第08章直接檢測光波系統(tǒng)設(shè)計與性能

1、18.1 概概 述述8.2 模擬光纖通信系統(tǒng)模擬光纖通信系統(tǒng)8.3 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)8.4 光纖損耗和色散對系統(tǒng)性能的限制光纖損耗和色散對系統(tǒng)性能的限制8.5 光波系統(tǒng)的預算光波系統(tǒng)的預算8.6 光接收機靈敏度惡化和系統(tǒng)功率代價光接收機靈敏度惡化和系統(tǒng)功率代價8.7 8.7 光波系統(tǒng)的設(shè)計光波系統(tǒng)的設(shè)計 2光纖通信系統(tǒng)根據(jù)傳送的信號可以分光纖通信系統(tǒng)根據(jù)傳送的信號可以分為模擬光纖通信系統(tǒng)和數(shù)字光纖通信系統(tǒng)。為模擬光纖通信系統(tǒng)和數(shù)字光纖通信系統(tǒng)。隨著光纖通信技術(shù)的進步，系統(tǒng)的傳隨著光纖通信技術(shù)的進步，系統(tǒng)的傳輸容量輸容量(速率速率)越來越高。越來越高。3系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)是：遵循建議

2、規(guī)范，系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)是：遵循建議規(guī)范，采用先進、成熟技術(shù)，綜合考慮系統(tǒng)經(jīng)濟采用先進、成熟技術(shù)，綜合考慮系統(tǒng)經(jīng)濟成本，合理地選用器件和設(shè)備，明確系統(tǒng)成本，合理地選用器件和設(shè)備，明確系統(tǒng)的全部技術(shù)參數(shù)，完成實用系統(tǒng)的合成。的全部技術(shù)參數(shù)，完成實用系統(tǒng)的合成。它與工程設(shè)計主要區(qū)別在于：它與工程設(shè)計主要區(qū)別在于：首先系統(tǒng)設(shè)計與工程設(shè)計的區(qū)別表現(xiàn)首先系統(tǒng)設(shè)計與工程設(shè)計的區(qū)別表現(xiàn)在復雜程度上。在復雜程度上。其次系統(tǒng)設(shè)計與工程設(shè)計的區(qū)別表現(xiàn)其次系統(tǒng)設(shè)計與工程設(shè)計的區(qū)別表現(xiàn)在它們的任務(wù)不同。在它們的任務(wù)不同。4實用光纖通信系統(tǒng)組成框圖。實用光纖通信系統(tǒng)組成框圖。圖圖8-1 光纖通信系統(tǒng)的組成光纖通信系統(tǒng)的組成

3、 5光纖通信系統(tǒng)由以下五個部分組成。光纖通信系統(tǒng)由以下五個部分組成。v（1）光發(fā)信機：是實現(xiàn)電）光發(fā)信機：是實現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的光端機。它由光轉(zhuǎn)換的光端機。它由光源、驅(qū)動器和調(diào)制器組成。光源、驅(qū)動器和調(diào)制器組成。v（2） 光收信機：是實現(xiàn)光光收信機：是實現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的光端機。它由電轉(zhuǎn)換的光端機。它由光檢測器和光放大器組成。光檢測器和光放大器組成。v（3） 光纖或光纜：光纖或光纜構(gòu)成光的傳輸通路。光纖或光纜：光纖或光纜構(gòu)成光的傳輸通路。v（4）中繼器：中繼器由光檢測器、光源和判決再生）中繼器：中繼器由光檢測器、光源和判決再生電路組成。電路組成。(補償、整形補償、整形)v（5）光纖連接器、耦合器等無源

4、器件：由于光纖或）光纖連接器、耦合器等無源器件：由于光纖或光纜的長度受光纖拉制工藝和光纜施工條件的限制，光纜的長度受光纖拉制工藝和光纜施工條件的限制，且光纖的拉制長度也是有限度的且光纖的拉制長度也是有限度的。6 目前實用的光纖通信系統(tǒng)都采用直接檢波系目前實用的光纖通信系統(tǒng)都采用直接檢波系統(tǒng)。統(tǒng)。 直接檢波系統(tǒng)就是在發(fā)送端直接把信號調(diào)制直接檢波系統(tǒng)就是在發(fā)送端直接把信號調(diào)制到光波上，而在接收端用光電檢波管直接把被調(diào)到光波上，而在接收端用光電檢波管直接把被調(diào)治的光波檢波為原信號的系統(tǒng)。治的光波檢波為原信號的系統(tǒng)。 電端機就是一般電信號設(shè)備，例如載波機或電端機就是一般電信號設(shè)備，例如載波機或電視圖象

5、發(fā)送與接受設(shè)備等。電視圖象發(fā)送與接受設(shè)備等。 光端機則是把電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘枺òl(fā)送光光端機則是把電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘枺òl(fā)送光端機），或把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺ń邮展舛藱C）端機），或把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺ń邮展舛藱C）的設(shè)備。的設(shè)備。7 發(fā)送光端機的作用是將發(fā)送的電信號進行處發(fā)送光端機的作用是將發(fā)送的電信號進行處理，加在半導體激光器上，使電信號調(diào)制光波，理，加在半導體激光器上，使電信號調(diào)制光波，然后將此已調(diào)制光波送入光導纖維。然后將此已調(diào)制光波送入光導纖維。 已調(diào)制光波經(jīng)光導纖維傳送至接收光端機的已調(diào)制光波經(jīng)光導纖維傳送至接收光端機的半導體光電管上檢波。半導體光電管上檢波。 檢波后得到的電信號經(jīng)過適當

