第 6章 光纤通信系统的设计
?设计原则
?数字传输系统的设计
?模拟传输系统的设计
?光纤系统实例
在前面几章中，我们已经学习了光纤通信系统中基本元器件的功能，从光源、光检测器、
光放大器等有源器件到连接器、隔离器等无源器件。在这章里我们将讨论如何将这些器件
通过光纤组合形成具有完整通信功能的系统。
光纤通信系统就其拓扑而言是多种多样的，有星形结构、环形结构、总线结构和树形结构
等，其中最简单是点到点传输结构。从应用的技术来看，分光同步传输网、光纤用户网、
复用技术、高速光纤通信系统、光孤子通信和光纤通信在计算机网络中的应用等等。从其
地位来分，又有骨干网、城域网、局域网等。不同的应用环境和传输体系，对光纤通信系
统设计的要求是不一样的，这里我们只研究简单系统的设计，即点到点传输的光纤通信系
统。内容包括设计原则、数字和模拟通信系统的设计，最后给出了设计实例，以期读者对
光纤通信方面的知识有一全面了解。
6.1 设计原则
6.1.1 工程设计与系统设计
光纤通信系统的设计包括两方面的内容：工程设计和系统设计。
工程设计的主要任务是工程建设中的详细经费概预算，设备、线路的具
体工程安装细节。主要内容包括对近期及远期通信业务量的预测；光缆
线路路由的选择及确定；光缆线路敷设方式的选择；光缆接续及接头保
护措施；光缆线路的防护要求；中继站站址的选择以及建筑方式；光缆
线路施工中的注意事项。设计过程大致可分为：项目的提出和可行性研
究；设计任务书的下达；工程技术人员的现场勘察；初步设计；施工图
设计；设计文件的会审；对施工现场的技术指导及对客户的回访等。
系统设计的任务遵循建议规范，采用较为先进成熟的技术，综合考虑系
统经济成本，合理选用器件和设备，明确系统的全部技术参数，完成实
用系统的合成。
6.1.2系统设计的内容
光纤通信系统的设计涉及到许多相互关联的变量，如光纤、光源和光检
测器的工作特性、系统结构和传输体制等。
例如，目前在骨干网和城域网中普遍选择同步数字序列
SDH(Synchronous Digital Hierarchy)作为系统制式，在设计 SDH体制的
光纤通信系统时，首先要掌握其标准和规范,SDH的传输速率分为 STM-
1(155.52Mb/s),STM-4(622.08Mb/s),STM-16(2.5Gb/s)和 STM-
64(10Gb/s)等四个级别。 ITU-T对每个级别（ STM-64正在研究中）所使
用的工作波长范围、光纤通道特性、光发射机和接收机的特性都作了规
定，并对其应用给出了分类代码，表 6.1给出了 STM-1标准光接口的主要
指标，其中应用分类代码中的符号 I表示距离不超过 2km的局内应用,S
表示距离在 15km的局间短距离应用,L表示距离在 40～ 80km的局间长距
离应用，符号后的数字表示 STM的速率等级和工作波长（ 1310nm）。
又例，对于局域网 (LAN)的设计,IEEE,TIA/EIA等组织也有相关的标准，
见表 6.2，对数据速率、波长作了规定。表 6.3表示了波长范围以及相应
技术的要求。对于数据速率为 10Mbit/s或 100Mbit/s的 LAN系统，其光缆
的长度可以查阅 IEEE802.3u和 TIA/EIA568A标准。表 6.4为其建议的最大
光缆长度。
虽然光纤通信系统的形式多样，但在设计时，不管是否有有成熟的标准
可循，以下几点是必须考虑的：①传输距离。②数据速率或信道带宽。
③误码率（数字系统）或载噪比和非线性失真（模拟系统）。在作过相
关的分析后，我们要决定：是采用多模光纤还是单模光纤，并涉及到纤
芯尺寸、折射率剖面、带宽或色散、损耗、数值孔径或模场直径等参数
的选取；是采用 LED还是 LD光源，涉及到波长、谱线宽度、输出功率、
有效辐射区、发射方向图、发射模式数量等指标的确定；是采用 PIN还是
APD接收器，它涉及到响应度、工作波长、速率和灵敏度等参量的选择。
6.1.3 系统设计的方法
为了确保获得预期的系统性能，做出合适的选择，必须进行两种分析：
功率预算和带宽预算。
1．功率预算
功率预算的目的是判断光检测器接收到的光功率是否达到其所需的最小
光功率（灵敏度）。光发射机发送的功率减去光纤链路的损耗和系统富
余度，即为接收机的接收功率。光纤链路的损耗包括光纤损耗、连接器
损耗、接头损耗以及诸如分路器和衰减器等元件设备引入的损耗。系统
富余度是一个估计值，用于补偿器件老化、温度波动以及将来可能加入
链路器件引起的损耗，这个值在 2～ 8dB之间。设总的光功率损耗为 PT，
光发射机发送的光功率为 PS(dBm)，光接收机的灵敏度为 PR(dBm)，则
CSCRST MAALPPP ?????? ?
AC(dB)为连接器损耗,FC型连接器一般为 0.8dB/个,PC型连接器一般为
0.5dB/个； AS(dB)为光纤固定接点损耗，一般为 0.1 dB/个； MC(dB)为系统富
余度。由（ 6.1.1）式可以计算出给定光纤的最大传输距离、连接器和接头等数
量，得到较好的设计。
2,带宽预算
带宽预算的目的是为了满足传输速率的要求。光纤通信系统的带宽除了
和光纤的色散特性有关外，还与光发射机和光接收机等设备有关。工程
上常用系统上升时间来表示系统的带宽。上升时间的定义是：在阶跃脉
冲作用下，系统响应从幅值的 10％上升到 90％所需要的时间，如图 6.1.1
所示
系统带宽与上升时间成反比，常用下式作为系统设计的标准
（ 6.1.2）
上式仅适用于归零码（ RZ），对于非归零码（ NRZ），则应当修正为
（ 6.1.3）
系统上升时间与诸多因素有关，较为主要的因素有光纤色散、光发射机
和光接收机的上升时间。设由光纤色散引起的上升时间为，光发射机等
光电设备的上升时间为，则得到
r
sy s tf ???
35.0
r
sys tf ???
7.0
22 )()(
eqfibs y s ttt ?????
例 6.1.1 某 LAN光纤链路工作波长 λ＝ 850nm，链路长度 L=2000m，最大
比特率为 16Mbps，采用线宽为 20nm的 LED光源，光设备的上升时间
为 8ns。问用 MMF（多模光纤） 62.5/125μm的光纤可以达到指定的比
特率吗？
解：该题可分成几个部分求解。
（ 1）计算系统要求的上升时间,在第 2章中，我们已经知道带宽与比特
率的关系，由（ 2.3.24）式得到
M H zBf s y s 16???
nsM H zf
s y s
r 9.2116
35.035.0 ??
??? ?
syst?
eqt?
fibt?
（ 2）计算系统实际的上升时间
现在计算公式（ 6.1.4）右边的值是否小于系统所要求的上升时间。因为
为已知，所以只需计算,已知
22m o d )()( chfib ttt ?????
modt? cht?
是模式色散引起的脉冲展宽,是色度色散引起的脉冲展宽。
M H zkm kmM H zf 802 )(16 0m o d ????
M H zff el 6.56707.0 m o dm o d ????? ?
nsMH zft
el
2.66.56 35.035.0
m o d
m o d ?????
