光纤通信系统设计课件

1第7章 光纤通信系统设计1第7章 光纤通信系统设计2本章内容、重点、难点和要求本章内容损耗受限系统的再生段距离的设计。色散受限系统的再生段距离的设计。损耗受限和色散受限系统的再生段距离的设计示例。本章重点和难点损耗受限和色散受限系统的再生段距离的设计示例。学习本章目的和要求掌握再生段距离设计的方法。2本章内容、重点、难点和要求本章内容3

光纤通信系统/网络的总体设计必须从实际需求出发，光纤通信网络的设计规划涉及网络拓扑和路由选择、网络容量确定、业务通路组织、设备线路类型选择、最大中继距离计算等。网络拓扑、线路路由选择网络/系统容量的确定光纤/光缆选型透择合适的设备，核实设备的性能指标光传输设计系统的总体考虑3光纤通信系统/网络的总体设计必须从实际需求出4光传输设计主要内容是根据应用对传输距离的需求，确定经济而且可靠工作的光接口，并根据光接口的具体参数指标进行预算，验证再生段能可靠工作且经济上尽可能低成本。一个光再生段也称为光缆线路系统。在实际组网应用中通常有三种光传输设计方法：即最坏值设计法联合设计法统计设计法(包括半统计设计法)

再生段的设计4光传输设计主要内容是根据应用对传输距离的需求，确定经济而且5光再生段模型包括发送机、光通道和接收机。发送机与光通道之间定义S参考点，光通道与接收机之间定义R

参考点，S参考点与R参考点之间为光通道。L表示S-R之间的距离。5光再生段模型包括发送机、光通道和接收机。发送机与光通道之间6光缆数字线路系统设计的基本方法是最坏值设计法。所谓最坏值设计法，就是在设计再生段距离时，将所有参数值都按最坏值选取，而不管其具体分布如何。按照ITU−T建议G.957的规定，允许的光通道损耗PSR为：

PSR

=PT−PR−P0

（7-1）PT—光发送功率；PR—光接收灵敏度；P0—光通道功率代价。7.1损耗受限系统设计6光缆数字线路系统设计的基本方法是最坏值设计法。7.1损耗7

P0在实际中可以等效为附加接收损耗，需扣除，于是实际S-R点的允许损耗为：

式中，Af

表示再生段平均光缆衰减系数（dB/km），AS

是再生段平均接头损耗（dB），Lf

是单盘光缆的盘长（km），Mc

是光缆富余度（dB/km），AC

是光纤配线盘上的活动连接器损耗（dB），这里按两个考虑。7P0在实际中可以等效为附加接收损耗，需扣除8图7-1光通道损耗的组成在中继距离的设计中应考虑衰减和色散这两个限制因素，因而对于中继距离的设计可以分为两种情况来讨论。第一种情况是损耗受限系统，即再生段距离由S和R点之间的光通道损耗决定。第二种情况是色散受限系统，即再生段距离由S和R点之间的光通道总色散所限定。8图7-1光通道损耗的组成在中继距离的设计中应考虑衰减和9

损耗受限系统的实际可达再生段距离估算：

（7-3）所以（7-4）其中 9损耗受限系统的实际可达再生段距离估算：10式中PT为发送光功率（dBm），PR为光接收灵敏度（dBm），AC是光纤配线盘上的收发端两个附加活动连接器损耗（dB），PP为光通道功率代价（dB），由反射功率代价Pr和色散功率代价Pd组成，Me为系统设备富裕度（dB），Mc为光缆富余度（dB/km），n是再生段内所用光缆的盘数，αfi是单盘光缆的衰减系数（dB/km），Af表示再生段平均光缆衰减系数（dB/km），αsi是单个光纤接头的损耗（dB），AS是再生段平均接头损耗（dB）。10式中PT为发送光功率（dBm），PR为光接收灵敏度（dB11采用最坏值法设计时，再生段距离Ll的计算公式（7−4）可以简化为下式（7-7）11采用最坏值法设计时，再生段距离Ll的计算公式（7−4）可127.2色散受限系统设计

