《光纖通信技術(shù)》教學(xué)PPT

《光纖通信技術(shù)》教學(xué)PPT,光纖通信技術(shù),光纖通信,技術(shù),教學(xué),PPT 第第4章光纖通信系統(tǒng)章光纖通信系統(tǒng)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(duì)中繼距離的影響衰減和色散隊(duì)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14.1 IM-DD光纖通信系統(tǒng) 4.1.1 光纖通信中的線路碼型4.1.2 IM-DD光纖通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)24.1.1 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(jī)送來的電信號符合ITU-T所規(guī)定的脈沖編碼調(diào)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(zhuǎn)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 34.1.1 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。使用不同的線路編碼，光端機(jī)的輸出信號速率不同。因此在PDH系統(tǒng)中僅具有標(biāo)準(zhǔn)的電接口，而無標(biāo)準(zhǔn)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。44.1.2 IM-DD光纖通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1光發(fā)射機(jī)2光接收機(jī)3光纖通信系統(tǒng)51光發(fā)射機(jī)(1)光源的調(diào)制特性光源所采用的調(diào)制方式包括內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制（也稱為直接調(diào)制或間接調(diào)制）。在IM-DD光纖通信系統(tǒng)中，采用的是內(nèi)調(diào)制。通常內(nèi)調(diào)制適用于半導(dǎo)體光源。據(jù)調(diào)制信號的性質(zhì)不同，內(nèi)調(diào)制又可分為模擬信號的調(diào)制和數(shù)字信號的調(diào)制。61光發(fā)射機(jī)圖4-1 半導(dǎo)體光源的直接調(diào)制原理 71光發(fā)射機(jī)圖4-2 光數(shù)字發(fā)射機(jī)原理圖 81光發(fā)射機(jī)(2)對光發(fā)射機(jī)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(diào)制特性好此外還希望光發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定性好，光源的壽命長等。91光發(fā)射機(jī)(3)光發(fā)射機(jī)的組成方框圖和各部分功能 均衡放大 碼型變換 復(fù)用復(fù)用是指利用一個大的傳輸信道來同時(shí)傳送多個低容量的信息以及開銷信息的過程。101光發(fā)射機(jī)(3)光發(fā)射機(jī)的組成方框圖和各部分功能 擾碼為了保證所提取時(shí)鐘的頻率以及相位與光發(fā)射機(jī)中的時(shí)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(diào)制電路對光源進(jìn)行調(diào)制，讓光源發(fā)出的光信號強(qiáng)度跟隨信號碼流的變化，形成相應(yīng)的光脈沖送入光纖。復(fù)信號碼流原來的狀態(tài)。時(shí)鐘111光發(fā)射機(jī)(3)光發(fā)射機(jī)的組成方框圖和各部分功能 調(diào)制(驅(qū)動)經(jīng)過擾碼后的數(shù)字信號通過調(diào)制電路對光源進(jìn)行調(diào)制，讓光源發(fā)出的光信號強(qiáng)度跟隨信號碼流的變化，形成相應(yīng)的光脈沖送入光纖。121光發(fā)射機(jī)圖4-3 LG1625激光驅(qū)動器原理圖 131光發(fā)射機(jī)圖4-4 LG1625與246型激光器的連接示意圖 141光發(fā)射機(jī)(3)光發(fā)射機(jī)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(jī)的光源在使用一段時(shí)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(jī)中常使用自動功率控制(APC)電路。151光發(fā)射機(jī)圖4-5 激光器老化使輸出光功率降低 161光發(fā)射機(jī)圖4-6 激光器溫度變化引起輸出功率的變化 171光發(fā)射機(jī)圖4-7 自動功率控制電路 181光發(fā)射機(jī)(3)光發(fā)射機(jī)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(shí)，為了能使激光器的輸出特性保持穩(wěn)定，在發(fā)射機(jī)盤上需安裝自動溫度控制(ATC)電路。191光發(fā)射機(jī)圖4-8 環(huán)境溫度變化引起輸出光功率的變化 201光發(fā)射機(jī)圖4-9 自動溫度控制電路方框圖 212光接收機(jī)(3)光發(fā)射機(jī)的組成方框圖和各部分功能 其他保護(hù)、監(jiān)測電路LD保護(hù)電路無光告警電路 222光接收機(jī)圖4-10 數(shù)字光纖通信接收光端機(jī)方框圖 232光接收機(jī) 光電檢測器光電檢測器的作用是將由發(fā)送光端機(jī)經(jīng)光纖傳過來的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，即具有?