?
nsttt chfib 4.742.6)()( 2222m o d ????????
nstt eqfib 9.1084.7)()( 2222 ??????
可见该值小于系统所要求的上升时间 21.9ns，光纤的选择满足系统
设计的要求。如果光纤的带宽不能满足要求，可以将波长换为
1300nm或采用 LD光源。
6.2 数字传输系统的设计
6.2.1 系统技术考虑
数字传输系统的描述和指标有比特率、传输距离、码型和误码率等，其中误
码率是保证传输质量的基本指标，它受多种因素制约，与光探测器性能、前置
放大器性能、码速、光波形、消光比以及线路码型有关。数字传输系统设计的
任务就是要通过器件的适当选择以减小系统噪声的影响，确保系统达到要求的
性能。
在系统的传输容量确定后，就因确定系统的工作波长，然后选择工作在这一
区域内的器件。如果系统传输距离不太远，工作波长可以选择在第一窗口
（ 800~900nm）；如果传输距离较远，应选择 1300 nm或 1550 nm波长。
光纤的选择应该根据通信容量的大小和工作波长来决定。多模光纤和单模光
纤除了工作模式上的差别外，它们在带宽、衰减常数、尺寸和价格等方面存在
较大差异。表 6.5为典型的多模、单模光纤在带宽和衰减常数上差异的比较。
多模光纤的带宽比单模光纤带宽小得多，衰减常数比单模光纤大得多，所以比
较适用于低速、短距离的系统和网络，典型的应用有计算机局域网、光纤用户
接入网等。表 6.6为不同类型多模光纤的技术规范。
多模光纤的芯径最小为 50μm，最大为 100μm，数值孔径较大，有利于光
源光功率到光纤的耦合。另外，对于连接器和接头的要求都不高，这也
决定了多模光纤比较适用于多交叉点、多连接头的场所的应用。
单模光纤的带宽较宽，衰减较低，所以比较适合高速、长距离的系统，
典型的应用有 SDH,WDM网络等。
光检测器的选取通常放在光源之前。接收灵敏度和过载光功率是主要
考虑的参数。接收灵敏度是指在一定误码率（一般为 10-9）下，接收机
所能接收到的最小光功率。过载功率是指接收机可以接收的最大光功率。
当接收机接收的光功率开始高于灵敏度时，信噪比的改善会使误码率变
小，但是若光功率继续增加到一定地步，接收机前置放大器将进入非线
性区域，继而发生饱和或过载，使信号脉冲波形产生畸变，导致码间干
扰迅速增加，误码率开始劣化（变大），当误码率再次到达规定值时，
对应的接收光功率即为过载功率。
在选取光检测器时，应综合考虑成本和复杂程度。 PIN管与 APD管相比，
结构简单，成本较低，但灵敏度没有 APD管高，目前它们经常与前置放
大器组合成组件使用。
光源的选择要考虑系统的一些参数，如色散、数据速率、传输距离和成
本等。 LD的谱宽比 LED的要窄得多。在波长 800nm到 900nm的区域里，
LED的谱宽与石英光纤的色散特性的共同作用将带宽距离积限制在
150(Mb/s)·km以内，要达到更高的数值，在此波长区域内就要用激光器。
当波长在 1300nm附近时，光纤的色散很小，此时使用 LED可以达到
1500(Mb/s)·km的带宽距离积。若采用 InGaAsP激光器，则该波长区域上
的带宽距离积可以超过 25(Gb/s)·km。而在 1550nm波长区域内，单模光
纤的极限带宽距离积可以达到 500(Gb/s)·km。
一般而言，半导体激光器耦合进光纤的功率比 LED要高出 10dB到 15dB，
因此采用 LD可以获得更大的无中继传输距离，但是价格要昂贵许多，所
以要综合考虑加以选择。
6.2.2 光通道功率代价和损耗、色散预算
当传输距离确定后，根据功率预算关系式（ 6.1.1）可以知道链路允许损
耗与光发送机和接收机的功率关系。实际的数字光纤链路除了光纤本身
的损耗、连接器和接头的损耗外，还存在着因模式噪声、模分配噪声、
激光器频率啁啾、反射以及码间干扰而导致的光通路功率代价。
模式噪声
在多模光纤中，由于振动、微弯等机械扰动，各传输模式间的干涉在光
检测器的受光面上产生的斑图将随时间波动，它会导致接收功率发生波
动，并附加到总的接收噪声中，使得误码率劣化，这种波动称为模式噪
声。另外，连接器和接头起到了空间滤波器的作用，它们也会造成斑图
的瞬时波动，增加模式噪声。
相干激光器的谱宽（）如果比较小，使得相干时间（）大于模间时延
差（见 2.2节）的话，同样会产生模式噪声。
一般而言，运行速率低于 100Mb/s的链路，可以不考虑模式噪声的影
响，但当速率达到 400Mb/s以上时，模式噪声就变得较为严重了。减小
模式噪声可以采取下列方法：使用非相干光源 LED；或使用纵模数多的
激光器；使用数值孔径较大的光纤或使用单模光纤。
模分配噪声
多模 LD在调制时，即使总功率不随时间改变，其各个模式的功率随着时
间呈随机波动。由于光纤色散的存在，这些模式以不同的速度传播，造
成各模式不同步，引起系统接收端电流附加的随机波动，形成噪声，使
判决电路的信噪比降低。因此，为了维持一定的信噪比，达到要求的误
码率，就要增大接收光功率。考虑模分配噪声需要增加的这部分功率就
是要付出的功率代价。
模分配噪声的影响在高速率的系统中表现较为明显。由于 DFB激光器
的边模抑制比很高，所以选择动态单纵模 DFB激光器而不是 F-P腔激光器
就可以有效地降低这种噪声的影响。
频率啁啾
单纵模激光器工作于直接调制状态时，由于注入电流的变化引起了有源
区载流子浓度变化，进而使有源区折射率发生变化，结果导致谐振波长
随时间漂移，产生频率啁啾，由于光纤的色散作用，频率啁啾造成光脉
冲波形展宽，影响到接收机的灵敏度。
减小啁啾效应最理想到方法是通过选择激光器的工作波长接近于光纤的
零色散波长，另外采用多量子阱结构 DFB-LD或者采用外调制器都可以减
少频率啁啾的影响。
码间干扰
码间干扰是因为光纤色散导致所传输的光脉冲展宽，最终相邻光脉冲彼
此重叠而形成的。对于使用多纵模激光器的系统，即使光接收机能够对
单根谱线形成的波形进行理想均衡，但由于各个谱线产生的波形经历的
色散不同而前后错开，光接收机很难对不同模式携带的合成波进行理想
均衡，从而造成光信号损伤，导致功率代价。
反射
在光传输路径上总是存在连接器、接头等折射率不连续的点，这时一部
分光功率就会被反射回来，反射信号对光发射机和接收机都会产生不良
影响，在高速系统中，这种反射功率造成的光反馈使激光器处于不稳定
状态，表现为激光器的输出功率发生波动、激光器的谐振状态受到扰乱，
形成较大的强度噪声、抖动或相位噪声，同时引起发射波长、线宽和阈
值电流的变化。
如果在两个反射点之间产生多次反射，反射光与信号光相互叠加，将产
生干涉强度噪声，对高速系统将产生较大的影响。在 STM-1标准光接口
的主要指标中，为了控制反射的影响，规定了两种反射指标，即 S点的最
小回波损耗和 S-R点之间的最大离散反射系数。
减小光反射的方法有：将光纤端面制成曲面或者斜面，从而使反射光偏
离轴线，不重新进入光纤传输；将光纤与空气交界面上涂上折射率匹配
的物质，如凝胶；使用 PC连接器；使用光隔离器。
当考虑到上述因素后，在（ 6.1.1）式的右边，还需要加上一项光通道功
率代价 PC，取值范围约为 1～ 2dB，功率预算关系式重新表达为
CCSCRST MPAALPPP ??????? ?
