光通信技術(shù)高速光纖設(shè)計7.ppt

第五章 高速光纖通信系統(tǒng)設(shè)計,第一節(jié) 光接口 一、物理層接口的分類 對于SDH物理層而言主要指的是光接口或電接口。與傳統(tǒng)的PDH設(shè)備相比，SDH設(shè)備有更多的橫向兼容模式，對于任何的網(wǎng)元都能在其光路上互通。,在目前的應(yīng)用場合中，對于SDH設(shè)備的物理層而言只需要三套光接口參數(shù)和一條電接口參數(shù)即可，為了在應(yīng)用中便于理解通常用不同的代碼來表示光纖的應(yīng)用：,用字母I表示局內(nèi)通信，S表示短距離局間通信，L表示長距離局間通信。字母后面的第一位數(shù)字表示STM的等級，例如數(shù)字4就表示STM-4等級。第二位數(shù)字表示工作窗口和所用光纖類型；空白或1表示標稱工作波長為1310nm，所用光纖為G.652光纖。2表示標稱工作波長為1550nm，所用光纖為G.652光纖和G.654光纖。3表示標稱工作波長為1550nm，所用光纖為G.653光纖。,下面就這四種不同的應(yīng)用場合作以下介紹： 1、長距離局間通信（光接口） 一般指局間再生段距離為40km以上的應(yīng)用場合，即工作于.31um又可以工作于 1.55um。若工作于.31um窗口則只使用G652光纖若工作于1.55um窗口，則G652、G653、G654光纖均可使用。,、短距離局間通信（光接口） 一般只局間再生段距離為15km左右的場合，主要適用于室內(nèi)局間通信和用戶接入網(wǎng)環(huán)境。其工作波長可以是1.31um或1.55um，一般兩個窗口都用G.652光纖。,3、局內(nèi)通信（光接口） 一般傳輸距離為幾百米，最多不超過2km，由于相對于傳統(tǒng)局內(nèi)設(shè)備之間互連的電纜而言光纖具有衰減低、傳輸速率快、抗干擾能力強等優(yōu)點。一般指工作于1.31um窗口 并采用G653光纖。,、電接口 由于技術(shù)經(jīng)濟原因，目前的電接口只適用于STM-1等級，所用的傳輸媒質(zhì)為同軸電纜，因此網(wǎng)絡(luò)單元所能傳輸?shù)淖畲缶嚯x為70m 下表總結(jié)了上述物理層光接口的分類、應(yīng)用代碼、光纖類型、和典型傳輸距離（表5）,二、光接口參數(shù) 對于目前的同步光纜線路系統(tǒng)的光接口中（如圖5-1）光接口參數(shù)可以劃分為三大類：即參考點S的發(fā)送機光功率參數(shù)、參考點R的接收機光功率參數(shù)和S-R點之間的光通道參數(shù)。所有的參數(shù)值均按最壞值考慮。,1、發(fā)送機光參數(shù) a、光譜特性 光譜特性是光源的重要參數(shù)，一般包括下述三種參數(shù) (1) 最大均方根寬度（）：指為了度量光脈沖能量的集中程度。通常采用均方根寬度表示。 (2) 最大-20dB寬度：指在主模中心波長的最大峰值功率跌落-20dB時的最大全寬（如圖5-2）,(3) 最小邊模抑制比（SMSR）：指在最壞反射條件時，全調(diào)制條件下主縱模（M）與最顯著邊模（M）的光功率之比的最小值即： SMSR10lg(m/m),、平均發(fā)送功率 光發(fā)送機的輸出功率被定義為當發(fā)送機送“0”、“1”交替碼時再參考點S所測的平均光功率。,C、消光比 在全調(diào)制條件下送全“1”碼時的平均光功率和送全“”碼時的平均光功率比值的最小值用工時表示為： EX10lg(EX1）10lg(A/B) 其中A表示 送全“1”的平均光功率 其中表示 送全“0”的平均光功率,、光通道中的參數(shù) 、衰減 在同步光線數(shù)字線路系統(tǒng)中，衰減值的上限制主要是由發(fā)送機功率和接收機功率動態(tài)范圍所允許的國在點決定，而下限制則由最小發(fā)送功率和最小接受靈明度所決定的。