電轉(zhuǎn)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(dǎo)體光電二極管后者又稱為APD管。后者具有信號放大的作用。242光接收機(jī) 前置放大器由于這個放大器與光電檢測器緊緊相連，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(yīng)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(diǎn)，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。252光接收機(jī)圖4-11 1319型高速光纖接收組件 262光接收機(jī) 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(diào)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。272光接收機(jī)圖4-12 LG1605限幅放大器 282光接收機(jī) 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(shí)刻，其瞬時(shí)值應(yīng)為最大值；而這個本碼波形的拖尾在鄰碼判決時(shí)刻的瞬時(shí)值應(yīng)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(guān)鍵時(shí)刻為零，從而不干擾對鄰碼的判決。292光接收機(jī)圖4-13 未經(jīng)均衡出現(xiàn)的脈沖拖尾現(xiàn)象 302光接收機(jī)圖4-14 單個脈沖均衡前后波形的比較 312光接收機(jī) 判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路判決器由判決電路和碼形成電路構(gòu)成。判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路合起來構(gòu)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(fù)成理想的數(shù)字信號 322光接收機(jī)圖4-15 信號再生示意圖 332光接收機(jī)圖4-16 時(shí)鐘恢復(fù)電路方框圖 342光接收機(jī)圖4-17 時(shí)鐘恢復(fù)電路波形圖 352光接收機(jī)圖4-18 NRZ碼的功率譜密度分布圖 362光接收機(jī)圖4-19 RZ碼功率譜密度分布圖 372光接收機(jī)圖4-20 一種非線性處理電路 382光接收機(jī)圖4-21 非線性處理電路中的波形圖 392光接收機(jī) 判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路調(diào)諧放大它的作用是用非線性處理后的波形來激勵調(diào)諧放大器，然后在它的諧振回路中選出時(shí)鐘頻率fb的簡諧波，經(jīng)調(diào)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D4-17(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)榫匦蚊}沖；移相網(wǎng)絡(luò)再將此矩形脈沖串的相位調(diào)整到最佳判決時(shí)所需要的相位，最后得到如圖4-17(f)所示的時(shí)鐘信號。402光接收機(jī) 判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路判決電路和碼形成電路可由與非門電路和R-S(復(fù)位位置)觸發(fā)器來構(gòu)成。412光接收機(jī)圖4-22 脈沖再生電路原理方框圖 422光接收機(jī) 光接收機(jī)的動態(tài)范圍和自動增益控制光接收機(jī)的動態(tài)范圍D是在保證系統(tǒng)的誤碼率指標(biāo)要求下，光接收機(jī)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(jī)正常工作時(shí)，光信號應(yīng)有一個范圍，這個范圍就是光接收機(jī)的動態(tài)范圍。432光接收機(jī) 光接收機(jī)的動態(tài)范圍和自動增益控制光接收機(jī)的自動增益控制(AGC)就是用反饋環(huán)路來控制主放大器的增益，在采用雪崩管的光接收機(jī)中還通過控制雪崩管的高壓來控制雪崩管的雪崩增益。442光接收機(jī)圖4-23 自動增益控制工作原理方框圖 452光接收機(jī) 解擾、解復(fù)用和碼型變換電路在光發(fā)射機(jī)中首先進(jìn)行碼型變換。在光發(fā)射機(jī)中對數(shù)字碼流進(jìn)行擾碼處理。還需將判決器輸出的信號進(jìn)行解擾碼和碼型變換處理以恢復(fù)原碼流。發(fā)送端根據(jù)所輸入信號的性質(zhì)不同，將會采用不同的復(fù)用方式以提高信道的利用率，因而接收端則需進(jìn)行相反的操作，即解復(fù)用。462光接收機(jī) 輔助電路輔助電路包括箝位電路、溫度補(bǔ)償電路和告警電路等。472光接收機(jī)圖4-24 STM-16光接收器電原理圖 483光纖通信系統(tǒng)圖4-25 IM-DD光纖通信系統(tǒng)原理框圖 493光纖通信系統(tǒng)(1)光中繼器光脈沖信號從光發(fā)射機(jī)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。