第八章 数字传输系统

8.1 点到点链路8.2 线路编码8.3 系统性能分析

Simple point-to-point link

8.1 点到点链路

为达到系统要求，通常需要反复的设计和分析，以确保在不超过器件限制的前提下使预期性能指标在系统的设计寿命期内保持稳定。

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

8.1.1 光纤链路的设计要求

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

1. 确定波长： - 传输距离不太远，可以选择 800 nm 到 900 nm 之间的波长 - 传输距离较远，可以选择 1300 nm 或 1500 nm 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 ) - 模块选择顺序为：检测器 光源 光纤链路 - 根据检测器的灵敏度和光源的发射功率决定链路中是否需 要放大器

链路功率预算：系统考虑

综合考虑光检测器的性能 ( 如灵敏度 ) 、复杂度和成本

pin 结构简单，温度变化时性能稳定，成本低，偏置电压低 (< 5 伏特 ) ；

APD 具有更高的灵敏度，能接收微弱的光信号，但是 APD 成本相对较高，偏置电压在 40 伏特到几百伏特之间，且需要温控。

光检测器的选择

1. LD 的输出谱宽比 LED 窄 - 800 nm ~ 900 nm ： 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，则需要使用 LD 。 - ~ 1300 nm ：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达到 25 (Gb/s)·km - ~ 1550 nm ：单模光纤的带宽距离积可达到 500 (Gb/s)·km

2. LD 发光强度高，输出光束窄， LD 耦合进光纤链路的功率 比 LED 要高出 10 dB 到 15 dB 因此 LD 具有更长的无中继传输 距离

3. LD 价格昂贵，而且需要温控

光源的选择

对于光纤而言，我们可选择单模或多模光纤，二者都可能是阶跃或渐变折射率光纤。单模光纤由于不存在模间色散的问题，因此被用于长途传输；多模光纤则用于短途传输。

在考虑光纤的时候还需要包括光纤成缆时，连接时，弯曲时，以及环境变化时带来的附加损耗。

光纤的选择

8.1.2 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）

尾纤

连接器

发射机熔接点 光 纤

接收机

连接器

尾纤连接器

单元损耗：

in

out

P

P10log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：redundanceLlPPP fcrst 2

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 ， L 是 光 纤 长 度 ， 是 光 纤衰减系 数 （ 损耗）。 Redundance: 系统富裕度（ 6～ 8dB）。

f

例 8.1 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：

f

dBLdBdBPPP fcrst 6)1(229

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 耦合进尾纤的功率连接器损耗

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 的系统余量连接器损耗

pin 接收机灵敏度 -42 dBm

-13 dBm-14 dBm

-35 dBm

-41 dBm

器件 / 损耗参数 (dB) 输出 / 灵敏度 / 损耗 功率富余度激光器输出 3 dBm  

APD 在 2.5Gb/s 时的灵敏度 -32 dBm  允许损耗 [3-(-32)]   35光源连接器损耗 1 dB 34

跳线 + 连接器损耗 3+1 dB 30光缆损耗 (60 km) 18 dB 12跳线 + 连接器损耗 3+1 dB 8接收机连接器损耗 1 dB 7

例：链路损耗预算列表法 假定一个 1550 nm 的半导体激光器，其发送到尾纤的光功率为 3 dBm ，一个 InGaAs APD在 2.5 Gb/s 时灵敏度为 -32dBm ；一条 60 km 长的光缆，衰减为 0.3 dBm/km 。由于设备安装需要，在传输光缆的末端与 SONET 设备架之间的每个端口都需要一条短跳线，假定每条跳线有 3 dB 的损耗。另外，假设每个光纤连接点上有 1 dB 的连接损耗。

8.1.3 展宽时间预算

2/1

1

2

N

iisys tt

限制系统速率的四个因素：（ 1 ）发送机展宽时间 ttx

（ 2 ）光纤群速率色散（ GVD ）展宽时间 tGMD

（ 3 ）光纤模式色散展宽时间 tmod

（ 4 ）接收机展宽时间 trx

展宽时间可用来确定光纤链路中的色散限制。链路总展宽时间为：

2/12

222

0

22/1222mod

2 350440

rx

q

rxrxGVDtxsys BLD

B

Ltttttt

例 8.3 我们假定 LED 及其驱动电路有 15ns 的展宽时间。采用典型的 40nm 谱宽的 LED ，在 6km 的链路上可以得到与材料色散相关的 21ns展宽时延。假定接收机有 25MHz 的带宽，则可得到接收机的上升时延为 14ns ，如果我们选择的光纤有400MHzkm 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 3.9ns 。可以得到链路的展宽时间为：

nsnsnsnsnsttttt rxGVDtxsys 30149.321152/122222/1222

mod2

对于 20Mb/s的 NRZ 数字流，这个结果低于允许的 35ns 的最高上升时延。这些器件的选择符合系统的设计标准：

例 8.4 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   0.14ns

     

