光纤通信系统及设计(修改)

1、第7章 光纤通信系统及设计 7.1 模拟光纤传输系统概述 7.2 典型的模拟光纤通信系统 7.3 数字光纤通信系统 7.4 IM-DD数字光纤通信系统设计 7.5 WDM+EDFA数字光纤链路设计 7.1 模拟光纤传输系统概述 7.1.1 系统构成 一个模拟链路的基本单元如下图所示， 它包括光发送机、 光纤传输信道和光接收机。 模拟链路的基本单元 7.1.2 主要的噪声和信噪比 衡量模拟通信系统性能的重要参量是信噪比， 即均方信号电流和均方噪声电流之比： 对于模拟接收机， 影响噪声的因素主要有： 接收机的噪声， 非线性失真， 光路反射等。 其中， 接收机噪声包括光检测器的噪声， 接收机电路的热

2、噪声， 激光器的相对强度噪声等。 非线性失真主要有激光器的非线性和光纤色散所引起的非线性 (1)检测器光电二极管的主要噪声为 其中： IP为初始光电流； ID为暗电流； G为倍增增益； Beq为接受机的带宽。(2)检测器前置放大器的噪声为 其中： kB为玻尔兹曼常数； T为绝对温度； Req为检测器负载和前置放大器的等效电阻； Ft为前置放大器的噪声系数， 通常为23 dB。 7.2 典型的模拟光纤通信系统 7.2.1 基带直接强度调制 基带直接强度调制光纤系统光源的模拟调制响应 如果基带信号(t)为正弦信号， 调制作用于光源的线性区， 输出光功率P(t)的包络和输入的驱动电流有相同的波形。定

3、义调制指数m为输出光功率的峰-峰值Pp和平均发送光功率Pi的比值： 对于一个正弦接收信号， 接收机输出端的均方信号电流为：基带直接强度调制的信噪比： 7.2.2 多信道传输 把基带信号用AM、 FM、 PM等调制方式调制到频率为f1、 f2、 、 fN的N个载波（称为副载波）上， 然后再把这N个信号频分复用（FDM）， 调制一个光源在光纤里传输。 N个信道的频分复用 在副载波强度调制系统中， 信息加在载波上， 用载噪比（C/N）来衡量传输质量的好坏。 载噪比定义为载波功率和噪声功率之比。 其中， 噪声功率包括光源的噪声功率， 检测器的噪声功率， 系统噪声功率等。 对于调制指数为m的正弦接收信号

4、， 接收机的载波功率 ： 光源噪声： 光源噪声是指激光器的相对强度噪声RIN（dB/Hz）， 由光源的输出光的幅度或强度的起伏所产生的光强度噪声， 定义为LD输出的均方功率脉动(P)2与平均光功率平方P2之比均方噪声电流：载噪比: (1) 当接收光功率较低时， 系统的噪声主要是检测器前置放大器的噪声， 此时的载噪比为: 此时的载噪比与接收光功率的平方成正比， 所以P 每变化1 dB， C/N的值将变化 2 dB。 (2) 对于设计良好的光电二极管， 体暗电流噪声和表面暗电流噪声很小， 系统的噪声主要是光检测器的量子噪声， 此时的载噪比为:此时， P 每变化1 dB， C/N也将变化1 dB。

5、(3)当激光器的RIN很高时， RIN成为系统的主要噪声， 此时的载噪比为习题假设一个多信道系统有120个信道， 每个信道的调制指数为2.3%； 链路包括一根损耗为1 dB/km的12 km长的单模光纤， 每端有一个损耗为0.5 dB的连接器； 激光光源耦合进光纤的功率为2 mW， 光源的RIN=-135 dB/Hz； PIN光电二极管接收机的响应度为0.6 A/W， B=5 GHz， ID=10 nA， Req=50 ， Ft=3 dB ， T=290k。 试求本系统的载噪比。 7.3 数字光纤通信系统 7.3.1 系统构成 目前而言， 强度调制直接检波（IM-DD）光纤通信系统是最常用的方

6、式。 它包括PCM端机， 电发送、 接收端机， 光发送、接收端机， 光纤线路， 中继器等。 数字光纤通信系统的组成原理图 PCM编码和解码过程 7.3.2 误码特性和抖动特性 数字通信系统的主要性能指标是误码特性和抖动特性。 1. 误码特性 指当发送端发送的是“1”码或“0”码时， 在接收端的相应位置收到的却是“0”码或“1”码。 在数字信号的传输过程中， 如果发生的误码过多， 就会造成通信质量的下降。 造成误码的原因有噪声、 光纤的色散等。 误码对通信质量的影响可以用误码特性来衡量。 误码性能参数： (1) 长期平均误码率BERav(Bit Error Rate）： 指在一段相当长的时间内出

