第8章數(shù)字傳輸系統(tǒng)1

第8章數(shù)字傳輸系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容點到點鏈路鏈路的功率預(yù)算、展寬時間預(yù)算、光纖鏈路的傳輸距離；線路編碼NRZ碼、RZ碼、分組碼；糾錯；噪聲對系統(tǒng)性能的影響；基本要求了解整個光纖通信系統(tǒng)的組成；系統(tǒng)的性能指標；能簡單進行光纖數(shù)字通信系統(tǒng)的總體設(shè)計。問題引出前面論述了光纖傳輸鏈路的各個模塊（傳輸介質(zhì)光纖、光源、光檢測器、接收機及其它的無源器件）的基本特性。這一章我們將研究將這些分立的器件如何組合在一起，形成一條完整的光纖傳輸鏈路。8.1點到點鏈路－－最簡單的傳輸鏈路，該鏈路一端為光發(fā)射機，另一端為接收機。光纖鏈路的設(shè)計涉及許多相互關(guān)聯(lián)的變量參數(shù)（光纖、光源、檢測器等）。性能和成本是光纖鏈路設(shè)計中很重要的制約因素。圖8.1單工點到點光纖鏈路在設(shè)計一個系統(tǒng)時必須考慮：預(yù)期的傳輸距離數(shù)據(jù)速率或信道帶寬誤碼率（BER）根據(jù)上述要求，選擇有關(guān)器件和相關(guān)特性參數(shù)（1)多?；騿文９饫w纖芯尺寸纖芯折射率剖面帶寬或色散損耗（2)數(shù)值孔徑或模場直徑LED或LD光源發(fā)射波長譜線寬度輸出功率有效輻射區(qū)發(fā)射方向圖發(fā)射模式數(shù)量（3)pin或雪崩光電檢測器響應(yīng)度工作波長速率靈敏度8.1.1系統(tǒng)設(shè)計為獲得預(yù)期系統(tǒng)性能，必須進行兩種分析：鏈路功率預(yù)算和系統(tǒng)展寬時間預(yù)算。

