光纤通信系统与网络（第5版）课件 第4章-光纤通信系统及设计

第4章光纤通信系统及设计内容提要4.1两种数字传输体制及系统模型4.2光发射机4.3光接收机4.4光纤线路及设施4.5光中继器4.6光模块4.6系统的性能指标4.7

光纤通信系统的设计

光纤和光器件在前3章已经讨论了。本章将从构成一个实际系统的角度讨论光接收机、光发射机的组成（光模块）、工作原理、系统指标及系统设计等。

光纤通信系统按传输信号种类来分，有模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统，本章重点讨论数字光纤通信系统。按光调制方式来分，有直接（强度）调制-直接检波（IntensityModulation-DirectDetection，IM-DD）系统和间接（外）调制-检波系统。

本章重点讨论IM-DD系统。第4章

光纤通信系统及设计数字光纤通信是数字通信与光纤通信系统的优化组合。目前数字光纤通信系统大都采用同步时分复用（TDM）技术，复用又分为若干等级，而且先后有两种传输体制。准同步数字体系（PDH）PDH早在1976年实现了标准化，目前还在使用。随着光纤通信技术和网络的发展，PDH遇到了许多困难。同步数字体（SDH）SDH解决了PDH存在的问题，是一种比较完善的传输体制，这种体制不仅适用于光信道，也适用于微波和卫星干线传输。4.1两种数字传输体制及系统模型4.1.1准同步数字体系PDH在数字传输系统中，由模拟话音信号变换为数字信号进行传输时，每一路话音占用的速率一般为64kbit/s，通常称为零次群。如果在同一信道中增加容量，必须采用多路复用的方法，提高其传输速率。

根据不同需要和不同传输介质的传输能力，可将不同的速率复接形成一个系列，即由低向高逐级进行复接，这就是数字复接系列。倘若被复接的支路不由同一时钟源控制，其码速率由于各自的时钟不同而不严格相等，即各支路码流是不同步的，这样的复接称为异步复接，其中若各被复接支路信号的速率标准相同，称为准同步数字复接体系（PDH）。对于准同步数字复接体系，国际上有两大体系，即PCM基群24路系列和PCM基群30/32路系列。按ITU-T相关建议，两类复接系列速率如表4.1所示。4.1.2同步数字体系SDHSDH是一套可进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的标准化数字信号的结构等级，而SDH网络则是由一些基本网络单元组成的、在传输媒质上（如光纤、微波等）具有全世界统一的网络节点接口。SDH复接方式是由几个支路（低等级支路信号）在同一个高稳定的时钟控制下，它们的码速率是严格相等的，即各支路的码位是同步的。这时，可以将各支路码元直接在时间压缩、移相后进行复接，这样的复接称为同步复接。1988年ITU-T经充分讨论协商，在G.707建议中对SDH速率等级作出明确规定，如表4.2所示表4.2SDH中速率等级系列SDH等级标准速率（Mbit/s）2Mbit/s口数量（个）话路容量（路）STM-1155.52063（常用）1890STM-4622.0802527560STM-162488.320100830240STM-649753.28040321209604.1.3光纤通信系统模型

一个实用的完整点到点光纤通信系统主要由光发射机、光接收机、光中继器、光纤、光器件以及光纤线路设施等组成，如图4-1所示。图4-1光纤通信系统模型光纤通信系统的工作过程大致可分为两步：

第一步是光发射机将来自信源的电信号调制成光信号送至光纤传输，若传输距离较长，则需要加光中继器或光放大器，其作用是补偿光信号长距离传输损耗和畸变或者直接放大微弱光信号；

第二步是光接收机将来自光纤的光信号经解调和一系列处理还原成电信号输出。4.2光发射机

4.2.1光调制光调制就是用电信号（称调制信号）去改变光载波的某一特征参量。例如光载波的幅度、相位、频率，使其输出的特征参量随电信号而变化。调制后的光波通过光纤送至光接收机，进行光解调，还原出原来的信号。光调制可分为直接调制（IM）和间接调制两大类。直接调制——适用于LD、LED器件，把信息变为电流信号注入LD或LED，使光功率输出随之而变化，如图4-2（a）所示。间接调制——适用于LD、LED和其他类型的激光器如气体、液体、晶体激光器。该调制是利用调制元件的电光效应、磁光效应、声光效应来实现激光辐射调制的。如图4-2（b）所示。下面只介绍\IM方式图4-2光源的两种调制方式1．光源的直接模拟和数字调制

IM方式只适用于半导体光源LD和发光二极管LED。（1）光源的直接模拟调制在模拟光纤通信系统中，模拟信号的调制是直接用连续的模拟信号（如语音，电视信号）对光源进行调制。图4-3是LD和LED模拟信号的调制原理，连续的模拟信号电流叠加在LED或LD直流偏置电流Ib上，使其直流偏置电流Ib工作点处于LED或LD的P-I特性曲线的线性段的中点，可以减小光信号的非线性失真。

图4-3

直接模拟调制原理

例如:模拟调制电路(驱动电路)工作原理：图4-2LED或LD模拟调制电路电信号光信号电信号tttUinUopo(2)光源的直接数字调制

图4-5

直接数字调制原理

2．光源的间接（外）调制

间接（外）调制是在LD激光形成后的光路上放置一个电光效应、磁光效应或声光效应的调制器，在调制器上加电的调制信号电压，使调制器的某些物理特性发生相应变化，当光源发出的激光通过调制器时得到调制。这种方法应用在超高速率传输系统和相干光通信中。间接（外）调制把激光的产生和调制分开，因而不会影响激光器工作的稳定性，传输质量较高。（1）电光调制器的调制原理（2）声光调制器的调制原理（3）磁光调制器的调制原理4.2.2光发射机的结构及原理线路编码

