光纖通信系統性能與設計第一頁，共三十四頁，2022年，8月28日光纖通信系統的分類根據所使用的光波長、傳輸信號形式、傳輸光纖類型、信號的調制方式、光接收方式的不同，光纖通信系統可分成:分類方式類別特點按信號類型數字光纖通信抗干擾能力強，傳輸質量好模擬光纖通信對系統要求高，適用于圖像傳輸按光波長（通道）個數單波長（通道）技術難度小，應用成熟多波長（WDM）傳輸容量大，距離遠按調制方式直接強度調制IM技術成熟，成本低外調制高速傳輸，成本較高按接收方式直接檢測DD技術成熟，成本低，效率高相干調制CD靈敏度高，傳輸容量大，距離遠按光纖特性多模光纖MMF采用850nm波長，距離短單模光纖SMF采用1310/1550nm波長，傳輸容量大，距離遠§8.1光纖通信系統的概念第二頁，共三十四頁，2022年，8月28日基本光纖通信系統結構光纖通信系統的主要組成部分：光發送部分：光源、驅動器和調制器光傳輸部分：光纖和光纖放大器（或中繼器）光接收部分：光電檢測（波）器光接收電端機信號入信號出光發送光傳輸功率放大器線路放大器前置放大器光源光調制器光檢測器電端機SMPI-SR基本光纖通信系統MPI-R點到點光纖通信系統結構（單向傳輸）電端機：實現用戶信號和適合信道傳輸的信號之間的轉換。第三頁，共三十四頁，2022年，8月28日基本光纖通信系統結構光發送部分光源是發送部分的關鍵器件，光纖通信系統要求光源有一定的輸出光功率，譜線寬度小、工作穩定可靠、壽命長。半導體注入式激光器(LD)和發光二極管(LED)

在短波段(800~900nm)，常使用鎵鋁砷(GaAlAs)LD和LED

在長波段(1000~1600nm)，常用銦鎵砷磷(InGaAsP)LED解調技術：直接強度調制/間接調制直接調制(IM)的設備簡單、成本低、容易實現間接調制速度高，調制對光源的工作不產生影響，但設備較為復雜。驅動電路

耦合器調制器光源電信號輸入光信號輸出第四頁，共三十四頁，2022年，8月28日基本光纖通信系統結構光傳輸部分光纖傳輸特性主要包括損耗、色散和非線性三個方面。光纖通信系統對光纖傳輸特性總的要求是有盡可能低的損耗和盡可能小的色散光放大器：將接收到的微弱光比特流信號直接放大而不需將其轉換為電信號，克服了光纖的損耗對系統性能的影響。（色散和非線性特性）光-電-光中繼：實際上是一個接收機一個發送機對，它將檢測到的微弱變形光信號，變為電信號，經放大整形后變成規則的電比特流，再調制光發送機，恢復原光比特流繼續沿光纖傳輸。（電子瓶頸）第五頁，共三十四頁，2022年，8月28日基本光纖通信系統結構光接收部分光電檢波器要求有高的響應度、低噪聲和快的響應速度。PIN光電二極管和雪崩光電二極管APD

短波長段：Si-APD

長波長段：Ge-APD；InGaAsP-APD；PIN接收方式：直接檢波方式/外差檢測（波）方式直接檢波(DD)的設備簡單、經濟，是當前實用光纖通信系統普遍采用的接收方式。外差檢測（波）方式(CD)能大幅度提高光接收機的靈敏度，但設備比較復雜，對光源的頻率穩定度和光譜寬度要求很高。

