光纖通信課件：第8章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第8章系統(tǒng)設(shè)計(jì)8.1

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和限制8.2功率預(yù)算8.3功率代價(jià)因素8.4帶寬設(shè)計(jì)8.5

單信道光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)8.6DWDM系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)1《光纖通信》（第3版）原榮編著8.1

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和限制8.1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8.1.2損耗限制系統(tǒng)8.1.3色散限制系統(tǒng)2《光纖通信》（第3版）原榮編著

光纖通信系統(tǒng)除點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)外，另外四種基本結(jié)構(gòu)是樹形、總線形、環(huán)形和星形8.1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3《光纖通信》（第3版）原榮編著1.點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)最簡單的一種結(jié)構(gòu)形式是工作在0.8m或1.3m或1.55m的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng),傳輸距離可以是幾十米的室內(nèi)傳輸,也可以是成千上萬公里的跨洋傳輸。在一幢大樓內(nèi)或兩樓之間計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的光纖傳輸就是一種短距離的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)。在這種應(yīng)用中，通常不是利用光纖的低損耗及寬帶寬能力，而是取其抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。相反,在超長距離的海底光纜系統(tǒng)中，光纖的低損耗和寬帶寬的特點(diǎn)卻顯得十分重要。4《光纖通信》（第3版）原榮編著根據(jù)工作波長不同,當(dāng)傳輸距離超過（20~100）km后,需要對(duì)光纖的損耗進(jìn)行補(bǔ)償,否則信號(hào)功率將十分微弱，以致不能恢復(fù)原有信息。早期的補(bǔ)償方法是采用光-電-光轉(zhuǎn)換的再生中繼器?，F(xiàn)在由于光放大器的實(shí)用化,越來越多的系統(tǒng)采用了光放大器直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大，補(bǔ)償光纖的損耗。圖8.1.2點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖傳輸系統(tǒng)

5《光纖通信》（第3版）原榮編著碼率、中繼距離乘積BL中繼距離L是系統(tǒng)的一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù),它決定著系統(tǒng)的成本。由于光纖的色散，中繼距離L與系統(tǒng)碼率B有關(guān)(對(duì)于RZ碼,B=0.5/)。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸中，碼率、中繼距離乘積BL是表征系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。由于光纖的損耗和色散都與波長有關(guān),所以BL也與波長有關(guān)。對(duì)工作波長0.85m的第一代商用化光纖通信系統(tǒng)，BL的典型值在1(Gb/s)km左右，而1.55m波長的第三代系統(tǒng)的BL值可以超過1000(Gb/s)km。6《光纖通信》（第3版）原榮編著右圖給出一個(gè)長波長系統(tǒng)的接收機(jī)靈敏度隨不同碼率變化的實(shí)測結(jié)果。由于EDFA作為前置放大器的使用，IM/DD接收機(jī)的靈敏度已與外差接收機(jī)的相差不多。為了比較，也畫出了量子極限靈敏度。圖8.1.3接收機(jī)靈敏度與傳輸速率的關(guān)系7《光纖通信》（第3版）原榮編著

廣播分配網(wǎng)絡(luò)----集線樹形結(jié)構(gòu)信道分配在集線器進(jìn)行；交叉連接設(shè)備在電域內(nèi)自動(dòng)交換信道；光纖的作用與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)線路類似；城市內(nèi)的電話網(wǎng)絡(luò)就是這種情況。8《光纖通信》（第3版）原榮編著光纜攜帶多個(gè)信道的光信號(hào)，通過T形光耦合器分配一小部分光功率到每個(gè)用戶?？偩€結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是信號(hào)損耗隨耦合器數(shù)量指數(shù)增加，所以限制了單根總線服務(wù)的用戶數(shù)。

廣播分配網(wǎng)絡(luò)----總線結(jié)構(gòu)9《光纖通信》（第3版）原榮編著

局域網(wǎng)

LAN

LAN與廣播網(wǎng)絡(luò)不同，它能提供每個(gè)用戶隨機(jī)的雙向訪問。在多路訪問局域網(wǎng)中，每個(gè)用戶能夠發(fā)送信息到網(wǎng)絡(luò)中所有其他的用戶，同時(shí)也能接收所有其他用戶發(fā)送來的信息，電話網(wǎng)和計(jì)算機(jī)以太網(wǎng)就是這種網(wǎng)絡(luò)的例子。環(huán)形和星形是LAN廣泛使用的兩種結(jié)構(gòu)。10《光纖通信》（第3版）原榮編著LAN---星形耦合器的多信道分配網(wǎng)絡(luò)每個(gè)信道使用單獨(dú)的光載波頻率發(fā)送電信號(hào)。所有發(fā)送機(jī)的輸出功率復(fù)合進(jìn)無源星形耦合器，并且分配相等的功率到所有的接收機(jī)。每個(gè)用戶接收所有的信道，使用調(diào)諧光接收機(jī)選擇它們中的一個(gè)。這種網(wǎng)絡(luò)有時(shí)也稱作廣播-選擇網(wǎng)絡(luò)。11《光纖通信》（第3版）原榮編著LAN如果只有一個(gè)光載波，采用電的TDM和分組交換，以及必要的協(xié)議就可以構(gòu)成多路訪問LAN。如果使用波分復(fù)用技術(shù)，采用交換、選擇路由或分配載波頻率的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)用戶之間的無阻塞連接。12《光纖通信》（第3版）原榮編著每個(gè)光發(fā)送機(jī)工作在它自已的載波波長上，然后把幾個(gè)發(fā)送機(jī)的輸出復(fù)用在一起。已復(fù)用的信號(hào)入射進(jìn)光纖，經(jīng)傳輸后在接收端用解復(fù)用器把它們分開?；镜腤DM系統(tǒng)13《光纖通信》（第3版）原榮編著4.WDM系統(tǒng)14《光纖通信》（第3版）原榮編著WDM可以充分利用光纖的帶寬15《光纖通信》（第3版）原榮編著光分插復(fù)用器（OADM）有點(diǎn)像電中繼器的作用，但不同的是在光域內(nèi)對(duì)信道進(jìn)行取出和插入。

