第八章-数字传输系统

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800nm到900nm之间的波长-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)-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-800nm~900nm：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。-~1300nm：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-~1550nm：单模光纤的带宽距离积可达到500(Gb/s)·km2.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10dB到15dB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LlPPPfcrst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(log10inoutPP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Sipin光电二极管，灵敏度为-42dBm。系统光源为GaAlAsLED，它能把-13dBm的平均光功率耦合进纤芯直径为50mm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6kmdB6)dB1(2dB29LPPPfrst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3dBmAPD在2.5Gb/s时的灵敏度-32dBm允许损耗[3-(-32)]35光源连接器损耗1dB34跳线+连接器损耗3+1dB30光缆损耗(60km)18dB12跳线+连接器损耗3+1dB8接收机连接器损耗1dB7例：链路损耗预算列表法假定一个1550nm的半导体激光器，其发送到尾纤的光功率为3dBm，一个InGaAsAPD在2.5Gb/s时灵敏度为-32dBm；一条60km长的光缆，衰减为0.3dBm/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3dB的损耗。另外，假设每个光纤连接点上有1dB的连接损耗。展宽时间(rising-time)2/112Niisystt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tutBtgrx)]2exp(1[)(rxrxBt350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3dB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0mod440BLtq系统总展宽时间2/122222022/1222mod2350440rxqtxrxGVDtxsysBLDBLtttttt例：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，如果光纤有400MHz·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3.9ns。可以得到链路的展宽时间为：ns30149.321152/12222nsnsnsnstsys对于20Mb/s(50ns)的NRZ数字流，这个结果低于允许的35ns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0.025ns的展宽时间。采用谱宽为0.1nm的1550nm半导体激光器，所采用光纤的平均色散值为2ps/(nm·km)，因此在60km长的光纤上总共有0.012ps与GVD相关的展宽时间。假定基于InGaAs-APD的接收机有2.5GHz的带宽，则可得接收机的展宽时间约为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0.025ns光纤的GVD0.012ns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)850nm半导体激光器光源/SiAPD检测器组合800nm的LED光源/Sipin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)PSKNRZ特点：使用一个充满完整周期的光脉冲代表1，没有光代表0NRZ的产生NRZdataV/2VtVEEinout2cos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wsws0RZwcwc-wswcwc+wswc+wswc-wsX=RZ的产生NRZdataV/2clk0orV/2Biasat0:clockwithf=B/2to33%RZBiasatV/2:clockwithf=Btoget50%RZRZ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wsws0RZwcwc-wswcwc+wswc+wswc-wsX=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NRZdataV/2clkV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1010分组码mBnB特点：将m位二进制比特编成n(nm)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、AMI1010(D)PSKNRZdataV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(Dv)-1Ln12D/(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1200nm数据率280Mb/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0.5dB，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(21log125422BLDQkxxPmpn模式分配噪声导致的功率损伤1.0BLDD)()(ln4tPtPdtdt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