调制电路

光源补偿电路

控制电路

光信号数字信号LD/LED调制电路有区别图4-7直接调制的数字光发射机的基本组成

直接调制的数字光发射机的基本组成如图4-7所示，主要有光源和相关电路两部分。以LD为光源的光发射机通常有线路编码、调制电路、控制电路等部分；以LED为光源的光发射机主要差别是将复杂的控制电路改为补偿电路等构成。

光发射机各部分的作用是光源作为电导光器件，实现光电变换；线路编码对输入信号码流结构进行某种变换，以适应光纤线路传输和不中断业务检测误码的要求；调制电路与光源一起把电信号调制成光信号；控制电路对LD光源实施自动温度控制（ATC），自动功率控制（APC）等，使输出光功率恒定

间接调制的数字光发射机的基本组成如图4-8所示。它利用光调制器对LD所发出的光载波进行调制，即LD发出光后再经过光调制器，使经过光调制器的光载波得到调制。下面重点介绍直接调制的数字光发射机原理图4-8间接调制数字光发射机的基本组成数字光发射机各部分的主要作用简述如下：

1．线路编码电端机输出:双特性码HDB3码、CMI码。适合电缆传输，三极性码。光源不可能发射负光脉冲，因此必须进行码型变换，以适应数字光纤通信系统传输的要求。适合于光纤通信的线路码型很多，对线路码型的要求根据不同情况有所侧重，最基本的有如下几点：

（1）码型中应包含足够的定时信息。因而应尽可能减少连“l”码和连“0”码的数目，使“1”码和“0”码的分布均匀，保证定时信息丰富。（2）能实现在线（不中断业务）的误码检测。（3）信号带宽尽量小，有利于提高光接收机的灵敏度。（4）能提供一定的冗余码，用于平衡码流、误码监测和公务通信。但对高速光纤通信系统，应适当减少冗余码，以免占用过大的带宽。数字光纤通信系统常用的线路码型：

主要有扰码、mBnB码和插入比特码等（1）扰码减少连“1”码和连“0”码的数目。（2）mBnB码mBnB码：输入的二进制原码流进行分组，每组有m个二进制码，记为mB，称为一个码字，然后把一个码字变换为n个二进制码，记为nB，并在同一个时隙内输出。称为mBnB码，其中m和n都是正整数，n＞m，一般取n=m+1。mBnB码有1B2B,3B4B,5B6B,等等。

mBnB码是一种分组码，设计者可以根据传输特性的要求确定某种码表。mBnB码的特点是：（1）码流中“0”和“1”码的概率相等，连“0”和连“1”的数目较少，定时信息丰富。（2）高低频分量较小，信号频谱特性较好，基线漂移小。（3）在码流中引入一定的冗余码，便于在线误码检测。（3）插入码插入码是把输入二进制原始码流分成每m比特一组，然后在每组mB码末尾按一定规律插入一个码，组成m+1个码为一组的线路码流。根据插入码的规律，可以分为mB1C码、mB1H码和mB1P码。

mB1C码：把原码流分成每m比特一组，然后在每组mB码的末尾插入1比特补码，这个补码为mB码组中第i位的反码，称为C码，所以称为mB1C码。补码插在mB码的末尾，连“0”码和连“

1”码的数目最少。例如，设C码为mB码组中末尾位的反码，则有：mB码为

100 110001101mB1C码为1001110100101010

C码的作用是引入冗余码，可以进行在线误码率监测，同时改善了“0”码和“1”码的分布，有利于定时提取。mB1H码是mB1C码演变而成的，在插入比特的位置，不是完全插入C码，而是交替插入F帧码。F帧码：SC公务码，M检测码，D数据码，I区间通信码等形成混合插入（Hybrid）码的形式。mB1H码特点：利用冗余信息实现辅助信息的传送，可在不中断业务时误码检测。常用的mB1H码，有1B1H码、4B1H码和8B1H码。

在mB1P码中，P码称为奇偶校验码，其作用和C码相似，但P码有以下两种情况。（1）P码为奇校验码时，其插入规律是使m+1个码内“1”码的个数为奇数。例如：mB码为

100 000001110mB1P码为1000 00010010 1101（2）P码为偶校验码时，其插入规律是使m+1个码内“1”码的个数为偶数。例如：mB码为100 000

001110mB1P码为10010000

00111100奇偶校验码主要用于误码检测。

2．IM调制电路

基于共发饱和开关驱动电路的LED数字调制电路如图4-9所示，当输入信号Uin为低电平“0”及高电平“1”时，晶体管VT分别处于截止和饱和导通状态，只有在饱和状态时，提供LED所需驱动电流，所以LED发光。R2为限流电阻，调整R2可以使LED工作于设计电流下。C1为加速电容，用以提高电路的工作速度。R3提供发光二极管小量的正向偏置电流，有利于LED高速应用。图4-9LED数字调制电路LD驱动电路和偏置电流的选择应考虑：（1）加大直流偏置电流使其逼近阈值，即Ib≤Ith=0.9Ith。这样可以大大减小电光延迟时间，同时使张弛振荡得到一定程度的抑制，减小码型效应和结发热效应的影响。LD最大驱动电流应为ILD=（1.2~1.5）Ith。（2）加大直流偏置电流会使激光器的消光比恶化。所谓消光比，是指激光器在全“0”码时发射的功率与全“1”码时发射的功率之比，通常要求消光比＜10%，以免接收机的灵敏度受到影响。

