《光纤通信》_第7讲_通信系统(2).ppt

,*,*,第七讲,光纤数字通信系统,(2),fiber digital communication system,系统的传输距离与信息容量,表征光纤传输系统传输能力的两个重要指标是,传输距离,和,信息容量,。对于数字系统而言，就是,中继距离,和,码速容量,。这里的,中继距离也指,短距离无中继传输时，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一个,目标,。光纤传输的中继距离，受到两方面的,限制：,一是光纤损耗的限制；,一是光纤色散的限制。,下面分别说明。,3/4/2026,2,(,一,),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、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,不应低于接收机的灵敏度,。,在作这种功率传输预算时，还要,考虑,到系统设计的各种误差、器件长时期使用的退化、维修引起的线路衰耗增大,(,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，称为,系统边际,M,。,3/4/2026,3,因此，传输中的功率损耗分配可以写成：,S,t,-S,r,=2a,c,+a,f,L+a,sl,+M,式中,S,t,及,S,r,分别为发送及接收光功率（接收灵敏度）的分贝毫瓦（,dBm,）,值；,a,c,为活动连接器的衰耗，算作有两个活动连接器；,a,f,为每公里光纤衰耗；,L,为收、发机之间光纤线路长度；,a,sl,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,a,s,值乘以,L,。,在已知,S,t,、,S,r,及各衰耗值时，可在设定一些系统边际后，写出求,中继间距,L,的公式：,3/4/2026,4,L=,（,S,t,-S,r,-2a,c,-,M,e,-,M,s,）,/,（,a,f,+a,s,+,M,c,）,式中：,M,e,：,设备余度，包括环境因素及时间引起老化，对设备性能影响需留出的富余度。,M,s,：,系统设计中考虑各种功率代价留出的富余度。,M,c,：,光缆线路损耗富余度，它是用每公里缆长上的损耗分贝数（,dB,km,）,来计算的，包括使用期内 增加的修复熔接点，线路路由改变、线路增长而留出的余度。,3/4/2026,5,当码率升高时，由于接收机灵敏度下降，,S,r,增大，可由上式看出，中继间隔下降（距离缩短）。,这表明,在衰耗限制情况下，随着码率增高中继距离会减小。,下面我们对几种光纤传输系统的中继距离作一比较。,多模光纤与,0.8umLED,系统；,0.8umLD,或,1.3umLED,多模光纤系统；,1.3umLD,与多模光纤；,1.3umLD,常规单模光纤；,1.55umLD,常规单模光纤；,3/4/2026,6,在几种不同衰耗限制中，以,0.8um,多模光纤及,LED,系统,限制最严重。因为,LED,发送功率只有数十微瓦，光纤又有,3,4dB,km,的损耗，使中继距离低于,10km,；,若使用,LD,光源,，传输距离与用,1.3um,的,LED,光源,结果相当。,因,1.3um,上多模光纤,衰耗已减小到,1,2dB,km,，,所以如用,LD,光源,，可使,L,增加一倍以上,。,如采用,1.3um,的,LD,及常规单模光纤,系统，中继距离将继续加长。由于光纤衰耗在,0.5dB,km,左右，各种码速的通信距离已有很大提高。,在常规,单模光纤的,1.55um,窗口，以,LD,作光源,的情况，由于光纤衰减为,0.3dB,km,，,距离比上一种几乎增加了一倍。,3/4/2026,7,例题（,1,）,一单模,140Mb/s,光纤传输系统。采用,LD,光源，波长,=,1.3,m,，用,5B6B,线路编码，有,S,t,-3dBm,，,S,r,-36dBm,，,M,e,=2dB,，,M,s,=2dB,，,a,c,=0.5dB,，,共用两只，,a,f,=0.5dB/km,，,平均每,2km,一个熔接头，每熔接点衰耗,0.1dB,，,估计以后,20,年内平均每公里损坏,0.5,处，每处修理增加两个熔接点，线路改道增加衰耗,0.01dB/km,，,试计算衰耗限制的传输距离。,解：,根据所给条件先计算,a,s,，,M,c,参数项,a,s,=0.1dB/2km=0.05dB,km,M,c,=0.5/km20.1dB,0.01dB/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,42.4km,3/4/2026,8,(,二,),中继距离受到光纤色散的限制,数字通信理论表明，,数字传输系统的带宽，理论上可允许为传输码率之半,。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,f,L,的带宽上传送,2f,L,的码率。实际常取传输带宽,f,L,(0.7,0.9)f,b,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：,f,L,0.44/,1/2,（,GHz,）,式中,1/2,为光纤的总色散,(,即该光纤引起的脉冲展宽的半宽值,单位为,ns),。,3/4/2026,9,注：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。,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,梯度多模光纤,，是用下式表示色散：,1/2,=,2,m,+,2,M,式中,1/2,为光纤的总色散，,m,为模内色散，,M,为模间色散，,可以用,上两,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,f,L,后，用：,f,c,=L,f,L,（,模内色散,）,f,c,=L,f,L,（,模间色散,）,为带宽距离指数,计算需要的光纤,每公里带宽,f,c,。