第九章 光纤通信系统设计
9.1 概 述
9.2 模拟光纤通信系统
9.3 数字光纤通信系统
9.1 概 述光纤通信系统根据传送的信号可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。
随着光纤通信技术的进步，系统的传输容量 (速率 )越来越高。
系统设计的任务是：遵循建议规范,
采用先进,成熟技术,综合考虑系统经济成本,合理地选用器件和设备,明确系统的全部技术参数,完成实用系统的合成 。
它与工程设计主要区别在于 ［ 9］
首先系统设计与工程设计的区别表现在复杂程度上 。
其次系统设计与工程设计的区别表现在它们的任务不同 。
9.2 模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统多采用副载波复用技术 。 所谓副载波是指射频电磁波,以区别于光调制时的光载波 。 副载波调制的电视系统框图如图 9.1所示 。
图 9.1 副载波复用模拟电视传输系统
9.2.1 系统主要性能指标作为残留边带调幅的副载波光纤传输系统,其主要指标有：载噪比 ( Carrier
Noise Ratio,CNR),组合二阶互调失真
(Composite Second Order intermodulation，
CSO),组合三阶差拍失真 ( Composite
Triple Beat,CTB)。
1,
载噪比 (CNR)是在规定的带宽内一个频道中的载波功率 (C)与噪声功率 (N)之比，
一般以 dB作单位。定义式为：
前置放大器的热噪声所决定的 (CNR)T
为：
(CNR)T与输入功率的平方成正比,即输入功率增加 1dB,(CNR)T增加 2dB。
光电转换散弹噪声决定的 (CNR)q为：
(CNR)q与接收机输入功率成正比,输入功率增加 1dB,(CNR)q增加 1dB。
激光器相对强度噪声决定的 (CNR)RIN
为：
(CNR)RIN与光接收机的接收功率无关 。
2.
设 N个频道的载波幅度均为 I,频率分别为 ωj,初始相位为 θj,则激光器的驱动电流 i(t)为：
此时激光器的输出功率为：
P(t)=P(i)
P(i)为非线性函数,且在 Ib附近连续可导,因此可以将激光器输出功率在偏置点
Ib附近展开为泰勒级数：
式中,P0为对应偏置点 i=Ib时的直流光功率,对式 （ 9-15） 做三角函数展开可以得到：
k=1时,频率仍为 ωj(j=1,2,3… N)，
对应的是线性放大部分 。
k=2时,对应二阶失真 。
k=3时,对应三阶失真 。
9.2.2
直接强度调制光纤电视传输系统的传输距离绝大多数是损耗限制系统 。 根据发射功率,接收机灵敏度,线路损耗和分光器损耗可以计算出传输距离 L：
式中,P0为光发送机发射光功率 (dBm),Pr
为接收机的最低接收光功率 (dBm),M为系统富余量 (dB)； α为光缆线路每公里的损耗 (包括每公里光纤损耗,光纤接头损耗,光纤活动连接器的损耗,单位为 dB/km)； Ai为分光器插入损耗 (dB)；
Ad为分光器分光损耗 (dB)。
如果单从满足系统的传输带宽来考虑，
只要系统要求的带宽不大于单模光纤可提供带宽即可，此时系统的最大传输距离为：
式中,D为单模光纤的色散系数； Δλ为光源的谱线宽度； B为系统传输信号带宽。
9.3 数字光纤通信系统
(1) 抗干扰能力强，传输质量好。
(2) 可以再生，传输距离远。
(3) 数字系统采用大量的数字电路，
容易集成，采用超大规模集成电路芯片使数字设备体积小，功耗低。
9.3.1
数字光纤通信系统的性能主要包括误码性能,抖动性能和系统的可靠性 。
1,参考模型 ［ 13］
(1)
(2)
两个相邻数字配线架之间 (或等效设备之间 )用来传送一种规定速率的数字信号的全部装置构成一个数字段 。
2.
(1)
误码就是经接收判决再生后,数字码流的某些比特发生了差错,使传输信息的质量产生了损伤 。
①
它包括各种噪声源产生的误码；定位抖动产生的误码；复用器,交叉连接设备和交换机的误码 。
②
一些具有突发性质的脉冲干扰如外部电磁干扰,静电放电,设备故障,电源瞬态干扰和人为活动会产生误码 。
(2)
误码性能事件是导出误码性能参数的基础,G.826建议是以块差错 (误块 )事件为基础的规范,它规范的是运行在基群和基群以上速率数字通道的误码性能事件,参数和指标 。
(3)
①
需要说明的是 SES事件并不总是孤立的事件,它可能会连续地发生 SES。 n个连续的 SES与 n个孤立的 SES对用户感到的性能会产生很不相同的影响 。
运行在 G.826所包括的速率下的通道是由传输系统 (数字段 )来承载的 。
误码性能指标如何应用到系统设计,
目前 ITU-T还没有建议 。
3.