驱动电路的作用就是提供恒定的LD偏流以及完成光调制，同时采用自动功率和温度控制电路使平均光功率保持恒定。图4-10为实际的LD驱动电路，其中，Rb，L构成LD的预偏置电路提供LD的Ib电流；VT1，VT2组成非饱和式电流开关，工作在放大区；VT3，VT5和VT4，VT6组成电平移动电路，各移动1.4V；VBB为参考电压值，VBB的值应根据输入脉冲电平值来确定，即VBB=(UH+UL)/2；与非门输出为“1”时，对应

0.8V，输出为“0”时，对应

1.8V。

图4-10

LD调制电路

A2A13．IM控制电路

在实用光发射机中，为了保证有稳定可靠的输出光功率以及使用、维护方便等，往往要求对LD加各种控制电路，如APC电路，ATC电路和保护电路等

（1）自动温度控制（ATC）

半导体激光器是理想的高速调制光源，但其对温度变化很敏感，要激光器输出稳定的光信号必须控制其温度变化。温度的变化和器件的老化给激光器带来不稳定性，主要表现为：激光器的阈值电流随温度呈指数规律变化，从而使输出光功率发生很大的变化，如图4-11所示。尤其是长波长激光器，不设法稳定其输出光功率，难以实用化。图4-11

温度变化及器件老化引起的LD光输出变化

由半导体致冷器、热敏电阻、控制电路组成。原理：热敏电阻监测激光器的结温，与设定的基准温度比较、放大后，驱动致冷器的控制电路工作，产生致冷效果，从而保持激光器在恒定的温度下工作。

图4-12LD温度控制方框图

半导体致冷器微型半导体致冷器是基于半导体材料的帕尔帖效应制成。帕尔帖效应：是指当直流电流通过两种半导体（P型和N型）组成的电偶时，其一端吸热而另一端放热的效应。微型半导体致冷器的控制温差可达30~40℃。通过控制致冷器的电流就可以控制光源的工作温度。从而使激光器有较恒定的输出光功率和发射波长。设电阻RT具有负温度系数，则当光源温度升高时，RT变小，A的输出电压升高，使驱动致冷器的电流增大，于是致冷器冷面温度降低，使光源温度同时下降。

图4-13LD温度控制电路

-UVg（2）自动功率控制APC

为了进一步稳定输出光功率，除了采取温度控制措施外，一般还采取自动功率控制（APC），如图4-14所示。APC方案：①通过光反馈来自动控制LD的Ib电流（ΔI不变）大小使LD的Ib处于最佳状态，输出光始终稳定。②通过光反馈来自动控制LD的调制脉冲电流ΔI和Ib的大小，使LD的输出光始终稳定。APC方案IpΔIIb+-+-vvvg图4-14自动功率控制电路（3）LD过流保护光源是光发射机的核心器件，它价格昂贵又较容易损坏。下面介绍光源的过流保护过程。为了使光源不致于因接通电源瞬间冲击电流过大而被损坏，一般需要对激光器偏流实现慢启动和限流保护。图4-1,5所示是激光器缓启动过流保护电路，图中VTl为激光器提供偏流Ib，过流保护电路由VT2和R1组成。R2C1组成时延低通滤波器。

正常情况下，VT2截止，过流保护电路不工作。当Ib过大，R1上电压剧增，VT2饱和导通，使VT1截止，Ib减小。R2C1组成（1~10ms）时延低通滤波器LPF，在接电源后起缓启动作用，保护LD免受冲击。VC1Ib图4-15LD的缓启动过流保护电路4.2.3光发射机的主要技术指标1．平均发射光功率Ps

输出光功率：从尾纤的出射端测得的光功率。表示方法2种：绝对功率值表示，W或mW；绝对电平值表示，即：

输出光功率的稳定性：要求在环境温度变化或器件老化过程中，输出光功率要保持恒定，如稳定度为5%~10%。

2．消光比EXT消光比：指发全“0”码时的输出光功率P0和发全“1”码时输出光功率P1之比，即：消光比的两种意义：反映光发射机的调制状态，消光比值太大，表明光发射机调制不完善，电光转换效率低；影响接收机的接收灵敏度，满足指标的光发射机，要求EXT≤10%。

4.3光接收机

光发射机发射的光信号，在光纤中传输时，不仅幅度被衰减，而且脉冲的波形被展宽。光接收机的作用，是探测经过传输的微弱光信号，并放大、再生成原传输的信号。图4-16

DD数字光接收机结构框图

4.3.1光接收机的结构及原理在IM-DD光纤通信系统中，光接收机的主要构成如图4-16所示光接收机最主要的性能指标是灵敏度。在接收机的理论中，中心的问题也是如何降低输入端的噪声、提高接收机灵敏度。灵敏度主要取决于光电检测器的响应度以及检测器和放大器引入的噪声。因此，噪声的分析和灵敏度的计算也是本章要讨论的主要问题。1．光检测器的偏压电路光检测器作用：实现的光/电转换。检测器的偏置电路一般有如图4-17所示两种。

