第四章_光纤通信系统原理.ppt

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1、Chapter 4 光纤通信系统原理1光纤通信Chapter 4 光纤通信系统原理3第四章 光纤通信系统原理Chapter 4 光纤通信系统原理4学习内容4.1 光发射机4.2 光接收机4.3 光纤通信系统的设计Chapter 4 光纤通信系统原理54.1 光发射机Chapter 4 光纤通信系统原理6直接调制外调制受调制的光源特性参数:功率、幅度、频率和相位广泛应用:直接光强（功率）调制光调制Chapter 4 光纤通信系统原理7直接调制直 接 调 制:调 制 信 号 直接 作用在光源上，把要传送的信息转变为电源信号注入到 LD 或 LED，获得相应的光信号。光源的发光强度调制(IM)。直接

2、调制优点:简单、经济、容易实现等光纤通信系统中广泛采用的调制方式。调 制 信 号 的 形 式:光 源 的 直 接 调 制 又 可 分 为 模拟信号调制 和数字信号调制Chapter 4 光纤通信系统原理8直接光强数字调制的工作原理对LD施加了偏置电流Ib，由图可见，当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时，输出光功率P和驱动电流I 基本上是线性关系，输出光功利和输入电流成正比，所以输出光信号反映输入电信号。Chapter 4 光纤通信系统原理9 LD 调制特性(1)电光延迟(2)张驰振荡(3)小信号输入的频率响应(4)频率啁啾Chapter 4 光纤通信系统原理10外调制光源内调制 的优点是电路

3、简单容易实现，但是，在高码速下将使光源的性能变坏，因此需要对光源的外调制方式。目前使用的外调制方式有：(1)电光调制（2）声光调制（3）磁光调制Chapter 4 光纤通信系统原理11控制电路等构成核心:光源及驱动电路光发射机的构成光发送机的构成:输入接口光源驱动电路监控电路Chapter 4 光纤通信系统原理12光 发 射 机(数 字)框 图Chapter 4 光纤通信系统原理13对光发射机性能的要求光发射机的作用是把电端机送来的电信号变为光信号送入光纤中传输。包括以下方面：(1)光源特性(2)调制特性(3)输出特性Chapter 4 光纤通信系统原理14数字光发射机Chapter 4 光纤

4、通信系统原理15数字光发射机框图Chapter 4 光纤通信系统原理16数字光发射机对光源的要求系统对光源的要求是很高的，包括：1波长稳定性要求：WDM系统对光源发射波长的稳定性具有较高的要求，波长的漂移将导致信道之间的串扰。2功率稳定性要求：某信道功率的漂移，不仅影响本信道的传输性能，而且通过 EDFA的瞬态效应影响其它信道的性能。（调制速率、谱线宽度）Chapter 4 光纤通信系统原理17数字光发射机设计原则数字光发射机核心:光源和电路光源:实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。电路:其设计应以光源为依据，使输出光信号准确反映电信号。Chapter 4 光纤通信系统

5、原理18光发射机的控制电路（辅助电路）光源的控制电路:温度控制（ATC）和功率控制（APC）电路，它们的作用:消除温度变化和器件老化的影响,稳定发射机性能。其它的控制电路:光源慢启动保护电路、激光器反向冲击电流保护电路、激光器过流保护电路和激光器关断电路。Chapter 4 光纤通信系统原理19光发射机的调制电路（主要电路）光源注入合适的偏置电流和调制电流就能发射光，也就是说可以通过直接调制电流信号从而调制光信号，这也就是直接调制名称的由来。在发射机中是由驱动电路完成的提供恒定的偏置电流和调制电流，并采用一定的机制保持光功率不变。驱动电路由调制电路和控制电路两部分组成。调制电路为主要电路。Ch

6、apter 4 光纤通信系统原理20光发射机的线路编码电路线路编码：又称 信道编码，之所以必要，是因为电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，所以要变化为适合于光纤传输的单极性码，此外它可以消除或减少数字电信号中的直流和低频分量，以便于在光纤中传输、接收及监测。定时信息扰码二进制、字变换码、插入型码。Chapter 4 光纤通信系统原理21线路编码在PDH 通信时代，线路码型可以说是种类繁多、五花八门，但归根结底可以分为三大类，当然每一类码型中又可分为许多种。这三大类就是：扰码二进制mBnB 码插入比特码Chapter 4 光纤通信系统原理22扰码二进制发送端 用扰

