郭薇 教授 （wguo@sjtu.edu.cn、34205419） 何广强 副教授（gqhe@sjtu.edu.cn、34208104） 第5章 光通信系统 主讲人 郭薇 教授 （wguo@sjtu.edu.cn、34205419） 何广强 副教授（gqhe@sjtu.edu.cn、34208104） 电信学院 电子工程系 区域光纤与新型光通信系统国家重点实验室

主要内容 5.1 点到点链路 5.2 线路编码 5.3 系统性能分析

Simple point-to-point link 5.1 点到点链路 终端 中继站 中继站 终端 Tx Rx Tx Rx Tx Rx L L L Simple point-to-point link

5.1.1 光纤链路的设计要求 传输系统要求： 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）； 5.1.1 光纤链路的设计要求 传输系统要求： 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）； 器件和相关的特性参量： 1、单模光纤或多模光纤 （a）纤芯尺寸 (b）纤芯折射率剖面 （c）带宽或色散 （d）损耗 （e）数值孔径或模场直径

2、LED 或半导体激光器光源 （a）发射波长 （b）谱线宽度 （c）输出功率 （d）有效辐射区 （e）发射方向图 （f）发射模式数量

3、pin 或APD光电二极管 （a）响应度 （b）工作波长 （c） 速率 （d）灵敏度 系统性能分析：链路功率预算和系统展宽时间预算

5.1.2 链路的功率预算 光功率损耗模型 （连接器损耗、熔接点损耗、光纤损耗）

单元损耗： Pin和Pout分别表示损耗单元的输入及输出功率。 链路损耗预算： PT 是总光功率损耗，Ps是激光器输出端耦合进光纤的功率, PR是接收机灵敏度，lc是连接损耗(固定连接0.1-0.2dB,活动连接<1dB)， L是光纤长度(中继距离），f 是光纤衰减系数（损耗）。 Redundance:系统富裕度（6-8dB）。

中继距离: 中继距离与工作波长有关，在长距离通信中多采用1550nm和1300nm波段 由于光接收灵敏度与码率有关，随着码率的增加，接收灵敏度下降，中继距离随之缩短

例5.1 假定数据速率为20Mb/s，误码率为10-9（每发送109个比特，其错误最多为一个）。对于接收机，可以选择工作在850nm的Si PIN 光电二极管。接收机所需要的信号功率为-42dBm，下面我们选择一个GaAlAs LED，使其能够把50微瓦（-13dBm）的平均光功率耦合进纤芯直径为50微米的尾纤，这样就允许有29dB的损耗。可以进一步假设尾纤与光缆的连接损耗为1dB，在光缆光-检测器的连接点上也有1dB的连接损耗。包括6dB的系统富余度，对于衰减为 的光缆，其传输距离为： 如果衰减为3.5dB/km,则传输距离为6km。

链路损耗预算图示法 从LED耦合进尾纤的功率 -13 dBm 连接器损耗 -14 dBm 耦合进光缆的功率 3.5 dB/km的光缆损耗 预期的传输 距离 由光缆和熔接点 带来的总损耗 -21 dB 6 dB的系统余量 pin接收机灵敏度 -42 dBm -13 dBm -14 dBm -35 dBm -41 dBm

5.1.3 展宽时间预算 限制系统速率的四个主要因素为： 1. 发送机展宽时间ttx； 2. 光纤群速率色散 (GVD) 展宽时间tGVD； trising 限制系统速率的四个主要因素为： 1. 发送机展宽时间ttx； 2. 光纤群速率色散 (GVD) 展宽时间tGVD； 3. 光纤模式色散展宽时间tmod； 4. 接收机展宽时间trx 定义：链路总的展宽时间tsys等于每种因素引起的脉冲展宽时间ti的平方和的平方根： 一般来说，一条数字链路的总展宽时间不能超过NRZ比特周期的70%，或不超过RZ比特周期的35%。 90% 10%

