第 7 章 光纤通信新技术-4

FSK 数据输入
DBR或DFB激 光器
数据输出 低通滤波 可变延迟线 光平衡 接收机 频率 锁定
图7.44
4 Gb/s外差光波系统实验原理图 外差光波系统实验原理图
表7.3
调制方式 ASK FSK 光源 1.55 m
外差异步解调光波系统结果与量子极限比较
传输速率 4Gb/s 4Gb/s 1Gb/s 140Gb/s 4Gb/s 1Gb/s 400Gb/s 传输距离 160km 160km 100km 243km 160km 200km 260km 光纤类型 1.55 m 1.55 m 接收机灵敏度
i
式中,
2 n
= i + i
2 s
2 T
4kT = 2e ( I + I d ) B + B RL
（7.37） ）
2 in
和
2 iT 分别为散粒噪声功率和热噪声功率， e为
电子电荷，Id为光检测器暗电流，B为等效噪声带宽， kT为热 能量，RL 为光检测器负载电阻，I为光电流，由式(7.31)或式 (7.32)确定。
(a) (b)
1
0
1
0
1
0
电电电 制制制
ASK
(c)
PSK
(d)
FSK
图 7.40 ASK、 PSK和FSK调制方式比较 、 和 调制方式比较
1. 幅移键控 幅移键控(ASK) 基带数字信号只控制光载波的幅度变化，称为幅移键控 幅移键控 (ASK)。ASK的光场表达式 ES(t)=AS(t)cos［ωSt+φS］ (7.34)
1 Q BER = erfc( ) 2 2
(7.44)
式中, Q=(I1-I0)/( N1 + N 0 ), N0和N1分别为“0”码和“1” 码的 等效噪声功率。设N0=N1，I0=0，则得到
I1 1 Q= = ( SNR )1 2 2 N1 2
(7.45)
把式(7.45)和式(7.42)代入式(7.44)， 得到
3. 频移键控 频移键控(FSK) 基带数字信号只控制光载波的频率，称为频移键控 频移键控(FSK)。 频移键控 。 FSK的光场表达式为 ES(t)=AScos［(ωS±ω)t+φS］ (7.36） ） 在
FSK中，AS保持不变，只对频率进行调制。传输“0”码和传输 “1”码时，分别用频率f0(=ω0/2π)和f1(=ω1/2π)表示。 对于二进制数字信号，用(ωS-ω)和(ωS+ω)分别表示“0” 码和“1”码。 2f(=2ω/2π)称为码频间距 码频间距。 码频间距 在式(7.36)中，［(ωS±ω)t+φS］和［ωSt+(φS±ωt)］是等 效的， 因此FSK可以认为一种PSK， 虽然技术上有所不同。
7.5.2
调制和解调
相干检测技术主要优点是 如前所述，相干检测技术主要优点是：可以对光载波实施 相干检测技术主要优点是： 幅度、频率或相位调制。 对于模拟信号，有三种调制方式，即幅度调制 幅度调制(AM)、 频 幅度调制 、 率调制(FM)和相位调制 和相位调制(PM)。 率调制 和相位调制 。 对于数字信号， 也有三种调制方式，即幅移键控 幅移键控(ASK)、 幅移键控 、 频移键控(FSK)和相移键控 和相移键控(PSK)。图7.40 示出ASK、PSK和 频移键控 和相移键控 FSK调制方式的比较， 下面分别介绍这三种调制方式。
IM/DD
1.55 m
7.5.4
相干光系统的优点和关键技术 相干光系统的优点和关键技术
相干光系统主要优点是： 相干光系统主要优点是： 灵敏度提高了 ～20 dB，线路功率损耗可以增加到 dB。 灵敏度提高了10～ ，线路功率损耗可以增加到50 。 如果使用损耗为0.2 dB/km光纤，无中继传输距离可达250 km。 由于相干光系统通常受光纤损耗限制，周期地使用光纤 放大器，可以增加传输距离。实验表明，当每隔80 km加入一个 掺铒光纤放大器，25 个EDFA可以使 2.5 Gb/s系统的传输距离增 加到2200 km以上，非常适合干线网使用。 由于相干光系统出色的信道选择性和灵敏度，和光频分复
然而在相干接收的情况下，表中的数值很容易实现，这 是因为借助增加本振光功率，使散粒噪声占支配地位的结果。
图 7.44 是4 Gb/s外差光波系统实验原理图 外差光波系统实验原理图，表7.3 列出外 外差光波系统实验原理图 差异步解调光波系统实验结果与量子极限比较。
ASK或DPSK 数据输入 光隔离器 光隔离器 调幅或 调相 外调制器 3 dB 耦合器 光纤 偏振控制 DBR或 DFB 激光器
相干检测的解调方式有两种： 同步解调和异步解调。 相干检测的解调方式有两种： 同步解调和异步解调。 用零差检测时，光信号直接被解调为基带信号，要求本 振光的频率和信号光的频率完全相同，本振光的相位要锁定 在信号光的相位上，因而要采用同步解调。同步解调虽然在 概念上很简单， 但是技术上却很复杂。 用外差检测时，不要求本振光和信号光的频率相同，也 不要求相位匹配，可以采用同步解调，也可以采用异步解调。 同步解调要求恢复中频ωIF(微波频率)，因而要求一种电锁相 环路。 异步解调简化了接收机设计， 技术上容易实现。
