第四章_光纖通信系統(tǒng)原理

1、Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理1光纖通信Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理3第四章 光纖通信系統(tǒng)原理Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理4學(xué)習(xí)內(nèi)容4.1 光發(fā)射機(jī)4.2 光接收機(jī)4.3 光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理54.1 光發(fā)射機(jī)Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理6直接調(diào)制外調(diào)制受調(diào)制的光源特性參數(shù):功率、幅度、頻率和相位廣泛應(yīng)用:直接光強(qiáng)（功率） 調(diào)制光調(diào)制Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理7直接調(diào)制直 接 調(diào) 制 : 調(diào) 制 信 號 直接 作用在光源上，把要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娫葱盘栕⑷氲?LD 或 LED ， 獲得相應(yīng)的光信號。光源的發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制 (

2、 IM ) 。直接調(diào)制優(yōu)點:簡單、經(jīng)濟(jì)、容易實現(xiàn)等光纖通信系統(tǒng)中廣泛采用的調(diào)制方式。調(diào) 制 信 號 的 形 式 : 光 源 的 直 接 調(diào) 制 又 可 分 為 模擬信號調(diào)制 和數(shù)字信號調(diào)制Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理8直接光強(qiáng)數(shù)字調(diào)制的工作原理對LD施加了偏置電流Ib，由圖可見，當(dāng)激光器的驅(qū)動電流大于閾值電流Ith時，輸出光功率P和驅(qū)動電流I 基本上是線性關(guān)系，輸出光功利和輸入電流成正比，所以輸出光信號反映輸入電信號。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理9 LD 調(diào)制特性(1) 電光延遲(2) 張馳振蕩(3) 小信號輸入的頻率響應(yīng)(4) 頻率啁啾Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理10

3、外調(diào)制光源內(nèi)調(diào)制 的優(yōu)點是電路簡單容易實現(xiàn)，但是，在高碼速下將使光源的性能變壞，因此需要對光源的外調(diào)制方式。目前使用的外調(diào)制方式有：(1) 電光調(diào)制（2）聲光調(diào)制（3）磁光調(diào)制Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理11控制電路等構(gòu)成核心:光源及驅(qū)動電路光發(fā)射機(jī)的構(gòu)成光發(fā)送機(jī)的構(gòu)成:輸入接口光源驅(qū)動電路監(jiān)控電路Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理12光 發(fā) 射 機(jī) (數(shù) 字 )框 圖Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理13對光發(fā)射機(jī)性能的要求光發(fā)射機(jī)的作用是把電端機(jī)送來的電信號變?yōu)楣庑盘査腿牍饫w中傳輸。包括以下方面：(1)光源特性(2)調(diào)制特性(3)輸出特性Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理14

4、數(shù)字光發(fā)射機(jī)Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理15數(shù)字光發(fā)射機(jī)框圖Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理16數(shù)字光發(fā)射機(jī)對光源的要求系統(tǒng)對光源的要求是很高的，包括：1波長穩(wěn)定性要求：WDM系統(tǒng)對光源發(fā)射波長的穩(wěn)定性具有較高的要求，波長的漂移將導(dǎo)致信道之間的串?dāng)_。2功率穩(wěn)定性要求：某信道功率的漂移，不僅影響本信道的傳輸性能，而且通過 EDFA的瞬態(tài)效應(yīng)影響其它信道的性能。（調(diào)制速率、譜線寬度）Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理17數(shù)字光發(fā)射機(jī)設(shè)計原則數(shù)字光發(fā)射機(jī)核心:光源和電路光源: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(jī)的性能。電路:其設(shè)計應(yīng)以光源為依據(jù)，使輸出光信號準(zhǔn)確反映電信

5、號。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理18光發(fā)射機(jī)的控制電路（輔助電路）光源的控制電路:溫度控制（ATC） 和功率控制（APC）電路，它們的作用:消除溫度變化和器件老化的影響,穩(wěn)定發(fā)射機(jī)性能。其它的控制電路:光源慢啟動保護(hù)電路、激光器反向沖擊電流保護(hù)電路、激光器過流保護(hù)電路和激光器關(guān)斷電路。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理19光發(fā)射機(jī)的調(diào)制電路（主要電路）光源注入合適的偏置電流和調(diào)制電流就能發(fā)射光，也就是說可以通過直接調(diào)制電流信號從而調(diào)制光信號，這也就是直接調(diào)制名稱的由來。在發(fā)射機(jī)中是由驅(qū)動電路完成的提供恒定的偏置電流和調(diào)制電流，并采用一定的機(jī)制保持光功率不變。驅(qū)動電路由調(diào)制電路和控制電

