张富宝_第7章_光纤通信系统及设计

第7章光纤通信系统及设计第7章光纤通信系统及设计7.1模拟光纤传输系统概述7.2典型的模拟光纤通信系统7.3数字光纤通信系统7.4IM-DD数字光纤通信系统设计7.5WDM+EDFA数字光纤链路设计习题七第7章光纤通信系统及设计7.1模拟光纤传输系统概述7.1.1系统构成一个模拟链路的基本单元如图7.1所示，它包括光发送机、光纤传输信道和光接收机。图7.1模拟链路的基本单元光发送机光接收机电模拟信号电模拟信号第7章光纤通信系统及设计光发送机可以是LED或LD。采用LED设备简单，价格便宜。而用LD作光源，比用LED有较大的入纤功率，可以延长传输距离，但引起系统非线性失真的因素较多。系统中所使用的光纤应在所传输的通带范围内具有平坦的幅度响应和群时延响应，以减小信号的失真。由于模式色散所造成的带宽限制是难以均衡的，所以最好采用单模光纤。另外还要求光纤的损耗要小，因为系统载噪比是接收光功率的函数。第7章光纤通信系统及设计在光接收机中，可以使用PIN或APD光电二极管，主要的问题是对量子噪声或散粒噪声、热噪声、APD的倍增噪声和电路噪声等的分析。第7章光纤通信系统及设计7.1.2模拟调制技术对光纤通信系统来说，数字通信系统所采用的数字调制方式具有较强的数字处理能力、抗干扰能力，无噪声积累且适宜于长距离干线传输。但这种方式设备复杂，价格昂贵。而模拟设备比较简单便宜，调制方式多样，使用灵活，因此在图像和数据信号的传输中获得了较多的应用。第7章光纤通信系统及设计对于图像信号的传输，一般采用基带电视信号直接调制光脉冲强度，称为基带直接强度调制；另一种调制方式是先用脉冲幅度调制（PAM）、脉冲频率调制（PFM）、脉冲宽度调制（PWM）、脉冲间隔（位置）调制（PPM）的方式把基带信号调制到一个电的副载波上，再用这个副载波去强度调制（IM）光脉冲。几种不同的脉冲调制波形见图7.2。第7章光纤通信系统及设计图7.2几种不同的脉冲调制波形基带信号方波频率调制脉冲间隔调制第7章光纤通信系统及设计7.1.3主要的噪声和信噪比衡量模拟通信系统性能的重要参量是信噪比，即均方信号电流和均方噪声电流之比：22NSiiNS（7.1）第7章光纤通信系统及设计对于模拟接收机，影响噪声的因素主要有：接收机的噪声，非线性失真，光路反射等。其中，接收机噪声包括光检测器的噪声，接收机电路的热噪声，激光器的相对强度噪声等。非线性失真主要有激光器的非线性和光纤色散所引起的非线性。由前面的分析可知，检测器光电二极管的噪声为eqxDPNBGIIei22)(2（7.2）第7章光纤通信系统及设计检测器前置放大器的噪声为teqeqBTTFBRTki422（7.3）其中：kB为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；Req为检测器负载和前置放大器的等效电阻；Ft为前置放大器的噪声系数，通常为2～3dB。第7章光纤通信系统及设计7.2典型的模拟光纤通信系统7.2.1基带直接强度调制对于基带直接强度调制光纤通信系统，光源的模拟调制响应如图7.3所示。第7章光纤通信系统及设计图7.3基带直接强度调制光纤系统光源的模拟调制响应t光载波强度基带信号光载波光源驱动及调制基带输入光纤放大器低通滤波器基带输出PpPi第7章光纤通信系统及设计设基带信号α(t)为正弦信号，调制作用于光源的线性区，则输出光功率P(t)的包络和输入的驱动电流有相同的波形。调制指数m定义为输出光功率的峰-峰值Pp和平均发送光功率Pi的比值：ipPPm（7.4）第7章光纤通信系统及设计假设信号角频率为ωm，则发送信号的光功率为PT(t)=Pi(1+mcosωmt)（7.5）i(t)=GIp(1+mcosωmt)（7.6）对于一个正弦接收信号，接收机输出端的均方信号电流为22)(5.0PmRGiS（7.7）第7章光纤通信系统及设计信噪比为eqteqBeqxDPRFTBkBGIIePmRGNS/4)(2)(5.022在电视信号传输中，常采用图像信号功率的峰-峰值和噪声信号的均方值来表示其信噪比，则上式可写为eqteqBeqxDPPrmsPPRFTBkBGIIeGmINS/4)(2)(222（7.9）第7章光纤通信系统及设计7.2.2多信道传输前面所述的基带直接强度调制仅是单信道传输的情况，对于光纤巨大的带宽资源，可以使用多路信号的复用技术。