第4章光纖通信系統及設計內容提要4.1兩種數字傳輸體制及系統模型4.2光發射機4.3光接收機4.4光纖線路及設施4.5光中繼器4.6光模塊4.6系統的性能指標4.7

光纖通信系統的設計

光纖和光器件在前3章已經討論了。本章將從構成一個實際系統的角度討論光接收機、光發射機的組成（光模塊）、工作原理、系統指標及系統設計等。

光纖通信系統按傳輸信號種類來分，有模擬光纖通信系統和數字光纖通信系統，本章重點討論數字光纖通信系統。按光調制方式來分，有直接（強度）調制-直接檢波（IntensityModulation-DirectDetection，IM-DD）系統和間接（外）調制-檢波系統。

本章重點討論IM-DD系統。第4章

光纖通信系統及設計數字光纖通信是數字通信與光纖通信系統的優化組合。目前數字光纖通信系統大都采用同步時分復用（TDM）技術，復用又分為若干等級，而且先后有兩種傳輸體制。準同步數字體系（PDH）PDH早在1976年實現了標準化，目前還在使用。隨著光纖通信技術和網絡的發展，PDH遇到了許多困難。同步數字體（SDH）SDH解決了PDH存在的問題，是一種比較完善的傳輸體制，這種體制不僅適用于光信道，也適用于微波和衛星干線傳輸。4.1兩種數字傳輸體制及系統模型4.1.1準同步數字體系PDH在數字傳輸系統中，由模擬話音信號變換為數字信號進行傳輸時，每一路話音占用的速率一般為64kbit/s，通常稱為零次群。如果在同一信道中增加容量，必須采用多路復用的方法，提高其傳輸速率。

根據不同需要和不同傳輸介質的傳輸能力，可將不同的速率復接形成一個系列，即由低向高逐級進行復接，這就是數字復接系列。倘若被復接的支路不由同一時鐘源控制，其碼速率由于各自的時鐘不同而不嚴格相等，即各支路碼流是不同步的，這樣的復接稱為異步復接，其中若各被復接支路信號的速率標準相同，稱為準同步數字復接體系（PDH）。對于準同步數字復接體系，國際上有兩大體系，即PCM基群24路系列和PCM基群30/32路系列。按ITU-T相關建議，兩類復接系列速率如表4.1所示。4.1.2同步數字體系SDHSDH是一套可進行同步信息傳輸、復用、分插和交叉連接的標準化數字信號的結構等級，而SDH網絡則是由一些基本網絡單元組成的、在傳輸媒質上（如光纖、微波等）具有全世界統一的網絡節點接口。SDH復接方式是由幾個支路（低等級支路信號）在同一個高穩定的時鐘控制下，它們的碼速率是嚴格相等的，即各支路的碼位是同步的。這時，可以將各支路碼元直接在時間壓縮、移相后進行復接，這樣的復接稱為同步復接。1988年ITU-T經充分討論協商，在G.707建議中對SDH速率等級作出明確規定，如表4.2所示表4.2SDH中速率等級系列SDH等級標準速率（Mbit/s）2Mbit/s口數量（個）話路容量（路）STM-1155.52063（常用）1890STM-4622.0802527560STM-162488.320100830240STM-649753.28040321209604.1.3光纖通信系統模型

一個實用的完整點到點光纖通信系統主要由光發射機、光接收機、光中繼器、光纖、光器件以及光纖線路設施等組成，如圖4-1所示。圖4-1光纖通信系統模型光纖通信系統的工作過程大致可分為兩步：

第一步是光發射機將來自信源的電信號調制成光信號送至光纖傳輸，若傳輸距離較長，則需要加光中繼器或光放大器，其作用是補償光信號長距離傳輸損耗和畸變或者直接放大微弱光信號；

第二步是光接收機將來自光纖的光信號經解調和一系列處理還原成電信號輸出。4.2光發射機

4.2.1光調制光調制就是用電信號（稱調制信號）去改變光載波的某一特征參量。例如光載波的幅度、相位、頻率，使其輸出的特征參量隨電信號而變化。調制后的光波通過光纖送至光接收機，進行光解調，還原出原來的信號。光調制可分為直接調制（IM）和間接調制兩大類。直接調制——適用于LD、LED器件，把信息變為電流信號注入LD或LED，使光功率輸出隨之而變化，如圖4-2（a）所示。間接調制——適用于LD、LED和其他類型的激光器如氣體、液體、晶體激光器。該調制是利用調制元件的電光效應、磁光效應、聲光效應來實現激光輻射調制的。如圖4-2（b）所示。下面只介紹\IM方式圖4-2光源的兩種調制方式1．光源的直接模擬和數字調制

IM方式只適用于半導體光源LD和發光二極管LED。（1）光源的直接模擬調制在模擬光纖通信系統中，模擬信號的調制是直接用連續的模擬信號（如語音，電視信號）對光源進行調制。圖4-3是LD和LED模擬信號的調制原理，連續的模擬信號電流疊加在LED或LD直流偏置電流Ib上，使其直流偏置電流Ib工作點處于LED或LD的P-I特性曲線的線性段的中點，可以減小光信號的非線性失真。

圖4-3

直接模擬調制原理

例如:模擬調制電路(驅動電路)工作原理：圖4-2LED或LD模擬調制電路電信號光信號電信號tttUinUopo(2)光源的直接數字調制

圖4-5

直接數字調制原理

2．光源的間接（外）調制

間接（外）調制是在LD激光形成后的光路上放置一個電光效應、磁光效應或聲光效應的調制器，在調制器上加電的調制信號電壓，使調制器的某些物理特性發生相應變化，當光源發出的激光通過調制器時得到調制。這種方法應用在超高速率傳輸系統和相干光通信中。間接（外）調制把激光的產生和調制分開，因而不會影響激光器工作的穩定性，傳輸質量較高。（1）電光調制器的調制原理（2）聲光調制器的調制原理（3）磁光調制器的調制原理4.2.2光發射機的結構及原理線路編碼

