光纖課件chap5-3

1、 第第 5 章章 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 5.1 兩種傳輸體制兩種傳輸體制 5.2 系統(tǒng)的性能指標(biāo)系統(tǒng)的性能指標(biāo) 5.3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 返回主目錄5.3 系系 統(tǒng)統(tǒng) 的的 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 對(duì)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)而言，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是對(duì)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)而言，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是:根據(jù)用戶對(duì)傳輸距離和傳輸容量(話路數(shù)或比特率)及其分布的要求，按照國(guó)家相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)前設(shè)備的技術(shù)水平，經(jīng)過(guò)綜合考慮和反復(fù)計(jì)算。選擇最佳路由和局站設(shè)置、選擇最佳路由和局站設(shè)置、 傳輸體制和傳輸速率以傳輸體制和傳輸速率以及光纖光纜和光端機(jī)的基本參數(shù)和性能指標(biāo)，以使及光纖光纜和光端機(jī)的基本參數(shù)和性能指標(biāo)，以使

2、系統(tǒng)的實(shí)施達(dá)到最佳的性能價(jià)格比。系統(tǒng)的實(shí)施達(dá)到最佳的性能價(jià)格比。 在技術(shù)上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要問題是確定中繼距離，尤其對(duì)長(zhǎng)途光纖通信系統(tǒng)，中繼距離設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)效益影響很大。 中繼距離的設(shè)計(jì)有三種方法：中繼距離的設(shè)計(jì)有三種方法： 最壞情況法(參數(shù)完全已知) 統(tǒng)計(jì)法(所有參數(shù)都是統(tǒng)計(jì)定義) 半統(tǒng)計(jì)法(只有某些參數(shù)是統(tǒng)計(jì)定義)這里我們采用最壞情況設(shè)計(jì)法，用這種方法得到的結(jié)果，設(shè)計(jì)的可靠性為100%，但要犧牲可能達(dá)到的最大長(zhǎng)度。中繼距離受光纖線路損耗和色散中繼距離受光纖線路損耗和色散(帶寬帶寬)的的限制，明顯隨傳輸速率的增加而減小。限制，明顯隨傳輸速率的增加而減小。中繼距離和傳輸速率反

3、映著光纖通信系統(tǒng)的技術(shù)水平。 T, T: 光端機(jī)和數(shù)字復(fù)接分接設(shè)備的接口； Tx: 光發(fā)射機(jī)或中繼器發(fā)射端； Rx: 光接收機(jī)或中繼器接收端； C1, C2: 光纖連接器； S: 靠近Tx的連接器C1的接收端； R: 靠近Rx的連接器C2的發(fā)射端； SR: 光纖線路，包括接頭。 5.3.1 中繼距離受損耗的限制中繼距離受損耗的限制圖5.17示出了無(wú)中繼器和中間有一個(gè)中繼器的數(shù)字光纖線路系統(tǒng)的示意圖，圖中符號(hào)： 圖圖5.17數(shù)字光纖線路系統(tǒng)數(shù)字光纖線路系統(tǒng) (a)無(wú)中繼器；無(wú)中繼器； (b) 一個(gè)中繼器一個(gè)中繼器 TxRxC1SR(a)TTTxRxC1SR(b)TTRC2中繼器C1SC2C2尾纖

4、連接器發(fā)射機(jī)熔接點(diǎn)光 纖接收機(jī)連接器尾纖連接器 ecrtmsfMppL2或(5.8)msfecrtMppL2如果系統(tǒng)傳輸速率較低，光纖損耗系數(shù)較大，中如果系統(tǒng)傳輸速率較低，光纖損耗系數(shù)較大，中繼距離主要受光纖線路損耗的限制。繼距離主要受光纖線路損耗的限制。在這種情況下，要求S和R兩點(diǎn)之間光纖線路總損耗必須不超過(guò)系統(tǒng)的總功率衰減，即式中，Pt 為平均發(fā)射光功率平均發(fā)射光功率(dBm)，Pr為接收靈接收靈敏度敏度(dBm)，c 為連接器損耗連接器損耗(dB/對(duì)對(duì))， Me 為系系統(tǒng)余量統(tǒng)余量(dB)，f為光纖損耗系數(shù)光纖損耗系數(shù)(dB/km), s為每每km光纖平均接頭損耗光纖平均接頭損耗(dB/