,、最大色散值 指在光纖傳輸中由于碼間干擾（即光纖在傳輸中的色散）、摸分配噪聲、啁秋聲而造成的系統(tǒng)損耗通常將1dB功率代價所對應(yīng)的光通道色散值定義為最大色散值。,c、反射 反射是由光通道的折射率不連續(xù)造成的。為了適于光通道的傳輸，通常用光纜設(shè)施在S點的最小回波損耗和S-R之間的最大離散反射系數(shù)來恒量傳輸通道是否滿足傳輸?shù)囊蟆?3、接受機光參數(shù) a、接收機靈明度 接收機靈明度定義為R點出為達到1*10-10的BER值所需要的平均光功率的最小可接受值。,b、接收機過載功率 接收機過載功率定義為R點出為達到1*10-10的BER值所需要的平均光功率的最大可接收值。 （如圖5-3所示） c、接收機反射系數(shù) 接收機反射系數(shù)定義為R點出的反射光功率與入射光功率之比。,4、光通道代價 光通道代價：由于碼間干擾、模分配噪聲、激光器啁秋聲等原因，脈沖在光通道中的傳輸導致接收機靈敏度的變化，這種變化稱為光通道代價，即為系統(tǒng)接入光通道時與不接入通道時接收機靈敏度的差值。通常光通道總功率的代價不得超過1dB。,第二節(jié) 波分復用系統(tǒng)的光接口,一、光接口的分類 對于目前波分復用系統(tǒng)的光接口分類通常從兩個方面進行分類： 1、應(yīng)用,（1）不帶線路放大器的系統(tǒng)應(yīng)用代碼（表5-2）,(2)帶線路放大器的系統(tǒng)應(yīng)用代碼（表5-3）,2、實施 (1)由某一參考點進行光接口配置：為了使WDM系統(tǒng)能夠兼容大量現(xiàn)有的SDH設(shè)備而采用的一種光接口形式。 (2)對光通道通路中插入和分路設(shè)備的光接口：為類能滿足WDM系統(tǒng)的橫向兼容性而采用的一種光接口形式。,二、WDM系統(tǒng)中的光參數(shù) 1、中心頻率 在WDM系統(tǒng)中各個同路的中心頻率都是標準化的，其間隔必須為50GHz,100GHz或其整數(shù)倍，下表是目前廣泛應(yīng)用的8路系統(tǒng)的典型中心頻率（表5-4）,2、中心頻率偏差 指標稱中心頻率與實際中心頻率之差。下表(5-5)給出了壽命終了允許的通路中心頻率偏差要求，即最壞值要求。,3、光通道衰減 下面兩表分別給出了不帶光線路放大器和帶光線路放大器的WDM衰減要求（表5-6和5-7）,4、光通道色散 下表分別給出了不帶光線路放大器和帶光線路放大器的WDM系統(tǒng)的色散要求。通常，由于ASE噪聲與EDFA的增益呈線性關(guān)系增長，而與中繼段數(shù)近似成對數(shù)增長，因而對于長再生段傳輸，可以采用縮短線路放大器間距和適當增加中繼段數(shù)來減小ASE的噪聲增長，在技術(shù)上也容易，表中nL8-y.2系統(tǒng)就是一個比較理想的干線選擇，其目的是保證色散要求。（表5-8）,三、光功率電平的范圍,1、每路光功率電平的最小值 由光放大器引入的ASE噪聲功率為 一方面，由于G1，因而下式成立：,另一方面，當EDFA增益恰好補償中繼段光通道損耗時，引入的ASE噪聲 為：,如果取 為0.1nm，則上式變?yōu)椋?-58+ N個EDFA級聯(lián)后，總的噪聲功率成為：,設(shè)兩個EDFA之間的光通道衰減為L(dB), 則光信噪聲比OSNR可以表示為 =,2、每路光功率電平的最大值 光功率的最大值受限于兩種因素，即激光器安全值和非線性的影響。其中對于激光器的安全值應(yīng)為17-10logM，M表示有m條光路。而對于非線性的影響則取決于多種因素，一般應(yīng)取高于安全值。,第三節(jié)、WDM系統(tǒng)設(shè)計,一、系統(tǒng)設(shè)計方案 1、復用路數(shù)于波長范圍的選擇 目前WDM系統(tǒng)中試用的光放大器是EDFA。