光纖通信（第四版）光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計

光纖通信系統(tǒng)與設(shè)計本章內(nèi)容7.1模擬光纖通信系統(tǒng)概述7.2典型的模擬光纖通信系統(tǒng)7.3PCM數(shù)字光纖通信系統(tǒng)7.4IM-DD數(shù)字光纖通信系統(tǒng)設(shè)計7.4WDM+EDFA光纖通信鏈路設(shè)計一、系統(tǒng)的組成二、主要性能參數(shù)7.1模擬光纖通信系統(tǒng)概述雖然數(shù)字光纖系統(tǒng)是主流應(yīng)用，但模擬光纖通信系統(tǒng)仍在廣泛的領(lǐng)域應(yīng)用，因價格優(yōu)勢和技術(shù)成熟兼容性好的特點可用于直接傳輸模擬話音、視頻、微波和衛(wèi)星等信號。一、系統(tǒng)的組成模擬話音信號：基帶信號直接進行光強調(diào)制IM。微波和衛(wèi)星等信號。電視等視頻信號：基帶直接IM、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）。微波和衛(wèi)星：微波副載波SCM。模擬系統(tǒng)主要由模擬光發(fā)送機、光纖（根據(jù)需要可采用EDFA）和模擬接收機構(gòu)成。一、系統(tǒng)的組成視頻光端機（光發(fā)送機和光接收機統(tǒng)稱為光端機）。常用的三種調(diào)制方式：對圖象信號的傳輸，一般常用基帶電視信號基帶直接強度調(diào)制；另二種調(diào)制方式是先用脈沖寬度調(diào)制（PWM）、脈沖間隔（位置）調(diào)制（PPM）的方式把基帶信號調(diào)制到一個電副載波上，再用這個副載波去直接強度調(diào)制光源。信噪比（S/N）或載噪比（C/N）輸出信號功率與噪聲功率之比或載波功率與噪聲功率之比。光檢測器噪聲、電阻熱噪聲和放大器噪聲等引起。線性度或非線性失真度輸出的所有諧波功率之和與基波功率之比。光源的非線性和光纖的色散引起，輸出的幅值變化特性和相位偏移特性對不同頻率的輸入有很大的不同，輸出端的合成信號在幅值和相位上與輸入相比就會有一定程度的失真。二、主要性能參數(shù)

模擬信號經(jīng)過光纖傳輸，由于系統(tǒng)中存在噪聲、非線性以及傳輸帶寬的限制會引起原始信號的波形失真。為了描述恢復(fù)信號與原始信號的相似程度通常用線性度、信噪聲比以及傳輸帶寬等指標來衡量。單路基帶直接IM系統(tǒng)7.2典型的模擬光纖通信系統(tǒng)基帶正弦信號，調(diào)制作用于光源的線性區(qū)，則輸出光功率的包絡(luò)和輸入的驅(qū)動電流有相同波形。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。7.2典型的模擬光纖通信系統(tǒng)多路副載波IM系統(tǒng)先可以把基帶信號用AM，F(xiàn)M，PM等調(diào)制方式調(diào)制到頻率為?1、?2、……?N的N個載波（稱為副載波）上，然后再把這N個信號頻分復(fù)用（FDM）合后，調(diào)制到一個光源7.2典型的模擬光纖通信系統(tǒng)微波副載波IM系統(tǒng)（SCM光纖通信系統(tǒng)）輸入端的N個信道中，既可以承載語音、數(shù)據(jù)、視頻、數(shù)字聲頻，也可以是任何其它形式的模擬和數(shù)字信號。由壓控振蕩器（VCO）產(chǎn)生N個不同的載波頻率：SC1、SC2…SCN，頻率范圍是2～18GHz，將這些獨立的模擬或數(shù)字信號調(diào)制到這N個副載波上，然后形成一個頻分復(fù)用信號，驅(qū)動半導(dǎo)體光源。在接收端，采用寬帶的pin光電檢測器檢測出光信號，并將其轉(zhuǎn)化為微波信號，使用壓控振蕩器調(diào)諧恢復(fù)出各路信號。7.2典型的模擬光纖通信系統(tǒng)

