光纤通信第7讲通信系统

第七讲光纤数字通信系统(2)

fiberdigitalmunicationsystem系统的传输距离与信息容量12/15/20221光纤通信》第7讲通信系统共22页，您现在浏览的是第1页!

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。12/15/20222光纤通信》第7讲通信系统共22页，您现在浏览的是第2页!(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。12/15/20223光纤通信》第7讲通信系统共22页，您现在浏览的是第3页!

L=（St-Sr-2ac-

Me-

Ms）/（af+as+

Mc）

式中：

Me：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。

Ms：系统设计中考虑各种功率代价留出的富余度。

Mc：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。12/15/20224光纤通信》第7讲通信系统共22页，您现在浏览的是第4页!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。12/15/20225光纤通信》第7讲通信系统共22页，您现在浏览的是第5页!(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fL的带宽上传送2fL的码率。实际常取传输带宽

fL＝(0.7～0.9)fb

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：

fL＝0.44/τ1/2（GHz）

式中τ1/2

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)。12/15/20226光纤通信》第7讲通信系统共22页，您现在浏览的是第6页!例题（2）

如果光纤在1.3μm波长上的色散系数m=3ps/km·nm，LD谱线宽度为1nm，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τ＝m△ωL=3ps/km.nm×42.4km×1nm=127.2ps算得带宽fL=0.44/0.1272ns=3.46GHz系统要求的带宽f’L＝(0.7－0.9)fb×6/5，取系数0.9，fL=0.9×6/5×139.264Mb=0.15GHz

因此传输距离不受色散限制，为衰耗限制系统。12/15/20227光纤通信》第7讲通信系统共22页，您现在浏览的是第7页!所以τm≠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τm引起的灵敏度下降，给出一个光通道的色散灵敏度代价Dc，它相当于Ms，所以带入中继距离计算式分子中扣除即可。一般取Dc为0.5~1dB。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。12/15/20228光纤通信》第7讲通信系统共22页，您现在浏览的是第8页!

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1.55um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2Gb/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。12/15/20229光纤通信》第7讲通信系统共22页，您现在浏览的是第9页!

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。12/15/202210光纤通信》第7讲通信系统共22页，您现在浏览的是第10页!ThankYou12/15/202211光纤通信》第7讲通信系统共22页，您现在浏览的是第11页!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15ps/（nm·km），损耗为0.2dB/km。(2)发射机用λ=1551nm的GaAs激光器，发射平均光功率为5mW，谱宽为2nm。(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3dB。求：a.数据速率为10和100Mb/s时，找出受损耗限制的最大传输距离。b.数据速率为10和100Mb/s时，找出受色散限制的最大传输距离。12/15/202212光纤通信》第7讲通信系统共22页，您现在浏览的是第12页!

因此，传输中的功率损耗分配可以写成：

St-Sr=2ac+afL+∑asl+M式中St及Sr分别为发送及接收光功率（接收灵敏度）的分贝毫瓦（dBm）值；ac为活动连接器的衰耗，算作有两个活动连接器；af为每公里光纤衰耗；L为收、发机之间光纤线路长度；∑asl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as值乘以L。在已知St、

Sr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：12/15/202213光纤通信》第7讲通信系统共22页，您现在浏览的是第13页!

当码率升高时，由于接收机灵敏度下降，Sr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；

12/15/202214光纤通信》第7讲通信系统共22页，您现在浏览的是第14页!例题（1）

一单模140Mb/s光纤传输系统。采用LD光源，波长λ=1.3μm，用5B6B线路编码，有St＝-3dBm，Sr＝-36dBm，Me

=2dB，Ms=2dB，ac=0.5dB，共用两只，af=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as，Mc参数项

as=0.1dB/2km=0.05dB／km

Mc=0.5/km×2×0.1dB＋0.01dB/km=0.11dB/km

L=(-3-(-36)-2×0.5-2-2)/(0.5+0.05+0.11)=42.4km答：最大传输距离为42.4km12/15/202215光纤通信》第7讲通信系统共22页，您现在浏览的是第15页!

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：

τ1/2=√τ2m+

τ2M式中τ1/2为光纤的总色散，τm为模内色散，τM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fL后，用：

fc=L

fL

（模内色散）

fc=LγfL

（模间色散）

γ为带宽距离指数

计算需要的光纤每公里带宽fc。

12/15/202216光纤通信》第7讲通信系统共22页，您现在浏览的是第16页!

单模光纤中只有一种模，不存在模间偶合问题，可用fc=L

fL

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τm=m△ωL=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，12/15/202217光纤通信》第7讲通信系统共22页，您现在浏览的是第17页!

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。12/15/202218光纤通信》第7讲通信系统共22页，您现在浏览的是第18页!

现在可以把反映光纤传输系统技术水平的指标、速率×距离（fb×L）乘积大体归纳如下：

0.85um，SIF光纤，fb×L～0.01×1=0.01(Gb/s)·km0.85um，GIF光纤，fb×L～0.1×20=2.0(Gb/s)·km1.31um，SMF光纤，fb×L～1×125=125(Gb/s)·km1.55um，SMF光纤，fb×L～2×75=175(Gb/s)·km1.55um，DSF光纤，fb×L～20×80=1600(Gb/s)·km(Dispersion-ShiftedFiber)12/15/202219光纤通信》