第08章直接检测光波系统设计与性能

1、18.1 概概 述述8.2 模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统8.3 数字光纤通信系统数字光纤通信系统8.4 光纤损耗和色散对系统性能的限制光纤损耗和色散对系统性能的限制8.5 光波系统的预算光波系统的预算8.6 光接收机灵敏度恶化和系统功率代价光接收机灵敏度恶化和系统功率代价8.7 8.7 光波系统的设计光波系统的设计 2光纤通信系统根据传送的信号可以分光纤通信系统根据传送的信号可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。随着光纤通信技术的进步，系统的传随着光纤通信技术的进步，系统的传输容量输容量(速率速率)越来越高。越来越高。3系统设计的任务是：遵循建议

2、规范，系统设计的任务是：遵循建议规范，采用先进、成熟技术，综合考虑系统经济采用先进、成熟技术，综合考虑系统经济成本，合理地选用器件和设备，明确系统成本，合理地选用器件和设备，明确系统的全部技术参数，完成实用系统的合成。的全部技术参数，完成实用系统的合成。它与工程设计主要区别在于：它与工程设计主要区别在于：首先系统设计与工程设计的区别表现首先系统设计与工程设计的区别表现在复杂程度上。在复杂程度上。其次系统设计与工程设计的区别表现其次系统设计与工程设计的区别表现在它们的任务不同。在它们的任务不同。4实用光纤通信系统组成框图。实用光纤通信系统组成框图。图图8-1 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成

3、 5光纤通信系统由以下五个部分组成。光纤通信系统由以下五个部分组成。v（1）光发信机：是实现电）光发信机：是实现电/光转换的光端机。它由光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。光源、驱动器和调制器组成。v（2） 光收信机：是实现光光收信机：是实现光/电转换的光端机。它由电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。光检测器和光放大器组成。v（3） 光纤或光缆：光纤或光缆构成光的传输通路。光纤或光缆：光纤或光缆构成光的传输通路。v（4）中继器：中继器由光检测器、光源和判决再生）中继器：中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。电路组成。(补偿、整形补偿、整形)v（5）光纤连接器、耦合器等无源

4、器件：由于光纤或）光纤连接器、耦合器等无源器件：由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的且光纤的拉制长度也是有限度的。6 目前实用的光纤通信系统都采用直接检波系目前实用的光纤通信系统都采用直接检波系统。统。 直接检波系统就是在发送端直接把信号调制直接检波系统就是在发送端直接把信号调制到光波上，而在接收端用光电检波管直接把被调到光波上，而在接收端用光电检波管直接把被调治的光波检波为原信号的系统。治的光波检波为原信号的系统。 电端机就是一般电信号设备，例如载波机或电端机就是一般电信号设备，例如载波机或电视图象

5、发送与接受设备等。电视图象发送与接受设备等。 光端机则是把电信号转变为光信号（发送光光端机则是把电信号转变为光信号（发送光端机），或把光信号转变为电信号（接收光端机）端机），或把光信号转变为电信号（接收光端机）的设备。的设备。7 发送光端机的作用是将发送的电信号进行处发送光端机的作用是将发送的电信号进行处理，加在半导体激光器上，使电信号调制光波，理，加在半导体激光器上，使电信号调制光波，然后将此已调制光波送入光导纤维。然后将此已调制光波送入光导纤维。 已调制光波经光导纤维传送至接收光端机的已调制光波经光导纤维传送至接收光端机的半导体光电管上检波。半导体光电管上检波。 检波后得到的电信号经过适当

6、处理再送接受检波后得到的电信号经过适当处理再送接受电端机，然后按一般电信号处理。电端机，然后按一般电信号处理。 这就是整个光纤通信的过程。这就是整个光纤通信的过程。这个过程和这个过程和一般无线电通信过程是十分相似的。当然光线通一般无线电通信过程是十分相似的。当然光线通信的空间传输手段是光导纤维，这与一般无线电信的空间传输手段是光导纤维，这与一般无线电通信在空间传输电波的情况是不同的。通信在空间传输电波的情况是不同的。8 直接检波系统的基本优点是构成简单，直接检波系统的基本优点是构成简单，就当前光波技术水平来讲现实可行。就当前光波技术水平来讲现实可行。 同时由于光波频率极高，在这样系统同时由于光

7、波频率极高，在这样系统上传送上万路电话，几十路电视并不困难，上传送上万路电话，几十路电视并不困难，完全可以满足目前通信的需要。完全可以满足目前通信的需要。 因此直接检波系统是光纤通信当前较因此直接检波系统是光纤通信当前较多采用的形式。多采用的形式。9模拟光纤通信系统多采用副载波复用模拟光纤通信系统多采用副载波复用技术。所谓副载波是指射频电磁波，以区技术。所谓副载波是指射频电磁波，以区别于光调制时的光载波。副载波调制的电别于光调制时的光载波。副载波调制的电视系统框图如图视系统框图如图8-2所示。所示。10图图8-2 副载波复用模拟电视传输系统副载波复用模拟电视传输系统11作为残留边带调幅的副载波

