3.色散限制系统的设计计算—上升时间预算 如果系统的传输速率较高，光纤线路色散较大，中 继距离主要受色散(带宽)的限制。为使光接收机灵敏度不 受损伤，保证系统正常工作，必须对光纤线路总色散(总 带宽)进行规范。对于数字光纤线路系统而言，色散增大， 意味着数字脉冲展宽增加，因而在接收端要发生码间干扰， 使接收灵敏度降低，或误码率增大。严重时甚至无法通过 均衡来补偿，使系统失去设计的性能。 设传输速率为fb = 1/T，发射脉冲为半占空归零(RZ) 码，输出脉冲为高斯波形，如图9.74所示。高斯波形可以 表示为
总成本偏高。本节将用该方法进行数字光纤通信系统设计举 例。 统计设计法是各参数的统计分布特性取值的，即事先确 定一个系统的可靠性代价来换取较长的中继距离。这种设计 方法考虑各参数统计分布时较复杂，系统可靠性不如最坏值 法，但成本相对较低，中继距离有所延长。 综合考虑上述两种方法，使用半统计设计法时，部分参 数按最坏值处理，部分参数取统计值，从而得到相对稳定， 成本适中、计算简单的系统。
如果系统传输速率较低，光纤损耗系数较大，中继距离主 要受光纤线路损耗的限制。在这种情况下，要求S和R两点 之间光纤线路总损耗必须不超过系统的总功率衰减，即
L( f s m ) P t P r 2c M e
(9.41a)
或
L
Pt Pr 2 c M e f s m
一个光纤通信系统的基本要求是:预期的传输距离、信 道要求的传输带宽或码速、系统的保真性(误码率BER、 SNR及失真等)以及可靠性和经济性等。为达到这些要求， 需要对一些要素进行考虑。现仅对原则性的问题做一介 绍。 (1)采用的传输制式 以前的数字传输链路使用的是PDH体制，现在SDH技 术已经成熟并已在线路上大量使用，鉴于SDH设备的良好 的性能和兼容性，长途干线传输或大城市的市话系统都 应该采用SDH，但为了节省成本，农村线路也可适当采用 PDH。
连接器损耗α c一般为0.3～1dB/对。系统余量Me包括 由于时间和环境的变化而引起的发射光功率和接收灵敏 度下降，以及设备内光纤连接器性能劣化，Me一般不小 于3dB。光纤损耗系数α f取决于光纤类型和工作波长， 例如单模光纤在1310nm, α f为0.4～0.45 dBkm;在 1550nm, α f为0.22～0.25dB/km。光纤损耗余量α m, 一般为0.1～0.2dB/km，但一个中继段总余量不超过5dB。 平均接头损耗可取0.05 dB/个，每千米光纤平均接头损 耗αs、可根据光缆生产长度计算得到。根据ITU-TG.955 建议，用LD做光源的常规单模光纤(G. 652)系统，在S 和R之间数字光纤线路的容限如表9.9所示。
(4)光源的选择 光源选择LED还是LD，需要考虑一些系统参数，比如信 号的色散、码速率、传输距离和成本等。LED输出频谱的谱 宽比LD宽得多，这样引起的色散较大，使得LED的传输容量 [用码速距离积BL(Gb/s·km)表示]较低，限制在2500 Mb/s·km以下(1310nm)，而LD可达500 Gb/s·km(1550nm)。 (5)光纤的选择 光纤的选择主要决定于传输距离与速率的要求。对于短 距离传输和短波长系统，可以选用多模光纤;长波长系统使 用单模光纤。另外，光纤的选择还与光源类型有关。一般 LED与单模光纤的耦合效率很低，LED系统多选用多模光纤， 但近来1310nm的边发光二极管与单模光纤的耦合取得了进展。 对于传输距离为数百米的系统，可以用塑料光纤配以LED。
第9章
光纤通信技术
光纤通信技术是光纤应用技术的一个重要应用方向 ，它是以光纤技术、激光技术和光电集成技术为基础而 发展起来的。光纤通信是以光纤作为传输媒介、光波为 载频的一种先进的通信手段。即利用近红外区域波长 1000nm左右的光波作为信息的载波信号，把电话、电视 、数据等电信号调制到光载波上，再通过光纤传输信息 的一种通信方式。光纤通信具有许多独特的优点，所以 光纤一经问世，就以科技史上罕见的速度迅速发展而成 为有效的通信手段。本章主要介绍了光纤通信的特点、 分类和光纤通信系统的基本组成，以及光纤通信网络和 光通信的新技术。
单模光纤，波长为1285 ～ 1330 nm，色散系数C不得超过 ±3.6 ps/(nm ·km)，波长为1270 ～ 1320 nm,C不得超过6 ps/ (nm · km)。
4.中继距离和传输速率 光纤通信系统的中继距离受损耗限制时由(9.41)式 确定;中继距离受色散限制时由(9. 46)式(多模光纤)和 (9. 48)式或(9.49)式(单模光纤)确定。设计时，从损耗 限制和色散限制两个计算结果中，选取较短的距离，作 为中继距离计算的最终结果。下面以140 Mb/s单模光纤 通信系统为例计算中继距离: 设系统平均发射功率Pt=-3dBm，接收灵敏度Pr=42dBm，设备余量Mc=3dB,连接器损耗αc = 0.3 dB/对，光 纤损耗系数αf = 0.35 dB/km，光纤余量αm= 0.1
表9.8
BER
av