6、路兩部分組成。調(diào)制電路為主要電路。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理20光發(fā)射機(jī)的線路編碼電路線路編碼：又稱 信道編碼，之所以必要，是因為電端機(jī)輸出的數(shù)字信號是適合電纜傳輸?shù)碾p極性碼，而光源不能發(fā)射負(fù)脈沖，所以要變化為適合于光纖傳輸?shù)膯螛O性碼，此外它可以消除或減少數(shù)字電信號中的直流和低頻分量，以便于在光纖中傳輸、接收及監(jiān)測。定時信息擾碼二進(jìn)制、字變換碼、插入型碼。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理21線路編碼在PDH 通信時代，線路碼型可以說是種類繁多、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mBnB 碼插入比特碼Chapter 4 光纖

7、通信系統(tǒng)原理22擾碼二進(jìn)制發(fā)送端 用擾碼器對數(shù)字電信號碼流進(jìn)行擾碼，打亂原來的排列順序以形成新的碼流來調(diào)制光發(fā)送機(jī)，而在接收端 進(jìn)行反擾碼以恢復(fù)原來的碼流。優(yōu)點：實現(xiàn)簡單；能比較有效地抑制長連“0”和平衡碼流；由于不增加碼率所以光功率代價為0(碼率增加會使靈敏度降低 )。缺點：由于碼率沒有增加，難以實現(xiàn)誤碼檢測、公務(wù)聯(lián)絡(luò)等功能。在PDH 通信中很少采用這種線路碼型；但在SDH通信中卻全部采用此種碼Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理23光發(fā)射機(jī)的電路（實現(xiàn)）驅(qū)動電路自動功率控制電路自動溫度控制電路告警電路和保護(hù)電路Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理24驅(qū)動電路驅(qū)動電路作用:將電功率轉(zhuǎn)換成光功

8、率，并將要傳輸?shù)碾娦盘栒{(diào)制到光源的輸出上。LED的驅(qū)動電路比較簡單，而LD的驅(qū)動電路相當(dāng)?shù)膹?fù)雜。驅(qū)動電路應(yīng)該能對光源同時提供偏置電流和隨信號而變化的調(diào)制電流。大多數(shù)光纖通信系統(tǒng)采用數(shù)字調(diào)制方式。模擬驅(qū)動電路 :保證光源的輸出光功率隨信號電壓的幅度、相位成線性地變化。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理25實 現(xiàn) 之 一 :共 射 極 驅(qū) 動 電 路Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理26實 現(xiàn) 之 二 :射 隨 驅(qū) 動 電 路Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理27實 現(xiàn) 之 三 :射 極 耦 合 驅(qū) 動 電 路Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理28自動功率控制電路目的:穩(wěn)定激光器的輸出功率

9、，需要在發(fā)射機(jī)中具有自動功率控制（APC）電路。機(jī)理： APC電路一般利用一只與LD封裝在一起的 PIN監(jiān)測LD后向輸出的光，根據(jù)PIN輸出的大小而自動地改變對LD的偏置電流，使其輸出光功率保持恒定?？赡芤鸺す馄鬏敵龉β首兓膬蓚€因素是芯片溫度的變化和激光器的老化效應(yīng) 。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理29APC自動光功率控制電路和偏置電路VEEA2-+R1VRLDIbPINA1+-VEEV2V1自動功率控制電路Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理30自動溫度控制電路半導(dǎo)體激光器的輸出特性受溫度影響很大，當(dāng)溫度發(fā)生變化時，LD的 P-I 特性和光譜特性都要發(fā)生變化，因此在光發(fā)射機(jī)中需要自

