1、第6章 光纤通信系统,6.1 数字光纤通信系统 6.2 线路码型 6.3 光电中继器与全光中继器 6.4 模拟光纤通信系统 6.5 光纤局域网 6.6 同步数字网(SDH),6.1 数字光纤通信系统,目前，光纤通信系统主要是数字系统，因此光纤传输系统的各种性能指标应满足数字传输系统的要求。而数字信号在传输中也要遇到各种各样的干扰，因此考察光纤通信系统总的传输性能时，要分析各部分设备的性能及各传输段的性能，以便在各指标累加之后，能保证系统的全程性能指标。,为此，对全程通信网的性能指标要作一个合理的分配，首先要确定一个合适的传输模型。ITUT提出了“系统参考模型”的概念，并规定了系统参考模型的性能
2、参数和指标，光纤通信系统的性能指标就应遵循该规定。 系统参考模型有三种假设形式：假设参考数字连接（HRX），假设参考数字链路（HRDL）及假设参考数字段（HRDS）。,1假设参考数字连接（HRX）假设参考数字连接是针对通信系统的总的性能和指标分配而找出的通信距离最长、结构最复杂、传输质量预计最差的连接。如果这种连接能满足通信系统的性能指标要求，那么通信距离较短，结构较简单的通信连接肯定能保证传输质量。因而引入了假设参考连接模型，它是通信网中从用户至用户，包括参与变换与传输的各个部分（如用户线、终端设备、交换机、传输系统等）。ITUT建议的一个标准最长HRX全长为27500km，包含14个假设参
3、考数字链路和13个数字交换点。实际上经常实现的连接都比标准最长HRX短。假设参考数字连接的具体组成如图6.1所示。,图6.1 假设参考数字连接组成图,2假设参考数字链路（HRDL）为了简化数字传输系统的研究，保证全程通信质量，把假设参考数字连接（HRX）中的两个相邻交换点的数字配线架间所有的传输系统，复、分设备等各种传输单元，用假设参考数字链路（HRDL）表示。由于HRDL是HRX的一个组成部分，因此允许把总的性能指标分配到一个比较短的模型上。ITUT建议HRDL的合适长度是2500km，根据我国地域广阔的特点，我国长途一级干线的数字链路长度为5000km。,3假设参考数字段（HRDS）为了适
4、应传输系统的性能规范，保证全线质量和管理维护方便，具体提供数字传输系统的性能指标，把假设参考数字链路（HRDL）中相邻的数字配线架间的传输系统，即两个光端机之间的光缆传输线路及若干光中继器用假设参考数字段（HRDS）表示。根据我国的实际情况，长途一级干线的HRDS为420km，长途二级干线的HRDS为280km。因此通信网总的性能指标从HRX上可以按比例分配到HRDL上，再从HRDL上分配到HRDS上。,6.1.2 系统的质量指标1.误码性能1)误码的定义光纤数字传输系统的误码性能用误码率来衡量。即在特定的一段时间内所接收的错误码元与同一时间内所接收的总码元数之比。,BER=,错误接收的码元数
5、,传输的总码元数,(6.1),2)误码发生的形态和原因误码发生的形态主要有两类：一类是随机形态的误码，即误码主要是单个随机发生的，具有偶然性；另一类是突发的、成群发生的误码，这种误码可能在某个瞬间集中发生，而其它大部分时间无误码发生。误码发生的原因是多方面的。如电缆数字网中的热噪声，交换设备的脉冲噪声干扰，雷电的电磁感应，电力线产生的干扰等。,3)误码性能的评定方法评定误码性能的参数包括平均误码率、劣化分、严重误码秒和误码秒。（1）平均误码率。在一段较长的时间内出现的误码个数和传输的总码元数的比值。平均误码率反映了测试时间内的平均误码结果，因此适合于计量随机误码，但无法反映误码的随机性和突发性
6、。,（2）劣化分。每分钟的误码率劣于10-6这个阈值称为劣化分，用DM表示。我们取总观测时间为TL，它的大小可以是几天或一个月，一个取样观测时间T0为1分钟。从总观测时间TL中扣除不可用时间（连续10秒平均误码率劣于10-3）和严重误码秒后所得可用分钟。ITUT建议该性能指标应达到在TL内累计的劣化分个数占可用分钟数时间百分数少于10%。,（3）严重误码秒。每秒内的误码率劣于10-3这个阈值称为严重误码秒，用SES表示。取总观测时间为TL，一个取样观测时间T0为1秒钟。ITUT建议该性能指标应达到在TL中可用时间内累计的严重误码秒个数占可用时间秒数的时间百分数少于0.2%。,（4）误码秒。每个
