第五章光通信系统5-3 数字通信系统的设计[兼容模式]
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• 光纤损耗与色散对系统的传输距离L和比特率B具有固 有的限制。 • 还需考虑其他问题，如：工作波长、光纤、光发送机、 光接收机、各种光无源器件的性能价格比、系统可靠性 及扩容升级要求等。 • 功率预算目的：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。
PS PR 2 c s M
f s / Lf
(km)
长距离单模光纤通信系统，工作波长在1.3m. 发射功率 PT = -4dBm 光纤损耗 = 0.3dB/km 熔接损耗 = 0.2dB/km 发射机和接收机端的连接损耗= 1dB （每个）
APD接收机所需的平均功率： 比特率 400Mbit/s (BER 10-9) = -44dBm 比特率 40Mbit/s (BER 10-9) = -52dBm 功率余量 = 6dB 比特率为400 Mbit/s (BER 10-9) 时，无需中继器， 所能传输的最长距离？（不考虑色散代价） 解：比特率为400 Mbit/s (BER 10-9) 最大允许链路损耗= -4 – (-44) = 40dB 光纤损耗 (光纤+熔接) = (0.3dB+0.2dB) x L 连接器损耗 = 2dB ( 2个连接器, 每个1 dB) 系统余量= 6dB 因此，总体链路损耗 = (0.5L+2+6)dB
系统性能 分析：链 路功率预 算和信号 展宽分析
链路功率预算：系统考虑
1. 确定波长： - 传输距离较短，可以选择800 nm到900 nm之间 的波长 - 传输距离较远，可以选择1300 nm或1500 nm附 近的波长 2. 联合考虑光纤链路的三个模块 (接收设备、发送设 备和光纤) - 模块选择顺序为：检测器 光源 光纤链路 - 根据检测器的灵敏度和光源的发射功率决定链路 中是否需要放大器
功率预算 （用dBm表示）
信道总损耗 连接损耗
系统功 率余量
A PS PR 2 c N s f M
发射功率 接收灵敏度 连接损耗 光纤损耗
来自百度文库
功率余量： • 元器件老化 • 温度变化 • 其他不可预知事件 引起的功率亏损 • 设计时通常取68dB
传输距离:
L
例题1.
2
2 1/ 2 rx 2 1/ 2
21 3.9 14
30ns
三、模拟系统 出现于20世纪80年代 HFC(Hybrid Fiber－Coaxial混合光纤同轴 电缆网 :光纤 + 750 Hz同轴电缆) 视频分配系统 雷达信号处理
HFC通常由光纤干线、同轴电缆支线和用户配线网络三部分组成， 从有线电视台出来的节目信号先变成光信号在干线上传输；到用户 区域后把光信号转换成电信号，经分配器分配后通过同轴电缆送到 用户。它与早期CATV同轴电缆网络的不同之处主要在于，在干线 上用光纤传输光信号，在前端需完成电—光转换，进入用户区后要 完成光—电转换。
设计要求（基本指标）： 1. 预期 (或可能) 的传输距离 2. 数据速率或信道带宽 3. 误码率 (BER) （数字系统）或载噪比和非线 性失真（模拟系统 4. 使用寿命
为了满足上述指标的要求，必须把它转换成整个 系统各个组成部件的相关指标，在这里就是转换 成光发射机、光接收机以及传输光路中的光纤和 各个器件的指标，通常包括如下指标： 1.传输光路元件的指标的确定，包括： a.选择什么样的光纤，如单模光纤还是多模光纤等。 b.光纤的指标怎么样，如损耗、色散、非线性等。 c.选择什么样的连接器，如FC、ST、SC等不同类 型。
5.3 光纤通信系统结构 • 光纤通信系统的主要组成单元： – 光纤 – 光器件 – 光发送机 – 光接收机 – 光放大器 • 根据光纤系统的应用可分为 – 点到点连接 – 广播和分配网 – 局域网
