第8章数字传输系统1

第8章数字传输系统教学内容点到点链路链路的功率预算、展宽时间预算、光纤链路的传输距离；线路编码NRZ码、RZ码、分组码；纠错；噪声对系统性能的影响；基本要求了解整个光纤通信系统的组成；系统的性能指标；能简单进行光纤数字通信系统的总体设计。问题引出前面论述了光纤传输链路的各个模块（传输介质光纤、光源、光检测器、接收机及其它的无源器件）的基本特性。这一章我们将研究将这些分立的器件如何组合在一起，形成一条完整的光纤传输链路。8.1点到点链路－－最简单的传输链路，该链路一端为光发射机，另一端为接收机。光纤链路的设计涉及许多相互关联的变量参数（光纤、光源、检测器等）。性能和成本是光纤链路设计中很重要的制约因素。图8.1单工点到点光纤链路在设计一个系统时必须考虑：预期的传输距离数据速率或信道带宽误码率（BER）根据上述要求，选择有关器件和相关特性参数（1)多模或单模光纤纤芯尺寸纤芯折射率剖面带宽或色散损耗（2)数值孔径或模场直径LED或LD光源发射波长谱线宽度输出功率有效辐射区发射方向图发射模式数量（3)pin或雪崩光电检测器响应度工作波长速率灵敏度8.1.1系统设计为获得预期系统性能，必须进行两种分析：链路功率预算和系统展宽时间预算。

系统部件的选择选择部件之前，应对将要设计的系统的情况和指标有所了解。如系统的比特率，误码率以及传输距离；对传输模拟信号的光纤通信系统，则应了解其信号带宽、信噪比和传输距离。1.工作波长的选择若传输距离长，选用1.31um的长波长波段。若传输码高，选用1.31um的单模光纤。对传输距离短，码速不高的系统可选0.86um波段。2.光源的选择选取LED还是LD，需要考虑一些系统参数，如色散、数据速率、传输距离和成本等。激光器比LED输出光功率高，谱线窄，应用单模光纤传输时色散小。适用于长距离高码速的光纤通信系统中采用。波长800nm～900nm：LED的谱宽和石英光纤的色散特性把带宽距离积限制在150（Mb/s）.km左右。如要达到更高的数值如2500（Mb/s）.km，则必须使用LD。波长1.3μm：该区域光纤的色散很小，使用LED就可以得到1500（Mb/s）.km的带宽距离积。使用LD，该波长区域上的带宽距离积可以超过25（Gb/s）.km2.光源的选择波长1.55μm：单模光纤的极限带宽距离积可达到500（Gb/s）.km光功率偶合：LD偶合进光链路的光功率比LED高10dB到15dB。但激光与发光二级管相比，它的寿命相对较低，价格高，稳定性差，调制电路复杂。发光二极管寿命长，价格低，受温度影响小，工作稳定，调制电路简单，但发光功率低，谱线宽。适于工作在距离短，码速低的光纤通信系统中。加在光检测器上所需的最小光功率、设计成本和复杂程度（pin和雪崩二极管）PIN管的偏压电路简单、价格较低。但是，使用PIN管时光接收机的灵敏度较使用APD管的低。APD管偏压高，偏压电路复杂，价格亦高。但灵敏度高。3.光电检测器的选择4.光纤的选择单模光纤：理论上无模式色散，适用于长距离、高码速情况。但芯径细，连接比多模光纤困难。多模光纤：有模式色散，不适于工作在长距离，高码速的情况，但便于连接。8.1.2链路功率预算图8.2给出点到点链路的光功率损耗模型。检测器接收的光功率取决于：偶合进光纤的光功率；发生在光纤、连接器和熔接点的损耗。各个部分的损耗用分贝（dB）表示为：损耗＝10log(Pout/Pin)（8.1）Pin和Pout分别表示该损耗单元的输入功率和输出功率链路的损耗预算可由链路上各个部分损耗的总和推出。总光功率损耗PT为：PT=Ps-PR=2lc+αfL+系统富余度（8.2）Ps：尾纤端发出的光功率，PR：接收机的灵敏度，lc：连接器损耗，αf：光纤衰减（dB/km），L：传输距离，系统富余度：6dB光纤链路功率预算计算方法图8.3接收机灵敏度曲线(1)公式法例8.1：数据速率为20Mb/s误码率为：10-9解：选择工作在850nm的Sipin光电二极管，由图8.3可得接收机所需的信号功率为：-42dBm选择GaAlAsLED，把50uW（-13dBm）光功率偶合进尾纤，则允许损耗为：-13-(-42)=29dBm传输距离由（8.2)式得到：PT=Ps-PR=29dB=2(dB)+αfL+6dB若αf＝3.5dB/km，则L＝6.0km(2)图示法图8.4链路损耗预算图纵轴表示发送机和接收机之间允许的光功率损耗，横轴表示传输距离。相交点D的位置即可决定最大的传输距离。尾纤输出功率：－13dBm灵敏度：－42dBm最大距离：6Km总富余度＝-13-1-(-42)-1－6=21dB(3)列表法例8.2器件/损耗参数(dB)输出/灵敏度/损耗功率富余度激光输出3dBmAPD在2.5Gb/s时的灵敏度-32dBm允许损耗[3-(-32)]35光源连接器损耗1dB34跳线＋连接器损耗3+1dB30光缆损耗（60km）18dB12跳线＋连接器损耗3+1dB8接收机连接器损耗1dB7(最终富余度)8.1.3展宽时间预算―确定光纤链路中色散限制的一种简便的方法是进行展宽时间分析（适用于数字系统）。由于色散的影响，造成数字信号脉冲过大的展宽，引起码间干扰，而造成光接收机的灵敏度降低。Rise-timebudget脉冲展宽的程度可以用脉冲的上升时间来描述。光纤数字通信系统的基本码型（1）NRZ码NRZ码中，传输的数据占满一个比特周期，充满一个完整周期的电流脉冲或光脉冲为1，没有脉冲发送则代表0。没有误差监控和纠错能力。Fig.8-7:NRZ-LdatapatternRZ码（2）RZ码每个数据比特编为两个光线路码比特。单极RZ码中，“1”码由一个在比特周期的前半部或后半部的半周期光脉冲表示，“0”码则由比特周期内无信号表示。Fig.8-9:RZdataformats单极RZ格式的一个缺点是长的连0码会导致定时同步的丢失。光曼彻斯特码（3）光曼彻斯特码对基带(NRZ-L)信号和时钟信号直接进行模二加(异或)运算所得。Fig.8-9:RZdataformats单极RZ格式的一个缺点是长的连0码会导致定时同步的丢失。光曼彻斯特码没有这种限制。这种码的每个比特间隔的中心处都有电平变换：负向变换表示1比特，正向变换表示0比特。8.1.3展宽时间预算总的系统展宽时间为：