（a）检测器一端接地（b）检测器不接地

图4-17检测器偏置电路+U+U

2．前置放大器前置放大器：精心设计和制作的低噪声、高信噪比放大器。直接影响接收机灵敏度。输出电压为mV量级。前置放大器通常有三种类型。（1）低阻型前置放大器

（2）高阻型前置放大器

（3）互（跨）阻型前置放大器

光接收机的前置放大器（P103）（a）双极型(b)FET型(c)互阻型图4-18光接收机的前置放大器三种类型前置放大器的特点：（1）低阻型前置放大器

用普通晶体管作为前置放大器，如图4-16（a）所示。其特点是电路简单，输入阻抗低，电路的噪声较大，输入电路的时间常数RC小于信号脉冲宽度

，易防止产生码间干扰。因此，这种接收机不需要或只需很少的均衡，前置级的动态范围也较大，放大器的频带宽，适用于高速率传输系统。（2）高阻型前置放大器

用场效应管（FET）作为前置放大器，如图4-16（b）所示。其设计应尽量加大偏置电阻，把噪声减到尽可能小。因此，其特点是噪声小。高阻型前置放大器不仅动态范围小，而且当比特速率高时，由于输入电路的时间常数太大，即RC＞

，脉冲沿很长，码间干扰严重。因而对均衡电路要求较高。一般只在码速率较低的系统中使用。（3）互（跨）阻型前置放大器

互阻型（也称跨阻型）前置放大器实际上是电压并联负反馈放大器，如图4-16（c）所示。由于负反馈改善了放大器的带宽和非线性，因此是一个性能优良的电流—电压转换器，具有频带宽、噪声低等优点，而且它的动态范围也比高阻型前置放大器有很大改善，在光纤通信中得到广泛应用。3．主放大器与自动增益控制AGC电路主放大器通常由运算放大器、负反馈放大器、温度补偿电路，以及射极输出器构成。主放大器作用：着重高增益，并将前置放大器输出信号放大到适合判决电路所需要的信号电平。AGC电路控制主放大器的增益，让接收机有一定的动态范围，使输出的信号幅度在一定范围内不受输入信号幅度的影响，输出电压为1~3V。图4-19光接收机主放大器及AGC电路实例4．均衡与定时判决均衡电路作用：均衡成升余弦波，消除码间干扰并减小噪声影响以利判决。光信号脉冲通过光纤传输后，信号波形将产生失真。因此必须对放大后的脉冲进行均衡，对失真的波形进行补偿，以便于后续的判决，减少码间干扰。判决电路作用：把均衡后的波形判决再生为原来的波形。定时提取电路作用：提取时钟。输入均衡器功能:图4-20均衡电路及特性4.3.2光接收机的噪声分析

光接收机中存在各种噪声源，根据噪声产生的不同机理，噪声可分为两类：散粒噪声和热噪声。接收机中的噪声源及其引入部位如图4-21所示，其中散粒噪声包括光检测器的量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和APD倍增噪声；热噪声主要指负载电阻和导线产生的热噪声，而放大器噪声（主要是前置放大器噪声）中，既有热噪声，又有散粒噪声。

图4-21接收机噪声及其分布

光接收机的各种噪声及产生原因如下：（1）输入噪声是随信号而来的，这种噪声是由光发送机和传输过程中产生的，例如发送机的消光比和传输码间干扰的影响等。（2）光检测器量子噪声是由光检测器接收到光信号、光子激发出电子的随机过程引起的噪声。

（3）光检测器在没有入射光照射时，仍会有一定的电流输出，这种电流称为暗电流。光检测器的暗电流噪声是由于暗电流的影响产生的一种散粒噪声。

（4）APD管倍增噪声是由APD管的倍增过程产生的噪声。（5）光检测器的漏电流噪声是由光检测器表面物理状态不完善引起漏电流产生的噪声。（6）负载电阻热噪声是由负载电阻及导线的热损耗引起的噪声。（7）放大器噪声是由放大器本身引起的噪声。

1．光检测器噪声定量分析（1）散粒噪声设入射到光检测器（如PIN管）的光敏面上恒定的光功率为P。不论光功率如何恒定，由于光量子在PIN管内激励出的电子数是随机的，所以输出电流仍带有随机的散粒噪声可以证明，光检测器散粒噪声的统计特性服从泊松分布。PIN管输出的散粒噪声近似白噪声，其双边功率谱为：式中，Ip为光电流；e0为电子电荷。对于带宽为B的系统，PIN管的散粒噪声功率为

（2）APD的倍增噪声

设恒定的光功率照射在APD的光敏面上，除了光量子激励的一次电子有随机性之外，由于一次电子碰撞电离产生的二次倍增电子也是随机的，即倍增因子G也是随机的。因此，APD输出的光电流带有噪声，称为倍增噪声。倍增噪声的统计特性非常复杂，不是泊松或高斯分布，其噪声功率谱密度可表示为：式中<G2>是G的二阶矩（即G2的统计平均）。

（3）检测器的暗电流噪声检测器加上偏压后，或多或少要产生一些暗电流，暗电流也会引起散粒噪声。在无倍增情况下，对带宽为B的系统，暗电流Id引起的检测器输出散粒噪声功率为：对带宽为B的系统，在APD内暗电流也会引起倍增噪声，其噪声功率为：2．放大器噪声定量分析

