光纤通信系统设计课件.pptx

1、 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计1 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计2本章内容、重点、难点和要求本章内容、重点、难点和要求本章内容本章内容l损耗受限系统的再生段距离的设计。损耗受限系统的再生段距离的设计。l色散受限系统的再生段距离的设计。色散受限系统的再生段距离的设计。l损耗受限和色散受限系统的再生段距离的设计示例。损耗受限和色散受限系统的再生段距离的设计示例。本章重点和难点本章重点和难点l损耗受限和色散受限系统的再生段距离的设计示例。损耗受限和色散受限系统的再生段距离的设计示例。学习本章目的和要求学习本章目的和要求l掌握再生段距离设计的方法。掌握再生段距离设

2、计的方法。 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计3 光纤通信系统光纤通信系统/网络的总体设计网络的总体设计必须从实际需求出发，必须从实际需求出发，光纤通信网络的设计规划涉及光纤通信网络的设计规划涉及网络拓扑网络拓扑和和路由选择路由选择、网络网络容量容量确定、确定、业务通路组织业务通路组织、设备线路类型设备线路类型选择、选择、最大中继最大中继距离距离计算等。计算等。 1. 网络拓扑、线路路由选择网络拓扑、线路路由选择2. 网络网络/系统容量的确定系统容量的确定3. 光纤光纤/光缆选型光缆选型4. 透择合适的设备，核实设备的性能指标透择合适的设备，核实设备的性能指标5. 光传输设计光传

3、输设计 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计4光传输设计主要内容是根据应用对传输距离的需求，光传输设计主要内容是根据应用对传输距离的需求，确定经济而且可靠工作的光接口，并根据光接口的具体确定经济而且可靠工作的光接口，并根据光接口的具体参数指标进行预算，验证再生段能可靠工作且经济上尽参数指标进行预算，验证再生段能可靠工作且经济上尽可能低成本。可能低成本。一个一个光再生段光再生段也称为也称为光缆线路系统光缆线路系统。在实际组网应用中通常有在实际组网应用中通常有三种三种光传输设计方法：光传输设计方法： 即最坏值设计法即最坏值设计法 联合设计法联合设计法 统计设计法统计设计法(包括半统计设

4、计法包括半统计设计法) 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计5光再生段模型包括光再生段模型包括发送机、光通道和接收机发送机、光通道和接收机。发送。发送机与光通道之间定义机与光通道之间定义S 参考点，光通道与接收机之间定义参考点，光通道与接收机之间定义R 参考点，参考点，S 参考点与参考点与R参考点之间为参考点之间为光通道光通道。L表示表示S-R之间的距离。之间的距离。 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计6光缆数字线路系统设计的基本方法是光缆数字线路系统设计的基本方法是最坏值设计法最坏值设计法。所谓所谓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，就是在设计再

5、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。有参数值都按最坏值选取，而不管其具体分布如何。按照按照ITUT建议建议G.957的规定，允许的的规定，允许的光通道损耗光通道损耗PSR为：为：PSR =PTPRP0 （7-1）PT 光发送功率；光发送功率； PR 光接收灵敏度；光接收灵敏度；P0 光通道功率代价。光通道功率代价。 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计7 P0在实际中可以等效为在实际中可以等效为附加接收损耗附加接收损耗，需扣除，于是，需扣除，于是实际实际S-R点的允许损耗为：点的允许损耗为： 式中，式中，Af 表示再生段平均光缆衰减系数（表示再生段平均光缆

6、衰减系数（dB/km），），AS 是再生段平均接头损耗（是再生段平均接头损耗（dB），），Lf 是单盘光缆的盘长（是单盘光缆的盘长（km），），Mc 是光缆富余度（是光缆富余度（dB/km），），AC 是光纤配线盘上的活动连接器损耗（是光纤配线盘上的活动连接器损耗（dB），这），这里按两个考虑。里按两个考虑。SSRfcCf2APALLM LAL （7-2） 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计8图图7-1 光通道损耗的组成光通道损耗的组成在中继距离的设计中应考虑在中继距离的设计中应考虑衰减衰减和和色散色散这两个限制因这两个限制因素，因而对于中继距离的设计可以分为两种情况来讨论。素，