6、處理再送接受檢波后得到的電信號經(jīng)過適當處理再送接受電端機，然后按一般電信號處理。電端機，然后按一般電信號處理。 這就是整個光纖通信的過程。這就是整個光纖通信的過程。這個過程和這個過程和一般無線電通信過程是十分相似的。當然光線通一般無線電通信過程是十分相似的。當然光線通信的空間傳輸手段是光導纖維，這與一般無線電信的空間傳輸手段是光導纖維，這與一般無線電通信在空間傳輸電波的情況是不同的。通信在空間傳輸電波的情況是不同的。8 直接檢波系統(tǒng)的基本優(yōu)點是構(gòu)成簡單，直接檢波系統(tǒng)的基本優(yōu)點是構(gòu)成簡單，就當前光波技術(shù)水平來講現(xiàn)實可行。就當前光波技術(shù)水平來講現(xiàn)實可行。 同時由于光波頻率極高，在這樣系統(tǒng)同時由于光

7、波頻率極高，在這樣系統(tǒng)上傳送上萬路電話，幾十路電視并不困難，上傳送上萬路電話，幾十路電視并不困難，完全可以滿足目前通信的需要。完全可以滿足目前通信的需要。 因此直接檢波系統(tǒng)是光纖通信當前較因此直接檢波系統(tǒng)是光纖通信當前較多采用的形式。多采用的形式。9模擬光纖通信系統(tǒng)多采用副載波復用模擬光纖通信系統(tǒng)多采用副載波復用技術(shù)。所謂副載波是指射頻電磁波，以區(qū)技術(shù)。所謂副載波是指射頻電磁波，以區(qū)別于光調(diào)制時的光載波。副載波調(diào)制的電別于光調(diào)制時的光載波。副載波調(diào)制的電視系統(tǒng)框圖如圖視系統(tǒng)框圖如圖8-2所示。所示。10圖圖8-2 副載波復用模擬電視傳輸系統(tǒng)副載波復用模擬電視傳輸系統(tǒng)11作為殘留邊帶調(diào)幅的副載波

8、光纖傳輸作為殘留邊帶調(diào)幅的副載波光纖傳輸系統(tǒng)，其主要指標有：載噪比系統(tǒng)，其主要指標有：載噪比(Carrier Noise Ratio，CNR)、組合二階互調(diào)失真組合二階互調(diào)失真(Composite Second Order intermodulation，CSO)、組合三階差拍失真組合三階差拍失真(Composite Triple Beat，CTB)。12載噪比載噪比(CNR)是在規(guī)定的帶寬內(nèi)一個是在規(guī)定的帶寬內(nèi)一個頻道中的載波功率頻道中的載波功率(C)與噪聲功率與噪聲功率(N)之比，之比，一般以一般以dB作單位。定義式為：作單位。定義式為：）（9.1lg10NCCNR 13前置放大器的熱噪聲

9、所決定的前置放大器的熱噪聲所決定的(CNR)T為：為：(CNR)T與輸入功率的平方成正比，即與輸入功率的平方成正比，即輸入功率增加輸入功率增加1dB，(CNR)T增加增加2dB。）（9.10)(8222BkTNRPRmTFLrCNR14光電轉(zhuǎn)換散彈噪聲決定的光電轉(zhuǎn)換散彈噪聲決定的(CNR)q為：為：(CNR)q與接收機輸入功率成正比，輸與接收機輸入功率成正比，輸入功率增加入功率增加1dB，(CNR)q增加增加1dB。）（9.11)(42eBRPmqrCNR15激光器相對強度噪聲決定的激光器相對強度噪聲決定的(CNR)RIN為：為：(CNR)RIN與光接收機的接收功率無關(guān)。與光接收機的接收功率無

10、關(guān)。）（9.12)(102102RINnBmRINCNR16設(shè)設(shè)N個頻道的載波幅度均為個頻道的載波幅度均為I，頻率分頻率分別為別為j，初始相位為初始相位為j，則激光器的驅(qū)動則激光器的驅(qū)動電流電流i(t)為：為：此時激光器的輸出功率為：此時激光器的輸出功率為：P(t)=P(i)）（13. 9)sin()(1NjjjbtIIti17P(i)為非線性函數(shù)，且在為非線性函數(shù)，且在Ib附近連續(xù)可附近連續(xù)可導，因此可以將激光器輸出功率在偏置點導，因此可以將激光器輸出功率在偏置點Ib附近展開為泰勒級數(shù)：附近展開為泰勒級數(shù)：1!1)()(kkbIidiPdkoItiPtPbkk11!115. 9)sin()(

11、kkNjjjIidiPdkotIPtPbkk）（18式中：式中：P0為對應偏置點為對應偏置點i=Ib時的直流時的直流光功率，對式（光功率，對式（9-15）做三角函數(shù)展開可）做三角函數(shù)展開可以得到：以得到：k=1時，頻率仍為時，頻率仍為j(j=1，2，3N)，對應的是線性放大部分。對應的是線性放大部分。k=2時，對應二階失真。時，對應二階失真。k=3時，對應三階失真。時，對應三階失真。19 在光纖通信系統(tǒng)中在光纖通信系統(tǒng)中,光源的非線性是產(chǎn)光源的非線性是產(chǎn)生非線性失真的主要因素。生非線性失真的主要因素。 發(fā)光二極管發(fā)光二極管LED或激光二極管或激光二極管LD的的P-I曲線線性度都不太好，曲線線性

12、度都不太好， 為了獲得良好的為了獲得良好的線性，需要進行非線性補償。線性，需要進行非線性補償。 常用的補償方法有：常用的補償方法有： 負反饋法，預失負反饋法，預失真法，相移調(diào)制法等。真法，相移調(diào)制法等。 其中預失真法比較簡單使用，被廣泛其中預失真法比較簡單使用，被廣泛采用。采用。20直接強度調(diào)制光纖電視傳輸系統(tǒng)的傳輸距直接強度調(diào)制光纖電視傳輸系統(tǒng)的傳輸距離絕大多數(shù)是損耗限制系統(tǒng)。根據(jù)發(fā)射功率、接離絕大多數(shù)是損耗限制系統(tǒng)。根據(jù)發(fā)射功率、接收機靈敏度、線路損耗和分光器損耗可以計算出收機靈敏度、線路損耗和分光器損耗可以計算出傳輸距離傳輸距離L：式中：式中：P0為光發(fā)送機發(fā)射光功率為光發(fā)送機發(fā)射光功率