調制電路

光源補償電路

控制電路

光信號數字信號LD/LED調制電路有區別圖4-7直接調制的數字光發射機的基本組成

直接調制的數字光發射機的基本組成如圖4-7所示，主要有光源和相關電路兩部分。以LD為光源的光發射機通常有線路編碼、調制電路、控制電路等部分；以LED為光源的光發射機主要差別是將復雜的控制電路改為補償電路等構成。

光發射機各部分的作用是光源作為電導光器件，實現光電變換；線路編碼對輸入信號碼流結構進行某種變換，以適應光纖線路傳輸和不中斷業務檢測誤碼的要求；調制電路與光源一起把電信號調制成光信號；控制電路對LD光源實施自動溫度控制（ATC），自動功率控制（APC）等，使輸出光功率恒定

間接調制的數字光發射機的基本組成如圖4-8所示。它利用光調制器對LD所發出的光載波進行調制，即LD發出光后再經過光調制器，使經過光調制器的光載波得到調制。下面重點介紹直接調制的數字光發射機原理圖4-8間接調制數字光發射機的基本組成數字光發射機各部分的主要作用簡述如下：

1．線路編碼電端機輸出:雙特性碼HDB3碼、CMI碼。適合電纜傳輸，三極性碼。光源不可能發射負光脈沖，因此必須進行碼型變換，以適應數字光纖通信系統傳輸的要求。適合于光纖通信的線路碼型很多，對線路碼型的要求根據不同情況有所側重，最基本的有如下幾點：

（1）碼型中應包含足夠的定時信息。因而應盡可能減少連“l”碼和連“0”碼的數目，使“1”碼和“0”碼的分布均勻，保證定時信息豐富。（2）能實現在線（不中斷業務）的誤碼檢測。（3）信號帶寬盡量小，有利于提高光接收機的靈敏度。（4）能提供一定的冗余碼，用于平衡碼流、誤碼監測和公務通信。但對高速光纖通信系統，應適當減少冗余碼，以免占用過大的帶寬。數字光纖通信系統常用的線路碼型：

主要有擾碼、mBnB碼和插入比特碼等（1）擾碼減少連“1”碼和連“0”碼的數目。（2）mBnB碼mBnB碼：輸入的二進制原碼流進行分組，每組有m個二進制碼，記為mB，稱為一個碼字，然后把一個碼字變換為n個二進制碼，記為nB，并在同一個時隙內輸出。稱為mBnB碼，其中m和n都是正整數，n＞m，一般取n=m+1。mBnB碼有1B2B,3B4B,5B6B,等等。

mBnB碼是一種分組碼，設計者可以根據傳輸特性的要求確定某種碼表。mBnB碼的特點是：（1）碼流中“0”和“1”碼的概率相等，連“0”和連“1”的數目較少，定時信息豐富。（2）高低頻分量較小，信號頻譜特性較好，基線漂移小。（3）在碼流中引入一定的冗余碼，便于在線誤碼檢測。（3）插入碼插入碼是把輸入二進制原始碼流分成每m比特一組，然后在每組mB碼末尾按一定規律插入一個碼，組成m+1個碼為一組的線路碼流。根據插入碼的規律，可以分為mB1C碼、mB1H碼和mB1P碼。

mB1C碼：把原碼流分成每m比特一組，然后在每組mB碼的末尾插入1比特補碼，這個補碼為mB碼組中第i位的反碼，稱為C碼，所以稱為mB1C碼。補碼插在mB碼的末尾，連“0”碼和連“

1”碼的數目最少。例如，設C碼為mB碼組中末尾位的反碼，則有：mB碼為

100 110001101mB1C碼為1001110100101010

C碼的作用是引入冗余碼，可以進行在線誤碼率監測，同時改善了“0”碼和“1”碼的分布，有利于定時提取。mB1H碼是mB1C碼演變而成的，在插入比特的位置，不是完全插入C碼，而是交替插入F幀碼。F幀碼：SC公務碼，M檢測碼，D數據碼，I區間通信碼等形成混合插入（Hybrid）碼的形式。mB1H碼特點：利用冗余信息實現輔助信息的傳送，可在不中斷業務時誤碼檢測。常用的mB1H碼，有1B1H碼、4B1H碼和8B1H碼。

在mB1P碼中，P碼稱為奇偶校驗碼，其作用和C碼相似，但P碼有以下兩種情況。（1）P碼為奇校驗碼時，其插入規律是使m+1個碼內“1”碼的個數為奇數。例如：mB碼為

100 000001110mB1P碼為1000 00010010 1101（2）P碼為偶校驗碼時，其插入規律是使m+1個碼內“1”碼的個數為偶數。例如：mB碼為100 000

001110mB1P碼為10010000

00111100奇偶校驗碼主要用于誤碼檢測。

2．IM調制電路

基于共發飽和開關驅動電路的LED數字調制電路如圖4-9所示，當輸入信號Uin為低電平“0”及高電平“1”時，晶體管VT分別處于截止和飽和導通狀態，只有在飽和狀態時，提供LED所需驅動電流，所以LED發光。R2為限流電阻，調整R2可以使LED工作于設計電流下。C1為加速電容，用以提高電路的工作速度。R3提供發光二極管小量的正向偏置電流，有利于LED高速應用。圖4-9LED數字調制電路LD驅動電路和偏置電流的選擇應考慮：（1）加大直流偏置電流使其逼近閾值，即Ib≤Ith=0.9Ith。這樣可以大大減小電光延遲時間，同時使張弛振蕩得到一定程度的抑制，減小碼型效應和結發熱效應的影響。LD最大驅動電流應為ILD=（1.2~1.5）Ith。（2）加大直流偏置電流會使激光器的消光比惡化。所謂消光比，是指激光器在全“0”碼時發射的功率與全“1”碼時發射的功率之比，通常要求消光比＜10%，以免接收機的靈敏度受到影響。

