光纤通信系统设计C

第九章光纤数学通信系统的规划、设计与施工长途光纤数字通信系统的规划和设计市内光纤数字通信系统的规划和设计光纤数字通信系统的施工第一页，共八十八页。9．1长途光纤数字通信系统的规划和设计

长途光纤数字通信系统规划与设计的主要内容:

系统制式与传输媒介的选用及其技术要求传输系统配置辅助系统组成施工与维护、经济预算拟订通信系统的验收指标第二页，共八十八页。主要包括以下四个方面：了解我国长途电信网的构成，使长途光缆干线符合其要求。对长途光纤数字通信系统进行总体设计。提出长途光纤系统的性能规范。对一个光中继器段内的系统进行细致的分析和周密的设计。第三页，共八十八页。9.1.1总体规划系统构成

长途光纤通信系统由PCM和数字复用设备及光纤数字线路系统组成。第四页，共八十八页。M1M2M3M4接口064Kb/S2048Kb/S接口1接口28448Kb/S34368Kb/S接口3接口4139264Kb/S一次群PCM复用设备二次群数字复用设备三次群数字复用设备四次群数字复用设备111130444其它话路程控交换机或其它一次群其它三次群其它二次群M4M3M2M1光纤数字线路系统PCM和数字复用设备9-1-1典型长途光缆系统示意图第五页，共八十八页。

接口4（4′）表示四次群光端机与四次群数字复用设备M4的接口；接口3（3′）表示四次群数字复用设备的支路与M3的接口；接口2（2′）表示三次群数字复用设备的支路与M2的接口；接口1（1′）表示二次群数字复用设备的支路与M1的接口；接口0（0′）表示一次群PCM复用设备的音频话路同长途摸拟空分交换机的接口，或64Kb/s接口。第六页，共八十八页。传输系统局站设置

传输系统设置的局站有终端站和中间站两大类。中间站又派生出转接站、分路站和中继站。

终端站设在两个端局的机房内，它的组成部分可参看图9-1-1。

转接站以组织一级干线通信系统的电路转接为主，也承担一级、二级干线传输系统电路的分路任务。第七页，共八十八页。分路站以组织二级干线传输系统的电路分路和转接为主。分路站多设在承担县间交换中心或省内线路交汇点的局站。县级传输系统的分路站设在需分转电路的县城局站。第八页，共八十八页。中继站又分为局所型中继站和地下型中继站两种。

局所型中继站采用机架式设备，安排在机房内。地下型中继站采用箱式设备，多安装在地下小孔式站内，或采取半直埋、全直埋的安装方式。中继站的位置应按配置的中继段长度并结合供电的地理环境条件来选定。第九页，共八十八页。路由选择√一般要求线路路由以近直为主，不要绕道、减少转接，以便节省工程投资和提高干线电路的传输质量；√应该考虑一级、二级干线的结合，以便增加工程的经济效益和避免同一路由上干线与省内建设线路重复，同时也有助于区间通信的疏通和便于系统的运行维护。第十页，共八十八页。系统容量选择工程初期设计的系统容量等级要按工程投产后3~5年的传输容量确定。根据我国“国际”规定：一级干线以四次群（1920话路）为基础，二级干线以三次（480话路）为基础。第十一页，共八十八页。系统工作波长区选择在长途干线系统中，采用系统工作波长为1.31um为宜。（长波长区域内光纤衰减和色散都较小，目前1.55um的光源器件价格较贵）：√当传输速率在140Mb/s及以下时，工作波长区范围是1.280~1.335um。√当传输速率为4×140Mb/s时，工作波长区范围是1.285~1.330um。第十二页，共八十八页。光纤类型选择对于长途一级和二级干线都应用单模光纤。

单模光纤不仅在价格上已同多模光纤相近，而且在性能上也远远优于多模光纤，对今后系统的升级扩容比较简单，不用更换光缆线路。第十三页，共八十八页。传输码型选择对长途一级干线光纤系统来说，由于区通信没有或不突出，宜采用5B6B码。

对于兼有二级干线以及专用电信网的长途干线光缆线路系统的传输码型除5B6B码外，还可采用mB1H/1C码。第十四页，共八十八页。9．1．2光中继段的系统设计光中继段内的系统设计可分成两个步骤：√第一：设计方案。根据CCITT建议和国家标准以及系统的组成情况，对各个部分进行初步设计，提出设计方案，包括系统由哪些部分组成，各部分应备的性能参数。√第二：对系统进行预算。包括损耗预算和色散预算两个部分，以确定所设计的系统是否能正常工作。第十五页，共八十八页。