7、观测秒内，出现的误码数为0，用ES表示。取总观测时间为TL，一个取样观测时间T0为1秒钟。ITUT建议该性能指标应达到在TL中可用时间内累计的误码秒占可用时间秒数的时间百分数少于8%。,4)误码指标的分配在一个连接中通常包含几种不同质量等级的数字传输电路。在27500km的国际连接（HRX）中二级交换中心SC之间的电路部分为高级电路，本地交换点LE与SC之间的电路部分为中级电路，LE与参考点T之间的电路部分为本地级。误码性能指标是该线路等级分配的，具体分配如表6.1所示。本地级和中级指标可以合并到一起考虑，即它们一起分配到总指标的60%。高级电路的指标可以分配到每千米长度上去，从而可以得到不同
8、长度的HRDL和HRDS的误码性能指标，如表6.2所示。,表6.1 误码指标的分配,表6.2 HRDL和HRDS的误码性能指标的分配,2.抖动性能1)抖动的定义抖动是数字信号传输中的一种瞬时不稳定现象。即数字信号的各有效瞬间对其理想时间位置的短时间偏离，称为抖动。图6.2为定时抖动的图解定义。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。定时抖动是指脉码传输系统中的同步误差。,图6.2 定时抖动的图解定义,抖动的大小或幅度通常可用时间、相位或数字周期来表示。目前多用数字周期来表示，即“单位间隔”，用符号UI（UnitInterval），也就是1比特信息所占有的时
9、间间隔。例如码速率为34.363Mb/s的脉冲信号，1UI=1/34.363s。显然它在数值上等于传输比特率的倒数。,2)抖动产生的原因（1）数字再生中继器引起的抖动。由于再生中继器中的定时恢复电路的不完善及再生中继器的累计导致了抖动的产生和累加。（2）数字复接及分接器引起的抖动。在复接器的支路输入口，各支路数字信号附加上码速调整控制比特和帧定位信号形成群输出信号。而在分接器的输入口，要将附加比特扣除，恢复原分支数字信号，这些将不可避免地引起抖动。,（3）噪声引起的抖动。由于数字信号处理电路引起的各种噪声。（4）其它原因。由于环境温度的变化、传输线路的长短及环境条件等也会引起抖动。3)抖动的类
10、型（1）随机性抖动。在再生中继器内与传输信号关系不大的抖动来源称为随机性抖动。这些抖动主要由于环境变化、器件老化及定时调谐回路失调引起。（2）系统性抖动。由于码间干扰，定时电路幅度相位转换等因素引起的抖动。,4)抖动的容限（1）输入抖动容限。输入抖动容限是指数字段能够允许的输入信号的最低抖动限值，即加大输入信号的抖动值，直到设备由不误码到开始误码的这个分界点。此时的输入信号上的误码即为最大允许输入抖动下限，具体要求见图6.3和表6.3。,图6.3 最大允许输入抖动下限,表6.3 输入口对输入数字信号抖动的最低容限,（2）输出抖动容限。在数字段输入信号无抖动时,由于数字段内的中继器产生抖动,并按
11、一定规律进行累计,于是在数字段输出端产生抖动。ITUT提出了数字段无输入抖动时的输出抖动上限，即为输出抖动容限，具体要求见表6.4。,表6.4 输出抖动容限,（3）抖动转移特性。由于输入口数字信号的抖动经设备或系统转移后到达输出口，从而构成了输出抖动的另一个来源。为了保证数字网抖动的总质量目标，ITUT建议抖动转移增益不大于1dB。,6.1.3 光接口指标与测试一个完整的光纤通信系统的具体组成如图6.4所示。我们把光端机与光纤的连接点称为光接口。光接口有两个，一个由S点向光纤发送光信号；另一个由R点从光纤接收信号。光中继器两侧均与光纤相连，所以它两侧的接口均为光接口。光接口是光纤通信系统特有的
12、接口。在S点的主要指标有平均发送光功率和消光比，在R点的主要指标有接收机灵敏度和动态范围。,图6.4 光纤数字通信系统方框图,1平均发送光功率1)平均发送光功率的定义光端机的平均发送光功率是指光端机在正常工作的情况下，由电端机输出223-1或215-1的伪随机码时，光端机输出端S点测量到的平均光功率。平均发送光功率的功率值用PT（W）表示，电平值用LT（dBm）表示，光功率值与电平值之间的关系是：,(6.2),对于一个实际的光纤通信系统，平均发送光功率并不是越大越好，虽然从理论上讲，发送光功率越大，通信距离越长，但光功率越大会使光纤工作在非线性状态，这种非线性状态会对光纤产生不良影响。,2)测
