第8章數(shù)字傳輸系統(tǒng)1

第8章數(shù)字傳輸系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容點(diǎn)到點(diǎn)鏈路鏈路的功率預(yù)算、展寬時(shí)間預(yù)算、光纖鏈路的傳輸距離；線路編碼NRZ碼、RZ碼、分組碼；糾錯(cuò)；噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響；基本要求了解整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的組成；系統(tǒng)的性能指標(biāo)；能簡(jiǎn)單進(jìn)行光纖數(shù)字通信系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。問(wèn)題引出前面論述了光纖傳輸鏈路的各個(gè)模塊（傳輸介質(zhì)光纖、光源、光檢測(cè)器、接收機(jī)及其它的無(wú)源器件）的基本特性。這一章我們將研究將這些分立的器件如何組合在一起，形成一條完整的光纖傳輸鏈路。8.1點(diǎn)到點(diǎn)鏈路－－最簡(jiǎn)單的傳輸鏈路，該鏈路一端為光發(fā)射機(jī)，另一端為接收機(jī)。光纖鏈路的設(shè)計(jì)涉及許多相互關(guān)聯(lián)的變量參數(shù)（光纖、光源、檢測(cè)器等）。性能和成本是光纖鏈路設(shè)計(jì)中很重要的制約因素。圖8.1單工點(diǎn)到點(diǎn)光纖鏈路在設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)必須考慮：預(yù)期的傳輸距離數(shù)據(jù)速率或信道帶寬誤碼率（BER）根據(jù)上述要求，選擇有關(guān)器件和相關(guān)特性參數(shù)（1)多模或單模光纖纖芯尺寸纖芯折射率剖面帶寬或色散損耗（2)數(shù)值孔徑或模場(chǎng)直徑LED或LD光源發(fā)射波長(zhǎng)譜線寬度輸出功率有效輻射區(qū)發(fā)射方向圖發(fā)射模式數(shù)量（3)pin或雪崩光電檢測(cè)器響應(yīng)度工作波長(zhǎng)速率靈敏度8.1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)為獲得預(yù)期系統(tǒng)性能，必須進(jìn)行兩種分析：鏈路功率預(yù)算和系統(tǒng)展寬時(shí)間預(yù)算。