8.1.4具有OADM和光放大器的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)16《光纖通信》（第3版）原榮編著圖8.1.5具有OADM節(jié)點(diǎn)和集線器環(huán)網(wǎng)17《光纖通信》（第3版）原榮編著通信業(yè)務(wù)種類很多，有同步的（STM，如SDH）和異步（ATM）的，實(shí)時(shí)的（如話音）和非實(shí)時(shí)的（如數(shù)據(jù)），低帶寬的和高帶寬的，以及電路交換的和非電路交換的等。DWDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)成支持幾種業(yè)務(wù)，一種可能的方法是把不同種類的業(yè)務(wù)用不同的波長傳輸。另一種可能是對(duì)不同種類的業(yè)務(wù)打包，然后采用第六章介紹的復(fù)用技術(shù)復(fù)用他們，在同一個(gè)波長上傳輸。圖8.1.6

DWDM系統(tǒng)集線器18《光纖通信》（第3版）原榮編著圖8.1.7廣播星形耦合器WDM分配網(wǎng)絡(luò)圖8.1.8多址接入網(wǎng)在圖8.1.7中，每個(gè)信道使用單獨(dú)的光載波頻率發(fā)送電信號(hào)，所有發(fā)送機(jī)的輸出功率復(fù)合進(jìn)無源星形耦合器，并且分配相等的功率到所有的接收機(jī)。每個(gè)用戶接收所有的信道，使用調(diào)諧光接收機(jī)選擇它們中的一個(gè)。這種網(wǎng)絡(luò)有時(shí)也叫做廣播-選擇網(wǎng)絡(luò)。19《光纖通信》（第3版）原榮編著系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是工作速率B及傳輸距離L應(yīng)在保證系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上（一般要求BER<10-9），使系統(tǒng)成本降到最小。一般說來，工作波長為0.85m的系統(tǒng)成本最低，隨著波長向1.3~1.6m移動(dòng)，成本將會(huì)增加。對(duì)于B<100

Mb/s，L<20km的系統(tǒng)（例如許多LAN系統(tǒng)），一般采用0.85m的系統(tǒng)；而對(duì)于B>200Mb/s的長途傳輸，需要用長波長系統(tǒng)。20《光纖通信》（第3版）原榮編著光纖損耗補(bǔ)償問題根據(jù)工作波長不同,當(dāng)傳輸距離超過（20~100）km后,需要對(duì)光纖的損耗進(jìn)行補(bǔ)償,否則信號(hào)功率將十分微弱，以致不能恢復(fù)原有信息。早期的補(bǔ)償方法是采用光-電-光轉(zhuǎn)換的再生中繼器，現(xiàn)在越來越多的系統(tǒng)采用了光放大器，直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大，補(bǔ)償光纖的損耗。但是級(jí)聯(lián)放大器數(shù)目不可能無限地增多,一方面是放大器存在著噪聲積累,更主要的是受限于光纖的色散。但光-電-光中繼器不受這種色散效應(yīng)的限制,它對(duì)損耗和色散均能起到補(bǔ)償?shù)淖饔谩?1《光纖通信》（第3版）原榮編著光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮

光纖損耗和色散對(duì)系統(tǒng)的限制由于損耗和色散都與系統(tǒng)的工作波長有關(guān),因此工作波長的選擇就成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)主要問題。下面我們分別討論在不同波長下點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖傳輸系統(tǒng)中比特速率B和傳輸距離L所受到的限制。22《光纖通信》（第3版）原榮編著8.1.2損耗限制系統(tǒng)23《光纖通信》（第3版）原榮編著0.85m波段，由于光纖損耗較大（典型值為2.5dB/km）,根據(jù)碼率的不同，中繼距離通常被限制在（10~30）km。而（1.3~1.6）m系統(tǒng)，由于光纖損耗較小,在1.3m處損耗的典型值為（0.3~0.4）dB/km，在1.55m處為0.2dB/km，中繼距離可以達(dá)到（100~200）km,尤其在1.55m波長處的最低損耗窗口，中繼距離可以超過200km。圖8.1.7各種光纖無中繼傳輸距離與傳輸速率的關(guān)系24《光纖通信》（第3版）原榮編著8.1.3色散限制系統(tǒng)從第二章我們知道，光纖色散導(dǎo)致光脈沖展寬，從而構(gòu)成對(duì)系統(tǒng)BL乘積的限制。當(dāng)色散限制傳輸距離小于損耗限制的傳輸距離時(shí)，我們說系統(tǒng)是色散限制系統(tǒng); 或者說,傳輸距離主要由色散所限制時(shí),該系統(tǒng)是色散限制系統(tǒng)。25《光纖通信》（第3版）原榮編著光纖色散26《光纖通信》（第3版）原榮編著色散引起單模光纖輸出脈沖展寬27《光纖通信》（第3版）原榮編著光纖色散補(bǔ)償和管理工作在40Gb/s

