1、 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 数字电视光纤传输系统设计电子与信息工程学院信息与通信工程系1目录数字电视光纤传输系统设计 1摘要 11 光纤通信概述 .22 系统组成 .22.1 光端机 .32.1.1 光发射机 32.1.2 光源 32.1.3 光接收机 42.1.4 光接收机的性能指标 43 光纤的选型 .54 设计方案及关键技术 .55 实现方式 .61数字电视光纤传输系统设计摘要光纤通信是近 30 年迅猛发展起来的高新技术，从一开始就显示出无以伦比的优越性，引起人们的极大兴趣和关注并得到了迅速的发展。自 70 年代以来，光纤通信技术不仅在电信等民用领域得到了广泛的应用，而且
2、因其独特的频带极宽、通信容量大、衰减小等优点，使得光纤通信技术至今已发展为举世瞩目的、独立的新兴产业，给通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了巨大的变革。目前在高速公路、交通、电子警察、监控、安防、工业自动化、电力、海关、水利、银行等领域视频图像、音频、数据、以太网、电话等数字光纤通信系统开始普遍大量应用。用光纤取代电缆，利用光纤频带宽、损耗低和抗干扰能力强的突出特点，不但可以使系统的安装和接线变得简单，更使得可靠性和安全性得到了保障。在目前的光纤通信系统中，设计者普遍是用其他生产厂家的光发送端机和光接收端机以及光缆来组成系统。这就需要设计者在设计系统时要考虑市面上的光端机的性能，设计
3、出来的系统要符合光端机的各项指标，而各种光端机的指标也都是固定的，这使得在系统中所传输的信号也有了局限性；而且光端机所用到的是专用的集成芯片，造价也比较高。这些都限制了光纤通信的应用。21 光纤通信概述光纤通信是利用光作为信息载体、以光纤作为传输媒质的通信方式。光纤通信是在信源端需要将电信号转化为光信号，通过光纤传输到信宿端，再将光信号转化为原始的电信号的一个过程。实现光纤通信除了需要将传统多样的电信号转换为光信号的装置，还需要有传输光信号的介质以及将光信号转换为电信号的装置。所以在光纤通信中有三个主要的技术问题:便于应用且性能优良的光源；能长距离传输光信号的传输介质；灵敏地接收光信号并能把光
4、信号转化为电信号的光检测器。光源是光纤传输系统的心脏部件，它的功能是实现电光转换，其性能的好坏对整个传输系统的质量有举足轻重的作用。随着半导体光器件制造工艺的不断成熟，半导体光源在光纤通信中得以广泛的应用。常用的半导体光源有发光二极管(LED)和半导体激光器(LD)。 LD 发出的是激光，亮度高、方向性强、相干性好，工作速度快，适合于传输容量大，传输速率高的光纤通信系统。而 LED 发出的是自然光，光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但是成本较 LD 低，平均工作寿命较长，性能稳定，而且制造工艺简单。因此这种器件适用于中短距离、传输容量较小的系统。目前信息仍然最终还是要以电的形式表现出来的
5、，所以光纤通信仍然需要由电光转换到光电转换的过程，在发送端完成电光转换，在接收端实现电信号的还原。实现电信号还原由半导体光电二极管来完成。他们利用半导体物理吸收光子后形成电子一空穴对把光功率转化为电流。目前广泛使用的光电转换器件主要有两种类型:PIN 光电二极管(PIN-PD)和雪崩光电二极管两种(APD)。一个完整的光通信系统，除光纤、光源和光检测器外，还需要许多其它光器件，特别是无源器件。这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展或性能的提高，都是不可缺少的。2 系统组成一个光纤通信系统的光传输部分，包括最基本的组成部件:光收发端机、光纤线路、编解码电路和数据传输控制电路。这几部分是光纤通信
6、系统的核心部分，其性能的好坏直接影响到光纤通信的质量。32.1 光端机光端机包括光发射机和光接收机，是光纤传输系统的重要部件。数字光发射机的功能是把电端机输出的数字基带电脉冲信号转换为光脉冲信号，并用耦合技术有效注入光纤线路。系统中，用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现电光转换的，受调制的光源特性参数有功率、幅度、频率和相位。在该系统中采用直接光强调制，技术简单、易行。数字光接收机的功能是以最小的附加噪声及失真把经光纤传输后幅度被衰减、波形被展宽的微弱光信号转换为电信号，并放大处理，恢复为原发射的数字序列。因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信部分的性能。2.1.1 光发射机线路编
7、码 驱动电路 光源温度控制功率控制保护电数字信号 光信号输出图 2-1 数字光发射机组成在数字光纤通信系统中，光发射机的方框图如图 2-1 所示，主要由光源和电路两部分组成，而电路部分又分为调制电路、控制电路和线路编码电路。光源是实现电光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能，电路部分的设计应以光源为依据。调制电路使输出光信号准确反映输入电信号，线路编码电路使输出的光信号适合于光信道传输，同时控制电路能够保证光源可靠稳定地工作。2.1.2 光源在光纤通信系统中，作为产生光信号的光源，应满足以下要求: 1)体积小，与光纤之间有较高的耦合效率。2)发射的光波波长应位于光纤的三个低损耗窗口
