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1、第4章 数字光纤通信系统(3),湖南文理学院电气工程系,4.7.1 系统总体设计考虑,4.7 光纤通信系统总体设计,4.7.2 总体设计方法,4.7.3 功率预算：损耗受限系统所谓损耗受限系统，是指光纤通信的中继距离受诸传输损耗参数的限制，如光发送机的平均发光功率、光缆的损耗系数、光接收机灵敏度等。图4-1示出了无中继器和中间有一个中继器的数字光纤线路系统的示意图,图4-1数字光纤线路系统的示意图，,功率预算：损耗受限系统,图中符号：T, T: 光端机和数字复接分接设备的接口；Tx: 光发射机或中继器发射端；Rx: 光接收机或中继器接收端；C1, C2: 光纤连接器；S: 靠近Tx的连接器C1
2、的接收端；R: 靠近Rx的连接器C2的发射端； SR: 光纤线路，包括接头。,功率预算：损耗受限系统,损耗受限系统中的中继距离可用下式计算 (4.1)针对式中各参数的含义与取值，做如下说明： Pt：光发送机平均发光功率这是设备本身给出的技术指标，以dBm为单位。,功率预算：损耗受限系统, Pr：光接收机灵敏度它也是设备本身给出的技术指标，也以dBm为单位。 Ac：活动连接器的损耗活动连接器又称活接头，它把光纤线路和光终端设备连接在一起，可以方便的进行拆装。因在光发送机与光接收机上各有一个活接头，故式中为2Ac。一般取值Ac=0.5 dB。,功率预算：损耗受限系统, ME：设备富余度关于ME的概
3、念，主要考虑光终端设备在长期使用过程中会出现性能老化。一般取ME3 dB。,功率预算：损耗受限系统,a：光纤的损耗系数该参数我们已经熟知，它的取值由所供应的光缆参数给定，单位为dB/km。其典型值为：在1310nm波长，0.30.4dB/km；在1550nm波长，0.150.25dB/km。,功率预算：损耗受限系统, as：平均每公里接续损耗在具体施工中需要把一盘盘的光缆用熔接机连接起来才能形成较长的传输线路。随着技术的不断发展，每个熔接点的衰耗可以保证在0.05dB以下。一般来讲，光缆每盘长度为2 km，所以可取as=0.05/2 dB。,功率预算：损耗受限系统, mc：光缆富余度光缆在长期
4、使用中性能会发生老化。尤其是随环境温度的变化(主要是低温)，其损耗系数会增加，故必须留出一定的余量。一般取值为mc =0.10.2 dB/km。,功率预算：损耗受限系统,知道(41)式中各参数的物理意义与取值范围，则可以很容易的计算出最大中继距离了。当然也可以根据予先设计好的中继距离去计算对某些参数的要求，如对光纤的损耗系数的要求或对光发送机发光功率、光接收机灵敏度的要求等。,功率预算：损耗受限系统,4.7.4 色散系统的上升时间预算 随着光纤制造工艺的成熟， 光纤的损耗可以达到理论值。 在高速光纤通信系统中， 光纤的损耗非常低， 此时限制传输距离的是光纤的色散。 一种简单的分析方法是进行系统
5、上升时间的分析。 系统总的上升时间tsys主要受以下几个因素的影响： 光发送机上升时间tT， 接收机上升时间tR， 光纤模式色散上升时间tmod， 光纤群速率色散tGVD等。 并且有,通常情况下， 数字链路总的系统上升时间不超过NRZ码比特周期的70%， 不超过RZ码比特周期的35%。 这里的比特周期为数字速率的倒数。 RZ tsys=0.35TS NRZ tsys=0.7TS,1) 光发送机和光接收机上升时间 光发送机和光接收机上升时间通常定义为光信号的10%90%上升时间， 即光信号上升到最大值的10%至90%之间的时间。 光发送机的上升时间主要取决于光源及其驱动电路。 对于设计人员来说，
6、 这个时间一般是已知的。 而光接收机的上升时间主要取决于光检测器的响应时间和前置放大器的3 dB带宽BR， 可以表示为,2) 光纤群速率色散上升时间 在实际的链路上， 光纤都是由几段光纤链接而成的， 每段光纤的色散特性并不完全相同， 而多模光纤在连接点处还要进行模式再分配， 因此确定光纤的GVD上升时间比较复杂。 长度为L的光纤引起的GVD上升时间可以近似表示为 tGVD=DL ,3) 光纤模式色散上升时间 实践证明， 长度为L的链路带宽可以近似表示为 BM=B1L-q 其中： B1是单位长度（1 km）的光纤带宽； q为光纤质量指数， 取值范围是0.51， q=0.5时表示达到稳定的模式平衡
