第八章光纤通信系统的性能与设计

光纤通信系统的性能与设计光纤通信系统第八章第八章光纤通信系统的性能与设计光纤通信系统结构与性能指标光纤损耗对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤通信系统设计中的功率预算系统功率代价IM-DD数字光纤通信系统的组成一、目前最常用、最主要的方式是强度调制－直接检测(IM-DD)数字光纤通信系统。光纤通信系统结构光纤通信系统的主要组成单元：光纤光器件光发送机光接收机光放大器根据光纤系统的应用可分为点到点连接广播和分配网局域网点到点的传输系统利用光纤的低损耗、宽带宽特点性能指标：比特率－距离积（BL）BL积与光纤损耗和色散特性有关，而光纤特性又与波长有关，所以BL积与波长有关。第一代光波系统:0.85m,BL积1(Gb/s).km第二代光波系统：1.3m,BL积100(Gb/s).km第三代光波系统：1.55m,BL积1000(Gb/s).km二、光中继器设置光中继器的原因：光信号在传输过程会出现两个问题：①光纤的损耗特性使光信号的幅度衰减，限制了光信号的传输距离；②光纤的色散特性使光信号波形失真，造成码间干扰，使误码率增加。以上两点不但限制了光信号的传输距离，也限制了光纤的传输容量。为增加光纤的通信距离和通信容量，必须设置光中继器。光中继器的功能是补偿光能量损耗，恢复信号脉冲形状有：①补偿衰减的光信号；②对畸变失真的信号波形进行整形。光中继器的类型主要有两种：一种是传统的光中继器（即光电中继器），另一种是全光中继器。RxTxRxRxTxTx再生器RxTx放大器采用再生器和光放大器作为周期性损耗补偿的点到点连接再生器放大器光发送机光发送机光接收机光接收机光中继器光-电-光中继：实际上是一个接收机一个发送机对，它将检测到的微弱变形光信号，变为电信号，经放大整形后变成规则的电比特流，再调制光发送机，恢复原光比特流继续沿光纤传输。光放大器：将接收到的微弱光比特流信号直接放大而不需将其转换为电信号。(1R)光放大器不能无限制级联，因为色散导致的脉冲畸变最终限制了系统的性能。光-电-光再生中继则不存在这种问题。传统的光中继器采用光—电—光（O-E-O）转换形式的中继器。如图所示。典型的数字光中继器原理方框图2．光电中继器的结构形式有的设在机房中，有的是箱式或罐式，有的是直埋在地下或架空光缆在电杆上。1、光电中继器的构成目前全光放大器主要是掺铒光纤放大器。掺铒光纤放大器是一个直接对光波实现放大的有源器件，其工作原理如图所示。用掺铒光纤放大器作中继器的优点是，设备简单，没有光—电—光的转换过程，工作频带宽。缺点是，光放大器作中继器时，对波形的整形不起作用。掺铒光纤放大器用作光中继器的原理框图全光中继器三、监视控制系统1、监控系统为监视、监测和控制系统的简称。它与其他通信系统一样，在一个实用的光纤通信系统中，为保证通信的可靠，监控系统是必不可少的。（1a在数字光纤通信系统中误码率是否满足指标要求；bcdef除上述内容外，还可根据需要设置其他监测内容。（2）控制内容当光纤通信系统中主用系统出现故障时，监控系统即由主控站发出倒换指令，遥控装置将备用系统接入，将主用系统退出工作。当主用系统恢复正常后，监控系统应再发出指令，将系统从备用倒换到主用中。另外，当市电中断后，监控系统还要发出启动电机的指令，又如中继站温度过高，则应发出启动风扇或空调的指令。同样，还可根据需要设置其他控制内容。2、常见监控系统的基本组成常见监控系统组成方式有三种：一级监控系统——在一个数字段对光纤传输设备及相关数字复接设备进行监控。二级监控系统——在具有多个方向的单个数字段距离内传输及复接设备进行监控。三级监控系统——对跨数字段的传输设备进行集中监控。3、监控信号的传输在光纤通信监控系统中，监控信号是怎样在主控站和被控站之间传输呢?