第六章-光纤通信系统设计ppt课件.ppt

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1、第六章第六章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计光纤通信系统的基本要求有以下几点：光纤通信系统的基本要求有以下几点： (1) (1) 预期的传输距离。预期的传输距离。(2) (2) 信道带宽或码速率。信道带宽或码速率。 (3) (3) 系统性能（误码率，信噪比）。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：为了达到这些要求，需要对以下一些要素进行考虑： 光纤光纤：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：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。芯尺寸、纤芯折射率分布、光纤的带宽或色

2、散特性、损耗特性。 光源光源：可以使用：可以使用LEDLED或或LDLD，光源器件的参数有发射功率、发射波长、，光源器件的参数有发射功率、发射波长、发射频谱宽度等。发射频谱宽度等。 检测器：检测器：可以使用可以使用PINPIN组件或组件或APDAPD组件，主要参数有工作波长、组件，主要参数有工作波长、 响应响应度、接收灵敏度、响应时间等。度、接收灵敏度、响应时间等。系统设计的一般步骤系统设计的一般步骤 1.1.网络拓扑、线路路由选择网络拓扑、线路路由选择一般可以根据网络一般可以根据网络/ /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

3、等选择合适的网络拓扑。一般位于的生存性要求等选择合适的网络拓扑。一般位于骨干网骨干网中的、网络生存中的、网络生存性要求较高的网络适合采用网络拓扑；位于性要求较高的网络适合采用网络拓扑；位于城域网城域网的、网络生存性要求的、网络生存性要求较高的网络适合采用环形拓扑；位于较高的网络适合采用环形拓扑；位于接入网接入网的、网络生存性要求不高而的、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。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

4、需求，而且要便于施工和维护。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、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。维护管理方便。2.2.确定传输体制、网络确定传输体制、网络/ /系统容量的确定系统容量的确定 准同步数字系列准同步数字系列( (PDHPDH) )：主要适用于中、低速率点对点的传输。：主要适用于中、低速率点对点的传输。同步数字系列同步数字系列( (SDHSDH) )：不仅适合于点对点传输，而且适合于多点之间的网：不仅适合于点对点传输，而且适合于多点之间的网络传输。络传输。2020世纪世纪

5、9090年代中期，年代中期，SDHSDH设备已经成熟并在通信网中大量使用，由于设备已经成熟并在通信网中大量使用，由于SDHSDH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选择能够承载多业务的下一代SDHSDH设备。设备。网络网络/ /系统容量一般按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，而且系统运行后的几年里所需能量来确定，而且网络网络/ /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

6、速率通常为2.5Gbit/s2.5Gbit/s、骨干网单波长速率通常为、骨干网单波长速率通常为10Gbit/s10Gbit/s，而且根据容，而且根据容量的需求采用几波到几十波的波分复用。量的需求采用几波到几十波的波分复用。 3. 3. 工作波长的确定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。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，即如果是短距离小容量的系统，则可以选择短波长范围，即800800900n900nm m。 如果是长距离大容量的系统，则选用长波长的传输窗口，即如果是长距离大容量的系统，则选用长波长的传输窗口，即1310

7、n1310nm m和和1550n1550nm m， 因为这两个波长区具有较低的损耗和色散。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。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. 4. 光纤光纤/ /光缆的选择光缆的选择 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。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。 对于对于短距离短距离传输和传输和短波长短波长系统可以用系统可以用多模光纤多模光纤。对于对于长距离长距离传输和传输和长波长长波长系统一般使用系统一般使用单模光纤单模光纤。目前可选择的单模光纤有目前可选择的单

8、模光纤有G.652G.652，G.653G.653，G.654G.654，G.655G.655等。等。 G.652G.652光纤光纤/ /光缆光缆对于对于1310n1310nm m波段是最佳选择，是目前最常用的单模光纤。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也常采用G.652G.652光纤光纤/ /光缆。光缆。 G.653G.653光纤光纤/ /光缆光缆是是1550n1550nm m波长性能最佳的单模光纤波长性能最佳的单模光纤/ /光缆；光缆；G.653G.

9、653光纤将零光纤将零色散波长由色散波长由1310nm1310nm移到最低衰减的移到最低衰减的1550nm1550nm波长区。主要应用于在波长区。主要应用于在1550nm1550nm波波长区开通长距离长区开通长距离10Gbit/s10Gbit/s以上速率的系统。但由于工作波长零色散区的非以上速率的系统。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，故线性影响，不支持波分复用系统，故G.653G.653光纤仅用于单信道高速率系统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，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.653G.653光纤基光

10、纤基本不采用。本不采用。G.654G.654光纤光纤/ /光缆光缆是是1550n1550nm m波长衰减最小的单模光纤，一般多用于长距离海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。底光缆系统，陆地传输一般不采用。G.655G.655光纤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。容量的骨干网中。光纤光纤/ /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15-15-2020年的寿命期内仍能满足传输容量和速率的发展需要。

