光纤通信系统的性能与设计基础知识.pdf

光纤通信系统的性能与设计光纤通信系统的性能与设计光纤通信系统的性能与设计光纤通信系统的性能与设计 基础知识培训基础知识培训基础知识培训基础知识培训 深圳思达光电通信技术有限公司深圳思达光电通信技术有限公司深圳思达光电通信技术有限公司深圳思达光电通信技术有限公司 工程技术部工程技术部工程技术部工程技术部 编制编制编制编制 光纤通信系统的性能与设计光纤通信系统的性能与设计光纤通信系统的性能与设计光纤通信系统的性能与设计 1 1 1 1 光纤通信系统结构光纤通信系统结构光纤通信系统结构光纤通信系统结构 2 2 2 2 光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制 3 3 3 3 光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制 4 4 4 4 光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算 1 1 光纤通信系统结构光纤通信系统结构光纤通信系统结构光纤通信系统结构 ? ? 光纤通信系统的主要组成单元：光纤通信系统的主要组成单元：光纤通信系统的主要组成单元：光纤通信系统的主要组成单元： ? ? 光纤光纤光纤光纤 ? ? 光器件光器件光器件光器件 ? ? 光发送机光发送机光发送机光发送机 ? ? 光接收机光接收机光接收机光接收机 ? ? 光放大器光放大器光放大器光放大器 ? ? 根据光纤系统的应用可分为根据光纤系统的应用可分为根据光纤系统的应用可分为根据光纤系统的应用可分为 ? ? 点到点连接点到点连接点到点连接点到点连接 ? ? 广播和分配网广播和分配网广播和分配网广播和分配网 ? ? 局域网局域网局域网局域网 1.1 1.1 点到点的传输系统点到点的传输系统点到点的传输系统点到点的传输系统 ? ? 利用光纤的利用光纤的利用光纤的利用光纤的低损耗、宽带宽低损耗、宽带宽低损耗、宽带宽低损耗、宽带宽特点特点特点特点 ? ? 第一代光波系统第一代光波系统第一代光波系统第一代光波系统: : : : 0.850.850.850.85 mmmm ? ? 第二代光波系统：第二代光波系统：第二代光波系统：第二代光波系统：1 1 1 1.3.3.3.3 mmmm ? ? 第三代光波系统：第三代光波系统：第三代光波系统：第三代光波系统：1 1 1 1.55.55.55.55 mmmm 光发射机光发射机光发射机光发射机 光发射机光发射机光发射机光发射机 光发射机光发射机光发射机光发射机 光发射机光发射机光发射机光发射机 NNNN 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 光接收机光接收机光接收机光接收机 光接收机光接收机光接收机光接收机 光接收机光接收机光接收机光接收机 光接收机光接收机光接收机光接收机 EDFAEDFAEDFAEDFA 功放功放功放功放线放线放线放线放预放预放预放预放 MUXMUXMUXMUXDEMUXDEMUXDEMUXDEMUX 典型的点对点光纤通信系统典型的点对点光纤通信系统典型的点对点光纤通信系统典型的点对点光纤通信系统 1 1 1 1 NNNN 3 3 3 3 2 2 2 2 1.2 1.2 光纤分配网光纤分配网光纤分配网光纤分配网 ? ? 功能：功能：功能：功能：光纤通信系统不仅要求传送信息，光纤通信系统不仅要求传送信息，光纤通信系统不仅要求传送信息，光纤通信系统不仅要求传送信息， 而且要求将信息分配给多个用户而且要求将信息分配给多个用户而且要求将信息分配给多个用户而且要求将信息分配给多个用户 ? ? 特点：特点：特点：特点：传输距离较短、带宽要求宽传输距离较短、带宽要求宽传输距离较短、带宽要求宽传输距离较短、带宽要求宽 ? ? 结构：结构：结构：结构：树型拓扑、总线拓扑树型拓扑、总线拓扑树型拓扑、总线拓扑树型拓扑、总线拓扑 Hub Hub Hub Hub Hub 信道在中心点分配，光纤的信道在中心点分配，光纤的信道在中心点分配，光纤的信道在中心点分配，光纤的 作用与点到点连接系统类似。作用与点到点连接系统类似。作用与点到点连接系统类似。作用与点到点连接系统类似。 