光纤通信系统设计实例.docx

光纤通信系统设计1 概述TRANSMITTERRECEIVERMESSAGE ORIGIN图 1.1 标准光纤通信系统架构2 模拟系统设计Equation Chapter 2 Section 1 光纤系统中，各组件的累加损耗应足够低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2.1 系统规格2.1.1 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 2.1 系统方案一：窄带宽和低功率Carrier SourceLED0.8-0.9umInformation ChannelMMF (SI or GRIN)DetectorPIN-PD表 2.2 系统方案二：高带宽和高功率Carrier SourceLD1.3umInformation ChannelSMFDetectorAPD2.1.2 负载电阻计算已知PIN-PD的电容C和传输带宽f ，根据方程d 3-dBf3-dB12兀R CLd(2.1)求得负载电阻RLR =(2兀C f )-!L d 3 - dB=2 兀(5 x 10-12 )(6 x106)]-1=53050(2.2)取R近似值51000，计算得f 为6.24MHz。

L 3-dB2.2 功率预算2.2.1 平均光功率计算标准的 SNR 方程是S Cm2 2)(MqeP hf)2 R — ”/ 、、 L氏—Mn 2eR Af(I + qep hf )+ 4kTAfL D(2.3)由于使用PIN-PD作为光电探测器，假设系统是热噪声限系统，调制系数m为100%, SNR方程简化为S 0.5 (pP)2R— LN 4kT Af(2.4)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T，假设环境温度T为300K,e放大器噪声系数 F 为 2，则T二FT二600K，又已知PD响应率p为0.5AJW，计算平均光功e4 (1.38 x 10 -23 )(600)(6.24 x 1060.5(0.5 )2(5100 )(2.5)二 5.7yW取P近似值为6yW2.2.2 平均光电流计算根据平均光功率P为6yW ,计算得PIN-PD的平均光电流I二pP二3yA ,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4kT Af 4 (1.38 x 10 -23 )600 (6.24 x106)i2 = =——NT RL二 40.5144nA25100(2.6)散粒噪声电流均方值i2 = 2eIAf二 2(1.6x 10-19)(3x10一6)(6.24x106)(2.7)=5.9904nA2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3yA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55100二9.8x10-4A (或980yA)，远远大于3yA，系统不存在饱和问题2.2.3 详细方案光源SE LED九=0.85pm, P = 1mW,t = 12ns, Af = 35nm,d < 50pmdc rise光纤SI MMFNA = 0.24,f x L = 33MHz x km, a = 5dB/'km, r = 50pm3-dB coreGRIN MMFNA = 0.24,f x L = 500MHz x km, a = 5dBkm, r = 50pm3-dB core2.2.4 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OdBm (lmW),探测器需要-22.2dBm ( 6yW ),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 为耳=NA2 = 0.0576(12.4dB) (2.8)根据方程耳二 NA2.. 2 (2.9)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ldB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4.4dB850nm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 2.4dB 的空间；对于 GRIN 光纤最大链路长度为 4.4/5=0.88km=880m2.3 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2.3.1 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t2 = t2 + t2 + t2 (2.10)S LS F PD 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现0.35f 二 (2.11)3-dB tr由于系统的信号带宽为6MHz，则系统的上升时间t二0.35 6x 106二58.3nss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t 二 2.19R C (2.12)r L d得到PIN-PD的上升时间为t = 2.19R C = 2.19（5100）（5xlO-12）= 55.8ns （2.13）PD L dPD的上升时间远大于典型的器件的转移时间限制（约Ins）,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RL 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t2 = t2 — t2 — t2 = 58.32 —122 — 55.82F S LS PD （2.14）=141要求 t < 11.9nsF 在讨论光纤的带宽——距离允许值前，需要对以下问题进行梳理，方程（2.11）中描述的截止 频率是电功率降至最大值一半时的带宽，然而计算光纤带宽时，应该使用光功率的 3dB 来 计算，事实上当光功率下降一半时，在末端探测器。