第5章：光纤通信系统

热噪声：检测器负载电阻热噪声、放大器的噪声
以上噪声均对接收误码产生贡献
5.3.1.2 误码率计算
误码率

误码率（BER：Bit Error Rate）
引用误码概率的意义进行计算

BER P(0) E01 P(1) E10
E01 E10
D D
数字系统中通常
可以认为
P(0)=P(1)=1/2
各部分解决的问题

PIN或APD

光信号电信号

前置放大器

小信号放大

主放

提供足够增益，并将实现自动增益控制

均衡和再生

消除码间干扰、减小误码率；

提取时钟、取样判决、得到原发送码流

码型变换

数字序列码序列
5.3.1 光接收机灵敏度分析
接收机质量

灵敏度

数字：保证一定误码率条件下，光接收机所需接收的最小光功率 模拟：保证一定输出信噪比的条件下，光接收机所需接收的最小光功率
控制电路
数字式光发送机的一般要求

有合适的输出光功率

根据假设的通信距离和工作波长选择合适的输出光功率，通常在 0.01mW~5mW，即-20dBm~7dBm

有较好的消光比


消光比指0码时的光功率与1码时的光功率之比
0码时的光功率输出将导致接收机灵敏度下降 光通信具有大容量的优点，要求光发送机调制速率要高，脉冲畸变 要小

内调制通常只能实现强度调制（IM：Intensity Modulation）

外调制指光源本身光输出稳定，在外部使用专门的调制器实现对光的调 制

理论上，外调制可实现IM、FM和PM，但最普遍的是IM 外调制可通过晶体的电光效应、磁光效应和声光效应来实现

对半导体光源而言，内调制具有体积小、效率高、实现方便、功耗低等 优点，因而成为了半导体光源最主要的调制方式
第五章 光纤通信系统
本章内容

光纤通信系统的构成
光发送机 光接收机


PDH光通信系统概念
SDH光通信系统概念 WDM系统 系统设计及设计考虑 相干光通信系统
5.1 光纤通信系统的构成
什么是光纤通信系统

光纤通信系统

光纤

传输媒质是光纤

进一步约束了载波是光波

通信系统

便于误码监测
常用的线路码型

扰码二进制

用伪随机序列对原有序列扰码，控制连“0”连“1”长度 SDH系统中即采用7级同步扰码

字变换型码

mBnB码，将原序列m bit的分组变换成n个bit的分组后输出，可控制直流
电平和连“0”连“1”数，同时可插入公务信息 mBnB码的特例：曼彻斯特码，属于1B2B编码方式
差分输入 ECL电平
-Vcc
自动温度控制电路（ATC）

温度控制采用制冷器、热敏原件以及控制电路组成。
激光器
热导
热敏电阻
控制电路
致冷器
自动温度控制电路（ATC）
＋U R3 B ＋ R2 RT 2 R4 － A 1 t V 3 TEC LD 4 6 5 7 PIN ＋U R1 A
8
T 环境 T LD、热沉 RT I 制冷器 T LD、热沉
实现信息的传送，不仅仅是数字序列的传送
以光为载波、光纤为传输媒质的 一种信息传送系统
光纤通信系统的目标

利用光纤的优良传输特性实现

大容量通信 长距离通信 高可靠性通信

为各种信息提供传送服务
光纤通信系统的种类

信息种类

模拟光纤通信系统 数字光纤通信系统

光波的调制检测手段

非相干光通信系统（IM-DD）

对数字接收机

误码率 接收灵敏度
动态范围
数字光接收机的质量指标：接收灵敏度
误码产生的原因

规则

信号在抽样点超过判决电平被判作 “1”，反之被判作“0”

抽样点的信号

1
判决 电平 0
理想情况下，接收机信号在抽样点 无任何干扰
实际上，接收信号中将含有噪声， 抽样点的信号是一个随机变量，均 值是信号本身，但出现一定分布 当抽样点信号某一样本的分布超出 动态范围时，判决电路将出现误判， 此时即出现误码


