《光纖通信網(wǎng)》課件第3章

第3章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)3.1光纖通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)3.2光發(fā)送機(jī)3.3光接收機(jī)3.4光電混合中繼器3.5數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的性能3.6光纖線路系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1光纖通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

3.1.1數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的組成

實(shí)用化的雙向光纖通信系統(tǒng)包括光終端設(shè)備（機(jī)）和光中繼設(shè)備（機(jī)）兩種光纖線路傳輸設(shè)備，完成往返于數(shù)字（電）設(shè)備間的數(shù)字電信號(hào)的光傳輸，如圖3－1所示。其中，光終端設(shè)備（機(jī)）用于完成終結(jié)于數(shù)字設(shè)備的數(shù)字電信號(hào)和光纖線路上的光信號(hào)間的互換，包括始端光信號(hào)的發(fā)送和末端光信號(hào)的接收；光中繼設(shè)備（機(jī)）或光放大器則用于對(duì)接收自光纖鏈路上、經(jīng)傳輸后產(chǎn)生畸變的光信號(hào)進(jìn)行整形放大后轉(zhuǎn)發(fā)?？梢?jiàn)，光線路終端（OLT）設(shè)備（包括光終端機(jī)和光中繼機(jī)）均包括光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)兩個(gè)主要部分。圖3－1雙向光纖通信系統(tǒng)示意圖為進(jìn)行可靠的數(shù)字傳輸，OLT設(shè)備除了具備光電轉(zhuǎn)換的基本功能外，還需要相應(yīng)碼型變換的編、解碼電路，實(shí)現(xiàn)與數(shù)字（電）設(shè)備的接口適配。此外，為對(duì)OLT設(shè)備、整個(gè)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行可靠的操作、維護(hù)與管理，光線路終端設(shè)備還應(yīng)具有公務(wù)聯(lián)絡(luò)、監(jiān)控告警、系統(tǒng)倒換和區(qū)間通信等輔助業(yè)務(wù)功能。因此，OLT主要由光發(fā)送機(jī)、光接收機(jī)和輔助電路三大組成部分，如圖3－2所示。圖3－2光線路終端設(shè)備原理方框圖3.1.2數(shù)字傳輸體制

數(shù)字傳輸體制是指數(shù)字系統(tǒng)采用的數(shù)字信號(hào)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，包括信號(hào)的傳輸速率、復(fù)接規(guī)范和方法等。從發(fā)展過(guò)程來(lái)說(shuō)，數(shù)字傳輸體制主要包括準(zhǔn)同步數(shù)字系列PDH（PlesiochronousDigitalhierarchy）和同步數(shù)字系列SDH（SynchronousDigitalhierarchy）兩種。PDH和SDH體制的區(qū)別主要表現(xiàn)在接口規(guī)范（速率等級(jí)和幀結(jié)構(gòu)）、映射復(fù)用結(jié)構(gòu)和復(fù)用方式等方面，從而導(dǎo)致具體應(yīng)用的差異。

1.準(zhǔn)同步數(shù)字系列（PDH）

ITU－TG.702建議明確規(guī)定了兩種不同地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)PDH數(shù)字系列等級(jí)的比特率，即分別基于PCM24路制式的1544kb/s基礎(chǔ)速率和PCM30/32制式的2048kb/s基礎(chǔ)速率兩大系列，如表3－1所示。其電接口碼型（即電纜線路碼型）主要有HDB3碼和CMI碼等。

由于PDH體制采用的是基于碼速調(diào)整的異步（準(zhǔn)同步）復(fù)用方式和固定的復(fù)用結(jié)構(gòu)，使得上下話路等組網(wǎng)應(yīng)用需要繁雜的復(fù)接/分接過(guò)程才能完成；此外，由于不同地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的接口規(guī)范不同，不可避免地造成了互聯(lián)互通的困難。因此，PDH系列僅適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)字傳輸系統(tǒng)，在SDH體制產(chǎn)生之后已經(jīng)逐漸退出了實(shí)際應(yīng)用。表3－1

PDH與SDH的速率等級(jí)

2.同步數(shù)字系列（SDH）

SDH是ITU－T針對(duì)PDH存在的缺點(diǎn)，統(tǒng)一開(kāi)發(fā)的國(guó)際統(tǒng)一的傳輸體制。SDH不僅規(guī)范了統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也包括了一套可以進(jìn)行信息同步復(fù)用、交叉連接和傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化數(shù)字信號(hào)等級(jí)，ITU－TG.707建議規(guī)定的SDH各個(gè)復(fù)用等級(jí)的比特率見(jiàn)表3－1。

SDH采用基于指針調(diào)整的同步復(fù)用技術(shù)，借助靈活的、一步到位的映射復(fù)用結(jié)構(gòu)，可以直接進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的靈活分插和交叉連接，還采用全球化的標(biāo)準(zhǔn)光接口，使不同的SDH系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)光路的橫向互連，從而使數(shù)字傳輸進(jìn)入真正意義上的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用階段。目前，實(shí)際應(yīng)用的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中普遍采用的都是SDH體制。3.1.3調(diào)制信號(hào)的格式

數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)中所傳的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，一般設(shè)備中的數(shù)字電路通常采用“1”、“0”兩種狀態(tài)的兩電平碼，其編碼格式有很多種，如圖3－3所示。為了減少重復(fù)的碼型變換，通常規(guī)定設(shè)備內(nèi)部采用統(tǒng)一的NRZ碼，它是最簡(jiǎn)單的數(shù)字信號(hào)編碼格式。但這種普通二進(jìn)制的單極性信號(hào)不適合直接進(jìn)行光纖線路傳輸，必須按一定規(guī)則變換成特定的格式，使其與光纖信道特性相匹配，從而改善傳輸性能，提高通信質(zhì)量。圖3－3部分常用的二進(jìn)制碼的波形

1.基本調(diào)制碼型

考慮到光纖、光源和光檢測(cè)器等基本光器件的特性，以及光發(fā)送和光接收等電路的簡(jiǎn)易性，現(xiàn)行光纖線路系統(tǒng)內(nèi)部通常采用單極性的兩電平碼，可分為歸零碼（RZ）、不歸零碼（NRZ）和相位編碼（PE）三種基本類型的格式。

NRZ碼是最簡(jiǎn)單的光調(diào)制編碼格式，其100%的占空比能夠使光源獲得最大的發(fā)送功率，由于NRZ碼具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、信號(hào)完整性好的特點(diǎn)，因此可用作較低速率、短距離光纖傳輸系統(tǒng)的調(diào)制碼型。如現(xiàn)有10Gb/s及以下的SDH系統(tǒng)和常規(guī)距離的WDM系統(tǒng)，主要受功率色散因素的限制，通常采用NRZ編碼。NRZ碼的缺點(diǎn)是碼元過(guò)渡不歸零、平均功率較高等，會(huì)影響傳輸速率和距離的進(jìn)一步提高。相比于NRZ碼，RZ碼提高了實(shí)際的傳輸速率，需增加（外）調(diào)制器，其頻譜較NRZ碼寬，降低了WDM系統(tǒng)的色散容限；但RZ碼易于均衡和定時(shí)提取，誤碼性能好，因而靈敏度較高，而且RZ碼光脈沖的窄時(shí)域特性和弱相關(guān)性，降低了光纖PMD色散和SPM等非線性效應(yīng)的影響。因此，RZ碼通常用作大容量和超長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)的調(diào)制碼型，諸如超高速40Gb/s的WDM系統(tǒng)和超長(zhǎng)距離10Gb/s的WDM系統(tǒng)等。

為了進(jìn)一步提升RZ碼的傳輸性能，如減少占用帶寬、克服非線性效應(yīng)、提高色散和PMD色散容限，可進(jìn)一步采用技術(shù)更復(fù)雜的啁啾RZ（CRZ）碼、載波抑制RZ（CS－RZ）碼、雙二進(jìn)制RZ（D－RZ）碼、差分相移RZ（DPSK－RZ）碼、雙二進(jìn)制載波抑制RZ（DCS－RZ）碼等調(diào)制格式，以實(shí)現(xiàn)（超）高速、超長(zhǎng)距離的光纖傳輸。

2.光線路碼型

基本的兩電平NRZ碼或RZ碼不能保證數(shù)字信號(hào)在光纖通信系統(tǒng)可靠傳輸所必須的同步、在線誤碼檢測(cè)和輔助業(yè)務(wù)等功能，因此需要將NRZ或RZ格式的線路碼型（電信號(hào)）進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成光線路碼型，以實(shí)現(xiàn)可靠的光纖傳輸。常用的光線路碼型包括分組碼（mBnB碼）、分組插入碼（mB1H碼）和擾碼等。分組碼將二進(jìn)制信號(hào)碼流碼元每m個(gè)比特分成一組，然后在每個(gè)m比特碼組相同時(shí)間內(nèi)，按一定編碼規(guī)則從某個(gè)碼表中選擇一個(gè)更長(zhǎng)的n（n>m）位比特碼組（即碼字）代替原來(lái)的碼組，即以傳輸速率提高為原來(lái)的n/m倍的代價(jià)滿足線路碼的某些功能要求。mBnB分組碼的優(yōu)點(diǎn)包括：碼流中“0”和“1”的概率相等，連“0”和連“1”的數(shù)目較少，定時(shí)信息豐富；高低頻分量較少，信號(hào)頻譜特性好，基線漂移??；在碼流中引入了一定的冗余度，便于在線誤碼檢測(cè)。mBnB碼的缺點(diǎn)是未解決輔助信息的插入，比較困難，因此，在要求傳輸輔助信號(hào)或需要開(kāi)通區(qū)間通信的系統(tǒng)中不宜采用。分組插入（mB1H）碼是指在相同的時(shí)間間隔內(nèi)，在每m個(gè)原信碼一組比特后插入一比特的冗余碼元，通過(guò)(m+1)/m的碼速變換實(shí)現(xiàn)誤碼檢測(cè)、監(jiān)控、公務(wù)和區(qū)間通信等輔助功能。按插入碼用途的不同，分組插入碼可分為mB1P碼、mB1C和mB1H碼三種碼型，其中的P、C和H分別為奇偶校驗(yàn)碼、反碼（或稱補(bǔ)碼）和混合插入碼。如1B1H、4B1H和8B1H等幾種插入碼型，分別適用于8～140Mb/s、34Mb/s和140Mb/s的PDH光纖通信系統(tǒng)。擾碼是將輸入的任意短周期序列信號(hào)按某種規(guī)律變換成長(zhǎng)周期隨機(jī)序列，這樣的輸出信號(hào)不僅“0”、“1”個(gè)數(shù)保持平衡，長(zhǎng)連“0”連“1”數(shù)被限制，而且與輸入信號(hào)序列無(wú)關(guān)，增加了信碼中的定時(shí)分量，減少了直流分量的波動(dòng)，既便于定時(shí)提取，抑制定時(shí)抖動(dòng)，也提高了信碼再生的質(zhì)量。需要指出的是，僅僅將信號(hào)序列順序打亂后重新排列的擾碼，其性能改善而速率不變，但也因未引入冗余度而無(wú)法進(jìn)行不中斷業(yè)務(wù)的誤碼監(jiān)測(cè)，傳送輔助信號(hào)也困難。

一般的系統(tǒng)不單純采用擾碼，而是將擾碼與其他線路碼型結(jié)合起來(lái)使用。如在SDH的STM－N線路信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)中，加入了豐富OAM&P功能的SOH開(kāi)銷字節(jié)，其實(shí)質(zhì)也是插入碼，故其線路碼型為NRZ碼加擾碼。

3.前向糾錯(cuò)編碼（FEC）技術(shù)