13、试方法平均发送光功率的测试原理图如图6.5所示。测试步骤如下:(1)将误码仪和光功率计与光端机相连。(2)误码仪发送符合要求的伪随机测试信号（不同码速的光端机要求送入不同的PCM测试信号）。(3)读取光功率计上的数值即为平均发送光功率。,图6.5 平均发送光功率测试原理,2消光比1)消光比的定义消光比是指光端机的电接口输入为全“1”码和全“0”码时的平均发送光功率之比，用EXT表示：,(6.3),但由于光端机的输入信号是伪随机码，它的“0”码和“1”码是等概率的，因此光端机输入全“1”码的平均发送光功率P1为光端机平均发送光功率PT的2倍。,无输入信号时，光端机输出平均发送光功率P0，对接收机
14、来说是一种噪声，会降低接收机的灵敏度，因此希望消光比越小越好。但是，对激光器LD来讲，要使消光比小就要减小偏置电流，从而使光源输出功率降低，谱线宽度增加。所以要全面考虑消光比与其它指标之间的矛盾。,(6.4),2) 测试方法消光比的测试原理图与平均发送光功率的测试原理图一样，如图6.4所示。前三项的测试步骤也与平均发送光功率一样，之后再取出光端机中的编码盘，向光端机输入全“0”码，从光功率计上读取P0，根据公式算出消光比。,3接收机灵敏度1) 接收机灵敏度的定义接收机灵敏度是指在满足给定误码率条件下，光端机光接口R点能够接收到的最小平均光功率电平值LR。通常用dBm作为灵敏度的衡量单位。接收机
15、的灵敏度是光端机的重要性能指标，它表示了光端机接收微弱信号的能力。它与系统要求的误码率，系统的码速、接收端光电检测器的性能有关。,2) 测试方法接收机灵敏度的测试原理框图如图6.6所示。测试步骤如下：(1)误码仪发送符合要求的伪随机测试信号。(2)逐渐加大光可变衰减器的衰减量，使光端机接收到的光功率逐渐减小，这时误码仪检测到的误码率逐渐增加到规定的误码率，并维持一段时间。(3)从R点断开光端机的连接器，将光功率计连接到光可变衰减器的输出端，读取光功率计上的数值，即是光端机能够接收的最小光功率。,图6.6 接收机灵敏度测试原理图,4动态范围1)动态范围的定义光接收机对它能接收到的光功率有一个最小
16、值（接收机灵敏度），当接收机收到的信号小于这个最小值时，系统的误码率就达不到要求。若接收机接收的光功率过大，也会使系统的误码率达不到要求。所以，为了保证系统的误码特性，光接收机收到的光功率只能在一定的范围内。这个范围就是动态范围D。具体的定义是：在满足给定误码率的条件下，光端机输入连接器R点能收到的最大光功率电平值,(6.5),2) 测试方法动态范围的测试原理图与接收机灵敏度的测试原理图6.6一样。测试步骤如下：前三步的测试与接收机的灵敏度的测试步骤一样。(1)将可变衰减器的输出端接回到光端机的R点，逐渐减小光衰减量，使光端机收到的光功率逐渐增大，误码率也逐渐增大到规定的值，并维持一段时间。(
17、2)再将光功率计接回到光衰减器的输出端，读取光功率计上的数值，即是光端机能够收到的最大光功率。(3)根据公式算出动态范围。,6.1.4 电接口指标和测试图6.4中的A、B点为电接口。通常把A点称为输入口，B点称为输出口。在输入口和输出口都需要测试的指标是：比特率及容差、反射损耗。在输入口测试的指标有输入口允许衰减和抗干扰能力、输入抖动容限；在输出口测试的指标有输出口脉冲波形、无输入抖动时的输出抖动容限。,1比特率及容差1) 比特率及容差的定义比特率指在单位时间（1秒）内传送的比特数。即数字信号的传输速率。实际传送的数字信号的比特率与规定的标称比特率之间有些差别，这个差别就是容差。容差用“ppm
18、”（10-6）表示。表6.5给出了数字信号的标称比特率及容差。,表6.5 各级电接口的标称比特率及容差,2) 测试方法比特率及容差的测试原理图如图6.7所示。具体测试步骤如下： (1)按图连接电路；(2)码型发生器发送规定标称比特率的测试信号；(3)提高码型发生器发送的比特率，直到误码检测器上出现误码，此时的比特率为b1；(4)降低码型发生器发送的比特率，直到误码检测器上出现误码，此时的比特率为b2；(5)b1，b2与标称比特率的差值就是正、负方向的容差。,图6.7 比特率及容差测试原理框图,2反射损耗1) 反射损耗的定义当光端机接口处的实际阻抗Zx与传输电缆的特性阻抗Zc有差异时，就会在光端
19、机接口处产生反射。反射信号与入射信号相叠加，就会造成误码。这种反射作用的大小通常用反射损耗来衡量。反射损耗bp的定义为,(6.6),由公式看出，光端机电接口阻抗越匹配，反射损耗越大，反射信号的影响就越小。为了保证设备的正常工作，反射损耗应达到规定值。表6.6给出了一、二、三次群电接口对输入口提出的反射损耗的要求，及四次群电接口对输入口及输出口提出的反射损耗的要求。,表6.6 电接口发射损耗指标,2)测试方法光端机电接口的输入口和输出口反射损耗的测试方法相同，这里仅以输入口的反射损耗的测试为例。测试原理图如图6.8所示。,图6.8 电接口反射损耗测试原理图,具体测试步骤如下:(1)按图连接电路；
