第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)

兩種傳輸體制系統(tǒng)的性能指標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

5數(shù)字光纖通信系統(tǒng)

兩種數(shù)字傳輸體制

光纖大容量數(shù)字傳輸目前都采用同步時(shí)分復(fù)用(TDM)技術(shù)，復(fù)用又分為若干等級，因而先后有兩種傳輸體制：準(zhǔn)同步數(shù)字系列(PDH)同步數(shù)字系列(SDH)PDH早在1976年就實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，目前還大量使用。隨著光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，PDH遇到了許多困難。

在技術(shù)迅速發(fā)展的推動下，美國提出了同步光纖網(wǎng)(SONET)。1988年，ITUT參照SONET的概念，提出了被稱為同步數(shù)字系列(SDH)的規(guī)范建議。

SDH解決了PDH存在的問題，是一種比較完善的傳輸體制，現(xiàn)已得到大量應(yīng)用。這種傳輸體制不僅適用于光纖信道，也適用于微波和衛(wèi)星干線傳輸。

準(zhǔn)同步數(shù)字系列有兩種基礎(chǔ)速率

一種是以1.544Mb/s為第一級(一次群，或稱基群)基礎(chǔ)速率，采用的國家有北美各國和日本。另一種是以2.048Mb/s為第一級(一次群)基礎(chǔ)速率，采用的國家有西歐各國和中國。

準(zhǔn)同步數(shù)字系列PDHPDH各次群比特率相對于其標(biāo)準(zhǔn)值有一個(gè)規(guī)定的容差，而且是異源的；通常采用正碼速調(diào)整方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)同步復(fù)用。

1次群至4次群接口比特率較早實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，并得到各國廣泛采用。PDH主要適用于中、低速率點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸。PDH的特點(diǎn)北美、西歐和亞洲所采用的三種數(shù)字系列互不兼容，沒有世界統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)光接口；各種復(fù)用系列都有其相應(yīng)的幀結(jié)構(gòu)，沒有足夠的開銷比特，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)缺乏靈活性；由于低速率信號插入到高速率信號，或從高速率信號分出，都必須逐級進(jìn)行，不能直接分插。PDH的缺點(diǎn)SDH傳輸網(wǎng)

SDH不僅適合于點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，而且適合于多點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

SDH傳輸網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)SDH終接設(shè)備(或稱SDH終端復(fù)用器TM)分插復(fù)用設(shè)備ADM數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC等網(wǎng)絡(luò)單元連接它們的(光纖)物理鏈路構(gòu)成同步數(shù)字系列SDH

SDH終端的主要功能

復(fù)接/分接和提供業(yè)務(wù)適配，例如將多路E1信號復(fù)接成STM1信號及完成其逆過程，或者實(shí)現(xiàn)與非SDH網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的適配。ADM

一種特殊的復(fù)用器，它利用分接功能將輸入信號所承載的信息分成兩部分：一部分直接轉(zhuǎn)發(fā)，另一部分卸下給本地用戶。然后信息又通過復(fù)接功能將轉(zhuǎn)發(fā)部分和本地上送的部分合成輸出。

DXC功能類似于交換機(jī)，它一般有多個(gè)輸入和多個(gè)輸出，通過適當(dāng)配置可提供不同的端到端連接。SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)單元終端復(fù)用器TM

分插復(fù)用設(shè)備ADM(Add/DropMultiplexer)

數(shù)字交叉連接設(shè)備DXCSDH網(wǎng)絡(luò)的組織

通過DXC的交叉連接作用，在SDH傳輸網(wǎng)內(nèi)可提供許多條傳輸通道，每條通道都有相似的結(jié)構(gòu)，其連接模型如圖每個(gè)通道(Path)由一個(gè)或多個(gè)復(fù)接段(Line)構(gòu)成，而每一復(fù)接段又由若干個(gè)再生段(Section)串接而成。

傳輸通道的結(jié)構(gòu)傳輸通道連接模型和分層結(jié)構(gòu)

