光纖通信第04章

第四章光纖通信系統(tǒng)

4.1模擬光纖通信

4.2數(shù)字光纖通信系統(tǒng)

4.3數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)的性能指標(biāo)

4.4光纖放大器及其在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

4.1模擬光纖通信同軸電纜CATV網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

600m用光纖替代原來同軸電纜CATV網(wǎng)絡(luò)干線傳輸中的同軸電纜，配線和引入線部分仍然保留原來的同軸電纜網(wǎng)結(jié)構(gòu)，組成光纖同軸電纜混合系統(tǒng)（HybridFiberCable，HFC）HFC系統(tǒng)通常前端設(shè)備與光節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間采用副載波復(fù)用（Sub-CarrierMultiplexing，SCM）進(jìn)行多路模擬電視信號的光纖傳輸。4.2數(shù)字光纖通信系統(tǒng)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)組成框圖光纖傳輸系統(tǒng)及其網(wǎng)管在系統(tǒng)/網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、管理、維護(hù)和指配（Operations，Administration，Maintenance&Provisioning，OAM&P）方面的主要任務(wù):（1）根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需求和系統(tǒng)/網(wǎng)絡(luò)資源狀況來配置系統(tǒng)/網(wǎng)絡(luò)、開通業(yè)務(wù)；（2）對系統(tǒng)運(yùn)行狀況（傳輸性能、關(guān)鍵部件狀態(tài)等）進(jìn)行不中斷業(yè)務(wù)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)最重要的一項(xiàng)監(jiān)測項(xiàng)就是誤碼性能的監(jiān)測；（3）故障告警。一旦設(shè)備或設(shè)備中的部件或光纜線路出現(xiàn)故障，系統(tǒng)應(yīng)能檢測到并在網(wǎng)管界面上顯示出來或在設(shè)備上指示出來，并要能夠及時(shí)通知維護(hù)人員；

（4）為故障定位和其他維護(hù)需求而提供環(huán)回控制、主要項(xiàng)目的測試等（5）為系統(tǒng)/網(wǎng)絡(luò)OAM信息提供傳輸通道（6）為系統(tǒng)的運(yùn)營者提供業(yè)務(wù)性能、流量等方面的統(tǒng)計(jì)信息（7）為維護(hù)管理人員提供話音通信的手段（公務(wù)電話）具有再生器/中繼器的數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)

3R（Reshaping，Retiming，Regenerating）

4.2.2數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)4.2.2.1總體考慮

1．網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、線路路由選擇骨干網(wǎng)采用網(wǎng)格拓?fù)涑怯蚓W(wǎng)采用環(huán)形拓?fù)浣尤刖W(wǎng)采用星形拓?fù)洹o源樹拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)生存要求不高節(jié)點(diǎn)之間的光纜線路選擇要服從通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展整體規(guī)劃，以便于施工維護(hù)。網(wǎng)絡(luò)生存要求較高2．網(wǎng)絡(luò)/系統(tǒng)容量的確定3．光纖/光纜選型（ITU-T）G.652光纖G.653光纖G.654光纖G.655光纖4．透擇合適的設(shè)備，核實(shí)設(shè)備的性能指標(biāo)5．光傳輸設(shè)計(jì)損耗受限系統(tǒng)色散受限系統(tǒng)4.2.2.2再生段的設(shè)計(jì)

光再生段組成在實(shí)際組網(wǎng)應(yīng)用中通常有三種光傳輸設(shè)計(jì)方法:最壞值設(shè)計(jì)法聯(lián)合設(shè)計(jì)法統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)法（包括半統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)法）應(yīng)用范圍最廣的是最壞值設(shè)計(jì)法在設(shè)計(jì)再生段距離時(shí)，將所有參數(shù)值都按最壞值選取，而不管其具體分布。優(yōu)點(diǎn)：可以為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)者和制造廠商分別提供簡單的設(shè)計(jì)指導(dǎo)和明確的元部件指標(biāo)，而不存在先期失效問題。缺點(diǎn)：各項(xiàng)最壞值條件同時(shí)出現(xiàn)概率極小，系統(tǒng)富余度較大，總成本偏高。再生段距離的設(shè)計(jì)可以分為兩種情況：損耗受限系統(tǒng)，即再生段距離由S和R點(diǎn)之間的光通道損耗決定色散受限系統(tǒng)，即再生段距離由S和R點(diǎn)之間的光通道總色散所決定1．損耗受限系統(tǒng)S-R之間的光通道的損耗組成損耗受限系統(tǒng)的最大再生段距離或者稱作最大中繼距離可以用下式來估算其中平均光纜損耗

