第八章數(shù)字傳輸系統(tǒng)

第八章數(shù)字傳輸系統(tǒng)第一頁，共五十七頁，2022年，8月28日Simplepoint-to-pointlink8.1點到點鏈路為達到系統(tǒng)要求，通常需要反復的設計和分析，以確保在不超過器件限制的前提下使預期性能指標在系統(tǒng)的設計壽命期內(nèi)保持穩(wěn)定。第二頁，共五十七頁，2022年，8月28日傳輸系統(tǒng)要求：1、預期（或可能）的傳輸距離；2、數(shù)據(jù)速率或信道帶寬；3、誤碼率（BER）；器件和相關(guān)的特性參量：1、單模光纖或多模光纖（a）纖芯尺寸(b）纖芯折射率剖面（c）帶寬或色散（d）損耗（e）數(shù)值孔徑或模場直徑8.1.1光纖鏈路的設計要求第三頁，共五十七頁，2022年，8月28日2、LED或半導體激光器光源（a）發(fā)射波長（b）譜線寬度（c）輸出功率（d）有效輻射區(qū)（e）發(fā)射方向圖（f）發(fā)射模式數(shù)量第四頁，共五十七頁，2022年，8月28日3、pin或APD光電二極管（a）響應度（b）工作波長（c）速率（d）靈敏度系統(tǒng)性能分析：鏈路功率預算和系統(tǒng)展寬時間預算第五頁，共五十七頁，2022年，8月28日1.確定波長：

-傳輸距離不太遠，可以選擇800nm到900nm之間的波長

-傳輸距離較遠，可以選擇1300nm或1500nm附近的波長2.聯(lián)合考慮光纖鏈路的三個模塊(接收設備、發(fā)送設備和光纖)

-模塊選擇順序為：檢測器光源光纖鏈路

-根據(jù)檢測器的靈敏度和光源的發(fā)射功率決定鏈路中是否需要放大器鏈路功率預算：系統(tǒng)考慮第六頁，共五十七頁，2022年，8月28日綜合考慮光檢測器的性能(如靈敏度)、復雜度和成本pin結(jié)構(gòu)簡單，溫度變化時性能穩(wěn)定，成本低，偏置電壓低(<5伏特)；APD具有更高的靈敏度，能接收微弱的光信號，但是APD成本相對較高，偏置電壓在40伏特到幾百伏特之間，且需要溫控。光檢測器的選擇第七頁，共五十七頁，2022年，8月28日1.LD的輸出譜寬比LED窄-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。要達到更高的數(shù)值，如2500(Mb/s)·km以上，則需要使用LD。-~1300nm：該區(qū)域光纖的色散很小，此時使用LED就可以得到1500(Mb/s)·km的帶寬距離積。若采用InGaAs激光器，則該波長區(qū)域上的帶寬距離積可達到25(Gb/s)·km-~1550nm：單模光纖的帶寬距離積可達到500(Gb/s)·km2.LD發(fā)光強度高，輸出光束窄，LD耦合進光纖鏈路的功率比LED要高出10dB到15dB因此LD具有更長的無中繼傳輸距離3.LD價格昂貴，而且需要溫控光源的選擇第八頁，共五十七頁，2022年，8月28日對于光纖而言，我們可選擇單模或多模光纖，二者都可能是階躍或漸變折射率光纖。單模光纖由于不存在模間色散的問題，因此被用于長途傳輸；多模光纖則用于短途傳輸。在考慮光纖的時候還需要包括光纖成纜時，連接時，彎曲時，以及環(huán)境變化時帶來的附加損耗。光纖的選擇第九頁，共五十七頁，2022年，8月28日8.1.2鏈路的功率預算光功率損耗模型（連接器損耗、熔接點損耗、光纖損耗）尾纖連接器發(fā)射機熔接點光纖接收機連接器尾纖連接器第十頁，共五十七頁，2022年，8月28日單元損耗：Pin和Pout分別表示損耗單元的輸入及輸出功率。鏈路損耗預算：Pt是總光功率損耗，Ps是激光器輸出端耦合進光纖的功率，Pr是接收機靈敏度，lc是連接損耗，L是光纖長度，是光纖衰減系數(shù)（損耗）。Redundance:系統(tǒng)富裕度（6～8dB）。第十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日例8.1假定數(shù)據(jù)速率為20Mb/s，誤碼率為10-9（每發(fā)送109個比特，其錯誤最多為一個）。對于接收機，可以選擇工作在850nm的SiPIN光電二極管。接收機所需要的信號功率為-42dBm，下面我們選擇一個GaAlAsLED，使其能夠把50微瓦（-13dBm）的平均光功率耦合進纖芯直徑為50微米的尾纖，這樣就允許有29dB的損耗?？梢赃M一步假設尾纖與光纜的連接損耗為1dB，在光纜光-檢測器的連接點上也有1dB的連接損耗。包括6dB的系統(tǒng)富余度，對于衰減為的光纜，其傳輸距離為：如果衰減為3.5dB/km,則傳輸距離為6km。第十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日鏈路損耗預算圖示法從LED耦合進尾纖的功率連接器損耗耦合進光纜的功率3.5dB/km的光纜損耗預期的傳輸距離由光纜和熔接點帶來的總損耗-21dB6dB的系統(tǒng)余量連接器損耗pin接收機靈敏度-42dBm-13dBm-14dBm-35dBm-41dBm第十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日器件/損耗參數(shù)(dB)輸出/靈敏度/損耗功率富余度激光器輸出3dBm

