第八章光纖通信系統(tǒng)的性能與設計

光纖通信系統(tǒng)的性能與設計光纖通信系統(tǒng)第八章第八章光纖通信系統(tǒng)的性能與設計光纖通信系統(tǒng)結構光纖損耗對系統(tǒng)的限制光纖色散對系統(tǒng)的限制光纖通信系統(tǒng)設計中的功率預算系統(tǒng)功率代價光纖通信系統(tǒng)結構光纖通信系統(tǒng)的主要組成單元：光纖光器件光發(fā)送機光接收機光放大器根據(jù)光纖系統(tǒng)的應用可分為點到點連接廣播和分配網(wǎng)局域網(wǎng)RxTxRxRxTxTx再生器RxTxAA放大器采用再生器和光放大器作為周期性損耗補償?shù)狞c到點連接再生器放大器光發(fā)送機光發(fā)送機光接收機光接收機點到點的傳輸系統(tǒng)光-電-光中繼：實際上是一個接收機一個發(fā)送機對，它將檢測到的微弱變形光信號，變?yōu)殡娦盘?，?jīng)放大整形后變成規(guī)則的電比特流，再調(diào)制光發(fā)送機，恢復原光比特流繼續(xù)沿光纖傳輸。光放大器：將接收到的微弱光比特流信號直接放大而不需將其轉(zhuǎn)換為電信號。(1R)光放大器不能無限制級聯(lián)，因為色散導致的脈沖畸變最終限制了系統(tǒng)的性能。光-電-光再生中繼則不存在這種問題。點到點的傳輸系統(tǒng)利用光纖的低損耗、寬帶寬特點性能指標：比特率－距離積（BL）BL積與光纖損耗和色散特性有關，而光纖特性又與波長有關，所以BL積與波長有關。第一代光波系統(tǒng):0.85m,BL積1(Gb/s).km第二代光波系統(tǒng)：1.3m,BL積100(Gb/s).km第三代光波系統(tǒng)：1.55m,BL積1000(Gb/s).km光纖分配網(wǎng)功能：光纖通信系統(tǒng)不僅要求傳送信息，而且要求將信息分配給多個用戶應用：光纜電話網(wǎng)、公用天線電視(CATV)、寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)（B-ISND）特點：傳輸距離較短、帶寬要求寬結構：樹型拓撲、總線拓撲HubHubHubHubHub信道在中心點分配，光纖的作用與點到點連接系統(tǒng)類似。樹形拓撲結構1432NBus單根光纖承載整個業(yè)務范圍的多信道光信號，通過光接頭完成分路，光分路器將一小部分功率分送給每個用戶。多路視頻信道分配CATV系統(tǒng)；高清晰度電視HDTV?？偩€拓撲結構總線拓撲結構缺點：信號損耗隨分路數(shù)指數(shù)增加。限制了單根光纖總線服務的范圍和用戶數(shù)。若忽略光纖自身的損耗，則第N個分支可得到的功率為：PN----第N個分支功率；PT----發(fā)送功率；C----分路器的功率分路比；----分路器的插入損耗；并假設每個分路器的C和都相同。若取=0.05,C=0.05,PT=1mW和PN=0.1W,則N的最大值?N=61如何進一步增加分支數(shù)？在總線上周期地接入光放大器提升功率，可以克服上述限制，只要光纖色散的影響限制在可忽略的程度，允許分配的用戶數(shù)將可大大增加?？偩€拓撲結構局域網(wǎng)局域網(wǎng)：在光纖通信信系統(tǒng)中，，要求在網(wǎng)網(wǎng)絡中一個個局部區(qū)域域內(nèi)（如在在一個大學學校園內(nèi)））的大量用用戶相互連連接，使任任何用戶可可以隨機地地進入網(wǎng)絡絡，將數(shù)據(jù)據(jù)傳送給其其他任何用用戶。LAN中要求對每每個用戶提提供隨機的收發(fā)發(fā)數(shù)據(jù)功能能，存在網(wǎng)網(wǎng)絡協(xié)議問問題。