光纖通信(第3版)-光纖傳輸系統(tǒng)

第7章光纖傳輸系統(tǒng)概述光調(diào)制電復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)光復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)相干光波通信系統(tǒng)光纖孤子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)高速光纖傳輸系統(tǒng)1《光纖通信》（第3版）原榮編著7.1概述7.1.1調(diào)制7.1.2編碼7.1.3復(fù)用2《光纖通信》（第3版）原榮編著7.1.1調(diào)制調(diào)制是用數(shù)字或模擬信號改變載波的幅度、頻率或相位的過程。調(diào)制分相干調(diào)制和非相干調(diào)制；非相干調(diào)制---改變載波的幅度；相干調(diào)制---改變載波的頻率或相位；光通信系統(tǒng)中非相干調(diào)制有直接調(diào)制和外調(diào)制兩種；直接調(diào)制---信息直接調(diào)制光源的輸出光強(qiáng)；外調(diào)制---信息通過外調(diào)制器對連續(xù)輸出光進(jìn)行調(diào)制；最常用的的光纖系統(tǒng)都是采用非相干的強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(IM/DD)方式；近來，采用偏振復(fù)用正交相移鍵控（PM-QPSK）調(diào)制，在接收端使用相干檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)在現(xiàn)有10Gb/s光纖線路上傳輸40Gb/s信號，這種相干檢測受到重視。3《光纖通信》（第3版）原榮編著IM/DD方式在發(fā)送端，電信號直接調(diào)制（IM）光載波的強(qiáng)度；在接收端，光信號被光電二極管直接探測（DD），從而恢復(fù)發(fā)射端的電信號。4《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.1.1光通信采用的調(diào)制方式5《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.1.2IM/DD方式實(shí)現(xiàn)圖解6《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.1.3頻率調(diào)制以增加調(diào)制帶寬換取信噪比的降低7《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.1.4模擬副載波調(diào)制8《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.1.5ASK、PSK和FSK調(diào)制方式比較9《光纖通信》（第3版）原榮編著例題7.1.1脈沖信號對光強(qiáng)度調(diào)制10《光纖通信》（第3版）原榮編著7.1.2編碼 對數(shù)字信號進(jìn)行編碼的理由是：(1)為了使接收再生電路把相位或頻率鎖定到信號定時上；(2)因?yàn)楣饨邮諜C(jī)采用電容耦合，接收機(jī)不能對直流和低頻分量響應(yīng)，使長連零信號的幅度逐漸下降，經(jīng)判決電路后會產(chǎn)生誤碼，如圖7.1.3所示。11《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.1.3光接收機(jī)電容耦合使長連零信號幅度下降導(dǎo)致判決產(chǎn)生誤碼12《光纖通信》（第3版）原榮編著編碼的目的使輸出的二進(jìn)制碼不要產(chǎn)生長連“1”或長連“0”，而是使“1”碼和“0”碼盡量相間排列。這樣既有利于時鐘提取，也不會產(chǎn)生因長連零信號幅度下降使判決產(chǎn)生誤碼。13《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.1.4兩種二進(jìn)制編碼14《光纖通信》（第3版）原榮編著雙二進(jìn)制編碼（DB）技術(shù)雙二進(jìn)制編碼（DB，DuoBinary）技術(shù)能使“0”和“1”的數(shù)字信號，經(jīng)低通濾波后變換為具有3個值“1”、“0”和“

1”的信號。這種技術(shù)與一般的幅度調(diào)制技術(shù)比較，信號譜寬減小一半，這就使相鄰信道的波長間距減小，可擴(kuò)大信道容量，近來受到人們的高度重視。15《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.1.7各種二進(jìn)制編碼16《光纖通信》（第3版）原榮編著SDH干線采用擾碼的NRZ碼大多數(shù)高性能干線系統(tǒng)使用擾碼的NRZ碼，如SDH干線。這種碼型最簡單，帶寬窄，SNR高，線路速率不增加，沒有光功率代價，無需編碼，只要一個擾碼器即可，使其最適合長距離系統(tǒng)應(yīng)用。17《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.1.8調(diào)制和編碼前后信道信噪比的關(guān)系18《光纖通信》（第3版）原榮編著7.1.3復(fù)用信道復(fù)用是為了便于光纖傳輸，把多個低容量信道以及開銷信息，復(fù)用到一個大容量傳輸信道的過程。在電域內(nèi)，信號復(fù)用可分為時分復(fù)用（TDM）、頻分復(fù)用（FDM）和碼分復(fù)用(CDM)；在光域內(nèi)，信號復(fù)用有光時分復(fù)用（OTDM）、光頻（波）分復(fù)用（OFDM，WDM）和光碼分復(fù)用(OCDM)。光纖通信系統(tǒng)為了充分發(fā)揮其寬帶的優(yōu)點(diǎn)，允許復(fù)用多個信道到一根光纖上。因此，復(fù)用后的多個信道共享光源的光功率和光纖的傳輸帶寬。19《光纖通信》（第3版）原榮編著副載波調(diào)制（SCM）副載波調(diào)制是首先用信息信號調(diào)制一個比基帶信號最高頻率高幾倍的載波然后用該載波信號再去調(diào)制光波。因?yàn)樾盘柺怯霉獠▊鬏數(shù)模d波對光波而言只扮演著副載波的作用，所以這種技術(shù)就稱為副載波調(diào)制（SCM，Subcarriermodulation）。20《光纖通信》（第3版）原榮編著SCM分類模擬調(diào)制

用輸入模擬信號調(diào)制高頻正弦波的過程叫模擬調(diào)制。在接收端基帶信號的恢復(fù)是通過低通濾波器，濾除所有的高頻成分而得到的。頻率調(diào)制

它是保持正弦載波的幅度不變，改變它的頻率，使其成為輸入信號電壓的函數(shù)。相位調(diào)制它是保持正弦載波的幅度和頻率不變，改變它的相位，而使其輸出調(diào)制信號為輸入信號電壓的函數(shù)。21《光纖通信》（第3版）原榮編著7.2光調(diào)制7.2.1模擬強(qiáng)度光調(diào)制7.2.2數(shù)字強(qiáng)度光調(diào)制22《光纖通信》（第3版）原榮編著當(dāng)調(diào)制信號是數(shù)字信號時，調(diào)制原理與模擬強(qiáng)度調(diào)制相同，只要用脈沖波取代正弦波即可。但是工作點(diǎn)的選擇不同，模擬強(qiáng)度調(diào)制選在P-I特性的線性區(qū)；而數(shù)字調(diào)制選在閾值點(diǎn)。模擬強(qiáng)度調(diào)制 數(shù)字強(qiáng)度調(diào)制23《光纖通信》（第3版）原榮編著7.3

電復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)7.3.1頻分復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)7.3.2微波副載波復(fù)用（SCM）光纖傳輸系統(tǒng)7.3.3電時分復(fù)用的典型應(yīng)用—SDH光纖傳輸系統(tǒng)24《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.3.1電頻分復(fù)用

光纖傳輸系統(tǒng)原理圖25《光纖通信》（第3版）原榮編著7.3.2微波副載波復(fù)用(SCM)光纖傳輸系統(tǒng)SCM（SubcarrierMultiplexing）是一種新的、結(jié)合現(xiàn)有微波和光通信技術(shù)的通信系統(tǒng)。眾所周知，微波通信是使用多個微波載波經(jīng)同軸電纜或自由空間傳輸多個信道（電頻分復(fù)用）的技術(shù)。使用同軸電纜傳輸多信道微波信號時，總帶寬限制在1GHz以下。然而，若使用光纖傳輸，信號帶寬則可以超過10GHz。SCM信號用光波傳輸，微波載波對光載波而言只扮演著副載波的作用，所以這種技術(shù)就稱為微波副載波復(fù)用（