色散受限系统的再生段距离的最坏值可用下式估算：Ld=DSR/Dm

（7-8）其中DSR为S点和R点之间允许的最大色散值，可以从相关的标准表格中查到，Dm为允许工作波长范围内的最大光纤色散系数，单位为ps/（nm·km），可取实际光纤色散分布最大值。127.2色散受限系统设计色散受限系统的13（1）多纵模激光器(MLM-LD)和发光二极管（LED）

（7-9）式中：fb是线路信号比特率，单位为Mbit/s；Dm

是光纤色散系数，单位为ps/（nm·km）；δλ是光源的均方根谱宽，单位为nm；ε是与色散代价有关的系数，当光源为多纵模激光器（MLM−LD）时，ε取0.115，若为发光二极管，ε取0.306。13（1）多纵模激光器(MLM-LD)和发光二极管（LED）14（2）单纵模激光器（SLM-LD）（7-10）

式中α为啁啾系数，当采用普通DFB激光器作为系统光源时，α取值范围为4～6；当采用新型的量子阱激光器时，α取值范围为2～4；λ为波长（单位为nm）；fb为线路信号比特率（单位为Tbit/s）。以2.4Gbit/s系统为例，假设工作波长λ为1550nm，Dm为17ps/（nm·km），则采用普通量子阱激光器（设α=3）和EA调制器（设α=0.5）后，传输距离可以分别达101km和607km。14（2）单纵模激光器（SLM-LD）15（3）采用外调制器

（7-11）

式中c为光速。以2.4Gbit/s为例，λ=1550nm，Dm=17ps/（nm·km），则采用M-Z外调制器的系统色度色散受限距离可以延长到1275km左右。实际系统设计分析时，首先根据式（7-4）或（7-7）算出损耗受限的距离，再根据式（7-8）至式（7-11）算出色散受限的距离，最后选择其中较短的一个即为最大再生段距离。15（3）采用外调制器 167.4应用举例

【例1】

以STM−16长途通信系统光传输设计为例。计划建设一条2.5Gbit/s单模光纤干线系统，系统采用单纵模激光器，沿途具备设站条件的候选站点间的距离为（57～70）km，系统设计要求设备富余度Me为4dB，光缆富余度Mc为0.05dB/km。

167.4应用举例【例1】以STM−16长途通信系17步骤1：先分析所设计的系统为那种再生段类型根据上述70km的最长站间距离可以初选L−16.2系统（其目标距离80km），并假设工作波长为极端的1580nm，单盘光缆的衰减系数Af=0.22dB/km，单个光纤熔接接头的损耗αs=0.1（dB），单盘光缆的盘长Lf=2km，活动连接器损耗AC=0.35dB，光纤色散系数Dm=20ps/（nm·km），接收机动态范围Dr=18dBm。依据L−16.2规定，PT=（−2～3）dBm，PR=−28dBm，P0=2dB，设激光器啁啾系数α=3，则依据式（7-4）和式（7-10）可以分别计算出：17步骤1：先分析所设计的系统为那种再生段类型根据上述70k18（1），根据最坏值设计法计算损耗限制系统（采用公式7-7）最大无中继距离：18（1），根据最坏值设计法计算损耗限制系统（采用公式7-719（2），根据最坏值设计法计算色散限制系统（因光源器件采用单纵模激光器，选用公式(7-12)最大中继距离：