表7.2 调制方式 ASK ASK PSK PSK FSK IM 解调方式 外差 零差 外差 零差 外差 DD
同步相干接收机量子极限灵敏度 比特误码率(BER) 比特误码率
1 erfc ( 2
NP 72 36 18 9 36 20
NP
36 18 18 9 36 10
η N
P
4)
1 erfc ( η N P 2 ) 2
用相结合，可以实现大容量传输 ， 非常适合于 可以实现大容量传输，非常适合于CATV分配网使 可以实现大容量传输 分配网使 用。
相干光系统的关键技术是： 相干光系统的关键技术是： 必须使用频率稳定度和频谱纯度都很高的激光器作为信 必须使用频率稳定度和频谱纯度都很高的激光器作为信 频率稳定度 都很高的激光器作为 号光源和本振光源。 号光源和本振光源。在相干光系统中，中频一般选择为2×10 8～2×109 Hz， 1550 nm的光载频约为2×1014Hz， 中频是光 载频的10-6～10-5倍，因此要求光源频率稳定度优于10-8。 一般激光器达不到要求，必须研究稳频技术，如以分子标 准频率作基准，稳定度可达10-12。 信号光源和本振光源频谱纯度必须很高， 例如中频选择 100 MHz，频谱纯度应为几kHz，一般激光器满足不了这个要求。 必须采用频谱压缩措施，提高频谱纯度，目前优质DFBLD频 谱宽度可达几kHz。
零差检测的平均信号光功率是外差检测的2倍， 所以零差 检测的信噪比 SNR=4ηNP (7.42)
2. 误码率 误码率 误码率(BER)可以由信噪比(SNR)确定。 以ASK零差检测为 误码率 例，设判决信号为
1 Ia= 2
(Ip+ic)
(7.43)
式中,Ip=2ρ(PsPL)1/2为信号光电流，ic为高斯随机噪声。 设“0” 码和“1”码时，IP分别取I0和I1，在理想情况下，误码率
由表可见，一个理想的直接检测光接收机， 在BER=10-9 时，要求每比特10个光子( N P =10)， 该值几乎接近最好的相干 接收机——PSK 零差检测接收机的 P, 而比所有的其他相干接收 机都好。 然而，实际上因为热噪声、 暗电流和其他许多因素的影
NP 响，绝不会达到这个数值，通常只能达到≈1000。
式中, AS为光场的幅度、ωS为光场的中心角频率和φS为光场的 相位。在ASK中，φS保持不变，只对幅度进行调制。对于二进 制数字信号调制，在大多数情况下，“0” 码传输时，使AS=0， “1”码传输时，使AS=1。
ASK相干通信系统必须采用外调制器来实现，这样只有输 出光信号的幅度随基带信号而变化，而相位保持不变。 如果采用直接光强调制，幅度变化将引起相位变化。外 调制器通常用钛扩散的铌酸锂(Ti: LiNbO3)波导制成的马赫 曾 马赫-曾 马赫 德尔(MZ)干涉型调制器 德尔 干涉型调制器，如图3.37所示。这种调制器在消光 干涉型调制器 比大于20时， 调制带宽可达20 GHz。1源自erfc ( 2 1 erfc ( 2
ηN
P
)
P
2η N
)
1 erfc ( η N P 2 ) 2 1 exp( η N P ) 2
100 ASK
10－3
误误误
10－6 PSK
FSK
零零PSK
10－12
K PS D
10－9
1
5
10
50
100
光光光 / 比比
图7.43 不同调制方式外差接收机量子极限误码率
2. 相移键控 相移键控(PSK) 基带信号只控制光载波的相位变化，称为相移键控 相移键控(PSK)。 相移键控 PSK的光场表达式为 ES(t)=AScos［ωSt+φ(t)］ (7.35)
在PSK中，AS 保持不变，只对相位进行调制。传输“0”码 和传输“1”码时，分别用两个不同相位(通常相差180°)表示。 如果传输“0”时，光载波相位不变，传输“1”码时，相位改变 180°，这种情况称为差分相移键控 差分相移键控(DPSK)。 差分相移键控 和ASK使用的MZ干涉型调制器相比，设计PSK使用的相位 调制器要简单得多。这种调制器只要选择适当的脉冲电压， 就 可以使相位改变δφ=π。但是在接收端光波相位必须非常稳定， 因此对发射和本振激光器的谱宽要求非常苛刻。
图7.41和图7.42分别示出外差同步解调和外差异步解调的 接收机方框图。 两种解调方式的差别在于接收机的噪声对信号质量的影响。 异步解调要求的信噪比(SNR)比同步解调高，但异步解调接收 机设计简单，对信号光源和本振光源的谱线要求适中，因而在 相干通信系统设计中起着主要作用。