第4章 光纤通信系统.ppt
94页
第第4章 光纤通信系统章 光纤通信系统4.1 IM-DD光纤通信系统光纤通信系统4.2 衰减和色散队中继距离的影响衰减和色散队中继距离的影响4.3 噪声及灵敏度分析噪声及灵敏度分析1 4.1 IM-DD光纤通信系统 4.1.1 光纤通信中的线路码型4.1.2 IM-DD光纤通信系统的结构2 4.1.1 光纤通信中的线路码型•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 –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 3 4.1.1 光纤通信中的线路码型•在PDH光纤通信系统中是通过重新编码，通常称为线路编码，即在原有的码流中插入脉冲•在PDH光纤通信系统中，常使用的线路编码有分组码、伪双极性码(CMI和DMI)和插入码•使用不同的•线路编码，光端机的输出信号速率不同因此在PDH系统中仅具有标准的电接口，而无标准的光接口•但在SDH系统中，SDH信号速率与其线路速率是相同的4 4.1.2 IM-DD光纤通信系统的结构1．光发射机2．光接收机3．光纤通信系统5 1．光发射机(1) 光源的调制特性•光源所采用的调制方式包括内调制和外调制（也称为直接调制或间接调制）。
•在IM-DD光纤通信系统中，采用的是内调制•通常内调制适用于半导体光源 •据调制信号的性质不同，内调制又可分为模拟信号的调制和数字信号的调制 6 1．光发射机•图4-1 半导体光源的直接调制原理 7 1．光发射机•图4-2 光数字发射机原理图 8 1．光发射机(2) 对光发射机的要求① 光源的发光波长要合适② 合适的输出光功率③ 较好的消光比④ 调制特性好此外还希望光发射机的稳定性好，光源的寿命长等9 1．光发射机(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 ① 均衡放大② 码型变换③ 复用•复用是指利用一个大的传输信道来同时传送多个低容量的信息以及开销信息的过程 10 1．光发射机(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 ④ 扰码•为了保证所提取时钟的频率以及相位与光发射机中的时钟信号一致，必须避免所传信号码流中出现长“0”或长“1”的现象•解决这一问题的方法就是扰码，即在发送端加入一个扰码电路，而在接收端则要加一个与扰码相反的解扰电路，以恢经过扰码后的数字信号通过调制电路对光源进行调制，让光源发出的光信号强度跟随信号•码流的变化，形成相应的光脉冲送入光纤复信号码流原来的状态。
⑤ 时钟11 1．光发射机(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 ⑥ 调制(驱动)•经过扰码后的数字信号通过调制电路对光源进行调制，让光源发出的光信号强度跟随信号码流的变化，形成相应的光脉冲送入光纤 12 1．光发射机•图4-3 LG1625激光驱动器原理图 13 1．光发射机•图4-4 LG1625与246型激光器的连接示意图 14 1．光发射机(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能⑦ 自动功率控制•由于老化等因素的影响，使得光发射机的光源在使用一段时间之后，出现输出光功率降低的现象•为了保持光源输出功率的稳定，在光发射机中常使用自动功率控制(APC)电路 15 1．光发射机•图4-5 激光器老化使输出光功率降低 16 1．光发射机•图4-6 激光器温度变化引起输出功率的变化 17 1．光发射机•图4-7 自动功率控制电路 18 1．光发射机(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能⑧ 自动温度控制 •特性曲线对环境温度的变化反映很灵敏，使输出光功率的大小随温度出现变化•在环境温度发生变化时，为了能使激光器的输出特性保持稳定，在发射机盘上需安装自动温度控制(ATC)电路。