根据上式得出的 L值也称为损耗受限系统中继距离。
如果仅考虑色散对传输距离的限制，则可利用下式来计算色散受限系统中继距离
??
?
??
??
DBL d
610
式中 Ld为色散受限中继距离（ km）,ε为与激光器有关的系数，光源
为多纵模激光器时取 0.115，为 LED时取 0.306,B为信号比特率
（ Mb/s）,D是光纤色散系数 [ps/(nm·km)]，
??
是光源的均方谱宽（ nm）。
对于采用单纵模激光器的系统，假设光脉冲为高斯波形，允许的脉冲展
宽不超过发送脉冲宽度的 10％，用的计算公式是
（ 6.2.3）
式中,λ为工作波长（ μm）,B为信号比特率（ Tb/s）,α为啁啾系数，
对于量子阱激光器，，若采用 EA调制器，取。
实际设计时，应根据（ 6.2.1）式和（ 6.2.2）式或（ 6.2.3）式分别计算后，
取两者较小值为最大无中继距离。
22
71400
BDL d ???? ??
6.3 模拟传输系统的设计
6.3.1 系统组成及其评价
1,系统组成
大多数光纤通信系统是数字系统，但有的时候，以模拟的形式传送信
息具有更多的优点。图 6.3.1画出了模拟光纤传输系统的示意图。
图中的模拟电输入信号可以是微波多路复用信号、雷达信号、视频分配
信号等。以多路电视信号传输为例，它是将各个电视基带信号调制到不
同频率的载波上,CATV系统一般都是采用残留边带幅度调制方式。这些
信号的频谱相互不重叠，每路信号所占带宽为 8MHz。这些信号合成后再
以某种方式去调制光载波，一般对激光器以直接强度方式调制。因为合
成的载波信号对于光信号而言扮演着副载波的角色，所以这种技术也称
为副载波复用 SCM（ Subcarrier Multiplexing），见图 6.3.2。
2,主要指标
模拟传输系统的主要性能指标有三个，它们是载噪比 CNR(Carrier to
Noise Ratio)、复合二阶失真 CSO(Composite Second Order
Intermodulation )和复合三阶差拍 CTB(Composite Triple Beat)。后两项
指标针对多路信道复用的使用情况。
图 6.3.2中，多路频分复用的模拟电信号对激光器进行调制时，由于激光
器的 P-I曲线不是理想线性的，所以会出现谐波及互调产物（各个副载波
之间的和频与差频的各种组合），如果它们落在所传输的频带内，将导
致谐波失真和互调失真。当输入的驱动电流信号超过了激光器的阈值 Ith
时，还会出现削波失真。所有这些失真称之为非线性失真。非线性失真
的影响可以用 CSO,CTB来描述,CSO定义
某频道）二阶互调产物总功率（
载波功率（某频道）?C S O
）调产物总功率（某频道三阶差拍产物和三阶互
载波功率（某频道）?C T B
是对于多信道视频图像传输系统,CSO和 CTB的值应分别低于－ 60dBc、－
63dBc。
载噪比 CNR是在规定的带宽内载波功率与噪声功率的比值，单位为 dB。调制方式
不同，对 CNR值的要求不同。对于幅度调制度电视信号,CNR应大于 50dB，若
采用频率调制，该值只需大于 15dB。
系统总的载噪比与各个类型噪声成份导致的载噪比之间的关系是
?
?
?
n
i iCNRCNR 1
11
式中 n为噪声类型的数目。
对于单信道模拟传输链路，主要噪声源有激光器相对强度噪声 RIN、削波噪声、光检
测器噪声和光放大器噪声，其基本噪声类型是相对强度噪声 RIN和光检测器噪声。仅
考虑它们作用时系统 CNR的表达式推导如下。
首先计算载波功率。如图 6.3.3所示。设模拟驱动信号为，
则输出光功率为
)s in1()( tmPtP b ???
tIti m ?s in)( ?
式中 Pb是光源在偏置电流 Ib处的输出光功率,m是调制指数，其表达式为
bP
Pm ??
ΔP的定义由图 6.3.3给出。 m的取值范围是 0.25～ 0.50。
光检测器输出电流
)s in1()s in1()( 0 tmRPtmIti rr ?? ????
式中 R是光检测器的响应度,Pr是它的平均接收功率，故载波功率为
22
0 )(2
1)(
2
1
rm R M PmIC ??
式中 M是光检测器的增益，对于 PIN光电二极管,M＝ 1。
再计算噪声功率。激光器相对强度噪声 RIN的产生是由于其输出光的强度总在随机
变化，其噪声功率表达式 BRPR IN
rR IN )(2 ??
式中 B为频道的带宽,RIN的典型值为－ 130～－ 160dB/Hz。
散粒噪声是光检测过程中由光生电流的随机效应产生的。由于器件内部物理过
程使得光生电流围绕一个统计平均值而起伏，该起伏就是散粒噪声，其功率为
BFMIIq APds h o t 22 )(2 ???
式中 q为电子电荷（ 1.6× 10－ 19C）,Id是光检测器的暗电流,IP=RPr是光电流，
M是光电二极管的增益,FA是光检测器的过剩噪声指数，对于 PIN管，该数值为 1，
B为带宽。
热噪声功率达表达式是
FBR Tk
i
B
T
42 ??
式中 kB为波尔茲曼常数（ 1.38× 10－ 23J/K）,T为绝对温度,F是前置
放大器的噪声系数,Ri为前置放大器的输入电阻,B为带宽
由（ 6.3.7）式至 (6.3.10) 式，可得到模拟系统的载噪比公式
FB
R
Tk
BFMIIqBRPR I N
m R M P
N
C
i
B
APdr
r
4
)(2)(
)(
2
1
2
2
???
?
N
CCNR lg10?
图 6.3.4为载噪比与接收光功率的关系曲线，其中的参数
为 m＝ 0.25,RIN＝－ 143dB/Hz，入纤功率 PS＝ 0dBm，
R＝ 0.6A/W,B＝ 10MHz,Id＝ 10nA，
Ri＝ 750Ω,F＝ 3dB，采用 PIN管。
由图 6.3.4可见，要满足 CNR>50dB，接收光功率必须大于－ 14dBm，当
然，对于不同的光源和光检测器，因为它们的参数各异，所以要求的接收
功率是不一样的。图 6.3.4用虚线描述了三个极限情况下载噪比的数值，
它们是通过令（ 6.3.11）式分母中某一项起作用而另两项为零得到的。当
接收光功率较高时，光源噪声起主导作用，载噪比几乎是一个常数；对于
中等强度的接收光功率，主要噪声是散粒噪声，接收光功率减少 1dB，
CNR值就降低 1dB；当接收的光功率较低时，接收光功率每变化 1dB，
CNR的值将改变 2dB。
6.3.2 光放大器对系统性能的影响
如果模拟系统链路较长，就要用光放大器来弥补光纤的损耗，但是光放
大器的噪声会影响到系统的性能。假设光放大器置于光探测器前，那么
光探测器中除了热噪声以外，还有与光放大器放大的自发辐射有关的噪
声分量。设信号场和放大的自发辐射场分别为 ES和 En，则光检测器电流，
显然，除了信号和噪声项以外，还有信号与噪声的乘积项，我们称之为
差拍噪声。如果它落在光接收机的带宽内，将会降低系统的载噪比。光
接收机的典型带宽小于 50GHz（ 0.4nm），所以只有那些距离信号波长
0.4nm以内的 ASE成份才会产生差拍噪声。
仅考虑信号项和噪声项的话，光探测器的入射光功率是
?????? A S EinA S Einr SGPPGPP
式中 Pin为信号光功率,G为光放大器增益,PASE为放大自发辐射功率,SASE是其
功率谱,Δν为其带宽，如果在光检测器前放置一个光滤波器，则可明显降低放大的
自发辐射的影响。这样光探测器中散粒噪声可表示为
Bq R G P inA S Esh o t 22 ???