20、(2)振荡器发出测试所需的电信号，75反射电桥提供标准75阻抗，选频表测试某一频率的电信号功率电平；(3)先断开Zx，调整振荡器输出，此时选频表的指示电平即为入射功率L0（dBm）；(4)将Zx接在反射电桥上，此时选频表指示电平即为反射功率Lr（dBm）；(5)计算反射损耗bp=L0-Lr（dB）。,3输入口允许衰减1)入口允许衰减的定义各次群光端机，连接上游设备和输入口的电缆及数字配线架对信号都有一定的衰减，这就要求光端机在接收该信号时仍不发生误码，这种光端机输入口能承受一定传输衰减的特性，即为允许衰减。输入口允许衰减和抗干扰能力的指标见表6.7。,表6.7 输入口允许衰减和抗干扰能力指标,
21、2) 测试方法输入口允许衰减的测试原理图如图6.9所示。具体测试步骤如下：(1)按图连接电路；(2)误码仪发送符合规定的测试信号；(3)使连接电缆的衰减按表6.7所要求的允许衰减范围变化，以误码检测器检测不到误码时的衰减值为测试结果。,图6.9 输入口允许衰减测试原理图,4输入口抗干扰能力1) 抗干扰能力的定义前面所讲的反射信号是一种干扰信号，通常把光端机在接收被干扰的有用信号后仍不产生误码的能力称为输入口的抗干扰能力。因此，用有用信号的功率与干扰信号的功率之比来表示抗干扰能力的大小。抗干扰能力指标见表6.7。,2) 测试方法输入口抗干扰能力的测试原理图如图6.10所示。具体测试步骤如下：(1
22、)按图所示连接电路，其中，混合网络将有用信号和干扰信号合并起来；(2)码型发生器发出符合规定的测试信号为有用信号，干扰源发出干扰信号；(3)调节干扰支路的衰减器，使信号/干扰比的取值如表6.8所示，则以误码检测器检测不到误码为测试结果。,图6.10 输入口抗干扰能力测试原理图,5输出口脉冲波形为使不同厂家的设备具有兼容性，要求这些设备的接口波形必须符合ITUT提出的要求，即如图6.11所示脉冲波形样板。输出口脉冲波形的测试原理图如图6.12所示。,图6.11 2048kbit/s接口脉冲样板,图6.12 输出口脉冲波形测试原理图,具体测试步骤如下：(1)如图所示连接电路；(2)断开输入信号，此
23、时示波器的水平扫描线为标称零电位；(3)接入误码仪，使之产生规定的伪随机码测试信号，此时示波器的波形应满足规定的脉冲样板波形。,6.1.5 光纤传输系统中继距离的确定根据前面所讨论的光纤传输系统的各种指标要求，光发射机与光接收机之间有最大传输距离的问题。因此如要实现长距离通信，在设计一个光纤系统时，最大中继距离的设计就是一个重要问题。从前面的性能讨论知道，最大中继距离要受以下4个因素的影响。,（1）发射机耦合入光纤的功率PT。从物理概念上理解，在其它条件不变的情况下，光功率PT越大，传输距离越长。（2）光接收机灵敏度Pmin。由于光接收机灵敏度的定义是在满足系统误码率指标下的最低接收光功率，因
24、此，在其它条件不变的情况下，接收机灵敏度越高（即Pmin越小），传输距离越长。（3）光纤的每千米衰减系数。若光纤的每千米衰减系数越小，则光纤传输中损耗的功率越小，光能在光纤中传输的距离越长。,（4）光纤的色散。若光纤的色散大，则经过相同距离的传输出现的波形失真越严重，若传输距离越长，失真越严重。波形失真将引起码间干扰，导致接收机灵敏度降低。,下面我们分两种情况讨论：(1)中继距离受光纤衰减限制的情况。如果在光纤通信系统中，信号的码速不是很高，带宽足够宽，则光纤的色散对传输距离的影响不大，可认为光纤传输系统的最大中继距离仅受光纤衰减的影响。则中继距离的长度可按下式计算,(6.7),其中,L为中继
25、段长度（km）;PT为入纤光功率（dBm）;Pmin为接收机灵敏度（dBm）;c为一个光纤接头的损耗（dB）;n为光纤系统中的接头数;为光纤每千米衰减系数（dB/km）。一般光缆线路上，每千米一个接头。,(2)色散对中继距离的影响。当光纤系统的码速大于140Mb/s时，如果中继距离过长，由于色散的影响，会造成数字信号脉冲过大的展宽，引起码间干扰，从而降低光接收机的灵敏度。就目前的速率系统而言，仅考虑色散影响的中继距离的计算公式为,(6.8),其中,LD为传输距离（km）;B为线路码速率（Mb/s）;D为色散系数ps/(kmnm）;为与色散代价有关的系数。由系统中所选用的光源类型来决定，若采用多
