光纖通信原理第九章光纖通信系統設計課件

第九章光纖通信系統設計9.1概述9.2模擬光纖通信系統9.3數字光纖通信系統第九章光纖通信系統設計9.1概述9.1概述 光纖通信系統根據傳送的信號可以分為模擬光纖通信系統和數字光纖通信系統。 隨著光纖通信技術的進步，系統的傳輸容量(速率)越來越高。9.1概述 光纖通信系統根據傳送的信號可以分為模擬光 系統設計的任務是：遵循建議規(guī)范，采用先進、成熟技術，綜合考慮系統經濟成本，合理地選用器件和設備，明確系統的全部技術參數，完成實用系統的合成。它與工程設計主要區(qū)別在于［9］： 首先系統設計與工程設計的區(qū)別表現在復雜程度上。 其次系統設計與工程設計的區(qū)別表現在它們的任務不同。 系統設計的任務是：遵循建議規(guī)范，采用先進、成熟技術，綜合考9.2模擬光纖通信系統 模擬光纖通信系統多采用副載波復用技術。所謂副載波是指射頻電磁波，以區(qū)別于光調制時的光載波。副載波調制的電視系統框圖如圖9.1所示。9.2模擬光纖通信系統 模擬光纖通信系統多采用副載波復用圖9.1副載波復用模擬電視傳輸系統圖9.1副載波復用模擬電視傳輸系統9.2.1系統主要性能指標 作為殘留邊帶調幅的副載波光纖傳輸系統，其主要指標有：載噪比(CarrierNoiseRatio，CNR)、組合二階互調失真(CompositeSecondOrderintermodulation，CSO)、組合三階差拍失真(CompositeTripleBeat，CTB)。9.2.1系統主要性能指標1.載噪比 載噪比(CNR)是在規(guī)定的帶寬內一個頻道中的載波功率(C)與噪聲功率(N)之比，一般以dB作單位。定義式為：1.載噪比 前置放大器的熱噪聲所決定的(CNR)T為： (CNR)T與輸入功率的平方成正比，即輸入功率增加1dB，(CNR)T增加2dB。 前置放大器的熱噪聲所決定的(CNR)T為： 光電轉換散彈噪聲決定的(CNR)q為： (CNR)q與接收機輸入功率成正比，輸入功率增加1dB，(CNR)q增加1dB。 光電轉換散彈噪聲決定的(CNR)q為： 激光器相對強度噪聲決定的(CNR)RIN為： (CNR)RIN與光接收機的接收功率無關。 激光器相對強度噪聲決定的(CNR)RIN為：2.非線性失真 設N個頻道的載波幅度均為I，頻率分別為ωj，初始相位為θj，則激光器的驅動電流i(t)為： 此時激光器的輸出功率為：P(t)=P(i)2.非線性失真 P(i)為非線性函數，且在Ib附近連續(xù)可導，因此可以將激光器輸出功率在偏置點Ib附近展開為泰勒級數： P(i)為非線性函數，且在Ib附近連續(xù)可導，因此可以將激光 式中：P0為對應偏置點i=Ib時的直流光功率，對式（9-15）做三角函數展開可以得到：

k=1時，頻率仍為ωj(j=1，2，3…N)，對應的是線性放大部分。 k=2時，對應二階失真。 k=3時，對應三階失真。 式中：P0為對應偏置點i=Ib時的直流光功率，對式（9-19.2.2傳輸距離設計 直接強度調制光纖電視傳輸系統的傳輸距離絕大多數是損耗限制系統。根據發(fā)射功率、接收機靈敏度、線路損耗和分光器損耗可以計算出傳輸距離L：9.2.2傳輸距離設計 式中：P0為光發(fā)送機發(fā)射光功率(dBm)，Pr為接收機的最低接收光功率(dBm)，M為系統富余量(dB)；α為光纜線路每公里的損耗(包括每公里光纖損耗、光纖接頭損耗、光纖活動連接器的損耗，單位為dB/km)；Ai為分光器插入損耗(dB)；Ad為分光器分光損耗(dB)。 