光纤通信系统实用教案

1、14.1 IM-DD光纤通信(un xin tn xn)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(xtng)的结构第1页/共94页第一页，共95页。24.1.1 光纤通信(un xin tn xn)中的线路码型 在数字光纤通信(tng xn)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(tng xn)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(tng xn)系统中传输 第2页/共94页第二页，共95页。34.1.1 光纤通信

2、(un xin tn xn)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(xnho)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(xnho)速率与其线路速率是相同的。第3页/共94页第三页，共95页。44.1.2 IM-DD光纤通信系统(xtng)的结构1光发射机2光接收机3光纤通信(un xin tn xn)系统第4页/共94页第四页，共95页。51光发射机(1

3、) 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( jin ji)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。 第5页/共94页第五页，共95页。61光发射机 图4-1 半导体光源(gungyun)的直接调制原理 第6页/共94页第六页，共95页。71光发射机 图4-2 光数字(shz)发射机原理图 第7页/共94页第七页，共95页。81光发射机(2) 对光(du gung)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

4、望光发射机的稳定性好，光源的寿命长等。第8页/共94页第八页，共95页。91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(ki xio)信息的过程。 第9页/共94页第九页，共95页。101光发射机(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能(gngnng) 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

5、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。 时钟第10页/共94页第十页，共95页。111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( jnxng)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。 第11页/共94页第十一页，共95页。121光发射机 图4-3 LG1625激光( jgung)驱动器原理图 第12页/共94页第十二页，共95页。131光发射机 图4-4 LG1625与246型激光器的连接(linji)示意图 第13页/共94页第十

6、三页，共95页。141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(wndng)，在光发射机中常使用自动功率控制(APC)电路。 第14页/共94页第十四页，共95页。151光发射机 图4-5 激光器老化(lohu)使输出光功率降低 第15页/共94页第十五页，共95页。161光发射机 图4-6 激光器温度(wnd)变化引起输出功率的变化 第16页/共94页第十六页，共95页。171光发射机 图4-7 自动(zdng)功率控制电路 第17页/共94页第十七页，共95

7、页。181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(shch)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(shch)特性保持稳定，在发射机盘上需安装自动温度控制(ATC)电路。第18页/共94页第十八页，共95页。191光发射机 图4-8 环境温度变化(binhu)引起输出光功率的变化(binhu) 第19页/共94页第十九页，共95页。201光发射机 图4-9 自动(zdng)温度控制电路方框图 第20页/共94页第二十页，共95页。212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(

8、boh)、监测电路LD保护(boh)电路无光告警电路 第21页/共94页第二十一页，共95页。222光接收机 图4-10 数字(shz)光纤通信接收光端机方框图 第22页/共94页第二十二页，共95页。232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(chn wi)半导体光电二极管后者又称为(chn wi)APD管。后者具有信号放大的作用。 第23页/共94页第二十三页，共95页。242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

9、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(ync)在光纤通信中得到广泛的使用。 第24页/共94页第二十四页，共95页。252光接收机 图4-11 1319型高速(o s)光纤接收组件 第25页/共94页第二十五页，共95页。262光接收机 放大器主放大器的作用有下述两个(lin )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。第26页/共94页第二十六页，共95页。

10、272光接收机 图4-12 LG1605限幅放大器 第27页/共94页第二十七页，共95页。282光接收机 均衡器拖尾现象采用均衡器来使经过( jnggu)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( jnggu)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。第28页/共94页第二十八页，共95页。292光接收机 图4-13 未经均衡出现的脉冲(michng)拖尾现象 第29页/共94页第二十九页，共95页。302光接收机 图4-14 单个脉冲(michng)均衡前后波形的比较

11、第30页/共94页第三十页，共95页。312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(shch)的信号恢复成理想的数字信号 第31页/共94页第三十一页，共95页。322光接收机 图4-15 信号(xnho)再生示意图 第32页/共94页第三十二页，共95页。332光接收机 图4-16 时钟(shzhng)恢复电路方框图 第33页/共94页第三十三页，共95页。342光接收机 图4-17 时钟(shzhng)恢复电路波形图 第34页/共94页第三十四页，共95页。352光接收机 图4-18 NR