7、因而对于中继距离的设计可以分为两种情况来讨论。第一种情况是第一种情况是损耗受限系统损耗受限系统，即再生段距离由，即再生段距离由S和和R点之间的光通道损耗决定。点之间的光通道损耗决定。第二种情况是第二种情况是色散受限系统色散受限系统，即再生段距离由，即再生段距离由S和和R点之间的光通道总色散所限定。点之间的光通道总色散所限定。 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计9 损耗受限系统的实际可达再生段距离估算：损耗受限系统的实际可达再生段距离估算： （7-3） 所以所以 （7-4） 其中其中TRfScPeCfSCPeSfcf122LPPALAM LPMALAAPMAAMLL（）nAni/1

8、fif) 1/(11siSnAniTRCPeSlSfcf2PPAPMALAAML 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计10式中式中PT为发送光功率（为发送光功率（dBm），），PR为光接收灵敏度为光接收灵敏度（dBm），），AC是光纤配线盘上的收发端两个附加活动连是光纤配线盘上的收发端两个附加活动连接器损耗（接器损耗（dB），），PP为光通道功率代价（为光通道功率代价（dB），由反射），由反射功率代价功率代价Pr和色散功率代价和色散功率代价Pd组成，组成，Me为系统设备富裕为系统设备富裕度（度（dB），），Mc为光缆富余度（为光缆富余度（dB/km），），n是再生段内所是再生段内所

9、用光缆的盘数，用光缆的盘数，fi是单盘光缆的衰减系数（是单盘光缆的衰减系数（dB/km），），Af表示再生段平均光缆衰减系数（表示再生段平均光缆衰减系数（dB/km），），si是单个光纤是单个光纤接头的损耗（接头的损耗（dB），），AS是再生段平均接头损耗（是再生段平均接头损耗（dB）。）。 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计11采用最坏值法设计时，再生段距离采用最坏值法设计时，再生段距离Ll的计算公式的计算公式（74）可以简化为下式）可以简化为下式 （7-7）cfsmfmsmemPmCmRmTml2MLAAAMPAPPL 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计12 色

10、散受限系统的色散受限系统的再生段距离再生段距离的最坏值可用下式估算：的最坏值可用下式估算：Ld=DSR/Dm （7-8） 其中其中DSR为为S点和点和R点之间允许的最大色散值，可以从点之间允许的最大色散值，可以从相关的标准表格中查到，相关的标准表格中查到，Dm为允许工作波长范围内的最大为允许工作波长范围内的最大光纤色散系数，单位为光纤色散系数，单位为ps/（nmkm），可取实际光纤色，可取实际光纤色散分布最大值。散分布最大值。 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计13（1）多纵模激光器）多纵模激光器(MLM-LD)和发光二极管（和发光二极管（LED） （7-9）式中：式中：f b是

11、线路信号比特率，单位为是线路信号比特率，单位为Mbit/s； Dm 是光纤是光纤色散系数，单位为色散系数，单位为ps/（nmkm）；）；是光源的均方根谱是光源的均方根谱宽，单位为宽，单位为nm；是与色散代价有关的系数，当光源为是与色散代价有关的系数，当光源为多纵模激光器（多纵模激光器（MLMLD）时，）时，取取0.115，若为发光二，若为发光二极管，极管，取取0.306。mb6d10DfL 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计14（2）单纵模激光器（）单纵模激光器（SLM-LD） （7-10） 式中式中为为啁啾系数啁啾系数，当采用普通，当采用普通DFB激光器激光器作为系统光作为系统