tsys=[ttx

2+tmod2+tGVD

2+trx2]1/2ttx

：发射机上升时间；

tmod：中继段光纤模式色散引起的上升时间；tGVD

：中继段光纤材料色散引起的上升时间；trx

：光接收机引起的上升时间（1)数字信号码元周期与信号带宽的关系对非归零码（NRZ）Bc=1/2Ts归零码（RZ）Bc=1/Ts（2)一个光纤系统可近似为一个低通滤波器tc=0.44/Bctc：上升时间；Bc：带宽（3)根据信号码元周期确定系统上升时间TsRZts=0.35TsNRZts=2×0.35Ts=0.7Ts光纤群速率色散（GVD）展宽TGVD

tGVD≈|D|Lбλ(8.5)D:色散系数，бλ：光源的半功率谱宽发射机展宽ttx计算

决定于光源和调制电路：（4.50)光纤模式色散展宽Tmod(8.16)B0：每公里带宽L：光纤长度q：系数（0.5～1之间取值）单模:q=1多模：一般取q=0.7左右接收机展宽trx计算

trx=350/Brx（1/MHZ）(ns)(8.4)接收机的展宽时间由光检测器响应和接收机前端的3dB带宽决定。接收机上升时间决定于光电检测器和前置放大器的3dB带宽Brx总的系统展宽时间为：

tsys=[ttx

2+tmod2+tGVD

2+trx2]1/2(8.17)等式中所有时间都用ns表示。将最大中继器距离L代入上式，将有关数据代入，即可对上升时间进行核算。这也就是对整个光纤系统的时间展宽（色散）进行核算。例：例8.3例8.48.1.4第一窗口传输距离系统的无中继传输距离受衰减和色散限制，无中继传输距离是数据速率的函数。速度≥200Mb/s,色散成为主要限制因素。速度≥40Mb/s,色散成为主要限制因素。8.1.5单模光纤链路的传输距离

