数字光纤传输系统课程设计.docx
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数字光纤传输系统课程设计
课程设计
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指导教师：
成绩：
电子与信息工程学院
通信工程系
目录2
Thedigitalopticalfibertransmissionsystem2
摘要：
随着数字技术和光纤通信技术各自的进步，以及社会对于光纤集成网络以实现资源共享的要求日益增长，数据与光纤通信技术也已紧密地结合起来，成为了社会的强大物质技术基础。
现代社会，数字光纤通信已经越来越多地应用到了社会各个领域中。
光纤通信系统最重要的部分是光发射机、信道和光接受机三个模块。
通过各种光电设备连接成SDH同步数字序列的数字光纤传输系统，最后在分析指标与设计性能方面验证了系统的合理性。
关键词：
光纤通信技术、数字光纤传输系统、SDH同步数字序列、性能指标
Thedigitalopticalfibertransmissionsystem
Abstract:
Withthedevelopmentofdigitaltechnologyandopticalfibercommunicationtechnologyandtheirprogress,andthesocietyforopticalintegratednetworktorealizeresourcesharingrequirementsincreasing,dataandopticalfibercommunicationtechnologyhasbeencloselycombined,becomesociety'spowerfulcorporealtechnologybase.Inmodernsociety,digitalopticalfibercommunicationhasbeenincreasinglyappliedtoallareasofsociety.
Opticalfibercommunicationsystemisthemostimportantpartoftheopticaltransmitter,channelandopticalreceivermodulethree.ThroughavarietyofoptoelectronicdevicesconnectedtoSDHsynchronousdigitalseriesdigitalopticalfibertransmissionsystem,inthefinalanalysisindexesanddesignperformancewithrespecttoverifytherationalityofthesystem.
Keywords:
opticalfibercommunicationtechnology,digitalopticalfibertransmissionsystem,SDHsynchronousdigitalsequence,performanceindex
1.引言
1.1设计背景
光纤通信技术光纤通信自从问世以来，给整个通信领域带来了一场革命，它使高速率、大容量的通信成为可能。
光纤通信由于具有损耗低、传输频带宽容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点而备受业内人士的青睐，发展非常迅速。
在现代社会，光纤通信越来越多地与另一种通信方式—数字通信联系在了一起，二者一同成为办公自动化，局域网办公，网络资源共享，社区网络通信甚至是建设信息高速公路的核心技术。
这两种技术也成了当下的热门研究课题。
1.2光纤通信技术
1.2.1光纤通信概念
所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的。
要使光波成为携带信息的载体，必须对之进行调制，在接收端再把信息从光波中检测出来。
然而，对光波进行调制与解调，由于目前技术水平所限，目前大都采用强度调制与直接检波方式。
又因为目前的光源器件与光接收器件的非线性比较严重，所以对光器件的线性度要求比较低的数字光纤通信在光纤通信中占据主要位置。
数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。
发送端的电端机把信息（如话音）进行模/数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件（LED），则LED就会发出携带信息的光波。
即当数字信号为“1”时，光源器件发送一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”（不发光）。
光波经光纤传输后到达接收端。
