直接檢測光波系統(tǒng)設計與性能

第八章光纖通信系統(tǒng)設計8.1概述8.2模擬光纖通信系統(tǒng)8.3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8.5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8.7光波系統(tǒng)的設計

8.1概述 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)。 隨著光纖通信技術的進步，系統(tǒng)的傳輸容量(速率)越來越高。 系統(tǒng)設計的任務是：遵循建議規(guī)范，采用先進、成熟技術，綜合考慮系統(tǒng)經(jīng)濟成本，合理地選用器件和設備，明確系統(tǒng)的全部技術參數(shù)，完成實用系統(tǒng)的合成。它與工程設計主要區(qū)別在于： 首先系統(tǒng)設計與工程設計的區(qū)別表現(xiàn)在復雜程度上。 其次系統(tǒng)設計與工程設計的區(qū)別表現(xiàn)在它們的任務不同。實用光纖通信系統(tǒng)組成框圖。圖8-1光纖通信系統(tǒng)的組成光纖通信系統(tǒng)由以下五個部分組成。（1）光發(fā)信機：是實現(xiàn)電/光轉換的光端機。它由光源、驅(qū)動器和調(diào)制器組成。（2）光收信機：是實現(xiàn)光/電轉換的光端機。它由光檢測器和光放大器組成。（3）光纖或光纜：光纖或光纜構成光的傳輸通路。（4）中繼器：中繼器由光檢測器、光源和判決再生電路組成。(補償、整形)（5）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，且光纖的拉制長度也是有限度的。目前實用的光纖通信系統(tǒng)都采用直接檢波系統(tǒng)。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)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備，例如載波機或電視圖象發(fā)送與接受設備等。光端機則是把電信號轉變?yōu)楣庑盘枺òl(fā)送光端機），或把光信號轉變?yōu)殡娦盘枺ń邮展舛藱C）的設備。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，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半導體光電管上檢波。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。

這就是整個光纖通信的過程。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。直接檢波系統(tǒng)的基本優(yōu)點是構成簡單，就當前光波技術水平來講現(xiàn)實可行。同時由于光波頻率極高，在這樣系統(tǒng)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。因此直接檢波系統(tǒng)是光纖通信當前較多采用的形式。8.2模擬光纖通信系統(tǒng) 模擬光纖通信系統(tǒng)多采用副載波復用技術。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)制的電視系統(tǒng)框圖如圖8-2所示。圖8-2副載波復用模擬電視傳輸系統(tǒng)8.2.1系統(tǒng)主要性能指標 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(CarrierNoiseRatio，CNR)、組合二階互調(diào)失真(CompositeSecondOrderintermodulation，CSO)、組合三階差拍失真(CompositeTripleBeat，CTB)。1.載噪比 載噪比(CNR)是在規(guī)定的帶寬內(nèi)一個頻道中的載波功率(C)與噪聲功率(N)之比，一般以dB作單位。定義式為： 前置放大器的熱噪聲所決定的(CNR)T為： (CNR)T與輸入功率的平方成正比，即輸入功率增加1dB，(CNR)T增加2dB。 光電轉換散彈噪聲決定的(CNR)q為： (CNR)q與接收機輸入功率成正比，輸入功率增加1dB，(CNR)q增加1dB。 激光器相對強度噪聲決定的(CNR)RIN為： (CNR)RIN與光接收機的接收功率無關。2.非線性失真 設N個頻道的載波幅度均為I，頻率分別為ωj，初始相位為θj，則激光器的驅(qū)動電流i(t)為： 此時激光器的輸出功率為：P(t)=P(i)