为了计算光接收机的噪声，考虑如图4-22（a）所示光接收机电路，其等效电路如图4-22（b）所示。图中is是检测器等效电流源、in(t)表示它的散粒噪声、Cd是它的结电容、Rb是偏置电阻（无噪声电阻）、ib是偏置电阻等效噪声电流源、Cs是偏置电路杂散电容、Ra和Ca是放大器输入电阻和输入电容、ia是放大器输入端的并联等效噪声电流源、ea是放大器输入端的串联等效噪声电压源、其余部分均为无噪声网络。放大器被分解为理想的放大器和等效噪声电压源<V2>和电流源<I2>，其相应的功率谱密度分别表示为SE和SI。

图4-22光接收机的等效模型

求噪声功率的步骤如下所述：（1）求单位频谱上的噪声功率（在1

电阻条件下）：SE=dV2(t)/df；或SI=dI2(t)/df。（2）求噪声功率：

放大器噪声特性决定于所采用的前置放大器类型，根据放大器噪声等效电路和晶体管理论可以计算。常用三种类型前置放大器（见图4-18）的输出的等效噪声功率NA分别计算如下。，f2-f1为系统的通频带。

（1）低阻抗前置放大器输出噪声功率近似为：根据晶体管理论，BJT噪声源的噪声功率近似为：则

（2）高阻型场效应管（EFT）前置放大器输出噪声功率近似为根据晶体管理论，EFT噪声电压源的噪声功率近似为：SI

0，Ra→∝，SE=4kT/3gm

1.4kT/gm，则

（3）互阻抗型场效应管前置放大器的输出噪声功率近似为：式中，A为接收机的放大倍数；B为放大器带宽；gm为FET跨导；Ic为BJT集电极电流；

为晶体管电流放大系数；e0为电子电荷；k为波尔兹曼常数；T为热力学温度；Rb是偏置电阻；Rf是负反馈电阻；Rt是Rb与放大器输入电阻的并联；Rt=Rb//Ra，Ct=Cd//Ca//Cs。4.3.3光接收机的主要技术指标1．光接收灵敏度Pr数字光接收机灵敏度的定义为：在保证给定的误码率BER（如10

9）或信噪比的条件下，最小接收信号光功率Pr。Pr越小（也称为灵敏度高），意味着数字光接收机接收微弱信号的能力越强。灵敏度越高，此时当光发射机输出功率一定时，保证通信质量（满足一定误码率的要求）的中继通信距离就越长。因此，提高数字光接收机的灵敏度，可以延长光纤通信的中继距离和增加通信容量。

光接收机灵敏度是以一定误码率为条件的，这里先对误码产生和误码率概念进行介绍。接收机的误码由其总噪声引起，误码的多少及分布不仅与总噪声的大小有关，还与总噪声分布有关。光接收机对码元误判，即接收“0”码误判为“1”码，或把“l”码误判为“0”码的概率称为误码率（BER），其定义为：在一定的时间内，传输的总码流中误判的码元数和接收的总码元数的比值。

一般“0”码和“1”码的误码率是不相等的，但对于“0”码和“1”码等概率出现的码流，可认为是相等的，此时误码率可能达到最小，误码率近似为：式中，Q为信噪比参数，BER与Q关系曲线如图4-23所示。由此可见只要知道Q值，就可由（4.6）式算出或由图4-23查出误码率，例如：Q=6，BER=10

9，Q=7，BER=10

12。

数字光接收机的灵敏度是在保证给定误码率条件下，光接收机接收微弱光信号的能力。它可用以下三种物理量来表征：（1）最低平均接收光功率Pr；（2）每个光脉冲的最低平均接收光子数n0；（3）每个光脉冲的最低平均能量Ed。图4-23BER和Q的关系

以上三种表示形式虽有不同，但本质上是一致的。对于“1”，“0”码等概率出现的NRZ码，三者之间的关系为式中，Tb为脉冲码元周期，Tb=1/fb，fb为传输速率；hf为一个光子能量；Pr的单位为W或mW。2．动态范围Dmax数字光接收机的动态范围定义：在保证给定的误码率BER（如10

9）条件下，最大允许的接收光功率和最小可接收光功率之差，其单位为dBm即：宽的动态范围对系统结构来说更方便灵活，实际设备的动态范围在20dB以上。4.4光纤线路及设施光纤线路及设施主要包括光纤、光缆和光器件及线路设施等4.4.1光纤、光缆的选型

实用光纤产品根据ITU-T已给建议有的单模光纤有G.652～G.657以及多模光纤G.651，下面分别对这些种类光纤、光缆的应用选型（选择）加以介绍。光纤的选型主要考虑以下几个情况：（1）骨干网建设时可选择G.655和G.656光纤。因为G.655和C.656光纤的截止波长已降到1

450nm，并且在1530～1

565nm波长段的色散指标为0.1～10ps/(nm·km)和1～14ps(nm·km)的正色散，非常适合更宽的波长范围内波分复用，以及获得更多的DWDM的光通道。（2）本地网建设时可选择G.652和G.656光纤。因为G.652光纤对于10Gbit/s和40Gbit/s传输速率的信号允许具有更长的传输距离。G.656光纤可适用于大容量粗波分复用（CWDM）和DWDM传输网络。（3）接入网建设时可选择G.652和G.657光纤。光纤系统传输窗口工作波长为1