系統(tǒng)部件的選擇選擇部件之前，應(yīng)對將要設(shè)計的系統(tǒng)的情況和指標有所了解。如系統(tǒng)的比特率，誤碼率以及傳輸距離；對傳輸模擬信號的光纖通信系統(tǒng)，則應(yīng)了解其信號帶寬、信噪比和傳輸距離。1.工作波長的選擇若傳輸距離長，選用1.31um的長波長波段。若傳輸碼高，選用1.31um的單模光纖。對傳輸距離短，碼速不高的系統(tǒng)可選0.86um波段。2.光源的選擇選取LED還是LD，需要考慮一些系統(tǒng)參數(shù)，如色散、數(shù)據(jù)速率、傳輸距離和成本等。激光器比LED輸出光功率高，譜線窄，應(yīng)用單模光纖傳輸時色散小。適用于長距離高碼速的光纖通信系統(tǒng)中采用。波長800nm～900nm：LED的譜寬和石英光纖的色散特性把帶寬距離積限制在150（Mb/s）.km左右。如要達到更高的數(shù)值如2500（Mb/s）.km，則必須使用LD。波長1.3μm：該區(qū)域光纖的色散很小，使用LED就可以得到1500（Mb/s）.km的帶寬距離積。使用LD，該波長區(qū)域上的帶寬距離積可以超過25（Gb/s）.km2.光源的選擇波長1.55μm：單模光纖的極限帶寬距離積可達到500（Gb/s）.km光功率偶合：LD偶合進光鏈路的光功率比LED高10dB到15dB。但激光與發(fā)光二級管相比，它的壽命相對較低，價格高，穩(wěn)定性差，調(diào)制電路復(fù)雜。發(fā)光二極管壽命長，價格低，受溫度影響小，工作穩(wěn)定，調(diào)制電路簡單，但發(fā)光功率低，譜線寬。適于工作在距離短，碼速低的光纖通信系統(tǒng)中。加在光檢測器上所需的最小光功率、設(shè)計成本和復(fù)雜程度（pin和雪崩二極管）PIN管的偏壓電路簡單、價格較低。但是，使用PIN管時光接收機的靈敏度較使用APD管的低。APD管偏壓高，偏壓電路復(fù)雜，價格亦高。但靈敏度高。3.光電檢測器的選擇4.光纖的選擇單模光纖：理論上無模式色散，適用于長距離、高碼速情況。但芯徑細，連接比多模光纖困難。多模光纖：有模式色散，不適于工作在長距離，高碼速的情況，但便于連接。8.1.2鏈路功率預(yù)算圖8.2給出點到點鏈路的光功率損耗模型。檢測器接收的光功率取決于：偶合進光纖的光功率；發(fā)生在光纖、連接器和熔接點的損耗。各個部分的損耗用分貝（dB）表示為：損耗＝10log(Pout/Pin)（8.1）Pin和Pout分別表示該損耗單元的輸入功率和輸出功率鏈路的損耗預(yù)算可由鏈路上各個部分損耗的總和推出?？偣夤β蕮p耗PT為：PT=Ps-PR=2lc+αfL+系統(tǒng)富余度（8.2）Ps：尾纖端發(fā)出的光功率，PR：接收機的靈敏度，lc：連接器損耗，αf：光纖衰減（dB/km），L：傳輸距離，系統(tǒng)富余度：6dB光纖鏈路功率預(yù)算計算方法圖8.3接收機靈敏度曲線(1)公式法例8.1：數(shù)據(jù)速率為20Mb/s誤碼率為：10-9解：選擇工作在850nm的Sipin光電二極管，由圖8.3可得接收機所需的信號功率為：-42dBm選擇GaAlAsLED，把50uW（-13dBm）光功率偶合進尾纖，則允許損耗為：-13-(-42)=29dBm傳輸距離由（8.2)式得到：PT=Ps-PR=29dB=2(dB)+αfL+6dB若αf＝3.5dB/km，則L＝6.0km(2)圖示法圖8.4鏈路損耗預(yù)算圖縱軸表示發(fā)送機和接收機之間允許的光功率損耗，橫軸表示傳輸距離。相交點D的位置即可決定最大的傳輸距離。尾纖輸出功率：－13dBm靈敏度：－42dBm最大距離：6Km總富余度＝-13-1-(-42)-1－6=21dB(3)列表法例8.2器件/損耗參數(shù)(dB)輸出/靈敏度/損耗功率富余度激光輸出3dBmAPD在2.5Gb/s時的靈敏度-32dBm允許損耗[3-(-32)]35光源連接器損耗1dB34跳線＋連接器損耗3+1dB30光纜損耗（60km）18dB12跳線＋連接器損耗3+1dB8接收機連接器損耗1dB7(最終富余度)8.1.3展寬時間預(yù)算―確定光纖鏈路中色散限制的一種簡便的方法是進行展寬時間分析（適用于數(shù)字系統(tǒng)）。由于色散的影響，造成數(shù)字信號脈沖過大的展寬，引起碼間干擾，而造成光接收機的靈敏度降低。Rise-timebudget脈沖展寬的程度可以用脈沖的上升時間來描述。光纖數(shù)字通信系統(tǒng)的基本碼型（1）NRZ碼NRZ碼中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)占滿一個比特周期，充滿一個完整周期的電流脈沖或光脈沖為1，沒有脈沖發(fā)送則代表0。沒有誤差監(jiān)控和糾錯能力。Fig.8-7:NRZ-LdatapatternRZ碼（2）RZ碼每個數(shù)據(jù)比特編為兩個光線路碼比特。單極RZ碼中，“1”碼由一個在比特周期的前半部或后半部的半周期光脈沖表示，“0”碼則由比特周期內(nèi)無信號表示。Fig.8-9:RZdataformats單極RZ格式的一個缺點是長的連0碼會導(dǎo)致定時同步的丟失。光曼徹斯特碼（3）光曼徹斯特碼對基帶(NRZ-L)信號和時鐘信號直接進行模二加(異或)運算所得。Fig.8-9:RZdataformats單極RZ格式的一個缺點是長的連0碼會導(dǎo)致定時同步的丟失。光曼徹斯特碼沒有這種限制。這種碼的每個比特間隔的中心處都有電平變換：負向變換表示1比特，正向變換表示0比特。8.1.3展寬時間預(yù)算總的系統(tǒng)展寬時間為：

tsys=[ttx

2+tmod2+tGVD

2+trx2]1/2ttx

：發(fā)射機上升時間；

tmod：中繼段光纖模式色散引起的上升時間；tGVD

：中繼段光纖材料色散引起的上升時間；trx

：光接收機引起的上升時間（1)數(shù)字信號碼元周期與信號帶寬的關(guān)系對非歸零碼（NRZ）Bc=1/2Ts歸零碼（RZ）Bc=1/Ts（2)一個光纖系統(tǒng)可近似為一個低通濾波器tc=0.44/Bctc：上升時間；Bc：帶寬（3)根據(jù)信號碼元周期確定系統(tǒng)上升時間TsRZts=0.35TsNRZts=2×0.35Ts=0.7Ts光纖群速率色散（GVD）展寬TGVD