发射机和接收机展宽时间 发射机的展宽时间ttx主要取决于光源及其驱动电路，而接收机的展宽时间由光检测器响应时间和接收机电路的3 dB带宽来决定。接收机电路可以由一个具有阶跃响应的一阶低通滤波器来模拟： Brx为接收机3dB带宽，u(t)为阶 跃函数。如果Brx以兆赫兹为单 位，则接收机展宽时间为纳秒 级：

光纤展宽时间 1. 由群速率色散导致的展宽时间： D：平均色散系数；L：光纤长度；sl：光源半功率谱宽 2. 模式色散引起的展宽 (多模光纤) B0表示光缆的带宽 (MHz·km)，q一般在0.5~1之间取值

系统总展宽时间 例5.2：假定LED及其驱动电路有15 ns的展宽时间。采用典型的 40 nm谱宽的LED，在6 km的链路上可以得到与材料色散相关 的21 ns展宽时延。假定接收机有25 MHz的带宽，则可得到接 收机的上升时延为14 ns，如果我们选择的光纤有400 MHz·km 的带宽距离积，而且q = 0.7，则模式色散引起的光纤展宽时间 为3.9 ns。可以得到链路的展宽时间为： 对于20 Mb/s (50 ns)的NRZ数字流，这个结果低于允许的35 ns的最高上升时延。故这些器件的选择符合系统设计标准。

例5. 3 我们假定LD及其驱动电路有0. 025ns(25ps)的展宽时间。采用谱宽为0. 1nm、平均色散为2ps/(nm 例5.3 我们假定LD及其驱动电路有0.025ns(25ps)的展宽时间。采用谱宽为0.1nm、平均色散为2ps/(nm.km) 的1550nm半导体激光器，在60km长的光纤上，总共有12ps（0.012ns)与GVD相关的展宽时间。假定基于InGaAs-APD的接收机有25GHZ的带宽，则可得接收机的展宽时间为0.14ns。把不同部分的展宽时间代入，可得到总的展宽时间为0.14ns。 器件 展宽时间 展宽时间预算 允许的展宽时间预算   tsys=0.7/BNRZ=0.28ns 激光发送机 25ps 光纤的GVD 12ps 接收机展宽时间 0.14ns 系统展宽时间

5.1.4 系统设计方法 数字光纤通信系统一般分为无光纤放大器系统和有光纤放大器系统(需考虑光信噪比）。系统设计的主要问题是确定中继距离，尤其对长途光纤通信系统，中继距离的设计对系统的性能和经济效益影响很大。最坏值设计法和统计设计法是常用的设计方法。 数字光纤通信系统组成

（1）最坏值设计法： 最坏值设计法就是在设计再生段距离时，所有参数(包括光功率、光谱范围、光谱宽度、接收机灵敏度、光纤衰减系数、接头与活动连接器插入损耗等参数)均采用寿命期中允许的最坏值，而不管其具体的分布如何。 （2）统计设计法 统计设计法是利用光参数分布的统计特性更有效地设计再生段距离。与最坏值设计法相比，统计设计法可以延长再生段距离，但横向兼容性不再满足。

5.1.5 系统设计考虑 1、确定波长：如果数字信号传输距离不太远，可以选择800nm到900nm之间的波长。如果传输距离较远，可以选择1300nm或1500nm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）。首先选择检测器，然后选择光源和光纤。选择检测器时，重点考虑光检测器所需要的最小光功率，这项指标是为了在特定传输速率的条件下满足误码率的要求。

（1）PIN or APD PIN具有结构简单，温度变化时性能稳定，成本低，偏置电压低于5V，而APD偏置电压在40V到几百V之间。而APD具有更高的灵敏度，具有接收更微弱光信号的能力。

（2）LED or LD 激光器的输出谱宽比LED窄。波长在800nm和900nm的范围内，LED的谱宽和石英光纤的色散特性把带宽距离积限制在150(Mb/s).km左右。要达到更高的数值，如2500(Mb/s).km以上，则在此波长区域使用LD。当波长在1300nm左右时，该区域光纤的色散很小，此时使用LED就可以得到1500(Mb/s).km的带宽距离积。若采用InGaAs激光器，则该波长区域上的带宽距离积可以得到25(Gb/s).km。在1550nm波长区域内，单模光纤的极限带宽距离积可以得到500(Gb/s).km。 LD耦合进光纤链路的功率比LED要高出10dB到15dB。LD具有更长的无中继传输距离。但半导体激光器价格昂贵，而且需要复杂的驱动电路来控制温度。