二点说明：（1）由于长途兴缆系统和市内光缆系统在设计方法上很多点是基本相同的，仅在一些重要参数的选取上有所有不同，所以主要以长途系统为例来说明光中继段的系统设计。第十六页，共八十八页。（2）对基本光中继段的设计有三套方案可供选择：

√最坏情况设计法考虑了系统参数在最坏情况下的保证值。是以牺牲中继段长度为代价换取系统的性能要求，属于纯确定法；

√统计法是根据各参数的统计分布函数来计算，需要大量的基础数据；

√半统计法是利用统计法确定部分系统参数。第十七页，共八十八页。一．设计方案光中继段内的系统构成如图：MeMcT’TTXRXC1SRC2

OFNNOF9-1-2长途光中断段内系统示意图第十八页，共八十八页。图9-1-2中：T′T：符合CCITT建议的光端机和数字复用设备的接口TX：光端机或光中继器的光发射机。RX：光端机或光中继器的光接收机。S：紧靠在TX上光连接器C1后面的光纤点。第十九页，共八十八页。R：紧靠在RX上光连接器C2前面的光纤点。C1，C2：光连接器。N：光纤固定接头。Me：设备富余度。Mc：光纤线路富余数。L：中继距离。第二十页，共八十八页。

设计方案应以下二个方面考虑：（1）传输功率衰减的考虑中继段光链路的传输功率计算是依据系统设备和光纤的相关参数而定的，其中继距离不仅要考虑实际的功率衰减情况，还应该留出一定的富余量，以保证由于其它因素使系统性能下降时，系统仍能正常工作。第二十一页，共八十八页。根据图9-1-2，由传输功率法来确定的最大中继段长度为：

（9.1-1）第二十二页，共八十八页。PT—发送平均光功率（dBm），对应于C1的前面PR—接收机灵敏度（dBm）对应于C2的后面Ps—入纤平均光功率（dBm）对应于C1后面的S点，PS=PT－Ac。Pr—接收机灵敏度（dBm）对应于C2前面的R点，Pr=PR+Ac。第二十三页，共八十八页。Me—系统的设备富余度（dB）。Ac—连接器损耗（dB/个）Af—光纤衰减常数（dB/km）As—平均每公里光纤接头衰减（dB/km）Mc—光缆线路富余度（dB/km）P0—光通道功率代价（dB）Ad—光缆配线架连接器损耗（dBm/个），Ad位于S和R点之间第二十四页，共八十八页。√入纤平均光功率Ps

对于长途光缆通信系统，要求采用LD作为光源，在图9-1-2中发送机输出连接器C1后面（S点）测量的入纤平均光功率Ps一般为-9dBm、-6dBm、-3dBm三档（要用NRZ伪随机码测量）。发送光功率PT和入纤光功率的数值是不一样的，其差值为一个连接器C的衰减值，即PT－Ps=Ac第二十五页，共八十八页。√接收机灵敏度Pr

接收机输入连接器C2的前面（R点）测量的最低平均光功率，应不劣于表9-1-1所示之值（一般设计指要比要求值高一个数量级即BERav取1×10-11）。为便于工程测量，实际测量的灵敏度Pr，与理论上定义的灵敏度PR在数值上差一个连接器C2的衰减值，即Pr-PR=Ac

第二十六页，共八十八页。表9-1-1系统接收灵敏度数字速率标称波长光检测在BERav≤1×10-10时

（Mb/s）（um） （dBM）测量的接收灵敏度8.448 1.3 PIN -4134.368 1.3 PIN-FET -41 139.264 1.3 APD-42PIN-FEF -37 564.992 1.3 APD-33PIN-FET-30 第二十七页，共八十八页。√系统动态范围D

对于1.31um波长区的系统，其动态范围应不小于18dB。

当保证误码率的前提下，Pr表示可以允许接收的最小光功率，Pr+Dr表示可允许接收的最大光率，所以在考虑了各种富余度情况下，可根据实际接收到的光功率是否在这个范围之间作为判决系统是否合格的一项依据。第二十八页，共八十八页。√设备富余度Me

包含由于时间和环境因素对设备性能影响，例如：发送光功率、接收灵敏度、光连接器特性劣化等，Me的取值一般为3dB，但当采用LED作光源或环境条件恶劣时，还应适当加大。第二十九页，共八十八页。√连接器损耗Ac在一个中继段内所用的连接器的损耗一般为0.3~1dB/个。√光缆配线架连接器损耗Ad

