第5章 光纖通信系統(tǒng)

1、14.1 IM-DD光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)4.2 衰減和色散隊(duì)中繼距離的影響衰減和色散隊(duì)中繼距離的影響4.3 噪聲及靈敏度分析噪聲及靈敏度分析24.1 IM-DD光纖通信系統(tǒng) 4.1.1 光纖通信中的線路碼型4.1.2 IM-DD光纖通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)34.1.1 光纖通信中的線路碼型 在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中所傳輸?shù)男盘?hào)是數(shù)字信號(hào)，而由交換機(jī)送來(lái)的電信號(hào)符合ITU-T所規(guī)定的脈沖編碼調(diào)制(PCM)通信系統(tǒng)中的接口碼速率和碼型 。 HDB3（三階高密度雙極性碼） CMI（反轉(zhuǎn)碼） PCM系統(tǒng)中的這些碼型并不都適于在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中傳輸 44.1.1 光纖通信中的線路碼型 在PDH光纖通信系統(tǒng)中是通

2、過重新編碼，通常稱為線路編碼，即在原有的碼流中插入脈沖。 在PDH光纖通信系統(tǒng)中，常使用的線路編碼有分組碼、偽雙極性碼(CMI和DMI)和插入碼。 使用不同的 線路編碼，光端機(jī)的輸出信號(hào)速率不同。因此在PDH系統(tǒng)中僅具有標(biāo)準(zhǔn)的電接口，而無(wú)標(biāo)準(zhǔn)的光接口。 但在SDH系統(tǒng)中，SDH信號(hào)速率與其線路速率是相同的。54.1.2 IM-DD光纖通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1光發(fā)射機(jī)2光接收機(jī)3光纖通信系統(tǒng)61光發(fā)射機(jī)(1) 光源的調(diào)制特性 光源所采用的調(diào)制方式包括內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制（也稱為直接調(diào)制或間接調(diào)制）。 在IM-DD光纖通信系統(tǒng)中，采用的是內(nèi)調(diào)制。 通常內(nèi)調(diào)制適用于半導(dǎo)體光源。 據(jù)調(diào)制信號(hào)的性質(zhì)不同，內(nèi)調(diào)制又可分

3、為模擬信號(hào)的調(diào)制和數(shù)字信號(hào)的調(diào)制。 71光發(fā)射機(jī) 圖4-1 半導(dǎo)體光源的直接調(diào)制原理 81光發(fā)射機(jī) 圖4-2 光數(shù)字發(fā)射機(jī)原理圖 91光發(fā)射機(jī)(2) 對(duì)光發(fā)射機(jī)的要求 光源的發(fā)光波長(zhǎng)要合適 合適的輸出光功率 較好的消光比 調(diào)制特性好此外還希望光發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定性好，光源的壽命長(zhǎng)等。101光發(fā)射機(jī)(3) 光發(fā)射機(jī)的組成方框圖和各部分功能 均衡放大 碼型變換 復(fù)用 復(fù)用是指利用一個(gè)大的傳輸信道來(lái)同時(shí)傳送多個(gè)低容量的信息以及開銷信息的過程。 111光發(fā)射機(jī)(3) 光發(fā)射機(jī)的組成方框圖和各部分功能 擾碼 為了保證所提取時(shí)鐘的頻率以及相位與光發(fā)射機(jī)中的時(shí)鐘信號(hào)一致，必須避免所傳信號(hào)碼流中出現(xiàn)長(zhǎng)“0”或長(zhǎng)“1

4、”的現(xiàn)象。 解決這一問題的方法就是擾碼，即在發(fā)送端加入一個(gè)擾碼電路，而在接收端則要加一個(gè)與擾碼相反的解擾電路，以恢經(jīng)過擾碼后的數(shù)字信號(hào)通過調(diào)制電路對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，讓光源發(fā)出的光信號(hào)強(qiáng)度跟隨信號(hào) 碼流的變化，形成相應(yīng)的光脈沖送入光纖。復(fù)信號(hào)碼流原來(lái)的狀態(tài)。 時(shí)鐘121光發(fā)射機(jī)(3) 光發(fā)射機(jī)的組成方框圖和各部分功能 調(diào)制(驅(qū)動(dòng)) 經(jīng)過擾碼后的數(shù)字信號(hào)通過調(diào)制電路對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，讓光源發(fā)出的光信號(hào)強(qiáng)度跟隨信號(hào)碼流的變化，形成相應(yīng)的光脈沖送入光纖。 131光發(fā)射機(jī)(3) 光發(fā)射機(jī)的組成方框圖和各部分功能 自動(dòng)功率控制 由于老化等因素的影響，使得光發(fā)射機(jī)的光源在使用一段時(shí)間之后，出現(xiàn)輸出光功率降低的現(xiàn)