7、现的误码的个数和总的传输码元数的比值， 表示为 BERav= 误码的个数 总的传输码元数 (2) 劣化分（DM）： 是指每分钟的BERav劣于110-6的分钟。 (3) 严重误码秒（SES）： 是指BERav劣于110-3的秒。 (4) 误码秒（ES）： 有误码的秒称为误码秒。 这是由于现代通信中的数据业务是成块发送的， 如果1秒中有误码， 相应的数据块都要重发。 2. 抖动特性 抖动是指数字传输中数字信号的有效瞬间位置相对于标准位置的偏差。光纤通信中把10 Hz以下的长期相位变化称为漂动， 而10 Hz以上的称为抖动。 产生抖动的原因可以是随机噪声, 时钟恢复电路的振荡器的元件老化、 调谐不

8、准， 接收机码间干扰、 电缆老化等。7.4 IM-DD数字光纤通信系统设计 7.4.1 总体设计考虑 光纤通信系统的基本要求有以下几点： (1) 预期的传输距离。 (2) 信道带宽或码速率。 (3) 系统性能（误码率， 信噪比）。 为了达到这些要求， 需要对以下一些要素进行考虑： 光纤： 需要考虑选用单模还是多模光纤， 需要考虑的设计参数有： 纤芯尺寸、 纤芯折射率分布、 光纤的带宽或色散特性、 衰耗特性。 光源： 可以使用LED或LD， 光源器件的参数有发射功率、 发射波长、 发射频谱宽度、 方向图等。 检测器: 可以使用PIN组件或APD组件， 主要的器件参数有工作波长、 响应度、 接收灵

9、敏度、 响应时间等。 1. 假想参考数字链路 根据通信系统性能指标的要求， 确定这个数字链路中由几个数字段组成， 每个数字段的长度； 每个站应配备的设备； 总的系统要求的技术指标， 如何在数各字段之间分配。 设计的系统要选择合适的路由， 中继站应考虑上下话路的需要和信号放大再生的功能。 2. 采用的传输制式 如PDH 传输 3. 工作波长的确定 工作波长可根据通信距离和通信容量进行选择。 如果是短距离小容量的系统，选择短波长范围， 即800900 nm。 如果是长距离大容量的系统， 则选用长波长的传输窗口， 即1310 nm和1550 nm。 4. 光纤的选择 光纤有多模光纤和单模光纤， 每种

10、都有阶跃的和渐变折射率的纤芯分布。 对于短距离传输和短波长应用， 可以用多模光纤。 但长波长传输一般使用单模光纤。 5. 光检测器的选择 选择检测器需要看系统在满足特定误码率的情况下所需的最小接收光功率， 即接收机的灵敏度， 此外还要考虑检测器的可靠性、 成本和复杂程度。 6. 光源的选择 选择LED还是LD， 需要考虑一些系统参数， 比如 色散、 码速率、 传输距离和成本等。 7.4.2 设计方法 (1)最坏值设计 使用最坏值设计时， 所有考虑在内的参数都以最坏的情况考虑。 用这种方法设计出来的指标肯定满足系统要求， 系统的可靠性较高， 但由于在实际应用中所有参数同时取最坏值的概率非常小，

11、所以这种方法的富余度较大， 总成本偏高。 (2)统计设计 统计设计方法是按各参数的统计分布特性取值的， 即通过事先确定一个系统的可靠性代价来换取较长的中继距离。 1. 损耗系统的设计方法功率预算法一个点到点链路的光功率损耗模型如下图所示。 点到点链路的光功率损耗模型 L为从S点到R点的中继距离。 一般在光发送机之后和光接收机之前各有一个固定接头， 固定接头损耗为c。 每段光纤之间会由活动连接器或固定连接器连接， 每个连接器的损耗为s。 假设每段光纤的长度为LF， 每段光纤的损耗为F， 则会有N=（L/LF）-1个活动连接器。 光纤损耗F。 PS为S点发射机的出纤功率， PR为R点进入接收机的功

12、率。 考虑到设备的老化、 温度的波动等因素， 应该留有系统功率富余度M。 由此有下式： PS-PR=2c+Ns+FL+M则传输距离为 2. 色散受限系统色散影响的中继距离 原因： 对于损耗较低的光纤传输系统， 光纤色散使得脉冲展宽得很严重， 出现码间干扰， 从而限制了传输距离。 码间干扰的严重程度用相对均方根脉宽表示： 其中， 是均方根脉冲宽度， T是码元持续时间， 为106/B， B为比特速率， 单位为Mb/s。 而=DL， D是光纤色散系数（单位为ps/(kmnm)）， L是光纤长度（单位为km）， 是光源的谱宽（单位为nm）。 色散影响的中继距离例题：对于一个565Mb/s单模光纤传输系统，其系统总体要求如下：(1)光纤通信系统的光纤损耗为0.1dB/km，有5个接头，