光纤通信原理第九章光纤通信系统设计课件.ppt

1、9.1 概概 述述9.2 模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统9.3 数字光纤通信系统数字光纤通信系统光纤通信系统根据传送的信号可以分光纤通信系统根据传送的信号可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。随着光纤通信技术的进步，系统的传随着光纤通信技术的进步，系统的传输容量输容量(速率速率)越来越高。越来越高。系统设计的任务是：遵循建议规范，系统设计的任务是：遵循建议规范，采用先进、成熟技术，综合考虑系统经济采用先进、成熟技术，综合考虑系统经济成本，合理地选用器件和设备，明确系统成本，合理地选用器件和设备，明确系统的全部技术参数，完成实用系统的合成。的全部技术

2、参数，完成实用系统的合成。它与工程设计主要区别在于它与工程设计主要区别在于9：首先系统设计与工程设计的区别表现首先系统设计与工程设计的区别表现在复杂程度上。在复杂程度上。其次系统设计与工程设计的区别表现其次系统设计与工程设计的区别表现在它们的任务不同。在它们的任务不同。模拟光纤通信系统多采用副载波复用模拟光纤通信系统多采用副载波复用技术。所谓副载波是指射频电磁波，以区技术。所谓副载波是指射频电磁波，以区别于光调制时的光载波。副载波调制的电别于光调制时的光载波。副载波调制的电视系统框图如图视系统框图如图9.1所示。所示。图图9.1 副载波复用模拟电视传输系统副载波复用模拟电视传输系统作为残留边带

3、调幅的副载波光纤传输作为残留边带调幅的副载波光纤传输系统，其主要指标有：载噪比系统，其主要指标有：载噪比(Carrier Noise Ratio，CNR)、组合二阶互调失真组合二阶互调失真(Composite Second Order intermodulation，CSO)、组合三阶差拍失真组合三阶差拍失真(Composite Triple Beat，CTB)。载噪比载噪比(CNR)是在规定的带宽内一个是在规定的带宽内一个频道中的载波功率频道中的载波功率(C)与噪声功率与噪声功率(N)之比，之比，一般以一般以dB作单位。定义式为：作单位。定义式为：）（9.1lg10NCCNR 前置放大器的热

4、噪声所决定的前置放大器的热噪声所决定的(CNR)T为：为：(CNR)T与输入功率的平方成正比，即与输入功率的平方成正比，即输入功率增加输入功率增加1dB，(CNR)T增加增加2dB。）（9.10)(8222BkTNRPRmTFLrCNR光电转换散弹噪声决定的光电转换散弹噪声决定的(CNR)q为：为：(CNR)q与接收机输入功率成正比，输与接收机输入功率成正比，输入功率增加入功率增加1dB，(CNR)q增加增加1dB。）（9.11)(42eBRPmqrCNR激光器相对强度噪声决定的激光器相对强度噪声决定的(CNR)RIN为：为：(CNR)RIN与光接收机的接收功率无关。与光接收机的接收功率无关。

5、）（9.12)(102102RINnBmRINCNR设设N个频道的载波幅度均为个频道的载波幅度均为I，频率分，频率分别为别为j，初始相位为，初始相位为j，则激光器的驱动，则激光器的驱动电流电流i(t)为：为：此时激光器的输出功率为：此时激光器的输出功率为：P(t)=P(i)）（13.9)sin()(1NjjjbtIItiP(i)为非线性函数，且在为非线性函数，且在Ib附近连续可附近连续可导，因此可以将激光器输出功率在偏置点导，因此可以将激光器输出功率在偏置点Ib附近展开为泰勒级数：附近展开为泰勒级数：1!1)()(kkbIidiPdkoItiPtPbkk11!115.9)sin()(kkNjj

6、jIidiPdkotIPtPbkk）（式中：式中：P0为对应偏置点为对应偏置点i=Ib时的直流时的直流光功率，对式（光功率，对式（9-15）做三角函数展开可）做三角函数展开可以得到：以得到：k=1时，频率仍为时，频率仍为j(j=1，2，3N)，对应的是线性放大部分。对应的是线性放大部分。k=2时，对应二阶失真。时，对应二阶失真。k=3时，对应三阶失真。时，对应三阶失真。直接强度调制光纤电视传输系统的传直接强度调制光纤电视传输系统的传输距离绝大多数是损耗限制系统。根据发输距离绝大多数是损耗限制系统。根据发射功率、接收机灵敏度、线路损耗和分光射功率、接收机灵敏度、线路损耗和分光器损耗可以计算出传输

7、距离器损耗可以计算出传输距离L：）（9.18diroAAMPPL式中：式中：P0为光发送机发射光功率为光发送机发射光功率(dBm)，Pr为接收机的最低接收光功率为接收机的最低接收光功率(dBm)，M为系统富为系统富余量余量(dB)；为光缆线路每公里的损耗为光缆线路每公里的损耗(包括每公包括每公里光纤损耗、光纤接头损耗、光纤活动连接器的里光纤损耗、光纤接头损耗、光纤活动连接器的损耗，单位为损耗，单位为dB/km)；Ai为分光器插入损耗为分光器插入损耗(dB)；Ad为分光器分光损耗为分光器分光损耗(dB)。如果单从满足系统的传输带宽来考虑，如果单从满足系统的传输带宽来考虑，只要系统要求的带宽不大于