503光纖通信系統(tǒng)圖4-26 最簡單的光中繼器原理方框圖 513光纖通信系統(tǒng)圖4-27 實(shí)用的中繼器方框圖 523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(nèi)容監(jiān)控的內(nèi)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(shí)分復(fù)用的方式來完成監(jiān)控信號的傳輸，但不同的傳輸體制，其監(jiān)控信號的傳輸方式有所區(qū)別。534.2 衰減和色散對中繼距離的影響4.2.1 衰減和色散對中繼距離的影響4.2.2 10Gbit/s及10Gbit/s以上的SDH光線路4.2.3 使用光放大器的SDH高速線路544.2.1 衰減和色散對中繼距離的影響1衰減對中繼距離的影響2色散對中繼距離的影響3最大中繼距離的計(jì)算551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(gòu)成光纖損耗的原因很復(fù)雜，歸結(jié)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產(chǎn)生的損耗以及纖芯與包層中的損耗等等。562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(dǎo)色散和模式色散。對于單模光纖，因?yàn)閮H存在一個傳輸模，故單模光纖只包括材料色散和波導(dǎo)色散。除此之外，還存在著與光纖色散有關(guān)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。572色散對中繼距離的影響(1)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。582色散對中繼距離的影響(2)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592色散對中繼距離的影響圖4-28 普通激光器的靜態(tài)和動態(tài)譜線 602色散對中繼距離的影響圖4-29 高速調(diào)制時(shí)多縱模的隨機(jī)起伏 612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(qiáng)度調(diào)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(dǎo)致激光器諧振腔的光通路長度相應(yīng)變化，結(jié)果致使振蕩波長隨時(shí)間偏移，這就是頻率啁啾現(xiàn)象。因?yàn)檫@種時(shí)間偏移是隨機(jī)的，因而當(dāng)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(diǎn)所接收的信號中就會存在隨機(jī)成分，這就是一種噪聲啁啾聲。623最大中繼距離的計(jì)算 中繼距離是光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)主要任務(wù)。在中繼距離的設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮衰減和色散這兩個限制因素。633最大中繼距離的計(jì)算(1)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(shù)經(jīng)濟(jì)效益越高。極限值設(shè)計(jì)法 643最大中繼距離的計(jì)算（2）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(guān)系 光纖帶寬與半功率點(diǎn)寬度W之間的關(guān)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(diào)制器654.2.2 10Gbit/s及10Gbit/s以上的SDH光線路1光源頻率啁啾影響 2光纖的色散特性影響 3極化模色散的影響 4系統(tǒng)功率預(yù)算限制 661光源頻率啁啾影響為了能夠直觀地度量其影響，因此引入啁啾系數(shù)a來評估光源的頻率啁啾影響。啁啾系數(shù)的定義如下：672光纖的色散特性影響通常將接收機(jī)靈敏度下降1dB光纖長度稱為色散受限距離。通常在采用單縱模激光器的光纖通信系統(tǒng)中，影響接收靈敏度的因素有兩個，其一是傳輸信號的速率（即信號的信息帶寬），其二是頻率啁啾。683極化模色散的影響理論上單模光纖中只傳輸一個基模，但實(shí)際上在單模光纖中的基模存在兩個模式，即橫向電場沿y方向極化和沿x方向極化的的兩個模式，它們的極化方向相互垂直，這兩種模式分別為LP01x和LP01y。但在實(shí)際光纖中，由于光纖形狀、折射率以及應(yīng)力等分布的不均勻，兩種模式的縱向速度不同，從而導(dǎo)致相移不同，在時(shí)間上表現(xiàn)為不同極化態(tài)之間的群時(shí)延不同，使脈沖波形出現(xiàn)展寬現(xiàn)象。694系統(tǒng)功率預(yù)算限制系統(tǒng)功率預(yù)算是指光纖通信系統(tǒng)中光源輸出功率與接收靈敏度之差。為了避免光纖工作于非線性狀態(tài)，通常，光源輸出光功率不得超過3dBm。另外，信號經(jīng)信道傳輸時(shí)或多或少都會受到信道噪聲的影響。為了解決傳輸距離較短的問題，人們在光纖通信系統(tǒng)中采用摻餌光纖放大器（EDFA）。