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第八章 光纤通信系统性能与设计

第八章 光纤通信系统性能与设计. §8.1 光纤通信系统的概念. 光纤通信系统的分类 根据所 使用的光波长 、 传输信号形式 、 传输光纤类型 、 信号的调制方式 、 光接收方式 的不同，光纤通信系统可分成 :. 基本光纤通信系统. 功率放大器. 线路放大器. 前置放大器. 光. 光. 电. 电. 信号出. 信号入. 检. 调. 光. 端. 端. 测. 制. 源. 机. 机. S. MPI. -. S. R. MPI. -. R. 器. 器. 光接收. 光发送. 光传输. 基本光纤通信系统结构.

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第八章 光纤通信系统性能与设计

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  1. 第八章 光纤通信系统性能与设计

  2. §8.1 光纤通信系统的概念 • 光纤通信系统的分类 • 根据所使用的光波长、传输信号形式、传输光纤类型、信号的调制方式、光接收方式的不同，光纤通信系统可分成:

  3. 基本光纤通信系统 功率放大器 线路放大器 前置放大器 光 光 电 电 信号出 信号入 检 调 光 端 端 测 制 源 机 机 S MPI - S R MPI - R 器 器 光接收 光发送 光传输 基本光纤通信系统结构 • 光纤通信系统的主要组成部分： • 光发送部分：光源、驱动器和调制器 • 光传输部分：光纤和光纤放大器（或中继器） • 光接收部分：光电检测（波）器 点到点光纤通信系统结构（单向传输） • 电端机：实现用户信号和适合信道传输的信号之间的转换。

  4. 基本光纤通信系统结构 • 光发送部分 • 光源是发送部分的关键器件，光纤通信系统要求光源有一定的输出光功率，谱线宽度小、工作稳定可靠、寿命长。 • 半导体注入式激光器(LD)和发光二极管(LED) • 在短波段(800~900nm)，常使用镓铝砷(GaAlAs)LD和LED • 在长波段(1000~1600nm)，常用铟镓砷磷(InGaAsP)LED • 解调技术：直接强度调制/间接调制 • 直接调制(IM)的设备简单、成本低、容易实现 • 间接调制速度高，调制对光源的工作不产生影响，但设备较为复杂。 电信号输入 光信号输出 调制器 驱动电路 光源 耦合器

  5. 基本光纤通信系统结构 • 光传输部分 • 光纤传输特性主要包括损耗、色散和非线性三个方面。光纤通信系统对光纤传输特性总的要求是有尽可能低的损耗和尽可能小的色散 • 光放大器：将接收到的微弱光比特流信号直接放大而不需将其转换为电信号，克服了光纤的损耗对系统性能的影响 。 （色散和非线性特性） • 光-电-光中继：实际上是一个接收机一个发送机对，它将检测到的微弱变形光信号，变为电信号，经放大整形后变成规则的电比特流，再调制光发送机，恢复原光比特流继续沿光纤传输。（电子瓶颈）

  6. 电信号输出 光信号输入 光电检测器 耦合器 解调器 基本光纤通信系统结构 • 光接收部分 • 光电检波器要求有高的响应度、低噪声和快的响应速度。 • PIN光电二极管和雪崩光电二极管APD 短波长段：Si-APD 长波长段：Ge-APD； InGaAsP-APD；PIN • 接收方式：直接检波方式/外差检测（波）方式 • 直接检波 (DD) 的设备简单、经济，是当前实用光纤通信系统普遍采用的接收方式。 • 外差检测（波）方式(CD)能大幅度提高光接收机的灵敏度，但设备比较复杂，对光源的频率稳定度和光谱宽度要求很高。

  7. 光纤传输特性对系统的影响 • 损耗 • 由于损耗效应，使信号光强度大大减弱，低于接收探测器的灵敏度后系统不能正常工作。 • 可以通过光放大技术进行补偿 • 色散 • 信号能量中的各种分量由于在光纤中传输速度不同，而引起的信号畸变。 • 对于高速率的系统（ 10Gb/s及以上）要实现长距离传输，必须采用色散补偿技术。色散补偿光纤(DCF)补偿法、啁啾光纤光栅(DCG)补偿法。 • 非线性效应 • FWM、XPM只有多信道系统才能产生 • SBS、SPM在单信道、多信道系统中都会存在。

  8. 误码率参数 定义 误码秒（ES） BER0的秒数 严重误码秒（SES） BER劣于10-3的秒数 §8.2 数字光纤通信系统性能及测试 • 主要性能指标 • 误码性能 • 平均误码率BER：在某一规定的观测时间内（如24小时）发生差错的比特数和传输比特总数之比。 • 误码秒；严重误码秒 • 对SDH系统，误码性能是以块为单位进行度量的：误块秒比(ESR)、严重误块秒比(SESR)和背景误块秒比(BBER)

