第4章光纤通信系统

1、14.1 IM-DD光纤通信系统光纤通信系统4.2 衰减和色散队中继距离的影响衰减和色散队中继距离的影响4.3 噪声及灵敏度分析噪声及灵敏度分析24.1 光纤通信中的调制技术 (1) 光源的调制特性 光源所采用的调制方式包括内调制和外调制（也称为直接调制或间接调制）。 在IM-DD光纤通信系统中，采用的是内调制。 通常内调制适用于半导体光源。 据调制信号的性质不同，内调制又可分为模拟信号的调制和数字信号的调制。 34.1 光纤通信中的调制技术 图4-1 半导体光源的直接调制原理 44.1 光纤通信中的调制技术 图4-2 光数字发射机原理图 54.2 IM-DD光纤通信系统 4.1.1 传输线路

2、码型4.1.2 IM-DD光纤通信系统的结构64.1.1 光纤通信中的线路码型 在数字光纤通信系统中所传输的信号是数字信号，而由交换机送来的电信号符合ITU-T所规定的脉冲编码调制(PCM)通信系统中的接口码速率和码型 。 HDB3（三阶高密度双极性码） CMI（反转码） PCM系统中的这些码型并不都适于在数字光纤通信系统中传输 74.1.1 光纤通信中的线路码型 在PDH光纤通信系统中是通过重新编码，通常称为线路编码，即在原有的码流中插入脉冲。 在PDH光纤通信系统中，常使用的线路编码有分组码、伪双极性码(CMI和DMI)和插入码。 使用不同的 线路编码，光端机的输出信号速率不同。因此在PD

3、H系统中仅具有标准的电接口，而无标准的光接口。 但在SDH系统中，SDH信号速率与其线路速率是相同的。84.1.2 IM-DD光纤通信系统的结构1光发射机2光接收机3光纤通信系统91光发射机(2) 对光发射机的要求 光源的发光波长要合适 合适的输出光功率 较好的消光比 调制特性好此外还希望光发射机的稳定性好，光源的寿命长等。101光发射机(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 均衡放大 码型变换 复用 复用是指利用一个大的传输信道来同时传送多个低容量的信息以及开销信息的过程。 111光发射机(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 扰码 为了保证所提取时钟的频率以及相位与光发射机中的时钟信号

4、一致，必须避免所传信号码流中出现长“0”或长“1”的现象。 解决这一问题的方法就是扰码，即在发送端加入一个扰码电路，而在接收端则要加一个与扰码相反的解扰电路，以恢经过扰码后的数字信号通过调制电路对光源进行调制，让光源发出的光信号强度跟随信号 码流的变化，形成相应的光脉冲送入光纤。复信号码流原来的状态。 时钟121光发射机(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 调制(驱动) 经过扰码后的数字信号通过调制电路对光源进行调制，让光源发出的光信号强度跟随信号码流的变化，形成相应的光脉冲送入光纤。 131光发射机(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 自动功率控制 由于老化等因素的影响，使得光发射机

5、的光源在使用一段时间之后，出现输出光功率降低的现象。 为了保持光源输出功率的稳定，在光发射机中常使用自动功率控制(APC)电路。 141光发射机 图4-3 激光器老化使输出光功率降低 151光发射机 图4-4 激光器温度变化引起输出功率的变化 161光发射机 图4-5 环境温度变化引起输出光功率的变化 171光发射机(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 自动温度控制 特性曲线对环境温度的变化反映很灵敏，使输出光功率的大小随温度出现变化。 在环境温度发生变化时，为了能使激光器的输出特性保持稳定，在发射机盘上需安装自动温度控制(ATC)电路。181光发射机 图4-6 自动温度控制电路方框图 1

6、92光接收机(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 其他保护、监测电路 LD保护电路 无光告警电路 202光接收机 图4-7 数字光纤通信接收光端机方框图 212光接收机 光电检测器 光电检测器的作用是将由发送光端机经光纤传过来的光信号转变为电信号，即具有光/电转换功能。 目前广泛使用的光电检波管是PIN管和雪崩光电二极管，前者称为半导体光电二极管后者又称为APD管。后者具有信号放大的作用。 222光接收机 前置放大器 由于这个放大器与光电检测器紧紧相连，故称前置放大器。 对多数放大器的前级提出特别的要求是非常必要的，它应具有低噪声、高增益的特性，这样才能得到较大的信噪比。 由于跨阻型前置放

