第4章-光纤通信系统分析.ppt

1 第4章光纤通信系统 4 1IM DD光纤通信系统4 2衰减和色散队中继距离的影响4 3噪声及灵敏度分析 2 4 1光纤通信中的调制技术 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 3 4 1光纤通信中的调制技术 图4 1半导体光源的直接调制原理 4 4 1光纤通信中的调制技术 图4 2光数字发射机原理图 5 4 2IM DD光纤通信系统 4 1 1传输线路码型4 1 2IM DD光纤通信系统的结构 6 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 7 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 8 4 1 2IM 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 9 1 光发射机 2 对光发射机的要求 光源的发光波长要合适 合适的输出光功率 较好的消光比 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 10 1 光发射机 3 光发射机的组成方框图和各部分功能 均衡放大 码型变换 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 11 1 光发射机 3 光发射机的组成方框图和各部分功能 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 时钟 12 1 光发射机 3 光发射机的组成方框图和各部分功能 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 13 1 光发射机 3 光发射机的组成方框图和各部分功能 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 14 1 光发射机 图4 3激光器老化使输出光功率降低 15 1 光发射机 图4 4激光器温度变化引起输出功率的变化 16 1 光发射机 图4 5环境温度变化引起输出光功率的变化 17 1 光发射机 3 光发射机的组成方框图和各部分功能 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 18 1 光发射机 图4 6自动温度控制电路方框图 19 2 光接收机 3 光发射机的组成方框图和各部分功能 其他保护 监测电路LD保护电路无光告警电路 20 2 光接收机 图4 7数字光纤通信接收光端机方框图 21 2 光接收机 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 22 2 光接收机 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 23 2 光接收机 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 24 2 光接收机 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 25 2 光接收机 图4 8单个脉冲均衡前后波形的比较 26 2 光接收机 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 27 2 光接收机 图4 9信号再生示意图 28 2 光接收机 图4 10时钟恢复电路方框图 29 2 光接收机 图4 11时钟恢复电路波形图 30 2 光接收机 图4 12NRZ码的功率谱密度分布图 31 2 光接收机 图4 13RZ码功率谱密度分布图 32 2 光接收机 图4 14一种非线性处理电路 33 2 光接收机 图4 15非线性处理电路中的波形图 34 2 光接收机 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 35 2 光接收机 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 36 2 光接收机 图4 16脉冲再生电路原理方框图 37 2 光接收机 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 38 2 光接收机 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 39 2 光接收机 图4 17自动增益控制工作原理方框图 40 2 光接收机 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 41 2 光接收机 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 42 3 光纤通信系统 图4 18IM DD光纤通信系统原理框图 43 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 44 3 光纤通信系统 图4 19最简单的光中继器原理方框图 45 3 光纤通信系统 图4 20实用的中继器方框图 46 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 监控内容监控的内容分别包括监视和控制两部分 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 47 4 2 3衰减和色散对中继距离的影响 1 基本要求预期传输距离 信道带宽或码速率系统性能 误码率 信噪比 1 光纤 2 光源 3 光检测器 4 传输制式 48 4 2 3衰减和色散对中继距离的影响 2 光纤链路设计衰减对中继距离的影响色散对中继距离的影响中继距离的计算 49 