《光纤通信技术与应用》课件.ppt

*************************************模拟光纤通信系统结构基本组成模拟光纤通信系统由模拟光发射机、光纤传输链路和模拟光接收机组成。与数字系统不同，模拟系统直接传输连续变化的信号，对信噪比和线性度要求高。模拟光发射机采用直接强度调制或外部调制方式，输入信号可能经过前置处理如预失真补偿。模拟光接收机通常采用高线性度的光电探测器和低噪声放大器。技术特点与数字系统相比，模拟系统有以下特点：线性度要求高，非线性失真直接影响信号质量对噪声敏感，需要高信噪比确保信号保真度动态范围受限，通常需要精确控制工作点需要考虑色散、非线性效应等对模拟信号的劣化模拟光纤通信系统的主要应用领域包括：有线电视网络（CATV），模拟信号分发；雷达和天线系统，高频射频信号远程传输；测量系统，传感信号实时传输；卫星通信地面站，射频信号馈送。性能评价指标包括载噪比（CNR）、复合二阶失真（CSO）、复合三阶失真（CTB）和调制指数。现代模拟系统常采用子载波调制（SCM）技术，将多个射频信号调制到不同频率的子载波上，再共同调制光载波。外部调制技术如马赫-曾德尔调制器能实现高线性度调制，结合预失真技术，可显著提高系统性能。随着数字技术发展，纯模拟系统逐渐被数字化系统替代，但在特定应用中仍有独特优势。系统性能指标：误码率接收功率(dBm)误码率(BER)误码率(BER)是数字光纤通信系统最重要的性能指标，定义为接收错误比特数与传输总比特数之比。在强度调制-直接检测(IM-DD)系统中，假设高斯噪声模型，BER可表示为：BER=0.5·erfc(Q/√2)，其中Q因子与信号功率、噪声功率和判决门限有关。BER与接收光功率的关系通常遵循水平曲线，随功率增加呈指数式下降，但在高功率区会趋于平缓（形成误码率平台），这通常由系统固有缺陷如定时抖动、串扰或色散引起。一般光通信系统要求BER10??，前向纠错(FEC)编码可将10?3级别的原始BER纠正至10?1?级别。测量BER的方法包括：伪随机比特序列(PRBS)发生和检测、误码计数以及眼图分析。眼图是评估系统质量的直观工具，眼图开启度越大，系统余量越高。现代系统也使用误码率曲线（曲线陡峭度反映系统性能）和星座图（适用于相干系统）进行性能分析。系统性能指标：Q因子系统性能评估Q因子是系统质量的综合反映误码率换算Q因子与BER存在明确数学关系信号质量测量基于电信号或光信号的统计特性Q因子是评估数字光通信系统质量的重要参数，定义为二进制信号电平之间的差值与噪声标准差之比：Q=|S?-S?|/(σ?+σ?)，其中S?和S?分别是1和0电平的平均值，σ?和σ?是对应的噪声标准差。Q因子与误码率有直接关系：BER=0.5·erfc(Q/√2)，常用Q值与误码率对应关系：Q=6对应BER≈10??，Q=7对应BER≈10?12，Q=8对应BER≈10?1?。Q因子的优势在于：可以通过统计方法在实际系统中测量，不需要长时间的误码计数；能反映系统的信号质量余量，预测系统在不同条件下的性能；与光信噪比(OSNR)有明确关系，便于系统设计和优化。在现代相干通信系统中，常使用广义Q因子(Q-factor)，它基于误码概率和最小欧氏距离定义。提高Q因子的方法包括：增加发射功率、使用FEC、优化系统结构、改善器件性能、减少色散和非线性效应影响等。现代系统设计通常以达到目标Q因子为准则，结合系统裕度考虑。系统功率预算10dBm发射功率光发射机输出功率25dB链路损耗光纤+连接器+熔接点-25dBm接收灵敏度BER=10??时的最小功率10dB系统裕度可靠运行的安全余量系统功率预算是光纤通信系统设计的基础，用于确保接收端获得足够的光功率以达到目标误码率。功率预算分析通常遵循以下步骤：首先确定发射功率（PTX）和接收灵敏度（PRX）；然后计算可用功率余量（PTX-PRX）；接着估算链路总损耗，包括光纤衰减、连接器损耗、熔接点损耗和额外组件损耗；最后计算系统裕度，即可用功率余量减去总损耗。在系统设计中，应考虑的因素包括：组件老化（激光器功率下降、接收机灵敏度降低）；温度影响（环境温度变化导致的性能波动）；维修损耗（系统运行期间可能增加的额外连接点）；未来扩展（预留系统增长空间）。通常，系统裕度应至少为6-10dB，确保系统在各种条件下稳定运行。对于包含光放大器的长距离系统，功率预算分析更为复杂，需要考虑放大器增益、噪声积累和非线性效应限制。在这种情况下，通常使用光信噪比(OSNR)分析替代简单的功率预算，并结合Q因子估算系统性能。系统带宽预算系统带宽预算分