光收发设备概述(PPT 78页)

1、3.6 IM-DD光纤线路编码光纤线路编码3.7 衰减和色散队中继距离的影响衰减和色散队中继距离的影响3.8 噪声及灵敏度分析噪声及灵敏度分析13.6 IM-DD光纤线路编码 3.6.1 光纤线路码型3.6.2 输入输出电路单元功能23.6.1 光纤线路码型 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，通常为： 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，因此需要进行码型变换码型变换。 31. PCM系统中的线路码型系统中的线路码型基

2、群二 次 群三 次 群四 次 群接口码速率 (Mbit/s)2.0488.44834.368139.264接口码型HDB3HDB3HDB3CMIPCM系统中的线路码型系统中的线路码型41. PCM系统中的线路码型系统中的线路码型a)单极性不归零脉冲单极性不归零脉冲b)双极性不归零脉冲双极性不归零脉冲5 a)单极性不归零码，无电压表示单极性不归零码，无电压表示0，恒定正电压表，恒定正电压表示示1，每个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为，每个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅电平。半幅电平。b)双极性不归零码，双极性不归零码，1码和码和0码都有电流，码都有电流，1为为正电流，正电流，0

3、为负电流，正和负的幅度相等，判决门限为为负电流，正和负的幅度相等，判决门限为零电平。零电平。 6以上两种编码以上两种编码,都是在一个码元的全部时间内都是在一个码元的全部时间内发出或不发出电流发出或不发出电流(单极性单极性),以及发出正电流或负以及发出正电流或负电流电流(双极性双极性)。每一位编码占用了全部码元的宽度。每一位编码占用了全部码元的宽度,故这两种编码都属于全宽码故这两种编码都属于全宽码,也称作也称作不归零码不归零码NRZ (Non Return Zero)。 这样使某一位码元与其下一位码元之间没有这样使某一位码元与其下一位码元之间没有间隙间隙,不易区分识别。不易区分识别。归零码归零码

4、可以改善这种状况。可以改善这种状况。 7c)单极性归零脉冲单极性归零脉冲d)双极性归零脉冲双极性归零脉冲8c)单极性归零码单极性归零码，当发，当发“1”码时，发出正电流，但持续码时，发出正电流，但持续时间短于一个码元的时间宽度，即发出一个窄脉冲；当发时间短于一个码元的时间宽度，即发出一个窄脉冲；当发“0”码时，仍然不发送电流。码时，仍然不发送电流。d)双极性归零码双极性归零码，其中，其中“1”码发正的窄脉冲，码发正的窄脉冲，“0”码发负码发负的窄脉冲，两个码元之间的时间间隔可以大于每一个窄脉的窄脉冲，两个码元之间的时间间隔可以大于每一个窄脉冲的宽度，取样时间是对准脉冲的中心。冲的宽度，取样时间

5、是对准脉冲的中心。 91. PCM系统中的线路码型系统中的线路码型1）HDB3码（三阶高密度双极性码）码（三阶高密度双极性码）（1）HDB3码的构造码的构造三步曲三步曲第一：取代四连第一：取代四连“0”“000V”：两：两V间的间的“1”码为奇数码为奇数“B00V”：两两V间的间的“1”码为偶数码为偶数101. PCM系统中的线路码型系统中的线路码型第二：依极性交替原则，分别用第二：依极性交替原则，分别用B+、B-归零脉冲取归零脉冲取代二进制信号中的代二进制信号中的“1”码和取代节中的码和取代节中的“B”脉冲；脉冲；第三：依违反极性原则分别用第三：依违反极性原则分别用V+、V-归零脉冲归零脉冲

6、代替取代节中的代替取代节中的“V”脉冲；脉冲；11（2）HDB3码的特点：码的特点：-V脉冲违反极性交替原则，因此接收端易于恢复四连脉冲违反极性交替原则，因此接收端易于恢复四连0；-B和和V分别符合极性交替原则，两分别符合极性交替原则，两V间的间的B+和和B-个数和为个数和为奇数；奇数；-HDB3码的最大连码的最大连0为为3；-线路的误码会影响线路的误码会影响B、V的极性规律或连的极性规律或连0码数大于码数大于3，据，据此，可作为差错检测。此，可作为差错检测。121. PCM系统中的线路码型系统中的线路码型2）CMI码（符号反转码）码（符号反转码）也可做光纤线路码也可做光纤线路码（1）CMI码

7、的构造码的构造-将二进制码中的将二进制码中的“1”交替用交替用“11”和和“00”NRZ代代替，替，“0”用用“01”NRZ来代替，替代前后的时间宽来代替，替代前后的时间宽度不变。度不变。1311010011100110001 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1CMI码的构造141. PCM系统中的线路码型系统中的线路码型（2）CMI码的特点码的特点-有较多的电平跃变；有较多的电平跃变；-最长连码数为最长连码数为3，可据此来检测差错；，可据此来检测差错；-“10”禁用，可用于检测差错禁用，可用于检测差错15

