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第八章光纤通信系统设计 2010年6月8日 06 03 2020 中国地质大学机电学院 1 模拟光纤通信系统 2 数字光纤通信系统 06 03 2020 中国地质大学机电学院 模拟系统的应用场合 出现于20世纪80年代HFC系统 光纤 750MHz同轴电缆 视频分配系统雷达信号处理 06 03 2020 中国地质大学机电学院 1 模拟链路概述 1 直接强度调制2 RF副载波AM FM PM调制 06 03 2020 中国地质大学机电学院 载噪比 定义 在射频接收机的输入端 载波功率的均方根值与噪声功率的均方根值之比称为载噪比 CNR 若使用CNRi代表某一特殊噪声成分导致的载噪比 则对含有N个噪声因子的系统 其总的CNR值为 模拟系统中的噪声源 RIN 半导体激光器的相对强度噪声 光放大器噪声 接收机中的量子噪声 倍增噪声 电路噪声 06 03 2020 中国地质大学机电学院 载波功率 光源工作在线性区 输出光功率P t 的包络和输入的驱动电流具有相同的波形 Pt为偏置电流处光源输出的光功率 m 0 25 0 5 为调制系数 对于一个正弦信号 接收机输出的载波功率 06 03 2020 中国地质大学机电学院 噪声源 相对强度噪声 RIN 由于受温度变化和内部自发辐射的影响 LD输出光强会发生高频 1012Hz 起伏 从而带来相对强度噪声RIN 由RIN导致的均方噪声电流及其产生的CNR分别为 其中RIN由下式给出 其中为输出激光的强度起伏均方值 PL是激光强度平均值 和 06 03 2020 中国地质大学机电学院 RIN与偏置电流的关系 右图是两个激光器的例子 噪声电平在调制频率为100MHz时测量 结果显示 RIN随偏置电流的增加而显著减小因此可以通过增加偏置电流来降低RIN 06 03 2020 中国地质大学机电学院 光反射对RIN的影响 链路中的光信号如果反射回激光器 会导致RIN的显著增加 因此在模拟链路中也同样需要尽量避免链路中光信号的反射问题 反馈功率比 dB IB Ith 对于1 33 为使RIN小于 140dB需要让反馈功率比小于 60dB 06 03 2020 中国地质大学机电学院 光电二极管的噪声为 那么光检测器的CNR为 同样 由第6章的结论可知放大器带来的噪声 其中 Req是等效电阻 Ft是放大器噪声系数 那么放大器的CNR为 噪声源 光电检测器和前置放大器的噪声 06 03 2020 中国地质大学机电学院 AM系统总的载噪比 06 03 2020 中国地质大学机电学院 当接收机的光功率较低时 系统中的噪声主要是前置放大器的噪声 此时 极限条件 对于设计较好的光电二极管 与中等强度的接收光信号的量子噪声相比 体暗电流与表面暗电流产生的噪声很小 因此在中等强度接收光信号条件下 系统噪声主要是光电二极管的量子噪声 此时 06 03 2020 中国地质大学机电学院 如果激光器的RIN值很高 相对强度噪声将超过其它噪声 成为主导作用的噪声因素 此时只有通过提高调制系数才能得到改善 极限条件 06 03 2020 中国地质大学机电学院 例 06 03 2020 中国地质大学机电学院 多信道传输技术 一个典型的宽带模拟应用例子是CATV系统 其主要技术是在同一根光纤中传输多个模拟信号 为实现这一目标 使用多路复用技术把多个基带信号复用到频率分别为f1 f2 fN的N个副载波上 然后将这些已调制载波通过频分复用 FDM 形成一个复合信号 以直接调制一个单独的光源 这种技术称为副载波复用 SCM 其中信号调制技术包括残留边带调幅 VSB AM 和频率调制 FM 06 03 2020 中国地质大学机电学院 多信道幅度调制 信道i所承载的信息信号通过幅度调制到一个频率为fi的载波上 经功率合成器生成一个合成的频分复用信号 FDM 接收端通过并联的带通滤波器把混合的载波分成单个信道 典型代表CATV 使用频带为50 88MHz和120MHz 550MHz 06 03 2020 中国地质大学机电学院 N个信道的光调制指数 对于大量的有随机相位的FDM载波 以功率为基础将其相加 于是对于有N个信道 每个信道的调制指数为mi 则m与mi之间的关系为 