10、動溫度控制（ATC）電路以保證激光器在恒定溫度下工作。一般說來，在實用化的半導(dǎo)體激光器封裝中，都帶有一個半導(dǎo)體致冷器和一只能夠監(jiān)測激光器芯片溫度變化的熱敏電阻。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理31ATC自動光功率控制電路VcA+-R1CoolerVcW1R3RtR2Rf自動溫度控制電路Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理32告警電路和保護(hù)電路無光告警、壽命告警電路等保護(hù)電路（緩啟動，限流 ）Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理33數(shù)字光發(fā)射機(jī)的性能指標(biāo)1、平均發(fā)送光功率平均發(fā)送光功率是發(fā)送機(jī)耦合到光纖的偽隨機(jī)數(shù)據(jù)序列的平均功率在光發(fā)送機(jī)的輸出端值。發(fā)送機(jī)發(fā)送的光功率與傳送的數(shù)據(jù)信號中“1”

11、所占的比例有關(guān)，“1”越多發(fā)送光功率越大。當(dāng)傳送的數(shù)據(jù)信號是偽隨機(jī)序列時，“ 1”和“0”大致各占一半，將這種情況下的光功率定義為平均發(fā)送光功率。 通常光發(fā)送機(jī)的發(fā)送功率要有11.5dB的余量。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理 342、消光比EXT消光比是最壞反射條件時，全調(diào)制條件下，發(fā)射光信號平均光功率與不發(fā)射光信號平均光功率的比值。用公式表示為（dB）EX=10log 10 (A/B)其中A為傳號時的平均光功率，B代表空號時的平均光功率（噪聲）。激光器正常工作時設(shè)置的偏置電流略小于閾值電流，以便縮短光源的導(dǎo)通時間，這樣即使在空號時仍有相當(dāng)?shù)陌l(fā)光功率，消光比不可能無窮大。光發(fā)送機(jī)的消光比

12、一般要求大于8.2dB，即“0”碼光脈沖功率是“1”碼光脈沖功率的七分之一。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理353、邊模抑制比 SMSRSMSR 的定義為：在全調(diào)制的條件下主縱模的光功率M1 和最大邊模光功率M2 之比。即SMSR=10lg(M1/M2)一般規(guī)定光發(fā)送機(jī)的 SMSR 大于30dB，即主縱模的光功率是最大邊模光功率的 1000 倍以上。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理364、譜寬即光發(fā)送機(jī)中所用光源器件的譜線寬度。光源器件的譜寬越窄越好，因為譜寬越窄，由它引起的光纖色散就越小，就越利于進(jìn)行大容量的傳輸。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理374.2 光接收機(jī)Chapter

13、 4 光纖通信系統(tǒng)原理38光接收機(jī)的組成作用：把接收來的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)樵瓉淼碾娦盘?，它的性能的?yōu)劣直接影響整個光纖通信系統(tǒng)的性能。光纖通信系統(tǒng)有 模擬 和 數(shù)字 兩大類，光接收機(jī)也相應(yīng)的有兩大類，即模擬接收機(jī)和數(shù)字接收機(jī)。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理39直接檢測數(shù)字光纖通信接收機(jī)一般由三個部分組成，即光接收機(jī)的前端、線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù) 。直接檢測數(shù)字光纖通信接收機(jī)Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理40數(shù)字光接收機(jī)框圖Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理41數(shù)字光接收機(jī) 主要由接收電路和 判決電路兩大部分組成。接收電路由光電檢測器和前置放大器、均衡器、主放大器、偏置電路和自動增益控制電路

14、五部分組成。判決電路由判決器、時鐘恢復(fù)電路和譯碼器組成。光接收機(jī)從接收信號到恢復(fù)原來的電信號輸出的工作過程Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理42光電檢測器：把外來光信號轉(zhuǎn)換成電信號送入到前置放大器，這一級的噪聲對整個電信號的放大影響甚大，設(shè)計時要嚴(yán)格選擇方案。主放大器：提供足夠增益，將信號放大到判決電路所需要的電平；同時放大器增益受到 AGC電路的控制，使輸出信號的幅度在一定范圍內(nèi)不受輸入信號的影響。均衡器：保證均衡以后的波形有利于判決，盡量減小碼間干擾。判決器和時鐘恢復(fù)電路：對信號進(jìn)行再生，并用譯碼器對信號譯碼，使信號恢復(fù)到和光端機(jī)輸入的電信號一樣。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理43

