桂工光纤通信第四章

光纤通信课程第4章1第4章光纤通信系统4.1模拟光纤通信4.2数字光纤通信系统和总体设计4.3数字光纤传输系统的性能指标4.4光纤放大器及其在光纤通信系统中的应用4.5光载无线技术4.6小结4.1模拟光纤通信模拟光纤通信的典型应用•光纤有线电视网•光纤测量•光纤传感•移动通信网•卫星通信•室内覆盖•家庭网络4.1模拟光纤通信传统的模拟有线电视(CATV)传输系统干线上每隔600m左右就需要一个干线放大器，可靠性较差，维护费用高。4.1模拟光纤通信光纤同轴电缆混合系统(HFC)4.1模拟光纤通信光纤同轴电缆混合系统(HFC)•信号质量大幅提高•网络可靠性大大增加•网络维护费用明显减少通常前端设备与光节点设备之间采用副载波复用进行多路模拟电视信号的光纤传输。4.1模拟光纤通信副载波复用多路模拟电视光纤传输系统4.1模拟光纤通信模拟电视信号在光纤传输系统中的一般要求•模拟光发射机•模拟光接收机•光通道4.1模拟光纤通信模拟光发射机的一般要求•输出光功率要足够大，一般要大于0dBm•半导体激光器的P－I曲线的线性要好，以避免交调失真、谐波失真等•半导体激光器的调制特性要好，即调制带宽宽且幅频特性平坦4.1模拟光纤通信模拟光接收机的一般要求•大CNR（载噪比）或SNR（信噪比）以保证电视信号质量•要有足够大的工作带宽和频带平坦度4.1模拟光纤通信光通道的一般要求•若要求长距离传输或采用光源光分路来扩大一个前端支持的光节点数，则通常采用1550nm波段的工作波长，利用掺铒光纤放大器对光发射机发出的光信号在光域直接进行光功率放大。4.2数字光纤通信系统和总体设计数字光纤通信系统基本组成4.2数字光纤通信系统和总体设计数字业务信号在光纤通信系统中的传输步骤1.多路业务信号复用成更高速率等级的信号；2.对于SDH系统/网络，插入OAM开销，进行扰码（破坏长连“0”和长连“1”）；对于PDH系统，为方便定时提取和加入运行维护管理开销而进行线路编码；3.对光源进行数字调制，完成电数字信号到光数字信号的转换；4.经光纤传输，传输过程中由于受光纤衰减和色散的影响，光信号随光纤传输距离的增大而功率变弱、波形变差；5.光信号达到接收端后，首先由光电检测器完成光电转换，再放大均衡，然后提取时钟信号，在时钟信号的作用下“判决再生”出数字信号；6.解扰并取出开销进行处理或进行线路解码，同时处理OAM开销；7.解复用出各路数字业务信号。4.2数字光纤通信系统和总体设计系统设计BECDA网络拓扑和路由选择网络容量确定业务通路组织最大中继距离计算设备线路类型选择4.2数字光纤通信系统和总体设计数字光纤通信系统设计总体考虑•网络拓扑、线路路由选择•网络/系统容量的确定•光纤/光缆选型•透择合适的设备，核实设备的性能指标•光传输设计4.2数字光纤通信系统和总体设计网络拓扑、线路路由选择•位于骨干网、网络生存性要求较高的网络适合采用网格拓扑•位于城域网、网络生存性要求较高的网络适合采用环形或网格拓扑•位于接入网、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、无源树形拓扑4.2数字光纤通信系统和总体设计网络/系统容量的确定•网络/系统容量一般按网络/系统运行后的几年里所需容量来确定，而且网络/系统应方便扩容以满足未来容量需求。4.2数字光纤通信系统和总体设计光纤/光缆选型•G.652光纤G.652光纤/光缆为1310nm波长性能最佳单模光纤（或称非色散位移光纤），是目前最常用的单模光纤。•G.653光纤G.653光纤/光缆为1550nm波长性能最佳的单模光纤/光缆。容易产生严重的四波混频效应，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。目前基本不采用。