第4章 光纖通信系統(tǒng)

1、1 4.1 IM-DD光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng) 4.2 衰減和色散隊中繼距離的影響衰減和色散隊中繼距離的影響 4.3 噪聲及靈敏度分析噪聲及靈敏度分析 2 4.1 光纖通信中的調制技術 (1) 光源的調制特性 光源所采用的調制方式包括內調制和外調制 （也稱為直接調制或間接調制）。 在IM-DD光纖通信系統(tǒng)中，采用的是內調制。 通常內調制適用于半導體光源。 據(jù)調制信號的性質不同，內調制又可分為模擬 信號的調制和數(shù)字信號的調制。 3 4.1 光纖通信中的調制技術 圖4-1 半導體光源的直接調制原理 4 4.1 光纖通信中的調制技術 圖4-2 光數(shù)字發(fā)射機原理圖 5 4.2 IM-DD光纖通信系統(tǒng)

2、4.1.1 傳輸線路碼型 4.1.2 IM-DD光纖通信系統(tǒng)的結構 6 4.1.1 光纖通信中的線路碼型 在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中所傳輸?shù)男盘柺菙?shù)字信 號，而由交換機送來的電信號符合ITU-T所規(guī)定 的脈沖編碼調制(PCM)通信系統(tǒng)中的接口碼速 率和碼型 。 HDB3（三階高密度雙極性碼） CMI（反轉碼） PCM系統(tǒng)中的這些碼型并不都適于在數(shù)字光纖 通信系統(tǒng)中傳輸 7 4.1.1 光纖通信中的線路碼型 在PDH光纖通信系統(tǒng)中是通過重新編碼，通常稱為線 路編碼，即在原有的碼流中插入脈沖。 在PDH光纖通信系統(tǒng)中，常使用的線路編碼有分組碼、 偽雙極性碼(CMI和DMI)和插入碼。 使用不同的 線路編

3、碼，光端機的輸出信號速率不同。因此在PDH 系統(tǒng)中僅具有標準的電接口，而無標準的光接口。 但在SDH系統(tǒng)中，SDH信號速率與其線路速率是相同 的。 8 4.1.2 IM-DD光纖通信系統(tǒng)的結 構 1光發(fā)射機 2光接收機 3光纖通信系統(tǒng) 9 1光發(fā)射機 (2) 對光發(fā)射機的要求 光源的發(fā)光波長要合適 合適的輸出光功率 較好的消光比 調制特性好 此外還希望光發(fā)射機的穩(wěn)定性好，光源的壽命長 等。 10 1光發(fā)射機 (3) 光發(fā)射機的組成方框圖和各部分功能 均衡放大 碼型變換 復用 復用是指利用一個大的傳輸信道來同時傳送多 個低容量的信息以及開銷信息的過程。 11 1光發(fā)射機 (3) 光發(fā)射機的組成方

4、框圖和各部分功能 擾碼 為了保證所提取時鐘的頻率以及相位與光發(fā)射機中的時鐘信號 一致，必須避免所傳信號碼流中出現(xiàn)長“0”或長“1”的現(xiàn)象。 解決這一問題的方法就是擾碼，即在發(fā)送端加入一個擾碼電路， 而在接收端則要加一個與擾碼相反的解擾電路，以恢經(jīng)過擾碼 后的數(shù)字信號通過調制電路對光源進行調制，讓光源發(fā)出的光 信號強度跟隨信號 碼流的變化，形成相應的光脈沖送入光纖。復信號碼流原來的 狀態(tài)。 時鐘 12 1光發(fā)射機 (3) 光發(fā)射機的組成方框圖和各部分功能 調制(驅動) 經(jīng)過擾碼后的數(shù)字信號通過調制電路對光源進 行調制，讓光源發(fā)出的光信號強度跟隨信號碼 流的變化，形成相應的光脈沖送入光纖。 13

