第7章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 2

1、第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 第第7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 7.1 模擬光纖傳輸系統(tǒng)概述模擬光纖傳輸系統(tǒng)概述 7.2 典型的模擬光纖通信系統(tǒng)典型的模擬光纖通信系統(tǒng) 7.3 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 7.4 IM-DD數(shù)字光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7.5 WDM+EDFA數(shù)字光纖鏈路設(shè)計(jì)數(shù)字光纖鏈路設(shè)計(jì) 習(xí)題七習(xí)題七 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 7.1 模擬光纖傳輸系統(tǒng)概述模擬光纖傳輸系統(tǒng)概述 7.1.1 系統(tǒng)構(gòu)成 一個(gè)模擬鏈路的基本單元如圖7.1所示， 它包括光發(fā)送機(jī)、 光纖傳輸信道和光接收機(jī)。 圖7.1

2、 模擬鏈路的基本單元 光 發(fā) 送 機(jī)光 接 收 機(jī)電 模 擬 信 號(hào)電 模 擬 信 號(hào)第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 光發(fā)送機(jī)可以是LED或LD。 采用LED設(shè)備簡(jiǎn)單， 價(jià)格便宜。 而用LD作光源， 比用LED有較大的入纖功率， 可以延長(zhǎng)傳輸距離， 但引起系統(tǒng)非線性失真的因素較多。 系統(tǒng)中所使用的光纖應(yīng)在所傳輸?shù)耐◣Х秶鷥?nèi)具有平坦的幅度響應(yīng)和群時(shí)延響應(yīng)， 以減小信號(hào)的失真。 由于模式色散所造成的帶寬限制是難以均衡的， 所以最好采用單模光纖。 另外還要求光纖的損耗要小， 因?yàn)橄到y(tǒng)載噪比是接收光功率的函數(shù)。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 在光接收機(jī)中，

3、 可以使用PIN或APD光電二極管， 主要的問(wèn)題是對(duì)量子噪聲或散粒噪聲、 熱噪聲、 APD的倍增噪聲和電路噪聲等的分析。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 7.1.2 模擬調(diào)制技術(shù) 對(duì)光纖通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， 數(shù)字通信系統(tǒng)所采用的數(shù)字調(diào)制方式具有較強(qiáng)的數(shù)字處理能力、 抗干擾能力， 無(wú)噪聲積累且適宜于長(zhǎng)距離干線傳輸。 但這種方式設(shè)備復(fù)雜， 價(jià)格昂貴。 而模擬設(shè)備比較簡(jiǎn)單便宜， 調(diào)制方式多樣， 使用靈活， 因此在圖像和數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸中獲得了較多的應(yīng)用。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 對(duì)于圖像信號(hào)的傳輸， 一般采用基帶電視信號(hào)直接調(diào)制光脈沖強(qiáng)度， 稱為基帶直接強(qiáng)

4、度調(diào)制； 另一種調(diào)制方式是先用脈沖幅度調(diào)制（PAM）、 脈沖頻率調(diào)制（PFM）、 脈沖寬度調(diào)制（PWM）、 脈沖間隔（位置）調(diào)制（PPM）的方式把基帶信號(hào)調(diào)制到一個(gè)電的副載波上， 再用這個(gè)副載波去強(qiáng)度調(diào)制（IM）光脈沖。 幾種不同的脈沖調(diào)制波形見(jiàn)圖7.2。第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 圖7.2 幾種不同的脈沖調(diào)制波形 基 帶 信 號(hào)方 波 頻 率 調(diào) 制脈 沖 間 隔 調(diào) 制第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 7.1.3 主要的噪聲和信噪比 衡量模擬通信系統(tǒng)性能的重要參量是信噪比， 即均方信號(hào)電流和均方噪聲電流之比： 22NSiiNS（7.1） 第第7

5、 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 對(duì)于模擬接收機(jī)， 影響噪聲的因素主要有： 接收機(jī)的噪聲， 非線性失真， 光路反射等。 其中， 接收機(jī)噪聲包括光檢測(cè)器的噪聲， 接收機(jī)電路的熱噪聲， 激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲等。 非線性失真主要有激光器的非線性和光纖色散所引起的非線性。 由前面的分析可知， 檢測(cè)器光電二極管的噪聲為eqxDPNBGIIei22)(2（7.2） 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 檢測(cè)器前置放大器的噪聲為teqeqBTTFBRTki422（7.3） 其中： kB為玻爾茲曼常數(shù)； T為絕對(duì)溫度； Req為檢測(cè)器負(fù)載和前置放大器的等效電阻； Ft為前置放大器

6、的噪聲系數(shù)， 通常為23 dB。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 7.2 典型的模擬光纖通信系統(tǒng)典型的模擬光纖通信系統(tǒng) 7.2.1 基帶直接強(qiáng)度調(diào)制 對(duì)于基帶直接強(qiáng)度調(diào)制光纖通信系統(tǒng)， 光源的模擬調(diào)制響應(yīng)如圖7.3所示。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 圖7.3 基帶直接強(qiáng)度調(diào)制光纖系統(tǒng)光源的模擬調(diào)制響應(yīng)t光載波強(qiáng)度基帶信號(hào)光載波光源驅(qū)動(dòng)及調(diào)制基帶輸入光纖放大器低通濾波器基帶輸出PpPi第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 設(shè)基帶信號(hào)(t)為正弦信號(hào)， 調(diào)制作用于光源的線性區(qū)， 則輸出光功率P(t)的包絡(luò)和輸入的驅(qū)動(dòng)電流有相同的波形。

7、 調(diào)制指數(shù)m定義為輸出光功率的峰-峰值Pp和平均發(fā)送光功率Pi的比值： ipPPm （7.4）第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 假設(shè)信號(hào)角頻率為m， 則發(fā)送信號(hào)的光功率為 PT(t)=Pi(1+m cosmt) （7.5）檢測(cè)信號(hào)光電流為 i(t)=GIp(1+m cosmt) （7.6） 對(duì)于一個(gè)正弦接收信號(hào)， 接收機(jī)輸出端的均方信號(hào)電流為22)( 5 . 0PmRGiS（7.7） 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 信噪比為 eqteqBeqxDPRFTBkBGIIePmRGNS/4)(2)(5 . 022 在電視信號(hào)傳輸中， 常采用圖像信號(hào)功率的峰-

8、峰值和噪聲信號(hào)的均方值來(lái)表示其信噪比， 則上式可寫(xiě)為eqteqBeqxDPPrmsPPRFTBkBGIIeGmINS/4)(2)(222（7.9） 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 7.2.2 多信道傳輸 前面所述的基帶直接強(qiáng)度調(diào)制僅是單信道傳輸?shù)那闆r， 對(duì)于光纖巨大的帶寬資源， 可以使用多路信號(hào)的復(fù)用技術(shù)。 首先可以把基帶信號(hào)用AM、 FM、 PM等調(diào)制方式調(diào)制到頻率為f1、 f2、 、 fN的N個(gè)載波（稱為副載波）上， 然后再把這N個(gè)信號(hào)頻分復(fù)用（FDM）， 調(diào)制一個(gè)光源， 如圖7.4所示。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 圖7.4 N個(gè)信道的頻分

