第4章光纤通信系统介绍

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2．光接收机
• 图4-8 单个脉冲均衡前后波形的比较
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2．光接收机
⑤ 判决器和时钟恢复电路 • 判决器由判决电路和码形成电路构成。 • 判决器和时钟恢复电路合起来构成脉冲再生电 路。 • 脉冲再生电路的作用是将均衡器输出的信号恢 复成理想的数字信号
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2．光接收机
• 图4-9 信号再生示意图
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2．光接收机
⑤ 判决器和时钟恢复电路 • 判决电路和码形成电路可由与非门电路和RS(复位—位置)触发器来构成。
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2．光接收机
• 图4-16 脉冲再生电路原理方框图
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2．光接收机
⑥ • 光接收机的动态范围D是在保证系统的误码率指标要 求下，光接收机的最低输入光功率(用dBm来描述)和 最大允许输入光功率(用dBm描述)之差，其单位为dB。
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2．光接收机
⑤ 判决器和时钟恢复电路 • 调谐放大——它的作用是用非线性处理后的波形来激 励调谐放大器，然后在它的谐振回路中选出时钟频率 fb的简谐波，经调谐放大后的波形如图4-17(d)所示。 • 限幅——经过限幅，可将上述简谐信号波形变为如图 4-17(e) • 整形、移相——整形电路将经限幅后的波形变为矩形 脉冲；移相网络再将此矩形脉冲串的相位调整到最佳 判决时所需要的相位，最后得到如图4-17(f)所示的时
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1．光发射机
(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 ④ 扰码 • 为了保证所提取时钟的频率以及相位与光发射机中的时钟信号 一致，必须避免所传信号码流中出现长“0”或长“1”的现象。 • 解决这一问题的方法就是扰码，即在发送端加入一个扰码电路， 而在接收端则要加一个与扰码相反的解扰电路，以恢经过扰码 后的数字信号通过调制电路对光源进行调制，让光源发出的光 信号强度跟随信号 • 码流的变化，形成相应的光脉冲送入光纤。复信号码流原来的 状态。 ⑤
Pmax Pmax Pmin D 10lg 3 10 lg 3 10lg 10 10 Pmin
• 它表示光接收机正常工作时，光信号应有一个范围， 这个范围就是光接收机的动态范围。
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2．光接收机
⑥ • 光接收机的自动增益控制(AGC)就是用反馈环路来控 制主放大器的增益，在采用雪崩管的光接收机中还通 过控制雪崩管的高压来控制雪崩管的雪崩增益。
③ 放大器 • 主放大器的作用有下述两个方面。
– 将前置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的 信号电平。 – 它还是一个增益可调节的放大器。
• 一般主放大器的峰—峰值输出是几伏数量级。
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2．光接收机
④ 均衡器 • 拖尾现象 • 采用均衡器来使经过其后的波形，在本码判决 时刻，其瞬时值应为最大值；而这个本码波形 的拖尾在邻码判决时刻的瞬时值应为零。 • 这样，即使经过均衡后的输出波形仍有拖尾， 但是这个拖尾在邻码判决的这个关键时刻为零，
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4.1.2 IM-DD光纤通信系统的结 构 1．光发射机 2．光接收机 3．光纤通信系统
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1．光发射机
(2) 对光发射机的要求 ① 光源的发光波长要合适 ② 合适的输出光功率 ③ 较好的消光比 ④ 调制特性好 此外还希望光发射机的稳定性好，光源的寿命长 等。
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1．光发射机
(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 ① 均衡放大 ② 码型变换 ③ 复用 • 复用是指利用一个大的传输信道来同时传送多 个低容量的信息以及开销信息的过程。
色散受限系统 ① ② 光纤每公里带宽与L ③ 光纤带宽与半功率点宽度W ④ a 多纵模激光器（MLM）和发光二极管（LED b 单纵模激光器（SLM c
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4.3超长距离高速光纤通信系统
4.3.1传输通道特性 4.3.2高速光传输系统中的关键技术 4.3.3超长距离光纤通信系统中的光放大技术
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4.1 光纤通信中的调制技术
• 图4-1 半导体光源的直接调制原理
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4.1 光纤通信中的调制技术
• 图4-2 光数字发射机原理图
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4.2 IM-DD光纤通信系统
4.1.1 传输线路码型 4.1.2 IM-DD光纤通信系统的结构
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4.1.1 光纤通信中的线路码型
• 在数字光纤通信系统中所传输的信号是数字信 号，而由交换机送来的电信号符合ITU-T所规定 的脉冲编码调制(PCM)通信系统中的接口码速 率和码型 。
