光收发设备概述

第3章光收发设备3.6IM-DD光纤线路编码3.7衰减和色散队中继距离的影响3.8噪声及灵敏度分析13.6IM-DD光纤线路编码3.6.1光纤线路码型3.6.2输入输出电路单元功能23.6.1光纤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，通常为：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，因此需要进行码型变换。31.PCM系统中的线路码型基

群二

次

群三

次

群四

次

群接口码速率

(Mbit/s)2.0488.44834.368139.264接口码型HDB3HDB3HDB3CMIPCM系统中的线路码型41.PCM系统中的线路码型a)单极性不归零脉冲

b)双极性不归零脉冲5a)单极性不归零码，无电压表示"0"，恒定正电压表示"1"，每个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅电平。

b)双极性不归零码，"1"码和"0"码都有电流，"1"为正电流，"0"为负电流，正和负的幅度相等，判决门限为零电平。

6——以上两种编码,都是在一个码元的全部时间内发出或不发出电流(单极性),以及发出正电流或负电流(双极性)。每一位编码占用了全部码元的宽度,故这两种编码都属于全宽码,也称作不归零码NRZ(NonReturnZero)。

——这样使某一位码元与其下一位码元之间没有间隙,不易区分识别。归零码可以改善这种状况。7c)单极性归零脉冲

d)双极性归零脉冲8

c)单极性归零码，当发“1”码时，发出正电流，但持续时间短于一个码元的时间宽度，即发出一个窄脉冲；当发“0”码时，仍然不发送电流。

d)双极性归零码，其中“1”码发正的窄脉冲，“0”码发负的窄脉冲，两个码元之间的时间间隔可以大于每一个窄脉冲的宽度，取样时间是对准脉冲的中心。91.PCM系统中的线路码型1）HDB3码（三阶高密度双极性码）（1）HDB3码的构造——三步曲第一：取代四连“0”“000V”：两V间的“1”码为奇数“B00V”：两V间的“1”码为偶数101.PCM系统中的的线路码码型第二：依依极性交交替原则则，分别别用B+、B-归零脉冲冲取代二二进制信信号中的的“1”码和取取代节中中的“B”脉冲；第三：依依违反极极性原则11（2）HDB3码的特特点：：V脉冲违违反极极性交交替原原则，，因此此接收收端易易于恢恢复四四连0；B和V分别符符合极极性交交替原原则，，两V间的B+和B-个数和和为奇奇数；；HDB3码的最最大连连0为3；线路的的误码码会影影响B、V的极性性规律律或连连0码数大大于3，据此此，可可作为为差错错检测测。121.PCM系统中中的线线路码码型2）CMI码（符符号反反转码码）——也可做做光纤纤线路路码（1）CMI码的构构造将二进进制码码中的的“1”交替用用“11””和“00””NRZ代替，，“0”用“01””NRZ来代替替，替替代前前后的的时间间宽度度不变变。131101001110011000

