光纤通信系统及设计

第6章光纤通信系统及设计6.1IM-DD数字光纤通信系统设计6.1.1总体设计考虑数字光纤通信系统一般采用强度调制、直接检波的方式，即IM-DD方式。任何复杂的通信系统，其基本单元都是点到点的传输链路。它包括三大部分，即光发送机，光接收机和光纤线路。每一部分都涉及许多的光电器件，所以对链路的设计是一个复杂的工作，而每个元器件的选择都要经过若干次的反复。这里仅对原则性的问题作一下介绍。第6章光纤通信系统及设计光纤通信系统的基本要求有以下几点：(1)预期的传输距离。(2)信道带宽或码速率。(3)系统性能（误码率，信噪比）。为了达到这些要求，需要对以下一些要素进行考虑：光纤：需要考虑选用单模还是多模光纤，需要考虑的设计参数有：纤芯尺寸、纤芯折射率分布、光纤的带宽或色散特性、损耗特性。光源：可以使用LED或LD，光源器件的参数有发射功率、发射波长、发射频谱宽度等。检测器：可以使用PIN组件或APD组件，主要参数有工作波长、响应度、接收灵敏度、响应时间等。第6章光纤通信系统及设计6.1.2系统设计的一般步骤1.网络拓扑、线路路由选择一般可以根据网络/系统在通信网中的位置、功能和作用，根据承载业务的生存性要求等选择合适的网络拓扑。一般位于骨干网中的、网络生存性要求较高的网络适合采用网络拓扑；位于城域网的、网络生存性要求较高的网络适合采用环形拓扑；位于接入网的、网络生存性要求不高而要求成本尽可能低廉的网络适合采用星形拓扑或树形拓扑。节点之间的光缆线路路由选择要服从通信网络发展的整体规划，要兼顾当前和未来的需求，而且要便于施工和维护。选定路由的原则：线路尽量短直、地段稳定可靠、与其他线路配合最佳、维护管理方便。第6章光纤通信系统及设计2.确定传输体制、网络/系统容量的确定准同步数字系列(PDH)：主要适用于中、低速率点对点的传输。同步数字系列(SDH)：不仅适合于点对点传输，而且适合于多点之间的网络传输。20世纪90年代中期，SDH设备已经成熟并在通信网中大量使用，由于SDH设备良好的兼容性和组网的灵活性，新建设的骨干网和城域网一般都应选择能够承载多业务的下一代SDH设备。网络/系统容量一般按网络/系统运行后的几年里所需能量来确定，而且网络/系统应方便扩容以满足未来容量需求。目前城域网中系统的单波长速率通常为2.5Gbit/s、骨干网单波长速率通常为10Gbit/s，而且根据容量的需求采用几波到几十波的波分复用。第6章光纤通信系统及设计3.工作波长的确定工作波长可根据通信距离和通信容量进行选择。如果是短距离小容量的系统，则可以选择短波长范围，即800～900nm。如果是长距离大容量的系统，则选用长波长的传输窗口，即1310nm和1550nm，因为这两个波长区具有较低的损耗和色散。另外，还要注意所选用的波长区具有可供选择的相应器件。第6章光纤通信系统及设计4.光纤/光缆的选择光纤有多模光纤和单模光纤，并有阶跃型和渐变型折射率分布。对于短距离传输和短波长系统可以用多模光纤。对于长距离传输和长波长系统一般使用单模光纤。目前可选择的单模光纤有G.652，G.653，G.654，G.655等。G.652光纤/光缆对于1310nm波段是最佳选择，是目前最常用的单模光纤。主要应用于城域网和接入网，不需采用大复用路数密集波分复用的骨干网也常采用G.652光纤/光缆。第6章光纤通信系统及设计G.653光纤/光缆是1550nm波长性能最佳的单模光纤/光缆；G.653光纤将零色散波长由1310nm移到最低衰减的1550nm波长区。主要应用于在1550nm波长区开通长距离10Gbit/s以上速率的系统。但由于工作波长零色散区的非线性影响，不支持波分复用系统，故G.653光纤仅用于单信道高速率系统。目前新建或改建的大容量光纤传输系统均为波分复用系统，G.653光纤基本不采用。G.654光纤/光缆是1550nm波长衰减最小的单模光纤，一般多用于长距离海底光缆系统，陆地传输一般不采用。