EDFA的最大利用帶寬要分成兩種情況： （1）20nm帶寬，即15401560nm范圍，無須作通帶平坦化處理。 （2）32nm帶寬，即1528.771560.61nm范圍，需要作通帶平坦化處理。 第二種情況構(gòu)成的成本將明顯高于第一種情況，因此應(yīng)優(yōu)先采用前一種波段。,1540 1560nm,2、速率等級的選擇 對速率等級選擇的原則是：站間距離較長，總?cè)萘吭?0Gbit/s以下，優(yōu)先選用STM-16等級;總?cè)萘吭?0Gbit/s以上，或者多數(shù)間站距離較短，則選用STM-64等級。,3、光線類型的選擇 WDM系統(tǒng)設(shè)計選擇光纖的一般原則是： （1）新建WDM系統(tǒng)的路由不再選用G.653光纖，舊路的G.653光纖用于WDM系統(tǒng)需采取不等間隔信道波長配置，復用路數(shù)通常選為8波。 （2）STM-16系統(tǒng)一般使用G.652 光纖，可實現(xiàn)120Km的跨距傳輸，具有成本優(yōu)勢。且未來有1310和1550兩個波段同時使用的潛力。 （3）2.5Gbit/s速率以上，跨間距宜選用G.655光纖。 （4）允許同一個系統(tǒng)中G.652光纖和G.655光纖混用，但G.653光纖與其它光纖混用沒有意義。G.652和G.655光纖混用時只能采用1550nm窗口，主通道不能1550nm和1310nm混用。,4、關(guān)于通路組織 第一條原則：WDM 系統(tǒng)通路組織的第一個原則就是拒絕容納小容量站，即使兩個大容量站的距離過長也只能采取加在線放大器，而不主張在小容量站開口。小容量站的通信需求應(yīng)通過其他路由現(xiàn)金到大容量站后再進入WDM系統(tǒng)。若實在沒有合適的路由時，可采用其他靈活的設(shè)計方式解決。,第二條原則：分站的站間距離盡可能接近規(guī)范目標距離。 第三條原則：分配給同一站的信道盡量不用鄰近信道，信道的功率應(yīng)盡可能的相同。 第四條原則：WDM系統(tǒng)用于城域網(wǎng)時，應(yīng)選用環(huán)保護結(jié)構(gòu)。如圖5-4所示。,5、信道功率的選擇 信道的光信號功率的最小值出現(xiàn)在光放大器的輸入端，而信道的光信噪比的最壞值則出現(xiàn)在光放大器的輸入端，因為光發(fā)大器對其輸入的信號和噪聲同時予以放大之外還引入了新的噪聲。這個新的噪聲源就是該放大器的ASE（放大的自發(fā)輻射）。,0.1nm譜寬相當于信道的占有帶寬為 通常EDFA的NF=5.5Db。將這些值代入式 =0.1nm時，要求的EDFA最小光功率為,而 =0.3nm時，要求EDFA的最小輸入光功率為 單個信道的最大光功率受SRS非線性效應(yīng)的限制，要求主通路中的最大總功率不超過SRS的門限功率。主通路中最大功率出現(xiàn)在光發(fā)大器的輸出端，最大總功率G。692文件給出的I-5式估算： NF和L以dB為單位，其他各量均用UI單位制。N為復用路數(shù); 成為ASE的有效帶寬,二、16X2.5Gbit/s系統(tǒng)設(shè)計舉例 假定有需要新建連通鄭州登峰洛陽焦作新鄉(xiāng)開封的省內(nèi)信息高速通路，采用16X2.5Gbit/s的系統(tǒng)。其路由如圖5-5所示。磁力的基本特點是路由呈環(huán)形，允許實現(xiàn)圖5-4(b)那樣的環(huán)路保護結(jié)構(gòu)。,1、系統(tǒng)基本參數(shù)選定 （1）中心波長 取信道間隔為100GHz等間距；信道中心波長在EDFA的20nm帶寬內(nèi)，并靠向短波長一邊，以利于光纖色散系數(shù)能去較小些的最壞值；全部中心波長為G692文件規(guī)范的標準值，如表5-12所示。,（2）信道分配 假定鄭州、洛陽和開封的通信容量較大，如圖5-6所示。