SDH采用世界上統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率等級。

SDH各網(wǎng)絡(luò)單元的光接口有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在SDH幀結(jié)構(gòu)中，豐富的開銷比特用于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行、維護(hù)和管理，便于實(shí)現(xiàn)性能監(jiān)測、故障檢測和定位、故障報(bào)告等管理功能。采用數(shù)字同步復(fù)用技術(shù)，其最小的復(fù)用單位為字節(jié)，不必進(jìn)行碼速調(diào)整，簡化了復(fù)接分接的實(shí)現(xiàn)設(shè)備，由低速信號復(fù)接成高速信號，或從高速信號分出低速信號，不必逐級進(jìn)行。

SDH具有下列特點(diǎn)

采用數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC可以對各種端口速率進(jìn)行可控的連接配置，對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行自動化的調(diào)度和管理，既提高了資源利用率，又增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的抗毀性和可靠性。

分插信號流程的比較SDH幀結(jié)構(gòu)

SDH幀結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字同步時(shí)分復(fù)用、保證網(wǎng)絡(luò)可靠有效運(yùn)行的關(guān)鍵。字節(jié)發(fā)送順序?yàn)椋河缮贤轮鹦邪l(fā)送，每行先左后右，SDH幀大體可分為三個(gè)部分：段開銷(SOH)。段開銷是在SDH幀中為保證信息正常傳輸所必需的附加字節(jié)(每字節(jié)含64kb/s的容量)，主要用于運(yùn)行、維護(hù)和管理，如幀定位、誤碼檢測、公務(wù)通信、自動保護(hù)倒換以及網(wǎng)管信息傳輸。

信息載荷(Payload)。信息載荷域是SDH幀內(nèi)用于承載各種業(yè)務(wù)信息的部分。管理單元指針(AUPTR)。管理單元指針是一種指示符，主要用于指示Payload第一個(gè)字節(jié)在幀內(nèi)的準(zhǔn)確位置圖5.5SDH幀的一般結(jié)構(gòu)

復(fù)用原理將低速支路信號復(fù)接為高速信號，通常有兩種傳統(tǒng)方法：正碼速調(diào)整法和固定位置映射法。正碼速調(diào)整法的優(yōu)點(diǎn)是容許被復(fù)接的支路信號有較大的頻率誤差；缺點(diǎn)是復(fù)接與分接相當(dāng)困難。固定位置映射法是讓低速支路信號在高速信號幀中占用固定的位置。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是復(fù)接和分接容易實(shí)現(xiàn)，但由于低速信號可能是屬于PDH的或由于SDH網(wǎng)絡(luò)的故障，低速信號與高速信號的相對相位不可能對準(zhǔn)，并會隨時(shí)間而變化。SDH采用載荷指針技術(shù)，結(jié)合了上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，付出的代價(jià)是要對指針進(jìn)行處理。超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)指針技術(shù)創(chuàng)造了條件。ITU-T規(guī)定了SDH的一般復(fù)用映射結(jié)構(gòu)。所謂映射結(jié)構(gòu)，是指把支路信號適配裝入虛容器的過程，其實(shí)質(zhì)是使支路信號與傳送的載荷同步。載荷包絡(luò)與SDH幀的一般關(guān)系

這種結(jié)構(gòu)可以把目前PDH的絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)速率信號裝入SDH幀。圖示出SDH一般復(fù)用映射結(jié)構(gòu)，圖中Cn是標(biāo)準(zhǔn)容器，用來裝載現(xiàn)有PDH的各支路信號，即C11,C12,C2,C3和C4分別裝載1.5Mb/s,2Mb/s,6Mb/s,34Mb/s,45Mb/s和140Mb/s的支路信號，并完成速率適配處理的功能。在標(biāo)準(zhǔn)容器的基礎(chǔ)上，加入少量通道開銷(POH)字節(jié)，即組成相應(yīng)的虛容器VC。VC的包絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)同步，但其內(nèi)部則可裝載各種不同容量和不同格式的支路信號。所以引入虛容器的概念，使得不必了解支路信號的內(nèi)容，便可以對裝載不同支路信號的VC進(jìn)行同步復(fù)用、交叉連接和交換處理，實(shí)現(xiàn)大容量傳輸。SDH的一般復(fù)用映射結(jié)構(gòu)