驅動電路的作用就是提供恒定的LD偏流以及完成光調制，同時采用自動功率和溫度控制電路使平均光功率保持恒定。圖4-10為實際的LD驅動電路，其中，Rb，L構成LD的預偏置電路提供LD的Ib電流；VT1，VT2組成非飽和式電流開關，工作在放大區；VT3，VT5和VT4，VT6組成電平移動電路，各移動1.4V；VBB為參考電壓值，VBB的值應根據輸入脈沖電平值來確定，即VBB=(UH+UL)/2；與非門輸出為“1”時，對應

0.8V，輸出為“0”時，對應

1.8V。

圖4-10

LD調制電路

A2A13．IM控制電路

在實用光發射機中，為了保證有穩定可靠的輸出光功率以及使用、維護方便等，往往要求對LD加各種控制電路，如APC電路，ATC電路和保護電路等

（1）自動溫度控制（ATC）

半導體激光器是理想的高速調制光源，但其對溫度變化很敏感，要激光器輸出穩定的光信號必須控制其溫度變化。溫度的變化和器件的老化給激光器帶來不穩定性，主要表現為：激光器的閾值電流隨溫度呈指數規律變化，從而使輸出光功率發生很大的變化，如圖4-11所示。尤其是長波長激光器，不設法穩定其輸出光功率，難以實用化。圖4-11

溫度變化及器件老化引起的LD光輸出變化

由半導體致冷器、熱敏電阻、控制電路組成。原理：熱敏電阻監測激光器的結溫，與設定的基準溫度比較、放大后，驅動致冷器的控制電路工作，產生致冷效果，從而保持激光器在恒定的溫度下工作。

圖4-12LD溫度控制方框圖

半導體致冷器微型半導體致冷器是基于半導體材料的帕爾帖效應制成。帕爾帖效應：是指當直流電流通過兩種半導體（P型和N型）組成的電偶時，其一端吸熱而另一端放熱的效應。微型半導體致冷器的控制溫差可達30~40℃。通過控制致冷器的電流就可以控制光源的工作溫度。從而使激光器有較恒定的輸出光功率和發射波長。設電阻RT具有負溫度系數，則當光源溫度升高時，RT變小，A的輸出電壓升高，使驅動致冷器的電流增大，于是致冷器冷面溫度降低，使光源溫度同時下降。

圖4-13LD溫度控制電路

-UVg（2）自動功率控制APC

為了進一步穩定輸出光功率，除了采取溫度控制措施外，一般還采取自動功率控制（APC），如圖4-14所示。APC方案：①通過光反饋來自動控制LD的Ib電流（ΔI不變）大小使LD的Ib處于最佳狀態，輸出光始終穩定。②通過光反饋來自動控制LD的調制脈沖電流ΔI和Ib的大小，使LD的輸出光始終穩定。APC方案IpΔIIb+-+-vvvg圖4-14自動功率控制電路（3）LD過流保護光源是光發射機的核心器件，它價格昂貴又較容易損壞。下面介紹光源的過流保護過程。為了使光源不致于因接通電源瞬間沖擊電流過大而被損壞，一般需要對激光器偏流實現慢啟動和限流保護。圖4-1,5所示是激光器緩啟動過流保護電路，圖中VTl為激光器提供偏流Ib，過流保護電路由VT2和R1組成。R2C1組成時延低通濾波器。

正常情況下，VT2截止，過流保護電路不工作。當Ib過大，R1上電壓劇增，VT2飽和導通，使VT1截止，Ib減小。R2C1組成（1~10ms）時延低通濾波器LPF，在接電源后起緩啟動作用，保護LD免受沖擊。VC1Ib圖4-15LD的緩啟動過流保護電路4.2.3光發射機的主要技術指標1．平均發射光功率Ps

輸出光功率：從尾纖的出射端測得的光功率。表示方法2種：絕對功率值表示，W或mW；絕對電平值表示，即：

輸出光功率的穩定性：要求在環境溫度變化或器件老化過程中，輸出光功率要保持恒定，如穩定度為5%~10%。

2．消光比EXT消光比：指發全“0”碼時的輸出光功率P0和發全“1”碼時輸出光功率P1之比，即：消光比的兩種意義：反映光發射機的調制狀態，消光比值太大，表明光發射機調制不完善，電光轉換效率低；影響接收機的接收靈敏度，滿足指標的光發射機，要求EXT≤10%。

4.3光接收機

光發射機發射的光信號，在光纖中傳輸時，不僅幅度被衰減，而且脈沖的波形被展寬。光接收機的作用，是探測經過傳輸的微弱光信號，并放大、再生成原傳輸的信號。圖4-16

DD數字光接收機結構框圖

4.3.1光接收機的結構及原理在IM-DD光纖通信系統中，光接收機的主要構成如圖4-16所示光接收機最主要的性能指標是靈敏度。在接收機的理論中，中心的問題也是如何降低輸入端的噪聲、提高接收機靈敏度。靈敏度主要取決于光電檢測器的響應度以及檢測器和放大器引入的噪聲。因此，噪聲的分析和靈敏度的計算也是本章要討論的主要問題。1．光檢測器的偏壓電路光檢測器作用：實現的光/電轉換。檢測器的偏置電路一般有如圖4-17所示兩種。