ROF系統(tǒng)：射頻信號光纖傳輸技術(shù)RoF（RadiooverFiber），或稱光載無線通信技術(shù)，就是把射頻電信號通過直接強度調(diào)制為光信號進行傳輸，其原理框圖如圖所示。7.3PCM數(shù)字光纖通信系統(tǒng)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)組成數(shù)字光纖通信系統(tǒng)性能參數(shù)（包括誤碼率、線路速率或碼率等）誤碼率或誤比特率誤比特率：在一定時間內(nèi)收到的數(shù)字信號中發(fā)生差錯的比特數(shù)與同一時間所收到的數(shù)字信號的總比特數(shù)之比,就叫做“比特誤碼率”，也可以叫做“誤比特率”。誤碼率：傳輸中的誤碼/所傳輸?shù)目偞a數(shù)之比。一、系統(tǒng)的組成與主要性能參數(shù)電端機PCM電端機PCM（脈沖編制碼調(diào)制）模擬話音轉(zhuǎn)換成數(shù)字話音1路模擬話音（4KHz）轉(zhuǎn)換成數(shù)字話音（64kb/s）30路話音和2路信令信2048kb/s簡稱2M。一、系統(tǒng)的組成與主要性能參數(shù)電端機二、PDH光纖通信系統(tǒng)PDH電端機PDH（準同步復(fù)接體系）將多路低速率比特流時分復(fù)用為一路高速率比特流。SDH電端機SDH（同步復(fù)接體系）將多路低速率比特流時分復(fù)用為一路高速率比特流。總體考慮7.4IM-DD數(shù)字光纖通信系統(tǒng)設(shè)計（1）傳輸距離-中繼距離（2）信道帶寬-線路碼速率（3）系統(tǒng)性能-誤碼率光端機光發(fā)送機：工作波長、碼速率、平均發(fā)射光功率等。光接收機：接收靈敏度、動態(tài)范圍等。光纖光纜損耗系數(shù)、色散系數(shù)等。中繼距離設(shè)計7.4IM-DD數(shù)字光纖通信系統(tǒng)設(shè)計損耗限制系統(tǒng)機理：隨著距離增加，光纖的傳輸損耗造成光信號功率不斷下降，最終造成信噪比下降到不可接受的程度。色散限制系統(tǒng)機理：隨著距離增加，光纖色散造成信號光脈沖不斷展寬，最終造成相鄰光脈沖之間的嚴重干擾，導(dǎo)致誤碼率下降到不可接受的程度。損耗限制系統(tǒng)中繼距離計算7.4IM-DD數(shù)字光纖通信系統(tǒng)設(shè)計

PS-PR=2αc+Nαs+αFL+MM：富余度色散限制系統(tǒng)中繼距離計算7.4IM-DD數(shù)字光纖通信系統(tǒng)設(shè)計對于數(shù)字光纖系統(tǒng)，色散增大，意謂著數(shù)字脈沖展寬增加，在接收端要發(fā)生碼間干擾，嚴重時使系統(tǒng)失去設(shè)計的性能。因而，對于傳輸速率給定的系統(tǒng)，允許的總色散是一定的，據(jù)此可計算中繼距離。單模光纖：多模光纖：q：0.5-1B1:光纖1Km的帶寬B：線路速率ε=0.115（LD），0.306（LED）D：色散系數(shù)，光源譜寬舉例7.4IM-DD數(shù)字光纖通信系統(tǒng)設(shè)計工作在1550nm的單模光纖鏈路，色散系數(shù)為D=2.5ps/（km·nm），光纖損耗為0.3dB/km。光源為LD，入纖功率為0dB，譜寬選3.5nm和1nm兩種作為對比。接收機使用InGaAs雪崩二極管，其靈敏度為PT=11.5logB-71.0dBm，使用InGaAs-PIN，接收機靈敏度為PT=11.5logB-60.5dBm，其中B為數(shù)碼速率，單位為Mb/s，圖中含8dB的系統(tǒng)功率富余度。波長分配：16通道的WDM的中心頻率7.5WDM+EDFA光纖通信鏈路設(shè)計EDFA的間隔7.5WDM+EDFA光纖通信鏈路設(shè)計ITU-T規(guī)定不帶線路放大器的4路、8路、16路WDM的目標距離為80km（長距離）、120km（甚長距離）、160km（超長距離）。若采用光放大器作為線路放大器，對于長距離應(yīng)用，可采用5×80km（5個區(qū)段，每個區(qū)段的目標距離為80km、損耗為22dB）或8×80km；對于甚長距離應(yīng)用，可采用3×120km（3個區(qū)段，每個區(qū)段的目標距離為120km，損耗為33dB）或5×120km。系統(tǒng)總帶寬（N個信道）7.5WDM+EDFA光纖通信鏈路設(shè)計信道串擾信道內(nèi)串擾大于信道路間串擾小結(jié)光纖通信系統(tǒng)分類單波長：模擬系統(tǒng)（基帶直接強度調(diào)制、頻分多路、微波副載波SCM）和數(shù)字系統(tǒng)（PCM、PDH、SDH