結構：總線型Bus、環(huán)型Ring、、星型Star例子：“以以太網(wǎng)”協(xié)議：碰撞撞檢測的載載波偵聽多多路存取（（CSMA/CD）限制：與每每個分支的的損耗有關關，用戶數(shù)數(shù)不能太多多。1N-2N-1N2環(huán)形拓撲結結構點到點連接接將節(jié)點依依次相連以以形成單個個閉合環(huán)。。各節(jié)點中中均設置有有發(fā)送機－－接收機對對，均可發(fā)發(fā)送和接收收數(shù)據(jù)，也也用作中繼繼器。一個個令牌牌（一一個個預預先先確確定定的的比比特特率率））在在環(huán)環(huán)內(nèi)內(nèi)傳傳遞遞，，每每個個節(jié)節(jié)點點都都監(jiān)監(jiān)視視比比特特率率以以監(jiān)監(jiān)聽聽它它自自己己的的地地址址和和接接收收數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)。。隨著著光光纖纖分分布布式式數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)接接口口FDDI的標標準準接接口口的的出出現(xiàn)現(xiàn)，，光光纖纖LAN開始始普普遍遍采采用用環(huán)環(huán)形形拓拓撲撲結結構構。。FDDI雙環(huán)環(huán)結結構構，，superiorreliabilityandrobustness星形形拓拓撲撲結結構構2N-1N431Starcoupler所有有節(jié)節(jié)點點都都通通過過點點到到點點連連接接接接到到中中心心站站(中中樞樞節(jié)節(jié)點點)上上。。有源源星星形形結結構構：：所有有到到達達的的光光信信號號都都通通過過光光接接收收機機轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換為為電電信信號號，，再再將將電電信信號號分分配配以以驅(qū)驅(qū)動動各各個個節(jié)節(jié)點點的的光光發(fā)發(fā)送送機機。。無源源星星形形結結構構：：采用用星星形形耦耦合合器器等等無無源源光光器器件件在在光光域域進進行行分分配配。。由由于于從從一一個個節(jié)節(jié)點點的的輸輸入入被被分分配配到到許許多多輸輸出出節(jié)節(jié)點點，，因因此此傳傳送送到到每每個個節(jié)節(jié)點點的的功功率率將將受受用用戶戶數(shù)數(shù)的的限限制制。。第八八章章光光纖纖通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)的的性性能能與與設設計計光纖纖通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)結結構構光纖纖損損耗耗對對系系統(tǒng)統(tǒng)的的限限制制光纖纖色色散散對對系系統(tǒng)統(tǒng)的的限限制制光纖通信系系統(tǒng)設計中中的功率預預算系統(tǒng)功率代代價光纖損耗對對系統(tǒng)的限限制第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸收瑞利散射0.22.5損耗(dB/km)波長(nm)OH離子吸收峰峰第三傳輸窗口光纖的損耗耗譜特性損耗限制光光波系統(tǒng)設發(fā)送機發(fā)發(fā)出的最大大平均功率率為Pt，而光接收收機的接收收靈敏度為為Pr，則最大傳傳輸距離為為：tot(dB/km)為光纖損耗耗，包括對對接損耗和和活動連接接損耗。