P(i)為非線性函數(shù)，且在Ib附近連續(xù)可導，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)： 式中：P0為對應偏置點i=Ib時的直流光功率，對式（9-15）做三角函數(shù)展開可以得到：

k=1時，頻率仍為ωj(j=1，2，3…N)，對應的是線性放大部分。

k=2時，對應二階失真。

k=3時，對應三階失真。在光纖通信系統(tǒng)中,光源的非線性是產(chǎn)生非線性失真的主要因素。發(fā)光二極管LED或激光二極管LD的P-I曲線線性度都不太好，為了獲得良好的線性，需要進行非線性補償。常用的補償方法有：負反饋法，預失真法，相移調(diào)制法等。其中預失真法比較簡單使用，被廣泛采用。8.2.2傳輸距離設計 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、接收機靈敏度、線路損耗和分光器損耗可以計算出傳輸距離L：式中：P0為光發(fā)送機發(fā)射光功率(dBm)，Pr為接收機的最低接收光功率(dBm)，M為系統(tǒng)富余量(dB)；α為光纜線路每公里的損耗(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，單位為dB/km)；Ai為分光器插入損耗(dB)；Ad為分光器分光損耗(dB)。 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供帶寬即可，此時系統(tǒng)的最大傳輸距離為：式中：D為單模光纖的色散系數(shù)；Δλ為光源的譜線寬度；B為系統(tǒng)傳輸信號帶寬。8.3數(shù)字光纖通信系統(tǒng) (1)抗干擾能力強，傳輸質(zhì)量好。 (2)可以再生，傳輸距離遠。 (3)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)模集成電路芯片使數(shù)字設備體積小，功耗低。8.3.1主要性能指標 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的性能主要包括誤碼性能、抖動性能和系統(tǒng)的可靠性。1.參考模型(1)假設參考通道（hypotheticalreferencepath）為研究通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量標準，往往可以預先規(guī)定一條假設的通道，具有確定的長度及一定的中間和終端設備。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參考通道。(2)假設參考數(shù)字段HRDS，HypotheticalReferenceDigitalSection 兩個相鄰數(shù)字配線架之間(或等效設備之間)用來傳送一種規(guī)定速率的數(shù)字信號的全部裝置構成一個數(shù)字段。2.誤碼特性(1)誤碼概念 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)生了損傷。①內(nèi)部機理產(chǎn)生的誤碼 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、交叉連接設備和交換機的誤碼。②脈沖干擾產(chǎn)生的誤碼 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、設備故障、電源瞬態(tài)干擾和人為活動會產(chǎn)生誤碼。(2)誤碼性能事件 誤碼性能事件是導出誤碼性能參數(shù)的基礎，G.826建議是以塊差錯(誤塊)事件為基礎的規(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、參數(shù)和指標。(3)誤碼性能指標①端到端指標 需要說明的是SES（嚴重誤碼秒）事件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SES與n個孤立的SES對用戶感到的性能會產(chǎn)生很不相同的影響。 運行在G.826所包括的速率下的通道是由傳輸系統(tǒng)(數(shù)字段)來承載的。 誤碼性能指標如何應用到系統(tǒng)設計，目前ITU-T還沒有建議。3.抖動和漂移特性(1)抖動和漂移的概念 定時抖動對網(wǎng)絡的性能損傷表現(xiàn)在下面幾個方面： ①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； ②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噪比余度，直至發(fā)生誤碼； ③在SDH（同步數(shù)字體系SynchronousDigitalHierarchy）網(wǎng)中，像同步復用器等配有緩存器的網(wǎng)絡單元，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。(2)抖動和漂移性能的規(guī)范

YD/T1299－2004標準規(guī)定了在SDH網(wǎng)絡節(jié)點接口（NNI）上能夠控制的抖動和漂移的參數(shù)及相關指標。(3)抖動和漂移指標