  9. §8.2数字光纤通信系统性能及测试 • 定时性能：抖动与漂移 • 抖动：数字脉冲信号的特定时刻（如最佳判决时刻）相对于其理想时间位置的短期的，非积累性的偏离。（前后变化的频率大于10Hz） • 抖动使信号发生失真，系统的误码率上升以及产生或丢失比特导致帧失步等 • 抖动的单位为UI，即偏差和码元周期之比 数字信号的抖动 • 漂移：数字脉冲的特定时刻相对于其理想时间位置的长时间偏移。（前后变化的频率低于10Hz）

  10. 系统传输性能指标的测试 • 数字光纤通信系统测试仪表－误码分析仪、SDH分析仪 • 误码分析仪由三大部分组成：发码发生器、误码检测器和指示器。 • SDH分析仪 不仅能测试PDH/SDH设备的全部误码性能和抖动性能，而且能分析和检测SDH设备的帧结构和映射复用结构

  11. SDH误码率和接收灵敏度测试 • 光接收机灵敏度测试步骤： • 按照图接好仪表和光纤； • 调节光衰减器，逐步增大衰减值，使SDH分析仪测到的误码尽量接近但不能大于规定的BER（如10-10）； • 断开R点，接上光功率计，得到光功率Pmin • 由公式Pr=10lg(Pmin/1mW)（dBm）计算得到接收灵敏度 SDH光接收机灵敏度测试框图

  12. SDH误码率和接收灵敏度测试 • 光接收机动态范围测试步骤： • 按照图接好仪表和光纤； • 调节光衰减器，逐步增大衰减值，使SDH分析仪测到的误码尽量接近但不能大于规定的BER（如10-10）； • 断开R点，接上光功率计，得到光功率Pmin • 逐渐减小光衰减器的衰减量，直至误码仪指示的误码率为某一要求值，此时接收的光功率为最大输入功率Pmax。 • 由公式D=10lg(Pmin/Pmax) (dB)计算得到接收灵敏度

  13. SDH抖动性能的测试 • 测试步骤： • 如图接好测试系统，但先不将低频信号发生器连接到发送器上，开关K1置1，K2置2，由误码仪发送伪随机码。 • 调节可变光衰减器的衰减量，使光接收机接收的光功率恰好在无误码的基础上增加1dB； • 将低频信号发生器发出的低频信号加于误码仪的发送端，调制伪随机码，造成光端机输入信号的抖动，逐渐加大低频信号幅度，直至发生误码为止； • 将开关K1置3，测出此时的抖动值，即为此频率下的输入抖动容限； • 改变低频测试信号的频率，重复上述过程，逐频点测量，最后画出输入抖动于频率的对应关系。 SDH抖动测试框图

  14. WDM误码率的测试 • 测试步骤： • 按图连接好测试系统，首先从SDH分析仪发送的光信号经过衰减器后接入发端OTU单元，使发端波长转换板接收的功率适中，对端站收端OTU单板加衰减做一个环回，接入反向同一路发端OTU，在本端站收端OTU进行接收，接收下来的信号接入SDH分析仪； • 启动SDH测试仪，设置测试时间为24小时，根据接入信号的速率，设置SDH测试仪的数据结构，进行24小时误码测试。 WDM误码率测试框图

  15. WDM网络接口抖动容限测试 • 抖动容限：施加在输入STM-N信号上能使光设备产生1dB光功率代价的正弦抖动峰-峰值。 • 测试步骤： • 按图连接好测试配置，选择适当的光衰减器，使SDH测试仪和OTU接收光功率适当； • 根据波长转换板接入速率，设置SDH为OTU的对应速率，并选择抖动容限测试项； • 设置相应的测试频率点和最大抖动值，设置为相应速率的模板； • 启动测试，观察测试结构是否满足模板的要求。

  16. §8.3 单通道数字光纤通信系统结构与设计 • 系统结构 • PCM端机，输入/输出接口 • 基本组成部分：光发送/接收端机，光纤线路，光中继器 IM-DD系统的组成原理图