在接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机再进行数/模转换，恢复成原来的信息。
就这样完成了一次通信的全过程。
1.2.2光纤通信发展
通信向大容量，长距离的方向发展已经是必然的发展趋势，在社会的进步与发展，以及人们日益增长的物质与文化需求下。
由于光波具有极高的频率（大约3亿兆赫兹），也就是说是具有极高的宽带从而可以容纳巨大的通信信息，所以用光波作为载体来进行通信一直是人们几百年来追求的目标所在。
在60年代中期以前，光圈波导、气体透镜波导、空心金属波导管等，作为传送光波的媒体以实现通信，因衰耗过大或者造价昂贵而无法实现。
1966年7月，华裔学者高锟在PIEE杂志上发表的文章《用于光频的光纤表面波导》，从理论上分析证明了用光纤以实现光通信的可能性，并设计了通信用阶跃光纤。
并科学预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性，原材料提纯，加适当掺杂剂，光纤衰耗系数降低到20dB/km以下，被誉为光纤通信的里程碑。
1970年美国康宁玻璃公司，用改进型化学相沉积法制造出世界上第一根超低耗光纤，成为光纤通信发展的导火索。
证明了用当时的科学技术与工艺方法制造通信用的超低耗光纤是完全有可能的，是光通信研究的重大实质性突破。
自1970年以后，从光纤的衰耗看：
从70年的20dB/km降至90年的0.14dB/km，这个数值已经接近石英光纤的理论衰耗极限值0.1dB/km。
从光器件看：
1970年，美国贝尔实验室研制出世界上第一只在室温下连续波工作的砷化镓铝半导体激光器，为光纤通信找到了合适的光源器件。
后来逐渐发展到异质结条形激光器、分布反馈式单纵模激光器（DFB）以及多量子阱激光器（MQW）。
光接收器件从硅PIN光二极管发展到雪崩光二极管APD。
从光纤通信系统看：
从小容量到大容量、从短距离到长距离、从低水平到高水平、从旧体制（PDH）到新体制（SDH）的迅猛发展。
1976年，世界上第一个实用化光纤通信系统。
码率为45Mb/s，中继距离为10km。
1980年，多模光纤通信系统商用化（140Mb/s），并着手单模光纤通信系统的现场试验工作。
1990年，单模光纤通信系统进入商用化阶段（565Mb/s），并着手进行零色散移位光纤和波分复用及相干通信的现场试验，而且陆续制定数字同步体系（SDH）的技术标准。
1993年，SDH产品开始商用化622Mb/s，1995年，2.5Gb/sSDH商用化，1996年，10Gb/sSDH商用化，1997年波分复用技术（WDM）的20Gb/s、40Gb/sSDH试验取得突破。
此外，在光孤子通信、超长波长通信和相干光通信方面也正在取得巨大进展。
总之，短短不到三十年的时间，但光纤通信技术却取得了极其惊人的进展。
因此，光纤通信技术并未停滞不前，而是向更高水平、更高阶段方向发展。
1.3数字光纤传输的优点
光通信与电通信相比，具有无以伦比的优越性。
1.通信容量大
一根光纤同时传输24万个话路的试验已经取得成功，它比传统的明线、同轴电缆、微波等要高出几十乃至上千倍以上。
一根光纤的传输容量如此巨大，而一根光缆中可以包括几十根甚至上千根光纤，再加上波分复用技术，其通信容量之大就更加惊人了。
2.中继距离长
石英光纤具有极低的衰耗系数0.19dB/km以下，若配以适当的光发送与光接收设备，可使其中继距离达数百公里以上。
传统的电缆、微波等根本无法与之相比的。
因此光纤通信特别适用于长途一、二级干线通信。
此外，已在进行的光孤子通信试验，全球无中继的光纤通信目的能实现。
3.保密性能好
光波在光纤中传输时只在纤芯进行，基本上没有光“泄露”，因此其保密性能极好。
4.适应能力强
不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀，可挠性强大于一定弯曲半径其性能不受影响。
5.体积小、重量轻、便于施工维护
光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底和架空。
6.原材料来源丰富，潜在价格低廉
制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅，即砂子是取之不尽、用之不竭的。
因此其潜在价格是十分低廉的。
1.4光纤通信技术的发展前景
光纤通信虽然仅有近三十年的时间，但光纤通信的技术无论是光纤制造技术还是光电器件的制造技术，以及光纤通信系统水平都取得惊人的进展，已经成为现代通信最主要的传输手段。
光纤的衰耗从20dB/km到现在低于0.14dB/km，已十分接近石英光纤理论衰耗极限0.1dB/km,光纤的带宽也从10MHZ·km发展到1000GHZ·km以上。
光源器件从结构十分简单、GaAs激光器发展到分布反馈式和多量子阱的单纵模激光器。