13、(dBm)，Pr為接為接收機的最低接收光功率收機的最低接收光功率(dBm)，M為系統(tǒng)富余量為系統(tǒng)富余量(dB)；為光纜線路每公里的損耗為光纜線路每公里的損耗(包括每公里光包括每公里光纖損耗、光纖接頭損耗、光纖活動連接器的損耗，纖損耗、光纖接頭損耗、光纖活動連接器的損耗，單位為單位為dB/km)；Ai為分光器插入損耗為分光器插入損耗(dB)；Ad為為分光器分光損耗分光器分光損耗(dB)。）（9.18diroAAMPPL21如果單從滿足系統(tǒng)的傳輸帶寬來考慮，如果單從滿足系統(tǒng)的傳輸帶寬來考慮，只要系統(tǒng)要求的帶寬不大于單模光纖可提只要系統(tǒng)要求的帶寬不大于單模光纖可提供帶寬即可，此時系統(tǒng)的最大傳輸距離為

14、：供帶寬即可，此時系統(tǒng)的最大傳輸距離為：式中：式中：D為單模光纖的色散系數(shù)；為單模光纖的色散系數(shù)；為光源的譜為光源的譜線寬度；線寬度；B為系統(tǒng)傳輸信號帶寬。為系統(tǒng)傳輸信號帶寬。）（9.1944. 0BDL 22(1) 抗干擾能力強，傳輸質(zhì)量好。抗干擾能力強，傳輸質(zhì)量好。(2) 可以再生，傳輸距離遠?？梢栽偕瑐鬏斁嚯x遠。(3) 數(shù)字系統(tǒng)采用大量的數(shù)字電路，數(shù)字系統(tǒng)采用大量的數(shù)字電路，容易集成，采用超大規(guī)模集成電路芯片使容易集成，采用超大規(guī)模集成電路芯片使數(shù)字設(shè)備體積小，功耗低。數(shù)字設(shè)備體積小，功耗低。23數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的性能主要包括誤碼性能、抖數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的性能主要包括誤碼性能、抖動性能

15、和系統(tǒng)的可靠性。動性能和系統(tǒng)的可靠性。 為研究通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量標準，往往可以預先規(guī)為研究通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量標準，往往可以預先規(guī)定一條假設(shè)的通道，具有確定的長度及一定的中間和終定一條假設(shè)的通道，具有確定的長度及一定的中間和終端設(shè)備。在這種特定條件下去研究該通道的傳輸質(zhì)量，端設(shè)備。在這種特定條件下去研究該通道的傳輸質(zhì)量，通常就把這條通信通道稱為假設(shè)參考通道。通常就把這條通信通道稱為假設(shè)參考通道。兩個相鄰數(shù)字配線架之間兩個相鄰數(shù)字配線架之間(或等效設(shè)備之間或等效設(shè)備之間)用來傳用來傳送一種規(guī)定速率的數(shù)字信號的全部裝置構(gòu)成一個數(shù)字段。送一種規(guī)定速率的數(shù)字信號的全部裝置構(gòu)成一個數(shù)字段。24誤碼就是經(jīng)接收判

16、決再生后，數(shù)字碼流的誤碼就是經(jīng)接收判決再生后，數(shù)字碼流的某些比特發(fā)生了差錯，使傳輸信息的質(zhì)量產(chǎn)生了某些比特發(fā)生了差錯，使傳輸信息的質(zhì)量產(chǎn)生了損傷。損傷。它包括各種噪聲源產(chǎn)生的誤碼；定位抖動它包括各種噪聲源產(chǎn)生的誤碼；定位抖動產(chǎn)生的誤碼；復用器、交叉連接設(shè)備和交換機的產(chǎn)生的誤碼；復用器、交叉連接設(shè)備和交換機的誤碼。誤碼。一些具有突發(fā)性質(zhì)的脈沖干擾如外部電磁一些具有突發(fā)性質(zhì)的脈沖干擾如外部電磁干擾、靜電放電、設(shè)備故障、電源瞬態(tài)干擾和人干擾、靜電放電、設(shè)備故障、電源瞬態(tài)干擾和人為活動會產(chǎn)生誤碼。為活動會產(chǎn)生誤碼。25誤碼性能事件是導出誤碼性能參數(shù)的基誤碼性能事件是導出誤碼性能參數(shù)的基礎(chǔ)，礎(chǔ)，G.82

17、6建議是以塊差錯建議是以塊差錯(誤塊誤塊)事件為事件為基礎(chǔ)的規(guī)范，它規(guī)范的是運行在基群和基礎(chǔ)的規(guī)范，它規(guī)范的是運行在基群和基群以上速率數(shù)字通道的誤碼性能事件、基群以上速率數(shù)字通道的誤碼性能事件、參數(shù)和指標。參數(shù)和指標。26需要說明的是需要說明的是SES（嚴重誤碼秒（嚴重誤碼秒 ）事件）事件并不總是孤立的事件，它可能會連續(xù)地發(fā)生并不總是孤立的事件，它可能會連續(xù)地發(fā)生SES。n個連續(xù)的個連續(xù)的SES與與n個孤立的個孤立的SES對用戶對用戶感到的性能會產(chǎn)生很不相同的影響。感到的性能會產(chǎn)生很不相同的影響。運行在運行在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傳輸系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)(數(shù)字段數(shù)字