12、光源时，源时，取值范围为取值范围为46；当采用新型的量子阱激光器时，；当采用新型的量子阱激光器时，取值范围为取值范围为24；为波长（单位为为波长（单位为nm）；）；f b为线路信号比为线路信号比特率（单位为特率（单位为Tbit/s）。）。 以以2.4Gbit/s系统为例，假设工作波长系统为例，假设工作波长为为1550nm，Dm为为17ps/（nmkm），则采用普通量子阱激光器（设），则采用普通量子阱激光器（设=3）和）和EA调制器调制器（设（设=0.5）后，传输距离可以分别达）后，传输距离可以分别达101km和和607km。2b2mC71400fDL 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系

13、统设计15（3）采用外调制器）采用外调制器 （7-11） 式中式中c为光速。为光速。 以以2.4Gbit/s为例，为例，=1550nm，Dm=17ps/（nmkm），），则采用则采用M-Z外调制器的系统色度色散受限距离可以延长到外调制器的系统色度色散受限距离可以延长到1 275km左右。左右。 2b2mCfDcL实际系统设计分析时，首先根据式（实际系统设计分析时，首先根据式（7-4）或（）或（7-7）算出损）算出损耗受限的距离，再根据式（耗受限的距离，再根据式（7-8）至式（）至式（7-11）算出色散受）算出色散受限的距离，限的距离，最后选择其中较短的一个即为最大再生段距离。最后选择其中较短的

14、一个即为最大再生段距离。 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计16 【例例1】 以以STM16长途通信系统光传输设计为例。长途通信系统光传输设计为例。 计划建设一条计划建设一条2.5Gbit/s单模光纤干线系统，系统采用单模光纤干线系统，系统采用单纵模激光器，沿途具备设站条件的候选站点间的距离单纵模激光器，沿途具备设站条件的候选站点间的距离为（为（5770）km，系统设计要求设备富余度，系统设计要求设备富余度Me为为4dB，光缆富余度光缆富余度Mc为为0.05dB/km。 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计17根据上述根据上述70km的最长站间距离可以初选的最长站间距

15、离可以初选L16.2系统系统（其目标距离（其目标距离80km），并假设工作波长为极端的），并假设工作波长为极端的1580nm，单盘光缆的衰减系数，单盘光缆的衰减系数Af=0.22dB/km，单个光纤，单个光纤熔接接头的损耗熔接接头的损耗s=0.1（dB），单盘光缆的盘长），单盘光缆的盘长Lf=2km，活动连接器损耗活动连接器损耗AC=0.35dB，光纤色散系数，光纤色散系数Dm=20ps/（nmkm），接收机动态范围），接收机动态范围Dr=18dBm。依据。依据L16.2规定，规定，PT=（23）dBm，PR=28dBm，P0=2dB，设，设激光器啁啾系数激光器啁啾系数=3，则依据式（，则依据

16、式（7-4）和式（）和式（7-10）可）可以分别计算出：以分别计算出： 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计18TRC0eSlSfCf22( 28)2 0.35240.10.10.220.05219.40.3260(km)PPAPMALAAML （1），根据最坏值设计法计算损耗限制系统（采用公式7-7）最大无中继距离： 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计19（2），根据最坏值设计法计算色散限制系统（因光源器件采用单纵模激光器，选用公式(7-12)最大中继距离：C22mb2271400714003 18 15800.002576(km)LDf 由于由于LlLC，所以此系

17、统为损耗受限系统，且能满足，所以此系统为损耗受限系统，且能满足58km无中继传输距离的要求。无中继传输距离的要求。 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计20若系统速率较低，光纤损耗系数较大，则最大中继距离首先考若系统速率较低，光纤损耗系数较大，则最大中继距离首先考虑损耗限制，要求虑损耗限制，要求S和和R参考点之间光纤线路总损耗必须不超过参考点之间光纤线路总损耗必须不超过系统的总功率衰减。即：系统的总功率衰减。即：或或其中，其中，PT为平均发送光功率，为平均发送光功率，PR是接收灵敏度，是接收灵敏度，Ac是连接器损是连接器损耗（耗（dB/km），），Me是系统余量，是系统余量，Af是