机房内的光纤线路和机房外的光纤线路一般是通过光缆配线架来连通的，方法是采用活动连接器（若无配线架，可不算此值）。第三十页，共八十八页。√光通道功率代价Po

Po主要包括因模分配噪声、色散、反射等引起的光动率代价。一般Po不超过1dB，在四次群及以下系统中可忽略不计。第三十一页，共八十八页。√光纤损耗系统数Af

Af表示了光纤每公里的损耗值。光纤在1310nm区域中应不大于0.39dB/km（A级）或0.43dB/km（B级）。在1550nm应不大于0.25dB/km。第三十二页，共八十八页。√平均每分里光纤接头衰减AS

光纤的每个接头损耗与两根光纤连接处的横向失配、径向失配、数值孔径和折射率分布失配等许多因素有关，还与接续技术有关，一般为0.1dB/km以下，最好的可低到0.01dB/个。在光中继段内，AS的数值还取决于光缆的实际数设长度，用平均每个接头的衰减值除以敷设长度来近似表示AS。第三十三页，共八十八页。√光缆线路富余度Mc光缆线路富余度应包以下几方面：（a）今后维护中光缆的维修变动（如：增加接头、增加光缆长度等）；（b）由于环境因素（如温度变化）、老化等影响引起的光缆性能的变化；（c）在s点与R点之间任何光连接器的性能劣化。考虑到以三种情况的影响，单模光纤的Mc一般取为0.05~0.15dB/km，但最大为5dB。第三十四页，共八十八页。√中继段传输衰减的要求由图9-1-2可见，S-R点间的总衰减应包括Af、As、Ad、Mc和L的影响，表9-1-2中列出了长途和市内光缆通信系统S-R点间所允许的最大衰减值（设为At）利用此值，可对线路和端机分别进行设计。第三十五页，共八十八页。（a）对线路设计利用规定的At值可对上述的线路参数进行设计，即要求线路上的总衰减值应不超过At值，即：（Af+As+Mc）×L+2Ad

≤At（9-1-2）第三十六页，共八十八页。（b）对端机设计

表9-1-2是所列的At值对端机参数而言是作为最大中继段长度下的最低要求而提出的，或者说由端机所能提供给线路S~R点间的允许可用衰减量必须要大于或等于At，否则系统将无法正常工作，即：Ps－Pr－Me－Po≥At（9-1-3）第三十七页，共八十八页。

利用（9-1-2）和（9-1-3）式即可对各项参数进行选取和设计，例如可确定出最大中继段长度（见9-1-1式）。第三十八页，共八十八页。第三十九页，共八十八页。注：*由于光源的频谱特性（△λ）会产生模分配噪声、光纤色散等效应，所以，为使系统留有一些余量，以便要有效地工作，对于某些专用系统，按括号内的值进行更高的要求。其实现方法可通过限制光源波长范围并靠近光纤的零色散波长来实现。

第四十页，共八十八页。**若要求更大的中继距离，对于某些专用系统，可按括号内的值要求。***对于实际工程中的具体情况，可具体分析以确定综合数值。第四十一页，共八十八页。（2）传输线路色散的考虑

光纤传输线路中，除了有损耗的影响外，还有色散的影响。对于长途干线所用的单模光纤来说，色散主要包括线路自身（光纤色散系数D及中继距离L）和激光器的谱宽（△λ）等方面的因素。表9-1-2中列出了S-R点间所允许的最大色散值（设为Dt），利用此值，也可线路和端机分别进行设计。第四十二页，共八十八页。（a）对线路设计表9-1-2中所列的Dt值指的是在光源的平均单位谱宽情况下所允许的线路S—R点间所允许的最大色散值，即：D×L≤Dt

第四十三页，共八十八页。

一般在1285～1330nm范围内D应不大于3.5ps/nm·km，在1270～1340nm范围内D应不大于6ps/nm·km，实际选值应受表9-1-2的限制。第四十四页，共八十八页。（b）对端机设计对端机设计主要指的是对光源谱宽进行设计，由于光源谱宽的大小将直接影响到总色散值，所以必须加以限制。

第四十五页，共八十八页。表9-1-2中所列的Dt值对光源谱宽（△λ）而言意味着最大中继段长度下的最低要求，即通过限制△λ，应保证系统提供给线路上S-R点间的允许可用色散量至少应不低于Dt值，只有这样，才能保证在系统连通时色散影响不会超出范围。第四十六页，共八十八页。则有：△λ为光源谱宽（nm），对MLM-LD（多纵模激光器）为RMS值，对SLM——LD（单纵模激光器）为峰值下降20dB时的宽度；BL为系统线路上的传输码速（Mb/s），它与系统的数字速率不同，随不同的线路编码类型而有所变化，ε为与光通道功率代价（PO）有关的系统参数（对MLM—LD，一般可取ε=0.115；对SLM—LD，一般可取ε=0.306）；中继距离为L（km）。第四十七页，共八十八页。