18、段)來承載的。來承載的。誤碼性能指標如何應用到系統(tǒng)設(shè)計，目誤碼性能指標如何應用到系統(tǒng)設(shè)計，目前前ITU-T還沒有建議。還沒有建議。27定時抖動對網(wǎng)絡(luò)的性能損傷表現(xiàn)在下定時抖動對網(wǎng)絡(luò)的性能損傷表現(xiàn)在下面幾個方面：面幾個方面： 對數(shù)字編碼的模擬信號，在解碼后對數(shù)字編碼的模擬信號，在解碼后數(shù)字流的隨機相位抖動使恢復后的樣值具數(shù)字流的隨機相位抖動使恢復后的樣值具有不規(guī)則的相位，從而造成輸出模擬信號有不規(guī)則的相位，從而造成輸出模擬信號的失真，形成所謂抖動噪聲；的失真，形成所謂抖動噪聲；28 在再生器中，定時的不規(guī)則性使有效判在再生器中，定時的不規(guī)則性使有效判決偏離接收眼圖的中心，從而降低了再生器的信決偏

19、離接收眼圖的中心，從而降低了再生器的信噪比余度，直至發(fā)生誤碼；噪比余度，直至發(fā)生誤碼； 在在SDH（同步數(shù)字體系（同步數(shù)字體系Synchronous Digital Hierarchy ）網(wǎng)中，像同步復用器等配有）網(wǎng)中，像同步復用器等配有緩存器的網(wǎng)絡(luò)單元，過大的輸入抖動會造成緩存緩存器的網(wǎng)絡(luò)單元，過大的輸入抖動會造成緩存器的溢出或取空，從而產(chǎn)生滑動損傷。器的溢出或取空，從而產(chǎn)生滑動損傷。29 YD/T 12992004標準規(guī)定了在標準規(guī)定了在SDH網(wǎng)絡(luò)節(jié)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接口（點接口（NNI）上能夠控制的抖動和漂移的參數(shù)）上能夠控制的抖動和漂移的參數(shù)及相關(guān)指標。及相關(guān)指標。PDH(Plesiochron

20、ous Digital Hierarchy,準準同步數(shù)字系列同步數(shù)字系列)信號在信號在SDH/PDH邊界處應滿足原邊界處應滿足原有有PDH網(wǎng)的抖動性能要求。網(wǎng)的抖動性能要求。 PDH網(wǎng)絡(luò)接口允許的最大輸出抖動網(wǎng)絡(luò)接口允許的最大輸出抖動 SDH設(shè)備的設(shè)備的PDH支路輸入口抖動和漂移容限支路輸入口抖動和漂移容限30 SDH網(wǎng)絡(luò)輸出接口允許的最大抖動網(wǎng)絡(luò)輸出接口允許的最大抖動為了保證不同為了保證不同SDH網(wǎng)元之間的互連而網(wǎng)元之間的互連而不影響網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量，不影響網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量，SDH網(wǎng)絡(luò)輸出接網(wǎng)絡(luò)輸出接口允許的最大抖動不應超過表口允許的最大抖動不應超過表8.8中所規(guī)定中所規(guī)定的數(shù)字。括號中數(shù)值為數(shù)

21、字段要求。的數(shù)字。括號中數(shù)值為數(shù)字段要求。31表8-1 SDH網(wǎng)絡(luò)輸出接口允許的最大抖動 網(wǎng)絡(luò)接口限值 測量濾波器參數(shù) 參數(shù)值 SDH等級 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設(shè)備的輸入口的抖動和漂移容限設(shè)備的輸入口的抖動和漂移容限 SDH抖動轉(zhuǎn)移特性抖動轉(zhuǎn)移特性系統(tǒng)的可靠性一般采用故障統(tǒng)計分析系統(tǒng)的可靠性一般采用故障

22、統(tǒng)計分析法，即根據(jù)實際調(diào)查結(jié)果，統(tǒng)計足夠長時法，即根據(jù)實際調(diào)查結(jié)果，統(tǒng)計足夠長時間內(nèi)的可用時間和不可用時間，然后用可間內(nèi)的可用時間和不可用時間，然后用可用性指標來表示。所謂可用性是指可用時用性指標來表示。所謂可用性是指可用時間占系統(tǒng)全部運營時間的百分比。因為是間占系統(tǒng)全部運營時間的百分比。因為是統(tǒng)計量，因此統(tǒng)計時間越長，所得結(jié)果越統(tǒng)計量，因此統(tǒng)計時間越長，所得結(jié)果越精確。精確。33 光波系統(tǒng)的設(shè)計，要求最大限度地利用光纖光波系統(tǒng)的設(shè)計，要求最大限度地利用光纖的頻帶資源，達到最高的通信能力或容量，提供的頻帶資源，達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。 為此需要研究限制通信

23、能力的因素。光發(fā)送為此需要研究限制通信能力的因素。光發(fā)送機、中繼器、光接收機和光纖傳輸媒質(zhì)等光波系機、中繼器、光接收機和光纖傳輸媒質(zhì)等光波系統(tǒng)組成單元都對通信能力的提高產(chǎn)生限制，本節(jié)統(tǒng)組成單元都對通信能力的提高產(chǎn)生限制，本節(jié)主要討論光纖傳輸媒質(zhì)對光波通信能力的影響。主要討論光纖傳輸媒質(zhì)對光波通信能力的影響。 光纖損耗和色散特性是影響光波系統(tǒng)通信容光纖損耗和色散特性是影響光波系統(tǒng)通信容量量(BL積積)的重要因素，而損耗和色散又都隨工作的重要因素，而損耗和色散又都隨工作波長而變化，因此工作波長的選擇和光纖特性參波長而變化，因此工作波長的選擇和光纖特性參數(shù)對通信容量的影響程度就成為光波系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)對

