光纖通信系統(tǒng)第八章重點(diǎn)

1、第八章一條完整的點(diǎn)到點(diǎn)通信系統(tǒng)均由光發(fā)送機(jī)、光纖光纜、中繼器和光接收機(jī)構(gòu)成。一般用比特率一距離積BL來(lái)衡量點(diǎn)到點(diǎn)系統(tǒng)的性能。光纖損耗和色散特性是影響光波系統(tǒng)通信容量（BL積）的重要因素。由于損耗和色散都與系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)有關(guān)，因此工作波長(zhǎng)的選擇和光纖特性參數(shù)對(duì)通信容量的影響程度就成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)主要問(wèn)題。_設(shè)光發(fā)送機(jī)發(fā)出的最大平均功率為萬(wàn)丁，比特率為B，而光接收機(jī)的接收靈敏度為，則最大傳輸距離為:L = 0lg（*），式中，a為光纖損耗，包括對(duì)接損耗和活動(dòng)聯(lián)接損耗=N hdB， a P/，3九為光子能量，Np為接收機(jī)所需要的的每比特率的平均光子數(shù)。 在給定工作波長(zhǎng)處，L隨比特率B的增加而呈對(duì)數(shù)

2、關(guān)系減小。損耗對(duì)光波系統(tǒng)傳輸距離的限制，可用光纖放大器（EDFA）克服。用EDFA作為光發(fā)送機(jī)的 后置功率提升放大器以延長(zhǎng)距離；用EDFA作為光接收機(jī)的前置放大器，提高接收靈敏度以 延長(zhǎng)距離；用EDFA作為在線光中繼器以延長(zhǎng)距離；亦可用RFA或EDFA和RFA作為混合在線 光中繼器延長(zhǎng)距離。光纖色散:信號(hào)能量中的各種分量由于在光纖中傳輸速度不同，而引起的信號(hào)畸變。色散限制:光纖色散導(dǎo)致的信號(hào)畸變限制系統(tǒng)的傳輸距離。模間色散：只發(fā)生在多模光纖，因?yàn)椴煌Ｊ降墓庋刂煌穆窂絺鬏敗Ｆ衲Ｉⅲ褐竼文９饫w中偏振色散，簡(jiǎn)稱PMD（=Polarization Mode Dispersion），起因 于實(shí)

3、際的單模光纖中基模含有兩個(gè)相互垂直的偏振模，沿光纖傳播過(guò)程中，由于光纖難免受 到外部的作用，如溫度和壓力等因素變化或擾動(dòng)，使得兩模式發(fā)生耦合，并且它們的傳播速 度也不盡相同，從而導(dǎo)致光脈沖展寬，展寬量也不確定，便相當(dāng)于隨機(jī)的色散。偏振模色散被認(rèn)為是限制光纖通信系統(tǒng)傳輸容量和距離的最終因素。材料色散：是由光纖材料自身特性造成的。波導(dǎo)色散：也稱結(jié)構(gòu)色散，由于光纖的纖芯與包層的折射率差很小，因此在交界面產(chǎn)生全反 射時(shí)，就可能有一部分光進(jìn)入包層之內(nèi)。這部分光在包層內(nèi)傳輸一定距離后，又可能回到纖 芯中繼續(xù)傳輸。進(jìn)入包層內(nèi)的這部分光強(qiáng)的大小與光波長(zhǎng)有關(guān)，這就相當(dāng)于光傳輸路徑長(zhǎng)度 隨光波波長(zhǎng)的不同而異。把有

4、一定波譜寬度的光源發(fā)出的光脈沖射入光纖后，由于不同波長(zhǎng) 的光傳輸路徑不完全相同，所以到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間也不相同，從而出現(xiàn)脈沖展寬。具體來(lái)說(shuō)， 入射光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，進(jìn)入包層中的光強(qiáng)比例就越大，這部分光走過(guò)的距離就越長(zhǎng)。這種色散 是由光纖中的光波導(dǎo)引起的，由此產(chǎn)生的脈沖展寬現(xiàn)象叫做波導(dǎo)色散。當(dāng)色散限制傳輸距離比損耗限制距離短時(shí)，稱這種光波系統(tǒng)通信為色散限制系統(tǒng)。0.85m光波系統(tǒng)（第一代：多模漸變型光纖，主要限制因素是模間色散）階躍型多模光纖限制條件為BL = c/（2n1A）；多模漸變光纖限制條件為BL = 2c/（n1A2）；1.3m光波系統(tǒng)（第二代：低損耗、低色散）該系統(tǒng)最大的限制因素是由較大的光

5、源譜寬支配的色散導(dǎo)致的脈沖展寬，這時(shí)比特 率一距離積限制為：BL（4|oz）i，式中：D為色散參數(shù)；叫為光源的均方根譜 寬。當(dāng)B 1Gb/s時(shí)為色散限制系統(tǒng)。1.55m光波系統(tǒng)（第三代）這種系統(tǒng)中光纖色散是主要的限制因素，限制條件為：B2L（-），式中：&V16|2/2為群速色散，與色散參數(shù)D的關(guān)系為。= E心2。實(shí)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。光纖色散導(dǎo)致的信號(hào)脈沖畸變，與光源線寬、信號(hào)啁啾、調(diào)制展寬等因素有關(guān)。直接調(diào)制系統(tǒng)中，光源的調(diào)制啁啾及光纖色散導(dǎo)致信號(hào)畸變。對(duì)于2.5Gb/s系統(tǒng)，放大器的積累噪聲成為傳輸距離主要限制。對(duì)于10Gb/s系統(tǒng)，光纖色