系統(tǒng)部件的選擇選擇部件之前，應(yīng)對(duì)將要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的情況和指標(biāo)有所了解。如系統(tǒng)的比特率，誤碼率以及傳輸距離；對(duì)傳輸模擬信號(hào)的光纖通信系統(tǒng)，則應(yīng)了解其信號(hào)帶寬、信噪比和傳輸距離。1.工作波長(zhǎng)的選擇若傳輸距離長(zhǎng)，選用1.31um的長(zhǎng)波長(zhǎng)波段。若傳輸碼高，選用1.31um的單模光纖。對(duì)傳輸距離短，碼速不高的系統(tǒng)可選0.86um波段。2.光源的選擇選取LED還是LD，需要考慮一些系統(tǒng)參數(shù)，如色散、數(shù)據(jù)速率、傳輸距離和成本等。激光器比LED輸出光功率高，譜線窄，應(yīng)用單模光纖傳輸時(shí)色散小。適用于長(zhǎng)距離高碼速的光纖通信系統(tǒng)中采用。波長(zhǎng)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。如要達(dá)到更高的數(shù)值如2500（Mb/s）.km，則必須使用LD。波長(zhǎng)1.3μm：該區(qū)域光纖的色散很小，使用LED就可以得到1500（Mb/s）.km的帶寬距離積。使用LD，該波長(zhǎng)區(qū)域上的帶寬距離積可以超過(guò)25（Gb/s）.km2.光源的選擇波長(zhǎng)1.55μm：?jiǎn)文９饫w的極限帶寬距離積可達(dá)到500（Gb/s）.km光功率偶合：LD偶合進(jìn)光鏈路的光功率比LED高10dB到15dB。但激光與發(fā)光二級(jí)管相比，它的壽命相對(duì)較低，價(jià)格高，穩(wěn)定性差，調(diào)制電路復(fù)雜。發(fā)光二極管壽命長(zhǎng)，價(jià)格低，受溫度影響小，工作穩(wěn)定，調(diào)制電路簡(jiǎn)單，但發(fā)光功率低，譜線寬。適于工作在距離短，碼速低的光纖通信系統(tǒng)中。加在光檢測(cè)器上所需的最小光功率、設(shè)計(jì)成本和復(fù)雜程度（pin和雪崩二極管）PIN管的偏壓電路簡(jiǎn)單、價(jià)格較低。但是，使用PIN管時(shí)光接收機(jī)的靈敏度較使用APD管的低。APD管偏壓高，偏壓電路復(fù)雜，價(jià)格亦高。但靈敏度高。3.光電檢測(cè)器的選擇4.光纖的選擇單模光纖：理論上無(wú)模式色散，適用于長(zhǎng)距離、高碼速情況。但芯徑細(xì)，連接比多模光纖困難。多模光纖：有模式色散，不適于工作在長(zhǎng)距離，高碼速的情況，但便于連接。8.1.2鏈路功率預(yù)算圖8.2給出點(diǎn)到點(diǎn)鏈路的光功率損耗模型。檢測(cè)器接收的光功率取決于：偶合進(jìn)光纖的光功率；發(fā)生在光纖、連接器和熔接點(diǎn)的損耗。各個(gè)部分的損耗用分貝（dB）表示為：損耗＝10log(Pout/Pin)（8.1）Pin和Pout分別表示該損耗單元的輸入功率和輸出功率鏈路的損耗預(yù)算可由鏈路上各個(gè)部分損耗的總和推出?？偣夤β蕮p耗PT為：PT=Ps-PR=2lc+αfL+系統(tǒng)富余度（8.2）Ps：尾纖端發(fā)出的光功率，PR：接收機(jī)的靈敏度，lc：連接器損耗，αf：光纖衰減（dB/km），L：傳輸距離，系統(tǒng)富余度：6dB光纖鏈路功率預(yù)算計(jì)算方法圖8.3接收機(jī)靈敏度曲線(1)公式法例8.1：數(shù)據(jù)速率為20Mb/s誤碼率為：10-9解：選擇工作在850nm的Sipin光電二極管，由圖8.3可得接收機(jī)所需的信號(hào)功率為：-42dBm選擇GaAlAsLED，把50uW（-13dBm）光功率偶合進(jìn)尾纖，則允許損耗為：-13-(-42)=29dBm傳輸距離由（8.2)式得到：PT=Ps-PR=29dB=2(dB)+αfL+6dB若αf＝3.5dB/km，則L＝6.0km(2)圖示法圖8.4鏈路損耗預(yù)算圖縱軸表示發(fā)送機(jī)和接收機(jī)之間允許的光功率損耗，橫軸表示傳輸距離。相交點(diǎn)D的位置即可決定最大的傳輸距離。尾纖輸出功率：－13dBm靈敏度：－42dBm最大距離：6Km總富余度＝-13-1-(-42)-1－6=21dB(3)列表法例8.2器件/損耗參數(shù)(dB)輸出/靈敏度/損耗功率富余度激光輸出3dBmAPD在2.5Gb/s時(shí)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(jī)連接器損耗1dB7(最終富余度)8.1.3展寬時(shí)間預(yù)算―確定光纖鏈路中色散限制的一種簡(jiǎn)便的方法是進(jìn)行展寬時(shí)間分析（適用于數(shù)字系統(tǒng)）。由于色散的影響，造成數(shù)字信號(hào)脈沖過(guò)大的展寬，引起碼間干擾，而造成光接收機(jī)的靈敏度降低。Rise-timebudget脈沖展寬的程度可以用脈沖的上升時(shí)間來(lái)描述。光纖數(shù)字通信系統(tǒng)的基本碼型（1）NRZ碼NRZ碼中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)占滿一個(gè)比特周期，充滿一個(gè)完整周期的電流脈沖或光脈沖為1，沒有脈沖發(fā)送則代表0。沒有誤差監(jiān)控和糾錯(cuò)能力。Fig.8-7:NRZ-LdatapatternRZ碼（2）RZ碼每個(gè)數(shù)據(jù)比特編為兩個(gè)光線路碼比特。單極RZ碼中，“1”碼由一個(gè)在比特周期的前半部或后半部的半周期光脈沖表示，“0”碼則由比特周期內(nèi)無(wú)信號(hào)表示。Fig.8-9:RZdataformats單極RZ格式的一個(gè)缺點(diǎn)是長(zhǎng)的連0碼會(huì)導(dǎo)致定時(shí)同步的丟失。光曼徹斯特碼（3）光曼徹斯特碼對(duì)基帶(NRZ-L)信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)直接進(jìn)行模二加(異或)運(yùn)算所得。Fig.8-9:RZdataformats單極RZ格式的一個(gè)缺點(diǎn)是長(zhǎng)的連0碼會(huì)導(dǎo)致定時(shí)同步的丟失。光曼徹斯特碼沒有這種限制。這種碼的每個(gè)比特間隔的中心處都有電平變換：負(fù)向變換表示1比特，正向變換表示0比特。8.1.3展寬時(shí)間預(yù)算總的系統(tǒng)展寬時(shí)間為：

