1、2022-8-91光纤数字通信系统光纤数字通信系统(2)(2)fiber digital communication system系统的传输距离与信息容量系统的传输距离与信息容量2022-8-92 表征光纤传输系统传输能力的两个重要指标表征光纤传输系统传输能力的两个重要指标是是传输距离传输距离和和信息容量信息容量。对于数字系统而言，就。对于数字系统而言，就是是中继距离中继距离和和码速容量码速容量。这里的。这里的中继距离也指中继距离也指短短距离无中继传输时，两端站之间的距离。距离无中继传输时，两端站之间的距离。尽可能合理延长传输距离是光纤传输设计的尽可能合理延长传输距离是光纤传输设计的一个一个目
2、标目标。光纤传输的中继距离，受到两方面的。光纤传输的中继距离，受到两方面的限制：限制：一是光纤损耗的限制；一是光纤损耗的限制；一是光纤色散的限制。一是光纤色散的限制。下面分别说明。下面分别说明。2022-8-93(一一)中继距离受到光功率传输衰耗的限制中继距离受到光功率传输衰耗的限制 光源送入光纤的功率，沿传输线路在连接器、光源送入光纤的功率，沿传输线路在连接器、熔接点上受到衰耗，加上在光纤中的衰耗，到达熔接点上受到衰耗，加上在光纤中的衰耗，到达检测器的功率检测器的功率不应低于接收机的灵敏度不应低于接收机的灵敏度。在作这种功率传输预算时，还要在作这种功率传输预算时，还要考虑考虑到系统到系统设计
3、的各种误差、器件长时期使用的退化、维修设计的各种误差、器件长时期使用的退化、维修引起的线路衰耗增大引起的线路衰耗增大(例如光纤中断，修复时增加例如光纤中断，修复时增加了熔接点）等。所以，还要留一定的功率余度，了熔接点）等。所以，还要留一定的功率余度，称为称为系统边际系统边际M。2022-8-94 因此，传输中的功率损耗分配可以写成：因此，传输中的功率损耗分配可以写成：St-S r=2ac+af L+asl+M 式中式中St及及S r分别为发送及接收光功率（接收分别为发送及接收光功率（接收灵敏度）的分贝毫瓦（灵敏度）的分贝毫瓦（dBm）值；）值；ac为活动连为活动连接器的衰耗，算作有两个活动连接
4、器；接器的衰耗，算作有两个活动连接器；af为每为每公里光纤衰耗；公里光纤衰耗；L为收、发机之间光纤线路长为收、发机之间光纤线路长度；度；asl 为接续的熔接点总衰耗，常把它取为为接续的熔接点总衰耗，常把它取为统计平均的每公里衰耗统计平均的每公里衰耗as值乘以值乘以L。在已知在已知 St、S r及各衰耗值时，可在设定一及各衰耗值时，可在设定一些系统边际后，写出求些系统边际后，写出求中继间距中继间距L的公式：的公式：2022-8-95 L=（St-Sr-2ac-Me-Ms）/（af+as+Mc）式中：式中：Me：设备余度，包括环境因素及时间引起老化，对设设备余度，包括环境因素及时间引起老化，对设备
5、性能影响需留出的富余度。备性能影响需留出的富余度。Ms：系统设计中考虑各种功率代价留出的富余度。系统设计中考虑各种功率代价留出的富余度。Mc：光缆线路损耗富余度，它是用每公里缆长上的损光缆线路损耗富余度，它是用每公里缆长上的损耗分贝数（耗分贝数（dBkm）来计算的，包括使用期内）来计算的，包括使用期内 增加增加的修复熔接点，线路路由改变、线路增长而留出的余的修复熔接点，线路路由改变、线路增长而留出的余度。度。2022-8-96 当码率升高时，由于接收机灵敏度下降，当码率升高时，由于接收机灵敏度下降，Sr增大，可由上式看出，中继间隔下降（距离缩增大，可由上式看出，中继间隔下降（距离缩短）。短）。
6、这表明这表明在衰耗限制情况下，随着码率增在衰耗限制情况下，随着码率增高中继距离会减小。高中继距离会减小。下面我们对几种光纤传输系统的中继距离下面我们对几种光纤传输系统的中继距离作一比较。作一比较。多模光纤与多模光纤与0.8umLED系统；系统；0.8umLD或或 1.3umLED多模光纤系统；多模光纤系统；1.3umLD与多模光纤；与多模光纤；1.3umLD常规单模光纤；常规单模光纤；1.55umLD常规单模光纤；常规单模光纤；2022-8-97 在几种不同衰耗限制中，以在几种不同衰耗限制中，以0.8um多模光纤及多模光纤及LED系系统统限制最严重。因为限制最严重。因为LED发送功率只有数十微
