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1、第八章第八章 数字传输系统数字传输系统8.1 点到点链路点到点链路8.2 线路编码线路编码8.3 系统性能分析系统性能分析Simplepoint-to-pointlink8.1 点到点链路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：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：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光
2、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
3、：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(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：曼彻斯特码就是一种1B2B码，110,001
4、自动请求重发（自动请求重发（ARQARQ）：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。信源信源发送控制发送控制器器编码器编码器解码器解码器接收控制接收控制器器用户用户反馈信道反馈信道自动请求重发（ARQ）8.2.4 纠错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（22
5、4，216）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（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.误码特性误码特性1.误码概念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。内部机理产生的误码内部机理产
6、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。脉冲干扰产生的误码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.误码源误码源（1）各种噪声源）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）色散引起的码间串扰（3）定位抖动产生的误码）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）复位器、交叉连接设备和交换机的误码（5）突发脉冲干扰）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.误码率误码率误码率是指在特
7、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。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误码特性的评定方法（1）长期平均比特误码率）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）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。10-310-610-9TLT0不可接受时间1T0劣化时间4T08.3.2.抖动和漂移特性抖动和漂移特性抖动是电信
8、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：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；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
9、动损伤。UI（UnitIntreval)：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：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
10、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dT=(Dv)-1Ln12D/(n2c)2.光纤链路上的随机振动、微弯模式噪声模式噪声消除
11、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
12、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/(nmkm)，sl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。模式分配噪声导致的功率损伤单模激光器在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
13、出波长的变化。与时间相关的激光频率偏移可以表示为：a 是线宽展宽因子，k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a的取值范围是-3.5到-5.5，而对于AlGaAsP激光器，a取值范围是-6到-8。后果后果：激光器的啁啾将带来严重的色散效应。啁啾啁啾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。1550nm4Gb/s100km1.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反射噪声作业：作业：8.1，8.2，8.6，8.9，8.10，8.13，