7、码器对数字电信号码流进行扰码，打乱原来的排列顺序以形成新的码流来调制光发送机，而在接收端 进行反扰码以恢复原来的码流。优点：实现简单；能比较有效地抑制长连“0”和平衡码流；由于不增加码率所以光功率代价为0(码率增加会使灵敏度降低)。缺点：由于码率没有增加，难以实现误码检测、公务联络等功能。在PDH 通信中很少采用这种线路码型；但在SDH通信中却全部采用此种码Chapter 4 光纤通信系统原理23光发射机的电路（实现）驱动电路自动功率控制电路自动温度控制电路告警电路和保护电路Chapter 4 光纤通信系统原理24驱动电路驱动电路作用:将电功率转换成光功率，并将要传输的电信号调制到光源的输出上

8、。LED的驱动电路比较简单，而LD的驱动电路相当的复杂。驱动电路应该能对光源同时提供偏置电流和随信号而变化的调制电流。大多数光纤通信系统采用数字调制方式。模拟驱动电路:保证光源的输出光功率随信号电压的幅度、相位成线性地变化。Chapter 4 光纤通信系统原理25实 现 之 一:共 射 极 驱 动 电 路Chapter 4 光纤通信系统原理26实 现 之 二:射 随 驱 动 电 路Chapter 4 光纤通信系统原理27实 现 之 三:射 极 耦 合 驱 动 电 路Chapter 4 光纤通信系统原理28自动功率控制电路目的:稳定激光器的输出功率，需要在发射机中具有自动功率控制（APC）电路。

9、机理：APC电路一般利用一只与LD封装在一起的 PIN监测LD后向输出的光，根据PIN输出的大小而自动地改变对LD的偏置电流，使其输出光功率保持恒定。可能引起激光器输出功率变化的两个因素是芯片温度的变化和激光器的老化效应。Chapter 4 光纤通信系统原理29APC自动光功率控制电路和偏置电路VEEA2-+R1VRLDIbPINA1+-VEEV2V1自动功率控制电路Chapter 4 光纤通信系统原理30自动温度控制电路半导体激光器的输出特性受温度影响很大，当温度发生变化时，LD的 P-I 特性和光谱特性都要发生变化，因此在光发射机中需要自动温度控制（ATC）电路以保证激光器在恒定温度下工作

10、。一般说来，在实用化的半导体激光器封装中，都带有一个半导体致冷器和一只能够监测激光器芯片温度变化的热敏电阻。Chapter 4 光纤通信系统原理31ATC自动光功率控制电路VcA+-R1CoolerVcW1R3RtR2Rf自动温度控制电路Chapter 4 光纤通信系统原理32告警电路和保护电路无光告警、寿命告警电路等保护电路（缓启动，限流）Chapter 4 光纤通信系统原理33数字光发射机的性能指标1、平均发送光功率平均发送光功率是发送机耦合到光纤的伪随机数据序列的平均功率在光发送机的输出端值。发送机发送的光功率与传送的数据信号中“1”所占的比例有关，“1”越多发送光功率越大。当传送的数据

11、信号是伪随机序列时，“1”和“0”大致各占一半，将这种情况下的光功率定义为平均发送光功率。通常光发送机的发送功率要有11.5dB的余量。Chapter 4 光纤通信系统原理 342、消光比EXT消光比是最坏反射条件时，全调制条件下，发射光信号平均光功率与不发射光信号平均光功率的比值。用公式表示为（dB）EX=10log 10(A/B)其中A为传号时的平均光功率，B代表空号时的平均光功率（噪声）。激光器正常工作时设置的偏置电流略小于阈值电流，以便缩短光源的导通时间，这样即使在空号时仍有相当的发光功率，消光比不可能无穷大。光发送机的消光比一般要求大于8.2dB，即“0”码光脉冲功率是“1”码光脉冲