式中：P0為光發(fā)送機發(fā)射光功率(dBm)，Pr為接收機的最 如果單從滿足系統的傳輸帶寬來考慮，只要系統要求的帶寬不大于單模光纖可提供帶寬即可，此時系統的最大傳輸距離為：式中：D為單模光纖的色散系數；Δλ為光源的譜線寬度；B為系統傳輸信號帶寬。 如果單從滿足系統的傳輸帶寬來考慮，只要系統要求的帶寬不大于9.3數字光纖通信系統 (1)抗干擾能力強，傳輸質量好。 (2)可以再生，傳輸距離遠。 (3)數字系統采用大量的數字電路，容易集成，采用超大規(guī)模集成電路芯片使數字設備體積小，功耗低。9.3數字光纖通信系統 (1)抗干擾能力強，傳輸質量好9.3.1主要性能指標 數字光纖通信系統的性能主要包括誤碼性能、抖動性能和系統的可靠性。1.參考模型［13］(1)假設參考通道(2)假設參考數字段 兩個相鄰數字配線架之間(或等效設備之間)用來傳送一種規(guī)定速率的數字信號的全部裝置構成一個數字段。9.3.1主要性能指標2.誤碼特性(1)誤碼概念 誤碼就是經接收判決再生后，數字碼流的某些比特發(fā)生了差錯，使傳輸信息的質量產生了損傷。①內部機理產生的誤碼 它包括各種噪聲源產生的誤碼；定位抖動產生的誤碼；復用器、交叉連接設備和交換機的誤碼。2.誤碼特性②脈沖干擾產生的誤碼 一些具有突發(fā)性質的脈沖干擾如外部電磁干擾、靜電放電、設備故障、電源瞬態(tài)干擾和人為活動會產生誤碼。(2)誤碼性能事件 誤碼性能事件是導出誤碼性能參數的基礎，G.826建議是以塊差錯(誤塊)事件為基礎的規(guī)范，它規(guī)范的是運行在基群和基群以上速率數字通道的誤碼性能事件、參數和指標。②脈沖干擾產生的誤碼(3)誤碼性能指標①端到端指標 需要說明的是SES事件并不總是孤立的事件，它可能會連續(xù)地發(fā)生SES。n個連續(xù)的SES與n個孤立的SES對用戶感到的性能會產生很不相同的影響。 運行在G.826所包括的速率下的通道是由傳輸系統(數字段)來承載的。 誤碼性能指標如何應用到系統設計，目前ITU-T還沒有建議。(3)誤碼性能指標3.抖動和漂移特性(1)抖動和漂移的概念 定時抖動對網絡的性能損傷表現在下面幾個方面： ①對數字編碼的模擬信號，在解碼后數字流的隨機相位抖動使恢復后的樣值具有不規(guī)則的相位，從而造成輸出模擬信號的失真，形成所謂抖動噪聲；3.抖動和漂移特性 ②在再生器中，定時的不規(guī)則性使有效判決偏離接收眼圖的中心，從而降低了再生器的信噪比余度，直至發(fā)生誤碼； ③在SDH網中，像同步復用器等配有緩存器的網絡單元，過大的輸入抖動會造成緩存器的溢出或取空，從而產生滑動損傷。 ②在再生器中，定時的不規(guī)則性使有效判決偏離接收眼圖的中心(2)抖動和漂移性能的規(guī)范(3)抖動和漂移指標 PDH信號在SDH/PDH邊界處應滿足原有PDH網的抖動性能要求。 ①PDH網絡接口允許的最大輸出抖動 ②SDH設備的PDH支路輸入口抖動和漂移容限(2)抖動和漂移性能的規(guī)范 ③SDH網絡輸出接口允許的最大抖動 為了保證不同SDH網元之間的互連而不影響網絡的傳輸質量，SDH網絡輸出接口允許的最大抖動不應超過表9.8中所規(guī)定的數字。括號中數值為數字段要求。 ③SDH網絡輸出接口允許的最大抖動 為了保證不同SDH網光纖通信原理第九章光纖通信系統設計課件④SDH設備的輸入口的抖動和漂移容限⑤SDH抖動轉移特性4.系統可靠性 系統的可靠性一般采用故障統計分析法，即根據實際調查結果，統計足夠長時間內的可用時間和不可用時間，然后用可用性指標來表示。所謂可用性是指可用時間占系統全部運營時間的百分比。