SCM）。26《光纖通信》（第3版）原榮編著SCM原理27《光纖通信》（第3版）原榮編著微波副載波復(fù)用系統(tǒng)構(gòu)成使用AM-VSB技術(shù)，基帶信號調(diào)制各自的微波副載波，微波功率混合器將所有已調(diào)副載波信號復(fù)合。該復(fù)合信號直接加在激光器的偏流上調(diào)制半導(dǎo)體激光器的輸出光強(qiáng)，28《光纖通信》（第3版）原榮編著副載波復(fù)用的特點(diǎn)(1)由于微波只作為光傳輸?shù)母陛d波，因而信號不再經(jīng)空中傳播，而是經(jīng)一個封閉的、穩(wěn)定的光纖信道傳輸，從而避免了與其他微波互相干擾的問題。不發(fā)送微波信號到空間，也避免了日益擁塞的微波頻道資源分配和批準(zhǔn)問題。(2)由于一個光通道可以承載多個微波副載波信道，每個副載波又可以分別傳送各種不同類型的業(yè)務(wù)信號，彼此互相獨(dú)立，因而易于實(shí)現(xiàn)模擬與數(shù)字信號的混合傳輸和各種不同業(yè)務(wù)的綜合和分離。29《光纖通信》（第3版）原榮編著副載波復(fù)用的特點(diǎn)(3)SCM系統(tǒng)可以充分利用現(xiàn)有的微波和衛(wèi)星通信的成熟技術(shù)和設(shè)備，但又比現(xiàn)有微波傳輸容量大得多。(4)與TDM相比，SCM系統(tǒng)只接收本載波頻帶內(nèi)的信號和噪聲，因而靈敏度高，也無需復(fù)雜的定時同步技術(shù)。就傳送電視節(jié)目而言，采用TDM方式，一個光載波可以傳輸?shù)牡湫凸?jié)目數(shù)是16~32個,而采用FM方式的SCM至少可以傳送60~120個節(jié)目，而且成本很低,因而SCM系統(tǒng)在電視分配網(wǎng)中很有競爭力。然而，模擬SCM方式光功率余度較小，如不使用EDFA，在維持端到端性能方面有一定困難，也不適應(yīng)電信網(wǎng)的數(shù)字化趨勢，因而不是長遠(yuǎn)的主流發(fā)展方向，而是中近期比較經(jīng)濟(jì)的解決方案。30《光纖通信》（第3版）原榮編著模擬SCM光波系統(tǒng) 因?yàn)槟M信號波形在傳輸過程中必須保持不變，所以模擬SCM系統(tǒng)要求:系統(tǒng)載噪比（CNR）高；光源和通信信道的線性度要好； 如果半導(dǎo)體激光器線性特性好，輸入電信號就可以變成不失真的輸出光信號。顯然，任何非線性都要引起輸出光波形的畸變并影響系統(tǒng)的性能。31《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.3.5

LD的模擬調(diào)制32《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.3.6

P-I曲線非線性引起輸出光波形的畸變33《光纖通信》（第3版）原榮編著7.3.3電時分復(fù)用的典型應(yīng)用—SDH光纖傳輸系統(tǒng) 時分復(fù)用（TDM）有；電時分復(fù)用 電時分復(fù)用在PCM通信中已得到廣泛的應(yīng)用，本節(jié)主要討論這種TDM。光時分復(fù)用（OTDM）34《光纖通信》（第3版）原榮編著電時分復(fù)用工作原理時分復(fù)用（TDM,Time-DivisionMultiplexing）是采用交錯排列多路低速模擬或數(shù)字信道到一個高速信道上傳輸?shù)募夹g(shù)。時分復(fù)用系統(tǒng)的輸入可以是模擬信號，也可以是數(shù)字信號。35《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.3.7數(shù)字輸入時分復(fù)用原理圖應(yīng)用：PCMSDHAPONEPON36《光纖通信》（第3版）原榮編著

數(shù)字輸入時分復(fù)用原理圖37《光纖通信》（第3版）原榮編著為實(shí)現(xiàn)TDM傳輸，把傳輸時間分成若干個時隙；在每個時隙傳輸一路信號，從而形成復(fù)合脈沖串；在接收端，采用一個與發(fā)送端同步的類似于旋轉(zhuǎn)式開關(guān)的器件，完成TDM多路脈沖流的分離；為了速率適配，沒用時隙用空隙字節(jié)填充，在接收端把它們分離出來，并丟棄它們。在幀頭，插入一些定時、誤碼檢測和開銷比特(FOH,FramOverhead)，其目的是為使解復(fù)用器與復(fù)用器同步，并進(jìn)行誤碼檢測。數(shù)字輸入時分復(fù)用原理圖38《光纖通信》（第3版）原榮編著PCM通信制式的基礎(chǔ)速率E1話音信號的頻帶為（300~3400）Hz，取上限頻率為4000Hz，按取樣定理則取樣頻率為fs

=8kHz（即每秒取樣8000次），取樣時間間隔T=1/fs=1/8k=125

s，在125

s時間間隔內(nèi)要傳輸8個二進(jìn)制代碼（比特），每個代碼所占時間為Tb=125/8(

s)，所以每路數(shù)字電話的傳輸速率為B=1/Tb=64kb/s（或者8b/每次取樣

8000次/每秒取樣）。如果傳輸32路PCM電話，則傳輸速率為64kb/s

32=2048kb/s（也就是8b/每個取樣值

32個取樣值/每次

8000次/每秒）。這一速率就是我國PCM通信制式的基礎(chǔ)速率。39《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.3.8STM-N幀結(jié)構(gòu)SDH的幀結(jié)構(gòu)是塊狀幀，傳輸按從左到右，由上而下按順序一個一個字節(jié)傳送，直至整個9

270

N個字節(jié)都傳送完為止，然后再轉(zhuǎn)入下一幀，如此一幀一幀地傳送，每秒共8000幀。40《光纖通信》（第3版）原榮編著SDH幀結(jié)構(gòu)和傳輸速率在SDH傳輸網(wǎng)中，信息采用標(biāo)準(zhǔn)化的模塊結(jié)構(gòu)，即同步傳送模塊STM-N（N=1、4、16和64），其中N=1是基本的標(biāo)準(zhǔn)模塊信號。塊狀幀由橫向270

N列和縱向9行字節(jié)（1字節(jié)為8比特）組成，因而全幀由2430個字節(jié)，相當(dāng)于19440個比特組成，幀重復(fù)周期仍為125

s。因此對于STM-1而言（N=1），每秒傳送速率為（8bit/字節(jié)

9

270字節(jié)）/幀

8000幀/s=155.52Mb/s；對于STM-16而言（N=16），每秒傳送速率為8

9

270

16

8000=2480.32Mb/s。。41《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.3.9

STM和sSTM復(fù)用映射結(jié)構(gòu)42《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.3.10SDH復(fù)用首先幾個低比特率信號復(fù)用成STM-0信號，接著3個STM-0信號復(fù)用成STM