点到点链路
这种只有一个发送、一个接收和一段光纤链路的单一速 率的数字光纤通信系统，称为“点对点”的传输系统。
Brx
2)光纤材料色散展宽时间tmat
t mat D L
式中为光源的半功率谱宽，D为色散系数。 3)光纤模式色散展宽时间tmod 长度为L的链路带宽可以近似的表示为：
B1 BM ( L) q L
式中B1是单位长度（1km）的光纤带宽，q为光 纤质量指数，一般取0.7，则tmod表示为：
光纤的选择应该根据通信容量的大小和工作波 长来决定。多模光纤和单模光纤除了工作模式上的 差别外，它们在带宽、衰减常数、尺寸和价格等方 面存在较大差异。多模光纤的带宽比单模光纤带宽 小得多，衰减常数比单模光纤大得多，所以比较适 用于低速、短距离的系统和网络，典型的应用有计 算机局域网、光纤用户接入网等。 多模光纤的芯径最小为50μm，最大为100μm， 数值孔径较大，有利于光源光功率到光纤的耦合。 另外，对于连接器和接头的要求都不高，这也决定 了多模光纤比较适用于多交叉点、多连接头的场所 的应用。
2.选择什么样的光发射机，包括： a.光源的类型：是LD还是LED。 b.光源的指标:发射波长、谱线线宽、输出功率等。 如果光源是带尾纤输出，那么从光纤输出的功率 （又称为“入纤功率”）是多少？如果光源不是 带尾纤输出，还要知道光源的发射角等参数。
3.接收机的参数指标，包括： a.探测器的类型，是PIN还是APD。 b.探测器的主要参数有工作波长、响应度、速 率、灵敏度以及噪声特性等。 一个合理的系统，实际上就是把三个系统指标合理 的落实在三部分部件上。通常，可以把系统分成两 种情况，一种是所谓功率限制系统，这时系统各部 分的速率都能满足要求，例如光纤的色散较小时的 情形，这时系统的限制因素主要是功率。另一种是 所谓色散限制系统，这时光纤的色散较大，主要限 制因素是各部分的频域特性（带宽或色散）。
时间都用纳秒表示。
例题：设系统的数字速率为20Mb/s，误码率为10 －9。选择工作中850nm的Si PIN光电二极管接收 机，其LED及其驱动电路的展宽时间为15ns。 LED的典型的谱宽为40nm，6km链路与材料色散 相关的展宽时延为tmat＝21ns，接收机有25MHz的 带宽，如果选择光纤带宽距离积为400MHz·km， 而且光纤质量指数为0.7，求其脉冲展宽时间？ 解： 接收机展宽时间为：
在选取光检测器时，应综合考虑成本和复杂 程度。PIN管与APD管相比，结构简单，成本较 低，但灵敏度没有APD管高，目前它们经常与前 置放大器组合成组件使用。 光源的选择要考虑系统的一些参数，如色散、 数据速率、传输距离和成本等。LD的谱宽比LED 的要窄得多。在波长800nm到900nm的区域里， LED的谱宽与石英光纤的色散特性的共同作用将 带宽距离积限制在150(Mb/s)·km以内，要达到更 高的数值，在此波长区域内就要用激光器。
单模光纤的带宽较宽，衰减较低，所以比较 适合高速、长距离的系统，典型的应用有SDH、 WDM网络等。 光检测器的选取通常放在光源之前。接收灵敏 度和过载光功率是主要考虑的参数。 接收灵敏度是指在一定误码率（一般为10-9） 下，接收机所能接收到的最小光功率。过载功率是 指接收机可以接收的最大光功率。当接收机接收的 光功率开始高于灵敏度时，信噪比的改善会使误码 率变小，但是若光功率继续增加到一定地步，接收 机前置放大器将进入非线性区域，继而发生饱和或 过载，使信号脉冲波形产生畸变，导致码间干扰迅 速增加，误码率开始劣化（变大），当误码率再次 到达规定值时，对应的接收光功率即为过载功率。