首先可以把基带信号用AM、FM、PM等调制方式调制到频率为f1、f2、…、fN的N个载波（称为副载波）上，然后再把这N个信号频分复用（FDM），调制一个光源，如图7.4所示。第7章光纤通信系统及设计图7.4N个信道的频分复用功率合成器光发送光接收带通滤波器…光纤信道…f1fNf1fN第7章光纤通信系统及设计在副载波强度调制系统中，信息加在载波上，所以可以用载噪比（C/N）来衡量传输质量的好坏。载噪比定义为载波功率和噪声功率之比。其中，噪声功率包括光源的噪声功率，检测器的噪声功率，系统噪声功率等。与基带直接调制相似，对于调制指数为m的正弦接收信号，接收机的载波功率为2)(5.0PmRGC（7.10）第7章光纤通信系统及设计光检测器及前置放大器噪声如7.1.3节所分析。光源噪声是指激光器的相对强度噪声RIN（dB/Hz），即由光源的输出光的幅度或强度的起伏所产生的光强度噪声，定义为LD输出的均方功率脉动〈(ΔP)2〉与平均光功率平方P2之比，即22PPPIN（7.11）则均方噪声电流可以表示为eqRINRINBPRRINi222)(（7.12）第7章光纤通信系统及设计由以上载波功率和各项噪声功率可得载噪比为eqeqteqxDPeqRBkTFBGIIeBPRRINPmRGNC/4)(2)()(5.0222（7.13）当接收光功率较低时，系统的噪声主要是检测器前置放大器的噪声，此时的载噪比极限为eqeqRkTFtBPmRGNC/4)(5.02（7.14）第7章光纤通信系统及设计此时的载噪比与接收光功率的平方成正比，所以P每变化1dB，C/N的值将变化2dB。对于设计良好的光电二极管，体暗电流噪声和表面暗电流噪声很小，对于中等光接收功率，此时系统的噪声主要是光检测器的量子噪声，此时的载噪比为eqxBeGPRmNC42（7.15）此时，P每变化1dB，C/N也将变化1dB。第7章光纤通信系统及设计当激光器的RIN很高时，RIN成为系统的主要噪声，此时的载噪比为eqBRINmGNC)(4)(2（7.16）第7章光纤通信系统及设计此时，P每变化1dB，C/N也将变化1dB。当激光器的RIN很高时，RIN成为系统的主要噪声，此时的载噪比为此时的载噪比与P无关，只有提高调制指数m，才能提高系统性能。第7章光纤通信系统及设计图7.5给出了一个具体的计算例子，其中的参数为LD：m=0.25，RIN=-143dB/Hz，Ps=0dBm；PIN:R=0.6A/W，B=10MHz，ID=10nA，Req=750Ω，Ft=3dB。由图中可以看到，在接收光功率很高时，光源的噪声是主要噪声；而当接收光功率为中等大小时，主要噪声是量子噪声，成线性变化；当接收光功率很低时，热噪声是主要的噪声。第7章光纤通信系统及设计图7.5接收光功率与载噪比特性0－4－8－12－16－20接收光功率/dBm接收机噪声极限量子噪声极限RIN极限总的C/N50545846载噪比/dB第7章光纤通信系统及设计7.2.3VSB-AM/FM调制传输多信道传输的实现技术包括残留边带调幅（VSB-AM）、调频（FM）、微波副载波调制（SCM）等。其中，AM方式是最简单经济的方法，并且和CATV用户相兼容，但是AM信号易受到噪声和非线性失真的影响。虽然FM信号需要占用较大的带宽，但FM调制方式可以提供较高的信噪比，并且几乎不受光源的非线性影响。第7章光纤通信系统及设计对于我国PAL-D制式的VSB信号，信噪比与载噪比之间有如下的关系表达式：dBNCNS4.6（7.17）即信噪比和载噪比只相差一个常数，所以信噪比的提高依赖于载噪比的提高。