24、通信容量的影響程度就成為光波系統(tǒng)設(shè)計的一個主要問題。一個主要問題。34 設(shè)光發(fā)送機發(fā)出的最大平均功率為設(shè)光發(fā)送機發(fā)出的最大平均功率為PT比特率為比特率為B，而光接收機的接收靈敏度為而光接收機的接收靈敏度為Pr，則最大傳輸距離為則最大傳輸距離為式中，式中，為光纖損耗，包括對接損耗和活為光纖損耗，包括對接損耗和活動連接損耗。動連接損耗。 )lg(10rTPPL35 由于接收機靈敏度由于接收機靈敏度Pr，隨比特率隨比特率B線性變化：線性變化：Pr =NphB，因此傳輸距離亦與比特率有關(guān)，此因此傳輸距離亦與比特率有關(guān)，此處處h為光子能量，為光子能量，Np為接收機所要求的每比特的為接收機所要求的每比特的

25、平均光子數(shù)。由此可見，在給定工作波長，平均光子數(shù)。由此可見，在給定工作波長，L隨隨B的增加而呈對數(shù)關(guān)系降低。的增加而呈對數(shù)關(guān)系降低。 圖圖8-3中用實線展示了在中用實線展示了在=0.85m、1.3m和和1.55m三個通用工作波長處傳輸距離三個通用工作波長處傳輸距離L隨比特隨比特率率B B的變化，該波長處光纖損耗分別為的變化，該波長處光纖損耗分別為=25、04和和025dBkm。 工作波長()(m)0.851.31.55光纖損耗(dBkm)2.50.40.25光發(fā)送功率(mW)111接收機所要求的每比特的平均光子數(shù)300500500中繼距離限制(km)3020036圖圖8-3 光纖損耗光纖損耗(

26、實線實線)和色散和色散(虛線虛線)對光波系統(tǒng)傳輸距離和比特率的限制對光波系統(tǒng)傳輸距離和比特率的限制一實際陸地商用光波系統(tǒng)；一實際陸地商用光波系統(tǒng)；一橫越大西洋的海底光波系統(tǒng)；一橫越大西洋的海底光波系統(tǒng)；一采用色散位移光纖的一采用色散位移光纖的155m，B10Gbs的實驗系統(tǒng)。的實驗系統(tǒng)。 損耗限制損耗限制色散限制色散限制3738光纖色散導致的信號畸變限制系統(tǒng)的傳輸距離。光纖色散導致的信號畸變限制系統(tǒng)的傳輸距離。導致色散限制的物理機制隨不同波長而不同。導致色散限制的物理機制隨不同波長而不同。39 早期發(fā)展的早期發(fā)展的0.85m第一代光波系統(tǒng)中，通第一代光波系統(tǒng)中，通常采用低成本的多模光纖作為傳輸

27、媒質(zhì)。多模光常采用低成本的多模光纖作為傳輸媒質(zhì)。多模光纖的主要限制因素是纖的主要限制因素是模間色散模間色散。 對于階躍型多模光纖對于階躍型多模光纖 BL(c/)(n2/n12)利用典型值：利用典型值：nl=1. .46和和=0.01，一個略嚴格的一個略嚴格的限制條件為限制條件為BL=c(2 nl)此條件已用破折線畫于圖此條件已用破折線畫于圖8-3左下角。左下角。 4041 可見，即使在可見，即使在B1Mbs的低比特率，的低比特率，這種多模系統(tǒng)也是色散限制的，其傳輸距這種多模系統(tǒng)也是色散限制的，其傳輸距離限制在離限制在10km內(nèi)。內(nèi)。 基于上述原因，除了一些數(shù)據(jù)連接應基于上述原因，除了一些數(shù)據(jù)連

28、接應用，多模階躍光纖很少用于光纖通信系統(tǒng)用，多模階躍光纖很少用于光纖通信系統(tǒng)中。中。 使用多模漸變光纖可大大提高使用多模漸變光纖可大大提高BL積，積，這種光纖的模間色散將這種光纖的模間色散將BL積限制在積限制在BL100Mbs將將變?yōu)樯⑾拗?。變?yōu)樯⑾拗啤?第一代陸上光波通信系統(tǒng)就是采用這種第一代陸上光波通信系統(tǒng)就是采用這種多模漸變光纖，比特率在多模漸變光纖，比特率在50l00Mbs范圍范圍內(nèi)，中繼距離接近內(nèi)，中繼距離接近l0km，于于1978年投入商業(yè)年投入商業(yè)運營。運營。 4344 第二代光波系統(tǒng)采用最小色散波長在第二代光波系統(tǒng)采用最小色散波長在13m附近的早期單模光纖，該系統(tǒng)最大附近的

29、早期單模光纖，該系統(tǒng)最大的限制因素是由較大的光源譜寬支配的由的限制因素是由較大的光源譜寬支配的由色散導致的脈沖展寬，這時比特率一距離色散導致的脈沖展寬，這時比特率一距離積積BL限制為限制為BL(4|D|)-1式中，式中，D為色散參數(shù)；為色散參數(shù)；為光源的均方根為光源的均方根譜寬。譜寬。 45 |D|的實際值取決于工作波長與零色散波的實際值取決于工作波長與零色散波長的偏離程度，其典型值在長的偏離程度，其典型值在l2ps(nmkm)范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 圖圖8-3中繪出了當取中繪出了當取|D|=2pskm，使使BL125(Gbs)km時，時，13m光波系光波系統(tǒng)的限制條件，從此限制線可見，統(tǒng)的限制條件

30、，從此限制線可見，當當BIGbs時，為損耗限制系統(tǒng)；時，為損耗限制系統(tǒng)；當當BlGbs時，為色散限制系統(tǒng)。時，為色散限制系統(tǒng)。 4647 第三代光波系統(tǒng)工作在損耗最小的第三代光波系統(tǒng)工作在損耗最小的1.55m波波長，在這種系統(tǒng)中光纖色散是主要的限制因素。長，在這種系統(tǒng)中光纖色散是主要的限制因素。 對普通單模光纖，在對普通單模光纖，在=1.55m處處|D|的典型的典型值約為值約為15ps/(nmkm)，色散值比較高，由色散導色散值比較高，由色散導致的脈沖展寬較大，系統(tǒng)處于色散限制狀態(tài)。致的脈沖展寬較大，系統(tǒng)處于色散限制狀態(tài)。 采用單縱模窄譜線半導體光源可大大緩解這采用單縱模窄譜線半導體光源可大大

