光纖通信第7講通信系統(tǒng)

第七講光纖數(shù)字通信系統(tǒng)(2)

fiberdigitalmunicationsystem系統(tǒng)的傳輸距離與信息容量12/15/20221光纖通信》第7講通信系統(tǒng)共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!

表征光纖傳輸系統(tǒng)傳輸能力的兩個(gè)重要指標(biāo)是傳輸距離和信息容量。對于數(shù)字系統(tǒng)而言，就是中繼距離和碼速容量。這里的中繼距離也指短距離無中繼傳輸時(shí)，兩端站之間的距離。盡可能合理延長傳輸距離是光纖傳輸設(shè)計(jì)的一個(gè)目標(biāo)。光纖傳輸?shù)闹欣^距離，受到兩方面的限制：

一是光纖損耗的限制；一是光纖色散的限制。下面分別說明。12/15/20222光纖通信》第7講通信系統(tǒng)共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!(一)中繼距離受到光功率傳輸衰耗的限制

光源送入光纖的功率，沿傳輸線路在連接器、熔接點(diǎn)上受到衰耗，加上在光纖中的衰耗，到達(dá)檢測器的功率不應(yīng)低于接收機(jī)的靈敏度。在作這種功率傳輸預(yù)算時(shí)，還要考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各種誤差、器件長時(shí)期使用的退化、維修引起的線路衰耗增大(例如光纖中斷，修復(fù)時(shí)增加了熔接點(diǎn)）等。所以，還要留一定的功率余度，稱為系統(tǒng)邊際M。12/15/20223光纖通信》第7講通信系統(tǒng)共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!

L=（St-Sr-2ac-

Me-

Ms）/（af+as+

Mc）

式中：

Me：設(shè)備余度，包括環(huán)境因素及時(shí)間引起老化，對設(shè)備性能影響需留出的富余度。

Ms：系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮各種功率代價(jià)留出的富余度。

Mc：光纜線路損耗富余度，它是用每公里纜長上的損耗分貝數(shù)（dB／km）來計(jì)算的，包括使用期內(nèi)增加的修復(fù)熔接點(diǎn)，線路路由改變、線路增長而留出的余度。12/15/20224光纖通信》第7講通信系統(tǒng)共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!在幾種不同衰耗限制中，以0.8um多模光纖及LED系統(tǒng)限制最嚴(yán)重。因?yàn)長ED發(fā)送功率只有數(shù)十微瓦，光纖又有3～4dB／km的損耗，使中繼距離低于10km；若使用LD光源，傳輸距離與用1.3um的LED光源結(jié)果相當(dāng)。因1.3um上多模光纖衰耗已減小到1～2dB／km，所以如用LD光源，可使L增加一倍以上。如采用1.3um的LD及常規(guī)單模光纖系統(tǒng)，中繼距離將繼續(xù)加長。由于光纖衰耗在0.5dB／km左右，各種碼速的通信距離已有很大提高。在常規(guī)單模光纖的1.55um窗口，以LD作光源的情況，由于光纖衰減為0.3dB／km，距離比上一種幾乎增加了一倍。12/15/20225光纖通信》第7講通信系統(tǒng)共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!(二)中繼距離受到光纖色散的限制

數(shù)字通信理論表明，數(shù)字傳輸系統(tǒng)的帶寬，理論上可允許為傳輸碼率之半。但實(shí)際中傳輸通道并不具有理想低通濾波特性。所以不能在fL的帶寬上傳送2fL的碼率。實(shí)際常取傳輸帶寬

fL＝(0.7～0.9)fb

我們已知，光纖的帶寬受色散特性所限制，帶寬與色散間的關(guān)系用下式表示：

fL＝0.44/τ1/2（GHz）

式中τ1/2

為光纖的總色散(即該光纖引起的脈沖展寬的半寬值,單位為ns)。12/15/20226光纖通信》第7講通信系統(tǒng)共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!例題（2）

如果光纖在1.3μm波長上的色散系數(shù)m=3ps/km·nm，LD譜線寬度為1nm，試核算上題算得的距離能否達(dá)到碼率要求？上題算得L=42.4km。

解：該光纖色散τ＝m△ωL=3ps/km.nm×42.4km×1nm=127.2ps算得帶寬fL=0.44/0.1272ns=3.46GHz系統(tǒng)要求的帶寬f’L＝(0.7－0.9)fb×6/5，取系數(shù)0.9，fL=0.9×6/5×139.264Mb=0.15GHz