在CATV干线传输中，所要求的加权信噪比为46～50dB。第7章光纤通信系统及设计AM调制方式对非线性失真比较敏感。当有多个频率通过激光器这样的非线性器件时，会产生新的频率分量，这些不希望得到的新的频率分量称为交调产物，它们会引起严重的信号干扰，其中由于高阶项所产生的影响非常小，所以一般只考虑二阶和三阶产物。频率为fi±fj的拍频分量为二阶交调产物，频率为fi+fj-fk的分量为三阶差拍交调产物，频率为2fi-fj的分量为双频三阶交调产物。第7章光纤通信系统及设计通常使用合成二阶（CSO）和合成三重差拍（CTB）来描述AM对CATV线路的非线性失真影响。它们的定义分别为CSO=峰值载波功率合成二阶交调差拍的峰值功率CTB=峰值载波功率合成三阶交调差拍的峰值功率第7章光纤通信系统及设计在CATV线路中，CSO的影响在通带边缘最为明显，而CTB的影响在通带中间最为明显。对于有N个信道的FDM调制系统，假设每个信道取相同的调制指数mc，则光调制指数m5.0Nmmc第7章光纤通信系统及设计当m取值小于0.24时，CSO和CTB可大于60dB。当N较大时，mc仅为0.04～0.05。而AM系统要求的载噪比很高（40dB），所以对系统各方面要求较高，功率富余度相当小。AM调制方式的每个信道的载噪比至少40dB的要求对激光器和接收机的线性度提出了极为苛刻的要求，而FM方式可以通过使用较高的带宽来获得信噪比的改善。FM所需带宽为30MHz，而AM所需带宽为4MHz（我国PAL制式为6MHz）。第7章光纤通信系统及设计在FM输出端的信噪比的值比检测器输入端的载噪比要大得多，其信噪比的改善可以表示为223lg10vppvfffBNCNS（7.18）第7章光纤通信系统及设计其中：B为所需带宽；Δfpp为调制器的峰—峰频偏;fv为最高视频信号频率；w为加权系数，用于考虑视频带宽中眼图对白噪声的非均匀响应。对于fv=4MHz的视频信号，w为14.3dB。如果要求的信噪比为56dB，此时只需20dB的载噪比，可见FM方式对载噪比的要求减低了很多，从而对光源的非线性以及接收机的噪声要求也大大降低。图7.6是AM和FM视频信号的RIN值与每信道光调制指数之间的关系曲线。第7章光纤通信系统及设计图7.6AM和FM视频信号的RIN值与每信道光调制指数m之间的关系曲线－100－120－140－160RIN/(dB/Hz)FM-TV(30MHzBW)SNR＝52dBSNR＝60dBSNR＝40dBSNR＝50dBAM-TV(4MHzBW)10－210－1光调制指数m100第7章光纤通信系统及设计从图中可以看到，当m为0.05时，要达到演播级的接收质量，需要S/N≥56dB。对于FM调制方式，RIN要小于-120dB/Hz，显然我们很容易找到RIN标称值为-130dB/Hz的典型封装的半导体激光器；而对于AM调制方式，要求C/N≥40dB，则激光器的RIN值要低于-140dB，显然这个要求是很高的。第7章光纤通信系统及设计图7.7显示的是AM和FM视频信号分配系统中功率富余度和光调制指数OMI之间的关系曲线。其中:耦合到单模光纤中的光功率是0dBm，RIN=-140dB/Hz；PIN光电二极管有一个50Ω的前端，放大器噪声系数Ft为2dB；每个信道的AM带宽为4MHz，FM带宽为30MHz。假定每个信道的光调制指数为0.05，对于一个信噪比为40dB的AM系统，功率预算为10dB，而对于FM系统，S/N为52dB时，功率富余度达20dB。第7章光纤通信系统及设计图7.7AM和FM系统中，功率预算和光调制指数（OMI）的关系曲线FMSNR＝52dBFM60dBAM40dBAM50dB10－110－2102030每信道的OMI功率预算/dB0第7章光纤通信系统及设计我们知道，调频信号的解调噪声谱呈抛物线形状，即随着基带频率的增高，解调噪声也越