第九章第九章 光纤通信系统设计光纤通信系统设计9.1 概概 述述9.2 模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统9.3 数字光纤通信系统数字光纤通信系统9.1 概概 述述光纤通信系统根据传送的信号可以分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。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，系统的传随着光纤通信技术的进步，系统的传输容量输容量(速率速率)越来越高。越来越高。系系统统设设计计的的任任务务是是：遵遵循循建建议议规规范范，采采用用先先进进、成成熟熟技技术术，综综合合考考虑虑系系统统经经济济成成本本，合合理理地地选选用用器器件件和和设设备备，明明确确系系统统的的全全部部技技术术参参数数，完完成成实实用用系系统统的的合合成成。它与工程设计主要区别在于它与工程设计主要区别在于9：首首先先系系统统设设计计与与工工程程设设计计的的区区别别表表现现在复杂程度上。在复杂程度上。其其次次系系统统设设计计与与工工程程设设计计的的区区别别表表现现在它们的任务不同。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模模拟拟光光纤纤通通信信系系统统多多采采用用副副载载波波复复用用技技术术。所所谓谓副副载载波波是是指指射射频频电电磁磁波波，以以区区别别于于光光调调制制时时的的光光载载波波。副副载载波波调调制制的的电电视系统框图如图视系统框图如图9.1所示。所示。图图9.1 副载波复用模拟电视传输系统副载波复用模拟电视传输系统9.2.1 系统主要性能指标系统主要性能指标作作为为残残留留边边带带调调幅幅的的副副载载波波光光纤纤传传输输系系统统，其其主主要要指指标标有有：载载噪噪比比(Carrier Noise Ratio，CNR)、组组合合二二阶阶互互调调失失真真(Composite Second Order intermodulation，CSO)、组组合合三三阶阶差差拍拍失失真真(Composite Triple Beat，CTB)。1. 载噪比载噪比载噪比载噪比(CNR)是在规定的带宽内一个是在规定的带宽内一个频道中的载波功率频道中的载波功率(C)与噪声功率与噪声功率(N)之比，之比，一般以一般以dB作单位。定义式为：作单位。定义式为：前前置置放放大大器器的的热热噪噪声声所所决决定定的的(CNR)T为：为：(CNR)T与与输输入入功功率率的的平平方方成成正正比比，即即输入功率增加输入功率增加1dB，(CNR)T增加增加2dB。光电转换散弹噪声决定的光电转换散弹噪声决定的(CNR)q为：为：(CNR)q与与接接收收机机输输入入功功率率成成正正比比，输输入功率增加入功率增加1dB，(CNR)q增加增加1dB。激激光光器器相相对对强强度度噪噪声声决决定定的的(CNR)RIN为：为：(CNR)RIN与光接收机的接收功率无关。与光接收机的接收功率无关。2. 非线性失真非线性失真设设N个个频频道道的的载载波波幅幅度度均均为为I，频频率率分分别别为为j，初初始始相相位位为为j，则则激激光光器器的的驱驱动动电电流流i(t)为：为：此时激光器的输出功率为：此时激光器的输出功率为：P(t)=P(i)P(i)为为非非线线性性函函数数，且且在在Ib附附近近连连续续可可导导，因因此此可可以以将将激激光光器器输输出出功功率率在在偏偏置置点点Ib附近展开为泰勒级数：附近展开为泰勒级数：式式中中：P0为为对对应应偏偏置置点点i=Ib时时的的直直流流光光功功率率，对对式式（9-15）做做三三角角函函数数展展开开可可以得到：以得到：k=1时时，频频率率仍仍为为j(j=1，2，3N)，对应的是线性放大部分。对应的是线性放大部分。k=2时，对应二阶失真。时，对应二阶失真。k=3时，对应三阶失真。时，对应三阶失真。9.2.2 传输距离设计传输距离设计直直接接强强度度调调制制光光纤纤电电视视传传输输系系统统的的传传输输距距离离绝绝大大多多数数是是损损耗耗限限制制系系统统。根根据据发发射射功功率率、接接收收机机灵灵敏敏度度、线线路路损损耗耗和和分分光光器损耗可以计算出传输距离器损耗可以计算出传输距离L：式式中中：P0为为光光发发送送机机发发射射光光功功率率(dBm)，Pr为为接接收收机机的的最最低低接接收收光光功功率率(dBm)，M为为系系统统富富余余量量(dB)；为为光光缆缆线线路路每每公公里里的的损损耗耗(包包括括每每公公里里光光纤纤损损耗耗、光光纤纤接接头头损损耗耗、光光纤纤活活动动连连接接器器的的损损耗耗，单单位位为为dB/km)；Ai为为分分光光器器插插入入损损耗耗(dB)；Ad为分光器分光损耗为分光器分光损耗(dB)。