8.1.4 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。工程上常用的设计方法主要有三种：最坏值设计法、统计设计法和联合设计法。

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。

(3) 联合设计法在某些情况下，按标准的光接口参数值进行设计不能满足实际工程再生段距离，运营者需要仔细考虑设计中不满足光接口规范的主要方面。

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）

8.1.5 第一窗口传输距离

8.1.6 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

8.1.7 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。

线路编码是指使用一套规则把信号符号编排为一个特殊的格式。其主要功能是在数据流中引入冗余码，从而使信道干扰引起的误码最小。

三种常用的编码方式：（ 1 ）非归零（ NRZ ）格式（ 2 ）归零（ RZ ）格式（ 3 ）相位编码（ PE ）格式

8.2 线路编码

NRZ-L data pattern

8.2.1 NRZ 码

码型产生简单，编解码容易实现，无误差监测或纠错能力，无自有时钟 (N 个长码被判为 N+1或 N-1 个。传输长连 1 或连 0 时，易产生误码。

长连 1码引起的接收机基线漂移（由于接收机低频效应引起输出脉冲的拖尾所致）有可能产生误码。

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

8.2.2 RZ 码

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，易于编解码缺点：占用的带宽为 NRZ的 2倍，无误码检测与纠错能力。

mBnB分组码是将m个二进制比特构成的分组，转化为更长的由 n(n>m，一般 n=m+1)个二进制比特构成的分组。附加的冗余比特以 n/m的比率增加带宽，但其没有长的连 1和长的连 0码，没有基线漂移问题，可提供足够的定时和检错信息。 适合高速传输的有3B4B、 4B5B、 5B6B、 8B10B码。

8.2.3 分组码

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’

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 编码器 解码器

接收控制器

用户

反馈信道

自动请求重发（ ARQ）

8.2.4 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）

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。

前向纠错（ FEC ）：

（ 224， 216 ）码

缺点：占用额外带宽

采用 FEC 可以使误码率降低，从而使系统性能得到相对改善。

8.3 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 （ 2）抖动性能 （ 3 ）系统的可靠性。

8.3.1. 误码特性1. 误码概念

误码就是经接收判决再生后，数字码流的某些比特发生了差错，使传输信息的质量产生了损伤。

① 内部机理产生的误码它包括各种噪声源产生的误码；定位抖动产生的误码；复用器、交叉连接设备和交换机的误码。

② 脉冲干扰产生的误码一些具有突发性质的脉冲干扰如外部电磁干扰、静电放电、设备故障、电源瞬态干扰和人为活动会产生误码。

2.误码源（ 1）各种噪声源 接收机光电检测器散弹噪声、雪崩倍增噪声、放大器热噪声等。

（ 2）色散引起的码间串扰（ 3）定位抖动产生的误码（ 4）复位器、交叉连接设备和交换机的误码（ 5）突发脉冲干扰 静电放电、配线架接触不良、设备故障、电源瞬间干扰。

3.误码率误码率是指在特定的一段时间内所接收到的数

字码元误差数目与在同一时间内所收到的数字码元总数之比。

总比特数比特误码数

BER

误码率对误码发生的形态和原因、误码的评定方式、误码全程指标的确定记载网络各组成部分的分配有重要影响，是提供光纤数字传输系统设计的重要依据。

4.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。

10-3

10-6

10-9

TL

T0

不可接受时间 1× T0

劣化时间 4× T0

8.3.2. 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：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；

发送信号

接收信号

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。

UI（ Unit Intreval)： 1 比特信息所占有的时间间隔1UI=1/ 传输比特率

8.3.3. 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：

MTTRMTBF

MTBFA

总的工作时间可用时间

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：

AMTTRMTBF

MTTRF

1

总的工作时间不可用时间

传播光功率频谱的不理想和光波导色散之间的各种相互作用导致投射到光检测器中的光功率发生变化，这些变化最终导致光接收机输出噪声，从而导致光功率损伤。这对高速链路的影响尤为严重。这些损伤包括：