11000111010100110001011100010101CMI码的构构造141.PCM系统中中的线线路码码型（2）CMI码的特特点有较多多的电电平跃跃变；；最长连连码数数为3，可据据此来来检测测差错错；“10”禁用，，可用用于检检测差差错152.光光纤纤线路路码型型1）光纤纤线路路码型型定义义——光纤中中传输输的光光脉冲冲信号号的码码型2）设计计要求求：适合通通信，，适应应光脉脉冲16采用单单极性性NRZ二元码码，（（即““0”、“1”二元码码）；；“0””“1”均匀分分布，，直流流分量量恒定定，以以利于于幅度度判决决；最长连连0、连1数少，，以利利于定定时脉脉冲提提取；；可实现现在线线检测测误码码和传传送辅辅助信信息；；实现电电路简简单，，功耗耗小，，成本本低。。2）设计计要求求：适适合通通信，，适应应光脉脉冲173）冗余余度获获取：：——以插入入填充充码元元，用用来传传送辅辅助信信息码型变变换m,s1,Pn,s2,Q182.光光纤纤线路路码型型4）字变变换码码（mBnB码，n>m)：（1）构造造方法法——将m比特一一组的的二进进制码码按一一定的的规则则变为为n比特一一组的的新码码输出出。——构造mBnB码，就就是从从nB码的2n个码字字中挑挑选出出2m个码字字使用用，而而余下下的（（2n-2m）个码码字禁禁用，，故存存在取舍。192.光光纤纤线路路码型型取舍原原则：：——尽量选选用nB码中WDS绝对值值最小小的码码字，，而禁禁用WDS最大的的码字字。实质：：——使mBnB码中的的“0”和“1”分布均均匀。。WDS=n1-n0n0:nB码中的的“0”码个数数，n1:““1””码个数数。202.光光纤纤线路路码型型（2）mBnB码的特特点：：电平跃跃变增增多，，最长长连0数少，，利于于提取取定时时信息息和恢恢复基基线；；禁用码码字可可供检检测差差错；；引入了了一定定的冗冗余码码，但但不可可用于于传送送辅助助信息息。212.光光纤纤线路路码型型5）插入（1）mB1P码（偶偶1奇0码）——将二进进制码码按每每m比特分分为一一组，，每组组末尾尾插入入1位奇偶偶校验验码（（P码）。。22mB码100000001110…mBlP码1000000100101101…mB码100000001110…mBlP码1001000000111100…23（2）mB1C码——将二进进制码码按每每m比特分分为一一组，，每组组末尾尾插入入该组组任1位码元元（通通常为为最末末位码码）的的补码码（C码）。。243.6.1光光纤线线路码码型mB码100110001101…mBlC码1001110100101010…25（3）mB1H码（使使用较较多））——将二进进制码码按每每m比特分分为一一组，，在每每组时时间宽宽度内内，按按照一一定要要求分分别插插入补补码C、帧码码F、公务务码Sc、监控控码M、数据据码D、区间间通信信码S等（这这些码码统称称H码），，即构构成mB1H码。26mB1H码是由由mB1C码演变变而成成的，，即在在mB1C码中，，扣除除部分分C码，并并在相相应的的码位位上插插入一一个混混合码码（H码），，所以以称为为mB1H码。所所插入入的H码可以以根据据不同同用途途分为为三类类：第第一类类是C码，它它是第第m位码的的补码码，用用于在在线误误码率率监测测；第第二类类是L码，用用于区区间通通信；；第三三类是是G码，用用于帧帧同步步、公公务、、数据据、监监测等等信息息的传传输。。3.6.1光光纤线线路码码型276）CMI码（1）CMI码CMI码又称称传号号反转转码，，它是是一种种1B2B码。其其变换换规则则是原原码的的“0”码用““01””码代替替，原原码的的“1”码用““00””或“11””交替代代替。。（2）双相相码双相码码又称称分相相码。。也是是一种种1B2B码。其其变换换规则则是原原码的的“0”码用““01””码代替替，原原码的的“1”码用““10””代替。。（3）DMI码DMI码又称称不同同模式式反转转码，，它是是一种种1B2B码。其其变换换规则则是原原码的的“1”码用““00””或“11””交替代代替。。原码码的““0”码，若若前二二个码码为““01””，“11””时用““01””代替，，前二二个码码为““10””，“00””时用““10””代替。。3.6.1光光纤线线路码码型287）扰码码SDH光纤通通信系系统中用一个随机序列与输入信号序列进行逻辑加，这样就能把任何输入信号序列变换为随机序列，但完全随机的序列不能再现。用伪随机序列来代替完全随机序列进行扰码与解扰的作用。下图为一个五级扰码器和解扰器的构成。29扰乱器器与解解扰器器的构构成30码

