1、 第8章光纤通信系统的设计8.2 数字传输系统的设计8.3 光纤系统示例8.1系统设计的原则8.1系统设计的原则PART 018.1.1工程设计与系统设计 1.工程设计 主要任务：工程建设中的详细经费预算，设备、线路的具体工程安装细节 主要内容：（1）对近期及远期通信业务量的预测（2）光缆线路路由的选择及确定（3）光缆线路敷设方式的选择，（4）光缆接续及接头保护措施，光缆线路的防护要求（5）中继站站址的选择及建筑方式，光缆线路施工中的注意事项8.1.1工程设计与系统设计 2.系统设计系统设计的任务：遵循建议规范，采用较为先进成熟的技术，综合考虑系统经济成本，合理选用器件和设备，明确系统的全部技
2、术参数，完成实用系统的合成。系统设计注重的是技术规范方面的设计，而工程设计注重的是施工方面的设计8.1.2系统设计的内容 1.光纤通信系统的形式多样，在设计时以下几点是必须考虑的：(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）。2.为了达到相关要求，需要对以下一些要素进行考虑。(1)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。(2)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。(3)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
3、灵敏度、响应时间等。8.1.3系统设计的方法 1.选择网络拓扑、线路路由（1）一般位于骨干网中、网络生存性要求较高的网络适合采用网状拓扑；（2）位于城域网中、网络生存性要求较高的网络适合采用环形拓扑；（3）位于接入网中、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；（4）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。8.1.3系统设计的方法2.确定传输体制、网络/系统容量 (1)准同步数字序列（PDH）主要适用于中、低速率点对点传输。(2)同步数字序列（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。(3)系统容量一般按
4、网络运行后的几年里所需能量来确定，而且应方便扩容以 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2.5Gbps，骨干 网单波长速率通常为10Gbps)8.1.3系统设计的方法 3.确定工作波长 工作波长可根据通信距离和通信容量进行选择:(1)短距离、小容量的系统，则可以选择短波长范围，即800900nm;(2)长距离、大容量的系统，则选用长波长的传输窗口，即1310nm和1550nm.4.选择光纤 (1)对于短距离传输和短波长系统可以用多模光纤；(2)对于长距离传输和长波长系统一般使用单模光纤。8.1.3系统设计的方法5.选择光源 需要考虑一些系统参数，如色散、码速率、传输距离和成本
5、等 （1）LED（发光二极管）：输出频谱的谱宽比LD大得多，这样引起的色散较大，使得LED的传输容量较低。价格便宜，线性好，对温度不敏感，线路简单。（2）LD（激光器）：谱线较窄，传输容量高。光功率比LED高出1015dB，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。8.1.3系统设计的方法6.选择光检测器 需要考虑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 （1）PIN-PD比APD结构简单，温度特性更加稳定，成本低廉，低速率、小容量系统可采用LED+PIN-PD组合。
6、（2）若要检测极其微弱的信号，还需要灵敏度较高的APD，高速率、大容量系统可采用LD+APD组合。8.1.3系统设计的方法7.估算中继距离（1）最坏值设计法：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低，所以这种方法的富余度较大，总成本偏高（2）统计设计法：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。这种方法较复杂，系统可靠性不如最坏值设计法，但成本相对较低，中继距离可以有所延长。（3）估算中继距离L：PT是总损耗，Ps是发射光功率，PR是接收机灵敏度，