G.655光纤是非零色散位移单模光纤，适合应用于采用密集波分复用的大容量的骨干网中。第6章光纤通信系统及设计光纤/光缆是传输网络的基础，光缆网的设计规划必须要考虑在未来15-20年的寿命期内仍能满足传输容量和速率的发展需要。另外，光纤的选择也与光源有关，LED与单模光纤的耦合率很低，所以LED一般用多模光纤，但1310nm的边发光二极管与单模光纤的耦合取得了进展。另外，对于传输距离为数百米的系统，可以用塑料光纤配以LED。第6章光纤通信系统及设计5.光源的选择选择LED还是LD，需要考虑一些系统参数，比如色散、码速率、传输距离和成本等。LED输出频谱的谱宽比起LD来宽得多，这样引起的色散较大，使得LED的传输容量较低，限制在2500（Mb/s）·km以下（1310nm）；而LD的谱线较窄，传输容量可达500（Gb/s）·km（1550nm）。典型情况下，LD耦合进光纤中的光功率比LED高出10～15dB,因此会有更大的无中继传输距离。但是LD的价格比较昂贵，发送电路复杂，并且需要自动功率和温度控制电路。而LED价格便宜，线性好，对温度不敏感，线路简单。设计电路时需要综合考虑这些因素。第6章光纤通信系统及设计6.光检测器的选择选择检测器需要看系统在满足特定误码率的情况下所需的最小接收光功率，即接收机的灵敏度，此外还要考虑检测器的可靠性、成本和复杂程度。PIN-PD比APD结构简单，温度特性更加稳定，成本低廉，低速率小容量系统采用LED+PIN-PD组合。若要检测极其微弱的信号，还需要灵敏度较高的APD，高速率大容量系统采用LD+APD组合。第6章光纤通信系统及设计7.估算中继距离估算中继距离：根据影响传输距离的主要因素（损耗和色散）来估算。以上是设计步骤的主要内容，另外还有光纤线路码型设计的问题。中心问题：确定中继距离。尤其对长途光纤通信系统，中继距离设计是否合理，对系统的性能和经济效益影响很大。第6章光纤通信系统及设计6.1.3最大中继距离光传输的设计方法光纤通信系统的设计：最坏值设计法和统计设计法。使用最坏值设计时，所有考虑在内的参数都以最坏的情况考虑。用这种方法设计出来的指标一定满足系统要求，系统的可靠性较高，但由于在实际应用中所有参数同时取最坏值的概率非常小，所以这种方法的富余度较大，总成本偏高。统计设计方法是按各参数的统计分布特性取值的，即通过事先确定一个系统的可靠性代价来换取较长的中继距离。这种方法考虑各参数统计分布时较复杂，系统可靠性不如最坏值法，但成本相对较低，中继距离可以有所延长。第6章光纤通信系统及设计另外也可以综合考虑这两种方法，部分参数值按最坏值处理，部分参数取统计值，从而得到相对稳定，成本适中，计算简单的系统。(联合设计法)中继距离的设计分两种情况讨论：一个光纤链路，如果损耗是限制光中继距离的主要因素，则这个系统就是损耗受限的系统；如果光信号的色散展宽最终成为限制系统中继距离的主要因素，则这个系统就是色散受限的系统。第6章光纤通信系统及设计T′,T:光端机和数字复接分接设备的接口；Tx:光发射机或中继器发射端；Rx:光接收机或中继器接收端；C1,C2:光纤连接器；S:靠近Tx的连接器C1的接收端；R:靠近Rx的连接器C2的发射端；S-R:光纤线路，包括接头。1.中继距离受损耗的限制图示出了无中继器和中间有一个中继器的数字光纤线路系统的示意图:(a)无中继器；(b)一个中继器TxRxC1SR(a)T′TTxRxC1SR(b)T′TRC2中继器C1SC2C2第6章光纤通信系统及设计如果系统传输速率较低，光纤损耗系数较大，中继距离主要受光纤线路损耗的限制。在这种情况下，要求S和R两点之间光纤线路总损耗必须不超过系统的总功率衰减，式中，Pt为平均发射光功率(dBm)，Pr为接收灵敏度(dBm)，αc为连接器损耗(dB/对)，Me为系统余量(dB)，αf为光纤损耗系数(dB/km),αs为每km光纤平均接头损耗(dB/km),αm为每km光纤线路损耗余量(dB/km),L为中继距离(km)。