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第7讲_通信系统(2)

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第7讲_通信系统(2)

第七讲第七讲 光纤数字通信系统(2) fiber digital communication system系统的传输距离与信息容量*1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。Date2(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。Date3因此,传输中的功率损耗分配可以写成:St-S r =2ac+af L+asl +Ml 式中St及S r分别为发送及接收光功率(接收灵 敏度)的分贝毫瓦(dBm)值;平均发射光功率取 决于所用光源,对单模光纤通信系统,LD的平均发 射光功率一般为-3-9dBm, LED平均发射光功率一 般为-20-25 dBm。l 光接收机灵敏度取决于光检测器和前置放大器 的类型, 并受误码率的限制,随传输速率而变化。Date4因此,传输中的功率损耗分配可以写成:St-S r =2ac+af L+asl +Ml 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 、 S r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:Date5L=( 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(dBkm)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。Date6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;Date7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34dBkm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12dBkm, 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0.5dBkm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0.3dBkm,距离比上一种几乎增 加了一倍。Date8例题(1)一单模140Mb/s光纤传输系统。采用LD光源,波长 =1.3m,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=0.05dBkmMc =0.5/km×2×0.1dB0.01dB/km=0.11dB/kmL=(-3-(-36)-2×0.5-2-2) / (0.5+0.05+0.11)= 42.4km答:最大传输距离为42.4kmDate9(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 (0.70.9) 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 0.44/1/2(GHz) 式中1/2 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)。Date10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:1/2 = 2m + 2M式中1/2 为光纤的总色散, m为模内色散, M为模 间色散,可以用上两式计计算出光纤带宽纤带宽 ,看能否符合 码码率的要求。也可以据码码率估算出fL后,用:fc =L fL (模内色散)fc =L fL (模间色散) 为带宽距离指数计算需要的光纤每公里带宽fc 。 Date11例题(2)如果单模光纤在1.3m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m L= 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fL (0.70.9)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。Date12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m=mL=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,Date13所以m0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m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0.51 dB 。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。Date14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。Date15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 100200km。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 1.55 um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 2 Gb/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。Date16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-Shifted Fiber)Date17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。Date18常规单模光纤用于非零色散波长(例如 1.55um)时多纵模激光器在高速调制下引起模 分配噪声,将先于色散对码率和中继距离起限 制作用,当采用动态单纵模DFBLD时可消除 其影响。当采用外调制时由于消除了激光器在高速调 制下产生的频率抖动,可达码速及中继距离更 大。Date19Thank You Thank You Date20题1: 已知有一个565 Mb/s单模光纤传输系统, 其系 统总体要求如下: (1) 光纤通信系统的光纤损耗为0.1 dB/km, 有5个 接头, 平均每个接头损耗为0.2 dB, 光源的入纤功率 为-3 dBm, 接收机灵敏度为-56 dBm(BER=10-10)。 (2) 光纤线路上的线路码型是5B6B, 光纤的色散 系数为2 ps/(km·nm), 光源光谱宽度为1.8 nm。求: 最大中继距离为多少?注: 设计中选取色散代价为1 dB, 光连接器损耗为1 dB(发送和接收端各一个), 光纤富余度为0.1 dB/km , 设备富余度为5.5 dB。 Date21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15 ps/(nm·km), 损耗为0.2 dB/km。 (2) 发射机用=1551 nm的GaAs激光器, 发射平均光功率为5 mW, 谱宽为2 nm。 (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3 dB。 求:a. 数据速率为10和100 Mb/s时, 找出受损耗限制的最大 传输距离。 b. 数据速率为10和100 Mb/s时, 找出受色散限制的最大 传输距离。Date22Thank You Thank You Date23

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