9、復(fù)用 功率合成器光 發(fā) 送光 接 收帶 通濾 波器光 纖 信 道f1fNf1fN第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 在副載波強(qiáng)度調(diào)制系統(tǒng)中， 信息加在載波上， 所以可以用載噪比（C/N）來(lái)衡量傳輸質(zhì)量的好壞。 載噪比定義為載波功率和噪聲功率之比。 其中， 噪聲功率包括光源的噪聲功率， 檢測(cè)器的噪聲功率， 系統(tǒng)噪聲功率等。 與基帶直接調(diào)制相似， 對(duì)于調(diào)制指數(shù)為m的正弦接收信號(hào)， 接收機(jī)的載波功率為2)( 5 . 0PmRGC （7.10） 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 光檢測(cè)器及前置放大器噪聲如7.1.3節(jié)所分析。 光源噪聲是指激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲RIN

10、（dB/Hz）， 即由光源的輸出光的幅度或強(qiáng)度的起伏所產(chǎn)生的光強(qiáng)度噪聲， 定義為L(zhǎng)D輸出的均方功率脈動(dòng)(P)2與平均光功率平方P2之比， 即22PPPIN（7.11） 則均方噪聲電流可以表示為eqRINRINBPRRINi222)(（7.12） 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 由以上載波功率和各項(xiàng)噪聲功率可得載噪比為eqeqteqxDPeqRBkTFBGIIeBPRRINPmRGNC/4)(2)()( 5 . 0222（7.13） 當(dāng)接收光功率較低時(shí)， 系統(tǒng)的噪聲主要是檢測(cè)器前置放大器的噪聲， 此時(shí)的載噪比極限為eqeqRkTFtBPmRGNC/4)( 5 . 02（7.

11、14） 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 此時(shí)的載噪比與接收光功率的平方成正比， 所以P 每變化1 dB， C/N的值將變化 2 dB。 對(duì)于設(shè)計(jì)良好的光電二極管， 體暗電流噪聲和表面暗電流噪聲很小， 對(duì)于中等光接收功率， 此時(shí)系統(tǒng)的噪聲主要是光檢測(cè)器的量子噪聲， 此時(shí)的載噪比為eqxBeGPRmNC42 （7.15） 此時(shí)， P 每變化1 dB， C/N也將變化1 dB。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 當(dāng)激光器的RIN很高時(shí)， RIN成為系統(tǒng)的主要噪聲， 此時(shí)的載噪比為eqBRINmGNC)(4)(2 （7.16） 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)

12、計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 此時(shí)， P 每變化1 dB， C/N也將變化1 dB。 當(dāng)激光器的RIN很高時(shí)， RIN成為系統(tǒng)的主要噪聲， 此時(shí)的載噪比為 此時(shí)的載噪比與P 無(wú)關(guān)， 只有提高調(diào)制指數(shù)m， 才能提高系統(tǒng)性能。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 圖7.5給出了一個(gè)具體的計(jì)算例子， 其中的參數(shù)為 LD： m=0.25， RIN=-143 dB/Hz， Ps=0 dBm； PIN: R=0.6A/W， B=10 MHz， ID=10 nA， Req=750 ， Ft=3 dB。 由圖中可以看到，在接收光功率很高時(shí)，光源的噪聲是主要噪聲；而當(dāng)接收光功率為中等大小時(shí)，主要噪聲是

13、量子噪聲，成線性變化；當(dāng)接收光功率很低時(shí)，熱噪聲是主要的噪聲。第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 圖7.5 接收光功率與載噪比特性 048121620接收光功率/dBm接收機(jī)噪聲極限量子噪聲極限RIN 極限總的 C / N50545846載噪比 / dB第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 7.2.3 VSB-AM/FM調(diào)制傳輸 多信道傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)技術(shù)包括殘留邊帶調(diào)幅（VSB-AM）、 調(diào)頻（FM）、 微波副載波調(diào)制（SCM）等。 其中， AM方式是最簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的方法， 并且和CATV用戶相兼容， 但是AM信號(hào)易受到噪聲和非線性失真的影響。 雖然FM信號(hào)需要占用較

14、大的帶寬， 但FM調(diào)制方式可以提供較高的信噪比， 并且?guī)缀醪皇芄庠吹姆蔷€性影響。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 對(duì)于我國(guó)PAL-D制式的VSB信號(hào)， 信噪比與載噪比之間有如下的關(guān)系表達(dá)式： dBNCNS4 . 6（7.17） 即信噪比和載噪比只相差一個(gè)常數(shù)， 所以信噪比的提高依賴于載噪比的提高。 在CATV干線傳輸中， 所要求的加權(quán)信噪比為4650 dB。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) AM調(diào)制方式對(duì)非線性失真比較敏感。 當(dāng)有多個(gè)頻率通過(guò)激光器這樣的非線性器件時(shí)， 會(huì)產(chǎn)生新的頻率分量， 這些不希望得到的新的頻率分量稱為交調(diào)產(chǎn)物， 它們會(huì)引起嚴(yán)重的

15、信號(hào)干擾， 其中由于高階項(xiàng)所產(chǎn)生的影響非常小， 所以一般只考慮二階和三階產(chǎn)物。 頻率為fifj的拍頻分量為二階交調(diào)產(chǎn)物， 頻率為fi+fj-fk的分量為三階差拍交調(diào)產(chǎn)物， 頻率為2fi-fj的分量為雙頻三階交調(diào)產(chǎn)物。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 通常使用合成二階（CSO）和合成三重差拍（CTB）來(lái)描述AM對(duì)CATV線路的非線性失真影響。它們的定義分別為CSO= 峰值載波功率 合成二階交調(diào)差拍的峰值功率 CTB= 峰值載波功率 合成三階交調(diào)差拍的峰值功率 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 在CATV線路中， CSO的影響在通帶邊緣最為明顯， 而CTB

16、的影響在通帶中間最為明顯。 對(duì)于有N個(gè)信道的FDM調(diào)制系統(tǒng)， 假設(shè)每個(gè)信道取相同的調(diào)制指數(shù)mc， 則光調(diào)制指數(shù)m為5 . 0Nmmc第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 當(dāng)m取值小于0.24時(shí)， CSO和CTB可大于60 dB。 當(dāng)N較大時(shí)， mc僅為0.040.05。 而AM系統(tǒng)要求的載噪比很高（40 dB）， 所以對(duì)系統(tǒng)各方面要求較高， 功率富余度相當(dāng)小。 AM調(diào)制方式的每個(gè)信道的載噪比至少40 dB的要求對(duì)激光器和接收機(jī)的線性度提出了極為苛刻的要求，而FM方式可以通過(guò)使用較高的帶寬來(lái)獲得信噪比的改善。 FM所需帶寬為30 MHz， 而AM所需帶寬為4 MHz（我國(guó)PAL制

