数字通信系统讲课文档

数字通信系统第一页，共41页。内容5.1

点到点链路5.2

线路编码5.3

系统性能分析第二页，共41页。Simplepoint-to-pointlink5.1点到点链路TxRxTxRxRxTx中继站终端中继站终端LLL第三页，共41页。传输系统要求：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）；器件和相关的特性参量：1、单模光纤或多模光纤（a）纤芯尺寸（b）纤芯折射率剖面（c）带宽或色散（d）损耗（e）数值孔径或模场直径5.1.1光纤链路的设计要求第四页，共41页。2、LED或半导体激光器光源（a）发射波长（b）谱线宽度（c）输出功率（d）有效辐射区（e）发射方向图（f）发射模式数量第五页，共41页。3、pin或APD光电二极管（a）响应度（b）工作波长（c）速率（d）灵敏度系统性能分析：链路功率预算和系统展宽时间预算第六页，共41页。5.1.2链路的功率预算光功率损耗模型（连接器损耗、熔接点损耗、光纤损耗）第七页，共41页。单元损耗：Pin和Pout分别表示损耗单元的输入及输出功率。链路损耗预算：Pt是总光功率损耗，Ps是激光器输出端耦合进光纤的功率，Pr是接收机灵敏度，lc是连接损耗(固定连接0.1-0.2dB,活动连接<1dB)，L是光纤长度(中继距离），

f

是光纤衰减系数（损耗）。Redundance:系统富余度（6-8dB）。第八页，共41页。中继距离:中继距离与工作波长有关，在长距离通信中多采用1550nm和1300nm波段由于光接收灵敏度与码率有关，随着码率的增加，接收灵敏度下降，中继距离随之缩短第九页，共41页。例5.1假定数据速率为20Mb/s，误码率为10-9（每发送109个比特，其错误最多为一个）。对于接收机，可以选择工作在850nm的SiPIN光电二极管。接收机所需要的信号功率为-42dBm，下面我们选择一个GaAlAsLED，使其能够把50微瓦（-13dBm）的平均光功率耦合进纤芯直径为50微米的尾纤，这样就允许有29dB的损耗。可以进一步假设尾纤与光缆的连接损耗为1dB，在光缆光-检测器的连接点上也有1dB的连接损耗。包括6dB的系统富余度，对于衰减为的光缆，其传输距离为：如果衰减为3.5dB/km,则传输距离为6km。第十页，共41页。5.1.3展宽时间预算限制系统速率的四个因素：（1）发送机展宽时间ttx（2）光纤模式色散展宽时间tmod（3）光纤群速率色散（GVD）展宽时间tGVD

（4）接收机展宽时间trx展宽时间可用来确定光纤链路中的色散限制。链路总展宽时间为：第十一页，共41页。例5.3我们假定LED及其驱动电路有15ns的展宽时间。采用典型的40nm谱宽的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的带宽，则可得到接收机的上升时延为14ns，如果我们选择的光纤有400MHzkm的带宽距离积，而且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的NRZ数字流，这个结果低于允许的35ns的最高上升时延。这些器件的选择符合系统的设计标准：第十二页，共41页。例5.4我们假定LD及其驱动电路有0.025ns(25ps)的展宽时间。采用谱宽为0.1nm、平均色散为2ps/(nm.km)的1550nm半导体激光器，在60km长的光纤上，总共有12ps（0.012ns)与GVD相关的展宽时间。假定基于InGaAs-APD的接收机有25GHZ的带宽，则可得接收机的展宽时间为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。器件展宽时间展宽时间预算允许的展宽时间预算

tsys=0.7/BNRZ=0.28ns激光发送机25ps

光纤的GVD12ps

接收机展宽时间0.14ns

系统展宽时间

0.14ns

第十三页，共41页。系统设计方法

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器系统(需考虑光信噪比）。系统设计的主要问题是确定中继距离，尤其对长途光纤通信系统，中继距离的设计对系统的性能和经济效益影响很大。工程上常用的设计方法主要有三种：最坏值设计法、统计设计法和联合设计法。数字光纤通信系统组成第十四页，共41页。(1)最坏值设计法 最坏值设计法就是在设计再生段距离时，所有参数(包括光功率、光谱范围、光谱宽度、接收机灵敏度、光纤衰减系数、接头与活动连接器插入损耗等参数)均采用寿命期中允许的最坏值，而不管其具体的分布如何。第十五页，共41页。(2)统计设计法 统计设计法是利用光参数分布的统计特性更有效地设计再生段距离。与最坏值设计法相比，统计设计法可以延长再生段距离，但横向兼容性不再满足。(3)联合设计法 在某些情况下，按标准的光接口参数值进行设计不能满足实际工程再生段距离，运营者需要仔细考虑设计中不满足光接口规范的主要方面。第十六页，共41页。系统设计考虑1、确定波长：如果数字信号传输距离不太远，可以选择800nm到900nm之间的波长。如果传输距离较远，可以选择1300nm或1500nm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）。首先选择检测器，然后选择光源和光纤。选择检测器时，重点考虑光检测器所需要的最小光功率，这项指标是为了在特定传输速率的条件下满足误码率的要求。第十七页，共41页。（1）PINorAPDPIN具有结构简单，温度变化时性能稳定，成本低，偏置电压低于5V，而APD偏置电压在40V到几百V之间。而APD具有更高的灵敏度，具有接收更微弱光信号的能力。第十八页，共41页。（2）LEDorLD激光器的输出谱宽比LED窄。波长在800nm和900nm的范围内，LED的谱宽和石英光纤的色散特性把带宽距离积限制在150(Mb/s).km左右。要达到更高的数值，如2500(Mb/s).km以上，则在此波长区域使用LD。当波长在1300nm左右时，该区域光纤的色散很小，此时使用LED就可以得到1500(Mb/s).km的带宽距离积。若采用InGaAs激光器，则该波长区域上的带宽距离积可以得到25(Gb/s).km。在1550nm波长区域内，单模光纤的极限带宽距离积可以得到500(Gb/s).km。LD耦合进光纤链路的功率比LED要高出10dB到15dB。LD具有更长的无中继传输距离。但半导体激光器价格昂贵，而且需要复杂的驱动电路来控制温度。第十九页，共41页。采用800nm的LED光源/Sipin光检测器组合和850nm半导体激光器光源/SiAPD检测器组合时，其传输距离随数据速率变化的曲线

