光纤通信6.pptx

RoF 系统复复 用用信信道道复复用用是是为为了了便便于于光光纤纤传传输输，把把多多个个低低容容量量信信道信息，复用到一个大容量传输信道的过程。道信息，复用到一个大容量传输信道的过程。在在电电域域内内，信信号号复复用用可可分分为为时时分分复复用用（TDM）、频分复用（频分复用（FDM）和码分复用）和码分复用(CDM)；在在光光域域内内，信信号号复复用用有有光光时时分分复复用用（OTDM）、光光频频（波波）分分复复用用（OFDM，WDM）和和光光码码分分复用复用(OCDM)。光光纤纤通通信信系系统统为为了了充充分分发发挥挥其其宽宽带带的的优优点点，允允许许复复用用多多个个信信道道到到一一根根光光纤纤上上。因因此此，复复用用后后的的多多个信道共享光源的光功率和光纤的传输带宽。个信道共享光源的光功率和光纤的传输带宽。副副载载波波调调制制是是首首先先用用信信息息信信号号调调制制一一个个比比基基带带信信号号最最高高频频率率高高几几倍的载波倍的载波然后用该载波信号再去调制光波。然后用该载波信号再去调制光波。因因为为信信号号是是用用光光波波传传输输的的，载载波波对对光光波波而而言言只只扮扮演演着着副副载载波波的的作作用用，所所 以以 这这 种种 技技 术术 就就 称称 为为 副副 载载 波波 调调 制制（SCM，Subcarrier modulation）。）。IM/DD方式实现图解方式实现图解微波副载波复用系统构成微波副载波复用系统构成副载波复用的特点副载波复用的特点(1)由于微波只作为光传输的副载波，因而信由于微波只作为光传输的副载波，因而信号不再经空中传播，而是经一个封闭的、稳定号不再经空中传播，而是经一个封闭的、稳定的光纤信道传输，从而避免了与其他微波互相的光纤信道传输，从而避免了与其他微波互相干扰的问题。不发送微波信号到空间，也避免干扰的问题。不发送微波信号到空间，也避免了日益拥塞的微波频道资源分配和批准问题。了日益拥塞的微波频道资源分配和批准问题。(2)由由于于一一个个光光通通道道可可以以承承载载多多个个微微波波副副载载波波信信道道，每每个个副副载载波波又又可可以以分分别别传传送送各各种种不不同同类类型型的的业业务务信信号号，彼彼此此互互相相独独立立，因因而而易易于于实实现现模模拟拟与与数数字字信信号号的的混混合合传传输输和和各各种种不不同同业业务务的的综合和分离。综合和分离。副载波复用的特点副载波复用的特点(3)SCM 系统可以充分利用现有的微波和卫星通信的成系统可以充分利用现有的微波和卫星通信的成熟技术和设备，但又比现有微波传输容量大得多。熟技术和设备，但又比现有微波传输容量大得多。(4)与与 TDM 相比，相比，SCM 系统只接收本载波频带内的信系统只接收本载波频带内的信号和噪声，因而灵敏度高，也无需复杂的定时同步技术。号和噪声，因而灵敏度高，也无需复杂的定时同步技术。就传送电视节目而言，采用就传送电视节目而言，采用TDM方式，一个光载波可以方式，一个光载波可以传输的典型节目数是传输的典型节目数是 1632个个,而采用而采用FM方式的方式的 SCM 至少可以传送至少可以传送 60120 个节目，而且成本很低个节目，而且成本很低,因而因而 SCM系统在电视分配网中很有竞争力。系统在电视分配网中很有竞争力。然而，模拟然而，模拟 SCM 方式光功率余度较小，如不使用方式光功率余度较小，如不使用EDFA，在维持端到端性能方面有一定困难，也不适应电信网，在维持端到端性能方面有一定困难，也不适应电信网的数字化趋势，因而不是长远的主流发展方向，而是中的数字化趋势，因而不是长远的主流发展方向，而是中近期比较经济的解决方案。近期比较经济的解决方案。模拟模拟SCM光波系统光波系统因因为为模模拟拟信信号号波波形形在在传传输输过过程程中中必必须须保持不变，所以模拟保持不变，所以模拟 SCM 系统要求系统要求:系统载噪比（系统载噪比（CNR）高；）高；光源和通信信道的线性度要好；光源和通信信道的线性度要好；如如果果半半导导体体激激光光器器线线性性特特性性好好，输输入入电电信信号号就就可可以以变变成成不不失失真真的的输输出出光光信信号号。