17、式為6 MHz）。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 在FM輸出端的信噪比的值比檢測(cè)器輸入端的載噪比要大得多， 其信噪比的改善可以表示為223lg10vppvfffBNCNS（7.18） 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 其中： B為所需帶寬； fpp為調(diào)制器的峰峰頻偏; fv為最高視頻信號(hào)頻率； w為加權(quán)系數(shù)， 用于考慮視頻帶寬中眼圖對(duì)白噪聲的非均勻響應(yīng)。 對(duì)于fv=4 MHz的視頻信號(hào)， w為14.3 dB。 如果要求的信噪比為56 dB， 此時(shí)只需20 dB的載噪比， 可見(jiàn)FM方式對(duì)載噪比的要求減低了很多， 從而對(duì)光源的非線性以及接收機(jī)的噪聲要求也

18、大大降低。 圖7.6是AM和FM視頻信號(hào)的RIN值與每信道光調(diào)制指數(shù)之間的關(guān)系曲線。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 圖7.6 AM和FM視頻信號(hào)的RIN值與每信道 光調(diào)制指數(shù)m之間的關(guān)系曲線100120140160RIN / (dB / Hz)FM-TV(30 MHz BW)SNR52 dBSNR60 dBSNR40 dBSNR50 dBAM-TV(4 MHz BW)102101光調(diào)制指數(shù)m100第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 從圖中可以看到，當(dāng)m為0.05時(shí)，要達(dá)到演播級(jí)的接收質(zhì)量，需要S/N56 dB。對(duì)于FM調(diào)制方式，RIN要小于-120 d

19、B/Hz，顯然我們很容易找到RIN標(biāo)稱值為-130 dB/Hz的典型封裝的半導(dǎo)體激光器； 而對(duì)于AM調(diào)制方式， 要求C/N40 dB， 則激光器的RIN值要低于-140 dB， 顯然這個(gè)要求是很高的。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 圖7.7顯示的是AM和FM視頻信號(hào)分配系統(tǒng)中功率富余度和光調(diào)制指數(shù)OMI之間的關(guān)系曲線。 其中: 耦合到單模光纖中的光功率是0 dBm， RIN=-140 dB/Hz； PIN光電二極管有一個(gè)50的前端， 放大器噪聲系數(shù)Ft為2 dB； 每個(gè)信道的AM帶寬為4 MHz， FM帶寬為30 MHz。 假定每個(gè)信道的光調(diào)制指數(shù)為0.05， 對(duì)于一個(gè)

20、信噪比為40 dB的AM系統(tǒng)， 功率預(yù)算為10 dB， 而對(duì)于FM系統(tǒng)， S/N為52 dB時(shí)， 功率富余度達(dá)20 dB。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 圖7.7 AM和FM系統(tǒng)中， 功率預(yù)算和光調(diào)制指數(shù) （OMI）的關(guān)系曲線FM SNR52 dBFM 60 dBAM 40 dBAM 50 dB101102102030每信道的OMI功率預(yù)算 / dB0第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 我們知道， 調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)噪聲譜呈拋物線形狀， 即隨著基帶頻率的增高， 解調(diào)噪聲也越來(lái)越大。 為了均衡整個(gè)信號(hào)帶寬內(nèi)的解調(diào)噪聲， 提高傳輸質(zhì)量， 需要在調(diào)制器之前對(duì)視頻

21、信號(hào)加入預(yù)加重處理， 當(dāng)然在接收端解調(diào)之后要進(jìn)行去加重處理。 另外， 用戶接收FM信號(hào)時(shí)， 需要附加FM-AM轉(zhuǎn)換器， 以便與用戶接口設(shè)備兼容。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 7.2.4 微波SCM多路傳輸 微波副載波指的是在同一系統(tǒng)中復(fù)用的多路模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)， 它可以借助現(xiàn)有的微波技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路光纖通信。 圖7.8所示是SCM系統(tǒng)的構(gòu)成原理。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 圖7.8 SCM系統(tǒng)的構(gòu)成原理 合成器f1fNSC1SCN模擬或數(shù)字信號(hào)光 發(fā) 送光 纖光 檢 測(cè)低 噪 聲 放 大 器接 收 機(jī)VCO混 頻 器第第7 7章章 光纖通信系

22、統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 在輸入端的N個(gè)信道中， 既可以承載語(yǔ)音、 數(shù)據(jù)、 視頻、 數(shù)字聲頻， 也可以承載任何其他形式的模擬和數(shù)字信號(hào)。 由壓控振蕩器（VCO）產(chǎn)生N個(gè)不同的載波頻率： SC1、 SC2、 、 SCN， 頻率范圍是28 GHz， 將這些獨(dú)立的模擬或數(shù)字信號(hào)調(diào)制到這N個(gè)副載波上， 然后形成一個(gè)頻分復(fù)用信號(hào)， 驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體光源。 副載波調(diào)制方式既可以是頻率調(diào)制（FM）， 幅度調(diào)制（AM）， 也可以是數(shù)字調(diào)制（FSK和PSK）。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 在接收端， 采用寬帶的PIN光電檢測(cè)器檢測(cè)出光信號(hào)， 并將其轉(zhuǎn)化為微波信號(hào)， 使用壓控振蕩器調(diào)諧恢復(fù)出

23、各路信號(hào)。 對(duì)于長(zhǎng)途干線， 也可以采用增益帶寬積為5080 GHz的InGaAs APD。 為了放大微波信號(hào)， 可以使用商用的寬帶低噪聲放大器， 也可以直接使用PIN-FET接收機(jī)。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 7.3 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 7.3.1 系統(tǒng)構(gòu)成 就目前而言， 強(qiáng)度調(diào)制直接檢波（IM-DD）光纖通信系統(tǒng)還是最常用的方式。 圖7.9就是一個(gè)IM-DD系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。 它包括PCM端機(jī)， 電發(fā)送、 接收端機(jī)， 光發(fā)送、接收端機(jī)， 光纖線路， 中繼器等。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 圖7.9 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的組成原理圖