树形拓扑结构树形拓扑结构树形拓扑结构树形拓扑结构 143 2 N Bus 单根光纤承载整个业务范围的多信道光信号，通过光接头完单根光纤承载整个业务范围的多信道光信号，通过光接头完单根光纤承载整个业务范围的多信道光信号，通过光接头完单根光纤承载整个业务范围的多信道光信号，通过光接头完 成分路，光分路器将一小部分功率分送给每个用户。多路视成分路，光分路器将一小部分功率分送给每个用户。多路视成分路，光分路器将一小部分功率分送给每个用户。多路视成分路，光分路器将一小部分功率分送给每个用户。多路视 频信道分配频信道分配频信道分配频信道分配CATVCATVCATVCATV系统；高清晰度电视系统；高清晰度电视系统；高清晰度电视系统；高清晰度电视HDTVHDTVHDTVHDTV。 总线拓扑结构总线拓扑结构总线拓扑结构总线拓扑结构 1.3 1.3 局域网局域网局域网局域网 ? ? 局域网：局域网：局域网：局域网：在光纤通信系统中，要求在网络中一个在光纤通信系统中，要求在网络中一个在光纤通信系统中，要求在网络中一个在光纤通信系统中，要求在网络中一个 局部区域内（如在一个大学校园内）的大量用户局部区域内（如在一个大学校园内）的大量用户局部区域内（如在一个大学校园内）的大量用户局部区域内（如在一个大学校园内）的大量用户 相互连接，使任何用户可以随机地进入网络，将相互连接，使任何用户可以随机地进入网络，将相互连接，使任何用户可以随机地进入网络，将相互连接，使任何用户可以随机地进入网络，将 数据传送给其他任何用户。数据传送给其他任何用户。数据传送给其他任何用户。数据传送给其他任何用户。 ? ? LANLANLANLAN中要求对每个用户提供中要求对每个用户提供中要求对每个用户提供中要求对每个用户提供随机的收发数据功随机的收发数据功随机的收发数据功随机的收发数据功 能，存在网络协议问题。能，存在网络协议问题。能，存在网络协议问题。能，存在网络协议问题。 ? ? 结构：结构：结构：结构：总线型总线型总线型总线型BusBusBusBus、 环型环型环型环型RingRingRingRing、星型星型星型星型StarStarStarStar 例子：例子：例子：例子：“以太网以太网以太网以太网” 协议：碰撞检测的载波侦听多路存取（协议：碰撞检测的载波侦听多路存取（协议：碰撞检测的载波侦听多路存取（协议：碰撞检测的载波侦听多路存取（CSMA/CDCSMA/CDCSMA/CDCSMA/CD） 限制：与每个分支的损耗有关，用户数不能太多。限制：与每个分支的损耗有关，用户数不能太多。限制：与每个分支的损耗有关，用户数不能太多。限制：与每个分支的损耗有关，用户数不能太多。 1 N-2 N-1 N2 环形拓扑结构环形拓扑结构环形拓扑结构环形拓扑结构 点到点连接将节点依次相点到点连接将节点依次相点到点连接将节点依次相点到点连接将节点依次相 连以形成单个闭合环。各节连以形成单个闭合环。各节连以形成单个闭合环。各节连以形成单个闭合环。各节 点中均设置有发送机接收点中均设置有发送机接收点中均设置有发送机接收点中均设置有发送机接收 机对，均可发送和接收数机对，均可发送和接收数机对，均可发送和接收数机对，均可发送和接收数 据，也用作中继器。据，也用作中继器。据，也用作中继器。据，也用作中继器。 一个一个一个一个令牌令牌令牌令牌（一个预先确定（一个预先确定（一个预先确定（一个预先确定 的比特率）在环内传递，每的比特率）在环内传递，每的比特率）在环内传递，每的比特率）在环内传递，每 个节点都监视比特率以监听个节点都监视比特率以监听个节点都监视比特率以监听个节点都监视比特率以监听 它自己的地址和接收数据。它自己的地址和接收数据。它自己的地址和接收数据。它自己的地址和接收数据。 随着光纤分布式数据接口随着光纤分布式数据接口随着光纤分布式数据接口随着光纤分布式数据接口 FDDIFDDIFDDIFDDI的标准接口的出现，的标准接口的出现，的标准接口的出现，的标准接口的出现， 光纤光纤光纤光纤LANLANLANLAN开始普遍采用环开始普遍采用环开始普遍采用环开始普遍采用环 形拓扑结构。形拓扑结构。形拓扑结构。形拓扑结构。 星形拓扑结构星形拓扑结构星形拓扑结构星形拓扑结构 2 N-1 N4 3 1 Star coupler 所有节点都通过点到点连接所有节点都通过点到点连接所有节点都通过点到点连接所有节点都通过点到点连接 接到中心站接到中心站接到中心站接到中心站( ( ( (中枢节点中枢节点中枢节点中枢节点) ) ) )上。上。上。上。 