及其以上速率的WDM系統(tǒng)中，系統(tǒng)允許色散的變化量已變得很小，通常在低速系統(tǒng)中可以忽略的值，此時(shí)卻嚴(yán)重地影響著系統(tǒng)的性能，需要精確地控制色散補(bǔ)償光纖的長度。色散與溫度有關(guān)。EDFA增益不平坦可引起附加的非線性相位變化，足以使系統(tǒng)的最佳色散圖變化。網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)可使總色散和非線性相位變化。28《光纖通信》（第3版）原榮編著光纖色散補(bǔ)償和管理

因此，高比特率系統(tǒng)將要求：對(duì)所有信道進(jìn)行色散補(bǔ)償，并且要求在接收端對(duì)每個(gè)信道進(jìn)行可調(diào)諧的動(dòng)態(tài)色散補(bǔ)償。29《光纖通信》（第3版）原榮編著色散補(bǔ)償原理30《光纖通信》（第3版）原榮編著用負(fù)色散的色散補(bǔ)償光纖

對(duì)正色散標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的色散進(jìn)行補(bǔ)償31《光纖通信》（第3版）原榮編著8.2功率預(yù)算8.2.1陸地系統(tǒng)功率預(yù)算8.2.2海底光纜系統(tǒng)功率預(yù)算32《光纖通信》（第3版）原榮編著8.2.1陸地系統(tǒng)功率預(yù)算33《光纖通信》（第3版）原榮編著8.2.2海底光纜系統(tǒng)功率預(yù)算1.無中繼系統(tǒng)在無中繼系統(tǒng)中，性能預(yù)算就是光損耗預(yù)算。海底光纜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在工作25年后光信號(hào)仍不會(huì)降低，要求整個(gè)系統(tǒng)在工作壽命內(nèi)，每秒比特誤碼率為10-11。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，在系統(tǒng)敷設(shè)前就要對(duì)系統(tǒng)的制造、裝配和安裝進(jìn)行詳細(xì)的光功率預(yù)算，并且進(jìn)行認(rèn)真的檢驗(yàn)。34《光纖通信》（第3版）原榮編著2.全光中繼系統(tǒng)在使用光放大器的中繼系統(tǒng)中，性能預(yù)算不能用簡單的光損耗預(yù)算來完成。它的性能劣化是在整個(gè)光路徑長度上進(jìn)行累積的。這是因?yàn)槊總€(gè)中繼器都要增加光噪聲，傳輸光纖的非線性可使脈沖畸變，并引起信號(hào)和噪聲的混頻，其結(jié)果是Q值與許多因素有關(guān)，計(jì)算起來相當(dāng)復(fù)雜。光路徑設(shè)計(jì)一開始就要估算在探測器上的光信噪比，其值由下式給出：8.2.2海底光纜系統(tǒng)功率預(yù)算35《光纖通信》（第3版）原榮編著圖8.2.1誤碼率與Q(dB)的關(guān)系(SNR)O和Q的關(guān)系是:36《光纖通信》（第3版）原榮編著光纖線路上總損耗37《光纖通信》（第3版）原榮編著8.3功率代價(jià)因素8.3.1光纖模式噪聲8.3.2色散引起的脈沖展寬8.3.3激光器模式分配噪聲8.3.4LD的頻率啁啾8.3.5反射噪聲38《光纖通信》（第3版）原榮編著8.3功率代價(jià)因素光纖的損耗和色散都可能對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能產(chǎn)生影響。在較低碼率下（B<100Mb/s），只要上升時(shí)間滿足傳輸?shù)囊螅蠖鄶?shù)系統(tǒng)都是受損耗限制而不是受色散限制。但在較高碼率（B>500Mb/s）下，光纖色散可能構(gòu)成對(duì)系統(tǒng)的限制因素。從5.6節(jié)我們已經(jīng)知道，消光比、強(qiáng)度噪聲及定時(shí)抖動(dòng)要引起功率代價(jià)。本節(jié)主要討論在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還需考慮的其他幾個(gè)可能引起功率代價(jià)的因素，它們是光纖的模式噪聲、色散導(dǎo)致的脈沖展寬、LD的模分配噪聲、LD的頻率啁啾以及反射噪聲，其中前四種因素都與光纖的色散有關(guān)。39《光纖通信》（第3版）原榮編著8.3.1光纖模式噪聲在多模光纖中，由于沿光纖傳播的各模式間的干涉作用，在接收探測器光敏面上將形成一個(gè)光斑，由于光斑隨時(shí)間發(fā)生變化，將會(huì)造成接收光功率變化，引起SNR下降，對(duì)接收機(jī)來說相當(dāng)于一種噪聲，這種噪聲稱為光纖模式噪聲，它僅存在于多模光纖中。當(dāng)光纖受到諸如振動(dòng)和微彎等機(jī)械作用時(shí)，不可避免地會(huì)出現(xiàn)模式噪聲。此外，在多模光纖傳輸線路上的連接器和焊接點(diǎn)會(huì)形成一種空間濾波器，該濾波器隨時(shí)間的任何變化都會(huì)引起光斑圖的變化，而使模式噪聲增強(qiáng)。40《光纖通信》（第3版）原榮編著圖8.3.1功率代價(jià)與模式選擇損耗和縱模數(shù)（M）的關(guān)系表示1.3m光纖系統(tǒng)當(dāng)速率為140Mb/s、BER為10-12時(shí)，計(jì)算出的功率代價(jià)與模式選擇損耗和縱模數(shù)的關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)采用LD和多模光纖時(shí)，模式噪聲可能變得相當(dāng)嚴(yán)重。41《光纖通信》（第3版）原榮編著圖8.3.2色散導(dǎo)致脈沖展寬