平均接頭損耗對于最壞值設(shè)計(jì)，最大傳輸距離則公式中帶下標(biāo)“m”的參數(shù)皆為相應(yīng)參數(shù)的最壞值如光纜富余度按整個(gè)段總量留取，則上式變?yōu)?．色散受限系統(tǒng)對于色散受限系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者首先應(yīng)確定所設(shè)計(jì)的再生段的總色散（ps/nm），再據(jù)此選擇合適的光接口及相應(yīng)的一整套光參數(shù)。色散受限系統(tǒng)最大無再生傳輸距離的最壞值可以用下式估算DSR為選定的標(biāo)準(zhǔn)光接口的S和R點(diǎn)之間允許的最大色散值，Dm為允許工作波長范圍內(nèi)的最大光纖色散值。（1）使用多縱模激光器時(shí)系統(tǒng)色散受限的最大傳輸距離模式分配噪聲的功率代價(jià)碼間干擾的功率代價(jià)模式分配噪聲的功率代價(jià)和碼間干擾的功率代價(jià)均和相對展寬因子有關(guān)，表示碼元脈沖經(jīng)過信道傳輸后脈沖的相對展寬值可以求出系統(tǒng)色散受限的最大傳輸距離（2）使用單縱模激光器系統(tǒng)色散受限系統(tǒng)的最大傳輸距離頻率啁啾的功率代價(jià)碼間干擾的功率代價(jià)

采用單縱模激光器的系統(tǒng)，假設(shè)光脈沖為高斯型，允許脈沖展寬不超過發(fā)送脈寬的10%，則可得到色散限制最大傳輸距離實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析時(shí)，分別計(jì)算損耗受限距離和色散受限距離，其中較短者為最大再生段距離。4.3數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)的性能指標(biāo)傳輸網(wǎng)絡(luò)和傳輸系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)通常以網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)為依據(jù)。網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)是指在網(wǎng)絡(luò)最終構(gòu)成時(shí)，并且網(wǎng)中設(shè)備處于允許的最惡劣工作條件下，所有富余度都用完并在設(shè)備終了前仍能滿足的指標(biāo)。是系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)網(wǎng)使用的最終要保證的指標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)以向用戶提供滿意的服務(wù)為目標(biāo)，是一種目標(biāo)性指標(biāo)。對于數(shù)字光纖傳輸，最重要的性能指標(biāo)是誤碼性能、都動(dòng)性和可用性。1．誤碼概念及其性能參數(shù)的定義誤碼是指經(jīng)光接收機(jī)的接收與判決再生之后，碼流中的某些比特發(fā)生了差錯(cuò)，降低傳輸?shù)馁|(zhì)量。誤碼的產(chǎn)生主要有以下因素①各種噪聲產(chǎn)生的誤碼②由于光纖色散導(dǎo)致的碼間干擾引起的誤碼③定時(shí)抖動(dòng)產(chǎn)生的誤碼④各種外界因素產(chǎn)生的誤碼4.3.1誤碼性能

平均誤比特率BER對速率≥基群的數(shù)字通道的誤碼性能的度量以“塊”為基礎(chǔ)?！皦K”：通道、段中傳輸?shù)囊恍╆P(guān)聯(lián)、連續(xù)比特的集合。以“塊”為基礎(chǔ)的誤碼事件和誤碼性能參數(shù)有以下幾種差錯(cuò)塊EB誤塊秒ES嚴(yán)重誤塊秒SES背景塊差錯(cuò)BBE嚴(yán)重誤碼期SEP誤塊秒比ESR嚴(yán)重誤塊秒比SESR背景塊差錯(cuò)比BBER嚴(yán)重誤碼期強(qiáng)度SEPI誤碼事件誤碼性能參數(shù)2．高比特率數(shù)字通道誤碼性能的規(guī)范ITU-T標(biāo)準(zhǔn)中網(wǎng)絡(luò)長期誤碼性能指標(biāo)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)：G.826和G.828網(wǎng)絡(luò)短期誤碼性能指標(biāo)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)：M.2101對于一次群或高于一次群的固定比特速率傳送網(wǎng)，只要求滿足G.826/G.828即可。4.3.2抖動(dòng)、漂移性能