目前有两类方式：（1）一类是在光缆中加金属导线对来传输监控信号，已经逐渐被淘汰；（2）另一类是由光纤来传输监控信号。（2）光纤来传输监控信号光纤来传输监控信号又可分为如下两种方式A、频分复用传输方式。采用频分方式可有不同的方法，其中一种方法是脉冲调这种方法在使用5B6B码型的机器上，用来传输监控信号，此外还可传输公务区间通信等信号。B、时分复用方式。这种方式就是在电的主信号码流中插入冗余(多余)的比特，用这个冗余的比特来传输监控等信号。四、脉冲插入与脉冲分离在一个实用的光纤通信系统中，除了要传输从电端机送来的多路信号之外，为了使整个系统完善地工作，还需传送监控信号、公务联络信号、区脉冲复接是将监控信号、公务联络信号、区间通信信号等汇接后在读脉冲的作用下，将上述信号插入信码流经编码后多余的时隙中，然后在光纤在光纤通信系统的接收端设有脉冲分离电路。它的作用与脉冲插入电路相反，将插入的监控信号、公务联络信号、区间通信信号分离出来，送至相应的单元中。传输故障主要来源于光缆线路，且多为人为故障，因而需要设置另外一套光端机、光中继器以及光缆线路，供一个或多个主用系统共同备用，当某一个主用系统出现故障，则可以通过倒换装置，启用该备用系统，以保证信息的正常传输。五、保护倒换系统光纤分配网功能：光纤通信系统不仅要求传送信息，而且要求将信息分配给多个用户应用：光缆电话网、公用天线电视(CATV)、宽带综合业务数字网（B-ISND）特点：传输距离较短、带宽要求宽结构：树型拓扑、总线拓扑HubHubHubHubHub信道在中心点分配，光纤的作用与点到点连接系统类似。•树形拓扑结构1432NBus单根光纤承载整个业务范围的多信道光信号，通过光接头完成分路，光分路器将一小部分功率分送给每个用户。多路视频信道分配CATV系统；高清晰度电视HDTV。•总线拓扑结构•总线拓扑结构缺点：信号损耗随分路数指数增加。限制了单根光纤总线服务的范围和用户数。若忽略光纤自身的损耗，则第N个分支可得到的功率为：PN----第N个分支功率；PT----发送功率；C----分路器的功率分路比；----分路器的插入损耗；并假设每个分路器的C和都相同。111NTNCCPP若取=0.05,C=0.05,PT=1mW和PN=0.1W,则N的最大值?111NTNCCPPN=61如何进一步增加分支数？在总线上周期地接入光放大器提升功率，可以克服上述限制，只要光纤色散的影响限制在可忽略的程度，允许分配的用户数将可大大增加。•总线拓扑结构局域网局域网：在光纤通信系统中，要求在网络中一个局部区域内（如在一个大学校园内）的大量用户相互连接，使任何用户可以随机地进入网络，将数据传送给其他任何用户。LAN中要求对每个用户提供随机的收发数据功能，存在网络协议问题。结构：总线型Bus、环型Ring、星型Star例子：“以太网”协议：碰撞检测的载波侦听多路存取（CSMA/CD）限制：与每个分支的损耗有关，用户数不能太多。1N-2N-1N2•环形拓扑结构•点到点连接将节点依次相连以形成单个闭合环。各节点中均设置有发送机－接收机对，均可发送和接收数据，也用作中继器。•一个令牌（一个预先确定的比特率）在环内传递，每个节点都监视比特率以监听它自己的地址和接收数据。•随着光纤分布式数据接口FDDI的标准接口的出现，光纤LAN开始普遍采用环形拓扑结构。•FDDI/SDH/FC(FiberChannel)双环结构，superiorreliabilityandrobustness•星形拓扑结构2N-1N431Starcoupler•所有节点都通过点到点连接接到中心站(中枢节点)上。•有源星形结构：所有到达的光信号都通过光接收机转换为电信号，再将电信号分配以驱动各个节点的光发送机。•无源星形结构：采用星形耦合器等无源光器件在光域进行分配。由于从一个节点的输入被分配到许多输出节点，因此传送到每个节点的功率将受用户数的限制。