显显然然，任任何何非非线线性性都都要要引引起起输输出出光光波波形形的畸变并影响系统的性能。的畸变并影响系统的性能。LD的模拟调制的模拟调制P-I 曲线非线性引起输出光波形的畸变曲线非线性引起输出光波形的畸变6.2 模拟基带直接光强调制光纤传输系统模拟基带直接光强调制光纤传输系统 模拟基带直接光强调制(D-IM)光纤传输系统由光光光光发发发发射射射射机机机机(光源通常为发光二极管)、光光光光纤纤纤纤线线线线路路路路和光光光光接接接接收收收收机机机机(光检测器)组成，这种系统的方框图如图6.1所示。图图 6.1 模拟信号直接光强调制系统方框图模拟信号直接光强调制系统方框图 调制器发光二极管发送机光检测器接收机放大器恢复原信号m(t)基带信号m(t)光纤 6.2.1 特性参数特性参数 评价模拟信号直接光强调制系统的传输质量的最重要的特性参数是信噪比信噪比(SNR)和信号失真信号失真(信号畸变信号畸变)。1.信噪比信噪比 正弦信号直接光强调制系统的信信信信噪噪噪噪比比比比主要受光接收机性能的影响，因为输入到光检测器的信号非常微弱，所以对系统的SNR影响很大。图图 6.2 发光二极管模拟调制原理发光二极管模拟调制原理 图6.2示出对发光二极管进行正弦信号直接光强调制的原理。式中，i2s为均均方方信信号号电电流流和i2n为均均方方噪噪声声电电流流，RL为光检测器负载电阻光检测器负载电阻。这这种种系系统统的的信信噪噪比比定定义义为为接接收收信信号号功功率率和和噪噪声声功功率率(NP)的比值的比值：信噪比一般用dB作单位，即（6.1）如图6.2所示，光源驱动电流光源驱动电流：I=IB(1+m cost)(6.2)设光源具有严格线性特性，不存在信号畸变，则输输出出光光功功率为率为 P=B(1+mcost)(6.3)式中，PB为偏置电流IB产生的光功率，m为调制指数，=2f，f为调制频率，t为时间。一般光纤线路有足够的带宽，可以假设信号在传输过程不存在失真，只受到exp(-L)的衰减，式中为光纤线路平均损耗系数，L为传输距离。由于到达光检测器的信号很弱，光接收机引起的信号失真可以忽略。在这些条件下，光检测器的输出光电流：光检测器的输出光电流：is=I0(1+m cost)(6.4)均方信号电流：均方信号电流：（6.5）式中,Im=mI0 为信信号号电电流流幅幅度度，I0为平平均均信信号号电电流流，m为调制指数调制指数，其定义为：平均信号电流平均信号电流:I0=gIP=gPb (6.7)式中,Pb=KPB为输入光检测器的平均光功率，K代表光光纤纤线线路路的的衰衰减减，为光光检检测测器器的的响响应应度度，IP为一一次次光光生生电电流流，g为APD的倍增因子的倍增因子。设使用PIN-PD,g=1。由式(6.5)式(6.7)得到均方信号电流：均方信号电流：i2s=(6.8)模拟信号直接光强调制系统的噪声主要来源于光检测器的量子噪声、暗电流噪声、负载电阻RL的热噪声和前置放大器的噪声，总均方噪声电流总均方噪声电流(参考3.2节)可写成 式中,i2q为量量子子噪噪声声、i2d为暗暗电电流流、i2T为热噪声产生的均方噪声电流，e为电子电荷，B为噪声带宽，一般等于信号带宽，Id为暗电流，k=1.381023J/K为波波尔尔兹兹曼曼常常数数，T为热力学温度，RL为光检测器负载电阻，F为前置放大器的噪声系数。（6.9）由式(6.1)、式(6.8)和式(6.9)得到，正正弦弦信信号号直直接接光光强强调调制系统的信噪比为：制系统的信噪比为：对于电视信号直接光强调制系统的信噪比有些不同，假设传输的是阶梯形全电视信号，则（6.10）（6.11）式中,mTV为电视信号的调制指数，其他符号的意义和式(6.10)相同，但g=1。对光发射机的基本要求是：对光发射机的基本要求是：发发射射(入入纤纤)光光功功率率要要大大，以以利利于于增增加加传传输输距距离离。在光纤损耗和接收灵敏度一定的条件下，传输距离和发射光功率成正比。