5、1光發(fā)射機 (3) 光發(fā)射機的組成方框圖和各部分功能 自動功率控制 由于老化等因素的影響，使得光發(fā)射機的光源 在使用一段時間之后，出現(xiàn)輸出光功率降低的 現(xiàn)象。 為了保持光源輸出功率的穩(wěn)定，在光發(fā)射機中 常使用自動功率控制(APC)電路。 14 1光發(fā)射機 圖4-3 激光器老化使輸出光功率降低 15 1光發(fā)射機 圖4-4 激光器溫度變化引起輸出功率的變化 16 1光發(fā)射機 圖4-5 環(huán)境溫度變化引起輸出光功率的變化 17 1光發(fā)射機 (3) 光發(fā)射機的組成方框圖和各部分功能 自動溫度控制 特性曲線對環(huán)境溫度的變化反映很靈敏，使輸 出光功率的大小隨溫度出現(xiàn)變化。 在環(huán)境溫度發(fā)生變化時，為了能使激光

6、器的輸 出特性保持穩(wěn)定，在發(fā)射機盤上需安裝自動溫 度控制(ATC)電路。 18 1光發(fā)射機 圖4-6 自動溫度控制電路方框圖 19 2光接收機 (3) 光發(fā)射機的組成方框圖和各部分功能 其他保護、監(jiān)測電路 LD保護電路 無光告警電路 20 2光接收機 圖4-7 數(shù)字光纖通信接收光端機方框圖 21 2光接收機 光電檢測器 光電檢測器的作用是將由發(fā)送光端機經(jīng)光纖傳 過來的光信號轉變?yōu)殡娦盘?，即具有?電轉換 功能。 目前廣泛使用的光電檢波管是PIN管和雪崩光電 二極管，前者稱為半導體光電二極管后者又稱 為APD管。后者具有信號放大的作用。 22 2光接收機 前置放大器 由于這個放大器與光電檢測器緊

7、緊相連，故稱前置放 大器。 對多數(shù)放大器的前級提出特別的要求是非常必要的， 它應具有低噪聲、高增益的特性，這樣才能得到較大 的信噪比。 由于跨阻型前置放大器不僅具有寬頻帶、低噪聲的優(yōu) 點，而且其動態(tài)范圍也比高阻型前置放大器改善很多， 因此在光纖通信中得到廣泛的使用。 23 2光接收機 放大器 主放大器的作用有下述兩個方面。 將前置放大器輸出的信號放大到判決電路所需要的 信號電平。 它還是一個增益可調節(jié)的放大器。 一般主放大器的峰峰值輸出是幾伏數(shù)量級。 24 2光接收機 均衡器 拖尾現(xiàn)象 采用均衡器來使經(jīng)過其后的波形，在本碼判決 時刻，其瞬時值應為最大值；而這個本碼波形 的拖尾在鄰碼判決時刻的瞬

8、時值應為零。 這樣，即使經(jīng)過均衡后的輸出波形仍有拖尾， 但是這個拖尾在鄰碼判決的這個關鍵時刻為零， 從而不干擾對鄰碼的判決。 25 2光接收機 圖4-8 單個脈沖均衡前后波形的比較 26 2光接收機 判決器和時鐘恢復電路 判決器由判決電路和碼形成電路構成。 判決器和時鐘恢復電路合起來構成脈沖再生電 路。 脈沖再生電路的作用是將均衡器輸出的信號恢 復成理想的數(shù)字信號 27 2光接收機 圖4-9 信號再生示意圖 28 2光接收機 圖4-10 時鐘恢復電路方框圖 29 2光接收機 圖4-11 時鐘恢復電路波形圖 30 2光接收機 圖4-12 NRZ碼的功率譜密度分布圖 31 2光接收機 圖4-13

9、RZ碼功率譜密度分布圖 32 2光接收機 圖4-14 一種非線性處理電路 33 2光接收機 圖4-15 非線性處理電路中的波形圖 34 2光接收機 判決器和時鐘恢復電路 調諧放大它的作用是用非線性處理后的波形來激 勵調諧放大器，然后在它的諧振回路中選出時鐘頻率 fb的簡諧波，經(jīng)調諧放大后的波形如圖4-17(d)所示。 限幅經(jīng)過限幅，可將上述簡諧信號波形變?yōu)槿鐖D 4-17(e)所示的波形。 整形、移相整形電路將經(jīng)限幅后的波形變?yōu)榫匦?脈沖；移相網(wǎng)絡再將此矩形脈沖串的相位調整到最佳 判決時所需要的相位，最后得到如圖4-17(f)所示的時 鐘信號。 35 2光接收機 判決器和時鐘恢復電路 判決電路和