31、緩解這種限制。對一個理想的光波系統(tǒng)，其最終限制由種限制。對一個理想的光波系統(tǒng)，其最終限制由下式給出下式給出B2L5Gbs，傳輸距離傳輸距離超過超過250km時就成為色散限制系統(tǒng)。時就成為色散限制系統(tǒng)。 實際上，直接調(diào)制中產(chǎn)生的光源頻率實際上，直接調(diào)制中產(chǎn)生的光源頻率啁啾將引起脈沖頻譜展寬，加劇色散限制。啁啾將引起脈沖頻譜展寬，加劇色散限制。 4950 例如將例如將D=16 ps(nmkm)和和=1nm代入，代入，BL積限制將降低到積限制將降低到BL150(Gbs)km，即使損耗限制距離可能超過即使損耗限制距離可能超過150km，但考慮光源啁啾后，即使比特率低至但考慮光源啁啾后，即使比特率低至B

32、2Gbs，傳輸距離也不超過傳輸距離也不超過75km。 當采用色散位移光纖時，色散和損耗當采用色散位移光纖時，色散和損耗在在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?qū)е碌母郊酉拗?。啁瞅?qū)е碌母郊酉拗啤?51 圖圖8-3中亦繪出了中亦繪出了|D|1.6ps(nmkm)時的系統(tǒng)限制線，這種系統(tǒng)的中繼距離約時的系統(tǒng)限制線，這種系統(tǒng)的中繼距離約為為80km，比特率可達比特率可達20Gbs。 當工作波長接近零色散波長，當工作波長接近零色散波長，|D|可進可進一步減小，一步減小，BL積可進一步提高。積可進一步提高。 實際上，采用低啁啾半導體光源和色實際上，采用低啁啾半導體光源和色散位

33、移光纖，已實現(xiàn)散位移光纖，已實現(xiàn)B10Gbs和和L100km的傳輸。的傳輸。 半導體光源一般為負啁啾，當采用預半導體光源一般為負啁啾，當采用預啁啾補償技術(shù)時，啁啾補償技術(shù)時，BL積也可進一步提高。積也可進一步提高。 5253 上節(jié)討論了光纖損耗與色散對光波系上節(jié)討論了光纖損耗與色散對光波系統(tǒng)傳輸距離統(tǒng)傳輸距離L和比特率和比特率B的固有限制，并在的固有限制，并在圖圖8-3中用限制線表示了系統(tǒng)設(shè)計的參考界中用限制線表示了系統(tǒng)設(shè)計的參考界限。限。 在實際光波系統(tǒng)設(shè)計中要考慮許多其在實際光波系統(tǒng)設(shè)計中要考慮許多其他問題，如工作波長、光纖、光發(fā)送機、他問題，如工作波長、光纖、光發(fā)送機、光接收機、各種光無

34、源器件的兼容性、性光接收機、各種光無源器件的兼容性、性能價格比、系統(tǒng)可靠性及擴容升級要求等，能價格比、系統(tǒng)可靠性及擴容升級要求等，本節(jié)本節(jié)從功率預算和上升時間預算角度從功率預算和上升時間預算角度，并，并通過實例來討論實際設(shè)計過程。通過實例來討論實際設(shè)計過程。 5455 在設(shè)計過程開始，首先確定系統(tǒng)設(shè)計要求達在設(shè)計過程開始，首先確定系統(tǒng)設(shè)計要求達到的技術(shù)指標和應滿足的性能標準，主要的技術(shù)到的技術(shù)指標和應滿足的性能標準，主要的技術(shù)指標是比特率指標是比特率B和傳輸距離和傳輸距離L，而要滿足的系統(tǒng)而要滿足的系統(tǒng)性能是誤碼率，典型要求是性能是誤碼率，典型要求是BER10-9。 根據(jù)設(shè)計指標要求，接著決定

35、工作波長，例根據(jù)設(shè)計指標要求，接著決定工作波長，例如選用如選用085m波長波長BL積小成本亦低，而選用積小成本亦低，而選用1316m波長，波長，BL積高成本亦高。參考圖積高成本亦高。參考圖8-3有助于對工作波長作出合理的選擇。有助于對工作波長作出合理的選擇。 一般當一般當B100Mbs，L200Mbs的長距離電信的長距離電信系統(tǒng)，必須選擇系統(tǒng)，必須選擇1. .3一一1. .6 m的工作波長。的工作波長。 56功率預算的目的在于使光波系統(tǒng)在整個壽命期間，確保功率預算的目的在于使光波系統(tǒng)在整個壽命期間，確保有足夠的光功率到達光接收機以保證系統(tǒng)有穩(wěn)定可靠的有足夠的光功率到達光接收機以保證系統(tǒng)有穩(wěn)定可

36、靠的性能。接收機要求的最小平均功率是接收機靈敏度性能。接收機要求的最小平均功率是接收機靈敏度Pr。平均發(fā)送功率平均發(fā)送功率PT一般對每個發(fā)送機都是給定的，將功率一般對每個發(fā)送機都是給定的，將功率用分貝用分貝(dBm)表示，則功率預算可表示為表示，則功率預算可表示為PT=Pr+CL+Ms式中，式中， CL為信道總損耗；為信道總損耗；Ms為系統(tǒng)裕量。保留裕量的目為系統(tǒng)裕量。保留裕量的目的在于分配一定量的功率，給因系統(tǒng)中元器件退化或其的在于分配一定量的功率，給因系統(tǒng)中元器件退化或其他不可預知的事件引起的功率虧損在系統(tǒng)壽命期內(nèi)的增他不可預知的事件引起的功率虧損在系統(tǒng)壽命期內(nèi)的增加。在設(shè)計時一般取加。在