PDH(PlesiochronousDigitalHierarchy,準同步數(shù)字系列)信號在SDH/PDH邊界處應滿足原有PDH網(wǎng)的抖動性能要求。 ①PDH網(wǎng)絡接口允許的最大輸出抖動 ②SDH設備的PDH支路輸入口抖動和漂移容限 ③SDH網(wǎng)絡輸出接口允許的最大抖動 為了保證不同SDH網(wǎng)元之間的互連而不影響網(wǎng)絡的傳輸質(zhì)量，SDH網(wǎng)絡輸出接口允許的最大抖動不應超過表8.8中所規(guī)定的數(shù)字。括號中數(shù)值為數(shù)字段要求。④SDH設備的輸入口的抖動和漂移容限⑤SDH抖動轉移特性4.系統(tǒng)可靠性 系統(tǒng)的可靠性一般采用故障統(tǒng)計分析法，即根據(jù)實際調(diào)查結果，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。因為是統(tǒng)計量，因此統(tǒng)計時間越長，所得結果越精確。8.4光纖損耗和色散對系統(tǒng)性能的限制光波系統(tǒng)的設計，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，提供最大的通信效益。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。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，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數(shù)對通信容量的影響程度就成為光波系統(tǒng)設計的一個主要問題。8.4.1損耗限制光波系統(tǒng)設光發(fā)送機發(fā)出的最大平均功率為PT比特率為B，而光接收機的接收靈敏度為Pr，則最大傳輸距離為式中，α為光纖損耗，包括對接損耗和活動連接損耗。

由于接收機靈敏度Pr，隨比特率B線性變化：Pr=NphνB，因此傳輸距離亦與比特率有關，此處hν為光子能量，Np為接收機所要求的每比特的平均光子數(shù)。由此可見，在給定工作波長，L隨B的增加而呈對數(shù)關系降低。圖8-3中用實線展示了在λ=0.85μm、1.3μm和1.55μm三個通用工作波長處傳輸距離L隨比特率B的變化，該波長處光纖損耗分別為α=2．5、0．4和0．25dB／km。

工作波長(λ)(μm)0.851.31.55光纖損耗(dB／km)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)<30<200>200圖8-3光纖損耗(實線)和色散(虛線)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)；〇一橫越大西洋的海底光波系統(tǒng)；▲一采用色散位移光纖的1．55μm，B≥10Gb／s的實驗系統(tǒng)。

損耗限制色散限制8.4.2色散限制光波系統(tǒng)1.光纖色散光纖色散:信號能量中的各種分量由于在光纖中傳輸速度不同，而引起的信號畸變。色散限制:光纖色散導致的信號畸變限制系統(tǒng)的傳輸距離。色散類型模間色散（僅多模光纖有）波導色散材料色散偏振模色散2.色散與光纖G.652（標準單模光纖SMF）:

零色散波長:1300nm1550色散:16~17ps/nm.kmG.653（色散位移光纖DSF）:零色散波長:1550nmG.655（非零色散位移光纖NZDSF）:

1550nm色散:2~6ps/nm.km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。3.色散限制光波系統(tǒng)1.0.85μm光波系統(tǒng)早期發(fā)展的0.85μm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媒質(zhì)。多模光纖的主要限制因素是模間色散。對于階躍型多模光纖

BL<(c/Δ)(n2/n12)利用典型值：nl=1.46和Δ=0.01，一個略嚴格的限制條件為BL=c／(2nlΔ)此條件已用破折線畫于圖8-3左下角。

-------色散限制多模階躍光纖，BL=c/(2n1)。典型值n1=1.46、=0.01，傳輸距離隨比特率的曲線。即使在B1Mb/s的低比特率，也是色散限制的，其傳輸距離限制在10km內(nèi)。應用：數(shù)據(jù)連接，很少用于光纖通信系統(tǒng)中?？梢?，即使在B≈1Mb／s的低比特率，這種多模系統(tǒng)也是色散限制的，其傳輸距離限制在10km內(nèi)。基于上述原因，除了一些數(shù)據(jù)連接應用，多模階躍光纖很少用于光纖通信系統(tǒng)中。使用多模漸變光纖可大大提高BL積，這種光纖的模間色散將BL積限制在BL<(8c/n1Δ2)圖8-3中也用破折線畫出了多模漸變光纖的限制條件：BL=2c／(n1Δ2)圖線顯示，當采用多模漸變光纖，比特率達到100Mb／s時，0.85μm光波系統(tǒng)為損耗限制，而不是色散限制，而當B>100Mb／s將變?yōu)樯⑾拗啤５谝淮懮瞎獠ㄍㄐ畔到y(tǒng)就是采用這種多模漸變光纖，比特率在50～l00Mb／s范圍內(nèi)，中繼距離接近l0km，于1978年投入商業(yè)運營。