若每个信道的调制指数mi取相同值mc 则 此时 信号的载噪比将比单信道分开传输时降低10logN分贝 06 03 2020 中国地质大学机电学院 互调失真 当有多个载波频率通过半导体激光器等非线性器件时 会产生其他的频率分量 称为互调产物 它们在系统的频带内外产生严重干扰 导致传输信号劣化 1 频率为fi fj fk的三重拍差IM产物2 频率为2fi fj的双频三阶IM产物3 频率为fi fj的二阶IM产物若N个信号间隔相同 会发生差拍堆积 正好落在第r个载波处的三重差拍产物个数为正好落在第r个载波处的双频三阶产物个数为 06 03 2020 中国地质大学机电学院 对于差频堆积的影响 常常使用组合二阶差频 CSO 和组合三重差频 CTB 来描述多信道AM的性能 合理地进行频道频率的配置 可以改善CSO和CTB 限制调制指数m 可以保证CSO和CTB符合规定指标 组合二阶差拍和组合三重差拍 06 03 2020 中国地质大学机电学院 例 60个幅度调制CATV信道的相对CSO性能频带边缘最严重 60个幅度调制CATV信道的相对CTB性能频带中心最严重 06 03 2020 中国地质大学机电学院 功率预算和带宽分析线路编码技术噪声来源 数字光纤通信系统讨论的主要问题 06 03 2020 中国地质大学机电学院 点到点链路 设计要求 1 预期 或可能 的传输距离2 数据速率或信道带宽3 误码率 BER 4 使用寿命 系统性能分析 链路功率预算和信号展宽分析 06 03 2020 中国地质大学机电学院 1 确定波长 传输距离较短 选择800nm到900nm之间的波长 传输距离较远 选择1300nm或1550nm附近的波长2 联合考虑光纤链路的三个模块 接收设备 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定链路中是否需要放大器 链路功率预算 系统考虑 06 03 2020 中国地质大学机电学院 综合考虑光检测器的性能 如灵敏度 复杂度和成本 光检测器的选择 APD 灵敏度高 成本相对较高 所需偏压高 40到几百伏 需要温控 pin 结构简单 成本低 所需偏压低 5伏特 无需温控 06 03 2020 中国地质大学机电学院 1 LD的输出谱宽比LED窄 800nm 900nm LED 光纤BL 150 Mb s kmLD 光纤BL 2500 Mb s km 1300nm LED 光纤BL 1500 Mb s kmLD 光纤BL 25 Gb s km 1550nm LD 光纤BL 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高出10dB到15dB 故具有更长的无中继传输距离3 LD价格昂贵 而且需要温控 光源的选择 06 03 2020 中国地质大学机电学院 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则用于短途传输附加损耗 成缆损耗 连接损耗 弯曲损耗 光纤的选择 06 03 2020 中国地质大学机电学院 Pt链路功率损耗lc连接损耗Ps光源入纤功率L光纤长度Pr接收机灵敏度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 06 03 2020 中国地质大学机电学院 某系统数据速率为20Mb s 要求的误码率为10 9 其接收机为工作在850nm的Sipin光电二极管 灵敏度为 42dBm 系统光源为GaAlAsLED 它能把 13dBm的平均光功率耦合进纤芯直径为50微米的尾纤 于是系统允许有29dB的链路损耗 设每个连接点的连接损耗为1dB 且系统设计富裕度为6dB 那么对于衰减af 其传输距离可以由上式得到如果af 3 5dB km 则传输距离为6km 例 06 03 2020 中国地质大学机电学院 链路损耗预算图示法 06 03 2020 中国地质大学机电学院 例 链路损耗预算列表法 假定一个1550nm的半导体激光器 其发送到尾纤的光功率为3dBm 一个InGaAsAPD在2 5Gb s时灵敏度为 32dBm 一条60km长的光缆 衰减为0 3dBm km 由于设备安装需要 在传输光缆的末端与SONET设备架之间的每个端口都需要一条短跳线 