光纖通信系統(tǒng)性能與設(shè)計(jì)

光纖通信系統(tǒng)性能與設(shè)計(jì)第一頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日光纖通信系統(tǒng)的分類根據(jù)所使用的光波長(zhǎng)、傳輸信號(hào)形式、傳輸光纖類型、信號(hào)的調(diào)制方式、光接收方式的不同，光纖通信系統(tǒng)可分成:分類方式類別特點(diǎn)按信號(hào)類型數(shù)字光纖通信抗干擾能力強(qiáng)，傳輸質(zhì)量好模擬光纖通信對(duì)系統(tǒng)要求高，適用于圖像傳輸按光波長(zhǎng)（通道）個(gè)數(shù)單波長(zhǎng)（通道）技術(shù)難度小，應(yīng)用成熟多波長(zhǎng)（WDM）傳輸容量大，距離遠(yuǎn)按調(diào)制方式直接強(qiáng)度調(diào)制IM技術(shù)成熟，成本低外調(diào)制高速傳輸，成本較高按接收方式直接檢測(cè)DD技術(shù)成熟，成本低，效率高相干調(diào)制CD靈敏度高，傳輸容量大，距離遠(yuǎn)按光纖特性多模光纖MMF采用850nm波長(zhǎng)，距離短單模光纖SMF采用1310/1550nm波長(zhǎng)，傳輸容量大，距離遠(yuǎn)§8.1光纖通信系統(tǒng)的概念第二頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日基本光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)光纖通信系統(tǒng)的主要組成部分：光發(fā)送部分：光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器光傳輸部分：光纖和光纖放大器（或中繼器）光接收部分：光電檢測(cè)（波）器光接收電端機(jī)信號(hào)入信號(hào)出光發(fā)送光傳輸功率放大器線路放大器前置放大器光源光調(diào)制器光檢測(cè)器電端機(jī)SMPI-SR基本光纖通信系統(tǒng)MPI-R點(diǎn)到點(diǎn)光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（單向傳輸）電端機(jī)：實(shí)現(xiàn)用戶信號(hào)和適合信道傳輸?shù)男盘?hào)之間的轉(zhuǎn)換。第三頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日基本光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)光發(fā)送部分光源是發(fā)送部分的關(guān)鍵器件，光纖通信系統(tǒng)要求光源有一定的輸出光功率，譜線寬度小、工作穩(wěn)定可靠、壽命長(zhǎng)。半導(dǎo)體注入式激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)

在短波段(800~900nm)，常使用鎵鋁砷(GaAlAs)LD和LED

在長(zhǎng)波段(1000~1600nm)，常用銦鎵砷磷(InGaAsP)LED解調(diào)技術(shù)：直接強(qiáng)度調(diào)制/間接調(diào)制直接調(diào)制(IM)的設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、容易實(shí)現(xiàn)間接調(diào)制速度高，調(diào)制對(duì)光源的工作不產(chǎn)生影響，但設(shè)備較為復(fù)雜。驅(qū)動(dòng)電路

耦合器調(diào)制器光源電信號(hào)輸入光信號(hào)輸出第四頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日基本光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)光傳輸部分光纖傳輸特性主要包括損耗、色散和非線性三個(gè)方面。光纖通信系統(tǒng)對(duì)光纖傳輸特性總的要求是有盡可能低的損耗和盡可能小的色散光放大器：將接收到的微弱光比特流信號(hào)直接放大而不需將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，克服了光纖的損耗對(duì)系統(tǒng)性能的影響。（色散和非線性特性）光-電-光中繼：實(shí)際上是一個(gè)接收機(jī)一個(gè)發(fā)送機(jī)對(duì)，它將檢測(cè)到的微弱變形光信號(hào)，變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)放大整形后變成規(guī)則的電比特流，再調(diào)制光發(fā)送機(jī)，恢復(fù)原光比特流繼續(xù)沿光纖傳輸。（電子瓶頸）第五頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日基本光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)光接收部分光電檢波器要求有高的響應(yīng)度、低噪聲和快的響應(yīng)速度。PIN光電二極管和雪崩光電二極管APD

短波長(zhǎng)段：Si-APD

長(zhǎng)波長(zhǎng)段：Ge-APD；InGaAsP-APD；PIN接收方式：直接檢波方式/外差檢測(cè)（波）方式直接檢波(DD)的設(shè)備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，是當(dāng)前實(shí)用光纖通信系統(tǒng)普遍采用的接收方式。外差檢測(cè)（波）方式(CD)能大幅度提高光接收機(jī)的靈敏度，但設(shè)備比較復(fù)雜，對(duì)光源的頻率穩(wěn)定度和光譜寬度要求很高。