24、PCM端機(jī)輸 入輸入接口電 信 號(hào)光發(fā)送機(jī)光 信 號(hào)光中繼光 纖 線 路光 纖 線 路光 信 號(hào)光接收機(jī)電 信 號(hào)輸出接口PCM端機(jī)輸 出第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 用戶輸入的電信號(hào)是模擬信號(hào)， 包括語(yǔ)音、 圖像信號(hào)等。 這些電信號(hào)在PCM端機(jī)中被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（A/D轉(zhuǎn)換）， 完成PCM編碼， 并按時(shí)分復(fù)用的方式復(fù)接。 PCM編碼包括抽樣、 量化、 編碼三個(gè)步驟， 如圖7.10左半部分所示。 把連續(xù)的模擬信號(hào)以一定的抽樣頻率f或時(shí)間間隔T抽出瞬時(shí)的幅度值， 再把這些幅度值分成有限的等級(jí)， 四舍五入進(jìn)行量化。 如圖中把幅度值分為8種， 所以每個(gè)范圍內(nèi)的幅度值對(duì)應(yīng)一個(gè)量

25、化值， 這8個(gè)值可以用3位二進(jìn)制數(shù)表示， 比如0對(duì)應(yīng)000， 1對(duì)應(yīng)001， 2對(duì)應(yīng)010， 3對(duì)應(yīng)011， 4對(duì)應(yīng)100， 5對(duì)應(yīng)101， 6對(duì)應(yīng)110， 7對(duì)應(yīng)111。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 如果把信號(hào)電平分為m個(gè)等級(jí)， 就可以用N=log2m個(gè)二進(jìn)制脈沖來(lái)表示。 顯然這樣的量化會(huì)帶來(lái)失真， 稱為量化失真， 量化等級(jí)分得越細(xì)， 失真越小。 這樣原來(lái)的連續(xù)模擬信號(hào)就變成了離散的數(shù)字信號(hào)0和1。 這種信號(hào)經(jīng)過(guò)信道傳輸， 在接收端經(jīng)過(guò)解碼、 濾波后就可以恢復(fù)出原來(lái)的信號(hào)。 根據(jù)奈奎斯特（Nyquist）抽樣定理， 只要抽樣頻率f大于傳輸信號(hào)的最高頻率fs的兩倍，

26、即 f2fs， 在接收端就完全感覺(jué)不到信號(hào)的失真。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 圖7.10 PCM編碼和解碼過(guò)程 367512模擬信號(hào)輸出信號(hào)抽樣6420量化367512編碼6420濾波解碼(3)(6)(7)(5)(1)(2)011 110111101 001010(3)(6)(7)(5)(1)(2)接收信號(hào)011 110111101 001010第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) PCM信號(hào)中的一個(gè)碼元所占用的時(shí)間T稱為碼長(zhǎng)， 單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)拇a元數(shù)稱為碼速率B， B=1/T。 語(yǔ)音信號(hào)的最高速率為4 kHz， 則抽樣頻率為8 kHz， 即抽樣周期

27、為 125 s。 對(duì)于一個(gè)8位碼（8 b/s）， 一個(gè)PCM語(yǔ)音信號(hào)的速率為88=64 kb/s。 如果采用時(shí)分復(fù)用的形式， 30個(gè)話路為一個(gè)基群， 則根據(jù)準(zhǔn)同步數(shù)字體系（PDH）， 一個(gè)基群速率為 2.048 Mb/s。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 7.3.2 PDH與SDH傳輸體制 為了提高信道利用率， 可以采用多路復(fù)用的方式在同一條信道上傳輸多路信號(hào)。 復(fù)用方式有時(shí)分復(fù)用、 頻分復(fù)用（波分復(fù)用）、 碼分復(fù)用等。 目前較常用的方式是時(shí)分復(fù)用， 是指不同的信號(hào)在同一個(gè)信道上占用不同的時(shí)隙。 如圖7.11所示， 1N路信號(hào)在不同的時(shí)隙依次輸入， 在接收端的不同時(shí)隙，

28、信號(hào)送入相應(yīng)支路。 為了進(jìn)行幀同步、 誤碼檢測(cè)、 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)等功能， 需要在每一幀中附加幀開(kāi)銷（FOH）時(shí)隙。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 圖7.11 數(shù)字信號(hào)的時(shí)分復(fù)用 時(shí)隙1FOHN1FOHN1FOHN31FOH2一幀第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy）是指準(zhǔn)同步數(shù)字體系。 根據(jù)國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)CCITT（現(xiàn)改為國(guó)際電聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)化組織ITU-T）G.702建議， PDH的基群速率有兩種， 即PCM30/32路系統(tǒng)和PCM24路系統(tǒng)。 我國(guó)和歐洲各國(guó)采用PCM30/32路系統(tǒng)

29、， 其中每一幀的幀長(zhǎng)是125 s， 共有32個(gè)時(shí)隙（TS0TS31）， 其中30個(gè)為話路（TS1TS15和TS17TS31）， 時(shí)隙TS0被用作幀同步信號(hào)的傳輸， 而時(shí)隙TS16用作信令及復(fù)幀同步信號(hào)的傳輸。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 每個(gè)時(shí)隙包含8 bit， 所以每幀有832=256 bit， 碼速率為256 bit（1/125 s）=2.048 Mb/s。 日本和北美使用的PCM24路系統(tǒng)， 基群速率為1.544 Mb/s。 幾個(gè)基群信號(hào)（一次群）又可以復(fù)用到二次群， 幾個(gè)二次群又可復(fù)用到三次群。 表7.1是PDH各次群的標(biāo)準(zhǔn)比特率。 第第7 7章章 光纖通信系

30、統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 表7.1 PDH各次群的標(biāo)準(zhǔn)比特率 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) PDH可以很好地適應(yīng)傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信， 但這種數(shù)字系列主要是為話音設(shè)計(jì)的， 除了低次群采用同步復(fù)接外， 高次群均采用異步復(fù)接， 通過(guò)增加額外比特使各支路信號(hào)與復(fù)接設(shè)備同步， 雖然各支路的數(shù)字信號(hào)流標(biāo)稱值相同， 但它們的主時(shí)鐘是彼此獨(dú)立的。 隨著信息化社會(huì)的到來(lái)， 這樣的結(jié)構(gòu)已遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代通信網(wǎng)對(duì)信號(hào)寬帶化、 多樣化的要求。 PDH主要存在以下缺點(diǎn)： 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) (1) 我國(guó)和歐洲、 北美、 日本各自有不同的PDH數(shù)字體系， 這些體系互

31、不兼容， 造成國(guó)際互通的困難。 (2) PDH的高次群是異步復(fù)接， 每次復(fù)接就進(jìn)行一次碼速調(diào)整， 因而無(wú)法直接從高次群中提取支路信息， 每次插入/取出一個(gè)低次群信號(hào)（上下話路）都要逐次群的復(fù)用解復(fù)用， 使得復(fù)用結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜， 缺乏靈活性。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) (3) 沒(méi)有統(tǒng)一的光接口。 PDH數(shù)字體系僅僅規(guī)范了電接口的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)， 各廠家開(kāi)發(fā)的光接口不兼容， 光路互通要先轉(zhuǎn)換為電接口， 因此限制了聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的靈活性， 增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。 (4) PDH預(yù)留的插入比特較少， 使得網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行、 管理和維護(hù)（OAM）較困難， 無(wú)法適應(yīng)新一代網(wǎng)絡(luò)的要求。 第第7 7章章