傳輸容量和距離的不斷提高，使非線性效應(yīng)和PMD等危害的影響日益突出，最終表現(xiàn)為數(shù)字信號(hào)的誤碼和抖動(dòng)等傳輸損傷。因此，在進(jìn)入線路傳輸以前，由發(fā)送端采用一定的糾錯(cuò)技術(shù)進(jìn)行差錯(cuò)控制編碼，然后在已經(jīng)產(chǎn)生了傳輸誤碼的接收端執(zhí)行解碼，通過(guò)相應(yīng)的校驗(yàn)計(jì)算檢測(cè)和糾正誤碼，從而改善整個(gè)光系統(tǒng)的傳送性能，進(jìn)而可放寬對(duì)系統(tǒng)光參數(shù)（如接收端OSNR容限）的要求，允許以較低成本和帶寬的代價(jià)構(gòu)建長(zhǎng)距離、大容量的光傳輸系統(tǒng)。對(duì)于低時(shí)延條件的高速光傳輸系統(tǒng)，適合的基本糾錯(cuò)控制方法是前向糾錯(cuò)編碼（FEC），即在發(fā)送端待傳的信碼流中，按約定規(guī)則編碼插入符合校驗(yàn)關(guān)系的附加監(jiān)督碼元作為冗余校驗(yàn)比特，收端譯碼確定監(jiān)督位與信碼間的約束規(guī)則是否正確，一旦發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤則確定誤碼并糾正。也就是說(shuō)，傳輸前先由發(fā)端進(jìn)行一定算法的編碼處理，收端則按對(duì)應(yīng)的算法解碼，根據(jù)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)碼并予以糾正。采用FEC技術(shù)只需在收發(fā)端增加相應(yīng)的編解碼器，無(wú)需增加或改動(dòng)線路設(shè)備就可發(fā)現(xiàn)和剔除傳輸過(guò)程中各種噪聲引起的誤碼。因此，ITU－TG.707已規(guī)定在STM－64（10Gb/s）以上的SDH系統(tǒng)的信號(hào)幀結(jié)構(gòu)中采用前向糾錯(cuò)編碼（FEC）。光纖傳輸系統(tǒng)中可采用的FEC方式有帶內(nèi)編碼（In－band）FEC和帶外編碼（Outofband）FEC兩種，前者不增加線路速率，避免了碼速提高而受到色散等因素的限制，適合單信道速率在10Gb/s以上的WDM系統(tǒng)，但引入冗余少，糾錯(cuò)能力不強(qiáng)，對(duì)傳輸性能的改善有限；后者增加了線路速率，具有較高的糾錯(cuò)能力，可以靈活地選擇糾錯(cuò)容限，以滿足系統(tǒng)需要并改善性能，可用在數(shù)字（TDM）包封器中支持多種數(shù)據(jù)格式在WDM光傳送網(wǎng)（OTN）中的傳送。低速率系統(tǒng)可采用直接在線路信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)中安排冗余位的方法，如STM－N幀結(jié)構(gòu)中安排的BIP（比特間插的奇偶校驗(yàn)）碼和CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）碼等，來(lái)校驗(yàn)和糾正突發(fā)誤碼。高速光系統(tǒng)的FEC碼主要是線性分組碼中的循環(huán)碼。

總之，為適應(yīng)光傳輸系統(tǒng)的特性，需要選擇適當(dāng)?shù)墓鈧鬏敶a型，通過(guò)多層次的信道編碼，確保光傳輸系統(tǒng)的可靠性。選擇線路碼的決定性因素主要是功能與體制，其他因素（如電路復(fù)雜性和基線起伏等）則比較次要，可采用一些電子技術(shù)去克服。

3.2光發(fā)送機(jī)

3.2.1輸入電路

光發(fā)送機(jī)的作用是將外部輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光發(fā)送電路的輸入信號(hào)，即完成標(biāo)準(zhǔn)的電接口信號(hào)與設(shè)備的適配，并變換為適合光纖傳輸?shù)墓饩€路碼型信號(hào)。由于設(shè)備內(nèi)部的信號(hào)處理統(tǒng)一采用NRZ碼，因此電、光兩種線路碼型間的變換由兩級(jí)輸入電路，即輸入接口電路和光線路碼型變換電路分兩步完成。

1.輸入接口電路

輸入接口電路是電業(yè)務(wù)設(shè)備輸出口和電－光轉(zhuǎn)換設(shè)備輸入口之間的接口電路。

輸入電信號(hào)經(jīng)一定連接長(zhǎng)度的同軸或?qū)ΨQ電纜傳輸后，送入輸入接口電路時(shí)已有一定程度的幅度衰減和波形失真。因此，正常的電業(yè)務(wù)信號(hào)輸入時(shí)，需要由輸入接口的均衡放大電路對(duì)已衰減和畸變的失真波形進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整和補(bǔ)償，以適應(yīng)輸入信號(hào)幅度的變化范圍。再由譯碼電路將其變換為二進(jìn)制碼的NRZ碼。譯碼所需的時(shí)鐘信號(hào)，由定時(shí)提取電路從均衡后的主信號(hào)碼流中提取。當(dāng)輸入信號(hào)異常時(shí)，輸入接口電路應(yīng)作出響應(yīng)，如發(fā)出告警等。當(dāng)輸入信號(hào)中斷時(shí)，由中斷檢出電路發(fā)出高電平中斷檢出信號(hào)，使告警電路發(fā)出相應(yīng)告警，并控制時(shí)鐘選擇電路轉(zhuǎn)為選用本機(jī)基頻晶體振蕩器產(chǎn)生的備用時(shí)鐘，進(jìn)一步控制譯碼電路向下游發(fā)送AIS告警指示信號(hào)；當(dāng)輸入信號(hào)恢復(fù)時(shí)，則又自動(dòng)轉(zhuǎn)回。

2.光線路碼型變換電路

譯碼后的二進(jìn)制NRZ業(yè)務(wù)信號(hào)和系統(tǒng)所需的各種輔助信息被送入線路編碼電路，由其完成復(fù)接及插入的線路編碼過(guò)程，輔助業(yè)務(wù)碼與信碼組合成適合光通道傳輸?shù)墓饩€路碼信號(hào)送至擾碼電路。經(jīng)擾碼器的重新排序，有規(guī)律地破壞長(zhǎng)連“0”、長(zhǎng)連“1”，增加碼流的均衡性和隨機(jī)性，有效抑制抖動(dòng)。性能改善后的信號(hào)將送往后續(xù)的光發(fā)送電路。

線路碼型變換提高了傳輸速率，上述電路所需要的高速時(shí)鐘CPH，由時(shí)鐘變換電路從上游的低速時(shí)鐘CPL變換而來(lái)。一般可采用數(shù)字鎖相環(huán)電路完成時(shí)鐘頻率的變換。3.2.2光發(fā)送電路

光發(fā)送電路是光發(fā)送機(jī)的主要電路，其基本功能是用線路編碼后的電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，完成E/O變換后輸出，由尾纖注入光纖線路。它主要由驅(qū)動(dòng)電路、調(diào)制電路和其他監(jiān)測(cè)保護(hù)功能的輔助電路組成。光發(fā)送機(jī)依靠調(diào)制電路將電信號(hào)變換成光信號(hào)，因此光源等調(diào)制器件是光發(fā)送機(jī)的核心，其特性的好壞直接影響整個(gè)傳輸系統(tǒng)的性能。目前的高速數(shù)字光傳輸系統(tǒng)普遍采用半導(dǎo)體激光器（LD）光源的光發(fā)送機(jī)，如圖3－4所示。圖3－4采用LD光源器件的光發(fā)送電路原理圖

1.預(yù)處理電路

光調(diào)制信道可以采用NRZ碼或RZ碼波形的線路碼型。由于NRZ存在收端均衡困難的缺點(diǎn)，因此要在發(fā)端先通過(guò)整形電路進(jìn)行NRZ碼波形的整形處理，以降低收端均衡的難度。若采用RZ碼，則通過(guò)碼型變換電路將線路編碼后的NRZ碼轉(zhuǎn)換為RZ碼。

隨后還需要“電平移動(dòng)”電路對(duì)線路碼流進(jìn)行電平變換，即將TTL電平變換成ECL電平，以適應(yīng)半導(dǎo)體光源的正向偏置要求。

2.光調(diào)制電路

光調(diào)制電路的功能是用電信號(hào)來(lái)控制光調(diào)制器件的輸出光特性，實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。對(duì)于模擬調(diào)制電路，在提供足夠輸出幅度的同時(shí)，應(yīng)保證良好的線性調(diào)制響應(yīng)，減少各種非線性失真對(duì)系統(tǒng)性能的影響。對(duì)于數(shù)字調(diào)制電路的要求是：不管環(huán)境條件或光源器件本身如何變化，都要保持輸出光脈沖的峰值幅度恒定，并保證足夠的通斷比，以確保接收端的檢測(cè)和可靠判決，防止接收靈敏度惡化；響應(yīng)速度足夠快，以適應(yīng)調(diào)制信號(hào)的速率變化，要求激光器的電光時(shí)延必須遠(yuǎn)小于調(diào)制信號(hào)的比特周期；高速調(diào)制需要有效抑制弛張振蕩和碼型效應(yīng)等，以減少對(duì)系統(tǒng)性能的不良影響。

1）驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路用來(lái)將電壓信號(hào)變換成光源需要的調(diào)制信號(hào)形式。對(duì)光源采用直接強(qiáng)度調(diào)制時(shí)，光源輸出的光功率正比于注入電流，此時(shí)的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)是電流源電路，用來(lái)將電壓信號(hào)變成電流信號(hào)注入光源，驅(qū)動(dòng)光源發(fā)光。

2）偏置電路

由于LD是有閾值的器件，如果直接用數(shù)字調(diào)制信號(hào)Im來(lái)進(jìn)行調(diào)制，則必須要有較大的脈沖電流幅度，但會(huì)因信號(hào)幅度變化太大而難以提高調(diào)制速率。另外，電光時(shí)延后出現(xiàn)張馳振蕩會(huì)引起高速調(diào)制的碼型效應(yīng)，使光脈沖的譜線寬度較寬；結(jié)發(fā)熱效應(yīng)則會(huì)引起光脈沖峰值幅度的波動(dòng)等。因此，在LD調(diào)制電路中設(shè)置直流預(yù)偏置電路，來(lái)提高調(diào)制響應(yīng)速度，改善調(diào)制響應(yīng)性能。此時(shí)，流過(guò)LD的調(diào)制電流為I＝IB+Im，偏置電流IB的大小直接影響LD的高速調(diào)制特性。前面分析過(guò)，偏置電流值IB的取值接近閾值電流Ith時(shí)，較小的調(diào)制脈沖電流即可獲得足夠幅度的輸出光脈沖，可以大大減小光時(shí)延，抑制張弛振蕩和碼型效應(yīng)；提高偏置電流可以減少結(jié)發(fā)熱效應(yīng)，但偏置電流太大或太小會(huì)使通斷比（消光比）惡化。綜合考慮，取偏置電流IB略低于Ith，允許偏差的程度取決于數(shù)字調(diào)制信號(hào)Im的速率。

實(shí)際上，LED的調(diào)制電路中也需要通過(guò)設(shè)置偏置電流IB提供合適的工作電流，保證足夠大的輸出幅度，減少非線性失真。

3.光發(fā)送機(jī)輔助電路

激光器的閾值電流Ith隨結(jié)區(qū)溫度的改變呈指數(shù)規(guī)律變化，也隨著器件老化的磨損性退化而增加。此時(shí)如果注入LD的驅(qū)動(dòng)電流（I＝IB+Im）不變，則會(huì)使LD的輸出光功率下降，從而使輸出功率發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出不穩(wěn)定，如圖3－5（a）所示。因此，用數(shù)字信號(hào)調(diào)制LD時(shí)，需要針對(duì)性地采用一定的反饋控制措施，隨輸出光信號(hào)幅度的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)制電流或結(jié)區(qū)溫度，來(lái)維持LD的恒定輸出功率。