解調器光電檢測器耦合器光信號輸入電信號輸出第六頁，共三十四頁，2022年，8月28日光纖傳輸特性對系統的影響損耗由于損耗效應，使信號光強度大大減弱，低于接收探測器的靈敏度后系統不能正常工作。可以通過光放大技術進行補償色散信號能量中的各種分量由于在光纖中傳輸速度不同，而引起的信號畸變。對于高速率的系統（10Gb/s及以上）要實現長距離傳輸，必須采用色散補償技術。色散補償光纖(DCF)補償法、啁啾光纖光柵(DCG)補償法。非線性效應FWM、XPM只有多信道系統才能產生SBS、SPM在單信道、多信道系統中都會存在。第七頁，共三十四頁，2022年，8月28日§8.2數字光纖通信系統性能及測試主要性能指標誤碼性能平均誤碼率BER：在某一規定的觀測時間內（如24小時）發生差錯的比特數和傳輸比特總數之比。誤碼秒；嚴重誤碼秒BER劣于10-3的秒數嚴重誤碼秒（SES）BER0的秒數誤碼秒（ES）定義誤碼率參數對SDH系統，誤碼性能是以塊為單位進行度量的：誤塊秒比(ESR)、嚴重誤塊秒比(SESR)和背景誤塊秒比(BBER)第八頁，共三十四頁，2022年，8月28日§8.2數字光纖通信系統性能及測試定時性能：抖動與漂移抖動：數字脈沖信號的特定時刻（如最佳判決時刻）相對于其理想時間位置的短期的，非積累性的偏離。（前后變化的頻率大于10Hz）抖動使信號發生失真，系統的誤碼率上升以及產生或丟失比特導致幀失步等抖動的單位為UI，即偏差和碼元周期之比數字信號的抖動漂移：數字脈沖的特定時刻相對于其理想時間位置的長時間偏移。（前后變化的頻率低于10Hz）第九頁，共三十四頁，2022年，8月28日系統傳輸性能指標的測試數字光纖通信系統測試儀表－誤碼分析儀、SDH分析儀誤碼分析儀由三大部分組成：發碼發生器、誤碼檢測器和指示器。SDH分析儀不僅能測試PDH/SDH設備的全部誤碼性能和抖動性能，而且能分析和檢測SDH設備的幀結構和映射復用結構第十頁，共三十四頁，2022年，8月28日SDH誤碼率和接收靈敏度測試光接收機靈敏度測試步驟：按照圖接好儀表和光纖；調節光衰減器，逐步增大衰減值，使SDH分析儀測到的誤碼盡量接近但不能大于規定的BER（如10-10）；斷開R點，接上光功率計，得到光功率Pmin由公式Pr=10lg(Pmin/1mW)（dBm）計算得到接收靈敏度SDH光接收機靈敏度測試框圖第十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日SDH誤碼率和接收靈敏度測試光接收機動態范圍測試步驟：按照圖接好儀表和光纖；調節光衰減器，逐步增大衰減值，使SDH分析儀測到的誤碼盡量接近但不能大于規定的BER（如10-10）；斷開R點，接上光功率計，得到光功率Pmin逐漸減小光衰減器的衰減量，直至誤碼儀指示的誤碼率為某一要求值，此時接收的光功率為最大輸入功率Pmax。由公式D=10lg(Pmin/Pmax)(dB)計算得到接收靈敏度第十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日SDH抖動性能的測試測試步驟：如圖接好測試系統，但先不將低頻信號發生器連接到發送器上，開關K1置1，K2置2，由誤碼儀發送偽隨機碼。調節可變光衰減器的衰減量，使光接收機接收的光功率恰好在無誤碼的基礎上增加1dB；將低頻信號發生器發出的低頻信號加于誤碼儀的發送端，調制偽隨機碼，造成光端機輸入信號的抖動，逐漸加大低頻信號幅度，直至發生誤碼為止；將開關K1置3，測出此時的抖動值，即為此頻率下的輸入抖動容限；改變低頻測試信號的頻率，重復上述過程，逐頻點測量，最后畫出輸入抖動于頻率的對應關系。SDH抖動測試框圖第十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日WDM誤碼率的測試測試步驟：按圖連接好測試系統，首先從SDH分析儀發送的光信號經過衰減器后接入發端OTU單元，使發端波長轉換板接收的功率適中，對端站收端OTU單板加衰減做一個環回，接入反向同一路發端OTU，在本端站收端OTU進行接收，接收下來的信號接入SDH分析儀；啟動SDH測試儀，設置測試時間為24小時，根據接入信號的速率，設置SDH測試儀的數據結構，進行24小時誤碼測試。WDM誤碼率測試框圖第十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日WDM網絡接口抖動容限測試抖動容限：施加在輸入STM-N信號上能使光設備產生1dB光功率代價的正弦抖動峰-峰值。測試步驟：按圖連接好測試配置，選擇適當的光衰減器，使SDH測試儀和OTU接收光功率適當；根據波長轉換板接入速率，設置SDH為OTU的對應速率，并選擇抖動容限測試項；設置相應的測試頻率點和最大抖動值，設置為相應速率的模板；啟動測試，觀察測試結構是否滿足模板的要求。第十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日§8.3單通道數字光纖通信系統結構與設計系統結構PCM端機，輸入/輸出接口基本組成部分：光發送/接收端機，光纖線路，光中繼器IM-DD系統的組成原理圖第十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日PCM端機和輸入/輸出接口PCM端機在輸入側，PCM端機的把模擬信號轉換為數字信號（A/D變換），PCM編碼，把多路復接，合路，從而輸出高比特的數字信號。在輸出側，PCM端機將光信號變換為電信號，放大、再生，恢復出原來傳輸的信號并輸出用戶端。輸入/輸出接口實現光發送/接收端機與PCM端機之間碼型、電平和阻抗的匹配PCM編碼抽樣過程就是以一定的抽樣頻率f或時間間隔T對模擬信號進行取樣，把原信號的瞬時值變成一系列等距離的不連續脈沖。