信号与放大自发辐射所产生的差拍噪声功率为
))((42 BRSRG P A S EinA S ES ???
除此之外,ASE还产生自拍噪声，但要比小得多，在光放大器增益足够
大时，还可以忽略光探测器的热噪声，所以此时模拟系统中噪声的影响
主要由（ 6.3.8）式、（ 6.3.14）式和（ 6.3.15）式决定。
对于模拟传输系统，功率预算的步骤是根据 CNR指标以及光源和光检测
器的参数，由（ 6.3.11）式求出光接收机要求的最小功率，根据链路损
耗，再求出光源的发射光功率要求值。如果链路较长需采用光放大器的
话，（ 6.3.11）式分母上还要加上由（ 6.3.14）式和（ 6.3.15）式所描述
的两项噪声。需要说明的是：简单、传输距离短的系统可采用渐变多模
光纤、波长为 0.8μm～ 0.9μm的 LED光源和 PIN探测器，假如这些器件不
能满足系统的指标要求，就要选取工作在 1.3μm的 LD、单模光纤和 APD
探测器。带宽预算的方法与 6.1节采用的相同。
6.4 光纤系统实例
光纤以及光纤网络终端产品广泛应用于各种广域网、城域网、宽带接入
网以及专业网，如金融、交通、能源等，特别是生活小区宽带网的兴起，
更使光纤网络的应用范围渗透到我们生活的各个领域，这节我们介绍光
纤网络几个实际应用。
6.4.1 设备互联方案
采用光纤以及光纤收发器可以在 100公里的范围内实现两台设备的互
联，这种方法能够延伸以太网的连接距离，将设备连接至远端局域网。
图 6.4.1示出了两台交换机之间的互联结构。
光纤收发器实际上是一个光电转换器，用以实现光、电信号在一定标准
下的相互转换，它带有光接口和电接口。下面列出了某光纤收发器产品
的主要性能：
电接口：（ 1）符合标准 IEEE802.3,IEEE802.3u,IEEE802.3x
（ 2）速率 10/100Mbps，全双工、半双工自适应
（ 3）接口 RJ-45 (双绞线 )
（ 4）连接电缆 5类 /超 5类 UTP，传输距离 100米
光接口：（ 1）单模 /多模可选
（ 2）光接口 ST,SC两种
（ 3）工作模式及波长 多模 850nm,1310nm和单模 1310nm,1550nm
（ 4）连续光纤可采用 50/125,62.5/125,100/140μm等多模光纤和
8.3/125,8.7/125,9/125,10/125μm等单模光纤。
连接距离：（ 1）多模光纤 5km
（ 2）单模光纤 120km
6.4.2 数据 /视频光端机在闭路监控系统中的应用
光端机是光纤通信系统中的传输终端设备，由光发射机和光接收机组成，光
发射机内部包含输入接口、光线路码型变换和光发送等部分，光接收机包括
光接收、定时再生、光线路码型反变换和输出接口等部分。光端机的类型、
功能繁多，按所连接的光纤来分，有与单模光纤或与多模相连的光端机；按
功能来分，有用于传输视频、音频、视频 /数据、视频 /音频、视频 /数据 /音频、
以太网计算机数据多路复用的光端机；按传输的信号路数和信号的方向来分，
有一路、多路、单向和双向的光端机；按应用来分，有安防系统、闭路监视
系统、智能化远程传输系统（高速公路、智能交通）、楼宇控制系统和校园
网络等系统中。
图 6.4.2示出了光端机在闭路监控系统中的应用。控制主机能够监视并控
制 5公里左右的远端摄像机，远端摄像机的控制信号为 RS-485，同时要
传输一路视频信号到控制中心主机。该系统可选择 AB公司的 AB-
M100TA/RA-0001C数据 /视频光端机对，它具有一路视频信号（采用频
率调制 FM）传输，又具有一路反向 RS-485控制信号的传输，它的光发
射机内置一路反向数据接收器，光接收机内置一路反向数据发射器。该
系列光端机的技术规格如下。
光学指标
见表 6.7
视频指标
视频输入 /输出阻抗 75Ω（非平衡）
视频输入 /输出电压 典型峰－峰值 1.0V，最大值 1.5V
最大功耗 3.5W
频率响应 5Hz～ 8MHz
微分增益 <2%典型值
微分相位 <2（典型值）
场斜率 <0.5%(最大值 )
信噪比 67dB
FM载波频率 70MHz
音频指标
音频输入 /输出阻抗 600Ω； 10kΩ或 47kΩ平衡 /非平衡
音频输入 /输出电平 － 6～＋ 6dBm
频率响应 10Hz～ 20kHz
信噪比 >60dB
数据指标
速率 0～ 100Kb/s(RS-232)； 0～ 300Kb/s(RS-422)
误码率 10－ 9
6.4.3 多通道业务光端机的应用
这小节介绍一种多通道业务光端机的应用。其产品主要性能如下：支持 4路、
8路或 16路 E1（ 2.048Mb/s）的传输容量； E1接口符合 G.703建议；一路
PCM数字公务电话；一路网管通道，以实现对设备的网管；一路 RS232异步
数据接口；一路 V.35通道可选，一路 10Base-T接口可选；一路线速 100Mbps
的以太网接口可选；无中继传输距离 120km，主要技术参数如下：
E1接口
速率 2.048Mbit/s± 50ppm
码型 HDB3
阻抗 75Ω（非平衡）,120Ω（平衡）
接口特性 满足 G.703,G.742和 G.823标准
帧结构 无帧结构
光纤接口
FC接口
波长 单模 1310/1550nm，多模 850/1310nm
发送功率 >－ 10dBm
接收灵敏度 优于－ 36dBm(误码率 <10-11)
线速以太网接口（选配）
速率 10/100Mbps 自适应
半双工 /全双工自适应
V.35接口（选配）
速率 2.048Mbps± 30ppm
连接器 DB25
DEC工作方式
10Base-T接口（选配）
速率 10Mbps
半双工 /全双工自适应
本章小结：
光纤通信的设计是一项复杂的工作，它要求读者熟知光源、光检测器和
光纤的基本性能参数，并对其它光网络产品及应用有一定了解，是对前
面几章内容的综合和提升。本章内容重点在于掌握光纤通信系统的基本
方法－功率预算和带宽预算以及高速系统的色散受限和损耗受限对中继
距离的影响。在学习过程中，对规范、标准应有足够的重视，并应培养
从网上搜索相关产品信息的习惯。
?设计原则
?数字传输系统的设计
?模拟传输系统的设计
?光纤系统实例
在前面几章中，我们已经学习了光纤通信系统中基本元器件的功能，从光源、光检测器、
光放大器等有源器件到连接器、隔离器等无源器件。在这章里我们将讨论如何将这些器件
通过光纤组合形成具有完整通信功能的系统。
光纤通信系统就其拓扑而言是多种多样的，有星形结构、环形结构、总线结构和树形结构
等，其中最简单是点到点传输结构。从应用的技术来看，分光同步传输网、光纤用户网、
