光纖通信系統(tǒng)及設計(修改)

1、第7章 光纖通信系統(tǒng)(xtng)及設計 7.1 模擬光纖傳輸(chun sh)系統(tǒng)概述 7.2 典型的模擬光纖通信系統(tǒng) 7.3 數字光纖通信系統(tǒng) 7.4 IM-DD數字光纖通信系統(tǒng)設計 7.5 WDM+EDFA數字光纖鏈路設計 共三十頁7.1 模擬(mn)光纖傳輸系統(tǒng)概述 7.1.1 系統(tǒng)(xtng)構成 一個模擬鏈路的基本單元如下圖所示， 它包括光發(fā)送機、 光纖傳輸信道和光接收機。 模擬鏈路的基本單元 共三十頁 7.1.2 主要的噪聲和信噪比 衡量模擬通信系統(tǒng)性能(xngnng)的重要參量是信噪比， 即均方信號電流和均方噪聲電流之比： 對于模擬接收機， 影響噪聲的因素(yn s)主要有： 接

2、收機的噪聲， 非線性失真， 光路反射等。 其中， 接收機噪聲包括光檢測器的噪聲， 接收機電路的熱噪聲， 激光器的相對強度噪聲等。 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共三十頁 (1)檢測器光電二極管的主要(zhyo)噪聲為 其中： IP為初始(ch sh)光電流； ID為暗電流； G為倍增增益； Beq為接受機的帶寬。(2)檢測器前置放大器的噪聲為 其中： kB為玻爾茲曼常數； T為絕對溫度； Req為檢測器負載和前置放大器的等效電阻； Ft為前置放大器的噪聲系數， 通常為23 dB。 共三十頁7.2 典型的模擬光纖通信(un xin tn xn)系統(tǒng) 7.2.1 基帶直接強

3、度(qingd)調制 基帶直接強度調制光纖系統(tǒng)光源的模擬調制響應共三十頁 如果基帶信號(t)為正弦信號， 調制作用于光源的線性區(qū)， 輸出光功率P(t)的包絡和輸入的驅動電流有相同(xin tn)的波形。定義(dngy)調制指數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： 對于一個正弦接收信號， 接收機輸出端的均方信號電流為：共三十頁基帶直接(zhji)強度調制的信噪比： 共三十頁 7.2.2 多信道傳輸 把基帶信號用AM、 FM、 PM等調制方式調制到頻率為f1、 f2、 、 fN的N個載波(zib)（稱為副載波(zib)）上， 然后再把這N個信號頻分復用（FDM）， 調制一個光源

4、在光纖里傳輸。 N個信道(xn do)的頻分復用 共三十頁 在副載波強度調制系統(tǒng)中， 信息加在載波上， 用載噪比（C/N）來衡量傳輸質量的好壞。 載噪比定義為載波功率和噪聲(zoshng)功率之比。 其中， 噪聲(zoshng)功率包括光源的噪聲(zoshng)功率， 檢測器的噪聲(zoshng)功率， 系統(tǒng)噪聲(zoshng)功率等。 對于調制指數為m的正弦(zhngxin)接收信號， 接收機的載波功率 ：共三十頁 光源噪聲： 光源噪聲是指激光器的相對強度噪聲RIN（dB/Hz）， 由光源的輸出光的幅度或強度的起伏所產生的光強度噪聲， 定義為LD輸出的均方功率脈動(midng)(P)2與平均

5、光功率平方P2之比均方噪聲(zoshng)電流：共三十頁載噪比: (1) 當接收光功率較低時， 系統(tǒng)的噪聲(zoshng)主要是檢測器前置放大器的噪聲， 此時的載噪比為: 此時的載噪比與接收(jishu)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。 共三十頁 (2) 對于設計良好的光電二極管， 體暗電流噪聲(zoshng)和表面暗電流噪聲(zoshng)很小， 系統(tǒng)的噪聲(zoshng)主要是光檢測器的量子噪聲(zoshng)， 此時的載噪比為:此時(c sh)， P 每變化1 dB， C/N也將變化1 dB。 (3)當激光器的RIN很高時， RIN成為系統(tǒng)的主