32、 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) (5) PDH體系建立在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)幕A(chǔ)上， 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單， 無(wú)法提供最佳的路由選擇， 使得設(shè)備利用率較低。 PDH體系所存在的上述種種缺陷導(dǎo)致了一種新的數(shù)字體系同步光網(wǎng)絡(luò)SONET（Synchronous Optical Network）的產(chǎn)生。 最初提出這個(gè)概念的是美國(guó)貝爾通信研究所。 SONET于1986年成為美國(guó)新的數(shù)字體系標(biāo)準(zhǔn)。 1988年， CCITT接受了SONET的概念并重新命名為同步數(shù)字體系SDH（Synchronous Digital Hierarchy）。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) SDH后來(lái)又經(jīng)過(guò)修

33、改和完善， 成為涉及比特率、 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口、 復(fù)用結(jié)構(gòu)、 復(fù)用設(shè)備、 網(wǎng)絡(luò)管理、 線路系統(tǒng)、 光接口、 信息模型、 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等的一系列標(biāo)準(zhǔn)， 成為不僅適用于光纖， 也適用于微波和衛(wèi)星傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)體制。 SDH的主要特點(diǎn)如下： (1) SDH有一套標(biāo)準(zhǔn)的信息等級(jí)結(jié)構(gòu)， 稱之為同步傳送模塊STM-N， 其中第一級(jí)為STM-1， 速率為155.520 Mb/s。 PDH互不兼容的三套體系可以在SDH的STM-1上進(jìn)行兼容， 實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)字傳輸?shù)氖澜缃y(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) (2) SDH的幀結(jié)構(gòu)是矩形塊狀結(jié)構(gòu)， 低速率支路的分布規(guī)律性極強(qiáng)， 可以利用指針（P

34、TR）指出其位置， 一次性地直接從高速信號(hào)中取出， 而不必逐級(jí)分接， 這使得上下話路變得極為簡(jiǎn)單。 (3) SDH幀結(jié)構(gòu)中擁有豐富的開(kāi)銷比特， 使得網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行、 管理、 維護(hù)（OAM）能力大大增強(qiáng)。 預(yù)留的備用字節(jié)可以進(jìn)一步滿足智能化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) (4) SDH具有統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口， 不同廠家的設(shè)備， 只要應(yīng)用類別相同， 就可以實(shí)現(xiàn)光路上的互通。 (5) SDH采用同步和靈活的復(fù)用方式， 大大簡(jiǎn)化了數(shù)字交叉連接（DXC）設(shè)備和分插復(fù)用器（ADM）的實(shí)現(xiàn)， 增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的自愈功能， 并可根據(jù)用戶的要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)組網(wǎng)， 便于網(wǎng)絡(luò)調(diào)度。 第第7

35、 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) (6) SDH不但實(shí)現(xiàn)了PDH向SDH的過(guò)渡， 還支持異步轉(zhuǎn)移模式（ATM）和寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）業(yè)務(wù)。 ATM的信元可以裝入到STM-1中， 用基于SDH的網(wǎng)進(jìn)行傳送。 B-SDN的UNI物理層的速率與STM-1和STM-4的速率完全一致， 因而SDH能很好地支持ISDN。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) SDH有上述種種優(yōu)點(diǎn)， 但SDH也有不足： SDH的頻帶利用率比起PDH有所下降； SDH網(wǎng)絡(luò)采用指針調(diào)整技術(shù)來(lái)完成不同SDH網(wǎng)之間的同步， 使得設(shè)備復(fù)雜， 同時(shí)字節(jié)調(diào)整所帶來(lái)的輸出抖動(dòng)也大于PDH； 軟件控制

36、并支配了網(wǎng)絡(luò)中的交叉連接和復(fù)用設(shè)備， 一旦出現(xiàn)軟件操作錯(cuò)誤或病毒， 容易造成網(wǎng)絡(luò)全面故障。 盡管如此， SDH的良好性能已經(jīng)得到了公認(rèn)， 成為未來(lái)傳輸網(wǎng)發(fā)展的主流。 SDH的更多內(nèi)容后面還會(huì)作進(jìn)一步的介紹。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 7.3.3 誤碼特性和抖動(dòng)特性 數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)是誤碼特性和抖動(dòng)特性。 1. 誤碼特性 所謂誤碼， 是指當(dāng)發(fā)送端發(fā)送的是“1”碼或“0”碼時(shí)， 在接收端的相應(yīng)位置收到的卻是“0”碼或“1”碼。 在數(shù)字信號(hào)的傳輸過(guò)程中， 如果發(fā)生的誤碼過(guò)多， 就會(huì)造成通信質(zhì)量的下降。 造成誤碼的原因有噪聲、 光纖的色散等。 誤碼對(duì)通信質(zhì)量的影響

37、可以用誤碼特性來(lái)衡量。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 誤碼性能參數(shù)主要有以下幾種： (1) 長(zhǎng)期平均誤碼率BERav(Bit Error Rate）： 是指在一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的誤碼的個(gè)數(shù)和總的傳輸碼元數(shù)的比值， 表示為 BERav= 誤碼的個(gè)數(shù) 總的傳輸碼元數(shù) 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 對(duì)于數(shù)字段長(zhǎng)度不超過(guò)420 km的高比特率的光纜通信系統(tǒng)， 允許的誤碼率BERav110-9（連續(xù)測(cè)試時(shí)間不少于24小時(shí)）， 當(dāng)數(shù)字段距離超過(guò)420 km時(shí)， BERav按長(zhǎng)度線性比例確定。 可以看出， 長(zhǎng)期平均誤碼率只能反映出測(cè)試時(shí)間內(nèi)的平均誤碼結(jié)果，

38、 無(wú)法反映出誤碼的隨機(jī)性和突發(fā)性， 所以還有下面的指標(biāo)。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) (2) 劣化分（DM）： 是指每分鐘的BERav劣于110-6的分鐘。 (3) 嚴(yán)重誤碼秒（SES）： 是指BERav劣于110-3的秒。 (4) 誤碼秒（ES）： 有誤碼的秒稱為誤碼秒。 這是由于現(xiàn)代通信中的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是成塊發(fā)送的， 如果1秒中有誤碼， 相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊都要重發(fā)。 需要說(shuō)明的是， DM、 SES、 ES要求用平均時(shí)間百分?jǐn)?shù)來(lái)表述， 即DM、 SES、 ES是相對(duì)于整個(gè)測(cè)試時(shí)間（幾天至一個(gè)月）的百分?jǐn)?shù)。 具體的誤碼性能指標(biāo)如表7.2所示。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)