15、光接收機(jī)前端光接收機(jī)前端作用： 將光纖線路末端耦合到光電檢測器的光比特流轉(zhuǎn)變?yōu)闀r變電流，然后進(jìn)行預(yù)放大，以便后一級進(jìn)一步處理。(1) 光電檢測器一 般 采 用 PIN 光 電 二 極 管 或 APD 雪 崩 光 電 二 極管，它們性能的優(yōu)劣直接影響整個光接收機(jī)的性能(2) 前置放大器光電檢測器輸出的光電流是十分微弱的，需要多級放大器進(jìn)行放大，多級放大器的前級為前置放大器。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理44一臺性能優(yōu)良的光接收機(jī)，應(yīng)具有無失真地檢測和恢復(fù)微弱信號的能力，這首先 要求其前端應(yīng)有低噪聲，高靈敏度和足夠的帶寬。根據(jù)不同的應(yīng)用要求，前端的設(shè)計有三種不同的方案：(1)低阻抗前端(2)

16、高阻抗前端(3)跨 (互 )阻抗前端Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理45前置放大器的等效電路Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理46放大器Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理47雙極性晶體管放大器Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理48R1T1PIN跨阻抗放大器VCCT3R2T2R3RfR5ReC2R4C1Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理49線性能道 光接收機(jī)的線性通道： 由一個高增益的 主放大器 和 一 個 均 衡 濾 波 器 組 成 ， 此 外 ， 還 應(yīng) 包 括 峰值檢 測 和 自 動 增 益 控 制 (AGC) 電 路 ， 用 來 控 制 放 大器增益。Chapter 4 光纖

17、通信系統(tǒng)原理50主放大器的作用 將前置放大器輸出的信號放大到判決電路所需要的信號電平。 它還是一個增益可調(diào)節(jié)的放大器，當(dāng)光電檢測器輸出的信號出現(xiàn)起伏時，通過光接收機(jī)的自動增益控制電路對主放大器的增益進(jìn)行調(diào)整，以使主放大器的輸出信號幅度在一定范圍不受輸入信號的影響，一般主放大器的峰-峰值輸出是幾伏數(shù)量級。對于 APD 的光接收機(jī)還通過控制 APD 的偏壓來控制雪崩倍增管的雪崩增益。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理51均衡濾波器作用： 均衡波形有利判決。均衡濾波器是必不可少的。 沒有均衡濾波器將出現(xiàn)這些現(xiàn)象將會使前、后碼元的波形重疊，產(chǎn)生碼間干擾，嚴(yán)重時造成判決電路誤判，產(chǎn)生誤碼。 有均衡濾波

18、器的波形均衡濾波器是使經(jīng)過均衡器以后的波形成為有利于判決的波形。例如，成為升余弦頻譜脈沖 。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理52均衡濾波器：使 經(jīng) 過 均 衡 器 以 后 的 波 形 成 為 有利 于判 決的 波形 。均衡濾波器的作用Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理53數(shù)據(jù)恢復(fù)數(shù)據(jù)恢復(fù)電路 由 判決電路 和 時鐘恢復(fù)電路 組成， 如果 需要與電端機(jī)接口，還需要解碼、解擾和編碼電路判決電路和時鐘恢復(fù)電路的任務(wù)是把線性通道輸出的升余弦波形恢復(fù)成數(shù)字信號。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理54輔助電路光接收機(jī)還有一些輔助電路，如：(1)鉗位電路。(2)溫度補(bǔ)償電路。 (3)告警電路 。Ch

19、apter 4 光纖通信系統(tǒng)原理55集 成 光 接 收 機(jī) 光接收機(jī)的組成部件，除了光電二極管外，都是標(biāo)準(zhǔn)的電子元器件，采用標(biāo)準(zhǔn)集成電路 (IC) 工 藝 技 術(shù) ， 很 容 易 集 成 在 同 一 芯 片 上 ，做成集成光接收機(jī)。在高比特工作時，這種集成光接收機(jī)具有很 多 優(yōu) 點 。 90 年代末用 Si 和 GaAs 集成電路工藝已 制 成 帶 寬 超 過 2GHz 的 集 成 光 接 收 機(jī) ， 現(xiàn) 在帶 寬 超 過 10GHz 的集成光接收機(jī)也已用于光波實驗系統(tǒng)。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理56光接收機(jī)噪聲分析Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理57數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的信號變換特