引起的功率代價(jià)

42《光纖通信》（第3版）原榮編著8.3.3激光器模式分配噪聲1.多模LD在多模LD中，我們知道，除主模外，在其兩側(cè)存在著對(duì)稱的多個(gè)縱模對(duì)。由于光纖色散，縱模對(duì)中的每個(gè)縱模到達(dá)光纖末端就出現(xiàn)不同的延遲，從而產(chǎn)生光生電流的隨機(jī)抖動(dòng)，這種噪聲稱為模分配噪聲（MPN，Mode-PartitionNoise）。43《光纖通信》（第3版）原榮編著圖8.3.3模式分配噪聲（MPN）

引起的功率代價(jià)44《光纖通信》（第3版）原榮編著2.單模LD采用單縱模激光器可以使MPN的影響降到最小。事實(shí)上，1.55m的光纖通信系統(tǒng)大多數(shù)都采用了DFB激光器，但實(shí)際上任何單縱模激光器都會(huì)有邊模存在，尤其激光器在受調(diào)制的情況下更是如此，只能用邊模抑制比（MSR）來表征這種準(zhǔn)單模激光器“單模”工作性能的好壞。很顯然，在準(zhǔn)單模激光器的情況下，MPN引起的功率代價(jià)與MSR有關(guān)。8.3.3激光器模式分配噪聲45《光纖通信》（第3版）原榮編著圖8.3.4MPN存在時(shí)當(dāng)主模邊模抑制比（MSR）不同時(shí)BER與功率代價(jià)的關(guān)系由圖可見，當(dāng)MSR

<42時(shí)，功率代價(jià)變?yōu)闊o限大，因?yàn)椴还芙邮盏降墓夤β视卸啻?，總不能達(dá)到的要求。而當(dāng)MSR

>100（20dB）時(shí)，功率代價(jià)可以忽略（<0.1dB）。因此MSR的大小對(duì)MPN引起的功率代價(jià)起著重要的作用。46《光纖通信》（第3版）原榮編著8.3.4LD的頻率啁啾在4.6.3節(jié)中我們已對(duì)頻率啁啾作過簡要介紹，從中已知，LD的直接強(qiáng)度調(diào)制，由于載流子濃度導(dǎo)致的折射率變化，不可避免地總是伴隨著相位調(diào)制，這種相位隨時(shí)間變化的光脈沖就叫做頻率啁啾。頻率啁啾使光脈沖的頻譜大大展寬，展寬的頻譜通過光纖的群速度色散，導(dǎo)致光纖輸出端光脈沖形狀發(fā)生展寬，使系統(tǒng)誤碼率增加。47《光纖通信》（第3版）原榮編著圖8.3.5LD頻率啁啾引起的功率代價(jià)48《光纖通信》（第3版）原榮編著圖8.3.6不同的啁啾參數(shù)高斯脈沖引起的功率代價(jià)49《光纖通信》（第3版）原榮編著圖8.3.7不同消光比時(shí)啁啾和消光比引起的功率代價(jià)及兩者的總效果實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)激光器偏置在閾值以上時(shí)，啁啾效應(yīng)可以減小，但這會(huì)引起消光比的增加。而消光比的增加同樣會(huì)引起功率代價(jià)（見5.6節(jié)），所以不可能無限制地增大消光比來降低啁啾引起的功率代價(jià)。實(shí)際上存在一個(gè)最佳的消光比，使得由啁啾和消光比共同引起的功率代價(jià)降低到一個(gè)最小值。圖8.3.7給出了這兩種因素引起的功率代價(jià)及它們的總效果隨消光比的變化情況。50《光纖通信》（第3版）原榮編著減少頻率啁啾的方法LD的頻率啁啾起源于由線寬增強(qiáng)系數(shù)決定的載流子引入的折射率變化。若=0，LD就不存在頻率啁啾，但這是不可能的。如果采用量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以減小一半。因此高速光纖通信系統(tǒng)，多采用多量子阱結(jié)構(gòu)DFBLD，以減小頻率啁啾的影響。另一種消除頻率啁啾的方法是用直流驅(qū)動(dòng)LD使之發(fā)光，然后采用外調(diào)制器對(duì)其調(diào)制。51《光纖通信》（第3版）原榮編著8.3.5反射噪聲在光傳輸路徑上總是存在著熔接點(diǎn)和連接頭，也不可避免地要插入光器件，從而引起折射率的不連續(xù)變化產(chǎn)生光反射。這種光反射是不希望有的，因?yàn)樗鼤?huì)對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)產(chǎn)生影響，降低系統(tǒng)的性能，即使是很小的反射光進(jìn)入激光器也會(huì)在LD輸出端產(chǎn)生附加噪聲。因此在要求較高的場合，需要在光源與光纖之間使用光隔離器，即使在這種情況下光纖線路上兩個(gè)反射點(diǎn)之間的多次反射也會(huì)形成附加的強(qiáng)度噪聲而影響系統(tǒng)性能。本節(jié)研究反射引入的噪聲對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響。52《光纖通信》（第3版）原榮編著圖8.3.8LD反饋噪聲引起