12、功率的七分之一。Chapter 4 光纤通信系统原理353、边模抑制比 SMSRSMSR 的定义为：在全调制的条件下主纵模的光功率M1 和最大边模光功率M2 之比。即SMSR=10lg(M1/M2)一般规定光发送机的 SMSR 大于30dB，即主纵模的光功率是最大边模光功率的 1000 倍以上。Chapter 4 光纤通信系统原理364、谱宽即光发送机中所用光源器件的谱线宽度。光源器件的谱宽越窄越好，因为谱宽越窄，由它引起的光纤色散就越小，就越利于进行大容量的传输。Chapter 4 光纤通信系统原理374.2 光接收机Chapter 4 光纤通信系统原理38光接收机的组成作用：把接收来的光信

13、号转变为原来的电信号，它的性能的优劣直接影响整个光纤通信系统的性能。光纤通信系统有 模拟 和 数字 两大类，光接收机也相应的有两大类，即模拟接收机和数字接收机。Chapter 4 光纤通信系统原理39直接检测数字光纤通信接收机一般由三个部分组成，即光接收机的前端、线性通道和数据恢复。直接检测数字光纤通信接收机Chapter 4 光纤通信系统原理40数字光接收机框图Chapter 4 光纤通信系统原理41数字光接收机 主要由接收电路和 判决电路两大部分组成。接收电路由光电检测器和前置放大器、均衡器、主放大器、偏置电路和自动增益控制电路五部分组成。判决电路由判决器、时钟恢复电路和译码器组成。光接收

14、机从接收信号到恢复原来的电信号输出的工作过程Chapter 4 光纤通信系统原理42光电检测器：把外来光信号转换成电信号送入到前置放大器，这一级的噪声对整个电信号的放大影响甚大，设计时要严格选择方案。主放大器：提供足够增益，将信号放大到判决电路所需要的电平；同时放大器增益受到 AGC电路的控制，使输出信号的幅度在一定范围内不受输入信号的影响。均衡器：保证均衡以后的波形有利于判决，尽量减小码间干扰。判决器和时钟恢复电路：对信号进行再生，并用译码器对信号译码，使信号恢复到和光端机输入的电信号一样。Chapter 4 光纤通信系统原理43光接收机前端光接收机前端作用：将光纤线路末端耦合到光电检测器的

15、光比特流转变为时变电流，然后进行预放大，以便后一级进一步处理。(1)光电检测器一 般 采 用 PIN 光 电 二 极 管 或 APD 雪 崩 光 电 二 极管，它们性能的优劣直接影响整个光接收机的性能(2)前置放大器光电检测器输出的光电流是十分微弱的，需要多级放大器进行放大，多级放大器的前级为前置放大器。Chapter 4 光纤通信系统原理44一台性能优良的光接收机，应具有无失真地检测和恢复微弱信号的能力，这首先 要求其前端应有低噪声，高灵敏度和足够的带宽。根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案：(1)低阻抗前端(2)高阻抗前端(3)跨(互)阻抗前端Chapter 4 光纤通信系统原理

16、45前置放大器的等效电路Chapter 4 光纤通信系统原理46放大器Chapter 4 光纤通信系统原理47双极性晶体管放大器Chapter 4 光纤通信系统原理48R1T1PIN跨阻抗放大器VCCT3R2T2R3RfR5ReC2R4C1Chapter 4 光纤通信系统原理49线性能道 光接收机的线性通道：由一个高增益的 主放大器 和 一 个 均 衡 滤 波 器 组 成，此 外，还 应 包 括 峰值检 测 和 自 动 增 益 控 制(AGC)电 路，用 来 控 制 放 大器增益。Chapter 4 光纤通信系统原理50主放大器的作用 将前置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的信号电平。它还

17、是一个增益可调节的放大器，当光电检测器输出的信号出现起伏时，通过光接收机的自动增益控制电路对主放大器的增益进行调整，以使主放大器的输出信号幅度在一定范围不受输入信号的影响，一般主放大器的峰-峰值输出是几伏数量级。对于 APD 的光接收机还通过控制 APD 的偏压来控制雪崩倍增管的雪崩增益。Chapter 4 光纤通信系统原理51均衡滤波器作用：均衡波形有利判决。均衡滤波器是必不可少的。没有均衡滤波器将出现这些现象将会使前、后码元的波形重叠，产生码间干扰，严重时造成判决电路误判，产生误码。有均衡滤波器的波形均衡滤波器是使经过均衡器以后的波形成为有利于判决的波形。例如，成为升余弦频谱脉冲。Chap