量化過程就是用一種標準幅度量出抽樣脈沖的幅度值，并用四舍五入的方法把它分配到有限個不同的幅度電平上編碼過程就是用一組組合方式不同的二進制脈沖代替量化信號。第十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日模擬信號367512抽樣量化編碼0246011110111101001010（3）（6）（7）（5）（1）（2）TPCM編碼過程例如，電話、語音信號的最高速率為4kHz，取抽樣頻率為f=8kHz，抽樣周期T=125μs每個量化信號用8個比特二進制代碼替代。(一個PCM語音信號的速率為8×8=64kbit/s)單極性二進制碼HDB3碼，CMI碼非歸零碼(NRZ)或歸零碼(RZ)第十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日光纖數字傳輸系統中的光端機有電接口和光接口。電接口是和PCM電端機相連的，因此其電接口碼型應該和PCM電端機的接口碼型相同。電接口碼型即電纜線路型為CMI和HDB3碼等雙極性碼。(PCM設備機器內部碼型為NRZ碼)光接口是光端機和光纜線路相連的。光接口碼型即光纖線路碼型為單極性的。光接口碼型常分為3類：擾碼二進制、分組碼和插入碼。線路碼型第十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日線路碼型定義：指適宜在線路中傳輸而有別于機器內部的碼型。線路編碼的作用：將傳送碼流轉化成便于在光纖中傳輸、接收及監控的線路碼型。光纖通信線路碼型的設計方法：把原來的標準碼率稍微提高一些，并進行適當的編碼以適應數字光纖通信的要求。由于碼率有所提高，就利用這些提高的碼率來平衡碼流，誤碼檢測、公務聯絡等。線路確定后就要通過編譯碼電路來加以實現，即在發送端要把機器內部碼型變換為光纖線路碼型，此過程由光端機中的輸入接口電路完成，接收端把收到的光纖線路碼型反變換為機器內部碼型，此過程由光端機中的輸出接口電路來完成。線路碼型第二十頁，共三十四頁，2022年，8月28日在PDH通信時代，線路碼型可以說是種類繁多、五花八門，但歸根結底可以分為三大類，當然每一類碼型中又可分為許多種。這三大類就是：擾碼二進制、分組碼和插入畢特碼。在SDH通信中，由于具有豐富的開銷字節使一些實用化問題得到解決，一般都采用擾碼二進制來作為光線路碼，例如STM-4和STM-16中，都采用七級擾碼將輸入的二進制NRZ碼進行擾碼后作為光線路碼輸出。線路碼型第二十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日SDH(STM-4)光同步傳輸設備技術指標線路碼型1、STM-4光接口?比特率622.080Mbit/s?碼型NRZ(+擾碼)?工作波長1310nm/1550nm2、STM-1光接口?比特率155.520Mbit/s?碼型NRZ(+擾碼)?工作波長1310nm/1550nm3、STM-1電接口?比特率155.520Mbit/s?碼型CMI,75Ω非平衡式接口4、PDH四次群接口?比特率139.246Mbit/s?碼型CMI,75Ω非平衡式接口5、PDH基群接口?比特率2.048Mbit/s?碼型HDB3,75Ω非平衡式接口或120平衡式接口第二十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日PDH傳輸設備(二次群光端機)技術指標線路碼型1、線路傳輸?線路碼型：1B1H(…………..)?線路傳輸速率：16.896Mb/s?主信道傳輸容量：2Mb/s×4等效120路數字話路?光波長：1310nm、1550nm（或單纖雙向）?平均發送光功率：FPLaser，-8～15dBm?光接收靈敏度：≤-34dBm?光接收動態范圍：≥20dB?光接口采用PC/FC尾纖連接2、2Mb/s數字接口?碼型：HDB3?速率：2048Kb/s±50ppm?阻抗：75Ω、不平衡第二十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日系統基本組成部分光發送端機光源、驅動器、調制器和功率放大器光接收端機光檢測器、前置放大、整形放大、定時恢復、判決再生電路器光纖線路光中繼器(OOO)方式，(OEO)方式第二十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日光纖通信系統設計的總體考慮點對點光纖通信系統基本要求達到預期的傳輸距離；滿足光纖傳輸容量；滿足系統的傳輸性能要求；系統的安全性、可靠性；價格、經濟因素；還應該考慮到系統的結構、規模、容量能否滿足未來若干年發展的趨勢，即可持續性第二十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日系統設計具體考慮的因素系統的制式、速率PDH，SDH；STM-1～STM-256，WDM＋SDH光纖選型G.652光纖、G.653光纖、G.654光纖光源的選擇主要考慮信號的色散、碼速、傳輸距離和成本等參數LD、LED光檢測器的選擇根據系統的碼速及傳輸距離PIN、APD工作波長的選擇根據通信距離和容量850nm、1300nm、1550nm中繼段距離確定損耗受限；色散受限第二十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日單通道系統中繼距離設計損耗受限系統：最大中繼距離受光纖損耗的限制色散受限系統：最大中繼距離受到光纖傳輸色散的限中繼距離受光纖線路損耗和色散(帶寬)的限制，明顯隨傳輸速率的增加而減小。中繼距離的設計有三種方法最壞情況法(參數完全已知)

