CSRH的數(shù)字光傳輸*

竇玉江，顏毅華，王 威，劉 飛，陳林杰，何俊波，陳志軍

(1. 蘇州大學電子信息學院，江蘇 蘇州 215006，2. 中國科學院國家天文臺太陽活動重點實驗室，北京 100012)

1 傳輸方案

中國頻譜日像儀(Chinese Spectral Radioheliograph, CSRH)的觀測設備分高低頻兩套，低頻部分的觀測范圍是0.4～2 GHz，高頻部分是2～15 GHz。在此考慮的是高頻部分的傳輸線設計。由于在2～15 GHz的范圍內選取的觀測頻率點只有32個，所以并不值得像低頻部分那樣進行寬帶射頻傳輸，只需要把需要的信號頻點選下來經(jīng)過窄帶傳輸給后端。

采用圖1的原理框圖，在前端采樣，將其變成數(shù)字信號往下傳。在60面2.4 m的板狀天線的饋源輸出，經(jīng)等長傳輸線接到模擬變頻選頻器中，將所需頻點的帶寬5 MHz信號傳給模擬數(shù)字轉換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)，量化采樣，再傳給格式程序(Formatter)編成160 bit的幀，經(jīng)過數(shù)字光模塊將信息傳到3 km外的接收機房。這種傳輸模式，成本低廉，流程簡單；既保持了模擬光傳輸?shù)退p、無色散、無電磁干擾的優(yōu)點，又避免了動態(tài)范圍過小的瓶頸；并且，傳輸?shù)男盘柨梢灾苯油ㄟ^數(shù)字接收機進行相關，從流程上看也相當簡單。

2 傳輸原理

數(shù)字光模塊的傳輸原理包括圖2的幾部分。數(shù)字信號先經(jīng)過碼型變換器，轉成線路碼；再經(jīng)過光調制，將線路碼用3 km光纜傳輸?shù)浇邮諜C房，解調成電信號；最后經(jīng)過線路碼反變換，還原成太陽信號并送交下一級處理(具體使用哪種線路碼視光產品而定)。

圖1 數(shù)字光傳輸?shù)脑O計構成

Fig.1 Configuration of the digital fiber-optic transmission

傳輸過程中，由簡單的二進制數(shù)字信號到線路碼的轉換傳輸是必要的，這主要是由于以下3個原因：(1)傳輸中不能存在長連“1”或長連“0”，那樣會使定時信息消失，或者在接收器提取時出現(xiàn)錯誤；(2)簡單的二進制碼含直流成分，它會由于“0”、“1”的隨機變化而發(fā)生改變，不利于接收機的判別；(3)簡單的二進制信號無法監(jiān)測誤碼率。

圖2 數(shù)字光模塊原理框圖

Fig.2 Block diagram of the digital fiber-optic transmission

光發(fā)送端和光接收端的結構簡圖如圖3～4，除多了光調制器、解調器以外，其他部分在數(shù)字電路中很常見。

圖3 數(shù)字發(fā)送端(光孤子發(fā)送)構成

Fig.3 Configuration of the optical transmitter

圖4 數(shù)字接收端框圖

Fig.4 Block diagram of the optical receiver

在傳輸系統(tǒng)中，經(jīng)模擬數(shù)字采樣后，先用格式程序對信號進行傳輸前的幀結構變換，在實際信號中加入合適的冗余碼，編成160 bit/幀的格式，在后面就可以直接進行光電變換。對于傳送協(xié)議可以借鑒擴展甚大陣列(Expanded Very Large Array, EVLA)的格式(圖5)。每160 bit的幀由多組分離的10 bit同步字，1 bit幀索引，5 bit序列數(shù)，1 bit PPS，1 bit每10 s周期的脈沖位，1 bit數(shù)據(jù)正誤標識位，8 bit數(shù)據(jù)檢測位。

圖5 數(shù)據(jù)幀結構[1]

Fig.5 The structure of a data frame

3 光電指標

從擴展甚大陣列的參考資料上看，多數(shù)的通信指標要高于天文指標。如果使用的光模塊屬于市面常見的產品，它們遵從國際標準或軍用標準，這些標準可以被方便采用。

3.1 電性能特性

(1)誤碼率(BER)。誤碼率是指單位時間內錯誤的比特數(shù)與傳輸?shù)谋忍財?shù)之比，它主要源于光接收機中的各種噪聲、光源模式分配噪聲、光纖色散引起的碼間干擾以及定位抖動等，當其高于1×10-3時稱為傳輸錯誤。根據(jù)擴展甚大陣列對光傳輸誤碼率要求的論述“天文觀測的傳輸而言，要求BER<10-4/同步字長”，計劃在300 Mbps的光傳輸中，同步字長10 bit，由此可得光傳輸系統(tǒng)的誤碼率指標要優(yōu)于10-5。經(jīng)過對當前的產品調研，國內多數(shù)的光傳輸產品的誤碼率指標都高于此值。