复用技术、高速光纤通信系统、光孤子通信和光纤通信在计算机网络中的应用等等。从其
地位来分，又有骨干网、城域网、局域网等。不同的应用环境和传输体系，对光纤通信系
统设计的要求是不一样的，这里我们只研究简单系统的设计，即点到点传输的光纤通信系
统。内容包括设计原则、数字和模拟通信系统的设计，最后给出了设计实例，以期读者对
光纤通信方面的知识有一全面了解。
6.1 设计原则
6.1.1 工程设计与系统设计
光纤通信系统的设计包括两方面的内容：工程设计和系统设计。
工程设计的主要任务是工程建设中的详细经费概预算，设备、线路的具
体工程安装细节。主要内容包括对近期及远期通信业务量的预测；光缆
线路路由的选择及确定；光缆线路敷设方式的选择；光缆接续及接头保
护措施；光缆线路的防护要求；中继站站址的选择以及建筑方式；光缆
线路施工中的注意事项。设计过程大致可分为：项目的提出和可行性研
究；设计任务书的下达；工程技术人员的现场勘察；初步设计；施工图
设计；设计文件的会审；对施工现场的技术指导及对客户的回访等。
系统设计的任务遵循建议规范，采用较为先进成熟的技术，综合考虑系
统经济成本，合理选用器件和设备，明确系统的全部技术参数，完成实
用系统的合成。
6.1.2系统设计的内容
光纤通信系统的设计涉及到许多相互关联的变量，如光纤、光源和光检
测器的工作特性、系统结构和传输体制等。
例如，目前在骨干网和城域网中普遍选择同步数字序列
SDH(Synchronous Digital Hierarchy)作为系统制式，在设计 SDH体制的
光纤通信系统时，首先要掌握其标准和规范,SDH的传输速率分为 STM-
1(155.52Mb/s),STM-4(622.08Mb/s),STM-16(2.5Gb/s)和 STM-
64(10Gb/s)等四个级别。 ITU-T对每个级别（ STM-64正在研究中）所使
用的工作波长范围、光纤通道特性、光发射机和接收机的特性都作了规
定，并对其应用给出了分类代码，表 6.1给出了 STM-1标准光接口的主要
指标，其中应用分类代码中的符号 I表示距离不超过 2km的局内应用,S
表示距离在 15km的局间短距离应用,L表示距离在 40～ 80km的局间长距
离应用，符号后的数字表示 STM的速率等级和工作波长（ 1310nm）。
又例，对于局域网 (LAN)的设计,IEEE,TIA/EIA等组织也有相关的标准，
见表 6.2，对数据速率、波长作了规定。表 6.3表示了波长范围以及相应
技术的要求。对于数据速率为 10Mbit/s或 100Mbit/s的 LAN系统，其光缆
的长度可以查阅 IEEE802.3u和 TIA/EIA568A标准。表 6.4为其建议的最大
光缆长度。
虽然光纤通信系统的形式多样，但在设计时，不管是否有有成熟的标准
可循，以下几点是必须考虑的：①传输距离。②数据速率或信道带宽。
③误码率（数字系统）或载噪比和非线性失真（模拟系统）。在作过相
关的分析后，我们要决定：是采用多模光纤还是单模光纤，并涉及到纤
芯尺寸、折射率剖面、带宽或色散、损耗、数值孔径或模场直径等参数
的选取；是采用 LED还是 LD光源，涉及到波长、谱线宽度、输出功率、
有效辐射区、发射方向图、发射模式数量等指标的确定；是采用 PIN还是
APD接收器，它涉及到响应度、工作波长、速率和灵敏度等参量的选择。
6.1.3 系统设计的方法
为了确保获得预期的系统性能，做出合适的选择，必须进行两种分析：
功率预算和带宽预算。
1．功率预算
功率预算的目的是判断光检测器接收到的光功率是否达到其所需的最小
光功率（灵敏度）。光发射机发送的功率减去光纤链路的损耗和系统富
余度，即为接收机的接收功率。光纤链路的损耗包括光纤损耗、连接器
损耗、接头损耗以及诸如分路器和衰减器等元件设备引入的损耗。系统
富余度是一个估计值，用于补偿器件老化、温度波动以及将来可能加入
链路器件引起的损耗，这个值在 2～ 8dB之间。设总的光功率损耗为 PT，
光发射机发送的光功率为 PS(dBm)，光接收机的灵敏度为 PR(dBm)，则
CSCRST MAALPPP ?????? ?
AC(dB)为连接器损耗,FC型连接器一般为 0.8dB/个,PC型连接器一般为
0.5dB/个； AS(dB)为光纤固定接点损耗，一般为 0.1 dB/个； MC(dB)为系统富
余度。由（ 6.1.1）式可以计算出给定光纤的最大传输距离、连接器和接头等数
量，得到较好的设计。
2,带宽预算
带宽预算的目的是为了满足传输速率的要求。光纤通信系统的带宽除了
和光纤的色散特性有关外，还与光发射机和光接收机等设备有关。工程
上常用系统上升时间来表示系统的带宽。上升时间的定义是：在阶跃脉
冲作用下，系统响应从幅值的 10％上升到 90％所需要的时间，如图 6.1.1
所示
系统带宽与上升时间成反比，常用下式作为系统设计的标准
（ 6.1.2）
上式仅适用于归零码（ RZ），对于非归零码（ NRZ），则应当修正为
（ 6.1.3）
系统上升时间与诸多因素有关，较为主要的因素有光纤色散、光发射机
和光接收机的上升时间。设由光纤色散引起的上升时间为，光发射机等
光电设备的上升时间为，则得到
r
sy s tf ???
35.0
r
sys tf ???
7.0
22 )()(
eqfibs y s ttt ?????
例 6.1.1 某 LAN光纤链路工作波长 λ＝ 850nm，链路长度 L=2000m，最大
比特率为 16Mbps，采用线宽为 20nm的 LED光源，光设备的上升时间
为 8ns。问用 MMF（多模光纤） 62.5/125μm的光纤可以达到指定的比
特率吗？
解：该题可分成几个部分求解。
（ 1）计算系统要求的上升时间,在第 2章中，我们已经知道带宽与比特
率的关系，由（ 2.3.24）式得到
M H zBf s y s 16???
nsM H zf
s y s
r 9.2116
35.035.0 ??
??? ?
syst?
eqt?
fibt?
（ 2）计算系统实际的上升时间
现在计算公式（ 6.1.4）右边的值是否小于系统所要求的上升时间。因为
为已知，所以只需计算,已知
22m o d )()( chfib ttt ?????
modt? cht?
是模式色散引起的脉冲展宽,是色度色散引起的脉冲展宽。
M H zkm kmM H zf 802 )(16 0m o d ????
M H zff el 6.56707.0 m o dm o d ????? ?
nsMH zft
el
2.66.56 35.035.0
m o d
m o d ?????
