敏度711接收機噪聲（1） 散粒噪聲和熱噪聲 散粒噪聲是指圍繞一個平均統(tǒng)計值做隨機起伏波動的、由光電檢測器件自身產(chǎn)生的一種噪聲。 熱噪聲是由于電子在光電檢測器的負載電阻RL上做隨機運動，而產(chǎn)生的電流隨機起伏的現(xiàn)象，使所傳輸?shù)男盘柛郊由狭艘环N噪聲，這種附加噪聲就是熱噪聲。721接收機噪聲（2） 光接收機的SNR PIN只對所接收的信號進行光電

20、轉(zhuǎn)換，而無放大功能。 而APD除具有光電轉(zhuǎn)換功能外，還具有信號放大功能，即其平均輸出功率為IP=RGPin，其中R為響應(yīng)度。 SNR隨Pin線性增大，而且與量子效率、接收機的帶寬f以及光子能量hf有關(guān)。 最佳平均雪崩增益（Gmax） 732接收靈敏度 接收靈敏度是指在滿足給定誤碼率（BER=110-10）條件下，光接收機能夠接收到的最小平均光功率。 接收靈敏度是與系統(tǒng)誤碼性能有關(guān)的物理量。742接收靈敏度（1） 誤碼率 誤碼率是指這兩種情況下的誤碼概率可用下式給出： 010122)2/exp()2(21)0/1 ()0() 1/0() 1 (IIQQQQerfcBERPPPPBER75 圖4-33 比特誤碼率和Q參數(shù)的關(guān)系 762接收靈敏度（2）Q與接收靈敏度之間的關(guān)系 )G()(2TA_T2/12T2sQfFqRQPPGRQ774.3.2 EDFA的級聯(lián)系統(tǒng) 1級聯(lián)光放大器系統(tǒng)的信噪比 2級聯(lián)光放大器系統(tǒng)的接收靈敏度 781級聯(lián)光放大器系統(tǒng)的信噪比 （1） 自發(fā)輻射噪聲 基中自發(fā)輻射的光子中的一部分疊加在放