(BER=10-9，1dB连接器耦合损耗，6dB系统富余度）5.1.6第一窗口传输距离第二十页，共41页。5.1.7单模光纤链路的传输距离采用衰减为0.3dB/km的单模光纤，激光器工作在1550nm时，传输距离随数据速率变化的曲线第二十一页，共41页。数字光通信系统优点(1)抗干扰能力强，传输质量好。 (2)可以再生，传输距离远。 (3)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数字设备体积小，功耗低。第二十二页，共41页。线路编码是指使用一套规则把信号符号编排为一个特殊的格式。其主要功能是在数据流中引入冗余码，从而使信道干扰引起的误码最小。三种常用的编码方式：（1）非归零（NRZ）格式（2）归零（RZ）格式（3）相位编码（PE）格式5.2线路编码第二十三页，共41页。NRZ-Ldatapattern5.2.1NRZ码编解码容易实现，无误差监测或纠错能力，无自有时钟。传输长连1或连0时，易产生误码。第二十四页，共41页。长连1码引起的接收机基线漂移（由于接收机低频效应引起输出脉冲的拖尾所致）有可能产生误码。第二十五页，共41页。单级RZ格式长连0码会导致定时同步信号的丢失。对基带和时钟信号进行模二加运算可得光曼彻斯特码。需两倍NRZ码的带宽，无误码检测与纠错能力。5.2.2RZ码第二十六页，共41页。mBnB分组码是将m个二进制比特构成的分组，转化为更长的由n(n>m，一般n=m+1)个二进制比特构成的分组。附加的冗余比特以n/m的比率增加带宽，但其没有长的连1和长的连0码，没有基线漂移问题，可提供足够的定时和检错信息。

适合高速传输的有3B4B、4B5B、5B6B、8B10B码。

5.2.3分组码第二十七页，共41页。

自动请求重发（ARQ）：

若接收机检测出误码，则通过反馈信道技术请求消息重发。不适于需要较低执行时间的场合。信源发送控制器编码器解码器接收控制器用户反馈信道自动请求重发（ARQ）纠错提高数据传输可靠性的方法：自动请求重发（ARQ）和前向纠错（FEC）第二十八页，共41页。FEC避免了高带宽的光网络要求低延迟条件时ARQ的缺点。在FEC技术应用中，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。最常用的纠错码为循环码。将它们标记为（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（224，216）短化的Hanming码、（192，190）Reed-Solomon码、（255，239）Reed-Solomon码、（18880，18865）和（2370，2385）短化的Hanming码。前向纠错（FEC）：第二十九页，共41页。5.3系统性能分析 数字光纤通信系统的性能主要包括：（1）误码性能(功率代价）（2）抖动性能（3）系统的可靠性。第三十页，共41页。1.误码起源发射端：消光比激光强度噪声激光相位噪声模分配噪声调制啁啾传输链路光纤及光器件的色散引起的码间串扰光纤及光器件的非线性效应光放大器引入的噪声(ASE)模式噪声光纤连接点的反射接收端各种噪声源（光电检测器散弹噪声、雪崩倍增噪声、放大器热噪声等）定时抖动信道串绕（波分复用系统）误码性能(功率代价）第三十一页，共41页。4.误码特性的评定方法

（1）长期平均比特误码率 长期平均误码率是指在较长的一段时间内的平均误码率。仅适于单个随机误码情况，不适于突发的群误码的情况。

（2）误码的时间率 以比特误码率超过规定阈值（BERT）的百分数来表示。10-310-610-9TLT0不可接受时间1×T0劣化时间4×T0第三十二页，共41页。（3）传输功率代价Tx可变衰减器Rx可变衰减器传输链路传输前接收灵敏度测试方法传输后接收灵敏度测试方法系统传输功率代价是表征系统传输质量的最佳方法分别测试传输前后的接收误码率与接收功率的关系曲线，由此获得某一误码率下因为传输引入的接收灵敏度的差，称之功率代价TxRx第三十三页，共41页。（4）Q参数测试有时我们关心的只是系统传输后的质量，并不需要了解传输功率代价Q参数最能表征接收信号的质量Q参数较高时，对应的BER非常小，无法通过直接测试BER获得Q参数实验上Q参数测量方法：调整判决电平，测量BER与判决电平的关系曲线，由此可推算信号的Q参数及其相应的优化判决电平判决电平第三十四页，共41页。PRBS估计实际Q参数1,0,1,0估计Q参数估计及其准确性最佳判决电平第三十五页，共41页。5.3.2.抖动和漂移特性 抖动是电信号