由于Ll＜LC，所以此系统为损耗受限系统，且能满足58km无中继传输距离的要求。19（2），根据最坏值设计法计算色散限制系统（因光源器件采用20若系统速率较低，光纤损耗系数较大，则最大中继距离首先考虑损耗限制，要求S和R参考点之间光纤线路总损耗必须不超过系统的总功率衰减。即：或其中，PT为平均发送光功率，PR是接收灵敏度，Ac是连接器损耗（dB/km），Me是系统余量，Af是光纤损耗系数（dB/km），As是每公里光纤平均接头损耗（dB/km），Mc是每公里光纤线路损耗余量（dB/km），L是中继距离。步骤2：简易估算法：20若系统速率较低，光纤损耗系数较大，则最大中继距离首先考虑21【例2】长途光纤系统各部分参数如下：系数速率为564.992Mbit/s，码型为8BIH，光的发射功率2.7dBm，接收灵敏度－34dBm，接收机动态范围24dB，BER＝10-10，设备的富余度3dB，光缆线路富余度主0.08dB/km,光缆配线架连接器的损耗为0.5dB/个，光纤损耗为0.33dB/km，光纤接头损耗为0.04dB/km，光源采用MLM－LD，光源谱宽主1.6nm,光纤色散系数为2.5ps/nm.km,ε光通道功率参数取0.115。试求：（1）对系统进行预算，确定出合适的中继距离范围。（2）指出该系统是何种因素的限制系统。

21【例2】长途光纤系统各部分参数如下：系数速率为564.22解：由题意可列出损耗限制系统参数

PT=2.7dBm,PR=-34dBm,Dr=24dB（若需计算过载）,Me=3dB,Mc=0.08dB/km,Af=0.33dB,Ac=0.5dB,As/Lf=0.04dB/km,

色散限制系统参数

fb=564.992*9/8=635.616MHzDm=2.5ps/nm·km，ε=0.115，δλ=1.6nm

22解：由题意可列出损耗限制系统参数23

（1）因为系统工作速率较低，损耗限制距离适用简易估算法：但本例工作波长窗口色散较大，又因为采用多纵模激光器，色散限制距离适用公式（7-11）为：所以选择其中较小的值，则中继距离取45.2km。

(2)该系统是色散限制系统。23（1）因为系统工作速率较低，损耗限制距离适用简24【例3】p214【例2】本题的要求是给定了一个较短的中继距离，需要分析系统是否会过载，是从最小中继距离反过来求算应设定的输出功率，属于逆向计算的方法。又因为是从过载点考虑问题，所以设定系统容许选定的中继距离为利用过载点功率来计算的最短值，故应小于现场条件设定的20公里，即保证不过载。24【例3】p214【例2】本题的要求是给定了一个较短的25【例4】练习题7-4解：依题意

fb=622.080MHz,δλ=2nm，PT=2dBm,PR=-30dBm,Dr≥20dB,P0=1dBm,Ac=1dB,As/Lf=0.1dB/km,Af=0.28dB/km,Me=3.2dB,Mc=0.1dB/km,D=2ps/nm·km。（1），按损耗限制系统预算最大中继距离：25【例4】练习题7-426

（2），按色散限制系统预算最大中继距离，因为采用多纵模激光器光源，适用公式（7-11）且ε取值0.115：

（3），由于Ld<Lmax，该通信系统最大中继距离为46.2km。26（2），按色散限制系统预算最大中继距离，因为27电吸收调制器(EA)吸收调制器(EA)是一种损耗调制器，EA调制器的基本原理是：改变调制器上的偏压，使量子阱(MQW)的吸收边界发生变化，进而改变光束的通断，实现调制。EA调制器容易与激光器集成在一起，形成体积小、结构紧凑的弹片集成组件，而且需要的驱动电压也比较低。但它的频率啁啾比M-Z(Mach-Zahnder）波导调制器要大。不适合传输距离特别长的高速海缆系统。27电吸收调制器(EA)吸收调制器(EA)是一种损耗调制器28啁啾（zhōujiū）啁啾（zhōujiū）：象声词，鸟鸣声。代表产生光脉冲时引入的附加性调频，说明光脉冲的载频随时间变化，称为啁啾。

通信领域中，常用到“啁啾声”（chirp）的名词，信号音调，一种线性调频脉冲。如chirpradarn.线性调频雷达。chirpeda.啁啾效应的、线性调频的；chiringn.啁啾作用、啁啾过程、啁啾调频。