,3/4/2026,10,例题（,2,）,如果光纤在,1.3,m,波长上的色散系数,m=3ps/kmnm,，,LD,谱线宽度为,1,n,m,，,试核算上题算得的距离能否达到码率要求？上题算得,L=42.4km,。,解：,该光纤色散,m,L,=3ps/km.nm42.4km1nm=127.2,ps,算得带宽,f,L,=0.44/0.1272,ns,=3.46GHz,系统要求的带宽,f,L,(0.7,0.9)f,b,6/5,，,取系数,0.9,，,f,L,=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。,3/4/2026,11,单模光纤,中只有一种模，不存在模间偶合问题，可用,f,c,=L,f,L,计算。在较高码率下，如果选不到满足带宽的光纤，只有使,L,减小，传输受色散（带宽）的限制。,单模光纤的,色散影响较小,，特别是在零色散波长上，理论上有,m=0,（,色散系数）使,m,=m,L=0,，,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,200Mb/s,以上的速率仍不可忽视，这是,因为光纤的零色散波长因制造偏差不一定在,1.31um,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，且峰值波长不一定与光纤零色散波长相重合,，,3/4/2026,12,所以,m,0,引起的脉冲展宽必须考虑。,1989,年,CCITT,提出一个简化的计算方法，即考虑,m,引起的灵敏度下降，给出一个光通道的色散灵敏度代价,D,c,，,它相当于,M,s,，,所以带入中继距离计算式分子中扣除即可。,一般取,D,c,为,0.51 dB,。,在,多模光纤传输系统中,，由于色散对传输距离的限制较严重，在计算中继距离时，多从衰耗及色散的,两方面分别考虑,对中继距离的限制，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。,3/4/2026,13,下图示出各种光纤的,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。,实线,为,损耗限制系统,，,虚线,为,色散限制系统,。,3/4/2026,14,对于波长为,0.85um,的多模光纤,，由于损耗大，中继距离一般在,20km,以内，传输速率很低。,SIF,光纤的速率不如同轴线，,GIF,光纤的速率在,0.1Gb/s,以上就受到色散限制。,单模光纤,在长波长工作，损耗大幅度降低，中继距离可达,100,200km,。,在,1.31um,零色散波长附近，当速率超过,1Gb/s,时，中继距离才受色散限制。,在,1.55 um,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,5Gb/s,，,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,2,Gb/s,。,采用,色散移位光纤,和,外调制,技术，可以使速率达到,20Gb/s,以上。,3/4/2026,15,现在可以把反映光纤传输系统,技术水平,的指标、速率,距离（,f,b,L,）,乘积大体归纳如下：,0.85um,，,SIF,光纤，,f,b,L,0.01 1=0.01(Gb/s)km,0.85um,，,GIF,光纤，,f,b,L,0.1 20=2.0(Gb/s)km,1.31um,，,SMF,光纤，,f,b,L,1 125=125(Gb/s)km,1.55um,，,SMF,光纤，,f,b,L,2 75=175(Gb/s)km,1.55um,，,DSF,光纤，,f,b,L,20 80=1600(Gb/s)km,(Dispersion-Shifted Fiber),3/4/2026,16,总 结,总而言之，光纤的衰耗及色散特性,限制,了中继距离及码速，,限制的程度，还与采用那一种光源有关。,在短波长上,光纤衰耗较大，衰耗限制传输距离最显著；,在高码率下,，脉冲色散限制中继距离，当,码率升高,时，中继距离迅速下降。这一影响在宽谱线的,LED,光源与多模光纤组成的系统中最为明显。,在采用多模光纤及,LD,光源,时，只有模间色散起作用，色散限制有改善。,3/4/2026,17,常规单模光纤,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分配噪声，将,先于,色散对码率和中继距离起限制作用，当采用动态单纵模,DFBLD,时可消除其影响。,当,采用外调制时,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更大。,3/4/2026,18,Thank You,3/4/2026,19,题,1,：,已知有一个,565 Mb/s,单模光纤传输系统，其系统总体要求如下：,（,1,）光纤通信系统的光纤损耗为,0.1 dB/km,，,有,5,个接头，平均每个接头损耗为,0.2 dB,，,光源的入纤功率为,-3,dBm,，,接收机灵敏度为,-56,dBm,（,BER=10,-10,）。,（,2,）,光纤线路上的线路码型是,5B6B,，,光纤的色散系数为,2,ps,/,（,km,nm,），,光源光谱宽度为,1.8 nm,。,求：最大中继距离为多少？,注：设计中选取色散代价为,1 dB,，,光连接器损耗为,1 dB,（,发送和接收端各一个），光纤富余度为,0.1 dB/km,，,设备富余度为,5.5 dB,。,3/4/2026,20,题,2,：,一个二进制传输系统具有以下特性：,(1),单模光纤色散为,15,ps,/,（,nm,km,），,损耗为,0.2 dB/km,。,(2),发射机用,=1551 nm,的,GaAs,激光器，发射平均光功率为,5,mW,，,谱宽为,2 nm,。,(3),为了正常工作，,APD,接收机需要平均,1000,个光子,/,比特。,(4),在发射机和接收机处耦合损耗共计,3 dB,。,求：,a.,数据速率为,10,和,100 Mb/s,时，找出受损耗限制的最大传输距离。,b.,数据速率为,10,和,100 Mb/s,时，找出受色散限制的最大传输距离。,3/4/2026,21,3/4/2026,22,