ecrtmsfMppL2或2trcefsmppML第6章光纤通信系统及设计平均发射光功率Pt取决于所用光源，对单模光纤通信系统，LD的平均发射光功率一般为-3～-9dBm,LED平均发射光功率一般为-20～-25dBm。光接收机灵敏度Pr取决于光检测器和前置放大器的类型，并受误码率的限制，随传输速率而变化。表:示出长途光纤通信系统BERav≤1×10-10时的接收灵敏度Pr。-30-33PIN-FETAPD13104139.264-37-42PIN-FETAPD1310139.264-41PIN-FET131034.368-49PIN13108.448灵敏度Pr/dBm光检测器标称波长/nm传输速率/（Mbs-1）第6章光纤通信系统及设计连接器损耗一般为0.3～1dB/对。设备余量Me包括由于时间和环境的变化而引起的发射光功率和接收灵敏度下降，以及设备内光纤连接器性能劣化，Me一般不小于3dB。光纤损耗系数αf取决于光纤类型和工作波长，例如单模光纤在1310nm,αf为0.4～0.45dB/km;在1550nm,αf为0.22～0.25dB/km。光纤损耗余量αm一般为0.1～0.2dB/km,但一个中继段总余量不超过5dB。平均接头损耗可取0.05dB/个，每千米光纤平均接头损耗αs可根据光缆生产长度计算得到。第6章光纤通信系统及设计2.中继距离受色散(带宽)如果系统的传输速率较高，光纤线路色散较大，中继距离主要受色散(带宽)的限制。为使光接收机灵敏度不受损伤，保证系统正常工作，必须对光纤线路总色散(总带宽)进行规范。对于数字光纤线路系统而言，色散增大，意味着数字脉冲展宽增加，因而在接收端要发生码间干扰，使接收灵敏度降低，或误码率增大。严重时甚至无法通过均衡来补偿，使系统失去设计的性能。第6章光纤通信系统及设计g(t)=exp)2(22t12ln(1/)aT式中σ为均方根(rms)脉冲宽度。把σ/T=a定义为相对均方根脉冲宽度，码间干扰δ的定义如图所示。得到：设传输速率为fb=1/T，发射脉冲为半占空归零(RZ)码，输出脉冲为高斯波形，如图所示。高斯波形可以表示为：高斯波形的码间干扰)(tgtT121第6章光纤通信系统及设计美国Bell实验室的早期研究中，曾建议采用下列标准来考查光纤线路色散对系统传输性能的限制。当a=0.25时，码间干扰δ只有峰值的0.034%，完全可以忽略不计。当a=0.5时，δ增加到13.5%，此时功率代价为7～8dB，难以通过均衡进行补偿。一般系统设计选取a=0.25～0.35，功率代价不超过2dB。第6章光纤通信系统及设计为确定中继距离和光纤线路色散(带宽)的关系，把输出脉冲用半高全宽度(FWHM)τ表示，即22()()2fT式中,τ=σ/0.4247,σ=aT,a为相对均方根（rms）脉冲宽度，T=1/fb，fb为系统的比特传输速率。Δτf为光纤线路脉冲展宽(FWHM)，取决于所用光纤类型和色散特性。第6章光纤通信系统及设计对于多模光纤系统，色散特性通常用3dB带宽表示()。因此，Δτf=0.44/B,B为长度等于L的光纤线路总带宽，它与单位长度光纤带宽的关系为B=B1/Lγ。B1为1km光纤的带宽，通常由测试确定。γ=0.5～1,称为串接因子，取决于系统工作波长，光纤类型和线路长度。把这些关系代入式：并取a=0.25～0.35，得到光纤线路总带宽B和速率fb的关系为：B=(0.83～0.56)fb22()()2fT第6章光纤通信系统及设计中继距离L与1km光纤带宽B1的关系为B1=BLγ,所以L=［（1.21～1.78）Ｂ1/fb］1/γ由此可见，中继距离L与传输速率fb的乘积取决于1km光纤的带宽(色散)，这个乘积反映了光纤通信系统的技术水平。或写成Lγfb=(1.21～1.78)B1第6章光纤通信系统及设计对于单模光纤系统，Δτf=2.355σf,