第八章數(shù)字傳輸系統(tǒng)第八章數(shù)字傳輸系統(tǒng)功率預(yù)算和帶寬分析線路編碼技術(shù)噪聲來源本章討論的主要問題功率預(yù)算和帶寬分析本章討論的主要問題8.1點到點鏈路設(shè)計要求：1.預(yù)期(或可能)的傳輸距離2.數(shù)據(jù)速率或信道帶寬3.誤碼率(BER)4.使用壽命系統(tǒng)性能分析：鏈路功率預(yù)算和信號展寬分析8.1點到點鏈路設(shè)計要求：系統(tǒng)性能分析：鏈路功率預(yù)算和信號1.確定波長：

-傳輸距離較短，可以選擇800nm到900nm之間的波長

-傳輸距離較遠(yuǎn)，可以選擇1300nm或1500nm附近的波長2.聯(lián)合考慮光纖鏈路的三個模塊(接收設(shè)備、發(fā)送設(shè)備和光纖)

-模塊選擇順序為：檢測器光源光纖鏈路

-根據(jù)檢測器的靈敏度和光源的發(fā)射功率決定鏈路中是否需要放大器鏈路功率預(yù)算：系統(tǒng)考慮1.確定波長：鏈路功率預(yù)算：系統(tǒng)考慮綜合考慮光檢測器的性能(如靈敏度)、復(fù)雜度和成本光檢測器的選擇APD-靈敏度高-成本相對較高-所需偏壓高(40到幾百伏)-需要溫控pin-結(jié)構(gòu)簡單、成本低-所需偏壓低(<5伏特)-無需溫控綜合考慮光檢測器的性能(如靈敏度)、復(fù)雜度和成本光檢測器1.LD的輸出譜寬比LED窄-800nm~900nm：LED的譜寬和石英光纖的色散特性把帶寬距離積限制在150(Mb/s)·km左右。要達(dá)到更高的數(shù)值，如2500(Mb/s)·km以上，則需要使用LD。-~1300nm：該區(qū)域光纖的色散很小，此時使用LED就可以得到1500(Mb/s)·km的帶寬距離積。若采用InGaAs激光器，則該波長區(qū)域上的帶寬距離積可達(dá)到25(Gb/s)·km-~1550nm：單模光纖的帶寬距離積可達(dá)到500(Gb/s)·km2.LD發(fā)光強度高，輸出光束窄，LD耦合進(jìn)光纖鏈路的功率比LED要高出10dB到15dB因此LD具有更長的無中繼傳輸距離3.LD價格昂貴，而且需要溫控光源的選擇1.LD的輸出譜寬比LED窄光源的選擇單模光纖不存在模間色散的問題被用于長途傳輸多模光纖則用于短途傳輸附加損耗：成纜損耗，連接損耗，彎曲損耗光纖的選擇單模光纖不存在模間色散的問題被用于長途傳輸光纖的選擇Pt鏈路功率損耗

lc連接損耗Ps光源入纖功率

L光纖長度Pr接收機靈敏度

af光纖衰減系數(shù)點到點鏈路的功率損耗模型注：可以用于計算每個組成單元的損耗Pt鏈路功率損耗 lc連接損耗點到點鏈路的功率損耗模型注：某系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率為20Mb/s，要求的誤碼率為10-9。其接收機為工作在850nm的Sipin光電二極管，靈敏度為-42dBm。系統(tǒng)光源為GaAlAsLED，它能把-13dBm的平均光功率耦合進(jìn)纖芯直徑為50mm微米的尾纖。于是系統(tǒng)允許有29dB的鏈路損耗。設(shè)每個連接點的連接損耗為1dB，且系統(tǒng)設(shè)計富裕度為6dB，那么對于衰減af，其傳輸距離可以由上式得到如果af=3.5dB/km，則傳輸距離為6km例某系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率為20Mb/s，要求的誤碼率為10-9。其接收鏈路損耗預(yù)算圖示法鏈路損耗預(yù)算圖示法器件/損耗參數(shù)(dB)輸出/靈敏度/損耗功率富余度激光器輸出3dBm

APD在2.5Gb/s時的靈敏度-32dBm

允許損耗[3-(-32)]