5、km), m為每每km光纖線光纖線路損耗余量路損耗余量(dB/km), L 為中繼距離為中繼距離(km) 平均發(fā)射光功率平均發(fā)射光功率Pt取決于所用光源取決于所用光源，對(duì)單模光纖通信系統(tǒng)，LD的平均發(fā)射光功率一般為-3-9dBm, LED平均發(fā)射光功率一般為-20-25 dBm。光接收機(jī)靈敏度光接收機(jī)靈敏度Pr取決于光檢測(cè)器和前置放取決于光檢測(cè)器和前置放大器的類型大器的類型， 并受誤碼率的限制，隨傳輸速率而變化。表5.10示出長(zhǎng)途光纖通信系統(tǒng)BERav110-10時(shí)的接收靈敏度Pr。-30-33PIN-FETAPD13104 139.264-37-42PIN-FETAPD1310139.264

6、-41PIN-FET131034.368-49PIN13108.448靈敏度靈敏度Pr/dBm光檢測(cè)器光檢測(cè)器標(biāo)稱波長(zhǎng)標(biāo)稱波長(zhǎng)/nm傳輸速率傳輸速率/（Mb s-1）表表5.10 BERav 1 10-19時(shí)的接收靈敏度時(shí)的接收靈敏度Pr 連接器損耗一般為連接器損耗一般為0.31 dB/對(duì)。對(duì)。設(shè)備余量Me包括由于時(shí)間和環(huán)境的變化而引起的發(fā)射光功率和接收靈敏度下降， 以及設(shè)備內(nèi)光纖連接器性能劣化，Me一般不小于3 dB。 光纖損耗系數(shù)光纖損耗系數(shù)f取決于光纖類型和工作波長(zhǎng)，取決于光纖類型和工作波長(zhǎng)，例如單模光纖在1310 nm, f為0.40.45 dB/km; 在1550 nm, f為0.2

7、20.25 dB/km。光纖損耗余量m一般為0.10.2 dB/km, 但一個(gè)中繼段總余量不超過(guò)5 dB。 平均接頭損耗可取0.05 dB/個(gè)，每千米光纖平均接頭損耗s可根據(jù)光纜生產(chǎn)長(zhǎng)度計(jì)算得到。最大色散最大色散/ps nm-1最大損耗最大損耗/Db120（多縱模）（多縱模）2424131015504 139.264300（多縱模）（多縱模）282813101550139.264不要求（多縱模）不要求（多縱模）35131034.368不要求不要求4013108.448S和和R之間的容限之間的容限BER 1 10-10標(biāo)稱波長(zhǎng)標(biāo)稱波長(zhǎng)/nm標(biāo)稱速率標(biāo)稱速率/（Mb s-1）表表5.11 S和和R

8、之間數(shù)字光纖線路的容限之間數(shù)字光纖線路的容限 根據(jù)ITU-T(原CCITT)G.955建議，用LD作光源的常規(guī)單模光纖(G.652)系統(tǒng)，在S和R之間數(shù)字光纖線路的容限如表5.11 所示。5.3.2 中繼距離受色散中繼距離受色散(帶寬帶寬)的限制的限制如果系統(tǒng)的傳輸速率較高，光纖線路色散如果系統(tǒng)的傳輸速率較高，光纖線路色散較大，中繼距離主要受色散較大，中繼距離主要受色散(帶寬帶寬)的限制。的限制。為使光接收機(jī)靈敏度不受損傷， 保證系統(tǒng)正常工作，必須對(duì)光纖線路總色散對(duì)光纖線路總色散(總帶總帶寬寬)進(jìn)行規(guī)范。進(jìn)行規(guī)范。 對(duì)于數(shù)字光纖線路系統(tǒng)而言，色散增大，意味著數(shù)字脈沖展寬增加，因而在接收端要發(fā)生

9、碼間干擾，使接收靈敏度降低， 或誤碼率增大。嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法通過(guò)均衡來(lái)補(bǔ)償，使系統(tǒng)失去設(shè)計(jì)的性能。 g(t)=exp (5.9) )2(22t由式(5.10)得到a和的數(shù)值關(guān)系， 并列于表5.12。 )/1ln(21(Ta(5.10)式中為均方根均方根(rms)脈沖寬度脈沖寬度。把/T=a定義為相對(duì)rms脈沖寬度，碼間干擾的定義如圖5.18所示。由式(5.9)和圖5.18得到： 設(shè)傳輸速率為fb=1/T，發(fā)射脈沖為半占空歸零歸零(RZ)碼碼，輸出脈沖為高斯波形，如圖5.18 所示。高斯波形可以表示為：圖圖 5.18 高斯波形的碼間干擾高斯波形的碼間干擾 )(tgtT1211/21/ e輸入脈沖光