因此，能提供给线路的Dt值越大，对光源谱宽（△λ）的要求就越高，或者说，在端机设计时，是以限制△λ为代价放宽了对光纤线路色散及长度特性的要求。在一般情况下，要求LD的谱宽为2nm左右，常温中心波长为1310±5nm。第四十八页，共八十八页。（3）设计举例例题：某长途光缆通信系统拟采用MLM—LD作为光源，标称波长为1310nm；线路为单模光纤：码型为8B1H/1C；系统为4×139.26Mb/s五次群系统（即速率为546.992Mb/s）。第四十九页，共八十八页。解：单模光纤目前在1310nm区域的最好值为平均损耗0.3~0.4dB/km，平均敷设长度为2km。根据表9-1-2单模光纤系统的光通道容限要求，针对该工程的中继段光链路，要求S与R点之间的总衰减不应超过24dB，在1285~1330nm范围内的总色散不应超过120ps/nm第五十页，共八十八页。a.传输功率损耗的考虑根据要求，假设S点入纤光功率PS=－3dBm,设备富余度Me=3dB光通道功率代价Po=1dB，则由（9-1--3）式，接收灵敏度Pr为（BERar≤1×10-10）Pr

≤-3-30-24-3-1=-61（dB）=-31（dBm）第五十一页，共八十八页。

单模光纤每2km有一个接头，取接头衰减平均值为0.1dB/个，因此As取为0.05dB/km；设光纤的损耗系统为Af=0.4dB/km,光缆富余度MC=0.1dB/km；连接器的损耗为Ad=0.5dB/个，则从损耗角度考虑，求得最大中继段长度为（见9.1-1式：）第五十二页，共八十八页。b.传输线路色散的考虑为保证在42km的长度下，总色散不超过120ps/nm，则由（9-1-4）式，色散函数为：第五十三页，共八十八页。对于光源而言，谱度为:由于采用了8B1H/1C码,因此:

Bl=546.992×9/8=635.61mb/s代入上式，得Δλ≤1.51(nm)第五十四页，共八十八页。表9-1-3设计方案表光发射机 PS≥-3dBm,λ：1310±≥nm，λ≤1.51nm(MLM-LD)光接收机 Pr≤-31dBm,Dt≥18dB,BERav≤1×10-10

光纤和光缆在1287-1330nm区域内：At≤0.4dB/km,D≤2.86ps/nm·km,Mc=0.1dB/km,As=0.05dB/km,Ad=0.05dB/km中继距离

42Km左右

第五十五页，共八十八页。二．系统预算

应根据实际的情况对系统进行预算，检查是否能系统正常工作。设计方案后，提出了相应设备或产品的指标，最后得到的这些设备的指标不可能恰好与原订指标相同，可能优于原订指标，也可能劣于原订指标。第五十六页，共八十八页。系统预算包括损耗预算和色散预算。系统设计应同时满足两种预算。Lmax根据损耗预算色散得出的最大中继距离，L′max根据色散预算得出的最大中继距离，（1）Lmax

＞L′max则称系统为色散限制系统；（2）Lmax

＜L′max，则称系统为损耗限制系统；（3）系统真正的最大中继距离应为Lmax和L′max中较小的一个。第五十七页，共八十八页。（1）确定中继距离光发射机、光缆和光接收机等设备性能标准完全满足国家标准并与原订指标相近，接着遇到的主要问题是如何对中继器进行选址，即确定系统的中继距离，需要提出一个合理的中继距离范围，以供工程建设时参考。第五十八页，共八十八页。a.损耗预算如果从系统沿途功率衰减的角度考虑，由图9-1-2和表9-1-2可知，在保证系统正常工作的前提下，最大中继距离（Lmax）为：第五十九页，共八十八页。

在考虑系统的中继距离时，为使系统能长期稳定可靠，留出了一定的余量，包括在Me和Mc，但这些余量不能太大，否则会使实际接收光功率超出接受机的动态范围，使系统不能正常工作，因此应保证所有富余度之和（Me+McLmax+Po）不超过接收机的动态范围Dr，当两者相等时，对应的中继距离为最小，即：第六十页，共八十八页。b色散预算如果从系统色散的角度考虑，最大中继距离为：所以，实际中继距离L的范围应为：Lmin≤L≤Lmax和L′max的较小者如果出现L′man<Lmin，或者这个范围内无法建造中继器，则必须重新调整系统各个组成部分的参数。第六十一页，共八十八页。c举例表9-1-4设备的实际参数表光发射机Ps=-2.5dBm,λ=1314nm,Δλ=1.5nm(MLM－LD) 光接收机 Pr=—32dBm,Dr=20dB,BERav=1×10-10单模光纤 Af=0.35dB/km,D=2.6ps/nm·km,Mc=0.1dB/km,As=0.05dB/km,Ad=0.5dB/km 注：数字速率为564.992Mb/s，码型为8B1H/1C 第六十二页，共八十八页。例题：