26、纵模激光器，因其具有码间干扰和模分配噪声两种色散机理，取为0.115；若采用单纵模激光器和半导体发光二极管，则取为0.306。,对于某一传输速率的系统而言，在考虑上述两个因素的同时，分别算出两个中继距离L和LD，然后取距离短的为该传输速率的实际中继距离。例 已知一个565Mb/s单模光纤传输系统，其系统总体要求如下：(1)光纤通信系统光纤损耗为0.1dB/km，有五个接头，平均每个接头损耗为0.2dB，光源的入纤功率为-3dBm，接收机灵敏度为-56dBm。(2)光纤线路上的线路码型是5B6B，光纤的色散系数为2ps/（kmnm），光源光谱宽度为1.8nm。,求最大中继距离为多少？解 由公式得
27、,因为，LDL，所以中继距离为125km。,6.2 线路码型,对于数字端机的接口码型，一般采用双极性码，因为对电脉冲信号，以零伏为中心，无论产生正脉冲还是负脉冲都是比较容易的。目前常用的双极性码有HDB3码和CMI码。HDB3码适用于(234)Mb/s（13次群）的数字信号接口。而CMI码适用于140Mb/s数字信号接口。,对于光缆数字系统，目前主要采用光强度调制方式，即传输信息仅与发光器件发出的光“有”或“无”两种状态，因此应采用单极性码。光缆线路系统对传输码型的主要要求有：,(1）能对中继器进行不中断业务的误码检测;（2）减少码流中长连“0”或长连“1”的码字，以利于端机和中继设备的定时提
28、取，便于信号再生判决;（3）能传输监控、公务和区间信号;（4）能实现比特序列独立性，即不论传输的信息信号如何特殊，其传输系统都不依赖于信息信号而进行正确的传输。,6.2.1 扰码为了保证传输的透明性，在系统光发射机的调制器前，需要附加一个扰码器，将原始的二进制码序列进行变换，使其接近随机序列。它是根据一定的规则将信号码流进行扰码，经过扰码后使线路码流中的“0”、“1”出现概率相等，从而改善了码流的一些特性。但是它仍然具有下列缺点：,（1）不能完全控制长连“1”和长连“0”序列的出现；（2）没有引入冗余，不能进行在线误码检测；（3）信号频谱中接近于直流的分量较大。因为扰码不能完全满足光纤通信对线
29、路码型的要求，所以许多光纤设备除采用扰码外，还采用其它类型的线路编码。,6.2.2 分组码最典型的分组码为mBnB码，它是把输入码流中每m比特码分为一组，然后变换为n比特。m、n均为正整数，且nm，一般n=m+1。这样，变换之后，码组的比特数比变换前大，即输入码字共有2m种，输出码字可能组成2n种，使变换后的码流有了“富余”（冗余）。有了它，在码流中除了可以传输原来的信息外，还可以传输与误码检测等有关的信息。另外，经过适当的编码之后，可以改善定时信号的提取和直流分量的起伏等问题。,mBnB码型中有1B2B，2B3B，3B4B，5B6B等。其中，5B6B码被认为在编码复杂性和比特冗余度之间是最合
30、理的折衷，因此使用较为普遍。5B6B的编码表如表6.8所示。,表6.8 5B6B码型的一种方案,1编码的情况5B6B码使码流中每5位码元分为一组，然后再将这5位码变换为6位码。按照数学排列组合的理论可知，由“0”、“1”这两种二元信号组成的5位和6位码，有如下排列：5位码的排列数：25=32种6位码的排列数：26=64种,2码流平衡情况的分析（1）从观察表6.8中可发现，6位码中含有三个“1”和三个“0”的平衡码组共有20个。所谓平衡码是指在一个码组中，“0”和“1”的个数相等。显然，这样的码型有利于保持信码流中直流分量的稳定性。 （2）而6位码组中，四个“1”和两个“0”或四个“0”和两个“
31、1”的非平衡码组共有30个。我们只选用其中的12组。（3）除上述两种码组外，还有14组。这14组6位码中，“0”和“1”的个数悬殊太大，不利于稳定码流中的直流分量，因此不选用。,3码组的选用从上面的分析可以看出码组的选用原则：（1）首先选取码组中含有三个“0”和“1”的20个平衡码组。（2）再选含有四个“0”或四个“1”的30个非平衡码组中的24个。其中正模式中“1”的个数多，负模式中“1”的个数少。当信码流中出现上述某个模式后，随后的一组码应选用另一种模式。这样，正、负码交替使用，就保持了信码流中“0”、“1”出现的总概率相等。,（3）对于“0”、“1”出现概率悬殊的14种码组不予选用，以保
