光纤通信技术-第04章

1、云南大学软件学院 王世普1/58第第4 4章章 光纤通信系光纤通信系统统 云南大学软件学院 王世普2/58l光纤通信系统可以分为：外调制系统（间接调制）：不对光源进行调制，而是在光源后面加调制器。内调制系统（直接调制、强度调制）：用信号直接调制光源的发光强度。l本章讨论强度调制直接检波（Intensity Modulation-Direct Detection, IM-DD)光纤通信系统。第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统云南大学软件学院 王世普3/58l光纤通信系统的组成光纤通信系统由光纤、光端机、中继器组成。光端机包含光发射机和光接收机两部分通信距离长时还要加光中继器。光发射机完成E

2、/O转换，光接收机完成O/E转换，光纤实现光信号的传输，光中继器延长通信距离。 4.1 IM-DD光纤通信系统 云南大学软件学院 王世普4/584.1.1 光纤通信中的线路码型l 在数字光纤通信系统中所传输的信号是数字信号。l 光纤通信系统中的码型和速率： HDB3（三阶高密度双极性码），高、0、低电平交错出现，具有检错能力。码速：一次群2.048Mbps（E1速率）、二次群8.448Mbps、三次群34.368Mbps（E3速率）。 CMI（反转码）：0用01表示，1用00、11交替出现表示，10禁用，也具有检错能力。码速：用于PCM四次群，139.264Mbps。 常使用的还有分组码、伪双

3、极性码和插入码，都是增加附加比特的编码方式。云南大学软件学院 王世普5/584.1.2 IM-DD光纤通信系统的结构1光发射机2光接收机3光纤通信系统云南大学软件学院 王世普6/581光发射机l作用：是把从电端机送来的电信号转变成光信号（调制），并送入光纤线路进行传输。l对光发射机的要求有合适的输出光功率 输出光功率是指耦合进光纤的功率，亦称入纤功率。 输出光功率输出一般为0.01mW5mW。有较好的消光比：消光比定义为全1码平均发送光功率与全0码平均发送光功率之比。可用下式表示： 式中，P11为全1码时的平均光功率；P00为全0码时的平均光功率。一般要求EXT10dB。 )dB(lg1000

4、11PPEXT 云南大学软件学院 王世普7/581光发射机l对光发射机的要求调制特性要好所谓调制特性好，是指光源的PI曲线在使用范围内线性特性好，否则在调制后将产生非线性失真。其他要求 要求电路简单、成本低、稳定性好、光源寿命长等。云南大学软件学院 王世普8/58调制调制l光发射机的组成直接调制光发射机1光发射机均衡放大：补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变将电信号转变为适合在光纤中传输的码型用一个传输信道同时传送多个信号的过程使信号达到“0”、“1”等概率出现，利于时钟提取调制+光源：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。稳定工作温度和输出平均光功率

5、保护、监测电路：如光源过流保护电路、无光告警电路、LD偏流（寿命）告警等。10.21云南大学软件学院 王世普9/58l数字光发射机的组成间接调制光发射机均均放放码型码型变换变换复复用用扰扰码码时钟时钟驱动驱动光源光源外调制器外调制器自动自动温度温度控制控制自动自动功率功率控制控制光监光监测测驱动驱动ATCAPC来自电端机来自电端机间接调制光发射机的电信号不是加载到光源上，即并不直接调制光源，而是分别把电信号和光信号送到外调制器中进行调制。1光发射机云南大学软件学院 王世普10/58l光源及调制光源的作用是产生作为光载波的光信号，对光源的要求是：光的中心波长应在0.85m、1.31m和1.55m

6、附近。光谱的谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。电/光转换效率高，发送光束方向性好，以提高耦合效率。调制速率高或响应速度快，以满足高速、大容量传输的要求。温度稳定性好，可靠性高，寿命长。体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。1光发射机云南大学软件学院 王世普11/581光发射机l 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（也分别称为直接调制和间接调制）。在IM-DD光纤通信系统中采用内调制，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。 云南大学软件学院 王世普12/581光发射机l LG1625激光驱动器（调制器）原理图 一

7、级放大一级放大二级放大二级放大三级放大三级放大电流输出电流输出云南大学软件学院 王世普13/581光发射机l LG1625与246型激光器的连接云南大学软件学院 王世普14/581光发射机l 自动功率控制由于老化、温度升高等因素的影响，使得光发射机的光源在使用一段时间之后，出现输出光功率降低的现象。云南大学软件学院 王世普15/58l自动功率控制自动功率控制(APC)电路将保持光源输出功率的稳定。U2不变，不变，P U1 U3 I P Ui长时间为长时间为0时，时，Ui U2 U3不变不变I不变不变P不变不变 P变小变小U1变小变小 调制器调制器放大器放大器A1比较放比较放大器大器A3比较放比