1信號，然后4個STM

1信號再復(fù)用成STM

4信號，最后4個STM

4信號形成STM

16信號。在實(shí)際上也可以將STM

1信號直接復(fù)用成STM

16信號，幾個低比特率信號也可以直接復(fù)用成STM

1信號。43《光纖通信》（第3版）原榮編著7.4光復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)7.4.1波分復(fù)用（WDM）光纖傳輸系統(tǒng)7.4.2光時分復(fù)用（OTDMA）光纖傳輸系統(tǒng)7.4.3光碼分復(fù)用（OCDM）光纖傳輸系統(tǒng)44《光纖通信》（第3版）原榮編著7.4光復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)必要性

光載波的頻率很高，光通信系統(tǒng)的信號帶寬可以超過1THz。然而，由于光纖色散或電子器件速度的限制，即使原則上比特速率可以超過1Tb/s，但實(shí)際上，常常被限制到100Gb/s

。種類

WDM OTDM OCDMA45《光纖通信》（第3版）原榮編著多址接入技術(shù)在點(diǎn)對點(diǎn)的系統(tǒng)中，信道的接入稱為復(fù)用；而在局域網(wǎng)中則稱為多址接入(Access)。所以對應(yīng)的有WDMA、OTDMA和OCDMA46《光纖通信》（第3版）原榮編著波分復(fù)用

就像電頻分復(fù)用一樣，在發(fā)射端多個信道調(diào)制各自的光載波,在接收端使用光頻選擇器件對復(fù)用信道解復(fù)用，就可以取出所需的信道。使用這種制式的光波系統(tǒng)就稱作波分復(fù)用通信系統(tǒng)。47《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.4.3波分復(fù)用

光纖傳輸系統(tǒng)原理圖從實(shí)際的觀點(diǎn)看，當(dāng)信道間距變得和比特速率接近時（密集的FDM）就必須使用相干檢測技術(shù)，而信道間距較大時（>100GHz）可以采用直接檢測技術(shù)48《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.4.42.64Tb/s高密集

WDM傳輸實(shí)驗(yàn)49《光纖通信》（第3版）原榮編著7.4.2光時分復(fù)用(OTDMA)光纖傳輸系統(tǒng)光時分復(fù)用（OTDM）是一種構(gòu)成高比特率傳輸很有效的技術(shù)。它在系統(tǒng)發(fā)送端光學(xué)復(fù)用幾個低比特率數(shù)據(jù)流，在接收端用光學(xué)方法把它解復(fù)用出來。這種方法避開使用高速電子器件而改用寬帶光電器件。50《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.4.5電時分復(fù)用和光時分復(fù)用系統(tǒng)比較電時分復(fù)用的基本原理是給每個基帶數(shù)據(jù)流在復(fù)用信道上分配一列時隙。復(fù)用器把基帶數(shù)據(jù)流組裝成較高比特速率的比特流解復(fù)用器把已復(fù)用的數(shù)據(jù)流拆分成原來的低速比特流。該系統(tǒng)的E/O和O/E轉(zhuǎn)換器（即光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)）已變成基帶信號，與信號處理有關(guān)的所有電子設(shè)備均工作在基帶比特速率下，不存在電子瓶頸問題。

51《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.4.6光脈沖流通過調(diào)制器對輸入調(diào)制器的基帶數(shù)據(jù)流進(jìn)行取樣編碼圖7.4.74Gb/s光數(shù)據(jù)脈沖產(chǎn)生原理圖52《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.4.8N信道光時分復(fù)用系統(tǒng)的定時原理圖N個入射到復(fù)合器的光信號是RZ脈沖流，該脈沖流周期為B，脈沖寬度為T。使用延遲線對輸入脈沖流在時間上進(jìn)行調(diào)整，使加于光復(fù)用器上的每個信道的脈沖流依次延遲一段時間TD。53《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.4.9光時分復(fù)用（OTDM）

系統(tǒng)的復(fù)合過程表示一個電主時鐘發(fā)生器被n個光脈沖發(fā)生器共用,在電時鐘路徑上，使用電延遲器件對輸入脈沖流延時。在光信號路徑上，使用光延遲器件對輸入脈沖流延時。54《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.4.10四信道OTDM

解復(fù)用原理圖解復(fù)用器是OTDM系統(tǒng)最關(guān)鍵的器件。它的目的是分配復(fù)用比特流中的每個比特到指定的O/E轉(zhuǎn)換器。構(gòu)成光解復(fù)用器的基本器件是1

2光開關(guān)。對于多信道系統(tǒng)，連接多個1

2光開關(guān)可以構(gòu)成大容量的解復(fù)用交換網(wǎng)絡(luò)。55《光纖通信》（第3版）原榮編著7.4.3光碼分復(fù)用（OCDM）光纖傳輸系統(tǒng)隨著WDM復(fù)用波長數(shù)的增加，光纖中的光強(qiáng)越來越大，光纖非線性也越來越嚴(yán)重;所以在未來的網(wǎng)絡(luò)中波長資源可能出現(xiàn)匱乏。光碼分復(fù)用（OCDM）系統(tǒng)采用同一波長的擴(kuò)頻序列，頻譜資源利用率高，它與WDM結(jié)合，可以大大增加系統(tǒng)容量。56《光纖通信》（第3版）原榮編著WDMA和OCDMA的區(qū)別WDMA是不同的用戶根據(jù)預(yù)先分配給的波長使用網(wǎng)絡(luò)，其主要的優(yōu)點(diǎn)是用戶間尋路簡單，缺點(diǎn)是信道帶寬使用不很有效。這種缺點(diǎn)可通過隨機(jī)多路接入技術(shù)，即在任意時間內(nèi)允許用戶隨機(jī)地接入任一信道得到解決?；陬l譜展寬方法的碼分復(fù)用就是這樣的一種技術(shù)。CDM的信號頻譜比它通常傳輸所需的最小帶寬要寬得多。頻譜展寬是靠與信號本身無關(guān)的一種編碼來完成的。稱頻譜展寬碼為特征碼或密鑰，有時也稱為地址碼。在OCDM系統(tǒng)中，給每個信道分配一個唯一的地址碼，該信道就以該密鑰作為信道的地址碼，對要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用；接收機(jī)使用與發(fā)送端相同的編碼規(guī)則進(jìn)行反變換，即進(jìn)行光解碼，實(shí)現(xiàn)信道的解復(fù)用，對信號頻譜壓縮，恢復(fù)原來的數(shù)據(jù)信號。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是第三方很難干擾或截獲信號。57《光纖通信》（第3版）原榮編著光碼分多址網(wǎng)絡(luò)編/解碼技術(shù)編/解碼技術(shù)是光碼分多址網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，通常有:直接編碼；跳時編碼；跳頻編碼。58《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.4.11直接編碼OCDM系統(tǒng)使用7個比特（1001101）的密鑰對數(shù)據(jù)的每個比特進(jìn)行編碼。由于這種編碼，有效比特率擴(kuò)大了7倍，其結(jié)果是頻譜展寬了，但所有的用戶共享同一個光帶寬。發(fā)射機(jī)可以在任意的時間發(fā)送信息，接收機(jī)使用與該信道發(fā)送端編碼相同的密鑰對接收到的編碼信號解碼，從而恢復(fù)原來的信息。圖7.4.12跳頻編碼OCDM系統(tǒng)填充的方塊表示對應(yīng)指定時隙的的頻率，圖中所示的跳頻碼是（32072614）與FDM不同，OCDM的每個信道沒有分配固定的頻率；所有的信道在不同的時間，根據(jù)密鑰規(guī)則使用不同的載波頻率，但共享整個帶寬。59《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.4.16光纖延遲線時域編碼器光纖延遲線編碼器是由并行的幾段不同長度的光纖、光分路器和合路器組成，作用是將輸入的窄光脈沖分成幾路，在延時控制器的作用下，進(jìn)行不同的延遲，然后經(jīng)合波器合路，得到由這些不同延遲的窄光脈沖組成的脈沖序列輸出。60《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.4.17CDMA光纖通信系統(tǒng)61《光纖通信》（第3版）原榮編著對OCDMA的評價OCDM光纖網(wǎng)絡(luò)中的用戶可采用同一工作波長，所用設(shè)備可規(guī)格化，便于制造和維護(hù)；無須采用高選擇性的濾波器或相干檢測；不會產(chǎn)生四波混頻，對光放大器的增益平坦性要求不高；網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議簡單，具有潛在的應(yīng)用前景，是實(shí)現(xiàn)未來全光通信網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)之一。但是信道間串話比較大。雖然CDM光波系統(tǒng)受到人們的嚴(yán)重關(guān)注，但是離實(shí)用化還相差很遠(yuǎn)。62《光纖通信》（第3版）原榮編著7.5相干光波通信系統(tǒng)7.5.1相干檢測7.5.2信噪比（SNR）7.5.3相干解調(diào)方式7.5.4相干系統(tǒng)光調(diào)制7.5.5相位噪聲和相位分集接收7.5.6強(qiáng)度噪聲和平衡混頻接收7.5.7極化匹配和極化控制7.5.8相干實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)63《光纖通信》（第3版）原榮編著7.5相干光波通信系統(tǒng)