解調(diào)器光電檢測(cè)器耦合器光信號(hào)輸入電信號(hào)輸出第六頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日光纖傳輸特性對(duì)系統(tǒng)的影響損耗由于損耗效應(yīng)，使信號(hào)光強(qiáng)度大大減弱，低于接收探測(cè)器的靈敏度后系統(tǒng)不能正常工作?？梢酝ㄟ^(guò)光放大技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償色散信號(hào)能量中的各種分量由于在光纖中傳輸速度不同，而引起的信號(hào)畸變。對(duì)于高速率的系統(tǒng)（10Gb/s及以上）要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸，必須采用色散補(bǔ)償技術(shù)。色散補(bǔ)償光纖(DCF)補(bǔ)償法、啁啾光纖光柵(DCG)補(bǔ)償法。非線性效應(yīng)FWM、XPM只有多信道系統(tǒng)才能產(chǎn)生SBS、SPM在單信道、多信道系統(tǒng)中都會(huì)存在。第七頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日§8.2數(shù)字光纖通信系統(tǒng)性能及測(cè)試主要性能指標(biāo)誤碼性能平均誤碼率BER：在某一規(guī)定的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)（如24小時(shí)）發(fā)生差錯(cuò)的比特?cái)?shù)和傳輸比特總數(shù)之比。誤碼秒；嚴(yán)重誤碼秒BER劣于10-3的秒數(shù)嚴(yán)重誤碼秒（SES）BER0的秒數(shù)誤碼秒（ES）定義誤碼率參數(shù)對(duì)SDH系統(tǒng)，誤碼性能是以塊為單位進(jìn)行度量的：誤塊秒比(ESR)、嚴(yán)重誤塊秒比(SESR)和背景誤塊秒比(BBER)第八頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日§8.2數(shù)字光纖通信系統(tǒng)性能及測(cè)試定時(shí)性能：抖動(dòng)與漂移抖動(dòng)：數(shù)字脈沖信號(hào)的特定時(shí)刻（如最佳判決時(shí)刻）相對(duì)于其理想時(shí)間位置的短期的，非積累性的偏離。（前后變化的頻率大于10Hz）抖動(dòng)使信號(hào)發(fā)生失真，系統(tǒng)的誤碼率上升以及產(chǎn)生或丟失比特導(dǎo)致幀失步等抖動(dòng)的單位為UI，即偏差和碼元周期之比數(shù)字信號(hào)的抖動(dòng)漂移：數(shù)字脈沖的特定時(shí)刻相對(duì)于其理想時(shí)間位置的長(zhǎng)時(shí)間偏移。（前后變化的頻率低于10Hz）第九頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日系統(tǒng)傳輸性能指標(biāo)的測(cè)試數(shù)字光纖通信系統(tǒng)測(cè)試儀表－誤碼分析儀、SDH分析儀誤碼分析儀由三大部分組成：發(fā)碼發(fā)生器、誤碼檢測(cè)器和指示器。SDH分析儀不僅能測(cè)試PDH/SDH設(shè)備的全部誤碼性能和抖動(dòng)性能，而且能分析和檢測(cè)SDH設(shè)備的幀結(jié)構(gòu)和映射復(fù)用結(jié)構(gòu)第十頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日SDH誤碼率和接收靈敏度測(cè)試光接收機(jī)靈敏度測(cè)試步驟：按照?qǐng)D接好儀表和光纖；調(diào)節(jié)光衰減器，逐步增大衰減值，使SDH分析儀測(cè)到的誤碼盡量接近但不能大于規(guī)定的BER（如10-10）；斷開R點(diǎn)，接上光功率計(jì)，得到光功率Pmin由公式Pr=10lg(Pmin/1mW)（dBm）計(jì)算得到接收靈敏度SDH光接收機(jī)靈敏度測(cè)試框圖第十一頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日SDH誤碼率和接收靈敏度測(cè)試光接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試步驟：按照?qǐng)D接好儀表和光纖；調(diào)節(jié)光衰減器，逐步增大衰減值，使SDH分析儀測(cè)到的誤碼盡量接近但不能大于規(guī)定的BER（如10-10）；斷開R點(diǎn)，接上光功率計(jì)，得到光功率Pmin逐漸減小光衰減器的衰減量，直至誤碼儀指示的誤碼率為某一要求值，此時(shí)接收的光功率為最大輸入功率Pmax。由公式D=10lg(Pmin/Pmax)(dB)計(jì)算得到接收靈敏度第十二頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日SDH抖動(dòng)性能的測(cè)試測(cè)試步驟：如圖接好測(cè)試系統(tǒng)，但先不將低頻信號(hào)發(fā)生器連接到發(fā)送器上，開關(guān)K1置1，K2置2，由誤碼儀發(fā)送偽隨機(jī)碼。