(1)
定时抖动对网络的性能损伤表现在下
① 对数字编码的模拟信号,在解码后数字流的随机相位抖动使恢复后的样值具有不规则的相位,从而造成输出模拟信号的失真,
② 在再生器中，定时的不规则性使有效判决偏离接收眼图的中心，从而降低了
③ 在 SDH网中，像同步复用器等配有缓存器的网络单元，过大的输入抖动会造成缓存器的溢出或取空，从而产生滑动损伤。
(2)
(3)
PDH信号在 SDH/PDH边界处应满足原有 PDH网的抖动性能要求 。
① PDH网络接口允许的最大输出抖动
② SDH设备的 PDH支路输入口抖动和漂移容限
③ SDH网络输出接口允许的最大抖动为了保证不同 SDH网元之间的互连而不影响网络的传输质量,SDH网络输出接口允许的最大抖动不应超过表 9.8中所规定的数字 。 括号中数值为数字段要求 。
④ SDH设备的输入口的抖动和漂移容限
⑤ SDH
4.
系统的可靠性一般采用故障统计分析法,即根据实际调查结果,统计足够长时间内的可用时间和不可用时间,然后用可用性指标来表示 。 所谓可用性是指可用时间占系统全部运营时间的百分比 。 因为是统计量,因此统计时间越长,所得结果越精确 。
9.3.2
随着光纤放大器的大量实用,数字光纤通信系统一般分为无光纤放大器系统和有光纤放大器系统 。
1.
在技术上,系统设计的主要问题是确定中继距离,尤其对长途光纤通信系统,
中继距离的设计对系统的性能和经济效益影响很大 。 工程上常用的设计方法主要有三种：最坏值设计法,统计设计法和联合设计法 。
(1)
最坏值设计法就是在设计再生段距离时，所有参数 (包括光功率、光谱范围、光谱宽度、接收机灵敏度、光纤衰减系数、
接头与活动连接器插入损耗等参数 )均采用寿命期中允许的最坏值，而不管其具体的分布如何。
(2)
统计设计法是利用光参数分布的统计特性更有效地设计再生段距离 。 与最坏值设计法相比,统计设计法可以延长再生段距离,但横向兼容性不再满足 。
(3)
在某些情况下,按标准的光接口参数值进行设计不能满足实际工程再生段距离,
运营者需要仔细考虑设计中不满足光接口规范的主要方面 。
2.
为了在再生段上实现横向兼容性,与过去的 PDH体系不同,SDH体系和波分复用系统有世界范围的标准光接口,这些光接口标准是系统设计必须遵循的依据 。
(1)
单信道光接口的位置如图 9.9所示 。
图 9.9 光接口位置示意图
(2)
多信道光接口的位置如图 9.10所示 。
图 9.10多信道系统各参考点位置
3.
