數(shù)字電視光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 數(shù)字電視光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 電子與信息工程學(xué)院信息與通信工程系6目錄數(shù)字電視光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)1摘要11光纖通信概述22系統(tǒng)組成22.1 光端機(jī)32.1.1光發(fā)射機(jī)32.1.2光源32.1.3光接收機(jī)42.1.4光接收機(jī)的性能指標(biāo)43光纖的選型54設(shè)計(jì)方案及關(guān)鍵技術(shù)55實(shí)現(xiàn)方式6數(shù)字電視光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要光纖通信是近 30 年迅猛發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)，從一開(kāi)始就顯示出無(wú)以倫比的優(yōu)越性，引起人們的極大興趣和關(guān)注并得到了迅速的發(fā)展。自 70 年代以來(lái)，光纖通信技術(shù)不僅在電信等民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且因其獨(dú)特的頻帶極寬、通信容量大、衰減小等優(yōu)點(diǎn)，使得光纖通

2、信技術(shù)至今已發(fā)展為舉世矚目的、獨(dú)立的新興產(chǎn)業(yè)，給通信技術(shù)乃至國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防事業(yè)和人民生活帶來(lái)了巨大的變革。目前在高速公路、交通、電子警察、監(jiān)控、安防、工業(yè)自動(dòng)化、電力、海關(guān)、水利、銀行等領(lǐng)域視頻圖像、音頻、數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)、電話等數(shù)字光纖通信系統(tǒng)開(kāi)始普遍大量應(yīng)用。用光纖取代電纜，利用光纖頻帶寬、損耗低和抗干擾能力強(qiáng)的突出特點(diǎn)，不但可以使系統(tǒng)的安裝和接線變得簡(jiǎn)單，更使得可靠性和安全性得到了保障。在目前的光纖通信系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)者普遍是用其他生產(chǎn)廠家的光發(fā)送端機(jī)和光接收端機(jī)以及光纜來(lái)組成系統(tǒng)。這就需要設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)要考慮市面上的光端機(jī)的性能，設(shè)計(jì)出來(lái)的系統(tǒng)要符合光端機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)，而各種光端機(jī)的指標(biāo)也都

3、是固定的，這使得在系統(tǒng)中所傳輸?shù)男盘?hào)也有了局限性；而且光端機(jī)所用到的是專用的集成芯片，造價(jià)也比較高。這些都限制了光纖通信的應(yīng)用。1光纖通信概述光纖通信是利用光作為信息載體、以光纖作為傳輸媒質(zhì)的通信方式。光纖通信是在信源端需要將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，通過(guò)光纖傳輸?shù)叫潘薅耍賹⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)化為原始的電信號(hào)的一個(gè)過(guò)程。實(shí)現(xiàn)光纖通信除了需要將傳統(tǒng)多樣的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的裝置，還需要有傳輸光信號(hào)的介質(zhì)以及將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。所以在光纖通信中有三個(gè)主要的技術(shù)問(wèn)題:便于應(yīng)用且性能優(yōu)良的光源；能長(zhǎng)距離傳輸光信號(hào)的傳輸介質(zhì)；靈敏地接收光信號(hào)并能把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的光檢測(cè)器。光源是光纖傳輸系統(tǒng)的心臟部件，它

4、的功能是實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換，其性能的好壞對(duì)整個(gè)傳輸系統(tǒng)的質(zhì)量有舉足輕重的作用。隨著半導(dǎo)體光器件制造工藝的不斷成熟，半導(dǎo)體光源在光纖通信中得以廣泛的應(yīng)用。常用的半導(dǎo)體光源有發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光器(LD)。 LD 發(fā)出的是激光，亮度高、方向性強(qiáng)、相干性好，工作速度快，適合于傳輸容量大，傳輸速率高的光纖通信系統(tǒng)。而 LED 發(fā)出的是自然光，光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但是成本較 LD 低，平均工作壽命較長(zhǎng)，性能穩(wěn)定，而且制造工藝簡(jiǎn)單。因此這種器件適用于中短距離、傳輸容量較小的系統(tǒng)。目前信息仍然最終還是要以電的形式表現(xiàn)出來(lái)的，所以光纖通信仍然需要由電光轉(zhuǎn)換到光電轉(zhuǎn)換的過(guò)程，在發(fā)送端完