发射光功率取决于光源，发射光功率取决于光源，LD优于优于LED。非线性失真要小，以利于减小微微分分相相位位(DP)和微微分分增增益益(DG)，或增大调制指数调制指数m(mTV)。LED线性优于线性优于LD。调调制制指指数数m(mTV)要要适适当当大大。m大，有利于改善SNR；但m太大，不利于减小DP和DG。光光功功率率温温度度稳稳定定性性要要好好。LED温度稳定性优于LD，用LED作光源一般可以不用自动温度控制和自动功率控制，因而可以简化电路、降低成本。6.3 副载波复用光纤传输系统副载波复用光纤传输系统 图6.10示出副副载载波波复复用用(SCM)模模拟拟电电视视光光纤纤传传输输系系统统方框图。N个 频 道 的 模 拟 基 带 电 视 信 号 分 别 调 制 频 率 为f1,f2,f3,fN的射频(RF)信号，把N个带有电视信号的副载波f1s,f2s,f3s，,fNs组合成多路宽带信号，再用这个宽带信号对光源(一般为LD)进行光强调制，实现电/光转换。光信号经光纤传输后，由光接收机实现光/电转换，经分离和解调，最后输出N个频道的电视信号。图图 6.0 副载波复用模拟电视光纤传输系统方框图副载波复用模拟电视光纤传输系统方框图 模拟基带电视信号对射频的预调制，通常用残残留留边边带带调调幅幅(VSBAM)和调频调频(FM)两种方式，各有不同的适用场合和优缺点。我们主要讨论残残留留边边带带调调幅幅副副载载波波复复用用(VSB-AM/SCM)模拟电视光纤传输系统。6.3.1 特性参数特性参数 对于副载波复用模拟电视光纤传输系统，评价其传输质量的特性参数主要是载噪比载噪比(CNR)和信号失真信号失真。1.载噪比载噪比 载载噪噪比比CNR的的定定义义是是：把满负载、无调制的等幅载波置于传输系统，在规定的带宽内特定频道的载波功率(C)和噪声功率(NP)的比值，并以dB为单位，用公式表示为：（6.22）式中,i2c为均方载波电流，i2n为均方噪声电流。设在电/光转换、光纤传输和光/电转换过程中，都不存在信号失真。如图6.11所示，输入激光器的调幅信号电流为：输入激光器的调幅信号电流为：或 CNR=10lg(6.23)(6.24)图图 6.11 激光器模拟调制原理激光器模拟调制原理 PmaxPminIomPomIminImaxIbpPbI输出信号输出信号输入信号输入信号 由于假设不存在信号失真，激光器输出光功率为：激光器输出光功率为：（6.25）式中,Ps=Pb-Pth，Pb和Pth分别为偏置电流Ib和阈值电流Ith对应的光功率，N为频道总数，mi为第i个频道的调制指数，i为第i个频道的副载波角频率。设每个频道的调制指数都相同，即mi=mj=mk=m，暂时略去光纤传输因子10-L/10,为光纤线路平均损耗系数，L为光纤线路平均损耗长度，系统使用PIN-PD，从光检测器输出的(载波)信号电流为：ic=I0(1+m （6.26）均方(载波)信号电流：（6.27）式中,Im=mI0为信号电流幅度，I0为平均信号电流，m=m0/为每个频道的调制指数，m0为总调制指数，N为频道总数。SCM为为模模拟拟电电视视光光纤纤传传输输系系统统，产产生生噪噪声声的的主主要要有有激激光光器器、光光检检测测器器和和前前置置放放大大器器。采用PIN-PD，略去暗电流，系统的总均方噪声电流可表示为：式中,i2RIN为激光器的相对强度噪声、i2q为激光器的光检测器的量子噪声,i2T为激光器的折合到输入端的放大器噪声产生的均方噪声电流。e为电子电荷，B为噪声带宽，k=1.3810-23J/K为波尔兹曼常数，T为热力学温度，RL为光检测器负载电阻，F为前置放大器噪声系数。相对强度噪声(RIN)是激光器谐振腔内载流子和光子密度随机起伏产生的噪声，一般不可忽略。（6.28）精品课件精品课件！精品课件精品课件！式中平均信号电流I0=P0,P0=Pb10L/10为光检测器平均接收光功率，为响应度。由式(6.29)得到每个信道的载噪比 由式(6.22)、式(6.27)和式(6.28)得到(6.29)CNR=10lg (6.30)