11、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，另外，光纤的选择也与光源有关，LEDLED与单模光纤的耦合率很低，所以与单模光纤的耦合率很低，所以LEDLED一般用多模光纤，但一般用多模光纤，但1310n1310nm m的边发光二极管与单模光纤的耦合取得的边发光二极管与单模光纤的耦合取得了进展。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另外，对于传输距离为数百米的系统，可以用塑料光纤配以LEDLED。 5. 5. 光源的选择光源的选择 选择选择LEDLED还是还是LDLD，需要考虑一些系统参数，比如色散、码速率、传输距，需要考虑一些系统参数，比如

12、色散、码速率、传输距离和成本等。离和成本等。LEDLED输出频谱的谱宽比起输出频谱的谱宽比起LDLD来宽得多，这样引起的色散较来宽得多，这样引起的色散较大，使得大，使得LEDLED的传输容量较低，限制在的传输容量较低，限制在15001500（Mb/s）km以下以下（1310nm1310nm）；而）；而LDLD的谱线较窄，传输容量可达的谱线较窄，传输容量可达500500（Gb/s）km（1550nm1550nm）。）。典型情况下，典型情况下，LDLD耦合进光纤中的光功率比耦合进光纤中的光功率比LEDLED高出高出101015d15dB, B, 因此会有因此会有更大的无中继传输距离。但是更大的无中

13、继传输距离。但是LDLD的价格比较昂贵，发送电路复杂，并且的价格比较昂贵，发送电路复杂，并且需要自动功率和温度控制电路。而需要自动功率和温度控制电路。而LEDLED价格便宜，线性好，对温度不敏感，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。线路简单。设计电路时需要综合考虑这些因素。 6. 6. 光检测器的选择光检测器的选择 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

14、度。杂程度。 PIN-PDPIN-PD比比APDAPD结构简单，温度特性更加稳定，成本低廉，结构简单，温度特性更加稳定，成本低廉，低速率小容低速率小容量系统采用量系统采用LED+PIN-PDLED+PIN-PD组合组合。若要检测极其微弱的信号，还需要灵敏度较高的若要检测极其微弱的信号，还需要灵敏度较高的APDAPD，高速率大容量高速率大容量系统采用系统采用LD+APDLD+APD组合组合。7. 7. 估算中继距离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。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，另外还有光纤以上是设计

15、步骤的主要内容，另外还有光纤线路码型线路码型设计的问题。设计的问题。中心问题：确定中继距离。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。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最大中继距离光传输的设计方法光纤通信系统的设计：光纤通信系统的设计：最坏值设计法最坏值设计法和和统计设计法统计设计法。 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，

16、但由于在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富余度较大，总成本偏高。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，布时较复杂，系统可靠性不如最坏值法，但成本相对较低，中继距离可系统可靠性不如最坏值法，但成本相对较低，中

17、继距离可以有所延长。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。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射机、接收机和光缆线路设施。通常发射机富余度取1dB1dB左右，接收机富左右，接收机富余度取余度取2-4dB2-4dB，系统总富余度取，系

18、统总富余度取3-5dB左右。左右。 ITUT建议建议G.957规定，允许的光通道损耗规定，允许的光通道损耗PSR为：为：SRTRPPP=-光通道损耗组成图 S点与点与R点间的允许损耗为：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：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，则这个系统就是是损耗受限的系统损耗受限的系

19、统；如果光信号的色散展宽最终成为限制系统中继距离的；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，则这个系统就是主要因素，则这个系统就是色散受限的系统色散受限的系统。 功率预算示例功率预算示例长距离单模光纤通信系统，工作波长在长距离单模光纤通信系统，工作波长在1.3 m. 发射功率发射功率 PT = -4dBm 光纤损耗光纤损耗 = 0.3dB/km 熔接损耗熔接损耗 = 0.2dB/km 发射机和接收机端的连接损耗发射机和接收机端的连接损耗= 1dB （每个）每个） APD接收机所需的平均功率：接收机所需的平均功率： 比特率比特率 400Mbit/s (BER 10-9) = -44dBm比特率比特率 40Mbit/s (BER 10-9) = -52dBm 功率余量功率余量 = 6dB 解答：解答： 比特率为比特率为400 Mbit/s (BER 10-9) 最大允许链路损耗最大允许链路损耗= -4 (-44) = 40dB 光纤损耗光纤损耗 (光纤光纤+熔接熔接) = (0.3dB+0.2dB) x L 连接器损耗连接器损耗 = 2dB ( 2个连接器个连接器, 每个每个1 dB) 系统余量系统余量= 6dB 因此，总体链路损耗因此，总体链路损耗 = (0.5L+2+6)dB