给定Q值，限定误码率的最小平均接收光功率为：

APD
Pmin av
Pmin av
Q N 0 N1 2 K1GR0
Q NA K1R0



PIN
Q为超扰比； G为APD的倍增因子； R0为光检测器的响应度； K1为放大器的增益
5.4 PDH和SDH概念
传输制式

数字语音信号

7
DS3 44736kbps
6
274176kbps
北美
24
3
32
E1 2048 kbps 4 一次群 8448 kbps 4 二次群 E2 E3 34368 kbps 三次群
3
4
E4 139264 kbps 四次群
4
564992 kbps 五次群
欧洲
PDH光纤通信系统的组成

PCM数字光纤通信系统有：PCM基群复用设备、高次


误码

在不考虑码间串扰的情况下，
噪声是产生误码的原因
本节思路

目标：分析光接收机灵敏度
源追踪：灵敏度误码率噪声 思路：

首先分析噪声 然后分析噪声与误码率的关系 由误码率要求获得信号强度要求，即灵敏度
5.3.1.1 接收机噪声分析
接收机噪声来源

噪声类型

散弹噪声：光载波的量子噪声、光电检测器的暗电 流噪声、漏电流噪声、过剩噪声(倍增噪声)；
LED的内调制原理
P P
I
I
模拟调制
数字调制
LD的内调制原理
P P
I
I
Ib
LD的模拟调制 LD的数字调制
5.2.4 LED驱动电路
考虑

驱动电流

LED驱动电流约50mA~300mA

调制速率

使用LED担任光源的光发送机一般速率均不是很高，调制速率 在数百兆左右

温度特性

LED的输出光功率具有-1%/℃的负温度系数，温度从0~70℃ 变化时光功率变化约2dB

SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字体系）
5.4.1 PDH
各国商用数字光纤通信制式
PDH的复用路线
32064kbps
3
97728kbps
4
397200kbps
日本
5
DS1 154bps

误码率

在数字系统中码元传输过程中出现差错的概率

信噪比

模拟光接收机信噪比用电信号电流均方值和噪声电流均方值表示

动态范围

保证系统的误码率指标要求下，光接收机所允许接收的最大和最小光功率 之比
最大输入光功率 dB D 10lg 最小输入光功率
接收机质量

对模拟接收机

信噪比、接收灵敏度

寿命问题

LD工作过程中，随着使用时间的增长，阈值电流将升高，外微分量 子效率也将降低，LD的驱动应能够跟踪这些变化
LD驱动电路的组成

调制电路

考虑调制速率

保护电路

LD过流、反偏保护

自动温度控制电路（ATC）

保持LD的温度稳定

自动功率控制电路（APC）

保证输出光功率稳定
LD调制电路和保护电路
I1av D Q N1
，Q显然含有信噪比信息
此时
1 1 BER ( E01 E10 ) 2 2


Q
e
x2 2
dx
显然代表信噪比的Q值直接影响着误码率的大小， 噪声越大时，Q值越小，BER值越高 Q值与BER的关系已被做成图表，可直接查阅引用
Q值与BER的关系图
100
10-3

调制特性要好


其它要求

功耗低、体积小、电路简单、成本低、寿命长等
5.2.2 光线路码型简介
光线路编码目的和要求

光线路编码目的

适应信道传输要求、方便时钟提取及系统监测、维护

编码要求

尽可能减少连“0”连“1”以便于时钟提取
减少码流中的低频分量，直流基线尽量稳定 减少“1”码出现的概率，降低平均发送光功率
自动功率控制电路（APC）

由于温度变化和工作时间加长，LD的输出光功率会发生变化，为保 证输出光功率的稳定，需要改进电路设计。
＋U PD Ib UB1 Uin V1 Io V2 电流源 Rf 检测器 输出监测 A1 － ＋
LD
V3
UA 1
C
UR
信号参考
Uin
PLD→UPD→(UPD+
U in + UR)→UA1→Ib→PLD
拟调制设备简单，占有带宽较窄，但抗干扰能力差，中继时有 累积噪声。 数字调制抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不累积，因 此可以实现长距离传输；缺点是需要较宽的频带，设备也不复 杂。