8、单模光纤可提只要系统要求的带宽不大于单模光纤可提供带宽即可，此时系统的最大传输距离为：供带宽即可，此时系统的最大传输距离为：式中：式中：D为单模光纤的色散系数；为单模光纤的色散系数；为光源的谱为光源的谱线宽度；线宽度；B为系统传输信号带宽。为系统传输信号带宽。）（9.1944.0BDL(1)抗干扰能力强，传输质量好。抗干扰能力强，传输质量好。(2)可以再生，传输距离远。可以再生，传输距离远。(3)数字系统采用大量的数字电路，数字系统采用大量的数字电路，容易集成，采用超大规模集成电路芯片使容易集成，采用超大规模集成电路芯片使数字设备体积小，功耗低。数字设备体积小，功耗低。数字光纤通信系统的性能主

9、要包括误数字光纤通信系统的性能主要包括误码性能、抖动性能和系统的可靠性。码性能、抖动性能和系统的可靠性。两个相邻数字配线架之间两个相邻数字配线架之间(或等效设备或等效设备之间之间)用来传送一种规定速率的数字信号的用来传送一种规定速率的数字信号的全部装置构成一个数字段。全部装置构成一个数字段。误码就是经接收判决再生后，数字码误码就是经接收判决再生后，数字码流的某些比特发生了差错，使传输信息的流的某些比特发生了差错，使传输信息的质量产生了损伤。质量产生了损伤。它包括各种噪声源产生的误码；定位它包括各种噪声源产生的误码；定位抖动产生的误码；复用器、交叉连接设备抖动产生的误码；复用器、交叉连接设备和交

10、换机的误码。和交换机的误码。一些具有突发性质的脉冲干扰如外部一些具有突发性质的脉冲干扰如外部电磁干扰、静电放电、设备故障、电源瞬电磁干扰、静电放电、设备故障、电源瞬态干扰和人为活动会产生误码。态干扰和人为活动会产生误码。误码性能事件是导出误码性能参数的误码性能事件是导出误码性能参数的基础，基础，G.826建议是以块差错建议是以块差错(误块误块)事件为事件为基础的规范，它规范的是运行在基群和基基础的规范，它规范的是运行在基群和基群以上速率数字通道的误码性能事件、参群以上速率数字通道的误码性能事件、参数和指标。数和指标。需要说明的是需要说明的是SES事件并不总是孤立事件并不总是孤立的事件，它可能会

11、连续地发生的事件，它可能会连续地发生SES。n个连个连续的续的SES与与n个孤立的个孤立的SES对用户感到的性对用户感到的性能会产生很不相同的影响。能会产生很不相同的影响。运行在运行在G.826所包括的速率下的通道所包括的速率下的通道是由传输系统是由传输系统(数字段数字段)来承载的。来承载的。误码性能指标如何应用到系统设计，误码性能指标如何应用到系统设计，目前目前ITU-T还没有建议。还没有建议。定时抖动对网络的性能损伤表现在下定时抖动对网络的性能损伤表现在下面几个方面：面几个方面：对数字编码的模拟信号，在解码后对数字编码的模拟信号，在解码后数字流的随机相位抖动使恢复后的样值具数字流的随机相位

12、抖动使恢复后的样值具有不规则的相位，从而造成输出模拟信号有不规则的相位，从而造成输出模拟信号的失真，形成所谓抖动噪声；的失真，形成所谓抖动噪声；在再生器中，定时的不规则性使有在再生器中，定时的不规则性使有效判决偏离接收眼图的中心，从而降低了效判决偏离接收眼图的中心，从而降低了再生器的信噪比余度，直至发生误码；再生器的信噪比余度，直至发生误码；在在SDH网中，像同步复用器等配有网中，像同步复用器等配有缓存器的网络单元，过大的输入抖动会造缓存器的网络单元，过大的输入抖动会造成缓存器的溢出或取空，从而产生滑动损成缓存器的溢出或取空，从而产生滑动损伤。伤。PDH信号在信号在SDH/PDH边界处应满足边

13、界处应满足原有原有PDH网的抖动性能要求。网的抖动性能要求。PDH网络接口允许的最大输出抖动网络接口允许的最大输出抖动 SDH设备的设备的PDH支路输入口抖动和漂支路输入口抖动和漂移容限移容限 SDH网络输出接口允许的最大抖动网络输出接口允许的最大抖动为了保证不同为了保证不同SDH网元之间的互连而网元之间的互连而不影响网络的传输质量，不影响网络的传输质量，SDH网络输出接网络输出接口允许的最大抖动不应超过表口允许的最大抖动不应超过表9.8中所规定中所规定的数字。括号中数值为数字段要求。的数字。括号中数值为数字段要求。SDH设备的输入口的抖动和漂移容限设备的输入口的抖动和漂移容限 SDH抖动转移