19 1．光发射机•图4-8 环境温度变化引起输出光功率的变化 20 1．光发射机•图4-9 自动温度控制电路方框图 21 2．光接收机(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能⑨ 其他保护、监测电路•LD保护电路•无光告警电路 22 2．光接收机•图4-10 数字光纤通信接收光端机方框图 23 2．光接收机① 光电检测器•光电检测器的作用是将由发送光端机经光纤传过来的光信号转变为电信号，即具有光/电转换功能•目前广泛使用的光电检波管是PIN管和雪崩光电二极管，前者称为半导体光电二极管后者又称为APD管后者具有信号放大的作用 24 2．光接收机② 前置放大器•由于这个放大器与光电检测器紧紧相连，故称前置放大器•对多数放大器的前级提出特别的要求是非常必要的，它应具有低噪声、高增益的特性，这样才能得到较大的信噪比•由于跨阻型前置放大器不仅具有宽频带、低噪声的优点，而且其动态范围也比高阻型前置放大器改善很多，因此在光纤通信中得到广泛的使用 25 2．光接收机•图4-11 1319型高速光纤接收组件 26 2．光接收机③ 放大器•主放大器的作用有下述两个方面–将前置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的信号电平。
–它还是一个增益可调节的放大器•一般主放大器的峰—峰值输出是几伏数量级27 2．光接收机•图4-12 LG1605限幅放大器 28 2．光接收机④ 均衡器•拖尾现象•采用均衡器来使经过其后的波形，在本码判决时刻，其瞬时值应为最大值；而这个本码波形的拖尾在邻码判决时刻的瞬时值应为零•这样，即使经过均衡后的输出波形仍有拖尾，但是这个拖尾在邻码判决的这个关键时刻为零，从而不干扰对邻码的判决29 2．光接收机•图4-13 未经均衡出现的脉冲拖尾现象 30 2．光接收机•图4-14 单个脉冲均衡前后波形的比较 31 2．光接收机⑤ 判决器和时钟恢复电路•判决器由判决电路和码形成电路构成•判决器和时钟恢复电路合起来构成脉冲再生电路•脉冲再生电路的作用是将均衡器输出的信号恢复成理想的数字信号 32 2．光接收机•图4-15 信号再生示意图 33 2．光接收机•图4-16 时钟恢复电路方框图 34 2．光接收机•图4-17 时钟恢复电路波形图 35 2．光接收机•图4-18 NRZ码的功率谱密度分布图 36 2．光接收机•图4-19 RZ码功率谱密度分布图 37 2．光接收机•图4-20 一种非线性处理电路 38 2．光接收机•图4-21 非线性处理电路中的波形图 39 2．光接收机⑤ 判决器和时钟恢复电路•调谐放大——它的作用是用非线性处理后的波形来激励调谐放大器，然后在它的谐振回路中选出时钟频率fb的简谐波，经调谐放大后的波形如图4-17(d)所示。
•限幅——经过限幅，可将上述简谐信号波形变为如图4-17(e)所示的波形•整形、移相——整形电路将经限幅后的波形变为矩形脉冲；移相网络再将此矩形脉冲串的相位调整到最佳判决时所需要的相位，最后得到如图4-17(f)所示的时钟信号40 2．光接收机⑤ 判决器和时钟恢复电路•判决电路和码形成电路可由与非门电路和R-S(复位—位置)触发器来构成 41 2．光接收机•图4-22 脉冲再生电路原理方框图 42 2．光接收机⑥ 光接收机的动态范围和自动增益控制•光接收机的动态范围D是在保证系统的误码率指标要求下，光接收机的最低输入光功率(用dBm来描述)和最大允许输入光功率(用dBm描述)之差，其单位为dB•它表示光接收机正常工作时，光信号应有一个范围，这个范围就是光接收机的动态范围 43 2．光接收机⑥ 光接收机的动态范围和自动增益控制•光接收机的自动增益控制(AGC)就是用反馈环路来控制主放大器的增益，在采用雪崩管的光接收机中还通过控制雪崩管的高压来控制雪崩管的雪崩增益 44 2．光接收机•图4-23 自动增益控制工作原理方框图 45 2．光接收机⑦ 解扰、解复用和码型变换电路•在光发射机中首先进行码型变换。
•在光发射机中对数字码流进行扰码处理•还需将判决器输出的信号进行解扰码和码型变换处理以恢复原码流•发送端根据所输入信号的性质不同，将会采用不同的复用方式以提高信道的利用率，因而接收端则需进行相反的操作，即解复用46 2．光接收机⑧ 辅助电路•辅助电路包括箝位电路、温度补偿电路和告警电路等 47 2．光接收机•图4-24 STM-16光接收器电原理图 48 3．光纤通信系统•图4-25 IM-DD光纤通信系统原理框图 49 3．光纤通信系统(1) 光中继器•光脉冲信号从光发射机输出经光纤传输若干距离以后，由于光纤损耗和色散的影响，将使光脉冲信号的幅度受到衰减，波形出现失真，这样就限制了光脉冲信号在光纤中做长距离的传输 50 3．光纤通信系统•图4-26 最简单的光中继器原理方框图 51 3．光纤通信系统•图4-27 实用的中继器方框图 52 3．光纤通信系统(2) 监控系统•监控系统为监视、监测和控制系统的简称•在光纤通信的监控系统中，通常采用的是集中监控方式① 监控内容•监控的内容分别包括监视和控制两部分② 监控信号的传输•在数字通信系统中采用时分复用的方式来完成监控信号的传输，但不同的传输体制，其监控信号的传输方式有所区别。
