课程设计题目：外调制光纤通信系统设计
学院：信息科学与工程学院
年级专业：09级光电子1班
学号：xxxxxxxx
学生姓名：xxxxx
指导教师：xxx
一、设计要求
设计10Gpb速率的外调制光纤链路，保证链路能正常通信，误码率BER小于10-12，对应的品质因数Q大于7
二、设计技术参数
1）DFB-LD（SLM），光源中心波长λ0=1552.5nm（193.1Thz），谱线宽度Δλ=0.1 nm(12.5GHz)
2)光纤传输距离120km
3)光发射机发射光功率范围：10dBm～13dBm，可取10dBm
4)APD光接收机灵敏度范围：-25dBm～-9dBm ，可取-18dBm
5) G.652标准单模光纤，光纤的衰减系数α=0.2dB/km，色散系数D=17ps/nm/km
6) 色散补偿光纤衰减系数α=0.5dB/km, 色散系数D=-100ps/(nm.km)
7) 线路编码为NRZ
8) 连接器损耗α=1dB/个
二、设计要点
链路采用外调制的模式，系统通过电信号（NRZ码）控制光调制器产生光信号。

产生的光信号通过光纤传输至信号接收端，经光电探测器转换为电信号，完成链路的传输。

衰减：在实际工作中，光纤有一个衰减系数，光信号会随着传输而衰减。

为了使光信号传输到探测器时，信号的功率在光电探测器的灵敏度范围之内，链路设计放大模块将信号放大。

色散：不同频率的光波在光纤中传播的速度不同，频率较小的光传播速度快，频率较大的光传播速度慢。

由于链路采用的光源激光器存在一定的带宽，因而光信号在传输过程中会产生色散，传输距离越长，色散现象越严重。

针对色散问题，链路设计了色散补偿光纤来消除色散。

因此，设计链路所需要解决的主要问题是色散和衰减。

通过改变色散光纤的长度和放大器的放大方法来消除传输中带来的色散问题和衰减问题。

另外，在设计时，系统的噪声因素也应考虑在内。

三、链路设计
1.根据要求设计链路
通信链路由信号源、线路编码器、光源、连接器、光纤、必要补偿单元、连接器、光接收机组成。

设计时，使用伪随机码发生器充当信号源，用连续波激光器和M-Z调制器组成外调制型光源，用1dB衰减器充当连接器，使用不同参数的光纤分别充当传输光纤和色散补偿光纤，使用7dB衰减器充当系统衰减富余量，使用眼图分析仪来观察链路传输的眼图、分析链路的误码率和品质因数。

设计链路，初始时不添加色散光纤（色散光纤长度为0）和增益，检测系统的眼图和品质因数。

如下图所示：
图1 链路连接图和眼图
由眼图可以看到，此时眼图无规则形状，误码率为1，品质因数为0。

要想使链路能正常工作，必须添加色散补偿模块和功率放大模块。

本链路采用色散光纤来消除色散，当链路引入色散光纤时，光信号的传输距离会加长，信号衰减会增大，色散光纤就成为了信号衰减的元素之一；采用光放大器增加信号功率，光放大器是独立的器件，不会影响光的色散。

所以，应先消除链路的色散，再设计功率的放大。

2.色散补偿
光在光纤中传输会产生色散，传输光纤中的色散系数为17ps/nm/km，为了消除色散，链路增加了色散系数为-100 ps/nm/km的色散补偿光纤。

根据色散补偿公式：D E L E+D C L C=0 可计算出需要的色散补偿光纤长度为20.4km。

为了调试系统的色散补偿，可以先将传输光纤和色散补偿光纤的衰减因数设置为0，即不考虑光纤的衰减，再选取不同长度的色散补偿光纤进行调试，找出实际中最佳的长度。

色散光纤长度与Q值
3.5
3.63.73.83.94
4.14.24.34.419.8
20
20.2
20.420.620.8
21
色散光纤长度/km
Q 值
图2 色散光纤长度对Q 值的影响
如图2所示，为测试得到的色散光纤长度对品质因数的影响。

由图可见，当色散光纤长度为20.4km 时，Q 值最高，此时链路的色散达到最小，并且此时的色散补偿光纤长度与计算出的理论值相同，故我们可以将色散补偿光纤设置为20.4km ，来消除链路的色散。

此时系统眼图如下：
图3 色散补偿后眼图
将图3与图1对比可以发现，链路经过色散补偿以后，眼图已经出现规则的形状。

但是眼图“上眼皮”仍是比较杂乱，这主要是由于光在光纤传输过程无衰减（前面设置的）而造成噪声的积累。

当给光纤加上衰减系数后，噪声会得到衰减，我们再适当的添加增益，系统会将噪声的影响减小，眼图得到改善。

3.功率补偿
色散补偿后，恢复光纤的衰减系数，运行该工程，得到如图4所示眼图：
图4 光纤加入衰减后眼图
可以看到，由于光在光纤传输的衰减，使得光信号功率在接收端低于光接收机的灵敏度，导致系统不能正常工作，误码率为1，品质因数为0，因此，链路需要添加增益模块来提高信号的功率。

光放大有三种：前置放大、功率放大和在线放大。

前置放大是在光接收机前加一光放大器，来增加信号的功率。

这种放大方式往往需要较大增益的放大器功率，并且放大出的信号噪声较大。

功率放大是在光信号发送端加一光放大器，通过提高链路光信号初始功率来进行传输。

这种方式初始功率较大，损耗功率较大，使得整个链路拥有较高的损耗。

在线放大是在光信号传输中途对光信号进行中继。

优点是光功率在整个链路中分布相对比较均匀，缺点是需要的中继器比较多，引入噪声也较多。

本链路的光源光功率为10dBm ，无需功率放大，只需一个在线放大器在光纤60km 处中继一次，再用一个前置放大器在信号接收端放大光信号就可以得到比较理想的结果。

将前置放大器和在线放大器的放大系数同时变化，得到如下图：
-202468
1012140
2
4
6
810
12
14
16
增益/dB
Q 值
系列1
图5 放大器增益与品质因数关系
由图5可以看出，放大器增益为6-12期间，Q值会随着放大倍数的增加而增加。

当放大器增益为9dB时，取得的Q值为6.64，再微调前置放大器的放大增益，使得Q值大于7。

实验测得，当前置放大器的放大倍数为10dB时，链路的品质因数为7.92，满足设计要求。

眼图如下：
图6 功率补偿后眼图
四、总结
当链路进行色散补偿和功率补偿后，可得到规范的眼图（图6），此时的误码率为1.17×105，品质因数为7.92，达到设计要求。

图7 系统设计链路图。