32、持信码流分量的稳定。（4）综上所述，在5B6B的64个码组中，有20个码组未用。这样，接收端一旦收到这20个码组中的任意一个，必定是在传输中出现了误码。所以，可以用这种编码方式对系统进行误码检测。一般把这种不使用的码字称为禁字。,（5）5B6B码的码速提高率为H,(6.9),45B6B码的辅助信息的传送5B6B码的辅助信息的传送主要有以下几种方法:（1）5B6B码传送辅助信号采用辅助信号对主信号调顶的方式。辅助信号本身用基带传送或移频键控的方法。辅助信号的码率为64kb/s，调顶以后其占用的频带在128kb/s以下，而主信号5B6B码的功率谱密度在128kHz点已降到最大值的2以下，因此相互干
33、扰很小。,（2）5B6B码另一种传送辅助信号的方式是将输入码字经过5B6B码变换之后，再进行一次辅助信息比特的插入。这相当于进行了两次码型变换，提高了码速，同时破坏了5B6B码良好的传输性能。（3）还有一种是利用5B6B码的冗余信息来承载辅助信号的方法。,6.2.3 插入比特码这种码型是将信码流中每m比特划分为一组，然后在这组的末尾一位之后插入1个比特码。由于插入的比特码的功能不同，这种码型又可分为三种形式。1mB1P码mB1P码是将输入的二进制码每m比特分为一组，检查每组中传号（即“1”码）的奇偶性，根据校验的结果，在m比特之后插入一比特奇偶校正位（1P），故称为mB1P码。若mB中的传号为
34、奇数个，则1P为传号（“1”）；若mB中的传号为偶数个，则1P为空号（“0”）。,例如：8个码元为一组的码组为11011001；编为8B1P码时的码组为110110011。根据码格式的不同，mB1P码有多种派生情况，如间隔插入帧码的mB1P码（1FmB1P）、周期性插入传号和空号的mB1P码（PMSImB1P）等。但是单纯性mB1P码使用最普遍。常见的是7m17构成的码。在实际使用中，mB1P码往往和扰码结合在一起使用。,2mB1C码这种码型是将信码流每m比特分为一组，然后在其末位之后再插入一个反码（又称补码）即C码。C码的作用是：如果第m位码为“1”码，则反码为“0”；反之则为“1”。例如：
35、8个码元为一组的码组为：11011001；编为8B1C码时的码组为：110110010。因此插入C码可进行误码检测，此外，还可减少连“0”或连“1”的不良影响。,3mB1H码这种码是将信码流中每m比特码分为一组，然后在其末位之后插入一个混合码，称为H码。这种码型具有多种功能，除可完成mB1P和mB1C码的功能外，还可同时用来完成区间通信、公务联络、数据传输以及误码检测等功能。下面，以8B1H码为例说明插入混合码的功能，如图6.13所示。,图6.13 8B1H码型的帧结构,Hi为混合码，结构如下： Hi=F1S1S2S3S4S5S6S7F2S8S9S10S11S12S13S14F3S15S16S
36、17S18S19S20S21F4S22S23S24S25S26S27S28其中F1，F2，F3，F 4为帧同步码，F3，F4为F1，F2的反码。S4为数据通信（1路）码码元。S18为数据通信（2路）码码元。S11为检测码码元。S25为公务通信码码元。,S1、S5、S8、S12、S15、S19、S22、S26为 区间通信1的码元，可通30路区间通信话路。 S2、S6、S9、S13、S16、S20、S23、S27为 区间通信2的码元，可通30路区间通信话路。 S3、S7、S10、S14、S17、S21、S24、S2 8为区间通信3的码元，可通30路区间通信话路。,6.2.4 其它线路码型在光纤通信
37、中，有时利用电缆传送数字信号。因此可用ITUTG.703建议的物理/电气接口码型。如伪双极性码即CMI和DMI码,其变换规则如表6.9所示。,表6.9 CMI码变换规则,CMI码由于结构均匀，传输性能好，可以用游动数字和的方法检测误码，因此误码检测性能好。由于它是一种电接口码型，因此139264kb/s光纤传输系统就用CMI码作为光线路码型。另外，它还不需重新变换，直接用四次群复用设备送来的CMI信号调制光源。接收端也可直接将再生还原的CMI码直接送给四次群复用设备，而不需线路码型的变换和反变换设备。CMI码的缺点是：码速提高率（等于100%）太大以及传送辅助信息的性能较差。,6.3 光电中继