≤1×10-10寸的接收灵敏度Pr
传输速率/(Mb/s) 8.44 34.368 139.264 4×139.264
标称波长/nm 1310 1310 1310 1310
光检测器 PIN PIN-FET PIN-FET APD PIN-FET APD
灵敏度Pr/dBm -49 -41 -37 -42 -30 -33
表9.9 S和R之间数字光纤线路的容限
标称速率 /(Mb/s) 标称波长/nm BER≤1×10-10 最大损耗/dB 8.44 34.368 139.264 4×139.264 1310 1310 1310 1550 1310 1550 40 35 28 28 24 24 S和R之间的容限 最大色散 /(ps/nm) 不要求 不要求(多纵模) 300(多纵模) 120(多纵模)
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，中继距离设计是否合理，对系统的性 能和经济效益影响很大。中继距离受光纤线路损耗和色散 (带宽)的限制，明显随传输速率的增加而减小。中继距离 和传输速率反映着光纤通信系统的技术水平。中继距离的 设计有最坏值设计法、统计设计法和半统计设计法三种方 法。 使用最坏值设计法时，所有考虑在内的参数都以最坏 的情况考虑。用这种方法设计出来的指标肯定满足系统 要求，系统的可靠性较高，但由于实际应用中所有参数 同时最坏值概率非常小，所以这种方法的富余度较大，
图9.75 的关系 1 km光纤带宽B1与中继距离L
对于单模光纤系统，Δ τ f=2.355σ f ，σ f为光纤线路rms 脉冲展宽。光纤线路rms脉冲展宽与光源谱线宽度近似关 系为 (9.47) f | C0 | L 式中，C0为在光源中心波长λ 0光纤的色散系数 [ps/(nm ·km)], 为光源谱线宽度(nm) ,L为光纤线路 长度(km)。将上式代入(9.44)式，并取a=σ/T=0.25，得 到中继距离:
中继距离L与1 km光纤带宽B1的关系为 所以
L [(1.21 ~ 1.78) B1 / f b ]1/ 或 L f b (1.21 ~ 1.78) B1
B1 BL
(9.46)
B1与L的关系示于图 9.75，以fb为参数，取 =0.75。 σ /T=0.3， 由此可见，中继距 离L与传输速率了fb的乘 积取决于1km光纤的带宽 (色散)，这个乘积反映 了光纤通信系统的技术 水平。
2.损耗限制系统的计算—功率预算法
图9.73为无中继器和中间有一个中继器的数字光纤线路系 统的示意图。
图9.73
数字光纤线路系统
Hale Waihona Puke T’,T-光端机和数字复接分接设备的接口:Tx-光发射机或中继器发射端Rx-光接收 机或中继器接收端； C1，C2一光纤连接器； S-靠近Tx的连接器C1的接收端；R-靠近Rx的接收器C2的发 射端
(2)工作波长的选择 工作波长选择的两条原则:根据通信距离和容量选 择工作波长，短距离小容量的系统一般选850nm及1310 nm波长，反之选1310nm和1550nm波长;所选的波长区具 有可供选择的光器件和光纤等元器件，且在质量、价格 及可靠性等方面都能满足要求。 (3)光检测器的选择 根据系统的码速、传输距离和误码特性决定选择PI N-PD还是APD。另外，还应考虑它们的可靠性、稳定性、 使用方便及价格上的差别。一般来讲，长距离、大容量 的系统中采用APD或PIN-FET 、APD-FET，中距离、小容 量的系统用PIN或PIN-FET。
L
0.22610 6 f b |C0 |
(9.48)
由此，并根据原CCITT建议，单模光纤通信系统受色散限 制的中继距离L为
L
10 6 f b |C 0 |
(9.49)
式中ε 是与功率代价和光源特性有关的参数，对于多纵 模激光器，ε = 0.115，对于单纵模激光器，ε =0.306。 由于光纤制造工艺的偏差，光纤的零色散波长不会 全部等于标称波长值，而是分布在一定的波长范围内。 同样，光源的峰值波长也是分布在一定波长范围内，并 不总是和光纤的零色散波长度相重合。对于G.652规范的
dB/km，每千米光纤平均接头损耗α s= 0.03 dB/km。把这 些数据代入(9.41)式，得到中继距离:
( 42) 320.3 L 30 .350.030.1 74km

( 2 ) 2 ( f ) 2
(9.44)
式中，τ =σ /0.4247, f 为光纤线路FWHM脉冲展宽，取决 于所用光纤类型和色散特性。 对于多模光纤系统，色散特性用3dB带宽表示。因此， △τ f=0. 44/B,B为长度等于L的光纤线路总带宽，它与单位 长度光纤带宽的关系为 B B1 / L 。B1为1km光纤的带宽，通 常由测试确定。γ =0.5 ～ 1，称为串接因子，取决于系 统工作波长、光纤类型和线路长度。把这些数据代入(9.44) 式，并取a=0.25 ～0.35，得到光纤线路总带宽B和速率fb的 关系为 B =(0.83～ 0.56)fb (9.45)