10、碼形成電路可由與非門電路和R- S(復位位置)觸發(fā)器來構成。 36 2光接收機 圖4-16 脈沖再生電路原理方框圖 37 2光接收機 光接收機的動態(tài)范圍和自動增益控制 光接收機的動態(tài)范圍D是在保證系統(tǒng)的誤碼率指標要 求下，光接收機的最低輸入光功率(用dBm來描述)和 最大允許輸入光功率(用dBm描述)之差，其單位為dB。 它表示光接收機正常工作時，光信號應有一個范圍， 這個范圍就是光接收機的動態(tài)范圍。 min max 3 min 3 max lg10 10 lg10 10 lg10 P PPP D 38 2光接收機 光接收機的動態(tài)范圍和自動增益控制 光接收機的自動增益控制(AGC)就是用反饋環(huán)

11、路來控 制主放大器的增益，在采用雪崩管的光接收機中還通 過控制雪崩管的高壓來控制雪崩管的雪崩增益。 39 2光接收機 圖4-17 自動增益控制工作原理方框圖 40 2光接收機 解擾、解復用和碼型變換電路 在光發(fā)射機中首先進行碼型變換。 在光發(fā)射機中對數(shù)字碼流進行擾碼處理。 還需將判決器輸出的信號進行解擾碼和碼型變 換處理以恢復原碼流。 發(fā)送端根據(jù)所輸入信號的性質不同，將會采用 不同的復用方式以提高信道的利用率，因而接 收端則需進行相反的操作，即解復用。 41 2光接收機 輔助電路 輔助電路包括箝位電路、溫度補償電路和告警 電路等。 42 3光纖通信系統(tǒng) 圖4-18 IM-DD光纖通信系統(tǒng)原理框

12、圖 43 3光纖通信系統(tǒng) (1) 光中繼器 光脈沖信號從光發(fā)射機輸出經(jīng)光纖傳輸若干距 離以后，由于光纖損耗和色散的影響，將使光 脈沖信號的幅度受到衰減，波形出現(xiàn)失真，這 樣就限制了光脈沖信號在光纖中做長距離的傳 輸。 44 3光纖通信系統(tǒng) 圖4-19 最簡單的光中繼器原理方框圖 45 3光纖通信系統(tǒng) 圖4-20 實用的中繼器方框圖 46 3光纖通信系統(tǒng) (2) 監(jiān)控系統(tǒng) 監(jiān)控系統(tǒng)為監(jiān)視、監(jiān)測和控制系統(tǒng)的簡稱。 在光纖通信的監(jiān)控系統(tǒng)中，通常采用的是集中監(jiān)控方 式。 監(jiān)控內容 監(jiān)控的內容分別包括監(jiān)視和控制兩部分。 監(jiān)控信號的傳輸 在數(shù)字通信系統(tǒng)中采用時分復用的方式來完成監(jiān)控信 號的傳輸，但不同的傳

13、輸體制，其監(jiān)控信號的傳輸方 式有所區(qū)別。 47 4.2.3 衰減和色散對中繼距離的影響 1、基本要求 預期傳輸距離。 信道帶寬或碼速率 系統(tǒng)性能（誤碼率、信噪比） （1）光纖 （2）光源 （3）光檢測器 （4）傳輸制式 48 4.2.3 衰減和色散對中繼距離的 影響 2、光纖鏈路設計 衰減對中繼距離的影響 色散對中繼距離的影響 中繼距離的計算 49 （1）衰減對中繼距離的影響 一個中繼段上的傳輸衰減包括兩部分，其一是 光纖本身的固有衰減，再者就是光纖的連接損 耗和微彎帶來的附加損耗。 構成光纖損耗的原因很復雜，歸結起來主要包 括兩大類：吸收損耗和散射損耗。 引起光纖損耗的因素還有光纖彎曲和微彎

14、產(chǎn)生 的損耗以及纖芯與包層中的損耗等等。 50 2色散對中繼距離的影響 光纖自身存在色散，即材料色散、波導色散和 模式色散。 對于單模光纖，因為僅存在一個傳輸模，故單 模光纖只包括材料色散和波導色散。 除此之外，還存在著與光纖色散有關的種種因 素，其中比較重要的有三類：碼間干擾、模分 配噪聲和啁啾聲。 51 （2）色散對中繼距離的影響 n碼間干擾對中繼距離的影響 系統(tǒng)的傳輸速率越高，光纖的色散系數(shù)越大， 光源譜寬越寬。 52 2色散對中繼距離的影響 n模分配噪聲對中繼距離的影響 激光器的光譜特性 模分配噪聲的產(chǎn)生及影響 53 2色散對中繼距離的影響 圖4-21 普通激光器的靜態(tài)和動態(tài)譜線 54