光纤通信系统的水平的提高，从1976年的45Mb/S发展到10Gb/S。
1985年的多模，1990年单模光纤商用化，而现在技术更加先进的SDH光纤通信已经席卷世界各地。
但是，光纤通信的潜力是巨大的，目前的光纤通信应用水平是其能力的1～2％左右。
因此光纤通信技术并未停滞不前，而是向更高水平、更高层次的方向发展。
1.波分复用技术（WDM）
用一根光纤同时传输几种不同波长的光波以达到扩大通信容量的目的。
在系统的发送端，分系统发出不同波长的光波λ1、λ2、λ3、λ4，由合波器合成一束光波进入光纤传输，在接收端分波器把几种光波分开，分别输入到各个分系统的光接收机。
波分复用的关键技术是合波器与分波器。
2.相干光通信
目前光纤通信都是采用强度调制与直接检波的工作方式，光源器件的调制速率、光接收机的灵敏度受到局限难以提高，适应不了超大容量、超长距离通信的要求。
所谓相干光通信，就是在发端由激光器发出谱线极窄、频率稳定、相位恒定的相干光，并用先进的调制方法如FSK、ASK和PSK对之进行调制。
在收端，把由光纤传输来的相干光载波与本振光源发出的相干光，经光耦合器后加到光混频器上进行混频与差频，然后把差频后的中频光信号进行放大、检波。
相干光通信的关键技术是光源器件、光波的匹配。
3.超长波长光纤通信
石英光纤的衰耗已接近理论值，无潜力可挖。
研究发现，氟化物光纤在波长3.4微米处的衰耗理论值，可低达0.001dB/km;而金属卤化物光纤的衰耗理论值可低达0.01～0.00001dB/km，若光纤衰耗小于0.001dB/km，中继距离可达三万多公里，那么实现全球无中继的光纤通信就会成为现实。
4.光集成技术
和电子技术中的集成电路相类似，微型光学元件如光源器件、光检测器件、光透镜、光滤波器、光栅等集成在芯片上，构成复杂性能的光器件；还和集成电路等电子元件集成在一起形成光电部件如光发送机与光接收机等。
采用光集成技术，设备的体积、重量大大减少，提高了稳定性与可靠性。
5.光孤子通信
通信容量越大，要求光脉冲越窄，如2.5Gb/s系统的光脉冲宽度约为400ps。
窄光脉冲经光纤传输后因色散使脉冲展宽引起码间干扰，因此脉冲展宽一直制约大容量、长距离传输。
研究发现，当注入光强密度足够大时会引起光脉冲变窄的现象，其光脉冲宽度可低达几个ps，即所谓光孤子脉冲。
因此用孤子脉冲可以实现超大容量的光纤通信。
2.数字光纤传输系统设计
2.1数字光纤传输的两种体制
光纤大容量数字传输目前都采用同步时分复用（TDM）技术。
复用又分为若干等级，先后有两种传输体制：
准同步数字系列（PDH），同步数字系列（SDH），随着光纤通信技术和网络的发展，PDH遇到了许多困难，美国提出了同步光纤网（SONET），1988年，ITU-T（原CCITT）提出了被称为同步数字系列（SDH）的规范建议。
SDH解决了PDH存在的问题，是一种比较完善的传输体制，现已得到大量应用。
2.1.1准同步数字系列PDH
两种基础速率：
24路64kbps组成1.544Mb/s为第一级（一次群，或称基群）基础速率，采用的国家有北美和日本；以2.048Mb/s为第一级（一次群）基础速率32路64kbps，欧洲各国和中国。
对于以2.048Mb/s为基础速率的制式，各次群的话路数按4倍递增，速率的关系略大于4倍。
对于以1.544Mb/s为基础速率的制式，在3次群以上，日本和北美各国又不相同，看起来很杂乱。
PDH各次群比特率相对于其标准值有一个规定的容差，而且是异源的，通常采用正码速调整方法实现准同步复用。
1次群至4次群接口比特率早在1976年就实现了标准化，并得到各国广泛采用。
PDH主要适用于中、低速率点对点的传输。
在这种形势下，现有PDH的许多缺点也逐渐暴露出来，主要有：
（1）北美、西欧和亚洲所采用的三种数字系列互不兼容。
（2）各种复用系列都有其相应的帧结构，没有足够的开销比特，使网络设计缺乏灵活性。
（3）复接/分接设备结构复杂，上下话路价格昂贵。
2.1.2准同步数字系列SDH
同步数字系列SDH传输网不仅适合于点对点传输，而且适合于多点之间的网络传输。
SDH传输网由SDH终接设备（或称SDH终端复用器TM）、分插复用设备ADM、数字交叉连接设备DXC等网络单元以及连接它们的（光纤）物理链路构成。
图5.1示出SDH传输网的拓扑结构。
图2-1SDH传输网的典型拓扑结构
SDH终端的主要功能是，复接/分接和提供业务适配，主要由TM设备完成。
ADM是一种特殊的复用器，它利用分接功能将输入信号所承载的信息分成两部分：
一部分直接转发，另一部分卸下给本地用户然后信息又通过复接功能将转，发部分和本地上送的部分合成输出
DXC类似于交换机，它一般有多个输入和多个输出，通过适当配置可提供不同的端到端连接。
SDH传输网的连接模型，通过DXC的交叉连接作用，在SDH传输网内可提供许多条传输通道，每条通道都有相似的结构，每个通道（Path）由一个或多个复接段（Line）构成，而每一复接段又由若干个再生段（Section）串接而成。