20、點在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)氖怯?“ 0 ” 和 “ 1 ”組成的二進(jìn)制光脈沖信號，這是一種 單極性碼 ，即 光 功 率 在 “ 接 通 ” (“1” 碼 ) 和 “ 斷 開 ” ( “0”碼 )兩個電平上變動。按 照 “ 1” 碼 時 碼 元 周 期 T 的 大 小 ， 分 為 歸 零 碼(RZ碼 )與非歸零碼 (NRZ碼 ) 兩種。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理58系統(tǒng)中數(shù)字脈沖傳輸過程的變換系統(tǒng)中數(shù)字脈沖傳輸過程的變換Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理59光接收機(jī)的噪聲源光接收機(jī)的噪聲是與信息無關(guān)的隨機(jī)變化量 ，噪聲源從引入過程來分，可分為兩類，即與信號光電檢測器有關(guān)的噪聲和與

21、光電接收機(jī)電路有關(guān)的噪聲。與信號光電檢測器有關(guān)的噪聲包括 ：量子噪聲、雪崩倍增噪聲、暗電流及漏電流噪聲和背景噪聲等等。與光接收機(jī)電路有關(guān)的噪聲包括 ：放大器噪聲、負(fù)載電阻熱噪聲等。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理60噪聲的評價方法噪聲是一種隨機(jī)性的起伏量，是電信號中不需要的成分，它干擾實際系統(tǒng)中信號的傳輸和處理，影響和限制了系統(tǒng)的性能。(1)噪聲的大小可以用均方值來表示(2)信噪比 (SNR) SNR=平均信號功率/噪聲功率Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理61誤碼率和接收靈敏度光接收機(jī)的誤碼率和靈敏度是描述光接收機(jī)準(zhǔn)確 檢測光信號能力的性能指標(biāo)。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理62

22、光接收機(jī)的誤碼率光接收機(jī)的誤碼率BER定義為：BER= 錯誤接收的碼元數(shù)/傳輸?shù)拇a元總數(shù)那么光接收機(jī)的誤碼是如何產(chǎn)生的 ?光接收機(jī)的判決Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理63若 I I D ， 采樣值為 “ 1” ，若 I I D ， 采樣值則為 “0 ”。如 果 傳 輸 的 信 碼 為 “ 1” ， 可 是 I I D ， 則發(fā)生錯誤。同 樣 傳 輸 的 信 碼 為 “ 0” ， 可 是 I I D ， 則同樣發(fā)生錯誤，這兩個錯誤都將引起誤碼。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理64靈敏度和動態(tài)范圍光接收機(jī)的 靈敏度： 滿足給定的誤碼率指標(biāo)條件下而可靠工作所需要的最小平均光功率P min最

23、 小 平 均 光 功 率 P min , 在 國 際 單 位 制 中 ， 它 的 單位是瓦 (W) 。工程上，光接收機(jī)的靈敏率常用光功率相對值來表示，單位是分貝毫瓦 ( dBm )。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理65動態(tài)范圍保證系統(tǒng)的誤碼率指標(biāo)要求下 ，光接收機(jī)最低輸入光功率 P min 和最大允許光功率 P max 的變化范圍。這個范圍用 D 來表示，一般在工程上用二者 (用dBm描述 )之差來表示。一臺質(zhì)量好的光接收機(jī)應(yīng)有較寬的動態(tài)范圍。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理664.3 光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理67系 統(tǒng) 的 設(shè) 計對數(shù)字光纖通信系統(tǒng)而言，

24、系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)是:根 據(jù) 用 戶 對 傳 輸 距 離 和傳 輸容 量 ( 話路數(shù)或比特率 ) 及其分布的要求，按照國家相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)前設(shè)備的技術(shù)水平，經(jīng)過綜合考慮和反復(fù)計算。選擇最佳路由和局站設(shè)置、 傳輸體制和傳輸速率以及光纖光纜和光端機(jī)的基本參數(shù)和性能指標(biāo)，以使系統(tǒng)的實施達(dá)到最佳的性能價格比。在技術(shù)上，系統(tǒng)設(shè)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)，中繼距離設(shè)計是否合理，對系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)效益影響很大。 Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理68果，設(shè)計的可靠性為100%，但要犧牲可能達(dá)到的最大長度。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