310nm和1

550nm。可适用于光纤在楼内、室内的弯曲损耗不敏感光缆的选型主要考虑以下几个因素：（1）一般而言，光缆使用寿命通常按20年考虑，由此来考虑光缆纤芯数的选择。具体考虑有网络安全可靠性的要求、工程中远期扩容所需、向其他公司提供租纤业务所需、通信技术的飞速发展所需、光缆施工维护、故障抢修.（2）常用的光缆缆芯结构有层绞式、骨架式、中心束管式三种。在工程设计中，应该根据光缆的敷设方式、环境、工程的需要和光缆的价格等因素来确定缆芯结构。①直埋光缆：通常要求光缆有PE内护层＋防潮铠装层＋PE外护层或防潮层＋PE内护层＋铠装层＋PE外护层，宜选用GYTA53、GYTA33、GYTS和GYTY53等结构。②管道或采用塑料管道保护的光缆：应有防潮层＋PE外护层，宜选用GYTA、GYTS、GYTY53和GYFTY等结构。③架空光缆：需有防潮层＋PE外护层，宜选用GYTA、GYTS、GYTY53、GYFTY、ADSS和OPGW等结构。④水底光缆：需有防潮层＋PE内护层＋钢丝铠装层＋PE外护层，宜选用GYTA33、GYTS333和GYTS43等结构。⑤室内光缆：应具有阻燃材料外护层。⑥防蚁光缆：应具有直埋光缆结构＋防蚁外护层（聚酞胺或聚烯烃共聚物）。4.4.2光纤线路设施

构成光纤线路还有大量无源器件设施，比如光纤接头盒、光纤配线架、光缆交接箱和光缆分纤盒等。1.光纤接头盒光纤接头盒的基本结构如图4-24所示。从图4-24中可以看出，这是一种由金属构件、热可缩管及防水带、黏附聚乙烯带构成的连接护套式光纤接头盒。图4-24光纤接头盒的基本结构

光纤接头盒的主要种类有单端进/出光缆结构和多端进/出光缆结构，如图4-25所示。图4-25光缆接头盒的结构实物图2.光纤配线架

光纤配线架（ODF）是光缆和光纤通信设备之间的配线连接设备，应符合YD/T778-2006《光纤分配架》的有关规定。光纤配线架的结构和实物如图4-26所示。图4-26光纤配线架结构实物图ODF架3.光缆交接箱和光缆分纤盒光缆交接箱主要是用于光缆接入网中主干光缆与配线光缆交接处的接口设备，应符合YD/T988-2007《通信光缆交接箱》的有关规定。

（a）交接箱的实物结构

（b）交接箱的光纤测试

图4-27光缆交接箱的实物图

光分纤盒是用于配线光缆与用户引入光缆交接处的接口设备。光分纤盒的结构如图4-28所示。

（a）多口光分纤盒

（b）多口光分纤盒

图4-28光缆分纤盒的实物图4.5光中继器

光发送机输出的光脉冲信号，经过光纤传输后，因光纤的吸收和散射而产生衰减，又因光纤材料和结构上的色散，导致信号脉冲的失真。从而使传输线路的噪声、系统误码率增加，且失真程度随距离增加而加剧。因此，为了补偿光信号的衰减，对波形失真的脉冲进行整形，为延长光纤通信距离，必须在传输线路中每隔一定距离设置一个光中继机。若只考虑光纤对信号的损耗，可采用EDFA光纤放大器，补偿光信号的衰减。这里只介绍光—电—光转换方式的光中继机，EDFA光纤放大器的放大原理见第3.3节

光中继机的组成如图4-29所示，包括光接收、再生判决和光发送部分。首先由光检测器将衰减和失真的光脉冲信号转换成电信号，通过放大、再生恢复出原来的数字信号，再对光源进行驱动调制，又产生光信号送入光纤以延长传输距离。图4-29数字光中继器的方框图4.6光模块4.6.1常用光模块

光模块（opticalmodule）是光收发设备等的一种高度集成块，常用的种类包括光接收模块、光发送模块、光收发（一体）模块和光转发模块等。4.6.2光模块的功能结构及原理光发射模块的主要功能是实现电/光变换。其原理如图4-30所示。光接收模块的主要功能是实现光电变换。其原理如图4-31所示。

图4-30光发射模块的原理图

图4-31光接收模块的原理图4.6.3光收发模块的型号及参数

常用到的光模块或光纤模块都是指光收发模块。常见的光模块型号有SFP、SFP+、QSFP+XFP、X2等。SFP或SFP+、QSFP+或QSFP28光模块外部结构，如图4-32所示。

（a）SFP光模块

（b）SFP+光模块（c）QSFP+光模块

）QSFP28光模块

图4-32光模块外部结构图部分光模块型号的参数如表4.3所示。表4.3光模块（光收发模块）参数封装类型可选波长速率Gbit/s距

离SFP850nm，1310nm，1490nm，1550nm，CWDM，DWDM1.25～1080m～40kmSFP+850nm，1310nm，1270nm，1330nm，CWDM，DWDM10～400.5m～20kmQSFP+1330nm40～10010m～20kmQSFP28850nm，1310nm100100m～20kmXFP或X2或XENPAK850nm，1310nm，1270nm，1330nm，CWDM，DWDM10100m～20km4.7系统的性能指标4.7.1．误码性能误码性能是衡量数字通信系统质量优劣的重要指标，它反映了数字传输过程中信号受损害的程度。1.64kbit/s数字连接的误码性能在数字通信中常用比特误码率（BER）来衡量误码性能，误码率大小直接影响系统传输的业务质量，例如误码率对话音的影响程度如表4.4所示。