6、要噪聲， 此時的載噪比為共三十頁習題(xt)假設一個多信道系統(tǒng)有120個信道， 每個信道的調制指數為2.3%； 鏈路包括一根損耗為1 dB/km的12 km長的單模光纖， 每端有一個(y )損耗為0.5 dB的連接器； 激光光源耦合進光纖的功率為2 mW， 光源的RIN=-135 dB/Hz； PIN光電二極管接收機的響應度為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。 共三十頁7.3 數字光纖通信(un xin tn xn)系統(tǒng) 7.3.1 系統(tǒng)構成 目前而言， 強度調制直接檢波（IM-DD）光纖通信系統(tǒng)是

7、最常用的方式。 它包括(boku)PCM端機， 電發(fā)送、 接收端機， 光發(fā)送、接收端機， 光纖線路， 中繼器等。 數字光纖通信系統(tǒng)的組成原理圖共三十頁 PCM編碼(bin m)和解碼過程 共三十頁 7.3.2 誤碼特性和抖動特性 數字通信系統(tǒng)的主要性能指標是誤碼特性和抖動特性。 1. 誤碼特性 指當發(fā)送端發(fā)送的是“1”碼或“0”碼時， 在接收端的相應位置收到的卻是“0”碼或“1”碼。 在數字信號的傳輸過程(guchng)中， 如果發(fā)生的誤碼過多， 就會造成通信質量的下降。 造成誤碼的原因有噪聲、 光纖的色散等。 誤碼對通信質量的影響可以用誤碼特性來衡量。 共三十頁 誤碼性能參數： (1) 長期

8、平均誤碼率BERav(Bit Error Rate）： 指在一段相當長的時間內出現(xiàn)的誤碼的個數和總的傳輸碼元數的比值(bzh)， 表示為 BERav= 誤碼的個數 總的傳輸碼元數 共三十頁 (2) 劣化分（DM）： 是指每分鐘的BERav劣于110-6的分鐘。 (3) 嚴重誤碼秒（SES）： 是指BERav劣于110-3的秒。 (4) 誤碼秒（ES）： 有誤碼的秒稱為(chn wi)誤碼秒。 這是由于現(xiàn)代通信中的數據業(yè)務是成塊發(fā)送的， 如果1秒中有誤碼， 相應的數據塊都要重發(fā)。 共三十頁 2. 抖動特性(txng) 抖動是指數字傳輸中數字信號的有效瞬間位置相對于標準位置的偏差。光纖通信中把10

9、 Hz以下的長期相位變化稱為漂動， 而10 Hz以上的稱為抖動。 產生抖動的原因可以是隨機噪聲, 時鐘恢復電路的振蕩器的元件老化、 調諧不準(b zhn)， 接收機碼間干擾、 電纜老化等。共三十頁7.4 IM-DD數字(shz)光纖通信系統(tǒng)設計 7.4.1 總體設計考慮(kol) 光纖通信系統(tǒng)的基本要求有以下幾點： (1) 預期的傳輸距離。 (2) 信道帶寬或碼速率。 (3) 系統(tǒng)性能（誤碼率， 信噪比）。 共三十頁 為了達到這些要求， 需要對以下一些要素進行(jnxng)考慮： 光纖： 需要考慮選用單模還是多模光纖， 需要考慮的設計參數有： 纖芯尺寸、 纖芯折射率分布、 光纖的帶寬或色散特性

10、、 衰耗特性。 光源： 可以使用LED或LD， 光源器件的參數有發(fā)射功率、 發(fā)射波長、 發(fā)射頻譜寬度、 方向圖等。 檢測器: 可以使用PIN組件或APD組件， 主要的器件參數有工作波長、 響應度、 接收靈敏度、 響應時間等。 共三十頁 1. 假想參考數字(shz)鏈路 根據通信系統(tǒng)性能指標的要求， 確定這個數字鏈路中由幾個數字段組成， 每個數字段的長度； 每個站應配備的設備； 總的系統(tǒng)要求的技術指標， 如何在數各字段之間分配。 設計的系統(tǒng)要選擇合適的路由， 中繼站應考慮上下話路的需要和信號放大再生的功能。 2. 采用的傳輸(chun sh)制式 如PDH 傳輸 3. 工作波長的確定 工作波長可

