光纖通信第四章

光纖通信第四章第一頁，共五十三頁，2022年，8月28日4.0光纖通信系統(tǒng)分類及應(yīng)用場合光纖通信系統(tǒng)可按波長、傳輸碼率、光纖類型、光電器件類型以及應(yīng)用場合來分類。4.0.1數(shù)字通信制式1）準同步數(shù)字體系（PDH）數(shù)字系列等級基群二次群三次群四次群接口碼速率(Mb/s)2.0488.44834.368139.264接口碼型HDB3HDB3HDB3CMI話路數(shù)301204801920第二頁，共五十三頁，2022年，8月28日2）同步數(shù)字體系（SDH）所謂SDH是一套可進行同步信息傳輸、復(fù)用、分插和交叉連接的標準化數(shù)字信號的結(jié)構(gòu)等級。

SDH網(wǎng)絡(luò)則是由一些基本網(wǎng)絡(luò)單元（NE）組成的，在傳輸媒質(zhì)上（如光纖、微波等）進行同步信息傳輸、復(fù)用、分插和交叉連接的傳送網(wǎng)絡(luò)。它的基本網(wǎng)元有終端復(fù)用器（TM）、分插復(fù)用器（ADM）、同步數(shù)字交叉連接設(shè)備（SDXC）和再生中繼器（REG）等。第三頁，共五十三頁，2022年，8月28日N值記號速率Mb/S路數(shù)1STM-1155.52020164STM-4602.08080648STM-81244.1601612812STM-121866.2402419216STM-162488.3203225664STM-649953.280129024

SDH采用一套標準化的信息結(jié)構(gòu)等級，稱為同步傳送模塊STM-N（N=1，4，16，64，）。第四頁，共五十三頁，2022年，8月28日4.0.2工作波長和器件光纖多模光纖單模光纖波長0.8μ-0.9μ1.3μ1.31μ1.55μ光源器件LED(GaAlAs)LED(InGaAsP)LD(InGaAsP)LD(InGaAsP)LD(GaAlAs)LD(InGaAsP)LED(InGaAsP)檢測器件Si-APDPIN-FET(InGaAs)PIN-FET(InGaAs)PIN-FET(InGaAs)Si-PINAPD(InGaAs或Ge)APD(InGaAs或Ge)APD(InGaAs或Ge)第五頁，共五十三頁，2022年，8月28日4.0.3應(yīng)用1）市話局間中繼干線系統(tǒng)一般開通34Mb/S140Mb/S2）長途干線系統(tǒng)

一般開通2.5Gb/S10Gb/S3）光纖局域網(wǎng)4）光纖用戶接入網(wǎng)第六頁，共五十三頁，2022年，8月28日4.1光發(fā)射機原理框圖光端機主要由光發(fā)送機、光接收機和輔助電路三大部分組成。低速電信號高速電信號復(fù)用光發(fā)送單元解復(fù)用光接收單元光信號光信號高速電信號低速電信號高速電信號復(fù)用光接收單元解復(fù)用光發(fā)送單元光信號光信號高速電信號低速電信號低速電信號第七頁，共五十三頁，2022年，8月28日數(shù)字光發(fā)送機的基本組成包括均衡放大、碼型變換、復(fù)用、擾碼、時鐘提取、光源、光源的調(diào)制電路、光源的控制電路（ATC和APC）及光源的監(jiān)測和保護電路等。第八頁，共五十三頁，2022年，8月28日（1）均衡放大：補償由電纜傳輸所產(chǎn)生的衰減和畸變。（2）碼型變換：將HDB3碼或CMI碼變化為NRZ碼。（3）復(fù)用：用一個大傳輸信道同時傳送多個低速信號的過程。（4）擾碼：使信號達到“0”、“1”等概率出現(xiàn)，利于時鐘提取。（5）時鐘提?。禾崛CM中的時鐘信號，供給其它電路使用。（6）調(diào)制（驅(qū)動）電路：完成電/光變換任務(wù)。（7）光源：產(chǎn)生作為光載波的光信號。（8）溫度控制和功率控制：穩(wěn)定工作溫度和輸出的平均光功率。（9）其他保護、監(jiān)測電路：如光源過流保護電路、無光告警電路、LD偏流（壽命）告警等。第九頁，共五十三頁，2022年，8月28日4.1.2產(chǎn)品CiscoONS15302