53 4.2 衰减和色散对中继距离的影响4.2.1 衰减和色散对中继距离的影响4.2.2 10Gbit/s及10Gbit/s以上的SDH光线路4.2.3 使用光放大器的SDH高速线路54 4.2.1 衰减和色散对中继距离的影响1．衰减对中继距离的影响2．色散对中继距离的影响3．最大中继距离的计算55 1．衰减对中继距离的影响•一个中继段上的传输衰减包括两部分，其一是光纤本身的固有衰减，再者就是光纤的连接损耗和微弯带来的附加损耗•构成光纤损耗的原因很复杂，归结起来主要包括两大类：吸收损耗和散射损耗 •引起光纤损耗的因素还有光纤弯曲和微弯产生的损耗以及纤芯与包层中的损耗等等 56 2．色散对中继距离的影响 •光纤自身存在色散，即材料色散、波导色散和模式色散•对于单模光纤，因为仅存在一个传输模，故单模光纤只包括材料色散和波导色散•除此之外，还存在着与光纤色散有关的种种因素，其中比较重要的有三类：码间干扰、模分配噪声和啁啾声 57 2．色散对中继距离的影响 (1) 码间干扰对中继距离的影响 •系统的传输速率越高，光纤的色散系数越大，光源谱宽越宽 58 2．色散对中继距离的影响 (2) 模分配噪声对中继距离的影响① 激光器的光谱特性 ② 模分配噪声的产生及影响59 2．色散对中继距离的影响•图4-28 普通激光器的静态和动态谱线 60 2．色散对中继距离的影响•图4-29 高速调制时多纵模的随机起伏 61 2．色散对中继距离的影响(3) 啁啾声对中继距离的影响 •对于处于直接强度调制状态下的单纵模激光器，其载流子密度的变化随注入电流的变化而变化。
这样使有源区的折射率指数发生变化，从而导致激光器谐振腔的光通路长度相应变化，结果致使振荡波长随时间偏移，这就是频率啁啾现象•因为这种时间偏移是随机的，因而当受上述影响的光脉冲经过光纤后，在光纤色散的作用下，可以使光脉冲波形发生展宽，因此接收取样点所接收的信号中就会存在随机成分，这就是一种噪声——啁啾声 62 3．最大中继距离的计算 •中继距离是光纤通信系统设计的一项主要任务•在中继距离的设计中应考虑衰减和色散这两个限制因素 63 3．最大中继距离的计算 (1) 衰减受限系统•在衰减受限系统中，中继距离越长，则光纤通信系统的成本越低，获得的技术经济效益越高•极限值设计法 64 3．最大中继距离的计算 （2） 色散受限系统① 光纤的色散与带宽② 光纤每公里带宽与L公里带宽间的关系③ 光纤带宽与半功率点宽度W之间的关系④ 色散受限距离 a 多纵模激光器（MLM）和发光二极管（LED） b 单纵模激光器（SLM） c 采用外调制器65 4.2.2 10Gbit/s及10Gbit/s以上的SDH光线路1．光源频率啁啾影响 2．光纤的色散特性影响 3．极化模色散的影响 4．系统功率预算限制 66 1．光源频率啁啾影响•为了能够直观地度量其影响，因此引入啁啾系数a来评估光源的频率啁啾影响。
•啁啾系数的定义如下： 67 2．光纤的色散特性影响•通常将接收机灵敏度下降1dB光纤长度称为色散受限距离 •通常在采用单纵模激光器的光纤通信系统中，影响接收灵敏度的因素有两个，其一是传输信号的速率（即信号的信息带宽），其二是频率啁啾 68 3．极化模色散的影响•理论上单模光纤中只传输一个基模，但实际上在单模光纤中的基模存在两个模式，即横向电场沿y方向极化和沿x方向极化的的两个模式，它们的极化方向相互垂直，这两种模式分别为LP01x和LP01y •但在实际光纤中，由于光纤形状、折射率以及应力等分布的不均匀，两种模式的纵向速度不同，从而导致相移不同，在时间上表现为不同极化态之间的群时延不同，使脉冲波形出现展宽现象 69 4．系统功率预算限制•系统功率预算是指光纤通信系统中光源输出功率与接收灵敏度之差•为了避免光纤工作于非线性状态，通常，光源输出光功率不得超过3dBm•另外，信号经信道传输时或多或少都会受到信道噪声的影响•为了解决传输距离较短的问题，人们在光纤通信系统中采用掺饵光纤放大器（EDFA） 70 4.2.3 使用光放大器的SDH高速线路1．使用EDFA的光纤通信系统的主要优点 2．EDFA在光纤通信系统中的应用 3．无电再生的最大中继距离 4．EDFA在级联中可能出现的问题及解决方法 71 1．使用EDFA的光纤通信系统的主要优点（1） 可扩展中继距离。