10、 纖1tPi(t)(t)H1(f)1ff3dB0310lgH( f )/dBPo(t) h(t)H2( f ) H( f )t2輸出脈沖 =exp )2(22T13.5 10-24.4 10-21.7 10-23.9 10-3 3.4 10-40.500.400.350.300.25a = /T表表5.12 相對(duì)相對(duì)rms脈沖寬度脈沖寬度a和碼間干擾和碼間干擾 的關(guān)系的關(guān)系 美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室S.D.Personick的早期研究中，曾建議采用下列標(biāo)準(zhǔn)來(lái)考查光纖線路色散對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的限制。 當(dāng)a=0.25時(shí)，碼間干擾只有峰值的0.034%，完全可以忽略不計(jì)。當(dāng)a=0.5時(shí)，增加到13.5%，此

11、時(shí)功率代價(jià)為78dB，難以通過(guò)均衡進(jìn)行補(bǔ)償。一般系統(tǒng)設(shè)計(jì)選取a=0.250.35，功率代價(jià)不超過(guò)2 dB。 22)()2(f（5.11）為確定中繼距離和光纖線路色散(帶寬)的關(guān)系，把輸出脈沖用半高全寬度半高全寬度(FWHM)表示，即式中, =/0.4247, =aT, a為相對(duì)rms脈沖寬度，T=1/fb，fb為系統(tǒng)的比特傳輸速率。f為光纖線路光纖線路(FWHM)脈沖展寬脈沖展寬，取決于所用光纖類型和色散特性。T L= (5.15)0610226. 0cfb對(duì)于單模光纖系統(tǒng)，對(duì)于單模光纖系統(tǒng)，f=2.355f, f為光纖線路rms脈沖展寬。由式(2.55b)取一級(jí)近似，得到f=|C0|L, C

12、0=C(0)為在光源中心波長(zhǎng)0光纖的色散光纖的色散(ps/(nmkm)，為光源譜線寬度光源譜線寬度(nm)，L為光光纖線路長(zhǎng)度纖線路長(zhǎng)度(km)。把這些關(guān)系式代入式(5.11)，同樣得到一個(gè)簡(jiǎn)明的公式。設(shè)取a=/T=0.25， 得到中繼距離： 在這個(gè)基礎(chǔ)上，根據(jù)原CCITT建議，對(duì)于實(shí)際的單模光對(duì)于實(shí)際的單模光纖通信系統(tǒng)，受色散限制的中繼距離纖通信系統(tǒng)，受色散限制的中繼距離L可以表示為：可以表示為：0610CFLb（5.16） 式中, 是線路碼速率線路碼速率(Mb/s)，與系統(tǒng)比特速率不同，它要隨線路碼型的不同而有所變化。C0是光纖的色散系數(shù)光纖的色散系數(shù)(ps/(nmkm)，它取決于工作波長(zhǎng)

13、附近的光纖色散特性。為光源譜線寬度光源譜線寬度(nm)，對(duì)多縱模激光器多縱模激光器(MLM-LD)，為rms寬度，對(duì)單縱模激光器單縱模激光器(SLM-LD), 為峰值下降20dB的寬度。 是與功率代價(jià)和光源特性有關(guān)的參數(shù)，對(duì)于MLMLD, =0.115, 對(duì)于SLM-LD，=0.306。 bf由于光纖制造工藝的偏差，光纖的零色散波長(zhǎng)不光纖的零色散波長(zhǎng)不會(huì)全部等于標(biāo)稱波長(zhǎng)值，而是分布在一定的波長(zhǎng)會(huì)全部等于標(biāo)稱波長(zhǎng)值，而是分布在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。同樣，光源的峰值波長(zhǎng)也是分配在一定波長(zhǎng)范圍光源的峰值波長(zhǎng)也是分配在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，并不總是和光纖的零色散波長(zhǎng)度相重合。內(nèi)，并不總是和光纖的零色散波