相干檢測系統(tǒng)，就像傳統(tǒng)的無線電和微波通信一樣，用調(diào)制光載波的頻率或相位發(fā)送信息；在接收端，使用零差或外差檢測技術(shù)恢復(fù)原始的數(shù)字信號。因?yàn)楣廨d波相位在這種方式中扮演著重要的角色，所以稱為相干通信，基于這種技術(shù)的光纖通信系統(tǒng)稱作相干通信系統(tǒng)。64《光纖通信》（第3版）原榮編著迄今為止，幾乎所有實(shí)用化的光纖系統(tǒng)都是采用非相干的強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測（IM/DD）方式，這類系統(tǒng)成熟，簡單，成本低，性能優(yōu)良，巳經(jīng)在電信網(wǎng)中獲得廣泛的應(yīng)用，并仍將繼續(xù)扮演主要的角色。然而，這種IM/DD方式?jīng)]有利用光載波的相位和頻率信息，無法像傳統(tǒng)的無線通信那樣實(shí)現(xiàn)外差檢測，從而限制了其性能的進(jìn)一步改進(jìn)和提高。

IM/DD和相干光波通信系統(tǒng)比較

65《光纖通信》（第3版）原榮編著在20世紀(jì)80年代中期，相干光接收技術(shù)的研究非?；馃帷：髞?，由于DWDM技術(shù)的出現(xiàn)，加之當(dāng)時相干光接收技術(shù)所需要的光器件不成熟，所以DWDM成為光纖通信發(fā)展的焦點(diǎn)?，F(xiàn)在，波長穩(wěn)定、譜線狹窄的光源已經(jīng)出現(xiàn)，同時波長可調(diào)諧的LD也已研制成功，它們可以基本滿足相干光接收的要求，所以相干光接收技術(shù)的研究又開始熱起來。DWDM和相干光波通信系統(tǒng)

66《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.5.1相干檢測原理框圖

稱作外差檢測；稱作零差檢測。

相干光波系統(tǒng)是信號光在接收端入射到光電探測器之前，用另外一個稱作本地振蕩器產(chǎn)生的窄線寬光波與它相干混頻67《光纖通信》（第3版）原榮編著2.零差檢測零差檢測時，選擇本振光頻與信號光載波頻率相同零差檢測產(chǎn)生的信號電流為：

零差檢測平均電信號功率比直接檢測的擴(kuò)大零差檢測的缺點(diǎn)是它對相位的變化非常敏感。所以必須對加以控制；此外，還要求信號光和本振光頻率匹配；使用下節(jié)討論的外差檢測可以解決這些問題。

當(dāng)時：68《光纖通信》（第3版）原榮編著3.外差檢測外差檢測時，選擇本振光頻與信號光載波頻率不同外差檢測產(chǎn)生的信號電流為：

與零差檢測類似，因?yàn)樵撌街斜菊窆獾某霈F(xiàn)，接收到的光信號被放大了，從而提高了SNR。

然而，SNR的改進(jìn)要比零差檢測低兩倍（3dB）。但是，3dB代價帶來的優(yōu)點(diǎn)是接收機(jī)設(shè)計(jì)相對簡單，因?yàn)椴辉傩枰庀辔绘i定環(huán)路。雖然，相位的隨機(jī)變化仍需要使用窄線寬的信號和本振半導(dǎo)體激光器，然而，異步解調(diào)方式對線寬的要求相當(dāng)寬松。當(dāng)時：69《光纖通信》（第3版）原榮編著7.5.2相干檢測

信噪比（SNR）相干檢測技術(shù)用于光波系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，可用接收機(jī)信噪比（SNR）定量地描述。平均信號功率除以平均噪聲功率就可以得到SNR。外差檢測時，SNR為：在零差檢測時，由散粒噪聲限制的SNR為:

SNR可用單個比特時間內(nèi)接收到的平均光子數(shù)Np表示,SNR的最簡單表達(dá)式

:對于零差檢測，SNR是上式的兩倍:70《光纖通信》（第3版）原榮編著直接檢測和相干接收

要求每比特光子數(shù)比較對于直接檢測接收機(jī)，因?yàn)闊嵩肼?、暗電流和許多其它因素的影響，BER為10-9時，要求每比特光子數(shù)為1000。但在相干接收情況下，每比特光子數(shù)<100是很容易實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)榻柚黾颖菊窆夤β?，使散粒噪聲占支配地位，其它噪聲均可以忽略不?jì)。71《光纖通信》（第3版）原榮編著零差檢測，光信號被直接解調(diào)成基帶信號。雖然在概念上它很簡單，但是實(shí)際上實(shí)現(xiàn)起來卻相當(dāng)困難，這是因?yàn)橐蟊菊窆忸l與載波光頻完全相同，它的相位也要鎖定在入射光信號的相位上。這種解調(diào)方式叫同步解調(diào)，它是零差檢測的基本解調(diào)方式。外差檢測，簡化了接收機(jī)設(shè)計(jì)，因?yàn)樗炔灰蟊菊窆獾南辔绘i定，也不要求與入射光的頻率匹配。然而，電信號是在微波頻率范圍內(nèi)，必須使用微波通信技術(shù)從中頻頻率解調(diào)出基帶信號。外差檢測采用同步或異步方式實(shí)現(xiàn)解調(diào)。下面討論外差信號的同步和異步解調(diào)方式。7.5.3相干解調(diào)方式72《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.5.2外差同步解調(diào)接收機(jī)方框圖光電探測器產(chǎn)生的光電流通過帶通濾波器（BPF），該濾波器的中心頻率為信號光頻和本振光頻的差頻（中頻）,BPF濾波后的光生電流:同步解調(diào)要求恢復(fù)中頻（微波載波），有幾種方法可以實(shí)現(xiàn)。所有的方法均要求電鎖相環(huán)。73《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.5.3外差異步解調(diào)接收機(jī)方框圖它不要求恢復(fù)中頻，使用包絡(luò)檢波和低通濾波，把帶通濾波后的信號轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐盘?，送到判決電路的信號為：異步解調(diào)對光發(fā)射機(jī)和本振光的線寬要求適中。因此，外差異步接收機(jī)在相干光波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中扮演著主要的角色。74《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.5.4FSK雙濾波法外差異步解調(diào)接收機(jī)FSK雙濾波接收機(jī)使用兩個支路處理“1”碼和“0”碼FSK信號；兩個帶寬濾波器（BPF）的中心頻率之間的距離正好與碼頻間距相等，這樣每個BPF只能讓“1”碼或“0”碼通過。