8、较放大器大器A2可调直流可调直流参考电压参考电压电流源电流源LDPIN光纤信号U1U2U3IUiV0P+1光发射机云南大学软件学院 王世普16/581光发射机l 自动温度控制 特性曲线对环境温度的变化反映一般都很敏感，使输出光功率的大小随温度的变化而变化。云南大学软件学院 王世普17/581光发射机l 自动温度控制 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。调制器调制器热敏器件热敏器件LD信号半导体半导体制冷器制冷器温控电路温控电路光纤云南大学软件学院 王世普18/581光发射机l 自动温度控制 自动温度控制(ATC)电路示例)LD(

9、)(R)LD()(TTITT致冷器、热沉环境云南大学软件学院 王世普19/58l光接收机的基本组成IM-DD光接收机由光电检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟恢复电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路等组成。STM-16 SPISTM-16 SPI接收器组件接收器组件2. 光接收机云南大学软件学院 王世普20/582光接收机l 数字光纤通信接收光端机将光信号转变为电信号，即光/电转换。常用 PIN管和雪崩光电二极管。低噪声、高增益放大器，以保证得到较好的信噪比进行波形变换，使本码判决时刻的值最大，并使本码波形的拖尾在邻码判决时刻的值为零。产生接收同步时钟，以确保判决不出错误根据信

10、号强弱变化产生控制信号，以调整放大器增益STM-16 SPISTM-16 SPI接收器组件接收器组件云南大学软件学院 王世普21/58STM-16 SPI接收器电路接收器电路lSTM-16光接收器电原理图2光接收机云南大学软件学院 王世普22/58l光接收机各组成部分介绍 光电检测器光电检测器是把光信号变换为电信号的关键器件。在工作波长上应有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，光电检测器能输出尽可能大的光电流。波长响应要和光纤的3个低损耗窗口兼容。有足够高的响应速度和足够的工作带宽。产生的附加噪声要尽可能低，以保证极微弱光信号的接收。光电转换线性好，保真度高。工作性能稳定，可靠性高，寿命长。

11、功耗和体积小，使用简便。2光接收机云南大学软件学院 王世普23/58l光接收机各组成部分介绍前置放大器前置放大器的作用是把从光纤收到的微弱光电信号进行第一级放大。因此，对前置放大器要求是较低的噪声、较宽的带宽和较高的增益，以保证好的信噪比。前置放大器的类型有3种：低阻抗前置放大器、PIN-FET（PIN管加场效应管）前置放大器和跨阻抗前置放大器（或跨导前置放大器）。2光接收机云南大学软件学院 王世普24/58l光接收机各组成部分介绍前置放大器1319型高速光接收器2光接收机云南大学软件学院 王世普25/58l光接收机各组成部分介绍主放大器主放大器一般是多级放大器，它的功能主要是： 提供足够高的

12、增益，把来自前置放大器的信号放大到判决电路所需的电平。 通过自动增益控制（AGC），使输入光信号在一定范围内变化时，保持输出电信号恒定。2光接收机LG1605限幅放大器限幅放大器云南大学软件学院 王世普26/58l光接收机各组成部分介绍均衡器矩形脉冲信号的频谱为无限宽，经传输后将产生脉冲拖尾现象拖尾将干扰相邻码位，导致相邻码位的码值误判 (码间串扰）均衡器的作用是对已畸变(失真)和有码间干扰的电信号进行均衡补偿，减小误码率。th(t)0脉冲拖尾现象thp(t)TB-TB2TB-2TB3TB-3TB02光接收机云南大学软件学院 王世普27/58l光接收机各组成部分介绍再生电路再生电路由判决器和时

13、钟恢复电路组成，任务是（1）生成时钟信号、（2）把均衡器输出的信号恢复成理想数字信号。再生电路的核心是生成时钟信号，以保证得到判决的正确时钟。2光接收机云南大学软件学院 王世普28/58l光接收机各组成部分介绍再生电路可见，时钟的正确与否将导致判决是否出错。典型的时钟恢复原理框图如下，各点波形如右图所示。嵌位、整形后得到不归零码，不能得到时钟信号。非线性处理后得到归零码，作为调谐放大器的激励。调谐放大器选出与信号频率相同的余弦谐波。限幅后得到方波，但上升下降沿都不陡直。经整形、移相后得到频率与信号频率相同、相位最适合最佳判决的相位、波形为标准矩形波。2光接收机云南大学软件学院 王世普29/58

