光纤通信第四章

光纤通信第四章第一页，共五十三页，2022年，8月28日4.0光纤通信系统分类及应用场合光纤通信系统可按波长、传输码率、光纤类型、光电器件类型以及应用场合来分类。4.0.1数字通信制式1）准同步数字体系（PDH）数字系列等级基群二次群三次群四次群接口码速率(Mb/s)2.0488.44834.368139.264接口码型HDB3HDB3HDB3CMI话路数301204801920第二页，共五十三页，2022年，8月28日2）同步数字体系（SDH）所谓SDH是一套可进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的标准化数字信号的结构等级。

SDH网络则是由一些基本网络单元（NE）组成的，在传输媒质上（如光纤、微波等）进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的传送网络。它的基本网元有终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）、同步数字交叉连接设备（SDXC）和再生中继器（REG）等。第三页，共五十三页，2022年，8月28日N值记号速率Mb/S路数1STM-1155.52020164STM-4602.08080648STM-81244.1601612812STM-121866.2402419216STM-162488.3203225664STM-649953.280129024

SDH采用一套标准化的信息结构等级，称为同步传送模块STM-N（N=1，4，16，64，）。第四页，共五十三页，2022年，8月28日4.0.2工作波长和器件光纤多模光纤单模光纤波长0.8μ-0.9μ1.3μ1.31μ1.55μ光源器件LED(GaAlAs)LED(InGaAsP)LD(InGaAsP)LD(InGaAsP)LD(GaAlAs)LD(InGaAsP)LED(InGaAsP)检测器件Si-APDPIN-FET(InGaAs)PIN-FET(InGaAs)PIN-FET(InGaAs)Si-PINAPD(InGaAs或Ge)APD(InGaAs或Ge)APD(InGaAs或Ge)第五页，共五十三页，2022年，8月28日4.0.3应用1）市话局间中继干线系统一般开通34Mb/S140Mb/S2）长途干线系统

一般开通2.5Gb/S10Gb/S3）光纤局域网4）光纤用户接入网第六页，共五十三页，2022年，8月28日4.1光发射机原理框图光端机主要由光发送机、光接收机和辅助电路三大部分组成。低速电信号高速电信号复用光发送单元解复用光接收单元光信号光信号高速电信号低速电信号高速电信号复用光接收单元解复用光发送单元光信号光信号高速电信号低速电信号低速电信号第七页，共五十三页，2022年，8月28日数字光发送机的基本组成包括均衡放大、码型变换、复用、扰码、时钟提取、光源、光源的调制电路、光源的控制电路（ATC和APC）及光源的监测和保护电路等。第八页，共五十三页，2022年，8月28日（1）均衡放大：补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变。（2）码型变换：将HDB3码或CMI码变化为NRZ码。（3）复用：用一个大传输信道同时传送多个低速信号的过程。（4）扰码：使信号达到“0”、“1”等概率出现，利于时钟提取。（5）时钟提取：提取PCM中的时钟信号，供给其它电路使用。（6）调制（驱动）电路：完成电/光变换任务。（7）光源：产生作为光载波的光信号。（8）温度控制和功率控制：稳定工作温度和输出的平均光功率。（9）其他保护、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。第九页，共五十三页，2022年，8月28日4.1.2产品CiscoONS15302

ONS15302是一种集成型多业务接入设备。借助其与SDH光纤网络连接的STM-1光上行链路，多业务接入网络可以扩展到客户端，这样，ONS15302就可以汇集分支机构间连接、互联网接入、和语音和数据流量。

ONS15302将以太网与TDM流量结合在一起，沿SDHSTM-1帧结构内的TDM通道（VC）传输以太网流量。以太网通道的带宽最高可以配置为63个VC-12。

ONS15302还具备第2层交换功能，可以将本地10/100BaseT以太网接口映射到VC-12容器中，利用WAN模块实现点到点或点到多点传输。第十页，共五十三页，2022年，8月28日TP-LINK百兆光纤模块卡系列TL-SM201系列