由于接收機機靈敏度Pr隨比特率B線性變化：：因此傳輸距距離亦與比比特率有關關。h為光子能量量，Np為接收機所所要求的每每比特的平平均光子數(shù)數(shù)。在給定工作作波長處，，L隨比特率B的增加而呈呈對數(shù)關系系降低。損耗限制色散限制橫越大大西洋的海海底光波系系統(tǒng)實際陸地光光波系統(tǒng)采用色散位位移光纖的的1550nm，B>10Gb/s的實驗系統(tǒng)統(tǒng)第八章光光纖通信信系統(tǒng)的性性能與設計計光纖通信系系統(tǒng)結構光纖損耗對對系統(tǒng)的限限制光纖色散對對系統(tǒng)的限限制光纖通信系系統(tǒng)設計中中的功率預預算系統(tǒng)功率代代價光纖色散:信號能量中中的各種分分量由于在在光纖中傳傳輸速度不不同，而引引起的信號號畸變。色散限制:光纖色散導導致的信號號畸變限制制系統(tǒng)的傳傳輸距離。。色散類型模間色散（（僅多模光光纖有）波導色散材料色散偏振模色散散波長色散一、光纖色色散光纖色散對對系統(tǒng)的限限制二、色散與與光纖G.652（標準單模光光纖SMF）:零色散波長長:1300nm1550色散:16~17ps/nm.kmG.653（色散位移光光纖DSF）:零色散波長長:1550nmG.655（非零色散位位移光纖NZDSF）:1550nm色散:2~6ps/nm.km三、色散限限制光纖色散導導致的信號號畸變限制制系統(tǒng)的傳傳輸距離。。導致色散限限制的物理理機制隨不不同波長而而不同。1.0.85m光波系統(tǒng)第一代光波波系統(tǒng)，通通常采用低低成本的多多模光纖作作為傳輸媒媒質(zhì)。主要要限制因素素是模間色色散。-------色色散限制多模階躍光光纖，BL=c/(2n1)。典型值n1=1.46、=0.01，傳輸距離隨隨比特率的的曲線。即使在B1Mb/s的低比特率率，也是色色散限制的的，其傳輸輸距離限制制在10km內(nèi)。應用：：數(shù)據(jù)連接接，很少用用于光纖通通信系統(tǒng)中中。多模漸變光纖纖，BL=2c/(n12).對于n1=1.46、、=0.01，曲線如圖。當當比特率小于于100Mb/s時為損耗限制制，大于100Mb/s將變?yōu)樯⑾尴拗?。第一代陸上光光通信系統(tǒng)就就是采用多模模漸變光纖，，比特率在50-100Mb/s，中繼距離接接近10公里里，于1978年投入商商業(yè)運營。-------色散限限制2.1.3m光波系統(tǒng)第二代光波系系統(tǒng)采用最小小色散波長在在1.3m附近的單模光光纖，最大的的限制因素是是由較大的光光源譜寬支配配的由色散導導致的脈沖展展寬。比特率－距離離積BL(4|D|)-1D為色散，為光源的均方方根譜寬。|D|典型值為1-2ps/(km-nm)當取|D|=2ps/km時，BL125(Gb/s)-km當B<1Gb/s時，為損耗限限制系統(tǒng)，但當B>1Gb/s時則變?yōu)樯⑸⑾拗葡到y(tǒng)。。-------色散限限制3.1.55m光波系統(tǒng)第三代光波系系統(tǒng)工作在損損耗最小的1.55m波長，光纖色色散是系統(tǒng)的的主要限制因因素。對普通單模光光纖，在1.55m處D的典型值為17ps/(km-nm)，，色散值比較高高，由色散導導致的脈沖展展寬較大，系系統(tǒng)處于色散限制狀態(tài)態(tài)。采用單縱模模半導體光源源可大大緩解解這種限制。。最終限制為：：B2L<(16|2|)-1式中，2為群速色散，，與色散參數(shù)數(shù)D的關系為：D=-(2c/2)2普通單模模光纖的的限制線線為：B2L=4000(Gb/s)2-km。。