5.1.6 第一窗口传输距离 采用800nm的LED光源/Si pin光检测器组合和850nm半导体激光器光源/Si APD检测器组合时，其传输距离随数据速率变化的曲线 (BER=10-9，1dB连接器耦合损耗，6dB系统富余度） 5

采用衰减为0.3dB/km的单模光纤，激光器工作在1550nm时，传输距离随数据速率变化的曲线 5.1.7 单模光纤链路的传输距离 采用衰减为0.3dB/km的单模光纤，激光器工作在1550nm时，传输距离随数据速率变化的曲线

5.1.8 数字光通信系统优点 (1) 抗干扰能力强，传输质量好。 (2) 可以再生，传输距离远。 5.1.8 数字光通信系统优点 (1) 抗干扰能力强，传输质量好。 (2) 可以再生，传输距离远。 (3) 数字系统采用大量的数字电路，容易集成，采用超大规模集成电路芯片使数字设备体积小，功耗低。

5.2 线路编码 设计光纤链路是，要考虑的一个重要因素是传输的光信号 格式，其重要性在于实际的系统中，能够： 5.2 线路编码 设计光纤链路是，要考虑的一个重要因素是传输的光信号 格式，其重要性在于实际的系统中，能够： 1. 容易提取出时钟信息以便接收机的判决 2. 具有较强的抗色散和抗非线性效应 3. 在数据流中引入冗余码，使信道干扰引起的误码最小 常用的光信号的传输格式包括：NRZ、RZ等

NRZ 特点：使用一个充满完整周期的光脉冲代表1，没有光代表0

NRZ的优缺点 优点：码型产生简单，且容易解码 缺点：在出现长连0或1时不容易提取同步信息，容易产生基 线漂移增大判决难度，且没有内在差错检测 (纠错) 能 力 光脉冲只能采 取单极性，因 此光脉冲包含 直流分量 交流耦合网络不能通过码流包含的直流分量，矩形脉冲经过交流耦合网络时出现反极性拖尾 脉冲序列的拖尾相互交叠造成基线漂移 对于给定的判决阈值，漂移将影响判决

RZ 特点：比特1的光脉冲仅占比特周期的一部分，典型的有33% RZ、50% RZ和67%RZ 产生：NRZ信号乘以一个频率为信号比特率两倍的clk信号

RZ 优点：长连1仍带有时钟信息，抗非线性效应能力强 缺点：长连0时仍然容易导致时钟丢失；且占用的带宽为NRZ 的2倍，因此抗色散能力差；无误码检测与纠错能力。

曼彻斯特码 特点：每个比特周期内都发生电平翻转，根据翻转的极性不同 来区分0和1 一般采用NRZ和时钟信号的模二加运算获得 优点：在长连0和1的时候，仍然能保持时钟信息，易于编解码

分组码 mBnB 特点：将m位二进制比特编成n (n>m)位码并在相同的时间长度 内发送出去，即在数据流中引入冗余 优点：能避免长连0和长连1的出现 冗余的引入可以增强纠错能力 缺点：带宽比原来增大了n/m倍 例如：曼彻斯特码就是一种1B2B码，‘1’ ‘10’, ‘0’  ‘01’

5.2.4 纠错 提高数据传输可靠性的方法：自动请求重发（ARQ）和前向纠错（FEC） 自动请求重发（ARQ）： 5.2.4 纠错 提高数据传输可靠性的方法：自动请求重发（ARQ）和前向纠错（FEC） 自动请求重发（ARQ）： 若接收机检测出误码，则通过反馈信道技术请求消息重发。不适于需要较低执行时间的场合。 信源 发送控制器 接收控制器 编码器 用户 解码器 反馈信道 自动请求重发（ARQ）