  17. PCM端机和输入/输出接口 • PCM端机 • 在输入侧，PCM端机的把模拟信号转换为数字信号（A/D变换），PCM编码，把多路复接，合路，从而输出高比特的数字信号。 • 在输出侧，PCM端机将光信号变换为电信号，放大、再生，恢复出原来传输的信号并输出用户端。 • 输入/输出接口 • 实现光发送/接收端机与PCM端机之间码型、电平和阻抗的匹配 • PCM编码 • 抽样过程就是以一定的抽样频率f或时间间隔T对模拟信号进行取样，把原信号的瞬时值变成一系列等距离的不连续脉冲。 • 量化过程就是用一种标准幅度量出抽样脉冲的幅度值，并用四舍五入的方法把它分配到有限个不同的幅度电平上 • 编码过程就是用一组组合方式不同的二进制脉冲代替量化信号。

  18. PCM编码过程 模拟信号 例如，电话、语音信号的最高速率为4 kHz，取抽样频率为f=8 kHz，抽样周期T=125μs 6 4 抽样 2 0 T 每个量化信号用8个比特二进制代码替代。(一个PCM语音信号的速率为8×8=64kbit/s) 7 6 量化 5 3 2 1 单极性二进制码HDB3码，CMI码非归零码(NRZ)或归零码(RZ) 编码 101 010 011 110 111 001 3 6 7 5 1 2 （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ）

  19. 线路码型 • 光纤数字传输系统中的光端机有电接口和光接口。 • 电接口是和PCM电端机相连的，因此其电接口码型应该和PCM电端机的接口码型相同。 • 电接口码型即电缆线路型为CMI和HDB3码等双极性码。(P.188) (PCM设备机器内部码型为NRZ码) • 光接口是光端机和光缆线路相连的。 • 光接口码型即光纤线路码型为单极性的。光接口码型常分为3类：扰码二进制、分组码和插入码。

  20. 线路码型 • 线路码型定义：指适宜在线路中传输而有别于机器内部的码型。 • 线路编码的作用：将传送码流转化成便于在光纤中传输、接收及监控的线路码型。 • 光纤通信线路码型的设计方法：把原来的标准码率稍微提高一些，并进行适当的编码以适应数字光纤通信的要求。由于码率有所提高，就利用这些提高的码率来平衡码流，误码检测、公务联络等。 线路确定后就要通过编译码电路来加以实现，即在发送端要把机器内部码型变换为光纤线路码型，此过程由光端机中的输入接口电路完成，接收端把收到的光纤线路码型反变换为机器内部码型，此过程由光端机中的输出接口电路来完成。

  21. 线路码型 • 在PDH通信时代，线路码型可以说是种类繁多、五花八门，但归根结底可以分为三大类，当然每一类码型中又可分为许多种。这三大类就是：扰码二进制、分组码和插入毕特码。 • 在SDH通信中，由于具有丰富的开销字节使一些实用化问题得到解决，一般都采用扰码二进制来作为光线路码，例如STM-4和STM-16 中，都采用七级扰码将输入的二进制NRZ码进行扰码后作为光线路码输出。

  22. 线路码型 SDH(STM-4)光同步传输设备技术指标

  23. 线路码型 PDH传输设备(二次群光端机)技术指标

  24. 系统基本组成部分 • 光发送端机 • 光源、驱动器、调制器和功率放大器 • 光接收端机 • 光检测器、前置放大、整形放大、定时恢复、判决再生电路器 • 光纤线路 • 光中继器 • (OOO)方式，(OEO)方式

  25. 光纤通信系统设计的总体考虑 • 点对点光纤通信系统基本要求 • 达到预期的传输距离； • 满足光纤传输容量； • 满足系统的传输性能要求； • 系统的安全性、可靠性； • 价格、经济因素； • 还应该考虑到系统的结构、规模、容量能否满足未来若干年发展的趋势，即可持续性

  26. 系统设计具体考虑的因素 • 系统的制式、速率 • PDH，SDH；STM-1～STM-256，WDM＋SDH • 光纤选型 • G.652光纤、G.653光纤、G.654光纤 • 光源的选择 • 主要考虑信号的色散、码速、传输距离和成本等参数 • LD、LED • 光检测器的选择 • 根据系统的码速及传输距离 • PIN、APD • 工作波长的选择 • 根据通信距离和容量 • 850nm、1300nm、1550nm • 中继段距离确定 • 损耗受限；色散受限

  27. 单通道系统中继距离设计 • 损耗受限系统：最大中继距离受光纤损耗的限制 • 色散受限系统：最大中继距离受到光纤传输色散的限 中继距离受光纤线路损耗和色散(带宽)的限制，明显随传输速率的增加而减小。 • 中继距离的设计有三种方法 • 最坏情况法(参数完全已知) • 统计法(所有参数都是统计定义) • 半统计法(只有某些参数是统计定义) 采用最坏情况设计法，用这种方法得到的结果，设计的可靠性为100%，但要牺牲可能达到的最大长度。