18、光纤损耗系数（是光纤损耗系数（dB/km） ，As是每公里光纤平均接头损耗（是每公里光纤平均接头损耗（ dB/km） ，Mc是每公里光纤线是每公里光纤线路损耗余量（路损耗余量（dB/km） ，L是中继距离。是中继距离。ecRTmsfMAPPAAAL2)(csfecRTMAAMAPPL2 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计21【例例2】长途光纤系统各部分参数如下：系数速率为长途光纤系统各部分参数如下：系数速率为 564.992 Mbit/s，码型为，码型为 8BIH，光的发射功率，光的发射功率 2.7dBm，接收灵敏度接收灵敏度 34dBm，接收机动态范围，接收机动态范围 24dB

19、，BER10-10，设备的富余度，设备的富余度 3dB，光缆线路富余度主，光缆线路富余度主0.08dB/km,光缆配线架连接器的损耗为光缆配线架连接器的损耗为0.5dB/个，光纤损耗为个，光纤损耗为0.33dB/km，光纤接头损耗为，光纤接头损耗为 0.04dB/km，光源采用，光源采用MLMLD，光源谱宽主，光源谱宽主1.6nm,光纤色散系数为光纤色散系数为2.5ps/nm.km,光通道功率参数取光通道功率参数取0.115。试求：。试求：（1）对系统进行预算，确定出合适的中继距离范围。）对系统进行预算，确定出合适的中继距离范围。 （2）指出该系统是何种因素的限制系统。）指出该系统是何种因素的

20、限制系统。 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计22解：解：由题意可列出损耗限制系统参数 PT=2.7dBm,PR=-34dBm,Dr=24dB（若需计算过载）, Me=3dB, Mc=0.08dB/km,Af=0.33dB,Ac=0.5dB, As/Lf=0.04dB/km, 色散限制系统参数 fb= 564.992*9/8=635.616MHz Dm=2.5ps/nmkm，=0.115，=1.6nm 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计23 （1）因为系统工作速率较低，损耗限制距离适用简）因为系统工作速率较低，损耗限制距离适用简 易估算法：易估算法： 但本例工作波长

21、窗口色散较大，又因为采用多纵模但本例工作波长窗口色散较大，又因为采用多纵模激光器，色散限制距离适用公式（激光器，色散限制距离适用公式（7-11）为：）为： 所以选择其中较小的值，则中继距离取所以选择其中较小的值，则中继距离取45.2km。 (2)该系统是色散限制系统。该系统是色散限制系统。kmMAAMAPPLcsfecRT7.722kmDfLmbd2.45106 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计24【例例3】 p214 【例例2】本题的要求是给定了一个较短的中继距离，需要分析系统是否会过载，是从最小中继距离反过来求算应设定的输出功率，属于逆向计算的方法。又因为是从过载点考虑问题

22、，所以设定系统容许选定的中继距离为利用过载点功率来计算的最短值，故应小于现场条件设定的20公里，即保证不过载。 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计25【例例4】 练习题练习题7-4解：依题意 fb=622.080MHz, =2nm， PT=2dBm, PR=-30dBm, Dr20dB, P0=1dBm, Ac=1dB, As/Lf=0.1dB/km, Af=0.28dB/km, Me=3.2dB, Mc=0.1dB/km , D=2ps/nmkm 。 （1），按损耗限制系统预算最大中继距离：0max22( 30)2*1 1 3.20.10.280.10.153.3TmRmCmm

23、emsmsmfmcmfPPAPMALAAMLkm 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计26 （2），按色散限制系统预算最大中继距离，因为采用多纵模激光器光源，适用公式（7-11）且取值0.115： （3），由于LdLmax，该通信系统最大中继距离为46.2km。6610 *10 *0.11546.2*622.080*2*2dbmmLkmfD 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计27电吸收调制器电吸收调制器(EA)n 吸收调制器吸收调制器(EA) 是一种损耗调制器是一种损耗调制器 ，EA调制器的基调制器的基本原理是：改变调制器上的偏压，使量子阱本原理是：改变调制器上的偏压