25、小。中繼距離和傳輸速率反映著光纖通信系統(tǒng)的技術(shù)水平。中繼距離的三種設(shè)計方法 最壞情況法( 參數(shù)完全已知) 統(tǒng)計法( 所有參數(shù)都是統(tǒng)計定義) 半統(tǒng)計法( 只有某些參數(shù)是統(tǒng)計定義)這里我們采用最壞情況設(shè)計法，用這種方法得到的結(jié)Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理69中繼距離受損耗的限制下圖 給出 了無中繼器和中間有一個中繼器的數(shù)字光纖線路系統(tǒng)的示意圖，圖中符號：T, T: 光端機(jī)和數(shù)字復(fù)接分接設(shè)備的接口；Tx: 光發(fā)射機(jī)或中繼器發(fā)射端；Rx: 光接收機(jī)或中繼器接收端；C 1, C 2: 光纖連接器；S: 靠近Tx的連接器C 1的接收端；R: 靠近Rx的連接器C 2的發(fā)射端；SR: 光纖線路，包括接

26、頭。70TxRxC1SR(a)TTTxRxC1SRTTRC2中繼器(b)數(shù)字光纖線路系統(tǒng)(a) 無中繼器； (b) 一個中繼器Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理C1SC2C2Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理71式中，Pt 為平均發(fā)射光功率(dBm)，Pr為接收靈敏度(dBm)，c為連接器損耗(dB/對)， Me 為系統(tǒng)余量(dB)，f為光纖損耗系數(shù)(dB/km), s為每km光纖平均接頭損耗(dB/km), m為每km光纖線路損耗余量(dB/km), L 為中繼距離(km)。如果系統(tǒng)傳輸速率較低，光纖損耗系數(shù)較大，中繼距離主要受光纖線路損耗的限制。 在這種情況下，要求 S 和 R 兩點之

27、間光纖線路總損耗必須不超過系統(tǒng)的總功率衰減，即L( f + s + m ) pt pr 2 c M e或L pt pr 2 c M e f + s + m(4.1)8.44872平 均 發(fā) 射 光 功 率 P t 取 決 于 所 用 光 源 ， 對 單 模 光 纖 通 信 系統(tǒng) ， LD 的 平 均 發(fā) 射 光 功 率 一 般 為 -3 -9dBm, LED 平均發(fā)射光功率一般為 -20 -25 dBm 。 光接收機(jī)靈敏度 P r 取決于光檢測器和 前 置 放 大 器 的 類 型 ， 并 受 誤 碼 率 的 限 制 ， 隨 傳 輸 速 率 而變化。下表給出長途光纖通信系統(tǒng) BER av1 10

28、- 10 時的接收靈敏度P r 。 -33APDChapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理靈敏度P r /dBm- 49- 41-37-42-30光檢測器PINPIN-FETPIN-FETAPDPIN-FET標(biāo)稱波長/nm1310131013101310傳輸速率/（Mbs - 1 ）34.368139.2644 139.264Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理73連接器損耗一般為0.31 dB/對。 設(shè)備余量M e 包括由于時間和環(huán)境的變化而引起的發(fā)射光功率和接收靈敏度下降， 以及設(shè)備內(nèi)光纖連接器性能劣化，M e 一般不小于3 dB。光纖損耗系數(shù)f 取決于光纖類型和工作波長， 例如單模光纖在131

29、0 nm, f為0.40.45 dB/km; 在1550 nm, f為0.220.25 dB/km。光纖損耗余量m 一般為0.10.2 dB/km, 但一個中繼段總余量不超過5 dB。 平均接頭損耗可取0.05 dB/個，每千米光纖平均接頭損耗 s可根據(jù)光纜生產(chǎn)長度計算得到。/（Mb s-1）最大色散/ps nm-1Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理74標(biāo)稱波長/nm131013101310155013101550BER 1 10-10最大損耗/Db403528282424標(biāo)稱速率8.44834.368139.2644 139.264S和R之間的容限不要求不要求（多縱模）300（多縱模）12