因此傳輸距離不受色散限制，為衰耗限制系統(tǒng)。12/15/20227光纖通信》第7講通信系統(tǒng)共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!所以τm≠0引起的脈沖展寬必須考慮。1989年CCITT提出一個(gè)簡化的計(jì)算方法，即考慮τm引起的靈敏度下降，給出一個(gè)光通道的色散靈敏度代價(jià)Dc，它相當(dāng)于Ms，所以帶入中繼距離計(jì)算式分子中扣除即可。一般取Dc為0.5~1dB。在多模光纖傳輸系統(tǒng)中，由于色散對傳輸距離的限制較嚴(yán)重，在計(jì)算中繼距離時(shí)，多從衰耗及色散的兩方面分別考慮對中繼距離的限制，取其中限制較大（距離?。┑?。也有兩者一并考慮的較為復(fù)雜的計(jì)算方法。12/15/20228光纖通信》第7講通信系統(tǒng)共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!

對于波長為0.85um的多模光纖，由于損耗大，中繼距離一般在20km以內(nèi)，傳輸速率很低。SIF光纖的速率不如同軸線，GIF光纖的速率在0.1Gb/s以上就受到色散限制。

單模光纖在長波長工作，損耗大幅度降低，中繼距離可達(dá)100～200km。在1.31um零色散波長附近，當(dāng)速率超過1Gb/s時(shí)，中繼距離才受色散限制。在1.55um波長上，由于色散大，通常要用單縱模激光器，理想系統(tǒng)速率可達(dá)5Gb/s，實(shí)際系統(tǒng)由于光源調(diào)制產(chǎn)生頻率抖動(dòng)，導(dǎo)致譜線展寬，速率一般限制為2Gb/s。采用色散移位光纖和外調(diào)制技術(shù)，可以使速率達(dá)到20Gb/s以上。12/15/20229光纖通信》第7講通信系統(tǒng)共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!

總結(jié)

總而言之，光纖的衰耗及色散特性限制了中繼距離及碼速，限制的程度，還與采用那一種光源有關(guān)。

在短波長上光纖衰耗較大，衰耗限制傳輸距離最顯著；在高碼率下，脈沖色散限制中繼距離，當(dāng)碼率升高時(shí)，中繼距離迅速下降。這一影響在寬譜線的LED光源與多模光纖組成的系統(tǒng)中最為明顯。

在采用多模光纖及LD光源時(shí)，只有模間色散起作用，色散限制有改善。12/15/202210光纖通信》第7講通信系統(tǒng)共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!ThankYou12/15/202211光纖通信》第7講通信系統(tǒng)共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!題2：一個(gè)二進(jìn)制傳輸系統(tǒng)具有以下特性：(1)單模光纖色散為15ps/（nm·km），損耗為0.2dB/km。(2)發(fā)射機(jī)用λ=1551nm的GaAs激光器，發(fā)射平均光功率為5mW，譜寬為2nm。(3)為了正常工作，APD接收機(jī)需要平均1000個(gè)光子/比特。(4)在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處耦合損耗共計(jì)3dB。求：a.數(shù)據(jù)速率為10和100Mb/s時(shí)，找出受損耗限制的最大傳輸距離。b.數(shù)據(jù)速率為10和100Mb/s時(shí)，找出受色散限制的最大傳輸距離。12/15/202212光纖通信》第7講通信系統(tǒng)共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!

因此，傳輸中的功率損耗分配可以寫成：

St-Sr=2ac+afL+∑asl+M式中St及Sr分別為發(fā)送及接收光功率（接收靈敏度）的分貝毫瓦（dBm）值；ac為活動(dòng)連接器的衰耗，算作有兩個(gè)活動(dòng)連接器；af為每公里光纖衰耗；L為收、發(fā)機(jī)之間光纖線路長度；∑asl為接續(xù)的熔接點(diǎn)總衰耗，常把它取為統(tǒng)計(jì)平均的每公里衰耗as值乘以L。在已知St、

Sr及各衰耗值時(shí)，可在設(shè)定一些系統(tǒng)邊際后，寫出求中繼間距L的公式：12/15/202213光纖通信》第7講通信系統(tǒng)共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!