39、光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 表7.2 64 kb/s誤碼性能指標(biāo) 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 2. 抖動(dòng)特性 抖動(dòng)是指數(shù)字傳輸中數(shù)字信號(hào)的有效瞬間位置相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)位置的偏差， 如圖7.12所示。 光纖通信中把10 Hz以下的長(zhǎng)期相位變化稱為漂動(dòng)， 而10 Hz以上的稱為抖動(dòng)。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 圖7.12 產(chǎn)生抖動(dòng)的示意圖 (b)輸入電壓噪聲判決門(mén)限tt輸出電壓t(a)t1t2t3t4第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 產(chǎn)生抖動(dòng)的原因可以是隨機(jī)噪聲（如圖7.12(b)所示）， 時(shí)鐘恢復(fù)電路的振蕩器的元件老化、 調(diào)諧不準(zhǔn)， 接

40、收機(jī)碼間干擾、 電纜老化等。 抖動(dòng)原則上可以用時(shí)間、 相位、 數(shù)字周期來(lái)描述， 現(xiàn)在多用數(shù)字周期來(lái)描述， 即令一個(gè)碼元的時(shí)隙長(zhǎng)度為一個(gè)單位時(shí)間間隔， 用符號(hào)UI（Unit Interval）表示， 它在數(shù)值上等于傳輸速率的倒數(shù)。 所以不同的傳輸速率， 1UI的時(shí)間不同， 如表7.3所示。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 表7.3 不同碼速率的1UI時(shí)間 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 抖動(dòng)難以完全消除， 為了保證系統(tǒng)正常工作， 根據(jù)ITU-T的建議和我國(guó)國(guó)標(biāo)的規(guī)定， 抖動(dòng)特性包括三項(xiàng)性能指標(biāo)： 輸入抖動(dòng)容限， 輸出抖動(dòng)容限和抖動(dòng)轉(zhuǎn)移特性。 抖動(dòng)容限一

41、般用峰-峰抖動(dòng)Jp-p來(lái)描述， 它是指某個(gè)特定的抖動(dòng)比特的時(shí)間位置相對(duì)于該比特?zé)o抖動(dòng)時(shí)的時(shí)間位置的最大偏離。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 1） 輸入抖動(dòng)容限 系統(tǒng)的輸入接口容許輸入信號(hào)最大抖動(dòng)的范圍為輸入抖動(dòng)容限。 它衡量的是數(shù)字設(shè)備接口適應(yīng)數(shù)字信號(hào)抖動(dòng)的能力。 根據(jù)ITU-T的建議和我國(guó)國(guó)標(biāo)的規(guī)定， PDH各次群輸入接口的輸入抖動(dòng)容限如圖7.13(a)和表7.4所示。 SDH系統(tǒng)光接口的輸入抖動(dòng)容限如圖7.13(b)和表7.5所示。第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 圖7.13 輸入抖動(dòng)容限 (a) PDH； (b) SDHJP-P(UI)A0A1

42、A2F00F1F2F3F4f斜率為20 dB / 10倍頻程(a)A4A3A2A1A00F12F11F10F9F8F1F2F3F4f斜率為20 dB / 10倍頻程(對(duì)數(shù)坐標(biāo))(對(duì)數(shù)坐標(biāo))(b)JP-P(UI)第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 表7.4 PDH各次群輸入接口抖動(dòng)容限 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 表7.5 STM-N光接口輸入抖動(dòng)容限和漂移容限 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 2） 輸出抖動(dòng)容限 當(dāng)輸入端口無(wú)抖動(dòng)時(shí)輸出端口的抖動(dòng)特性稱為輸出抖動(dòng)。 它衡量的是系統(tǒng)輸出端口的信號(hào)抖動(dòng)。 根據(jù)ITU-T的建議和我國(guó)國(guó)標(biāo)

43、的規(guī)定， 在全程和數(shù)字段上用帶通濾波器對(duì)PDH各次群的輸出口進(jìn)行測(cè)試， 輸出抖動(dòng)不應(yīng)超過(guò)表7.6所給的容限值， SDH各 STM-N 接口的固有抖動(dòng)不應(yīng)超過(guò)表7.7所給出的容限值。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 表7.6 PDH輸出抖動(dòng)要求 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 表7.7 SDH各STM-N接口抖動(dòng)要求 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 3） 抖動(dòng)轉(zhuǎn)移特性 抖動(dòng)轉(zhuǎn)移是指系統(tǒng)輸出信號(hào)的抖動(dòng)與具有對(duì)應(yīng)頻率的輸入信號(hào)的抖動(dòng)之比。 它衡量的是光端機(jī)自身對(duì)抖動(dòng)特性的傳遞關(guān)系。 對(duì)于數(shù)字段， 抖動(dòng)轉(zhuǎn)移增益最大不應(yīng)超過(guò)1 dB。 第

44、第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 7.4 IM-DD數(shù)字光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7.4.1 總體設(shè)計(jì)考慮 我們知道， 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)一般采用強(qiáng)度調(diào)制、 直接檢波的方式， 即IM-DD方式。 任何復(fù)雜的通信系統(tǒng)， 其基本單元都是點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸鏈路。 它包括三大部分， 即光發(fā)送機(jī)， 光接收機(jī)和光纖線路。 每一部分都涉及許多的光電器件， 所以對(duì)鏈路的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的工作， 而每個(gè)元器件的選擇都要經(jīng)過(guò)若干次的反復(fù)。 這里僅對(duì)原則性的問(wèn)題作一下介紹。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 光纖通信系統(tǒng)的基本要求有以下幾點(diǎn)： (1) 預(yù)期的傳輸距離。 (2)

45、 信道帶寬或碼速率。 (3) 系統(tǒng)性能（誤碼率， 信噪比）。 為了達(dá)到這些要求， 需要對(duì)以下一些要素進(jìn)行考慮： 光纖： 需要考慮選用單模還是多模光纖， 需要考慮的設(shè)計(jì)參數(shù)有： 纖芯尺寸、 纖芯折射率分布、 光纖的帶寬或色散特性、 衰耗特性。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 光源： 可以使用LED或LD， 光源器件的參數(shù)有發(fā)射功率、 發(fā)射波長(zhǎng)、 發(fā)射頻譜寬度、 方向圖等。 檢測(cè)器: 可以使用PIN組件或APD組件， 主要的器件參數(shù)有工作波長(zhǎng)、 響應(yīng)度、 接收靈敏度、 響應(yīng)時(shí)間等。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 1. 假想?yún)⒖紨?shù)字鏈路 設(shè)計(jì)一個(gè)光纖傳輸