?
nsttt chfib 4.742.6)()( 2222m o d ????????
nstt eqfib 9.1084.7)()( 2222 ??????
可见该值小于系统所要求的上升时间 21.9ns，光纤的选择满足系统
设计的要求。如果光纤的带宽不能满足要求，可以将波长换为
1300nm或采用 LD光源。
6.2 数字传输系统的设计
6.2.1 系统技术考虑
数字传输系统的描述和指标有比特率、传输距离、码型和误码率等，其中误
码率是保证传输质量的基本指标，它受多种因素制约，与光探测器性能、前置
放大器性能、码速、光波形、消光比以及线路码型有关。数字传输系统设计的
任务就是要通过器件的适当选择以减小系统噪声的影响，确保系统达到要求的
性能。
在系统的传输容量确定后，就因确定系统的工作波长，然后选择工作在这一
区域内的器件。如果系统传输距离不太远，工作波长可以选择在第一窗口
（ 800~900nm）；如果传输距离较远，应选择 1300 nm或 1550 nm波长。
光纤的选择应该根据通信容量的大小和工作波长来决定。多模光纤和单模光
纤除了工作模式上的差别外，它们在带宽、衰减常数、尺寸和价格等方面存在
较大差异。表 6.5为典型的多模、单模光纤在带宽和衰减常数上差异的比较。
多模光纤的带宽比单模光纤带宽小得多，衰减常数比单模光纤大得多，所以比
较适用于低速、短距离的系统和网络，典型的应用有计算机局域网、光纤用户
接入网等。表 6.6为不同类型多模光纤的技术规范。
多模光纤的芯径最小为 50μm，最大为 100μm，数值孔径较大，有利于光
源光功率到光纤的耦合。另外，对于连接器和接头的要求都不高，这也
决定了多模光纤比较适用于多交叉点、多连接头的场所的应用。
单模光纤的带宽较宽，衰减较低，所以比较适合高速、长距离的系统，
典型的应用有 SDH,WDM网络等。
光检测器的选取通常放在光源之前。接收灵敏度和过载光功率是主要
考虑的参数。接收灵敏度是指在一定误码率（一般为 10-9）下，接收机
所能接收到的最小光功率。过载功率是指接收机可以接收的最大光功率。
当接收机接收的光功率开始高于灵敏度时，信噪比的改善会使误码率变
小，但是若光功率继续增加到一定地步，接收机前置放大器将进入非线
性区域，继而发生饱和或过载，使信号脉冲波形产生畸变，导致码间干
扰迅速增加，误码率开始劣化（变大），当误码率再次到达规定值时，
对应的接收光功率即为过载功率。
在选取光检测器时，应综合考虑成本和复杂程度。 PIN管与 APD管相比，
结构简单，成本较低，但灵敏度没有 APD管高，目前它们经常与前置放
大器组合成组件使用。
光源的选择要考虑系统的一些参数，如色散、数据速率、传输距离和成
本等。 LD的谱宽比 LED的要窄得多。在波长 800nm到 900nm的区域里，
LED的谱宽与石英光纤的色散特性的共同作用将带宽距离积限制在
150(Mb/s)·km以内，要达到更高的数值，在此波长区域内就要用激光器。
当波长在 1300nm附近时，光纤的色散很小，此时使用 LED可以达到
1500(Mb/s)·km的带宽距离积。若采用 InGaAsP激光器，则该波长区域上
的带宽距离积可以超过 25(Gb/s)·km。而在 1550nm波长区域内，单模光
纤的极限带宽距离积可以达到 500(Gb/s)·km。
一般而言，半导体激光器耦合进光纤的功率比 LED要高出 10dB到 15dB，
因此采用 LD可以获得更大的无中继传输距离，但是价格要昂贵许多，所
以要综合考虑加以选择。
6.2.2 光通道功率代价和损耗、色散预算
当传输距离确定后，根据功率预算关系式（ 6.1.1）可以知道链路允许损
耗与光发送机和接收机的功率关系。实际的数字光纤链路除了光纤本身
的损耗、连接器和接头的损耗外，还存在着因模式噪声、模分配噪声、
激光器频率啁啾、反射以及码间干扰而导致的光通路功率代价。
模式噪声
在多模光纤中，由于振动、微弯等机械扰动，各传输模式间的干涉在光
检测器的受光面上产生的斑图将随时间波动，它会导致接收功率发生波
动，并附加到总的接收噪声中，使得误码率劣化，这种波动称为模式噪
声。另外，连接器和接头起到了空间滤波器的作用，它们也会造成斑图
的瞬时波动，增加模式噪声。
相干激光器的谱宽（）如果比较小，使得相干时间（）大于模间时延
差（见 2.2节）的话，同样会产生模式噪声。
一般而言，运行速率低于 100Mb/s的链路，可以不考虑模式噪声的影
响，但当速率达到 400Mb/s以上时，模式噪声就变得较为严重了。减小
模式噪声可以采取下列方法：使用非相干光源 LED；或使用纵模数多的
激光器；使用数值孔径较大的光纤或使用单模光纤。
模分配噪声
多模 LD在调制时，即使总功率不随时间改变，其各个模式的功率随着时
间呈随机波动。由于光纤色散的存在，这些模式以不同的速度传播，造
成各模式不同步，引起系统接收端电流附加的随机波动，形成噪声，使
判决电路的信噪比降低。因此，为了维持一定的信噪比，达到要求的误
码率，就要增大接收光功率。考虑模分配噪声需要增加的这部分功率就
是要付出的功率代价。
模分配噪声的影响在高速率的系统中表现较为明显。由于 DFB激光器
的边模抑制比很高，所以选择动态单纵模 DFB激光器而不是 F-P腔激光器
就可以有效地降低这种噪声的影响。
频率啁啾
单纵模激光器工作于直接调制状态时，由于注入电流的变化引起了有源
区载流子浓度变化，进而使有源区折射率发生变化，结果导致谐振波长
随时间漂移，产生频率啁啾，由于光纤的色散作用，频率啁啾造成光脉
冲波形展宽，影响到接收机的灵敏度。
减小啁啾效应最理想到方法是通过选择激光器的工作波长接近于光纤的
零色散波长，另外采用多量子阱结构 DFB-LD或者采用外调制器都可以减
少频率啁啾的影响。
码间干扰
码间干扰是因为光纤色散导致所传输的光脉冲展宽，最终相邻光脉冲彼
此重叠而形成的。对于使用多纵模激光器的系统，即使光接收机能够对
单根谱线形成的波形进行理想均衡，但由于各个谱线产生的波形经历的
色散不同而前后错开，光接收机很难对不同模式携带的合成波进行理想
均衡，从而造成光信号损伤，导致功率代价。
反射
在光传输路径上总是存在连接器、接头等折射率不连续的点，这时一部
分光功率就会被反射回来，反射信号对光发射机和接收机都会产生不良
影响，在高速系统中，这种反射功率造成的光反馈使激光器处于不稳定
状态，表现为激光器的输出功率发生波动、激光器的谐振状态受到扰乱，
形成较大的强度噪声、抖动或相位噪声，同时引起发射波长、线宽和阈
值电流的变化。
如果在两个反射点之间产生多次反射，反射光与信号光相互叠加，将产
生干涉强度噪声，对高速系统将产生较大的影响。在 STM-1标准光接口
的主要指标中，为了控制反射的影响，规定了两种反射指标，即 S点的最
小回波损耗和 S-R点之间的最大离散反射系数。
减小光反射的方法有：将光纤端面制成曲面或者斜面，从而使反射光偏
离轴线，不重新进入光纤传输；将光纤与空气交界面上涂上折射率匹配
的物质，如凝胶；使用 PC连接器；使用光隔离器。
当考虑到上述因素后，在（ 6.1.1）式的右边，还需要加上一项光通道功
率代价 PC，取值范围约为 1～ 2dB，功率预算关系式重新表达为
CCSCRST MPAALPPP ??????? ?