5、象。 為了保持光源輸出功率的穩(wěn)定，在光發(fā)射機(jī)中常使用自動(dòng)功率控制(APC)電路。 141光發(fā)射機(jī) 圖4-5 激光器老化使輸出光功率降低 151光發(fā)射機(jī) 圖4-6 激光器溫度變化引起輸出功率的變化 161光發(fā)射機(jī)(3) 光發(fā)射機(jī)的組成方框圖和各部分功能 自動(dòng)溫度控制 特性曲線對(duì)環(huán)境溫度的變化反映很靈敏，使輸出光功率的大小隨溫度出現(xiàn)變化。 在環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，為了能使激光器的輸出特性保持穩(wěn)定，在發(fā)射機(jī)盤上需安裝自動(dòng)溫度控制(ATC)電路。171光發(fā)射機(jī) 圖4-8 環(huán)境溫度變化引起輸出光功率的變化 181光發(fā)射機(jī) 圖4-9 自動(dòng)溫度控制電路方框圖 192光接收機(jī)(3) 光發(fā)射機(jī)的組成方框圖和各部分

6、功能 其他保護(hù)、監(jiān)測(cè)電路 LD保護(hù)電路 無(wú)光告警電路 202光接收機(jī) 圖4-10 數(shù)字光纖通信接收光端機(jī)方框圖 212光接收機(jī) 光電檢測(cè)器 光電檢測(cè)器的作用是將由發(fā)送光端機(jī)經(jīng)光纖傳過來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，即具有光/電轉(zhuǎn)換功能。 目前廣泛使用的光電檢波管是PIN管和雪崩光電二極管，前者稱為半導(dǎo)體光電二極管后者又稱為APD管。后者具有信號(hào)放大的作用。 222光接收機(jī) 前置放大器 由于這個(gè)放大器與光電檢測(cè)器緊緊相連，故稱前置放大器。 對(duì)多數(shù)放大器的前級(jí)提出特別的要求是非常必要的，它應(yīng)具有低噪聲、高增益的特性，這樣才能得到較大的信噪比。 由于跨阻型前置放大器不僅具有寬頻帶、低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，而且其動(dòng)態(tài)范

7、圍也比高阻型前置放大器改善很多，因此在光纖通信中得到廣泛的使用。 232光接收機(jī) 放大器 主放大器的作用有下述兩個(gè)方面。 將前置放大器輸出的信號(hào)放大到判決電路所需要的信號(hào)電平。 它還是一個(gè)增益可調(diào)節(jié)的放大器。 一般主放大器的峰峰值輸出是幾伏數(shù)量級(jí)。242光接收機(jī) 均衡器 拖尾現(xiàn)象 采用均衡器來(lái)使經(jīng)過其后的波形，在本碼判決時(shí)刻，其瞬時(shí)值應(yīng)為最大值；而這個(gè)本碼波形的拖尾在鄰碼判決時(shí)刻的瞬時(shí)值應(yīng)為零。 這樣，即使經(jīng)過均衡后的輸出波形仍有拖尾，但是這個(gè)拖尾在鄰碼判決的這個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻為零，從而不干擾對(duì)鄰碼的判決。252光接收機(jī) 圖4-13 未經(jīng)均衡出現(xiàn)的脈沖拖尾現(xiàn)象 262光接收機(jī) 圖4-14 單個(gè)脈沖均

8、衡前后波形的比較 272光接收機(jī) 判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路 判決器由判決電路和碼形成電路構(gòu)成。 判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路合起來(lái)構(gòu)成脈沖再生電路。 脈沖再生電路的作用是將均衡器輸出的信號(hào)恢復(fù)成理想的數(shù)字信號(hào) 282光接收機(jī) 圖4-15 信號(hào)再生示意圖 292光接收機(jī) 圖4-16 時(shí)鐘恢復(fù)電路方框圖 302光接收機(jī) 圖4-17 時(shí)鐘恢復(fù)電路波形圖 312光接收機(jī) 圖4-18 NRZ碼的功率譜密度分布圖 322光接收機(jī) 圖4-19 RZ碼功率譜密度分布圖 332光接收機(jī) 圖4-20 一種非線性處理電路 342光接收機(jī) 圖4-21 非線性處理電路中的波形圖 352光接收機(jī) 判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路 調(diào)諧放大它的作