如果单从满足系统的传输带宽来考虑，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：供带宽即可，此时系统的最大传输距离为：式中：式中：D为单模光纤的色散系数；为单模光纤的色散系数；为光源的谱为光源的谱线宽度；线宽度；B为系统传输信号带宽。为系统传输信号带宽。9.3 数字光纤通信系统数字光纤通信系统(1) 抗干扰能力强，传输质量好。抗干扰能力强，传输质量好。(2) 可以再生，传输距离远。可以再生，传输距离远。(3) 数字系统采用大量的数字电路，容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。字设备体积小，功耗低。9.3.1 主要性能指标主要性能指标数数字字光光纤纤通通信信系系统统的的性性能能主主要要包包括括误误码性能、抖动性能和系统的可靠性。码性能、抖动性能和系统的可靠性。1. 参考模型参考模型13(1) 假设参考通道假设参考通道(2) 假设参考数字段假设参考数字段两两个个相相邻邻数数字字配配线线架架之之间间(或或等等效效设设备备之之间间)用用来来传传送送一一种种规规定定速速率率的的数数字字信信号号的全部装置构成一个数字段。的全部装置构成一个数字段。2. 误码特性误码特性(1) 误码概念误码概念误误码码就就是是经经接接收收判判决决再再生生后后，数数字字码码流流的的某某些些比比特特发发生生了了差差错错，使使传传输输信信息息的的质量产生了损伤。质量产生了损伤。 内部机理产生的误码内部机理产生的误码内部机理产生的误码内部机理产生的误码它它包包括括各各种种噪噪声声源源产产生生的的误误码码；定定位位抖抖动动产产生生的的误误码码；复复用用器器、交交叉叉连连接接设设备备和交换机的误码。和交换机的误码。 脉冲干扰产生的误码脉冲干扰产生的误码脉冲干扰产生的误码脉冲干扰产生的误码一一些些具具有有突突发发性性质质的的脉脉冲冲干干扰扰如如外外部部电电磁磁干干扰扰、静静电电放放电电、设设备备故故障障、电电源源瞬瞬态干扰和人为活动会产生误码。态干扰和人为活动会产生误码。(2) 误码性能事件误码性能事件误误码码性性能能事事件件是是导导出出误误码码性性能能参参数数的的基基础础，建建议议是是以以块块差差错错(误误块块)事事件件为为基基础础的的规规范范，它它规规范范的的是是运运行行在在基基群群和和基基群群以以上上速速率率数数字字通通道道的的误误码码性性能能事事件件、参参数数和和指标。指标。(3) 误码性能指标误码性能指标 端到端指标端到端指标端到端指标端到端指标需需要要说说明明的的是是SES事事件件并并不不总总是是孤孤立立的的事事件件，它它可可能能会会连连续续地地发发生生SES。n个个连连续续的的SES与与n个个孤孤立立的的SES对对用用户户感感到到的的性性能会产生很不相同的影响。能会产生很不相同的影响。运运行行在在所所包包括括的的速速率率下下的的通通道道是是由由传传输系统输系统(数字段数字段)来承载的。来承载的。误误码码性性能能指指标标如如何何应应用用到到系系统统设设计计，目前目前ITU-T还没有建议。还没有建议。3. 抖动和漂移特性抖动和漂移特性(1) 抖动和漂移的概念抖动和漂移的概念定定时时抖抖动动对对网网络络的的性性能能损损伤伤表表现现在在下下面几个方面：面几个方面： 对对数数字字编编码码的的模模拟拟信信号号，在在解解码码后后数数字字流流的的随随机机相相位位抖抖动动使使恢恢复复后后的的样样值值具具有有不不规规则则的的相相位位，从从而而造造成成输输出出模模拟拟信信号号的失真，形成所谓抖动噪声；的失真，形成所谓抖动噪声； 在再生器中，定时的不规则性使有在再生器中，定时的不规则性使有效判决偏离接收眼图的中心，从而降低了效判决偏离接收眼图的中心，从而降低了再生器的信噪比余度，直至发生误码；再生器的信噪比余度，直至发生误码； 在在SDH网中，像同步复用器等配有网中，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，从而产生滑动损成缓存器的溢出或取空，从而产生滑动损伤。伤。(2) 抖动和漂移性能的规范抖动和漂移性能的规范(3) 抖动和漂移指标抖动和漂移指标PDH信信号号在在SDH/PDH边边界界处处应应满满足足原有原有PDH网的抖动性能要求。网的抖动性能要求。 PDH网网络络接接口口允允许许的的最最大大输输出出抖抖动动 SDH设设备备的的PDH支支路路输输入入口口抖抖动动和和漂漂移容限移容限 SDH网网络络输输出出接接口口允允许许的的最最大大抖抖动动为为了了保保证证不不同同SDH网网元元之之间间的的互互连连而而不不影影响响网网络络的的传传输输质质量量，SDH网网络络输输出出接接口口允允许许的的最最大大抖抖动动不不应应超超过过表表9.8中中所所规规定定的数字。括号中数值为数字段要求。的数字。括号中数值为数字段要求。 