8、2. 光纤线路码型1）光纤线路码型定义）光纤线路码型定义光纤中传输的光脉冲信号的码型2）设计要求：）设计要求：适合通信，适应光脉冲适合通信，适应光脉冲16-采用单极性采用单极性NRZ二元码，（即二元码，（即“0”、“1”二元码）；二元码）；-“0”“1”均匀分布，直流分量恒定，以利于幅度判决；均匀分布，直流分量恒定，以利于幅度判决；-最长连最长连0、连、连1数少，以利于定时脉冲提取；数少，以利于定时脉冲提取；-可实现在线检测误码和传送辅助信息；可实现在线检测误码和传送辅助信息；-实现电路简单，功耗小，成本低。实现电路简单，功耗小，成本低。2）设计要求：适合通信，适应光脉冲）设计要求：适合通信，

9、适应光脉冲173）冗余度获取：）冗余度获取：以插入填充码元，用来传送辅助信息以插入填充码元，用来传送辅助信息码型变换码型变换m, s1, Pn, s2, Q182. 光纤线路码型4）字变换码）字变换码（mBnB码，码，nm)：（1）构造方法）构造方法 将将m比特一组的二进制码按一定的规则变为比特一组的二进制码按一定的规则变为n比特一比特一组的新码输出。组的新码输出。 构造构造mBnB码，就是从码，就是从nB码的码的2n个码字中挑选出个码字中挑选出2m个个码字使用，而余下的（码字使用，而余下的（2n-2m）个码字禁用，故存在）个码字禁用，故存在取舍取舍。192. 光纤线路码型取舍原则：取舍原则：

10、 尽量选用尽量选用nB码中码中WDS绝对值最小的码字，而禁用绝对值最小的码字，而禁用WDS最大的码字。最大的码字。实质：实质： 使使mBnB码中的码中的“0”和和“1”分布均匀。分布均匀。WDS=n1-n0n0: nB码中的“0”码个数，n1: “1”码个数。202. 光纤线路码型（2）mBnB码的特点：码的特点：-电平跃变增多，最长连电平跃变增多，最长连0数少，利于提取定数少，利于提取定时信息和恢复基线；时信息和恢复基线；-禁用码字可供检测差错；禁用码字可供检测差错；-引入了一定的冗余码，但不可用于传送辅助引入了一定的冗余码，但不可用于传送辅助信息。信息。212. 光纤线路码型5）插入码型：

11、）插入码型：（1）mB1P码（偶码（偶1奇奇0码）码）将二进制码按每将二进制码按每m比特分为一组，每比特分为一组，每组末尾插入组末尾插入1位奇偶校验码（位奇偶校验码（P码）。码）。22mB码100000001110mBlP码1000000100101101mB码100000001110mBlP码100100000011110023（2）mB1C码码将二进制码按每将二进制码按每m比特分为一组，每比特分为一组，每组末尾插入该组任组末尾插入该组任1位码元（通常为最末位位码元（通常为最末位码）的补码（码）的补码（C码）。码）。243.6.1 光纤线路码型mB码100110001101mBlC码1001

12、11010010101025（3）mB1H码（使用较多）码（使用较多）将二进制码按每将二进制码按每m比特分为一组，在每组时比特分为一组，在每组时间宽度内，按照一定要求分别插入补码间宽度内，按照一定要求分别插入补码C、帧码、帧码F、公务码、公务码Sc、监控码、监控码M、数据码、数据码D、区间通信码、区间通信码S等（这些码统称等（这些码统称H码），即构成码），即构成mB1H码。码。26 mB1H码是由码是由mB1C码演变而成的，即在码演变而成的，即在mB1C码码中，扣除部分中，扣除部分C码，并在相应的码位上插入一个混合码码，并在相应的码位上插入一个混合码（H码），所以称为码），所以称为mB1H码。

13、所插入的码。所插入的H码可以根据码可以根据不同用途分为三类：第一类是不同用途分为三类：第一类是C码，它是第码，它是第m位码的补位码的补码，用于在线误码率监测；第二类是码，用于在线误码率监测；第二类是L码，用于区间通码，用于区间通信；第三类是信；第三类是G码，用于帧同步、公务、数据、监测等码，用于帧同步、公务、数据、监测等信息的传输。信息的传输。3.6.1 光纤线路码型27 6）CMI码码（1）CMI码码 CMI码又称传号反转码，它是一种码又称传号反转码，它是一种1B2B码。其变换规则是原码的码。其变换规则是原码的“0”码用码用“01”码代替，原码的码代替，原码的“1”码用码用“00”或或“11