由于在傳輸過程中，不能絕對保證所有虛容器的起始相位始終都能同步，所以要在VC的前面加上管理單元指針(AUPTR)，以進(jìn)行定位校準(zhǔn)。加入指針后組成的信息單元結(jié)構(gòu)分為管理單元(AU)和支路單元(TU)。AU由高階VC(如VC4)加AU指針組成，TU由低階VC加TU指針組成。TU經(jīng)均勻字節(jié)間插后，組成支路單元組(TUG)，然后組成AU3或AU4。3個(gè)AU3或1個(gè)AU4組成管理單元組(AUG)，加上段開銷SOH，便組成STM1同步傳輸信號；N個(gè)STM1信號按字節(jié)同步復(fù)接，便組成STMN。

最簡單的例子是，由PDH的4次群信號到SDH的STM1的復(fù)接過程。把139.264Mb/s的信號裝入容器C4，經(jīng)速率適配處理后，輸出信號速率為149.760Mb/s;在虛容器VC4

內(nèi)加上通道開銷POH(每幀9Byte,相應(yīng)于0.576Mb/s)后，輸出信號速率為150.336Mb/s；在管理單元AU4內(nèi)，加上管理單元指針AUPTR(每幀9Byte,相應(yīng)于0.576Mb/s)，輸出信號速率為150.912Mb/s;由1個(gè)AUG加上段開銷SOH(每幀72Byte,相應(yīng)于4.608Mb/s),輸出信號速率為155.520Mb/s,即為STM1。

數(shù)字交叉連接設(shè)備數(shù)字交叉連接設(shè)備(DXC)相當(dāng)于一種自動的數(shù)字電路配線架。下圖表示的是SDH的DXC(也適合于PDH)，其核心部分是可控的交叉連接開關(guān)(空分或時(shí)分)矩陣。參與交叉連接的基本電路速率可以等于或低于端口速率，通常用DXCX/Y來表示一個(gè)DXC的配置類型，其中第一個(gè)數(shù)字X表示輸入端口速率的最高等級，第二個(gè)數(shù)字Y表示參與交叉連接的最低速率等級。數(shù)字0表示64kb/s電路速率；數(shù)字1、2、3、4分別表示PDH的1至4次群的速率，其中4也代表SDH的STM1等級；數(shù)字5和6分別代表SDH的STM4和STM16等級。數(shù)字交叉連接設(shè)備(DXC)交叉連接設(shè)備與交換機(jī)的區(qū)別有(DXC的輸入輸出不是單個(gè)用戶話路，而是由許多話路組成的群路；兩者都能提供動態(tài)的通道連接，但連接變動的時(shí)間尺度是不同的。

前者按大量用戶的集合業(yè)務(wù)量的變化及網(wǎng)絡(luò)的故障狀況來改變連接，由網(wǎng)管系統(tǒng)配置；后者按照用戶的呼叫請求來建立或改變連接，由信令系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)呼叫連接控制。實(shí)現(xiàn)自動化的網(wǎng)絡(luò)配置管理分離本地交換業(yè)務(wù)和非本地交換業(yè)務(wù)，為非本地交換業(yè)務(wù)迅速提供可用路由；為臨時(shí)性重要事件(如運(yùn)動會、發(fā)生地震等)迅速提供通信電路；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障(如某些干線中斷)時(shí)，能迅速提供網(wǎng)絡(luò)的重新配置；根據(jù)業(yè)務(wù)流量的季節(jié)變化使網(wǎng)絡(luò)配置最佳化；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中混合使用PDH和SDH時(shí)，可作為PDH與SDH的網(wǎng)關(guān)。DXC在干線傳輸網(wǎng)中的主要用途

SDH的應(yīng)用

SDH可用于點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、鏈形網(wǎng)和環(huán)形網(wǎng)。

SDH環(huán)形網(wǎng)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是具有“自愈”能力。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障或光纜中斷時(shí)，仍能維持一定的通信能力。

SDH通過ADM和DXC等網(wǎng)絡(luò)單元可以構(gòu)成更為復(fù)雜的網(wǎng)形網(wǎng)。SDH用于點(diǎn)對點(diǎn)傳輸SDH鏈形網(wǎng)SDH環(huán)形網(wǎng)(雙環(huán))