8、，即 0.85um, 1.31um 和 1.55um 波段。3)可以进行光强度调制。4)可靠性高，要求它工作寿命长、工作稳定性好，具有较高的功率稳定性、波长稳定性和4光谱稳定性。 5)发射的光功率足够高，以便可以传输较远的距离。6)温度稳定性好。2.1.3 光接收机光发送机输出的光信号，在光纤中传输时不仅幅度会受到衰减，而且脉冲的波形也会被展宽。光接收机的任务就是以最小的附加噪声及失真恢复出由光纤传输、光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能。光检测器 前置放大器 主放大器 滤波器 判决电路时钟恢复电路自动增益控制电路数字光信号图 2-2 数字光接收机组成光电
9、检测器是光接收机的第一个关键部件，其作用是把接收到的光信号转化成电信号。目前，在光纤通信系统中广泛使用的光电检测器是 PIN 光电二极管和雪崩光电二极管 APD。由于光检测器产生的光电流非常微弱，必须先经前置放大器进行低噪声放大，光电检测器和前置放大器合起来称作接收机前端，其性能的优劣是决定接收机灵敏度的主要因素。为此，前置放大器必须是低噪声、宽频带的放大器。定时提取电路和判决再生电路，它们的功能是从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地对码元波形进行取样判决，以得到与原发送端相似的码流。2.1.4 光接收机的性能指标1.接收灵敏度 接收灵敏度是数字光接收机最重要的指标，它直
10、接决定光纤通信系统中的中继距离和通信质量。数字光接收机灵敏度的定义如下：在指定误码率或信噪比时的最小接收信号光功率 Pmin (m W),通常用 dBm 表示Pr =10 (dBm) (2-1)logPr 越小，意味着数字光接收机接收微弱信号的能力就越强，灵敏度越高，此时当发射5机功率一定时，则保证通信质量的中继通信距离就越长。因此，提高数字光接收机的灵敏度，可以延长光纤通信的中继距离和增加通信质量。2.动态范围 在实际的光纤通信系统中，由于中继距离、光纤损耗、连接器及熔接头损耗的不同，发送功率随温度的变化及老化等因素，接收光功率有一定的范围。数字光接收机的动态范围(DR) 定义如下:在限定的
11、误码率条件下，光接收机所能承受的最大平均接收光功率Pmax 和 Pmin 的比值，用 dB 表示。DR=10 (2-2)log动态范围是光接收机性能的另一个重要指标，它表示光接收机接收光强的能力。宽的动态范围对系统机构来说更方便灵活，使同一个接收机可用于不同长度的中继距离。3 光纤的选型目前，光纤通信系统中所采用的光纤种类很多，光纤是用于约束并传导光信号的一种介质光波导。由于损耗低、带宽容量大、重量轻、容易铺设以及便于大批量制造等优良性使其能成为通信中重要的传输介质。光波在光纤中传输遵循全反射原理，光纤正是利用这种原理进行导光的。光纤根据光在介质中的传播模式不同分为单模光纤和多模光纤，单模光纤
12、只能传输一种模式，多模光纤可以传输多种模式，单模光纤与多模光纤相比，带宽极宽，适合于大容量、长距离的通信系统。在本系统中用的就是单模光纤，这样，不仅保证传输信道有很宽的带宽，而且，还有利于器件的兼容，因为现在光器件的发展趋势就是单模化。光纤通信系统设计中最重要的问题是如何计算出传输距离，或如何确定中继距离。中继距离主要由以下四个因素决定:一是发送端进入光纤的平均光功率 ;二是在给定误码率要求下，接收机的灵敏度:三是光纤线路的总损耗:四是光纤线路的总带宽。在此情况下，计算光纤中继距离的公式为:(km) (2-3)= 04 设计方案及关键技术长距离传输时，光纤色散和非线性效应对系统指标产生很大的劣
13、化。光纤非线性效应包括 SBS（受激布里渊散射）和 SPM（自相位调制） 。SBS 主要发生在 65km 以前的光6路上超过 65km 以后，SBS 趋于稳定，不再增加。但是，此时 SPM 的影响逐渐显现，在6580km 范围 SPM 缓慢增加，超过 80km 后 SPM 明显的增加，到达 120km 这个临界距离后，SPM 急剧增加，光发射机 SBS 阈值越大，输入光纤的光功率也相应增加，使SPM 增加越快导致 CSO 急剧劣化。在长距离 1550nm 光传输系统中，要合理的预置光发射机的 SBS 阈值，合理分配各级 EDFA 的输入功率。超长距离光纤可插入喇曼光放大器进行小信号放大，同时对
14、光纤的色散合理地进行补偿，这些技术措施对保证系统指标是十分有效的。由于传输链路总长达 500km，该方案采用光纤色散补偿技术。光纤色散补偿技术原理为：常规 G.652 光纤在 1550nm 波长附近的色散为 17ps/nm/km。在数字信号传输时，当传输速率超过 2.5Gb/s 时，随着传输距离的增加，误码率随之增加。数字电视调制信号传输时，随着传输距离的增加，信号失真随之增加。5 实现方式前端采用高性能光发射机，做为整个网络的信源发送设备。在中间采用一次光电转换中继，将 500km 光纤分割为相互独立的色散段，以消除超长距离传输引起的色散过度积累。通过级联 EDFA 光放大器驱动信号传输至各个分前端。在适当的位置插入光纤色散补偿光纤和特殊光放大器，对光纤色散进行补偿。
