chapter光纤通信系统性能与设计
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第八章 光纤通信系统性能与设计
chapter光纤通信系统性能与设计
1
§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:
分类方式
按信号类型 按光波长（通道）个数
按调制方式 按接收方式
按光纤特性
类别
chapter光纤通信系统性能与设计
8
§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
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
误码率参数
定义
误码秒（ES）
BER0的秒数
严重误码秒（SES） BER劣于10-3的秒数
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)
检测部分
R 光接收机
光功率计
SDH光接收cha机pte灵r光敏纤通度信测系统试性框能图与设计
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。
chapter光纤通信系统性能与设计
7
§8.2 数字光纤通信系统性能及测试
特点
数字光纤通信
抗干扰能力强，传输质量好
模拟光纤通信
对系统要求高，适用于图像传输
单波长（通道）
技术难度小，应用成熟
多波长（WDM）
传输容量大，距离远
直接强度调制IM
技术成熟，成本低
外调制
高速传输，成本较高
直接检测DD
技术成熟，成本低，效率高
相干调制CD
灵敏度高，传输容量大，距离远
多模光纤MMF
采用850nm波长，距离短
驱动电路
电信号输入
光信号输出
光源
调制器
耦合器
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4
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）
原来的信号 向前抖的信号 向后抖的信号
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）
chapter光纤通信系统性能与设计
9
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
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）
chapter光纤通信系统性能与设计
ຫໍສະໝຸດ Baidu
5
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。
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。
光 功率放大器
调光
制源
器
S MPI-S
线路放大器
前置放大器 光 检
测 MPI-R R 器
电 信号出 端 机
光发送
光传输
光接收
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。
chapter光纤通信系统性能与设计
3
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。
光信号输入 耦合器
电信号输出
光电检测器 解调器
chapter光纤通信系统性能与设计
6
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。
示器。
发送部分
时钟产生器
伪随机序列产生器
发码
检测部分
本地伪随机 序列产生器
同步检测电路 误码检测器
收码
误码计数器
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c射ha复pte用r光纤结通构信系统性能与设计
10
SDH误码率和接收灵敏度测试
光接收机灵敏度测试步骤：
单模光纤SMF
采用1310/1550nm波长，传输容 量大，距离远
chapter光纤通信系统性能与设计
2
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
基本光纤通信系统
信号入 电 端 机
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分析仪 发送部分
SDH设备 光发送机
可变光衰减器
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§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:
分类方式
按信号类型 按光波长（通道）个数
按调制方式 按接收方式
按光纤特性
类别
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§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
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
误码率参数
定义
误码秒（ES）
BER0的秒数
严重误码秒（SES） BER劣于10-3的秒数
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)
检测部分
R 光接收机
光功率计
SDH光接收cha机pte灵r光敏纤通度信测系统试性框能图与设计
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。
chapter光纤通信系统性能与设计
7
§8.2 数字光纤通信系统性能及测试
特点
数字光纤通信
抗干扰能力强，传输质量好
模拟光纤通信
对系统要求高，适用于图像传输
单波长（通道）
技术难度小，应用成熟
多波长（WDM）
传输容量大，距离远
直接强度调制IM
技术成熟，成本低
外调制
高速传输，成本较高
直接检测DD
技术成熟，成本低，效率高
相干调制CD
灵敏度高，传输容量大，距离远
多模光纤MMF
采用850nm波长，距离短
驱动电路
电信号输入
光信号输出
光源
调制器
耦合器
chapter光纤通信系统性能与设计
4
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）
原来的信号 向前抖的信号 向后抖的信号
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）
chapter光纤通信系统性能与设计
9
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
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）
chapter光纤通信系统性能与设计
ຫໍສະໝຸດ Baidu
5
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。
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。
光 功率放大器
调光
制源
器
S MPI-S
线路放大器
前置放大器 光 检
测 MPI-R R 器
电 信号出 端 机
光发送
光传输
光接收
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。
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3
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。
光信号输入 耦合器
电信号输出
光电检测器 解调器
chapter光纤通信系统性能与设计
6
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。
示器。
发送部分
时钟产生器
伪随机序列产生器
发码
检测部分
本地伪随机 序列产生器
同步检测电路 误码检测器
收码
误码计数器
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c射ha复pte用r光纤结通构信系统性能与设计
10
SDH误码率和接收灵敏度测试
光接收机灵敏度测试步骤：
单模光纤SMF
采用1310/1550nm波长，传输容 量大，距离远
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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
基本光纤通信系统
信号入 电 端 机
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分析仪 发送部分
SDH设备 光发送机
可变光衰减器