(1)
2.5Gbit/s及其以下速率的无光放系统的中继距离和有光放系统的光放段距离主要受光纤损耗限制 。 此时要求主信道的发送和接收之间 (单信道系统的 S和 R点之间 )
总损耗不能超过系统的允许损耗范围,即：
L（ α＋ αs＋ αm） ＋ 2Ac＋ Me＋ Ad≤Po－ Pr
式中,Po为平均发送光功率 (dBm)；
Pr为接收灵敏度 (dBm)； Ac为每个活动连接器损耗 (如果没有光分配架此项为零 )； Me
为系统设备富余量 (dB)； α为光纤损耗常数
(dB/km)； αs为每公里光纤平均接头损耗
(dB/km)； αm为每公里光纤线路损耗余量；
Ad为光通道代价 (dB)； L为光放段长度 。
(2)
信号在光纤中传输时,一方面由于线路系统的损耗,其幅度会越来越小,另一方面会寄生很多噪声,同时由于色散的存在其波形也要发生畸变 。
(3)
光放大器的应用可以大大地提高系统的可用功率,增加系统的衰减范围,延长无中继的传输距离,它还可以取代一些光
－电－光的电中继器,只进行光－光转换,
减少设备的复杂程度,提高系统的可靠性 。
9.1 概 述
9.2 模拟光纤通信系统
9.3 数字光纤通信系统
9.1 概 述光纤通信系统根据传送的信号可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。
随着光纤通信技术的进步，系统的传输容量 (速率 )越来越高。
系统设计的任务是：遵循建议规范,
采用先进,成熟技术,综合考虑系统经济成本,合理地选用器件和设备,明确系统的全部技术参数,完成实用系统的合成 。
它与工程设计主要区别在于 ［ 9］
首先系统设计与工程设计的区别表现在复杂程度上 。
其次系统设计与工程设计的区别表现在它们的任务不同 。
9.2 模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统多采用副载波复用技术 。 所谓副载波是指射频电磁波,以区别于光调制时的光载波 。 副载波调制的电视系统框图如图 9.1所示 。
图 9.1 副载波复用模拟电视传输系统
9.2.1 系统主要性能指标作为残留边带调幅的副载波光纤传输系统,其主要指标有：载噪比 ( Carrier
Noise Ratio,CNR),组合二阶互调失真
(Composite Second Order intermodulation，
CSO),组合三阶差拍失真 ( Composite
Triple Beat,CTB)。
1,
载噪比 (CNR)是在规定的带宽内一个频道中的载波功率 (C)与噪声功率 (N)之比，
一般以 dB作单位。定义式为：
前置放大器的热噪声所决定的 (CNR)T
为：
(CNR)T与输入功率的平方成正比,即输入功率增加 1dB,(CNR)T增加 2dB。
光电转换散弹噪声决定的 (CNR)q为：
(CNR)q与接收机输入功率成正比,输入功率增加 1dB,(CNR)q增加 1dB。
激光器相对强度噪声决定的 (CNR)RIN
为：
(CNR)RIN与光接收机的接收功率无关 。
2.
设 N个频道的载波幅度均为 I,频率分别为 ωj,初始相位为 θj,则激光器的驱动电流 i(t)为：
此时激光器的输出功率为：
P(t)=P(i)
P(i)为非线性函数,且在 Ib附近连续可导,因此可以将激光器输出功率在偏置点
Ib附近展开为泰勒级数：
式中,P0为对应偏置点 i=Ib时的直流光功率,对式 （ 9-15） 做三角函数展开可以得到：
k=1时,频率仍为 ωj(j=1,2,3… N)，
对应的是线性放大部分 。
k=2时,对应二阶失真 。
k=3时,对应三阶失真 。
9.2.2
直接强度调制光纤电视传输系统的传输距离绝大多数是损耗限制系统 。 根据发射功率,接收机灵敏度,线路损耗和分光器损耗可以计算出传输距离 L：
式中,P0为光发送机发射光功率 (dBm),Pr
为接收机的最低接收光功率 (dBm),M为系统富余量 (dB)； α为光缆线路每公里的损耗 (包括每公里光纤损耗,光纤接头损耗,光纤活动连接器的损耗,单位为 dB/km)； Ai为分光器插入损耗 (dB)；
Ad为分光器分光损耗 (dB)。
如果单从满足系统的传输带宽来考虑，
只要系统要求的带宽不大于单模光纤可提供带宽即可，此时系统的最大传输距离为：
式中,D为单模光纤的色散系数； Δλ为光源的谱线宽度； B为系统传输信号带宽。
9.3 数字光纤通信系统
(1) 抗干扰能力强，传输质量好。
(2) 可以再生，传输距离远。
(3) 数字系统采用大量的数字电路，
容易集成，采用超大规模集成电路芯片使数字设备体积小，功耗低。
9.3.1
数字光纤通信系统的性能主要包括误码性能,抖动性能和系统的可靠性 。
1,参考模型 ［ 13］
(1)
(2)
两个相邻数字配线架之间 (或等效设备之间 )用来传送一种规定速率的数字信号的全部装置构成一个数字段 。
2.
(1)
误码就是经接收判决再生后,数字码流的某些比特发生了差错,使传输信息的质量产生了损伤 。
①
它包括各种噪声源产生的误码；定位抖动产生的误码；复用器,交叉连接设备和交换机的误码 。
②
一些具有突发性质的脉冲干扰如外部电磁干扰,静电放电,设备故障,电源瞬态干扰和人为活动会产生误码 。
(2)
误码性能事件是导出误码性能参数的基础,G.826建议是以块差错 (误块 )事件为基础的规范,它规范的是运行在基群和基群以上速率数字通道的误码性能事件,参数和指标 。
(3)
①
需要说明的是 SES事件并不总是孤立的事件,它可能会连续地发生 SES。 n个连续的 SES与 n个孤立的 SES对用户感到的性能会产生很不相同的影响 。
运行在 G.826所包括的速率下的通道是由传输系统 (数字段 )来承载的 。
误码性能指标如何应用到系统设计,
目前 ITU-T还没有建议 。
3.