ONS15302是一種集成型多業(yè)務(wù)接入設(shè)備。借助其與SDH光纖網(wǎng)絡(luò)連接的STM-1光上行鏈路，多業(yè)務(wù)接入網(wǎng)絡(luò)可以擴展到客戶端，這樣，ONS15302就可以匯集分支機構(gòu)間連接、互聯(lián)網(wǎng)接入、和語音和數(shù)據(jù)流量。

ONS15302將以太網(wǎng)與TDM流量結(jié)合在一起，沿SDHSTM-1幀結(jié)構(gòu)內(nèi)的TDM通道（VC）傳輸以太網(wǎng)流量。以太網(wǎng)通道的帶寬最高可以配置為63個VC-12。

ONS15302還具備第2層交換功能，可以將本地10/100BaseT以太網(wǎng)接口映射到VC-12容器中，利用WAN模塊實現(xiàn)點到點或點到多點傳輸。第十頁，共五十三頁，2022年，8月28日TP-LINK百兆光纖模塊卡系列TL-SM201系列

TL-SM201系列百兆模塊卡與TP-LINK交換機配合，通過光纖或雙絞線傳輸，可以擴展局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離，適合于大中型局域網(wǎng)的擴展和互聯(lián)。模塊體積小，安裝于交換機內(nèi)部，使用交換機內(nèi)部供電，安裝、使用簡便。模塊卡前面有指示燈，可顯示相應(yīng)百兆模塊卡的工作狀態(tài)，方便用戶監(jiān)視和使用。第十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日AgilentHFCT-5914ATL

SingleModeLaserTransceiversforGigabitEthernetandiSCSIApplicationsat1.25Gb/s第十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日10/100M自適應(yīng)光纖收發(fā)器

10/100M自適應(yīng)光纖收發(fā)器通過10BASE-T或100BASE-TX到100BASET-FX之間的光電轉(zhuǎn)換，可以將傳統(tǒng)的10M以太網(wǎng)或100M快速以太網(wǎng)通過快速以太網(wǎng)光纖鏈路擴展到110km的范圍。第十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日4.2.1基本原理前置放大主放大偏壓控制均衡定時判決解碼AGC定時提取4.2光接收機第十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日4.2.2基本電路光檢測和前置放大電路主放大電路均衡放大電路基線處理定時再生輸出電路第十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日4.3線路碼型為什么編碼？1）為使接收再生電路把相位或頻率鎖定到信號定時上；2）光接收機采用電容耦合，接收機不能對直流或低頻分量響應(yīng)，使長連信號的幅度逐漸下降，經(jīng)判決電路會產(chǎn)生誤碼。光纖通信使用的碼型：NRZ加擾碼mBnBCMI0—011—00或11第十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日NRZ碼單極性歸零碼雙極性非歸零碼雙極性歸零碼Manchester碼AMI碼HDB3第十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日Unipolarandbipolarcoding第十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日RZandNRZcoding第十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日光纖通信中的碼型以2.048Mbit/s為基礎(chǔ)的PDH數(shù)字系列的碼形及速率SDH光纖通信系統(tǒng)中廣泛使用的是加擾的NRZ碼

基

群二

次

群三次群四

次

群接口碼速率

(Mbit/s)2.0488.44834.368139.264接口碼型HDB3HDB3HDB3CMI并不都適合在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中傳輸。需碼形變換。第二十頁，共五十三頁，2022年，8月28日

PCM系統(tǒng)中的這些碼型并不都適合在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中傳輸。為此，在光端機中必須進行碼型變換。在PDH系統(tǒng)中，常用的線路編碼有分組碼mBnB，1B2B碼（CMI、DMI和雙相碼等）和插入碼。