（a）檢測器一端接地（b）檢測器不接地

圖4-17檢測器偏置電路+U+U

2．前置放大器前置放大器：精心設計和制作的低噪聲、高信噪比放大器。直接影響接收機靈敏度。輸出電壓為mV量級。前置放大器通常有三種類型。（1）低阻型前置放大器

（2）高阻型前置放大器

（3）互（跨）阻型前置放大器

光接收機的前置放大器（P103）（a）雙極型(b)FET型(c)互阻型圖4-18光接收機的前置放大器三種類型前置放大器的特點：（1）低阻型前置放大器

用普通晶體管作為前置放大器，如圖4-16（a）所示。其特點是電路簡單，輸入阻抗低，電路的噪聲較大，輸入電路的時間常數RC小于信號脈沖寬度

，易防止產生碼間干擾。因此，這種接收機不需要或只需很少的均衡，前置級的動態范圍也較大，放大器的頻帶寬，適用于高速率傳輸系統。（2）高阻型前置放大器

用場效應管（FET）作為前置放大器，如圖4-16（b）所示。其設計應盡量加大偏置電阻，把噪聲減到盡可能小。因此，其特點是噪聲小。高阻型前置放大器不僅動態范圍小，而且當比特速率高時，由于輸入電路的時間常數太大，即RC＞

，脈沖沿很長，碼間干擾嚴重。因而對均衡電路要求較高。一般只在碼速率較低的系統中使用。（3）互（跨）阻型前置放大器

互阻型（也稱跨阻型）前置放大器實際上是電壓并聯負反饋放大器，如圖4-16（c）所示。由于負反饋改善了放大器的帶寬和非線性，因此是一個性能優良的電流—電壓轉換器，具有頻帶寬、噪聲低等優點，而且它的動態范圍也比高阻型前置放大器有很大改善，在光纖通信中得到廣泛應用。3．主放大器與自動增益控制AGC電路主放大器通常由運算放大器、負反饋放大器、溫度補償電路，以及射極輸出器構成。主放大器作用：著重高增益，并將前置放大器輸出信號放大到適合判決電路所需要的信號電平。AGC電路控制主放大器的增益，讓接收機有一定的動態范圍，使輸出的信號幅度在一定范圍內不受輸入信號幅度的影響，輸出電壓為1~3V。圖4-19光接收機主放大器及AGC電路實例4．均衡與定時判決均衡電路作用：均衡成升余弦波，消除碼間干擾并減小噪聲影響以利判決。光信號脈沖通過光纖傳輸后，信號波形將產生失真。因此必須對放大后的脈沖進行均衡，對失真的波形進行補償，以便于后續的判決，減少碼間干擾。判決電路作用：把均衡后的波形判決再生為原來的波形。定時提取電路作用：提取時鐘。輸入均衡器功能:圖4-20均衡電路及特性4.3.2光接收機的噪聲分析

光接收機中存在各種噪聲源，根據噪聲產生的不同機理，噪聲可分為兩類：散粒噪聲和熱噪聲。接收機中的噪聲源及其引入部位如圖4-21所示，其中散粒噪聲包括光檢測器的量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲和APD倍增噪聲；熱噪聲主要指負載電阻和導線產生的熱噪聲，而放大器噪聲（主要是前置放大器噪聲）中，既有熱噪聲，又有散粒噪聲。

圖4-21接收機噪聲及其分布

光接收機的各種噪聲及產生原因如下：（1）輸入噪聲是隨信號而來的，這種噪聲是由光發送機和傳輸過程中產生的，例如發送機的消光比和傳輸碼間干擾的影響等。（2）光檢測器量子噪聲是由光檢測器接收到光信號、光子激發出電子的隨機過程引起的噪聲。

（3）光檢測器在沒有入射光照射時，仍會有一定的電流輸出，這種電流稱為暗電流。光檢測器的暗電流噪聲是由于暗電流的影響產生的一種散粒噪聲。

（4）APD管倍增噪聲是由APD管的倍增過程產生的噪聲。（5）光檢測器的漏電流噪聲是由光檢測器表面物理狀態不完善引起漏電流產生的噪聲。（6）負載電阻熱噪聲是由負載電阻及導線的熱損耗引起的噪聲。（7）放大器噪聲是由放大器本身引起的噪聲。

1．光檢測器噪聲定量分析（1）散粒噪聲設入射到光檢測器（如PIN管）的光敏面上恒定的光功率為P。不論光功率如何恒定，由于光量子在PIN管內激勵出的電子數是隨機的，所以輸出電流仍帶有隨機的散粒噪聲可以證明，光檢測器散粒噪聲的統計特性服從泊松分布。PIN管輸出的散粒噪聲近似白噪聲，其雙邊功率譜為：式中，Ip為光電流；e0為電子電荷。對于帶寬為B的系統，PIN管的散粒噪聲功率為

（2）APD的倍增噪聲

設恒定的光功率照射在APD的光敏面上，除了光量子激勵的一次電子有隨機性之外，由于一次電子碰撞電離產生的二次倍增電子也是隨機的，即倍增因子G也是隨機的。因此，APD輸出的光電流帶有噪聲，稱為倍增噪聲。倍增噪聲的統計特性非常復雜，不是泊松或高斯分布，其噪聲功率譜密度可表示為：式中<G2>是G的二階矩（即G2的統計平均）。

（3）檢測器的暗電流噪聲檢測器加上偏壓后，或多或少要產生一些暗電流，暗電流也會引起散粒噪聲。在無倍增情況下，對帶寬為B的系統，暗電流Id引起的檢測器輸出散粒噪聲功率為：對帶寬為B的系統，在APD內暗電流也會引起倍增噪聲，其噪聲功率為：2．放大器噪聲定量分析