它們的輸出在到達(dá)判決電路之前混合75《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.5.4DPSK延遲解調(diào)法

外差異步解調(diào)接收機(jī)延遲法可以對DPSK進(jìn)行異步解調(diào)。基本想法是讓接收到的比特流與延時了1比特的該比特流相乘，相乘后的信號具有相位成分，因?yàn)樾畔⒁韵嗖畋痪幋a所以可用來恢復(fù)基帶信號。76《光纖通信》（第3版）原榮編著7.5.4相干系統(tǒng)光調(diào)制相干檢測技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是對接收光信號的幅度和相位進(jìn)行檢測。它允許對光載波幅度、相位或頻率進(jìn)行調(diào)制來發(fā)送信息。有三種調(diào)制方式，幅移鍵控（ASK），相移鍵控（PSK）和頻移鍵控（FSK）。另一種為了盡可能減輕色散影響，同時對信號的強(qiáng)度和相位進(jìn)行調(diào)制的制式是差分四相相移鍵控（DQPSK），如圖3.5.11所示。還有一種同時對信號的偏振和相位進(jìn)行調(diào)制的雙偏振正交相移鍵控（DP-QPSK，Dual-PolarizationQPSK），如圖3.5.12所示。77《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.5.5ASK、PSK和FSK調(diào)制方式比較78《光纖通信》（第3版）原榮編著圖3.5.11使用雙平行馬赫

曾德爾調(diào)制（DPMZM）的DQPSK光調(diào)制器（a）DPMZM調(diào)制結(jié)構(gòu)原理圖（b）四電平正交幅度調(diào)制信號星坐圖79《光纖通信》（第3版）原榮編著圖3.5.12使用偏振復(fù)用馬赫

曾德爾調(diào)制器（DP-MZM）的DQPSK光調(diào)制器同時調(diào)制信號的偏振和相位；接收端使用相干檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)在現(xiàn)有10Gb/s光纖線路上傳輸40Gb/s信號，而且不需要任何光色散補(bǔ)償。80《光纖通信》（第3版）原榮編著7.5.5相位噪聲和相位分集接收在實(shí)際相干系統(tǒng)中，有許多因素使接收機(jī)靈敏度下降。它們是相位噪聲、強(qiáng)度噪聲、極化失配以及光纖色散等。本節(jié)討論靈敏度下降的機(jī)理，以及為了提高系統(tǒng)性能如何進(jìn)行合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。81《光纖通信》（第3版）原榮編著1.相位噪聲在相干光波系統(tǒng)中，導(dǎo)致靈敏度下降的主要因素是發(fā)射和本振激光器的相位噪聲，其理由可分別從表示零差和外差接收機(jī)光電檢測器產(chǎn)生的光電流的公式（7.5.5）和（7.5.7）中得到理解。因?yàn)楣怆姍z測過程的相干特性，相位的不穩(wěn)定導(dǎo)致電流的不穩(wěn)定，從而使SNR下降。因此要求零差和外差信號相位和本振光相位應(yīng)該保持相對穩(wěn)定，以避免靈敏度下降。82《光纖通信》（第3版）原榮編著

2.相位分集接收減少相位噪聲除采用單縱模窄線寬半導(dǎo)體激光器外另一個方法是設(shè)計(jì)一個相位分集接收機(jī)。這種接收機(jī)使用兩個或多個光檢測器，其輸出合成后產(chǎn)生一個與相位差無關(guān)的信號。這種技術(shù)對于ASK、FSK和DPSK調(diào)制方式工作得很好。83《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.5.6多端輸出相位分集接收機(jī)原理框圖光混合器把信號光和本振光混合，在幾個輸出端口上提供適當(dāng)相位差的輸出，送到相應(yīng)的接收支路上。經(jīng)信號處理和復(fù)合后提供一個與中頻相位無關(guān)的電流。在具有三個端口輸出的接收機(jī)中，三個支路的相對相差為0o、120o和240o

。同樣三個電流平方相加后，輸出信號相位無關(guān)。

84《光纖通信》（第3版）原榮編著7.5.6強(qiáng)度噪聲和平衡混頻接收強(qiáng)度噪聲對直接檢測接收機(jī)性能的影響已在5.6節(jié)討論過，發(fā)現(xiàn)在多數(shù)實(shí)際情況下可被忽略。然而，對相干接收機(jī)卻不然。強(qiáng)度噪聲引起的功率代價（用dB表示）由下式給出：85《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.5.7平衡混頻相干接收機(jī)減少強(qiáng)度噪聲的方法是使用平衡混頻接收機(jī)，3dB耦合器對接收到的光信號和本振光信號混頻，并把混頻后的光信號等分成具有適當(dāng)相對相位差的兩路光信號。差分放大器消去直流項(xiàng)得到平衡混頻相干接收機(jī)的信號輸出：由上式可見，直流項(xiàng)中的強(qiáng)度噪聲已被消去。但是交流項(xiàng)中的強(qiáng)度噪聲卻仍然存在。然而，它們對系統(tǒng)性能的影響卻并不嚴(yán)重。86《光纖通信》（第3版）原榮編著7.5.7極化匹配和極化控制信號光的極化態(tài)在直接檢測接收機(jī)中不起作用，這是因?yàn)檫@種接收機(jī)產(chǎn)生的光電流只與入射光子數(shù)有關(guān)，而與它們的極化態(tài)無關(guān)。但是，在相干接收機(jī)中，要求接收機(jī)信號光的極化態(tài)要與本振光的極化態(tài)匹配，并且還要保證匹配是持續(xù)保持的，否則，任何瞬時的失配都會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失。目前主要有下述三種方法來完成極化匹配任務(wù)，即極化控制、極化分集接收和發(fā)送機(jī)中的極化擾動。87《光纖通信》（第3版）原榮編著

1.極化控制極化控制的方法很多，一種比較接近實(shí)用的方法是采用4個由極化保持（PM）光纖繞在壓電圓柱體上形成的傳感器，彼此互相連接并接在本振的輸出光纖上，相鄰傳感器的光纖纖芯的主軸互相傾斜45o。88《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.5.8極化分極相干接收機(jī)用一個極化光束分配器（PBS）獲得兩個正交極化成分輸出信號;然后分別送到完全相同的兩個接收支路進(jìn)行處理。當(dāng)在兩個支路產(chǎn)生的光電流平方相加后，其輸出信號就與極化無關(guān)。為實(shí)現(xiàn)極化分集接收所付出的代價取決于采用的調(diào)制和解調(diào)技術(shù)。同步解調(diào)時，功率代價為3dB。然而，理想的異步解調(diào)接收機(jī)功率代價僅0.4~0.6dB。89《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.5.9零差分集接收試驗(yàn)系統(tǒng)東京大學(xué)研制，發(fā)射端采用3個波長為1550nm的DFB-LD，光頻道間隔為16GHz，采用溫度控制方法使頻道間隔保持在16GHz。采用單邊帶QPSK制式，傳輸信號為40Gb/s，大于頻道間隔，所以頻譜利用率很高（2.5bit/Hz）。傳輸光纖為2