系統(tǒng)的性能指標(biāo)

參考模型為進(jìn)行系統(tǒng)性能研究，ITUT建議中提出了一個(gè)數(shù)字傳輸參考模型，稱為假設(shè)參考連接(HRX)。最長的HRX是根據(jù)綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)的性能要求和64kb/s信號的全數(shù)字連接來考慮的。最長的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字HRX為27500km,它由各級交換中心和許多假設(shè)參考數(shù)字鏈路(HRDL)組成。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字HRX

的總性能指標(biāo)按比例分配給HRDL，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)大大簡化。

標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字假設(shè)參考連接HRX

建議的HRDL長度為2500km,但由于各國國土面積不同，采用的HRDL長度也不同。我國采用5000km美國和加拿大采用6400km日本采用2500km。參考數(shù)字鏈路(HRDL)

假設(shè)參考數(shù)字段(HRDS)HRDL由許多假設(shè)參考數(shù)字段(HRDS)組成，在建議中用于長途傳輸?shù)腍RDS長度為280km,用于市話中繼的HRDS長度為50km。我國用于長途傳輸?shù)腍RDS長度為420km和280km兩種。假設(shè)參考數(shù)字段的性能指標(biāo)從假設(shè)參考數(shù)字鏈路的指標(biāo)分配中得到，并再度分配給線路和設(shè)備。

假設(shè)參考數(shù)字段HRDS

系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

誤碼率(BER)

誤碼率是衡量數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量優(yōu)劣的非常重要的指標(biāo)，它反映了在數(shù)字傳輸過程中信息受到損害的程度。BER是在一個(gè)較長時(shí)間內(nèi)的傳輸碼流中出現(xiàn)誤碼的概率。由于誤碼率隨時(shí)間變化，用長時(shí)間內(nèi)的平均誤碼率來衡量系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，顯然不夠準(zhǔn)確。在實(shí)際監(jiān)測和評定中，應(yīng)采用誤碼時(shí)間百分?jǐn)?shù)和誤碼秒百分?jǐn)?shù)的方法。誤碼率隨時(shí)間的變化

對于目前的電話業(yè)務(wù)，傳輸一路PCM電話的速率為64kb/s。研究分析表明，合適的誤碼率參數(shù)和假設(shè)參考連接HRX的誤碼率指標(biāo)

圖示出最長HRX的電路質(zhì)量等級劃分，圖中高級和中級之間沒有明顯的界限。我國長途一級干線和長途二級干線都應(yīng)視為高級電路，長途二級以下和本地級合并考慮。表5.4示出HRX誤碼率總指標(biāo)按等級的分配。表示出了誤碼率三項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測時(shí)間為1個(gè)月，在工程驗(yàn)收時(shí)執(zhí)行存在一定困難，通常采用長期平均誤碼率來衡量，監(jiān)測時(shí)間為24h。假設(shè)誤碼為泊松分布，誤碼率三項(xiàng)指標(biāo)都可以換算為長期平均誤碼率。根據(jù)原CCITT的建議，對于25000km高級電路長期平均誤碼率BERav至少為1×10-7，按長度比例進(jìn)行線性折算，得到每公里BERav=4×10-12/km。所以280km和420km數(shù)字段的BERav分別為1.12×10-9和1.68×10-9，因此取1×10-9作為標(biāo)準(zhǔn)。最長HRX的電路質(zhì)量等級劃分

我國長途光纜通信系統(tǒng)進(jìn)網(wǎng)要求中規(guī)定：長度短于420km時(shí)，按1×10-9計(jì)算；長度長于420km時(shí)，先按長度比例進(jìn)行折算，再按長度累計(jì)附加進(jìn)去。設(shè)計(jì)值應(yīng)比實(shí)際要求高1個(gè)數(shù)量級，即短于420km數(shù)字段按BERav=1×10-10設(shè)計(jì)，50km中繼段按BERav=1×10-11設(shè)計(jì)。