為了計算光接收機的噪聲，考慮如圖4-22（a）所示光接收機電路，其等效電路如圖4-22（b）所示。圖中is是檢測器等效電流源、in(t)表示它的散粒噪聲、Cd是它的結電容、Rb是偏置電阻（無噪聲電阻）、ib是偏置電阻等效噪聲電流源、Cs是偏置電路雜散電容、Ra和Ca是放大器輸入電阻和輸入電容、ia是放大器輸入端的并聯等效噪聲電流源、ea是放大器輸入端的串聯等效噪聲電壓源、其余部分均為無噪聲網絡。放大器被分解為理想的放大器和等效噪聲電壓源<V2>和電流源<I2>，其相應的功率譜密度分別表示為SE和SI。

圖4-22光接收機的等效模型

求噪聲功率的步驟如下所述：（1）求單位頻譜上的噪聲功率（在1

電阻條件下）：SE=dV2(t)/df；或SI=dI2(t)/df。（2）求噪聲功率：

放大器噪聲特性決定于所采用的前置放大器類型，根據放大器噪聲等效電路和晶體管理論可以計算。常用三種類型前置放大器（見圖4-18）的輸出的等效噪聲功率NA分別計算如下。，f2-f1為系統的通頻帶。

（1）低阻抗前置放大器輸出噪聲功率近似為：根據晶體管理論，BJT噪聲源的噪聲功率近似為：則

（2）高阻型場效應管（EFT）前置放大器輸出噪聲功率近似為根據晶體管理論，EFT噪聲電壓源的噪聲功率近似為：SI

0，Ra→∝，SE=4kT/3gm

1.4kT/gm，則

（3）互阻抗型場效應管前置放大器的輸出噪聲功率近似為：式中，A為接收機的放大倍數；B為放大器帶寬；gm為FET跨導；Ic為BJT集電極電流；

為晶體管電流放大系數；e0為電子電荷；k為波爾茲曼常數；T為熱力學溫度；Rb是偏置電阻；Rf是負反饋電阻；Rt是Rb與放大器輸入電阻的并聯；Rt=Rb//Ra，Ct=Cd//Ca//Cs。4.3.3光接收機的主要技術指標1．光接收靈敏度Pr數字光接收機靈敏度的定義為：在保證給定的誤碼率BER（如10

9）或信噪比的條件下，最小接收信號光功率Pr。Pr越小（也稱為靈敏度高），意味著數字光接收機接收微弱信號的能力越強。靈敏度越高，此時當光發射機輸出功率一定時，保證通信質量（滿足一定誤碼率的要求）的中繼通信距離就越長。因此，提高數字光接收機的靈敏度，可以延長光纖通信的中繼距離和增加通信容量。

光接收機靈敏度是以一定誤碼率為條件的，這里先對誤碼產生和誤碼率概念進行介紹。接收機的誤碼由其總噪聲引起，誤碼的多少及分布不僅與總噪聲的大小有關，還與總噪聲分布有關。光接收機對碼元誤判，即接收“0”碼誤判為“1”碼，或把“l”碼誤判為“0”碼的概率稱為誤碼率（BER），其定義為：在一定的時間內，傳輸的總碼流中誤判的碼元數和接收的總碼元數的比值。

一般“0”碼和“1”碼的誤碼率是不相等的，但對于“0”碼和“1”碼等概率出現的碼流，可認為是相等的，此時誤碼率可能達到最小，誤碼率近似為：式中，Q為信噪比參數，BER與Q關系曲線如圖4-23所示。由此可見只要知道Q值，就可由（4.6）式算出或由圖4-23查出誤碼率，例如：Q=6，BER=10

9，Q=7，BER=10

12。

數字光接收機的靈敏度是在保證給定誤碼率條件下，光接收機接收微弱光信號的能力。它可用以下三種物理量來表征：（1）最低平均接收光功率Pr；（2）每個光脈沖的最低平均接收光子數n0；（3）每個光脈沖的最低平均能量Ed。圖4-23BER和Q的關系

以上三種表示形式雖有不同，但本質上是一致的。對于“1”，“0”碼等概率出現的NRZ碼，三者之間的關系為式中，Tb為脈沖碼元周期，Tb=1/fb，fb為傳輸速率；hf為一個光子能量；Pr的單位為W或mW。2．動態范圍Dmax數字光接收機的動態范圍定義：在保證給定的誤碼率BER（如10

9）條件下，最大允許的接收光功率和最小可接收光功率之差，其單位為dBm即：寬的動態范圍對系統結構來說更方便靈活，實際設備的動態范圍在20dB以上。4.4光纖線路及設施光纖線路及設施主要包括光纖、光纜和光器件及線路設施等4.4.1光纖、光纜的選型

實用光纖產品根據ITU-T已給建議有的單模光纖有G.652～G.657以及多模光纖G.651，下面分別對這些種類光纖、光纜的應用選型（選擇）加以介紹。光纖的選型主要考慮以下幾個情況：（1）骨干網建設時可選擇G.655和G.656光纖。因為G.655和C.656光纖的截止波長已降到1

450nm，并且在1530～1

565nm波長段的色散指標為0.1～10ps/(nm·km)和1～14ps(nm·km)的正色散，非常適合更寬的波長范圍內波分復用，以及獲得更多的DWDM的光通道。（2）本地網建設時可選擇G.652和G.656光纖。因為G.652光纖對于10Gbit/s和40Gbit/s傳輸速率的信號允許具有更長的傳輸距離。G.656光纖可適用于大容量粗波分復用（CWDM）和DWDM傳輸網絡。（3）接入網建設時可選擇G.652和G.657光纖。光纖系統傳輸窗口工作波長為1