14、l光接收机各组成部分介绍自动增益控制（AGC）光接收机的动态范围D：在保证系统误码率指标要求下，光接收机的最低输入光功率（Pmin,dBm,毫瓦分贝）和最大允许输入光功率（Pmax,dBm，毫瓦分贝）之差称为动态范围。minmax3min3maxlg1010lg1010lg10PPPPD2光接收机云南大学软件学院 王世普30/58l光接收机各组成部分介绍自动增益控制（AGC）AGC就是用反馈环路来控制主放大器的增益，其效果是增加了光接收机的动态范围，使光接收机的输出保持恒定。光电检测前置放大器主放大器均衡器判决器APD高压电路AGC放大峰值检波器AGC电路光信号2光接收机云南大学软件学院 王世

15、普31/58l数字光接收机主要指标光接收机的灵敏度：在满足给定误码率指标的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin（mW）。工程中常用毫瓦分贝（dBm）来表示，即 )dBm(Plg10PminR2光接收机10.28云南大学软件学院 王世普32/583. 光纤通信系统lIM-DD光纤通信系统的组成云南大学软件学院 王世普33/58l光中继器光信号在传输过程会出现两个问题： 光纤的损耗特性使光信号的幅度衰减，限制了光信号的传输距离； 光纤的色散特性使光信号波形失真，造成码间串扰扰，使误码率增加。以上两点不但限制了光信号的传输距离，也限制了光纤的传输容量。为增加光纤的通信距离和通信容量，需要

16、设置光中继器。3. 光纤通信系统云南大学软件学院 王世普34/58l光中继器光中继器的功能补偿衰减的光信号对畸变失真的信号波形进行整形。光中继器主要有两种：传统的光中继器（即光电中继器）全光中继器3. 光纤通信系统云南大学软件学院 王世普35/58l光中继器光电中继器的构成传统的光中继器采用光电光（O-E-O）转换形式，如下图所示。3. 光纤通信系统云南大学软件学院 王世普36/58l光中继器全光中继器掺铒光纤放大器是天然的全光中继器。其优点是：设备简单，没有光电光的转换过程，工作频带宽。缺点是：对波形的整形不起作用。3. 光纤通信系统云南大学软件学院 王世普37/58l光中继器实用的中继器原

17、理框图 实用的中继器不但完成光信号的再生放大，还要提供各种监控信号并传输到监控中心。光接收部分光接收部分光发射部分光发射部分光发射部分光发射部分光接收部分光接收部分通信区间通信区间告告 警警通信公务通信公务监监 控控电电 源源3. 光纤通信系统云南大学软件学院 王世普38/584.2 通信中继距离的计算l通信中继距离的计算是光纤通信系统设计的基本问题。 l中继距离的设计对系统的性能和经济效益影响很大。l工程上常用的设计方法主要有三种：最坏值设计法统计设计法联合设计法。云南大学软件学院 王世普39/584.2 通信中继距离的计算l最坏值设计法在设计中继段距离时，所有参数(包括光功率、光谱范围、光

18、谱宽度、接收机灵敏度、光纤衰减系数、接头与活动连接器插入损耗等参数)均采用寿命期中允许的最坏值，而不管其具体的分布如何。这种方法设计的中继段距离趋于保守。云南大学软件学院 王世普40/584.2 通信中继距离的计算l统计设计法统计设计法是利用光参数分布的统计特性更有效地设计中继段距离。与最坏值设计法相比，统计设计法可以延长中继段距离，但横向兼容性不再满足。云南大学软件学院 王世普41/584.2 通信中继距离的计算l联合设计法在某些情况下，按标准的光接口参数值进行设计，得到的中继距离往往不能满足实际工程的要求，运营者还需要根据自己的实际情况，设计中考虑个性化需求。这种综合性的设计方法称为联合设

19、计法。l下面主要考虑最坏值设计法。云南大学软件学院 王世普42/584.2 通信中继距离的计算l在中继距离的设计中应考虑衰减和色散两个限制因素，因而对于中继距离的设计可以分为两种情况来讨论。第一种情况是衰减受限系统，即中继段距离由S和R点之间的光通道损耗决定。第二种情况是色散受限系统，即中继段距离由S和R点之间的光通道总色散所限定。连接器的接续损耗光通道功率代价: 在限制因素存在的情况下，为保持相同的误码率所必须增加的功率(dB)光缆衰减中继段中各接头的平均损耗光缆富余度（光纤的长度比光缆的长度要长，即光纤在光缆中的富余度）引起的衰减云南大学软件学院 王世普43/584.2.1 衰减受限系统l