tGVD≈|D|Lбλ(8.5)D:色散系數(shù)，бλ：光源的半功率譜寬發(fā)射機展寬ttx計算

決定于光源和調(diào)制電路：（4.50)光纖模式色散展寬Tmod(8.16)B0：每公里帶寬L：光纖長度q：系數(shù)（0.5～1之間取值）單模:q=1多模：一般取q=0.7左右接收機展寬trx計算

trx=350/Brx（1/MHZ）(ns)(8.4)接收機的展寬時間由光檢測器響應(yīng)和接收機前端的3dB帶寬決定。接收機上升時間決定于光電檢測器和前置放大器的3dB帶寬Brx總的系統(tǒng)展寬時間為：

tsys=[ttx

2+tmod2+tGVD

2+trx2]1/2(8.17)等式中所有時間都用ns表示。將最大中繼器距離L代入上式，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入，即可對上升時間進行核算。這也就是對整個光纖系統(tǒng)的時間展寬（色散）進行核算。例：例8.3例8.48.1.4第一窗口傳輸距離系統(tǒng)的無中繼傳輸距離受衰減和色散限制，無中繼傳輸距離是數(shù)據(jù)速率的函數(shù)。速度≥200Mb/s,色散成為主要限制因素。速度≥40Mb/s,色散成為主要限制因素。8.1.5單模光纖鏈路的傳輸距離

8.2線路編碼信號源是光源，傳輸手段是光導(dǎo)纖維，光纖中傳輸什么碼型比較合適？一、數(shù)字通信中傳輸碼型的一般要求圖8-4取樣和編碼脈沖取樣和量化編碼脈碼調(diào)制，簡稱PCM（Pulse－CodeModulation）。為了保證通信質(zhì)量，對碼流提出以下要求：①定時信息要豐富：②連”0”或連“1“碼的數(shù)量不要太多；③基線漂移要小或直流電平漂移量要小，④要有一定的規(guī)律。如果線路碼或碼流不滿足上述要求，將發(fā)生以下問題：①引起不良的抖動特性，使定時提出發(fā)生困難；②長的“0’或”1”的碼流將會使信號脈沖的直流電平發(fā)生漂移．降低系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量；③數(shù)字序列沒有一定的規(guī)律，通信期間無法監(jiān)測線路的誤碼率。PCM端機輸出端口的接口碼型為：HDB3碼（HetghtDensityBipolar3）。其碼型圖如圖8－5所示。圖8-5HDB3碼特點：碼型圖中的連”0”數(shù)被控制在三個以下，有十1、0和－1三個電平值，沒有直流分量的漂移。二、光纖數(shù)字通信系統(tǒng)的基本碼型（1）NRZ碼NRZ碼中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)占滿一個比特周期，充滿一個完整周期的電流脈沖或光脈沖為1，沒有脈沖發(fā)送則代表0。沒有誤差監(jiān)控和糾錯能力。Fig.8-7:NRZ-LdatapatternRZ碼（2）RZ碼每個數(shù)據(jù)比特編為兩個光線路碼比特。單極RZ碼中，“1”碼由一個在比特周期的前半部或后半部的半周期光脈沖表示，“0”碼則由比特周期內(nèi)無信號表示。Fig.8-9:RZdataformats單極RZ格式的一個缺點是長的連0碼會導(dǎo)致定時同步的丟失。光曼徹斯特碼（3）光曼徹斯特碼對基帶(NRZ-L)信號和時鐘信號直接進行模二加(異或)運算所得。Fig.8-9:RZdataformats單極RZ格式的一個缺點是長的連0碼會導(dǎo)致定時同步的丟失。光曼徹斯特碼沒有這種限制。這種碼的每個比特間隔的中心處都有電平變換：負向變換表示1比特，正向變換表示0比特。圖8-7傳輸長連NRZ－L碼時引起的接收機基線漂移效應(yīng)三、光纖通信中常用的碼型（1)碼型選擇考慮除兩電平碼（0，1）外，還應(yīng)考慮到：①避免在信碼流中出現(xiàn)長”0”和長”1”碼②能進行不中斷業(yè)務(wù)的誤碼監(jiān)測HDB3碼是利用雙極性碼中正、負極性的有規(guī)律交換來實現(xiàn)誤碼監(jiān)測的。單極性碼，需另想措施來實現(xiàn)不中斷誤碼監(jiān)測。③盡量減少信碼中直流分量的起伏第一方案中．線路碼流中的連“0”或連”1”碼數(shù)是隨機的.第二方案中，其連“0’或連”1”碼數(shù)可以準確確定。同時，又可以利用冗余碼對系統(tǒng)進行監(jiān)測.將PCM的雙極性碼變?yōu)閱螛O性碼的重新主要采用以下兩個方案:

①對輸入的信號碼進行擾碼，使線路碼流中的”0’碼和“l(fā)”碼出現(xiàn)的概率相等。

②對輸入的信號碼附加冗余碼．把連”0”碼數(shù)或連“1”碼數(shù)控制在一定的范圍內(nèi)或控制在一定長度內(nèi)。mBnB碼（分組碼BlockCode）mBnB碼將m個二進制輸入碼編為n個二進制的線路碼，使線路碼速提高n/m倍.輸入信號以m個碼為一個字,而線路碼則以n個碼為一個字.

有多種形式：1B2B碼、2B3B碼、3B4B碼和5B6B碼等等。①1B2B碼輸入碼字1B2B碼模式1d模式2d0010010100-211+2表8-21B2B編碼方案圖8-81B2B編碼舉例把原來的交替雙極性歸零碼變換成單極性的非歸零碼即1B2B碼的編碼②5B6B碼5B6B碼是常用碼型。它是將5位的二進制碼編為6位二進制的線路碼。如果原來碼速為140Mb/s，當采用5B6B編碼制之后．線路碼速提高到160Mb/s。與1B2B碼相比．碼速提高不大，但是它所需編譯碼設(shè)備的復(fù)雜程度卻大許多。

a)編碼：將原始碼流中每5位碼元分成一組，然后，再將這組5位碼變換為6位碼。

b）碼流”平衡”情況的分析C）碼組的選用在5B6B的64個碼組中，只用了20＋2×12＝44個碼組。尚有20個碼組未使用。這樣，當接收端出現(xiàn)了這20個碼組中的任一組，必定在傳輸過程中出現(xiàn)誤碼。由此，可通過這種編碼方式對系統(tǒng)產(chǎn)生誤碼進行監(jiān)測。一般把這種不使用的碼組稱為禁字。（3)討論從上面的討論中可以看出，在mBnB線路碼中，由于是按字位編碼、譯碼，所以隨字長的增加，盡管其靈敏度損失在逐漸減小，但是碼型變換電路的結(jié)構(gòu)卻變得越來越復(fù)雜。因此，具體選用mBnB線路碼中哪一種碼型應(yīng)從碼型變換器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和碼型本身對接收靈敏度的損失情況綜合考慮。碼型內(nèi)容1B2B3B4B5B6B7B8B靈敏度損失（dB）31.250.80.58設(shè)備復(fù)雜程度簡單比較簡單復(fù)雜比較復(fù)雜表8-3mBnB碼對靈敏度的影響和對設(shè)備的要求其它碼型CMI和DMI碼偽雙極性碼。僅在基群和二次群中使用。插入碼型插入奇偶校驗碼的mB1P碼，插入補碼的mB1C碼。圖8-9光纖數(shù)字通信系統(tǒng)方框圖在現(xiàn)代光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中．為了充分利用已有的電纜數(shù)字通信系統(tǒng)的設(shè)備和技術(shù)，也為了達到光纖數(shù)字通信對傳輸碼流的要求，系統(tǒng)方框圖應(yīng)如圖所示。8.3糾錯

ARQ模式：若接收機檢測出誤碼，那么在接收機和發(fā)送機之間使用反饋信道技術(shù)請求消息重發(fā)。發(fā)送控制器編碼器解碼器接收控制器傳輸線反饋信道信源用戶前向糾錯[FEC)：輔助信息和主信息同時傳輸，若主信息丟失或接收到誤碼．輔助信息就可以重構(gòu)主信息。最常用的糾錯碼－循環(huán)碼標記為(n，m)，其中n等于原比特數(shù)m加上冗余比特數(shù)。例：(224，216)碼Fig.8-11:

FECcharacteristics8.4系統(tǒng)性能及其測試最主要的兩大性能參數(shù)，誤碼性能和抖動性能。1.誤碼性能

――反映數(shù)