功率代價(jià)與MSR的變化53《光纖通信》（第3版）原榮編著圖8.3.9激光器作為光源的500Mb/s系統(tǒng)在不同光反饋下BER的測試結(jié)果54《光纖通信》（第3版）原榮編著8.4帶寬設(shè)計(jì)系統(tǒng)帶寬應(yīng)滿足傳輸一定碼率B的要求，即使系統(tǒng)各個(gè)部件的帶寬都大于碼率，但由這些部件構(gòu)成系統(tǒng)的總帶寬卻有可能不滿足傳輸該碼率信號(hào)的要求。對(duì)于線性系統(tǒng)來說，常用上升時(shí)間來表示各組成部件的帶寬特性上升時(shí)間定義為系統(tǒng)在階躍脈沖作用下,從幅值的10%上升到90%所需要的響應(yīng)時(shí)間，如圖8.3.1所示。55《光纖通信》（第3版）原榮編著對(duì)于線性系統(tǒng)來說，常用上升時(shí)間來表示各組成部件的帶寬特性上升時(shí)間定義為系統(tǒng)在階躍脈沖作用下,從幅值的10%上升到90%所需要的響應(yīng)時(shí)間，如圖8.4.1所示。圖8.4.1上升時(shí)間定義56《光纖通信》（第3版）原榮編著上升時(shí)間設(shè)計(jì)57《光纖通信》（第3版）原榮編著系統(tǒng)的總上升時(shí)間58《光纖通信》（第3版）原榮編著8.5

單信道光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)8.5.1模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)8.5.2數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)59《光纖通信》（第3版）原榮編著圖8.5.1單信道光纖通信系統(tǒng)前面各章我們對(duì)組成系統(tǒng)所用到的光纖、有源無源等器件的理論、設(shè)計(jì)和性能分別進(jìn)行了介紹，現(xiàn)在我們把它們組合在一起構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，如圖8.5.1所示，看看它們每一個(gè)是如何影響系統(tǒng)性能的。60《光纖通信》（第3版）原榮編著8.5.1模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)光纖系統(tǒng)傳輸線路上所有部件器件的損耗之和必須足夠小，以便確保足夠大的光功率到達(dá)接收機(jī)，對(duì)于模擬系統(tǒng)，要保證產(chǎn)生足夠大的信噪比。另外一個(gè)要求是系統(tǒng)帶寬要足夠大，以便讓光信號(hào)中的最高頻率分量通過。為此，我們已討論了單個(gè)器件的損耗和帶寬?，F(xiàn)在我們來看它們組合在一起后對(duì)系統(tǒng)損耗和帶寬的影響。61《光纖通信》（第3版）原榮編著圖8.5.2Si-PIN光電二極管特性曲線

及其模擬調(diào)制（a）PIN接收電路（b）Si-PIN光電流與所加電壓的關(guān)系曲線（c）輸入信號(hào)模擬調(diào)制LED62《光纖通信》（第3版）原榮編著8.5.1模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.系統(tǒng)描述及設(shè)計(jì)參數(shù)我們將要設(shè)計(jì)的是一個(gè)用于校園內(nèi)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)視頻系統(tǒng)，線路長度不到1km。為簡單起見，對(duì)光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。2.功率預(yù)算使用PIN二極管的系統(tǒng)是一個(gè)熱噪聲限制系統(tǒng)，此時(shí)可用式（5.4.9）計(jì)算SNR為3.帶寬預(yù)算下面我們來檢查用光纖、光源和探測器構(gòu)成系統(tǒng)后，總帶寬對(duì)系統(tǒng)的限制。我們要把帶寬統(tǒng)一轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙龝r(shí)間。在器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)中，總要給出上升時(shí)間或帶寬。

63《光纖通信》（第3版）原榮編著8.5.2數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.系統(tǒng)描述和指標(biāo)

