《光纤通信》_第7讲_通信系统(2).ppt

第七讲光纤数字通信系统 2 fiberdigitalcommunicationsystem 系统的传输距离与信息容量 2020 3 15 2 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 2020 3 15 3 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 2020 3 15 4 因此 传输中的功率损耗分配可以写成 St Sr 2ac afL asl M式中St及Sr分别为发送及接收光功率 接收灵敏度 的分贝毫瓦 dBm 值 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 Sr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 2020 3 15 5 L 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 dB km 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 2020 3 15 6 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 2020 3 15 7 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3 4dB km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及常规单模光纤系统 中继距离将继续加长 由于光纤衰耗在0 5dB km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 3dB km 距离比上一种几乎增加了一倍 2020 3 15 8 例题 1 一单模140Mb s光纤传输系统 采用LD光源 波长 1 3 m 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 05dB kmMc 0 5 km 2 0 1dB 0 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 4km 2020 3 15 9 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 7 0 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 2020 3 15 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 可以用上两式计算出光纤带宽 看能否符合码率的要求 也可以据码率估算出fL后 用 fc LfL 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 2020 3 15 11 例题 2 如果光纤在1 3 m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f L 0 7 0 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 2020 3 15 12 单模光纤中只有一种模 不存在模间偶合问题 可用fc LfL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 m L 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 2020 3 15 13 所以 m 0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 5 1dB 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 2020 3 15 14 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 2020 3 15 15 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100 200km 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 55um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2Gb 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 2020 3 15 16 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 ShiftedFiber 2020 3 15 17 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 2020 3 15 18 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 2020 3 15 19 2020 3 15 20 题1 已知有一个565Mb 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 1dB km 有5个接头 平均每个接头损耗为0 2dB 光源的入纤功率为 3dBm 接收机灵敏度为 56dBm BER 10 10 2 光纤线路上的线路码型是5B6B 光纤的色散系数为2ps km nm 光源光谱宽度为1 8nm 求 最大中继距离为多少 注 设计中选取色散代价为1dB 光连接器损耗为1dB 发送和接收端各一个 光纤富余度为0 1dB km 设备富余度为5 5dB 2020 3 15 21 题2 一个二进制传输系统具有以下特