(2)抖動。將數(shù)字信號在特定時刻相對其理想時間的短時間偏離稱為抖動[2]。此處“短時間偏離”的頻率一般高于10 Hz，低于10 Hz的稱為漂移。抖動主要分為兩類，一類是隨機性抖動，它是由各種噪聲及定時濾波器的失諧引起的；另一類是系統(tǒng)性抖動，它源于器件溫度的變化和老化等不穩(wěn)定因素。

抖動的大小用UI表示，1UI=360°，它同時也是時間單位，是碼速率的倒數(shù)。對輸出抖動的要求參考國標ITU-TG957～958[3]，定為UIrms<0.01UI(如表1、 表2及圖6)。

表1 傳輸特性參數(shù)表[4]

注：A1為f0時的輸入噪聲幅度，A2為ft時的輸入噪聲幅度。不同速率下的測試條件見表2

表2 不同速率下測試條件的ft和f0值及對應的幅度

表中： (A)為A類型接收機； (B)為B類型接收機

(3)漂移。環(huán)境溫度的變化會導致光纜傳輸特性的變化，從而使信號延時發(fā)生慢變化，導致漂移的發(fā)生。而且漂移還與光端機的內部結構息息相關，在不同的“觀察時間段”內難以確定其具體數(shù)值。雖然有理論曲線，但在應用時困難頗多，尤其是國標也沒給出具體的值，留待進一步研究。

3.2 光性能特性

(1)衰減和色散。由于使用單模光纖，傳輸距離較短，碼速率較高，因此可以忽略色散和衰減的影響。

圖6 抖動幅度與頻率關系

Fig.6 The relation between amplitude and frequency of jitter

(2)發(fā)送端的發(fā)光功率。取決于通信傳輸?shù)姆N類，一般是-6 dBw；但如果是光孤子通信則要大得多。

(3)消光比(EXT)。它是發(fā)送端的指標。

將光模塊與示波器相連，輸入信號為全零碼，示波器熒屏上將顯示光信號的水平線，該水平線與示波器基線間的電壓值記為VA；向光發(fā)送模塊輸入碼源信號，示波器熒屏將顯示信號眼圖，眼圖上頂部線與示波器基線間的電壓值記為VB，消光比即為[5]

按通信國際標準，消光比為8.2 dB可以完成無失真數(shù)據(jù)傳輸，這一標準對本系統(tǒng)同樣適用。

(4)最小邊模抑制比(SMSR)。在使用動態(tài)縱模(單頻)激光器作光源調制時會產生多個縱模。為衡量其單縱模性，用M1表示主縱模的平均光功率，M2表示最強邊模的平均光功率。則[6]

理論上講，最小邊模抑制比越大越好，在此采用通信所要求的30 dB的標準。

(5)傳輸速率(帶寬)，即碼速率。市面上選取帶寬≥300 Mbps的數(shù)字光端機。

傳輸光纖可以選擇單模光纖，波長1 310 nm或1 550 nm都可以。

4 總 結

本文作為2～15 GHz傳輸系統(tǒng)的初步方案，僅僅初步介紹一點數(shù)字光傳輸?shù)闹R，調研的成分較大，關于具體的數(shù)字光傳輸設備的型號，線路碼型變換的選擇分析取決于組網(wǎng)結構、傳輸目的。傳輸目的極其簡單，只是把數(shù)據(jù)完整無失真的傳輸?shù)街骺厥?。通?？晒┻x擇的組網(wǎng)結構有PDH和SDH，具體選擇哪種需要和光傳輸設備公司作深入的探討才能決定。

[1] Steven Durand, Doug Gerrard. Firber Optic System[M]. EVLA Project Book, Chapter 7.

[2] Zhang Bilan. The jitter function within PDH optical-fiber digital communications System[J]. Journal of Xi’an Institute of Post and Telecommunications, 1997, 2(1): 11-18.

[3] 袁訓明. 有關SDH的國際標準和國內標準及其對應關系[J]. 電信工程技術與標準化, 2003(3): 41-45.

Yuan Xunming. The SDH standards and their relationship[J]. Telecom Engineering Techniques and Standardization, 2003(3): 41-45.

[4] SDH 155 Mb/s和622 Mb/s光發(fā)送模塊和光接收模塊技術條件及測試方法[S]. 中華人民共和國通信行業(yè)標準, YD/T 973-1998.

[5] 楊恩澤, 楊同友. 光纖數(shù)字通信接收機[M]. 北京: 人民郵電出版社, 1984.

[6] 解金山, 陳寶珍. 光纖數(shù)字通信技術[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 1997.