8、光纤传输作为残留边带调幅的副载波光纤传输系统，其主要指标有：载噪比系统，其主要指标有：载噪比(Carrier Noise Ratio，CNR)、组合二阶互调失真组合二阶互调失真(Composite Second Order intermodulation，CSO)、组合三阶差拍失真组合三阶差拍失真(Composite Triple Beat，CTB)。12载噪比载噪比(CNR)是在规定的带宽内一个是在规定的带宽内一个频道中的载波功率频道中的载波功率(C)与噪声功率与噪声功率(N)之比，之比，一般以一般以dB作单位。定义式为：作单位。定义式为：）（9.1lg10NCCNR 13前置放大器的热噪声

9、所决定的前置放大器的热噪声所决定的(CNR)T为：为：(CNR)T与输入功率的平方成正比，即与输入功率的平方成正比，即输入功率增加输入功率增加1dB，(CNR)T增加增加2dB。）（9.10)(8222BkTNRPRmTFLrCNR14光电转换散弹噪声决定的光电转换散弹噪声决定的(CNR)q为：为：(CNR)q与接收机输入功率成正比，输与接收机输入功率成正比，输入功率增加入功率增加1dB，(CNR)q增加增加1dB。）（9.11)(42eBRPmqrCNR15激光器相对强度噪声决定的激光器相对强度噪声决定的(CNR)RIN为：为：(CNR)RIN与光接收机的接收功率无关。与光接收机的接收功率无

10、关。）（9.12)(102102RINnBmRINCNR16设设N个频道的载波幅度均为个频道的载波幅度均为I，频率分频率分别为别为j，初始相位为初始相位为j，则激光器的驱动则激光器的驱动电流电流i(t)为：为：此时激光器的输出功率为：此时激光器的输出功率为：P(t)=P(i)）（13. 9)sin()(1NjjjbtIIti17P(i)为非线性函数，且在为非线性函数，且在Ib附近连续可附近连续可导，因此可以将激光器输出功率在偏置点导，因此可以将激光器输出功率在偏置点Ib附近展开为泰勒级数：附近展开为泰勒级数：1!1)()(kkbIidiPdkoItiPtPbkk11!115. 9)sin()(

11、kkNjjjIidiPdkotIPtPbkk）（18式中：式中：P0为对应偏置点为对应偏置点i=Ib时的直流时的直流光功率，对式（光功率，对式（9-15）做三角函数展开可）做三角函数展开可以得到：以得到：k=1时，频率仍为时，频率仍为j(j=1，2，3N)，对应的是线性放大部分。对应的是线性放大部分。k=2时，对应二阶失真。时，对应二阶失真。k=3时，对应三阶失真。时，对应三阶失真。19 在光纤通信系统中在光纤通信系统中,光源的非线性是产光源的非线性是产生非线性失真的主要因素。生非线性失真的主要因素。 发光二极管发光二极管LED或激光二极管或激光二极管LD的的P-I曲线线性度都不太好，曲线线性

12、度都不太好， 为了获得良好的为了获得良好的线性，需要进行非线性补偿。线性，需要进行非线性补偿。 常用的补偿方法有：常用的补偿方法有： 负反馈法，预失负反馈法，预失真法，相移调制法等。真法，相移调制法等。 其中预失真法比较简单使用，被广泛其中预失真法比较简单使用，被广泛采用。采用。20直接强度调制光纤电视传输系统的传输距直接强度调制光纤电视传输系统的传输距离绝大多数是损耗限制系统。根据发射功率、接离绝大多数是损耗限制系统。根据发射功率、接收机灵敏度、线路损耗和分光器损耗可以计算出收机灵敏度、线路损耗和分光器损耗可以计算出传输距离传输距离L：式中：式中：P0为光发送机发射光功率为光发送机发射光功率

13、(dBm)，Pr为接为接收机的最低接收光功率收机的最低接收光功率(dBm)，M为系统富余量为系统富余量(dB)；为光缆线路每公里的损耗为光缆线路每公里的损耗(包括每公里光包括每公里光纤损耗、光纤接头损耗、光纤活动连接器的损耗，纤损耗、光纤接头损耗、光纤活动连接器的损耗，单位为单位为dB/km)；Ai为分光器插入损耗为分光器插入损耗(dB)；Ad为为分光器分光损耗分光器分光损耗(dB)。）（9.18diroAAMPPL21如果单从满足系统的传输带宽来考虑，如果单从满足系统的传输带宽来考虑，只要系统要求的带宽不大于单模光纤可提只要系统要求的带宽不大于单模光纤可提供带宽即可，此时系统的最大传输距离为