APD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例：鏈路損耗預算列表法假定一個1550nm的半導體激光器，其發(fā)送到尾纖的光功率為3dBm，一個InGaAsAPD在2.5Gb/s時靈敏度為-32dBm；一條60km長的光纜，衰減為0.3dBm/km。由于設備安裝需要，在傳輸光纜的末端與SONET設備架之間的每個端口都需要一條短跳線，假定每條跳線有3dB的損耗。另外，假設每個光纖連接點上有1dB的連接損耗。第十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日8.1.3展寬時間預算限制系統(tǒng)速率的四個因素：（1）發(fā)送機展寬時間ttx（2）光纖群速率色散（GVD）展寬時間tGMD（3）光纖模式色散展寬時間tmod（4）接收機展寬時間trx展寬時間可用來確定光纖鏈路中的色散限制。鏈路總展寬時間為：第十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日例8.3我們假定LED及其驅(qū)動電路有15ns的展寬時間。采用典型的40nm譜寬的LED，在6km的鏈路上可以得到與材料色散相關(guān)的21ns展寬時延。假定接收機有25MHz的帶寬，則可得到接收機的上升時延為14ns，如果我們選擇的光纖有400MHzkm的帶寬距離積，而且q=0.7，則模式色散引起的光纖展寬時間為3.9ns?？梢缘玫芥溌返恼箤挄r間為：對于20Mb/s的NRZ數(shù)字流，這個結(jié)果低于允許的35ns的最高上升時延。這些器件的選擇符合系統(tǒng)的設計標準：第十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日例8.4我們假定LD及其驅(qū)動電路有0.025ns(25ps)的展寬時間。采用譜寬為0.1nm、平均色散為2ps/(nm.km)的1550nm半導體激光器，在60km長的光纖上，總共有12ps（0.012ns)與GVD相關(guān)的展寬時間。假定基于InGaAs-APD的接收機有25GHZ的帶寬，則可得接收機的展寬時間為0.14ns。把不同部分的展寬時間代入，可得到總的展寬時間為0.14ns。器件展寬時間展寬時間預算允許的展寬時間預算