46、鏈路， 要滿足CCITT有關(guān)文獻(xiàn)和我國(guó)國(guó)標(biāo)的規(guī)定， 就要假想一個(gè)傳輸模型。 一個(gè)很長(zhǎng)距離的傳輸系統(tǒng)一般包含若干個(gè)數(shù)字段， 對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就包含這樣一些內(nèi)容： 根據(jù)通信系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求， 確定這個(gè)數(shù)字鏈路中由幾個(gè)數(shù)字段組成， 每個(gè)數(shù)字段的長(zhǎng)度； 每個(gè)站應(yīng)配備的設(shè)備； 總的系統(tǒng)要求的技術(shù)指標(biāo)， 如何在各數(shù)字段之間分配。 設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要選擇合適的路由， 中繼站應(yīng)考慮上下話路的需要和信號(hào)放大再生的功能。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 2. 采用的傳輸制式 以前的數(shù)字傳輸鏈路使用的是PDH體制， 現(xiàn)在SDH技術(shù)已經(jīng)成熟并已在線路上大量使用， 鑒于SDH設(shè)備良好的性能和兼容性，

47、長(zhǎng)途干線傳輸或大城市的市話系統(tǒng)都應(yīng)該采用SDH。 但為了節(jié)省成本， 農(nóng)村線路也可以適當(dāng)采用PDH。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 3. 工作波長(zhǎng)的確定 工作波長(zhǎng)可根據(jù)通信距離和通信容量進(jìn)行選擇。 如果是短距離小容量的系統(tǒng)， 則可以選擇短波長(zhǎng)范圍， 即800900 nm。 如果是長(zhǎng)距離大容量的系統(tǒng)， 則選用長(zhǎng)波長(zhǎng)的傳輸窗口， 即1310 nm和1550 nm， 因?yàn)檫@兩個(gè)波長(zhǎng)區(qū)具有較低的損耗和色散。 另外， 還要注意所選用的波長(zhǎng)區(qū)具有可供選擇的相對(duì)器件。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 4. 光纖的選擇 光纖有多模光纖和單模光纖， 每種都有階躍的和漸

48、變折射率的纖芯分布。 對(duì)于短距離傳輸和短波長(zhǎng)應(yīng)用， 可以用多模光纖。 但長(zhǎng)波長(zhǎng)傳輸一般使用單模光纖。 目前可選擇的單模光纖有G.652， G.653， G.654， G.655等。 G.652對(duì)于1310 nm波段是最佳選擇； G.653只適合于1550 nm波段； 對(duì)于WDM系統(tǒng)， G.655和大有效面積光纖是最適合的。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 另外， 光纖的選擇也與光源有關(guān)， LED與單模光纖的耦合率很低， 所以LED一般用多模光纖， 但近來(lái)1310 nm的邊發(fā)光二極管與單模光纖的耦合取得了進(jìn)展。 另外， 對(duì)于傳輸距離為數(shù)百米的系統(tǒng)， 可以用塑料光纖配以LED

49、。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 5. 光檢測(cè)器的選擇 選擇檢測(cè)器需要看系統(tǒng)在滿足特定誤碼率的情況下所需的最小接收光功率， 即接收機(jī)的靈敏度， 此外還要考慮檢測(cè)器的可靠性、 成本和復(fù)雜程度。 PIN比起APD來(lái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 溫度特性更加穩(wěn)定， 成本低廉。 正常情況下， PIN的偏置電壓低于5 V。 但是若要檢測(cè)極其微弱的信號(hào)， 還需要靈敏度較高的APD或PIN-FET等。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 6. 光源的選擇 選擇LED還是LD， 需要考慮一些系統(tǒng)參數(shù)， 比如色散、 碼速率、 傳輸距離和成本等。 LED輸出頻譜的譜寬比起LD來(lái)寬得多， 這

50、樣引起的色散較大， 使得LED的傳輸容量（碼速距離積）較低， 限制在2500（Mb/s）km以下（1310 nm）； 而LD 的譜線較窄， 傳輸容量可達(dá)500（Gb/s）km（1550 nm）。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 典型情況下， LD耦合進(jìn)光纖中的光功率比LED高出1015 dB， 因此會(huì)有更大的無(wú)中繼傳輸距離。 但是LD的價(jià)格比較昂貴， 發(fā)送電路復(fù)雜， 并且需要自動(dòng)功率和溫度控制電路。 而LED價(jià)格便宜， 線性好， 對(duì)溫度不敏感， 線路簡(jiǎn)單。 設(shè)計(jì)電路時(shí)需要綜合考慮這些因素。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 7.4.2 設(shè)計(jì)方法 光纖通

51、信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)既可以使用最壞值設(shè)計(jì)也可以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)。 使用最壞值設(shè)計(jì)時(shí)， 所有考慮在內(nèi)的參數(shù)都以最壞的情況考慮。 用這種方法設(shè)計(jì)出來(lái)的指標(biāo)肯定滿足系統(tǒng)要求， 系統(tǒng)的可靠性較高， 但由于在實(shí)際應(yīng)用中所有參數(shù)同時(shí)取最壞值的概率非常小， 所以這種方法的富余度較大， 總成本偏高。 統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)方法是按各參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分布特性取值的， 即通過(guò)事先確定一個(gè)系統(tǒng)的可靠性代價(jià)來(lái)?yè)Q取較長(zhǎng)的中繼距離。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 這種方法考慮各參數(shù)統(tǒng)計(jì)分布時(shí)較復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性不如最壞值法， 但成本相對(duì)較低， 中繼距離可以有所延長(zhǎng)。 另外也可以綜合考慮這兩種方法， 部分參數(shù)值按最壞值處理， 部分參

52、數(shù)取統(tǒng)計(jì)值， 從而得到相對(duì)穩(wěn)定， 成本適中， 計(jì)算簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。 一個(gè)光纖鏈路， 如果損耗是限制光中繼距離的主要因素， 則這個(gè)系統(tǒng)就是損耗受限的系統(tǒng)； 如果光信號(hào)的色散展寬最終成為限制系統(tǒng)中繼距離的主要因素， 則這個(gè)系統(tǒng)就是色散受限的系統(tǒng)。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 1. 損耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法功率預(yù)算法一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)鏈路的光功率損耗模型如圖7.14所示。 圖7.14 點(diǎn)到點(diǎn)鏈路的光功率損耗模型光 發(fā) 送 機(jī)(TX)光 接 收 機(jī)(RX)SRcsssscLs： 光 纖 固 定 接 頭 損 耗c： 光 纖 活 動(dòng) 接 頭 損 耗第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)