14、：供带宽即可，此时系统的最大传输距离为：式中：式中：D为单模光纤的色散系数；为单模光纤的色散系数；为光源的谱为光源的谱线宽度；线宽度；B为系统传输信号带宽。为系统传输信号带宽。）（9.1944. 0BDL 22(1) 抗干扰能力强，传输质量好。抗干扰能力强，传输质量好。(2) 可以再生，传输距离远。可以再生，传输距离远。(3) 数字系统采用大量的数字电路，数字系统采用大量的数字电路，容易集成，采用超大规模集成电路芯片使容易集成，采用超大规模集成电路芯片使数字设备体积小，功耗低。数字设备体积小，功耗低。23数字光纤通信系统的性能主要包括误码性能、抖数字光纤通信系统的性能主要包括误码性能、抖动性能

15、和系统的可靠性。动性能和系统的可靠性。 为研究通信系统传输质量标准，往往可以预先规为研究通信系统传输质量标准，往往可以预先规定一条假设的通道，具有确定的长度及一定的中间和终定一条假设的通道，具有确定的长度及一定的中间和终端设备。在这种特定条件下去研究该通道的传输质量，端设备。在这种特定条件下去研究该通道的传输质量，通常就把这条通信通道称为假设参考通道。通常就把这条通信通道称为假设参考通道。两个相邻数字配线架之间两个相邻数字配线架之间(或等效设备之间或等效设备之间)用来传用来传送一种规定速率的数字信号的全部装置构成一个数字段。送一种规定速率的数字信号的全部装置构成一个数字段。24误码就是经接收判

16、决再生后，数字码流的误码就是经接收判决再生后，数字码流的某些比特发生了差错，使传输信息的质量产生了某些比特发生了差错，使传输信息的质量产生了损伤。损伤。它包括各种噪声源产生的误码；定位抖动它包括各种噪声源产生的误码；定位抖动产生的误码；复用器、交叉连接设备和交换机的产生的误码；复用器、交叉连接设备和交换机的误码。误码。一些具有突发性质的脉冲干扰如外部电磁一些具有突发性质的脉冲干扰如外部电磁干扰、静电放电、设备故障、电源瞬态干扰和人干扰、静电放电、设备故障、电源瞬态干扰和人为活动会产生误码。为活动会产生误码。25误码性能事件是导出误码性能参数的基误码性能事件是导出误码性能参数的基础，础，G.82

17、6建议是以块差错建议是以块差错(误块误块)事件为事件为基础的规范，它规范的是运行在基群和基础的规范，它规范的是运行在基群和基群以上速率数字通道的误码性能事件、基群以上速率数字通道的误码性能事件、参数和指标。参数和指标。26需要说明的是需要说明的是SES（严重误码秒（严重误码秒 ）事件）事件并不总是孤立的事件，它可能会连续地发生并不总是孤立的事件，它可能会连续地发生SES。n个连续的个连续的SES与与n个孤立的个孤立的SES对用户对用户感到的性能会产生很不相同的影响。感到的性能会产生很不相同的影响。运行在运行在G.826所包括的速率下的通道是由所包括的速率下的通道是由传输系统传输系统(数字段数字

18、段)来承载的。来承载的。误码性能指标如何应用到系统设计，目误码性能指标如何应用到系统设计，目前前ITU-T还没有建议。还没有建议。27定时抖动对网络的性能损伤表现在下定时抖动对网络的性能损伤表现在下面几个方面：面几个方面： 对数字编码的模拟信号，在解码后对数字编码的模拟信号，在解码后数字流的随机相位抖动使恢复后的样值具数字流的随机相位抖动使恢复后的样值具有不规则的相位，从而造成输出模拟信号有不规则的相位，从而造成输出模拟信号的失真，形成所谓抖动噪声；的失真，形成所谓抖动噪声；28 在再生器中，定时的不规则性使有效判在再生器中，定时的不规则性使有效判决偏离接收眼图的中心，从而降低了再生器的信决偏

19、离接收眼图的中心，从而降低了再生器的信噪比余度，直至发生误码；噪比余度，直至发生误码； 在在SDH（同步数字体系（同步数字体系Synchronous Digital Hierarchy ）网中，像同步复用器等配有）网中，像同步复用器等配有缓存器的网络单元，过大的输入抖动会造成缓存缓存器的网络单元，过大的输入抖动会造成缓存器的溢出或取空，从而产生滑动损伤。器的溢出或取空，从而产生滑动损伤。29 YD/T 12992004标准规定了在标准规定了在SDH网络节网络节点接口（点接口（NNI）上能够控制的抖动和漂移的参数）上能够控制的抖动和漂移的参数及相关指标。及相关指标。PDH(Plesiochron

