數(shù)字電視光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計

1、 數(shù)字電視光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 電子與信息工程學(xué)院信息與通信工程系目錄數(shù)字電視光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計1摘要11光纖通信概述22系統(tǒng)組成22.1 光端機3光發(fā)射機3光源3光接收機4光接收機的性能指標(biāo)43光纖的選型54設(shè)計方案及關(guān)鍵技術(shù)55實現(xiàn)方式6數(shù)字電視光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計摘要光纖通信是近 30 年迅猛發(fā)展起來的高新技術(shù)，從一開始就顯示出無以倫比的優(yōu)越性，引起人們的極大興趣和關(guān)注并得到了迅速的發(fā)展。自 70 年代以來，光纖通信技術(shù)不僅在電信等民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且因其獨特的頻帶極寬、通信容量大、衰減小等優(yōu)點，使得光纖通信技術(shù)至今已發(fā)展為舉世矚目的、獨立的新興產(chǎn)

2、業(yè)，給通信技術(shù)乃至國民經(jīng)濟、國防事業(yè)和人民生活帶來了巨大的變革。目前在高速公路、交通、電子警察、監(jiān)控、安防、工業(yè)自動化、電力、海關(guān)、水利、銀行等領(lǐng)域視頻圖像、音頻、數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)、電話等數(shù)字光纖通信系統(tǒng)開始普遍大量應(yīng)用。用光纖取代電纜，利用光纖頻帶寬、損耗低和抗干擾能力強的突出特點，不但可以使系統(tǒng)的安裝和接線變得簡單，更使得可靠性和安全性得到了保障。在目前的光纖通信系統(tǒng)中，設(shè)計者普遍是用其他生產(chǎn)廠家的光發(fā)送端機和光接收端機以及光纜來組成系統(tǒng)。這就需要設(shè)計者在設(shè)計系統(tǒng)時要考慮市面上的光端機的性能，設(shè)計出來的系統(tǒng)要符合光端機的各項指標(biāo)，而各種光端機的指標(biāo)也都是固定的，這使得在系統(tǒng)中所傳輸?shù)男盘栆灿辛?/p>

3、局限性；而且光端機所用到的是專用的集成芯片，造價也比較高。這些都限制了光纖通信的應(yīng)用。1光纖通信概述光纖通信是利用光作為信息載體、以光纖作為傳輸媒質(zhì)的通信方式。光纖通信是在信源端需要將電信號轉(zhuǎn)化為光信號，通過光纖傳輸?shù)叫潘薅?，再將光信號轉(zhuǎn)化為原始的電信號的一個過程。實現(xiàn)光纖通信除了需要將傳統(tǒng)多樣的電信號轉(zhuǎn)換為光信號的裝置，還需要有傳輸光信號的介質(zhì)以及將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。所以在光纖通信中有三個主要的技術(shù)問題:便于應(yīng)用且性能優(yōu)良的光源；能長距離傳輸光信號的傳輸介質(zhì)；靈敏地接收光信號并能把光信號轉(zhuǎn)化為電信號的光檢測器。光源是光纖傳輸系統(tǒng)的心臟部件，它的功能是實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換，其性能的好壞對整個傳

4、輸系統(tǒng)的質(zhì)量有舉足輕重的作用。隨著半導(dǎo)體光器件制造工藝的不斷成熟，半導(dǎo)體光源在光纖通信中得以廣泛的應(yīng)用。常用的半導(dǎo)體光源有發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光器(LD)。 LD 發(fā)出的是激光，亮度高、方向性強、相干性好，工作速度快，適合于傳輸容量大，傳輸速率高的光纖通信系統(tǒng)。而 LED 發(fā)出的是自然光，光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但是成本較 LD 低，平均工作壽命較長，性能穩(wěn)定，而且制造工藝簡單。因此這種器件適用于中短距離、傳輸容量較小的系統(tǒng)。目前信息仍然最終還是要以電的形式表現(xiàn)出來的，所以光纖通信仍然需要由電光轉(zhuǎn)換到光電轉(zhuǎn)換的過程，在發(fā)送端完成電光轉(zhuǎn)換，在接收端實現(xiàn)電信號的還原。實現(xiàn)