310nm和1

550nm。可適用于光纖在樓內、室內的彎曲損耗不敏感光纜的選型主要考慮以下幾個因素：（1）一般而言，光纜使用壽命通常按20年考慮，由此來考慮光纜纖芯數的選擇。具體考慮有網絡安全可靠性的要求、工程中遠期擴容所需、向其他公司提供租纖業務所需、通信技術的飛速發展所需、光纜施工維護、故障搶修.（2）常用的光纜纜芯結構有層絞式、骨架式、中心束管式三種。在工程設計中，應該根據光纜的敷設方式、環境、工程的需要和光纜的價格等因素來確定纜芯結構。①直埋光纜：通常要求光纜有PE內護層＋防潮鎧裝層＋PE外護層或防潮層＋PE內護層＋鎧裝層＋PE外護層，宜選用GYTA53、GYTA33、GYTS和GYTY53等結構。②管道或采用塑料管道保護的光纜：應有防潮層＋PE外護層，宜選用GYTA、GYTS、GYTY53和GYFTY等結構。③架空光纜：需有防潮層＋PE外護層，宜選用GYTA、GYTS、GYTY53、GYFTY、ADSS和OPGW等結構。④水底光纜：需有防潮層＋PE內護層＋鋼絲鎧裝層＋PE外護層，宜選用GYTA33、GYTS333和GYTS43等結構。⑤室內光纜：應具有阻燃材料外護層。⑥防蟻光纜：應具有直埋光纜結構＋防蟻外護層（聚酞胺或聚烯烴共聚物）。4.4.2光纖線路設施

構成光纖線路還有大量無源器件設施，比如光纖接頭盒、光纖配線架、光纜交接箱和光纜分纖盒等。1.光纖接頭盒光纖接頭盒的基本結構如圖4-24所示。從圖4-24中可以看出，這是一種由金屬構件、熱可縮管及防水帶、黏附聚乙烯帶構成的連接護套式光纖接頭盒。圖4-24光纖接頭盒的基本結構

光纖接頭盒的主要種類有單端進/出光纜結構和多端進/出光纜結構，如圖4-25所示。圖4-25光纜接頭盒的結構實物圖2.光纖配線架

光纖配線架（ODF）是光纜和光纖通信設備之間的配線連接設備，應符合YD/T778-2006《光纖分配架》的有關規定。光纖配線架的結構和實物如圖4-26所示。圖4-26光纖配線架結構實物圖ODF架3.光纜交接箱和光纜分纖盒光纜交接箱主要是用于光纜接入網中主干光纜與配線光纜交接處的接口設備，應符合YD/T988-2007《通信光纜交接箱》的有關規定。

（a）交接箱的實物結構

（b）交接箱的光纖測試

圖4-27光纜交接箱的實物圖

光分纖盒是用于配線光纜與用戶引入光纜交接處的接口設備。光分纖盒的結構如圖4-28所示。

（a）多口光分纖盒

（b）多口光分纖盒

圖4-28光纜分纖盒的實物圖4.5光中繼器

光發送機輸出的光脈沖信號，經過光纖傳輸后，因光纖的吸收和散射而產生衰減，又因光纖材料和結構上的色散，導致信號脈沖的失真。從而使傳輸線路的噪聲、系統誤碼率增加，且失真程度隨距離增加而加劇。因此，為了補償光信號的衰減，對波形失真的脈沖進行整形，為延長光纖通信距離，必須在傳輸線路中每隔一定距離設置一個光中繼機。若只考慮光纖對信號的損耗，可采用EDFA光纖放大器，補償光信號的衰減。這里只介紹光—電—光轉換方式的光中繼機，EDFA光纖放大器的放大原理見第3.3節

光中繼機的組成如圖4-29所示，包括光接收、再生判決和光發送部分。首先由光檢測器將衰減和失真的光脈沖信號轉換成電信號，通過放大、再生恢復出原來的數字信號，再對光源進行驅動調制，又產生光信號送入光纖以延長傳輸距離。圖4-29數字光中繼器的方框圖4.6光模塊4.6.1常用光模塊

光模塊（opticalmodule）是光收發設備等的一種高度集成塊，常用的種類包括光接收模塊、光發送模塊、光收發（一體）模塊和光轉發模塊等。4.6.2光模塊的功能結構及原理光發射模塊的主要功能是實現電/光變換。其原理如圖4-30所示。光接收模塊的主要功能是實現光電變換。其原理如圖4-31所示。

圖4-30光發射模塊的原理圖

圖4-31光接收模塊的原理圖4.6.3光收發模塊的型號及參數

常用到的光模塊或光纖模塊都是指光收發模塊。常見的光模塊型號有SFP、SFP+、QSFP+XFP、X2等。SFP或SFP+、QSFP+或QSFP28光模塊外部結構，如圖4-32所示。

（a）SFP光模塊

（b）SFP+光模塊（c）QSFP+光模塊

）QSFP28光模塊

圖4-32光模塊外部結構圖部分光模塊型號的參數如表4.3所示。表4.3光模塊（光收發模塊）參數封裝類型可選波長速率Gbit/s距

離SFP850nm，1310nm，1490nm，1550nm，CWDM，DWDM1.25～1080m～40kmSFP+850nm，1310nm，1270nm，1330nm，CWDM，DWDM10～400.5m～20kmQSFP+1330nm40～10010m～20kmQSFP28850nm，1310nm100100m～20kmXFP或X2或XENPAK850nm，1310nm，1270nm，1330nm，CWDM，DWDM10100m～20km4.7系統的性能指標4.7.1．誤碼性能誤碼性能是衡量數字通信系統質量優劣的重要指標，它反映了數字傳輸過程中信號受損害的程度。1.64kbit/s數字連接的誤碼性能在數字通信中常用比特誤碼率（BER）來衡量誤碼性能，誤碼率大小直接影響系統傳輸的業務質量，例如誤碼率對話音的影響程度如表4.4所示。