TL-SM201系列百兆模块卡与TP-LINK交换机配合，通过光纤或双绞线传输，可以扩展局域网网络的传输距离，适合于大中型局域网的扩展和互联。模块体积小，安装于交换机内部，使用交换机内部供电，安装、使用简便。模块卡前面有指示灯，可显示相应百兆模块卡的工作状态，方便用户监视和使用。第十一页，共五十三页，2022年，8月28日AgilentHFCT-5914ATL

SingleModeLaserTransceiversforGigabitEthernetandiSCSIApplicationsat1.25Gb/s第十二页，共五十三页，2022年，8月28日10/100M自适应光纤收发器

10/100M自适应光纤收发器通过10BASE-T或100BASE-TX到100BASET-FX之间的光电转换，可以将传统的10M以太网或100M快速以太网通过快速以太网光纤链路扩展到110km的范围。第十三页，共五十三页，2022年，8月28日4.2.1基本原理前置放大主放大偏压控制均衡定时判决解码AGC定时提取4.2光接收机第十四页，共五十三页，2022年，8月28日4.2.2基本电路光检测和前置放大电路主放大电路均衡放大电路基线处理定时再生输出电路第十五页，共五十三页，2022年，8月28日4.3线路码型为什么编码？1）为使接收再生电路把相位或频率锁定到信号定时上；2）光接收机采用电容耦合，接收机不能对直流或低频分量响应，使长连信号的幅度逐渐下降，经判决电路会产生误码。光纤通信使用的码型：NRZ加扰码mBnBCMI0—011—00或11第十六页，共五十三页，2022年，8月28日NRZ码单极性归零码双极性非归零码双极性归零码Manchester码AMI码HDB3第十七页，共五十三页，2022年，8月28日Unipolarandbipolarcoding第十八页，共五十三页，2022年，8月28日RZandNRZcoding第十九页，共五十三页，2022年，8月28日光纤通信中的码型以2.048Mbit/s为基础的PDH数字系列的码形及速率SDH光纤通信系统中广泛使用的是加扰的NRZ码

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HDB3HDB3HDB3CMI并不都适合在数字光纤通信系统中传输。需码形变换。第二十页，共五十三页，2022年，8月28日

PCM系统中的这些码型并不都适合在数字光纤通信系统中传输。为此，在光端机中必须进行码型变换。在PDH系统中，常用的线路编码有分组码mBnB，1B2B码（CMI、DMI和双相码等）和插入码。

SDH光纤通信系统中广泛使用的是加扰的NRZ码。第二十一页，共五十三页，2022年，8月28日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SDH常用的线路编码第二十二页，共五十三页，2022年，8月28日NRZ码单极性归零码双极性非归零码双极性归零码ManchesterAMI码HDB3第二十三页，共五十三页，2022年，8月28日三阶高密度双极性码（HDB3码）*HDB3码是AMI码的改进，与AMI码一样,也是“1”交替地变换为+1与-１的占空比为50%的归零码。但与AMI码不同的是：HDB3码中的连“0”数被限制为小于或等于3个*HDB3码的编码规则如下:①检查数字序列中0数目。当连“0”数目小于等于3时，HDB3码就是AMI码，+1、-1交替.②当出3个以上连“0”时，将每4个连“0”划作一小节，定义为B00V，称为破坏节。其中V称为破坏点，而B可称为调节点。③V与前一相邻的“1”，极性相同，即破坏了“1”极性交替的规律。同时V还要满足Vi－1、Vi、Vi＋1之间极性交替的规律。V的取值是+1或-1。④B作为调节点，可选0或＋1或－1，以让V同时满足③中的两个要求。第二十四页，共五十三页，2022年，8月28日NRZI：

NRZI是“反相不归零制（Non-ReturntoZeroInverted）”的简称。也就是将NRZ方案中的“1”和“0”的表示方法对调。这种方案虽然解决了连续“1”的问题，但同时又产生了连续“0”的问题。第二十五页，共五十三页，2022年，8月28日分组码：分组码常用mBnB表示，它是把输入码流每m比特分成一组，然后把每组编成n比特输出。每组的m个二进制码，记为mB，变换为n个二进制码，记为nB，因此称为mBnB码，其中m和n都是正整数，通常n＞m，一般选取n=m+1。常用的mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B和17B18B等。