20、ous Digital Hierarchy,准准同步数字系列同步数字系列)信号在信号在SDH/PDH边界处应满足原边界处应满足原有有PDH网的抖动性能要求。网的抖动性能要求。 PDH网络接口允许的最大输出抖动网络接口允许的最大输出抖动 SDH设备的设备的PDH支路输入口抖动和漂移容限支路输入口抖动和漂移容限30 SDH网络输出接口允许的最大抖动网络输出接口允许的最大抖动为了保证不同为了保证不同SDH网元之间的互连而网元之间的互连而不影响网络的传输质量，不影响网络的传输质量，SDH网络输出接网络输出接口允许的最大抖动不应超过表口允许的最大抖动不应超过表8.8中所规定中所规定的数字。括号中数值为数

21、字段要求。的数字。括号中数值为数字段要求。31表8-1 SDH网络输出接口允许的最大抖动 网络接口限值 测量滤波器参数 参数值 SDH等级 B1(UIp-p) B2(UIp-p) f1 f3 f4 STM-1 1.5(0.75) 0.15 500Hz 65kHz 1.3MHz STM-4 1.5(0.75) 0.15 1000Hz 250kHz 5MHz STM-16 1.5(0.75) 0.15 5000Hz 1000kHz 20MHz 32 SDH设备的输入口的抖动和漂移容限设备的输入口的抖动和漂移容限 SDH抖动转移特性抖动转移特性系统的可靠性一般采用故障统计分析系统的可靠性一般采用故障

22、统计分析法，即根据实际调查结果，统计足够长时法，即根据实际调查结果，统计足够长时间内的可用时间和不可用时间，然后用可间内的可用时间和不可用时间，然后用可用性指标来表示。所谓可用性是指可用时用性指标来表示。所谓可用性是指可用时间占系统全部运营时间的百分比。因为是间占系统全部运营时间的百分比。因为是统计量，因此统计时间越长，所得结果越统计量，因此统计时间越长，所得结果越精确。精确。33 光波系统的设计，要求最大限度地利用光纤光波系统的设计，要求最大限度地利用光纤的频带资源，达到最高的通信能力或容量，提供的频带资源，达到最高的通信能力或容量，提供最大的通信效益。最大的通信效益。 为此需要研究限制通信

23、能力的因素。光发送为此需要研究限制通信能力的因素。光发送机、中继器、光接收机和光纤传输媒质等光波系机、中继器、光接收机和光纤传输媒质等光波系统组成单元都对通信能力的提高产生限制，本节统组成单元都对通信能力的提高产生限制，本节主要讨论光纤传输媒质对光波通信能力的影响。主要讨论光纤传输媒质对光波通信能力的影响。 光纤损耗和色散特性是影响光波系统通信容光纤损耗和色散特性是影响光波系统通信容量量(BL积积)的重要因素，而损耗和色散又都随工作的重要因素，而损耗和色散又都随工作波长而变化，因此工作波长的选择和光纤特性参波长而变化，因此工作波长的选择和光纤特性参数对通信容量的影响程度就成为光波系统设计的数对

24、通信容量的影响程度就成为光波系统设计的一个主要问题。一个主要问题。34 设光发送机发出的最大平均功率为设光发送机发出的最大平均功率为PT比特率为比特率为B，而光接收机的接收灵敏度为而光接收机的接收灵敏度为Pr，则最大传输距离为则最大传输距离为式中，式中，为光纤损耗，包括对接损耗和活为光纤损耗，包括对接损耗和活动连接损耗。动连接损耗。 )lg(10rTPPL35 由于接收机灵敏度由于接收机灵敏度Pr，随比特率随比特率B线性变化：线性变化：Pr =NphB，因此传输距离亦与比特率有关，此因此传输距离亦与比特率有关，此处处h为光子能量，为光子能量，Np为接收机所要求的每比特的为接收机所要求的每比特的

25、平均光子数。由此可见，在给定工作波长，平均光子数。由此可见，在给定工作波长，L随随B的增加而呈对数关系降低。的增加而呈对数关系降低。 图图8-3中用实线展示了在中用实线展示了在=0.85m、1.3m和和1.55m三个通用工作波长处传输距离三个通用工作波长处传输距离L随比特随比特率率B B的变化，该波长处光纤损耗分别为的变化，该波长处光纤损耗分别为=25、04和和025dBkm。 工作波长()(m)0.851.31.55光纤损耗(dBkm)2.50.40.25光发送功率(mW)111接收机所要求的每比特的平均光子数300500500中继距离限制(km)3020036图图8-3 光纤损耗光纤损耗(