5、成電光轉(zhuǎn)換，在接收端實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的還原。實(shí)現(xiàn)電信號(hào)還原由半導(dǎo)體光電二極管來(lái)完成。他們利用半導(dǎo)體物理吸收光子后形成電子一空穴對(duì)把光功率轉(zhuǎn)化為電流。目前廣泛使用的光電轉(zhuǎn)換器件主要有兩種類型:PIN 光電二極管(PIN-PD)和雪崩光電二極管兩種(APD)。一個(gè)完整的光通信系統(tǒng)，除光纖、光源和光檢測(cè)器外，還需要許多其它光器件，特別是無(wú)源器件。這些器件對(duì)光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展或性能的提高，都是不可缺少的。2系統(tǒng)組成一個(gè)光纖通信系統(tǒng)的光傳輸部分，包括最基本的組成部件:光收發(fā)端機(jī)、光纖線路、編解碼電路和數(shù)據(jù)傳輸控制電路。這幾部分是光纖通信系統(tǒng)的核心部分，其性能的好壞直接影響到光纖通信的質(zhì)量。2.1

6、光端機(jī)光端機(jī)包括光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)，是光纖傳輸系統(tǒng)的重要部件。數(shù)字光發(fā)射機(jī)的功能是把電端機(jī)輸出的數(shù)字基帶電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為光脈沖信號(hào)，并用耦合技術(shù)有效注入光纖線路。系統(tǒng)中，用承載信息的數(shù)字電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換的，受調(diào)制的光源特性參數(shù)有功率、幅度、頻率和相位。在該系統(tǒng)中采用直接光強(qiáng)調(diào)制，技術(shù)簡(jiǎn)單、易行。數(shù)字光接收機(jī)的功能是以最小的附加噪聲及失真把經(jīng)光纖傳輸后幅度被衰減、波形被展寬的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并放大處理，恢復(fù)為原發(fā)射的數(shù)字序列。因此光接收機(jī)的輸出特性綜合反映了整個(gè)光纖通信部分的性能。2.1.1光發(fā)射機(jī)線路編碼驅(qū)動(dòng)電路光源溫度控制功率控制保護(hù)電數(shù)字信號(hào)光信號(hào)輸出圖2-1 數(shù)

7、字光發(fā)射機(jī)組成在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，光發(fā)射機(jī)的方框圖如圖2-1所示，主要由光源和電路兩部分組成，而電路部分又分為調(diào)制電路、控制電路和線路編碼電路。光源是實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，在很大程度上決定著光發(fā)射機(jī)的性能，電路部分的設(shè)計(jì)應(yīng)以光源為依據(jù)。調(diào)制電路使輸出光信號(hào)準(zhǔn)確反映輸入電信號(hào)，線路編碼電路使輸出的光信號(hào)適合于光信道傳輸，同時(shí)控制電路能夠保證光源可靠穩(wěn)定地工作。2.1.2光源在光纖通信系統(tǒng)中，作為產(chǎn)生光信號(hào)的光源，應(yīng)滿足以下要求: 1)體積小，與光纖之間有較高的耦合效率。2)發(fā)射的光波波長(zhǎng)應(yīng)位于光纖的三個(gè)低損耗窗口，即 0.85um, 1.31um 和1.55um 波段。3)可以進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制

8、。4)可靠性高，要求它工作壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定性好，具有較高的功率穩(wěn)定性、波長(zhǎng)穩(wěn)定性和光譜穩(wěn)定性。 5)發(fā)射的光功率足夠高，以便可以傳輸較遠(yuǎn)的距離。6)溫度穩(wěn)定性好。2.1.3光接收機(jī)光發(fā)送機(jī)輸出的光信號(hào)，在光纖中傳輸時(shí)不僅幅度會(huì)受到衰減，而且脈沖的波形也會(huì)被展寬。光接收機(jī)的任務(wù)就是以最小的附加噪聲及失真恢復(fù)出由光纖傳輸、光載波所攜帶的信息，因此光接收機(jī)的輸出特性綜合反映了整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的性能。光檢測(cè)器前置放大器主放大器濾波器判決電路時(shí)鐘恢復(fù)電路自動(dòng)增益控制電路數(shù)字光信號(hào)圖2-2 數(shù)字光接收機(jī)組成光電檢測(cè)器是光接收機(jī)的第一個(gè)關(guān)鍵部件，其作用是把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。目前，在光纖通信系統(tǒng)中廣

9、泛使用的光電檢測(cè)器是 PIN 光電二極管和雪崩光電二極管 APD。由于光檢測(cè)器產(chǎn)生的光電流非常微弱，必須先經(jīng)前置放大器進(jìn)行低噪聲放大，光電檢測(cè)器和前置放大器合起來(lái)稱作接收機(jī)前端，其性能的優(yōu)劣是決定接收機(jī)靈敏度的主要因素。為此，前置放大器必須是低噪聲、寬頻帶的放大器。定時(shí)提取電路和判決再生電路，它們的功能是從放大器輸出的信號(hào)與噪聲混合的波形中提取碼元時(shí)鐘，并逐個(gè)地對(duì)碼元波形進(jìn)行取樣判決，以得到與原發(fā)送端相似的碼流。2.1.4光接收機(jī)的性能指標(biāo)1.接收靈敏度 接收靈敏度是數(shù)字光接收機(jī)最重要的指標(biāo)，它直接決定光纖通信系統(tǒng)中的中繼距離和通信質(zhì)量。數(shù)字光接收機(jī)靈敏度的定義如下：在指定誤碼率或信噪比時(shí)的最