12、Z码的功率(gngl)谱密度分布图 第35页/共94页第三十五页，共95页。362光接收机 图4-19 RZ码功率(gngl)谱密度分布图 第36页/共94页第三十六页，共95页。372光接收机 图4-20 一种(y zhn)非线性处理电路 第37页/共94页第三十七页，共95页。382光接收机 图4-21 非线性处理(chl)电路中的波形图 第38页/共94页第三十八页，共95页。392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(jnggu)限幅，可将上

13、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。第39页/共94页第三十九页，共95页。402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(wi zhi)触发器来构成。 第40页/共94页第四十页，共95页。412光接收机 图4-22 脉冲再生(zishng)电路原理方框图 第41页/共94页第四十一页，共95页。422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

14、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(zhngchng)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。 minmax3min3maxlg1010lg1010lg10PPPPD第42页/共94页第四十二页，共95页。432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(fnku)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。 第43页/共94页第四十三页，共95页。442光接收机 图4-23 自动增益控制工作(g

15、ngzu)原理方框图 第44页/共94页第四十四页，共95页。452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( jnxng)码型变换。在光发射机中对数字码流进行( jnxng)扰码处理。还需将判决器输出的信号进行( jnxng)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( jnxng)相反的操作，即解复用。第45页/共94页第四十五页，共95页。462光接收机 辅助电路辅助电路包括箝位电路、温度补偿(bchng)电路和告警电路等。 第46页/共94页第四十六页，共95页。472光接收机 图4-2

16、4 STM-16光接收器电原理图 第47页/共94页第四十七页，共95页。483光纤通信(un xin tn xn)系统 图4-25 IM-DD光纤通信(un xin tn xn)系统原理框图 第48页/共94页第四十八页，共95页。493光纤通信(un xin tn xn)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(b xn)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。 第49页/共94页第四十九页，共95页。503光纤通信(un xin tn xn)系统 图4-26 最简单( jindn)的光

17、中继器原理方框图 第50页/共94页第五十页，共95页。513光纤通信(un xin tn xn)系统 图4-27 实用(shyng)的中继器方框图 第51页/共94页第五十一页，共95页。523光纤通信(un xin tn xn)系统(2) 监控系统(xtng)监控系统(xtng)为监视、监测和控制系统(xtng)的简称。在光纤通信的监控系统(xtng)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(xtng)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。 第52页/共94页第五十二页，共

18、95页。534.2 衰减和色散(ssn)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(yshng)的SDH光线路4.2.3 使用光放大器的SDH高速线路第53页/共94页第五十三页，共95页。544.2.1 衰减和色散对中继距离(jl)的影响1衰减对中继距离的影响2色散(ssn)对中继距离的影响3最大中继距离的计算第54页/共94页第五十四页，共95页。551衰减(shui jin)对中继距离的影响 一个中继段上的传输(chun sh)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

19、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。 第55页/共94页第五十五页，共95页。562色散对中继距离(jl)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(zhngyo)的有三类：码间干扰、模分配噪声和啁啾声。 第56页/共94页第五十六页，共95页。572色散(ssn)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(ss

20、n)系数越大，光源谱宽越宽。 第57页/共94页第五十七页，共95页。582色散(ssn)对中继距离的影响 (2) 模分配噪声对中继距离的影响 激光器的光谱(gungp)特性 模分配噪声的产生及影响第58页/共94页第五十八页，共95页。592色散(ssn)对中继距离的影响 图4-28 普通(ptng)激光器的静态和动态谱线 第59页/共94页第五十九页，共95页。602色散对中继距离(jl)的影响 图4-29 高速调制时多纵模的随机(su j)起伏 第60页/共94页第六十页，共95页。612色散对中继距离(jl)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

21、，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(yn wi)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。 第61页/共94页第六十一页，共95页。623最大中继距离(jl)的计算 中继距离是光纤通信系统设计的一项主要任务(rn wu)。 在中继距离的设计中应考虑衰减和色散这两个限制因素。 第62页/共94页第六十二页，共95页。633最大中继距

22、离(jl)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(hud)的技术经济效益越高。极限值设计法 第63页/共94页第六十三页，共95页。643最大中继距离(jl)的计算 （2） 色散(ssn)受限系统 光纤的色散(ssn)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(ssn)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 采用外调制器第64页/共94页第六十四页，共95页。654.2.2 10Gbit/s及10Gbit/s以上(yshng)的SDH光线路1光源(g

23、ungyun)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 第65页/共94页第六十五页，共95页。661光源频率啁啾(zhu ji)影响 为了(wi le)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： dtdPPdtda21第66页/共94页第六十六页，共95页。672光纤的色散特性(txng)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(lin )，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。 第67页/共94页第六十七

