光纤通信四PPT课件.ppt

4 0光纤通信系统分类及应用场合 光纤通信系统可按波长 传输码率 光纤类型 光电器件类型以及应用场合来分类 4 0 1数字通信制式1 准同步数字体系 PDH 2 同步数字体系 SDH 所谓SDH是一套可进行同步信息传输 复用 分插和交叉连接的标准化数字信号的结构等级 SDH网络则是由一些基本网络单元 NE 组成的 在传输媒质上 如光纤 微波等 进行同步信息传输 复用 分插和交叉连接的传送网络 它的基本网元有终端复用器 TM 分插复用器 ADM 同步数字交叉连接设备 SDXC 和再生中继器 REG 等 SDH采用一套标准化的信息结构等级 称为同步传送模块STM N N 1 4 16 64 4 0 2工作波长和器件 4 0 3应用 1 市话局间中继干线系统一般开通34Mb S140Mb S2 长途干线系统一般开通2 5Gb S10Gb S3 光纤局域网4 光纤用户接入网 4 1光发射机 4 1 1原理框图 光端机主要由光发送机 光接收机和辅助电路三大部分组成 数字光发送机的基本组成包括均衡放大 码型变换 复用 扰码 时钟提取 光源 光源的调制电路 光源的控制电路 ATC和APC 及光源的监测和保护电路等 1 均衡放大 补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变 2 码型变换 将HDB3码或CMI码变化为NRZ码 3 复用 用一个大传输信道同时传送多个低速信号的过程 4 扰码 使信号达到 0 1 等概率出现 利于时钟提取 5 时钟提取 提取PCM中的时钟信号 供给其它电路使用 6 调制 驱动 电路 完成电 光变换任务 7 光源 产生作为光载波的光信号 8 温度控制和功率控制 稳定工作温度和输出的平均光功率 9 其他保护 监测电路 如光源过流保护电路 无光告警电路 LD偏流 寿命 告警等 4 1 2产品 CiscoONS15302 ONS15302是一种集成型多业务接入设备 借助其与SDH光纤网络连接的STM 1光上行链路 多业务接入网络可以扩展到客户端 这样 ONS15302就可以汇集分支机构间连接 互联网接入 和语音和数据流量 ONS15302将以太网与TDM流量结合在一起 沿SDHSTM 1帧结构内的TDM通道 VC 传输以太网流量 以太网通道的带宽最高可以配置为63个VC 12 ONS15302还具备第2层交换功能 可以将本地10 100BaseT以太网接口映射到VC 12容器中 利用WAN模块实现点到点或点到多点传输 AgilentHFCT 5914ATLSingleModeLaserTransceiversforGigabitEthernetandiSCSIApplicationsat1 25Gb s 4 2 1基本原理 4 2光接收机 4 2 2基本电路 光检测和前置放大电路主放大电路均衡放大电路基线处理定时再生输出电路 4 3线路码型为什么编码 1 为使接收再生电路把相位或频率锁定到信号定时上 2 光接收机采用电容耦合 接收机不能对直流或低频分量响应 使长连信号的幅度逐渐下降 经判决电路会产生误码 光纤通信使用的码型 NRZ加扰码mBnBCMI0 011 00或11 NRZ码单极性归零码双极性非归零码双极性归零码Manchester码AMI码HDB3 Unipolarandbipolarcoding RZandNRZcoding 光纤通信中的码型 以2 048Mbit s为基础的PDH数字系列的码形及速率 SDH光纤通信系统中广泛使用的是加扰的NRZ码 并不都适合在数字光纤通信系统中传输 需码形变换 PCM系统中的这些码型并不都适合在数字光纤通信系统中传输 为此 在光端机中必须进行码型变换 在PDH系统中 常用的线路编码有分组码mBnB 1B2B码 CMI DMI和双相码等 和插入码 SDH光纤通信系统中广泛使用的是加扰的NRZ码 常用的线路编码 NRZ码单极性归零码双极性非归零码双极性归零码ManchesterAMI码HDB3 三阶高密度双极性码 HDB3码 HDB3码是AMI码的改进 与AMI码一样 也是 1 交替地变换为 1与 的占空比为50 的归零码 但与AMI码不同的是 HDB3码中的连 0 数被限制为小于或等于3个 HDB3码的编码规则如下 检查数字序列中0数目 当连 0 数目小于等于3时 