26、实线实线)和色散和色散(虚线虚线)对光波系统传输距离和比特率的限制对光波系统传输距离和比特率的限制一实际陆地商用光波系统；一实际陆地商用光波系统；一横越大西洋的海底光波系统；一横越大西洋的海底光波系统；一采用色散位移光纤的一采用色散位移光纤的155m，B10Gbs的实验系统。的实验系统。 损耗限制损耗限制色散限制色散限制3738光纤色散导致的信号畸变限制系统的传输距离。光纤色散导致的信号畸变限制系统的传输距离。导致色散限制的物理机制随不同波长而不同。导致色散限制的物理机制随不同波长而不同。39 早期发展的早期发展的0.85m第一代光波系统中，通第一代光波系统中，通常采用低成本的多模光纤作为传输

27、媒质。多模光常采用低成本的多模光纤作为传输媒质。多模光纤的主要限制因素是纤的主要限制因素是模间色散模间色散。 对于阶跃型多模光纤对于阶跃型多模光纤 BL(c/)(n2/n12)利用典型值：利用典型值：nl=1. .46和和=0.01，一个略严格的一个略严格的限制条件为限制条件为BL=c(2 nl)此条件已用破折线画于图此条件已用破折线画于图8-3左下角。左下角。 4041 可见，即使在可见，即使在B1Mbs的低比特率，的低比特率，这种多模系统也是色散限制的，其传输距这种多模系统也是色散限制的，其传输距离限制在离限制在10km内。内。 基于上述原因，除了一些数据连接应基于上述原因，除了一些数据连

28、接应用，多模阶跃光纤很少用于光纤通信系统用，多模阶跃光纤很少用于光纤通信系统中。中。 使用多模渐变光纤可大大提高使用多模渐变光纤可大大提高BL积，积，这种光纤的模间色散将这种光纤的模间色散将BL积限制在积限制在BL100Mbs将将变为色散限制。变为色散限制。 第一代陆上光波通信系统就是采用这种第一代陆上光波通信系统就是采用这种多模渐变光纤，比特率在多模渐变光纤，比特率在50l00Mbs范围范围内，中继距离接近内，中继距离接近l0km，于于1978年投入商业年投入商业运营。运营。 4344 第二代光波系统采用最小色散波长在第二代光波系统采用最小色散波长在13m附近的早期单模光纤，该系统最大附近的

29、早期单模光纤，该系统最大的限制因素是由较大的光源谱宽支配的由的限制因素是由较大的光源谱宽支配的由色散导致的脉冲展宽，这时比特率一距离色散导致的脉冲展宽，这时比特率一距离积积BL限制为限制为BL(4|D|)-1式中，式中，D为色散参数；为色散参数；为光源的均方根为光源的均方根谱宽。谱宽。 45 |D|的实际值取决于工作波长与零色散波的实际值取决于工作波长与零色散波长的偏离程度，其典型值在长的偏离程度，其典型值在l2ps(nmkm)范围内。范围内。 图图8-3中绘出了当取中绘出了当取|D|=2pskm，使使BL125(Gbs)km时，时，13m光波系光波系统的限制条件，从此限制线可见，统的限制条件

30、，从此限制线可见，当当BIGbs时，为损耗限制系统；时，为损耗限制系统；当当BlGbs时，为色散限制系统。时，为色散限制系统。 4647 第三代光波系统工作在损耗最小的第三代光波系统工作在损耗最小的1.55m波波长，在这种系统中光纤色散是主要的限制因素。长，在这种系统中光纤色散是主要的限制因素。 对普通单模光纤，在对普通单模光纤，在=1.55m处处|D|的典型的典型值约为值约为15ps/(nmkm)，色散值比较高，由色散导色散值比较高，由色散导致的脉冲展宽较大，系统处于色散限制状态。致的脉冲展宽较大，系统处于色散限制状态。 采用单纵模窄谱线半导体光源可大大缓解这采用单纵模窄谱线半导体光源可大大

31、缓解这种限制。对一个理想的光波系统，其最终限制由种限制。对一个理想的光波系统，其最终限制由下式给出下式给出B2L5Gbs，传输距离传输距离超过超过250km时就成为色散限制系统。时就成为色散限制系统。 实际上，直接调制中产生的光源频率实际上，直接调制中产生的光源频率啁啾将引起脉冲频谱展宽，加剧色散限制。啁啾将引起脉冲频谱展宽，加剧色散限制。 4950 例如将例如将D=16 ps(nmkm)和和=1nm代入，代入，BL积限制将降低到积限制将降低到BL150(Gbs)km，即使损耗限制距离可能超过即使损耗限制距离可能超过150km，但考虑光源啁啾后，即使比特率低至但考虑光源啁啾后，即使比特率低至B

