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第八章第八章 数字传输系统数字传输系统功率预算和带宽分析线路编码技术噪声来源本章讨论的主要问题8.1 点到点链路点到点链路设计要求：1. 预期 (或可以) 的传输间隔2. 数据速率或信道带宽3. 误码率 (BER)4. 运用寿命系统性能分析：链路功率预算和信号展宽分析1. 确定波长：    - 传输间隔较短，可以选择800 nm到900 nm之间的波长    - 传输间隔较远，可以选择1300 nm或1500 nm附近的波长2. 结合思索光纤链路的三个模块 (接纳设备、发送设备和光纤)      - 模块选择顺序为：检测器  光源  光纤链路    - 根据检测器的灵敏度和光源的发射功率决议链路中能否需      要放大器链路功率预算：系统思索综合思索光检测器的性能 (如灵敏度) 、复杂度和本钱光检测器的选择APD- 灵敏度高- 本钱相对较高- 所需偏压高 (40到几百伏)- 需求温控pin- 构造简单、本钱低- 所需偏压低 (< 5伏特)- 无需温控1. LD的输出谱宽比LED窄    - 800 nm ~ 900 nm： LED 的谱宽和石英光纤的色散特性把      带宽间隔积限制在 150 (Mb/s)·km 左右。

要到达更高的数      值，如2500 (Mb/s)·km以上，那么需求运用LD    - ~ 1300 nm：该区域光纤的色散很小，此时运用 LED就可      以得到1500 (Mb/s)·km的带宽间隔积假设采用InGaAs激光      器，那么该波长区域上的带宽间隔积可到达25 (Gb/s)·km    - ~ 1550 nm：单模光纤的带宽间隔积可到达500 (Gb/s)·km2. LD发光强度高，输出光束窄，LD耦合进光纤链路的功率    比LED要高出10 dB到15 dB因此LD具有更长的无中继传输    间隔3. LD价钱昂贵，而且需求温控光源的选择单模光纤不存在模间色散的问题被用于长途传输多模光纤那么用于短途传输附加损耗：成缆损耗，衔接损耗，弯曲损耗光纤的选择Pt链路功率损耗lc衔接损耗Ps光源入纤功率L光纤长度Pr接纳机灵敏度af光纤衰减系数点到点链路的功率损耗模型注：                                   可以用于计算每个组成单元的损耗某系统数据速率为20Mb/s，要求的误码率为10-9其接纳机为义务在850nm的Si pin光电二极管，灵敏度为-42dBm。

系统光源为GaAlAs LED，它能把-13dBm的平均光功率耦合进纤芯直径为50mm微米的尾纤于是系统允许有29dB的链路损耗设每个衔接点的衔接损耗为1dB，且系统设计富有度为6dB，那么对于衰减af，其传输间隔可以由上式得到 假设af = 3.5dB/km，那么传输间隔为6km例链路损耗预算图示法器件/损耗参数(dB)输出/灵敏度/损耗功率富余度激光器输出3 dBm APD在2.5Gb/s时的灵敏度-32 dBm 允许损耗[3-(-32)] 35光源衔接器损耗1 dB34跳线+衔接器损耗3+1 dB30光缆损耗(60 km)18 dB12跳线+衔接器损耗3+1 dB8接纳机衔接器损耗1 dB7例：链路损耗预算列表法        假定一个1550 nm的半导体激光器，其发送到尾纤的光功率为3 dBm，一个InGaAs APD在2.5 Gb/s时灵敏度为-32dBm；一条60 km长的光缆，衰减为0.3 dBm/km由于设备安装需求，在传输光缆的末端与SONET设备架之间的每个端口都需求一条短跳线，假定每条跳线有3 dB的损耗另外，假设每个光纤衔接点上有1 dB的衔接损耗展宽时间(rising-time)限制系统速率的四个主要要素为：1. 发送机展宽时间ttx；2. 光纤群速率色散 (GVD) 展宽时间tGVD；3. 光纤方式色散展宽时间tmod；4. 接纳机展宽时间trx定义：链路总的展宽时间tsys等于每种要素引起的脉冲展宽时间ti的平方和的平方根：普通来说，一条数字链路的总展宽时间不能超越NRZ比特周期的70%，或不超越RZ比特周期的35%。