38、器与全光中继器,光纤通信利用光纤传输信号。光信号在传输过程会出现两个问题：（1）光纤损耗使光信号的幅度衰减，限制了光信号的传输距离；（2）光纤的色散特性使光信号波形失真，造成噪声和误码率增加。,这些不但限制了光信号的传输距离，也限制了光纤的传输容量。为了增加光纤的通信距离和通信容量，就必须在光纤传输线路中每隔一定距离设置一个中继器。中继器的功能主要有：（1）补偿衰减的光信号；（2）对失真的信号波形进行整形。所以，在长距离传输时，中继器是保证高可靠性和高质量传输的重要部分。光纤通信中的中继器主要有两种:一种是光电中继器，另一种是全光中继器。,6.3.1 光电中继器的基本结构1中继器的构成方框图由
39、于目前长距离传输多为数字信号系统，因此我们主要讨论的也是数字光电中继器。即光电光型中继器。这样的中继器是由一个没有线路码型变换和反变换的光接收和光发射相连接的系统，如图6.14所示。这种光中继器的电路要比光端机的电路简单，但主要的电路原理是一样的。,图6.14 数字光中继器原理框图,2中继器的结构形式中继器有的是设在机房中，有的是箱式或罐式，有的是直埋在地下或架空光缆在电杆上。对于直埋和架空的室外中继器必须有良好的密封性能。3光中继器的公务监控方式光中继器的公务监控等信号有两种传输方法：（1）一种是与主信道分开，另设传输信道；（2）一种是将这些信号插入到主信道信号中和主信号一起传输，到中继器再
40、分开。二者各有优缺点。目前主要采用第二种方式。这一过程主要由光中继器中的插、分电路来完成。,6.3.2 全光中继器目前，在光纤通信中，中继器主要还是光电中继器，这是一种间接的信号放大过程。但是随着光纤通信技术和光器件的快速发展，一种光纤放大器作为光中继器的用途越来越受到广泛关注。目前所研制的光放大器主要是掺铒光纤放大器。这种放大器的工作原理及工作特性在前边章节已作过详细讨论，这里我们仅就它的用途作一介绍。,掺铒光纤放大器是一个直接对光波实现放大的有源器件，可在光纤线路中代替目前广泛使用的光电光型中继器，其工作原理图如图6.15所示。用掺铒光纤放大器作中继器的优点是，设备简单，没有光电光的转换过
41、程，工作带宽宽。缺点是，光放大器作中继器时，对波形的整形不起作用。,图6.15 掺饵光纤放大器用作光中继器的原理框图,6.4 模拟光纤通信系统,虽然目前许多光纤通信系统采用数字信号传输方式，但仍然有许多应用领域适宜采用模拟传输。当光纤系统是受带宽限制而不是受损耗限制，以及终端设备的价格成为主要的考虑因素时，就值得采用模拟系统。例如，视频信号的短距离传输，CATV系统等采用模拟传输更为合理。,光纤通信系统中模拟信号的传输主要采用三种调制技术：最简单和应用最广泛的调制技术是光源的基带直接强度调制；另一种是脉冲频率调制方式；最后一种是光波副载波调制方式。下面就对这几种调制方式分别讨论。,6.4.1
42、基带模拟光传输系统基带模拟光调制是用承载信息的模拟基带信号，直接对光发射机光源（LED或LD）进行光强调制，使光源输出光功率随时间变化的波形和输入模拟基带信号的波形成比例。模拟基带直接光强调制（DIM）光纤传输系统由光发射机、光纤线路和光接收机（光检测器）组成。系统的原理方框图如图6.16所示。,图6.16 模拟信号直接光强调制系统方框图,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（SNR）和信号失真。下面，先看信噪比，我们在这里定义信噪比为均方信号电流对均方噪声电流之比。设调制信号为m(t)=macosmt (6.10) 式中，ma为调制指数，ma=(Pmax-Pi)/
43、Pi，Pi为平均发送光功率（即为调制载波功率）;m为调制信号的角频率。则发送的信号光功率为Pout(t)=Pi(1+macosmt) (6.11),(1)当用APD检测器时，光电流为I(t)=IP(1+macosmt) (6.12)式中，IP=R0P0，P0为平均接收光功率。信噪比为,(6.13),式中，总的噪声电流包括光电流散弹噪声，暗电流噪声及电路的热噪声。其中ID为暗电流，为倍增增益，F()为过剩噪声因子，Fn为放大器的噪声系数，RL为负载电阻，e为电子电荷，B为噪声带宽。(2)用PIN检测器时，=1，F()=1。(3)用于电视传输时，常用峰-峰图像信号功率与均方噪声功率之比来定义信噪比
44、，若采用PIN检测器，则噪比为,(6.14),式中，系数b表示亮度与复合视频之比。,下面，我们看一下信号失真特性。只有当系统输出光功率与输入电信号成比例地随时间变化，系统输出信号才能真实地反映输入信号，即不发生信号失真。一般情况，实现光/电转换的光源，由于在大信号条件下，线性较差，因此发射机光源的输出功率特性是DIM系统产生非线性失真的主要原因。非线性失真一般可以用幅度失真参数微分增益（DG）和相位失真参数（DP）表示。DG可以从LED输出功率特性曲线得出，其定义为,(6.15),DP是LED发射光功率P和驱动电流I的相位延迟差，其定义为DP=(I2)-(I1) (6.16)其中,I1和I2为