統計法(所有參數都是統計定義)

半統計法(只有某些參數是統計定義)采用最壞情況設計法，用這種方法得到的結果，設計的可靠性為100%，但要犧牲可能達到的最大長度。第二十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日損耗受限系統損耗受限系統：光纖通信的中繼距離受諸傳輸損耗參數的限制，如光發送機的平均發光功率、光纜的損耗系數、光接收機靈敏度等。功率預算：使光纖通信系統在整個壽命期間，確保有足夠的光功率到達光接收機，以保證系統有穩定可靠的性能。Pt-Pr=AT+M+PP接收靈敏度平均發射功率線路總損耗系統富余量系統富余量：元器件老化溫度變化設計時通常取6dB光通道功率代價光通道功率代價：總色散代價ITU-T規定取1dB以下第二十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日AT=2AC+L(+s)線路總損耗包括：光纖損耗(dB/km)傳輸距離:傳輸距離(km)損耗受限系統連接器損耗（2×0.5dB)每公里熔接損耗(0.025dB/km)第二十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日例題：某140Mbit/s光纖通信系統的參數為：光發送機最大發光功率Pmax=-2dBm光接收機靈敏度Pr=-43dBm光纖損耗系數=0.4dB/km系統富余度M=6dB活接頭損耗AC=0.5dB每公里接續損耗s=0.025dB/km無需中繼器，所能傳輸的最長距離？（不考慮色散代價）因碼率較低，可以不考慮光通道功率代價如果采用NRZ碼調制，則光發送機平均發送光功率Pr應該是最大發光功率的一半損耗受限系統第三十頁，共三十四頁，2022年，8月28日

解答：比特率為140Mbit/s

最大允許鏈路損耗=Pt-Pr=-5–(-43)=38dB

光纖損耗