系统展宽时间的定义及其影响要素发射机和接纳机展宽时间发射机的展宽时间ttx主要取决于光源及其驱动电路，而接纳机的展宽时间由光检测器呼应时间和接纳机电路的3 dB带宽来决议接纳机电路可以由一个具有阶跃呼应的一阶低通滤波器来模拟：Brx为接纳机3dB带宽，u(t)为阶跃函数假设Brx以兆赫兹为单位，那么接纳机展宽时间为纳秒级：1. 由群速率色散导致的展宽时间：D：平均色散系数；L：光纤长度；sl：光源半功率谱宽2. 方式色散引起的展宽 (多模光纤)B0表示1公里光缆的带宽 (MHz)，q普通在0.5~1之间取值光纤展宽时间系统总展宽时间例：假定LED及其驱动电路有15 ns的展宽时间采用典型的40 nm谱宽的LED，在6 km的链路上可以得到与资料色散相关的21 ns展宽时延假定接纳机有25 MHz的带宽，那么可得到接收机的上升时延为14 ns，假设光纤有400 MHz·km的带宽间隔积，而且q = 0.7，那么方式色散引起的光纤展宽时间为3.9 ns可以得到链路的展宽时间为：对于20 Mb/s (50 ns)的NRZ数字流，这个结果低于允许的35 ns的最高上升时延故这些器件的选择符合系统设计规范。

        假定LD及其驱动电路有0.025 ns的展宽时间采用谱宽为0.1 nm的1550 nm半导体激光器，所采用光纤的平均色散值为2 ps/(nm·km)，因此在60 km长的光纤上总共有0.012 ps与GVD相关的展宽时间假定基于InGaAs-APD的接纳机有2.5 GHz的带宽，那么可得接纳机的展宽时间约为0.14 ns把不同部分的展宽时间代入，可得到总的展宽时间为0.14 ns器件展宽时间展宽时间预算允许的展宽时间预算 tsys=0.7/BNRZ=0.28ns激光发送机0.025ns 光纤的GVD0.012ns 接纳机展宽时间0.14ns 系统展宽时间 0.14ns例第一窗口传输间隔 (多模光纤)850 nm半导体激光器光源/Si APD检测器组合800 nm的LED光源/Si pin光检测器组合单模光纤链路的传输间隔8.2 线路编码线路编码        设计光纤链路是，要思索的一个重要要素是传输的光信号格式，其重要性在于实际的系统中，可以：        1. 容易提取出时钟信息以便接纳机的判决        2. 具有较强的抗色散和抗非线性效应        3. 在数据流中引入冗余码，使信道干扰引起的误码最小       常用的光信号的传输格式包括：NRZ、(CS)RZ、(D)PSKNRZ特点：运用一个充溢完好周期的光脉冲代表1，没有光代表0NRZ的产生NRZ dataVp/2优点：码型产生简单，频谱效率较高，容易解码缺陷：长连0或1时不容易提取同步信息，容易产生基线漂移增大判决难度，且没有内在过失检测 (纠错) 才干NRZ的优缺陷抗非线性才干差RZ特点：比特1的光脉冲仅占比特周期的一部分，典型的有33%            RZ和50% RZ产生：NRZ信号乘以一个频率为信号比特率的clk信号RZ的产生NRZ dataVp/2clk0 or Vp/2Bias at 0: clock with f = B/2 to 33% RZBias at Vp/2: clock with f = B to get 50% RZRZ优缺陷优点：长连1仍带有时钟信息，抗非线性效应才干强缺陷：长连0时依然容易导致时钟丧失；且占用的带宽为NRZ的2倍，因此抗色散才干差；无误码检测与纠错才干。

CSRZ特点：比特1的光脉冲仅占比特周期的一部分，且相邻比特的相位相反，典型的有67% CSRZ产生：NRZ信号乘以一个频率为信号比特率一半的clk信号NRZ dataVp/2clkVpCSRZ的优点CSRZ优缺陷优点：长连1仍带有时钟信息，抗色散和非线性效应才干强缺陷：长连0时容易导致时钟丧失；无误码检测与纠错才干曼彻斯特码特点：每个比特周期内都发生电平翻转，根据翻转的极性不同            来区分0和1产生：普通采用NRZ和时钟信号的模二加运算获得优点：在长连0和1的时候，依然能坚持时钟信息，易于编解码缺陷：信号所占带宽添加1 010分组码 mBnB特点：将m位二进制比特编成n (n>m)位码并在一样的时间长度            内发送出去，即在数据流中引入冗余优点：能防止长连0和长连1的出现            冗余的引入可以加强纠错才干缺陷：带宽比原来增大了n/m倍例如：曼彻斯特码、AMI1 010(D)PSKNRZ dataVp优点：抗色散和非线性效应能力强，传输性能好缺陷：接纳复杂用于补偿比特的丧失- 自动恳求重发(ARQ)和前向纠错(FEC)8.3 纠错纠错信源发送控制器编码器解码器接纳控制器用户反响信道自动恳求重发(ARQ)ARQ不适宜用于对时间敏感的传输义务辅助信息和主信息同时传输，假设主信息丧失或接纳到误码，辅助信息可以重构主信息。