7、大器不仅具有宽频带、低噪声的优点，而且其动态范围也比高阻型前置放大器改善很多，因此在光纤通信中得到广泛的使用。 232光接收机 放大器 主放大器的作用有下述两个方面。 将前置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的信号电平。 它还是一个增益可调节的放大器。 一般主放大器的峰峰值输出是几伏数量级。242光接收机 均衡器 拖尾现象 采用均衡器来使经过其后的波形，在本码判决时刻，其瞬时值应为最大值；而这个本码波形的拖尾在邻码判决时刻的瞬时值应为零。 这样，即使经过均衡后的输出波形仍有拖尾，但是这个拖尾在邻码判决的这个关键时刻为零，从而不干扰对邻码的判决。252光接收机 图4-8 单个脉冲均衡前后波形的

8、比较 262光接收机 判决器和时钟恢复电路 判决器由判决电路和码形成电路构成。 判决器和时钟恢复电路合起来构成脉冲再生电路。 脉冲再生电路的作用是将均衡器输出的信号恢复成理想的数字信号 272光接收机 图4-9 信号再生示意图 282光接收机 图4-10 时钟恢复电路方框图 292光接收机 图4-11 时钟恢复电路波形图 302光接收机 图4-12 NRZ码的功率谱密度分布图 312光接收机 图4-13 RZ码功率谱密度分布图 322光接收机 图4-14 一种非线性处理电路 332光接收机 图4-15 非线性处理电路中的波形图 342光接收机 判决器和时钟恢复电路 调谐放大它的作用是用非线性处

9、理后的波形来激励调谐放大器，然后在它的谐振回路中选出时钟频率fb的简谐波，经调谐放大后的波形如图4-17(d)所示。 限幅经过限幅，可将上述简谐信号波形变为如图4-17(e)所示的波形。 整形、移相整形电路将经限幅后的波形变为矩形脉冲；移相网络再将此矩形脉冲串的相位调整到最佳判决时所需要的相位，最后得到如图4-17(f)所示的时钟信号。352光接收机 判决器和时钟恢复电路 判决电路和码形成电路可由与非门电路和R-S(复位位置)触发器来构成。 362光接收机 图4-16 脉冲再生电路原理方框图 372光接收机 光接收机的动态范围和自动增益控制 光接收机的动态范围D是在保证系统的误码率指标要求下，

10、光接收机的最低输入光功率(用dBm来描述)和最大允许输入光功率(用dBm描述)之差，其单位为dB。 它表示光接收机正常工作时，光信号应有一个范围，这个范围就是光接收机的动态范围。 minmax3min3maxlg1010lg1010lg10PPPPD382光接收机 光接收机的动态范围和自动增益控制 光接收机的自动增益控制(AGC)就是用反馈环路来控制主放大器的增益，在采用雪崩管的光接收机中还通过控制雪崩管的高压来控制雪崩管的雪崩增益。 392光接收机 图4-17 自动增益控制工作原理方框图 402光接收机 解扰、解复用和码型变换电路 在光发射机中首先进行码型变换。 在光发射机中对数字码流进行扰

11、码处理。 还需将判决器输出的信号进行解扰码和码型变换处理以恢复原码流。 发送端根据所输入信号的性质不同，将会采用不同的复用方式以提高信道的利用率，因而接收端则需进行相反的操作，即解复用。412光接收机 辅助电路 辅助电路包括箝位电路、温度补偿电路和告警电路等。 423光纤通信系统 图4-18 IM-DD光纤通信系统原理框图 433光纤通信系统(1) 光中继器 光脉冲信号从光发射机输出经光纤传输若干距离以后，由于光纤损耗和色散的影响，将使光脉冲信号的幅度受到衰减，波形出现失真，这样就限制了光脉冲信号在光纤中做长距离的传输。 443光纤通信系统 图4-19 最简单的光中继器原理方框图 453光纤通