SDH光纖通信系統(tǒng)中廣泛使用的是加擾的NRZ碼。第二十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日碼型碼型變換規(guī)則傳輸速率誤碼監(jiān)測適用系統(tǒng)1B2B碼CMI“1”：11,00交替“0”：012fi按編碼規(guī)則檢查PDH雙相碼“1”：10“0”：012fi同上DMI“1”：11,00交替“0”：01（前二個碼為01，11時）10（前二個碼為10，00時）2fi同上分組碼mBnB在nB碼中選擇不均等值小的碼作公共碼；正負模式交替nfi/m(1)查禁用碼字(2)利用DRS插入碼mB1P(1)P碼滿足奇校驗規(guī)則(2)P碼滿足偶校驗規(guī)則(m+1)fi/m奇偶校驗mB1C(m+1)fi/m模2和=0mB1H加擾NRZ給輸入NRZ序列加擾fi無SDH常用的線路編碼第二十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日NRZ碼單極性歸零碼雙極性非歸零碼雙極性歸零碼ManchesterAMI碼HDB3第二十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日三階高密度雙極性碼（HDB3碼）*HDB3碼是AMI碼的改進，與AMI碼一樣,也是“1”交替地變換為+1與-１的占空比為50%的歸零碼。但與AMI碼不同的是：HDB3碼中的連“0”數(shù)被限制為小于或等于3個*HDB3碼的編碼規(guī)則如下:①檢查數(shù)字序列中0數(shù)目。當(dāng)連“0”數(shù)目小于等于3時，HDB3碼就是AMI碼，+1、-1交替.②當(dāng)出3個以上連“0”時，將每4個連“0”劃作一小節(jié)，定義為B00V，稱為破壞節(jié)。其中V稱為破壞點，而B可稱為調(diào)節(jié)點。③V與前一相鄰的“1”，極性相同，即破壞了“1”極性交替的規(guī)律。同時V還要滿足Vi－1、Vi、Vi＋1之間極性交替的規(guī)律。V的取值是+1或-1。④B作為調(diào)節(jié)點，可選0或＋1或－1，以讓V同時滿足③中的兩個要求。第二十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日NRZI：

NRZI是“反相不歸零制（Non-ReturntoZeroInverted）”的簡稱。也就是將NRZ方案中的“1”和“0”的表示方法對調(diào)。這種方案雖然解決了連續(xù)“1”的問題，但同時又產(chǎn)生了連續(xù)“0”的問題。第二十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日分組碼：分組碼常用mBnB表示，它是把輸入碼流每m比特分成一組，然后把每組編成n比特輸出。每組的m個二進制碼，記為mB，變換為n個二進制碼，記為nB，因此稱為mBnB碼，其中m和n都是正整數(shù)，通常n＞m，一般選取n=m+1。常用的mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B和17B18B等。

最簡單的mBnB碼是1B2B碼，它是把原信息碼的“0”變換為“01”，把“1”變換為“10”。因此最大的連“0”和連“1”的數(shù)目不會超過兩個，例如1001和0110。但是碼速率提高了1倍。第二十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日4B5B編碼數(shù)據(jù)每4個比特用一個5比特碼組來編碼。由于5個比特比4個比特多出一倍編碼，因此有很大的選擇余地，可從中挑選適當(dāng)?shù)木幋a。既解決連續(xù)0的問題，又可適當(dāng)考慮到碼流中直流分量的平衡。任一個5比特碼組選擇為最多1個前導(dǎo)0和最多2個尾0。即在編碼后的比特流中最多出現(xiàn)3個連續(xù)的比特0。然后用NRZ-I編碼傳輸該5比特碼組，傳輸效率可達80%。NRZ-I本身能處理連續(xù)比特1的問題。應(yīng)用:FDDI局域網(wǎng)中采用4B5B編碼第二十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日數(shù)據(jù)

11111000001111014B/5B11101100101010111011第二十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日5B6B編碼6個比特位的碼組集合中3個1和3個0的碼組就有20個，有利于碼流中直流分量的平衡。實現(xiàn)方法:

數(shù)據(jù)每5個比特用一個6比特碼組來編碼。將選擇好的6比特碼組之集合分為正、負兩種模式，正負模式除各含19個0和1平衡的碼組外，正模式中含有4個1和2個0的碼組13個，負模式中含有4個0和2個1的碼組13個。在傳輸時，正、負模式的碼組交替發(fā)送，以求得最大的直流分量的穩(wěn)定和平衡。第二十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日第三十頁，共五十三頁，2022年，8月28日擾碼

SDH光纖通信系統(tǒng)中廣泛使用的是加擾的NRZ碼，它是利用一定規(guī)則對信號碼流進行擾碼，經(jīng)過擾碼后使線路碼流中的“0”和“1”出現(xiàn)的概率相同，因此碼流中不會出現(xiàn)長連“0”或長連“1”的情況，從而有利于接收端提取時鐘信號。信號序列擾亂方法有：用一個隨機序列與輸入信號序列進行邏輯加，這樣就能把任何輸入信號序列變換為隨機序列，但完全隨機的序列不能再現(xiàn)。用偽隨機序列來代替完全隨機序列進行擾碼與解擾的作用。第三十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日4.4系統(tǒng)設(shè)計4.4.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和限制1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

點對點分配網(wǎng)絡(luò)集線樹形結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)形結(jié)構(gòu)星型結(jié)構(gòu)第三十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日光纖通信系統(tǒng)設(shè)計考慮的問題1)開通速率的考慮2)工作波長的選擇3)光纖類型的選擇4)光元器件的選擇5)碼型和帶寬的選擇6)占空比7)誤碼率的分配第三十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日2）損耗限制系統(tǒng)光纖的吸收和其他損耗限制了通信距離。工作波長損耗中繼距離0.85μm2.5dB/km10-30km1.3μm0.3dB/km100-200km1.55μm0.2dB/km>200km帶寬滿足要求，系統(tǒng)中繼距離只受損耗限制。第三十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日3）色散限制系統(tǒng)

光纖色散導(dǎo)致光脈沖展寬，從而構(gòu)成系統(tǒng)BL乘積的限制。當(dāng)色散限制傳輸距離小于損耗限制的傳輸距離時，稱為色散限制系統(tǒng)。第三十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日色散系統(tǒng)帶寬估算850nm系統(tǒng)階躍多模光纖：BL<C/(2n1*Δ)—模色散為主C光速n1纖芯折射率Δ相對折射率差B為1Mb/sL<10km漸變折射率光纖：BL<2C/(2n1*Δ2)—模色散為主C光速n1纖芯折射率Δ相對折射率差B為100Mb/s仍為損耗受限系統(tǒng)BL可以達到2Gb/s*km第三十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日1300nm系統(tǒng)

BL<4│D│σλ

—材料色散為主

D為色散系數(shù)，一般為1-2pS/km?nm

σλ為光源的均方根譜寬BL可以達到125Gb/s*km一般B<1Gb/s仍為損耗受限系統(tǒng)，B>1Gb/s時為色散受限系統(tǒng)。

第三十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日1550nm系統(tǒng)色散較大，一般為色散受限系統(tǒng)。以材料色散為主。用窄帶單縱模激光器可以增大帶寬。B>5Gb/s時為色散受限系統(tǒng)。但由于頻率啁啾（chirp）對于2Gb/s的系統(tǒng)，中繼距離為75km。使用色散位移光纖可以使BL達到1600Gb/s*km。在碼率20Gb/s下，中繼距離可以達到80km。第三十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料色散為主受限系統(tǒng)設(shè)計色散受限系統(tǒng)可達的再生段距離的最壞值可用下式估算：

Ld=DSR/Dm

其中DSR為S點和R點之間允許的最大色散值，可以從相關(guān)的標準表格中查到，Dm為允許工作波長范圍內(nèi)的最大光纖色散系數(shù)，單位為ps/（nm·km），可取實際光纖色散分布最大值。例：某光纖系統(tǒng)允許最大色散值DSR(或Dmax)為1200ps/nm，所用光纖的色散系數(shù)為17ps/nm*km。求色散受限最大傳輸距離。解：Ld=DSR/Dm=1200(ps/nm)/17(ps/nm*km)=70.6(km)第三十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日（1）多縱模激光器（MLM-LD）和發(fā)光二極管（LED）