53、計(jì) L為從S點(diǎn)到R點(diǎn)的中繼距離。 一般在光發(fā)送機(jī)之后和光接收機(jī)之前各有一個(gè)固定接頭， 固定接頭損耗為c。 每段光纖之間會(huì)由活動(dòng)連接器或固定連接器連接， 每個(gè)連接器的損耗為s。 假設(shè)每段光纖的長(zhǎng)度為L(zhǎng)F， 每段光纖的損耗為F， 則會(huì)有N=（L/LF）-1個(gè)活動(dòng)連接器。 有時(shí)候也可以把連接器損耗s等效分布到光纖損耗F里。 PS為S點(diǎn)發(fā)射機(jī)的出纖功率， PR為R點(diǎn)進(jìn)入接收機(jī)的功率。 考慮到設(shè)備的老化、 溫度的波動(dòng)等因素， 應(yīng)該留有系統(tǒng)功率富余度M。 由此有下式： PS-PR=2c+Ns+FL+M （7.19）第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 則傳輸距離為 FsFscRSLMPPL

54、/2（7.20） 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 例如， 一個(gè)速率為20 Mb/s， 誤碼率為10-9的數(shù)字傳輸鏈路， 可以選擇接收機(jī)工作在850 nm的Si PIN光電二極管， 接收機(jī)的靈敏度為-42 dBm。 如果選擇GaAlAs LED， 使其能夠把50 W（-13 dBm）的平均光功率耦合進(jìn)多模光纖， 則允許的光功率損耗為29 dB。 假設(shè)在發(fā)送機(jī)和接收機(jī)處各有一個(gè)損耗為1 dB的連接器， 系統(tǒng)功率富余度為6 dB， 則有 29=21+FL+6 如果光纖損耗（包含接頭損耗）F為3.5 dB/km， 則傳輸距離為6 km。 功率預(yù)算也可以用作圖法完成， 如圖7.15

55、所示。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 圖7.15 系統(tǒng)功率預(yù)算作圖法 從LED耦合進(jìn)尾纖的功率耦合進(jìn)光纜的功率損耗連接器損耗3.5dB/km的光纖損耗(包括熔接點(diǎn)損耗)預(yù)期傳輸距離連接器損耗PIN接收機(jī)靈敏度50403020106 dB系統(tǒng)富余度容許的光纖和熔接點(diǎn)的總損耗功率電平 / dBm距離 / km1234560D第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 圖中的橫軸表示傳輸距離， 縱軸表示光功率。 圖中， 在發(fā)送機(jī)輸出功率為-13 dBm處和接收機(jī)光功率為-42 dBm處各畫(huà)一水平線， 其間距離表示線路上所允許的光功率損耗。 發(fā)送和接收端各有接頭損耗1

56、 dB， 所以在此發(fā)送機(jī)光功率之下和接收機(jī)功率之上各畫(huà)一條水平線， 在其間再作出6 dB的系統(tǒng)功率富余度， 則剩下的距離是光纖鏈路可用的衰減， 假設(shè)光纖損耗（包括熔接頭損耗)為3.5 dB/km， 再作斜率為3.5 dB/km的斜線， 此斜線起點(diǎn)為耦合入纖的光功率，即-14 dBm處， 則最終相交點(diǎn)D表示的距離為線路預(yù)期的傳輸距離， 即為6 km。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 在上述計(jì)算中認(rèn)為接收機(jī)靈敏度是常數(shù)， 而在實(shí)際系統(tǒng)中， 光纖中脈沖展寬會(huì)隨著傳輸距離的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)， 此時(shí)的接收機(jī)靈敏度會(huì)下降， 即圖7.15中的接收機(jī)靈敏度不是一條直線， 而是向上彎曲的曲線，

57、這樣提早與斜線相交， 從而使傳輸距離下降。 此時(shí)的接收機(jī)靈敏度PR是傳輸距離L的隱函數(shù)， 所以不能直接求解傳輸距離， 只能用數(shù)值解或圖解法。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 2. 色散系統(tǒng)的上升時(shí)間預(yù)算 隨著光纖制造工藝的成熟， 光纖的損耗可以達(dá)到理論值。 在高速光纖通信系統(tǒng)中， 光纖的損耗非常低， 此時(shí)限制傳輸距離的是光纖的色散。 一種簡(jiǎn)單的分析方法是進(jìn)行系統(tǒng)上升時(shí)間的分析。 系統(tǒng)總的上升時(shí)間tsys主要受以下幾個(gè)因素的影響： 光發(fā)送機(jī)上升時(shí)間tT， 接收機(jī)上升時(shí)間tR， 光纖模式色散上升時(shí)間tmod， 光纖群速率色散tGVD等。 并且有22mod222RGVDTsys

58、ttttt（7.21） 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 通常情況下， 數(shù)字鏈路總的系統(tǒng)上升時(shí)間不超過(guò)NRZ碼比特周期的70%， 不超過(guò)RZ碼比特周期的35%。 這里的比特周期為數(shù)字速率的倒數(shù)。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 1) 光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)上升時(shí)間 光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)上升時(shí)間通常定義為光信號(hào)的10%90%上升時(shí)間， 即光信號(hào)上升到最大值的10%至90%之間的時(shí)間。 光發(fā)送機(jī)的上升時(shí)間主要取決于光源及其驅(qū)動(dòng)電路。 對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)， 這個(gè)時(shí)間一般是已知的。 而光接收機(jī)的上升時(shí)間主要取決于光檢測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間和前置放大器的3 dB帶寬BR， 可以

59、表示為RRBt25. 0（7.22） 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 2) 光纖群速率色散上升時(shí)間 在實(shí)際的鏈路上， 光纖都是由幾段光纖鏈接而成的， 每段光纖的色散特性并不完全相同， 而多模光纖在連接點(diǎn)處還要進(jìn)行模式再分配， 因此確定光纖的GVD上升時(shí)間比較復(fù)雜。 長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖引起的GVD上升時(shí)間可以近似表示為 tGVD=DL (7.23) 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 其中， 是光源的半功率譜寬， D為色散系數(shù)。 由于實(shí)際鏈路每段光纖的色散系數(shù)是不同的， 因此D應(yīng)取一個(gè)平均值。 對(duì)于色散位移光纖， 在800900 nm范圍， D主要由材料色散構(gòu)

60、成， 因此有 tGVD=tmat=DmatL （7.24）第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 3) 光纖模式色散上升時(shí)間 實(shí)踐證明， 長(zhǎng)度為L(zhǎng)的鏈路帶寬可以近似表示為 BM=B1L-q （7.25） 其中： B1是單位長(zhǎng)度（1 km）的光纖帶寬； q為光纖質(zhì)量指數(shù)， 取值范圍是0.51， q=0.5時(shí)表示達(dá)到穩(wěn)定的模式平衡狀態(tài)， q=1時(shí)表示幾乎沒(méi)有模式混合， 一般情況下取q=0.7比較合理。 第第7 7章章 光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 假設(shè)光脈沖為高斯脈沖， tFWHM為脈沖的半高全寬， 即脈沖降為其峰值功率的一半時(shí)所需的時(shí)間的2倍。 3 dB光帶寬定義為使用頻率