抖動

抖動是數(shù)字信號傳輸過程中產(chǎn)生的一種瞬時(shí)不穩(wěn)定現(xiàn)象。抖動的定義是：數(shù)字信號在各有效瞬時(shí)對標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間位置的偏差。偏差時(shí)間范圍稱為抖動幅度(JPP)，偏差時(shí)間間隔對時(shí)間的變化率稱為抖動頻率(F)。這種偏差包括輸入脈沖信號在某一平均位置左右變化，和提取時(shí)鐘信號在中心位置左右變化，見下圖所示。抖動示意圖

抖動現(xiàn)象相當(dāng)于對數(shù)字信號進(jìn)行相位調(diào)制，表現(xiàn)為在穩(wěn)定的脈沖圖樣中，前沿和后沿出現(xiàn)某些低頻干擾，其頻率一般為0～2kHz。抖動單位為UI，表示單位時(shí)隙。當(dāng)脈沖信號為二電平NRZ時(shí)，1UI等于1bit信息所占時(shí)間，數(shù)值上等于傳輸速率fb的倒數(shù)。抖動嚴(yán)重時(shí)，使得信號失真、誤碼率增大。完全消除抖動是困難的。

光纖通信系統(tǒng)各次群輸入口對抖動容限的要求全程各次群輸出口對抖動容限的要求

可靠性

衡量通信系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣除上述性能指標(biāo)外，可靠性也是一個(gè)重要指標(biāo)，它直接影響通信系統(tǒng)的使用、維護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益。對光纖通信系統(tǒng)而言，可靠性包括光端機(jī)、中繼器、光纜線路、輔助設(shè)備和備用系統(tǒng)的可靠性。確定可靠性一般采用故障統(tǒng)計(jì)分析法，即根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查結(jié)果，統(tǒng)計(jì)足夠長時(shí)間內(nèi)的故障次數(shù)，確定每兩次故障的時(shí)間間隔和每次故障的修復(fù)時(shí)間。

可靠性R和故障率φR=exp(-φt)

故障率φ是系統(tǒng)工作到時(shí)間t，在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障(功能失效)的概率。φ的單位為10-9/h,稱為菲特(fit),1fit等于在109h內(nèi)發(fā)生一次故障的概率。如果通信系統(tǒng)由n個(gè)部件組成，且故障率是統(tǒng)計(jì)無關(guān)的，則系統(tǒng)的可靠性Rs可表示為

Rs=R1×R2×…×Rn=exp(-φst)

可靠性表示方法

故障率φ和平均故障間隔時(shí)間MTBF

可用率A和失效率PF?？捎寐蔄是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)處于良好工作狀態(tài)的概率，

失效率PF可以表示為PF=(1-A)×100%在有備用系統(tǒng)的情況下，失效率為PF=式中m和n分別為主用系統(tǒng)數(shù)和備用系統(tǒng)數(shù)，P=MTTR/MTBF。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，具有主備用系統(tǒng)自動倒換功能的數(shù)字光纜通信系統(tǒng)，容許5000km雙向全程每年4次全阻故障對應(yīng)于420km和數(shù)字段雙向全程分別約為每3年1次280km每5年1次全阻故障市內(nèi)數(shù)字光纜通信系統(tǒng)的假設(shè)參考數(shù)字鏈路長為100km,容許雙向全程每年4次全阻故障對應(yīng)于50km數(shù)字段雙向全程每半年1次全阻故障LD光源壽命大于10×104hPINFET壽命大于50×104h,APD壽命大于50×104h可靠性指標(biāo)修復(fù)時(shí)間MTTR=6h

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對數(shù)字光纖通信系統(tǒng)而言，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是，根據(jù)用戶對傳輸距離和傳輸容量(話路數(shù)或比特率)及其分布的要求，按照國家相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)前設(shè)備的技術(shù)水平，經(jīng)過綜合考慮和反復(fù)計(jì)算，選擇最佳路由和局站設(shè)置、傳輸體制和傳輸速率以及光纖光纜和光端機(jī)的基本參數(shù)和性能指標(biāo)，以使系統(tǒng)的實(shí)施達(dá)到最佳的性能價(jià)格比。在技術(shù)上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要問題是確定中繼距離，尤其對長途光纖通信系統(tǒng)，中繼距離設(shè)計(jì)是否合理，對系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)效益影響很大。