12、信系统 图4-20 实用的中继器方框图 463光纤通信系统(2) 监控系统 监控系统为监视、监测和控制系统的简称。 在光纤通信的监控系统中，通常采用的是集中监控方式。 监控内容 监控的内容分别包括监视和控制两部分。 监控信号的传输 在数字通信系统中采用时分复用的方式来完成监控信号的传输，但不同的传输体制，其监控信号的传输方式有所区别。 474.2.3 衰减和色散对中继距离的影响1、基本要求 预期传输距离。 信道带宽或码速率 系统性能（误码率、信噪比）（1）光纤（2）光源（3）光检测器（4）传输制式484.2.3 衰减和色散对中继距离的影响2、光纤链路设计 衰减对中继距离的影响 色散对中继距离的

13、影响 中继距离的计算49（1）衰减对中继距离的影响 一个中继段上的传输衰减包括两部分，其一是光纤本身的固有衰减，再者就是光纤的连接损耗和微弯带来的附加损耗。 构成光纤损耗的原因很复杂，归结起来主要包括两大类：吸收损耗和散射损耗。 引起光纤损耗的因素还有光纤弯曲和微弯产生的损耗以及纤芯与包层中的损耗等等。 502色散对中继距离的影响 光纤自身存在色散，即材料色散、波导色散和模式色散。 对于单模光纤，因为仅存在一个传输模，故单模光纤只包括材料色散和波导色散。 除此之外，还存在着与光纤色散有关的种种因素，其中比较重要的有三类：码间干扰、模分配噪声和啁啾声。 51（2）色散对中继距离的影响 n码间干扰

14、对中继距离的影响 系统的传输速率越高，光纤的色散系数越大，光源谱宽越宽。 522色散对中继距离的影响 n模分配噪声对中继距离的影响 激光器的光谱特性 模分配噪声的产生及影响532色散对中继距离的影响 图4-21 普通激光器的静态和动态谱线 542色散对中继距离的影响 图4-22高速调制时多纵模的随机起伏 552色散对中继距离的影响(3) 啁啾声对中继距离的影响 对于处于直接强度调制状态下的单纵模激光器，其载流子密度的变化随注入电流的变化而变化。这样使有源区的折射率指数发生变化，从而导致激光器谐振腔的光通路长度相应变化，结果致使振荡波长随时间偏移，这就是频率啁啾现象。 因为这种时间偏移是随机的，

15、因而当受上述影响的光脉冲经过光纤后，在光纤色散的作用下，可以使光脉冲波形发生展宽，因此接收取样点所接收的信号中就会存在随机成分，这就是一种噪声啁啾声。 563最大中继距离的计算 中继距离是光纤通信系统设计的一项主要任务。 在中继距离的设计中应考虑衰减和色散这两个限制因素。 57（3）最大中继距离的计算 u衰减受限系统 在衰减受限系统中，中继距离越长，则光纤通信系统的成本越低，获得的技术经济效益越高。 极限值设计法 58（3）最大中继距离的计算 u色散受限系统 光纤的色散与带宽 光纤每公里带宽与L公里带宽间的关系 光纤带宽与半功率点宽度W之间的关系 色散受限距离 a 多纵模激光器（MLM）和发光

16、二极管（LED） b 单纵模激光器（SLM） c 采用外调制器594.3超长距离高速光纤通信系统 4.3.1传输通道特性4.3.2高速光传输系统中的关键技术4.3.3超长距离光纤通信系统中的光放大技术604.3超长距离高速光纤通信系统 4.3.1传输通道特性u光信噪比u色散u光纤非线性614.3超长距离高速光纤通信系统 4.3.1传输通道特性u光信噪比 光信噪比（OSNR）是指光在链路传播过程中光信号与光噪声的功率强度之比。通常只有接收光信号的OSNR大于某阈值时，接收机才能有效地将承载信息与噪声区分开来，保证通信质量。u色散624.3超长距离高速光纤通信系统 4.3.1传输通道特性u色散 引

17、起单模光纤的色散的机理不同，也可以分为色度色散（CD）和偏振模色散（PMD）。 色度色散是指具有一定谱线宽度的光脉冲因介质材料的折射系数以及芯覆层结构的频率相关性所导致的传播时延差异。 偏振模色散是由于光纤制作工艺的非均匀轴对称结构以及外部应力所引起的双折射系数。634.3超长距离高速光纤通信系统 4.3.1传输通道特性u光纤非线性 光纤的非线性可分为受激散射和非线性折射引起的效应两大类。受激散射包括受激布里渊散射（SBS）和受激拉曼散射（SRS）。非线性折射引起的非线性效应，主要有自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）。644.3超长距离高速光纤通信系统 4.3.2