18、ter 4 光纤通信系统原理52均衡滤波器：使 经 过 均 衡 器 以 后 的 波 形 成 为 有利 于判 决的 波形。均衡滤波器的作用Chapter 4 光纤通信系统原理53数据恢复数据恢复电路 由 判决电路 和 时钟恢复电路 组成，如果 需要与电端机接口，还需要解码、解扰和编码电路判决电路和时钟恢复电路的任务是把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号。Chapter 4 光纤通信系统原理54辅助电路光接收机还有一些辅助电路，如：(1)钳位电路。(2)温度补偿电路。(3)告警电路。Chapter 4 光纤通信系统原理55集 成 光 接 收 机 光接收机的组成部件，除了光电二极管外，都是标准的

19、电子元器件，采用标准集成电路(IC)工 艺 技 术，很 容 易 集 成 在 同 一 芯 片 上，做成集成光接收机。在高比特工作时，这种集成光接收机具有很 多 优 点。90 年代末用 Si 和 GaAs 集成电路工艺已 制 成 带 宽 超 过 2GHz 的 集 成 光 接 收 机，现 在带 宽 超 过 10GHz 的集成光接收机也已用于光波实验系统。Chapter 4 光纤通信系统原理56光接收机噪声分析Chapter 4 光纤通信系统原理57数字光纤通信系统的信号变换特点在数字光纤通信系统中，传输的是由“0”和“1”组成的二进制光脉冲信号，这是一种 单极性码，即 光 功 率 在“接 通”(“1

20、”码)和“断 开”(“0”码)两个电平上变动。按 照“1”码 时 码 元 周 期 T 的 大 小，分 为 归 零 码(RZ码)与非归零码(NRZ码)两种。Chapter 4 光纤通信系统原理58系统中数字脉冲传输过程的变换系统中数字脉冲传输过程的变换Chapter 4 光纤通信系统原理59光接收机的噪声源光接收机的噪声是与信息无关的随机变化量，噪声源从引入过程来分，可分为两类，即与信号光电检测器有关的噪声和与光电接收机电路有关的噪声。与信号光电检测器有关的噪声包括：量子噪声、雪崩倍增噪声、暗电流及漏电流噪声和背景噪声等等。与光接收机电路有关的噪声包括：放大器噪声、负载电阻热噪声等。Chapte

21、r 4 光纤通信系统原理60噪声的评价方法噪声是一种随机性的起伏量，是电信号中不需要的成分，它干扰实际系统中信号的传输和处理，影响和限制了系统的性能。(1)噪声的大小可以用均方值来表示(2)信噪比(SNR)SNR=平均信号功率/噪声功率Chapter 4 光纤通信系统原理61误码率和接收灵敏度光接收机的误码率和灵敏度是描述光接收机准确 检测光信号能力的性能指标。Chapter 4 光纤通信系统原理62光接收机的误码率光接收机的误码率BER定义为：BER=错误接收的码元数/传输的码元总数那么光接收机的误码是如何产生的?光接收机的判决Chapter 4 光纤通信系统原理63若 I I D，采样值为

22、“1”，若 I I D，采样值则为“0”。如 果 传 输 的 信 码 为“1”，可 是 I I D，则发生错误。同 样 传 输 的 信 码 为“0”，可 是 I I D，则同样发生错误，这两个错误都将引起误码。Chapter 4 光纤通信系统原理64灵敏度和动态范围光接收机的 灵敏度：满足给定的误码率指标条件下而可靠工作所需要的最小平均光功率P min最 小 平 均 光 功 率 P min,在 国 际 单 位 制 中，它 的 单位是瓦(W)。工程上，光接收机的灵敏率常用光功率相对值来表示，单位是分贝毫瓦(dBm)。Chapter 4 光纤通信系统原理65动态范围保证系统的误码率指标要求下，光接