30、0（多縱模）根據(jù) ITU-T( 原 CCITT)G.955 建議，用 LD 作光源的常規(guī)單模光纖 (G.652) 系統(tǒng)，在 S 和 R 之間數(shù)字光纖線路的容限如下表 所示。S 和R 之間數(shù)字光纖線路的容限Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理75中繼距離受色散 ( 帶寬 ) 的限制如果系統(tǒng)的傳輸速率較高，光纖線路色散較大，中繼距離主要受色散( 帶寬) 的限制。為使光接收機(jī)靈敏度不受損傷， 保證系統(tǒng)正常工作，必須對光纖線路總色散( 總帶寬) 進(jìn)行規(guī)范。對于數(shù)字光纖線路系統(tǒng)而言，色散增大，意味著數(shù)字脈沖展寬增加，因而在接收端要發(fā)生碼間干擾，使接收靈敏度降低 ， 或 誤 碼 率 增 大 。 嚴(yán) 重 時

31、 甚 至 無 法 通 過 均 衡 來 補(bǔ) 償 ， 使系統(tǒng)失去設(shè)計的性能。 Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理76)2t 22g(t)=exp (由此式得到 a和 的數(shù)值關(guān)系， 并列于下表。)12 ln(1 / )= (Ta =式 中 為 均 方 根 (rms) 脈 沖 寬 度 。 把 /T=a 定 義 為 相 對 rms 脈沖寬度，碼間干擾 的定義如下圖示。由上式和下圖得到：設(shè)傳輸速率為fb=1/T ，發(fā)射脈沖為半占空歸零(RZ)碼，輸出脈沖為高斯波形，如圖5.18 所示。高斯波形可以表示為：(4.2)(4.3)Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理77g (t )T112t高斯波形的碼間干擾

32、Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理78相對rms 脈沖寬度a 和碼間干擾的關(guān)系Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理79美國 Bell 實驗室 S.D.Personick 的早期研究中，曾建議采用下列標(biāo)準(zhǔn)來考查光纖線路色散對系統(tǒng)傳輸性能的限制。當(dāng) a=0.25 時，碼間干擾 只有峰值的0.034%，完全可以忽略不 計 。 當(dāng) a=0.5 時 ， 增 加 到 13.5% ， 此 時 功 率 代 價 為 7 8dB ，難 以 通 過 均 衡 進(jìn) 行 補(bǔ) 償 。 一 般 系 統(tǒng) 設(shè) 計 選 取 a=0.25 0.35 ， 功率代價不超過2 dB 。 = ( )2 + ( f )2Chapter 4

33、光纖通信系統(tǒng)原理80為 確 定 中 繼 距 離 和 光 纖 線路色散 ( 帶寬 ) 的關(guān)系，把輸出脈沖用半高全寬度(FWHM) 表示，即2（4.4）式中, = /0.4247, = aT, a為相對rms 脈沖寬度，T=1/f b，fb為系統(tǒng)的比特傳輸速率。 f為光纖線路(FWHM) 脈沖展寬，取決于所用光纖類型和色散特性。81 對于多模光纖系統(tǒng)，色散特性通常用3dB帶寬表示。因此，f=0.44/B, B 為 長 度 等 于 L 的光纖線路總帶寬 ，它與單位長度光纖帶寬的關(guān)系為B=B1/L 。B 1 為 1km 光纖的帶寬，通常由測試確定 。 =0.5 1, 稱為串接因子，取決于系統(tǒng)工作波長，

34、光纖類型和線路長度。把這些關(guān)系代入式 (4.4) ，并取 a=0.25 0.35 ， 得到光纖線路總帶寬 B 和速率f b的關(guān)系為：B=(0.830.56)fbChapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理(4.5)Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理82中繼距離L與1km光纖帶寬B1的關(guān)系為B 1=BL , 所以以fb為參數(shù)，B 1與L的關(guān)系示于下圖, 圖中取 /T=0.3 ， =0.75。由此可見， 中繼距離 L 與傳輸速率 fb 的乘積取決于 1 km 光纖的帶寬( 色散) ，這個乘積反映了光纖通信系統(tǒng)的技術(shù)水平?；?qū)懗蒐= （1.21 1.78）1/fb 1/ L fb=(1.21 1.78)B