1）自動(dòng)功率控制（APC）電路

為穩(wěn)定LD光源的輸出光功率，必須采用自動(dòng)功率控制（APC）電路。從原理上看，應(yīng)該采用一種負(fù)反饋控制的電路，使輸出功率出現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，從而維持恒定輸出。

LD的輸出功率隨注入電流變化，因此維持恒定輸出功率P的基本方法是自動(dòng)調(diào)節(jié)注入電流I，包括控制調(diào)制電流Im或偏置電流IB，或兩者同時(shí)控制。數(shù)字調(diào)制時(shí)，反向調(diào)節(jié)預(yù)偏置電流IB來(lái)穩(wěn)定輸出光功率較方便。所以，LD的APC電路廣泛采用平均光功率負(fù)反饋、自動(dòng)偏置電流控制的方法。圖3－5(b)為背向光反饋預(yù)偏電流自動(dòng)控制APC電路的原理結(jié)構(gòu)，其方法是利用封裝在LD器件內(nèi)部的PIN光電二極管，跟蹤檢測(cè)激光器前向輸出光的背向反射光功率，根據(jù)其變化量調(diào)整IB，即當(dāng)輸出功率減小時(shí)使IB自動(dòng)增大，從而使發(fā)送光功率保持不變。圖3－5

LD輸出功率的變化和控制

2）自動(dòng)溫度控制（ATC）電路

溫度變化會(huì)引起輸出光功率的變化，若單純通過(guò)APC電路調(diào)節(jié)使LD輸出光功率恒定，則在溫度升高時(shí)會(huì)使IB也增大，造成LD結(jié)溫因發(fā)熱而繼續(xù)升高，導(dǎo)致Ith更高，形成惡性循環(huán)，最終可能使LD燒壞。因此，采用專設(shè)的ATC電路單獨(dú)控制LD管芯的溫度，使其維持在正常工作的溫度范圍內(nèi)，以保證LD光源的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

自動(dòng)溫度控制的方式也有多種，比較常用的是基于帕爾帖效應(yīng)的半導(dǎo)體制冷器自動(dòng)控制方式。當(dāng)直流電流通過(guò)特殊材料的半導(dǎo)體制冷器時(shí)，其一端吸熱制冷而在另一端放熱，制冷強(qiáng)度隨通過(guò)電流的增大而增加。因此，將熱敏電阻和制冷器的冷端貼在熱沉上，用熱敏電阻探測(cè)LD的結(jié)區(qū)溫度，通過(guò)外部ATC電路控制通過(guò)制冷器電流的大小，就可以達(dá)到自動(dòng)溫度控制的目的。ATC電路的基本原理如圖3－6（a）所示，圖3－6（b）則是一個(gè)換能電橋的ATC電路結(jié)構(gòu)示例。圖3－6自動(dòng)溫度控制電路

3）LD組件

為了保持半導(dǎo)體激光器的正常穩(wěn)定工作，首先將LD管芯焊在熱沉上以便散熱，還要保證能夠?qū)す馄鞯墓ぷ鳒囟群洼敵龉β蔬M(jìn)行有效和可靠的監(jiān)控，涉及的探測(cè)和控制器件包括背向光檢測(cè)器PIN、熱敏電阻Rt及半導(dǎo)體制冷器TEC等。此外，為了保證光源與光纖的耦合效率，防止污染以及方便使用，通常將帶活動(dòng)連接器的尾纖與LD管芯的發(fā)光面耦合后固定，并將前面的幾種配件和管芯一起封裝在全密封的管殼內(nèi)，形成包括了LD光源、光檢測(cè)器、熱敏電阻、制冷器和標(biāo)準(zhǔn)尾纖五部分組成的LD組件。通過(guò)不同引腳可將LD、光檢測(cè)器、熱敏電阻、制冷器接入相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)、APC和ATC電路中，LD發(fā)出的光耦合到尾纖里，通過(guò)活動(dòng)連接器送入光纖（光纜）線路中傳輸。

4）監(jiān)控告警電路

考慮監(jiān)測(cè)和維護(hù)的需要，光發(fā)送電路設(shè)有監(jiān)測(cè)告警電路，顯示無(wú)光告警、壽命告警等，并監(jiān)測(cè)偏置電流、制冷器電流、發(fā)送光功率等工作參數(shù)。

當(dāng)電路故障、輸入信號(hào)中斷或自身失效而造成LD無(wú)（激）光輸出時(shí)，監(jiān)控告警電路將發(fā)出無(wú)光告警；當(dāng)LD工作預(yù)偏置電流IB上升到初始工作電流的1.5倍，即LD的Ith上升了1.5倍時(shí)，監(jiān)控告警電路將發(fā)出壽命終了提示告警，提醒更換光源器件；繼續(xù)上升到1.7倍時(shí)，發(fā)出失效告警，必須立即更換光源器件。在幾個(gè)電流（實(shí)際為電壓）監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可以監(jiān)測(cè)預(yù)偏置電流IB、制冷器工作電流ITEC和LD發(fā)送光功率。發(fā)送光功率可通過(guò)APC電路中背向光檢測(cè)電流IPD來(lái)監(jiān)測(cè)。此外，為防止LD光源和制冷器的損壞，可在相應(yīng)電路中設(shè)置LD的限流保護(hù)和TEC的限壓保護(hù)等。

歸結(jié)起來(lái)看，一個(gè)性能完善的光發(fā)送機(jī)，除了需要適應(yīng)高速數(shù)字調(diào)制的高性能光源器件和基本光發(fā)送電路外，還需要根據(jù)光源特性（即針對(duì)光源的工作特性）提供功能完善的APC、ATC監(jiān)控告警和保護(hù)電路，這樣才能使光源器件和發(fā)送機(jī)在系統(tǒng)中有效、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。3.2.3光發(fā)送機(jī)的性能指標(biāo)

除了光源器件的基本特性外，衡量發(fā)送機(jī)的主要指標(biāo)還包括平均發(fā)送光功率和消光比等。

光發(fā)送機(jī)的平均光功率是指輸入隨機(jī)碼流時(shí)的平均發(fā)送光功率P，用功率電平表示為（3－1）消光比指輸入全“0”和全“1”碼的平均發(fā)送功率的比值，又稱為斷通比，用功率電平表示為（3－2）對(duì)于采用NRZ碼型的光發(fā)送機(jī)，有P“1”=2PS，則有：（3－3） 3.3光接收機(jī)

數(shù)字光接收機(jī)的作用是將經(jīng)光纜線路傳輸后衰減變形的光脈沖信號(hào)，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換形成電脈沖信號(hào)，并給予足夠的放大、均衡與定時(shí)再生，還原成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)。光接收是光發(fā)送的逆過(guò)程，任務(wù)是完成光電轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)恢復(fù)及定時(shí)提取，因此直接檢測(cè)的光接收機(jī)主要由光接收電路和輸出電路組成，其原理框圖如圖3－7所示。圖3－7直接檢測(cè)的數(shù)字光接收機(jī)原理框圖光接收電路包括光接收放大電路和定時(shí)再生電路，作用是將對(duì)端通過(guò)光纖傳來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并進(jìn)行放大、均衡等處理，再經(jīng)定時(shí)判決還原出波形規(guī)則的線路碼信號(hào)。輸出電路用于將再生的線路碼信號(hào)重新編譯成標(biāo)準(zhǔn)的電接口信號(hào)，送給電端機(jī)。3.3.1光接收放大電路

光接收放大電路由光檢測(cè)器及其偏壓電路、前置放大器、主放大器、均衡放大器和自動(dòng)增益控制（AGC）電路組成，用來(lái)將光信號(hào)變換成一定幅度的、波形良好的電信號(hào)，供后續(xù)電路進(jìn)行再生判決。

1.光檢測(cè)器

光接收機(jī)中，首先由光檢測(cè)器將從光纖接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，因而光檢測(cè)器是光接收機(jī)完成光電轉(zhuǎn)換功能的核心器件。光纖通信系統(tǒng)采用的光檢測(cè)器可以是光電二極管PIN，也可以是雪崩二極管APD，工作時(shí)均采用反向偏置電壓。PIN中沒(méi)有電流倍增，可固定工作在-20～-10V低偏壓下，不需復(fù)雜控制，使用簡(jiǎn)單。APD有100倍左右的內(nèi)部倍增因子，但工作時(shí)需高達(dá)-100～-60V的反向偏壓，且其工作特性對(duì)溫度敏感，需較為復(fù)雜的偏壓控制和溫度補(bǔ)償電路來(lái)保證穩(wěn)定的輸出幅度，一般用于要求性能好、有增益的高靈敏度接收機(jī)中。

2.前置放大器

經(jīng)歷了光纖傳輸過(guò)程的衰減，到達(dá)接收端的光信號(hào)已經(jīng)很微弱了，因此光檢測(cè)器檢出的光電流通常僅在納安數(shù)量級(jí)，必須采用多級(jí)放大將微弱的電信號(hào)放大至判決電路才能正確識(shí)別所需要的穩(wěn)定幅度。多級(jí)放大器中，最前端與光檢測(cè)器相鄰的第一級(jí)放大器稱為前置放大器。

光接收機(jī)最重要的靈敏度指標(biāo)主要與光檢測(cè)器的轉(zhuǎn)換效率和接收機(jī)噪聲有關(guān)，由于光電流信號(hào)微弱且已引入噪聲，噪聲會(huì)在每一級(jí)放大器內(nèi)和信號(hào)一起放大，且每一級(jí)放大器本身產(chǎn)生的噪聲也會(huì)在后續(xù)電路被放大，信噪比并不會(huì)得到改善。因此，選擇一個(gè)高性能的前置放大器尤為重要。前置放大器必須滿足低噪聲、高增益和大帶寬的要求，才能得到較大的信噪比，并保證整個(gè)接收機(jī)的帶寬性能。前置放大器電路有很多類型，如低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器、互阻抗前置放大器等。其中，低阻抗前置放大器的電路簡(jiǎn)單，帶寬大，碼間干擾小，動(dòng)態(tài)范圍大，缺點(diǎn)是噪聲大；高阻抗前置放大器具有低噪聲的優(yōu)勢(shì)，但帶寬窄，動(dòng)態(tài)范圍小，需要均衡補(bǔ)償高頻響應(yīng)；互阻抗前置放大器較好地改善了高阻抗放大器的帶寬、動(dòng)態(tài)范圍和非線性，具有寬頻帶、低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，因而在光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。實(shí)際設(shè)備中，利用混合集成工藝將PIN和場(chǎng)效應(yīng)管FET前置放大器電路直接耦合，做成PIN－FET光接收組件，減小引線電容等雜散電容的影響，以提高檢測(cè)速度和靈敏度，使用效果較好。

3.主放大器

前置放大器的輸出信號(hào)一般為毫伏量級(jí)，可以不考慮噪聲的影響，但仍然不能滿足幅度判決的要求，因此還必須繼續(xù)加以放大。

多級(jí)放大后的定時(shí)再生電路要求接收放大電路輸出的信號(hào)幅度足夠大且恒定，但光接收機(jī)的入射光功率有一個(gè)可變化的動(dòng)態(tài)范圍。因此，要求多級(jí)放大器能適應(yīng)入射光功率的變化，對(duì)放大增益作相應(yīng)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制以保持輸出電平的穩(wěn)定。在光接收機(jī)中，往往把前置放大后能夠進(jìn)行自動(dòng)增益控制（AGC）的放大器稱為主放大器（主放）?？梢?jiàn)，主放主要解決接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍問(wèn)題。當(dāng)輸入光功率變化時(shí)，主放大器的增益受AGC電壓的控制而不斷變化，從而使最終的輸出保持恒定。如當(dāng)入射光功率微弱時(shí)，AGC電壓增高，使主放級(jí)具有較高的增益；而當(dāng)入射光功率較強(qiáng)時(shí)，AGC電壓降低，使主放增益降低甚至成為電調(diào)衰減器。這樣，主放的電壓增益控制范圍可達(dá)50dB，完全可以滿足光接收機(jī)光功率的動(dòng)態(tài)范圍要求。