35光源連接器損耗1dB34跳線+連接器損耗3+1dB30光纜損耗(60km)18dB12跳線+連接器損耗3+1dB8接收機連接器損耗1dB7例：鏈路損耗預(yù)算列表法假定一個1550nm的半導(dǎo)體激光器，其發(fā)送到尾纖的光功率為3dBm，一個InGaAsAPD在2.5Gb/s時靈敏度為-32dBm；一條60km長的光纜，衰減為0.3dBm/km。由于設(shè)備安裝需要，在傳輸光纜的末端與SONET設(shè)備架之間的每個端口都需要一條短跳線，假定每條跳線有3dB的損耗。另外，假設(shè)每個光纖連接點上有1dB的連接損耗。器件/損耗參數(shù)(dB)輸出/靈敏度/損耗功率富余度激光器輸出展寬時間(rising-time)展寬時間(rising-time)限制系統(tǒng)速率的四個主要因素為：1.發(fā)送機展寬時間ttx；2.光纖群速率色散(GVD)展寬時間tGVD；3.光纖模式色散展寬時間tmod；4.接收機展寬時間trx定義：鏈路總的展寬時間tsys等于每種因素引起的脈沖展寬時間ti的平方和的平方根：一般來說，一條數(shù)字鏈路的總展寬時間不能超過NRZ比特周期的70%，或不超過RZ比特周期的35%。系統(tǒng)展寬時間的定義及其影響因素限制系統(tǒng)速率的四個主要因素為：系統(tǒng)展寬時間的定義及其影響因素發(fā)射機和接收機展寬時間發(fā)射機的展寬時間ttx主要取決于光源及其驅(qū)動電路，而接收機的展寬時間由光檢測器響應(yīng)時間和接收機電路的3dB帶寬來決定。接收機電路可以由一個具有階躍響應(yīng)的一階低通濾波器來模擬：Brx為接收機3dB帶寬，u(t)為階躍函數(shù)。如果Brx以兆赫茲為單位，則接收機展寬時間為納秒級：發(fā)射機和接收機展寬時間發(fā)射機的展寬時間ttx主要取決于光源及1.由群速率色散導(dǎo)致的展寬時間：D：平均色散系數(shù)；L：光纖長度；sl：光源半功率譜寬2.模式色散引起的展寬(多模光纖)B0表示1公里光纜的帶寬(MHz)，q一般在0.5~1之間取值光纖展寬時間1.由群速率色散導(dǎo)致的展寬時間：光纖展寬時間系統(tǒng)總展寬時間例：假定LED及其驅(qū)動電路有15ns的展寬時間。采用典型的40nm譜寬的LED，在6km的鏈路上可以得到與材料色散相關(guān)的21ns展寬時延。假定接收機有25MHz的帶寬，則可得到接收機的上升時延為14ns，如果光纖有400MHz·km的帶寬距離積，而且q=0.7，則模式色散引起的光纖展寬時間為3.9ns?？梢缘玫芥溌返恼箤挄r間為：對于20Mb/s(50ns)的NRZ數(shù)字流，這個結(jié)果低于允許的35ns的最高上升時延。故這些器件的選擇符合系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)總展寬時間例：假定LED及其驅(qū)動電路有15ns的展寬時假定LD及其驅(qū)動電路有0.025ns的展寬時間。采用譜寬為0.1nm的1550nm半導(dǎo)體激光器，所采用光纖的平均色散值為2ps/(nm·km)，因此在60km長的光纖上總共有0.012ps與GVD相關(guān)的展寬時間。假定基于InGaAs-APD的接收機有2.5GHz的帶寬，則可得接收機的展寬時間約為0.14ns。把不同部分的展寬時間代入，可得到總的展寬時間為0.14ns。器件展寬時間展寬時間預(yù)算允許的展寬時間預(yù)算

tsys=0.7/BNRZ=0.28ns激光發(fā)送機0.025ns

光纖的GVD0.012ns

接收機展寬時間0.14ns

系統(tǒng)展寬時間

0.14ns例假定LD及其驅(qū)動電路有0.025ns的展寬第一窗口傳輸距離(多模光纖)

850nm半導(dǎo)體激光器光源/SiAPD檢測器組合800nm的LED光源/Sipin光檢測器組合第一窗口傳輸距離(多模光纖)