14、”交替代替。交替代替。 （2）双相码）双相码 双相码又称分相码。也是一种双相码又称分相码。也是一种1B2B码。其变换规则是原码的码。其变换规则是原码的“0”码码用用“01”码代替，原码的码代替，原码的“1”码用码用“10”代替。代替。 （3）DMI码码 DMI码又称不同模式反转码，它是一种码又称不同模式反转码，它是一种1B2B码。其变换规则是原码。其变换规则是原码的码的“1”码用码用“00”或或“11”交替代替。原码的交替代替。原码的“0”码，若前二个码为码，若前二个码为“01”，“11”时用时用“01”代替，前二个码为代替，前二个码为“10”，“00”时用时用“10”代替。代替。3.6.1

15、光纤线路码型28 7）扰码）扰码 SDH光纤通信系统中广泛使用的是加扰的光纤通信系统中广泛使用的是加扰的NRZ码，它是利用一码，它是利用一定规则对信号码流进行扰码，经过扰码后使线路码流中的定规则对信号码流进行扰码，经过扰码后使线路码流中的“0”和和“1”出现的概率相同，因此码流中不会出现长连出现的概率相同，因此码流中不会出现长连“0”或长连或长连“1”的情况，从而有利于接收端提取时钟信号。信号序列扰乱方法有：的情况，从而有利于接收端提取时钟信号。信号序列扰乱方法有： 用一个随机序列与输入信号序列进行逻辑加，这样就能把任用一个随机序列与输入信号序列进行逻辑加，这样就能把任何输入信号序列变换为随机

16、序列，但完全随机的序列不能再现。何输入信号序列变换为随机序列，但完全随机的序列不能再现。 用伪随机序列来代替完全随机序列进行扰码与解扰的作用。用伪随机序列来代替完全随机序列进行扰码与解扰的作用。 下图为一个五级扰码器和解扰器的构成。下图为一个五级扰码器和解扰器的构成。29扰乱器与解扰器的构成30码 型码型变换规则传输速率误码监测适用系统1B2B码CMI“1”：11,00交替“0”：012fi按编码规则检查PDH双相码“1”：10 “0”：012fi同上DMI“1”：11,00交替“0”：01（前二个码为01，11时）10（前二个码为10，00时）2fi同上分组码mBnB在nB码中选择不均等值小

17、的码作公共码；正负模式交替nfi /m（1）查禁用码字（2）利用DRS插入码mB1P（1）P码满足奇校验规则（2）P码满足偶校验规则(m+1) fi /m奇偶校验mB1C(m+1)fi /m模2和=0mB1H加扰NRZ给输入NRZ序列加扰fi无SDH3.6.1 光纤线路码型313.6 IM-DD光纤通信系统 3.6.1 光纤线路码型3.6.2 输入输出电路单元功能 323.6.2 输入输出电路单元功能1. HDB3码输入电路的单元功能码输入电路的单元功能2. CMI码输入电路的单元功能码输入电路的单元功能3. 输出电路的单元功能输出电路的单元功能331. HDB3码输入电路的单元功能码输入电路

18、的单元功能 1）均衡放大 2）双/单极性转换 3）定时提取 4）定时判决 5）V脉冲检出（V+、V-） 6）NRZ+-合路 7）B、V扣除 8）扰码 9）时钟频率变换 10）光纤码型编码342. CMI码输入电路的单元功能码输入电路的单元功能 1）延时 2）异或非门 3）与门 4）定时提取 5）D触发器 6）扰码 7）时钟频率变换 8）光纤码型编码35 1）码型反变换电路3. 输出电路的单元功能输出电路的单元功能（1）缓存器（2）mB码还原（3）H码分离（4）组同步（）（5）时钟频率变换（6）解扰码（7）误码监测363. 输出电路的单元功能输出电路的单元功能 2）输出接口电路（1）HDB3码形

19、成电路（2） CMI码形成电路373.7衰减和色散对中继距离的影响3.7.1 衰减和色散对中继距离的影响3.7.2 10Gbit/s及10Gbit/s以上的SDH光线路3.7.3 使用光放大器的SDH高速线路383.7.1 衰减和色散对中继距离的影响1衰减对中继距离的影响2色散对中继距离的影响3最大中继距离的计算391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。 40

20、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。 412色散对中继距离的影响 (1) 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。 422色散对中继距离的影响 (2) 模分配噪声对中继距离的影响 激光器的光谱特性 模分配噪声的产生及影响432色散对中继距离的影响 普通激光器的静态和动态谱线 442色散对中继距离的影响 高速调制时多纵模的随机起伏 452色散对中继距

