光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)(修改)

1、第7章 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 7.2 典型的模擬光纖通信系統(tǒng) 7.3 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) 7.5 WDM+EDFA數(shù)字光纖鏈路設(shè)計(jì) 7.1 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下圖所示， 它包括光發(fā)送機(jī)、 光纖傳輸信道和光接收機(jī)。 模擬鏈路的基本單元 7.1.2 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： 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

2、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 (1)檢測(cè)器光電二極管的主要噪聲為 其中： IP為初始光電流； ID為暗電流； G為倍增增益； Beq為接受機(jī)的帶寬。(2)檢測(cè)器前置放大器的噪聲為 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為前置放大器的噪聲系數(shù)， 通常為23 dB。 7.2 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 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) 如果基帶信號(hào)(t)為正弦信號(hào)， 調(diào)制作用于光源的線性區(qū)， 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。定

3、義調(diào)制指數(shù)m為輸出光功率的峰-峰值Pp和平均發(fā)送光功率Pi的比值： 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：基帶直接強(qiáng)度調(diào)制的信噪比： 7.2.2 多信道傳輸 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)光源在光纖里傳輸。 N個(gè)信道的頻分復(fù)用 在副載波強(qiáng)度調(diào)制系統(tǒng)中， 信息加在載波上， 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。 對(duì)于調(diào)制指數(shù)為m的正弦接收信號(hào)

4、， 接收機(jī)的載波功率 ： 光源噪聲： 光源噪聲是指激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲RIN（dB/Hz）， 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之比均方噪聲電流：載噪比: (1) 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)的載噪比為: 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。 (2) 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， 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:此時(shí)， P 每變化1 dB， C/N也將變化1 dB。

5、(3)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)的載噪比為習(xí)題假設(shè)一個(gè)多信道系統(tǒng)有120個(gè)信道， 每個(gè)信道的調(diào)制指數(shù)為2.3%； 鏈路包括一根損耗為1 dB/km的12 km長(zhǎng)的單模光纖， 每端有一個(gè)損耗為0.5 dB的連接器； 激光光源耦合進(jìn)光纖的功率為2 mW， 光源的RIN=-135 dB/Hz； PIN光電二極管接收機(jī)的響應(yīng)度為0.6 A/W， B=5 GHz， ID=10 nA， Req=50 ， Ft=3 dB ， T=290k。 試求本系統(tǒng)的載噪比。 7.3 數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 7.3.1 系統(tǒng)構(gòu)成 目前而言， 強(qiáng)度調(diào)制直接檢波（IM-DD）光纖通信系統(tǒng)是最常用的方

6、式。 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。 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的組成原理圖 PCM編碼和解碼過程 7.3.2 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 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)的傳輸過程中， 如果發(fā)生的誤碼過多， 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)量的影響可以用誤碼特性來(lái)衡量。 誤碼性能參數(shù)： (1) 長(zhǎng)期平均誤碼率BERav(Bit Error Rate）： 指在一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)出

7、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) (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)。 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。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)。 產(chǎn)生抖動(dòng)的原因可以是隨機(jī)噪聲, 時(shí)鐘恢復(fù)電路的振蕩器的元件老化、 調(diào)諧不

8、準(zhǔn)， 接收機(jī)碼間干擾、 電纜老化等。7.4 IM-DD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 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) 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。 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

9、敏度、 響應(yīng)時(shí)間等。 1. 假想?yún)⒖紨?shù)字鏈路 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)， 如何在數(shù)各字段之間分配。 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。 2. 采用的傳輸制式 如PDH 傳輸 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)，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。 4. 光纖的選擇 光纖有多模光纖和單模光纖， 每種

10、都有階躍的和漸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。 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。 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。 7.4.2 設(shè)計(jì)方法 (1)最壞值設(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，

11、所以這種方法的富余度較大， 總成本偏高。 (2)統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì) 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。 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下圖所示。 點(diǎn)到點(diǎn)鏈路的光功率損耗模型 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。 光纖損耗F。 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

12、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則傳輸距離為 2. 色散受限系統(tǒng)色散影響的中繼距離 原因： 對(duì)于損耗較低的光纖傳輸系統(tǒng)， 光纖色散使得脈沖展寬得很嚴(yán)重， 出現(xiàn)碼間干擾， 從而限制了傳輸距離。 碼間干擾的嚴(yán)重程度用相對(duì)均方根脈寬表示： 其中， 是均方根脈沖寬度， T是碼元持續(xù)時(shí)間， 為106/B， B為比特速率， 單位為Mb/s。 而=DL， D是光纖色散系數(shù)（單位為ps/(kmnm)）， L是光纖長(zhǎng)度（單位為km）， 是光源的譜寬（單位為nm）。 色散影響的中繼距離例題：對(duì)于一個(gè)565Mb/s單模光纖傳輸系統(tǒng)，其系統(tǒng)總體要求如下：(1)光纖通信系統(tǒng)的光纖損耗為0.1dB/km，有5個(gè)接頭，