32、2Gbs，传输距离也不超过传输距离也不超过75km。 当采用色散位移光纤时，色散和损耗当采用色散位移光纤时，色散和损耗在在155m附近均很低，可大大降低光源附近均很低，可大大降低光源啁瞅导致的附加限制。啁瞅导致的附加限制。 51 图图8-3中亦绘出了中亦绘出了|D|1.6ps(nmkm)时的系统限制线，这种系统的中继距离约时的系统限制线，这种系统的中继距离约为为80km，比特率可达比特率可达20Gbs。 当工作波长接近零色散波长，当工作波长接近零色散波长，|D|可进可进一步减小，一步减小，BL积可进一步提高。积可进一步提高。 实际上，采用低啁啾半导体光源和色实际上，采用低啁啾半导体光源和色散位

33、移光纤，已实现散位移光纤，已实现B10Gbs和和L100km的传输。的传输。 半导体光源一般为负啁啾，当采用预半导体光源一般为负啁啾，当采用预啁啾补偿技术时，啁啾补偿技术时，BL积也可进一步提高。积也可进一步提高。 5253 上节讨论了光纤损耗与色散对光波系上节讨论了光纤损耗与色散对光波系统传输距离统传输距离L和比特率和比特率B的固有限制，并在的固有限制，并在图图8-3中用限制线表示了系统设计的参考界中用限制线表示了系统设计的参考界限。限。 在实际光波系统设计中要考虑许多其在实际光波系统设计中要考虑许多其他问题，如工作波长、光纤、光发送机、他问题，如工作波长、光纤、光发送机、光接收机、各种光无

34、源器件的兼容性、性光接收机、各种光无源器件的兼容性、性能价格比、系统可靠性及扩容升级要求等，能价格比、系统可靠性及扩容升级要求等，本节本节从功率预算和上升时间预算角度从功率预算和上升时间预算角度，并，并通过实例来讨论实际设计过程。通过实例来讨论实际设计过程。 5455 在设计过程开始，首先确定系统设计要求达在设计过程开始，首先确定系统设计要求达到的技术指标和应满足的性能标准，主要的技术到的技术指标和应满足的性能标准，主要的技术指标是比特率指标是比特率B和传输距离和传输距离L，而要满足的系统而要满足的系统性能是误码率，典型要求是性能是误码率，典型要求是BER10-9。 根据设计指标要求，接着决定

35、工作波长，例根据设计指标要求，接着决定工作波长，例如选用如选用085m波长波长BL积小成本亦低，而选用积小成本亦低，而选用1316m波长，波长，BL积高成本亦高。参考图积高成本亦高。参考图8-3有助于对工作波长作出合理的选择。有助于对工作波长作出合理的选择。 一般当一般当B100Mbs，L200Mbs的长距离电信的长距离电信系统，必须选择系统，必须选择1. .3一一1. .6 m的工作波长。的工作波长。 56功率预算的目的在于使光波系统在整个寿命期间，确保功率预算的目的在于使光波系统在整个寿命期间，确保有足够的光功率到达光接收机以保证系统有稳定可靠的有足够的光功率到达光接收机以保证系统有稳定可

36、靠的性能。接收机要求的最小平均功率是接收机灵敏度性能。接收机要求的最小平均功率是接收机灵敏度Pr。平均发送功率平均发送功率PT一般对每个发送机都是给定的，将功率一般对每个发送机都是给定的，将功率用分贝用分贝(dBm)表示，则功率预算可表示为表示，则功率预算可表示为PT=Pr+CL+Ms式中，式中， CL为信道总损耗；为信道总损耗；Ms为系统裕量。保留裕量的目为系统裕量。保留裕量的目的在于分配一定量的功率，给因系统中元器件退化或其的在于分配一定量的功率，给因系统中元器件退化或其他不可预知的事件引起的功率亏损在系统寿命期内的增他不可预知的事件引起的功率亏损在系统寿命期内的增加。在设计时一般取加。在

37、设计时一般取Ms=68dB。信道总损耗信道总损耗CL应包括应包括所有可能的功率损耗源，包括光纤的分布损耗所有可能的功率损耗源，包括光纤的分布损耗f，连接连接器损耗器损耗c，对接损耗对接损耗s等。等。 57confLLCSRTLMPPC)(kmMPPLfconSRT58 在选定系统元部件后，就可估计最大传输距离。在选定系统元部件后，就可估计最大传输距离。 例如要设计一工作于例如要设计一工作于50Mbs，最大传输距离最大传输距离8km的光纤链路，参照图的光纤链路，参照图8-3，若采用渐变型多模光，若采用渐变型多模光纤，系统可设计工作在纤，系统可设计工作在0.85m，比较经济。比较经济。 确定了工作