4.2数字光纤通信系统和总体设计光纤/光缆选型•G.654光纤G.654光纤/光缆为1550nm波长衰减最小单模光纤，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G.655光纤是非零色散位移单模光纤，是传输光纤中的新成员，适合应用于采用密集波分复用的大容量的骨干网中。4.2数字光纤通信系统和总体设计选择合适的设备，核实设备的性能指标•发送、接收、中继、分插及交叉连接设备是组成光纤传输链路的必要元素，选择性能好、可靠性高、兼容性好的设备是系统设计成功的重要保障。系统设计者应熟悉所设计的系统的各项指标，并以ITU-T的建议和我国的国标和通信行业标准作为系统设计的依据。4.2数字光纤通信系统和总体设计光传输设计•各种拓扑结构的网络都是建立在点到点基础上的，所以S-R点之间的光传输距离确定是光纤传输网络/系统设计的基础。•传输距离由光纤衰减和色散等因素决定，系统速率、工作波长等各种因素对传输距离也均有影响。S-R点之间的传输距离也就是光传送网的再生段或复用段（无须再生时）的传输距离。4.2数字光纤通信系统和总体设计光再生段模型•光再生段模型包括发送机、光通道和接收机。发送机与光通道之间定义S参考点，光通道与接收机之间定义R参考点，S参考点与R参考点之间为光通道。4.2数字光纤通信系统和总体设计光传输设计方法•最坏值设计法采用在系统所有组成均在最坏情况下保证系统正常工作的设计思想，因此有些保守，导致资源的浪费和建设成本的相对提高。•联合设计法•统计设计法（包括半统计设计法）半统计设计法的经济性和可靠性介于最坏值设计法和统计设计法之间。4.2数字光纤通信系统和总体设计光传输设计方法比较项目最坏值设计法联合设计法统计设计法半统计设计法统计设计法含义光通道所有光参数都按系统寿命终了前，系统富余度都用完，且处于允许工作温度范围内任何点取值，即全部取最坏值建设单位可以与设备提供商协商确定一套特殊的增强型的光通道参数光通道参数部分取统计值、部分取最坏值光通道参数全部取统计值光接口横向兼容性满足不保证不保证不保证标准规范性最好最差居中较好可靠性100％100％较高最差复杂性最简单居中较复杂最复杂资源利用最差较好居中最好经济性最差较差较好最好4.2数字光纤通信系统和总体设计最坏值设计法•最坏值设计法就是在设计再生段距离时，将所有参数值都按最坏值选取，而不管其具体分布如何，是光缆线路系统传输设计的基本方法。•好处是在寿命终了、富余度用完且处于极端工作条件下（如高、低温度）仍能100％地保证系统性能要求。•缺点是系统总成本偏高。4.2数字光纤通信系统和总体设计损耗受限系统－再生段距离由S和R点之间的光通道损耗决定色散受限系统－再生段距离由S和R点之间的光通道总色散所决定再生段设计再生段设计4.2数字光纤通信系统和总体设计损耗受限系统•对于损耗受限系统，系统设计首先要根据S和R点之间的所有光功率损耗和光缆富余度来确定总的光通道损耗/衰减值，再由此确定标准光接口中适用的光接口及相应的一整套光参数。4.2数字光纤通信系统和总体设计损耗受限系统•损耗受限系统的最大再生段距离或者称作最大中继距离可以用下式来估算：其中，1(2)/(/)TRCPfSfCLPPAPAALM1/nffiiAan11/(1)nssiiAan4.2数字光纤通信系统和总体设计损耗受限系统•对于最坏值设计，最大传输距离为：---公式中带下标m的参数皆为相应参数的最坏值。•如光缆富余度按整个段总量留取，则上式变为：---这里Mc为S-R之间总光缆富余度(2)/(/)lTmRmCmPmfmSmfCLPPAPaaLM(2)/(/)lTmRmCmPmCfmSmfLPPAPMaaL4.2数字光纤通信系统和总体设计色散受限系统•决定色散限制最大传输距离的因素是在工作波长下的光纤色散系数和光源光谱特性。•对于色散受限系统，系统设计者首先应确定所设计的再生段的总色散（ps/nm），再据此选择合适的光接口及相应的一整套光参数。