23、收机最低输入光功率 P min 和最大允许光功率 P max 的变化范围。这个范围用 D 来表示，一般在工程上用二者(用dBm描述)之差来表示。一台质量好的光接收机应有较宽的动态范围。Chapter 4 光纤通信系统原理664.3 光纤通信系统的设计Chapter 4 光纤通信系统原理67系 统 的 设 计对数字光纤通信系统而言，系统设计的主要任务是:根 据 用 户 对 传 输 距 离 和传 输容 量(话路数或比特率)及其分布的要求，按照国家相关的技术标准和当前设备的技术水平，经过综合考虑和反复计算。选择最佳路由和局站设置、传输体制和传输速率以及光纤光缆和光端机的基本参数和性能指标，以使系统的

24、实施达到最佳的性能价格比。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。Chapter 4 光纤通信系统原理68果，设计的可靠性为100%，但要牺牲可能达到的最大长度。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。中继距离的三种设计方法 最坏情况法(参数完全已知)统计法(所有参数都是统计定义)半统计法(只有某些参数是统计定义)这里我们采用最坏情况设计法，用这种方法得到的结Chapter 4 光纤通信系统原理69中继距离受损耗的限制下图 给出 了无

25、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，图中符号：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；C 1,C 2:光纤连接器；S:靠近Tx的连接器C 1的接收端；R:靠近Rx的连接器C 2的发射端；SR:光纤线路，包括接头。70TxRxC1SR(a)TTTxRxC1SRTTRC2中继器(b)数字光纤线路系统(a)无中继器；(b)一个中继器Chapter 4 光纤通信系统原理C1SC2C2Chapter 4 光纤通信系统原理71式中，Pt 为平均发射光功率(dBm)，Pr为接收灵敏度(dBm)，c为连接器损耗(dB/对)，Me 为系

26、统余量(dB)，f为光纤损耗系数(dB/km),s为每km光纤平均接头损耗(dB/km),m为每km光纤线路损耗余量(dB/km),L 为中继距离(km)。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)pt pr 2 c M e或L pt pr 2 c M e f +s +m(4.1)8.44872平 均 发 射 光 功 率 P t 取 决 于 所 用 光 源，对 单 模 光 纤 通 信 系统，LD 的 平 均 发 射 光 功 率 一 般 为-3 -9dBm,LE

27、D 平均发射光功率一般为-20 -25 dBm。光接收机灵敏度 P r 取决于光检测器和 前 置 放 大 器 的 类 型，并 受 误 码 率 的 限 制，随 传 输 速 率 而变化。下表给出长途光纤通信系统 BER av1 10-10 时的接收灵敏度P r。-33APDChapter 4 光纤通信系统原理灵敏度P r/dBm-49-41-37-42-30光检测器PINPIN-FETPIN-FETAPDPIN-FET标称波长/nm1310131013101310传输速率/（Mbs-1）34.368139.2644 139.264Chapter 4 光纤通信系统原理73连接器损耗一般为0.31 d

28、B/对。设备余量M e 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，M e 一般不小于3 dB。光纤损耗系数f 取决于光纤类型和工作波长，例如单模光纤在1310 nm,f为0.40.45 dB/km;在1550 nm,f为0.220.25 dB/km。光纤损耗余量m 一般为0.10.2 dB/km,但一个中继段总余量不超过5 dB。平均接头损耗可取0.05 dB/个，每千米光纤平均接头损耗 s可根据光缆生产长度计算得到。/（Mb s-1）最大色散/ps nm-1Chapter 4 光纤通信系统原理74标称波长/nm13101310131015501

29、3101550BER 1 10-10最大损耗/Db403528282424标称速率8.44834.368139.2644 139.264S和R之间的容限不要求不要求（多纵模）300（多纵模）120（多纵模）根据 ITU-T(原 CCITT)G.955 建议，用 LD 作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下表 所示。S 和R 之间数字光纤线路的容限Chapter 4 光纤通信系统原理75中继距离受色散(带宽)的限制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

30、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。Chapter 4 光纤通信系统原理76)2t 22g(t)=exp(由此式得到 a和 的数值关系，并列于下表。)12 ln(1/)=(Ta=式 中 为 均 方 根(rms)脉 冲 宽 度。把/T=a 定 义 为 相 对 rms 脉冲宽度，码间干扰 的定义如下图示。由上式和下图得到：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5.

