光通信技術(shù)高速光纖設(shè)計(jì)7.ppt

第五章 高速光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì),第一節(jié) 光接口 一、物理層接口的分類 對(duì)于SDH物理層而言主要指的是光接口或電接口。與傳統(tǒng)的PDH設(shè)備相比，SDH設(shè)備有更多的橫向兼容模式，對(duì)于任何的網(wǎng)元都能在其光路上互通。,在目前的應(yīng)用場(chǎng)合中，對(duì)于SDH設(shè)備的物理層而言只需要三套光接口參數(shù)和一條電接口參數(shù)即可，為了在應(yīng)用中便于理解通常用不同的代碼來表示光纖的應(yīng)用：,用字母I表示局內(nèi)通信，S表示短距離局間通信，L表示長距離局間通信。字母后面的第一位數(shù)字表示STM的等級(jí)，例如數(shù)字4就表示STM-4等級(jí)。第二位數(shù)字表示工作窗口和所用光纖類型；空白或1表示標(biāo)稱工作波長為1310nm，所用光纖為G.652光纖。2表示標(biāo)稱工作波長為1550nm，所用光纖為G.652光纖和G.654光纖。3表示標(biāo)稱工作波長為1550nm，所用光纖為G.653光纖。,下面就這四種不同的應(yīng)用場(chǎng)合作以下介紹： 1、長距離局間通信（光接口） 一般指局間再生段距離為40km以上的應(yīng)用場(chǎng)合，即工作于.31um又可以工作于 1.55um。若工作于.31um窗口則只使用G652光纖若工作于1.55um窗口，則G652、G653、G654光纖均可使用。,、短距離局間通信（光接口） 一般只局間再生段距離為15km左右的場(chǎng)合，主要適用于室內(nèi)局間通信和用戶接入網(wǎng)環(huán)境。其工作波長可以是1.31um或1.55um，一般兩個(gè)窗口都用G.652光纖。,3、局內(nèi)通信（光接口） 一般傳輸距離為幾百米，最多不超過2km，由于相對(duì)于傳統(tǒng)局內(nèi)設(shè)備之間互連的電纜而言光纖具有衰減低、傳輸速率快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。一般指工作于1.31um窗口 并采用G653光纖。,、電接口 由于技術(shù)經(jīng)濟(jì)原因，目前的電接口只適用于STM-1等級(jí)，所用的傳輸媒質(zhì)為同軸電纜，因此網(wǎng)絡(luò)單元所能傳輸?shù)淖畲缶嚯x為70m 下表總結(jié)了上述物理層光接口的分類、應(yīng)用代碼、光纖類型、和典型傳輸距離（表5）,二、光接口參數(shù) 對(duì)于目前的同步光纜線路系統(tǒng)的光接口中（如圖5-1）光接口參數(shù)可以劃分為三大類：即參考點(diǎn)S的發(fā)送機(jī)光功率參數(shù)、參考點(diǎn)R的接收機(jī)光功率參數(shù)和S-R點(diǎn)之間的光通道參數(shù)。所有的參數(shù)值均按最壞值考慮。,1、發(fā)送機(jī)光參數(shù) a、光譜特性 光譜特性是光源的重要參數(shù)，一般包括下述三種參數(shù) (1) 最大均方根寬度（）：指為了度量光脈沖能量的集中程度。通常采用均方根寬度表示。 (2) 最大-20dB寬度：指在主模中心波長的最大峰值功率跌落-20dB時(shí)的最大全寬（如圖5-2）,(3) 最小邊模抑制比（SMSR）：指在最壞反射條件時(shí)，全調(diào)制條件下主縱模（M）與最顯著邊模（M）的光功率之比的最小值即： SMSR10lg(m/m),、平均發(fā)送功率 光發(fā)送機(jī)的輸出功率被定義為當(dāng)發(fā)送機(jī)送“0”、“1”交替碼時(shí)再參考點(diǎn)S所測(cè)的平均光功率。,C、消光比 在全調(diào)制條件下送全“1”碼時(shí)的平均光功率和送全“”碼時(shí)的平均光功率比值的最小值用工時(shí)表示為： EX10lg(EX1）10lg(A/B) 其中A表示 送全“1”的平均光功率 其中表示 送全“0”的平均光功率,、光通道中的參數(shù) 、衰減 在同步光線數(shù)字線路系統(tǒng)中，衰減值的上限制主要是由發(fā)送機(jī)功率和接收機(jī)功率動(dòng)態(tài)范圍所允許的國在點(diǎn)決定，而下限制則由最小發(fā)送功率和最小接受靈明度所決定的。