有源星形结构：有源星形结构：有源星形结构：有源星形结构：所有到达的所有到达的所有到达的所有到达的 光信号都通过光接收机转换为光信号都通过光接收机转换为光信号都通过光接收机转换为光信号都通过光接收机转换为 电信号，再将电信号分配以驱电信号，再将电信号分配以驱电信号，再将电信号分配以驱电信号，再将电信号分配以驱 动各个节点的光发送机。动各个节点的光发送机。动各个节点的光发送机。动各个节点的光发送机。 无源星形结构：无源星形结构：无源星形结构：无源星形结构：采用星形耦采用星形耦采用星形耦采用星形耦 合器等无源光器件在光域进行合器等无源光器件在光域进行合器等无源光器件在光域进行合器等无源光器件在光域进行 分配。由于从一个节点的输入分配。由于从一个节点的输入分配。由于从一个节点的输入分配。由于从一个节点的输入 被分配到许多输出节点，因此被分配到许多输出节点，因此被分配到许多输出节点，因此被分配到许多输出节点，因此 传送到每个节点的功率将受用传送到每个节点的功率将受用传送到每个节点的功率将受用传送到每个节点的功率将受用 户数的限制。户数的限制。户数的限制。户数的限制。 光纤通信系统的性能与设计光纤通信系统的性能与设计光纤通信系统的性能与设计光纤通信系统的性能与设计 1 1 1 1 光纤通信系统结构光纤通信系统结构光纤通信系统结构光纤通信系统结构 2 2 2 2 光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制 3 3 3 3 光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制 4 4 4 4 光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响 5 5 5 5 信道串扰信道串扰信道串扰信道串扰 6 6 6 6 光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算 2 2 光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制 第二传输窗口第二传输窗口第二传输窗口第二传输窗口 第一传输窗口第一传输窗口第一传输窗口第一传输窗口 13001300130013001550155015501550850850850850 紫外吸收紫外吸收紫外吸收紫外吸收 红外吸收红外吸收红外吸收红外吸收 瑞利散射瑞利散射瑞利散射瑞利散射 0.20.20.20.2 2.52.52.52.5 损损损损 耗耗耗耗 ( ( ( (dB/km)dB/km)dB/km)dB/km) 波波波波 长长长长 ( ( ( (nm)nm)nm)nm) OHOHOHOH离子吸收峰离子吸收峰离子吸收峰离子吸收峰 第三传输窗口第三传输窗口第三传输窗口第三传输窗口 光纤的损耗谱特性光纤的损耗谱特性光纤的损耗谱特性光纤的损耗谱特性 损耗限制光波系统损耗限制光波系统损耗限制光波系统损耗限制光波系统 ? ? 设发送机发出的最大平均功率为设发送机发出的最大平均功率为设发送机发出的最大平均功率为设发送机发出的最大平均功率为P P P P t t t t ，而光接收机的接收灵，而光接收机的接收灵，而光接收机的接收灵，而光接收机的接收灵 敏度为敏度为敏度为敏度为P P P P r r r r ，则最大传输距离为：，则最大传输距离为：，则最大传输距离为：，则最大传输距离为： tottottottot (dB/km)(dB/km)(dB/km)(dB/km)为光纤损耗，包括对接损耗和活动连接损耗。为光纤损耗，包括对接损耗和活动连接损耗。为光纤损耗，包括对接损耗和活动连接损耗。为光纤损耗，包括对接损耗和活动连接损耗。 ? ? 由于接收机灵敏度由于接收机灵敏度由于接收机灵敏度由于接收机灵敏度P P P P r r r r 随比特率随比特率随比特率随比特率B BB B线性变化：线性变化：线性变化：线性变化： 因此传输距离亦与比特率有关。因此传输距离亦与比特率有关。因此传输距离亦与比特率有关。因此传输距离亦与比特率有关。 h h 为光子能量，为光子能量，为光子能量，为光子能量， NNNN p p p p 为为为为 接收机所要求的每比特的平均光子数。接收机所要求的每比特的平均光子数。接收机所要求的每比特的平均光子数。接收机所要求的每比特的平均光子数。 ? ? 