31、18 所示。高斯波形可以表示为：(4.2)(4.3)Chapter 4 光纤通信系统原理77g(t)T112t高斯波形的码间干扰a=a=/T/T0.250.250.300.300.350.350.400.400.500.50 3.4 3.4 1010-4-43.9 3.9 1010-3-31.7 1.7 1010-2-24.4 4.4 1010-2-213.5 13.5 1010-2-2Chapter 4 光纤通信系统原理78相对rms 脉冲宽度a 和码间干扰的关系Chapter 4 光纤通信系统原理79美国 Bell 实验室 S.D.Personick 的早期研究中，曾建议采用下列标准来考查

32、光纤线路色散对系统传输性能的限制。当 a=0.25 时，码间干扰 只有峰值的0.034%，完全可以忽略不 计。当 a=0.5 时，增 加 到 13.5%，此 时 功 率 代 价 为 7 8dB，难 以 通 过 均 衡 进 行 补 偿。一 般 系 统 设 计 选 取 a=0.25 0.35，功率代价不超过2 dB。=()2+(f)2Chapter 4 光纤通信系统原理80为 确 定 中 继 距 离 和 光 纤 线路色散(带宽)的关系，把输出脉冲用半高全宽度(FWHM)表示，即2（4.4）式中,=/0.4247,=aT,a为相对rms 脉冲宽度，T=1/f b，fb为系统的比特传输速率。f为光纤线

33、路(FWHM)脉冲展宽，取决于所用光纤类型和色散特性。81 对于多模光纤系统，色散特性通常用3dB带宽表示。因此，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。B 1 为 1km 光纤的带宽，通常由测试确定。=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。把这些关系代入式(4.4)，并取 a=0.25 0.35，得到光纤线路总带宽 B 和速率f b的关系为：B=(0.830.56)fbChapter 4 光纤通信系统原理(4.5)Chapter 4 光纤通信系统原理82中继距离L与1km光纤带宽B1的关系为B 1=

34、BL,所以以fb为参数，B 1与L的关系示于下图,图中取/T=0.3，=0.75。由此可见，中继距离 L 与传输速率 fb 的乘积取决于 1 km 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。或写成L=（1.21 1.78）1/fb 1/L fb=(1.21 1.78)B1(4.6)(4.7)4 原1km 光纤带宽 B1 与中继距离 L 的关系Chapter 光纤通信系统 理8384对于单模光纤系统，f=2.355 f,f 为光纤线路 rms 脉冲展宽。由式取一级近似，得到 f=|C 0|L,C 0=C(0)为在光源中心波长 0 光纤的色散(ps/(nmkm)，为 光源谱线宽度(

35、nm)，L 为光纤线路长度(km)。把 这 些 关 系 式 代 入 式(4.4)，同样得到一个简明的公式。设取 a=/T=0.25，得到中继距离：L=(4.8)0.226 106fb c0 Chapter 4 光纤通信系统原理 10光纤通信系统原理85在 这 个 基 础 上，根 据 原 CCITT 建 议，对 于 实 际 的 单 模 光纤通信系统，受色散限制的中继距离L可以表示为：6Fb C0 L=（4.8）SLM-LD，=0.306。Chapter 4式中,fb 是线路码速率(Mb/s)，与系统比特速率不同，它要随 线 路 码 型 的 不 同 而 有 所 变 化。C0 是 光 纤 的 色 散

36、 系 数(ps/(nmkm)，它取决于工作波长附近的光纤色散特性。为光源谱线宽度(nm)，对 多纵模激光器(MLM-LD)，为rms 宽度，对 单纵模激光器(SLM-LD),为峰值下降 20dB 的宽度。是与功率代价和光源特性有关的参数，对于MLMLD,=0.115,对于Chapter 4 光纤通信系统原理86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配在一定波长范围内，并不总是和光纤的零色散波长度相重合。对于G.652规范的单模光纤，波长为 1285 1330 nm，色散系数C不得超过3.5 ps/(nmkm)，波长