,、最大色散值 指在光纖傳輸中由于碼間干擾（即光纖在傳輸中的色散）、摸分配噪聲、啁秋聲而造成的系統(tǒng)損耗通常將1dB功率代價(jià)所對(duì)應(yīng)的光通道色散值定義為最大色散值。,c、反射 反射是由光通道的折射率不連續(xù)造成的。為了適于光通道的傳輸，通常用光纜設(shè)施在S點(diǎn)的最小回波損耗和S-R之間的最大離散反射系數(shù)來恒量傳輸通道是否滿足傳輸?shù)囊蟆?3、接受機(jī)光參數(shù) a、接收機(jī)靈明度 接收機(jī)靈明度定義為R點(diǎn)出為達(dá)到1*10-10的BER值所需要的平均光功率的最小可接受值。,b、接收機(jī)過載功率 接收機(jī)過載功率定義為R點(diǎn)出為達(dá)到1*10-10的BER值所需要的平均光功率的最大可接收值。 （如圖5-3所示） c、接收機(jī)反射系數(shù) 接收機(jī)反射系數(shù)定義為R點(diǎn)出的反射光功率與入射光功率之比。,4、光通道代價(jià) 光通道代價(jià)：由于碼間干擾、模分配噪聲、激光器啁秋聲等原因，脈沖在光通道中的傳輸導(dǎo)致接收機(jī)靈敏度的變化，這種變化稱為光通道代價(jià)，即為系統(tǒng)接入光通道時(shí)與不接入通道時(shí)接收機(jī)靈敏度的差值。通常光通道總功率的代價(jià)不得超過1dB。,第二節(jié) 波分復(fù)用系統(tǒng)的光接口,一、光接口的分類 對(duì)于目前波分復(fù)用系統(tǒng)的光接口分類通常從兩個(gè)方面進(jìn)行分類： 1、應(yīng)用,（1）不帶線路放大器的系統(tǒng)應(yīng)用代碼（表5-2）,(2)帶線路放大器的系統(tǒng)應(yīng)用代碼（表5-3）,2、實(shí)施 (1)由某一參考點(diǎn)進(jìn)行光接口配置：為了使WDM系統(tǒng)能夠兼容大量現(xiàn)有的SDH設(shè)備而采用的一種光接口形式。 (2)對(duì)光通道通路中插入和分路設(shè)備的光接口：為類能滿足WDM系統(tǒng)的橫向兼容性而采用的一種光接口形式。,二、WDM系統(tǒng)中的光參數(shù) 1、中心頻率 在WDM系統(tǒng)中各個(gè)同路的中心頻率都是標(biāo)準(zhǔn)化的，其間隔必須為50GHz,100GHz或其整數(shù)倍，下表是目前廣泛應(yīng)用的8路系統(tǒng)的典型中心頻率（表5-4）,2、中心頻率偏差 指標(biāo)稱中心頻率與實(shí)際中心頻率之差。下表(5-5)給出了壽命終了允許的通路中心頻率偏差要求，即最壞值要求。,3、光通道衰減 下面兩表分別給出了不帶光線路放大器和帶光線路放大器的WDM衰減要求（表5-6和5-7）,4、光通道色散 下表分別給出了不帶光線路放大器和帶光線路放大器的WDM系統(tǒng)的色散要求。通常，由于ASE噪聲與EDFA的增益呈線性關(guān)系增長，而與中繼段數(shù)近似成對(duì)數(shù)增長，因而對(duì)于長再生段傳輸，可以采用縮短線路放大器間距和適當(dāng)增加中繼段數(shù)來減小ASE的噪聲增長，在技術(shù)上也容易，表中nL8-y.2系統(tǒng)就是一個(gè)比較理想的干線選擇，其目的是保證色散要求。（表5-8）,三、光功率電平的范圍,1、每路光功率電平的最小值 由光放大器引入的ASE噪聲功率為 一方面，由于G1，因而下式成立：,另一方面，當(dāng)EDFA增益恰好補(bǔ)償中繼段光通道損耗時(shí)，引入的ASE噪聲 為：,如果取 為0.1nm，則上式變?yōu)椋?-58+ N個(gè)EDFA級(jí)聯(lián)后，總的噪聲功率成為：,設(shè)兩個(gè)EDFA之間的光通道衰減為L(dB), 則光信噪聲比OSNR可以表示為 =,2、每路光功率電平的最大值 光功率的最大值受限于兩種因素，即激光器安全值和非線性的影響。其中對(duì)于激光器的安全值應(yīng)為17-10logM，M表示有m條光路。而對(duì)于非線性的影響則取決于多種因素，一般應(yīng)取高于安全值。,第三節(jié)、WDM系統(tǒng)設(shè)計(jì),一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 1、復(fù)用路數(shù)于波長范圍的選擇 目前WDM系統(tǒng)中試用的光放大器是EDFA。