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4.3超长距离高速光纤通信系统
4.3.1传输通道特性 色散 • 引起单模光纤的色散的机理不同，也可以分为色度色 散（CD）和偏振模色散（PMD）。 • 色度色散是指具有一定谱线宽度的光脉冲因介质材料 的折射系数以及芯覆层结构的频率相关性所导致的传 播时延差异。 • 偏振模色散是由于光纤制作工艺的非均匀轴对称结构 以及外部应力所引起的双折射系数。
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2．光接收机
⑧ • 辅助电路包括箝位电路、温度补偿电路和告警 电路等。
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3．光纤通信系统
• 图4-18 IM-DD光纤通信系统原理框图
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3．光纤通信系统
(1) 光中继器 • 光脉冲信号从光发射机输出经光纤传输若干距 离以后，由于光纤损耗和色散的影响，将使光 脉冲信号的幅度受到衰减，波形出现失真，这 样就限制了光脉冲信号在光纤中做长距离的传 输。
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1．光发射机
• 图4-3 激光器老化使输出光功率降低
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1．光发射机
• 图4-4 激光器温度变化引起输出功率的变化
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1．光发射机
• 图4-5 环境温度变化引起输出光功率的变化
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1．光发射机
(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 ⑧ 自动温度控制 • 特性曲线对环境温度的变化反映很灵敏，使输
– HDB3（三阶高密度双极性码） – CMI（反转码）
• PCM系统中的这些码型并不都适于在数字光纤 通信系统中传输
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4.1.1 光纤通信中的线路码型
• 在PDH光纤通信系统中是通过重新编码，通常称为线 路编码，即在原有的码流中插入脉冲。 • 在PDH光纤通信系统中，常使用的线路编码有分组码、 伪双极性码(CMI和DMI)和插入码。 • 使用不同的 • 线路编码，光端机的输出信号速率不同。因此在PDH 系统中仅具有标准的电接口，而无标准的光接口。 • 但在SDH系统中，SDH信号速率与其线路速率是相同
• 图4-7 数字光纤通信接收光端机方框图
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2．光接收机
① • 光电检测器的作用是将由发送光端机经光纤传 过来的光信号转变为电信号，即具有光/电转换 功能。 • 目前广泛使用的光电检波管是PIN管和雪崩光电 二极管，前者称为半导体光电二极管后者又称 为APD管。后者具有信号放大的作用。
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2．光接收机
码间干扰对中继距离的影响 • 系统的传输速率越高，光纤的色散系数越大， 光源谱宽越宽。
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2．色散对中继距离的影响
模分配噪声对中继距离的影响 ① 激光器的光谱特性 ②
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2．色散对中继距离的影响
• 图4-21 普通激光器的静态和动态谱线
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2．色散对中继距离的影响
• 图4-22高速调制时多纵模的随机起伏
• 在环境温度发生变化时，为了能使激光器的输 出特性保持稳定，在发射机盘上需安装自动温 度控制(ATC)电路。
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1．光发射机
• 图4-6 自动温度控制电路方框图
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2．光接收机
(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 ⑨ 其他保护、监测电路 • LD保护电路 • 无光告警电路
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2．光接收机
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（1）衰减对中继距离的影响
• 一个中继段上的传输衰减包括两部分，其一是 光纤本身的固有衰减，再者就是光纤的连接损 耗和微弯带来的附加损耗。 • 构成光纤损耗的原因很复杂，归结起来主要包 括两大类：吸收损耗和散射损耗。 • 引起光纤损耗的因素还有光纤弯曲和微弯产生 的损耗以及纤芯与包层中的损耗等等。
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3．光纤通信系统
• 图4-19 最简单的光中继器原理方框图
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3．光纤通信系统
• 图4-20 实用的中继器方框图
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3．光纤通信系统
(2) 监控系统 • 监控系统为监视、监测和控制系统的简称。 • 在光纤通信的监控系统中，通常采用的是集中监控方 式。 ① 监控内容 • 监控的内容分别包括监视和控制两部分。 ② 监控信号的传输 • 在数字通信系统中采用时分复用的方式来完成监控信 号的传输，但不同的传输体制，其监控信号的传输方 式有所区别。
② • 由于这个放大器与光电检测器紧紧相连，故称前置放 • 对多数放大器的前级提出特别的要求是非常必要的， 它应具有低噪声、高增益的特性，这样才能得到较大 • 由于跨阻型前置放大器不仅具有宽频带、低噪声的优 点，而且其动态范围也比高阻型前置放大器改善很多， 因此在光纤通信中得到广泛的使用。