28啁啾（zhōujiū）啁啾（zhōujiū）：象声29M-Z调制器M-Z调制器是一种常见的电光调制器。输入光信号在第一个3dB耦合器处被分成相等的两束，分别进入两波导传输。波导是用电光材料制成，其折射率随外部施加的电压大小而变化，从而导致两路光信号到达第二个耦合器时相位延迟不同。若两束光的光程差是波长的整数倍，两束光相干加强；若两束光的光程差是波长的1/2，两束光相干抵消，调制器输出很小。因此，只要控制外加电压，就能对光束进行调制。特点：非常好的消啁啾和微波特性，适合高速率(10Gbit/s或更高速率)系统的超长距离传输。但这类调制器的插入损耗较大，需要较高的驱动电压(典型值为4V)，难以与光源集成，而且对偏振敏感。29M-Z调制器M-Z调制器是一种常见的电光调制器。输入光信303031啁啾（zhōujiū）是编码脉冲技术中的一种术语，指对脉冲进行编码时，其载频在脉冲持续时间内线性地增加，当将脉冲变到音频时，会发出一种听起来像鸟叫的啁啾声，故名“啁啾”。后来就将脉冲传输时中心波长发生偏移的现象叫做“啁啾”。例如在光纤通信中由于激光二极管本身不稳定而使传输单个脉冲时中心波长瞬时偏移的现象，也叫“啁啾”。

31啁啾（zhōujiū）是编码脉冲技术中的一种术语，指对32应用举例32应用举例33第7章 光纤通信系统设计1第7章 光纤通信系统设计34本章内容、重点、难点和要求本章内容损耗受限系统的再生段距离的设计。色散受限系统的再生段距离的设计。损耗受限和色散受限系统的再生段距离的设计示例。本章重点和难点损耗受限和色散受限系统的再生段距离的设计示例。学习本章目的和要求掌握再生段距离设计的方法。2本章内容、重点、难点和要求本章内容35

光纤通信系统/网络的总体设计必须从实际需求出发，光纤通信网络的设计规划涉及网络拓扑和路由选择、网络容量确定、业务通路组织、设备线路类型选择、最大中继距离计算等。网络拓扑、线路路由选择网络/系统容量的确定光纤/光缆选型透择合适的设备，核实设备的性能指标光传输设计系统的总体考虑3光纤通信系统/网络的总体设计必须从实际需求出36光传输设计主要内容是根据应用对传输距离的需求，确定经济而且可靠工作的光接口，并根据光接口的具体参数指标进行预算，验证再生段能可靠工作且经济上尽可能低成本。一个光再生段也称为光缆线路系统。在实际组网应用中通常有三种光传输设计方法：即最坏值设计法联合设计法统计设计法(包括半统计设计法)

再生段的设计4光传输设计主要内容是根据应用对传输距离的需求，确定经济而且37光再生段模型包括发送机、光通道和接收机。发送机与光通道之间定义S参考点，光通道与接收机之间定义R

参考点，S参考点与R参考点之间为光通道。L表示S-R之间的距离。5光再生段模型包括发送机、光通道和接收机。发送机与光通道之间38光缆数字线路系统设计的基本方法是最坏值设计法。所谓最坏值设计法，就是在设计再生段距离时，将所有参数值都按最坏值选取，而不管其具体分布如何。按照ITU−T建议G.957的规定，允许的光通道损耗PSR为：