SDH设备的输入口的抖动和漂移容限设备的输入口的抖动和漂移容限 SDH抖动转移特性抖动转移特性4. 系统可靠性系统可靠性系系统统的的可可靠靠性性一一般般采采用用故故障障统统计计分分析析法法，即即根根据据实实际际调调查查结结果果，统统计计足足够够长长时时间间内内的的可可用用时时间间和和不不可可用用时时间间，然然后后用用可可用用性性指指标标来来表表示示。所所谓谓可可用用性性是是指指可可用用时时间间占占系系统统全全部部运运营营时时间间的的百百分分比比。因因为为是是统统计计量量，因因此此统统计计时时间间越越长长，所所得得结结果果越越精确。精确。9.3.2 系统设计系统设计随随着着光光纤纤放放大大器器的的大大量量实实用用，数数字字光光纤纤通通信信系系统统一一般般分分为为无无光光纤纤放放大大器器系系统统和和有光纤放大器系统。有光纤放大器系统。1. 设计方法设计方法在在技技术术上上，系系统统设设计计的的主主要要问问题题是是确确定定中中继继距距离离，尤尤其其对对长长途途光光纤纤通通信信系系统统，中中继继距距离离的的设设计计对对系系统统的的性性能能和和经经济济效效益益影影响响很很大大。工工程程上上常常用用的的设设计计方方法法主主要要有有三三种种：最最坏坏值值设设计计法法、统统计计设设计计法法和和联联合合设计法。设计法。(1) 最坏值设计法最坏值设计法最坏值设计法就是在设计再生段距离最坏值设计法就是在设计再生段距离时，所有参数时，所有参数(包括光功率、光谱范围、光包括光功率、光谱范围、光谱宽度、接收机灵敏度、光纤衰减系数、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接头与活动连接器插入损耗等参数)均采用均采用寿命期中允许的最坏值，而不管其具体的寿命期中允许的最坏值，而不管其具体的分布如何。分布如何。(2) 统计设计法统计设计法统统计计设设计计法法是是利利用用光光参参数数分分布布的的统统计计特特性性更更有有效效地地设设计计再再生生段段距距离离。与与最最坏坏值值设设计计法法相相比比，统统计计设设计计法法可可以以延延长长再再生生段段距离，但横向兼容性不再满足。距离，但横向兼容性不再满足。(3) 联合设计法联合设计法在在某某些些情情况况下下，按按标标准准的的光光接接口口参参数数值值进进行行设设计计不不能能满满足足实实际际工工程程再再生生段段距距离离，运运营营者者需需要要仔仔细细考考虑虑设设计计中中不不满满足足光光接接口口规范的主要方面。规范的主要方面。2. 光接口光接口为为了了在在再再生生段段上上实实现现横横向向兼兼容容性性，与与过过去去的的PDH体体系系不不同同，SDH体体系系和和波波分分复复用用系系统统有有世世界界范范围围的的标标准准光光接接口口，这这些些光光接口标准是系统设计必须遵循的依据。接口标准是系统设计必须遵循的依据。(1) 单信道系统单信道系统单信道光接口的位置如图单信道光接口的位置如图9.9所示。所示。图图9.9 光接口位置示意图光接口位置示意图(2) 多信道系统多信道系统多多信信道道光光接接口口的的位位置置如如图图9.10所所示示。3. 系统设计系统设计(1) 损耗限制损耗限制Gbit/s及及其其以以下下速速率率的的无无光光放放系系统统的的中中继继距距离离和和有有光光放放系系统统的的光光放放段段距距离离主主要要受受光光纤纤损损耗耗限限制制。此此时时要要求求主主信信道道的的发发送送和和接接收收之之间间(单单信信道道系系统统的的S和和R点点之之间间)总总损损耗耗不不能超过系统的允许损耗范围，即：能超过系统的允许损耗范围，即：L（sm）2AcMeAdPoPr式式中中：Po为为平平均均发发送送光光功功率率(dBm)；Pr为为接接收收灵灵敏敏度度(dBm)；Ac为为每每个个活活动动连连接接器器损损耗耗(如如果果没没有有光光分分配配架架此此项项为为零零)；Me为为系系统统设设备备富富余余量量(dB)；为为光光纤纤损损耗耗常常数数(dB/km)；s为为每每公公里里光光纤纤平平均均接接头头损损耗耗(dB/km)；m为为每每公公里里光光纤纤线线路路损损耗耗余余量量；Ad为光通道代价为光通道代价(dB)；L为光放段长度。为光放段长度。(2) 色散限制色散限制信信号号在在光光纤纤中中传传输输时时，一一方方面面由由于于线线路路系系统统的的损损耗耗，其其幅幅度度会会越越来来越越小小，另另一一方方面面会会寄寄生生很很多多噪噪声声，同同时时由由于于色色散散的的存存在其波形也要发生畸变。在其波形也要发生畸变。(3) 光信噪比光信噪比光光放放大大器器的的应应用用可可以以大大大大地地提提高高系系统统的的可可用用功功率率，增增加加系系统统的的衰衰减减范范围围，延延长长无无中中继继的的传传输输距距离离，它它还还可可以以取取代代一一些些光光电电光光的的电电中中继继器器，只只进进行行光光光光转转换换，减减少少设设备备的的复复杂杂程程度度，提提高高系系统统的的可可靠靠性性。