光纖通信課件07

1、第7章光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)8/16/20221本章重點(diǎn) 損耗受限系統(tǒng)再生段距離的設(shè)計(jì) 色散受限系統(tǒng)再生段距離的設(shè)計(jì)第7章 光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)8/16/20222第7章 光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) 對(duì)于中繼距離的設(shè)計(jì)可以分為兩種情況來討論。 第一種情況是損耗受限系統(tǒng)，即再生段距離由S和R點(diǎn)之間的光通道損耗決定。 第二種情況是色散受限系統(tǒng)，即再生段距離由S和R點(diǎn)之間的光通道總色散所限定。8/16/202237.1 損耗受限系統(tǒng)設(shè)計(jì) 光纜數(shù)字線路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法是最壞值設(shè)計(jì)法。所謂最壞值設(shè)計(jì)法，就是在設(shè)計(jì)再生段距離時(shí)，將所有參數(shù)值都按最壞值選取，而不管其具體分布如何。 在用最壞值法設(shè)計(jì)同步光纜數(shù)字線路系統(tǒng)時(shí)，通常

2、，發(fā)送機(jī)富余度取1dB左右，而接收機(jī)富余度取（24）dB，系統(tǒng)總富余度為（35）dB左右。 按照ITUT建議G.957的規(guī)定，允許的光通道損耗PSR為 PSR =PTPRPP 式中：PT為光發(fā)送功率；PR為光接收靈敏度；PP為光通道功率代價(jià)，與發(fā)送機(jī)光源特性及光通道色散和反射特性有關(guān)。8/16/202247.1 損耗受限系統(tǒng)設(shè)計(jì) PP在實(shí)際中可以等效為附加接收損耗，可扣除，于是實(shí)際S-R點(diǎn)的允許損耗為 式中A f表示再生段平均光纜衰減系數(shù)（dB/km），A S是再生段平均接頭損耗（dB），L f是單盤光纜的盤長(zhǎng)（km），M c是光纜富余度（dB/km），A C是光纖配線盤上的附加活動(dòng)連接器損耗

3、（dB），按兩個(gè)考慮。光通道損耗的組成8/16/202257.1 損耗受限系統(tǒng)設(shè)計(jì) 損耗受限系統(tǒng)的實(shí)際可達(dá)再生段距離可以用下式來估算： 所以 其中 8/16/202267.1 損耗受限系統(tǒng)設(shè)計(jì) 公式中PT為發(fā)送光功率（dBm），PR為光接收靈敏度（dBm），AC是光纖配線盤上的收發(fā)端兩個(gè)附加活動(dòng)連接器損耗（dB），PP為光通道功率代價(jià)（dB），由反射功率代價(jià)Pr和色散功率代價(jià)Pd組成，Me為系統(tǒng)設(shè)備富裕度（dB），Mc為光纜富余度（dB/km），n是再生段內(nèi)所用光纜的盤數(shù)，fi是單盤光纜的衰減系數(shù)（dB/km），Af表示再生段平均光纜衰減系數(shù)（dB/km），si是單個(gè)光纖接頭的損耗（dB），A

4、S是再生段平均接頭損耗（dB）。 采用最壞值法設(shè)計(jì)時(shí)，再生段距離Ll的計(jì)算公式可以簡(jiǎn)化為下式： 公式中帶下標(biāo)“m”的參數(shù)皆為相應(yīng)參數(shù)的最壞值。8/16/202277.1 損耗受限系統(tǒng)設(shè)計(jì) 為了使系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)留下了一定的富余量，但這些余量不能太大，否則會(huì)使實(shí)際接收光功率超出接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍Dr，使系統(tǒng)不能正常工作，因此應(yīng)保證所有富余度之和（P0McLMe）不能超過Dr，當(dāng)兩者相等時(shí)，對(duì)應(yīng)的中繼距離為最小，即 因此，根據(jù)損耗因素計(jì)算出來的中繼段長(zhǎng)度L應(yīng)在LminLLmax 8/16/202287.2 色散受限系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單模光纖的色散對(duì)系統(tǒng)性能的影響有： （1）碼間干擾。單模光