表4.4误码率对话音的影响程度

所谓“平均误码率”就是在一定的时间内出现错误的码元数与传输码流总码元数之比，其表示式为：

在通信网中除了语音，还有其他业务，为了能综合衡量各业务的传输质量，根据ITU-TG.821建议，可将误码性能优劣的指标分为3类：①劣化分DM；②严重误码秒SES；③误码秒ES。其定义和指标（在27500km的假设参考数字连接情况下）如表4.5所示。表4.5误码类别、定义和总指标（64kb/s）

在实际的工程设计中，必须将G.821建议的总指标按照不同等级的电路进行分配，电路等级划分为高级，中级和本地级3种。如图4-33所示。图4-33HRX的电路等级划分及误码指标分配

3种等级电路对误码性指标能指标分配如表4.6所示。该表的依据为G.821建议，高级指标按长度分配，等效每千米0.0016%，即在25000km占总指标40%。中级和本地级则按切块分配，即每段各占总指标15%。表中对严重误码秒仅取总指标的一半（0.1%）参加分配，另一半留做高、中级电路全年最差月分用。表4.63种等级网络对误码性能总指标分配

对我国电话通信网采用的三级汇接制，一般认为省中心以上的一级长途干线为高级；省中心至县市中心的二级长途干线为中级；县中心以下为三级本地级。

2.高比特率数字通道的误码性能

根据ITU-TG.826建议SDH传输系统通道的误码性能，是以“块”为单位描述的，由此产生出以“块”为基础的一组参数。所谓“块”，是指一系列与通道有关的连续比特。当同一块内的任意比特发生差错时，就称该块为“误块”（EB）。高比特通道误码性能参数如下：

（1）误块秒（ES）和误块秒比（ESR）。

当任意1s内发现1个或多个误码块时，则称该1s为误块秒。在规定测量时间内出现的ES数与总的可用秒数之比值称为误块秒比（ESR）。

（2）严重误块秒（SES）和严重误块秒比（SESR）。当任意1s内出现不少于30%的EB或者至少出现一次严重扰动期（SDP）时，称该秒为严重误块秒（SES）。其中“严重扰动期”指在测试时，最小等效于4个连续误块时间或1ms时间段内，误码率>10-2或出现信号丢失，就认为出现了一次SDP。在测量时间段内出现的SES数与总的可用秒之比，称为严重误块秒比（SESR）。

（3）背景误块（BBE）和背景误块比（BBER）。扣除不可用时间和SES期间出现的EB以后所剩下的误块称为背景误块BBE。在规定测试时间内出现BBE数与可用时间内的码块数之比称为BBER。（4）严重误码期强度（SEPI）可用时间内严重误码期事件数与总可用时间秒之比，称为严重误码期强度，单位为1/s。前三项指标中，SESR要求最严，BBER要求最松，只要通道满足了SESR指标，BBER指标也能自动满足。3.误码性能指标分配ITU-T的G.826为高比特率通道，全长27500km的HRP每一段分配最高误码性能指标，在各段误码不高于标准情况的下，连接串后才能满足27500km端到端通道传输要求。误码性能指标按区段分配，表4.7高比特率27500km国际数字HRP的端到端误码性能指标表4.7高比特率27500km国际数字HRP的端到端误码性能指标4.7.2．抖动和滑动性能

抖动是数字信号传输过程中产生的一种瞬时不稳定现象。抖动的定义是数字信号的特定时刻（如最佳抽样时刻）相对标准时间位置的短时间偏差。如图4-34所示。偏差时间范围称为抖动幅度（Jp-p，）。抖动单位为UI，表示单位时隙。当脉冲信号为二电平NRZ时，1UI等于lbit信息所占时间，数值上等于传输速率fb的倒数。标准位置抖动幅度

图4-34输入/输出抖动容限滑动（或漂移）的定义是数字信号的特定时刻（如最佳抽样时刻）相对标准时间位置的长时间偏差。滑动产生原因常见是环境温度的变化，因为环境温度的变化，可能导致光纤传输性能、时钟以及LD发射波长的偏移等而产生滑动。还有就是SDH网络中指针调整可能产生滑动。滑动危害会引起传输信号比特偏离时间上的理想位置，结果使接收机对信号脉冲不能正确判决再生，产生误码。产生抖动的原因主要与定时提取电路的质量、输入信号的状态和输入码流中的连“0”码数目有关。抖动严重时，使得信号失真、误码率增大。完全消除抖动是困难的，因此在实际工程中，需要提出容许最大抖动的指标。抖动单位:时隙UI.(1UI等于lbit信息所占时间

)ITU-T建议的抖动参数：输入抖动容限G823

输出抖动容限G921

抖动转移（抖动增益）G921等。

1.输入抖动容限:

指在数字段内,满足误码特性要求时,允许的输入信号的最大抖动范围。输入抖动容限应在图4-35所示曲线之上。图4-35输入/输出抖动容限抖动幅度/UI0.22．最大允许输出抖动/滑动容限:指的是当系统没有输入抖动的情况下,而系统输出端的抖动最大值。输出抖动容限应在图4-35所示的曲线之下。3．抖动/滑动转移（抖动增益）特性

是指数字设备和数字段输出信号的残余抖动与输入口的抖动量的比值与抖动频率的关系。即：G=20lg(输出抖动幅度/输入抖动幅度)为了保证数字网的抖动指标,对每一个数字段而言,按照ITU-TG.921的建议,抖动转移增益不应该超过1dB,而数字设备的抖动转移增益不应该超过0.5dB。表4.8PDH各次群输入抖动/滑动容限