,2、色散預算,本例路線總長為421.5km，加上保護段后總長約為500km。WDM 系統(tǒng)采用了外調(diào)制技術(shù)，頻率啁啾效應(yīng)的影響一般都不再討論。光通路的色散距離累計功率代價只需核算偏振模色散和碼間干擾的功率代價。,（1）偏振模色散功率代價計算 單模光纖的偏振模色散系數(shù)的規(guī)范值為0.5ps/km,500km傳輸?shù)腄GD值為 換算成UI單位： 然后再查圖5.1的曲線，可得出結(jié)論：偏振模色散功率代價小于0.1dB,而功率代價偶爾性達到Db的幾率也小于 。,（2）碼間干擾的功率代價核算,按P=1.8dB考慮，根據(jù)上式先求出相對展寬因子： 再根據(jù)展寬因子 的定義寫出碼間干擾功率代價限定在1.8Db的2.5Gbit/s系統(tǒng)在不同光纖色散系數(shù)和不同光源譜寬下允許傳輸距離的計算式（實用單位）：,上節(jié)已說明目前使用的WDM系統(tǒng)采用的光纖只考慮G.652和G.655光纖。在EDFA的32nm帶寬色散系數(shù)的最壞值分別為：G.652光纖的色散系數(shù)為D=20ps/nm.km;G.655的光纖色散系數(shù)為D=6ps/nm.km。 由于本例16波長只取到1554.13nm，相應(yīng)的G.652和G.655光纖的色散系數(shù)分別減為19ps/nm.km和5ps/nm.km。WDM的信道間隔為50GHz，光源和光選擇器的帶寬應(yīng)取0.1nm，而信道間隔為100GHz時，可以放寬至0.3nm。,色散預算的結(jié)論是： .選用G。655光纖， .要求光源和光濾波器的帶寬不大于0.2nm， .全程無需色散補償。,3、光功率預算 （1）站間線路總衰耗 從前站的輸出口S點至下站的輸入口R點，下路總衰耗按下式計算：,（2）光信號的最小功率與最大功率限制 光選擇器帶寬按0.2nm考慮，則 上式中的N是光放大器的數(shù)目，N的技術(shù)應(yīng)取下一站R點之前的全部光放大器總數(shù)。信道中單波長光信號的最大功率限制為,（3）光放大器的增益,兩個相鄰R參考點之間的主光路的傳輸模型。如圖5-7所示。圖中虛線框表示第n個中間站，R(n+1)為其鄰近的下一站的輸入端口。L為兩站的間距，L/表示線路放大器離該站的距離，如果允許L=0，就表明OA 可放在站內(nèi)。設(shè)R(n)點和R(n+1)點的光信號功率正好等于最小光功率門限值。 大于 ，表明光纖放大器的噪聲已經(jīng)反映到了最小光功率門限值中。因此，不難列出兩參考點之間的功率代數(shù)方程：,以本例的新鄉(xiāng)站為例，取OADM的插入損耗為6.5dB，則所需的總光增益為 用同樣的辦法算出其他站光放大器增益的值列入表5-15。,（）光放大器的位置確定 鄭州和開封端站的功率預留帶后面討論。登封、焦作和新鄉(xiāng)都只需一個光放大器，這三處的光放大器都屬于小信號放大。 洛陽焦作段：圖5-7中的虛線框可以看作洛陽站，需要兩個光放大器來完成。第一個放大器的增益設(shè)計為35dB。剩下的8.7dB有第二個光放大器來完成，其位置在OADM之后，輸入光功率為,其輸出光功率為-8.0+8.7=0.7 dBm。沒有功率飽和問題。0.7dBm光信號功率在經(jīng)36.2dB的線路衰耗，達到焦作站輸入端的R，既有成為一個功率最小點，并且與焦作站R參考點的最小功率門限自然吻合。,4、光發(fā)送機子系統(tǒng)的設(shè)計 （1）光接受機子系統(tǒng)的配置如圖5-8所示。,設(shè)光波長選擇器的插入損耗為5dB，光通路功率代和接收機老化富余度3dB。所以中間站要求的接收機靈敏度分別為-21.3，-18，-23.1和-16.9dBm。因此，登封和焦作站需采用滿足G。975規(guī)范的S-16.2接收機，靈敏度為18d