8.2线路编码信号源是光源，传输手段是光导纤维，光纤中传输什么码型比较合适？一、数字通信中传输码型的一般要求图8-4取样和编码脉冲取样和量化编码脉码调制，简称PCM（Pulse－CodeModulation）。为了保证通信质量，对码流提出以下要求：①定时信息要丰富：②连”0”或连“1“码的数量不要太多；③基线漂移要小或直流电平漂移量要小，④要有一定的规律。如果线路码或码流不满足上述要求，将发生以下问题：①引起不良的抖动特性，使定时提出发生困难；②长的“0’或”1”的码流将会使信号脉冲的直流电平发生漂移．降低系统的传输质量；③数字序列没有一定的规律，通信期间无法监测线路的误码率。PCM端机输出端口的接口码型为：HDB3码（HetghtDensityBipolar3）。其码型图如图8－5所示。图8-5HDB3码特点：码型图中的连”0”数被控制在三个以下，有十1、0和－1三个电平值，没有直流分量的漂移。二、光纤数字通信系统的基本码型（1）NRZ码NRZ码中，传输的数据占满一个比特周期，充满一个完整周期的电流脉冲或光脉冲为1，没有脉冲发送则代表0。没有误差监控和纠错能力。Fig.8-7:NRZ-LdatapatternRZ码（2）RZ码每个数据比特编为两个光线路码比特。单极RZ码中，“1”码由一个在比特周期的前半部或后半部的半周期光脉冲表示，“0”码则由比特周期内无信号表示。Fig.8-9:RZdataformats单极RZ格式的一个缺点是长的连0码会导致定时同步的丢失。光曼彻斯特码（3）光曼彻斯特码对基带(NRZ-L)信号和时钟信号直接进行模二加(异或)运算所得。Fig.8-9:RZdataformats单极RZ格式的一个缺点是长的连0码会导致定时同步的丢失。光曼彻斯特码没有这种限制。这种码的每个比特间隔的中心处都有电平变换：负向变换表示1比特，正向变换表示0比特。图8-7传输长连NRZ－L码时引起的接收机基线漂移效应三、光纤通信中常用的码型（1)码型选择考虑除两电平码（0，1）外，还应考虑到：①避免在信码流中出现长”0”和长”1”码②能进行不中断业务的误码监测HDB3码是利用双极性码中正、负极性的有规律交换来实现误码监测的。单极性码，需另想措施来实现不中断误码监测。③尽量减少信码中直流分量的起伏第一方案中．线路码流中的连“0”或连”1”码数是随机的.第二方案中，其连“0’或连”1”码数可以准确确定。同时，又可以利用冗余码对系统进行监测.将PCM的双极性码变为单极性码的重新主要采用以下两个方案:

①对输入的信号码进行扰码，使线路码流中的”0’码和“l”码出现的概率相等。

②对输入的信号码附加冗余码．把连”0”码数或连“1”码数控制在一定的范围内或控制在一定长度内。mBnB码（分组码BlockCode）mBnB码将m个二进制输入码编为n个二进制的线路码，使线路码速提高n/m倍.输入信号以m个码为一个字,而线路码则以n个码为一个字.

有多种形式：1B2B码、2B3B码、3B4B码和5B6B码等等。①1B2B码输入码字1B2B码模式1d模式2d0010010100-211+2表8-21B2B编码方案图8-81B2B编码举例把原来的交替双极性归零码变换成单极性的非归零码即1B2B码的编码②5B6B码5B6B码是常用码型。它是将5位的二进制码编为6位二进制的线路码。如果原来码速为140Mb/s，当采用5B6B编码制之后．线路码速提高到160Mb/s。与1B2B码相比．码速提高不大，但是它所需编译码设备的复杂程度却大许多。

a)编码：将原始码流中每5位码元分成一组，然后，再将这组5位码变换为6位码。

b）码流”平衡”情况的分析C）码组的选用在5B6B的64个码组中，只用了20＋2×12＝44个码组。尚有20个码组未使用。这样，当接收端出现了这20个码组中的任一组，必定在传输过程中出现误码。由此，可通过这种编码方式对系统产生误码进行监测。一般把这种不使用的码组称为禁字。（3)讨论从上面的讨论中可以看出，在mBnB线路码中，由于是按字位编码、译码，所以随字长的增加，尽管其灵敏度损失在逐渐减小，但是码型变换电路的结构却变得越来越复杂。因此，具体选用mBnB线路码中哪一种码型应从码型变换器结构的复杂程度和码型本身对接收灵敏度的损失情况综合考虑。码型内容1B2B3B4B5B6B7B8B灵敏度损失（dB）31.250.80.58设备复杂程度简单比较简单复杂比较复杂表8-3mBnB码对灵敏度的影响和对设备的要求其它码型CMI和DMI码伪双极性码。仅在基群和二次群中使用。插入码型插入奇偶校验码的mB1P码，插入补码的mB1C码。图8-9光纤数字通信系统方框图在现代光纤数字通信系统中．为了充分利用已有的电缆数字通信系统的设备和技术，也为了达到光纤数字通信对传输码流的要求，系统方框图应如图所示。8.3纠错

ARQ模式：若接收机检测出误码，那么在接收机和发送机之间使用反馈信道技术请求消息重发。发送控制器编码器解码器接收控制器传输线反馈信道信源用户前向纠错[FEC)：辅助信息和主信息同时传输，若主信息丢失或接收到误码．辅助信息就可以重构主信息。最常用的纠错码－循环码标记为(n，m)，其中n等于原比特数m加上冗余比特数。例：(224，216)码Fig.8-11:

FECcharacteristics8.4系统性能及其测试最主要的两大性能参数，误码性能和抖动性能。1.误码性能

――反映数