4.均衡放大器

即使發(fā)送信號(hào)為理想光脈沖，光纖色散、前放和主放的非理想特性也會(huì)造成脈沖展寬等波形畸變，系統(tǒng)各部分的帶寬受限也會(huì)產(chǎn)生較長(zhǎng)的拖尾，這樣會(huì)使前后碼元形成的波形重疊，產(chǎn)生相鄰碼元間的碼間干擾。如果碼間干擾嚴(yán)重，就會(huì)造成定時(shí)判決時(shí)的誤碼。因此，需要將主放的輸出信號(hào)送入均放電路，對(duì)失真的波形進(jìn)行補(bǔ)償，減小碼間干擾，以利于定時(shí)判決。

通常，均放電路由均衡濾波網(wǎng)絡(luò)和兩級(jí)寬放構(gòu)成，故稱為均衡放大器。均衡濾波網(wǎng)絡(luò)由LC元件構(gòu)成，由均衡器對(duì)輸入波形（高頻部分）進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚蛊涑蔀榕袥Q電路易于識(shí)別的波形。濾波器則對(duì)已均衡信號(hào)中的（低頻）噪聲進(jìn)行限制。經(jīng)過(guò)均衡濾波后，盡管還有拖尾，但所有判決時(shí)刻均為拖尾的過(guò)零點(diǎn)，從而基本消除了碼間干擾，提高了信噪比。兩級(jí)寬帶放大主要用來(lái)保證接收機(jī)有足夠的增益，并為自動(dòng)增益控制電路提供輸入信號(hào)。此外，還在寬放中提供一個(gè)“眼圖”的觀測(cè)點(diǎn)。通過(guò)觀測(cè)“眼圖”可以對(duì)信號(hào)的均衡質(zhì)量作出判斷，均衡后眼圖張開(kāi)度大、跡線清晰、圖形對(duì)稱穩(wěn)定，則說(shuō)明碼間干擾和噪聲小。

5.自動(dòng)增益控制（AGC）

實(shí)際系統(tǒng)中，光接收機(jī)的輸入功率會(huì)隨環(huán)境和條件變化，為使定時(shí)再生電路能進(jìn)行正確的判決，要求光接收放大電路保持恒定的輸出。因此設(shè)置了自動(dòng)增益控制（AGC）電路，確保接收光功率在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，光接收放大電路輸出信號(hào)的幅度穩(wěn)定，從而保證光接收機(jī)有一定的動(dòng)態(tài)范圍。

AGC電路由峰值檢波、直流放大及告警電路構(gòu)成，從寬放輸出的信號(hào)一部分供后續(xù)電路再生，另一部分送至峰值檢波電路，檢出主放輸出信號(hào)的峰值，經(jīng)放大后控制主放的放大電路的增益狀態(tài)和增益大小，達(dá)到自動(dòng)增益控制的目的。

經(jīng)多級(jí)放大后，光接收放大電路應(yīng)能夠保證其輸出信號(hào)具有足夠大而恒定的峰值幅度。3.3.2定時(shí)再生電路

定時(shí)再生電路用來(lái)將光接收還原出的電信號(hào)恢復(fù)為原始的數(shù)字脈沖信號(hào)，并抑制傳輸及前方電路產(chǎn)生的畸變和噪聲。如圖3－8所示，定時(shí)再生電路由基線恢復(fù)、定時(shí)提取和判決電路等電路組成。圖3－8定時(shí)再生電路原理

1.基線恢復(fù)

發(fā)送端線路碼型變換改善了信碼中的連“0”或連“1”，使信號(hào)中的直流成分出現(xiàn)起伏，但接收信碼中仍存在一定程度的“0”、“1”分布不均勻，經(jīng)過(guò)各放大級(jí)間的RC交流耦合，引起信號(hào)的低電平隨直流成分的變化而起伏的基線漂移。若基線漂移嚴(yán)重，則可能導(dǎo)致判決錯(cuò)誤產(chǎn)生誤碼。因此在定時(shí)再生電路中，首先要對(duì)均衡后的信號(hào)進(jìn)行基線恢復(fù)處理，通過(guò)鉗位法或負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)跟隨法等處理，將信號(hào)的基線(即低電平)固定在某一電平上，消除基線漂移現(xiàn)象。

2.判決電路

判決電路的作用是將光接收放大電路輸出的波形識(shí)別成與發(fā)端一致的數(shù)字脈沖，實(shí)現(xiàn)信碼再生，方法是在判決時(shí)刻對(duì)均衡波形進(jìn)行幅度的取樣比較。當(dāng)樣值大于閾值電平VF（判決電平）時(shí)，確定碼元為“1”；當(dāng)樣值小于閾值電平時(shí)，確定碼元為“0”。

從均衡波形中提取出準(zhǔn)確頻率的時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)南嘁坪蟮玫脚袥Q時(shí)刻。最佳判決時(shí)刻應(yīng)是眼圖峰－峰值（即張開(kāi)度最大處）對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。

判決電路通常為簡(jiǎn)單的D觸發(fā)器，如圖3－8（b）所示。其最佳判決電平取眼圖波形峰－峰幅度的一半，考慮疊加噪聲的影響，取判決電平略低于眼圖中心的電平，以減少誤碼。

3.定時(shí)提取

定時(shí)提取電路從接收放大電路的眼圖波形（即均放輸出）中提取時(shí)鐘信號(hào)，用以確定最佳判決時(shí)刻。經(jīng)過(guò)基線處理的信號(hào)，首先通過(guò)限幅放大比較等方法進(jìn)行幅度判決，形成NRZ碼形式的脈沖信號(hào)。NRZ碼信號(hào)的功率譜不包含時(shí)鐘頻率成分，因此隨后通過(guò)非線性處理將其變換成RZ碼信號(hào)。然后將RZ碼信號(hào)送入窄帶諧振濾波電路或數(shù)字鎖相環(huán)電路，提取出時(shí)鐘信號(hào)。最后將恢復(fù)出的時(shí)鐘信號(hào)送入判決電路，將其輸入信號(hào)還原為線路碼型的信號(hào)。3.3.3輸出電路

1.線路碼型反變換電路

為了使信號(hào)碼流能夠高質(zhì)量地在光纖中傳輸，光發(fā)送電路輸出的信號(hào)要經(jīng)過(guò)擾碼和線路編碼處理。經(jīng)光纖線路系統(tǒng)傳輸后，需將其還原之后再送入對(duì)應(yīng)的接收電端機(jī)處理。信號(hào)首先通過(guò)線路碼型反變換電路（它包含解擾和解碼電路），將光線路碼型恢復(fù)為線路碼型變換前的排列順序和NRZ碼業(yè)務(wù)信號(hào)，并將發(fā)端插入的各種輔助業(yè)務(wù)信號(hào)分離后處理。主、輔信號(hào)的分離依賴線路碼型中插入的同步碼識(shí)別，前端提取的時(shí)鐘經(jīng)時(shí)鐘變換電路的頻率變換后提供給解碼電路。

2.輸出接口電路

輸出接口電路是光接收輸出口與數(shù)字復(fù)用設(shè)備輸入口之間的接口電路，用來(lái)將NRZ碼變?yōu)檫M(jìn)入光線路系統(tǒng)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電接口碼型，即重新編碼為HDB3碼或CMI碼，同時(shí)其他各項(xiàng)接口指標(biāo)也應(yīng)符合相應(yīng)的電接口標(biāo)準(zhǔn)。3.3.4光接收機(jī)的性能指標(biāo)

光接收機(jī)是光線路系統(tǒng)的目的端，其任務(wù)就是以最小的附加噪聲和失真將經(jīng)光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)還原為原來(lái)的信號(hào)，因此光接收機(jī)的性能綜合反應(yīng)了整個(gè)系統(tǒng)的傳輸性能，而表征光接收機(jī)性能的指標(biāo)也用輸出信號(hào)的質(zhì)量來(lái)衡量。

1.光接收機(jī)的主要指標(biāo)

光接收機(jī)的主要指標(biāo)包括光接收機(jī)靈敏度、光接收機(jī)的過(guò)載電平、光通道的功率代價(jià)和光接收機(jī)的反射系數(shù)等。

1）光接收機(jī)靈敏度

光接收機(jī)靈敏度用來(lái)表征光接收機(jī)接收微弱光信號(hào)的能力，定義為在規(guī)定接收質(zhì)量（如規(guī)定的誤碼率或信噪比）的條件下，光接收機(jī)允許的最小輸入平均光功率PRmin，工程中用絕對(duì)功率電平Sr（單位為dBm）表示為（3－4）光接收機(jī)靈敏度還可用規(guī)定的誤碼率或信噪比條件下，每個(gè)光脈沖的最低平均光子數(shù)n0或每個(gè)光脈沖的最低平均能量Ed表示。對(duì)于“1”、“0”碼等概率分布的NRZ碼光脈沖，PRmin、Ed和n0三者間的關(guān)系為（3－5）式中，T為碼元時(shí)隙，T=1/fb。 光接收機(jī)的誤碼率會(huì)隨著接收光功率的過(guò)度下降而增加。對(duì)于不同的誤碼率要求，接收機(jī)的靈敏度也不同。

2）光接收機(jī)的過(guò)載電平

光接收機(jī)的接收功率過(guò)高，也會(huì)使誤碼率增加。光接收機(jī)的過(guò)載電平定義為規(guī)定誤碼率（或信噪比）的條件下，光接收機(jī)允許的最大輸入平均光功率PRmax：（3－6）由此得到光接收機(jī)的另一個(gè)重要指標(biāo)，即用來(lái)表征光接收機(jī)適應(yīng)輸入信號(hào)變化能力的動(dòng)態(tài)范圍。在規(guī)定誤碼率或信噪比的條件下，光接收機(jī)允許的最大輸入平均光功率PRmax

和最小輸入平均光功率PRmin的比值，工程中用相對(duì)功率電平Dr（dB）表示為（3－7）3）光通道的功率代價(jià)ΔPP

光通道的功率代價(jià)ΔPP是指由于激光器啁啾、模式分配噪聲、光纖色散、抖動(dòng)、碼間干擾和光通道反射等因素引起的靈敏度（功率）的總劣化。

2.光接收機(jī)的噪聲

光接收機(jī)中存在各種噪聲，包括外部引入和接收機(jī)本身產(chǎn)生的多種噪聲。

1）接收機(jī)的輸入噪聲

隨接收光信號(hào)而來(lái)的輸入噪聲是由光發(fā)送機(jī)和光纖傳輸?shù)姆抢硐胩匦援a(chǎn)生的，如發(fā)送機(jī)消光比的影響、模式分配噪聲和光纖色散引起的碼間干擾等。直接強(qiáng)度調(diào)制下的光源，由于要設(shè)置一定的偏置電流以保證良好的調(diào)制特性，因此無(wú)信號(hào)脈沖時(shí)也會(huì)有一定的輸出功率，導(dǎo)致EXT≠0。這種直流光將在接收機(jī)中產(chǎn)生噪聲，影響接收機(jī)靈敏度。