對理想的的1.55m系統(tǒng)，B2L可達6000(Gb/s)2-km。當B>5Gb/s時，為為色散散限制制系統(tǒng)統(tǒng)。-------色色散限限制當采用用色散散位移移光纖纖時，，色散散和損損耗在在1.55m附近均均最低低。-------色色散限限制光纖色色散導導致的的信號號脈沖沖畸變變，與與光源線線寬、、信號號啁啾啾、調(diào)調(diào)制展展寬等因素素有關關。直接調(diào)調(diào)制系系統(tǒng)中中，光光源的的調(diào)制制啁啾啾及光光纖色色散導導致信信號畸畸變。。對于2.5Gb/s系統(tǒng),放大大器的的積累累噪聲聲成為為傳輸輸距離離主要要限制制。對于10Gb/s系統(tǒng),光纖纖色散散成為為傳輸輸距離離的主主要限限制。。比特率NZDSF SSMF2.5Gb/S6000km 1000km10Gb/s 400km60km第八章光光纖通信信系統(tǒng)的性性能與設計計光纖通信系系統(tǒng)結構光纖損耗對對系統(tǒng)的限限制光纖色散對對系統(tǒng)的限限制光纖通信系系統(tǒng)設計中中的功率預預算系統(tǒng)功率代代價單通道系統(tǒng)統(tǒng)中繼距離離設計損耗受限系系統(tǒng)：最大中繼距距離受光纖纖損耗的限限制色散受限系系統(tǒng)：最大中繼距距離受到光光纖傳輸色色散的限中繼距離受受光纖線路路損耗和色色散(帶寬)的限制制，明明顯隨隨傳輸輸速率率的增增加而而減小小。中繼距距離的的設計計有三三種方方法最壞情情況法法(參數(shù)完完全已已知)統(tǒng)計法法(所有參參數(shù)都都是統(tǒng)統(tǒng)計定定義)半統(tǒng)計計法(只有某某些參參數(shù)是是統(tǒng)計計定義義)采用最最壞情情況設設計法法，用用這種種方法法得到到的結結果，，設計計的可可靠性性為100%，但要要犧牲牲可能能達到到的最最大長長度。。光纖通通信系系統(tǒng)設設計中中的功功率預預算光纖損損耗與與色散散對系系統(tǒng)的的傳輸輸距離離L和比特特率B具有固固有的的限制制。還需考考慮其其他問問題，，如：：工作作波長長、光光纖、、光發(fā)發(fā)送機機、光光接收收機、、各種種光無無源器器件的的性能能價格格比、、系統(tǒng)統(tǒng)可靠靠性及及擴容容升級級要求求等。。功率預預算目目的：：使光纖纖通信信系統(tǒng)統(tǒng)在整整個壽壽命期期間，，確保保有足足夠的的光功功率到到達光光接收收機，，以保保證系系統(tǒng)有有穩(wěn)定定可靠靠的性性能。。功率預預算的的范圍圍功率預預算（（用dBm表示））信道損耗包括：光纖損損耗(dB/km)連接損損耗（固定定連接接0.1~0.2dB,活動連連接<1dB)發(fā)射功功率接收靈靈敏度度系統(tǒng)功功率余余量信道總總損耗耗功率余余量：：元器件件老化化溫度變變化其他不不可預預知事事件引引起的的功率率虧損損設計時時通常常取6-8dB傳輸距離:傳輸距距離(km)功率預預算示示例長距離離單模模光纖纖通信信系統(tǒng)統(tǒng)，工工作波波長在在1.3m.發(fā)射功功率PT=-4dBm光纖損損耗=0.3dB/km熔接損損耗=0.2dB/km發(fā)射機機和接接收機機端的的連接接損耗耗=1dB（（每個））APD接收機機所需需的平平均功功率：：比特率率400Mbit/s(BER10-9)=-44dBm比特率率40Mbit/s(BER10-9)=-52dBm功率余余量=6dB比特率率為400Mbit/s(BER10-9)時，無無需中中繼器器，所所能傳傳輸?shù)牡淖铋L長距離離？