最简单的mBnB码是1B2B码，它是把原信息码的“0”变换为“01”，把“1”变换为“10”。因此最大的连“0”和连“1”的数目不会超过两个，例如1001和0110。但是码速率提高了1倍。第二十六页，共五十三页，2022年，8月28日4B5B编码数据每4个比特用一个5比特码组来编码。由于5个比特比4个比特多出一倍编码，因此有很大的选择余地，可从中挑选适当的编码。既解决连续0的问题，又可适当考虑到码流中直流分量的平衡。任一个5比特码组选择为最多1个前导0和最多2个尾0。即在编码后的比特流中最多出现3个连续的比特0。然后用NRZ-I编码传输该5比特码组，传输效率可达80%。NRZ-I本身能处理连续比特1的问题。应用:FDDI局域网中采用4B5B编码第二十七页，共五十三页，2022年，8月28日数据

11111000001111014B/5B11101100101010111011第二十八页，共五十三页，2022年，8月28日5B6B编码6个比特位的码组集合中3个1和3个0的码组就有20个，有利于码流中直流分量的平衡。实现方法:

数据每5个比特用一个6比特码组来编码。将选择好的6比特码组之集合分为正、负两种模式，正负模式除各含19个0和1平衡的码组外，正模式中含有4个1和2个0的码组13个，负模式中含有4个0和2个1的码组13个。在传输时，正、负模式的码组交替发送，以求得最大的直流分量的稳定和平衡。第二十九页，共五十三页，2022年，8月28日第三十页，共五十三页，2022年，8月28日扰码

SDH光纤通信系统中广泛使用的是加扰的NRZ码，它是利用一定规则对信号码流进行扰码，经过扰码后使线路码流中的“0”和“1”出现的概率相同，因此码流中不会出现长连“0”或长连“1”的情况，从而有利于接收端提取时钟信号。信号序列扰乱方法有：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。第三十一页，共五十三页，2022年，8月28日4.4系统设计4.4.1系统结构和限制1）系统结构

点对点分配网络集线树形结构总线结构局域网络环形结构星型结构第三十二页，共五十三页，2022年，8月28日光纤通信系统设计考虑的问题1)开通速率的考虑2)工作波长的选择3)光纤类型的选择4)光元器件的选择5)码型和带宽的选择6)占空比7)误码率的分配第三十三页，共五十三页，2022年，8月28日2）损耗限制系统光纤的吸收和其他损耗限制了通信距离。工作波长损耗中继距离0.85μm2.5dB/km10-30km1.3μm0.3dB/km100-200km1.55μm0.2dB/km>200km带宽满足要求，系统中继距离只受损耗限制。第三十四页，共五十三页，2022年，8月28日3）色散限制系统

光纤色散导致光脉冲展宽，从而构成系统BL乘积的限制。当色散限制传输距离小于损耗限制的传输距离时，称为色散限制系统。第三十五页，共五十三页，2022年，8月28日色散系统带宽估算850nm系统阶跃多模光纤：BL<C/(2n1*Δ)—模色散为主C光速n1纤芯折射率Δ相对折射率差B为1Mb/sL<10km渐变折射率光纤：BL<2C/(2n1*Δ2)—模色散为主C光速n1纤芯折射率Δ相对折射率差B为100Mb/s仍为损耗受限系统BL可以达到2Gb/s*km第三十六页，共五十三页，2022年，8月28日1300nm系统

BL<4│D│σλ

—材料色散为主

D为色散系数，一般为1-2pS/km∙nm

σλ为光源的均方根谱宽BL可以达到125Gb/s*km一般B<1Gb/s仍为损耗受限系统，B>1Gb/s时为色散受限系统。

第三十七页，共五十三页，2022年，8月28日1550nm系统色散较大，一般为色散受限系统。以材料色散为主。用窄带单纵模激光器可以增大带宽。B>5Gb/s时为色散受限系统。但由于频率啁啾（chirp）对于2Gb/s的系统，中继距离为75km。使用色散位移光纤可以使BL达到1600Gb/s*km。在码率20Gb/s下，中继距离可以达到80km。第三十八页，共五十三页，2022年，8月28日材料色散为主受限系统设计色散受限系统可达的再生段距离的最坏值可用下式估算：