在给定工作波长处，在给定工作波长处，在给定工作波长处，在给定工作波长处，L L L L随比特率随比特率随比特率随比特率B BB B的增加而呈对数关系降低。的增加而呈对数关系降低。的增加而呈对数关系降低。的增加而呈对数关系降低。 = r t tot P P L 10 log 10 BhNP pr = 光纤通信系统的性能与设计光纤通信系统的性能与设计光纤通信系统的性能与设计光纤通信系统的性能与设计 1 1 1 1 光纤通信系统结构光纤通信系统结构光纤通信系统结构光纤通信系统结构 2 2 2 2 光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制 3 3 3 3 光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制 4 4 4 4 光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响光纤中的非线性光学效应对系统的影响 5 5 5 5 信道串扰信道串扰信道串扰信道串扰 6 6 6 6 光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算光纤通信系统设计中的功率预算 光纤色散光纤色散光纤色散光纤色散: : : :信号能量中的各种分量由于在光纤中信号能量中的各种分量由于在光纤中信号能量中的各种分量由于在光纤中信号能量中的各种分量由于在光纤中 传输速度不同，而引起的信号畸变。传输速度不同，而引起的信号畸变。传输速度不同，而引起的信号畸变。传输速度不同，而引起的信号畸变。 色散限制色散限制色散限制色散限制: : : :光纤色散导致的信号畸变限制系统的光纤色散导致的信号畸变限制系统的光纤色散导致的信号畸变限制系统的光纤色散导致的信号畸变限制系统的 传输距离。传输距离。传输距离。传输距离。 色散类型色散类型色散类型色散类型 模间色散（仅多模光纤有）模间色散（仅多模光纤有）模间色散（仅多模光纤有）模间色散（仅多模光纤有） 波导色散波导色散波导色散波导色散 材料色散材料色散材料色散材料色散 偏振模色散偏振模色散偏振模色散偏振模色散 波长色散波长色散波长色散波长色散 一、光纤色散一、光纤色散一、光纤色散一、光纤色散 3 3 光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制 二、色散与光纤二、色散与光纤二、色散与光纤二、色散与光纤 G.652G.652G.652G.652（标准单模光纤标准单模光纤标准单模光纤标准单模光纤SMFSMFSMFSMF）: : : : 零色散波长零色散波长零色散波长零色散波长:1300:1300:1300:1300nmnmnmnm 1550155015501550色散色散色散色散:1617:1617:1617:1617pspspsps/nm.km/nm.km/nm.km/nm.km G.653G.653G.653G.653（色散位移光纤色散位移光纤色散位移光纤色散位移光纤DSFDSFDSFDSF）: : : : 零色散波长零色散波长零色散波长零色散波长:1550:1550:1550:1550nmnmnmnm G.655G.655G.655G.655（非零色散位移光纤非零色散位移光纤非零色散位移光纤非零色散位移光纤NZDSFNZDSFNZDSFNZDSF）: : : : 1550nm1550nm1550nm1550nm色散色散色散色散:26:26:26:26pspspsps/nm.km/nm.km/nm.km/nm.km 三、色散限制三、色散限制三、色散限制三、色散限制 ? ? 光纤色散导致的信号畸变限制系统的传输距离。光纤色散导致的信号畸变限制系统的传输距离。光纤色散导致的信号畸变限制系统的传输距离。光纤色散导致的信号畸变限制系统的传输距离。 ? ? 导致色散限制的物理机制随不同波长而不同。导致色散限制的物理机制随不同波长而不同。导致色散限制的物理机制随不同波长而不同。导致色散限制的物理机制随不同波长而不同。 1. 0.851. 0.851. 0.851. 0.85 mmmm光波系统光波系统光波系统光波系统 第一代光波系统，通常采用低成本的多模光纤作第一代光波系统，通常采用低成本的多模光纤作第一代光波系统，通常采用低成本的多模光纤作第一代光波系统，通常采用低成本的多模光纤作 为传输媒质。为传输媒质。为传输媒质。为传输媒质。主要限制因素是模间色散。主要限制因素是模间色散。