1．抖動(dòng)、漂移概念及其影響（1）抖動(dòng)定時(shí)抖動(dòng)（簡稱抖動(dòng)）定義為數(shù)字脈沖信號的特定時(shí)刻（如最佳判決時(shí)刻）相對于其理想時(shí)間位置的短時(shí)間偏離。（2）漂移漂移定義為數(shù)字脈沖的特定時(shí)刻相對于其理想時(shí)間位置的長時(shí)間偏移。2．抖動(dòng)、漂移性能要求抖動(dòng)、漂移相關(guān)性能指標(biāo)：輸入抖動(dòng)/漂移容限PDH、SDH設(shè)備必須容許輸入信號含有一定的抖動(dòng)/漂移，保證系統(tǒng)正常工作所容許的輸入信號的最大抖動(dòng)/漂移范圍稱為輸入抖動(dòng)/漂移容限。最大允許輸出抖動(dòng)/漂移能夠使網(wǎng)元任意互連而不影響網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量而允許的網(wǎng)絡(luò)接口的最大輸出抖動(dòng)/漂移。抖動(dòng)/漂移轉(zhuǎn)移特性輸出信號的抖動(dòng)/漂移與輸入信號的抖動(dòng)/漂移的比值隨頻率變化的特性。4.3.2抖動(dòng)、漂移性能

可用性指在一個(gè)觀察期內(nèi)的可用時(shí)間所占的百分比，也稱為可用性比率（AvailabilityRatio，AR）。不可用性指在一個(gè)觀察期內(nèi)的不可用時(shí)間所占的百分比，也稱為不可用性比率（UnavailabilityRatio，UR）。根據(jù)AR和UR的定義，它們滿足AR

+

UR

=

14.4OFA及其在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用4.4.1摻鉺光纖放大器

1．EDFA的工作原理EDFA未作平坦處理的增益譜2．EDFA的結(jié)構(gòu)3．EDFA的基本性能（1）增益特性增益特性表示了光放大器的放大能力，定義為輸出功率與輸入功率之比。EDFA的增益大小與多種因素有關(guān)，增益一般為15dB～40dB。一般摻鉺光纖最佳長度在幾十米至一二百米。

（2）輸出功率特性（3）噪聲特性EDFA的噪聲主要有4種：①信號光的散粒噪聲②被放大的自發(fā)輻射光ASE的散粒噪聲③自發(fā)輻射ASE光譜與信號光之間的差拍噪聲④自發(fā)輻射ASE光譜間的差拍噪聲衡量EDFA的噪聲特性可用噪聲系數(shù)（NF）來度量，其定義為EDFA的輸入信噪比與輸出信噪比的比值（用dB表示）。它與同相傳輸?shù)淖园l(fā)輻射頻譜密度和放大器增益密切相關(guān)，與輸入信號功率、泵浦功率和泵浦方式等有關(guān)。表現(xiàn)為以下3點(diǎn)①在輸入小信號情況下，光放大器的噪聲系數(shù)（NF）隨著輸入信號光功率的增大而略有減小，而EDFA處于飽和狀態(tài)時(shí)噪聲系數(shù)隨信號功率的增大而增大。②噪聲系數(shù)隨著泵浦功率的增加而減小。③三種泵浦方式信噪比惡化基本相同，但是當(dāng)摻鉺光纖長度增大時(shí)，同向泵浦形式輸出的ASE功率最小，因而噪聲系數(shù)最低；雙向泵浦形式的噪聲系數(shù)居中；反向泵浦形式的噪聲系數(shù)最高4．EDFA的應(yīng)用（1）EDFA的基本應(yīng)用形式（2）EDFA在DWDM系統(tǒng)中的應(yīng)用（3）EDFA在光纜有線電視傳輸系統(tǒng)（HFC系統(tǒng)）中的應(yīng)用（4）RFA+EDFA混合放大4.4.2喇曼光纖放大器

1．RFA的工作原理

RFA的放大原理示意圖2．RFA的基本性能喇曼光纖放大器具有許多優(yōu)點(diǎn)：①增益介質(zhì)為普通傳輸光纖，與光纖具有良好的兼容性。②增益波長由泵浦光波長決定，不受其它因素的限制，理論上只要泵浦源的波長適當(dāng)，就可