2）接收機(jī)本身產(chǎn)生的噪聲

光接收機(jī)本身的噪聲指組成光接收機(jī)的器件和電路中產(chǎn)生的各種噪聲，主要包括光檢測(cè)器噪聲和后續(xù)電路噪聲等。此外，還有光電轉(zhuǎn)換過(guò)程引起的光量子噪聲、暗電流噪聲、放大器噪聲、APD的倍增噪聲、負(fù)載電阻R的熱噪聲等。放大器噪聲是由放大器（主要是前置放大器）本身引起的噪聲，包括放大器的散粒噪聲和熱噪聲。光接收機(jī)帶寬受限、均衡不完善等，都會(huì)產(chǎn)生一定程度的碼間干擾，降低系統(tǒng)的傳輸性能，使光接收機(jī)的靈敏度惡化。

3.光接收機(jī)靈敏度的簡(jiǎn)單分析

由于散粒噪聲和熱噪聲的影響，因此實(shí)際光接收機(jī)的靈敏度相對(duì)光量子極限有顯著劣化。光檢測(cè)器的暗電流與非零消光比的殘留光一樣，會(huì)在接收機(jī)中產(chǎn)生噪聲，降低光接收機(jī)的靈敏度。在APD光檢測(cè)器中，有倍增的暗電流對(duì)靈敏度的影響更大。低速率系統(tǒng)中，Si－APD的暗電流為100×10-12A時(shí)光接收機(jī)的靈敏度相對(duì)暗電流為0時(shí)降低了0.5dB左右。

用計(jì)算信噪比的方法（主要考慮檢測(cè)器的散粒噪聲和前置放大器噪聲），可獲得光接收機(jī)的靈敏度。

1）PIN光接收機(jī)的靈敏度

PIN光接收機(jī)是以PIN為光檢測(cè)器的接收機(jī)，因PIN無(wú)倍增噪聲，經(jīng)復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可得到采用PIN－FET光接收組件的光接收機(jī)靈敏度，即所需的平均最小光功率為（3－8）式中：為響應(yīng)度，為光脈沖寬度，Q為信噪比參數(shù)，與誤碼率有關(guān)：（3－9）

2）APD光接收機(jī)的靈敏度

APD光接收機(jī)是以APD為檢測(cè)器件的光接收機(jī)，APD內(nèi)部的噪聲包括放大器噪聲、APD倍增噪聲和暗電流噪聲等，計(jì)算各種噪聲可導(dǎo)出接收機(jī)靈敏度。采用FET互阻抗前放的APD光接收機(jī)的靈敏度為（3－10）從前面推導(dǎo)的幾種光接收機(jī)靈敏度公式中可以看出，在一定誤碼率條件下，影響靈敏度的器件和系統(tǒng)特性參數(shù)主要包括量子效率、工作波長(zhǎng)和信號(hào)速率等。當(dāng)系統(tǒng)波長(zhǎng)越小、信號(hào)速率越高時(shí)，量子效率越小，而系統(tǒng)噪聲越大，靈敏度下降越嚴(yán)重。在實(shí)際工程應(yīng)用中，光接收機(jī)所需的最小接收光功率可按如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算（取誤碼率Pe=10-9）：（3－11）式中:fb為系統(tǒng)碼速（單位為Mb/s）；fb0為基準(zhǔn)計(jì)算碼速，取fb0=25Mb/s。 3.4光電混合中繼器

光纖線路系統(tǒng)中，由于光纖的傳輸損耗、連接器等的插入損耗以及光纖的色散和非線性效應(yīng)等因素的作用，光發(fā)送機(jī)發(fā)送的光信號(hào)經(jīng)光纖鏈路傳輸后會(huì)產(chǎn)生幅度衰減和波形畸變等失真，且失真程度隨距離增加而積累，限制了光纖線路系統(tǒng)的傳輸能力。因此，必須在信號(hào)的失真接近無(wú)法正確恢復(fù)前，即每間隔一定距離，采用光中繼的方式對(duì)失真光信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償和恢復(fù)，再將質(zhì)量恢復(fù)的光信號(hào)重新發(fā)送出去，以延長(zhǎng)通信距離。和其他數(shù)字信號(hào)一樣，完全意義上的光信號(hào)再生中繼稱為3R再生，包括光信號(hào)的放大、整形和定時(shí)再生三部分。理想的光中繼要求極為嚴(yán)格，包括對(duì)數(shù)據(jù)格式和速率透明，對(duì)輸入光信號(hào)的功率起伏、偏振狀態(tài)以及定時(shí)抖動(dòng)不敏感等。

光中繼可以在電域完成，即先通過(guò)光/電變換將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在電域完成放大、整形和定時(shí)再生的3R功能，再經(jīng)電/光變換將電信號(hào)重新轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，故稱為光/電/光中繼或光電混合中繼。光電混合中繼方式具有消光比高、偏振不敏感的優(yōu)點(diǎn)，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高和速率限制等缺點(diǎn)。光中繼也可以直接在光域完成，即不需要光電轉(zhuǎn)換的中間處理，完全在光域完成光信號(hào)直接放大、整形和定時(shí)再生的3R功能，故稱為全光中繼。全光中繼突破了“電子瓶頸”的速率限制，并保證了全光傳輸?shù)耐该餍?。目前的全光中繼僅能完成1R功能，即由光放大器（OA）完成的再放大，還需要進(jìn)一步解決光均衡和光定時(shí)提取基礎(chǔ)上的光判決等光信號(hào)整形再生技術(shù)難題，才能真正實(shí)現(xiàn)全光中繼。

現(xiàn)階段因?yàn)槿庵欣^還存在一些難以克服的困難，所以主要采用的仍然是光電混合中繼的方式。光纖通信系統(tǒng)中常采用背靠背的光電混合中繼方式來(lái)補(bǔ)償光信號(hào)的幅度衰減和波形失真，即首先將已失真波形轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行均衡放大等整形處理，得到性能良好的電信號(hào)，再將其重新轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并耦合進(jìn)下一個(gè)段落的光纖繼續(xù)傳輸。數(shù)字光電中繼器的作用包括光電、電光轉(zhuǎn)換間的電信號(hào)的整形、再定時(shí)和再生，故又稱為再生中繼器。

單純的光電混合中繼器主要解決的是光信號(hào)劣化的問(wèn)題，即進(jìn)行線路碼型的光信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)，因此其基本組成包括光接收放大、定時(shí)判決和光發(fā)送三部分，省略了進(jìn)行電信號(hào)適配和補(bǔ)償?shù)妮斎腚娐泛洼敵鲭娐返却a型變換部分的電路。光電混合中繼器的原理框圖如圖3－9所示。圖3－9光電混合中繼器原理框圖

在光電混合中繼器中，首先在光接收電路中由光檢測(cè)器將衰減和失真的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的光電流信號(hào)，再經(jīng)放大均衡后恢復(fù)出原始電信號(hào)，最后送入光發(fā)送電路直接調(diào)制光源輸出光信號(hào)，重又送入光纖線路繼續(xù)向前方傳遞。

實(shí)際光纖線路系統(tǒng)通常為雙向的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)，因此在中間的光電中繼器設(shè)置兩個(gè)反向的光電中繼器，以完成雙向的光中繼傳輸，即每個(gè)傳送方向各配置一套光接收和光發(fā)送電路。此外，還需設(shè)置輔助電路，用來(lái)分離和插入與主信號(hào)一起傳輸?shù)妮o助業(yè)務(wù)信號(hào)，提供維護(hù)管理操作所需的多種輔助功能。光中繼器功能方框圖如圖3－10所示。圖3－10光中繼器功能方框圖

3.5數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的性能

3.5.1光纖線路系統(tǒng)的傳輸損傷

1.光纖線路系統(tǒng)中的差錯(cuò)

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，接收序列和發(fā)送序列中任何對(duì)應(yīng)單個(gè)數(shù)碼（又稱碼元）的不一致稱為差錯(cuò)（Error）。抖動(dòng)、漂移、滑動(dòng)、時(shí)延和幀失步等傳輸損傷，最終都可能導(dǎo)致差錯(cuò)，可見(jiàn)差錯(cuò)是各種數(shù)字傳輸損傷的綜合反映。

差錯(cuò)是數(shù)字系統(tǒng)主要的傳輸損傷，ITU－T定義了各種不同的差錯(cuò)。

1）差錯(cuò)的類型和評(píng)定

對(duì)于只有兩種符號(hào)(即“0”和“1”)的數(shù)字比特流，接收序列對(duì)應(yīng)發(fā)送序列的單個(gè)數(shù)字比特不一致的錯(cuò)誤稱為比特差錯(cuò)（BitError），也稱為誤碼。

一組與數(shù)字傳送通道有關(guān)的連續(xù)比特的集合可看成一個(gè)整體“塊”，每一比特屬于且僅屬于一個(gè)塊。收發(fā)序列對(duì)應(yīng)的塊中發(fā)生任意一個(gè)以上的比特差錯(cuò)，則稱為塊差錯(cuò)（BlockError），發(fā)生差錯(cuò)的塊稱為差錯(cuò)塊（ErroredBlock）。差錯(cuò)發(fā)生的多少用差錯(cuò)率衡量，差錯(cuò)率是指在特定的一段時(shí)間內(nèi)所接收到的差錯(cuò)比特(塊)數(shù)與在同一時(shí)間內(nèi)接收的總比特(塊)數(shù)之比，表示為（3－12）對(duì)應(yīng)比特差錯(cuò)和塊差錯(cuò)，其差錯(cuò)率稱為比特差錯(cuò)率（誤碼率）和塊差錯(cuò)率（誤塊率），數(shù)字系統(tǒng)常采用比特差錯(cuò)率(BER)衡量差錯(cuò)性能。對(duì)于比特率恒定為fb的數(shù)字通道，其差錯(cuò)率為誤碼率（3－13）

2）誤碼形成的原因

誤碼形成的原因是多方面的。光纖線路系統(tǒng)是十分穩(wěn)定的數(shù)字傳輸通道，基本上不受外界電磁干擾的影響，因此造成系統(tǒng)誤碼的原因主要為內(nèi)部原因。

系統(tǒng)設(shè)備各組成電路的噪聲，最終反應(yīng)為光接收機(jī)中的有光檢測(cè)器的散彈噪聲、雪崩光電二極管的雪崩倍增噪聲、放大器噪聲、熱噪聲、模式分配噪聲、光反射噪聲等，這些將導(dǎo)致接收信噪比降低，產(chǎn)生判決誤碼。

光纖色散和非線性效應(yīng)引起的光脈沖展寬以及設(shè)備帶寬限制，會(huì)引起相鄰碼元間的碼間干擾（ISI），在光接收機(jī)中由于均衡不完善，不能完全消除干擾。當(dāng)這種干擾較大時(shí)，會(huì)在定時(shí)再生時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤判決產(chǎn)生誤碼。帶有抖動(dòng)和漂移的數(shù)字流與定時(shí)提取恢復(fù)的定時(shí)（時(shí)鐘）信號(hào)之間，存在著動(dòng)態(tài)相位偏離的定時(shí)偏差，將造成接收機(jī)有效判決時(shí)刻偏離最佳判決時(shí)刻，定時(shí)偏差較大時(shí)也會(huì)引起誤碼。

溫度變化、老化、失調(diào)等原因會(huì)使判決電路判決門限偏移，造成判決錯(cuò)誤的誤碼。

實(shí)際運(yùn)行的光纖（纜）線路系統(tǒng)中，一些具有突發(fā)性質(zhì)的脈沖干擾也會(huì)引發(fā)誤碼，如靜電放電、配線架電接觸不良、設(shè)備和傳輸通路故障、電源瞬間干擾等。當(dāng)這些脈沖干擾超過(guò)系統(tǒng)固有的高信噪比門限時(shí)，會(huì)造成大量突發(fā)性集中誤碼。

3）誤碼發(fā)生的形態(tài)和描述

誤碼（差錯(cuò)）過(guò)程是一個(gè)與產(chǎn)生機(jī)理相關(guān)的復(fù)雜的隨機(jī)過(guò)程，對(duì)誤碼的描述需要用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的理論和方法。

