《光纖通信》_第7講_通信系統(tǒng)(2).ppt

第七講光纖數(shù)字通信系統(tǒng) 2 fiberdigitalcommunicationsystem 系統(tǒng)的傳輸距離與信息容量 2020 2 20 2 表征光纖傳輸系統(tǒng)傳輸能力的兩個(gè)重要指標(biāo)是傳輸距離和信息容量 對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)而言 就是中繼距離和碼速容量 這里的中繼距離也指短距離無中繼傳輸時(shí) 兩端站之間的距離 盡可能合理延長傳輸距離是光纖傳輸設(shè)計(jì)的一個(gè)目標(biāo) 光纖傳輸?shù)闹欣^距離 受到兩方面的限制 一是光纖損耗的限制 一是光纖色散的限制 下面分別說明 2020 2 20 3 一 中繼距離受到光功率傳輸衰耗的限制 光源送入光纖的功率 沿傳輸線路在連接器 熔接點(diǎn)上受到衰耗 加上在光纖中的衰耗 到達(dá)檢測(cè)器的功率不應(yīng)低于接收機(jī)的靈敏度 在作這種功率傳輸預(yù)算時(shí) 還要考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各種誤差 器件長時(shí)期使用的退化 維修引起的線路衰耗增大 例如光纖中斷 修復(fù)時(shí)增加了熔接點(diǎn) 等 所以 還要留一定的功率余度 稱為系統(tǒng)邊際M 2020 2 20 4 因此 傳輸中的功率損耗分配可以寫成 St Sr 2ac afL asl M式中St及Sr分別為發(fā)送及接收光功率 接收靈敏度 的分貝毫瓦 dBm 值 ac為活動(dòng)連接器的衰耗 算作有兩個(gè)活動(dòng)連接器 af為每公里光纖衰耗 L為收 發(fā)機(jī)之間光纖線路長度 asl為接續(xù)的熔接點(diǎn)總衰耗 常把它取為統(tǒng)計(jì)平均的每公里衰耗as值乘以L 在已知St Sr及各衰耗值時(shí) 可在設(shè)定一些系統(tǒng)邊際后 寫出求中繼間距L的公式 2020 2 20 5 L St Sr 2ac Me Ms af as Mc 式中 Me 設(shè)備余度 包括環(huán)境因素及時(shí)間引起老化 對(duì)設(shè)備性能影響需留出的富余度 Ms 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮各種功率代價(jià)留出的富余度 Mc 光纜線路損耗富余度 它是用每公里纜長上的損耗分貝數(shù) dB km 來計(jì)算的 包括使用期內(nèi)增加的修復(fù)熔接點(diǎn) 線路路由改變 線路增長而留出的余度 2020 2 20 6 當(dāng)碼率升高時(shí) 由于接收機(jī)靈敏度下降 Sr增大 可由上式看出 中繼間隔下降 距離縮短 這表明在衰耗限制情況下 隨著碼率增高中繼距離會(huì)減小 下面我們對(duì)幾種光纖傳輸系統(tǒng)的中繼距離作一比較 多模光纖與0 8umLED系統(tǒng) 0 8umLD或1 3umLED多模光纖系統(tǒng) 1 3umLD與多模光纖 1 3umLD常規(guī)單模光纖 1 55umLD常規(guī)單模光纖 2020 2 20 7 在幾種不同衰耗限制中 以0 8um多模光纖及LED系統(tǒng)限制最嚴(yán)重 因?yàn)長ED發(fā)送功率只有數(shù)十微瓦 光纖又有3 4dB km的損耗 使中繼距離低于10km 若使用LD光源 傳輸距離與用1 3um的LED光源結(jié)果相當(dāng) 因1 3um上多模光纖衰耗已減小到1 2dB km 所以如用LD光源 可使L增加一倍以上 如采用1 3um的LD及常規(guī)單模光纖系統(tǒng) 中繼距離將繼續(xù)加長 由于光纖衰耗在0 5dB km左右 