假定每条跳线有3dB的损耗 另外 假设每个光纤连接点上有1dB的连接损耗 06 03 2020 中国地质大学机电学院 展宽时间 rising time 06 03 2020 中国地质大学机电学院 限制系统速率的四个主要因素为 1 发射机展宽时间ttx 2 光纤群速率色散 GVD 展宽时间tGVD 3 光纤模式色散展宽时间tmod 4 接收机展宽时间trx定义 链路总的展宽时间tsys等于每种因素引起的脉冲展宽时间ti的平方和的平方根 一般来说 一条数字链路的总展宽时间至多不能超过NRZ比特周期的70 或不超过RZ比特周期的35 系统展宽时间的定义及其影响因素 06 03 2020 中国地质大学机电学院 发射机和接收机展宽时间 ttx主要取决于光源及其驱动电路 而trx由光检测器响应时间和接收机电路的3dB带宽来决定 接收机电路可以由一个具有阶跃响应的一阶低通滤波器来模拟 Brx为接收机3dB带宽 u t 为阶跃函数 接收机展宽时间为 06 03 2020 中国地质大学机电学院 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 模式色散引起的展宽 多模光纤 B0表示1公里光缆的带宽 MHz q一般在0 5 1之间取值 光纤展宽时间 06 03 2020 中国地质大学机电学院 系统总展宽时间 例 假定LED及其驱动电路有15ns的展宽时间 采用40nm宽的LED 在6km的链路上可以得到与材料色散相关的21ns展宽时延 假定接收机有25MHz带宽 则可得到接收机的上升时延为14ns 若光纤带宽距离积为400MHz km 且q 0 7 则模式色散引起的光纤展宽时间为3 9ns 可以得到链路的展宽时间为 对于20Mb s 50ns 的NRZ数字流 这个结果低于允许的35ns的最高上升时延 故这些器件的选择符合系统设计标准 06 03 2020 中国地质大学机电学院 假定LD及其驱动电路有0 025ns的展宽时间 采用谱宽为0 1nm 工作在1550nm的半导体激光器 所采用光纤的平均色散值为2ps nm km 因此在60km长的光纤上总共有0 012ps与GVD相关的展宽时间 假定基于InGaAs APD的接收机有2 5GHz的带宽 则可得接收机的展宽时间约为0 14ns 把不同部分的展宽时间代入 可得到总的展宽时间为0 14ns 例 06 03 2020 中国地质大学机电学院 第一窗口传输距离 多模光纤 850nm半导体激光器光源 SiAPD检测器组合 800nm的LED光源 Sipin光检测器组合 06 03 2020 中国地质大学机电学院 单模光纤链路的传输距离 06 03 2020 中国地质大学机电学院 8 2线路编码 设计光纤链路要考虑的一个重要因素是传输的光信号格式 在实际系统中 要求光码型能够 1 容易提取出时钟信息以便接收机的判决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 06 03 2020 中国地质大学机电学院 NRZ 特点 使用一个充满完整周期的光脉冲代表1 没有光代表0 06 03 2020 中国地质大学机电学院 NRZ的产生 NRZdata Vp 2 06 03 2020 中国地质大学机电学院 优点 码型产生简单 频谱效率较高 易解码缺点 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差错监测 纠错 能力 NRZ的优缺点 抗非线性能力差 06 03 2020 中国地质大学机电学院 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 06 03 2020 中国地质大学机电学院 RZ的产生 NRZdata Vp 2 clk 0orVp 2 Biasat0 clockwithf B 2to33 RZ BiasatVp 2 clockwithf Btoget50 RZ 06 03 2020 中国地质大学机电学院 RZ优缺点 优点 长连1仍带有时钟信息 抗非线性效应能力强缺点 长连0时仍然容易导致时钟丢失占用的带宽为NRZ的2倍 抗色散能力差无误码监测与纠错能力 06 03 2020 