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2．光接收机
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2．光接收机
• 图4-17 自动增益控制工作原理方框图
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2．光接收机
⑦ • 在光发射机中首先进行码型变换。 • 在光发射机中对数字码流进行扰码处理。 • 还需将判决器输出的信号进行解扰码和码型变 换处理以恢复原码流。 • 发送端根据所输入信号的性质不同，将会采用 不同的复用方式以提高信道的利用率，因而接
第4章
光纤通信系统
4.1 IM-DD光纤通信系统 4.2 衰减和色散队中继距离的影响 4.3 噪声及灵敏度分析
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4.1 光纤通信中的调制技术
(1) 光源的调制特性 • 光源所采用的调制方式包括内调制和外调制 （也称为直接调制或间接调制）。 • 在IM-DD光纤通信系统中，采用的是内调制。 • 通常内调制适用于半导体光源。 • 据调制信号的性质不同，内调制又可分为模拟 信号的调制和数字信号的调制。
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4.2.3 衰减和色散对中继距离的影响
1、基本要求 • 预期传输距离。 • 信道带宽或码速率 • 系统性能（误码率、信噪比） （1）光纤 （2）光源 （3）光检测器 （4）传输制式
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4.2.3 衰减和色散对中继距离的 影响 2、光纤链路设计 • 衰减对中继距离的影响 • 色散对中继距离的影响 • 中继距离的计算
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3．最大中继距离的计算
• 中继距离是光纤通信系统设计的一项主要任务。 • 在中继距离的设计中应考虑衰减和色散这两个 限制因素。
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（3）最大中继距离的计算
衰减受限系统 • 在衰减受限系统中，中继距离越长，则光纤通 信系统的成本越低，获得的技术经济效益越高。 • 极限值设计法
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（3）最大中继距离的计算
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2．色散对中继距离的影响
(3) 啁啾声对中继距离的影响 • 对于处于直接强度调制状态下的单纵模激光器，其载 流子密度的变化随注入电流的变化而变化。这样使有 源区的折射率指数发生变化，从而导致激光器谐振腔 的光通路长度相应变化，结果致使振荡波长随时间偏 移，这就是频率啁啾现象。 • 因为这种时间偏移是随机的，因而当受上述影响的光 脉冲经过光纤后，在光纤色散的作用下，可以使光脉 冲波形发生展宽，因此接收取样点所接收的信号中就 会存在随机成分，这就是一种噪声——啁啾声。
4.3超长距离高速光纤通信系统
4.3.1传输通道特性 光信噪比 色散 光纤非线性
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4.3超长距离高速光纤通信系统
4.3.1传输通道特性 光信噪比 光信噪比（OSNR）是指光在链路传播过程中光 信号与光噪声的功率强度之比。通常只有接收光信号 的OSNR大于某阈值时，接收机才能有效地将承载信 息与噪声区分开来，保证通信质量。 色散
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2．光接收机
• 图4-10 时钟恢复电路方框图
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2．光接收机
• 图4-11 时钟恢复电路波形图
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2．光接收机
• 图4-12 NRZ码的功率谱密度分布图
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2．光接收机
• 图4-13 RZ码功率谱密度分布图
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2．光接收机
• 图4-14 一种非线性处理电路
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2．光接收机
• 图4-15 非线性处理电路中的波形图
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1．光发射机
(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 ⑥ 调制(驱动) • 经过扰码后的数字信号通过调制电路对光源进 行调制，让光源发出的光信号强度跟随信号码 流的变化，形成相应的光脉冲送入光纤。
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1．光发射机
(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 ⑦ 自动功率控制 • 由于老化等因素的影响，使得光发射机的光源 在使用一段时间之后，出现输出光功率降低的 • 为了保持光源输出功率的稳定，在光发射机中 常使用自动功率控制(APC)电路。
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2．色散对中继距离的影响
• 光纤自身存在色散，即材料色散、波导色散和 模式色散。 • 对于单模光纤，因为仅存在一个传输模，故单 模光纤只包括材料色散和波导色散。 • 除此之外，还存在着与光纤色散有关的种种因 素，其中比较重要的有三类：码间干扰、模分 配噪声和啁啾声。
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（2）色散对中继距离的影响