5、纖通信中所用的光源器件發(fā)出的光具有多根譜線。每根譜線皆各自受光纖的色散作用，會(huì)在接收端造成脈沖展寬現(xiàn)象，從而產(chǎn)生碼間干擾。 （2）模分配噪聲。光源器件的發(fā)光功率是恒定的，即各譜線的功率之和是一個(gè)常數(shù)。但在高碼速率脈沖的激勵(lì)下，各譜線的功率會(huì)出現(xiàn)起伏現(xiàn)象（此時(shí)仍保持功率之和恒定），這種功率的隨機(jī)變化與光纖的色散相互作用，就會(huì)產(chǎn)生一種特殊的噪聲，即模分配噪聲，導(dǎo)致脈沖展寬。 （3）啁啾聲。啁啾聲僅對(duì)光源器件為單縱模激光器時(shí)才出現(xiàn)。當(dāng)高速率脈沖激勵(lì)單縱模激光器時(shí)，會(huì)使其諧振腔的光通路長(zhǎng)度發(fā)生變化，致使其輸出波長(zhǎng)發(fā)生偏移，即所謂啁啾聲。8/16/202297.2 色散受限系統(tǒng)設(shè)計(jì) 色散受限系統(tǒng)可達(dá)的再

6、生段距離的最壞值可用下式估算： Ld=DSR/Dm 其中DSR為S點(diǎn)和R點(diǎn)之間允許的最大色散值，Dm為允許工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)的最大光纖色散系數(shù)。 在光纖通信系統(tǒng)中，使用不同類型的光源，則由光纖色散對(duì)系統(tǒng)的影響各不相同。 （1）多縱模激光器（MLM-LD）和發(fā)光二極管（LED） f b是線路信號(hào)比特率，單位為Mbit/s； Dm 是光纖色散系數(shù)，單位為ps/（nmkm）；是光源的均方根譜寬，單位為nm；是與色散代價(jià)有關(guān)的系數(shù)，當(dāng)光源為多縱模激光器（MLMLD）時(shí)，取0.115，若為發(fā)光二極管，取0.306。8/16/2022107.2 色散受限系統(tǒng)設(shè)計(jì) （2）單縱模激光器（SLM-LD） 式中為啁啾

7、系數(shù)，當(dāng)采用普通DFB激光器作為系統(tǒng)光源時(shí)，取值范圍為46；當(dāng)采用新型的量子阱激光器時(shí)，取值范圍為24；為波長(zhǎng)（單位為nm）；f b為線路信號(hào)比特率（單位為Tbit/s）。 以2.4Gbit/s系統(tǒng)為例，假設(shè)工作波長(zhǎng)為1550nm，Dm為17ps/（nmkm），則采用普通量子阱激光器（設(shè)=3）和EA調(diào)制器（設(shè)=0.5）后，傳輸距離可以分別達(dá)101km和607km。8/16/2022117.2 色散受限系統(tǒng)設(shè)計(jì) （3）采用外調(diào)制器 當(dāng)采用外調(diào)制器時(shí)，傳輸距離LC可采用下述計(jì)算公式計(jì)算： 式中c為光速。以2.4Gbit/s為例，=1550nm，Dm=17ps/（nmkm），則采用MZ外調(diào)制器的系統(tǒng)

8、色度色散受限距離可以延長(zhǎng)到1 275km左右。 實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析時(shí)，先算出損耗受限的距離Lmax ，再算出色散受限的距離Lmax ，若LmaxLmax，則稱系統(tǒng)為色散限制系統(tǒng)，若LmaxLmax，則稱系統(tǒng)為損耗限制系統(tǒng)，再計(jì)算出最小中繼距離Lmin，最后確定的再生段距離為 LminLLmax和Lmax中的較小者最后選擇其中較短的一個(gè)即為最大再生段距離。8/16/2022127.3 波分復(fù)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì) WDM傳輸線路的局站設(shè)備，分為終端站、轉(zhuǎn)接站、中繼站和光放站，對(duì)應(yīng)的傳輸線路為光放段、中繼段和復(fù)用段。 1WDM系統(tǒng)的光放段設(shè)計(jì) WDM線路傳輸系統(tǒng)的光放段一般按等增益?zhèn)鬏斶M(jìn)行設(shè)計(jì)。光線路放大器的

9、增益一般為22dB、30dB及33dB三種類型。根據(jù)光放大器的增益類型，光放段的長(zhǎng)度一般按下式計(jì)算 L為光放段長(zhǎng)度（km）；G為光放大器增益（dB）；AC為光纖連接器衰減（dB）；r為光纖衰減系數(shù)（dB/km）；c為光纜線路余量（dB/km）；s為光纖熔接平均損耗（dB/km）。8/16/2022137.3 波分復(fù)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2WDM系統(tǒng)中繼段設(shè)計(jì) 中繼段的長(zhǎng)度與容許的光放段數(shù)量需符合光通道色散和信噪比的要求。一個(gè)中繼段光通道容許的色散，多數(shù)廠商的WDM系統(tǒng)設(shè)為6400ps/nm和12800ps/nm兩擋。如果光纖的色散系數(shù)按光通道色散計(jì)算，容許的中繼段長(zhǎng)度如表7-2所示。 表7-2 色散系