(1)
定时抖动对网络的性能损伤表现在下
① 对数字编码的模拟信号,在解码后数字流的随机相位抖动使恢复后的样值具有不规则的相位,从而造成输出模拟信号的失真,
② 在再生器中，定时的不规则性使有效判决偏离接收眼图的中心，从而降低了
③ 在 SDH网中，像同步复用器等配有缓存器的网络单元，过大的输入抖动会造成缓存器的溢出或取空，从而产生滑动损伤。
(2)
(3)
PDH信号在 SDH/PDH边界处应满足原有 PDH网的抖动性能要求 。
① PDH网络接口允许的最大输出抖动
② SDH设备的 PDH支路输入口抖动和漂移容限
③ SDH网络输出接口允许的最大抖动为了保证不同 SDH网元之间的互连而不影响网络的传输质量,SDH网络输出接口允许的最大抖动不应超过表 9.8中所规定的数字 。 括号中数值为数字段要求 。
④ SDH设备的输入口的抖动和漂移容限
⑤ SDH
4.
系统的可靠性一般采用故障统计分析法,即根据实际调查结果,统计足够长时间内的可用时间和不可用时间,然后用可用性指标来表示 。 所谓可用性是指可用时间占系统全部运营时间的百分比 。 因为是统计量,因此统计时间越长,所得结果越精确 。
9.3.2
随着光纤放大器的大量实用,数字光纤通信系统一般分为无光纤放大器系统和有光纤放大器系统 。
1.
在技术上,系统设计的主要问题是确定中继距离,尤其对长途光纤通信系统,
中继距离的设计对系统的性能和经济效益影响很大 。 工程上常用的设计方法主要有三种：最坏值设计法,统计设计法和联合设计法 。
(1)
最坏值设计法就是在设计再生段距离时，所有参数 (包括光功率、光谱范围、光谱宽度、接收机灵敏度、光纤衰减系数、
接头与活动连接器插入损耗等参数 )均采用寿命期中允许的最坏值，而不管其具体的分布如何。
(2)
统计设计法是利用光参数分布的统计特性更有效地设计再生段距离 。 与最坏值设计法相比,统计设计法可以延长再生段距离,但横向兼容性不再满足 。
(3)
在某些情况下,按标准的光接口参数值进行设计不能满足实际工程再生段距离,
运营者需要仔细考虑设计中不满足光接口规范的主要方面 。
2.
为了在再生段上实现横向兼容性,与过去的 PDH体系不同,SDH体系和波分复用系统有世界范围的标准光接口,这些光接口标准是系统设计必须遵循的依据 。
(1)
单信道光接口的位置如图 9.9所示 。
图 9.9 光接口位置示意图
(2)
多信道光接口的位置如图 9.10所示 。
图 9.10多信道系统各参考点位置
3.
(1)
2.5Gbit/s及其以下速率的无光放系统的中继距离和有光放系统的光放段距离主要受光纤损耗限制 。 此时要求主信道的发送和接收之间 (单信道系统的 S和 R点之间 )
总损耗不能超过系统的允许损耗范围,即：
L（ α＋ αs＋ αm） ＋ 2Ac＋ Me＋ Ad≤Po－ Pr
式中,Po为平均发送光功率 (dBm)；
Pr为接收灵敏度 (dBm)； Ac为每个活动连接器损耗 (如果没有光分配架此项为零 )； Me
为系统设备富余量 (dB)； α为光纤损耗常数
(dB/km)； αs为每公里光纤平均接头损耗
(dB/km)； αm为每公里光纤线路损耗余量；
Ad为光通道代价 (dB)； L为光放段长度 。
(2)
信号在光纤中传输时,一方面由于线路系统的损耗,其幅度会越来越小,另一方面会寄生很多噪声,同时由于色散的存在其波形也要发生畸变 。
(3)
光放大器的应用可以大大地提高系统的可用功率,增加系统的衰减范围,延长无中继的传输距离,它还可以取代一些光
－电－光的电中继器,只进行光－光转换,
减少设备的复杂程度,提高系统的可靠性 。