14、長(zhǎng)度相重合。對(duì)于G.652規(guī)范的單模光纖，波長(zhǎng)為12851330 nm，色散系數(shù)C不得超過(guò)3.5 ps/(nmkm)，波長(zhǎng)為12701340 nm, C不得超過(guò)6 ps/(nmkm)。S和R兩點(diǎn)之間最大色散最大色散CL(ps/nm)的容限如表5.11所示。由表可知，在140 Mb/s以上的單模光纖通信系統(tǒng)中，色散的限制是不可忽視的。 5.3.3 中繼距離和傳輸速率中繼距離和傳輸速率光纖通信系統(tǒng)的中繼距離受損耗限制時(shí)由式(5.8)確定；中繼距離受色散限制時(shí)由式(5.13)(多模光纖)和式(5.15)或式(5.16)(單模光纖)確定。從損耗限制和色散限制兩個(gè)計(jì)算結(jié)果中， 選取較短的距離，作為中繼距

15、離計(jì)算的最終結(jié)果。 )(741 . 003. 035. 03 . 023)42(3kmL以以140 Mb/s單模光纖通信系統(tǒng)為例計(jì)算中繼距離單模光纖通信系統(tǒng)為例計(jì)算中繼距離設(shè)系統(tǒng)平均發(fā)射功率Pt=-3 dBm, 接收靈敏度Pr=-42 dBm，設(shè)備余量Me=3 dB，連接器損耗c=0.3dB/對(duì)，光纖損耗系數(shù)f=0.35 dB/km, 光纖余量m=0.1 dB/km，每km光纖平均接頭損耗s=0.03 dB/km。把這些數(shù)據(jù)代入式(5.8)， 得到中繼距離 )(911 . 20 . 316810115. 06kmL 又設(shè)線路碼型為5B6B, 線路碼速率b=140(6/5)=168 Mb/s,

16、|C0|=3.0 ps/(nmkm)，=2.5 nm。把這些數(shù)據(jù)代入式(5.16)，得到中繼距離：在工程設(shè)計(jì)中，中繼距離應(yīng)取74 km。在本在本例中中繼距離主要受損耗限制。例中中繼距離主要受損耗限制。 但是，如果假設(shè)|C0|=3.5 ps/(nmkm)，=3 nm，而上述其他參數(shù)不變，根據(jù)式(5.16)計(jì)算得到的中繼距離L65 km， 則此時(shí)中繼距此時(shí)中繼距離主要受色散限制，離主要受色散限制，中繼距離應(yīng)確定為65 km。 圖5.20 示出各種光纖的中繼距離和傳輸速率的關(guān)系，包括損耗限制和色散限制的結(jié)果。 圖圖 5.20 各種光纖的中繼距離和傳輸速率的關(guān)系各種光纖的中繼距離和傳輸速率的關(guān)系124

17、68102040608010020040080010000.00010.0010.010.1110100距離 / km單 模 光 纖1.55 m(量 子 限 制 )1.55 m1.3 m0.85 m突 變 型多 模 光 纖同 軸漸 變 型多 模 光 纖單 模 光 纖色 散 移 位 光 纖600 由圖5.20可見，對(duì)于波長(zhǎng)為0.85 m的多模光纖，由于損耗大，中繼距離一般在20 km以內(nèi)。傳輸速率很低，傳輸速率很低，SIF光纖的速率不如同軸線，光纖的速率不如同軸線，GIF光纖的速率在光纖的速率在0.1 Gb/s以上就受到色散限制。以上就受到色散限制。單模光纖在長(zhǎng)波長(zhǎng)工作， 損耗大幅度降低，中繼距離可達(dá)100200 km。在1.31m零色散波長(zhǎng)附近，當(dāng)速率超過(guò)1 Gb/s時(shí)， 中繼距離才受色散限制。在1.55 m波長(zhǎng)上，由于色散大，通常要用單縱模激光器，理想系統(tǒng)速率可達(dá)5 Gb/s，但實(shí)際系實(shí)際系統(tǒng)由于光源調(diào)制產(chǎn)生統(tǒng)由于光源調(diào)制產(chǎn)生頻率啁啾頻率啁啾，導(dǎo)致譜線展寬，導(dǎo)致譜線展寬，速率一般限制為速率一般限制為2 Gb/s。采用色