某单位根据设计方案表9-1-3所提供的指标对系统各组成部分进行了研制，最后生产出来的产品指标如表9-1-4表示，试根据表9-1-4所提供的指标对系统进行预算，以确定出一个合适的中继距离的范围，并指出该系统是何种因素的限制系统。第六十三页，共八十八页。解：（a）损耗预算

第六十四页，共八十八页。（b）色散预算故系统为色散限制系统实际中继距离的范围应为:21.25km≤L≤46.39(km)由于第六十五页，共八十八页。（2）验证系统是否能正常工作在实际工程设计中，还经常遇到这样一种情况：通信地点、各局站已定，即中继距离已经确定。如何根据已经得到的光发射机、光缆和接收机来验证系统能否正常工作。这就需要根据各项参数进行系统预算。第六十六页，共八十八页。a.损耗预算

根据图9-1-1所示中继段光纤链路连接情况，在接收端连接器C前面（即R点）得到的实际接收光功率P收应为：P收=Ps—（Af+As）L-2Ad式中L为既定的中继距离。第六十七页，共八十八页。

考虑两个方面的内容：一方面如果入纤光功率Ps完全消耗在光纤线路上，使最后接收到的光功率P收等于接收灵敏度Pr，这样并不能保证系统稳定可靠，因为没有留出设备富余度和线路富余度，所以，应使：P收≥Pr+Me+McL+P0而另一方面P收又不能太大。考虑到这两个方面的因素，则应有：Pr+D≥P收≥Pr+Me+MeL+Po即可保证系统稳定地工作.第六十八页，共八十八页。b色散预算对光进行功率预算还不行，要考虑光纤色散的影响:如果参数满足表9-1-2所列的值，即可通过色散预算。第六十九页，共八十八页。注意：只有同时通过损耗和色散二种预算，系统设计才算合格。如果在该情况下，仍然要确定是何种因素制系统，可先不管实际的中继距离是多少，按照前面确定中继距离的方法算出Lmax和L′max，比较这二者的大小，即可知道系统属于何种因素的限制。第七十页，共八十八页。9.2市内光纤数字通信系统的规划与设计

在市内光纤数字学通信系统与设计中主要遇到以下四个问题：(1)我国市内电信网的构成(2)市内光纤系统的总体设计(3)市内光纤通信系统的性能规范(4)光中继段设计第七十一页，共八十八页。一、总体规划对于市内光纤数字通信系统来说，总体规划应主要考虑以下几个问题：系统构成市内光纤数字通信系统由PCM和数字复用设备及数学光纤线路系统组成，其端站设备与图9-1-1基本相同第七十二页，共八十八页。路由选择市内光纤线路主要起到局间中继线的作用，其工程设计应统一规划，既要节省线路投资，又要照顾到市内各网点和各分局。所以，要进行具体的市内电信网规划。第七十三页，共八十八页。系统容量选择一般来说，作为市话中继线的光缆系统宜以四次群（1920话路）为基础，并根据业务量的发展扩容到五次群以上，但根据许多地区的实际情况，目前仍有采用三次群（480话路）为基础的系统，但要注意新建系统容量在二次群及以下的系统经济上不合算，应避免采用。第七十四页，共八十八页。系统工作波长区选择在四次群及其以下系统，标称波长0.85um和1.3um，分别表示0.82~0.91um和1.28~1.33um范围内的任意波长，对565Mb/s单模系统，1.3um标称波长则表示1.285—1.33um范围内的任意波长。对市话系统来说，以采用1.3um波长为宜。第七十五页，共八十八页。光纤类型选择应选用单模或多模（梯度）光纤。线路码型选择由于市话中继系不存在区间通信等问题，所以，可采用5B6B码。第七十六页，共八十八页。二光中继段的系统设计（1）同长途系统一样，市内系统的一个光中继段内的系统设计也包括两个步骤：设计方案和系统预算。只不过。（2）所涉及到的参数选取与长途系统有所不同。对于市内光纤数字通信系统而言，多模光纤的Mc为0.3dB/km，单模光纤的Mc为0.2dB/km，但最小取3dB，最大取10dB。Me取3dB。第七十七页，共八十八页。

表9-2-1~9-2-3分别列出了入纤