38、波长后，必须确定合适的光发送机确定了工作波长后，必须确定合适的光发送机和接收机。和接收机。GaAs光发送机可用半导体激光器或发光光发送机可用半导体激光器或发光二极管作为光源。类似地，可采用二极管作为光源。类似地，可采用PIN或或APD硅接硅接收机设计，从降低成本考虑，可选择收机设计，从降低成本考虑，可选择PIN接收机。接收机。 在目前工艺水平下，为保证误码率在目前工艺水平下，为保证误码率BERBcr，则系统是受色散限制则系统是受色散限制的。而在色散限制下的最大中继距离为的。而在色散限制下的最大中继距离为 acrWB)/(411aBL/11max)4(174 对单模光纤，不存在模式色散，对单模光

39、纤，不存在模式色散，D=DM+Dw，随光纤长度成比例增大，系统不受色散限制的临随光纤长度成比例增大，系统不受色散限制的临界比特率为界比特率为Bcr =1(4)=1(4(O O2 2+D D2 2)1/2)O O为输入脉冲均方根脉宽，为输入脉冲均方根脉宽，D D=|D|L为色散为色散引起的脉冲展宽，对很窄的脉冲，引起的脉冲展宽，对很窄的脉冲，D D=|D|L为输入脉冲均方根谱宽，因此有为输入脉冲均方根谱宽，因此有Bcr =l(4|D|L)。由此可得色散限制下的最大中继距由此可得色散限制下的最大中继距离为离为Lmax=1/(4B|D|L)只有当系统要求的传输距离只有当系统要求的传输距离LLmax时

40、，才能满足时，才能满足系统设计要求。系统设计要求。 75 光纤损耗和色散均影响光波系统的设计和光纤损耗和色散均影响光波系统的设计和性能。性能。 引起接收机灵敏度降低的因素包括模噪声、引起接收机灵敏度降低的因素包括模噪声、色散展宽、码间干扰、模式分配噪声、频率啁啾色散展宽、码间干扰、模式分配噪声、频率啁啾及反射反馈等。及反射反馈等。 76 在多模光纤中，由于振动和微弯等机械扰动，在多模光纤中，由于振动和微弯等机械扰动，各传输模式间的干涉在光检测器受光面上产生了各传输模式间的干涉在光检测器受光面上产生了一个斑纹图样，称为斑图。一个斑纹图样，称为斑图。 与斑图相关的强度不均匀分布自身是无害的，与斑图

41、相关的强度不均匀分布自身是无害的，因为接收机性能由探测器面积分所得总功率决定。因为接收机性能由探测器面积分所得总功率决定。 然而如果斑图随时间波动，将导致接收功率然而如果斑图随时间波动，将导致接收功率的波动并附加到总的接收机噪声中，导致信噪比的波动并附加到总的接收机噪声中，导致信噪比降低，这种波动称为模噪声。降低，这种波动称为模噪声。 77 另外，对接和连接器起空间滤波器的作用，另外，对接和连接器起空间滤波器的作用，使任何瞬时变化都变成斑点波动，亦增加了模噪使任何瞬时变化都变成斑点波动，亦增加了模噪声。声。 光源谱宽光源谱宽也严重影响模噪声，当相干时也严重影响模噪声，当相干时间间Tcl长于模间

42、时延长于模间时延T，即即Tl时亦将产生模干涉。对时亦将产生模干涉。对LED光发送机，光发送机，v足够足够大大(5THz)，可避免这类模噪声的影响。可避免这类模噪声的影响。 当同时采用多模光纤和半导体激光器时，模当同时采用多模光纤和半导体激光器时，模噪声成为严重问题。通常将模噪声加到接收机其噪声成为严重问题。通常将模噪声加到接收机其他噪声中计算误码率，以估计模噪声导致的灵敏他噪声中计算误码率，以估计模噪声导致的灵敏度降低和系统功率代价。度降低和系统功率代价。 78 色散导致脉冲展宽，限制了光波系统的色散导致脉冲展宽，限制了光波系统的BL积。积。 当脉冲展宽至超过分配给它们的时隙时，一当脉冲展宽至

43、超过分配给它们的时隙时，一部分脉冲能量进人相邻时隙而导致码间干扰部分脉冲能量进人相邻时隙而导致码间干扰(ISI)。 而本时隙内脉冲能量降低，使判决电路的而本时隙内脉冲能量降低，使判决电路的SNR降低。降低。 为维持接收机灵敏度和系统性能不变，应提为维持接收机灵敏度和系统性能不变，应提高功率预算，从而产生了色散导致的功率代价。高功率预算，从而产生了色散导致的功率代价。 79对高斯形光脉冲，功率代价可近似写成对高斯形光脉冲，功率代价可近似写成d=10lgfd式中，式中，fd=0 0为色散导致的脉冲展宽因为色散导致的脉冲展宽因子。子。 用上式可估计同时采用单模光纤和多纵用上式可估计同时采用单模光纤和