EDFA的最大利用帶寬要分成兩種情況： （1）20nm帶寬，即15401560nm范圍，無須作通帶平坦化處理。 （2）32nm帶寬，即1528.771560.61nm范圍，需要作通帶平坦化處理。 第二種情況構(gòu)成的成本將明顯高于第一種情況，因此應(yīng)優(yōu)先采用前一種波段。,1540 1560nm,2、速率等級(jí)的選擇 對(duì)速率等級(jí)選擇的原則是：站間距離較長，總?cè)萘吭?0Gbit/s以下，優(yōu)先選用STM-16等級(jí);總?cè)萘吭?0Gbit/s以上，或者多數(shù)間站距離較短，則選用STM-64等級(jí)。,3、光線類型的選擇 WDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇光纖的一般原則是： （1）新建WDM系統(tǒng)的路由不再選用G.653光纖，舊路的G.653光纖用于WDM系統(tǒng)需采取不等間隔信道波長配置，復(fù)用路數(shù)通常選為8波。 （2）STM-16系統(tǒng)一般使用G.652 光纖，可實(shí)現(xiàn)120Km的跨距傳輸，具有成本優(yōu)勢(shì)。且未來有1310和1550兩個(gè)波段同時(shí)使用的潛力。 （3）2.5Gbit/s速率以上，跨間距宜選用G.655光纖。 （4）允許同一個(gè)系統(tǒng)中G.652光纖和G.655光纖混用，但G.653光纖與其它光纖混用沒有意義。G.652和G.655光纖混用時(shí)只能采用1550nm窗口，主通道不能1550nm和1310nm混用。,4、關(guān)于通路組織 第一條原則：WDM 系統(tǒng)通路組織的第一個(gè)原則就是拒絕容納小容量站，即使兩個(gè)大容量站的距離過長也只能采取加在線放大器，而不主張?jiān)谛∪萘空鹃_口。小容量站的通信需求應(yīng)通過其他路由現(xiàn)金到大容量站后再進(jìn)入WDM系統(tǒng)。若實(shí)在沒有合適的路由時(shí)，可采用其他靈活的設(shè)計(jì)方式解決。,第二條原則：分站的站間距離盡可能接近規(guī)范目標(biāo)距離。 第三條原則：分配給同一站的信道盡量不用鄰近信道，信道的功率應(yīng)盡可能的相同。 第四條原則：WDM系統(tǒng)用于城域網(wǎng)時(shí)，應(yīng)選用環(huán)保護(hù)結(jié)構(gòu)。如圖5-4所示。,5、信道功率的選擇 信道的光信號(hào)功率的最小值出現(xiàn)在光放大器的輸入端，而信道的光信噪比的最壞值則出現(xiàn)在光放大器的輸入端，因?yàn)楣獍l(fā)大器對(duì)其輸入的信號(hào)和噪聲同時(shí)予以放大之外還引入了新的噪聲。這個(gè)新的噪聲源就是該放大器的ASE（放大的自發(fā)輻射）。,0.1nm譜寬相當(dāng)于信道的占有帶寬為 通常EDFA的NF=5.5Db。將這些值代入式 =0.1nm時(shí)，要求的EDFA最小光功率為,而 =0.3nm時(shí)，要求EDFA的最小輸入光功率為 單個(gè)信道的最大光功率受SRS非線性效應(yīng)的限制，要求主通路中的最大總功率不超過SRS的門限功率。主通路中最大功率出現(xiàn)在光發(fā)大器的輸出端，最大總功率G。692文件給出的I-5式估算： NF和L以dB為單位，其他各量均用UI單位制。N為復(fù)用路數(shù); 成為ASE的有效帶寬,二、16X2.5Gbit/s系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例 假定有需要新建連通鄭州登峰洛陽焦作新鄉(xiāng)開封的省內(nèi)信息高速通路，采用16X2.5Gbit/s的系統(tǒng)。其路由如圖5-5所示。磁力的基本特點(diǎn)是路由呈環(huán)形，允許實(shí)現(xiàn)圖5-4(b)那樣的環(huán)路保護(hù)結(jié)構(gòu)。,1、系統(tǒng)基本參數(shù)選定 （1）中心波長 取信道間隔為100GHz等間距；信道中心波長在EDFA的20nm帶寬內(nèi)，并靠向短波長一邊，以利于光纖色散系數(shù)能去較小些的最壞值；全部中心波長為G692文件規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)值，如表5-12所示。