7、瓦，光发送功率只有数十微瓦，光纤又有纤又有34dBkm的损耗，使中继距离低于的损耗，使中继距离低于10km；若使用若使用LD光源光源，传输距离与用，传输距离与用1.3um的的LED光源光源结果相当。结果相当。因因1.3um上多模光纤上多模光纤衰耗已减小到衰耗已减小到12dBkm，所以如用所以如用LD光源光源，可使，可使L增加一倍以上。增加一倍以上。如采用如采用1.3um的的LD及常规单模光纤及常规单模光纤系统，中继距离系统，中继距离将继续加长。由于光纤衰耗在将继续加长。由于光纤衰耗在0.5dBkm左右，各种码左右，各种码速的通信距离已有很大提高。速的通信距离已有很大提高。在常规在常规单模光纤的
8、单模光纤的1.55um窗口，以窗口，以LD作光源作光源的情的情况，由于光纤衰减为况，由于光纤衰减为0.3dBkm，距离比上一种几乎增，距离比上一种几乎增加了一倍。加了一倍。2022-8-98例题（例题（1）一单模一单模140Mb/s光纤传输系统。采用光纤传输系统。采用LD光源，波长光源，波长=1.3m，用，用5B6B线路编码，有线路编码，有St-3dBm，Sr-36dBm，Me=2dB，Ms=2dB，ac=0.5dB，共用两只，共用两只，af=0.5dB/km，平均每，平均每2km一个熔接头，每熔接点衰耗一个熔接头，每熔接点衰耗0.1dB，估计以后，估计以后20年内平均每公里损坏年内平均每公里
9、损坏0.5处，每处修理增加两个熔接点，处，每处修理增加两个熔接点，线路改道增加衰耗线路改道增加衰耗0.01dB/km，试计算衰耗限制的传输距离，试计算衰耗限制的传输距离。解：解：根据所给条件先计算根据所给条件先计算as，Mc参数项参数项 as=0.1dB/2km=0.05dBkm Mc=0.5/km20.1dB0.01dB/km=0.11dB/km L=(-3-(-36)-20.5-2-2)/(0.5+0.05+0.11)=42.4km 答：最大传输距离为答：最大传输距离为42.4km2022-8-99(二二)中继距离受到光纤色散的限制中继距离受到光纤色散的限制 数字通信理论表明，数字通信理论
10、表明，数字传输系统的带宽，数字传输系统的带宽，理论上可允许为传输码率之半理论上可允许为传输码率之半。但实际中传输通。但实际中传输通道并不具有理想低通滤波特性。所以不能在道并不具有理想低通滤波特性。所以不能在fL的的带宽上传送带宽上传送2fL的码率。实际常取传输带宽的码率。实际常取传输带宽 fL(0.70.9)fb 我们已知，光纤的带宽受色散特性所限制，带我们已知，光纤的带宽受色散特性所限制，带宽与色散间的关系用下式表示：宽与色散间的关系用下式表示：fL 0.44/1/2（GHz）式中式中1/2 为光纤的总色散为光纤的总色散(即该光纤引起的脉冲即该光纤引起的脉冲展宽的半宽值展宽的半宽值,单位为单
11、位为ns)。2022-8-910 注：注：光纤的色散大体可分为模间色散和模内色散，模光纤的色散大体可分为模间色散和模内色散，模 内色散又分为材料色散和波导色散。内色散又分为材料色散和波导色散。对于单模光纤主要是材料和波导色散构成的模内色对于单模光纤主要是材料和波导色散构成的模内色散，对于散，对于梯度多模光纤梯度多模光纤，是用下式表示色散：，是用下式表示色散：1/2=2m+2M 式中式中1/2 为光纤的总色散，为光纤的总色散，m为模内色散，为模内色散，M为模为模间色散，间色散，可以用可以用上两上两式计算出光纤带宽，看能否符合式计算出光纤带宽，看能否符合码率的要求。也可以据码率估算出码率的要求。也
12、可以据码率估算出fL后，用：后，用：fc=L fL （模内色散（模内色散）fc=L fL（模间色散（模间色散）为带宽距离指数为带宽距离指数 计算需要的光纤计算需要的光纤每公里带宽每公里带宽fc。2022-8-911例题（例题（2）如果光纤在如果光纤在1.3m波长上的色散系数波长上的色散系数m=3ps/kmnm，LD谱线宽度为谱线宽度为1nm，试核算上题，试核算上题算得的距离能否达到码率要求？上题算得算得的距离能否达到码率要求？上题算得L=42.4km。解：解：该光纤色散该光纤色散m L =3ps/km.nm42.4km1nm=127.2ps 算得带宽算得带宽 fL=0.44/0.1272ns=