tsys=[ttx

2+tmod2+tGVD

2+trx2]1/2ttx

：發(fā)射機(jī)上升時(shí)間；

tmod：中繼段光纖模式色散引起的上升時(shí)間；tGVD

：中繼段光纖材料色散引起的上升時(shí)間；trx

：光接收機(jī)引起的上升時(shí)間（1)數(shù)字信號(hào)碼元周期與信號(hào)帶寬的關(guān)系對(duì)非歸零碼（NRZ）Bc=1/2Ts歸零碼（RZ）Bc=1/Ts（2)一個(gè)光纖系統(tǒng)可近似為一個(gè)低通濾波器tc=0.44/Bctc：上升時(shí)間；Bc：帶寬（3)根據(jù)信號(hào)碼元周期確定系統(tǒng)上升時(shí)間TsRZts=0.35TsNRZts=2×0.35Ts=0.7Ts光纖群速率色散（GVD）展寬TGVD

tGVD≈|D|Lбλ(8.5)D:色散系數(shù)，бλ：光源的半功率譜寬發(fā)射機(jī)展寬ttx計(jì)算

決定于光源和調(diào)制電路：（4.50)光纖模式色散展寬Tmod(8.16)B0：每公里帶寬L：光纖長(zhǎng)度q：系數(shù)（0.5～1之間取值）單模:q=1多模：一般取q=0.7左右接收機(jī)展寬trx計(jì)算

trx=350/Brx（1/MHZ）(ns)(8.4)接收機(jī)的展寬時(shí)間由光檢測(cè)器響應(yīng)和接收機(jī)前端的3dB帶寬決定。接收機(jī)上升時(shí)間決定于光電檢測(cè)器和前置放大器的3dB帶寬Brx總的系統(tǒng)展寬時(shí)間為：

tsys=[ttx

2+tmod2+tGVD

2+trx2]1/2(8.17)等式中所有時(shí)間都用ns表示。將最大中繼器距離L代入上式，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入，即可對(duì)上升時(shí)間進(jìn)行核算。這也就是對(duì)整個(gè)光纖系統(tǒng)的時(shí)間展寬（色散）進(jìn)行核算。例：例8.3例8.48.1.4第一窗口傳輸距離系統(tǒng)的無(wú)中繼傳輸距離受衰減和色散限制，無(wú)中繼傳輸距離是數(shù)據(jù)速率的函數(shù)。速度≥200Mb/s,色散成為主要限制因素。速度≥40Mb/s,色散成為主要限制因素。8.1.5單模光纖鏈路的傳輸距離