6、散成為傳輸距離的主要限制。眼圖：如果將輸入波形輸入示波器的Y軸，并且當(dāng)示波器的水平掃描周期和碼元定時(shí)同步 時(shí)，適當(dāng)調(diào)整相位，使波形的中心對(duì)準(zhǔn)取樣時(shí)刻，在示波器上顯示的圖形很象人的眼睛，因 此被稱為眼圖。眼圖是由各段碼元波形疊加而成的，“眼”張開(kāi)的大小表示了失真的程度，反映了碼間串?dāng)_ 的強(qiáng)弱。預(yù)啁啾是通過(guò)在光源上附加一個(gè)正弦調(diào)制，使脈沖前沿的頻率降低，后沿頻率升高，在一定 程度上補(bǔ)償色散造成的脈沖展寬。用色散補(bǔ)償光纖進(jìn)行色散補(bǔ)償：當(dāng)滿足DDs + DcLc = 0時(shí)，群延遲色散被補(bǔ)償；當(dāng)滿足Q 久+ DrLr = 0時(shí)，二階色散（色散斜率）被補(bǔ)償。補(bǔ)償原則：a）大的局部色散，小的平均色散；b）采

7、用后置色散補(bǔ)償而不是前置色散補(bǔ)償，減小DCF的非線性效應(yīng)；c）采用非完全補(bǔ)償而不是完全補(bǔ)償；d）在發(fā)射端進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償。功率預(yù)算的目的在于使光波系統(tǒng)在整個(gè)壽命期間，確保有足夠的光功率到達(dá)接收機(jī)以保證 系統(tǒng)有穩(wěn)定可靠的性能。功率預(yù)算可表示為：PT=Pr + cL+Ms，式中：q為信道總損 耗；吃為系統(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)中元器件退化或其他不可預(yù)知的事件引 起的功率虧損在系統(tǒng)壽命期內(nèi)的增加。信道總損耗應(yīng)包括所有的功率損耗源，包括光纖的分布損耗、連接器損耗、對(duì)接損耗。系統(tǒng)展寬時(shí)間的定義：鏈路總的展寬時(shí)間tsys等于每種因素引起的脈沖展寬時(shí)間弓的平方和 的平方根：*=述1了1

8、/2上升時(shí)間的預(yù)算的目的在于檢驗(yàn)選用的光源，光纖和檢測(cè)器的響應(yīng)速度是否滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì) 的要求，以確保系統(tǒng)在預(yù)定的比特率時(shí)能正常工作。上升時(shí)間定義為當(dāng)突然加上一個(gè)輸入（一個(gè)階躍函數(shù)）時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)從其最終輸出值的 10%上升到90%所需的時(shí)間。線性系統(tǒng)的帶寬Af與上升時(shí)間7；成反比，Tr=035，對(duì)于任何線性系統(tǒng)均成立。Bcr，為色散限制L =1max（4b1B）i/aaD = DL對(duì)單模光纖，不存在模式色散，d=dm+dw隨光 纖長(zhǎng)度成比例增大，系統(tǒng)不受色散限制的臨界比 特率為:11B =X 4（十福嚴(yán)對(duì)很窄的脈沖，bE一 DLcrA平|皿只有當(dāng)系統(tǒng)要求的傳輸距離時(shí)，才能滿足 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求信道串?dāng)_

9、：WDM系統(tǒng)中的器件均會(huì)引起信道串?dāng)_，包括濾波器、波長(zhǎng)復(fù)用器/解復(fù)用器、光 開(kāi)關(guān)及半導(dǎo)體光放大器等，連光纖本身也會(huì)由于非線性效應(yīng)而引起串?dāng)_。這會(huì)引起功率代 價(jià)。同頻串?dāng)_：與信號(hào)光頻率相同（非常接近）的串?dāng)_，均落入接收機(jī)帶寬內(nèi)無(wú)法濾除，對(duì)系統(tǒng) 影響嚴(yán)重，最終限制系統(tǒng)的傳輸距離。異頻串?dāng)_：與信號(hào)光頻率有較大偏離的串?dāng)_，表現(xiàn)為一種加性的噪聲，惡化信號(hào)消光比， 可通過(guò)濾波器濾除的串?dāng)_，對(duì)系統(tǒng)影響較小。中繼距離的三種設(shè)計(jì)方法:最壞情況法（參數(shù)完全已知）；統(tǒng)計(jì)法（所有參數(shù)都是統(tǒng)計(jì)定義）； 半統(tǒng)計(jì)法（只有某些參數(shù)是統(tǒng)計(jì)定義）。斑圖：在多模光纖中，由于振動(dòng)和微彎等機(jī)械擾動(dòng)，各傳輸模式間的干涉在光檢測(cè)器受光面 上產(chǎn)生了一個(gè)斑紋圖樣，稱為斑圖。造成模式噪聲的因素為：光源的相干性光纖；鏈路上的隨機(jī)振動(dòng)、微彎。消除模式噪聲的措施：a）使用LED光源，避免相干性；b）使用多縱模激光器，這將增加光斑圖的粒狀性，從而降低鏈路中因機(jī)械干擾而引起的光 強(qiáng)度起伏；c）使用數(shù)值孔徑較大的光纖，因?yàn)樗С趾芏嗄Ｊ?，從而?dǎo)致光斑數(shù)目增多；d）使用單模光纖，不存在模式間的干涉解決啁啾的辦法：選擇使用輸出波長(zhǎng)接近光纖的零色散波長(zhǎng)的激光器；讓激光器工作在輸出 直流光的狀態(tài)，然后采用外調(diào)制的辦法加載數(shù)據(jù)。反射