9、用是用非線性處理后的波形來(lái)激勵(lì)調(diào)諧放大器，然后在它的諧振回路中選出時(shí)鐘頻率fb的簡(jiǎn)諧波，經(jīng)調(diào)諧放大后的波形如圖4-17(d)所示。 限幅經(jīng)過限幅，可將上述簡(jiǎn)諧信號(hào)波形變?yōu)槿鐖D4-17(e)所示的波形。 整形、移相整形電路將經(jīng)限幅后的波形變?yōu)榫匦蚊}沖；移相網(wǎng)絡(luò)再將此矩形脈沖串的相位調(diào)整到最佳判決時(shí)所需要的相位，最后得到如圖4-17(f)所示的時(shí)鐘信號(hào)。362光接收機(jī) 光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍和自動(dòng)增益控制 光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍D是在保證系統(tǒng)的誤碼率指標(biāo)要求下，光接收機(jī)的最低輸入光功率(用dBm來(lái)描述)和最大允許輸入光功率(用dBm描述)之差，其單位為dB。 它表示光接收機(jī)正常工作時(shí)，光信號(hào)應(yīng)有一個(gè)范圍，

10、這個(gè)范圍就是光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。 minmax3min3maxlg1010lg1010lg10PPPPD372光接收機(jī) 光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍和自動(dòng)增益控制 光接收機(jī)的自動(dòng)增益控制(AGC)就是用反饋環(huán)路來(lái)控制主放大器的增益，在采用雪崩管的光接收機(jī)中還通過控制雪崩管的高壓來(lái)控制雪崩管的雪崩增益。 382光接收機(jī) 圖4-23 自動(dòng)增益控制工作原理方框圖 392光接收機(jī) 解擾、解復(fù)用和碼型變換電路 在光發(fā)射機(jī)中首先進(jìn)行碼型變換。 在光發(fā)射機(jī)中對(duì)數(shù)字碼流進(jìn)行擾碼處理。 還需將判決器輸出的信號(hào)進(jìn)行解擾碼和碼型變換處理以恢復(fù)原碼流。 發(fā)送端根據(jù)所輸入信號(hào)的性質(zhì)不同，將會(huì)采用不同的復(fù)用方式以提高信道的利用率，

11、因而接收端則需進(jìn)行相反的操作，即解復(fù)用。402光接收機(jī) 輔助電路 輔助電路包括箝位電路、溫度補(bǔ)償電路和告警電路等。 413光纖通信系統(tǒng) 圖4-25 IM-DD光纖通信系統(tǒng)原理框圖 423光纖通信系統(tǒng)(1) 光中繼器 光脈沖信號(hào)從光發(fā)射機(jī)輸出經(jīng)光纖傳輸若干距離以后，由于光纖損耗和色散的影響，將使光脈沖信號(hào)的幅度受到衰減，波形出現(xiàn)失真，這樣就限制了光脈沖信號(hào)在光纖中做長(zhǎng)距離的傳輸。 433光纖通信系統(tǒng) 圖4-26 最簡(jiǎn)單的光中繼器原理方框圖 443光纖通信系統(tǒng) 圖4-27 實(shí)用的中繼器方框圖 453光纖通信系統(tǒng)(2) 監(jiān)控系統(tǒng) 監(jiān)控系統(tǒng)為監(jiān)視、監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱。 在光纖通信的監(jiān)控系統(tǒng)中，通常采

12、用的是集中監(jiān)控方式。 監(jiān)控內(nèi)容 監(jiān)控的內(nèi)容分別包括監(jiān)視和控制兩部分。 監(jiān)控信號(hào)的傳輸 在數(shù)字通信系統(tǒng)中采用時(shí)分復(fù)用的方式來(lái)完成監(jiān)控信號(hào)的傳輸，但不同的傳輸體制，其監(jiān)控信號(hào)的傳輸方式有所區(qū)別。 464.2 衰減和色散對(duì)中繼距離的影響4.2.1 衰減和色散對(duì)中繼距離的影響4.2.2 10Gbit/s及10Gbit/s以上的SDH光線路4.2.3 使用光放大器的SDH高速線路474.2.1 衰減和色散對(duì)中繼距離的影響1衰減對(duì)中繼距離的影響2色散對(duì)中繼距離的影響3最大中繼距離的計(jì)算481衰減對(duì)中繼距離的影響 一個(gè)中繼段上的傳輸衰減包括兩部分，其一是光纖本身的固有衰減，再者就是光纖的連接損耗和微彎帶來(lái)的

