第章光纤通信系统的设计

第7章光纤通信系统在前面几章中，我们已经学习了光纤通信系统中基本元器件的功能，从光源、光检测器、光放大器等有源器件到连接器、隔离器等无源器件。在这章里我们将讨论如何将这些器件通过光纤组合形成具有完整通信功能的系统。光纤通信系统就其拓扑而言是多种多样的，有星形结构、环形结构、总线结构和树形结构等，其中最简单是点到点传输结构。从应用的技术来看，分光同步传输网、光纤用户网、复用技术、高速光纤通信系统、光孤子通信和光纤通信在计算机网络中的应用等等。从其地位来分，又有骨干网、城域网、局域网等。不同的应用环境和传输体系，对光纤通信系统设计的要求是不一样的，这里我们只研究简单系统的设计，即点到点传输的光纤通信系统。内容包括设计原则、数字和模拟通信系统的设计，最后给出了设计实例，以期读者对光纤通信方面的知识有一全面了解。6.1设计原则工程设计与系统设计光纤通信系统的设计包括两方面的内容：工程设计和系统设计。工程设计的主要任务是工程建设中的详细经费概预算，设备、线路的具体工程安装细节。主要内容包括对近期及远期通信业务量的预测；光缆线路路由的选择及确定；光缆线路敷设方式的选择；光缆接续及接头保护措施；光缆线路的防护要求；中继站站址的选择以及建筑方式；光缆线路施工中的注意事项。设计过程大致可分为：项目的提出和可行性研究；设计任务书的下达；工程技术人员的现场勘察；初步设计；施工图设计；设计文件的会审；对施工现场的技术指导及对客户的回访等。系统设计的任务遵循建议规范，采用较为先进成熟的技术，综合考虑系统经济成本，合理选用器件和设备，明确系统的全部技术参数，完成实用系统的合成。系统设计的内容光纤通信系统的设计涉及到许多相互关联的变量，如光纤、光源和光检测器的工作特性、系统结构和传输体制等。例如，目前在骨干网和城域网中普遍选择同步数字序列SDH(SynchronousDigitalHierarchy)作为系统制式，在设计SDH体制的光纤通信系统时，首先要掌握其标准和规范，SDH的传输速率分为STM-1(155.52Mb/s)、STM-4(622.08Mb/s)、STM-16(2.5Gb/s)和STM-64(10Gb/s)等四个级别。ITU-T对每个级别（STM-64正在研究中）所使用的工作波长范围、光纤通道特性、光发射机和接收机的特性都作了规定，并对其应用给出了分类代码，表6.1给出了STM-1标准光接口的主要指标，其中应用分类代码中的符号I表示距离不超过2km的局内应用，S表示距离在15km的局间短距离应用，L表示距离在40～80km的局间长距离应用，符号后的数字表示STM的速率等级和工作波长（1310nm）。又例，对于局域网(LAN)的设计，IEEE、TIA/EIA等组织也有相关的标准，见表6.2，对数据速率、波长作了规定。表6.3表示了波长范围以及相应技术的要求。对于数据速率为10Mbit/s或100Mbit/s的LAN系统，其光缆的长度可以查阅IEEE802.3u和TIA/EIA568A标准。表6.4为其建议的最大光缆长度。虽然光纤通信系统的形式多样，但在设计时，不管是否有有成熟的标准可循，以下几点是必须考虑的：①传输距离。②数据速率或信道带宽。③误码率（数字系统）或载噪比和非线性失真（模拟系统）。在作过相关的分析后，我们要决定：是采用多模光纤还是单模光纤，并涉及到纤芯尺寸、折射率剖面、带宽或色散、损耗、数值孔径或模场直径等参数的选取；是采用LED还是LD光源，涉及到波长、谱线宽度、输出功率、有效辐射区、发射方向图、发射模式数量等指标的确定；是采用PIN还是APD接收器，它涉及到响应度、工作波长、速率和灵敏度等参量的选择。系统设计的方法为了确保获得预期的系统性能，做出合适的选择，必须进行两种分析：功率预算和带宽预算。1．功率预算功率预算的目的是判断光检测器接收到的光功率是否达到其所需的最小光功率（灵敏度）。光发射机发送的功率减去光纤链路的损耗和系统富余度，即为接收机的接收功率。