根据上式得出的 L值也称为损耗受限系统中继距离。
如果仅考虑色散对传输距离的限制，则可利用下式来计算色散受限系统中继距离
??
?
??
??
DBL d
610
式中 Ld为色散受限中继距离（ km）,ε为与激光器有关的系数，光源
为多纵模激光器时取 0.115，为 LED时取 0.306,B为信号比特率
（ Mb/s）,D是光纤色散系数 [ps/(nm·km)]，
??
是光源的均方谱宽（ nm）。
对于采用单纵模激光器的系统，假设光脉冲为高斯波形，允许的脉冲展
宽不超过发送脉冲宽度的 10％，用的计算公式是
（ 6.2.3）
式中,λ为工作波长（ μm）,B为信号比特率（ Tb/s）,α为啁啾系数，
对于量子阱激光器，，若采用 EA调制器，取。
实际设计时，应根据（ 6.2.1）式和（ 6.2.2）式或（ 6.2.3）式分别计算后，
取两者较小值为最大无中继距离。
22
71400
BDL d ???? ??
6.3 模拟传输系统的设计
6.3.1 系统组成及其评价
1,系统组成
大多数光纤通信系统是数字系统，但有的时候，以模拟的形式传送信
息具有更多的优点。图 6.3.1画出了模拟光纤传输系统的示意图。
图中的模拟电输入信号可以是微波多路复用信号、雷达信号、视频分配
信号等。以多路电视信号传输为例，它是将各个电视基带信号调制到不
同频率的载波上,CATV系统一般都是采用残留边带幅度调制方式。这些
信号的频谱相互不重叠，每路信号所占带宽为 8MHz。这些信号合成后再
以某种方式去调制光载波，一般对激光器以直接强度方式调制。因为合
成的载波信号对于光信号而言扮演着副载波的角色，所以这种技术也称
为副载波复用 SCM（ Subcarrier Multiplexing），见图 6.3.2。
2,主要指标
模拟传输系统的主要性能指标有三个，它们是载噪比 CNR(Carrier to
Noise Ratio)、复合二阶失真 CSO(Composite Second Order
Intermodulation )和复合三阶差拍 CTB(Composite Triple Beat)。后两项
指标针对多路信道复用的使用情况。
图 6.3.2中，多路频分复用的模拟电信号对激光器进行调制时，由于激光
器的 P-I曲线不是理想线性的，所以会出现谐波及互调产物（各个副载波
之间的和频与差频的各种组合），如果它们落在所传输的频带内，将导
致谐波失真和互调失真。当输入的驱动电流信号超过了激光器的阈值 Ith
时，还会出现削波失真。所有这些失真称之为非线性失真。非线性失真
的影响可以用 CSO,CTB来描述,CSO定义
某频道）二阶互调产物总功率（
载波功率（某频道）?C S O
）调产物总功率（某频道三阶差拍产物和三阶互
载波功率（某频道）?C T B
是对于多信道视频图像传输系统,CSO和 CTB的值应分别低于－ 60dBc、－
63dBc。
载噪比 CNR是在规定的带宽内载波功率与噪声功率的比值，单位为 dB。调制方式
不同，对 CNR值的要求不同。对于幅度调制度电视信号,CNR应大于 50dB，若
采用频率调制，该值只需大于 15dB。
系统总的载噪比与各个类型噪声成份导致的载噪比之间的关系是
?
?
?
n
i iCNRCNR 1
11
式中 n为噪声类型的数目。
对于单信道模拟传输链路，主要噪声源有激光器相对强度噪声 RIN、削波噪声、光检
测器噪声和光放大器噪声，其基本噪声类型是相对强度噪声 RIN和光检测器噪声。仅
考虑它们作用时系统 CNR的表达式推导如下。
首先计算载波功率。如图 6.3.3所示。设模拟驱动信号为，
则输出光功率为
)s in1()( tmPtP b ???
tIti m ?s in)( ?
式中 Pb是光源在偏置电流 Ib处的输出光功率,m是调制指数，其表达式为
bP
Pm ??
ΔP的定义由图 6.3.3给出。 m的取值范围是 0.25～ 0.50。
光检测器输出电流
)s in1()s in1()( 0 tmRPtmIti rr ?? ????
式中 R是光检测器的响应度,Pr是它的平均接收功率，故载波功率为
22
0 )(2
1)(
2
1
rm R M PmIC ??
式中 M是光检测器的增益，对于 PIN光电二极管,M＝ 1。
再计算噪声功率。激光器相对强度噪声 RIN的产生是由于其输出光的强度总在随机
变化，其噪声功率表达式 BRPR IN
rR IN )(2 ??
式中 B为频道的带宽,RIN的典型值为－ 130～－ 160dB/Hz。
散粒噪声是光检测过程中由光生电流的随机效应产生的。由于器件内部物理过
程使得光生电流围绕一个统计平均值而起伏，该起伏就是散粒噪声，其功率为
BFMIIq APds h o t 22 )(2 ???
式中 q为电子电荷（ 1.6× 10－ 19C）,Id是光检测器的暗电流,IP=RPr是光电流，
M是光电二极管的增益,FA是光检测器的过剩噪声指数，对于 PIN管，该数值为 1，
B为带宽。
热噪声功率达表达式是
FBR Tk
i
B
T
42 ??
式中 kB为波尔茲曼常数（ 1.38× 10－ 23J/K）,T为绝对温度,F是前置
放大器的噪声系数,Ri为前置放大器的输入电阻,B为带宽
由（ 6.3.7）式至 (6.3.10) 式，可得到模拟系统的载噪比公式
FB
R
Tk
BFMIIqBRPR I N
m R M P
N
C
i
B
APdr
r
4
)(2)(
)(
2
1
2
2
???
?
N
CCNR lg10?
图 6.3.4为载噪比与接收光功率的关系曲线，其中的参数
为 m＝ 0.25,RIN＝－ 143dB/Hz，入纤功率 PS＝ 0dBm，
R＝ 0.6A/W,B＝ 10MHz,Id＝ 10nA，
Ri＝ 750Ω,F＝ 3dB，采用 PIN管。
由图 6.3.4可见，要满足 CNR>50dB，接收光功率必须大于－ 14dBm，当
然，对于不同的光源和光检测器，因为它们的参数各异，所以要求的接收
功率是不一样的。图 6.3.4用虚线描述了三个极限情况下载噪比的数值，
它们是通过令（ 6.3.11）式分母中某一项起作用而另两项为零得到的。当
接收光功率较高时，光源噪声起主导作用，载噪比几乎是一个常数；对于
中等强度的接收光功率，主要噪声是散粒噪声，接收光功率减少 1dB，
CNR值就降低 1dB；当接收的光功率较低时，接收光功率每变化 1dB，
CNR的值将改变 2dB。
6.3.2 光放大器对系统性能的影响
如果模拟系统链路较长，就要用光放大器来弥补光纤的损耗，但是光放
大器的噪声会影响到系统的性能。假设光放大器置于光探测器前，那么
光探测器中除了热噪声以外，还有与光放大器放大的自发辐射有关的噪
声分量。设信号场和放大的自发辐射场分别为 ES和 En，则光检测器电流，
显然，除了信号和噪声项以外，还有信号与噪声的乘积项，我们称之为
差拍噪声。如果它落在光接收机的带宽内，将会降低系统的载噪比。光
接收机的典型带宽小于 50GHz（ 0.4nm），所以只有那些距离信号波长
0.4nm以内的 ASE成份才会产生差拍噪声。
仅考虑信号项和噪声项的话，光探测器的入射光功率是
?????? A S EinA S Einr SGPPGPP
式中 Pin为信号光功率,G为光放大器增益,PASE为放大自发辐射功率,SASE是其
功率谱,Δν为其带宽，如果在光检测器前放置一个光滤波器，则可明显降低放大的
自发辐射的影响。这样光探测器中散粒噪声可表示为
Bq R G P inA S Esh o t 22 ???