因為是統計量，因此統計時間越長，所得結果越精確。④SDH設備的輸入口的抖動和漂移容限9.3.2系統設計 隨著光纖放大器的大量實用，數字光纖通信系統一般分為無光纖放大器系統和有光纖放大器系統。1.設計方法 在技術上，系統設計的主要問題是確定中繼距離，尤其對長途光纖通信系統，中繼距離的設計對系統的性能和經濟效益影響很大。工程上常用的設計方法主要有三種：最壞值設計法、統計設計法和聯合設計法。9.3.2系統設計(1)最壞值設計法 最壞值設計法就是在設計再生段距離時，所有參數(包括光功率、光譜范圍、光譜寬度、接收機靈敏度、光纖衰減系數、接頭與活動連接器插入損耗等參數)均采用壽命期中允許的最壞值，而不管其具體的分布如何。(1)最壞值設計法(2)統計設計法 統計設計法是利用光參數分布的統計特性更有效地設計再生段距離。與最壞值設計法相比，統計設計法可以延長再生段距離，但橫向兼容性不再滿足。(3)聯合設計法 在某些情況下，按標準的光接口參數值進行設計不能滿足實際工程再生段距離，運營者需要仔細考慮設計中不滿足光接口規(guī)范的主要方面。(2)統計設計法2.光接口 為了在再生段上實現橫向兼容性，與過去的PDH體系不同，SDH體系和波分復用系統有世界范圍的標準光接口，這些光接口標準是系統設計必須遵循的依據。(1)單信道系統 單信道光接口的位置如圖9.9所示。2.光接口圖9.9光接口位置示意圖圖9.9光接口位置示意圖(2)多信道系統 多信道光接口的位置如圖9.10所示。圖9.10多信道系統各參考點位置(2)多信道系統3.系統設計(1)損耗限制 2.5Gbit/s及其以下速率的無光放系統的中繼距離和有光放系統的光放段距離主要受光纖損耗限制。此時要求主信道的發(fā)送和接收之間(單信道系統的S和R點之間)總損耗不能超過系統的允許損耗范圍，即：L（α＋αs＋αm）＋2Ac＋Me＋Ad≤Po－Pr3.系統設計 式中：Po為平均發(fā)送光功率(dBm)；Pr為接收靈敏度(dBm)；Ac為每個活動連接器損耗(如果沒有光分配架此項為零)；Me為系統設備富余量(dB)；α為光纖損耗常數(dB/km)；αs為每公里光纖平均接頭損耗(dB/km)；αm為每公里光纖線路損耗余量；Ad為光通道代價(dB)；L為光放段長度。 式中：Po為平均發(fā)送光功率(dBm)；Pr為接收靈敏度(d(2)色散限制 信號在光纖中傳輸時，一方面由于線路系統的損耗，其幅度會越來越小，另一方面會寄生很多噪聲，同時由于色散的存在其波形也要發(fā)生畸變。(2)色散限制(3)光信噪比 光放大器的應用可以大大地提高系統的可用功率，增加系統的衰減范圍，延長無中繼的傳輸距離，它還可以取代一些光－電－光的電中繼器，只進行光－光轉換，減少設備的復雜程度，提高系統的可靠性。(3)光信噪比第九章光纖通信系統設計9.1概述9.2模擬光纖通信系統9.3數字光纖通信系統第九章光纖通信系統設計9.1概述9.1概述 光纖通信系統根據傳送的信號可以分為模擬光纖通信系統和數字光纖通信系統。 隨著光纖通信技術的進步，系統的傳輸容量(速率)越來越高。9.1概述 光纖通信系統根據傳送的信號可以分為模擬光 系統設計的任務是：遵循建議規(guī)范，采用先進、成熟技術，綜合考慮系統經濟成本，合理地選用器件和設備，明確系統的全部技術參數，完成實用系統的合成。它與工程設計主要區(qū)別在于［9］： 首先系統設計與工程設計的區(qū)別表現在復雜程度上。 其次系統設計與工程設計的區(qū)別表現在它們的任務不同。 系統設計的任務是：遵循建議規(guī)范，采用先進、成熟技術，綜合考9.2模擬光纖通信系統 模擬光纖通信系統多采用副載波復用技術。