37、設(shè)計時一般取Ms=68dB。信道總損耗信道總損耗CL應包括應包括所有可能的功率損耗源，包括光纖的分布損耗所有可能的功率損耗源，包括光纖的分布損耗f，連接連接器損耗器損耗c，對接損耗對接損耗s等。等。 57confLLCSRTLMPPC)(kmMPPLfconSRT58 在選定系統(tǒng)元部件后，就可估計最大傳輸距離。在選定系統(tǒng)元部件后，就可估計最大傳輸距離。 例如要設(shè)計一工作于例如要設(shè)計一工作于50Mbs，最大傳輸距離最大傳輸距離8km的光纖鏈路，參照圖的光纖鏈路，參照圖8-3，若采用漸變型多模光，若采用漸變型多模光纖，系統(tǒng)可設(shè)計工作在纖，系統(tǒng)可設(shè)計工作在0.85m，比較經(jīng)濟。比較經(jīng)濟。 確定了工作

38、波長后，必須確定合適的光發(fā)送機確定了工作波長后，必須確定合適的光發(fā)送機和接收機。和接收機。GaAs光發(fā)送機可用半導體激光器或發(fā)光光發(fā)送機可用半導體激光器或發(fā)光二極管作為光源。類似地，可采用二極管作為光源。類似地，可采用PIN或或APD硅接硅接收機設(shè)計，從降低成本考慮，可選擇收機設(shè)計，從降低成本考慮，可選擇PIN接收機。接收機。 在目前工藝水平下，為保證誤碼率在目前工藝水平下，為保證誤碼率BERBcr，則系統(tǒng)是受色散限制則系統(tǒng)是受色散限制的。而在色散限制下的最大中繼距離為的。而在色散限制下的最大中繼距離為 acrWB)/(411aBL/11max)4(174 對單模光纖，不存在模式色散，對單模光

39、纖，不存在模式色散，D=DM+Dw，隨光纖長度成比例增大，系統(tǒng)不受色散限制的臨隨光纖長度成比例增大，系統(tǒng)不受色散限制的臨界比特率為界比特率為Bcr =1(4)=1(4(O O2 2+D D2 2)1/2)O O為輸入脈沖均方根脈寬，為輸入脈沖均方根脈寬，D D=|D|L為色散為色散引起的脈沖展寬，對很窄的脈沖，引起的脈沖展寬，對很窄的脈沖，D D=|D|L為輸入脈沖均方根譜寬，因此有為輸入脈沖均方根譜寬，因此有Bcr =l(4|D|L)。由此可得色散限制下的最大中繼距由此可得色散限制下的最大中繼距離為離為Lmax=1/(4B|D|L)只有當系統(tǒng)要求的傳輸距離只有當系統(tǒng)要求的傳輸距離LLmax時

40、，才能滿足時，才能滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。系統(tǒng)設(shè)計要求。 75 光纖損耗和色散均影響光波系統(tǒng)的設(shè)計和光纖損耗和色散均影響光波系統(tǒng)的設(shè)計和性能。性能。 引起接收機靈敏度降低的因素包括模噪聲、引起接收機靈敏度降低的因素包括模噪聲、色散展寬、碼間干擾、模式分配噪聲、頻率啁啾色散展寬、碼間干擾、模式分配噪聲、頻率啁啾及反射反饋等。及反射反饋等。 76 在多模光纖中，由于振動和微彎等機械擾動，在多模光纖中，由于振動和微彎等機械擾動，各傳輸模式間的干涉在光檢測器受光面上產(chǎn)生了各傳輸模式間的干涉在光檢測器受光面上產(chǎn)生了一個斑紋圖樣，稱為斑圖。一個斑紋圖樣，稱為斑圖。 與斑圖相關(guān)的強度不均勻分布自身是無害的，與斑圖

41、相關(guān)的強度不均勻分布自身是無害的，因為接收機性能由探測器面積分所得總功率決定。因為接收機性能由探測器面積分所得總功率決定。 然而如果斑圖隨時間波動，將導致接收功率然而如果斑圖隨時間波動，將導致接收功率的波動并附加到總的接收機噪聲中，導致信噪比的波動并附加到總的接收機噪聲中，導致信噪比降低，這種波動稱為模噪聲。降低，這種波動稱為模噪聲。 77 另外，對接和連接器起空間濾波器的作用，另外，對接和連接器起空間濾波器的作用，使任何瞬時變化都變成斑點波動，亦增加了模噪使任何瞬時變化都變成斑點波動，亦增加了模噪聲。聲。 光源譜寬光源譜寬也嚴重影響模噪聲，當相干時也嚴重影響模噪聲，當相干時間間Tcl長于模間

42、時延長于模間時延T，即即Tl時亦將產(chǎn)生模干涉。對時亦將產(chǎn)生模干涉。對LED光發(fā)送機，光發(fā)送機，v足夠足夠大大(5THz)，可避免這類模噪聲的影響。可避免這類模噪聲的影響。 當同時采用多模光纖和半導體激光器時，模當同時采用多模光纖和半導體激光器時，模噪聲成為嚴重問題。通常將模噪聲加到接收機其噪聲成為嚴重問題。通常將模噪聲加到接收機其他噪聲中計算誤碼率，以估計模噪聲導致的靈敏他噪聲中計算誤碼率，以估計模噪聲導致的靈敏度降低和系統(tǒng)功率代價。度降低和系統(tǒng)功率代價。 78 色散導致脈沖展寬，限制了光波系統(tǒng)的色散導致脈沖展寬，限制了光波系統(tǒng)的BL積。積。 當脈沖展寬至超過分配給它們的時隙時，一當脈沖展寬至