21、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。 463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。 473最大中继距离的计算 (1) 衰减受限系统 在

22、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 483最大中继距离的计算 （2） 色散受限系统 光纤的色散与带宽 光纤每公里带宽与L公里带宽间的关系 光纤带宽与半功率点宽度W之间的关系 色散受限距离 a 多纵模激光器（MLM）和发光二极管（LED） b 单纵模激光器（SLM） c 采用外调制器493.7.2 10Gbit/s及10Gbit/s以上的SDH光线路1光源频率啁啾影响 2光纤的色散特性影响 3极化模色散的影响 4系统功率预算限制 501光源频率啁啾影响 为了能够直观地度量其影响，因此引入啁啾系数a来评估光源的频率啁啾影响。 啁啾系数的定

23、义如下： dtdPPdtda21512光纤的色散特性影响 通常将接收机灵敏度下降1dB光纤长度称为色散受限距离。 通常在采用单纵模激光器的光纤通信系统中，影响接收灵敏度的因素有两个，其一是传输信号的速率（即信号的信息带宽），其二是频率啁啾。 523极化模色散的影响 理论上单模光纤中只传输一个基模，但实际上在单模光纤中的基模存在两个模式，即横向电场沿y方向极化和沿x方向极化的的两个模式，它们的极化方向相互垂直，这两种模式分别为LP01x和LP01y 。 但在实际光纤中，由于光纤形状、折射率以及应力等分布的不均匀，两种模式的纵向速度不同，从而导致相移不同，在时间上表现为不同极化态之间的群时延不同，

24、使脉冲波形出现展宽现象。 534系统功率预算限制 系统功率预算是指光纤通信系统中光源输出功率与接收灵敏度之差。 为了避免光纤工作于非线性状态，通常，光源输出光功率不得超过3dBm。 另外，信号经信道传输时或多或少都会受到信道噪声的影响。 为了解决传输距离较短的问题，人们在光纤通信系统中采用掺饵光纤放大器（EDFA）。 543.7.3 使用光放大器的SDH高速线路1使用EDFA的光纤通信系统的主要优点 2EDFA在光纤通信系统中的应用 3无电再生的最大中继距离 4EDFA在级联中可能出现的问题及解决方法 551使用EDFA的光纤通信系统的主要优点（1） 可扩展中继距离。（2） 具有透明性。（3）

25、 可作中继器使用，节约成本。（4） 可扩大用户数。562EDFA在光纤通信系统中的应用 EDFA在光纤通信系统中的主要作用是延长中继距离，当它与波分复用技术、光孤子技术相结合时，可实现超大容量、超长距离的传输。 （1） 作为前置放大器（2） 作为功率放大器（3） 作光中继器使用572EDFA在光纤通信系统中的应用 EDFA的应用 583无电再生的最大中继距离 在使用光放大器的光纤通信系统中同样要考虑衰减和色散的影响。 衰减受限光纤通信系统的中继距离可以表示为cfsfEPFCCRCTRT/MLAAMPNGAAAPPLa594EDFA在级联中可能出现的问题及解决方法（1） 噪声积累影响（2） 光纤

26、的非线性限制（3） 增益均衡604EDFA在级联中可能出现的问题及解决方法 EDFA增益不平坦性对多级级联的影响 613.8 噪声及灵敏度分析 3.8.1 IM-DD光纤通信系统噪声及灵敏度 3.8.2 EDFA的级联系统623.8.1 IM-DD光纤通信系统噪声及灵敏度1接收机噪声2接收灵敏度631接收机噪声（1） 散粒噪声和热噪声 散粒噪声是指围绕一个平均统计值做随机起伏波动的、由光电检测器件自身产生的一种噪声。 热噪声是由于电子在光电检测器的负载电阻RL上做随机运动，而产生的电流随机起伏的现象，使所传输的信号附加上了一种噪声，这种附加噪声就是热噪声。641接收机噪声（2） 光接收机的SNR PIN只对所接收的信号进行光电转换，而无放大功能。 而APD除具有光电转换功能外，还具有信号放大功能，即其平均输出功率为IP=RGPin，其中R为响应度。 SNR随Pin线性增大，而且与量子效率、接收机的带宽f以及光子能量hf有关。 最佳平均雪崩增益（Gmax） 651接收机噪声 1.55m InGaAs APD接收机最佳APD增益Gmax与入射光功率Pin的关系662接收灵敏度 接收灵敏度是指在满足给定误码率（BER=110-10）条件下，光接收机能够接收到的最小平均光功率。 接收灵敏度是与系统误码性能有关的物理量。672接收灵敏度（1） 误码率 误码率是指这两种情况下的误码概率可用下