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 50 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 51 2 色散对中继距离的影响 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 52 2 色散对中继距离的影响 模分配噪声对中继距离的影响 激光器的光谱特性 模分配噪声的产生及影响 53 2 色散对中继距离的影响 图4 21普通激光器的静态和动态谱线 54 2 色散对中继距离的影响 图4 22高速调制时多纵模的随机起伏 55 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 56 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 57 3 最大中继距离的计算 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 58 3 最大中继距离的计算 色散受限系统 光纤的色散与带宽 光纤每公里带宽与L公里带宽间的关系 光纤带宽与半功率点宽度W之间的关系 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 59 4 3超长距离高速光纤通信系统 4 3 1传输通道特性4 3 2高速光传输系统中的关键技术4 3 3超长距离光纤通信系统中的光放大技术 60 4 3超长距离高速光纤通信系统 4 3 1传输通道特性光信噪比色散光纤非线性 61 4 3超长距离高速光纤通信系统 4 3 1传输通道特性光信噪比光信噪比 OSNR 是指光在链路传播过程中光信号与光噪声的功率强度之比 通常只有接收光信号的OSNR大于某阈值时 接收机才能有效地将承载信息与噪声区分开来 保证通信质量 色散 62 4 3超长距离高速光纤通信系统 4 3 1传输通道特性色散引起单模光纤的色散的机理不同 也可以分为色度色散 CD 和偏振模色散 PMD 色度色散是指具有一定谱线宽度的光脉冲因介质材料的折射系数以及芯覆层结构的频率相关性所导致的传播时延差异 偏振模色散是由于光纤制作工艺的非均匀轴对称结构以及外部应力所引起的双折射系数 63 4 3超长距离高速光纤通信系统 4 3 1传输通道特性光纤非线性光纤的非线性可分为受激散射和非线性折射引起的效应两大类 受激散射包括受激布里渊散射 SBS 和受激拉曼散射 SRS 非线性折射引起的非线性效应 主要有自相位调制 SPM 交叉相位调制 XPM 和四波混频 FWM 64 4 3超长距离高速光纤通信系统 4 3 2高速光传输系统中的关键技术码型调制技术检测技术复用技术信道均衡和色散补偿 65 4 3超长距离高速光纤通信系统 4 3 3超长距离光纤通信系统中的光放大技术1 使用EDFA的SDH高速系统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 66 4 3 3超长距离光纤通信系统中的光放大技术 EDFA的应用 67 4 3 3超长距离光纤通信系统中的光放大技术 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 68 4 3 3超长距离光纤通信系统中的光放大技术 2 使用拉曼放大器的高速传输系统FRA在光纤通信中的作用 1 按照信号光与泵浦光传输的方式不同 FRA可分为同向泵浦 反向泵浦和双向泵浦方式 2 光纤拉曼放大器又分为分立式RFA和分布式FRA两种 69 4 3 3超长距离光纤通信系统中的光放大技术 图4 25给出了一个典型的分布式光纤拉曼放大辅助传输系统结构图 70 4 4相干光通信 4 4 1相干光通信的基本概念及特点4 4 2相干光通信的基本原理4 4 3相干光通信系统4 4 4相干光通信中的关键技术 71 4 4相干光通信 4 4 1相干光通信的基本概念及特点相干光通信采用单一频率的相干光作为光源 载波 在发射端对光载波以幅度 频率或相位的方式调制到光载波上 在接收端采用零差检测或外差检测 这种检测方式被称为相关检测 72 4 4相干光通信 4 4 1相干光通信的基本概念及特点与IM DD系统相比 它具有以下特点 接收灵敏度高频率选择性好具有一定的色散补偿效应提供多种调制方式 73 4 4相干光通信 4 4 1相干光通信的基本概念及特点相干光通信采用单一频率的相干光作为光源 载波 在发射端对光载波以幅度 频率或相位的方式调制到光载波上 在接收端采用零差检测或外差检测 这种检测方式被称为相关检测 74 4 4相干光通信 4 4 2相干光通信的基本原理图4 26相干光检测原理图 图中的光信号是以调幅 调频或调相的方式被调制 设调制频率为 s 到光载波上的 75 4 4相干光通信 4 4 2相干光通信的基本原理工作原理 当该信号传输到接收端时 首先与频率为 L的本振光信号进行相干混合 然后由光电检测器进行检测 这样获得中频频率为 IF s L的输出电信号 因为 IF 0 故称该检测为外差检测 而当输出信号的频率 IF 0时 则称为零差检测 此时在接收端可以直接产生基带信号 76 4 4相干光通信 4 4 2相干光通信的基本原理结论 第一项 与传输无关的直流项第二项 经外差检测后的输出信号电流对于零差检测 If 0 输出信号电流为 77 4 4相干光通信 4 4 2相干光通信的基本原理对于零差检测 If 0 输出信号电流为 1 即使接收光功率很小 但由于输出电流与成正比 仍能够通过增加来获得足够大的输出电流 这样本振光在输出检测中还起到了光放大的作用 从而提高了信号的接收灵敏度 4 4相干光通信 4 4 2相干光通信的基本原理 2 由于在相干检测中 要求 s L随时保持常数 If或0 因而要求系统中所使用的光源具有非常高的频率稳定性 非常窄的频谱宽度以及一定的频率调谐范围 3 无论外差检测 还是零差检测 其检测根据都是源于接收光纤信号与本振光信号之间的干涉 因而