比特速率400Mb/s；傳輸距離100km；碼型NRZ；誤碼率10-9

；中繼器：無。上升時(shí)間預(yù)算功率預(yù)算64《光纖通信》（第3版）原榮編著8.6DWDM系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)8.6.1中心頻率和信道間隔8.6.2線性串話8.6.3非線性串話8.6.4光放大器系統(tǒng)設(shè)計(jì)8.6.5光功率預(yù)算8.6.6網(wǎng)絡(luò)管理8.6.7網(wǎng)絡(luò)保護(hù)和生存對(duì)策8.6.8網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)8.6.9DWDM網(wǎng)絡(luò)信道數(shù)計(jì)算65《光纖通信》（第3版）原榮編著8.6DWDM系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)DWDM系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)要考慮影響系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)性能的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它們是：中心頻率或波長、信道容量、信道寬度、信道間隔、信道波長的穩(wěn)定性、信道色散；功率預(yù)算、接收功率、光放大器；使用的光纖類型，支持的業(yè)務(wù)類型；信道比特速率和調(diào)制方式；總帶寬管理、透明支持業(yè)務(wù)的協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)可靠性、網(wǎng)絡(luò)保護(hù)和生存策略、網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性和靈活性、波長管理和互操作性。66《光纖通信》（第3版）原榮編著8.6.1中心頻率和信道間隔為了WDM系統(tǒng)的互操作，在發(fā)射端和接收端的信道中心頻率必須相同。ITU-TG.652推薦在C波段和L波段從196.10THz（1528.77nm）開始，按50GHz的倍數(shù)增加或減?。ɑ虬?.39nm的倍數(shù)減小或增加），如圖8.6.1和附錄G所示。這樣，在C波段和L波段可用的信道中心頻率可用下式表示67《光纖通信》（第3版）原榮編著圖8.6.1ITU-T推薦的DWDM信道頻率和波長的對(duì)應(yīng)關(guān)系這里使用頻率而不是波長作為參考是因?yàn)椴ㄩL受材料折射率影響。信道間距太小，對(duì)濾波器和復(fù)用/解復(fù)用器的頻譜特性要求就很嚴(yán)，否則相互間就會(huì)產(chǎn)生干擾。信道間距、波長和比特速率、光纖類型及長度決定色散的大小。同時(shí)要允許信道間距約在2GHz范圍內(nèi)變化，以免LD、濾波器和光放大器頻率的漂移引起信道間相互干擾。68《光纖通信》（第3版）原榮編著8.6.2線性串話在設(shè)計(jì)DWDM系統(tǒng)時(shí)，最重要的問題是信道串?dāng)_（話）。串?dāng)_是由一個(gè)信道的能量轉(zhuǎn)移到另一個(gè)信道引起的，發(fā)生串?dāng)_時(shí)，系統(tǒng)性能下降。這種能量轉(zhuǎn)移來自光纖的非線性效應(yīng)，即非線性串話現(xiàn)象，它與通信信道的非線性本質(zhì)有關(guān)。然而，即使在非常好的線性信道中，因?yàn)榻鈴?fù)用器件，如實(shí)際調(diào)諧光濾波器的非理想特性，不能完全排除相鄰信道功率的進(jìn)入，從而產(chǎn)生串話，使誤碼率增加。增加接收光功率可使誤碼率減小，增加的這部分功率就叫串話引入的功率代價(jià)。線性信道中的串話叫線性串話。69《光纖通信》（第3版）原榮編著線性串?dāng)_在解復(fù)用時(shí)發(fā)生，它與信道間隔和解復(fù)用方式以及器件的性能有關(guān)，特別是它與選擇信道使用的光或電濾波器的傳輸特性有關(guān)。在直接檢測系統(tǒng)中，常采用光濾波器和波導(dǎo)光柵（WG）作為解復(fù)用器或路由器，所以光濾波器和WG的性能決定著串?dāng)_的大小。在相干檢測系統(tǒng)中，串?dāng)_由對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行處理的帶通濾波器決定。8.6.2線性串話70《光纖通信》（第3版）原榮編著圖8.6.2直接檢測WDM系統(tǒng)信道串?dāng)_代價(jià)與N/F的關(guān)系圖8.6.3WGR帶內(nèi)串話引入的功率代價(jià)71《光纖通信》（第3版）原榮編著8.6.3非線性串話在2.3.5節(jié)中，我們已介紹了幾種光纖的非線性。光纖非線性對(duì)系統(tǒng)性能的影響取決于光纖中傳輸?shù)墓夤β拭芏龋ü夤β?光纖有效芯徑面積）和傳輸距離。光纖中的非線性效應(yīng)可能引起信道間串話，即一個(gè)信道的光強(qiáng)和相位將受到其他相鄰信道的影響，形成非線性串話。顯然，光功率密度越大和光纖越長，非線性影響也越嚴(yán)重。對(duì)于光纖長度固定的系統(tǒng)，減小非線性對(duì)系統(tǒng)性能影響的因素就是光功率。但是光功率太小，比特速率就不能高，否則每比特接收的光功率就太小，不足以維持期望的BER。72《光纖通信》（第3版）原榮編著信道比特速率和調(diào)制技術(shù)也限制信道寬度、間距和性能（如BER和串話等）。在DWDM系統(tǒng)中，要求每個(gè)信道發(fā)射進(jìn)入光纖的功率要足夠大，以使系統(tǒng)經(jīng)過傳輸后不產(chǎn)生誤碼（要求BER<1011）；但是每個(gè)信道的光功率也不能任意大，否則光纖非線性也會(huì)使系統(tǒng)性能下降。本節(jié)討論受激拉曼散射、受激布里淵散射、交叉相位調(diào)制以及四波混頻引入的非線性串話。8.6.3非線性串話73《光纖通信》（第3版）原榮編著1.受激拉曼散射（SRS）由于受激拉曼散射的閾值較高（靠近1.55m約為500mW），所以單信道通信系統(tǒng)通常不考慮這種影響。但是對(duì)于DWDM系統(tǒng)，情況就截然不同。此時(shí)，光纖起著拉曼放大器的作用，只要高頻信道與低頻信道的頻率差落在光纖的拉曼增益帶寬內(nèi)，則高頻信道的能量通過受激拉曼散射向低頻信道轉(zhuǎn)移，從而引起低頻信道信號(hào)的放大和高頻信道信號(hào)的衰減。拉曼增益曲線很寬，以至信道間距為200nm（30THz）的兩個(gè)信道也會(huì)受到拉曼散射的影響。最短波長的信道受到的影響最為嚴(yán)重，因?yàn)樗梢酝瑫r(shí)泵浦許多信道，從而使自身的能量喪失很大。更嚴(yán)重的是信道間的這種能量轉(zhuǎn)移與“1”碼和“0”碼有關(guān)，只有當(dāng)兩個(gè)信道同時(shí)為“1”碼時(shí)，才發(fā)生這種轉(zhuǎn)移，從而形成信道間的串話，使接收噪聲增大，接收靈敏度下降。。74《光纖通信》（第3版）原榮編著圖8.6.4SRS對(duì)每信道最大傳輸功率和距離的限制75《光纖通信》（第3版）原榮編著圖8.6.5四種非線性串話對(duì)信道功率的限制圖8.6.5給出了為避免非線性串話，系統(tǒng)復(fù)用信道數(shù)與對(duì)信道功率限制的關(guān)系曲線，系統(tǒng)工作在1.55m波長，光纖芯徑為8m，損耗為0.2dB/km，信道間距為10GHz。由圖可知，隨著信道數(shù)的增加，每個(gè)信道允許的最大光功率將下降，對(duì)于100個(gè)信道的光纖系統(tǒng)，為避免受激拉曼散射的影響，每個(gè)信道的功率應(yīng)小于0.4mW。圖中同時(shí)給出下面將要討論的其他非線性效應(yīng)對(duì)信道功率的限制曲線。76《光纖通信》（第3版）原榮編著2.受激布里淵散射（SBS）當(dāng)信道間距等于布里淵頻移時(shí)，受激布里淵散射（SBS）也引起能量從高頻信道到低頻信道的轉(zhuǎn)移。然而，與受激拉曼散射相比，受激布里淵散射的增益帶寬相當(dāng)窄（約10~100MHz），為產(chǎn)生SBS，信道間距必須精確地與布里淵頻移相等（對(duì)于靠近1.55m的石英光纖其值為10~11GHz），這種條件很難予以滿足，所以SBS引起的能量轉(zhuǎn)移很容易避免。而且，SBS要求兩個(gè)信道的光信號(hào)反向傳輸，所以當(dāng)所有信道的光同向傳輸時(shí)，則不會(huì)產(chǎn)生SBS引起的串話。盡管如此，SBS也限制信道功率，這是因?yàn)楫?dāng)受激布里淵散射的閾值條件滿足時(shí)，一部分信道功率轉(zhuǎn)移到噪聲產(chǎn)生的斯托克斯（Stokes）波。這種條件與其他信道的數(shù)目和信號(hào)的存在與否無關(guān)，但與調(diào)制方式和比特速率有關(guān)。77《光纖通信》（第3版）原榮編著3.交叉相位調(diào)制（XPM）在單信道系統(tǒng)中，自相位調(diào)制是主要的非線性限制。在多信道通信系統(tǒng)中，引起非線性串話的重要因素是交叉相位調(diào)制（XPM）。XPM是由于光纖折射率與光信號(hào)強(qiáng)度有關(guān)。當(dāng)某一信道信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)，其相位的變化不僅與本信道的功率有關(guān)，而且與其他信道的功率有關(guān)。78《光纖通信》（第3版）原榮編著4.四波混頻一旦信道間距和光纖色散足夠小而滿足四波混頻所需要的相位匹配條件時(shí)，四波混頻將變?yōu)镈WDM系統(tǒng)非線性串話的主要因素。四波混頻引起系統(tǒng)性能下降的原因可以這樣來理解，當(dāng)頻率不同的三個(gè)光波同時(shí)在光纖內(nèi)傳輸時(shí)，由于四波混頻將產(chǎn)生不同組合的新的頻率分量。在信道間距相等的情況下，產(chǎn)生的新頻率分量與現(xiàn)有的某個(gè)頻率相同，但是FWM將引起功率在不同信道間的轉(zhuǎn)移。當(dāng)信道不等距時(shí)，新的頻率分量將位于現(xiàn)有信道頻率之間，將干擾探測的過程。在這兩種情況中，因?yàn)樾诺拦β实臏p小和信道間干擾引入的噪聲，系統(tǒng)性能將下降。四波混頻的影響，除與光纖色散有關(guān)外，也與信道間距和信號(hào)強(qiáng)度有關(guān)，