8.2線路編碼信號(hào)源是光源，傳輸手段是光導(dǎo)纖維，光纖中傳輸什么碼型比較合適？一、數(shù)字通信中傳輸碼型的一般要求圖8-4取樣和編碼脈沖取樣和量化編碼脈碼調(diào)制，簡(jiǎn)稱PCM（Pulse－CodeModulation）。為了保證通信質(zhì)量，對(duì)碼流提出以下要求：①定時(shí)信息要豐富：②連”0”或連“1“碼的數(shù)量不要太多；③基線漂移要小或直流電平漂移量要小，④要有一定的規(guī)律。如果線路碼或碼流不滿足上述要求，將發(fā)生以下問(wèn)題：①引起不良的抖動(dòng)特性，使定時(shí)提出發(fā)生困難；②長(zhǎng)的“0’或”1”的碼流將會(huì)使信號(hào)脈沖的直流電平發(fā)生漂移．降低系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量；③數(shù)字序列沒有一定的規(guī)律，通信期間無(wú)法監(jiān)測(cè)線路的誤碼率。PCM端機(jī)輸出端口的接口碼型為：HDB3碼（HetghtDensityBipolar3）。其碼型圖如圖8－5所示。圖8-5HDB3碼特點(diǎn)：碼型圖中的連”0”數(shù)被控制在三個(gè)以下，有十1、0和－1三個(gè)電平值，沒有直流分量的漂移。二、光纖數(shù)字通信系統(tǒng)的基本碼型（1）NRZ碼NRZ碼中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)占滿一個(gè)比特周期，充滿一個(gè)完整周期的電流脈沖或光脈沖為1，沒有脈沖發(fā)送則代表0。沒有誤差監(jiān)控和糾錯(cuò)能力。Fig.8-7:NRZ-LdatapatternRZ碼（2）RZ碼每個(gè)數(shù)據(jù)比特編為兩個(gè)光線路碼比特。單極RZ碼中，“1”碼由一個(gè)在比特周期的前半部或后半部的半周期光脈沖表示，“0”碼則由比特周期內(nèi)無(wú)信號(hào)表示。Fig.8-9:RZdataformats單極RZ格式的一個(gè)缺點(diǎn)是長(zhǎng)的連0碼會(huì)導(dǎo)致定時(shí)同步的丟失。光曼徹斯特碼（3）光曼徹斯特碼對(duì)基帶(NRZ-L)信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)直接進(jìn)行模二加(異或)運(yùn)算所得。Fig.8-9:RZdataformats單極RZ格式的一個(gè)缺點(diǎn)是長(zhǎng)的連0碼會(huì)導(dǎo)致定時(shí)同步的丟失。光曼徹斯特碼沒有這種限制。這種碼的每個(gè)比特間隔的中心處都有電平變換：負(fù)向變換表示1比特，正向變換表示0比特。圖8-7傳輸長(zhǎng)連NRZ－L碼時(shí)引起的接收機(jī)基線漂移效應(yīng)三、光纖通信中常用的碼型（1)碼型選擇考慮除兩電平碼（0，1）外，還應(yīng)考慮到：①避免在信碼流中出現(xiàn)長(zhǎng)”0”和長(zhǎng)”1”碼②能進(jìn)行不中斷業(yè)務(wù)的誤碼監(jiān)測(cè)HDB3碼是利用雙極性碼中正、負(fù)極性的有規(guī)律交換來(lái)實(shí)現(xiàn)誤碼監(jiān)測(cè)的。單極性碼，需另想措施來(lái)實(shí)現(xiàn)不中斷誤碼監(jiān)測(cè)。③盡量減少信碼中直流分量的起伏第一方案中．線路碼流中的連“0”或連”1”碼數(shù)是隨機(jī)的.第二方案中，其連“0’或連”1”碼數(shù)可以準(zhǔn)確確定。同時(shí)，又可以利用冗余碼對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè).將PCM的雙極性碼變?yōu)閱螛O性碼的重新主要采用以下兩個(gè)方案:

①對(duì)輸入的信號(hào)碼進(jìn)行擾碼，使線路碼流中的”0’碼和“l(fā)”碼出現(xiàn)的概率相等。

②對(duì)輸入的信號(hào)碼附加冗余碼．把連”0”碼數(shù)或連“1”碼數(shù)控制在一定的范圍內(nèi)或控制在一定長(zhǎng)度內(nèi)。mBnB碼（分組碼BlockCode）mBnB碼將m個(gè)二進(jìn)制輸入碼編為n個(gè)二進(jìn)制的線路碼，使線路碼速提高n/m倍.輸入信號(hào)以m個(gè)碼為一個(gè)字,而線路碼則以n個(gè)碼為一個(gè)字.