35、1(4.6)(4.7)4 原1km 光纖帶寬 B1 與中繼距離 L 的關(guān)系Chapter 光纖通信系統(tǒng) 理8384對于單模光纖系統(tǒng)， f=2.355 f, f 為光纖線路 rms 脈沖展寬。由式取一級近似 ，得到 f=|C 0| L, C 0=C( 0) 為在光源中心波長 0 光纖的色散 ( ps/(nmkm) ， 為 光源譜線寬度 (nm) ， L 為光纖線路長度(km) 。把 這 些 關(guān) 系 式 代 入 式 (4.4) ，同樣得到一個簡明的公式。設(shè)取 a=/T=0.25 ， 得到中繼距離：L=(4.8)0.226 106fb c0 Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理 10光纖通信系統(tǒng)原理

36、85在 這 個 基 礎(chǔ) 上 ， 根 據(jù) 原 CCITT 建 議 ， 對 于 實 際 的 單 模 光纖通信系統(tǒng)，受色散限制的中繼距離L可以表示為：6Fb C0 L =（4.8）SLM-LD， =0.306 。 Chapter 4式中, fb 是線路碼速率(Mb/s) ，與系統(tǒng)比特速率不同，它要隨 線 路 碼 型 的 不 同 而 有 所 變 化 。 C0 是 光 纖 的 色 散 系 數(shù) ( ps/(nmkm) ， 它取決于工作波長附近的光纖色散特性。 為光源譜線寬度 (nm) ， 對 多縱模激光器 (MLM-LD) ，為rms 寬度，對 單縱模激光器 (SLM- LD), 為峰值下降 20dB 的

37、寬度。 是與功率代價和光源特性有關(guān)的參數(shù)，對于MLMLD, =0.115, 對于Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理86由于光纖制造工藝的偏差，光纖的零色散波長不會全部等于標(biāo)稱波長值，而是分布在一定的波長范圍內(nèi)。同樣，光源的峰值波長也是分配在一定波長范圍內(nèi)，并不總是和光纖的零色散波長度相重合。對于G.652規(guī)范的單模光纖，波長為 1285 1330 nm ，色散系數(shù)C不得超過3.5 ps/(nmkm) ，波長為1270 1340 nm, C不得超過6 ps/(nmkm) 。S 和 R 兩點之間最大色散 CL(ps/nm) 的容限如表示。由表可知，在140 Mb/s以上的單模光纖通信系統(tǒng)中，色散

38、的限制是不可忽視的。Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理87中繼距離和傳輸速率光 纖 通 信 系 統(tǒng) 的 中 繼 距 離 受損 耗限 制時 由式 (4.1) 確定；中繼距離受色散限制時由式 (4.6)( 多模光纖 ) 和式 (4.8) 或式 (4.9)( 單模光纖) 確定。從損耗限制和色散限制兩個計算結(jié)果中， 選取較短的距離，作為中繼距離計算的最終結(jié)果。88以140 Mb/s單模光纖通信系統(tǒng)為例計算中繼距離設(shè)系統(tǒng)平均發(fā)射功率P t= -3 dBm, 接收靈敏度P r = -42 dBm，設(shè)備余量M e =3 dB ，連接器損耗 c=0.3dB/ 對，光纖損耗系數(shù)f=0.35 dB/km, 光纖余量 m =0.1 dB/km，每km光纖平均接頭損耗 s=0.03 dB/km。把這些數(shù)據(jù)代入式(4.1) ， 得到中繼距離 74(km) 3 (42 ) 3 2 0 .30.35 + 0.03 + 0.1Chapter 4 光纖通信系統(tǒng)原理L =又 設(shè) 線 路 碼 型 為 5B6B, 線 路 碼 速 率 b=140(6/5)=168Mb/s, |C 0|=3.0 ps/(nmkm) ， =2.5 nm 。 把這些數(shù)據(jù)代入式(4.9)，得到中繼距離： 91(km)0.115 1061