100kmDSF，使用3個EDFA對光纖損耗進(jìn)行補(bǔ)償90《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.5.10對PM-QPSK光信號采用相干相位偏振分集接收系統(tǒng)PM-QPSK信號經(jīng)過單模光纖傳輸后，在接收端先經(jīng)過偏振分光器（PBS）分解成兩組正交光信號，然后和本振激光器的輸出光一起注入90o光混合器。在光混合器的輸出，得到4路偏振和相位正交信號，然后分別被送入相應(yīng)的PIN檢測器。PIN輸出信號經(jīng)放大濾波后，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬信號數(shù)字化。91《光纖通信》（第3版）原榮編著7.6光纖孤子通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)孤子（soliton）被用來描述在非線性介質(zhì)中脈沖包絡(luò)像粒子的特性，在一定的條件下，該包絡(luò)不僅無畸變的傳輸，而且存在著像粒子那樣的碰撞特性。光纖中也存在孤子，光孤子是一種特別的波，它可以傳輸很長的距離而不變形，而且即使兩列光孤子波相互碰撞后，依然保持各自原來的形狀不變。92《光纖通信》（第3版）原榮編著7.6.1基本概念光纖孤子的存在是光纖群速度色散（GVD）和2.3.5節(jié)介紹的自相位調(diào)制（SPM）平衡的結(jié)果。大家知道群速度色散和自相位調(diào)制單獨(dú)作用于光纖傳輸?shù)墓饷}沖時均限制光纖通信系統(tǒng)的性能。群速度色散使傳輸波形展寬，而自相位調(diào)制則使波形中較高頻率分量不斷累積，使波形變陡。若將這兩種對立因素結(jié)合在一起，相互平衡就有可能保特波形穩(wěn)定不變。光孤子現(xiàn)象就是利用隨光強(qiáng)而變化的自相位調(diào)制特性來補(bǔ)償光纖中的群速度色散，從而使光脈沖波形在傳輸過程中始終維特不變。光纖傳輸損耗則由光纖放大器的增益來補(bǔ)償，這樣就可能使光脈沖經(jīng)過長距離傳輸后仍然維持波形的幅度和波形不變，形成所謂的“光孤子”。93《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.6.1光孤子通信系統(tǒng)構(gòu)成框圖孤子源是一個光孤子激光器，用來發(fā)射光孤子。調(diào)制器用來對光孤子進(jìn)行編碼，使之承載信息。孤子放大傳輸線路，包括傳輸光孤子的色散移位光纖和周期性地放大孤子的光纖放大器。探測器對光孤子進(jìn)行探測。除此之外，還有光隔離器、超高速光電子集成電子線路等。94《光纖通信》（第3版）原榮編著光孤子通信系統(tǒng)的工作原理光孤子源產(chǎn)生一列脈沖很窄，占空比又很大的光脈沖，即孤子序列，作為信息的載子進(jìn)入光調(diào)制器。信息通過光調(diào)制器對孤子調(diào)制，使之承載。被調(diào)制后的孤子流經(jīng)摻鉺光纖放大器放大后耦合進(jìn)入傳輸光纖。為了克服光纖損耗引起的孤子展寬，在光纖線路上周期性地插入光纖放大器，向光孤子注入能量以補(bǔ)償因光纖損耗引起的能量消耗，確保光孤子穩(wěn)定的傳輸。在接收端，通過光探測器和解調(diào)裝置，使孤子承載的信息重現(xiàn)。95《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.6.2光孤子在長距離光纖線路上傳輸?shù)牟ㄐ喂夤伦釉?000km距離上傳輸?shù)牟ㄐ?。假定光纖損耗0.2dB/km，光孤子每100km被的EDFA放大一次，正好補(bǔ)償了100km光纖上20dB的損耗。盡管經(jīng)過50級EDFA放大，光孤子形狀也保特得相當(dāng)好。96《光纖通信》（第3版）原榮編著7.7

高速光纖傳輸系統(tǒng)7.7.1先進(jìn)光調(diào)制制式7.7.2超強(qiáng)FEC糾錯7.7.3高速光纖傳輸系統(tǒng)97《光纖通信》（第3版）原榮編著市場需求近年來，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及導(dǎo)致IP流量持續(xù)快速增加，以10Gb/s為基礎(chǔ)的現(xiàn)有長途W(wǎng)DM網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)顯得力不從心，部分段落80×10Gb/s容量已經(jīng)用完，對40G/100GWDM系統(tǒng)的需求與日俱增，其應(yīng)用已經(jīng)被提到日程上來。98《光纖通信》（第3版）原榮編著高速傳輸技術(shù)取得突破性進(jìn)展多種調(diào)制技術(shù)，如DQPSK、DP-QPSK、DRZ、DPSK和ODB已經(jīng)商用或接近商用；超強(qiáng)糾錯FEC可以提供10dB左右的凈增益，為實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了足夠的功率預(yù)算；各種適用于40G/100G的有源和無源器件集成模塊大量問世，使成本快速下降；各種器件的功率平坦度、非線性、色度色散和極化模色散性能明顯改善，從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功率余度要求可以適度放寬。99《光纖通信》（第3版）原榮編著成本已經(jīng)處于可以啟動階段系統(tǒng)成本已經(jīng)降到10Gb/s系統(tǒng)的3.5～4.5倍，盡管離規(guī)模應(yīng)用的2.5倍門限值還有差距，但是已經(jīng)處于可以啟動階段100《光纖通信》（第3版）原榮編著光纜的PMD特性不再是主要的應(yīng)用障礙近來中國電信進(jìn)行的實(shí)際測試結(jié)果表明，我國京廣線以東地區(qū)敷設(shè)的多數(shù)光纜的PMD性能基本能夠滿足40Gb/s的傳輸要求即便少數(shù)光纜性能不好，也可以通過跳纖的方式來滿足40Gb/s的傳輸要求。101《光纖通信》（第3版）原榮編著可見，無論是市場的需求，技術(shù)的進(jìn)步，還是成本的降低、光纜PMD性能的考慮，以40G/100G為基礎(chǔ)的WDM系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)刻不容緩。102《光纖通信》（第3版）原榮編著7.7.1先進(jìn)光調(diào)制制式調(diào)制編碼方式將直接影響系統(tǒng)的光信噪比（OSNR）、色度色散（CD）容限、偏振模色散（PMD）容限以及非線性效應(yīng)等性能。目前研究較多的調(diào)制碼型主要有：光雙二進(jìn)制碼（ODB）、差分相移鍵控（DPSK）、差分正交相移鍵控（DQPSK）和偏振復(fù)用差分正交相移鍵控（PM-DQPSK）等。它們最有希望將現(xiàn)有的10Gb/s系統(tǒng)提升到40G/100G系統(tǒng)。103《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.7.1OOK、DPSK和QPSK調(diào)制方式的比較104《光纖通信》（第3版）原榮編著1.光雙二進(jìn)制（ODB）濾波調(diào)制光雙二進(jìn)制編碼技術(shù)能使具有兩個數(shù)值（“0”和“1”）的信號，經(jīng)低通濾波后變換為具有3個值（“1”，“0”，“