型码型变换规则传输速率误码监测适用系统1B2B码CMI“1”：11,00交替“0”：012fi按编码规则检查PDH双相码“1”：10“0”：012fi同上DMI“1”：11,00交替“0”：01（前二个码为01，11时）10（前二个码为10，00时）2fi同上分组码mBnB在nB码中选择不均等值小的码作公共码；正负模式交替nfi/m（1）查禁用码字（2）利用DRS插入码mB1P（1）P码满足奇校验规则（2）P码满足偶校验规则(m+1)fi/m奇偶校验mB1C(m+1)fi/m模2和=0mB1H加扰NRZ给输入NRZ序列加扰fi无SDH3.6.1光光纤线线路码码型313.6IM-DD光纤纤通信信系统统3.6.1光纤线线路码码型3.6.2输入输输出电电路单单元功功能323.6.2输入输输出电电路单单元功功能1.HDB3码输入入电路路的单单元功功能2.CMI码输入入电路路的单单元功功能3.输出电电路的的单元元功能能331.HDB3码输入入电路路的单单元功功能1）均衡衡放大大2）双/单极性性转换换3）定时时提取取4）定时时判决决5）V脉冲检检出（（V+、V-）6）NRZ+-合路7）B、V扣除8）扰码码9）时钟钟频率率变换换10）光纤纤码型型编码码342.CMI码输入入电路路的单单元功功能1）延时时2）异或或非门门3）与门门4）定时时提取取5）D触发器器6）扰码码7）时钟钟频率率变换换8）光纤纤码型型编码码351）码码型反反变换换电路路3.输出电电路的的单元元功能能（1）缓存存器（2）mB码还原原（3）H码分离离（4）组同同步（（）（5）时钟钟频率率变换换（6）解扰扰码（7）误码码监测测363.输出电电路的的单元元功能能2）输输出接接口电电路（1）HDB3码形成成电路路（2）CMI码形成成电路路373.7衰减和和色散散对中中继距距离的的影响响3.7.1衰减和和色散散对中中继距距离的的影响响3.7.210Gbit/s及10Gbit/s以上的的SDH光线路路3.7.3使用光光放大大器的的SDH高速线线路383.7.1衰减和和色散散对中中继距距离的的影响响1．衰减减对中中继距距离的的影响响2．色散散对中中继距距离的的影响响3．最大大中继继距离离的计计算391．衰衰减对对中继继距离离的影影响一个中中继段段上的的传输输衰减减包括括两部部分，，其一一是光光纤本本身的的固有有衰减减，再再者就就是光光纤的的连接接损耗耗和微微弯带带来的的附加加损耗耗。构成光光纤损损耗的的原因因很复复杂，，归结结起来来主要要包括括两大大类：：吸收收损耗耗和散散射损损耗。。引起光光纤损损耗的的因素素还有有光纤纤弯曲曲和微微弯产产生的的损耗耗以及及纤芯芯与包包层中中的损损耗等等等。。402．色色散对对中继继距离离的影影响光纤自自身存存在色色散，，即材材料色色散、、波导导色散散和模模式色色散。。对于单单模光光纤，，因为为仅存存在一一个传传输模模，故故单模模光纤纤只包包括材材料色色散和和波导导色散散。除此之之外，，还存存在着着与光光纤色色散有有关的的种种种因素素，其其中比比较重重要的的有三三类：：码间间干扰扰、模模分配配噪声声和啁啁啾声声。412．色色散对对中继继距离离的影影响(1)码间干干扰对对中继继距离离的影影响系统的的传输输速率率越高高，光光纤的的色散散系数数越大大，光光源谱谱宽越越宽。。422．色色散对对中继继距离离的影影响(2)模分配配噪声声对中中继距距离的的影响响①激激光器器的光光谱特特性②模模分配配噪声声的产产生及及影响响432．色色散对对中继继距离离的影影响普通激激光器器的静静态和和动态态谱线线442．色色散对对中继继距离离的影影响高速调调制时时多纵纵模的的随机机起伏伏452．