参数值速率Mb/sJP-P/UI

A1A2

测试滤波器参数f1/HZf2/kHZf3/kHZ2．0481.5UI0.2UI20181008．4481.5UI0.2UI20340034．3681.5UI0.15UI10010800139．2641.5UI0.075UI200103500（1）PDH系统抖动/滑动性能规范（2）SDH系统抖动/滑动性能规范表4.9SDH各STM等级输入口对抖动的要求

参数值速率Mb/sJP-P/UI

A1A2

测试滤波器参数f1/Hzf2/kHzf3/kHz155．5201.5UI0.15UI500651300622．0801.5UI0.15UI100025050002488．3201.5UI0.15UI5000待定200004.7.3可靠性

除上述性能指标外，衡量通信系统质量的优劣，可靠性也是一个重要指标，它直接影响通信系统的使用、维护和经济效益。对光纤通信系统而言，可靠性包括光端机、中继器、光缆线路、辅助设备和备用系统的可靠性。确定可靠性一般采用故障统计分析法，即根据现场实际调查结果，统计足够长时间内的故障次数，确定每两次故障的时间间隔和每次故障的修复时间。（1）不可用时间MTTR传输系统任一传输方向的数字信号连续10s期间内每秒的误码率均大于1×10

3时，从这10s的第一秒起就认为进入了不可用时间。（2）可用时间MTBF

当数字信号连续10s期间内每秒的误码率均小于1

10-3时，从这10s的第一秒起就认为进入了可用时间。（3）可用性及可用性目标可用性=（可用时间/总工作时间）×100%=MTBF/（MTBF+MTTR）×100%；不可用性=（不可用时间/总工作时间）×100%

=MTTR/（MTBF+MTTR）×100%国家标准规定，具有主备用系统自动倒换功能的数字光纤通信系统，容许：5000km双向全程每年4次全阻故障420km和280km数字段双向全程分别为每3年1次和每5年1次全阻故障。市内数字光纤通信系统的假设参考数字链路长为100km，容许双向全程每年4次全阻故障50km数字段双向全程每半年1次全阻故障。此外，要求LD光源寿命大于10×104h，PIN-FET寿命大于50×104h，APD寿命大于50×104h。

各类假设参考数字段的可用性目标，如表4.10所示。表4.10假设参考数字段的可用性目标长度/km可用性不可用性不可用时间/年42099.977%2.3×10-4120min/年28099.985%1.5×10-478min/年5099.99%1×10-452min/年4.8.1系统总体考虑在系统设计时采用的产品必须符合相关的国家标准、行业标准、技术规范的要求，还应接受ITU-T的有关建议。此外还应考虑下述有关问题：（1）综合考虑最佳路由和局站设置、系统的容量（传输速率等级）、传输距离、业务流量、投资额度和发展的可能性等相关因素。（2）合理选择系统的传输体制即PDH,SDH制式，工作波长、光缆型号和光电设备型号等，以满足对系统性能的总体要求。4.8光纤通信系统设计

（3）具有保证系统正常工作的其他配套设施。目前可选用的光纤类型有G.651光纤、G.652光纤、G.653光纤、G.654光纤、G.655光纤。各光纤特性及适用范围如表2-1，表2-2所示，选用G.652和G.655这两种光纤最为普遍，因为G.652光纤是在1310nm波长性能最佳的单模光纤，适应开通长距离622Mbit/s及其以下系统；G.655光纤是在1550nm波长区开通2.5Gbit/s,10Gbit/s和N×2.5Gbit/s波分复用系统最适合的光纤。4.8.2系统中继距离设计估算

通常采用的方法是最坏值设计法，此方法是将所有参数值都按最坏值选取。按最坏值设计的系统，在其寿命终结，富余度用完，且处于极端温度条件下仍能100%地保证系统性能要求。

光纤传输中继距离由光纤衰减和色散等因素决定。在实际的工程应用中，设计方式分为两种情况:第一种情况是损耗受限系统，即中继距离根据S和R点之间的光通道衰减决定。第二种是色散受限系统，即中继距离根据S和R点之间的光纤色散决定。光缆线路工程施工范围示意见图4-37。

图4-37中继段距离组成示意图1.SDH系统中继距离的设计估算（1）损耗受限系统损耗受限系统中继距离可用下式（4.14）估算：式中:L为衰减限制中继段长度（km）；Ps为S点发送光功率（dBm）；Pr为R点接收灵敏度（dBm）；（4.14）Pp为光通道功率代价（dB），光通道功率代价不超过1dB；Mc为光缆富余度，在一个中继段内，按3~5dB取值；Me为设备富余度（dB），通常取3dB；∑Ac：表示S和R点之间所有活动连接器损耗之和，可取0.5dB~0.8dB/个；Ac表示每个活动连接器损耗（dB/个）；Af是光纤损耗系数（dB/km）。As是光缆固定接头平均衰减（dB/个），与光缆质量，熔接机性能，操作水平有关。工程中一般取As/Lf=0.05~0.04dB/km；Lf是光缆每盘长度（km）。2）色散受限系统根据ITU-T建议，色散限制系统中继段距离可用式（4.15）估算：（4.15）式中：L为色散限制中继段长度（km）；

：当光源为多纵模激光器时取0.115，单纵模激光器时取0.306；B是线路信号比特率（Mbit/s）；

为光源的谱宽（nm）；D为光纤色散