7、状态， q=1时表示几乎没有模式混合， 一般情况下取q=0.7比较合理。,4) 举例假设LED及其驱动链路的上升时间为15 ns， LED的半功率谱宽为40 nm， 则使用tGVD=tmat=DmatL可得到上升时间为21 ns。 假设接收机带宽为25 MHz， 则接收机上升时间为tR=0.35/BR=14 ns。 如果选择光纤的带宽距离积为400 MHzkm， 光纤质量指数q为0.7， 则模式色散上升时间为tmod=0.44/BM=0.44Lq/B1=3.9 ns， 系统上升时间为,4.7.5 色散影响的中继距离 对于损耗较低的光纤传输系统， 光纤色散使得脉冲展宽得很严重， 出现码间干扰，
8、从而限制了传输距离。 码间干扰的严重程度可以用相对均方根脉宽表示， 即,其中， 是均方根脉冲宽度， T是码元持续时间， 为106/B， B为比特速率， 单位为Mb/s。 而=DL， D是光纤色散系数（单位为ps/(kmnm)）， L是光纤长度（单位为km）， 是光源的均方根谱宽（单位为nm）。 因此,(4.2),上式中为光脉冲的相对展宽值。当光源为多纵模激光器时，0.115；当光源为发光二极管时，0.306;为光源的根均方谱宽，单位为nm;D（）为所用光纤的色散系数，单位为ps/kmnm;B为线路码的码率，单位为Mbit/s。,色散受限系统：色散预算,当光源器件为单纵模激光器（SLM）时，啁啾
9、声引起的脉冲展宽占主要地位，其中继距离为 （4.3）其中 为啁啾声系数。对分布反馈型（DFB）单纵模激光器而言， =46ps/nm；对量子阱激光器而言， =24 ps/nm;D（）仍为单模光纤的色散系数，单位为ps/kmnm;为系统的工作波长上限，单位为nm;B为线路码的速率，其单位为Tbit/s。,光纤通信系统的中继距离受损耗限制时由式(4.1)确定；中继距离受色散限制时由式(4.2)和式(4.3)确定。从损耗限制和色散限制两个计算结果中，选取较短的距离，作为中继距离计算的最终结果。,中继距离的确定,例题：某140Mb/s光纤通信系统的参数为：光发送机最大发光功率Pmax= -2 dBm光接
10、收机灵敏度Pr= -43 dBm光纤衰耗系数a=0.4 dB/km求其最大中继距离。,除上述参数外，其它参数可做如下取值：设备富余度ME3dB；活接头损耗AC0.5dB；每公里接续损耗as=0.05/2 = 0.025dB；光缆富余度mc =0.1 dB/km。,如果采用NRZ码调制，则光发送机平均发送光功率应该是最大发光功率的一半，即Pt= -2-3-5 dBm。把上述数据代入（4.1）式：,下面举一个实例来说明如何综合考虑中继距离的计算。140 Mb/s单模光纤通信系统平均发射功率Pt=-3 dBm, 接收灵敏度Pr=-42 dBm，设备余量Me=3 dB，连接器损耗c=0.3dB/对，光
11、纤损耗系数f=0.35 dB/km, 光纤余量m=0.1 dB/km，每km光纤平均接头损耗s=0.03 dB/km。线路码型为5B6B, , |D|=3.0 ps/(nmkm)，=2.5 nm。求中继距离。,先按损耗受限求其中继距离。由（4.1）式可求其中继距离：,再按色散受限求其中继距离。因为光源为多纵模激光器，所以取0.115，于是由（4.2）式得,两个中继距离值相比较，显然此系统为损耗受限系统，其最大中继距离应为74km。,已知某光纤通信系统的光发送机光源的入纤功率为2mW，光纤损耗为0.5dB/km，光纤平均接头损耗为0.1dB/km，光接收机最大允许输入光功率为32W,光接收机的动
12、态范围可达19dB，系统富余度7dB。试核算在无中继传输距离分别为15km、40km、60km情况下，该系统能否正常工作?,pmax=101g(32103)=15 dBm PT=101g2=3 dBm 已知 DR=19 dB =0.5 dB/KM 1=0.1 dB/KM M=7 dB 根据动态范围的定义： D=PmaxPmin 得 Pmin=PmaxD=1519=34 dBm 由 PT=Pmin+Lmax(+1)+M 得 Lmax=(PTPminM)/(+1)=(3+347)/0.6=50 Km Lmin=(PTPmaxM)/(+1)=(3+157)/0.6=18.3 Km 18.3L50 显然在无中继传输距离为40Km的情况下，系统能正常工作；在15Km、60Km的情况下系统不能正常工作。,