11、根據通信距離和通信容量進行選擇。 如果是短距離小容量的系統(tǒng)，選擇短波長范圍， 即800900 nm。 如果是長距離大容量的系統(tǒng)， 則選用長波長的傳輸窗口， 即1310 nm和1550 nm。共三十頁 4. 光纖的選擇 光纖有多模光纖和單模光纖， 每種都有階躍的和漸變折射率的纖芯分布。 對于短距離傳輸(chun sh)和短波長應用， 可以用多模光纖。 但長波長傳輸(chun sh)一般使用單模光纖。 5. 光檢測器的選擇 選擇檢測器需要看系統(tǒng)在滿足特定誤碼率的情況下所需的最小接收(jishu)光功率， 即接收(jishu)機的靈敏度， 此外還要考慮檢測器的可靠性、 成本和復雜程度。 6. 光源的

12、選擇 選擇LED還是LD， 需要考慮一些系統(tǒng)參數， 比如 色散、 碼速率、 傳輸距離和成本等。共三十頁 7.4.2 設計方法 (1)最壞值設計 使用最壞值設計時， 所有考慮在內的參數都以最壞的情況考慮。 用這種方法設計出來的指標肯定滿足系統(tǒng)要求(yoqi)， 系統(tǒng)的可靠性較高， 但由于在實際應用中所有參數同時取最壞值的概率非常小， 所以這種方法的富余度較大， 總成本偏高。 (2)統(tǒng)計設計 統(tǒng)計設計方法是按各參數的統(tǒng)計分布特性取值的， 即通過事先確定一個系統(tǒng)的可靠性代價來換取較長的中繼距離。 共三十頁1. 損耗系統(tǒng)(xtng)的設計方法功率預算法一個點到點鏈路的光功率損耗模型如下圖所示。 點到點

13、鏈路的光功率(gngl)損耗模型共三十頁 L為從S點到R點的中繼距離。 一般在光發(fā)送機之后和光接收機之前各有一個固定接頭， 固定接頭損耗為c。 每段光纖之間會由活動連接器或固定連接器連接， 每個連接器的損耗為s。 假設每段光纖的長度為LF， 每段光纖的損耗為F， 則會有N=（L/LF）-1個活動連接器。 光纖損耗F。 PS為S點發(fā)射機的出纖功率， PR為R點進入接收機的功率。 考慮到設備(shbi)的老化、 溫度的波動等因素， 應該留有系統(tǒng)功率富余度M。 由此有下式： PS-PR=2c+Ns+FL+M共三十頁則傳輸(chun sh)距離為 共三十頁 2. 色散受限系統(tǒng)(xtng)色散影響的中繼

14、距離 原因： 對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重， 出現(xiàn)碼間干擾， 從而限制了傳輸距離。 碼間干擾的嚴重程度用相對均方根脈寬表示： 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（單位為ps/(kmnm)）， L是光纖長度（單位為km）， 是光源的譜寬（單位為nm）。 色散(ssn)影響的中繼距離共三十頁例題：對于一個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個接頭，平均每個接頭損耗為0.2dB，光源的入纖功率為-3dBm，接收機靈敏度為-56dBm（BER=10-19）。(2)光纖線路上的線路碼型是5B6B，光纖的色散系數為2ps/（km.nm），光源光譜(gungp)寬度為1.8nm ( )。注：設計中選取色散（功率）代價為1dB，光連接器損耗為1dB（發(fā)送和接收端各一個），光纖富余度為0.1dB/km，設備富余度為5.5dB。求：最大中繼距離是多少？共三十頁內容摘要第7章 光纖通信系統(tǒng)及設計。把基帶信號用AM、 FM、 PM等調制方式調制到頻率為f1、 f2、。此時的載噪比與接收