中繼距離的設(shè)計(jì)有三種方法最壞情況法(參數(shù)完全已知)

統(tǒng)計(jì)法(所有參數(shù)都是統(tǒng)計(jì)定義)半統(tǒng)計(jì)法(只有某些參數(shù)是統(tǒng)計(jì)定義)。這里我們采用最壞情況設(shè)計(jì)法，用這種方法得到的結(jié)果，設(shè)計(jì)的可靠性為100%，但要犧牲可能達(dá)到的最大長度。中繼距離受光纖線路損耗和色散(帶寬)的限制，明顯隨傳輸速率的增加而減小。中繼距離和傳輸速率反映著光纖通信系統(tǒng)的技術(shù)水平。

中繼距離受損耗的限制下圖示出了無中繼器和中間有一個(gè)中繼器的數(shù)字光纖線路系統(tǒng)的示意圖，圖中符號：

T′,T:光端機(jī)和數(shù)字復(fù)接分接設(shè)備的接口；

Tx:光發(fā)射機(jī)或中繼器發(fā)射端；

Rx:光接收機(jī)或中繼器接收端；

C1,C2:光纖連接器；

S:靠近Tx的連接器C1的接收端；

R:靠近Rx的連接器C2的發(fā)射端；

SR:光纖線路，包括接頭。數(shù)字光纖線路系統(tǒng)無中繼器一個(gè)中繼器

如果系統(tǒng)傳輸速率較低，光纖損耗系數(shù)較大，中繼距離主要受光纖線路損耗的限制。在這種情況下，要求S和R兩點(diǎn)之間光纖線路總損耗必須不超過系統(tǒng)的總功率衰減，即

L(αf+αs+αm)≤Pt-Pr-2αc-Me或L≤式中，Pt為平均發(fā)射光功率(dBm)，Pr為接收靈敏度(dBm)，αc

為連接器損耗(dB/對)，Mc為系統(tǒng)余量(dB)，αf為光纖損耗系數(shù)(dB/km),αs為每km光纖平均接頭損耗(dB/km),αm為每km光纖線路損耗余量(dB/km),L為中繼距離(km)。

對單模光纖通信系統(tǒng)，LD的平均發(fā)射光功率一般為-3～-9dBm,LED平均發(fā)射光功率一般為-20～-25dBm。光接收機(jī)靈敏度Pr取決于光檢測器和前置放大器的類型，并受誤碼率的限制，隨傳輸速率而變化。連接器損耗一般為0.3～1dB/對。設(shè)備余量Me包括由于時(shí)間和環(huán)境的變化而引起的發(fā)射光功率和接收靈敏度下降，以及設(shè)備內(nèi)光纖連接器性能劣化，Me一般不小于3dB。

光纖損耗系數(shù)αf取決于光纖類型和工作波長，例如單模光纖在1310nm,αf為0.4～0.45dB/km;在1550nm,αf為0.22～0.25dB/km。光纖損耗余量αm一般為0.1～0.2dB/km,但一個(gè)中繼段總余量不超過5dB。平均接頭損耗可取0.05dB/個(gè)，每千米光纖平均接頭損耗αs可根據(jù)光纜生產(chǎn)長度計(jì)算得到。

根據(jù)ITU-T(原CCITT)G.955建議，用LD作光源的常規(guī)單模光纖(G.652)系統(tǒng)，在S和R之間數(shù)字光纖線路的容限如下表所示。

中繼距離受色散(帶寬)的限制如果系統(tǒng)的傳輸速率較高，光纖線路色散較大，中繼距離主要受色散(帶寬)的限制。為使光接收機(jī)靈敏度不受損傷，保證系統(tǒng)正常工作，必須對光纖線路總色散(總帶寬)進(jìn)行規(guī)范。對于數(shù)字光纖線路系統(tǒng)而言，色散增大，意味著數(shù)字脈沖展寬增加，因而在接收端要發(fā)生碼間干擾，使接收靈敏度降低，或誤碼率增大。嚴(yán)重時(shí)甚至無法通過均衡來補(bǔ)償，使系統(tǒng)失去設(shè)計(jì)的性能。