43、超過分配給它們的時隙時，一部分脈沖能量進人相鄰時隙而導致碼間干擾部分脈沖能量進人相鄰時隙而導致碼間干擾(ISI)。 而本時隙內(nèi)脈沖能量降低，使判決電路的而本時隙內(nèi)脈沖能量降低，使判決電路的SNR降低。降低。 為維持接收機靈敏度和系統(tǒng)性能不變，應提為維持接收機靈敏度和系統(tǒng)性能不變，應提高功率預算，從而產(chǎn)生了色散導致的功率代價。高功率預算，從而產(chǎn)生了色散導致的功率代價。 79對高斯形光脈沖，功率代價可近似寫成對高斯形光脈沖，功率代價可近似寫成d=10lgfd式中，式中，fd=0 0為色散導致的脈沖展寬因為色散導致的脈沖展寬因子。子。 用上式可估計同時采用單模光纖和多縱用上式可估計同時采用單模光纖和

44、多縱模激光器或發(fā)光二極管的光波系統(tǒng)的功率模激光器或發(fā)光二極管的光波系統(tǒng)的功率代價。當代價。當B14時，可以忽略時，可以忽略ISI(碼間串擾)的影響。當?shù)挠绊憽．?14B時，功率代價可時，功率代價可近似表示為近似表示為d=-5lg 1-(4BLD) )2 2 80 多縱模半導體激光器在調(diào)制時，其各個模式多縱模半導體激光器在調(diào)制時，其各個模式一般是不穩(wěn)定的，即使各模式功率的總和一般是不穩(wěn)定的，即使各模式功率的總和(總功總功率率)不隨時間而變，但各個模式的功率卻隨時間不隨時間而變，但各個模式的功率卻隨時間呈隨機波動。呈隨機波動。 當不存在色散時，所有模式在傳輸和檢測中當不存在色散時，所有模式在傳輸和

45、檢測中保持同步，這種波動是無害的。保持同步，這種波動是無害的。 但在實際有色散的光纖中，工作于不同波長但在實際有色散的光纖中，工作于不同波長的不同模式將以不同的速度傳播，造成各模式間的不同模式將以不同的速度傳播，造成各模式間不同步，引起接收機電流附加的隨機波動，信噪不同步，引起接收機電流附加的隨機波動，信噪比降低，這種現(xiàn)象稱為模式分配噪聲，需要付出比降低，這種現(xiàn)象稱為模式分配噪聲，需要付出功率代價，以維持功率代價，以維持SNR不變。不變。81可計算得到功率代價為可計算得到功率代價為d=-5lg (1-Q2 2r rmpmp2 2)式中，式中，Q參數(shù)由式參數(shù)由式(649)給出；給出；r rmpm

46、p為考慮模式為考慮模式分配噪聲時接收到的相對噪聲功率電平。分配噪聲時接收到的相對噪聲功率電平。 當激光器在連續(xù)波工作時總功率保持不變，當激光器在連續(xù)波工作時總功率保持不變，平均模式功率為按均方根脈寬為平均模式功率為按均方根脈寬為的高斯分布的高斯分布分配，接收機判決電路的脈沖形狀用余弦函數(shù)描分配，接收機判決電路的脈沖形狀用余弦函數(shù)描述時，述時，r rmpmp可近似寫為可近似寫為 )(exp122BLDkrmp8283 頻率啁啾是限制光波系統(tǒng)性能的重要因素，頻率啁啾是限制光波系統(tǒng)性能的重要因素，即使用高邊模扼制比即使用高邊模扼制比(MSR)的單縱模半導體激光的單縱模半導體激光器來產(chǎn)生數(shù)字比特流，這

47、種影響亦是不可忽視的。器來產(chǎn)生數(shù)字比特流，這種影響亦是不可忽視的。 對半導體激光器進行調(diào)制時，有源區(qū)的折射對半導體激光器進行調(diào)制時，有源區(qū)的折射率、傳播常數(shù)及光脈沖的相位均發(fā)生變化，這種率、傳播常數(shù)及光脈沖的相位均發(fā)生變化，這種由調(diào)幅到調(diào)相的轉(zhuǎn)換導致光由調(diào)幅到調(diào)相的轉(zhuǎn)換導致光(頻頻)譜的加寬，稱為譜的加寬，稱為頻率啁啾。頻率啁啾。 帶有頻率啁啾的光脈沖在色散光纖中傳輸時，帶有頻率啁啾的光脈沖在色散光纖中傳輸時，脈沖形狀將發(fā)生變化。頻率啁啾分量主要出現(xiàn)在脈沖形狀將發(fā)生變化。頻率啁啾分量主要出現(xiàn)在前沿和后沿，使前沿出現(xiàn)藍移，后沿出現(xiàn)紅移。前沿和后沿，使前沿出現(xiàn)藍移，后沿出現(xiàn)紅移。 84 由于光譜移

48、動，當脈沖在光纖中傳輸時，包由于光譜移動，當脈沖在光纖中傳輸時，包含在脈沖啁啾分量的部分功率將逸出比特時隙。含在脈沖啁啾分量的部分功率將逸出比特時隙。 該功率損耗降低了接收機的該功率損耗降低了接收機的SNR，導致了功導致了功率代價，其大小可近似表示為率代價，其大小可近似表示為d=-10lg (1-4BLDc c) )式中，式中，c c為與頻率啁啾相關(guān)的譜移量。為與頻率啁啾相關(guān)的譜移量。 上式的適用條件為上式的適用條件為LDc ctc， tc為啁啾脈為啁啾脈沖寬度，取決于弛豫振蕩周期，約為半個振蕩周沖寬度，取決于弛豫振蕩周期，約為半個振蕩周期，其典型值為期，其典型值為100200ps。 85隨著光纖放大器的大量實用，數(shù)字光纖通隨著光纖放大器的大量實用，數(shù)字光纖通信系統(tǒng)一般分為無光纖放大器系統(tǒng)和有光纖放大信系統(tǒng)一般分為無光纖放大器系統(tǒng)和有光纖放大器系統(tǒng)。器系統(tǒng)。在技術(shù)上，系統(tǒng)設(shè)計的主要問題是確定中在技術(shù)上，系統(tǒng)設(shè)計的主要問題是確