光纤链路的损耗包括光纤损耗、连接器损耗、接头损耗以及诸如分路器和衰减器等元件设备引入的损耗。系统富余度是一个估计值，用于补偿器件老化、温度波动以及将来可能加入链路器件引起的损耗，这个值在2～8dB之间。设总的光功率损耗为PT，光发射机发送的光功率为PS(dBm)，光接收机的灵敏度为PR(dBm)，则忍AC著(d嫩B)哗为连扑接器林损耗辣，F灶C型醋连接身器一记般为骗0.抢8d着B/锻个，送PC压型连磁接器营一般辉为0牵.5扁dB辆/个颈；A怠S(侵dB辰)为幼光纤行固定便接点报损耗牌，一赔般为挑0.背1拍dB搭/个唯；M际C(输dB珠)为湿系统秆富余郊度。犁由（览6.耀1.直1雀）式飘可以幅计算楚出给站定光樱纤的百最大期传输久距离蛇、连农接器和和接约头等俭数量丝，得拆到较宾好的腔设计抽。座2.鲁带吃宽预基算朽带宽夏预算样的目掀的是列为了渡满足巴传输农速率闸的要誉求。维光纤能通信纠系统寻的带砖宽除挨了和良光纤雀的色滩散特推性有休关外价，还榜与光朽发射匪机和竹光接漫收机盒等设旅备有卧关。粗工程猴上常忘用系零统上阅升时散间来励表示丸系统堡的带卡宽。奏上升滩时间并的定锤义是客：在稿阶跃啄脉冲震作用劫下，猜系统庙响应步从幅耻值的受10冲％上搁升到牧90鲁％所检需要题的时截间，科如图印6.株1.棕1努所示夫系统艘带宽宗与上饱升时除间成弓反比鬼，常叫用下忆式作俗为系宿统设主计的劲标准萌科架绢状算膝夫容劲按征滴妻忘泰齐黎适否观帆桂缘瓦拦室辞女兰扇草慢溉幻贿惨带玩宽悠（发6.旨1.惨2混）杀上式虽仅适誓用于元归零兆码（新RZ赢），疼对于盟非归脉零码洽（N誓RZ溉），桨则应发当修案正为恼是蚁胶院款蹄爷刮法赚隆罚永疲夹院胁尿眨搁匹余扩勤巩恼柿禾启昆月笔酷瓣挎昂寸络煤笼（势6.江1.免3肾）谜系统唱上升扯时间问与诸矩多因暑素有瓶关，花较为赶主要搅的因峡素有酷光纤舞色散蕉、光扫发射摊机和驻光接签收机蜓的上抛升时巷间。旬设由监光纤助色散费引起传的上与升时严间为驳，光昌发射例机等耕光电叶设备晓的上皱升时唇间为体，则唇得到梢6.挥2朴数字竟传输轧系统引的设醉计产6.所2.会1馅系俱统技扰术考闸虑阳数字见传输致系统蹦的描拉述和想指标稼有比而特率见、传蹦输距摸离、叙码型撒和误册码率堆等，躺其中疗误码辆率是呜保证神传输字质量出的基贩本指雨标，成它受耀多种数因素床制约左，与助光探筐测器艺性能滋、前巩置放肢大器凶性能字、码贿速、窑光波灵形、铲消光退比以驾及线泡路码阻型有吸关。欲数字价传输贷系统房设计像的任友务就物是要袖通过抚器件桐的适由当选惑择以党减小且系统份噪声娱的影推响，残确保郑系统乓达到涂要求恳的性何能。陶在系秆统的袜传输删容量答确定最后，揉就因偿确定撤系统腰的工复作波折长，曾然后面选择倒工作桨在这炭一区嫁域内符的器闪件。聚如果拨系统淘传输吓距离展不太瓦远，抹工作漂波长寿可以惩选择杂在第茂一窗庄口（沉80罗0~芽90招0n凤m）仓；如行果传忠输距拢离较爪远，箭应选久择1够30彻0孝nm奇或1羞55折0矿nm羡波长生。闯光纤懂的选园择应绝该根隔据通娇信容呈量的姻大小罩和工称作波食长来萄决定窃。多冰模光拳纤和朵单模疼光纤铁除了驰工作蛛模式鹊上的柜差别夜外，俩它们思在带炕宽、材衰减击常数郊、尺允寸和富价格贫等方悦面存之在较彼大差吴异。槽表6姜.5微为典宰型的蔬多模草、单揉模光绳纤在融带宽野和衰娱减常奋数上亮差异责的比村较。陷多模胳光纤延的带晒宽比绞单模扰光纤异带宽失小得章多，扮衰减论常数上比单浮模光货纤大蚂得多废，所扮以比帝较适伙用于钟低速睛、短弃距离游的系稻统和相网络满，典钻型的菊应用顽有计毕算机荐局域私网、炕光纤笼用户攻接入赖网等尺。表村6.滚6为河不同封类型底多模肌光纤促的技墙术规缝范。稼多模政光纤男的芯巨径最耍小为角50示μ访m，针最大鸦为1握00黎μ尿m，条数值年孔径陕较大吼，有榜利于贺光源预光功禽率到裤光纤产的耦劫合。蛾另外毅，对省于连欢接器桌和接葱头的简要求辛都不栋高，帆这也逐决定封了多制模光趴纤比芽较适肠用于加多交荒叉点歌、多朵连接湿头的园场所俘的应桥用。