第六章-光纤通信系统设计

第六章光纤通信系统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。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。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。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。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。•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。•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。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1500（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。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。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。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。也可以综合考虑这两种方法，部分参数按最坏值处理，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)在用最坏值法设计数字系统时，设备富余度与未分配的富余度是分散给发射机、接收机和光缆线路设施。通常发射机富余度取1dB左右，接收机富余度取2-4dB，系统总富余度取3-5dB左右。ITU－T建议G.957规定，允许的光通道损耗PSR为：SRTRPPP=-接收机发送机光源eTMTXC光通道TPCMLfALSRRPSRPPXCCACAsfALLPPeRM光检测器光通道损耗组成图S点与R点间的允许损耗为：SRsCCPLAMAa=?++()()()()()/;;;/;SfCCdBkmAdBLkmMdBkmAdBa式中表示光缆衰减系数表示光纤固定接点损耗是单盘光缆的长度是系统余量是连接器损耗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。•功率预算示例长距离单模光纤通信系统，工作波长在1.3m.•发射功率PT=-4dBm•光纤损耗=0.3dB/km•熔接损耗=0.2dB/km•发射机和接收机端的连接损耗=1dB（每个）•APD接收机所需的平均功率：比特率400Mbit/s(BER10-9)=-44dBm比特率40Mbit/s(BER10-9)=-52dBm•功率余量=6dB比特率为400Mbit/s(BER10-9)时，无需中继器，所能传输的最长距离？（不考虑色散代价）•解答：•比特率为400Mbit/s(BER10-9)最大允许链路损耗=-4–(-44)=40dB光纤损耗(光纤+熔接)=(0.3dB+0.2dB)xL连接器损耗=2dB(2个连接器,每个1dB)系统余量=6dB因此，总体链路损耗=(0.5L+2+6)dB最大传输距离=(40-2-6)/0.5km=64km(答案)比特率为40Mbit/s(BER10-9)时，无需中继器，所能传输的最长距离？（不考虑色散代价）80km