4.2数字光纤通信系统和总体设计色散受限系统•色散受限系统最大无再生传输距离的最坏值可以用下式估算：其中，DSR为选定的标准光接口的S和R点之间允许的最大色散值；Dm为允许工作波长范围内的最大光纤色散值，单位为ps/（nm·km）。SR/dmLDD4.2数字光纤通信系统和总体设计色散受限系统•使用多纵模激光器时系统色散受限的最大传输距离•使用单纵模激光器时系统色散受限的最大传输距离4.2数字光纤通信系统和总体设计多纵模激光器系统色散受限的最大传输距离•功率代价1dB作为判据，系统色散受限的最大传输距离为：式中为0.115，为激光器的RMS谱宽（nm），Dm为光纤的最大色散系数（ps/nm×km），B为系统的码速率（Mbit/s）。610(km)dmLDB4.2数字光纤通信系统和总体设计单纵模激光器系统色散受限的最大传输距离近似计算公式如下：式中，为啁啾系数，为单纵模激光器的中心波长（nm），Dm为光纤的最大色散系数（ps/nm×km），B为系统码速率（Tbit/s）。2271400(km)dmLDB4.2数字光纤通信系统和总体设计再生段的设计算出损耗受限的距离1算出色散受限的距离2较短的距离为最大再生段距离34.3数字光纤传输系统的性能指标网络性能指标•通常依据网络性能指标进行传输网络和传输系统的规划设计。•网络性能指标又称参考性能指标，简称性能指标。•网络性能指标以向用户提供满意的服务为目标，它是一种目标性指标。4.3数字光纤传输系统的性能指标误码性能•对数字传输来说，最重要的性能指标是误码性能、抖动性能和可用性。误码产生的主要因素•各种噪声产生的误码•由于光纤色散导致的码间干扰引起的误码•定时抖动产生的误码•各种外界因素产生的误码4.3数字光纤传输系统的性能指标误码性能•传统上常用平均误比特率BER来衡量系统的误码性能，但平均误码率是一个长期效应。•对速率等于或高于基群的数字通道的误码性能的度量都以“块”为基础。•所谓“块”是通道、段中传送的一些关联、连续比特的集合。•每个比特属于且仅属于一个块。4.3数字光纤传输系统的性能指标误码性能•差错块当块内的任意比特发生错误时，就称该块是差错块（ErroredBlock，EB），也可称为误块。•误块秒当一秒时间内具有一个或多个差错块或至少一个缺陷时就称该秒为误块秒（ErroredSecond，ES）。4.3数字光纤传输系统的性能指标误码性能•严重误块秒当某一秒内含有不少于30%的误块或者至少出现一种缺陷时，就以为该秒为严重误块秒（SeverelyErroredSecond，SES），严重误块秒是误块秒的子集。•背景块差错在扣除不可用时间和SES期间出现的差错块以后所剩下的差错块，称为背景块差错（BackgroundBlockError，BBE）。4.3数字光纤传输系统的性能指标误码性能•严重误码期3～9个之间的连续严重误块秒的时间为严重误码期（SeverelyErroredPeriod，SEP）。•误块秒比在规定测量间隔内出现的ES数与总的可用时间之比，称为误块秒比（ErroredSecondRatio，ESR）。4.3数字光纤传输系统的性能指标误码性能•严重误块秒比在规定测量时间内出现的SES数与总的可用时间之比，称为严重误块秒比（SeverelyErroredSecondRatio，SESR）。•背景块差错比BBE数与扣除不可用时间和SES期间所有块数后的总块数之比，称为背景块差错（BackgroundBlockErrorRatio，BBER）。4.3数字光纤传输系统的性能指标误码性能•严重误码期强度可用时间内严重误码期事件数与总可用时间秒之比，称为严重误码期强度（SeverelyErroredPeriodIntensity，SEPI），单位1/s。上述的误码事件（EB，ES，SES，BBE，SEP）和误码性能参数（ESR，SESR，BBER，SEPI）都涉及可用时间和不可用时间。4.3数字光纤传输系统的性能指标误码性能•可用时间的含义是：连续10s内每秒均为非SES，从这10秒钟的第一秒起