37、为1270 1340 nm,C不得超过6 ps/(nmkm)。S 和 R 两点之间最大色散 CL(ps/nm)的容限如表示。由表可知，在140 Mb/s以上的单模光纤通信系统中，色散的限制是不可忽视的。Chapter 4 光纤通信系统原理87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 由式(4.1)确定；中继距离受色散限制时由式(4.6)(多模光纤)和式(4.8)或式(4.9)(单模光纤)确定。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。88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P t=-3

38、dBm,接收灵敏度P r=-42 dBm，设备余量M e=3 dB，连接器损耗 c=0.3dB/对，光纤损耗系数f=0.35 dB/km,光纤余量 m=0.1 dB/km，每km光纤平均接头损耗 s=0.03 dB/km。把这些数据代入式(4.1)，得到中继距离 74(km)3 (42)3 2 0.30.35+0.03+0.1Chapter 4 光纤通信系统原理L=又 设 线 路 码 型 为 5B6B,线 路 码 速 率 b=140(6/5)=168Mb/s,|C 0|=3.0 ps/(nmkm)，=2.5 nm。把这些数据代入式(4.9)，得到中继距离：91(km)0.115 106168

39、3.0+2.1L=在工程设计中，中继距离应取74 km。在本例中中继距离主要受损耗限制。但是，如果假设|C0|=3.5 ps/(nmkm)，=3 nm，而上述 其 他 参 数 不 变，根 据 式(4.9)计 算 得 到 的 中 继 距 离 L65Chapter 4 光纤通信系统原理 89km。距离/kmChapter 4 光纤通信系统原理90下图给出各种光纤的中继距离和传输速率的关系，包括损耗限制和色散限制的结果。各种光纤的中继距离和传输速率的关系1086421200.00010.0010.010.11101001.55 m(量子限制)1.55 m1.3 m单模光纤0.85 m突变型多模光纤同

40、轴渐变型多模光纤单模光纤色散移位光纤1000800600400200100806040Chapter 4 光纤通信系统原理91由上图，对于波长为0.85 m的多模光纤，由于损耗大，中继距离一般在20 km以内。传输速率很低，SIF 光纤的速率不如同轴线，GIF光纤的速率在 0.1 Gb/s 以上就受到色散限制。单模光纤在长波长工作，损耗大幅度降低，中继距离可达100 200 km。在1.31 m零色散波长附近，当速率超过1 Gb/s时，中继距离才受色散限制。在1.55 m波长上，由于色散大，通常要用单纵模激光器，理想系统速率可达5 Gb/s，但实际系统由于光源调制产生频率啁啾，导致谱线展宽，速

41、率一般限制为 2 Gb/s。采用色散移位光纤和外调制技术，可以使速率达到20 Gb/s以上。Chapter 4 光纤通信系统原理92现在可以把反映光纤传输系统技术水平的指标、速率距离(fb L)乘积大体归纳如下：0.85 m,SIF光纤，fbL0.01 1=0.01(Gb/s)km0.85m,GIF光纤，f bL0.120=2.0(Gb/s)km1.31 m,SMF光纤，f bL1 125=125(Gb/s)km1.55m,SMF光纤，f bL2 75=150(Gb/s)km1.55m,DSF光纤，fbL2080=1600(Gb/s)km Chapter 4 光纤通信系统原理93作业1.光发射

42、机的基本要求？（数字和模拟系统）2.ATC和 APC的工作原理和实现方法？3.ECL驱动电路的工作原理？TTL驱动电路的工作原理？4.什么是模拟信号的调制深度？什么是数字信号的消光比？5.光接收机的组成和技术要求？（数字和模拟系统）6.光接收机噪声的构成？（通过热噪声理论分析，阐明构成的主要因素），光接收前置放大器的类型及其特点？7.模拟光接收机Pin和SNR的关系？以及光接收灵敏度Pr？8.数字光接收机Pin和BER的关系？以及光接收灵敏度Pr？9.论述光纤通信系统拓扑结构的设计。10.论述光纤损耗和色散对系统设计的限制。Chapter 4 光纤通信系统原理94END OF SECTION FOURChapter 4 光纤通信系统原理95Questions?Thank you!