tsys=0.7/BNRZ=0.28ns激光發(fā)送機25ps

光纖的GVD12ps

接收機展寬時間0.14ns

系統(tǒng)展寬時間

0.14ns

第十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日8.1.4系統(tǒng)設計方法

數(shù)字光纖通信系統(tǒng)一般分為無光纖放大器系統(tǒng)和有光纖放大器系統(tǒng)(需考慮光信噪比）。系統(tǒng)設計的主要問題是確定中繼距離，尤其對長途光纖通信系統(tǒng)，中繼距離的設計對系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟效益影響很大。工程上常用的設計方法主要有三種：最壞值設計法、統(tǒng)計設計法和聯(lián)合設計法。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)組成第十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日(1)最壞值設計法 最壞值設計法就是在設計再生段距離時，所有參數(shù)(包括光功率、光譜范圍、光譜寬度、接收機靈敏度、光纖衰減系數(shù)、接頭與活動連接器插入損耗等參數(shù))均采用壽命期中允許的最壞值，而不管其具體的分布如何。第十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日(2)統(tǒng)計設計法 統(tǒng)計設計法是利用光參數(shù)分布的統(tǒng)計特性更有效地設計再生段距離。與最壞值設計法相比，統(tǒng)計設計法可以延長再生段距離，但橫向兼容性不再滿足。(3)聯(lián)合設計法 在某些情況下，按標準的光接口參數(shù)值進行設計不能滿足實際工程再生段距離，運營者需要仔細考慮設計中不滿足光接口規(guī)范的主要方面。第二十頁，共五十七頁，2022年，8月28日采用800nm的LED光源/Sipin光檢測器組合和850nm半導體激光器光源/SiAPD檢測器組合時，其傳輸距離隨數(shù)據(jù)速率變化的曲線

(BER=10-9，1dB連接器耦合損耗，6dB系統(tǒng)富余度）8.1.5第一窗口傳輸距離第二十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日8.1.6單模光纖鏈路的傳輸距離采用衰減為0.3dB/km的單模光纖，激光器工作在1550nm時，傳輸距離隨數(shù)據(jù)速率變化的曲線第二十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日8.1.7數(shù)字光通信系統(tǒng)優(yōu)點(1)抗干擾能力強，傳輸質(zhì)量好。 (2)可以再生，傳輸距離遠。 (3)數(shù)字系統(tǒng)采用大量的數(shù)字電路，容易集成，采用超大規(guī)模集成電路芯片使數(shù)字設備體積小，功耗低。第二十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日線路編碼是指使用一套規(guī)則把信號符號編排為一個特殊的格式。其主要功能是在數(shù)據(jù)流中引入冗余碼，從而使信道干擾引起的誤碼最小。三種常用的編碼方式：（1）非歸零（NRZ）格式（2）歸零（RZ）格式（3）相位編碼（PE）格式8.2線路編碼第二十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日NRZ-Ldatapattern8.2.1NRZ碼碼型產(chǎn)生簡單，編解碼容易實現(xiàn)，無誤差監(jiān)測或糾錯能力，無自有時鐘(N個長碼被判為N+1或N-1個。傳輸長連1或連0時，易產(chǎn)生誤碼。第二十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日長連1碼引起的接收機基線漂移（由于接收機低頻效應引起輸出脈沖的拖尾所致）有可能產(chǎn)生誤碼。光脈沖只能采取單極性，因此光脈沖包含直流分量交流耦合網(wǎng)絡不能通過碼流包含的直流分量，矩形脈沖經(jīng)過交流耦合網(wǎng)絡時出現(xiàn)反極性拖尾脈沖序列的拖尾相互交疊造成基線漂移對于給定的判決閾值，漂移將影響判決第二十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日單級性RZ格式長連0碼會導致定時同步信號的丟失。對基帶和時鐘信號進行模二加運算可得光曼徹斯特碼。需兩倍NRZ碼的帶寬，無誤碼檢測與糾錯能力。8.2.2RZ碼第二十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日特點：比特1的光脈沖僅占比特周期的一部分，典型的有33%RZ、50%RZ和67%RZ產(chǎn)生：NRZ信號乘以一個頻率為信號比特率兩倍的clk信號8.2.2RZ碼第二十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日優(yōu)點：長連1仍帶有時鐘信息，抗非線性效應能力強缺點：長連0時仍然容易導致時鐘丟失；且占用的帶寬為NRZ的2倍，因此抗色散能力差；無誤碼檢測與糾錯能力。第二十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日曼徹斯特碼特點：每個比特周期內(nèi)都發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)，根據(jù)翻轉(zhuǎn)的極性不同

來區(qū)分0和1，一般采用NRZ和時鐘信號的模二加運算獲得優(yōu)點：在長連0和1的時候，仍然能保持時鐘信息，易于編解碼第三十頁，共五十七頁，2022年，8月28日mBnB分組碼是將m個二進制比特構(gòu)成的分組，轉(zhuǎn)化為更長的由n(n>m，一般n=m+1)個二進制比特構(gòu)成的分組。附加的冗余比特以n/m的比率增加帶寬，但其沒有長的連1和長的連0碼，沒有基線漂移問題，可提供足夠的定時和檢錯信息。