當(dāng)碼率升高時(shí)，由于接收機(jī)靈敏度下降，Sr增大，可由上式看出，中繼間隔下降（距離縮短）。這表明在衰耗限制情況下，隨著碼率增高中繼距離會減小。下面我們對幾種光纖傳輸系統(tǒng)的中繼距離作一比較。

——多模光纖與0.8umLED系統(tǒng)；——0.8umLD或1.3umLED多模光纖系統(tǒng)；——1.3umLD與多模光纖；——1.3umLD常規(guī)單模光纖；——1.55umLD常規(guī)單模光纖；

12/15/202214光纖通信》第7講通信系統(tǒng)共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!例題（1）

一單模140Mb/s光纖傳輸系統(tǒng)。采用LD光源，波長λ=1.3μm，用5B6B線路編碼，有St＝-3dBm，Sr＝-36dBm，Me

=2dB，Ms=2dB，ac=0.5dB，共用兩只，af=0.5dB/km，平均每2km一個(gè)熔接頭，每熔接點(diǎn)衰耗0.1dB，估計(jì)以后20年內(nèi)平均每公里損壞0.5處，每處修理增加兩個(gè)熔接點(diǎn)，線路改道增加衰耗0.01dB/km，試計(jì)算衰耗限制的傳輸距離。

解：根據(jù)所給條件先計(jì)算as，Mc參數(shù)項(xiàng)

as=0.1dB/2km=0.05dB／km

Mc=0.5/km×2×0.1dB＋0.01dB/km=0.11dB/km

L=(-3-(-36)-2×0.5-2-2)/(0.5+0.05+0.11)=42.4km答：最大傳輸距離為42.4km12/15/202215光纖通信》第7講通信系統(tǒng)共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!

注：光纖的色散大體可分為模間色散和模內(nèi)色散，模內(nèi)色散又分為材料色散和波導(dǎo)色散。對于單模光纖主要是材料和波導(dǎo)色散構(gòu)成的模內(nèi)色散，對于梯度多模光纖，是用下式表示色散：

τ1/2=√τ2m+

τ2M式中τ1/2為光纖的總色散，τm為模內(nèi)色散，τM為模間色散，可以用上兩式計(jì)算出光纖帶寬，看能否符合碼率的要求。也可以據(jù)碼率估算出fL后，用：

fc=L

fL

（模內(nèi)色散）

fc=LγfL

（模間色散）

γ為帶寬距離指數(shù)

計(jì)算需要的光纖每公里帶寬fc。

12/15/202216光纖通信》第7講通信系統(tǒng)共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!

單模光纖中只有一種模，不存在模間偶合問題，可用fc=L

fL

計(jì)算。在較高碼率下，如果選不到滿足帶寬的光纖，只有使L減小，傳輸受色散（帶寬）的限制。單模光纖的色散影響較小，特別是在零色散波長上，理論上有m=0（色散系數(shù)）使τm=m△ωL=0，故帶寬對距離的影響變的很小，在200Mb/s以下基本不必考慮。但對200Mb/s以上的速率仍不可忽視，這是因?yàn)楣饫w的零色散波長因制造偏差不一定在1.31um上，經(jīng)多段連接后沒有m=0的波長存在，而且光源具有一定寬度，且峰值波長不一定與光纖零色散波長相重合，12/15/202217光纖通信》第7講通信系統(tǒng)共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!

下圖示出各種光纖的中繼距離和傳輸速率的關(guān)系，包括損耗限制和色散限制的結(jié)果。實(shí)線為損耗限制系統(tǒng)，虛線為色散限制系統(tǒng)。12/15/202218光纖通信》第7講通信系統(tǒng)共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!

現(xiàn)在可以把反映光纖傳輸系統(tǒng)技術(shù)水平的指標(biāo)、速率×距離（fb×L）乘積大體歸納如下：

0.85um，SIF光纖，fb×L～0.01×1=0.01(Gb/s)·km0.85um，GIF光纖，fb×L～0.1×20=2.0(Gb/s)·km1.31um，SMF光纖，fb×L～1×125=125(Gb/s)·km1.55um，SMF光纖，fb×L～2×75=175(Gb/s)·km1.55um，DSF光纖，fb×L～20×80=1600(Gb/s)·km(Dispersion-ShiftedFiber)12/15/202219光纖通信》