食单模便光纤缓的带坦宽较汪宽，寨衰减声较低纲，所梨以比帮较适脂合高灭速、臂长距钳离的制系统测，典召型的辩应用使有S耍DH预、W班DM外网络他等。陵光检何测器赔的选粗取通旨常放咏在光敏源之喝前。就接收转灵敏暮度和棋过载喉光功础率是四主要雅考虑罪的参泥数。题接收课灵敏踏度是界指在培一定言误码苦率（臣一般烈为1现0-偿9）聋下，延接收咬机所仇能接询收到物的最叨小光渡功率插。过袜载功藏率是声指接恢收机平可以康接收呆的最苹大光兄功率疏。当激接收豪机接篮收的钢光功还率开桐始高展于灵仆敏度态时，疲信噪独比的愉改善垄会使谱误码或率变滨小，由但是伐若光加功率舅继续挂增加世到一盘定地摊步，满接收访机前吼置放翁大器疮将进比入非蔑线性窝区域潮，继慢而发兵生饱巴和或晕过载吴，使竞信号迁脉冲忍波形锁产生乔畸变绑，导爱致码耗间干齐扰迅趴速增全加，殊误码塔率开延始劣危化（方变大惑），步当误臂码率耽再次猛到达锡规定着值时雕，对隙应的泉接收阶光功轨率即炊为过叛载功视率。田在选防取光共检测眼器时铸，应妹综合眨考虑配成本踏和复村杂程紧度。遭PI睛N管稀与A匪PD伸管相倚比，散结构霸简单反，成腰本较我低，巨但灵盈敏度真没有桌AP月D管糊高，干目前题它们帐经常袍与前找置放亩大器拨组合谜成组室件使吼用。桌光源奏的选糊择要岸考虑重系统袍的一甜些参蝇数，步如色骆散、爷数据废速率菠、传骡输距述离和胡成本议等。竖LD迈的谱绣宽比吐LE浓D的娃要窄扭得多谈。在救波长腥80妇0n假m到培90组0n骆m的挑区域仇里，形LE甚D的骨谱宽该与石庄英光穷纤的炎色散啄特性国的共观同作温用将兆带宽讯距离磁积限扛制在芽15关0(白Mb贼/s御)格·铺km稠以内故，要棋达到屑更高墨的数幼值，胶在此柴波长替区域大内就蚕要用幅激光榆器。柳当波描长在穷13骆00淘nm保附近猫时，雨光纤挂的色绣散很茶小，秆此时骗使用拔LE虏D可忘以达孙到1素50夕0(属Mb丙/s叠)会·银km着的带毛宽距滨离积毒。若戚采用资In狠Ga俯As蚁P激揭光器型，则耽该波殃长区没域上危的带焰宽距线离积跪可以辉超过倦25复(G波b/嚷s)丰·扔km补。而泄在1奖55汤0n辛m波饿长区煎域内伸，单婚模光骗纤的遭极限苦带宽任距离均积可苏以达层到5播00葵(G絮b/述s)详·壶km哨。蕉一般牺而言毯，半印导体张激光晕器耦寨合进丝光纤秃的功驱率比观LE声D要贴高出践10垫dB零到1狗5d分B，轮因此身采用尼LD互可以纹获得晚更大网的无领中继骆传输傍距离烧，但牺是价侮格要泼昂贵历许多愿，所律以要保综合家考虑爪加以佩选择穿。硬6.饶2.螺2呢光肃通道摘功率结代价漠和损辛耗、暮色散视预算岔当传区输距渡离确街定后决，根芒据功擦率预留算关填系式斩（腥6.栋1.统1郑）可穿以知采道链驰路允跃许损厉耗与尼光发擦送机县和接柔收机飞的功拴率关融系。泪实际钱的数掌字光拖纤链估路除怪了光唯纤本保身的珍损耗云、连影接器港和接吃头的扒损耗轮外，菜还存号在着辅因模塑式噪认声、弦模分稻配噪蛾声、剃激光旺器频讲率啁远啾、黑反射驼以及啦码间文干扰辈而导酒致的抬光通那路功茄率代垃价。旗模式欠噪声悟在多赖模光秩纤中梯，由辫于振悦动、犹微弯烛等机换械扰珠动，天各传肚输模寒式间三的干杨涉在误光检住测器设的受断光面厌上产淡生的稳斑图之将随纪时间丸波动谣，它辽会导嫂致接免收功粉率发危生波欺动，况并附卫加到勿总的餐接收炮噪声问中，徒使得悲误码冷率劣臭化，任这种皆波动碧称为差模式针噪声端。另贝外，骂连接捆器和途接头垮起到颤了空励间滤啄波器愉的作劣用，嗓它们积也会草造成险斑图免的瞬竟时波瓦动，豪增加暑模式乎噪声旗。节相干钱激光宿器的山谱宽冰（）氏如果盖比较懒小，磁使得线相干丹时间因（）照大于更模间荡时延睁差（狠见2泻.2禽节）汤的话运，同管样会故产生请模式第噪声抗。黎一般恢而言诉，运谢行速草率低嫂于1猪00重Mb经/s串的链淡路，睛可以萍不考瓶虑模桐式噪菌声的融影响毫，但到当速毅率达阿到4奴00阵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