各種碼速的通信距離已有很大提高 在常規(guī)單模光纖的1 55um窗口 以LD作光源的情況 由于光纖衰減為0 3dB km 距離比上一種幾乎增加了一倍 2020 2 20 8 例題 1 一單模140Mb s光纖傳輸系統(tǒng) 采用LD光源 波長 1 3 m 用5B6B線路編碼 有St 3dBm Sr 36dBm Me 2dB Ms 2dB ac 0 5dB 共用兩只 af 0 5dB km 平均每2km一個(gè)熔接頭 每熔接點(diǎn)衰耗0 1dB 估計(jì)以后20年內(nèi)平均每公里損壞0 5處 每處修理增加兩個(gè)熔接點(diǎn) 線路改道增加衰耗0 01dB km 試計(jì)算衰耗限制的傳輸距離 解 根據(jù)所給條件先計(jì)算as Mc參數(shù)項(xiàng)as 0 1dB 2km 0 05dB kmMc 0 5 km 2 0 1dB 0 01dB km 0 11dB kmL 3 36 2 0 5 2 2 0 5 0 05 0 11 42 4km答 最大傳輸距離為42 4km 2020 2 20 9 二 中繼距離受到光纖色散的限制 數(shù)字通信理論表明 數(shù)字傳輸系統(tǒng)的帶寬 理論上可允許為傳輸碼率之半 但實(shí)際中傳輸通道并不具有理想低通濾波特性 所以不能在fL的帶寬上傳送2fL的碼率 實(shí)際常取傳輸帶寬fL 0 7 0 9 fb我們已知 光纖的帶寬受色散特性所限制 帶寬與色散間的關(guān)系用下式表示 fL 0 44 1 2 GHz 式中 1 2為光纖的總色散 即該光纖引起的脈沖展寬的半寬值 單位為ns 2020 2 20 10 注 光纖的色散大體可分為模間色散和模內(nèi)色散 模內(nèi)色散又分為材料色散和波導(dǎo)色散 對(duì)于單模光纖主要是材料和波導(dǎo)色散構(gòu)成的模內(nèi)色散 對(duì)于梯度多模光纖 是用下式表示色散 1 2 2m 2M式中 1 2為光纖的總色散 m為模內(nèi)色散 M為模間色散 可以用上兩式計(jì)算出光纖帶寬 看能否符合碼率的要求 也可以據(jù)碼率估算出fL后 用 fc LfL 模內(nèi)色散 fc L fL 模間色散 為帶寬距離指數(shù)計(jì)算需要的光纖每公里帶寬fc 2020 2 20 11 例題 2 如果光纖在1 3 m波長上的色散系數(shù)m 3ps km nm LD譜線寬度為1nm 試核算上題算得的距離能否達(dá)到碼率要求 上題算得L 42 4km 解 該光纖色散 m L 3ps km nm 42 4km 1nm 127 2ps算得帶寬fL 0 44 0 1272ns 3 46GHz系統(tǒng)要求的帶寬f L 0 7 0 9 fb 6 5 取系數(shù)0 9 fL 0 9 6 5 139 264Mb 0 15GHz因此傳輸距離不受色散限制 為衰耗限制系統(tǒng) 2020 2 20 12 單模光纖中只有一種模 不存在模間偶合問題 可用fc LfL計(jì)算 在較高碼率下 如果選不到滿足帶寬的光纖 只有使L減小 傳輸受色散 帶寬 的限制 單模光纖的色散影響較小 特別是在零色散波長上 理論上有m 0 色散系數(shù) 使 m m L 0 故帶寬對(duì)距離的影響變的很小 在200Mb s以下基本不必考慮 但對(duì)200Mb s以上的速率仍不可忽視 這是因?yàn)楣饫w的零色散波長因制造偏差不一定在1 31um上 經(jīng)多段連接后沒有m 0的波長存在 而且光源具有一定寬度 且峰值波長不一定與光纖零色散波長相重合 2020 2 20 13 所以 m 0引起的脈沖展寬必須考慮 1989年CCITT提出一個(gè)簡化的計(jì)算方法 即考慮 m引起的靈敏度下降 給出一個(gè)光通道的色散靈敏度代價(jià)Dc 它相當(dāng)于Ms 所以帶入中繼距離計(jì)算式分子中扣除即可 一般取Dc為0 5 1dB 