PSR

=PT−PR−P0

（7-1）PT—光发送功率；PR—光接收灵敏度；P0—光通道功率代价。7.1损耗受限系统设计6光缆数字线路系统设计的基本方法是最坏值设计法。7.1损耗39

P0在实际中可以等效为附加接收损耗，需扣除，于是实际S-R点的允许损耗为：

式中，Af

表示再生段平均光缆衰减系数（dB/km），AS

是再生段平均接头损耗（dB），Lf

是单盘光缆的盘长（km），Mc

是光缆富余度（dB/km），AC

是光纤配线盘上的活动连接器损耗（dB），这里按两个考虑。7P0在实际中可以等效为附加接收损耗，需扣除40图7-1光通道损耗的组成在中继距离的设计中应考虑衰减和色散这两个限制因素，因而对于中继距离的设计可以分为两种情况来讨论。第一种情况是损耗受限系统，即再生段距离由S和R点之间的光通道损耗决定。第二种情况是色散受限系统，即再生段距离由S和R点之间的光通道总色散所限定。8图7-1光通道损耗的组成在中继距离的设计中应考虑衰减和41

损耗受限系统的实际可达再生段距离估算：

（7-3）所以（7-4）其中 9损耗受限系统的实际可达再生段距离估算：42式中PT为发送光功率（dBm），PR为光接收灵敏度（dBm），AC是光纤配线盘上的收发端两个附加活动连接器损耗（dB），PP为光通道功率代价（dB），由反射功率代价Pr和色散功率代价Pd组成，Me为系统设备富裕度（dB），Mc为光缆富余度（dB/km），n是再生段内所用光缆的盘数，αfi是单盘光缆的衰减系数（dB/km），Af表示再生段平均光缆衰减系数（dB/km），αsi是单个光纤接头的损耗（dB），AS是再生段平均接头损耗（dB）。10式中PT为发送光功率（dBm），PR为光接收灵敏度（dB43采用最坏值法设计时，再生段距离Ll的计算公式（7−4）可以简化为下式（7-7）11采用最坏值法设计时，再生段距离Ll的计算公式（7−4）可447.2色散受限系统设计

色散受限系统的再生段距离的最坏值可用下式估算：Ld=DSR/Dm

（7-8）其中DSR为S点和R点之间允许的最大色散值，可以从相关的标准表格中查到，Dm为允许工作波长范围内的最大光纤色散系数，单位为ps/（nm·km），可取实际光纤色散分布最大值。127.2色散受限系统设计色散受限系统的45（1）多纵模激光器(MLM-LD)和发光二极管（LED）

（7-9）式中：fb是线路信号比特率，单位为Mbit/s；Dm

是光纤色散系数，单位为ps/（nm·km）；δλ是光源的均方根谱宽，单位为nm；ε是与色散代价有关的系数，当光源为多纵模激光器（MLM−LD）时，ε取0.115，若为发光二极管，ε取0.306。13（1）多纵模激光器(MLM-LD)和发光二极管（LED）46（2）单纵模激光器（SLM-LD）（7-10）

式中α为啁啾系数，当采用普通DFB激光器作为系统光源时，α取值范围为4～6；当采用新型的量子阱激光器时，α取值范围为2～4；λ为波长（单位为nm）；fb为线路信号比特率（单位为Tbit/s）。以2.4Gbit/s系统为例，假设工作波长λ为1550nm，Dm为17ps/（nm·km），则采用普通量子阱激光器（设α=3）和EA调制器（设α=0.5）后，传输距离可以分别达101km和607km。14（2）单纵模激光器（SLM-LD）47（3）采用外调制器

（7-11）

式中c为光速。以2.4Gbit/s为例，λ=1550nm，Dm=17ps/（nm·km），则采用M-Z外调制器的系统色度色散受限距离可以延长到1275km左右。实际系统设计分析时，首先根据式（7-4）或（7-7）算出损耗受限的距离，再根据式（7-8）至式（7-11）算出色散受限的距离，最后选择其中较短的一个即为最大再生段距离。15（3）采用外调制器 487.4应用举例

【例1】

以STM−16长途通信系统光传输设计为例。计划建设一条2.5Gbit/s单模光纤干线系统，系统采用单纵模激光器，沿途具备设站条件的候选站点间的距离为（57～70）km，系统设计要求设备富余度Me为4dB，光缆富余度Mc为0.05dB/km。