（2） 具有透明性（3） 可作中继器使用，节约成本4） 可扩大用户数72 2．EDFA在光纤通信系统中的应用•EDFA在光纤通信系统中的主要作用是延长中继距离，当它与波分复用技术、光孤子技术相结合时，可实现超大容量、超长距离的传输 （1） 作为前置放大器（2） 作为功率放大器（3） 作光中继器使用73 2．EDFA在光纤通信系统中的应用•图4-30 EDFA的应用 74 3．无电再生的最大中继距离•在使用光放大器的光纤通信系统中同样要考虑衰减和色散的影响•衰减受限光纤通信系统的中继距离可以表示为75 4．EDFA在级联中可能出现的问题及解决方法（1） 噪声积累影响（2） 光纤的非线性限制（3） 增益均衡76 4．EDFA在级联中可能出现的问题及解决方法•图4-31 EDFA增益不平坦性对多级级联的影响 77 4.3 噪声及灵敏度分析 4.3.1 IM-DD光纤通信系统噪声及灵敏度 4.3.2 EDFA的级联系统78 4.3.1 IM-DD光纤通信系统噪声及灵敏度1．接收机噪声2．接收灵敏度79 1．接收机噪声（1） 散粒噪声和热噪声•散粒噪声是指围绕一个平均统计值做随机起伏波动的、由光电检测器件自身产生的一种噪声。
•热噪声是由于电子在光电检测器的负载电阻RL上做随机运动，而产生的电流随机起伏的现象，使所传输的信号附加上了一种噪声，这种附加噪声就是热噪声80 1．接收机噪声（2） 光接收机的SNR•PIN只对所接收的信号进行光电转换，而无放大功能•而APD除具有光电转换功能外，还具有信号放大功能，即其平均输出功率为IP=RGPin，其中R为响应度•SNR随Pin线性增大，而且与量子效率η、接收机的带宽Δf以及光子能量hf有关•最佳平均雪崩增益（Gmax） 81 1．接收机噪声•图4-32 1.55μm InGaAs APD接收机最佳APD增益Gmax与入射光功率Pin的关系82 2．接收灵敏度•接收灵敏度是指在满足给定误码率（BER=1×10-10）条件下，光接收机能够接收到的最小平均光功率•接收灵敏度是与系统误码性能有关的物理量83 2．接收灵敏度（1） 误码率•误码率是指这两种情况下的误码概率可用下式给出： 84 •图4-33 比特误码率和Q参数的关系 85 2．接收灵敏度（2）Q与接收灵敏度之间的关系 86 4.3.2 EDFA的级联系统 1．级联光放大器系统的信噪比 2．级联光放大器系统的接收灵敏度 87 1．级联光放大器系统的信噪比 （1） 自发辐射噪声•基中自发辐射的光子中的一部分叠加在放大的光纤传输模上一起沿光纤传输，并会被后面的放大器放大，这就产生了自发辐射噪声（ASE）。
•ASE的总功率是由带宽为B0的光纤中所有模式所携带的ASE的积累•ASE总功率为88 1．级联光放大器系统的信噪比 （1） 自发辐射噪声•自发辐射因子nsp表示了放大器中粒子反转能力的大小，可用下式表示：89 1．级联光放大器系统的信噪比 （2） 光放大器的级联影响•由于放大的自发辐射噪声在到达光接收机之前是呈现积累关系，严重时会影响系统性能•解决这一问题的方法是路的适当处加入光—电—光中继器，将此噪声去除 90 2．级联光放大器系统的接收灵敏度（1） EDFA作为前置放大器的直接检测系统•当光纤通信系统中使用了光放大器，此时系统中不仅存在散粒噪声、热噪声，而且还会受到放大 的自发辐射的影响 91 2．级联光放大器系统的接收灵敏度•图4-34 采用EDFA作前置放大器时的接收灵敏度与FA和光滤波器带宽的关系 92 2．级联光放大器系统的接收灵敏度•(2) 放大器的级联•在EDFA级联光纤通信系统中，一方面其中每个光放大器都会产生放大器自发辐射(ASE)噪声，并沿线路继续传输，且与信号一起被后面的光放大器放大，放大后的自发辐射噪声在到达光接收机之前积累，并影响系统性能；另一方面当ASE电平增加时，它逐渐使光放大器出现饱和，并减小信号增益，在接收端SNR甚至下降更多。
93 2．级联光放大器系统的接收灵敏度•图4-35 信号功率PS和ASE功率PASE沿级联光放大器线路的变化 94 。