10、數(shù)與對(duì)應(yīng)的中繼段長(zhǎng)度參考值光 纖 類 型G.652G.655光纖色散系數(shù)ps/(nmkm)206光通道允許色散值ps/nm640012800640012800允許光通道長(zhǎng)度km320640106021338/16/2022147.3 波分復(fù)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3WDM系統(tǒng)單波道的信噪比計(jì)算 WDM系統(tǒng)單波道的信噪比一般要求大于或等于20dB（或22dB），信噪比的計(jì)算比較復(fù)雜。假如單波道輸出光功率Po7.0dB，光放大器噪聲系數(shù)Nf8.0dB，光放段增益（G）分別為22dB、30dB或33dB的情況下，信噪比可用下式計(jì)算 8/16/2022157.4 應(yīng)用舉例 例1：計(jì)劃建設(shè)一條2.5Gbit/s單

11、模光纖干線系統(tǒng)，系統(tǒng)采用單縱模激光器，沿途具備設(shè)站條件的候選站點(diǎn)間的距離為（3758）km，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求設(shè)備富余度Me為4dB，光纜富余度Mc為0.05dB/km。 根據(jù)上述58km的最長(zhǎng)站間距離可以初選L16.2系統(tǒng)（其目標(biāo)距離80km），并假設(shè)工作波長(zhǎng)為極端的1 580nm，單盤光纜的衰減系數(shù)fi=0.22dB/km，單個(gè)光纖接頭的損耗si=0.1（dB），單盤光纜的盤長(zhǎng)Lf=2km，活動(dòng)連接器損耗AC=0.35dB，光纖色散系數(shù)Dm=20ps/（nmkm）。依據(jù)L16.2規(guī)定，PT=（23）dBm，PR=28dBm，PP=2dB，設(shè)激光器啁啾系數(shù)的=3，則依據(jù)式（7-4）、式（7-8）和

12、式（7-12）可以分別計(jì)算出：8/16/2022167.4 應(yīng)用舉例由于LmaxLC，所以此系統(tǒng)為損耗受限系統(tǒng)，且能滿足57km無中繼傳輸距離的要求。8/16/2022177.4 應(yīng)用舉例 例2 若例1中的各項(xiàng)參數(shù)基本不變，而某中繼站因地理環(huán)境所限只能在20km處設(shè)置，為使系統(tǒng)能夠正常開通并穩(wěn)定可靠，應(yīng)如何調(diào)節(jié)PT？ 解：根據(jù)題中條件，中繼站因地理環(huán)境限制只能在20km處設(shè)置，此時(shí)接收光功率超出了接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，系統(tǒng)將不能正常接收，可通過調(diào)節(jié)PT來解決，根據(jù)式（7-8）有 解得：PT4dBm 所以取PT4dBm即可保證中繼站設(shè)置在20km處時(shí)，系統(tǒng)正常開通且穩(wěn)定可靠。8/16/2022187

13、.4 應(yīng)用舉例 在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，經(jīng)常遇到中繼距離已經(jīng)確定，如何根據(jù)已經(jīng)得到的光發(fā)射機(jī)、光纖和光接收機(jī)來驗(yàn)證系統(tǒng)能否正常工作，這就需要根據(jù)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)算。 （1）損耗預(yù)算 根據(jù)圖7-1所示的中繼段光鏈路連接情況，在R點(diǎn)得到的實(shí)際接收光功率PR應(yīng)為PRPs(AfAs/Lf)L2Ac L為既定的中繼距離，如果入纖光功率Ps完全消耗在光纖線路上，使最后接收到的光功率PR等于接收靈敏度Pr，這樣并不能保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，必須要留出相應(yīng)的富余度，即PRPrMeMcLP0 另一方面PR又不能太大，超出所允許的范圍，所以當(dāng)滿足下式時(shí)，系統(tǒng)才能穩(wěn)定可靠，即PrDrPRPrMeMcLP0 8/16/2022197.4 應(yīng)用舉例 例3 某G.652單模光纖系統(tǒng)擴(kuò)容改造為WDM系統(tǒng)，工作波長(zhǎng)采用1550nm，實(shí)