多模漸變光纖，BL=2c/(n12).對于

n1=1.46、=0.01，曲線如圖。當比特率小于100Mb/s時為損耗限制，大于100Mb/s將變?yōu)樯⑾拗?。第一代陸上光通信系統(tǒng)就是采用多模漸變光纖，比特率在50-100Mb/s，中繼距離接近10公里，于1978年投入商業(yè)運營。-------色散限制2.1.3μm光波系統(tǒng)第二代光波系統(tǒng)采用最小色散波長在1．3μm附近的早期單模光纖，該系統(tǒng)最大的限制因素是由較大的光源譜寬支配的由色散導致的脈沖展寬，這時比特率一距離積BL限制為BL≤(4|D|σλ)-1式中，D為色散參數(shù)；σλ為光源的均方根譜寬。

|D|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l—2ps／(nm·km)范圍內(nèi)。圖8-3中繪出了當取|D|σλ=2ps／km，使BL≤125(Gb／s)·km時，1．3μm光波系統(tǒng)的限制條件，從此限制線可見，當B≤IGb／s時，為損耗限制系統(tǒng)；當B≥lGb／s時，為色散限制系統(tǒng)。

當B<1Gb/s時，為損耗限制系統(tǒng)，但當B>1Gb/s時則變?yōu)樯⑾拗葡到y(tǒng)。-------色散限制3.1.55μm光波系統(tǒng)第三代光波系統(tǒng)工作在損耗最小的1.55μm波長，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λ=1.55μm處|D|的典型值約為15ps/(nm·km)，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)。采用單縱模窄譜線半導體光源可大大緩解這種限制。對一個理想的光波系統(tǒng)，其最終限制由下式給出B2L<(16|β2|-1)式中，β2為群速色散，與色散參數(shù)D的關系為D=-(2πc/λ2)β2。圖8-3繪出采用普通單模光纖的光波系統(tǒng)的限制線為B2L=4000(Gb／s)·km。對理想的1．55μm光波系統(tǒng)，B2L可達6000(Gb／s)·km，當B>5Gb／s，傳輸距離超過250km時就成為色散限制系統(tǒng)。

實際上，直接調(diào)制中產(chǎn)生的光源頻率啁啾將引起脈沖頻譜展寬，加劇色散限制。

普通單模光纖的限制線為：B2L=4000(Gb/s)2-km。對理想的1.55m系統(tǒng)，B2L可達6000(Gb/s)2-km。當B>5Gb/s

時，為色散限制系統(tǒng)。-------色散限制例如將D=16ps／(nm·km)和σλ=1nm代入，BL積限制將降低到BL≤150(Gb／s)·km，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B≤2Gb／s，傳輸距離也不超過75km。

當采用色散位移光纖時，色散和損耗在1．55μm附近均很低，可大大降低光源啁瞅?qū)е碌母郊酉拗啤?/p>

圖8-3中亦繪出了|D|≈1.6ps／(nm·km)時的系統(tǒng)限制線，這種系統(tǒng)的中繼距離約為80km，比特率可達20Gb／s。當工作波長接近零色散波長，|D|可進一步減小，BL積可進一步提高。實際上，采用低啁啾半導體光源和色散位移光纖，已實現(xiàn)B≥10Gb／s和L>100km的傳輸。半導體光源一般為負啁啾，當采用預啁啾補償技術時，BL積也可進一步提高。

當采用色散位移光纖時，色散和損耗在1.55m附近均最低。

-------色散限制8.5光波系統(tǒng)的預算上節(jié)討論了光纖損耗與色散對光波系統(tǒng)傳輸距離L和比特率B的固有限制，并在圖8-3中用限制線表示了系統(tǒng)設計的參考界限。在實際光波系統(tǒng)設計中要考慮許多其他問題，如工作波長、光纖、光發(fā)送機、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，本節(jié)從功率預算和上升時間預算角度，并通過實例來討論實際設計過程。