2.色散系统的上升时间预算 如果系统的传输速率较高光纤线路色散较大， (一般对于10Gb/s，以上系统，都必须考虑色散问 题）中继距离主要受色散(带宽)的限制。为使光 接收机灵敏度不受损伤， 保证系统正常工作，必 须对光纤线路总色散(总带宽)进行规范。 我们要 讨论的问题是，对于一个传输速率已知的数字光 纤线路系统，允许的线路总色散是多少， 并据此 计算中继距离。 对于数字光纤线路系统而言，色散增大，意 味着数字脉冲展宽增加，因而在接收端要发生码 间干扰，使接收灵敏度降低， 或误码率增大。严 重时甚至无法通过均衡来补偿，使系统失去设计 的性能。
链路功率预算：系统考虑 1. 确定波长： - 传输距离较短，可以选择800 nm到900 nm之间 的波长 - 传输距离较远，可以选择1300 nm或1500 nm附 近的波长 2. 联合考虑光纤链路的三个模块 (接收设备、发送 设备和光纤) - 模块选择顺序为：检测器 光源 光纤链路 - 根据检测器的灵敏度和光源的发射功率决定链 路中是否需 要放大器
350 350 t rx 14ns Brx 25
光纤模式色散引起的展宽时间为：
tmod 440 / BM 440 L / B1 440 6
q 0.7
/ 400 3.9ns
链路展宽时间为：
t sys t t
2
15
2 tx
2 mod
t
2
2 mat
t
一种简单的分析方法是进行系统上升时间的分 析，它取决于四个方面的因素：光发送机展宽时间， 光纤材料色散展宽时间，光纤模式色散展宽时间和 接收机展宽时间。链路总的脉冲展宽时间等于每种 因素引起的脉冲展宽时间的平方和的平方根。 1) 光发送机和接收机的展宽时间 发送机的展宽时间主要取决于光源及其驱动电路。 接收机的展宽时间trx有光检测器响应和接收机前 端3dB带宽Brx决定。 350 (ns) t rx
t mod 0.44 / BM 0.44 L / B1
q
一般tmod用纳秒表示，BM用兆赫表示，则有
t mod 440 / BM 440 L / B1
系统总的脉冲展宽时间为：
t sys t t
q
2 tx
2 mod
t
2 mat
t
2
2 1/ 2 rx 2 1/ 2
q 350 440 L 2 2 2 2 ttx D L B B 1 rx
最大传输距离= (40-2-6)/0.5 km = 64km (答案) 比特率为40 Mbit/s (BER 10-9) 时，无需中继器， 所能传输的最长距离？（不考虑色散代价）
80km
例题2. 一个二进制光纤传输系统采用LD发射机，工作 波长为1.55µm，耦合进入光纤的功率为0dBm。 传输光纤为单模光纤，其损耗为0.2dB/km。假 设光接收机的灵敏度为1000个光子每比特，若忽 略色散的影响，当系统的传输速率为2.5Gbit/s， 则系统能提供的最大传输距离为多少？ （h=6.626×10-34J·S）
当波长在1300nm附近时，光纤的色散很小，此时 使用LED可以达到1500(Mb/s)·km的带宽距离积。 若采用InGaAsP激光器，则该波长区域上的带宽 距离积可以超过25(Gb/s)·km。而在1550nm波长 区域内，单模光纤的极限带宽距离积可以达到 500(Gb/s)·km。 一般而言，半导体激光器耦合进光纤的功率 比LED要高出10dB到15dB，因此采用LD可以获 得更大的无中继传输距离，但是价格要昂贵许多， 所以要综合考虑加以选择。
解：根据光纤传输损耗系数的定义：
10 PT lg L PR
又因
PR N
则可得
R
Rbh
PT PT 10 10 L lg lg N R Rb h N R Rb hc
代入参数得到
10 1 10 3 1.5 10 6 L lg 175km 9 34 8 0.2 1000 2.5 10 6.626 10 3 10
一、数字光纤通信系统的构成
用户输入的电信号是模拟信号，包括语音、 图像信号等。这些电信号在PCM端机被转换为 数字信号（A/D转换-模数转换），完成PCM编 码，并按时分复用的方式复接。