167.4应用举例【例1】以STM−16长途通信系49步骤1：先分析所设计的系统为那种再生段类型根据上述70km的最长站间距离可以初选L−16.2系统（其目标距离80km），并假设工作波长为极端的1580nm，单盘光缆的衰减系数Af=0.22dB/km，单个光纤熔接接头的损耗αs=0.1（dB），单盘光缆的盘长Lf=2km，活动连接器损耗AC=0.35dB，光纤色散系数Dm=20ps/（nm·km），接收机动态范围Dr=18dBm。依据L−16.2规定，PT=（−2～3）dBm，PR=−28dBm，P0=2dB，设激光器啁啾系数α=3，则依据式（7-4）和式（7-10）可以分别计算出：17步骤1：先分析所设计的系统为那种再生段类型根据上述70k50（1），根据最坏值设计法计算损耗限制系统（采用公式7-7）最大无中继距离：18（1），根据最坏值设计法计算损耗限制系统（采用公式7-751（2），根据最坏值设计法计算色散限制系统（因光源器件采用单纵模激光器，选用公式(7-12)最大中继距离：

由于Ll＜LC，所以此系统为损耗受限系统，且能满足58km无中继传输距离的要求。19（2），根据最坏值设计法计算色散限制系统（因光源器件采用52若系统速率较低，光纤损耗系数较大，则最大中继距离首先考虑损耗限制，要求S和R参考点之间光纤线路总损耗必须不超过系统的总功率衰减。即：或其中，PT为平均发送光功率，PR是接收灵敏度，Ac是连接器损耗（dB/km），Me是系统余量，Af是光纤损耗系数（dB/km），As是每公里光纤平均接头损耗（dB/km），Mc是每公里光纤线路损耗余量（dB/km），L是中继距离。步骤2：简易估算法：20若系统速率较低，光纤损耗系数较大，则最大中继距离首先考虑53【例2】长途光纤系统各部分参数如下：系数速率为564.992Mbit/s，码型为8BIH，光的发射功率2.7dBm，接收灵敏度－34dBm，接收机动态范围24dB，BER＝10-10，设备的富余度3dB，光缆线路富余度主0.08dB/km,光缆配线架连接器的损耗为0.5dB/个，光纤损耗为0.33dB/km，光纤接头损耗为0.04dB/km，光源采用MLM－LD，光源谱宽主1.6nm,光纤色散系数为2.5ps/nm.km,ε光通道功率参数取0.115。试求：（1）对系统进行预算，确定出合适的中继距离范围。（2）指出该系统是何种因素的限制系统。

21【例2】长途光纤系统各部分参数如下：系数速率为564.54解：由题意可列出损耗限制系统参数

PT=2.7dBm,PR=-34dBm,Dr=24dB（若需计算过载）,Me=3dB,Mc=0.08dB/km,Af=0.33dB,Ac=0.5dB,As/Lf=0.04dB/km,

色散限制系统参数

fb=564.992*9/8=635.616MHzDm=2.5ps/nm·km，ε=0.115，δλ=1.6nm

22解：由题意可列出损耗限制系统参数55

（1）因为系统工作速率较低，损耗限制距离适用简易估算法：但本例工作波长窗口色散较大，又因为采用多纵模激光器，色散限制距离适用公式（7-11）为：所以选择其中较小的值，则中继距离取45.2km。

(2)该系统是色散限制系统。23（1）因为系统工作速率较低，损耗限制距离适用简56【例3】p214【例2】本题的要求是给定了一个较短的中继距离，需要分析系统是否会过载，是从最小中继距离反过来求算应设定的输出功率，属于逆向计算的方法。又因为是从过载点考虑问题，所以设定系统容许选定的中继距离为利用过载点功率来计算的最短值，故应小于现场条件设定的20公里，即保证不过载。24【例3】p214【例2】本题的要求是给定了一个较短的57【例4】练习题7-4解：依题意

fb=622.080MHz,δλ=2nm，PT=2dBm,PR=-30dBm,Dr≥20dB,