在設計過程開始，首先確定系統(tǒng)設計要求達到的技術指標和應滿足的性能標準，主要的技術指標是比特率B和傳輸距離L，而要滿足的系統(tǒng)性能是誤碼率，典型要求是BER<10-9。根據(jù)設計指標要求，接著決定工作波長，例如選用0．85μm波長BL積小成本亦低，而選用1．3～1．6μm波長，BL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。一般當B≤100Mb／s，L<20km時，光纖鏈路可工作在0．85μm附近，這對多數(shù)局域網(wǎng)應用是合理的選擇。對B>200Mb／s的長距離電信系統(tǒng)，必須選擇1.3一1.6μm的工作波長。

8.5.1光波系統(tǒng)的功率預算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PT一般對每個發(fā)送機都是給定的，將功率用分貝(dBm)表示，則功率預算可表示為PT=Pr+CL+Ms式中，

CL為信道總損耗；Ms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。在設計時一般取Ms=6—8dB。信道總損耗CL應包括所有可能的功率損耗源，包括光纖的分布損耗αf，連接器損耗αc，對接損耗αs等。

功率預算（用dBm表示）信道損耗包括：光纖損耗(dB/km)連接損耗（固定連接0.1~0.2dB,活動連接<1dB)發(fā)射功率接收靈敏度系統(tǒng)功率余量信道總損耗功率余量：

元器件老化

溫度變化

其他不可預知事件引起的功率虧損

設計時通常取6-8dB傳輸距離:傳輸距離(km)在選定系統(tǒng)元部件后，就可估計最大傳輸距離。例如要設計一工作于50Mb／s，最大傳輸距離8km的光纖鏈路，參照圖8-3，若采用漸變型多模光纖，系統(tǒng)可設計工作在0.85μm，比較經(jīng)濟。確定了工作波長后，必須確定合適的光發(fā)送機和接收機。GaAs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PIN或APD硅接收機設計，從降低成本考慮，可選擇PIN接收機。在目前工藝水平下，為保證誤碼率BER<10-9時能可靠工作，接收機平均要求5000個光子／比特，接收機的靈敏度為Pr=NphνB=-42dBm。基于LED和LD的光發(fā)送機的平均發(fā)送功率一般分別為50μw和1mW，表8-2給出了按以上方法所作功率預算的一個例子。

表8-20.85μm光波系統(tǒng)的功率預算參量符號激光二極管發(fā)送機發(fā)光二極管發(fā)送機

發(fā)送功率／dBmPT0-13接收機靈敏度／dBmPr-42-42系統(tǒng)裕量／dBMs66信道總損耗／dBCL3623連接器損耗／曲αc22光纜損耗／dB·km-1αf3.53.5最大傳輸距離／kmL9.76功率預算示例長距離單模光纖通信系統(tǒng)，工作波長在1.3m.

發(fā)射功率PT=-4dBm

光纖損耗=0.3dB/km

熔接損耗=0.2dB/km

發(fā)射機和接收機端的連接損耗=1dB（每個）APD接收機所需的平均功率：

比特率400Mbit/s(BER10-9)=-44dBm

比特率40Mbit/s(BER10-9)=-52dBm

功率余量=6dB比特率為400Mbit/s(BER10-9)時，無需中繼器，所能傳輸?shù)淖铋L距離？（不考慮色散代價）解答：比特率為400Mbit/s(BER10-9)

最大允許鏈路損耗=-4–(-44)=40dB

光纖損耗(光纖+熔接)=(0.3dB+0.2dB)xL

連接器損耗=2dB(2個連接器,每個1dB)

系統(tǒng)余量=6dB

因此，總體鏈路損耗=(0.5L+2+6)dB最大傳輸距離=(40-2-6)/0.5km=64km(答案)比特率為40Mbit/s(BER10-9)時，無需中繼器，所能傳輸?shù)淖铋L距離？（不考慮色散代價）80km8.5.2光波系統(tǒng)的上升時間預算上升時間預算的目的在于檢驗選用的光源，光纖和檢測器的響應速度是否滿足系統(tǒng)設計的要求，以確保系統(tǒng)在預定的比特率時能正常工作。有時，即使系統(tǒng)各組成部分的帶寬都超過給定比特率的信號帶寬，而仍有可能整個系統(tǒng)不能在該比特率下工作。上升時間預算的概念用來在各個組成部件間分配帶寬。