1”）的信號。雙二進(jìn)制編碼本質(zhì)上還是一種二進(jìn)制編碼，它按照一定的規(guī)則將“0”轉(zhuǎn)換成“+1”和“

1”，“1”轉(zhuǎn)換成“0”。但實(shí)際中，為了應(yīng)用方便，使“1”對應(yīng)“+1”和“

1”，“0”對應(yīng)“0”。105《光纖通信》（第3版）原榮編著這種技術(shù)與一般的幅度調(diào)制技術(shù)比較，信號譜寬幾乎是NRZ信號的一半，這就使得相鄰信道的波長間距可以減小；

ODB調(diào)制信道間距可為50GHz，光譜效率為0.6bit/s/Hz；ODB調(diào)制系統(tǒng)在背靠背連接時，提供300ps/nm寬幅的色散補(bǔ)償范圍；40Gb/sODB系統(tǒng)的LD發(fā)射功率與現(xiàn)有的10Gb/s系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范兼容。1.光雙二進(jìn)制（ODB）調(diào)制優(yōu)點(diǎn)106《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.7.2光雙二進(jìn)制（ODB）調(diào)制傳輸系統(tǒng)光收發(fā)機(jī)原理圖和光信號星座圖（a）發(fā)送機(jī)（b）接收機(jī)（c）光信號星座圖107《光纖通信》（第3版）原榮編著光雙二進(jìn)制（ODB）調(diào)制傳輸系統(tǒng)將產(chǎn)生的雙二進(jìn)制信號輸入到電光調(diào)制器MZM，使MZM工作在推挽狀態(tài)，光信號的“ON”狀態(tài)表示電信號的“

1”和“+1”，且有“0”和“

”相位之分；光信號的“OFF”狀態(tài)表示電信號的“0”。由此產(chǎn)生了三狀態(tài)的ODB信號。這里MZM扮演一個ODB濾波器的作用；在接收端，因?yàn)榻邮盏降墓庑盘枴癘N”狀態(tài)對應(yīng)電信號的“

1”和“+1”，具有相同的光功率，不同的是相位相差

，所以O(shè)DB的解碼可用常規(guī)的平方律光電轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。因此，普通的非歸零（NRZ）碼光接收機(jī)就可以接收ODB信號。108《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.7.3107Gb/sETDMOOKODB發(fā)射機(jī)107Gb/s數(shù)據(jù)流可以由10

10Gb/sETDM獲得，也可以由2路50Gb/s的信號獲得。在本圖中為了實(shí)驗(yàn)的方便，采用偽隨機(jī)比特序列（PRBS）發(fā)生器產(chǎn)生53.5Gb/s的信號。109《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.7.4差分相移鍵控

(DPSK)傳輸?shù)墓獍l(fā)送機(jī)、接收機(jī)和星座圖借助使用DPSK調(diào)制，光纖通信系統(tǒng)不再發(fā)送信號的強(qiáng)度，而是發(fā)送相鄰兩個比特信息的相位差。

110《光纖通信》（第3版）原榮編著據(jù)阿爾卡特-郎訊2009年在OFC報(bào)導(dǎo)DPSK、P-DPSK、RZ-DQPSK和相干PDM-QPSK用40Gb/s信道，在陸地線路上，用同一測試平臺，進(jìn)行了傳輸性能比較；發(fā)現(xiàn)DPSK和P-DPSK（PartialDPSK）最能抵御傳統(tǒng)的10Gb/s或40Gb/s信道對它的非線性影響。111《光纖通信》（第3版）原榮編著歸零碼差分正交相移鍵控

（RZ-DQPSK）從數(shù)字與模擬通信系統(tǒng)的教科書中，我們知道，多進(jìn)制信號與二進(jìn)制信號相比，可以減小數(shù)字信號的帶寬。一般來說，L進(jìn)制信號的帶寬是相應(yīng)的二進(jìn)制信號帶寬的1/l倍，其中l(wèi)=log2(L)，這是因?yàn)槎噙M(jìn)制信號的符號寬度是二進(jìn)制信號的l倍。二進(jìn)制信號的比特率R等于l乘以多進(jìn)制信號的符號速率。我們也知道，QPSK是一種4進(jìn)制的調(diào)制方式。112《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.7.5RZ-DQPSK傳輸光發(fā)送機(jī)、接收機(jī)和星座圖（a）發(fā)送機(jī)（b）接收機(jī)（c）光信號星座圖現(xiàn)場試驗(yàn)表明，它可以在50GHz波長間距的網(wǎng)絡(luò)中傳輸1000km。

113《光纖通信》（第3版）原榮編著行波MZMDQPSKPIC芯片因?yàn)镽Z-DQPSK信號的符號率僅為比特率的一半，PMD容限增加到8ps。對于大多數(shù)現(xiàn)有的10Gb/s網(wǎng)絡(luò)，PMD參數(shù)0.2ps/km，PMD限制距離1600km，因此在RZ-DQPS系統(tǒng)中使用PMD補(bǔ)償（PMDC）是必要的。114《光纖通信》（第3版）原榮編著4.偏振復(fù)用差分正交相移鍵控（PM-DQPSK）PM-DQPSK傳輸兩路正交偏振DQPSK信號，因此每符號傳輸4比特，符號率為四分之一數(shù)據(jù)速率，10.75GB(波特)符號率相當(dāng)于40Gb/s數(shù)據(jù)率，25GB符號率相當(dāng)于107Gb/s數(shù)據(jù)率。在接收端，使用具有數(shù)字信號處理技術(shù)的相干接收機(jī)，補(bǔ)償經(jīng)傳輸和偏振解復(fù)用后產(chǎn)生的信號畸變，使這種制式的實(shí)現(xiàn)變?yōu)榭赡?，因?yàn)樗苊饬藢馄窨焖僮兓櫟囊蟆?15《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.7.6PM-DQPSK制式光發(fā)送機(jī)、接收機(jī)和

四電平正交相位調(diào)制光信號星座圖（a）發(fā)送機(jī)（b）接收機(jī)（c）星座圖116《光纖通信》（第3版）原榮編著7.7.2超強(qiáng)FEC糾錯光傳輸系統(tǒng)能通過選擇適合的差錯控制編碼來改善光傳輸系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性。目前，廣泛應(yīng)用于光傳輸系統(tǒng)中的前向糾錯（FEC）碼就是應(yīng)用糾錯編碼進(jìn)行差錯控制的一種方法。由于編碼后的碼組長度大于編碼前的信息碼組長度，從而降低了信息傳輸速率?？梢姡捎肍EC技術(shù)來提高光傳輸系統(tǒng)的可靠性是以降低通信的有效性為代價的。FEC技術(shù)在光通信中的應(yīng)用主要是為了獲得額外的增益，即凈編碼增益（NCG）117《光纖通信》（第3版）原榮編著1.FEC碼型的選擇分析在光纖通信中主要采用的是線性分組碼，如循環(huán)碼。BCH碼和RS碼是在光傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的循環(huán)碼。

FEC技術(shù)是通過在發(fā)送端被傳輸?shù)男畔⑿蛄兄屑尤胍恍┤哂啾O(jiān)督碼進(jìn)行糾錯，在發(fā)送端，由發(fā)送設(shè)備按一定算法生成冗余碼插入到要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流中。在接收端，按同樣的算法對接收到的數(shù)據(jù)流進(jìn)行譯碼，根據(jù)接收到的碼流確定誤碼的位置，并進(jìn)行糾錯。