,（2）信道分配 假定鄭州、洛陽和開封的通信容量較大，如圖5-6所示。,2、色散預(yù)算,本例路線總長為421.5km，加上保護(hù)段后總長約為500km。WDM 系統(tǒng)采用了外調(diào)制技術(shù)，頻率啁啾效應(yīng)的影響一般都不再討論。光通路的色散距離累計(jì)功率代價(jià)只需核算偏振模色散和碼間干擾的功率代價(jià)。,（1）偏振模色散功率代價(jià)計(jì)算 單模光纖的偏振模色散系數(shù)的規(guī)范值為0.5ps/km,500km傳輸?shù)腄GD值為 換算成UI單位： 然后再查圖5.1的曲線，可得出結(jié)論：偏振模色散功率代價(jià)小于0.1dB,而功率代價(jià)偶爾性達(dá)到Db的幾率也小于 。,（2）碼間干擾的功率代價(jià)核算,按P=1.8dB考慮，根據(jù)上式先求出相對(duì)展寬因子： 再根據(jù)展寬因子 的定義寫出碼間干擾功率代價(jià)限定在1.8Db的2.5Gbit/s系統(tǒng)在不同光纖色散系數(shù)和不同光源譜寬下允許傳輸距離的計(jì)算式（實(shí)用單位）：,上節(jié)已說明目前使用的WDM系統(tǒng)采用的光纖只考慮G.652和G.655光纖。在EDFA的32nm帶寬色散系數(shù)的最壞值分別為：G.652光纖的色散系數(shù)為D=20ps/nm.km;G.655的光纖色散系數(shù)為D=6ps/nm.km。 由于本例16波長只取到1554.13nm，相應(yīng)的G.652和G.655光纖的色散系數(shù)分別減為19ps/nm.km和5ps/nm.km。WDM的信道間隔為50GHz，光源和光選擇器的帶寬應(yīng)取0.1nm，而信道間隔為100GHz時(shí)，可以放寬至0.3nm。,色散預(yù)算的結(jié)論是： .選用G。655光纖， .要求光源和光濾波器的帶寬不大于0.2nm， .全程無需色散補(bǔ)償。,3、光功率預(yù)算 （1）站間線路總衰耗 從前站的輸出口S點(diǎn)至下站的輸入口R點(diǎn)，下路總衰耗按下式計(jì)算：,（2）光信號(hào)的最小功率與最大功率限制 光選擇器帶寬按0.2nm考慮，則 上式中的N是光放大器的數(shù)目，N的技術(shù)應(yīng)取下一站R點(diǎn)之前的全部光放大器總數(shù)。信道中單波長光信號(hào)的最大功率限制為,（3）光放大器的增益,兩個(gè)相鄰R參考點(diǎn)之間的主光路的傳輸模型。如圖5-7所示。圖中虛線框表示第n個(gè)中間站，R(n+1)為其鄰近的下一站的輸入端口。L為兩站的間距，L/表示線路放大器離該站的距離，如果允許L=0，就表明OA 可放在站內(nèi)。設(shè)R(n)點(diǎn)和R(n+1)點(diǎn)的光信號(hào)功率正好等于最小光功率門限值。 大于 ，表明光纖放大器的噪聲已經(jīng)反映到了最小光功率門限值中。因此，不難列出兩參考點(diǎn)之間的功率代數(shù)方程：,以本例的新鄉(xiāng)站為例，取OADM的插入損耗為6.5dB，則所需的總光增益為 用同樣的辦法算出其他站光放大器增益的值列入表5-15。,（）光放大器的位置確定 鄭州和開封端站的功率預(yù)留帶后面討論。登封、焦作和新鄉(xiāng)都只需一個(gè)光放大器，這三處的光放大器都屬于小信號(hào)放大。 洛陽焦作段：圖5-7中的虛線框可以看作洛陽站，需要兩個(gè)光放大器來完成。第一個(gè)放大器的增益設(shè)計(jì)為35dB。剩下的8.7dB有第二個(gè)光放大器來完成，其位置在OADM之后，輸入光功率為,其輸出光功率為-8.0+8.7=0.7 dBm。沒有功率飽和問題。0.7dBm光信號(hào)功率在經(jīng)36.2dB的線路衰耗，達(dá)到焦作站輸入端的R，既有成為一個(gè)功率最小點(diǎn)，并且與焦作站R參考點(diǎn)的最小功率門限自然吻合。,4、光發(fā)送機(jī)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （1）光接受機(jī)子系統(tǒng)的配置如圖5-8所示。,設(shè)光波長選擇器的插入損耗為5dB，光通路功率代和接收機(jī)老化富余度3dB。所以中間站要求的接收機(jī)靈敏度分別為-21.3，-18，-23.1和-16.9dBm。因此，登封和焦作站需采用滿足G。975規(guī)范的S-16.2接收機(jī)，靈敏度為18d