在多模光纖傳輸系統(tǒng)中 由于色散對(duì)傳輸距離的限制較嚴(yán)重 在計(jì)算中繼距離時(shí) 多從衰耗及色散的兩方面分別考慮對(duì)中繼距離的限制 取其中限制較大 距離小 的 也有兩者一并考慮的較為復(fù)雜的計(jì)算方法 2020 2 20 14 下圖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 實(shí)線為損耗限制系統(tǒng) 虛線為色散限制系統(tǒng) 2020 2 20 15 對(duì)于波長為0 85um的多模光纖 由于損耗大 中繼距離一般在20km以內(nèi) 傳輸速率很低 SIF光纖的速率不如同軸線 GIF光纖的速率在0 1Gb s以上就受到色散限制 單模光纖在長波長工作 損耗大幅度降低 中繼距離可達(dá)100 200km 在1 31um零色散波長附近 當(dāng)速率超過1Gb s時(shí) 中繼距離才受色散限制 在1 55um波長上 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)5Gb s 實(shí)際系統(tǒng)由于光源調(diào)制產(chǎn)生頻率抖動(dòng) 導(dǎo)致譜線展寬 速率一般限制為2Gb s 采用色散移位光纖和外調(diào)制技術(shù) 可以使速率達(dá)到20Gb s以上 2020 2 20 16 現(xiàn)在可以把反映光纖傳輸系統(tǒng)技術(shù)水平的指標(biāo) 速率 距離 fb L 乘積大體歸納如下 0 85um SIF光纖 fb L 0 01 1 0 01 Gb s km0 85um GIF光纖 fb L 0 1 20 2 0 Gb s km1 31um SMF光纖 fb L 1 125 125 Gb s km1 55um SMF光纖 fb L 2 75 175 Gb s km1 55um DSF光纖 fb L 20 80 1600 Gb s km Dispersion ShiftedFiber 2020 2 20 17 總結(jié) 總而言之 光纖的衰耗及色散特性限制了中繼距離及碼速 限制的程度 還與采用那一種光源有關(guān) 在短波長上光纖衰耗較大 衰耗限制傳輸距離最顯著 在高碼率下 脈沖色散限制中繼距離 當(dāng)碼率升高時(shí) 中繼距離迅速下降 這一影響在寬譜線的LED光源與多模光纖組成的系統(tǒng)中最為明顯 在采用多模光纖及LD光源時(shí) 只有模間色散起作用 色散限制有改善 2020 2 20 18 常規(guī)單模光纖用于非零色散波長 例如1 55um 時(shí)多縱模激光器在高速調(diào)制下引起模分配噪聲 將先于色散對(duì)碼率和中繼距離起限制作用 當(dāng)采用動(dòng)態(tài)單縱模DFBLD時(shí)可消除其影響 當(dāng)采用外調(diào)制時(shí)由于消除了激光器在高速調(diào)制下產(chǎn)生的頻率抖動(dòng) 可達(dá)碼速及中繼距離更大 2020 2 20 19 2020 2 20 20 題1 已知有一個(gè)565Mb s單模光纖傳輸系統(tǒng) 其系統(tǒng)總體要求如下 1 光纖通信系統(tǒng)的光纖損耗為0 1dB km 有5個(gè)接頭 平均每個(gè)接頭損耗為0 2dB 光源的入纖功率為 3dBm 接收機(jī)靈敏度為 56dBm BER 10 10 2 光纖線路上的線路碼型是5B6B 光纖的色散系數(shù)為2ps km nm 光源光譜寬度為1 8nm 求 最大中繼距離為多少 注 設(shè)計(jì)中選取色散代價(jià)為1dB 光連接器損耗為1dB 發(fā)送和接收端各一個(gè) 光纖富余度為0 1dB km 設(shè)備富余度為5 5dB 2020 2 20 21 題2 一個(gè)二進(jìn)制傳輸系統(tǒng)具有以下特性