79《光纖通信》（第3版）原榮編著圖8.6.6四波混頻產(chǎn)生了新的頻率分量（a）等距的三信道WDM信號(hào)（b）WDM信號(hào)經(jīng)光纖傳輸 （c）四波混頻后產(chǎn)生新的頻率分量80《光纖通信》（第3版）原榮編著減小或抑制四波混頻的影響的方法在光纖傳輸系統(tǒng)中，四波混頻是一個(gè)不能完全消除的非線性現(xiàn)象，然而，可以采用一些對(duì)策來減小或抑制四波混頻的影響，它們是（1）使信道間距不對(duì)稱，避免四波混頻的產(chǎn)生；（2）增加信道間距減小四波混頻；（3）減小發(fā)射進(jìn)光纖的功率，減小四波混頻的影響；（4）在長距離標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸之后，插入一段色散相反的非零色散特性光纖，以便使色散值保持接近零等。81《光纖通信》（第3版）原榮編著當(dāng)信道數(shù)N≤10時(shí)，受激布里淵散射（SBS）和四波混頻（FWM）的影響最為嚴(yán)重。但是當(dāng)N>10時(shí)，交叉相位調(diào)制（XPM）變成一個(gè)影響系統(tǒng)性能的主要因素。當(dāng)信道數(shù)超過100時(shí)，信道功率需要減少到小于0.1mW。四波混頻的影響對(duì)信道間距和光纖色散的大小都很敏感。對(duì)于100GHz的信道間距，假如其他參數(shù)保持相同，圖8.6.5中限制的功率可從1mW增加到30mW，此時(shí)SRS和XPM是最主要的限制因素。通常，多信道通信系統(tǒng)中的非線性串話限制發(fā)射進(jìn)信道的功率為零點(diǎn)幾毫瓦。圖8.6.5四種非線性串話對(duì)信道功率的限制

82《光纖通信》（第3版）原榮編著8.6.4光放大器系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.