常用的纠错码为循环码，并标志为(n, m)，其中n等于原比特数m加上冗余比特数一些曾经得到运用的例子，如汉明码、Reed-Solomon码等FEC技术缺陷：占用额外带宽        传播光功率频谱的不理想和光波导色散之间的各种相互作用导致投射到光检测器中的光功率发生变化，这些变化最终导致光接纳机输出噪声，从而导致光功率损伤这对高速链路的影响尤为严重这些损伤包括：1. 方式噪声 (LD + 多模光纤)2. 方式分配噪声3. 光源输出波长啁啾4. 激光器回波导致的频谱展宽8.4 噪声对系统性能的影响噪声对系统性能的影响         当将激光器发出的光注入多模光纤，其输出功率会在多模光纤中鼓励出许多相互相关的传播方式这些方式之间的相互关涉，在光纤截面出现一定亮度分布的光斑图在链路随机机械振动的作用下，光斑图随时间发生变化光斑图的变化呵斥了入射接纳机的光功率随时间发生变化，因此引入方式噪声        因此，呵斥方式噪声的要素为：1. 光源的相关性    (光源谱宽)-1 > 模间色散时延    (Dv)-1 > Ln12D/(n2·c)2. 光纤链路上的随机振动、微弯方式噪声消除方式噪声的措施：1. 运用LED光源，防止相关性2. 运用多纵模激光器，这将添加光     斑图的粒状性，从而降低链路中    因机械干扰而引起的光强度起伏3. 运用数值孔径较大的光纤，由于    它支持很多方式，从而导致光斑    数目增多4. 运用单模光纤，不存在方式间的    干涉方式噪声M' -光斑数中心波长 1200 nm数据率 280 Mb/s        由于未能有效地抑制激光器边模，半导体激光器中纵模的强度起伏相关产生了方式噪声。

即便是激光器输出总功率不变，各个方式的强度也会发生起伏        不同的方式之间有微小的波长差，于是每种方式进入光纤之后将有不同的损耗和延时 (色散)因此在光纤色散的作用下，假设主方式的功率发生明显起伏，那么接纳端所收到的电平也将发生明显变化        方式分配噪声是单模光纤最主要的噪声方式分配噪声        由激光器方式分配噪声导致的功率损伤可以由下式近似表示：其中x是APD的过剩因子，Q 是信噪比因子，k是模分配噪声因子(普通在 0.6-0.8之间)，B 是数据比特率(Gb/s)，L 是光纤长度(km)，D是光纤色度色散系数(ps/(nm·km))，sl是激光器输出谱宽为使方式分配噪声带来的功率损伤小于0.5 dB，乘积可以看出，方式分配噪声在高比特系统中表现得比较明显方式分配噪声导致的功率损伤        单模激光器在 CW 义务方式下，当直接调制注入电流时载流子浓度发生变化，导致有源区折射率变化折射率的变化导致了腔体相位条件的细微变化，最终带来输出波长的变化与时间相关的激光频率偏移可以表示为：a 是线宽展宽因子，k是一个与频率无关的因子取决于激光器的构造，P(t)为输出光功率。

对于AlGaAs激光器，因子a的取值范围是-3.5到-5.5，而对于AlGaAsP激光器，a取值范围是-6到-8        后果：激光器的啁啾将带来严重的色散效应啁啾系统损伤与啁啾和信号消光比之间的关系        从上面的式子上看，减小啁啾的方法是提高激光器偏置电流，由于在阈值点附近，P(t)变化最快但是，提高偏置电流，降低了消光比消光比的降低也将导致系统性能的下降1550 nm4 Gb/s100 km1. 选择运用输出波长接近光纤的零色散波长的激光器2. 让激光器义务在输出直流光的外形，然后采用外调制的     方法加载数据处置啁啾的方法反射噪声带来两种损伤：(1) 光功率反响回激光器谐振腔，     导致激光器输出频谱展宽(2) 多条光途径导致接纳端出现不     同时延的伪信号，呵斥码间串     扰处置措施：1. 光纤末端制成曲面或与发光面    有一定夹角(如APC衔接头)2. 在光纤与空气的交界面上涂上    折射率匹配的资料3. 运用衔接器和隔离器反射噪声。