如前所說(shuō)，絕大多數(shù)的誤碼（差錯(cuò)）發(fā)生形態(tài)可歸為兩種。一種是內(nèi)部獨(dú)立因素造成的隨機(jī)誤碼，表現(xiàn)為單個(gè)隨機(jī)發(fā)生的、偶然性的誤碼，構(gòu)成低水平的背景誤碼，其分布應(yīng)服從泊松分布規(guī)律。 另一種是一些具有突發(fā)性質(zhì)的外部脈沖干擾引起的突發(fā)誤碼，表現(xiàn)為某個(gè)瞬間集中爆發(fā)的、成群發(fā)生的高誤碼率的誤碼，而在其他大部分時(shí)間可能幾乎沒(méi)有誤碼。脈沖干擾本身是隨機(jī)的，每次突發(fā)群誤碼事件中的誤碼個(gè)數(shù)也是隨機(jī)的，因此這類誤碼在數(shù)學(xué)上可以較好地用一類A型傳染?。ɑ蚍Q紐曼分布）來(lái)描述。

2.光纖線路系統(tǒng)中的抖動(dòng)

抖動(dòng)（Jitter）是另一種常見(jiàn)的傳輸損傷，指?jìng)鬏斶^(guò)程中信號(hào)的瞬時(shí)相位不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

1）抖動(dòng)的概念

數(shù)字信號(hào)的抖動(dòng)定義為數(shù)字信號(hào)的各有效瞬間相對(duì)其理想時(shí)間位置的短時(shí)的非積累性偏移。所謂有效瞬間指數(shù)字信號(hào)的特定重要時(shí)刻，如業(yè)務(wù)信號(hào)的判決時(shí)刻、時(shí)鐘信號(hào)的前后沿；所謂理想時(shí)間位置是指由高頻率準(zhǔn)確度的參考時(shí)鐘產(chǎn)生的單位間隔等距數(shù)字信號(hào)的時(shí)隙位置（即相位）；所謂短時(shí)的非積累性偏離是指偏離隨時(shí)間變化較快，有正偏、零偏和負(fù)偏，平均值為零。抖動(dòng)的大小或幅度通?？捎脮r(shí)間、相位度數(shù)或數(shù)字碼元周期來(lái)度量，ITU－T建議采用“單位間隔”或稱時(shí)隙(UI)來(lái)表示。1UI相當(dāng)于1個(gè)數(shù)字比特所占有的時(shí)間間隔，即傳輸比特率的倒數(shù)1/fb。不同傳輸速率下，UI表示的時(shí)間間隔不同。抖動(dòng)頻率用來(lái)表示數(shù)字信號(hào)相位變化的快慢，工程中將10Hz以上的快速相位擺動(dòng)稱為抖動(dòng)。

可見(jiàn)，抖動(dòng)是一種高頻相位噪聲。數(shù)字信號(hào)的抖動(dòng)可以分為信號(hào)抖動(dòng)和定時(shí)抖動(dòng)，分別指?jìng)鬏斝盘?hào)和定時(shí)信號(hào)的相位變化和同步誤差。大幅度抖動(dòng)積累將造成數(shù)字信號(hào)的誤碼和還原后模擬信號(hào)的失真，幅度特別大的抖動(dòng)沖擊甚至?xí)a(chǎn)生幀失步和幀丟失。

2）數(shù)字光纖線路系統(tǒng)的抖動(dòng)

數(shù)字光纖線路系統(tǒng)內(nèi)部的抖動(dòng)可分為隨機(jī)性抖動(dòng)和系統(tǒng)性抖動(dòng)。

隨機(jī)性抖動(dòng)的形成來(lái)源于系統(tǒng)設(shè)備中噪聲引起的信號(hào)過(guò)零點(diǎn)隨機(jī)變化，使信號(hào)脈沖波形產(chǎn)生隨機(jī)畸變，導(dǎo)致定時(shí)濾波器的輸出定時(shí)信號(hào)波形產(chǎn)生隨機(jī)的相位寄生調(diào)制，形成抖動(dòng)。如定時(shí)電路振蕩器輸出信號(hào)的相位噪聲，數(shù)字邏輯電路開(kāi)關(guān)時(shí)刻的不確定性等引起的抖動(dòng)。定時(shí)濾波器失諧會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱的輸出波形，造成時(shí)鐘分量幅度和相位上的調(diào)制，引起定時(shí)抖動(dòng)；時(shí)鐘電路本身的高頻相位噪聲，將導(dǎo)致輸出定時(shí)信號(hào)相位抖動(dòng)。系統(tǒng)性抖動(dòng)是指溫度變化和元器件老化等引起系統(tǒng)內(nèi)部電路性能參數(shù)變化，從而形成的與數(shù)字信號(hào)的碼型（圖案）有關(guān)的抖動(dòng)。例如，均衡器殘余的碼間干擾使數(shù)字信號(hào)通過(guò)非線性元件后，產(chǎn)生輸出脈沖峰值位置隨機(jī)偏移的定時(shí)抖動(dòng)；限幅器的門限偏移使輸出脈沖位置隨與信息圖案有關(guān)的輸入信號(hào)幅度變化而變化，形成圖案相關(guān)抖動(dòng)；高速調(diào)制激光器的動(dòng)態(tài)特性影響光脈沖的波形，組成圖案相關(guān)抖動(dòng)。

如果光線路終端設(shè)備集成了電信號(hào)的復(fù)用功能，則還將引入數(shù)字復(fù)用過(guò)程中由于同步調(diào)整性插入而引起的復(fù)接抖動(dòng)，包括碼速調(diào)整抖動(dòng)和指針調(diào)整抖動(dòng)。PDH復(fù)用器的輸出抖動(dòng)主要是碼速調(diào)整的候時(shí)抖動(dòng)；SDH復(fù)用器的輸出抖動(dòng)包括碼速調(diào)整的異步映射抖動(dòng)、指針調(diào)整抖動(dòng)和映射抖動(dòng)與指針調(diào)整抖動(dòng)的結(jié)合抖動(dòng)。線路系統(tǒng)采用擾碼器可以增加傳輸信息的隨機(jī)性，使各個(gè)再生判決電路產(chǎn)生的系統(tǒng)抖動(dòng)分量的相關(guān)性減弱，從而有效改善了抖動(dòng)積累特性。在端機(jī)中設(shè)置抖動(dòng)減少器（帶緩存器的鎖相環(huán)），通過(guò)窄帶鎖相環(huán)過(guò)濾和緩存讀出后，可大大減少信號(hào)的抖動(dòng)分量。在支路輸出口采用結(jié)合了緩存器和相位平滑電路的解同步器，可以減少?gòu)?fù)接抖動(dòng)和漂移幅度。

3.光纖線路系統(tǒng)中的漂移

漂移（Wander）是指數(shù)字信號(hào)的有效瞬間相對(duì)其理想時(shí)間位置的長(zhǎng)期的、非累積性的偏移。所謂長(zhǎng)期的偏移是指偏移隨時(shí)間變化較慢，工程上認(rèn)為頻率低于10Hz的相位變化為漂移。漂移是一種大幅度的、緩慢的相位變化，因此，漂移的描述采用類似隨機(jī)噪聲的方法，一般用時(shí)間間隔誤差TIE、最大時(shí)間間隔誤差MTIE和時(shí)間偏差TDEV表示。

漂移是一種信號(hào)相位的緩慢變化，即低頻相位噪聲，其形成的主要原因是環(huán)境溫度的變化引起傳輸媒質(zhì)和設(shè)備特性變化，使數(shù)字信號(hào)或定時(shí)信號(hào)的相位產(chǎn)生緩慢變化的低頻噪聲。對(duì)光纖（纜）線路系統(tǒng)而言，環(huán)境溫度變化導(dǎo)致光纖（纜）線路特性（如長(zhǎng)度）發(fā)生緩慢積累的變化，從而引起信號(hào)傳輸時(shí)延緩慢變化的日漂動(dòng)等；環(huán)境溫度變化還會(huì)引起時(shí)鐘電路參數(shù)的緩慢變化，使輸出定時(shí)信號(hào)產(chǎn)生相位緩慢變化。漂移引起數(shù)字信號(hào)的比特偏離時(shí)間上的理想位置，結(jié)果使輸入信號(hào)比特在判決電路中不能正確地識(shí)別，產(chǎn)生誤碼。長(zhǎng)期緩慢積累的漂移幅度可能很大，若超過(guò)緩沖存儲(chǔ)器的容量，會(huì)造成緩存器的溢出或取空，從而產(chǎn)生滑動(dòng)損傷。

同樣，極低頻率的碼速調(diào)整和指針調(diào)整也會(huì)使復(fù)用器產(chǎn)生復(fù)接漂移。

4.傳輸時(shí)延

信號(hào)傳輸時(shí)延是指信號(hào)從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩怂枰臅r(shí)間，時(shí)延過(guò)大會(huì)使通路發(fā)生困難，因此必須對(duì)其加以控制。光纖線路系統(tǒng)的傳輸時(shí)延包括在光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)中電光轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的時(shí)延，以及光信號(hào)在光纖鏈路中的傳輸時(shí)延。其中，光纖鏈路的傳輸時(shí)延主要取決于光纖媒質(zhì)的折射率。3.5.2數(shù)字傳輸參考模型

數(shù)字信號(hào)在全部傳輸過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)受到一定的損傷，因此，在進(jìn)行傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要將其置身于全程通信連接的環(huán)境中，研究每個(gè)部分傳輸損傷的來(lái)源，確定各部分性能指標(biāo)的合理分配，以滿足全程傳輸總體性能。

通信連接是指通信網(wǎng)中從用戶至用戶的端到端通信的全部手段。實(shí)際通信連接的情況十分復(fù)雜，為此，需要對(duì)應(yīng)通信網(wǎng)絡(luò)、端到端國(guó)際連接、國(guó)際/國(guó)內(nèi)鏈路、國(guó)際鏈路的國(guó)內(nèi)部分和單個(gè)傳輸系統(tǒng)建立不同的“數(shù)字參考模型”，來(lái)作為傳輸質(zhì)量的研究和核算對(duì)象，要求不同模型能涵蓋絕大多數(shù)的實(shí)際應(yīng)用，以保證其具有真正的代表性和實(shí)用性。

ITU－T建議提出了各種數(shù)字傳輸模型，如假設(shè)參考連接(HRX)、假設(shè)參考數(shù)字鏈路(HRDL)和假設(shè)參考數(shù)字段(HRDS)等。

1.假設(shè)參考連接(HRX)

假設(shè)參考連接（HRX）是電信網(wǎng)中一個(gè)具有規(guī)定結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度和性能的假設(shè)數(shù)字連接。作為全程通信網(wǎng)絡(luò)性能研究的假想實(shí)體，它充分考慮網(wǎng)絡(luò)間的管轄邊界，通常是通信距離最長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、傳輸質(zhì)量接近最差的數(shù)字連接配置。實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，比假設(shè)參考連接HRX更復(fù)雜的連接的出現(xiàn)概率極低，因此，絕大部分實(shí)際連接的性能要比最長(zhǎng)HRX好得多。只要HRX模型的傳輸質(zhì)量能滿足要求，其他情況就基本均可滿足。圖3－11為ITU－TG.801建議的標(biāo)準(zhǔn)最長(zhǎng)（27500km）的HRX組成，是國(guó)際通信的兩個(gè)用戶/網(wǎng)絡(luò)接口參考點(diǎn)T之間速率為64kb/s的全數(shù)字連接，由14段電路串聯(lián)而成。其中兩個(gè)本地交換端局（LE）間共有12段，國(guó)內(nèi)部分和國(guó)外部分的分界點(diǎn)可以是終端國(guó)際網(wǎng)關(guān)（IG）中的交叉連接設(shè)備、高次群復(fù)用器或交換機(jī)（ISC）。由此可進(jìn)一步導(dǎo)出其中各個(gè)較小實(shí)體部分的性能指標(biāo)。圖3－11標(biāo)準(zhǔn)最長(zhǎng)的假設(shè)參考連接（HRX）