10、小接收信號(hào)光功率Pmin (m W),通常用dBm 表示Pr =10logPmin (dBm) (2-1)Pr越小，意味著數(shù)字光接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力就越強(qiáng)，靈敏度越高，此時(shí)當(dāng)發(fā)射機(jī)功率一定時(shí)，則保證通信質(zhì)量的中繼通信距離就越長(zhǎng)。因此，提高數(shù)字光接收機(jī)的靈敏度，可以延長(zhǎng)光纖通信的中繼距離和增加通信質(zhì)量。2.動(dòng)態(tài)范圍 在實(shí)際的光纖通信系統(tǒng)中，由于中繼距離、光纖損耗、連接器及熔接頭損耗的不同，發(fā)送功率隨溫度的變化及老化等因素，接收光功率有一定的范圍。數(shù)字光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍(DR)定義如下:在限定的誤碼率條件下，光接收機(jī)所能承受的最大平均接收光功率Pmax 和 Pmin 的比值，用dB表示。DR=

11、10logPmaxPmin (2-2)動(dòng)態(tài)范圍是光接收機(jī)性能的另一個(gè)重要指標(biāo)，它表示光接收機(jī)接收光強(qiáng)的能力。寬的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)更方便靈活，使同一個(gè)接收機(jī)可用于不同長(zhǎng)度的中繼距離。3光纖的選型目前，光纖通信系統(tǒng)中所采用的光纖種類很多，光纖是用于約束并傳導(dǎo)光信號(hào)的一種介質(zhì)光波導(dǎo)。由于損耗低、帶寬容量大、重量輕、容易鋪設(shè)以及便于大批量制造等優(yōu)良性使其能成為通信中重要的傳輸介質(zhì)。光波在光纖中傳輸遵循全反射原理，光纖正是利用這種原理進(jìn)行導(dǎo)光的。光纖根據(jù)光在介質(zhì)中的傳播模式不同分為單模光纖和多模光纖，單模光纖只能傳輸一種模式，多模光纖可以傳輸多種模式，單模光纖與多模光纖相比，帶寬極寬，適合于大容量

12、、長(zhǎng)距離的通信系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中用的就是單模光纖，這樣，不僅保證傳輸信道有很寬的帶寬，而且，還有利于器件的兼容，因?yàn)楝F(xiàn)在光器件的發(fā)展趨勢(shì)就是單?；９饫w通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的問(wèn)題是如何計(jì)算出傳輸距離，或如何確定中繼距離。中繼距離主要由以下四個(gè)因素決定:一是發(fā)送端進(jìn)入光纖的平均光功率;二是在給定誤碼率要求下，接收機(jī)的靈敏度:三是光纖線路的總損耗:四是光纖線路的總帶寬。在此情況下，計(jì)算光纖中繼距離的公式為:L=Pi -P0-Me-AcAf-As-Mc(km) (2-3)4設(shè)計(jì)方案及關(guān)鍵技術(shù)長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，光纖色散和非線性效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)產(chǎn)生很大的劣化。光纖非線性效應(yīng)包括SBS（受激布里淵散射）和SPM（

13、自相位調(diào)制）。SBS 主要發(fā)生在65km 以前的光路上超過(guò)65km 以后，SBS 趨于穩(wěn)定，不再增加。但是，此時(shí)SPM 的影響逐漸顯現(xiàn)，在6580km 范圍SPM緩慢增加，超過(guò)80km 后SPM 明顯的增加，到達(dá)120km 這個(gè)臨界距離后，SPM 急劇增加，光發(fā)射機(jī)SBS 閾值越大，輸入光纖的光功率也相應(yīng)增加，使SPM 增加越快導(dǎo)致CSO 急劇劣化。在長(zhǎng)距離1550nm 光傳輸系統(tǒng)中，要合理的預(yù)置光發(fā)射機(jī)的SBS 閾值，合理分配各級(jí)EDFA 的輸入功率。超長(zhǎng)距離光纖可插入喇曼光放大器進(jìn)行小信號(hào)放大，同時(shí)對(duì)光纖的色散合理地進(jìn)行補(bǔ)償，這些技術(shù)措施對(duì)保證系統(tǒng)指標(biāo)是十分有效的。由于傳輸鏈路總長(zhǎng)達(dá)500km，該方案采用光纖色散補(bǔ)償技術(shù)。光纖色散補(bǔ)償技術(shù)原理為：常規(guī)G.652 光纖在1550nm波長(zhǎng)附近的色散為17ps/nm/km。在數(shù)字信號(hào)傳輸時(shí)，當(dāng)