有多種形式：1B2B碼、2B3B碼、3B4B碼和5B6B碼等等。①1B2B碼輸入碼字1B2B碼模式1d模式2d0010010100-211+2表8-21B2B編碼方案圖8-81B2B編碼舉例把原來(lái)的交替雙極性歸零碼變換成單極性的非歸零碼即1B2B碼的編碼②5B6B碼5B6B碼是常用碼型。它是將5位的二進(jìn)制碼編為6位二進(jìn)制的線路碼。如果原來(lái)碼速為140Mb/s，當(dāng)采用5B6B編碼制之后．線路碼速提高到160Mb/s。與1B2B碼相比．碼速提高不大，但是它所需編譯碼設(shè)備的復(fù)雜程度卻大許多。

a)編碼：將原始碼流中每5位碼元分成一組，然后，再將這組5位碼變換為6位碼。

b）碼流”平衡”情況的分析C）碼組的選用在5B6B的64個(gè)碼組中，只用了20＋2×12＝44個(gè)碼組。尚有20個(gè)碼組未使用。這樣，當(dāng)接收端出現(xiàn)了這20個(gè)碼組中的任一組，必定在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)誤碼。由此，可通過(guò)這種編碼方式對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生誤碼進(jìn)行監(jiān)測(cè)。一般把這種不使用的碼組稱為禁字。（3)討論從上面的討論中可以看出，在mBnB線路碼中，由于是按字位編碼、譯碼，所以隨字長(zhǎng)的增加，盡管其靈敏度損失在逐漸減小，但是碼型變換電路的結(jié)構(gòu)卻變得越來(lái)越復(fù)雜。因此，具體選用mBnB線路碼中哪一種碼型應(yīng)從碼型變換器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和碼型本身對(duì)接收靈敏度的損失情況綜合考慮。碼型內(nèi)容1B2B3B4B5B6B7B8B靈敏度損失（dB）31.250.80.58設(shè)備復(fù)雜程度簡(jiǎn)單比較簡(jiǎn)單復(fù)雜比較復(fù)雜表8-3mBnB碼對(duì)靈敏度的影響和對(duì)設(shè)備的要求其它碼型CMI和DMI碼偽雙極性碼。僅在基群和二次群中使用。插入碼型插入奇偶校驗(yàn)碼的mB1P碼，插入補(bǔ)碼的mB1C碼。圖8-9光纖數(shù)字通信系統(tǒng)方框圖在現(xiàn)代光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中．為了充分利用已有的電纜數(shù)字通信系統(tǒng)的設(shè)備和技術(shù)，也為了達(dá)到光纖數(shù)字通信對(duì)傳輸碼流的要求，系統(tǒng)方框圖應(yīng)如圖所示。8.3糾錯(cuò)

ARQ模式：若接收機(jī)檢測(cè)出誤碼，那么在接收機(jī)和發(fā)送機(jī)之間使用反饋信道技術(shù)請(qǐng)求消息重發(fā)。發(fā)送控制器編碼器解碼器接收控制器傳輸線反饋信道信源用戶前向糾錯(cuò)[FEC)：輔助信息和主信息同時(shí)傳輸，若主信息丟失或接收到誤碼．輔助信息就可以重構(gòu)主信息。最常用的糾錯(cuò)碼－循環(huán)碼標(biāo)記為(n，m)，其中n等于原比特?cái)?shù)m加上冗余比特?cái)?shù)。例：(224，216)碼Fig.8-11:

FECcharacteristics8.4系統(tǒng)性能及其測(cè)試最主要的兩大性能參數(shù)，誤碼性能和抖動(dòng)性能。1.誤碼性能

――反映數(shù)