直接调制

按调制方式与光源的关系：
外调制

内调制指直接利用改变光源的注入条件实现调制

利用半导体光源的输出光功率随注入电流的变化而变化的特点可实 现LED和LD的内调制

复用

单路数字电信号多路数字电信号

码型变换
光中继器
中继器
O/E
放大均衡
判决再生
E/O
5.2 光发送机
5.2.1 光发送机一般要求
光发送机的构成

光发送机的任务

实现电光转换 光线路编码 调制电路 控制电路
数字光信号 光线路编码 调制电路 光源

数字式光发送机的主要部分包括

数字电信号
10-6 BER 10-9
10-12 Q=5.99781 10-15 8 Q
2
4
6
5.3.1.3 灵敏度计算
灵敏度计算

确定误码需求（如10-9）
根据误码需求查得Q值 并通过对光接收机的噪声分析计算出N0和N1


由值Q 、N0、N1 求出I0av、I1av
由I0av、I1av、接收机传输函数以及光检测器的响应度反 推出输入“0”、“1”码时的光功率 计算平均光功率，此即为接收机的灵敏度
f 0 ( x)dx f1 ( x)dx

高斯近似下BER的计算
1 E01 e dI 0 令 I 0 av 0 ，则有 D 2N 0 x2 1 2 dx E01 e D 2N 0 N 0 1 BER ( E01 E10 ) 2 ( I1 I1av ) 2 D 1 E10 e 2 N1 dI1 令 y I1 I1av ，则有 2N N1 1
相干光通信系统 单路系统和多路系统 孤子光通信、长距/短距、长波长/短波长、单模/多模等

光载波路数


其它特征

单路数字非相干光纤通信系统
数字光纤通信系统的构成
光发送机
中继器
光接收机
接口
接口
备用系统
电端机 电端机
辅助系统
信息源 信息源
电端机

在电域对信息进行必要的处理

数字化

模拟信号数字信号 抽样、量化、编码
群数字复用设备、光端机、光中继器和光缆等组成。

基次群复用设备：模-数变换，复接构成基群帧结构--2048kb/s

高次群复用设备：低次群复接组成高次群；
PDH的应用方式
串联式调制电路
差分输入
并联式调制电路
差分输入
5.2.5 LD驱动电路
LD进行数字调制面临的问题

调制问题

通常LD用于高速数字通信，因此要求LD的调制电路非常稳定

偏置电流

抑制LD的非线性效应，使其光输出能够更好的跟随电流变化

温度变化

温度变化能够引起LD工作特性发生较大的变化，如阈值电流、外微 分量子效率、寿命等，应昼保持LD的工作温度稳定
成熟的LD驱动电路芯片
—— /solutions/network_hubs_switches_routers/parts.mvp/scpk/130/pl_pk/0
5. 3 光接收机
数字光接收机组成部分
前放
主放
均衡
抽样判决
码型变换
AGC
-V
时钟提取
欧洲：64kbps/A律压扩 美国：64kbps/律压扩

复用方法

TDM
PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy，准同步数字体 系）


复用的具体处理上出现了两种传输体制

欧洲制式PDH ，2.048Mb/s基础速率(E1) 北美制式PDH，1.544Mb/s基础速率(DS1)
( I 0 I 0 av ) 2 2 N0
1 E10 2

I1av D N1
e
y2 2
dy
判决电平的选取
为使BER最小，一般令E10=E01，此时有
I1av D D Q N0 N1
由此可决定判决电平
D Q N1 I1av
Q的含义
由定义
D N0



插入型码

mB1P/mB1C/mB1H等，原序列每m bit后插入1个“奇偶校验码/补码/混 合码，可控制连“0”连“1”数 我国早期的光端机中广泛使用了mB1H码，可以较为方便地加入附加容量

5.2.3 光源的调制
模拟调制

按调制信号的形式：
数字调制

基带直接强度调制 副载波调制-强度调制 副载波复用强度调制