（（不考考慮色色散代代價））解答：：比特率率為400Mbit/s(BER10-9)最大允允許鏈鏈路損損耗=-4––(-44)=40dB光纖損損耗(光光纖+熔接)=(0.3dB+0.2dB)xL連接接器器損損耗耗=2dB(2個連連接接器器,每每個個1dB)系統(tǒng)余量=6dB因此，總體體鏈路損耗耗=(0.5L+2+6)dB最大傳輸距距離=(40-2-6)/0.5km=64km(答案)比特率為40Mbit/s(BER10-9)時，無需中中繼器，所所能傳輸?shù)牡淖铋L距離離？（不考考慮色散代代價）80km色散受限系系統(tǒng)色散受限系系統(tǒng)中繼段段距離可用用下式估算算：ε：光脈沖沖的相對對展寬值值。當光源為為多縱模模激光器器時，ε=0.115當光源為為發(fā)光二二極管時時，ε=0.306σ：光源的的根均方方譜寬，，（nm）D(λ)：光纖的的色散系系數(shù)，（（ps/km··nm）B：系統(tǒng)的的碼率，，(bit/s)第八章光光纖纖通信系系統(tǒng)的性性能與設設計光纖通信信系統(tǒng)結結構光纖損耗耗對系統(tǒng)統(tǒng)的限制制光纖色散散對系統(tǒng)統(tǒng)的限制制光纖通信信系統(tǒng)設設計中的的功率預預算系統(tǒng)功率率代價當將激光光器發(fā)出出的光注注入多模模光纖，，其輸出出功率會會在多模模光纖中中激勵出出許多相相互相干干的傳播播模式。。這些模模式之間間的相互互干涉，，在光纖纖截面出出現(xiàn)一定定亮度分分布的光光斑圖。。在鏈路路隨機機機械振動動的作用用下，光光斑圖隨隨時間發(fā)發(fā)生變化化。光斑斑圖的變變化造成成了入射射接收機機的光功功率隨時時間發(fā)生生變化，，因此引引入模式式噪聲。。因此，造造成模式式噪聲的的因素為為：1.光源的相相干性2.光纖鏈路路上的隨隨機振動動、微彎彎模(式)噪聲消除模式式噪聲的的措施：：1.使用LED光源，避避免相干干性2.使用多縱縱模激光光器，這這將增加加光斑圖的粒粒狀性，，從而降降低鏈路路中因機機械干擾擾而引起起的光強強度起伏伏3.使用數(shù)值值孔徑較較大的光光纖，因因為它支持很很多模式式，從而而導致光光斑數(shù)目目增多4.使用單模模光纖，，不存在在模式間間的干涉如何消除除模(式)噪聲M'-光斑數(shù)中心波長1200nm數(shù)據(jù)率280Mb/s模分配噪噪聲:多縱模半半導體激激光器在在調(diào)制時時，其各各個模式式一般是是不穩(wěn)定定的，即即使各模模式功率率的總和和（總功功率）不不隨時間間而變，，但各個個模式的的功率卻卻隨時間間呈隨機機波動。。當不存存在色散散時，所所有模式式在傳輸輸和檢測測中保持持同步，，這種波波動是無無害的。。但在實實際有色色散光纖纖中，工工作于不不同波長長的模式式將以不不同的速速度傳播播，造成成各模式式間不同同步，引引起接收收機電流流附加的的隨機波波動，信信噪比降降低，這這種現(xiàn)象象稱為模模分配噪噪聲，需需要付出出功率代代價。由激光器器模式分分配噪聲聲導致的的功率損損傷可以以由下式式近似表表示：其中x是APD的過剩因因子，Q是信噪比比因子，，k是模分配配噪聲因因子(一般在0.6-0.8之間間)，B是數(shù)據(jù)比比特率(Gb/s)，L是光纖長長度(km)，D是光纖色色度色散散系數(shù)(ps/(nm·km))，sl是激光器器輸出譜譜寬。為為使模式式分配噪噪聲帶來來的功率率損傷小小于0.5dB，乘積可以看出出，模式式分配噪噪聲在高高比特系系統(tǒng)中表表現(xiàn)得比比較明顯顯。模式分配配噪聲導導致的功功率損傷傷單模激光光器當直直接調(diào)制制注入電電流時載載流子濃濃度發(fā)生生變化，，導致有有源區(qū)折折射率變變化。折折射率的的變化導