隨著新型高速寬帶業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，實(shí)際的端到端通信也可能建立在高比特率數(shù)字通道的基礎(chǔ)上。故ITU－T引入了固定長(zhǎng)度數(shù)字通道,即假設(shè)參考通道（HRP）的概念，以便進(jìn)行高比特率通道的分析和指標(biāo)分配等研究。HRP為標(biāo)準(zhǔn)最長(zhǎng)27500km長(zhǎng)度的端到端國(guó)際數(shù)字通道，是用于傳送2Mb/s以上規(guī)定速率的數(shù)字信號(hào)的全部手段（裝置），其結(jié)構(gòu)與HRX相同。

為保證全程通信質(zhì)量，必須將HRX分解成較短距離的傳輸模型，以便研究和規(guī)定數(shù)字連接各個(gè)段落的傳輸性能。

2.假設(shè)參考數(shù)字鏈路（HRDL）

數(shù)字傳輸鏈路是相鄰交換設(shè)備間或交換設(shè)備和用戶設(shè)備間數(shù)字業(yè)務(wù)信號(hào)傳輸?shù)娜渴侄?。具有一定組成、長(zhǎng)度和規(guī)定業(yè)務(wù)信號(hào)速率的數(shù)字鏈路的網(wǎng)絡(luò)模型，即為假設(shè)參考數(shù)字鏈路（HRDL），又稱假設(shè)參考數(shù)字通道（HRDP）。

HRDL是HRX的一個(gè)組成部分，ITU－T沒(méi)有規(guī)定其具體構(gòu)成，而由各國(guó)自行研究解決，通常2500km的長(zhǎng)度被認(rèn)為是一個(gè)合適的距離。

數(shù)字鏈路可以包括不同傳輸媒質(zhì)的線路傳輸系統(tǒng)和復(fù)用設(shè)備，因此需建立更小的對(duì)應(yīng)實(shí)際線路傳輸系統(tǒng)的模型，以研究、規(guī)范和分配實(shí)際物理系統(tǒng)的傳輸性能指標(biāo)。

3.假設(shè)參考數(shù)字段（HRDS）

規(guī)定速率數(shù)字通道信號(hào)的全部傳輸手段，即特定傳輸媒質(zhì)的高速數(shù)字傳輸系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)數(shù)字段，通常包括線路終端設(shè)備（端機(jī)和再生器）和傳輸線路。為保證全程傳輸?shù)馁|(zhì)量，方便實(shí)際的維護(hù)管理，ITU－T引入假設(shè)參考數(shù)字段（HRDS）作為確定數(shù)字（線路）傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型，它是指具有一定長(zhǎng)度和指標(biāo)規(guī)范的數(shù)字段。HRDS是構(gòu)成HRDL的一部分，可以很好地規(guī)范網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，又便于導(dǎo)出設(shè)備的設(shè)計(jì)指標(biāo)，并指導(dǎo)系統(tǒng)的維護(hù)。

HRDS應(yīng)該是實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中典型長(zhǎng)度的數(shù)字段，中國(guó)的HRDS標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為420km、280km和50km，分別對(duì)應(yīng)國(guó)家一級(jí)干線、二級(jí)干線和本地局間中繼。3.5.3差錯(cuò)（誤碼）性能規(guī)范

1.差錯(cuò)性能評(píng)定

以前用長(zhǎng)期平均比特差錯(cuò)率（LTBER），即較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)（一個(gè)月以上）的平均差錯(cuò)率來(lái)評(píng)定信息的傳輸質(zhì)量，它不能客觀反映誤碼的實(shí)際時(shí)間分布，僅適于衡量長(zhǎng)期僅有少量單個(gè)隨機(jī)誤碼的穩(wěn)定系統(tǒng)的背景誤碼水平，如不易受外部干擾的光再生段的性能指標(biāo)。

實(shí)際系統(tǒng)的誤碼往往呈突發(fā)性和隨機(jī)性，而不同的誤碼分布對(duì)不同業(yè)務(wù)的質(zhì)量影響是不一樣的。為能準(zhǔn)確反映實(shí)際誤碼的分布，ITU－T建議采用差錯(cuò)時(shí)間百分比（即差錯(cuò)時(shí)間率）來(lái)評(píng)定差錯(cuò)性能，即在較長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間TL內(nèi)，計(jì)取取樣觀測(cè)時(shí)間T0內(nèi)差錯(cuò)個(gè)數(shù)或平均差錯(cuò)率逾限事件的時(shí)間百分比。通常取T0＝1s，平均差錯(cuò)率逾限BERth取10-3或30%。

2.數(shù)字傳輸系統(tǒng)的差錯(cuò)性能參數(shù)

差錯(cuò)性能的規(guī)范涉及差錯(cuò)（誤碼）逾限事件的檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)。

1）差錯(cuò)性能事件

與差錯(cuò)性能規(guī)范有關(guān)的幾種差錯(cuò)事件定義如下：

（1）差錯(cuò)秒（ErroredSecond）是有一個(gè)或多個(gè)差錯(cuò)比特/塊的秒；

（2）嚴(yán)重差錯(cuò)秒（SeverelyErroredSecond）是差錯(cuò)率逾限（差錯(cuò)發(fā)生多）的差錯(cuò)秒；

（3）嚴(yán)重誤塊周期（SEP）是以一個(gè)非嚴(yán)重誤塊秒結(jié)束的3~9個(gè)連續(xù)嚴(yán)重誤塊秒的序列。

2）可用時(shí)間與不可用時(shí)間

根據(jù)上述差錯(cuò)事件，將數(shù)字傳輸通路所處的狀態(tài)劃分為兩種狀態(tài)，相應(yīng)的差錯(cuò)性能總觀察時(shí)間Stotal（s）可分為兩個(gè)部分：若在10個(gè)連續(xù)秒里的每一秒都是SES，通路便處于不可用狀態(tài)，這10s也被認(rèn)為是不可用時(shí)間Sunavai（s），也就是說(shuō)從這10s的第一秒開(kāi)始進(jìn)入不可用時(shí)間；若在10個(gè)連續(xù)秒內(nèi)的每一秒都不是SES，通路就處于可用狀態(tài)，這10s也被認(rèn)為是可用時(shí)間Savail（s），即從這10s的第一秒開(kāi)始進(jìn)入新可用時(shí)間。

3）差錯(cuò)性能參數(shù)

可用狀態(tài)下的差錯(cuò)性能統(tǒng)計(jì)才有實(shí)際意義，ITU－T規(guī)定的差錯(cuò)性能參數(shù)主要有以下幾個(gè)。

(1)差錯(cuò)秒比(ESR)：指在固定測(cè)試時(shí)間間隔上的可用時(shí)間內(nèi)，ES與總秒數(shù)之比；

(2)嚴(yán)重差錯(cuò)秒比(SESR)：指在固定測(cè)試時(shí)間間隔上的可用時(shí)間內(nèi)，SES與總秒數(shù)之比；

(3)嚴(yán)重誤塊周期強(qiáng)度（SEPI）：指確定測(cè)試期的可用時(shí)間內(nèi)，SEP事件數(shù)與總秒數(shù)之比。

3.高速數(shù)字通道的差錯(cuò)性能規(guī)范

ITU－T有關(guān)差錯(cuò)性能規(guī)范的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有G.821和G.826建議，其中G.826是基群及其以上網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)的惟一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，獨(dú)立于數(shù)字通道的物理傳輸系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，適于PDH、SDH或其他傳送網(wǎng)。G.826規(guī)范以誤塊（塊差錯(cuò)）事件為基礎(chǔ)定義的誤塊性能事件和性能參數(shù)有以下幾種。

(1)誤塊秒（ES）：指在1s內(nèi)有1個(gè)或多個(gè)誤塊；

(2)嚴(yán)重誤塊秒（SES）：指在1s內(nèi)含有大于等于30％的誤塊，或者至少有一個(gè)中斷性缺陷；

(3)誤塊秒比（ESR）：指在一個(gè)確定的測(cè)試期間，在可用時(shí)間內(nèi)的ES和總秒數(shù)之比，它反映了系統(tǒng)誤碼的總體平均水平；

(4)嚴(yán)重誤塊秒比（SESR）：指在一個(gè)確定的測(cè)試期間，在可用時(shí)間內(nèi)的SES與總秒數(shù)之比，它反映了系統(tǒng)受突發(fā)干擾的群誤碼的平均水平，表示了系統(tǒng)的抗干擾能力；

(5)背景誤塊比（BBER）：指在一個(gè)確定的測(cè)試期間，在可用時(shí)間內(nèi)的背景誤塊與總塊數(shù)扣除SES中的所有塊后剩余塊數(shù)之比，它反映系統(tǒng)內(nèi)部的背景噪聲水平。

數(shù)字光纖通信系統(tǒng)提供的均為基群及其以上速率數(shù)字通道，光線路系統(tǒng)則提供更高速度等級(jí)的光線路碼信號(hào)的傳輸通道，故應(yīng)滿足G.826建議規(guī)定的分配指標(biāo)。

4.數(shù)字通道的差錯(cuò)性能指標(biāo)及其分配

G.826建議規(guī)定了27500km的假設(shè)參考通道（HRP）的端到端誤碼性能指標(biāo)，適用于各種媒質(zhì)的傳輸系統(tǒng)提供的國(guó)際數(shù)字通道的每一傳送方向。不同速率HRP端到端誤碼性能指標(biāo)的具體數(shù)值見(jiàn)表3－2。每條國(guó)際數(shù)字通道應(yīng)同時(shí)滿足所有參數(shù)的指標(biāo)值，承載數(shù)字通道的線路傳輸系統(tǒng)應(yīng)滿足所承載的最高速率數(shù)字通道的指標(biāo)。表3－2基群和更高速率27500km國(guó)際數(shù)字HRP端到端差錯(cuò) 性能指標(biāo)高比特率通道差錯(cuò)性能指標(biāo)的分配采用了按區(qū)段分配結(jié)合按距離分配的指標(biāo)分配策略，將整個(gè)端到端HRP分成國(guó)際部分和國(guó)內(nèi)部分（其定界為終端國(guó)國(guó)際接口局IG），兩部分各獲得端到端指標(biāo)分配包括最多為10%和35%（每終端國(guó)17.5％）的固定額度，以及每500km距離1%的額度，如圖3－12所示。圖3－12高比特率HRP端到端差錯(cuò)性能指標(biāo)的分配

長(zhǎng)距離衛(wèi)星通信中，國(guó)際部分的一跳可獲得35%的配額，國(guó)內(nèi)部分的一跳可直接獲得42%的配額，取代固定分配和按距離分配的全部配額。

G.826建議分配給國(guó)內(nèi)和國(guó)際部分的配額應(yīng)作為進(jìn)一步分配給更小實(shí)體差錯(cuò)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)，ITU－T將另行規(guī)定進(jìn)一步細(xì)分指標(biāo)的方法。

5.國(guó)內(nèi)數(shù)字通道的差錯(cuò)性能指標(biāo)及其分配

我國(guó)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)最長(zhǎng)HRP的兩個(gè)通道終端點(diǎn)（PEP）間全長(zhǎng)6900km，可覆蓋全國(guó)95%的端局，其組成如圖3－13所示。其中任意兩個(gè)長(zhǎng)途節(jié)點(diǎn)間的假設(shè)最長(zhǎng)距離為6500km；長(zhǎng)途節(jié)點(diǎn)與本地節(jié)點(diǎn)間的假設(shè)最長(zhǎng)距離為100km；用戶接入網(wǎng)中本地節(jié)點(diǎn)與用戶間的假設(shè)最長(zhǎng)距離為100km。大部分實(shí)際通道短于上述假設(shè)最長(zhǎng)通道，因而其性能將優(yōu)于HRP的性能限值。圖3－13我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)最長(zhǎng)HRP的組成和指標(biāo)的分配