14、特性抖动转移特性系统的可靠性一般采用故障统计分析系统的可靠性一般采用故障统计分析法，即根据实际调查结果，统计足够长时法，即根据实际调查结果，统计足够长时间内的可用时间和不可用时间，然后用可间内的可用时间和不可用时间，然后用可用性指标来表示。所谓可用性是指可用时用性指标来表示。所谓可用性是指可用时间占系统全部运营时间的百分比。因为是间占系统全部运营时间的百分比。因为是统计量，因此统计时间越长，所得结果越统计量，因此统计时间越长，所得结果越精确。精确。随着光纤放大器的大量实用，数字光随着光纤放大器的大量实用，数字光纤通信系统一般分为无光纤放大器系统和纤通信系统一般分为无光纤放大器系统和有光纤放大器

15、系统。有光纤放大器系统。在技术上，系统设计的主要问题是确在技术上，系统设计的主要问题是确定中继距离，尤其对长途光纤通信系统，定中继距离，尤其对长途光纤通信系统，中继距离的设计对系统的性能和经济效益中继距离的设计对系统的性能和经济效益影响很大。工程上常用的设计方法主要有影响很大。工程上常用的设计方法主要有三种：最坏值设计法、统计设计法和联合三种：最坏值设计法、统计设计法和联合设计法。设计法。最坏值设计法就是在设计再生段距离最坏值设计法就是在设计再生段距离时，所有参数时，所有参数(包括光功率、光谱范围、光包括光功率、光谱范围、光谱宽度、接收机灵敏度、光纤衰减系数、谱宽度、接收机灵敏度、光纤衰减系数

16、、接头与活动连接器插入损耗等参数接头与活动连接器插入损耗等参数)均采用均采用寿命期中允许的最坏值，而不管其具体的寿命期中允许的最坏值，而不管其具体的分布如何。分布如何。统计设计法是利用光参数分布的统计统计设计法是利用光参数分布的统计特性更有效地设计再生段距离。与最坏值特性更有效地设计再生段距离。与最坏值设计法相比，统计设计法可以延长再生段设计法相比，统计设计法可以延长再生段距离，但横向兼容性不再满足。距离，但横向兼容性不再满足。在某些情况下，按标准的光接口参数在某些情况下，按标准的光接口参数值进行设计不能满足实际工程再生段距离，值进行设计不能满足实际工程再生段距离，运营者需要仔细考虑设计中不满

17、足光接口运营者需要仔细考虑设计中不满足光接口规范的主要方面。规范的主要方面。为了在再生段上实现横向兼容性，与为了在再生段上实现横向兼容性，与过去的过去的PDH体系不同，体系不同，SDH体系和波分复体系和波分复用系统有世界范围的标准光接口，这些光用系统有世界范围的标准光接口，这些光接口标准是系统设计必须遵循的依据。接口标准是系统设计必须遵循的依据。单信道光接口的位置如图单信道光接口的位置如图9.9所示。所示。图图9.9 光接口位置示意图光接口位置示意图多信道光接口的位置如图多信道光接口的位置如图9.10所示。所示。图图9.10多信道系统各参考点位置多信道系统各参考点位置）（9.202msdecr

18、tAMAPPL2.5Gbit/s及其以下速率的无光放系统及其以下速率的无光放系统的中继距离和有光放系统的光放段距离主的中继距离和有光放系统的光放段距离主要受光纤损耗限制。此时要求主信道的发要受光纤损耗限制。此时要求主信道的发送和接收之间送和接收之间(单信道系统的单信道系统的S和和R点之间点之间)总损耗不能超过系统的允许损耗范围，即：总损耗不能超过系统的允许损耗范围，即：L（sm）2AcMeAdPoPr式中：式中：Po为平均发送光功率为平均发送光功率(dBm)；Pr为接收灵敏度为接收灵敏度(dBm)；Ac为每个活动连接为每个活动连接器损耗器损耗(如果没有光分配架此项为零如果没有光分配架此项为零)

19、；Me为系统设备富余量为系统设备富余量(dB)；为光纤损耗常数为光纤损耗常数(dB/km)；s为每公里光纤平均接头损耗为每公里光纤平均接头损耗(dB/km)；m为每公里光纤线路损耗余量；为每公里光纤线路损耗余量；Ad为光通道代价为光通道代价(dB)；L为光放段长度。为光放段长度。NoImage信号在光纤中传输时，一方面由于线信号在光纤中传输时，一方面由于线路系统的损耗，其幅度会越来越小，另一路系统的损耗，其幅度会越来越小，另一方面会寄生很多噪声，同时由于色散的存方面会寄生很多噪声，同时由于色散的存在其波形也要发生畸变。在其波形也要发生畸变。光放大器的应用可以大大地提高系统光放大器的应用可以大大地提高系统的可用功率，增加系统的衰减范围，延长的可用功率，增加系统的衰减范围，延长无中继的传输距离，它还可以取代一些光无中继的传输距离，它还可以取代一些光电光的电中继器，只进行光光转换，电光的电中继器，只进行光光转换，减少设备的复杂程度，提高系统的可靠性。减少设备的复杂程度，提高系统的可靠性。