光纤通信系统的性能指标一、系统的参考模型假设参考连接HRX（HypothesisReferenceConnection）假设参考数字链路HRDL(HypothesisReferenceDigitalLink）假设参考数字段HRDS(HypothesisReferenceDigitalSection）标准假设参考连接HRX假设参考连接是将拟建造的光纤通信系统按最长长度的标准数字网络进行假设参考连接，进行总体性能研究的一个参考模型,长度一般为27500km。LE本地交换SC二级交换中心数字链路PC一级交换中心TC三级交换中心数字交换ISC国际交换中心T参考点T参考点27500km国内国内国际本地本地LELEPCPCSCSCTCTCISCISCISCISCISC假设参考数字链路HRDLHRDL定义为：在两个数字配线架（或其等效设备）之间，对规定速率的数字信号进行数字传输的全部实体。HRDL可以包含复接和分接过程，但不包换交换过程。多个HRDL和各级交换中心组成HRX，标准数字HRX的总的性能指标按比例分配给HRDL，使系统设计得以简化。建议的HRDL长度为2500km，但各国领土面积不同，采用的HRDL长度也不同，我国采用5000km，美国和加拿大采用6400km，而日本采用2500km。假设参考数字段HRDSHRDS定义为：在相邻接的数字分配架或其等效设备之间，对规定速率的数字信号进行数字传输的全部实体。HRDS包含两端的终端设备，但不包含复接功能。多个HRDS组成一个HRDL。在建议中用于长途传输的HRDS长度为280km，用于市话传输的HRDS长度为50km。我国用于长途传输的HRDS长度为420km（一级干线）和280km（二级干线）。二、误码率BER误码率是衡量数字光纤通信系统传输质量优劣的重要指标，反映了在数字传输过程中信息受到损害的程度。一般用在一个较长时间内的传输码流中出现误码的概率表示。误码率参数和HRX的误码率指标误码率参数定义指标长期平均误码率劣化分（DM）BER劣于10-6的分钟数＜10%＜6.2×10-7严重误码秒（SES）BER劣于10-3的秒数＜0.2%＜3×10-5误码秒（SES）BER=0的秒数＜8%＜1.3×10-6HRX误码率总指标的分配误码率指标高级电路中级电路本地级电路DM＜10%4%2×1.5%2×1.5%SES＜0.1%0.04%2×0.015%2×0.015%ES＜8%3.2%2×1.2%2×1.2%HRDS高级电路误码率指标误码率参数1km280km420kmDM1.6×10－4%6.7×10－2%4.5×10－2%SES1.6×10－6%6.7×10－4%4.5×10－4%ES1.28×10－4%5.4×10－2%3.6×10－2%三、抖动抖动是数字信号传输过程中产生的一种瞬间不稳定现象。其定义为数字信号在各有效瞬间对标准时间位置的偏差。偏差时间范围称为抖动幅度。偏差时间间隔对时间的变化率为抖动频率。这种偏差包括在某一平均位置左右变化或提取时钟信号在中心位置左右变化。抖动产生的原因主要与定时电路的质量、输入信号的状态和输入码流中的连“0”码数目有关。输入抖动容限是系统能容忍的输入信号中引入的抖动最大值。该参数反映系统对抖动的承受能力。输出抖动容限是系统在无输入抖动的条件下允许输出信号中产生的抖动最大值。该参数反映了系统本身引入的抖动程度。抖动产生的原因主要有：①由于噪声引起的抖动。②时钟恢复电路产生的抖动。③其他原因引起的抖动。引起抖动还有其他原因，如数字系统的复接、分接过程，光缆的老化等。抖动的单位是UI(UnitInterval)：1UI的时间相差非常大，一般用抖动占UI的相对值来表示。系统各次群输入抖动容限参数速率(kb/s)JP-P/UI调制数字信号的正弦信号频率(kHz)伪随机测试信号序列A0A1A2F0F1F2F3F4204836.91.50.21.5×10－50.022.418100215-184481521.50.21.5×10－50.020.