850nm半導(dǎo)體激光器光源單模光纖鏈路的傳輸距離單模光纖鏈路的傳輸距離8.2線路編碼設(shè)計光纖鏈路是，要考慮的一個重要因素是傳輸?shù)墓庑盘柛袷?，其重要性在于實際的系統(tǒng)中，能夠：1.容易提取出時鐘信息以便接收機的判決2.具有較強的抗色散和抗非線性效應(yīng)

3.在數(shù)據(jù)流中引入冗余碼，使信道干擾引起的誤碼最小

常用的光信號的傳輸格式包括：NRZ、(CS)RZ、(D)PSK8.2線路編碼設(shè)計光纖鏈路是，要考慮的一個NRZ特點：使用一個充滿完整周期的光脈沖代表1，沒有光代表0NRZ特點：使用一個充滿完整周期的光脈沖代表1，沒有光代表0NRZ的產(chǎn)生NRZdataVp/2NRZ的產(chǎn)生NRZdataVp/2優(yōu)點：碼型產(chǎn)生簡單，頻譜效率較高，容易解碼缺點：長連0或1時不容易提取同步信息，容易產(chǎn)生基線漂移

增大判決難度，且沒有內(nèi)在差錯檢測(糾錯)能力NRZ的優(yōu)缺點抗非線性能力差優(yōu)點：碼型產(chǎn)生簡單，頻譜效率較高，容易解碼NRZ的優(yōu)缺點抗非RZ特點：比特1的光脈沖僅占比特周期的一部分，典型的有33%RZ和50%RZ產(chǎn)生：NRZ信號乘以一個頻率為信號比特率的clk信號RZ特點：比特1的光脈沖僅占比特周期的一部分，典型的有33%RZ的產(chǎn)生NRZdataVp/2clk0or

Vp/2Biasat0:clockwithf=B/2to33%RZBiasatVp/2:clockwithf=Btoget50%RZRZ的產(chǎn)生NRZdataVp/2clk0orVp/2BRZ優(yōu)缺點優(yōu)點：長連1仍帶有時鐘信息，抗非線性效應(yīng)能力強缺點：長連0時仍然容易導(dǎo)致時鐘丟失；且占用的帶寬為NRZ 的2倍，因此抗色散能力差；無誤碼檢測與糾錯能力。RZ優(yōu)缺點優(yōu)點：長連1仍帶有時鐘信息，抗非線性效應(yīng)能力強CSRZ特點：比特1的光脈沖僅占比特周期的一部分，且相鄰比特的

相位相反，典型的有67%

CSRZ產(chǎn)生：NRZ信號乘以一個頻率為信號比特率一半的clk信號CSRZ特點：比特1的光脈沖僅占比特周期的一部分，且相鄰比特NRZdataVp/2clkVpCSRZ的優(yōu)點NRZdataVp/2clkVpCSRZ的優(yōu)點CSRZ優(yōu)缺點優(yōu)點：長連1仍帶有時鐘信息，抗色散和非線性效應(yīng)能力強缺點：長連0時容易導(dǎo)致時鐘丟失；無誤碼檢測與糾錯能力CSRZ優(yōu)缺點優(yōu)點：長連1仍帶有時鐘信息，抗色散和非線性效應(yīng)曼徹斯特碼特點：每個比特周期內(nèi)都發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)，根據(jù)翻轉(zhuǎn)的極性不同

來區(qū)分0和1產(chǎn)生：一般采用NRZ和時鐘信號的模二加運算獲得優(yōu)點：在長連0和1的時候，仍然能保持時鐘信息，易于編解碼缺點：信號所占帶寬增加1010曼徹斯特碼特點：每個比特周期內(nèi)都發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)，根據(jù)翻轉(zhuǎn)的極性分組碼mBnB特點：將m位二進(jìn)制比特編成n(n>m)位碼并在相同的時間長度

內(nèi)發(fā)送出去，即在數(shù)據(jù)流中引入冗余優(yōu)點：能避免長連0和長連1的出現(xiàn)

冗余的引入可以增強糾錯能力缺點：帶寬比原來增大了n/m倍例如：曼徹斯特碼、AMI1010分組碼mBnB特點：將m位二進(jìn)制比特編成n(n>m)位碼(D)PSKNRZdataVp優(yōu)點：抗色散和非線性效應(yīng)能