20、对衰减受限系统，中继段距离用下面的公式计算：cfSfEPCRCTRTaMLAAMPAAPPL/PT 发送光功率（dBm）。PR 接收灵敏度（dBm）。ACT、ACR 发送端、接收端活动连接器的接续损耗（dB）。PP 光通道功率代价（dB），由反射功率代价Pr和色散功率代价Pd 组成。Lf 单盘光缆长度（km）。MC 光缆富余度（dB/km）。ME 设备富余度（dB）。云南大学软件学院 王世普44/58AS中继段中各接头的平均损耗（dB）：式中：asi是各光纤接头的损耗（dB）。Af中继段的平均光缆衰减系数（dB/km） 式中：afi为单盘光缆的衰减系数（dB/km）4.2.1 衰减受限系统ni

21、siSanA111mififamA11cfSfEPCRCTRTaMLAAMPAAPPL/云南大学软件学院 王世普45/58l如前所述，光纤色散是造成光信号传输过程中发生畸变的重要原因。时域表现为脉冲展宽，造成码间串扰频域表现为带宽有限，造成频率失真l光纤带宽：L公里带宽BL与每公里带宽BO的经验关系其中：L为光纤的长度（km） BO为每公里光纤3dB带宽，是光纤的出厂参数之一。 q为与模式色散相关的系数： 对多模光纤，q=0.7； 对单模光纤，q=1。4.2.2 色散受限系统qoLLBB 云南大学软件学院 王世普46/58l半功率点宽度与光纤带宽之间的关系其中：W为光纤的半功率点宽度。即：冲激

22、脉冲通过光纤传输后展宽的波形的最大高度的一半的宽度。 BO为每公里光纤的3dB带宽（MHz）。4.2.2 色散受限系统)/(441. 0kmpsBWOW输入波形输出波形云南大学软件学院 王世普47/58l使用多纵模激光器（MLM）和发光二极管（LED）的最大中继距离：其中：LD为传输距离（km） B为线路码速率（Mbps） W为光纤的半功率点宽度（ps/km） D为光纤的色散系数（ps/kmnm） 为光源谱线宽度（nm） 是与色散代价有关的系数。多纵模激光器=0.115；发光二极管=0.306。4.2.2 色散受限系统DBWBLD661010云南大学软件学院 王世普48/58l使用单纵模激光器

23、（SLM）的最大中继距离其中：LC为传输距离（km） B为线路码速率（Tbps） D为光纤的色散系数（ps/kmnm） 为光源波长（nm） a是频率啁啾系数： 单纵模激光器a=46；量子阱激光器a=24。4.2.2 色散受限系统2271400BDaLC 以2.4Gbit/s系统为例，假设工作波长为1550nm，D为17ps/nmkm，采用普通量子阱激光器（设a=3），传输距离可以达101km。频率啁啾（zhou jiu）激光器谐振腔谐振波长随时间偏移的现象。啁啾现象具有随机性，在光纤色散的作用下，将使光脉冲波形展宽。云南大学软件学院 王世普49/58l使用外调制器的最大中继距离 其中：c为光速

24、（km/s） B为线路码速率（Tbps） D为光纤的色散系数（ps/kmnm） 为光源波长（nm） 以2.4Gbit/s系统为例，=1550nm，D=17ps/（nmkm），采用外调制器系统，则色散受限距离可达1275km左右。4.2.2 色散受限系统22BDcLC云南大学软件学院 王世普50/58l 实际计算时，分别计算La和LD（或LC），然后取两者中小的距离作为最后结果。例：若一个622Mbps单模光缆系统，采用多纵模激光器（=0.115），标称波长=1310nm，光脉冲谱线宽度=2nm，发送光功率PT=2dBm，接收灵敏度PR=-30dBm。若光通道功率代价PP=1dB，光纤连接器衰减

25、AC=1dB，光纤接头损耗AS=0.1dB，光纤平均衰减系数Af=0.28dB/km，ME=3.2dB，MC=0.1dB/km，光纤色散D=2ps/km.nm，单盘光缆长度Lf=1km。4.2.3 实际计算方法及例子云南大学软件学院 王世普51/58解：由于使用多纵模激光器，故可计算La和LD，取两者中小的值作为最后结果。（1）衰减受限距离4.2.3 实际计算方法及例子cfSfEPCRCTRTaMLAAMPAAPPL/)(75.531 . 01/1 . 028. 02 . 3111)30(2km云南大学软件学院 王世普52/58解：（2）色散受限距离由La=53.75km，LD=46.22km，该系统的中继段距离应取46km。4.2.3 实际计算方法及例子DBLD610)(22.462262210115. 06km云南大学软件学院 王世普53/58l高速光线路是指传输位速率为10Gbps或以上的线路，例如10Gbps同步数字系列（SDH)。l高速光线路要考虑的问题：光纤色散光源频率啁啾（zho ji）系统功率预算限制光纤非线性限制光纤极化模色散等。4.2.4 高速SDH光线路云南大学软件学院 王世普54/58l光纤色散特性的影响