15、 2色散對中繼距離的影響 圖4-22高速調制時多縱模的隨機起伏 55 2色散對中繼距離的影響 (3) 啁啾聲對中繼距離的影響 對于處于直接強度調制狀態(tài)下的單縱模激光器，其載 流子密度的變化隨注入電流的變化而變化。這樣使有 源區(qū)的折射率指數(shù)發(fā)生變化，從而導致激光器諧振腔 的光通路長度相應變化，結果致使振蕩波長隨時間偏 移，這就是頻率啁啾現(xiàn)象。 因為這種時間偏移是隨機的，因而當受上述影響的光 脈沖經(jīng)過光纖后，在光纖色散的作用下，可以使光脈 沖波形發(fā)生展寬，因此接收取樣點所接收的信號中就 會存在隨機成分，這就是一種噪聲啁啾聲。 56 3最大中繼距離的計算 中繼距離是光纖通信系統(tǒng)設計的一項主要任務。

16、在中繼距離的設計中應考慮衰減和色散這兩個 限制因素。 57 （3）最大中繼距離的計算 u衰減受限系統(tǒng) 在衰減受限系統(tǒng)中，中繼距離越長，則光纖通 信系統(tǒng)的成本越低，獲得的技術經(jīng)濟效益越高。 極限值設計法 58 （3）最大中繼距離的計算 u色散受限系統(tǒng) 光纖的色散與帶寬 光纖每公里帶寬與L公里帶寬間的關系 光纖帶寬與半功率點寬度W之間的關系 色散受限距離 a 多縱模激光器（MLM）和發(fā)光二極管（LED） b 單縱模激光器（SLM） c 采用外調制器 59 4.3超長距離高速光纖通信系統(tǒng) 4.3.1傳輸通道特性 4.3.2高速光傳輸系統(tǒng)中的關鍵技術 4.3.3超長距離光纖通信系統(tǒng)中的光放大技術 60

17、 4.3超長距離高速光纖通信系統(tǒng) 4.3.1傳輸通道特性 u光信噪比 u色散 u光纖非線性 61 4.3超長距離高速光纖通信系統(tǒng) 4.3.1傳輸通道特性 u光信噪比 光信噪比（OSNR）是指光在鏈路傳播過程中光 信號與光噪聲的功率強度之比。通常只有接收光信號 的OSNR大于某閾值時，接收機才能有效地將承載信 息與噪聲區(qū)分開來，保證通信質量。 u色散 62 4.3超長距離高速光纖通信系統(tǒng) 4.3.1傳輸通道特性 u色散 引起單模光纖的色散的機理不同，也可以分為色度色 散（CD）和偏振模色散（PMD）。 色度色散是指具有一定譜線寬度的光脈沖因介質材料 的折射系數(shù)以及芯覆層結構的頻率相關性所導致的傳

18、 播時延差異。 偏振模色散是由于光纖制作工藝的非均勻軸對稱結構 以及外部應力所引起的雙折射系數(shù)。 63 4.3超長距離高速光纖通信系統(tǒng) 4.3.1傳輸通道特性 u光纖非線性 光纖的非線性可分為受激散射和非線性折射引起 的效應兩大類。受激散射包括受激布里淵散射（SBS） 和受激拉曼散射（SRS）。非線性折射引起的非線性 效應，主要有自相位調制（SPM）、交叉相位調制 （XPM）和四波混頻（FWM）。 64 4.3超長距離高速光纖通信系統(tǒng) 4.3.2高速光傳輸系統(tǒng)中的關鍵技術 u碼型調制技術 u檢測技術 u復用技術 u信道均衡和色散補償 65 4.3超長距離高速光纖通信系統(tǒng) 4.3.3 超長距離光