13、附加損耗。 構(gòu)成光纖損耗的原因很復(fù)雜，歸結(jié)起來(lái)主要包括兩大類：吸收損耗和散射損耗。 引起光纖損耗的因素還有光纖彎曲和微彎產(chǎn)生的損耗以及纖芯與包層中的損耗等等。 492色散對(duì)中繼距離的影響 光纖自身存在色散，即材料色散、波導(dǎo)色散和模式色散。 對(duì)于單模光纖，因?yàn)閮H存在一個(gè)傳輸模，故單模光纖只包括材料色散和波導(dǎo)色散。 除此之外，還存在著與光纖色散有關(guān)的種種因素，其中比較重要的有三類：碼間干擾、模分配噪聲和啁啾聲。 502色散對(duì)中繼距離的影響 (1) 碼間干擾對(duì)中繼距離的影響 系統(tǒng)的傳輸速率越高，光纖的色散系數(shù)越大，光源譜寬越寬。 512色散對(duì)中繼距離的影響 (2) 模分配噪聲對(duì)中繼距離的影響 激光器

14、的光譜特性 模分配噪聲的產(chǎn)生及影響522色散對(duì)中繼距離的影響 圖4-28 普通激光器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)譜線 532色散對(duì)中繼距離的影響 圖4-29 高速調(diào)制時(shí)多縱模的隨機(jī)起伏 542色散對(duì)中繼距離的影響(3) 啁啾聲對(duì)中繼距離的影響 對(duì)于處于直接強(qiáng)度調(diào)制狀態(tài)下的單縱模激光器，其載流子密度的變化隨注入電流的變化而變化。這樣使有源區(qū)的折射率指數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致激光器諧振腔的光通路長(zhǎng)度相應(yīng)變化，結(jié)果致使振蕩波長(zhǎng)隨時(shí)間偏移，這就是頻率啁啾現(xiàn)象。 因?yàn)檫@種時(shí)間偏移是隨機(jī)的，因而當(dāng)受上述影響的光脈沖經(jīng)過光纖后，在光纖色散的作用下，可以使光脈沖波形發(fā)生展寬，因此接收取樣點(diǎn)所接收的信號(hào)中就會(huì)存在隨機(jī)成分，這就是一

15、種噪聲啁啾聲。 553最大中繼距離的計(jì)算 中繼距離是光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)主要任務(wù)。 在中繼距離的設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮衰減和色散這兩個(gè)限制因素。 563最大中繼距離的計(jì)算 (1) 衰減受限系統(tǒng) 在衰減受限系統(tǒng)中，中繼距離越長(zhǎng)，則光纖通信系統(tǒng)的成本越低，獲得的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益越高。 極限值設(shè)計(jì)法 574.2.2 10Gbit/s及10Gbit/s以上的SDH光線路1光源頻率啁啾影響 2光纖的色散特性影響 3極化模色散的影響 4系統(tǒng)功率預(yù)算限制 581光源頻率啁啾影響 為了能夠直觀地度量其影響，因此引入啁啾系數(shù)a來(lái)評(píng)估光源的頻率啁啾影響。 啁啾系數(shù)的定義如下： dtdPPdtda21592光纖的色散特性影響

16、通常將接收機(jī)靈敏度下降1dB光纖長(zhǎng)度稱為色散受限距離。 通常在采用單縱模激光器的光纖通信系統(tǒng)中，影響接收靈敏度的因素有兩個(gè)，其一是傳輸信號(hào)的速率（即信號(hào)的信息帶寬），其二是頻率啁啾。 603極化模色散的影響 理論上單模光纖中只傳輸一個(gè)基模，但實(shí)際上在單模光纖中的基模存在兩個(gè)模式，即橫向電場(chǎng)沿y方向極化和沿x方向極化的的兩個(gè)模式，它們的極化方向相互垂直，這兩種模式分別為L(zhǎng)P01x和LP01y 。 但在實(shí)際光纖中，由于光纖形狀、折射率以及應(yīng)力等分布的不均勻，兩種模式的縱向速度不同，從而導(dǎo)致相移不同，在時(shí)間上表現(xiàn)為不同極化態(tài)之間的群時(shí)延不同，使脈沖波形出現(xiàn)展寬現(xiàn)象。 614系統(tǒng)功率預(yù)算限制 系統(tǒng)功率