如圖8-4所示，一個線性系統(tǒng)的上升時間t定義為當突然加上一個輸入(一個階躍函數(shù))時，系統(tǒng)響應從其最終輸出值的10％上升到90％所需的時間。

圖8-4帶寬限制線性系統(tǒng)的上升時間Tr

線性系統(tǒng)的帶寬Δf與上升時間Tr成反比，例如由RC電路組成的簡單的線性系統(tǒng)，其Tr=0.35/Δf

這種關系對任何線性系統(tǒng)均成立。然而TrΔf一般并不等于0.35，對光波系統(tǒng)設計，取TrΔf=0.35僅作為保守指標。帶寬Δf與比特率B的關系取決于數(shù)字碼型。對歸零碼(Rz)，Δf=B，TrB=0.35。而對非歸零碼(NRz)，Δf=B/2，TrB=0.7，因而上升時間的容限分別為

光波系統(tǒng)的總上升時間決定于系統(tǒng)各組成單元的上升時間，可表示為

式中，TTr，Tfr和Trr分別為光發(fā)送機、光纖和光接收機相應的上升時間。對系統(tǒng)設計者而言，發(fā)送機和接收機的上升時間一般是已知的，前者主要由驅(qū)動電路的電子元器件和與光源相關的電寄生參數(shù)決定，對LD發(fā)送機典型值為TTr=0.1ns，對LED發(fā)送機TTr為幾十納秒。后者主要由接收機前端的3dB電帶寬決定。

光纖的上升時間主要由色散參數(shù)決定，包括模式色散和材料色散，可表示為

對單模光纖，模式色散可忽略，因而Tfr=Tmat。對多模階躍光纖，Tmod可近似表示為

Tmod≈n1ΔL/c對多模漸變光纖，可近似為Tmod≈n1Δ2L0.7/8c材料色散可近似表示為Tmat≈|D|LΔλ式中，Δλ為光源譜寬。當鏈路由具有不同色散參數(shù)D的光纖段連接而成時，式中的D應取各段光纖D參數(shù)的平均值。

作為上升時間預算的例子，考慮設計一個工作于1Gb／s，中繼距離L為50km，采用單模光纖的1.3μm光波系統(tǒng)，光發(fā)送機和接收機的上升時間已知為TTr=0.25ns，Trr=0.35ns，光源譜寬Δλ=3ns，λ=1.3μm處D的平均值為2ps／(nm·km)。

由上式可知Tmat=0.3ps，對單模光纖Tmod=0ps，因而有Tfr=0.3ps，Tr=0.524ns。由上式可知，當用Rz碼時系統(tǒng)不能工作于1Gb／s，而采取NRz數(shù)字碼型，系統(tǒng)能正常工作。但如果預先要求采用Rz碼型，就須選擇不同的光發(fā)送機和接收機，以滿足上升時間預算要求。由于NRZ碼型在相同的比特率下容許較大的系統(tǒng)上升時間而得到普遍應用。

8.5.3光波系統(tǒng)的色散預算色散預算的目的在于檢驗某實際系統(tǒng)是受功率限制還是受色散限制。光波系統(tǒng)中，光纖的材料色散和波導色散與長度成線性關系，總色散隨距離增大，模式色散則不一樣。當求光纖模式色散時，應考慮模式轉換的影響。

寬譜光源:遠離零色散波長，β2≠0，β3=0，

比特率－距離積:

BL(4|D|)-1

精確等于零色散波長

，β2=0，β3

≠0，比特率－距離積:窄譜光源:遠離零色散波長，β2≠0，β3=0，

比特率－距離積:

B2L(16β2)-1

精確等于零色散波長

，β2=0，β3

≠0，比特率－距離積:由于光纖宏觀結構上的不均勻(包括尺寸不均勻、彎曲與接頭等)導致模式間的相互轉換，這種轉換是一種隨機無規(guī)則過程，結果使各模式的能量到達接收端時，產(chǎn)生的模式能量轉移，一部分導模轉換為輻射模，增加了光纖損耗，但卻改善了色散特性。

