第7讲_通信系统(2)

1、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

2、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

3、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

4、，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/km20.1dB0.01dB/km=0.11dB/kmL=(-3-(-36)-20.5-2-2) / (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)。Date

5、10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/kmnm，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.nm42.4km1nm =127.2ps算得带宽 fL =0.44/0.1272ns =3.46GHz 系统要求的带宽fL (0.70.9)fb6/5，取系数0.9， fL = 0.96/5139.264Mb= 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

6、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。

7、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)km1.5

8、5um，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/（kmnm）， 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/（nmkm）， 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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