13、3.46GHz系统要求的带宽系统要求的带宽fL(0.70.9)fb6/5，取系数，取系数0.9，fL=0.96/5139.264Mb=0.15GHz 因此传输距离不受色散限制，为衰耗限制系统。因此传输距离不受色散限制，为衰耗限制系统。2022-8-912 单模光纤单模光纤中只有一种模，不存在模间偶合问中只有一种模，不存在模间偶合问题，可用题，可用fc=L fL 计算。在较高码率下，如果选不计算。在较高码率下，如果选不到满足带宽的光纤，只有使到满足带宽的光纤，只有使L减小，传输受色散（减小，传输受色散（带宽）的限制。带宽）的限制。单模光纤的单模光纤的色散影响较小色散影响较小，特别是在零色散，特别
14、是在零色散波长上，理论上有波长上，理论上有m=0（色散系数）使（色散系数）使m=m L=0，故带宽对距离的影响变的很小，在，故带宽对距离的影响变的很小，在200Mb/s以下基本不必考虑。但对以下基本不必考虑。但对200Mb/s 以上的以上的速率仍不可忽视，这是速率仍不可忽视，这是因为光纤的零色散波长因因为光纤的零色散波长因制造偏差不一定在制造偏差不一定在1.31um上，经多段连接后没有上，经多段连接后没有m=0的波长存在，而且光源具有一定宽度，且峰值的波长存在，而且光源具有一定宽度，且峰值波长不一定与光纤零色散波长相重合波长不一定与光纤零色散波长相重合，2022-8-913 所以所以m0引起的
15、脉冲展宽必须考虑。引起的脉冲展宽必须考虑。1989年年CCITT提出一个简化的计算方法，即考虑提出一个简化的计算方法，即考虑m引引起的灵敏度下降，给出一个光通道的色散灵敏起的灵敏度下降，给出一个光通道的色散灵敏度代价度代价Dc ，它相当于，它相当于Ms，所以带入中继距离，所以带入中继距离计算式分子中扣除即可。计算式分子中扣除即可。一般取一般取Dc为为0.51 dB。在在多模光纤传输系统中多模光纤传输系统中，由于色散对传输，由于色散对传输距离的限制较严重，在计算中继距离时，多从距离的限制较严重，在计算中继距离时，多从衰耗及色散的衰耗及色散的两方面分别考虑两方面分别考虑对中继距离的限对中继距离的限
16、制，取其中限制较大（距离小）的。也有两者制，取其中限制较大（距离小）的。也有两者一并考虑的较为复杂的计算方法。一并考虑的较为复杂的计算方法。2022-8-914 下图示出各种光纤的下图示出各种光纤的中继距离和传输速率的关系中继距离和传输速率的关系，包括损耗限制和色散限制的结果。包括损耗限制和色散限制的结果。实线实线为为损耗限制系损耗限制系统统，虚线虚线为为色散限制系统色散限制系统。2022-8-915 对于波长为对于波长为0.85um的多模光纤的多模光纤，由于损耗大，中，由于损耗大，中继距离一般在继距离一般在20km以内，传输速率很低。以内，传输速率很低。SIF光纤的速率不如同轴线，光纤的速率
17、不如同轴线，GIF光纤的速率在光纤的速率在0.1Gb/s以上就受到色散限制。以上就受到色散限制。单模光纤单模光纤在长波长工作，损耗大幅度降低，中继在长波长工作，损耗大幅度降低，中继距离可达距离可达 100200km。在在1.31um零色散波长附近，当速率超过零色散波长附近，当速率超过1Gb/s时时，中继距离才受色散限制。，中继距离才受色散限制。在在 1.55 um波长上，由于色散大，通常要用单纵模波长上，由于色散大，通常要用单纵模激光器，理想系统速率可达激光器，理想系统速率可达5Gb/s，实际系统由于光源调制产生频率抖动，导致谱线实际系统由于光源调制产生频率抖动，导致谱线展宽，速率一般限制为展
18、宽，速率一般限制为 2 Gb/s。采用。采用色散移位光纤色散移位光纤和和外调制外调制技术，可以使速率达到技术，可以使速率达到 20Gb/s以上。以上。2022-8-916 现在可以把反映光纤传输系统现在可以把反映光纤传输系统技术水平技术水平的指标、的指标、速率速率 距离（距离（fb L）乘积大体归纳如下：）乘积大体归纳如下：0.85um，SIF光纤，光纤，fb L 0.01 1=0.01(Gb/s)km 0.85um，GIF光纤，光纤，fb L 0.1 20=2.0(Gb/s)km 1.31um，SMF光纤，光纤，fb L 1 125=125(Gb/s)km 1.55um，SMF光纤，光纤，f