信号与放大自发辐射所产生的差拍噪声功率为
))((42 BRSRG P A S EinA S ES ???
除此之外,ASE还产生自拍噪声，但要比小得多，在光放大器增益足够
大时，还可以忽略光探测器的热噪声，所以此时模拟系统中噪声的影响
主要由（ 6.3.8）式、（ 6.3.14）式和（ 6.3.15）式决定。
对于模拟传输系统，功率预算的步骤是根据 CNR指标以及光源和光检测
器的参数，由（ 6.3.11）式求出光接收机要求的最小功率，根据链路损
耗，再求出光源的发射光功率要求值。如果链路较长需采用光放大器的
话，（ 6.3.11）式分母上还要加上由（ 6.3.14）式和（ 6.3.15）式所描述
的两项噪声。需要说明的是：简单、传输距离短的系统可采用渐变多模
光纤、波长为 0.8μm～ 0.9μm的 LED光源和 PIN探测器，假如这些器件不
能满足系统的指标要求，就要选取工作在 1.3μm的 LD、单模光纤和 APD
探测器。带宽预算的方法与 6.1节采用的相同。
6.4 光纤系统实例
光纤以及光纤网络终端产品广泛应用于各种广域网、城域网、宽带接入
网以及专业网，如金融、交通、能源等，特别是生活小区宽带网的兴起，
更使光纤网络的应用范围渗透到我们生活的各个领域，这节我们介绍光
纤网络几个实际应用。
6.4.1 设备互联方案
采用光纤以及光纤收发器可以在 100公里的范围内实现两台设备的互
联，这种方法能够延伸以太网的连接距离，将设备连接至远端局域网。
图 6.4.1示出了两台交换机之间的互联结构。
光纤收发器实际上是一个光电转换器，用以实现光、电信号在一定标准
下的相互转换，它带有光接口和电接口。下面列出了某光纤收发器产品
的主要性能：
电接口：（ 1）符合标准 IEEE802.3,IEEE802.3u,IEEE802.3x
（ 2）速率 10/100Mbps，全双工、半双工自适应
（ 3）接口 RJ-45 (双绞线 )
（ 4）连接电缆 5类 /超 5类 UTP，传输距离 100米
光接口：（ 1）单模 /多模可选
（ 2）光接口 ST,SC两种
（ 3）工作模式及波长 多模 850nm,1310nm和单模 1310nm,1550nm
（ 4）连续光纤可采用 50/125,62.5/125,100/140μm等多模光纤和
8.3/125,8.7/125,9/125,10/125μm等单模光纤。
连接距离：（ 1）多模光纤 5km
（ 2）单模光纤 120km
6.4.2 数据 /视频光端机在闭路监控系统中的应用
光端机是光纤通信系统中的传输终端设备，由光发射机和光接收机组成，光
发射机内部包含输入接口、光线路码型变换和光发送等部分，光接收机包括
光接收、定时再生、光线路码型反变换和输出接口等部分。光端机的类型、
功能繁多，按所连接的光纤来分，有与单模光纤或与多模相连的光端机；按
功能来分，有用于传输视频、音频、视频 /数据、视频 /音频、视频 /数据 /音频、
以太网计算机数据多路复用的光端机；按传输的信号路数和信号的方向来分，
有一路、多路、单向和双向的光端机；按应用来分，有安防系统、闭路监视
系统、智能化远程传输系统（高速公路、智能交通）、楼宇控制系统和校园
网络等系统中。
图 6.4.2示出了光端机在闭路监控系统中的应用。控制主机能够监视并控
制 5公里左右的远端摄像机，远端摄像机的控制信号为 RS-485，同时要
传输一路视频信号到控制中心主机。该系统可选择 AB公司的 AB-
M100TA/RA-0001C数据 /视频光端机对，它具有一路视频信号（采用频
率调制 FM）传输，又具有一路反向 RS-485控制信号的传输，它的光发
射机内置一路反向数据接收器，光接收机内置一路反向数据发射器。该
系列光端机的技术规格如下。
光学指标
见表 6.7
视频指标
视频输入 /输出阻抗 75Ω（非平衡）
视频输入 /输出电压 典型峰－峰值 1.0V，最大值 1.5V
最大功耗 3.5W
频率响应 5Hz～ 8MHz
微分增益 <2%典型值
微分相位 <2（典型值）
场斜率 <0.5%(最大值 )
信噪比 67dB
FM载波频率 70MHz
音频指标
音频输入 /输出阻抗 600Ω； 10kΩ或 47kΩ平衡 /非平衡
音频输入 /输出电平 － 6～＋ 6dBm
频率响应 10Hz～ 20kHz
信噪比 >60dB
数据指标
速率 0～ 100Kb/s(RS-232)； 0～ 300Kb/s(RS-422)
误码率 10－ 9
6.4.3 多通道业务光端机的应用
这小节介绍一种多通道业务光端机的应用。其产品主要性能如下：支持 4路、
8路或 16路 E1（ 2.048Mb/s）的传输容量； E1接口符合 G.703建议；一路
PCM数字公务电话；一路网管通道，以实现对设备的网管；一路 RS232异步
数据接口；一路 V.35通道可选，一路 10Base-T接口可选；一路线速 100Mbps
的以太网接口可选；无中继传输距离 120km，主要技术参数如下：
E1接口
速率 2.048Mbit/s± 50ppm
码型 HDB3
阻抗 75Ω（非平衡）,120Ω（平衡）
接口特性 满足 G.703,G.742和 G.823标准
帧结构 无帧结构
光纤接口
FC接口
波长 单模 1310/1550nm，多模 850/1310nm
发送功率 >－ 10dBm
接收灵敏度 优于－ 36dBm(误码率 <10-11)
线速以太网接口（选配）
速率 10/100Mbps 自适应
半双工 /全双工自适应
V.35接口（选配）
速率 2.048Mbps± 30ppm
连接器 DB25
DEC工作方式
10Base-T接口（选配）
速率 10Mbps
半双工 /全双工自适应
本章小结：
光纤通信的设计是一项复杂的工作，它要求读者熟知光源、光检测器和
光纤的基本性能参数，并对其它光网络产品及应用有一定了解，是对前
面几章内容的综合和提升。本章内容重点在于掌握光纤通信系统的基本
方法－功率预算和带宽预算以及高速系统的色散受限和损耗受限对中继
距离的影响。在学习过程中，对规范、标准应有足够的重视，并应培养
从网上搜索相关产品信息的习惯。