Ld=DSR/Dm

其中DSR为S点和R点之间允许的最大色散值，可以从相关的标准表格中查到，Dm为允许工作波长范围内的最大光纤色散系数，单位为ps/（nm·km），可取实际光纤色散分布最大值。例：某光纤系统允许最大色散值DSR(或Dmax)为1200ps/nm，所用光纤的色散系数为17ps/nm*km。求色散受限最大传输距离。解：Ld=DSR/Dm=1200(ps/nm)/17(ps/nm*km)=70.6(km)第三十九页，共五十三页，2022年，8月28日（1）多纵模激光器（MLM-LD）和发光二极管（LED）

式中fb是线路信号比特率，单位为Mbit/s；Dm是光纤色散系数，单位为ps/（nm·km）；δλ是光源的均方根谱宽，单位为nm；ε是与色散代价有关的系数，当光源为多纵模激光器（MLM−LD）时，ε取0.115，若为发光二极管，ε取0.306。例：某光纤系统信号比特率为155Mb/s，所用光纤的色散系数为17ps/nm*km。用LED光源，带宽2nm。求色散受限最大传输距离。解：=106x0.306/155x17x2=58km第四十页，共五十三页，2022年，8月28日（2）单纵模激光器（SLM-LD）

α为啁啾系数，普通DFB激光器，α=4～6；量子阱激光器，α=2～4；

λ为波长（单位为nm）

fb为线路信号比特率（单位为Tbit/s）。例：

以2.4Gbit/s系统为例，假设工作波长λ为1550nm，Dm为17ps/（nm·km），则采用普通量子阱激光器（设α=3）和EA调制器（设α=0.5）后，传输距离可以分别达101km和607km。第四十一页，共五十三页，2022年，8月28日4.4.2功率预算光纤通信系统的光功率必须满足下式：

Pout=Prec+Ltot+PmPout为平均数出光功率dBmPout=10lg(P(mW)/1mW)Prec为接收灵敏度dBmPrec=10lg(P(mW)/1mW)Ltot所有损耗dBPm为功率余量dB第四十二页，共五十三页，2022年，8月28日光缆数字线路系统设计的基本方法是最坏值设计法。所谓最坏值设计法，就是在设计再生段距离时，将所有参数值都按最坏值选取，而不管其具体分布如何。按照ITU−T建议G.957的规定，允许的光通道损耗PSR为

PSR

=PT−PR−PP

PT为光发送功率；PR为光接收灵敏度；PP为光通道功率代价。损耗受限系统设计第四十三页，共五十三页，2022年，8月28日

PP在实际中可以等效为附加接收损耗，可扣除，于是实际S-R点的允许损耗为

式中Af表示再生段平均光缆衰减系数（dB/km），

AS是再生段平均接头损耗（dB），

Lf是单盘光缆的盘长（km），

Mc是光缆富余度（dB/km），

AC是光纤配线盘上的附加活动连接器损耗（dB），这里按两个考虑。下图形象地演示了整个光通道损耗的组成。光纤损耗融接头损耗富余度活动接头损耗第四十四页，共五十三页，2022年，8月28日

在中继距离的设计中应考虑衰减和色散这两个限制因素，因而对于中继距离的设计可分两种情况来讨论。

第一种情况是损耗受限系统，即再生段距离由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，即再生段距离由S和R点之间的光通道总色散所限定。光通道损耗的组成第四十五页，共五十三页，2022年，8月28日4.4.3传输距离的估算损耗受限系统简单计算：

L(km)=(发射光功率―接收灵敏度―接头损耗―富余度)/光纤衰减系数即：L(km)=（Pout-Prec-Ac-Pm）/Af典型参数：平均输出光功率：-20dBm~0dBm接收灵敏度：-60dBm~-30dBm固定接头：0.2~0.5dB活动接头：1~2dB富余度：6~9dB第四十六页，共五十三页，2022年，8月28日例1：一对光端机发射机的发射平均功率为2mW，接收灵敏度为1μW，计算以dBm表示的发射平均功率和接收机的灵敏度。如果将这对光端机用在衰减系数为0.5dB/km的光缆上，两端接头损耗都为2dB，保留6dB富余度，求中继距离（不考虑中间接头损耗）。例2：一光纤通信系统，要求通信距离