17、預(yù)算是指光纖通信系統(tǒng)中光源輸出功率與接收靈敏度之差。 為了避免光纖工作于非線性狀態(tài)，通常，光源輸出光功率不得超過3dBm。 另外，信號(hào)經(jīng)信道傳輸時(shí)或多或少都會(huì)受到信道噪聲的影響。 為了解決傳輸距離較短的問題，人們?cè)诠饫w通信系統(tǒng)中采用摻餌光纖放大器（EDFA）。 624.2.3 使用光放大器的SDH高速線路1使用EDFA的光纖通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn) 2EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用 3無(wú)電再生的最大中繼距離 4EDFA在級(jí)聯(lián)中可能出現(xiàn)的問題及解決方法 631使用EDFA的光纖通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)（1） 可擴(kuò)展中繼距離。（2） 具有透明性。（3） 可作中繼器使用，節(jié)約成本。（4） 可擴(kuò)大用戶數(shù)。642E

18、DFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用 EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的主要作用是延長(zhǎng)中繼距離，當(dāng)它與波分復(fù)用技術(shù)、光孤子技術(shù)相結(jié)合時(shí)，可實(shí)現(xiàn)超大容量、超長(zhǎng)距離的傳輸。 （1） 作為前置放大器（2） 作為功率放大器（3） 作光中繼器使用652EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用 圖4-30 EDFA的應(yīng)用 663無(wú)電再生的最大中繼距離 在使用光放大器的光纖通信系統(tǒng)中同樣要考慮衰減和色散的影響。 衰減受限光纖通信系統(tǒng)的中繼距離可以表示為cfsfEPFCCRCTRT/MLAAMPNGAAAPPLa674EDFA在級(jí)聯(lián)中可能出現(xiàn)的問題及解決方法（1） 噪聲積累影響（2） 光纖的非線性限制（3） 增益均衡684EDFA在級(jí)

19、聯(lián)中可能出現(xiàn)的問題及解決方法 圖4-31 EDFA增益不平坦性對(duì)多級(jí)級(jí)聯(lián)的影響 694.3 噪聲及靈敏度分析 4.3.1 IM-DD光纖通信系統(tǒng)噪聲及靈敏度 4.3.2 EDFA的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)704.3.1 IM-DD光纖通信系統(tǒng)噪聲及靈敏度1接收機(jī)噪聲2接收靈敏度711接收機(jī)噪聲（1） 散粒噪聲和熱噪聲 散粒噪聲是指圍繞一個(gè)平均統(tǒng)計(jì)值做隨機(jī)起伏波動(dòng)的、由光電檢測(cè)器件自身產(chǎn)生的一種噪聲。 熱噪聲是由于電子在光電檢測(cè)器的負(fù)載電阻RL上做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，而產(chǎn)生的電流隨機(jī)起伏的現(xiàn)象，使所傳輸?shù)男盘?hào)附加上了一種噪聲，這種附加噪聲就是熱噪聲。721接收機(jī)噪聲（2） 光接收機(jī)的SNR PIN只對(duì)所接收的信號(hào)進(jìn)行光電

20、轉(zhuǎn)換，而無(wú)放大功能。 而APD除具有光電轉(zhuǎn)換功能外，還具有信號(hào)放大功能，即其平均輸出功率為IP=RGPin，其中R為響應(yīng)度。 SNR隨Pin線性增大，而且與量子效率、接收機(jī)的帶寬f以及光子能量hf有關(guān)。 最佳平均雪崩增益（Gmax） 732接收靈敏度 接收靈敏度是指在滿足給定誤碼率（BER=110-10）條件下，光接收機(jī)能夠接收到的最小平均光功率。 接收靈敏度是與系統(tǒng)誤碼性能有關(guān)的物理量。742接收靈敏度（1） 誤碼率 誤碼率是指這兩種情況下的誤碼概率可用下式給出： 010122)2/exp()2(21)0/1 ()0() 1/0() 1 (IIQQQQerfcBERPPPPBER75 圖4-33 比特誤碼率和Q參數(shù)的關(guān)系 762接收靈敏度（2）Q與接收靈敏度之間的關(guān)系 )G()(2TA_T2/12T2sQfFqRQPPGRQ774.3.2 EDFA的級(jí)聯(lián)系統(tǒng) 1級(jí)聯(lián)光放大器系統(tǒng)的信噪比 2級(jí)聯(lián)光放大器系統(tǒng)的接收靈敏度 781級(jí)聯(lián)光放大器系統(tǒng)的信噪比 （1） 自發(fā)輻射噪聲 基中自發(fā)輻射的光子中的一部分疊加在放