118《光纖通信》（第3版）原榮編著FEC碼型的發(fā)展為了擴(kuò)大傳輸距離，增大傳輸容量，提高線路速率，光纖通信系統(tǒng)中的噪聲引起的誤碼愈加受到關(guān)注。帶內(nèi)FEC碼型與帶外FEC碼型都已不能適應(yīng)這一發(fā)展趨勢了。

因此基于級聯(lián)碼、分組Turbo碼（BTC,）和低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC）的超強(qiáng)FEC（StrongFEC）的研究和應(yīng)用也就顯得越來越迫切。119《光纖通信》（第3版）原榮編著凈編碼增益NCG這里BERref一般取10

12，BERin

為FEC解碼器的輸入信號BER，編碼效率R為FEC前的比特率與FEC后的比特率之比。120《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.7.7G.975FEC幀結(jié)構(gòu)121《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.7.8級聯(lián)碼原理實(shí)現(xiàn)框圖和幀結(jié)構(gòu)圖122《光纖通信》（第3版）原榮編著級聯(lián)碼非常適合在光通信中使用當(dāng)信道產(chǎn)生少量的隨機(jī)錯誤時，可以通過內(nèi)碼糾正；當(dāng)產(chǎn)生較大的突發(fā)錯誤或隨機(jī)錯誤，以至于超過內(nèi)碼的糾錯能力時，而內(nèi)譯碼器產(chǎn)生錯譯，輸出的碼字有幾個錯誤，但這僅相當(dāng)于外碼的幾個錯誤符號，外譯碼器能較容易的糾正。因此，級聯(lián)碼用來糾正組合信道錯誤以及較長的突發(fā)性錯誤非常有效，而且編譯碼電路實(shí)現(xiàn)簡單，以及需要較少的代價，所以非常適合在光通信中使用。123《光纖通信》（第3版）原榮編著3.第3代FEC分組BTC介紹為了擴(kuò)大傳輸距離，增大傳輸容量，提高線路速率，光纖通信系統(tǒng)中的噪聲引起的誤碼愈加受到關(guān)注。用線性分組碼作為Turbo碼的子碼而構(gòu)造出的分組Turbo碼（BTC）就是第3代超強(qiáng)SFEC(SFEC)的一種碼。分析表明，BTC碼引入了乘積碼的概念，因而可以很好地應(yīng)用隨機(jī)性編譯碼條件和迭代（循環(huán)）譯碼的思想而獲得好的性能，而且其復(fù)雜度要低于卷積Turbo碼。在光通信領(lǐng)域有著非常誘人的應(yīng)用前景，不僅可以提高光接收機(jī)的靈敏度，增加系統(tǒng)容量，增加中繼間距，減少中繼數(shù)量，而且可以使用現(xiàn)已鋪設(shè)的光纜和中繼器，很容易使系統(tǒng)升級。124《光纖通信》（第3版）原榮編著第3代超強(qiáng)FEC(SFEC)如果在第1代FEC（RS編碼）系統(tǒng)中使用SFEC，則可以擴(kuò)大傳輸容量3倍，128個波長的WDM系統(tǒng)傳輸距離可以達(dá)到7500km。之所以可以使用低等級的光纖，是因?yàn)闇p少了光纖中的功率密度，從而在很大程度上避免了光纖的非線性影響。125《光纖通信》（第3版）原榮編著SFEC是一種基于軟件判決和循環(huán)解碼的糾錯，其凈編碼增益可以達(dá)到10dB以上;可以使輸入BERin的要求從2

10

13降低到2

10

2，此時判決前的眼圖即使張開得很小，信號幾乎淹沒在噪聲中，經(jīng)過SFEC后，也可以不產(chǎn)生誤碼。第3代超強(qiáng)FEC(SFEC)126《光纖通信》（第3版）原榮編著BTC是2個連續(xù)BCH碼的乘積，即BCH(144,128)

BCH(256,239)。Turbo解碼采用軟件輸入和軟件輸出（SISO），4次循環(huán)比3次循環(huán)多獲得0.2dB的編碼增益，但5次或5次以上循環(huán)就不會帶來顯著的編碼增益改進(jìn)。經(jīng)過精確計(jì)算，長期似然比（LLR）提高了0.2dB。軟件判決比特?cái)?shù)3bit判決最好，3bit或3bit以上改進(jìn)不會太多。軟件判決過程的可靠性要比內(nèi)嵌誤碼濾波器的提高0.5dB。SFEC構(gòu)成127《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.7.9BTCFEC的軟件判決電路—高速ADC圖7.7.10BTC的幀結(jié)構(gòu)128《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.7.11BTC接收機(jī)129《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.7.12BTC軟件解碼原理圖130《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.7.133代前向糾錯FEC的BERout與Q參數(shù)的關(guān)系（a）3代前向糾錯FEC的BERout與Q參數(shù)的關(guān)系（b）FEC的BERout

與BERin的關(guān)系131《光纖通信》（第3版）原榮編著Q參數(shù)和BERin

的關(guān)系5.5.1節(jié)和7.2.2節(jié)已介紹了Q參數(shù)的概念，它和BERin的關(guān)系是（見5.5.9式）：或132《光纖通信》（第3版）原榮編著分組Turbo編碼（BTC）芯片性能分組Turbo編碼（BTC）已有CMOS芯片出售。BTC誤碼糾錯性能是：冗余率23.6%；對STM-64，比特速率為12.409Gb/s；當(dāng)BERout=10

13，Q限制為6.26dB，總編碼增益為11.1dB，凈編碼增益為10.1dB。由圖7.7.13可見，當(dāng)BERout從1.9

10

2變化到1.1

10

15時，Q值幾乎是一個常數(shù)，說明BTC的糾錯性能非常好。133《光纖通信》（第3版）原榮編著低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC）LDPC是一種線性碼，由一個很稀疏的奇偶校驗(yàn)矩陣定義。1960年被RobertGallager發(fā)明，但長期被忽略，直到1966年從新被發(fā)現(xiàn)它具有非常好的編碼增益性能。它具有Turbo碼一樣好的性能，但實(shí)現(xiàn)的成本卻較低，但最大的問題是如何把它集成在一個芯片上。LDPC的誤碼糾正性能是：碼型為不規(guī)則的類循環(huán)LDPC碼，碼字長8148，信息長6984，循環(huán)次數(shù)16次（包含初始化）。134《光纖通信》（第3版）原榮編著圖7.7.15超強(qiáng)FEC（SFEC）在20Gb/sDQPSK系統(tǒng)中的應(yīng)用測試測試表明，當(dāng)糾錯后的誤碼率BERout=3

10

12時，OSNR為3.1dB；BERout=3

10

13時，NCG=10.1dB;當(dāng)SFEC關(guān)閉時，同樣OSNR為3.1dB，BERout卻高達(dá)3

10

2，可見SFEC的效果很好。135《光纖通信》（第3版）原榮編著7.7.3高速光纖傳輸系統(tǒng)高速光纖傳輸面臨的最大挑戰(zhàn)是色散的影響非常突出，采用傳統(tǒng)的非歸零碼（NRZ）調(diào)制，色散隨著速率呈指數(shù)增長，40Gb/s線路的色散是10Gb/s的16倍，100Gb/s