若單位長度光纖的模式色散導致脈沖的均方根展寬為σ1，則考慮到模式轉換的影響后，長度為L的多模光纖的模式色散展寬為

σmod=σ1La

式中，a為光纖的質(zhì)量指數(shù)，在0.5，1.0間取值，高質(zhì)量光纖a=0.9，中等質(zhì)量光纖a=0.7，低質(zhì)光纖a=0.5。光纖的總色散展寬可表示為

式中，σmat和σwag分別為材料色散和波導色散的均方根展寬。為確定光波系統(tǒng)是受功率或損耗限制還是受色散限制，定義參量WW=PT-Pr-CL-Ms

式中，

CL為信道總損耗；Ms為系統(tǒng)裕量。若光纖損耗為α

，則W／α為受功率限制的最大中繼距離。若選用多模光纖，模式色散占主導影響，則傳輸距離為W／α時，系統(tǒng)不受色散限制所決定的臨界比特率為

如果系統(tǒng)的比特率B>Bcr，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

對單模光纖，不存在模式色散，D=DM+Dw，隨光纖長度成比例增大，系統(tǒng)不受色散限制的臨界比特率為Bcr=1／(4σ)=1／(4(σO2+σD2)1/2)σO為輸入脈沖均方根脈寬，σD=|D|Lσλ為色散引起的脈沖展寬，對很窄的脈沖，σ≈σD=|D|Lσλσλ為輸入脈沖均方根譜寬，因此有Bcr=l／(4|D|Lσλ)。由此可得色散限制下的最大中繼距離為Lmax=1/(4B|D|Lσλ)只有當系統(tǒng)要求的傳輸距離L<Lmax時，才能滿足系統(tǒng)設計要求。

8.6光接收機靈敏度惡化和系統(tǒng)功率代價光纖損耗和色散均影響光波系統(tǒng)的設計和性能。在B<100Mb／s時，只要系統(tǒng)組成單元的選擇符合上升時間預算，大多數(shù)光波系統(tǒng)均受光纖損耗而不是受色散限制。然而當B>500Mb／s時，光纖色散開始支配系統(tǒng)的性能，尤其是光接收機的靈敏度受到與色散相關的一些因素的影響，使判決電路的信噪比SNR退化，影響光接收機的靈敏度，導致系統(tǒng)功率預算的代價。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、頻率啁啾及反射反饋等。

8.6.1模噪聲的影響在多模光纖中，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)生了一個斑紋圖樣，稱為斑圖。與斑圖相關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。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，導致信噪比降低，這種波動稱為模噪聲。

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，亦增加了模噪聲。光源譜寬Δυ也嚴重影響模噪聲，當相干時間Tc≈l／Δυ長于模間時延ΔT，即ΔυΔT<l時亦將產(chǎn)生模干涉。對LED光發(fā)送機，Δv足夠大(≈5THz)，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度降低和系統(tǒng)功率代價。

8.3.2色散展寬的影響色散導致脈沖展寬，限制了光波系統(tǒng)的BL積。

當脈沖展寬至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(ISI)。而本時隙內(nèi)脈沖能量降低，使判決電路的SNR降低。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。

對高斯形光脈沖，功率代價可近似寫成δd=10lgfd式中，fd=σ／σ0為色散導致的脈沖展寬因子。用上式可估計同時采用單模光纖和多縱模激光器或發(fā)光二極管的光波系統(tǒng)的功率代價。當B≤1／4σ時，可以忽略ISI(碼間串擾)的影響。當σ=1／4B時，功率代價可近似表示為δd=-5lg[1-(4BLDσλ)2

8.6.3模分配噪聲的影響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(總功率)不隨時間而變，但各個模式的功率卻隨時間呈隨機波動。當不存在色散時，所有模式在傳輸和檢測中保持同步，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SNR不變。可計算得到功率代價為δd=-5lg(1-Q2rmp2)式中，Q參數(shù)由式(6．4．9)給出；rmp為考慮模式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，平均模式功率為按均方根脈寬為σλ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)描述時，rmp可近似寫為