45、LED不同数值的驱动电流，一般I2大于I1。,虽然LED的线性比LD好，但仍然不能满足高质量电视传输的要求。模拟信号直接光强调制光纤传输系统的非线性补偿方式有许多。一类是附加光学器件，如前馈法、准前馈法、光负反馈法、相移调制法等。另一类是纯电子学法即从电路上进行补偿。目前主要采用从电路方面进行非线性补偿，如预失真补偿方式。这种补偿方式不仅能获得对LED的补偿，而且能同时对系统其它元件的非线性进行补偿。,基带信号的光源直接强度调制方式的优点是方法简单。但对采用这种调制方案的发射机有下列要求：（1）发射光功率要大，以利于增加传输距离；（2）非线性失真要小，以利于减小微分相位（DP）和微分增益（DG
46、），或增大调制指数;（3）增大调制指数，有利于改善信噪比，但不利于减小DP和DG;,（4）光功率稳定性要好。而对采用该方案的接收机有下列要求： （1）信噪比要高； （2）幅频特性要好； （3）带宽要宽。,6.4.2 脉冲频率调制光传输系统脉冲频率调制（PFMIM）是一种脉冲重复频率随调制信号幅度大小成线性变化的脉冲调制，这种调制其脉冲宽度保持不变，因此又称为等脉冲频率调制。与直接强度调制（DIM）相比，对光源的线性放宽，改善了信噪比，但也增加了对带宽的要求。PFMIM光纤传输系统方框图如图6.17所示。从以上框图可看出这种调制方式的工作过程。下面仅就调制电路作简要说明。调制电路的原理框图如图6
47、.18所示。,图6.17 PFMIM光纤传输系统方框图,图6.18 PFM调制器的原理框图,系统对PFM调制器的要求是：（1）调制线性好；（2）调制系数大；（3）调制灵敏度高；（4）稳定可靠。由箝位电路来的调制信号Us进入场效应管V2中变为电流is向电容器C充电，当充电电压超过UR时比较器状态翻转，然后通过单稳态电路形成等宽脉冲去控制开关管V3导通，电容器C通过V3放电。,等宽脉冲消失后，V3截止，is又对C充电，进入下一轮循环。这种电容放电式PFM调制器的优点是可以获得较高的频率调制系数（23），从而有利于提高信噪比。这种调制器的调制灵敏度可达30MHz/V，在2050MHz内调制线性良好。
48、,从图6.17中，我们看到在调制端采用了预加重技术，这在一定程度上改善了高频端的信噪比，并可改善DG和DP特性。对于这样的PFM调制器所对应的解调电路也很简单，通过低通滤波器即可实现。下面介绍PFM系统的信噪比特性。在PFM系统中，PFM脉冲在传输中会产生抖动，这直接影响传输质量，这种抖动有随机抖动和系统抖动。随机抖动影响系统的信噪比，而系统抖动引起非线性失真。随机抖动主要是叠加在接收端均衡波形上的幅度噪声通过判决而产生。随机抖动可表示为,其中,2r为随机抖动方差，为均衡波半峰值处的斜率，2n为均衡器输出噪声功率，它由检测器的散弹噪声、（APD）倍增噪声、放大器的热噪声、检测器暗电流噪声以及直
49、流光噪声功率所组成。以电视传输系统为例，系统信噪比可用下式表示,(6.17),式中,fb为电视信号带宽，fB为电视信号黑电平相对应的调制频率，fW为电视信号白电平相对应的调制频率，mf为频率调制系数。,6.4.3 光波副载波传输系统所谓副载波,是指除光波以外，多路信号还调制在电的频分复用副载波上。这种调制方式多用在模拟电视光纤传输系统。光波副载波传输系统的原理方框图如图6.19所示。,图6.19 光波副载波传输系统,n个频道的模拟基带电视信号调制频率分别为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组合成多路带宽信号，再用这个带宽信号对光源进行光强调制，实现电/光转换。光信号经过传输后，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。,光波副载波传输系统与其它的多路传输系统如时分复用数字系统和相干光通信相比，有如下优点：（1）不需要复杂的数字编码和数字复用技术，可借助微波通信技术，因此可降低成本；（2）副载波频率可以从VHF频段到微波波段，而副载波频率仅受到激光器调制速率的限制，因此具有频带宽和容量大的优点；（3）对激光器的频谱纯度、频率稳定度没有特别的要求；,