主要限制因素是模间色散。主要限制因素是模间色散。 2. 2. 2. 2. 1.31.31.31.3 mmmm光波系统光波系统光波系统光波系统 ? ? 第二代光波系统采用最小色散波长在第二代光波系统采用最小色散波长在第二代光波系统采用最小色散波长在第二代光波系统采用最小色散波长在 1.31.31.31.3 mmmm附近的单模光纤，附近的单模光纤，附近的单模光纤，附近的单模光纤，最大的限制因素最大的限制因素最大的限制因素最大的限制因素 是由较大的光源谱宽支配的由色散导致的脉是由较大的光源谱宽支配的由色散导致的脉是由较大的光源谱宽支配的由色散导致的脉是由较大的光源谱宽支配的由色散导致的脉 冲展宽冲展宽冲展宽冲展宽。 当当当当B1Gb/sB1Gb/sB1Gb/sB1Gb/sB1Gb/s时则变为色散限制系统。时则变为色散限制系统。时则变为色散限制系统。时则变为色散限制系统。 - 色散限制色散限制色散限制色散限制 3. 3. 3. 3. 1.551.551.551.55 mmmm光波系统光波系统光波系统光波系统 ? ? 第三代光波系统工作在损耗最小的第三代光波系统工作在损耗最小的第三代光波系统工作在损耗最小的第三代光波系统工作在损耗最小的1.551.551.551.55 mmmm 波长，波长，波长，波长，光纤色散是系统的主要限制因素光纤色散是系统的主要限制因素光纤色散是系统的主要限制因素光纤色散是系统的主要限制因素。 ? ? 对普通单模光纤，在对普通单模光纤，在对普通单模光纤，在对普通单模光纤，在1.551.551.551.55 mmmm处处处处D DD D的典型值为的典型值为的典型值为的典型值为 17171717pspspsps/(km/(km/(km/(km- - - -nm)nm)nm)nm)，色散值比较高，由色散导色散值比较高，由色散导色散值比较高，由色散导色散值比较高，由色散导 致的脉冲展宽较大，系统处于致的脉冲展宽较大，系统处于致的脉冲展宽较大，系统处于致的脉冲展宽较大，系统处于色散限制状态色散限制状态色散限制状态色散限制状态。 采用采用采用采用单纵模半导体光源可大大缓解这种限制单纵模半导体光源可大大缓解这种限制单纵模半导体光源可大大缓解这种限制单纵模半导体光源可大大缓解这种限制 光纤色散导致的信号脉冲畸光纤色散导致的信号脉冲畸光纤色散导致的信号脉冲畸光纤色散导致的信号脉冲畸 变，与变，与变，与变，与光源线宽、信号啁啾、调光源线宽、信号啁啾、调光源线宽、信号啁啾、调光源线宽、信号啁啾、调 制展宽制展宽制展宽制展宽等因素有关。等因素有关。等因素有关。等因素有关。 直接调制系统中，光源的调制直接调制系统中，光源的调制直接调制系统中，光源的调制直接调制系统中，光源的调制 啁啾及光纤色散导致信号畸变。啁啾及光纤色散导致信号畸变。啁啾及光纤色散导致信号畸变。啁啾及光纤色散导致信号畸变。 对于对于对于对于2.52.52.52.5GbGbGbGb/s/s/s/s系统系统系统系统, , , ,放大器的积放大器的积放大器的积放大器的积 累噪声成为传输距离主要限制。累噪声成为传输距离主要限制。累噪声成为传输距离主要限制。累噪声成为传输距离主要限制。 对于对于对于对于10101010GbGbGbGb/s/s/s/s系统系统系统系统, , , ,光纤色散成光纤色散成光纤色散成光纤色散成 为传输距离的主要限制。为传输距离的主要限制。为传输距离的主要限制。为传输距离的主要限制。 4 4 功率预算功率预算功率预算功率预算 （用（用（用（用dBmdBm表示）表示）表示）表示） 信道损耗包括：信道损耗包括：信道损耗包括：信道损耗包括： confL LC+= 光纤损耗光纤损耗光纤损耗光纤损耗( ( ( (dB/km)dB/km)dB/km)dB/km) 连接损耗连接损耗连接损耗连接损耗 （固定连接（固定连接（固定连接（固定连接0.10.20.10.20.10.20.10.2dB,dB,dB,dB, 活动连接活动连接活动连接活动连接1111dB)dB)dB)dB) SRTL MPPC= 发射功率发射功率发射功率发射功率接收灵敏度接收灵敏度接收灵敏度接收灵敏度 系统功率余量系统功率余量系统功率余量系统功率余量信道总损耗信道总损耗信道总损耗信道总损耗 功率余量：功率余量：功率余量：功率余量： 元器件老化元器件老化元器件老化元器件老化 温度变化温度变化温度变化温度变化 其他不可预知事件引其他不可预知事件引其他不可预知事件