24、页，共95页。683极化(j hu)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(sd)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。 第68页/共94页第六十八页，共95页。694系统功率(gngl)预算限制 系统(xtng)功率预算是指光纤通信系统(xtng)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

25、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(xtng)中采用掺饵光纤放大器（EDFA）。 第69页/共94页第六十九页，共95页。704.2.3 使用光放大器的SDH高速(o s)线路1使用EDFA的光纤通信系统的主要优点 2EDFA在光纤通信系统中的应用 3无电再生的最大中继距离 4EDFA在级联中可能出现(chxin)的问题及解决方法 第70页/共94页第七十页，共95页。711使用EDFA的光纤通信(un xin tn xn)系统的主要优点（1） 可扩展中继距离。（2） 具有透明

26、性。（3） 可作中继器使用，节约( jiyu)成本。（4） 可扩大用户数。第71页/共94页第七十一页，共95页。722EDFA在光纤通信系统(xtng)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( jl)，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( jl)的传输。 （1） 作为前置放大器 （2） 作为功率放大器 （3） 作光中继器使用第72页/共94页第七十二页，共95页。732EDFA在光纤通信系统(xtng)中的应用 图4-30 EDFA的应用(yngyng) 第73页/共94页第七十三页，共95页。743无电再生(zishng)的最大中继距离 在

27、使用光放大器的光纤通信系统中同样要考虑衰减(shui jin)和色散的影响。 衰减(shui jin)受限光纤通信系统的中继距离可以表示为cfsfEPFCCRCTRT/MLAAMPNGAAAPPLa第74页/共94页第七十四页，共95页。754EDFA在级联中可能出现的问题(wnt)及解决方法（1） 噪声积累影响(yngxing)（2） 光纤的非线性限制（3） 增益均衡第75页/共94页第七十五页，共95页。764EDFA在级联中可能出现的问题(wnt)及解决方法 图4-31 EDFA增益不平坦(pngtn)性对多级级联的影响 第76页/共94页第七十六页，共95页。774.3 噪声(zosh

28、ng)及灵敏度分析 4.3.1 IM-DD光纤通信(un xin tn xn)系统噪声及灵敏度 4.3.2 EDFA的级联系统第77页/共94页第七十七页，共95页。784.3.1 IM-DD光纤通信(un xin tn xn)系统噪声及灵敏度1接收机噪声(zoshng)2接收灵敏度第78页/共94页第七十八页，共95页。791接收机噪声(zoshng)（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(dinz)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

29、声就是热噪声。第79页/共94页第七十九页，共95页。801接收机噪声(zoshng)（2） 光接收机的SNRPIN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、接收机的带宽(di kun)f以及光子能量hf有关。最佳平均雪崩增益（Gmax） 第80页/共94页第八十页，共95页。811接收机噪声(zoshng) 图4-32 1.55m InGaAs APD接收机最佳APD增益Gmax与入射光功率(gngl)Pin的关系第81页/共94页第八十一页，共95

30、页。822接收灵敏度 接收灵敏度是指在满足给定误码率（BER=110-10）条件下，光接收机能够接收到的最小平均(pngjn)光功率。 接收灵敏度是与系统误码性能有关的物理量。第82页/共94页第八十二页，共95页。832接收灵敏度（1） 误码率误码率是指这两种情况(qngkung)下的误码概率可用下式给出： 010122)2/exp()2(21)0/1 ()0() 1/0() 1 (IIQQQQerfcBERPPPPBER第83页/共94页第八十三页，共95页。84 图4-33 比特(b t)误码率和Q参数的关系 第84页/共94页第八十四页，共95页。852接收灵敏度（2）Q与接收灵敏度之

31、间的关系(gun x) )G()(2TA_T2/12T2sQfFqRQPPGRQ第85页/共94页第八十五页，共95页。864.3.2 EDFA的级联系统(xtng) 1级联光放大器系统(xtng)的信噪比 2级联光放大器系统(xtng)的接收灵敏度 第86页/共94页第八十六页，共95页。871级联光放大器系统(xtng)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(hu mian)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0spASE) 1(2BGhfnP第87页/共94页第八十七页，共95页。881级联光放大器系统(xtng)的信噪比 （1） 自发辐射噪声自发辐射因子nsp表示(biosh