HDB3码就是AMI码 1 1交替 当出3个以上连 0 时 将每4个连 0 划作一小节 定义为B00V 称为破坏节 其中V称为破坏点 而B可称为调节点 V与前一相邻的 1 极性相同 即破坏了 1 极性交替的规律 同时V还要满足Vi 1 Vi Vi 1之间极性交替的规律 V的取值是 1或 1 B作为调节点 可选0或 1或 1 以让V同时满足 中的两个要求 NRZI NRZI是 反相不归零制 Non ReturntoZeroInverted 的简称 也就是将NRZ方案中的 1 和 0 的表示方法对调 这种方案虽然解决了连续 1 的问题 但同时又产生了连续 0 的问题 分组码 分组码常用mBnB表示 它是把输入码流每m比特分成一组 然后把每组编成n比特输出 每组的m个二进制码 记为mB 变换为n个二进制码 记为nB 因此称为mBnB码 其中m和n都是正整数 通常n m 一般选取n m 1 常用的mBnB码有1B2B 3B4B 5B6B 8B9B和17B18B等 最简单的mBnB码是1B2B码 它是把原信息码的 0 变换为 01 把 1 变换为 10 因此最大的连 0 和连 1 的数目不会超过两个 例如1001和0110 但是码速率提高了1倍 4B5B编码 数据每4个比特用一个5比特码组来编码 由于5个比特比4个比特多出一倍编码 因此有很大的选择余地 可从中挑选适当的编码 既解决连续0的问题 又可适当考虑到码流中直流分量的平衡 任一个5比特码组选择为最多1个前导0和最多2个尾0 即在编码后的比特流中最多出现3个连续的比特0 然后用NRZ I编码传输该5比特码组 传输效率可达80 NRZ I本身能处理连续比特1的问题 应用 FDDI局域网中采用4B5B编码 2020 1 3 27 数据11111000001111014B 5B11101100101010111011 5B6B编码 6个比特位的码组集合中3个1和3个0的码组就有20个 有利于码流中直流分量的平衡 实现方法 数据每5个比特用一个6比特码组来编码 将选择好的6比特码组之集合分为正 负两种模式 正负模式除各含19个0和1平衡的码组外 正模式中含有4个1和2个0的码组13个 负模式中含有4个0和2个1的码组13个 在传输时 正 负模式的码组交替发送 以求得最大的直流分量的稳定和平衡 扰码SDH光纤通信系统中广泛使用的是加扰的NRZ码 它是利用一定规则对信号码流进行扰码 经过扰码后使线路码流中的 0 和 1 出现的概率相同 因此码流中不会出现长连 0 或长连 1 的情况 从而有利于接收端提取时钟信号 信号序列扰乱方法有 用一个随机序列与输入信号序列进行逻辑加 这样就能把任何输入信号序列变换为随机序列 但完全随机的序列不能再现 用伪随机序列来代替完全随机序列进行扰码与解扰的作用 4 4系统设计 4 4 1系统结构和限制1 系统结构点对点分配网络集线树形结构总线结构局域网络环形结构星型结构 光纤通信系统设计考虑的问题1 开通速率的考虑2 工作波长的选择3 光纤类型的选择4 光元器件的选择5 码型和带宽的选择6 占空比7 误码率的分配 2 损耗限制系统光纤的吸收和其他损耗限制了通信距离 带宽满足要求 系统中继距离只受损耗限制 3 色散限制系统光纤色散导致光脉冲展宽 从而构成系统BL乘积的限制 当色散限制传输距离小于损耗限制的传输距离时 称为色散限制系统 色散系统带宽估算850nm系统阶跃多模光纤 BL C 2n1 模色散为主C光速n1纤芯折射率 相对折射率差B为1Mb sL 10km渐变折射率光纤 BL 2C 2n1 2 模色散为主C光速n1纤芯折射率 相对折射率差B为100Mb s仍为损耗受限系统BL可以达到2Gb s km 1300nm系统BL1Gb s时为色散受限系统 1550nm系统色散较大 一般为色散受限系统 以材料色散为主 用窄带单纵模激光器可以增大带宽 B 5Gb s时为色散受限系统 但由于频率啁啾 chirp 对于2Gb s的系统 中继距离为75km 使用色散位移光纤可以使BL达到1600Gb s km 在码率20Gb s下 中继距离可以达到80km 材料色散为主受限系统设计 色散受限系统可达的再生段距离的最坏值可用下式估算 Ld DSR Dm其中DSR为S点和R点之间允许的最大色散值 可以从相关的标准表格中查到 Dm为允许工作波长范围内的最大光纤色散系数 单位为ps