1. 模式噪声 (LD + 多模光纤 )2. 模式分配噪声3. 光源输出波长啁啾4. 激光器回波导致的频谱展宽

8.4 噪声对系统性能的影响

当将激光器发出的光注入多模光纤，其输出功率会在多模光纤中激励出许多相互相干的传播模式。这些模式之间的相互干涉，在光纤截面出现一定亮度分布的光斑图。在链路随机机械振动的作用下，光斑图随时间发生变化。光斑图的变化造成了入射接收机的光功率随时间发生变化，因此引入模式噪声。 因此，造成模式噪声的因素为：1. 光源的相干性 相干时间 = ( 光源谱宽 )-1 > 模间色散时延 T = (v)-1 > Ln1

2/(n2·c)2. 光纤链路上的随机振动、微弯

模式噪声

消除模式噪声的措施：1. 使用 LED 光源，主要用于避免模 式噪声2. 使用多纵模激光器，这将增加光 斑图的粒状性，从而降低链路中 因机械干扰而引起的光强度起伏3. 使用数值孔径较大的光纤，因为 它支持很多模式，从而导致光斑 数目增多4. 使用单模光纤，不存在模式间的 干涉

模式噪声

M' - 光斑数

中心波长 1200 nm数据率 280 Mb/s

由于未能有效地抑制激光器边模，半导体激光器中纵模的强度起伏相关产生了模式噪声。即便是激光器输出总功率不变，各个模式的强度也会发生起伏。 不同的模式之间有微小的波长差，于是每种模式进入光纤之后将有不同的损耗和延时 ( 色散 ) 。因此在光纤色散的作用下，如果主模式的功率发生明显起伏，那么接收端所收到的电平也将发生明显变化。 模式分配噪声是单模光纤最主要的噪声。

模式分配噪声

由激光器模式分配噪声导致的功率损伤可以由下式近似表示：

其中 x是 APD 的过剩因子， Q 是信噪比因子， k 是模分配噪声因子 (一般在 0.6-0.8 之间 )， B 是数据比特率 (Gb/s)， L 是光纤长度 (km)， D 是光纤色度色散系数 (ps/(nm·km))，

是激光器输出谱宽。为使模式分配噪声带来的功率损伤小于0.5 dB ，乘积

可以看出，模式分配噪声在高比特系统中表现得比较明显。

)dB(2

1log1

25 4

22

BLDQk

x

xPmpn

模式分配噪声导致的功率损伤

1.0BLD

)()(ln

4tPtP

dt

dt

单模激光器在 CW 工作模式下，当直接调制注入电流时载流子浓度发生变化，导致有源区折射率变化。折射率的变化导致了腔体相位条件的轻微变化，最终带来输出波长的变化。与时间相关的激光频率偏移可以表示为：

是线宽展宽因子，是一个与频率无关的因子取决于激光器的结构， P(t) 为输出光功率。对于 AlGaAs 激光器，因子的取值范围是 -3.5 到 -5.5 ，而对于 AlGaAsP 激光器，取值范围是 -6 到 -8 。 后果：激光器的啁啾将带来严重的色散效应。

啁啾

m

Lnc2

系统损伤与啁啾和信号消光比之间的关系 从上面的式子上看，减小啁啾的办法是提高激光器偏置电流，因为在阈值点附近， P(t) 变化最快。但是，提高偏置电流，降低了消光比。消光比的降低也将导致系统性能的下降。

1550 nm4 Gb/s100 km

1. 选择使用输出波长接近光纤的零色散波长的激光器2. 让激光器工作在输出直流光的状态，然后采用外调制的 办法加载数据

解决啁啾的办法

光的反射出现在媒质折射率不一致的地方。反射噪声对接收机有两种损伤：多个反射点形成的干涉谐振腔使功率反馈到了激光器的谐振腔，导致激光器输出频谱展宽；其二，多条光路径导致接收端出现了不同时延的伪信号，造成了码间串扰。解决措施：1. 光纤末端制成曲面或与发光面 有一定夹角 ( 如 APC 连接头 )2. 在光纤与空气的交界面上涂上 折射率匹配的材料3. 使用连接器和隔离器

反射噪声

作业：

8.1 ， 8.2 ， 8.6 ， 8.9 ， 8.10 ， 8.13 ，