式中fb是線路信號比特率，單位為Mbit/s；Dm是光纖色散系數(shù)，單位為ps/（nm·km）；δλ是光源的均方根譜寬，單位為nm；ε是與色散代價有關(guān)的系數(shù)，當(dāng)光源為多縱模激光器（MLM?LD）時，ε取0.115，若為發(fā)光二極管，ε取0.306。例：某光纖系統(tǒng)信號比特率為155Mb/s，所用光纖的色散系數(shù)為17ps/nm*km。用LED光源，帶寬2nm。求色散受限最大傳輸距離。解：=106x0.306/155x17x2=58km第四十頁，共五十三頁，2022年，8月28日（2）單縱模激光器（SLM-LD）

α為啁啾系數(shù)，普通DFB激光器，α=4～6；量子阱激光器，α=2～4；

λ為波長（單位為nm）

fb為線路信號比特率（單位為Tbit/s）。例：

以2.4Gbit/s系統(tǒng)為例，假設(shè)工作波長λ為1550nm，Dm為17ps/（nm·km），則采用普通量子阱激光器（設(shè)α=3）和EA調(diào)制器（設(shè)α=0.5）后，傳輸距離可以分別達101km和607km。第四十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日4.4.2功率預(yù)算光纖通信系統(tǒng)的光功率必須滿足下式：

Pout=Prec+Ltot+PmPout為平均數(shù)出光功率dBmPout=10lg(P(mW)/1mW)Prec為接收靈敏度dBmPrec=10lg(P(mW)/1mW)Ltot所有損耗dBPm為功率余量dB第四十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日光纜數(shù)字線路系統(tǒng)設(shè)計的基本方法是最壞值設(shè)計法。所謂最壞值設(shè)計法，就是在設(shè)計再生段距離時，將所有參數(shù)值都按最壞值選取，而不管其具體分布如何。按照ITU?T建議G.957的規(guī)定，允許的光通道損耗PSR為

PSR

=PT?PR?PP

PT為光發(fā)送功率；PR為光接收靈敏度；PP為光通道功率代價。損耗受限系統(tǒng)設(shè)計第四十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日

PP在實際中可以等效為附加接收損耗，可扣除，于是實際S-R點的允許損耗為

式中Af表示再生段平均光纜衰減系數(shù)（dB/km），

AS是再生段平均接頭損耗（dB），

Lf是單盤光纜的盤長（km），

Mc是光纜富余度（dB/km），

AC是光纖配線盤上的附加活動連接器損耗（dB），這里按兩個考慮。下圖形象地演示了整個光通道損耗的組成。光纖損耗融接頭損耗富余度活動接頭損耗第四十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日

在中繼距離的設(shè)計中應(yīng)考慮衰減和色散這兩個限制因素，因而對于中繼距離的設(shè)計可分兩種情況來討論。

第一種情況是損耗受限系統(tǒng)，即再生段距離由S和R點之間的光通道損耗決定。

第二種情況是色散受限系統(tǒng)，即再生段距離由S和R點之間的光通道總色散所限定。光通道損耗的組成第四十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日4.4.3傳輸距離的估算損耗受限系統(tǒng)簡單計算：

L(km)=(發(fā)射光功率―接收靈敏度―接頭損耗―富余度)/光纖衰減系數(shù)即：L(km)=（Pout-Prec-Ac-Pm）/Af典型參數(shù)：平均輸出光功率：-20dBm~0dBm接收靈敏度：-60dBm~-30dBm固定接頭：0.2~0.5dB活動接頭：1~2dB富余度：6~9dB第四十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日例1：一對光端機發(fā)射機的發(fā)射平均功率為2mW，接收靈敏度為1μW，計算以dBm表示的發(fā)射平均功率和接收機的靈敏度。如果將這對光端機用在衰減系數(shù)為0.5dB/km的光纜上，兩端接頭損耗都為2dB，保留6dB富余度，求中繼距離（不考慮中間接頭損耗）。例2：一光纖通信系統(tǒng)，要求通信距離