第八章 数字传输系统

功率预算和带宽分析

线路编码技术

噪声来源

本章讨论的主要问题

8.1 点到点链路

设计要求：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)4. 使用寿命

系统性能分析：链路功率预算和信号展宽分析

1. 确定波长： - 传输距离较短，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

光检测器的选择

APD- 灵敏度高- 成本相对较高- 所需偏压高 (40 到几百伏 )- 需要温控

pin- 结构简单、成本低- 所需偏压低 (< 5 伏特 )- 无需温控

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

单模光纤不存在模间色散的问题被用于长途传输多模光纤则用于短途传输附加损耗：成缆损耗，连接损耗，弯曲损耗

光纤的选择

)dB6(redundance2 LlPPP fcrst

Pt 链路功率损耗 lc 连接损耗Ps 光源入纤功率 L 光纤长度Pr 接收机灵敏度 f 光纤衰减系数

点到点链路的功率损耗模型

)dB(log10in

out

P

P损耗注： 可以用于计算每个组成单元的损耗

某系统数据速率为 20Mb/s ，要求的误码率为 10-9 。其接收机为工作在 850nm 的 Si pin 光电二极管，灵敏度为 -42dBm 。系统光源为 GaAlAs LED ，它能把 -13dBm 的平均光功率耦合进纤芯直径为 50m 微米的尾纤。于是系统允许有 29dB 的链路损耗。设每个连接点的连接损耗为 1dB ，且系统设计富裕度为 6dB ，那么对于衰减 f ，其传输距离可以由上式得到

如果 f = 3.5dB/km ，则传输距离为 6km

dB6)dB1(2

dB29

L

PPP

f

rst

例

链路损耗预算图示法

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。

展宽时间 (rising-time)

2/1

1

2

N

iisys tt

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% 。

系统展宽时间的定义及其影响因素

tutBtg rx )]2exp(1[)(

rxrx B

t350

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：

LDtGVD

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；：光源半功率谱宽

2. 模式色散引起的展宽 ( 多模光纤 )

B0 表示 1公里光缆的带宽 (MHz) ， q 一般在 0.5~1 之间取值

光纤展宽时间

0mod

440

B

Lt

q

系统总展宽时间

2/12

222

2

0

2

2/1222mod

2

350440

rx

q

tx

rxGVDtxsys

BLD

B

Lt

ttttt

例：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：

ns30149.321152/12222 nsnsnsnstsys

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。

假定 LD及其驱动电路有 0.025 ns 的展宽时间。采用谱宽为 0.1 nm 的 1550 nm 半导体激光器，所采用光纤的平均色散值为 2 ps/(nm·km) ，因此在 60 km 长的光纤上总共有0.012 ps 与 GVD 相关的展宽时间。假定基于 InGaAs-APD 的接收机有 2.5 GHz 的带宽，则可得接收机的展宽时间约为 0.14 ns 。把不同部分的展宽时间代入，可得到总的展宽时间为 0.14 ns 。

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 0.025ns  

光纤的 GVD 0.012ns  

接收机展宽时间 0.14ns  

系统展宽时间   0.14ns

例

第一窗口传输距离 ( 多模光纤 )

850 nm 半导体激光器光源 /Si APD 检测器组合800 nm 的 LED 光源 /Si pin 光检测器组合

单模光纤链路的传输距离

8.2 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 、 (CS)RZ 、 (D)PSK

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 的产生

NRZ data V/2

V

tVEE inout 2

cos

优点：码型产生简单，频谱效率较高，容易解码缺点：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

NRZ 的优缺点

抗非线性能力差

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 和 50% RZ产生： NRZ 信号乘以一个频率为信号比特率的 clk 信号

NRZ ws ws0

RZwcwc-ws wcwc+ws

wc+wswc-ws

X =

RZ 的产生

NRZ data V/2 clk 0 or V/2

Bias at 0: clock with f = B/2 to 33% RZ

Bias at V/2: clock with f = B to get 50% RZ

RZ优缺点

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。

NRZ ws ws0

RZwcwc-ws wcwc+ws

wc+wswc-ws

X =

CSRZ

特点：比特 1 的光脉冲仅占比特周期的一部分，且相邻比特的相位相反，典型的有 67% CSRZ

产生： NRZ 信号乘以一个频率为信号比特率一半的 clk 信号

NRZ data V/2 clk V

CSRZ 的优点

CSRZ优缺点

优点：长连 1仍带有时钟信息，抗色散和非线性效应能力强缺点：长连 0 时容易导致时钟丢失；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产生：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：信号所占带宽增加

1 0 10

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、 AMI

1 0 10

(D)PSK

NRZ data V

优点：抗色散和非线性效应能力强，传输性能好

缺点：接收复杂

用于补偿比特的丢失- 自动请求重发 (ARQ) 和前向纠错 (FEC)

8.3 纠错

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)

ARQ

不适合用于对时间敏感的传输任务

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。

常用的纠错码为循环码，并标记为 (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 汉 明码、 Reed-Solomon 码等。

FEC 技术

缺点：占用额外带宽

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 ( 光源谱宽 )-1 > 模间色散时延 (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，避免相干性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

反射噪声带来两种损伤：(1) 光功率反馈回激光器谐振腔， 导致激光器输出频谱展宽(2) 多条光路径导致接收端出现不 同时延的伪信号，造成码间串 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