中国地质大学机电学院 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 06 03 2020 中国地质大学机电学院 NRZdata Vp 2 clk Vp CSRZ的产生 06 03 2020 中国地质大学机电学院 CSRZ优缺点 优点 长连1仍带有时钟信息抗色散和非线性效应能力强缺点 长连0时容易导致时钟丢失无误码监测与纠错能力 06 03 2020 中国地质大学机电学院 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区分0和1产生 一般采用NRZ和时钟信号的模二加运算获得优点 在长连0和1的时候能保持时钟信息 易于编解码 缺点 信号所占带宽增加 且无误码监控能力 1 0 1 0 06 03 2020 中国地质大学机电学院 AMI 特点 每比特的符号相关性增强了误码监测能力 可由NRZ高通滤波获得 延迟一个比特相减 06 03 2020 中国地质大学机电学院 分组码mBnB 特点 将m位二进制比特编成n n m 位码并在相同的时间长度内发送出去 即在数据流中引入冗余优点 基本能避免长连0和长连1的出现冗余的引入可以增强纠错能力缺点 带宽比原来增大了n m倍 06 03 2020 中国地质大学机电学院 D PSK NRZdata Vp 优点 抗色散和非线性效应能力强 传输性能好缺点 接收相对复杂 06 03 2020 中国地质大学机电学院 D QPSK NRZdata1 Vp 优点 频谱效率高 抗色散和非线性效应力强 传输性能好缺点 接收复杂 NRZdata2 Vp Biasp 2 06 03 2020 中国地质大学机电学院 各类码型综合介绍的相关论文 P J WinzerandR J Essiambre AdvancedOpticalModulationFormats ProceedingsofIEEE vol 94 no 5 pp 952 984 May2006 06 03 2020 中国地质大学机电学院 用于补偿比特的丢失 自动请求重发 ARQ 和前向纠错 FEC 纠错 不适合用于对时间敏感的传输任务 06 03 2020 中国地质大学机电学院 辅助信息和主信息同时传输 若主信息丢失或接收到误码 辅助信息可以重构主信息常用的纠错码为循环码 并标记为 n m 其中n等于原比特数m加上冗余比特数 一些已经得到应用的例子 如汉明码 Reed Solomon码等但是FEC引入复杂度 FEC技术 06 03 2020 中国地质大学机电学院 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 引发系统输出噪声 这对高速链路的影响尤为严重 这些损伤包括 1 模式噪声 LD 多模光纤 2 模式分配噪声3 光源输出波长啁啾4 激光器回波导致的频谱展宽 噪声对系统性能的影响 06 03 2020 中国地质大学机电学院 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激励出许多相互相干的传播模式 模式间的相互干涉使光纤截面出现一定亮度分布的光斑图 链路在随机机械振动的作用下 光斑图随时间发生变化 光斑图的变化造成了入射接收机的光功率随时间发生变化 因此引入模式噪声 因此 造成模式噪声的因素为 1 光源的相干性 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 模式噪声 06 03 2020 中国地质大学机电学院 消除模式噪声的措施 1 使用LED光源 避免相干性2 使用多纵模激光器 这将增加光斑图的粒状性 从而降低链路中因机械干扰而引起的光强度起伏3 使用数值孔径较大的光纤 因为它支持很多模式 从而导致光斑数目增多4 使用单模光纤 不存在模式间的干涉 模式噪声 06 03 2020 中国地质大学机电学院 1 多纵模激光器即使输出总功率不变 各个模式的强度也会发生起伏 2 纵模之间有微小的波长差 它们进入光纤之后将有不同的损耗和色散 因此如果模式的功率发生明显起伏 那么接收端所收到的电平也将发生明显变化 模式分配噪声是单模光纤最主要的噪声 故需要使用单纵模激光器 模式分配噪声 06 03 2