PCM编码包括：抽样、量化和编码三个步骤。
在接收端光接收端机将检测到的光信号转换成 电信号（O/E转换）。然后送入输出接口电路进行 反变换，最后从PCM端机输出模拟信号。 二、数字系统的设计 1.链路的功率预算
PS PR 2 c s M
f s / Lf
(km)
长距离单模光纤通信系统，工作波长在1.3m. 发射功率 PT = -4dBm 光纤损耗 = 0.3dB/km 熔接损耗 = 0.2dB/km 发射机和接收机端的连接损耗= 1dB （每个）
APD接收机所需的平均功率： 比特率 400Mbit/s (BER 10-9) = -44dBm 比特率 40Mbit/s (BER 10-9) = -52dBm 功率余量 = 6dB 比特率为400 Mbit/s (BER 10-9) 时，无需中继器， 所能传输的最长距离？（不考虑色散代价） 解：比特率为400 Mbit/s (BER 10-9) 最大允许链路损耗= -4 – (-44) = 40dB 光纤损耗 (光纤+熔接) = (0.3dB+0.2dB) x L 连接器损耗 = 2dB ( 2个连接器, 每个1 dB) 系统余量= 6dB 因此，总体链路损耗 = (0.5L+2+6)dB
系统性能 分析：链 路功率预 算和信号 展宽分析
链路功率预算：系统考虑
1. 确定波长： - 传输距离较短，可以选择800 nm到900 nm之间 的波长 - 传输距离较远，可以选择1300 nm或1500 nm附 近的波长 2. 联合考虑光纤链路的三个模块 (接收设备、发送设 备和光纤) - 模块选择顺序为：检测器 光源 光纤链路 - 根据检测器的灵敏度和光源的发射功率决定链路 中是否需要放大器
功率预算 （用dBm表示）
信道总损耗 连接损耗
系统功 率余量
A PS PR 2 c N s f M
发射功率 接收灵敏度 连接损耗 光纤损耗
来自百度文库
功率余量： • 元器件老化 • 温度变化 • 其他不可预知事件 引起的功率亏损 • 设计时通常取68dB
传输距离:
L
例题1.
2
2 1/ 2 rx 2 1/ 2
21 3.9 14
30ns
三、模拟系统 出现于20世纪80年代 HFC(Hybrid Fiber－Coaxial混合光纤同轴 电缆网 :光纤 + 750 Hz同轴电缆) 视频分配系统 雷达信号处理
HFC通常由光纤干线、同轴电缆支线和用户配线网络三部分组成， 从有线电视台出来的节目信号先变成光信号在干线上传输；到用户 区域后把光信号转换成电信号，经分配器分配后通过同轴电缆送到 用户。它与早期CATV同轴电缆网络的不同之处主要在于，在干线 上用光纤传输光信号，在前端需完成电—光转换，进入用户区后要 完成光—电转换。
设计要求（基本指标）： 1. 预期 (或可能) 的传输距离 2. 数据速率或信道带宽 3. 误码率 (BER) （数字系统）或载噪比和非线 性失真（模拟系统 4. 使用寿命
为了满足上述指标的要求，必须把它转换成整个 系统各个组成部件的相关指标，在这里就是转换 成光发射机、光接收机以及传输光路中的光纤和 各个器件的指标，通常包括如下指标： 1.传输光路元件的指标的确定，包括： a.选择什么样的光纤，如单模光纤还是多模光纤等。 b.光纤的指标怎么样，如损耗、色散、非线性等。 c.选择什么样的连接器，如FC、ST、SC等不同类 型。
5.3 光纤通信系统结构 • 光纤通信系统的主要组成单元： – 光纤 – 光器件 – 光发送机 – 光接收机 – 光放大器 • 根据光纤系统的应用可分为 – 点到点连接 – 广播和分配网 – 局域网
点到点链路
这种只有一个发送、一个接收和一段光纤链路的单一速 率的数字光纤通信系统，称为“点对点”的传输系统。
Brx
2)光纤材料色散展宽时间tmat
t mat D L
