光纤通信系统设计实例

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业光纤通信系统设计概述图 STYLEREF 1 s 1. SEQ 图 * ARABIC s 1 1 标准光纤通信系统架构模拟系统设计 MACROBUTTON MTEditEquationSection2 Equation Chapter 2 Section 1 SEQ MTEqn r h * MERGEFORMAT SEQ MTSec r 1 h * MERGEFORMAT SEQ MTChap r 2 h * MERGEFORMAT 光纤系统中，各组件的累加损耗应足够低

2、以符合探测器的阈值要求。模拟系统中，充足的功率意味着高SNR，另外，组件的组合应该提供足够的带宽以通过较高的调制频率，因此，应对单个器件的损耗和带宽进行分析，并计算整个系统的功率分配和带宽预算。系统规格初始方案以设计简单的点对点视频系统为例，电视广播信号的带宽为6MHz，要求SNR为50dB。表 STYLEREF 1 s 2. SEQ 表 * ARABIC s 1 1 系统方案一：窄带宽和低功率Carrier SourceLED0.8-0.9umInformation ChannelMMF (SI or GRIN)DetectorPIN-PD表 STYLEREF 1 s 2. SEQ 表 *

3、ARABIC s 1 2 系统方案二：高带宽和高功率Carrier SourceLD1.3umInformation ChannelSMFDetectorAPD负载电阻计算已知PIN-PD的电容和传输带宽，根据方程 MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTChap c * Arabic * MERGEFORMAT 2. SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 1)求得负载电阻 MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTE

4、qn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTChap c * Arabic * MERGEFORMAT 2. SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 2)取近似值，计算得为6.24MHz。功率预算平均光功率计算标准的SNR方程是 MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTChap c * Arabic * MERGEFORMAT 2. SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 3)由于使用PIN-PD作为光电探测器，假设系统是热

5、噪声限系统，调制系数m为100%，SNR方程简化为 MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTChap c * Arabic * MERGEFORMAT 2. SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 4)由于放大器噪声的存在，将实际温度T替换为等效噪声温度，假设环境温度T为300K，放大器噪声系数F为2，则，又已知PD响应率为，计算平均光功率P为 MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORM

6、AT ( SEQ MTChap c * Arabic * MERGEFORMAT 2. SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 5)取P近似值为。平均光电流计算根据平均光功率P为，计算得PIN-PD的平均光电流，远大于暗电流（几个纳安），因此系统中暗电流的影响可以忽略，计算热噪声电流均方值 MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTChap c * Arabic * MERGEFORMAT 2. SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT

7、6)散粒噪声电流均方值 MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTChap c * Arabic * MERGEFORMAT 2. SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 7)可以得到，热噪声功率是散粒噪声功率的近7倍，符合最开始采用热噪声限模型的假设。预测平均光电流为时，并没有驱动探测器进入非线性区，最大饱和电流等于偏置电压与负载电阻的比值，使用5V偏压时，最大允许电流为（或），远远大于，系统不存在饱和问题。详细方案光源SE LED光纤SI MMFGRIN MMF

8、功率分配与链路长度计算使用dBm单位进行功率计算，光源功率为0dBm（1mW），探测器需要-22.2dBm（），意味着从光源到光探测器间各组件总损耗不应超过22.2dB。阶跃折射率光纤与光源的耦合损耗为 MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTChap c * Arabic * MERGEFORMAT 2. SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 8)根据方程 MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * M

9、ERGEFORMAT ( SEQ MTChap c * Arabic * MERGEFORMAT 2. SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 9)可知渐变折射率光纤的耦合损耗多3dB，使用GRIN光纤的耦合损耗为15.4dB，在光纤的入射端和出射端分别存在0.2dB的反射损耗。假设光纤链路只有两个连接器（分别位于发射机和接收机），分别存在1dB的损耗。因此预留给SI光纤的损耗为22.2-12.4-0.4-2=7.4dB，预留给GRIN光纤的损耗为4.4dB。850nm处的衰减为5dB/km，将SI光纤的长度限制在7.45/5=1.48km，1公里长的光纤还剩余2

10、.4dB的空间；对于GRIN光纤最大链路长度为4.4/5=0.88km=880m。带宽预算带宽预算应结合光源、光纤和光探测器的特性进行综合计算，通常根据上升时间和带宽信息来进行系统的初始设计。上升时间计算系统、光源、光纤和光探测器的上升时间，通过以下方程联系 MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTChap c * Arabic * MERGEFORMAT 2. SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 10)对于系统和光纤来说，从上升时间到带宽的转换通过以下方程实

11、现 MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTChap c * Arabic * MERGEFORMAT 2. SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 11)由于系统的信号带宽为6MHz，则系统的上升时间。根据上升时间（PN结自由电子迁移称为转移时间）的计算方程 MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTChap c * Arabic * MERGEFORMAT 2.

12、 SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 12)得到PIN-PD的上升时间为 MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTChap c * Arabic * MERGEFORMAT 2. SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 13)PD的上升时间远大于典型的器件的转移时间限制（约1ns），因此该探测器是电路限制。在本例中，接收机电路占用了大部分上升时间预算，这种分配方式可以通过降低负载电阻改变（但这样做会降低接收机灵敏度，增加功率要求），LED的上升时间是12ns，根据方程可以计算光纤的上升时间范围 MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTChap c * Arabic * MERGEFORMAT 2. SEQ MTEqn c * Arabic *