調(diào)節(jié)可變光衰減器的衰減量，使光接收機(jī)接收的光功率恰好在無(wú)誤碼的基礎(chǔ)上增加1dB；將低頻信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的低頻信號(hào)加于誤碼儀的發(fā)送端，調(diào)制偽隨機(jī)碼，造成光端機(jī)輸入信號(hào)的抖動(dòng)，逐漸加大低頻信號(hào)幅度，直至發(fā)生誤碼為止；將開關(guān)K1置3，測(cè)出此時(shí)的抖動(dòng)值，即為此頻率下的輸入抖動(dòng)容限；改變低頻測(cè)試信號(hào)的頻率，重復(fù)上述過(guò)程，逐頻點(diǎn)測(cè)量，最后畫出輸入抖動(dòng)于頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。SDH抖動(dòng)測(cè)試框圖第十三頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日WDM誤碼率的測(cè)試測(cè)試步驟：按圖連接好測(cè)試系統(tǒng)，首先從SDH分析儀發(fā)送的光信號(hào)經(jīng)過(guò)衰減器后接入發(fā)端OTU單元，使發(fā)端波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換板接收的功率適中，對(duì)端站收端OTU單板加衰減做一個(gè)環(huán)回，接入反向同一路發(fā)端OTU，在本端站收端OTU進(jìn)行接收，接收下來(lái)的信號(hào)接入SDH分析儀；啟動(dòng)SDH測(cè)試儀，設(shè)置測(cè)試時(shí)間為24小時(shí)，根據(jù)接入信號(hào)的速率，設(shè)置SDH測(cè)試儀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行24小時(shí)誤碼測(cè)試。WDM誤碼率測(cè)試框圖第十四頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日WDM網(wǎng)絡(luò)接口抖動(dòng)容限測(cè)試抖動(dòng)容限：施加在輸入STM-N信號(hào)上能使光設(shè)備產(chǎn)生1dB光功率代價(jià)的正弦抖動(dòng)峰-峰值。測(cè)試步驟：按圖連接好測(cè)試配置，選擇適當(dāng)?shù)墓馑p器，使SDH測(cè)試儀和OTU接收光功率適當(dāng)；根據(jù)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換板接入速率，設(shè)置SDH為OTU的對(duì)應(yīng)速率，并選擇抖動(dòng)容限測(cè)試項(xiàng)；設(shè)置相應(yīng)的測(cè)試頻率點(diǎn)和最大抖動(dòng)值，設(shè)置為相應(yīng)速率的模板；啟動(dòng)測(cè)試，觀察測(cè)試結(jié)構(gòu)是否滿足模板的要求。第十五頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日§8.3單通道數(shù)字光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)PCM端機(jī)，輸入/輸出接口基本組成部分：光發(fā)送/接收端機(jī)，光纖線路，光中繼器IM-DD系統(tǒng)的組成原理圖第十六頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日PCM端機(jī)和輸入/輸出接口PCM端機(jī)在輸入側(cè)，PCM端機(jī)的把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（A/D變換），PCM編碼，把多路復(fù)接，合路，從而輸出高比特的數(shù)字信號(hào)。在輸出側(cè)，PCM端機(jī)將光信號(hào)變換為電信號(hào)，放大、再生，恢復(fù)出原來(lái)傳輸?shù)男盘?hào)并輸出用戶端。輸入/輸出接口實(shí)現(xiàn)光發(fā)送/接收端機(jī)與PCM端機(jī)之間碼型、電平和阻抗的匹配PCM編碼抽樣過(guò)程就是以一定的抽樣頻率f或時(shí)間間隔T對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行取樣，把原信號(hào)的瞬時(shí)值變成一系列等距離的不連續(xù)脈沖。量化過(guò)程就是用一種標(biāo)準(zhǔn)幅度量出抽樣脈沖的幅度值，并用四舍五入的方法把它分配到有限個(gè)不同的幅度電平上編碼過(guò)程就是用一組組合方式不同的二進(jìn)制脈沖代替量化信號(hào)。第十七頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日模擬信號(hào)367512抽樣量化編碼0246011110111101001010（3）（6）（7）（5）（1）（2）TPCM編碼過(guò)程例如，電話、語(yǔ)音信號(hào)的最高速率為4kHz，取抽樣頻率為f=8kHz，抽樣周期T=125μs每個(gè)量化信號(hào)用8個(gè)比特二進(jìn)制代碼替代。(一個(gè)PCM語(yǔ)音信號(hào)的速率為8×8=64kbit/s)單極性二進(jìn)制碼HDB3碼，CMI碼非歸零碼(NRZ)或歸零碼(RZ)第十八頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)中的光端機(jī)有電接口和光接口。電接口是和PCM電端機(jī)相連的，因此其電接口碼型應(yīng)該和PCM電端機(jī)的接口碼型相同。電接口碼型即電纜線路型為CMI和HDB3碼等雙極性碼。(PCM設(shè)備機(jī)器內(nèi)部碼型為NRZ碼)光接口是光端機(jī)和光纜線路相連的。光接口碼型即光纖線路碼型為單極性的。光接口碼型常分為3類：擾碼二進(jìn)制、分組碼和插入碼。