5、電信號還原由半導(dǎo)體光電二極管來完成。他們利用半導(dǎo)體物理吸收光子后形成電子一空穴對把光功率轉(zhuǎn)化為電流。目前廣泛使用的光電轉(zhuǎn)換器件主要有兩種類型:PIN 光電二極管(PIN-PD)和雪崩光電二極管兩種(APD)。一個完整的光通信系統(tǒng)，除光纖、光源和光檢測器外，還需要許多其它光器件，特別是無源器件。這些器件對光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴展或性能的提高，都是不可缺少的。2系統(tǒng)組成一個光纖通信系統(tǒng)的光傳輸部分，包括最基本的組成部件:光收發(fā)端機、光纖線路、編解碼電路和數(shù)據(jù)傳輸控制電路。這幾部分是光纖通信系統(tǒng)的核心部分，其性能的好壞直接影響到光纖通信的質(zhì)量。2.1 光端機光端機包括光發(fā)射機和光接收機，是光纖

6、傳輸系統(tǒng)的重要部件。數(shù)字光發(fā)射機的功能是把電端機輸出的數(shù)字基帶電脈沖信號轉(zhuǎn)換為光脈沖信號，并用耦合技術(shù)有效注入光纖線路。系統(tǒng)中，用承載信息的數(shù)字電信號對光源進行調(diào)制來實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換的，受調(diào)制的光源特性參數(shù)有功率、幅度、頻率和相位。在該系統(tǒng)中采用直接光強調(diào)制，技術(shù)簡單、易行。數(shù)字光接收機的功能是以最小的附加噪聲及失真把經(jīng)光纖傳輸后幅度被衰減、波形被展寬的微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并放大處理，恢復(fù)為原發(fā)射的數(shù)字序列。因此光接收機的輸出特性綜合反映了整個光纖通信部分的性能。2.1.1光發(fā)射機線路編碼驅(qū)動電路光源溫度控制功率控制保護電數(shù)字信號光信號輸出圖2-1 數(shù)字光發(fā)射機組成在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，光發(fā)射

7、機的方框圖如圖2-1所示，主要由光源和電路兩部分組成，而電路部分又分為調(diào)制電路、控制電路和線路編碼電路。光源是實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，在很大程度上決定著光發(fā)射機的性能，電路部分的設(shè)計應(yīng)以光源為依據(jù)。調(diào)制電路使輸出光信號準(zhǔn)確反映輸入電信號，線路編碼電路使輸出的光信號適合于光信道傳輸，同時控制電路能夠保證光源可靠穩(wěn)定地工作。2.1.2光源在光纖通信系統(tǒng)中，作為產(chǎn)生光信號的光源，應(yīng)滿足以下要求: 1)體積小，與光纖之間有較高的耦合效率。2)發(fā)射的光波波長應(yīng)位于光纖的三個低損耗窗口，即 0.85um, 1.31um 和1.55um 波段。3)可以進行光強度調(diào)制。4)可靠性高，要求它工作壽命長、工作穩(wěn)定

8、性好，具有較高的功率穩(wěn)定性、波長穩(wěn)定性和光譜穩(wěn)定性。 5)發(fā)射的光功率足夠高，以便可以傳輸較遠的距離。6)溫度穩(wěn)定性好。2.1.3光接收機光發(fā)送機輸出的光信號，在光纖中傳輸時不僅幅度會受到衰減，而且脈沖的波形也會被展寬。光接收機的任務(wù)就是以最小的附加噪聲及失真恢復(fù)出由光纖傳輸、光載波所攜帶的信息，因此光接收機的輸出特性綜合反映了整個光纖通信系統(tǒng)的性能。光檢測器前置放大器主放大器濾波器判決電路時鐘恢復(fù)電路自動增益控制電路數(shù)字光信號圖2-2 數(shù)字光接收機組成光電檢測器是光接收機的第一個關(guān)鍵部件，其作用是把接收到的光信號轉(zhuǎn)化成電信號。目前，在光纖通信系統(tǒng)中廣泛使用的光電檢測器是 PIN 光電二極管和

9、雪崩光電二極管 APD。由于光檢測器產(chǎn)生的光電流非常微弱，必須先經(jīng)前置放大器進行低噪聲放大，光電檢測器和前置放大器合起來稱作接收機前端，其性能的優(yōu)劣是決定接收機靈敏度的主要因素。為此，前置放大器必須是低噪聲、寬頻帶的放大器。定時提取電路和判決再生電路，它們的功能是從放大器輸出的信號與噪聲混合的波形中提取碼元時鐘，并逐個地對碼元波形進行取樣判決，以得到與原發(fā)送端相似的碼流。光接收機的性能指標(biāo)1.接收靈敏度 接收靈敏度是數(shù)字光接收機最重要的指標(biāo)，它直接決定光纖通信系統(tǒng)中的中繼距離和通信質(zhì)量。數(shù)字光接收機靈敏度的定義如下：在指定誤碼率或信噪比時的最小接收信號光功率Pmin (m W),通常用dBm

