基于RZ的40 Gbps SMF光纤传输系统的设计与仿真

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1. 光学接收系统:在接收端，接收天线的作用是将空间传播的光场收集并汇聚到探测器表面。

2. 信号处理

空间光通信系统中，光接收机接收到的信号是十分微弱的，又加之在高背景噪声场的干扰情况下，会导致接收端信噪比S/N<1。所以对信号的处理是十分必要的。通常采取的措施有:一是在光学信道上，采用光窄带滤波器对所接收光信号进行处理，以抑制背景杂散光的干扰。光学滤波器的基本类型有吸收滤光器、干涉滤光器、双折射滤光器和新型的原子共振滤光器等。二是在电信道上，采用前置放大器将光电探测器产生的微弱的光生电流信号转化为电压信号，再通过主放大器对信号进行进一步放大。然后采用均衡和滤波等方法对信号进行整形和处理，最后通过时钟提取、判决电路及解码电路，恢复出发送端的信息。 2.5中继器

中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行整形。实用的光纤数字通信系统都是用二进制PCM信号对光源进行直接强度调制的。光发送机输出的经过强度调制的光脉冲信号通过光纤传输到接收端。由于受发送光功率、接收机灵敏度、光纤线路损耗、甚至色散等因素的影响及限制，光端机之间的最大传输距离是有限的。

光中继器的功能是补偿光的衰减，对失真的脉冲信号进行整形。当光信号在光纤中传输一定距离后（约50—70KM），光能衰减，从而使信息传输质量下降。为了克服这一特点，在大容量、远距离光纤通信系统中，每隔一段距离设置一个中继器，保证光纤高质量远距离传输。这种系统也叫光纤中继通信。

为便于维护，光中继器应具有公务联络、监控、告警等功能，有的还具有区间通信功能。

光中继器是在长距离的光纤通信系统中补偿光缆线路光信号的损耗和消除信号畸变及噪声影响的设备。是光纤通信设备的一种。其作用是延长通信距离。通常由光接收机、定时判决电路和光发送机三部分及远供电源接收、遥控、遥测等辅助设备组成。光中继器将从光纤中接收到弱光信号经光检测器转换成电信号，再生或放大后，再次激励光源，转换成较强的光信号，送入光纤继续传输。

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2.6无源器件

由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的（如1Km)。因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。

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3光纤传输系统性能

光纤中传输的光信号具有一定的频谱宽度，也就是说光信号具有许多不同的频率成分。同时，在多模光纤中，光信号还可能由若干个模式叠加而成。 3.1 最小误码率

误码的产生是由于在信号传输中，衰变改变了信号的电压，致使信号在传输中遭到破坏，产生误码。噪音、交流电或闪电造成的脉冲、传输设备故障及其他因素都会导致误码（比如传送的信号是1，而接收到的是0；反之亦然）。各种不同规格的设备，均有严格的误码率定义，如通常视/音频双向光端机的误码率应该在：

（BER）≤10E （3.1）

由于种种原因，数字信号在传输过程中不可避免地会产生差错。例如在传输过程中受到外界的干扰，或在通信系统内部由于各个组成部分的质量不够理想而使传送的信号发生畸变等。当受到的干扰或信号畸变达到一定程度时，就会产生差错。

在数据通信中，如果发送的信号是“1”，而接收到的信号却是“0”，这就是“误码”，也就是发生了一个差错。在一定时间内收到的数字信号中发生差错的比特数与同一时间所收到的数字信号的总比特数之比，就叫做“误码率”，也可以叫做“误比特率”。误码率（BER：bit error rate）是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。

误码率=错误码元数/传输总码元数。 误比特率=错误比特数/传输总比特数。

误码率是最常用的数据通信传输质量指标。它表示数字系统传输质量的式是“在多少位数据中出现一位差错”。

错误！未找到引用源。（3.1）

其中，Pb(e)表示发生误码的可能性，等同于误码率； P(e)表示波形发生错误并被用户发现的可能性； M是间断信号的数量

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3.2 Q值

一个光学谐振腔的质量用品质因数Q来描述的，Q是衡量光学谐振腔的储能（光能）和选择频率的能力。Q值的定义公式是：

错误！未找到引用源。 （3.2）

式中，v为腔的谐振频率，E2为腔内存储的能量，E1为每秒损耗的能量。腔内存储的能量越多，或者每秒损失的能量越少，谐振腔的质量越好，即品质因素Q的值越高。

通常，Q的定义式没有实际操作的意义。其中是无源谐振腔的透射光谱谐振峰半高宽，是谐振峰的中心频率。通常，腔体积越大，对光束能量反馈越高，Q就越高。

需要注明的是，同一个光学谐振腔，对不同的波长有不同的Q。因为考虑到增益介质的吸收，不同波长的光，在不同的泵浦条件下，在谐振腔内的损耗不同。 3.3影响光纤传输系统的主要因素

在光纤中传输的光信号（脉冲）的不同频率成份或不同的模式分量以不同的速度传播，到达一定距离后必然产生信号失真（脉冲展宽），这种现象称为光纤的色散或弥散。

光纤的色散主要有材料色散、波导色散、偏振模色散和模间色散四种。其中，模间色散是多模光纤所特有的。

这四种色散作用还相互影响，由于材料折射率n是波长λ（或频率w）的非线性函数，d2n/d2λ≠0，于是不同频率的光波传输的群速度不同，所导致的色散成为材料色散。

由于导引模的传播常数β是波长λ(或频率w)的非线性函数，使得该导引模的群速度随着光波长的变化而变化，所产生的色散成为波导色散（或结构色散）。

偏振模色散指光纤中偏振色散，它是由于实际的光纤中基模含有两个相互垂直的偏振模，沿光纤传播过程中，由于光纤难免受到外部的作用，如温度和压力等因素变化或扰动，使得两模式发生耦合，并且它们的传播速度也不尽相同，从而导致光脉冲展宽，引起信号失真。

不同的导引模的群速度不同引起的色散成为模间色散，模间色散只存在与多模光纤中。

光纤的色散及非线性对系统的影响日益突出，在单信道传输速率进一步提高和信道间隔进一步压缩受限制的情况，增加系统的传输速率更期待与增加系统的传输带宽，而采用更大带宽的光纤是其必然的选择[4]。