線路碼型第十九頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日線路碼型定義：指適宜在線路中傳輸而有別于機(jī)器內(nèi)部的碼型。線路編碼的作用：將傳送碼流轉(zhuǎn)化成便于在光纖中傳輸、接收及監(jiān)控的線路碼型。光纖通信線路碼型的設(shè)計(jì)方法：把原來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)碼率稍微提高一些，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)木幋a以適應(yīng)數(shù)字光纖通信的要求。由于碼率有所提高，就利用這些提高的碼率來(lái)平衡碼流，誤碼檢測(cè)、公務(wù)聯(lián)絡(luò)等。線路確定后就要通過(guò)編譯碼電路來(lái)加以實(shí)現(xiàn)，即在發(fā)送端要把機(jī)器內(nèi)部碼型變換為光纖線路碼型，此過(guò)程由光端機(jī)中的輸入接口電路完成，接收端把收到的光纖線路碼型反變換為機(jī)器內(nèi)部碼型，此過(guò)程由光端機(jī)中的輸出接口電路來(lái)完成。線路碼型第二十頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日在PDH通信時(shí)代，線路碼型可以說(shuō)是種類繁多、五花八門，但歸根結(jié)底可以分為三大類，當(dāng)然每一類碼型中又可分為許多種。這三大類就是：擾碼二進(jìn)制、分組碼和插入畢特碼。在SDH通信中，由于具有豐富的開銷字節(jié)使一些實(shí)用化問(wèn)題得到解決，一般都采用擾碼二進(jìn)制來(lái)作為光線路碼，例如STM-4和STM-16中，都采用七級(jí)擾碼將輸入的二進(jìn)制NRZ碼進(jìn)行擾碼后作為光線路碼輸出。線路碼型第二十一頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日SDH(STM-4)光同步傳輸設(shè)備技術(shù)指標(biāo)線路碼型1、STM-4光接口?比特率622.080Mbit/s?碼型NRZ(+擾碼)?工作波長(zhǎng)1310nm/1550nm2、STM-1光接口?比特率155.520Mbit/s?碼型NRZ(+擾碼)?工作波長(zhǎng)1310nm/1550nm3、STM-1電接口?比特率155.520Mbit/s?碼型CMI,75Ω非平衡式接口4、PDH四次群接口?比特率139.246Mbit/s?碼型CMI,75Ω非平衡式接口5、PDH基群接口?比特率2.048Mbit/s?碼型HDB3,75Ω非平衡式接口或120平衡式接口第二十二頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日PDH傳輸設(shè)備(二次群光端機(jī))技術(shù)指標(biāo)線路碼型1、線路傳輸?線路碼型：1B1H(…………..)?線路傳輸速率：16.896Mb/s?主信道傳輸容量：2Mb/s×4等效120路數(shù)字話路?光波長(zhǎng)：1310nm、1550nm（或單纖雙向）?平均發(fā)送光功率：FPLaser，-8～15dBm?光接收靈敏度：≤-34dBm?光接收動(dòng)態(tài)范圍：≥20dB?光接口采用PC/FC尾纖連接2、2Mb/s數(shù)字接口?碼型：HDB3?速率：2048Kb/s±50ppm?阻抗：75Ω、不平衡第二十三頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日系統(tǒng)基本組成部分光發(fā)送端機(jī)光源、驅(qū)動(dòng)器、調(diào)制器和功率放大器光接收端機(jī)光檢測(cè)器、前置放大、整形放大、定時(shí)恢復(fù)、判決再生電路器光纖線路光中繼器(OOO)方式，(OEO)方式第二十四頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體考慮點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖通信系統(tǒng)基本要求達(dá)到預(yù)期的傳輸距離；滿足光纖傳輸容量；滿足系統(tǒng)的傳輸性能要求；系統(tǒng)的安全性、可靠性；價(jià)格、經(jīng)濟(jì)因素；還應(yīng)該考慮到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、規(guī)模、容量能否滿足未來(lái)若干年發(fā)展的趨勢(shì)，即可持續(xù)性第二十五頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日系統(tǒng)設(shè)計(jì)具體考慮的因素系統(tǒng)的制式、速率PDH，SDH；STM-1～STM-256，WDM＋SDH光纖選型G.652光纖、G.653光纖、G.654光纖光源的選擇主要考慮信號(hào)的色散、碼速、傳輸距離和成本等參數(shù)LD、LED光檢測(cè)器的選擇根據(jù)系統(tǒng)的碼速及傳輸距離PIN、APD工作波長(zhǎng)的選擇根據(jù)通信距離和容量850nm、1300nm、1550nm中繼段距離確定損耗受限；色散受限第二十六頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日單通道系統(tǒng)中繼距離設(shè)計(jì)損耗受限系統(tǒng)：最大中繼距離受光纖損耗的限制色散受限系統(tǒng)：最大中繼距離受到光纖傳輸色散的限中繼距離受光纖線路損耗和色散(帶寬)的限制，明顯隨傳輸速率的增加而減小。中繼距離的設(shè)計(jì)有三種方法最壞情況法(參數(shù)完全已知)