19、b L 2 75=175(Gb/s)km 1.55um，DSF光纤，光纤，fb L 20 80=1600(Gb/s)km (Dispersion-Shifted Fiber)2022-8-917 总总 结结 总而言之，光纤的衰耗及色散特性总而言之，光纤的衰耗及色散特性限制限制了了中继距离及码速，中继距离及码速，限制的程度，还与采用那一限制的程度，还与采用那一种光源有关。种光源有关。在短波长上在短波长上光纤衰耗较大，衰耗限制传光纤衰耗较大，衰耗限制传输距离最显著；输距离最显著；在高码率下在高码率下，脉冲色散限制中，脉冲色散限制中继距离，当继距离，当码率升高码率升高时，中继距离迅速下降。时，中继距
20、离迅速下降。这一影响在宽谱线的这一影响在宽谱线的LED光源与多模光纤组成光源与多模光纤组成的系统中最为明显。的系统中最为明显。在采用多模光纤及在采用多模光纤及LD光源光源时，只有模间色时，只有模间色散起作用，色散限制有改善。散起作用，色散限制有改善。2022-8-918 常规单模光纤常规单模光纤用于非零色散波长（例如用于非零色散波长（例如1.55um）时多纵模激光器在高速调制下引起模）时多纵模激光器在高速调制下引起模分配噪声，将分配噪声，将先于先于色散对码率和中继距离起限色散对码率和中继距离起限制作用，当采用动态单纵模制作用，当采用动态单纵模DFBLD时可消除时可消除其影响。其影响。当当采用外
21、调制时采用外调制时由于消除了激光器在高速由于消除了激光器在高速调制下产生的频率抖动，可达码速及中继距离调制下产生的频率抖动，可达码速及中继距离更大。更大。2022-8-9192022-8-920 题题1 1：已知有一个已知有一个565 Mb/s565 Mb/s单模光纤传输系统，单模光纤传输系统，其系其系统总体要求如下：统总体要求如下：（1 1）光纤通信系统的光纤损耗为光纤通信系统的光纤损耗为0.1 dB/km0.1 dB/km，有有5 5个接头，个接头，平均每个接头损耗为平均每个接头损耗为0.2 dB0.2 dB，光源的入纤功光源的入纤功率为率为-3 dBm-3 dBm，接收机灵敏度为接收机灵
22、敏度为-56 dBm-56 dBm（BER=10BER=10-10-10）。）。（2 2）光纤线路上的线路码型是光纤线路上的线路码型是5B6B5B6B，光纤的色散光纤的色散系数为系数为2 ps/2 ps/（kmnmkmnm），），光源光谱宽度为光源光谱宽度为1.8 nm1.8 nm。求：求：最大中继距离为多少？最大中继距离为多少？注：注：设计中选取色散代价为设计中选取色散代价为1 dB1 dB，光连接器损耗为光连接器损耗为1 dB1 dB（发送和接收端各一个），（发送和接收端各一个），光纤富余度为光纤富余度为0.1 0.1 dB/kmdB/km，设备富余度为设备富余度为5.5 dB5.5 dB
23、。2022-8-921题题2 2：一个二进制传输系统具有以下特性：一个二进制传输系统具有以下特性：(1)(1)单模光纤色散为单模光纤色散为15 ps/15 ps/（nmkmnmkm），），损耗为损耗为0.2 dB/km0.2 dB/km。(2)(2)发射机用发射机用=1551 nm=1551 nm的的GaAsGaAs激光器，激光器，发射平均光功率为发射平均光功率为5 5 mWmW，谱宽为谱宽为2 nm2 nm。(3)(3)为了正常工作，为了正常工作，APDAPD接收机需要平均接收机需要平均10001000个光子个光子/比特。比特。(4)(4)在发射机和接收机处耦合损耗共计在发射机和接收机处耦合损耗共计3 dB3 dB。求：求：a.a.数据速率为数据速率为1010和和100 Mb/s100 Mb/s时，时，找出受损耗限制的最大找出受损耗限制的最大传输距离。传输距离。b.b.数据速率为数据速率为1010和和100 Mb/s100 Mb/s时，时，找出受色散限制的最大找出受色散限制的最大传输距离。传输距离。2022-8-922