44、多纵模激光器或发光二极管的光波系统的功率模激光器或发光二极管的光波系统的功率代价。当代价。当B14时，可以忽略时，可以忽略ISI(码间串扰)的影响。当的影响。当=14B时，功率代价可时，功率代价可近似表示为近似表示为d=-5lg 1-(4BLD) )2 2 80 多纵模半导体激光器在调制时，其各个模式多纵模半导体激光器在调制时，其各个模式一般是不稳定的，即使各模式功率的总和一般是不稳定的，即使各模式功率的总和(总功总功率率)不随时间而变，但各个模式的功率却随时间不随时间而变，但各个模式的功率却随时间呈随机波动。呈随机波动。 当不存在色散时，所有模式在传输和检测中当不存在色散时，所有模式在传输和

45、检测中保持同步，这种波动是无害的。保持同步，这种波动是无害的。 但在实际有色散的光纤中，工作于不同波长但在实际有色散的光纤中，工作于不同波长的不同模式将以不同的速度传播，造成各模式间的不同模式将以不同的速度传播，造成各模式间不同步，引起接收机电流附加的随机波动，信噪不同步，引起接收机电流附加的随机波动，信噪比降低，这种现象称为模式分配噪声，需要付出比降低，这种现象称为模式分配噪声，需要付出功率代价，以维持功率代价，以维持SNR不变。不变。81可计算得到功率代价为可计算得到功率代价为d=-5lg (1-Q2 2r rmpmp2 2)式中，式中，Q参数由式参数由式(649)给出；给出；r rmpm

46、p为考虑模式为考虑模式分配噪声时接收到的相对噪声功率电平。分配噪声时接收到的相对噪声功率电平。 当激光器在连续波工作时总功率保持不变，当激光器在连续波工作时总功率保持不变，平均模式功率为按均方根脉宽为平均模式功率为按均方根脉宽为的高斯分布的高斯分布分配，接收机判决电路的脉冲形状用余弦函数描分配，接收机判决电路的脉冲形状用余弦函数描述时，述时，r rmpmp可近似写为可近似写为 )(exp122BLDkrmp8283 频率啁啾是限制光波系统性能的重要因素，频率啁啾是限制光波系统性能的重要因素，即使用高边模扼制比即使用高边模扼制比(MSR)的单纵模半导体激光的单纵模半导体激光器来产生数字比特流，这

47、种影响亦是不可忽视的。器来产生数字比特流，这种影响亦是不可忽视的。 对半导体激光器进行调制时，有源区的折射对半导体激光器进行调制时，有源区的折射率、传播常数及光脉冲的相位均发生变化，这种率、传播常数及光脉冲的相位均发生变化，这种由调幅到调相的转换导致光由调幅到调相的转换导致光(频频)谱的加宽，称为谱的加宽，称为频率啁啾。频率啁啾。 带有频率啁啾的光脉冲在色散光纤中传输时，带有频率啁啾的光脉冲在色散光纤中传输时，脉冲形状将发生变化。频率啁啾分量主要出现在脉冲形状将发生变化。频率啁啾分量主要出现在前沿和后沿，使前沿出现蓝移，后沿出现红移。前沿和后沿，使前沿出现蓝移，后沿出现红移。 84 由于光谱移

48、动，当脉冲在光纤中传输时，包由于光谱移动，当脉冲在光纤中传输时，包含在脉冲啁啾分量的部分功率将逸出比特时隙。含在脉冲啁啾分量的部分功率将逸出比特时隙。 该功率损耗降低了接收机的该功率损耗降低了接收机的SNR，导致了功导致了功率代价，其大小可近似表示为率代价，其大小可近似表示为d=-10lg (1-4BLDc c) )式中，式中，c c为与频率啁啾相关的谱移量。为与频率啁啾相关的谱移量。 上式的适用条件为上式的适用条件为LDc ctc， tc为啁啾脉为啁啾脉冲宽度，取决于弛豫振荡周期，约为半个振荡周冲宽度，取决于弛豫振荡周期，约为半个振荡周期，其典型值为期，其典型值为100200ps。 85随着光纤放大器的大量实用，数字光纤通随着光纤放大器的大量实用，数字光纤通信系统一般分为无光纤放大器系统和有光纤放大信系统一般分为无光纤放大器系统和有光纤放大器系统。器系统。在技术上，系统设计的主要问题是确定中在技术上，系统设计的主要问题是确