  28. 损耗受限系统 • 损耗受限系统：光纤通信的中继距离受诸传输损耗参数的限制，如光发送机的平均发光功率、光缆的损耗系数、光接收机灵敏度等。 • 功率预算：使光纤通信系统在整个寿命期间，确保有足够的光功率到达光接收机，以保证系统有稳定可靠的性能。 • 光通道功率代价： • 总色散代价 • ITU-T规定取1dB以下 平均发 射功率 线路 总损耗 光通道 功率代价 Pt-Pr=AT+M+PP • 系统富余量： • 元器件老化 • 温度变化 • 设计时通常取6dB 系统富余量 接收灵敏度

  29. 传输距离: 损耗受限系统 • 线路总损耗包括： 每公里熔接损耗 ( 0.025dB/km) 光纤损耗(dB/km) AT=2AC+L(+s) 连接器损耗 （2×0.5dB) 传输距离(km)

  30. 损耗受限系统 • 例题：某140Mbit/s光纤通信系统的参数为： • 光发送机最大发光功率Pmax= -2 dBm • 光接收机灵敏度Pr= -43 dBm • 光纤损耗系数 =0.4 dB/km • 系统富余度M=6dB • 活接头损耗AC=0.5dB • 每公里接续损耗 s= 0.025dB/km • 因码率较低，可以不考虑光通道功率代价 • 如果采用NRZ码调制，则光发送机平均发送光功率Pr应该是最大发光功率的一半 无需中继器，所能传输的最长距离？（不考虑色散代价）

  31. 损耗受限系统 解答： • 比特率为140 Mbit/s 最大允许链路损耗=Pt-Pr= -5 – (-43) = 38dB 光纤损耗 (光纤+熔接) = (0.4dB+0.025dB) x L 连接器损耗 = 1dB ( 2个连接器, 每个0.5 dB) 系统余量= 6dB 因此，总体链路损耗 = (0.425L+1+6)dB 最大传输距离= (38-1-6)/0.425=72.9 km (答案)

  32. 色散受限系统 • 损耗受限系统：由于系统中光纤的色散、光源的谱宽等因素的影响，限制了光纤通信的中继距离。 • 单模光纤的色散主要表现在材料色散与波导色散的影响 • 光源器件为多纵模激光器(MLM)或发光二极管 • ε：光脉冲的相对展宽值。 • 当光源为多纵模激光器时，ε=0.115 • 当光源为发光二极管时，ε=0.306 • σ：光源的根均方谱宽，（nm） • D(λ)：光纤的色散系数，（ps/ km·nm） • B：系统的码率，(bit/s)

  33. §8.4 多通道数字光纤通信系统设计 • 系统设计中应注意的问题 • 色散与信道串扰 色散在时域上造成光脉冲的展宽 信道串扰导致功率从一个信道转移到另一个信道 • 功率 一般只对传输网络中相邻的两个设备作功率预算 • 光信噪比 ASE噪声积累对系统的OSNR产生影响，误码率随光放大器数目的增加而劣化。 • 非线性效应

  34. WDM＋EDFA系统中继距离设计 • WDM系统设计的时序：先作色散预算，确定是否需要色散补偿，并求出色散受限系统最大中继距离；再作功率预算，得到损耗受限系统最大中继距离；最后根据实际目标确定是否需要光放大器进行增益。 • 色散预算 • 码间干扰(ISI)： • 模分配噪声(MPN): • 啁啾声(Chirp)： • 偏振模色散(PMD)：

  35. 实例分析 例题：设计一个点对点的WDM+EDFA系统，光纤传输速率达到20Gbit/s，传输距离100km。 节点 2 节点 1 接收机 发送机 EDFA DEMUX MUX 复用路数和工作波长的选择；光纤的选择；主要器件的选择；色散预算；功率预算；放大器增益

  36. WDM＋EDFA系统设计实例1 • 复用路数和工作波长的选择： 中心波长为1550nm的C-band，系统中共使用8个通道，通道间隔为0.8nm。 • 光纤的选择： 单波长传输速率为2.5Gb/s， G.652光纤系数：衰耗=0.193dB/km；色散=16.72 ps/nm·km。 • 主要器件的选择： 输出功率-0.26dBm 接收灵敏度-32.5dBm 波分复用器插入损耗≤8.0dB，信道的串扰量≤30dB

  37. WDM＋EDFA系统设计实例2 • 色散预算：偏振模色散和码间干扰的功率代价 • 偏振模色散功率代价的核算 • 码间干扰的功率代价的核算 • Ld=126.17km • 损耗功率预算： • L1=96.96km • 损耗受限系统 • 放大器增益： G=Pr-Pt+At=0.5dB

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