24、，使量子阱(MQW)的吸收边界发生变化的吸收边界发生变化 ，进而改变光束的通断，实现，进而改变光束的通断，实现调制。调制。n EA调制器容易与激光器集成在一起，形成体积小、调制器容易与激光器集成在一起，形成体积小、结构紧凑的弹片集成组件，而且需要的驱动电压也比结构紧凑的弹片集成组件，而且需要的驱动电压也比较低。但它的频率啁啾比较低。但它的频率啁啾比M-Z(Mach-Zahnder）波导）波导调制器要大。不适合传输距离特别长的调制器要大。不适合传输距离特别长的高速海缆高速海缆系统。系统。 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计28啁啾（zhu ji）n啁啾（zhu ji） ：象声词，鸟

25、鸣声。代表产生光脉冲时引入的附加性调频，说明光脉冲的载频随时间变化，称为啁啾。n通信领域中，常用到“啁啾声”（chirp）的名词，信号音调，一种线性调频脉冲。如chirp radar n. 线性调频雷达。chirped a. 啁啾效应的、线性调频的；chiring n. 啁啾作用、啁啾过程、啁啾调频。 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计29M-Z调制器调制器n M-Z调制器调制器是一种常见的电光调制器。输入光信号在第一个是一种常见的电光调制器。输入光信号在第一个3 dB耦合器处被分成相等的两束，分别进入两波导传输。耦合器处被分成相等的两束，分别进入两波导传输。n 波导是用电光材料

26、制成，其折射率随外部施加的电压大小而波导是用电光材料制成，其折射率随外部施加的电压大小而变化，从而导致两路光信号到达第二个耦合器时相位延迟不变化，从而导致两路光信号到达第二个耦合器时相位延迟不同。同。若两束光的光程差是波长的整数倍，两束光相干加强；若两束光的光程差是波长的整数倍，两束光相干加强；若两束光的光程差是波长的若两束光的光程差是波长的1/2，两束光相干抵消，调制器输，两束光相干抵消，调制器输出很小。出很小。因此，只要控制外加电压，就能对光束进行调制。因此，只要控制外加电压，就能对光束进行调制。n 特点：特点：非常好的消啁啾和微波特性，适合高速率非常好的消啁啾和微波特性，适合高速率(10

27、 Gbit/s或或更高速率更高速率)系统的超长距离传输。但这类调制器的插入损耗较系统的超长距离传输。但这类调制器的插入损耗较大，需要较高的驱动电压大，需要较高的驱动电压(典型值为典型值为4V)，难以与光源集成，而，难以与光源集成，而且对偏振敏感。且对偏振敏感。 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计30 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计31啁啾（啁啾（zhu ji）n是编码脉冲技术中的一种术语，指对脉冲进行编码时，其是编码脉冲技术中的一种术语，指对脉冲进行编码时，其载频在脉冲持续时间内线性地增加，当将脉冲变到音频时，载频在脉冲持续时间内线性地增加，当将脉冲变到音频时，会发出一种听起来像鸟叫的啁啾声，故名会发出一种听起来像鸟叫的啁啾声，故名“啁啾啁啾”。n后来就将脉冲传输时中心波长发生偏移的现象叫做后来就将脉冲传输时中心波长发生偏移的现象叫做“啁啁啾啾”。例如在光纤通信中由于激光二极管本身不稳定而使例如在光纤通信中由于激光二极管本身不稳定而使传输单个脉冲时中心波长瞬时偏移的现象，也叫传输单个脉冲时中心波长瞬时偏移的现象，也叫“啁啾啁啾”。 第第7 7章章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计32n应用举例