前向纠错（FEC）： FEC避免了高带宽的光网络要求低延迟条件时ARQ的缺点。在FEC技术应用中，辅助信息和主信息同时传输，若主信息丢失或接收到误码，辅助信息可以重构主信息。最常用的纠错码为循环码。将它们标记为（n，m），其中n等于原比特数m加上冗余比特数。 一些已经得到应用的例子，如（224，216）短化的Hanming码、（192，190）Reed-Solomon码、（255，239）Reed-Solomon码、（18880，18865）和（2370，2385）短化的Hanming码。

5.3 系统性能分析 数字光纤通信系统的性能主要包括： （1）误码性能(功率代价） （2）抖动性能 （3）系统的可靠性。

误码性能(功率代价） 1.误码起源 发射端： 传输链路 接收端 消光比 激光强度噪声 激光相位噪声 模分配噪声 调制啁啾 光纤及光器件的色散引起的码间串扰 光纤及光器件的非线性效应 光放大器引入的噪声(ASE) 模式噪声 光纤连接点的反射 接收端 各种噪声源（光电检测器散弹噪声、雪崩倍增噪声、放大器热噪声等） 定时抖动 信道串绕（波分复用系统）

2.误码特性的评定方法 （1）长期平均比特误码率 长期平均误码率是指在较长的一段时间内的平均误码率。仅适于单个随机误码情况，不适于突发的群误码的情况。 （2）误码的时间率 以比特误码率超过规定阈值（BERT）的百分数来表示。 10-9 不可接受时间 1× T0 劣化时间 4× T0 10-6 10-3 T0 TL

（3）传输功率代价 系统传输功率代价是表征系统传输质量的最佳方法 分别测试传输前后的接收误码率与接收功率的关系曲线，由此获得某一误码率下因为传输引入的接收灵敏度的差，称之功率代价 Tx 可变衰减器 Rx 传输前接收灵敏度测试方法 Tx 传输链路 可变衰减器 Rx 传输后接收灵敏度测试方法

（4）Q参数测试 有时我们关心的只是系统传输后的质量，并不需要了解传输功率代价 Q参数最能表征接收信号的质量 Q参数较高时，对应的BER非常小，无法通过直接测试BER获得Q参数 实验上Q参数测量方法：调整判决电平，测量BER与判决电平的关系曲线，由此可推算信号的Q参数及其相应的优化判决电平 判决电平

5.3.2. 抖动和漂移特性 抖动是电信号传输过程中的一种瞬时不稳定现象。它定义为：数字信号的各有效瞬间对其理想时间位置的短时偏移。 5.3.2. 抖动和漂移特性 抖动是电信号传输过程中的一种瞬时不稳定现象。它定义为：数字信号的各有效瞬间对其理想时间位置的短时偏移。 抖动可分为相位抖动和定时抖动。相位抖动是指传输过程中所形成的周期性的相位变化。定时抖动是指脉冲编码传输系统中的同步误差。

定时抖动对网络的性能损伤表现在下面几个方面： 发送信号 接收信号 定时抖动对网络的性能损伤表现在下面几个方面： ① 对数字编码的模拟信号，在解码后数字流的随机相位抖动使恢复后的样值具有不规则的相位，从而造成输出模拟信号的失真，形成所谓抖动噪声；

② 在再生器中，定时的不规则性使有效判决偏离接收眼图的中心，从而降低了再生器的信噪比余度，直至发生误码； ③ 在SDH网中，像同步复用器等配有缓存器的网络单元，过大的输入抖动会造成缓存器的溢出或取空，从而产生滑动损伤。

5.2.3. 系统可靠性 系统的可靠性一般采用故障统计分析法，即根据实际调查结果，统计足够长时间内的可用时间和不可用时间，然后用可用性指标来表示。所谓可用性是指可用时间占系统全部运营时间的百分比。因为是统计量，因此统计时间越长，所得结果越精确。

可用性的表示方法：  其中，MTBF：平均故障时间； MTTR：平均故障修复时间 失效性的表示方法： 

第五次作业 5.3 A star network uses directional couplers with 0.5-dB insertion loss to distribute data to its subscribers. If each receiver requires a minimum of 100nW and each transmitter is capable of emitting 0.5 mW, calculate the maximum number of subscribers served by the network.