色色散对对中继继距离离的影影响(3)啁啾声声对中中继距距离的的影响响对于处处于直直接强强度调调制状状态下下的单单纵模模激光光器，，其载载流子子密度度的变变化随随注入入电流流的变变化而而变化化。这这样使使有源源区的的折射射率指指数发发生变变化，，从而而导致致激光光器谐谐振腔腔的光光通路路长度度相应应变化化，结结果致致使振振荡波波长随随时间间偏移移，这这就是是频率率啁啾啾现象象。因为这这种时时间偏偏移是是随机机的，，因而而当受受上述述影响响的光光脉冲冲经过过光纤纤后，，在光光纤色色散的的作用用下，，可以以使光光脉冲冲波形形发生生展宽宽，因因此接接收取取样点点所接接收的的信号号中就就会存存在随随机成成分，，这就就是一一种噪噪声——啁啾声声。463．最最大中中继距距离的的计算算中继距距离是是光纤纤通信信系统统设计计的一一项主主要任任务。。在中继距离离的设计中中应考虑衰衰减和色散散这两个限限制因素。。473．最大中中继距离的的计算(1)衰减受限系系统在衰减受限限系统中，，中继距离离越长，则则光纤通信信系统的成成本越低，，获得的技技术经济效效益越高。。极限值设计计法483．最大中中继距离的的计算（2）色散受受限系统①光纤的的色散与带带宽②光纤每每公里带宽宽与L公里带宽间间的关系③光纤带带宽与半功功率点宽度度W之间的关系系④色散受受限距离a多纵模激光光器（MLM）和发光二二极管（LED）b单纵模激光光器（SLM）c采用外调制制器493.7.210Gbit/s及10Gbit/s以上的SDH光线路1．光源频率率啁啾影响响2．光纤的色色散特性影影响3．极化模色色散的影响响4．系统功率率预算限制制501．光源频频率啁啾影影响为了能够直直观地度量量其影响，，因此引入入啁啾系数数a来评估光源源的频率啁啁啾影响。。啁啾系数的的定义如下下：512．光纤的的色散特性性影响通常将接收收机灵敏度度下降1dB光纤长长度称为色色散受限距距离。通常在采用用单纵模激激光器的光光纤通信系系统中，影影响接收灵灵敏度的因因素有两个个，其一是是传输信号号的速率（（即信号的的信息带宽宽），其二二是频率啁啁啾。523．极化模模色散的影影响理论上单模模光纤中只只传输一个个基模，但但实际上在在单模光纤纤中的基模模存在两个个模式，即即横向电场场沿y方向极化和和沿x方向极化的的的两个模模式，它们们的极化方方向相互垂垂直，这两两种模式分分别为LP01x和LP01y。但在实际光光纤中，由由于光纤形形状、折射射率以及应应力等分布布的不均匀匀，两种模模式的纵向向速度不同同，从而导导致相移不不同，在时时间上表现现为不同极极化态之间间的群时延延不同，使使脉冲波形形出现展宽宽现象。534．系统功功率预算限限制系统功率预预算是指光光纤通信系系统中光源源输出功率率与接收灵灵敏度之差差。为了避免光光纤工作于于非线性状状态，通常常，光源输输出光功率率不得超过过3dBm。另外，信号号经信道传传输时或多多或少都会会受到信道道噪声的影影响。为了解决传传输距离较较短的问题题，人们在在光纤通信信系统中采采用掺饵光光纤放大器器（EDFA）。543.7.3使用光放大大器的SDH高速线路1．使用EDFA的光纤通信信系统的主主要优点2．EDFA在光纤通信信系统中的的应用3．无电再生生的最大中中继距离4．EDFA在级联中可可能出现的的问题及解解决方法551．使用EDFA的光纤通信信系统的主主要优点（1）可扩展展中继距离离。（2）具有透透明性。（3）可作中中继器使用用，节约成成本。（4）可扩大大用户数。。562．EDFA在光纤通信信系统中的的应用EDFA在光纤通信信系统中的的主要作用用是延长中中继距离，，当它与波波分复用技技术、光孤孤子技术相相结合时，，可实现超超大容量、、超长距离离的传输。。（1）作为前前置放大器器（2）作为功功率放大器器（3）作光中中继器使用用572．