所謂副載波是指射頻電磁波，以區(qū)別于光調制時的光載波。副載波調制的電視系統框圖如圖9.1所示。9.2模擬光纖通信系統 模擬光纖通信系統多采用副載波復用圖9.1副載波復用模擬電視傳輸系統圖9.1副載波復用模擬電視傳輸系統9.2.1系統主要性能指標 作為殘留邊帶調幅的副載波光纖傳輸系統，其主要指標有：載噪比(CarrierNoiseRatio，CNR)、組合二階互調失真(CompositeSecondOrderintermodulation，CSO)、組合三階差拍失真(CompositeTripleBeat，CTB)。9.2.1系統主要性能指標1.載噪比 載噪比(CNR)是在規(guī)定的帶寬內一個頻道中的載波功率(C)與噪聲功率(N)之比，一般以dB作單位。定義式為：1.載噪比 前置放大器的熱噪聲所決定的(CNR)T為： (CNR)T與輸入功率的平方成正比，即輸入功率增加1dB，(CNR)T增加2dB。 前置放大器的熱噪聲所決定的(CNR)T為： 光電轉換散彈噪聲決定的(CNR)q為： (CNR)q與接收機輸入功率成正比，輸入功率增加1dB，(CNR)q增加1dB。 光電轉換散彈噪聲決定的(CNR)q為： 激光器相對強度噪聲決定的(CNR)RIN為： (CNR)RIN與光接收機的接收功率無關。 激光器相對強度噪聲決定的(CNR)RIN為：2.非線性失真 設N個頻道的載波幅度均為I，頻率分別為ωj，初始相位為θj，則激光器的驅動電流i(t)為： 此時激光器的輸出功率為：P(t)=P(i)2.非線性失真 P(i)為非線性函數，且在Ib附近連續(xù)可導，因此可以將激光器輸出功率在偏置點Ib附近展開為泰勒級數： P(i)為非線性函數，且在Ib附近連續(xù)可導，因此可以將激光 式中：P0為對應偏置點i=Ib時的直流光功率，對式（9-15）做三角函數展開可以得到：

k=1時，頻率仍為ωj(j=1，2，3…N)，對應的是線性放大部分。 k=2時，對應二階失真。 k=3時，對應三階失真。 式中：P0為對應偏置點i=Ib時的直流光功率，對式（9-19.2.2傳輸距離設計 直接強度調制光纖電視傳輸系統的傳輸距離絕大多數是損耗限制系統。根據發(fā)射功率、接收機靈敏度、線路損耗和分光器損耗可以計算出傳輸距離L：9.2.2傳輸距離設計 式中：P0為光發(fā)送機發(fā)射光功率(dBm)，Pr為接收機的最低接收光功率(dBm)，M為系統富余量(dB)；α為光纜線路每公里的損耗(包括每公里光纖損耗、光纖接頭損耗、光纖活動連接器的損耗，單位為dB/km)；Ai為分光器插入損耗(dB)；Ad為分光器分光損耗(dB)。 式中：P0為光發(fā)送機發(fā)射光功率(dBm)，Pr為接收機的最 如果單從滿足系統的傳輸帶寬來考慮，只要系統要求的帶寬不大于單模光纖可提供帶寬即可，此時系統的最大傳輸距離為：式中：D為單模光纖的色散系數；Δλ為光源的譜線寬度；B為系統傳輸信號帶寬。 如果單從滿足系統的傳輸帶寬來考慮，只要系統要求的帶寬不大于9.3數字光纖通信系統 (1)抗干擾能力強，傳輸質量好。 (2)可以再生，傳輸距離遠。 (3)數字系統采用大量的數字電路，容易集成，采用超大規(guī)模集成電路芯片使數字設備體積小，功耗低。9.3數字光纖通信系統 (1)抗干擾能力強，傳輸質量好9.3.1主要性能指標 數字光纖通信系統的性能主要包括誤碼性能、抖動性能和系統的可靠性。1.參考模型［13］(1)假設參考通道(2)假設參考數字段 兩個相鄰數字配線架之間(或等效設備之間)用來傳送一種規(guī)定速率的數字信號的全部裝置構成一個數字段。