18、高速光传输系统中的关键技术u码型调制技术u检测技术u复用技术u信道均衡和色散补偿654.3超长距离高速光纤通信系统 4.3.3 超长距离光纤通信系统中的光放大技术 1、使用EDFA的SDH高速系统 EDFA在光纤通信系统中的主要作用是延长中继距离，当它与波分复用技术、光孤子技术相结合时，可实现超大容量、超长距离的传输。 （1） 作为前置放大器（2） 作为功率放大器（3） 作光中继器使用664.3.3超长距离光纤通信系统中的光放大技术 EDFA的应用 674.3.3超长距离光纤通信系统中的光放大技术 EDFA在级联中可能出现的问题及解决方法（1） 噪声积累影响（2） 光纤的非线性限制（3） 增益

19、均衡684.3.3超长距离光纤通信系统中的光放大技术 2、使用拉曼放大器的高速传输系统 FRA在光纤通信中的作用（1）按照信号光与泵浦光传输的方式不同，FRA可分为同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦方式。（2）光纤拉曼放大器又分为分立式RFA和分布式FRA两种。694.3.3超长距离光纤通信系统中的光放大技术图4-25给出了一个典型的分布式光纤拉曼放大辅助传输系统结构图。704.4相干光通信4.4.1相干光通信的基本概念及特点4.4.2相干光通信的基本原理4.4.3 相干光通信系统4.4.4 相干光通信中的关键技术714.4相干光通信4.4.1相干光通信的基本概念及特点 相干光通信采用单一频率的相干

20、光作为光源（载波），在发射端对光载波以幅度、频率或相位的方式调制到光载波上，在接收端采用零差检测或外差检测，这种检测方式被称为相关检测。724.4相干光通信4.4.1相干光通信的基本概念及特点 与IM-DD系统相比，它具有以下特点：l接收灵敏度高l频率选择性好l具有一定的色散补偿效应l提供多种调制方式734.4相干光通信4.4.1相干光通信的基本概念及特点 相干光通信采用单一频率的相干光作为光源（载波），在发射端对光载波以幅度、频率或相位的方式调制到光载波上，在接收端采用零差检测或外差检测，这种检测方式被称为相关检测。744.4相干光通信4.4.2相干光通信的基本原理图4-26 相干光检测原理

21、图：图中的光信号是以调幅、调频或调相的方式被调制（设调制频率为s）到光载波上的。754.4相干光通信4.4.2相干光通信的基本原理工作原理：当该信号传输到接收端时，首先与频率为L的本振光信号进行相干混合，然后由光电检测器进行检测，这样获得中频频率为IF=s-L的输出电信号，因为IF0，故称该检测为外差检测。而当输出信号的频率IF=0时，则称为零差检测，此时在接收端可以直接产生基带信号。764.4相干光通信4.4.2相干光通信的基本原理结论：第一项与传输无关的直流项第二项经外差检测后的输出信号电流对于零差检测If=0，输出信号电流为)cos(LsIfLsLtPP2RRPI )cos()(LsIf

22、LsouttPP2Rti )cos()(LsLsoutPP2Rti 774.4相干光通信4.4.2相干光通信的基本原理 对于零差检测If=0，输出信号电流为（1）即使接收光功率很小 ，但由于输出电流与 成正比，仍能够通过增加 来获得足够大的输出电流，这样本振光在输出检测中还起到了光放大的作用，从而提高了信号的接收灵敏度。)cos()(LsIfLsouttPP2Rti )cos()(LsLsoutPP2Rti 4.4相干光通信4.4.2相干光通信的基本原理（2）由于在相干检测中，要求s-L随时保持常数（If或0），因而要求系统中所使用的光源具有非常高的频率稳定性，非常窄的频谱宽度以及一定的频率调谐范围。（3）无论外差检测，还是零差检测，其检测根据都是源于接收光纤信号与本振光信号之间的干涉，因而在系统中必须保持它们之间的相位锁定，或者说具有一定的偏振方向。 4.4.3 相干光通信系统相干光通信系统由光发射机、光纤和光接收机组成，如图4-27所示4.4.3 相干光通信系统 根据调制方式的不同，光发射机可采用的三种基本方式。 幅移键控（ASK） 频移键控（FSK） 相移键控（PSK）