表4.4誤碼率對話音的影響程度

所謂“平均誤碼率”就是在一定的時間內出現錯誤的碼元數與傳輸碼流總碼元數之比，其表示式為：

在通信網中除了語音，還有其他業務，為了能綜合衡量各業務的傳輸質量，根據ITU-TG.821建議，可將誤碼性能優劣的指標分為3類：①劣化分DM；②嚴重誤碼秒SES；③誤碼秒ES。其定義和指標（在27500km的假設參考數字連接情況下）如表4.5所示。表4.5誤碼類別、定義和總指標（64kb/s）

在實際的工程設計中，必須將G.821建議的總指標按照不同等級的電路進行分配，電路等級劃分為高級，中級和本地級3種。如圖4-33所示。圖4-33HRX的電路等級劃分及誤碼指標分配

3種等級電路對誤碼性指標能指標分配如表4.6所示。該表的依據為G.821建議，高級指標按長度分配，等效每千米0.0016%，即在25000km占總指標40%。中級和本地級則按切塊分配，即每段各占總指標15%。表中對嚴重誤碼秒僅取總指標的一半（0.1%）參加分配，另一半留做高、中級電路全年最差月分用。表4.63種等級網絡對誤碼性能總指標分配

對我國電話通信網采用的三級匯接制，一般認為省中心以上的一級長途干線為高級；省中心至縣市中心的二級長途干線為中級；縣中心以下為三級本地級。

2.高比特率數字通道的誤碼性能

根據ITU-TG.826建議SDH傳輸系統通道的誤碼性能，是以“塊”為單位描述的，由此產生出以“塊”為基礎的一組參數。所謂“塊”，是指一系列與通道有關的連續比特。當同一塊內的任意比特發生差錯時，就稱該塊為“誤塊”（EB）。高比特通道誤碼性能參數如下：

（1）誤塊秒（ES）和誤塊秒比（ESR）。

當任意1s內發現1個或多個誤碼塊時，則稱該1s為誤塊秒。在規定測量時間內出現的ES數與總的可用秒數之比值稱為誤塊秒比（ESR）。

（2）嚴重誤塊秒（SES）和嚴重誤塊秒比（SESR）。當任意1s內出現不少于30%的EB或者至少出現一次嚴重擾動期（SDP）時，稱該秒為嚴重誤塊秒（SES）。其中“嚴重擾動期”指在測試時，最小等效于4個連續誤塊時間或1ms時間段內，誤碼率>10-2或出現信號丟失，就認為出現了一次SDP。在測量時間段內出現的SES數與總的可用秒之比，稱為嚴重誤塊秒比（SESR）。

（3）背景誤塊（BBE）和背景誤塊比（BBER）。扣除不可用時間和SES期間出現的EB以后所剩下的誤塊稱為背景誤塊BBE。在規定測試時間內出現BBE數與可用時間內的碼塊數之比稱為BBER。（4）嚴重誤碼期強度（SEPI）可用時間內嚴重誤碼期事件數與總可用時間秒之比，稱為嚴重誤碼期強度，單位為1/s。前三項指標中，SESR要求最嚴，BBER要求最松，只要通道滿足了SESR指標，BBER指標也能自動滿足。3.誤碼性能指標分配ITU-T的G.826為高比特率通道，全長27500km的HRP每一段分配最高誤碼性能指標，在各段誤碼不高于標準情況的下，連接串后才能滿足27500km端到端通道傳輸要求。誤碼性能指標按區段分配，表4.7高比特率27500km國際數字HRP的端到端誤碼性能指標表4.7高比特率27500km國際數字HRP的端到端誤碼性能指標4.7.2．抖動和滑動性能

抖動是數字信號傳輸過程中產生的一種瞬時不穩定現象。抖動的定義是數字信號的特定時刻（如最佳抽樣時刻）相對標準時間位置的短時間偏差。如圖4-34所示。偏差時間范圍稱為抖動幅度（Jp-p，）。抖動單位為UI，表示單位時隙。當脈沖信號為二電平NRZ時，1UI等于lbit信息所占時間，數值上等于傳輸速率fb的倒數。標準位置抖動幅度

圖4-34輸入/輸出抖動容限滑動（或漂移）的定義是數字信號的特定時刻（如最佳抽樣時刻）相對標準時間位置的長時間偏差。滑動產生原因常見是環境溫度的變化，因為環境溫度的變化，可能導致光纖傳輸性能、時鐘以及LD發射波長的偏移等而產生滑動。還有就是SDH網絡中指針調整可能產生滑動。滑動危害會引起傳輸信號比特偏離時間上的理想位置，結果使接收機對信號脈沖不能正確判決再生，產生誤碼。產生抖動的原因主要與定時提取電路的質量、輸入信號的狀態和輸入碼流中的連“0”碼數目有關。抖動嚴重時，使得信號失真、誤碼率增大。完全消除抖動是困難的，因此在實際工程中，需要提出容許最大抖動的指標。抖動單位:時隙UI.(1UI等于lbit信息所占時間

)ITU-T建議的抖動參數：輸入抖動容限G823

輸出抖動容限G921

抖動轉移（抖動增益）G921等。

1.輸入抖動容限:

指在數字段內,滿足誤碼特性要求時,允許的輸入信號的最大抖動范圍。輸入抖動容限應在圖4-35所示曲線之上。圖4-35輸入/輸出抖動容限抖動幅度/UI0.22．最大允許輸出抖動/滑動容限:指的是當系統沒有輸入抖動的情況下,而系統輸出端的抖動最大值。輸出抖動容限應在圖4-35所示的曲線之下。3．抖動/滑動轉移（抖動增益）特性