適合高速傳輸?shù)挠?B4B、4B5B、5B6B、8B10B碼。

8.2.3分組碼第三十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日分組碼mBnB特點：將m位二進制比特編成n(n>m)位碼并在相同的時間長度內(nèi)發(fā)送出去，即在數(shù)據(jù)流中引入冗余優(yōu)點：能避免長連0和長連1的出現(xiàn)

冗余的引入可以增強糾錯能力缺點：帶寬比原來增大了n/m倍例如：曼徹斯特碼就是一種1B2B碼，‘1’‘10’,‘0’‘01’第三十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日

自動請求重發(fā)（ARQ）：

若接收機檢測出誤碼，則通過反饋信道技術(shù)請求消息重發(fā)。不適于需要較低執(zhí)行時間的場合。信源發(fā)送控制器編碼器解碼器接收控制器用戶反饋信道自動請求重發(fā)（ARQ）8.2.4糾錯提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性的方法：自動請求重發(fā)（ARQ）和前向糾錯（FEC）第三十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日FEC避免了高帶寬的光網(wǎng)絡要求低延遲條件時ARQ的缺點。在FEC技術(shù)應用中，輔助信息和主信息同時傳輸，若主信息丟失或接收到誤碼，輔助信息可以重構(gòu)主信息。最常用的糾錯碼為循環(huán)碼。將它們標記為（n，m），其中n等于原比特數(shù)m加上冗余比特數(shù)。一些已經(jīng)得到應用的例子，如（224，216）短化的Hanming碼、（192，190）Reed-Solomon碼、（255，239）Reed-Solomon碼、（18880，18865）和（2370，2385）短化的Hanming碼。前向糾錯（FEC）：第三十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日（224，216）碼缺點：占用額外帶寬采用FEC可以使誤碼率降低，從而使系統(tǒng)性能得到相對改善。第三十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日8.3系統(tǒng)性能分析 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的性能主要包括：（1）誤碼性能（2）抖動性能（3）系統(tǒng)的可靠性。第三十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日8.3.1.誤碼特性1.誤碼概念 誤碼就是經(jīng)接收判決再生后，數(shù)字碼流的某些比特發(fā)生了差錯，使傳輸信息的質(zhì)量產(chǎn)生了損傷。①內(nèi)部機理產(chǎn)生的誤碼 它包括各種噪聲源產(chǎn)生的誤碼；定位抖動產(chǎn)生的誤碼；復用器、交叉連接設備和交換機的誤碼。第三十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日②脈沖干擾產(chǎn)生的誤碼 一些具有突發(fā)性質(zhì)的脈沖干擾如外部電磁干擾、靜電放電、設備故障、電源瞬態(tài)干擾和人為活動會產(chǎn)生誤碼。第三十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.誤碼源（1）各種噪聲源接收機光電檢測器散彈噪聲、雪崩倍增噪聲、放大器熱噪聲等。（2）色散引起的碼間串擾（3）定位抖動產(chǎn)生的誤碼（4）復位器、交叉連接設備和交換機的誤碼（5）突發(fā)脈沖干擾靜電放電、配線架接觸不良、設備故障、電源瞬間干擾。第三十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日3.誤碼率 誤碼率是指在特定的一段時間內(nèi)所接收到的數(shù)字碼元誤差數(shù)目與在同一時間內(nèi)所收到的數(shù)字碼元總數(shù)之比。

誤碼率對誤碼發(fā)生的形態(tài)和原因、誤碼的評定方式、誤碼全程指標的確定記載網(wǎng)絡各組成部分的分配有重要影響，是提供光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)設計的重要依據(jù)。第四十頁，共五十七頁，2022年，8月28日4.誤碼特性的評定方法（1）長期平均比特誤碼率 長期平均誤碼率是指在較長的一段時間內(nèi)的平均誤碼率。僅適于單個隨機誤碼情況，不適于突發(fā)的群誤碼的情況。

（2）誤碼的時間率 以比特誤碼率超過規(guī)定閾值（BERT）的百分數(shù)來表示。10-310-610-9TLT0不可接受時間1×T0劣化時間4×T0第四十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日8.3.2.抖動和漂移特性 抖動是電信號傳輸過程中的一種瞬時不穩(wěn)定現(xiàn)象。它定義為：數(shù)字信號的各有效瞬間對其理想時間位置的短時偏移。 抖動可分為相位抖動和定時抖動。相位抖動是指傳輸過程中所形成的周期性的相位變化。定時抖動是指脈沖編碼傳輸系統(tǒng)中的同步誤差。第四十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日