9.3.1主要性能指標2.誤碼特性(1)誤碼概念 誤碼就是經接收判決再生后，數字碼流的某些比特發(fā)生了差錯，使傳輸信息的質量產生了損傷。①內部機理產生的誤碼 它包括各種噪聲源產生的誤碼；定位抖動產生的誤碼；復用器、交叉連接設備和交換機的誤碼。2.誤碼特性②脈沖干擾產生的誤碼 一些具有突發(fā)性質的脈沖干擾如外部電磁干擾、靜電放電、設備故障、電源瞬態(tài)干擾和人為活動會產生誤碼。(2)誤碼性能事件 誤碼性能事件是導出誤碼性能參數的基礎，G.826建議是以塊差錯(誤塊)事件為基礎的規(guī)范，它規(guī)范的是運行在基群和基群以上速率數字通道的誤碼性能事件、參數和指標。②脈沖干擾產生的誤碼(3)誤碼性能指標①端到端指標 需要說明的是SES事件并不總是孤立的事件，它可能會連續(xù)地發(fā)生SES。n個連續(xù)的SES與n個孤立的SES對用戶感到的性能會產生很不相同的影響。 運行在G.826所包括的速率下的通道是由傳輸系統(數字段)來承載的。 誤碼性能指標如何應用到系統設計，目前ITU-T還沒有建議。(3)誤碼性能指標3.抖動和漂移特性(1)抖動和漂移的概念 定時抖動對網絡的性能損傷表現在下面幾個方面： ①對數字編碼的模擬信號，在解碼后數字流的隨機相位抖動使恢復后的樣值具有不規(guī)則的相位，從而造成輸出模擬信號的失真，形成所謂抖動噪聲；3.抖動和漂移特性 ②在再生器中，定時的不規(guī)則性使有效判決偏離接收眼圖的中心，從而降低了再生器的信噪比余度，直至發(fā)生誤碼； ③在SDH網中，像同步復用器等配有緩存器的網絡單元，過大的輸入抖動會造成緩存器的溢出或取空，從而產生滑動損傷。 ②在再生器中，定時的不規(guī)則性使有效判決偏離接收眼圖的中心(2)抖動和漂移性能的規(guī)范(3)抖動和漂移指標 PDH信號在SDH/PDH邊界處應滿足原有PDH網的抖動性能要求。 ①PDH網絡接口允許的最大輸出抖動 ②SDH設備的PDH支路輸入口抖動和漂移容限(2)抖動和漂移性能的規(guī)范 ③SDH網絡輸出接口允許的最大抖動 為了保證不同SDH網元之間的互連而不影響網絡的傳輸質量，SDH網絡輸出接口允許的最大抖動不應超過表9.8中所規(guī)定的數字。括號中數值為數字段要求。 ③SDH網絡輸出接口允許的最大抖動 為了保證不同SDH網光纖通信原理第九章光纖通信系統設計課件④SDH設備的輸入口的抖動和漂移容限⑤SDH抖動轉移特性4.系統可靠性 系統的可靠性一般采用故障統計分析法，即根據實際調查結果，統計足夠長時間內的可用時間和不可用時間，然后用可用性指標來表示。所謂可用性是指可用時間占系統全部運營時間的百分比。因為是統計量，因此統計時間越長，所得結果越精確。④SDH設備的輸入口的抖動和漂移容限9.3.2系統設計 隨著光纖放大器的大量實用，數字光纖通信系統一般分為無光纖放大器系統和有光纖放大器系統。1.設計方法 在技術上，系統設計的主要問題是確定中繼距離，尤其對長途光纖通信系統，中繼距離的設計對系統的性能和經濟效益影響很大。工程上常用的設計方法主要有三種：最壞值設計法、統計設計法和聯合設計法。9.3.2系統設計(1)最壞值設計法 最壞值設計法就是在設計再生段距離時，所有參數(包括光功率、光譜范圍、光譜寬度、接收機靈敏度、光纖衰減系數、接頭與活動連接器插入損耗等參數)均采用壽命期中允許的最壞值，而不管其具體的分布如何。(1)最壞值設計法(2)統計設計法 統計設計法是利用光參數分布的統計特性更有效地設計再生段距