与PDH相比，SDH具有下列特点：
（1）SDH采用世界上统一的标准传输速率等级。
最低的等级也就是最基本的模块称为STM-1，传输速率为155.520Mb/s；4个STM-1同步复接组成STM-4，传输速率为622.080Mb/s；16个STM-1组成STM-16,传输速率为2488.320Mb/s，以此类推。
（2）SDH各网元光接口有严格规范。
因此，光接口成为开放接口，利于建世界统一的通信网络。
标准光接口综合进各种不同的网络单元，简化硬件，降低成本。
（3）在SDH帧结构中，开销比特用于网络运行维护和管理，便于性能监测、故障检测和定位、故障报告等管理功能。
（4）数字同步复用技术，最小复用单位为字节，不必进行码速调整，简化复接分接实现设备，低速信号复接成高速信号，高速信号分出低速信号，不必逐级进行。
（5）数字交叉连接设备DXC对各种端口速率可控的连接配置，对网络资源自动化的调度和管理，提高资源利用率，增强了网络的抗毁性和可靠性。
SDH采用了DXC后，大大提高了网络的灵活性及对各种业务量变化的适应能力，使现代通信网络提高到一个崭新的水平。
2.2整体设计
本系统主要由三部分组成：
光发射机、传输光纤和光接收机。
其电/光和光/电变换的基本方式是直接强度调制和直接检波。
实现过程如下：
输入电信号是数字信号；调制器将电信号转换成适合驱动光源器件的电流信号并用来驱动光源器件，对光源器件进行直接强度调制，完成电/光变换的功能；光源输出的光信号直接耦合到传输光纤中，经一定长度的光纤传输后送达接收端；在接收端，光电检测器对输入的光信号进行直接检波，将光信号转换成相应的电信号，再经过放大恢复等处理过程，以弥补线路传输过程中带来的信号损伤（如损耗、波形畸变），最后输出和原始输入信号相一致的电信号，从而完成整个传送过程。
系统框图如图3.1所示。
图2-2光纤通信系统模型
光发端机将电信号直接调制至光载波上去，采用强度调制（IM）；光接收机完成光信号的解调，采用直接检测（DD），属于非相干解调。
光载波由半导体光源产生，由半导体光检测器将光信号转换成电信号从而达到传输信号的目的。
系统传输部分的原理框图如图2.2所示。
图2-3传输原理框图
2.3光发射机
数字光发射机的功能是把电端机输出的数字基带信号转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路。
主要有光源和电路两部分。
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。
图2-4数字光发射机方框图
2.3.1光源
对光源的要求如下：
（1）发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长应在0.85um，1.31um，1.55um附近。
单色性好。
（2）电/光转换效率高，在低驱动电流下，有够大稳定的输出光功率，且线性良好。
（3）允许的调制速率要高或相应速度要快。
（4）温度特性好，可靠性高，寿命长
目前，有半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）可满足不同场合的要求。
2.3.2调制电路和控制电路
直接光强调制的数字光发射机主要电路有调制电路、控制电路和线路编码电路。
选用的LD作为光源，所以还需要偏置电路。
对调制电路和控制电路的要求如下：
（1）输出光脉冲的通断比（全“1”码平均光功率和全“0”码平均光功率的比值，或消光比的倒数）应大于10，以保证足够的光接收信噪比。
（2）输出光脉冲的宽度远大于电光延迟，光脉冲的上升、下降、开通延迟应足够短，以便在高速率调制下，输出的光脉冲准确再现输入电脉冲的波形。
（3）对激光器应施加足够的偏置电流，以便抑制在较高速率调制下可能出现的张弛震荡，保证发射机正常工作。
（4）采用自动功率控制和自动温度控制，以保证输出光功率有足够可靠稳定性。
2.3.3线路编码电路
线路编码必要性，是因为电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，所以要变换为适合于光纤传输的单极性码。
数字光纤通信系统常用的线路码型有：
扰码、mBnB码和插入码。
本设计采用的是mBnB码型。
其编码规则如下表所示：
表2-13B4B码编码规则
3B
000
001
010
011
100
101
110
111
4B
1001
1000
1011
1010
0101
0100
0111
0110
3B4B编码电路的主要作用是将送来的串行数据流以3bit为一组，转换成4bit为组的码流，并以串行形式送出。
图2.4示出了编码电路原理框图即可实现。
图2-53B4B码编码框图
如图2.5所示为相应的译码原理框图可以实现译码。