定時抖動對網(wǎng)絡的性能損傷表現(xiàn)在下面幾個方面： ①對數(shù)字編碼的模擬信號，在解碼后數(shù)字流的隨機相位抖動使恢復后的樣值具有不規(guī)則的相位，從而造成輸出模擬信號的失真，形成所謂抖動噪聲；發(fā)送信號接收信號第四十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日 ②在再生器中，定時的不規(guī)則性使有效判決偏離接收眼圖的中心，從而降低了再生器的信噪比余度，直至發(fā)生誤碼； ③在SDH網(wǎng)中，像同步復用器等配有緩存器的網(wǎng)絡單元，過大的輸入抖動會造成緩存器的溢出或取空，從而產(chǎn)生滑動損傷。第四十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日UI（UnitIntreval)：1比特信息所占有的時間間隔1UI=1/傳輸比特率第四十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日8.3.3.系統(tǒng)可靠性 系統(tǒng)的可靠性一般采用故障統(tǒng)計分析法，即根據(jù)實際調(diào)查結(jié)果，統(tǒng)計足夠長時間內(nèi)的可用時間和不可用時間，然后用可用性指標來表示。所謂可用性是指可用時間占系統(tǒng)全部運營時間的百分比。因為是統(tǒng)計量，因此統(tǒng)計時間越長，所得結(jié)果越精確。第四十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日可用性的表示方法：

其中，MTBF：平均故障時間； MTTR：平均故障修復時間失效性的表示方法：

第四十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日傳播光功率頻譜的不理想和光波導色散之間的各種相互作用導致投射到光檢測器中的光功率發(fā)生變化，這些變化最終導致光接收機輸出噪聲，從而導致光功率損傷。這對高速鏈路的影響尤為嚴重。這些損傷包括：1.模式噪聲(LD+多模光纖)2.模式分配噪聲3.光源輸出波長啁啾4.激光器回波導致的頻譜展寬8.4噪聲對系統(tǒng)性能的影響

第四十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日當將激光器發(fā)出的光注入多模光纖，其輸出功率會在多模光纖中激勵出許多相互相干的傳播模式。這些模式之間的相互干涉，在光纖截面出現(xiàn)一定亮度分布的光斑圖。在鏈路隨機機械振動的作用下，光斑圖隨時間發(fā)生變化。光斑圖的變化造成了入射接收機的光功率隨時間發(fā)生變化，因此引入模式噪聲。

因此，造成模式噪聲的因素為：1.光源的相干性相干時間=(光源譜寬)-1>模間色散時延

dT=(Dv)-1>Ln12D/(n2·c)2.光纖鏈路上的隨機振動、微彎模式噪聲第四十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日消除模式噪聲的措施：1.使用LED光源，主要用于避免模式噪聲2.使用多縱模激光器，這將增加光斑圖的粒狀性，從而降低鏈路中因機械干擾而引起的光強度起伏3.使用數(shù)值孔徑較大的光纖，因為它支持很多模式，從而導致光斑數(shù)目增多4.使用單模光纖，不存在模式間的干涉模式噪聲M'-光斑數(shù)中心波長1200nm數(shù)據(jù)率280Mb/s第五十頁，共五十七頁，2022年，8月28日由于未能有效地抑制激光器邊模，半導體激光器中縱模的強度起伏相關(guān)產(chǎn)生了模式噪聲。即便是激光器輸出總功率不變，各個模式的強度也會發(fā)生起伏。不同的模式之間有微小的波長差，于是每種模式進入光纖之后將有不同的損耗和延時(色散)。因此在光纖色散的作用下，如果主模式的功率發(fā)生明顯起伏，那么接收端所收到的電平也將發(fā)生明顯變化。模式分配噪聲是單模光纖最主要的噪聲。模式分配噪聲第五十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日由激光器模式分配噪聲導致的功率損傷可以由下式近似表示：其中x是APD的過剩因子，Q是信噪比因子，k是模分配噪聲因子(一般在0.6-0.8之間)，B是數(shù)據(jù)比特率