EDFA在光纤通信信系统中的的应用EDFA的的应用583．无电再再生的最大大中继距离离在使用光放放大器的光光纤通信系系统中同样样要考虑衰衰减和色散散的影响。。衰减受限光光纤通信系系统的中继继距离可以以表示为594．EDFA在级联中可可能出现的的问题及解解决方法（1）噪声积积累影响（2）光纤的的非线性限限制（3）增益均均衡604．EDFA在级联中可可能出现的的问题及解解决方法EDFA增增益不平坦坦性对多级级级联的影影响613.8噪噪声及灵敏敏度分析3.8.1IM-DD光纤通信系系统噪声及及灵敏度3.8.2EDFA的级联系统统623.8.1IM-DD光纤通信系系统噪声及及灵敏度1．接收机噪噪声2．接收灵敏敏度631．．接接收收机机噪噪声声（1）散散粒粒噪噪声声和和热热噪噪声声散粒粒噪噪声声是是指指围围绕绕一一个个平平均均统统计计值值做做随随机机起起伏伏波波动动的的、、由由光光电电检检测测器器件件自自身身产产生生的的一一种种噪噪声声。。热噪噪声声是是由由于于电电子子在在光光电电检检测测器器的的负负载载电电阻阻RL上做做随随机机运运动动，，而而产产生生的的电电流流随随机机起起伏伏的的现现象象，，使使所所传传输输的的信信号号附附加加上上了了一一种种噪噪声声，，这这种种附附加加噪噪声声就就是是热热噪噪声声。。641．．接接收收机机噪噪声声（2）光光接接收收机机的的SNRPIN只对对所所接接收收的的信信号号进进行行光光电电转转换换，，而而无无放放大大功功能能。。而APD除具具有有光光电电转转换换功功能能外外，，还还具具有有信信号号放放大大功功能能，，即即其其平平均均输输出出功功率率为为IP=RGPin，其其中中R为响响应应度度。。SNR随Pin线性性增增大大，，而而且且与与量量子子效效率率η、接接收收机机的的带带宽宽Δf以及及光光子子能能量量hf有关关。。最佳佳平平均均雪雪崩崩增增益益（（Gmax）651．．接接收收机机噪噪声声1.55μμmInGaAsAPD接收收机机最最佳佳APD增益益Gmax与入入射射光光功功率率Pin的关关系系662．．接接收收灵灵敏敏度度接收收灵灵敏敏度度是是指指在在满满足足给给定定误误码码率率（（BER=1××10-10）条条件件下下，，光光接接收收机机能能够够接接收收到到的的最最小小平平均均光光功功率率。。接收收灵灵敏敏度度是是与与系系统统误误码码性性能能有有关关的的物物理理量量。。672．．接接收收灵灵敏敏度度（1）误误码码率率误码码率率是是指指这这两两种种情情况况下下的的误误码码概概率率可可用用下下式式给给出出：：68比特特误误码码率率和和Q参数数的的关关系系692．．接接收收灵灵敏敏度度（2）Q与接接收收灵灵敏敏度度之之间间的的关关系系703.8.2EDFA的的级级联联系系统统1．级级联联光光放放大大器器系系统统的的信信噪噪比比2．级级联联光光放放大大器器系系统统的的接接收收灵灵敏敏度度711．级级联联光光放放大大器器系系统统的的信信噪噪比比（1）自自发发辐辐射射噪噪声声基中中自自发发辐辐射射的的光光子子中中的的一一部部分分叠叠加加在在放放大大的的光光纤纤传传输输模模上上一一起起沿沿光光纤纤传传输输，，并并会会被被后后面面的的放放大大器器放放大大，，这这就就产产生生了了自自发发辐辐射射噪噪声声（（ASE）。。ASE的总总功功率率是是由由带带宽宽为为B0的光光纤纤中中所所有有模模式式所所携携带带的的ASE的积积累累。。ASE总功功率率为为721．级级联联光光放放大大器器系系统统的的信信噪噪比比（1）自自发发辐辐射射噪噪声声自发发辐辐射射因因子子nsp表示示了了放放大大器器中中粒粒子子反反转转能能力力的的大大小小，，可可用用下下式式表表示示：：731．