設(shè)傳輸速率為fb=1/T，發(fā)射脈沖為半占空歸零(RZ)碼，輸出脈沖為高斯波形，高斯波形可以表示為

式中σ為均方根(rms)脈沖寬度。把σ/T=a定義為相對rms脈沖寬度，碼間干擾δ的定義如圖所示。高斯波形的碼間干擾

美國Bell實(shí)驗(yàn)室S.D.Personick的早期研究中，曾建議采用下列標(biāo)準(zhǔn)來考查光纖線路色散對系統(tǒng)傳輸性能的限制。當(dāng)a=0.25時(shí)，碼間干擾δ只有峰值的0.034%，完全可以忽略不計(jì)。當(dāng)a=0.5時(shí)，δ增加到13.5%，此時(shí)功率代價(jià)為7～8dB，難以通過均衡進(jìn)行補(bǔ)償。一般系統(tǒng)設(shè)計(jì)選取a=0.25～0.35，功率代價(jià)不超過2dB。為確定中繼距離和光纖線路色散(帶寬)的關(guān)系，把輸出脈沖用半高全寬度(FWHM)τ表示，即

式中,τ=σ/0.4247,σ=aT,a為相對rms脈沖寬度，T=1/fb，Δτf為光纖線路(FWHM)脈沖展寬，取決于所用光纖類型和色散特性。對于多模光纖系統(tǒng)，色散特性通常用3dB帶寬表示,因此，Δτf=0.44/B,B為長度等于L的光纖線路總帶寬，它與單位長度光纖帶寬的關(guān)系為B=B1/Lγ。B=(0.83～0.56)fb

中繼距離L與1km光纖帶寬B1的關(guān)系為B1=BLγ,所以L=［（1.21～1.78）Ｂ1/fb］1/γ或?qū)懗蒐γfb=(1.21～1.78)B1

B1與L的關(guān)系示于下圖,圖中取σ/T=0.3，γ=0.75。由此可見，中繼距離L與傳輸速率fb的乘積取決于1km光纖的帶寬，這個(gè)乘積反映了光纖通信系統(tǒng)的技術(shù)水平。1km光纖帶寬B1與中繼距離L的關(guān)系

對于單模光纖系統(tǒng)，得到中繼距離

在這個(gè)基礎(chǔ)上，根據(jù)原ITU-T建議，對于實(shí)際的單模光纖通信系統(tǒng)，受色散限制的中繼距離L可以表示為ε是與功率代價(jià)和光源特性有關(guān)的參數(shù)，對于MLMLD,ε=0.115,對于SLMLD，ε=0.306。

中繼距離和傳輸速率光纖通信系統(tǒng)的中繼距離受損耗和色散限制確定。從損耗限制和色散限制兩個(gè)計(jì)算結(jié)果中，選取較短的距離，作為中繼距離計(jì)算的最終結(jié)果。以140Mb/s單模光纖通信系統(tǒng)為例計(jì)算中繼距離。設(shè)系統(tǒng)平均發(fā)射功率Pt=-3dBm,接收靈敏度Pr=-42dBm，設(shè)備余量Me=3dB，連接器損耗αc=0.3dB/對，光纖損耗系數(shù)αf=0.35dB/km,光纖余量αm=0.1dB/km，每km光纖平均接頭損耗αs=0.03dB/km，得到中繼距離

又設(shè)線路碼型為5B6B,線路碼速率Ｆb=140×(6/5)=168Mb/s,|C0|=3.0ps/(nm·km)，σλ=2.5nm，得到中繼距離

在工程設(shè)計(jì)中，中繼距離應(yīng)取74km。在本例中中繼距離主要受損耗限制。

各種光纖的中繼距離和傳輸速率的關(guān)系

現(xiàn)在可以把反映光纖傳輸系統(tǒng)技術(shù)水平的指標(biāo)、速率×距離(fb×L)乘積大體歸納如下：

0.85μm,SIF光纖，fb×L～0.01×1=0.01(Gb/s)·km0.85μm,GIF光纖，fb×L～0.1×20=2.0(Gb/