國(guó)內(nèi)端到端HRP的數(shù)字通道可看做IG間零距離的國(guó)際數(shù)字通道，從IG到通道終端用戶之間的國(guó)內(nèi)部分長(zhǎng)度為HRP的一半（即3450km），從國(guó)際HRP獲得的可使用的總配額為（3－14）由于用戶接入網(wǎng)部分環(huán)境惡劣，按區(qū)段固定分給6％的配額，余下18.5％為轉(zhuǎn)接網(wǎng)部分的長(zhǎng)途網(wǎng)和中繼網(wǎng)數(shù)字通道的可使用指標(biāo)配額，相當(dāng)于每公里指標(biāo)配額為（3－15）表3－3

420kmHRDS差錯(cuò)性能指標(biāo)表3－4用戶接入網(wǎng)差錯(cuò)性能指標(biāo)國(guó)際轉(zhuǎn)接通道指承載國(guó)際業(yè)務(wù)的數(shù)字通道經(jīng)我國(guó)傳送網(wǎng)轉(zhuǎn)接的部分，其最長(zhǎng)距離按5000km考慮。根據(jù)G.826建議端到端通道國(guó)際部分的分配原則，中間國(guó)給予2％的配額，附加每100km距離0.2％基于距離的配額，故我國(guó)承擔(dān)的國(guó)際轉(zhuǎn)接通道的總配額為（3－16）

再按距離進(jìn)行線性分配至HRDS，每公里差錯(cuò)性能指標(biāo)的配額為（3－17）3.5.4抖動(dòng)和漂移性能規(guī)范

ITU－T建議G.823(基于2048kb/s系列的數(shù)字網(wǎng)抖動(dòng)和漂移控制)和G.825(基于SDH的數(shù)字網(wǎng)抖動(dòng)和漂移的控制)，分別是關(guān)于2048kb/s系列的PDH和SDH數(shù)字網(wǎng)抖動(dòng)和漂移性能的兩個(gè)主要國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)部分還涉及G.813、G.921和G.958等建議。

抖動(dòng)和漂移性能與網(wǎng)同步有關(guān)，需要綜合考慮獨(dú)立數(shù)字業(yè)務(wù)設(shè)備的性能規(guī)范和整體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的性能指標(biāo)，還需要考慮與同步網(wǎng)之間的相互作用。因此，為了分析網(wǎng)絡(luò)的同步性能，構(gòu)建了一個(gè)比絕大多數(shù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用惡劣的、通用的網(wǎng)絡(luò)定時(shí)性能參考模型，如圖3－14所示。它充分滿足了PDH、SDH以及ATM等大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的性能要求，并留有適當(dāng)?shù)母挥?。圖3－14同步定時(shí)性能的參考模型

根據(jù)參考模型可分析同步和業(yè)務(wù)接口的抖動(dòng)和漂移指標(biāo)，如G.822建議規(guī)定27500kmHRX的國(guó)內(nèi)部分滑動(dòng)性能優(yōu)于0.3次/天，G.823則描述了24h的規(guī)定時(shí)間周期內(nèi)輸入18μs漂移的最大次數(shù)。

抖動(dòng)和漂移性能指標(biāo)是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口、線路系統(tǒng)（HRDS）和設(shè)備而制定的，可統(tǒng)一為網(wǎng)絡(luò)接口和設(shè)備（網(wǎng)元設(shè)備或時(shí)鐘設(shè)備）接口指標(biāo)及傳輸指標(biāo)。抖動(dòng)和漂移性能的接口指標(biāo)包括系統(tǒng)和設(shè)備產(chǎn)生的抖動(dòng)和漂移、網(wǎng)絡(luò)輸出口的輸出抖動(dòng)和漂移限值、輸入口的抖動(dòng)和漂移容限等；傳輸指標(biāo)包括設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)接口間的抖動(dòng)和漂移轉(zhuǎn)移特性，又稱為抖動(dòng)和漂移傳遞特性，反映了設(shè)備的輸出抖動(dòng)和漂移隨輸入信號(hào)的抖動(dòng)和漂移的變化關(guān)系，通常用轉(zhuǎn)移函數(shù)表示設(shè)備對(duì)輸入抖動(dòng)和漂移的增益或抑制。3.5.5數(shù)字光纖線路系統(tǒng)的可靠性

實(shí)際通信系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)應(yīng)經(jīng)久耐用、充分可靠，以滿足“迅速、準(zhǔn)確、連續(xù)不間斷工作”的基本要求，可以用“完整性”來(lái)衡量。數(shù)字通信質(zhì)量的客觀性指標(biāo)包括前面介紹的誤碼、抖動(dòng)和漂移等傳輸性能指標(biāo)；網(wǎng)絡(luò)的生存性定義為正常環(huán)境下系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)整體經(jīng)受各種故障的意外后，仍能自動(dòng)調(diào)整維持可接受的業(yè)務(wù)質(zhì)量的能力；可靠性則是指規(guī)定條件和時(shí)間下，保持正常工作狀態(tài)的能力，用統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)確定的器件或局部的正常使用壽命表示。

數(shù)字光纖線路系統(tǒng)應(yīng)具備高可靠性，才能發(fā)揮其大容量傳輸?shù)耐ㄐ殴δ堋?/p>

1.可靠性及其表示

表示系統(tǒng)可靠性的主要參數(shù)包括平均故障間隔時(shí)間（MTBF）和故障率等。平均故障間隔時(shí)間指兩次故障之間系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，又稱為無(wú)故障時(shí)間，單位為小時(shí)，實(shí)際系統(tǒng)的MTBF越大越好；故障率指單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)故障時(shí)間的百分比，為平均故障間隔時(shí)間的倒數(shù)，單位為1/h，即當(dāng)λ采用10-9/h作為計(jì)量單位時(shí)，稱為Fit，1Fit＝10-9/h。

2.可用性指標(biāo)

系統(tǒng)的可用性是指在給定的時(shí)間間隔內(nèi)處于良好工作狀態(tài)的能力，用規(guī)定工作時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率，即可用時(shí)間占總工作時(shí)間的百分比來(lái)表示：（3－19）式中:可用時(shí)間指工作時(shí)間內(nèi)的平均故障間隔時(shí)間MTBF；不可用時(shí)間指剩余的平均故障修理時(shí)間（MTTR）。相應(yīng)地，系統(tǒng)的不可用性指不可用時(shí)間即平均故障修理時(shí)間（MTTR）占總工作時(shí)間的百分比。不可用性又稱為失效率，可表示為（3－20）對(duì)光纖通信系統(tǒng)可用性方面的要求是，正常運(yùn)行時(shí)間應(yīng)盡可能長(zhǎng)，維護(hù)工作時(shí)間盡可能短。在確定指標(biāo)時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)備的生產(chǎn)技術(shù)水平和運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的維護(hù)管理水平，一味提高可用性指標(biāo)，會(huì)增加設(shè)備的制造難度和運(yùn)營(yíng)成本。

3.光纖線路系統(tǒng)的可用性計(jì)算

光纖線路系統(tǒng)包括串聯(lián)連接的線路終端、光纖線路和中繼器等，其失效率均為F0＝F01(光纖線路)+F02(線路終端)+F03(中繼器)（3－21）為提高系統(tǒng)的可用性，光纖線路系統(tǒng)通常采用熱備用系統(tǒng)和自動(dòng)保護(hù)倒換設(shè)備。每個(gè)主備用系統(tǒng)并行、獨(dú)立工作，兩端的自動(dòng)倒換設(shè)備則跨接在主備用系統(tǒng)之間。假定光纖線路系統(tǒng)的配置為n∶m，則總共n+m個(gè)系統(tǒng)中任意i個(gè)系統(tǒng)同時(shí)故障的失效率為（3－22）當(dāng)n+m個(gè)并行的主備用系統(tǒng)中任意m+1個(gè)以上系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，至少一個(gè)主用系統(tǒng)故障不能被保護(hù)而失效，而不能保證n個(gè)主用系統(tǒng)均正常工作。通常情況下，任意m+2個(gè)以上系統(tǒng)同時(shí)出現(xiàn)故障的概率相對(duì)很小，因此m+1個(gè)以上系統(tǒng)同時(shí)故障的失效率為（3－23）若n+m個(gè)系統(tǒng)中每個(gè)系統(tǒng)的失效率相同，即F1=F/n，則每個(gè)主用系統(tǒng)的可用性為（3－24）由此可得無(wú)備用系統(tǒng)（m＝0）和多主一備（m＝1）的配置下，可用性分別為（3－25）（3－26）

可知，采用備份配置后，系統(tǒng)可用性得到了提高。對(duì)于光纖線路系統(tǒng)（數(shù)字段），故障的失效率按長(zhǎng)度線性分配至每個(gè)中繼段（RS），由此可獲得各中繼段的可用性：（3－27）

式中，F(xiàn)與F′、A與A′分別為數(shù)字段與再生段的故障率和可用性。

4.光纖通信系統(tǒng)可用性指標(biāo)規(guī)范

G.827建議(基群和基群以上速率國(guó)際恒定比特率數(shù)字通道的可用性性能參數(shù)和指標(biāo))中，定義可用性為可用時(shí)間占總觀測(cè)時(shí)間的百分比，不可用性為不可用時(shí)間占總觀測(cè)時(shí)間的百分比。各類HRDS的可用性目標(biāo)和不可用時(shí)間的分配如表3－5和表3－6所示。表3－5

HRDS的可用性目標(biāo)表3－6不可用時(shí)間的分配我國(guó)在“光纜通信進(jìn)網(wǎng)要求”中提出，5000km光纜通信系統(tǒng)全程容許每年4次雙向全阻故障，取平均故障修復(fù)時(shí)間為6h，則系統(tǒng)全程的雙向可用性可達(dá)到99.73％，折算到280km數(shù)字段的可用性為99.985％，420km數(shù)字段的可用性為99.9％；對(duì)于市內(nèi)光纜通信系統(tǒng)，若取平均故障修復(fù)時(shí)間為0.5h，則50km市內(nèi)光纜通信系統(tǒng)的可用性可達(dá)99.99％?？砂幢?－5和表3－6獲得各部分的可用性目標(biāo)和不可用時(shí)間的指標(biāo)。 3.6光纖線路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光纖通信系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是滿足業(yè)務(wù)通信的質(zhì)量要求。也就是說(shuō)，規(guī)范線路傳輸系統(tǒng)（數(shù)字段）性能指標(biāo)的目的，就是以此為依據(jù)設(shè)計(jì)出符合要求的線路傳輸系統(tǒng)以提供組網(wǎng)應(yīng)用。合理的規(guī)劃和設(shè)計(jì)依據(jù)相應(yīng)的規(guī)范，需要綜合各種技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素，在兩相權(quán)衡的基礎(chǔ)上合理選用各種器件和設(shè)備，完成系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)集成，以及業(yè)務(wù)通路和組織。

3.6.1光纖線路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

光纖（纜）線路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是確保滿足傳輸系統(tǒng)接口要求的性能指標(biāo)，最大限度地利用光纖的頻帶資源設(shè)計(jì)所要求的系統(tǒng)傳輸能力，主要是傳輸距離和容量。

1.設(shè)計(jì)任務(wù)

光纖線路系統(tǒng)中限制其傳輸能力的因素很多，包括光發(fā)送機(jī)、光中繼器、光接收機(jī)和光纖線路媒質(zhì)等特性的非理想化，其中光纖損耗、色散和非線性特性是影響光纖通信系統(tǒng)傳輸容量和距離的主要因素。