704.2.3 使用光放大器的SDH高速線路1使用EDFA的光纖通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn) 2EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用 3無電再生的最大中繼距離 4EDFA在級聯(lián)中可能出現(xiàn)的問題及解決方法 711使用EDFA的光纖通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)（1）可擴(kuò)展中繼距離。（2）具有透明性。（3）可作中繼器使用，節(jié)約成本。（4）可擴(kuò)大用戶數(shù)。722EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的主要作用是延長中繼距離，當(dāng)它與波分復(fù)用技術(shù)、光孤子技術(shù)相結(jié)合時(shí)，可實(shí)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732EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用圖4-30 EDFA的應(yīng)用 743無電再生的最大中繼距離在使用光放大器的光纖通信系統(tǒng)中同樣要考慮衰減和色散的影響。衰減受限光纖通信系統(tǒng)的中繼距離可以表示為754EDFA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764EDFA在級聯(lián)中可能出現(xiàn)的問題及解決方法圖4-31 EDFA增益不平坦性對多級級聯(lián)的影響 774.3 噪聲及靈敏度分析 4.3.1 IM-DD光纖通信系統(tǒng)噪聲及靈敏度 4.3.2 EDFA的級聯(lián)系統(tǒng)784.3.1 IM-DD光纖通信系統(tǒng)噪聲及靈敏度1接收機(jī)噪聲2接收靈敏度791接收機(jī)噪聲（1）散粒噪聲和熱噪聲散粒噪聲是指圍繞一個平均統(tǒng)計(jì)值做隨機(jī)起伏波動的、由光電檢測器件自身產(chǎn)生的一種噪聲。熱噪聲是由于電子在光電檢測器的負(fù)載電阻RL上做隨機(jī)運(yùn)動，而產(chǎn)生的電流隨機(jī)起伏的現(xiàn)象，使所傳輸?shù)男盘柛郊由狭艘环N噪聲，這種附加噪聲就是熱噪聲。801接收機(jī)噪聲（2）光接收機(jī)的SNRPIN只對所接收的信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，而無放大功能。而APD除具有光電轉(zhuǎn)換功能外，還具有信號放大功能，即其平均輸出功率為IP=RGPin，其中R為響應(yīng)度。SNR隨Pin線性增大，而且與量子效率、接收機(jī)的帶寬f以及光子能量hf有關(guān)。最佳平均雪崩增益（Gmax）811接收機(jī)噪聲圖4-32 1.55m InGaAs APD接收機(jī)最佳APD增益Gmax與入射光功率Pin的關(guān)系822接收靈敏度接收靈敏度是指在滿足給定誤碼率（BER=110-10）條件下，光接收機(jī)能夠接收到的最小平均光功率。接收靈敏度是與系統(tǒng)誤碼性能有關(guān)的物理量。832接收靈敏度（1）誤碼率誤碼率是指這兩種情況下的誤碼概率可用下式給出：84圖4-33 比特誤碼率和Q參數(shù)的關(guān)系 852接收靈敏度（2）Q與接收靈敏度之間的關(guān)系 864.3.2 EDFA的級聯(lián)系統(tǒng) 1級聯(lián)光放大器系統(tǒng)的信噪比 2級聯(lián)光放大器系統(tǒng)的接收靈敏度 871級聯(lián)光放大器系統(tǒng)的信噪比（1）自發(fā)輻射噪聲基中自發(fā)輻射的光子中的一部分疊加在放大的光纖傳輸模上一起沿光纖傳輸，并會被后面的放大器放大，這就產(chǎn)生了自發(fā)輻射噪聲（ASE）。ASE的總功率是由帶寬為B0的光纖中所有模式所攜帶的ASE的積累。ASE總功率為881級聯(lián)光放大器系統(tǒng)的信噪比（1）自發(fā)輻射噪聲自發(fā)輻射因子nsp表示了放大器中粒子反轉(zhuǎn)能力的大小，可用下式表示：891級聯(lián)光放大器系統(tǒng)的信噪比（2）光放大器的級聯(lián)影響由于放大的自發(fā)輻射噪聲在到達(dá)光接收機(jī)之前是呈現(xiàn)積累關(guān)系，嚴(yán)重時(shí)會影響系統(tǒng)性能。解決這一問題的方法是在線路的適當(dāng)處加入光電光中繼器，將此噪聲去除。902級聯(lián)光放大器系統(tǒng)的接收靈敏度（1）EDFA作為前置放大器的直接檢測系統(tǒng)當(dāng)光纖通信系統(tǒng)中使用了光放大器，此時(shí)系統(tǒng)中不僅存在散粒噪聲、熱噪聲，而且還會受到放大的自發(fā)輻射的影響。912級聯(lián)光放大器系統(tǒng)的接收靈敏度圖4-34 采用EDFA作前置放大器時(shí)的接收靈敏度與FA和光濾波器帶寬的關(guān)系 922級聯(lián)光放大器系統(tǒng)的接收靈敏度(2)放大器的級聯(lián)在EDFA級聯(lián)光纖通信系統(tǒng)中，一方面其中每個光放大器都會產(chǎn)生放大器自發(fā)輻射(ASE)噪聲，并沿線路繼續(xù)傳輸，且與信號一起被后面的光放大器放大，放大后的自發(fā)輻射噪聲在到達(dá)光接收機(jī)之前積累，并影響系統(tǒng)性能；另一方面當(dāng)ASE電平增加時(shí)，它逐漸使光放大器出現(xiàn)飽和，并減小信號增益，在接收端SNR甚至下降更多。932級聯(lián)光放大器系統(tǒng)的接收靈敏度圖4-35 信號功率PS和ASE功率PASE沿級聯(lián)光放大器線路的變化 94