式中为光源的半功率谱宽，D为色散系数。 3)光纤模式色散展宽时间tmod 长度为L的链路带宽可以近似的表示为：
B1 BM ( L) q L
式中B1是单位长度（1km）的光纤带宽，q为光 纤质量指数，一般取0.7，则tmod表示为：
光纤的选择应该根据通信容量的大小和工作波 长来决定。多模光纤和单模光纤除了工作模式上的 差别外，它们在带宽、衰减常数、尺寸和价格等方 面存在较大差异。多模光纤的带宽比单模光纤带宽 小得多，衰减常数比单模光纤大得多，所以比较适 用于低速、短距离的系统和网络，典型的应用有计 算机局域网、光纤用户接入网等。 多模光纤的芯径最小为50μm，最大为100μm， 数值孔径较大，有利于光源光功率到光纤的耦合。 另外，对于连接器和接头的要求都不高，这也决定 了多模光纤比较适用于多交叉点、多连接头的场所 的应用。
2.选择什么样的光发射机，包括： a.光源的类型：是LD还是LED。 b.光源的指标:发射波长、谱线线宽、输出功率等。 如果光源是带尾纤输出，那么从光纤输出的功率 （又称为“入纤功率”）是多少？如果光源不是 带尾纤输出，还要知道光源的发射角等参数。
3.接收机的参数指标，包括： a.探测器的类型，是PIN还是APD。 b.探测器的主要参数有工作波长、响应度、速 率、灵敏度以及噪声特性等。 一个合理的系统，实际上就是把三个系统指标合理 的落实在三部分部件上。通常，可以把系统分成两 种情况，一种是所谓功率限制系统，这时系统各部 分的速率都能满足要求，例如光纤的色散较小时的 情形，这时系统的限制因素主要是功率。另一种是 所谓色散限制系统，这时光纤的色散较大，主要限 制因素是各部分的频域特性（带宽或色散）。
时间都用纳秒表示。
例题：设系统的数字速率为20Mb/s，误码率为10 －9。选择工作中850nm的Si PIN光电二极管接收 机，其LED及其驱动电路的展宽时间为15ns。 LED的典型的谱宽为40nm，6km链路与材料色散 相关的展宽时延为tmat＝21ns，接收机有25MHz的 带宽，如果选择光纤带宽距离积为400MHz·km， 而且光纤质量指数为0.7，求其脉冲展宽时间？ 解： 接收机展宽时间为：
在选取光检测器时，应综合考虑成本和复杂 程度。PIN管与APD管相比，结构简单，成本较 低，但灵敏度没有APD管高，目前它们经常与前 置放大器组合成组件使用。 光源的选择要考虑系统的一些参数，如色散、 数据速率、传输距离和成本等。LD的谱宽比LED 的要窄得多。在波长800nm到900nm的区域里， LED的谱宽与石英光纤的色散特性的共同作用将 带宽距离积限制在150(Mb/s)·km以内，要达到更 高的数值，在此波长区域内就要用激光器。
单模光纤的带宽较宽，衰减较低，所以比较 适合高速、长距离的系统，典型的应用有SDH、 WDM网络等。 光检测器的选取通常放在光源之前。接收灵敏 度和过载光功率是主要考虑的参数。 接收灵敏度是指在一定误码率（一般为10-9） 下，接收机所能接收到的最小光功率。过载功率是 指接收机可以接收的最大光功率。当接收机接收的 光功率开始高于灵敏度时，信噪比的改善会使误码 率变小，但是若光功率继续增加到一定地步，接收 机前置放大器将进入非线性区域，继而发生饱和或 过载，使信号脉冲波形产生畸变，导致码间干扰迅 速增加，误码率开始劣化（变大），当误码率再次 到达规定值时，对应的接收光功率即为过载功率。
2.色散系统的上升时间预算 如果系统的传输速率较高光纤线路色散较大， (一般对于10Gb/s，以上系统，都必须考虑色散问 题）中继距离主要受色散(带宽)的限制。为使光 接收机灵敏度不受损伤， 保证系统正常工作，必 须对光纤线路总色散(总带宽)进行规范。 我们要 讨论的问题是，对于一个传输速率已知的数字光 纤线路系统，允许的线路总色散是多少， 并据此 计算中继距离。 对于数字光纤线路系统而言，色散增大，意 味着数字脉冲展宽增加，因而在接收端要发生码 间干扰，使接收灵敏度降低， 或误码率增大。严 重时甚至无法通过均衡来补偿，使系统失去设计 的性能。