7、是单位长度功率损耗，Ac是连接器损耗，As为固定接点（连接点）损耗，Mc为富余度TSRCSCPPPLAAM8.2 数字传输系统的设计PART 028.2.1系统技术考虑数字传输系统的指标有比特率、传输距离、码型和误码率等。其中，误码率是保证传输质量的基本指标，它受多种因素制约，与光检测器性能、前置放大器性能、码速、光波形、消光比及线路码型有关。数字传输系统设计的任务就是要通过器件的适当选择来减小系统噪声的影响，确保系统达到要求的性能。8.2.2光通道功率代价和损耗、色散预算当传输距离确定后，根据功率预算关系式可以知道链路允许损耗与光发射机和光接收机的功率关系。实际的数字光纤链路除光纤本身的损耗
8、、连接器和接头的损耗外，还存在因模式噪声、模分配噪声、激光器频率啁啾、码间干扰及反射而导致的光通路功率代价。1.模式噪声 在多模光纤中，由于振动、微弯等机械扰动，各传输模式间的干涉在光检测器的受光面上产生的斑图将随时间波动，它会导致接收功率发生波动，并附加到总的接收噪声中，使误码率劣化，这种波动称为模式噪声。另外，连接器和接头起到了空间滤波器的作用，它们也会造成斑图的瞬时波动，增加模式噪声。减小方法：使用非相干光源LED；使用纵模数多的激光器；使用数值孔径较大的光纤或使用单模光纤2.模分配噪声 多模LD在调制时，即使总功率不随时间改变，其各个模式的功率也会随着时间呈随机波动。由于光纤色散的存在
9、，这些模式以不同的速度传播，造成各模式不同步，引起系统接收端电流附加的随机波动，形成噪声，使判决电路的信噪比降低。减小方法：模分配噪声的影响在高速率的系统中表现较为明显。由于DFB激光器的边模抑制比很高，所以选择动态单纵模DFB激光器而不是FP腔激光器就可以有效地降低这种噪声的影响。8.2.2光通道功率代价和损耗、色散预算3.激光器频率啁啾 单纵模激光器工作于直接调制状态时，由于注入电流的变化引起有源区载流子浓度变化，进而使有源区折射率发生变化，结果导致谐振波长随时间漂移，产生频率啁啾。由于光纤的色散作用，频率啁啾造成光脉冲波形展宽，影响接收机的灵敏度 减小方法：最理想的方法是使激光器的工作波
10、长接近光纤的零色散波长。另外，采用多量子阱结构DFB-LD或者采用外调制器都可以减少频率啁啾的影响。8.2.2光通道功率代价和损耗、色散预算4.码间干扰码间干扰是由于光纤色散导致所传输的光脉冲展宽，最终使相邻光脉冲彼此重叠而形成的。对于使用多纵模激光器的系统，即使光接收机能够对单根谱线形成的波形进行理想均衡，但由于各谱线产生的波形经历的色散不同而前后错开，光接收机也很难对不同模式携带的合成波进行理想均衡，从而造成光信号损伤，导致功率代价。8.2.2光通道功率代价和损耗、色散预算5.反射 在光传输路径上总是存在连接器、接头等折射率不连续的点，这时一部分光功率就会被反射回来，反射信号对光发射机和光
11、接收机都会产生不良影响。在高速系统中，这种反射功率造成的光反馈使激光器处于不稳定状态，表现为激光器的输出功率发生波动，激光器的谐振状态受到扰乱，形成较大的强度噪声、抖动或相位噪声，同时引起发射波长、线宽和阈值电流的变化。减小方法：将光纤端面制成曲面或者斜面，从而使反射光偏离轴线，不重新进入光纤传输；在光纤与空气交界面上涂上折射率匹配的物质，如凝胶；使用PC连接器；使用光隔离器。8.2.2光通道功率代价和损耗、色散预算8.3 光纤系统实例（以视频监控工程为例）PART 031点对点视频光端机接入 特点：接线简单，成本低。但也存在如下缺点：（1）只适用于模拟监控摄像机接入需求。（2）组网技术老旧，
12、网络结构复杂，扩展性能差，扩容成本高。（3）网络适应能力差。不适用于720P、1080P 分辨率的高清监控摄像机 （IPC）的接入需求。（4）点对点系统对线路资源消耗极大，线路资源利用率低。（5）各派出所分别存储，对机房空间要求较高，对机房能耗需求较大。2光纤收发器接入特点：可适用于模拟信号及数字信号两种接入需求，仍为点对点光纤接入模式。适用于CIF/D1/720P/1080P等各种标清、高清摄像机的接入需求，且光纤收 发器设备价格低廉。3PON接入 各监控点摄像机输出图像信号数字视频流通过ONU（光网络单元）设备接入PON，再通过光分路器（一般采用1 32，可按需配置）实现多点对点的接入。3PON接入 该接入方式有以下特点。（1）适用于720P/1080P/4K等各种高清、超高清摄像机的接入需求。（2）PON承载技术作为业界主流接入网组网技术，网络结构简单，系统稳定性高。（3）网络适应能力强，在系统功能、性能需求发生较大变化时能灵活应对。（4）网络扩展性能强，在建设初期可为设备预留足够端口，后期扩容成本低。（5）线路资源利用率高，可按照前端点位实际情况灵活配置光分比，以实现线路资源利用率的最大化。