10、表示Pr =10logPmin (dBm) (2-1)Pr越小，意味著數(shù)字光接收機接收微弱信號的能力就越強，靈敏度越高，此時當(dāng)發(fā)射機功率一定時，則保證通信質(zhì)量的中繼通信距離就越長。因此，提高數(shù)字光接收機的靈敏度，可以延長光纖通信的中繼距離和增加通信質(zhì)量。2.動態(tài)范圍 在實際的光纖通信系統(tǒng)中，由于中繼距離、光纖損耗、連接器及熔接頭損耗的不同，發(fā)送功率隨溫度的變化及老化等因素，接收光功率有一定的范圍。數(shù)字光接收機的動態(tài)范圍(DR)定義如下:在限定的誤碼率條件下，光接收機所能承受的最大平均接收光功率Pmax 和 Pmin 的比值，用dB表示。DR=10logPmaxPmin (2-2)動態(tài)范圍是光接

11、收機性能的另一個重要指標(biāo)，它表示光接收機接收光強的能力。寬的動態(tài)范圍對系統(tǒng)機構(gòu)來說更方便靈活，使同一個接收機可用于不同長度的中繼距離。3光纖的選型目前，光纖通信系統(tǒng)中所采用的光纖種類很多，光纖是用于約束并傳導(dǎo)光信號的一種介質(zhì)光波導(dǎo)。由于損耗低、帶寬容量大、重量輕、容易鋪設(shè)以及便于大批量制造等優(yōu)良性使其能成為通信中重要的傳輸介質(zhì)。光波在光纖中傳輸遵循全反射原理，光纖正是利用這種原理進行導(dǎo)光的。光纖根據(jù)光在介質(zhì)中的傳播模式不同分為單模光纖和多模光纖，單模光纖只能傳輸一種模式，多模光纖可以傳輸多種模式，單模光纖與多模光纖相比，帶寬極寬，適合于大容量、長距離的通信系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中用的就是單模光纖，這樣

12、，不僅保證傳輸信道有很寬的帶寬，而且，還有利于器件的兼容，因為現(xiàn)在光器件的發(fā)展趨勢就是單?；９饫w通信系統(tǒng)設(shè)計中最重要的問題是如何計算出傳輸距離，或如何確定中繼距離。中繼距離主要由以下四個因素決定:一是發(fā)送端進入光纖的平均光功率;二是在給定誤碼率要求下，接收機的靈敏度:三是光纖線路的總損耗:四是光纖線路的總帶寬。在此情況下，計算光纖中繼距離的公式為:L=Pi -P0-Me-AcAf-As-Mc(km) (2-3)4設(shè)計方案及關(guān)鍵技術(shù)長距離傳輸時，光纖色散和非線性效應(yīng)對系統(tǒng)指標(biāo)產(chǎn)生很大的劣化。光纖非線性效應(yīng)包括SBS（受激布里淵散射）和SPM（自相位調(diào)制）。SBS 主要發(fā)生在65km 以前的光路

13、上超過65km 以后，SBS 趨于穩(wěn)定，不再增加。但是，此時SPM 的影響逐漸顯現(xiàn)，在6580km 范圍SPM緩慢增加，超過80km 后SPM 明顯的增加，到達120km 這個臨界距離后，SPM 急劇增加，光發(fā)射機SBS 閾值越大，輸入光纖的光功率也相應(yīng)增加，使SPM 增加越快導(dǎo)致CSO 急劇劣化。在長距離1550nm 光傳輸系統(tǒng)中，要合理的預(yù)置光發(fā)射機的SBS 閾值，合理分配各級EDFA 的輸入功率。超長距離光纖可插入喇曼光放大器進行小信號放大，同時對光纖的色散合理地進行補償，這些技術(shù)措施對保證系統(tǒng)指標(biāo)是十分有效的。由于傳輸鏈路總長達500km，該方案采用光纖色散補償技術(shù)。光纖色散補償技術(shù)原理為：常規(guī)G.652 光纖在1550nm波長附近的色散為17ps/nm/km。在數(shù)字信號傳輸時，當(dāng)傳輸