nm km 可取实际光纤色散分布最大值 例 某光纤系统允许最大色散值DSR 或Dmax 为1200ps nm 所用光纤的色散系数为17ps nm km 求色散受限最大传输距离 解 Ld DSR Dm 1200 ps nm 17 ps nm km 70 6 km 1 多纵模激光器 MLM LD 和发光二极管 LED 式中fb是线路信号比特率 单位为Mbit s Dm是光纤色散系数 单位为ps nm km 是光源的均方根谱宽 单位为nm 是与色散代价有关的系数 当光源为多纵模激光器 MLM LD 时 取0 115 若为发光二极管 取0 306 例 某光纤系统信号比特率为155Mb s 所用光纤的色散系数为17ps nm km 用LED光源 带宽2nm 求色散受限最大传输距离 解 106x0 306 155x17x2 58km 2 单纵模激光器 SLM LD 为啁啾系数 普通DFB激光器 4 6 量子阱激光器 2 4 为波长 单位为nm fb为线路信号比特率 单位为Tbit s 例 以2 4Gbit s系统为例 假设工作波长 为1550nm Dm为17ps nm km 则采用普通量子阱激光器 设 3 和EA调制器 设 0 5 后 传输距离可以分别达101km和607km 4 4 2功率预算光纤通信系统的光功率必须满足下式 Pout Prec Ltot PmPout为平均数出光功率dBmPout 10lg P mW 1mW Prec为接收灵敏度dBmPrec 10lg P mW 1mW Ltot所有损耗dBPm为功率余量dB 光缆数字线路系统设计的基本方法是最坏值设计法 所谓最坏值设计法 就是在设计再生段距离时 将所有参数值都按最坏值选取 而不管其具体分布如何 按照ITU T建议G 957的规定 允许的光通道损耗PSR为PSR PT PR PPPT为光发送功率 PR为光接收灵敏度 PP为光通道功率代价 损耗受限系统设计 PP在实际中可以等效为附加接收损耗 可扣除 于是实际S R点的允许损耗为式中Af表示再生段平均光缆衰减系数 dB km AS是再生段平均接头损耗 dB Lf是单盘光缆的盘长 km Mc是光缆富余度 dB km AC是光纤配线盘上的附加活动连接器损耗 dB 这里按两个考虑 下图形象地演示了整个光通道损耗的组成 光纤损耗 融接头损耗 富余度 活动接头损耗 在中继距离的设计中应考虑衰减和色散这两个限制因素 因而对于中继距离的设计可分两种情况来讨论 第一种情况是损耗受限系统 即再生段距离由S和R点之间的光通道损耗决定 第二种情况是色散受限系统 即再生段距离由S和R点之间的光通道总色散所限定 光通道损耗的组成 4 4 3传输距离的估算损耗受限系统简单计算 L km 发射光功率 接收灵敏度 接头损耗 富余度 光纤衰减系数即 L km Pout Prec Ac Pm Af典型参数 平均输出光功率 20dBm 0dBm接收灵敏度 60dBm 30dBm固定接头 0 2 0 5dB活动接头 1 2dB富余度 6 9dB 例1 一对光端机发射机的发射平均功率为2mW 接收灵敏度为1 W 计算以dBm表示的发射平均功率和接收机的灵敏度 如果将这对光端机用在衰减系数为0 5dB km的光缆上 两端接头损耗都为2dB 保留6dB富余度 求中继距离 不考虑中间接头损耗 例2 一光纤通信系统 要求通信距离50km 数据传输速率为2 5Gbps 请问采用单模光纤还是多模光纤 设发射机平均光功率为0 5mW 所用光纤的衰减为0 2dB km 使用两个活动接头 每个衰减为1dB 留8dB富余度 不考虑其他因素 试确定光接收机的灵敏度 例1解 一对光端机发射机的发射平均功率为2mW 接收灵敏度为1 W 计算以dBm表示的发射平均功率和接收机的灵敏度 如果将这对光端机用在衰减系数为0 5dB km的光缆上 两端接头损耗都为2dB 保留6dB富余度 求中继距离 不考虑中间接头损耗 解 Pt 2mW 10log 2mW 1mW 3dBmPr 10 W 10log 10 W 1mW 10log 0 001mW 1mW 30dBmL Pt Pr 接头损耗 富余度 光纤衰减系数 3dBm 30dBm 2x2dB 6dB 0 2 dB km 46km 例2解 一光纤通信系统 要求通信距离50km 数据传输速率为2 5Gbps 请问采用单模光纤还是多模光纤