级级联联光光放放大大器器系系统统的的信信噪噪比比（2）光光放放大大器器的的级级联联影影响响由于于放放大大的的自自发发辐辐射射噪噪声声在在到到达达光光接接收收机机之之前前是是呈呈现现积积累累关关系系，，严严重重时时会会影影响响系系统统性性能能。。解决决这这一一问问题题的的方方法法是是在在线线路路的的适适当当处处加加入入光光—电—光中中继继器器，，将将此此噪噪声声去去除除。。742．级级联联光光放放大大器器系系统统的的接接收收灵灵敏敏度度（1）EDFA作为为前前置置放放大大器器的的直直接接检检测测系系统统当光光纤纤通通信信系系统统中中使使用用了了光光放放大大器器，，此此时时系系统统中中不不仅仅存存在在散散粒粒噪噪声声、、热热噪噪声声，，而而且且还还会会受受到到放放大大的的自自发发辐辐射射的的影影响响。。752．级级联联光光放放大大器器系系统统的的接接收收灵灵敏敏度度采用用EDFA作前前置置放放大大器器时时的的接接收收灵灵敏敏度度与与FA和光光滤滤波波器器带带宽宽的的关关系系762．级级联联光光放放大大器器系系统统的的接接收收灵灵敏敏度度(2)放大大器器的的级级联联在EDFA级联联光光纤纤通通信信系系统统中中，，一一方方面面其其中中每每个个光光放放大大器器都都会会产产生生放放大大器器自自发发辐辐射射(ASE)噪声声，，并并沿沿线线路路继继续续传传输输，，且且与与信信号号一一起起被被后后面面的的光光放放大大器器放放大大，，放放大大后后的的自自发发辐辐射射噪噪声声在在到到达达光光接接收收机机之之前前积积累累，，并并影影响响系系统统性性能能；；另另一一方方面面当当ASE电平平增增加加时时，，它它逐逐渐渐使使光光放放大大器器出出现现饱饱和和，，并并减减小小信信号号增增益益，，在在接接收收端端SNR甚至至下下降降更更多多。。772．级联光光放大器器系统的的接收灵灵敏度信号功率率PS和ASE功率PASE沿级联光光放大器器线路的的变化789、静夜夜四无无邻，，荒居居旧业业贫。。。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、雨中黄黄叶树，，灯下白白头人。。。03:52:1803:52:1803:5212/29/20223:52:18AM11、以我独独沈久，，愧君相相见频。。。12月-2203:52:1803:52Dec-2229-Dec-2212、故人人江海海别，，几度度隔山山川。。。03:52:1803:52:1803:52Thursday,December29,202213、乍见翻翻疑梦，，相悲各各问年。。。12月-2212月-2203:52:1803:52:18December29,202214、他乡生白白发，旧国国见青山。。。29十二二月20223:52:18上上午03:52:1812月-2215、比不不了得得就不不比，，得不不到的的就不不要。。。。十二月月223:52上上午午12月月-2203:52December29,202216、行动出出成果，，工作出出财富。。。2022/12/293:52:1803:52:1829December202217、做前，能能够环视四四周；做时时，你只能能或者最好好沿着以脚脚为起点的的射线向前前。。3:52:18上上午3:52上上午03:52:1812月-229、没有有失败败，只只有暂暂时停停止成成功！！。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、很多事事情努力力了未必必有结果果，但是是不努力力却什么么改变也也没有。。。03:52:1803:52:1803:5212/29/20223:52:18AM11、成功就是是日复一日日那一点点点小小努力力的积累。。。12月-2203:52:1803:52Dec-2229-Dec-2212、世世间