EDFA系統(tǒng)在DWDM系統(tǒng)中，必要時(shí)需使用EDFA對(duì)線路損耗進(jìn)行補(bǔ)償，但是級(jí)聯(lián)的EDFA會(huì)引入ASE噪聲和脈沖展寬的累積;EDFA增益頻譜的不平坦也會(huì)引起各信道功率的不平坦和增益競爭;同時(shí)也要考慮EDFA的帶寬，因?yàn)樗鼤?huì)影響使用的信道數(shù);另外也要注意到EDFA只使用在光纖的C波段。83《光纖通信》（第3版）原榮編著1.EDFA系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）噪聲累積在EDFA級(jí)聯(lián)的系統(tǒng)中，放大器的噪聲以兩種方法影響系統(tǒng)性能。首先，級(jí)聯(lián)中的每個(gè)放大器產(chǎn)生的自發(fā)輻射噪聲（ASE），通過剩下的傳輸線路傳輸，該噪聲和信號(hào)被后面的放大器同時(shí)放大。經(jīng)放大后的自發(fā)輻射噪聲在到達(dá)接收機(jī)之前累積，并影響系統(tǒng)性能。其次，當(dāng)ASE電平增加時(shí)，它開始使光放大器飽和并減小信號(hào)增益。解決這一問題的辦法是在噪聲累積到一定程度后，插入一個(gè)光-電-光中繼器，使含有累積噪聲的輸出信號(hào)經(jīng)門限電路判決后，去掉該噪聲，然后重新由激光器發(fā)射。84《光纖通信》（第3版）原榮編著1.EDFA系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2）增益均衡EDFA對(duì)不同波長光的放大增益不同，從而在EDFA多級(jí)串聯(lián)后，使不同波長的光增益相差很大，如圖8.6.7所示，將限制WDM系統(tǒng)的信道數(shù)量。通常用于增益補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ袨V波法、EDFA粒子數(shù)強(qiáng)烈反轉(zhuǎn)法、增益互補(bǔ)法以及特種光纖放大器等。85《光纖通信》（第3版）原榮編著圖8.6.7EDFA增益不平坦，多級(jí)串聯(lián)后使不同波長的光增益相差很大86《光纖通信》（第3版）原榮編著1.EDFA系統(tǒng)設(shè)計(jì)（3）增益壓縮在6.5.2節(jié)中，我們已知，EDFA存在增益飽和或增益壓縮特性，這種特性使它具有增益自調(diào)整能力，這在EDFA的級(jí)聯(lián)應(yīng)用中具有重要的意義。使EDFA工作在增益壓縮區(qū)，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)光纖和無源器件損耗增加時(shí)，加到EDFA輸入端口的信號(hào)功率減小，但由于EDFA的這種增益壓縮特性，它的增益將自動(dòng)放大，從而又補(bǔ)償了傳輸線路上的損耗增加；同樣若放大器輸入功率增加，由于增益壓縮特性，其增益將自動(dòng)降低，從而在系統(tǒng)壽命期限內(nèi)可穩(wěn)定光信號(hào)電平到設(shè)計(jì)值，如圖8.6.8所示。合理設(shè)計(jì)的光放大器系統(tǒng)，在系統(tǒng)壽命期內(nèi)可維持系統(tǒng)的輸出功率不變。87《光纖通信》（第3版）原榮編著圖8.6.8由于EDFA的增益自調(diào)整能力，通過合理設(shè)計(jì)使系統(tǒng)在壽命期內(nèi)可維持輸出功率不變88《光纖通信》（第3版）原榮編著2.分布式拉曼放大器系統(tǒng)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)一個(gè)分布式拉曼放大器傳輸系統(tǒng)時(shí)，要考慮許多問題，現(xiàn)簡單介紹如下。（1）信號(hào)入射光功率由式（6.3.11）可知，信號(hào)入射光功率越大，Q值也越大。但是，另一方面，信號(hào)入射光功率越大，光纖的非線性也越嚴(yán)重，使Q值降低，所以信號(hào)入射光功率不能太大。但是信號(hào)入射光功率也不能太小，否則ASE噪聲也使Q值降低。89《光纖通信》（第3版）原榮編著2.分布式拉曼放大器系統(tǒng)設(shè)計(jì)所以，設(shè)計(jì)一個(gè)使用EDFA+DRA的長距離光纖通信系統(tǒng)，要綜合考慮影響系統(tǒng)性能的各方面因素。圖8.6.9表示信號(hào)輸入光功率對(duì)系統(tǒng)性能Q值的影響。由圖可見，EDFA+DRA光纖通信系統(tǒng)不但使系統(tǒng)的Q值提高了，而且使最佳信號(hào)入射光功率降低了許多，這對(duì)降低光纖非線性對(duì)系統(tǒng)性能的影響有積極的作用。圖8.6.9信號(hào)入射光功率對(duì)拉曼放大系統(tǒng)性能的影響

90《光纖通信》（第3版）原榮編著8.6.5光功率預(yù)算在DWDM系統(tǒng)中，光功率預(yù)算要計(jì)算發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間光通道上所有元部件的損耗，這些元部件有耦合器、濾波器、連接器、接頭、交叉連接器、復(fù)用/解復(fù)用器和光纖等。光路上除LD發(fā)射的功率外，還有光放大器的增益，它們相加后減去光路上的總損耗（均用dB表示），其余量減去接收機(jī)靈敏度還應(yīng)該有幾dB的富余，以留給LD等器件老化、色散代價(jià)和線路維修用。功率預(yù)算的的目的就是要確保系統(tǒng)在壽命終了時(shí)到達(dá)接收機(jī)的光信號(hào)功率大于或等于接收機(jī)靈敏度。功率預(yù)算可用下式表示91《光纖通信》（第3版）原榮編著8.6.6網(wǎng)絡(luò)管理波長管理在DWDM系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)中，切換到另外的波長要求對(duì)波長進(jìn)行管理。然而在DWDM系