图2-63B4B码译码框图
2.4光接收机
直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于图3.6，主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）
图2-7数字光接收机框图
2.4.1光检测器
光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。
对光检测器的要求如下：
（1）波长响应要和光纤低损耗窗口（0.85um、1.31um和1.55um）兼容；
（2）响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流；
（3）噪声要尽可能低，能接受极微弱的光信号；
（4）性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。
目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩二极管（APD）。
2.4.2放大器
前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。
主放大器一般是多级放大器，它的作用是提供足够的增益，并通过它实现自动增益控制（AGC），以使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。
2.4.3均衡和再生
均衡的目的是对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变（失真）的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干扰，减小误码率。
再生电路包括判决电路和时钟提取电路，从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地堆码元进行取样判决，以得到原发送的码流。
3.数字光纤传输系统分析
3.1性能指标
ITUT建议数字传输参考模型，称假设参考连接（HRX）最长的HRX是根据ISDN的性能和64kb/s信号的全数字连接考虑。
假设两用户的通信要经过全线路和各种串联设备组成数字网，任何总性能逐级分配后应符合用户要求。
最长的HRX为27500km,由各级交换中心和许多假设参考数字链路（HRDL）组成标准数字HRX的总性能指标按比例分配给HRDL，建议HRDL长2500km,由于各国国情不同，采用HRDL长度不同HRDL由许多假设参考数字段（HRDS）组成，用于长途传输HRDS长280km,用于市话HRDS长50km。
我国长途传输的HRDS长420km（一级干线）和280km（二级干线）两种。
参考数字段的性能指标从假设参考数字链路的指标分配中得到，并再分配给线路和设备。
图3-1标准数字假设参考连接HRX
误码率（BER）衡量数字光纤通信系统传输质量优劣指标，反映数字传输过程中信息受损程度。
BER是传输码流中出现误码的概率，对信息影响度取决于编码，如PCM。
故障排除后,在连续10s时间内，BER优于1×10-3，为“可用时间”。
对于64kb/s的数字信号，BER=1×10-3，相应于每秒有64个误码。
统计劣化占可用百分数衡量系统误码率性能指标。
对三种误码率参数和指标说明如下：
劣化分（DM）误码率为1×10-6时，感觉不到干扰的影响，选为BERth。
SES由于某些系统会出现短时间内大误码率的情况，严重影响通话质量选择监测时间TL为1个月，取样时间T0为1s。
定义误码率劣于1×10-3的秒钟数为严重误码秒（SES）。
HRX指标要求严重误码秒占可用秒的百分数小于0.2%。
误码秒（ES）选择监测时间TL为1个月，取样时间T0为1s，误码率门限值BERth=0。
不出现任何误码的秒数称为无误码秒（EFS），指标要求无误码秒占可用秒的百分数大于92%。
可靠性表示方法，可靠性R和故障率φ，平均故障间隔时间MTBF，可用率A和失效率PF，MTTR平均故障修复时间（不可用时间）。
3.2系统设计分析
数字光纤通信系统而言，系统设计任务是:
传输距离和传输容量（话路数或比特率）、分布要求，按照标准和当前设备技术水平，经过综合考虑和计算。
选最佳路由和局站设置、传输体制和传输速率以及光纤光缆和光端机的基本参数和性能指标，以使系统的实施达到最佳的性能价格比。
技术上，系统设计的主问题是确定中继距离，尤其对长途光纤通信系统，中继距离设计是否合理，对系统的性能和经济效益影响很大。
3.2.1中继距离受损耗的限制
图3-2数字光纤线路系统（a）无中继器；（b）一个中继器
Pt为平均发射光功率（dBm），Pr为接收灵敏度
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