链路功率预算：系统考虑 1. 确定波长： - 传输距离较短，可以选择800 nm到900 nm之间 的波长 - 传输距离较远，可以选择1300 nm或1500 nm附 近的波长 2. 联合考虑光纤链路的三个模块 (接收设备、发送 设备和光纤) - 模块选择顺序为：检测器 光源 光纤链路 - 根据检测器的灵敏度和光源的发射功率决定链 路中是否需 要放大器
350 350 t rx 14ns Brx 25
光纤模式色散引起的展宽时间为：
tmod 440 / BM 440 L / B1 440 6
q 0.7
/ 400 3.9ns
链路展宽时间为：
t sys t t
2
15
2 tx
2 mod
t
2
2 mat
t
一种简单的分析方法是进行系统上升时间的分 析，它取决于四个方面的因素：光发送机展宽时间， 光纤材料色散展宽时间，光纤模式色散展宽时间和 接收机展宽时间。链路总的脉冲展宽时间等于每种 因素引起的脉冲展宽时间的平方和的平方根。 1) 光发送机和接收机的展宽时间 发送机的展宽时间主要取决于光源及其驱动电路。 接收机的展宽时间trx有光检测器响应和接收机前 端3dB带宽Brx决定。 350 (ns) t rx
t mod 0.44 / BM 0.44 L / B1
q
一般tmod用纳秒表示，BM用兆赫表示，则有
t mod 440 / BM 440 L / B1
系统总的脉冲展宽时间为：
t sys t t
q
2 tx
2 mod
t
2 mat
t
2
2 1/ 2 rx 2 1/ 2
q 350 440 L 2 2 2 2 ttx D L B B 1 rx
最大传输距离= (40-2-6)/0.5 km = 64km (答案) 比特率为40 Mbit/s (BER 10-9) 时，无需中继器， 所能传输的最长距离？（不考虑色散代价）
80km
例题2. 一个二进制光纤传输系统采用LD发射机，工作 波长为1.55µm，耦合进入光纤的功率为0dBm。 传输光纤为单模光纤，其损耗为0.2dB/km。假 设光接收机的灵敏度为1000个光子每比特，若忽 略色散的影响，当系统的传输速率为2.5Gbit/s， 则系统能提供的最大传输距离为多少？ （h=6.626×10-34J·S）
当波长在1300nm附近时，光纤的色散很小，此时 使用LED可以达到1500(Mb/s)·km的带宽距离积。 若采用InGaAsP激光器，则该波长区域上的带宽 距离积可以超过25(Gb/s)·km。而在1550nm波长 区域内，单模光纤的极限带宽距离积可以达到 500(Gb/s)·km。 一般而言，半导体激光器耦合进光纤的功率 比LED要高出10dB到15dB，因此采用LD可以获 得更大的无中继传输距离，但是价格要昂贵许多， 所以要综合考虑加以选择。
解：根据光纤传输损耗系数的定义：
10 PT lg L PR
又因
PR N
则可得
R
Rbh
PT PT 10 10 L lg lg N R Rb h N R Rb hc
代入参数得到
10 1 10 3 1.5 10 6 L lg 175km 9 34 8 0.2 1000 2.5 10 6.626 10 3 10
一、数字光纤通信系统的构成
用户输入的电信号是模拟信号，包括语音、 图像信号等。这些电信号在PCM端机被转换为 数字信号（A/D转换-模数转换），完成PCM编 码，并按时分复用的方式复接。
PCM编码包括：抽样、量化和编码三个步骤。
在接收端光接收端机将检测到的光信号转换成 电信号（O/E转换）。然后送入输出接口电路进行 反变换，最后从PCM端机输出模拟信号。 二、数字系统的设计 1.链路的功率预算