統(tǒng)計(jì)法(所有參數(shù)都是統(tǒng)計(jì)定義)

半統(tǒng)計(jì)法(只有某些參數(shù)是統(tǒng)計(jì)定義)采用最壞情況設(shè)計(jì)法，用這種方法得到的結(jié)果，設(shè)計(jì)的可靠性為100%，但要犧牲可能達(dá)到的最大長(zhǎng)度。第二十七頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日損耗受限系統(tǒng)損耗受限系統(tǒng)：光纖通信的中繼距離受諸傳輸損耗參數(shù)的限制，如光發(fā)送機(jī)的平均發(fā)光功率、光纜的損耗系數(shù)、光接收機(jī)靈敏度等。功率預(yù)算：使光纖通信系統(tǒng)在整個(gè)壽命期間，確保有足夠的光功率到達(dá)光接收機(jī)，以保證系統(tǒng)有穩(wěn)定可靠的性能。Pt-Pr=AT+M+PP接收靈敏度平均發(fā)射功率線路總損耗系統(tǒng)富余量系統(tǒng)富余量：元器件老化溫度變化設(shè)計(jì)時(shí)通常取6dB光通道功率代價(jià)光通道功率代價(jià)：總色散代價(jià)ITU-T規(guī)定取1dB以下第二十八頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日AT=2AC+L(+s)線路總損耗包括：光纖損耗(dB/km)傳輸距離:傳輸距離(km)損耗受限系統(tǒng)連接器損耗（2×0.5dB)每公里熔接損耗(0.025dB/km)第二十九頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日例題：某140Mbit/s光纖通信系統(tǒng)的參數(shù)為：光發(fā)送機(jī)最大發(fā)光功率Pmax=-2dBm光接收機(jī)靈敏度Pr=-43dBm光纖損耗系數(shù)=0.4dB/km系統(tǒng)富余度M=6dB活接頭損耗AC=0.5dB每公里接續(xù)損耗s=0.025dB/km無(wú)需中繼器，所能傳輸?shù)淖铋L(zhǎng)距離？（不考慮色散代價(jià)）因碼率較低，可以不考慮光通道功率代價(jià)如果采用NRZ碼調(diào)制，則光發(fā)送機(jī)平均發(fā)送光功率Pr應(yīng)該是最大發(fā)光功率的一半損耗受限系統(tǒng)第三十頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日

解答：比特率為140Mbit/s

最大允許鏈路損耗=Pt-Pr=-5–(-43)=38dB

光纖損耗