力強，傳輸性能好缺點：接收復(fù)雜(D)PSKNRZdataVp優(yōu)點：抗色散和非線性效應(yīng)能 用于補償比特的丟失-自動請求重發(fā)(ARQ)和前向糾錯(FEC)8.3糾錯用于補償比特的丟失8.3糾錯信源發(fā)送控制器編碼器解碼器接收控制器用戶反饋信道自動請求重發(fā)(ARQ)ARQ不適合用于對時間敏感的傳輸任務(wù)信源發(fā)送控制器編碼器解碼器接收控制器用戶反饋信道自動請求重發(fā)輔助信息和主信息同時傳輸，若主信息丟失或接收到誤碼，輔助信息可以重構(gòu)主信息。常用的糾錯碼為循環(huán)碼，并標(biāo)記為(n,m)，其中n等于原比特數(shù)m加上冗余比特數(shù)。一些已經(jīng)得到應(yīng)用的例子，如漢明碼、Reed-Solomon碼等。FEC技術(shù)缺點：占用額外帶寬輔助信息和主信息同時傳輸，若主信息丟失或接收到誤碼，輔助信息傳播光功率頻譜的不理想和光波導(dǎo)色散之間的各種相互作用導(dǎo)致投射到光檢測器中的光功率發(fā)生變化，這些變化最終導(dǎo)致光接收機輸出噪聲，從而導(dǎo)致光功率損傷。這對高速鏈路的影響尤為嚴(yán)重。這些損傷包括：1.模式噪聲(LD+多模光纖)2.模式分配噪聲3.光源輸出波長啁啾4.激光器回波導(dǎo)致的頻譜展寬8.4噪聲對系統(tǒng)性能的影響

傳播光功率頻譜的不理想和光波導(dǎo)色散之間的各種當(dāng)將激光器發(fā)出的光注入多模光纖，其輸出功率會在多模光纖中激勵出許多相互相干的傳播模式。這些模式之間的相互干涉，在光纖截面出現(xiàn)一定亮度分布的光斑圖。在鏈路隨機機械振動的作用下，光斑圖隨時間發(fā)生變化。光斑圖的變化造成了入射接收機的光功率隨時間發(fā)生變化，因此引入模式噪聲。

因此，造成模式噪聲的因素為：1.光源的相干性

(光源譜寬)-1>模間色散時延(Dv)-1>Ln12D/(n2·c)2.光纖鏈路上的隨機振動、微彎模式噪聲當(dāng)將激光器發(fā)出的光注入多模光纖，其輸出功率會消除模式噪聲的措施：1.使用LED光源，避免相干性2.使用多縱模激光器，這將增加光斑圖的粒狀性，從而降低鏈路中因機械干擾而引起的光強度起伏3.使用數(shù)值孔徑較大的光纖，因為它支持很多模式，從而導(dǎo)致光斑數(shù)目增多4.使用單模光纖，不存在模式間的干涉模式噪聲M'-光斑數(shù)中心波長1200nm數(shù)據(jù)率280Mb/s消除模式噪聲的措施：模式噪聲M'-光斑數(shù)中心波長1200由于未能有效地抑制激光器邊模，半導(dǎo)體激光器中縱模的強度起伏相關(guān)產(chǎn)生了模式噪聲。即便是激光器輸出總功率不變，各個模式的強度也會發(fā)生起伏。不同的模式之間有微小的波長差，于是每種模式進(jìn)入光纖之后將有不同的損耗和延時(色散)。因此在光纖色散的作用下，如果主模式的功率發(fā)生明顯起伏，那么接收端所收到的電平也將發(fā)生明顯變化。模式分配噪聲是單模光纖最主要的噪聲。模式分配噪聲由于未能有效地抑制激光器模式分配噪聲由激光器模式分配噪聲導(dǎo)致的功率損傷可以由下式近似表示：其中x是APD的過剩因子，Q是信噪比因子，k是模分配噪聲因子(一般在0.6-0.8之間)，B是數(shù)據(jù)比特率(Gb/s)，L是光纖長度(km)，D是光纖色度色散系數(shù)(ps/(nm·km))，sl是激光器輸出譜寬。為使模式分配噪聲帶來的功率損傷小于0.5dB，乘積可以看出，模式分配噪聲在高比特系統(tǒng)中表現(xiàn)得比較明顯。模式分配噪聲導(dǎo)致的功率損傷由激光器模式分配噪聲導(dǎo)致的功率損傷可以由下式單模激光器在CW工作模