是指數字設備和數字段輸出信號的殘余抖動與輸入口的抖動量的比值與抖動頻率的關系。即：G=20lg(輸出抖動幅度/輸入抖動幅度)為了保證數字網的抖動指標,對每一個數字段而言,按照ITU-TG.921的建議,抖動轉移增益不應該超過1dB,而數字設備的抖動轉移增益不應該超過0.5dB。表4.8PDH各次群輸入抖動/滑動容限

參數值速率Mb/sJP-P/UI

A1A2

測試濾波器參數f1/HZf2/kHZf3/kHZ2．0481.5UI0.2UI20181008．4481.5UI0.2UI20340034．3681.5UI0.15UI10010800139．2641.5UI0.075UI200103500（1）PDH系統抖動/滑動性能規范（2）SDH系統抖動/滑動性能規范表4.9SDH各STM等級輸入口對抖動的要求

參數值速率Mb/sJP-P/UI

A1A2

測試濾波器參數f1/Hzf2/kHzf3/kHz155．5201.5UI0.15UI500651300622．0801.5UI0.15UI100025050002488．3201.5UI0.15UI5000待定200004.7.3可靠性

除上述性能指標外，衡量通信系統質量的優劣，可靠性也是一個重要指標，它直接影響通信系統的使用、維護和經濟效益。對光纖通信系統而言，可靠性包括光端機、中繼器、光纜線路、輔助設備和備用系統的可靠性。確定可靠性一般采用故障統計分析法，即根據現場實際調查結果，統計足夠長時間內的故障次數，確定每兩次故障的時間間隔和每次故障的修復時間。（1）不可用時間MTTR傳輸系統任一傳輸方向的數字信號連續10s期間內每秒的誤碼率均大于1×10

3時，從這10s的第一秒起就認為進入了不可用時間。（2）可用時間MTBF

當數字信號連續10s期間內每秒的誤碼率均小于1

10-3時，從這10s的第一秒起就認為進入了可用時間。（3）可用性及可用性目標可用性=（可用時間/總工作時間）×100%=MTBF/（MTBF+MTTR）×100%；不可用性=（不可用時間/總工作時間）×100%

=MTTR/（MTBF+MTTR）×100%國家標準規定，具有主備用系統自動倒換功能的數字光纖通信系統，容許：5000km雙向全程每年4次全阻故障420km和280km數字段雙向全程分別為每3年1次和每5年1次全阻故障。市內數字光纖通信系統的假設參考數字鏈路長為100km，容許雙向全程每年4次全阻故障50km數字段雙向全程每半年1次全阻故障。此外，要求LD光源壽命大于10×104h，PIN-FET壽命大于50×104h，APD壽命大于50×104h。

各類假設參考數字段的可用性目標，如表4.10所示。表4.10假設參考數字段的可用性目標長度/km可用性不可用性不可用時間/年42099.977%2.3×10-4120min/年28099.985%1.5×10-478min/年5099.99%1×10-452min/年4.8.1系統總體考慮在系統設計時采用的產品必須符合相關的國家標準、行業標準、技術規范的要求，還應接受ITU-T的有關建議。此外還應考慮下述有關問題：（1）綜合考慮最佳路由和局站設置、系統的容量（傳輸速率等級）、傳輸距離、業務流量、投資額度和發展的可能性等相關因素。（2）合理選擇系統的傳輸體制即PDH,SDH制式，工作波長、光纜型號和光電設備型號等，以滿足對系統性能的總體要求。4.8光纖通信系統設計

（3）具有保證系統正常工作的其他配套設施。目前可選用的光纖類型有G.651光纖、G.652光纖、G.653光纖、G.654光纖、G.655光纖。各光纖特性及適用范圍如表2-1，表2-2所示，選用G.652和G.655這兩種光纖最為普遍，因為G.652光纖是在1310nm波長性能最佳的單模光纖，適應開通長距離622Mbit/s及其以下系統；G.655光纖是在1550nm波長區開通2.5Gbit/s,10Gbit/s和N×2.5Gbit/s波分復用系統最適合的光纖。4.8.2系統中繼距離設計估算

通常采用的方法是最壞值設計法，此方法是將所有參數值都按最壞值選取。按最壞值設計的系統，在其壽命終結，富余度用完，且處于極端溫度條件下仍能100%地保證系統性能要求。

光纖傳輸中繼距離由光纖衰減和色散等因素決定。在實際的工程應用中，設計方式分為兩種情況:第一種情況是損耗受限系統，即中繼距離根據S和R點之間的光通道衰減決定。第二種是色散受限系統，即中繼距離根據S和R點之間的光纖色散決定。光纜線路工程施工范圍示意見圖4-37。

圖4-37中繼段距離組成示意圖1.SDH系統中繼距離的設計估算（1）損耗受限系統損耗受限系統中繼距離可用下式（4.14）估算：式中:L為衰減限制中繼段長度（km）；Ps為S點發送光功率（dBm）；Pr為R點接收靈敏度（dBm）；（4.14）Pp為光通道功率代價（dB），光通道功率代價不超過1dB；Mc為光纜富余度，在一個中繼段內，按3~5dB取值；Me為設備富余度（dB），通常取3dB；∑Ac：表示S和R點之間所有活動連接器損耗之和，可取0.5dB~0.8dB/個；Ac表示每個活動連接器損耗（dB/個）；Af是光纖損耗系數（dB/km）。As是光纜固定接頭平均衰減（dB/個），與光纜質量，熔接機性能，操作水平有關。工程中一般取As/Lf=0.05~0.04dB/km；Lf是光纜每盤長度（km）。2）色散受限系統根據ITU-T建議，色散限制系統中繼段距離可用式（4.15）估算：（4.15）式中：L為色散限制中繼段長度（km）；

：當光源為多縱模激光器時取0.115，單縱模激光器時取0.306；B是線路信號比特率（Mbit/s）；

為光源的譜寬（nm）；D為光纖色散