19、纖通信系統(tǒng)中的光放大技術 1、使用EDFA的SDH高速系統(tǒng) EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的主要作用是延長中繼 距離，當它與波分復用技術、光孤子技術相結 合時，可實現(xiàn)超大容量、超長距離的傳輸。 （1） 作為前置放大器 （2） 作為功率放大器 （3） 作光中繼器使用 66 4.3.3超長距離光纖通信系統(tǒng)中的 光放大技術 EDFA的應用 67 4.3.3超長距離光纖通信系統(tǒng)中的 光放大技術 EDFA在級聯(lián)中可能出現(xiàn)的問題及解決方法 （1） 噪聲積累影響 （2） 光纖的非線性限制 （3） 增益均衡 68 4.3.3超長距離光纖通信系統(tǒng)中的 光放大技術 2、使用拉曼放大器的高速傳輸系統(tǒng) FRA在光纖通信中的

20、作用 （1）按照信號光與泵浦光傳輸?shù)姆绞讲煌?，F(xiàn)RA 可分為同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦方式。 （2）光纖拉曼放大器又分為分立式RFA和分布式 FRA兩種。 69 4.3.3超長距離光纖通信系統(tǒng)中的 光放大技術 圖4-25給出了一個典型的分布式光纖拉曼放大輔 助傳輸系統(tǒng)結構圖。 70 4.4相干光通信 4.4.1相干光通信的基本概念及特點 4.4.2相干光通信的基本原理 4.4.3 相干光通信系統(tǒng) 4.4.4 相干光通信中的關鍵技術 71 4.4相干光通信 4.4.1相干光通信的基本概念及特點 相干光通信采用單一頻率的相干光作為光 源（載波），在發(fā)射端對光載波以幅度、頻率 或相位的方式調制到光

21、載波上，在接收端采用 零差檢測或外差檢測，這種檢測方式被稱為相 關檢測。 72 4.4相干光通信 4.4.1相干光通信的基本概念及特點 與IM-DD系統(tǒng)相比，它具有以下特點： l接收靈敏度高 l頻率選擇性好 l具有一定的色散補償效應 l提供多種調制方式 73 4.4相干光通信 4.4.1相干光通信的基本概念及特點 相干光通信采用單一頻率的相干光作為光 源（載波），在發(fā)射端對光載波以幅度、頻率 或相位的方式調制到光載波上，在接收端采用 零差檢測或外差檢測，這種檢測方式被稱為相 關檢測。 74 4.4相干光通信 4.4.2相干光通信的基本原理 圖4-26 相干光檢測原理圖：圖中的光信號是以調幅、

22、調頻或調相的方式被調制（設調制頻率為s）到光 載波上的。 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：當該信號傳輸?shù)浇邮斩藭r，首先與頻 率為L的本振光信號進行相干混合，然后由光 電檢測器進行檢測，這樣獲得中頻頻率為 IF=s-L的輸出電信號，因為IF0，故稱該 檢測為外差檢測。而當輸出信號的頻率IF=0時， 則稱為零差檢測，此時在接收端可以直接產(chǎn)生 基帶信號。 76 4.4相干光通信 4.4.2相干光通信的基本原理 結論： 第一項與傳輸無關的直流項 第二項經(jīng)外差檢測后的輸出信號電流 對于零差檢測If=0，輸出信號電流為 )cos( LsIfLsL tPP2RRPI )co

23、s()( LsIfLsout tPP2Rti )cos()( LsLsout PP2Rti 77 4.4相干光通信 4.4.2相干光通信的基本原理 對于零差檢測If=0，輸出信號電流為 （1）即使接收光功率很小 ，但由于輸出電流與 成正比，仍能夠通過增加 來獲得足夠大的輸出 電流，這樣本振光在輸出檢測中還起到了光放 大的作用，從而提高了信號的接收靈敏度。 )cos()( LsIfLsout tPP2Rti )cos()( LsLsout PP2Rti 4.4相干光通信 4.4.2相干光通信的基本原理 （2）由于在相干檢測中，要求s-L隨時保持常 數(shù)（If或0），因而要求系統(tǒng)中所使用的光源具 有非常高的頻率穩(wěn)定性，非常窄的頻譜寬度以 及一定的頻率調諧范圍。 （3）無論外差檢測，還是零差檢測，其檢測根據(jù) 都是源于接收光纖信號與本振光信號之間的干 涉