第8章 数字光纤通信系统(3)

下面举一个实例来说明如何综合考虑中继距离的计算。

140 Mb/s单模光纤通信系统平均发射功率Pt=-3 dBm, 接收 灵敏度Pr=-42 dBm，设备余量Me=3 dB，连接器损耗 αc=0.3dB/对，光纤损耗系数αf=0.35 dB/km, 光纤余量 αm=0.1 dB/km，每km光纤平均接头损耗αs=0.03 dB/km。 线路码型为5B6B, , |D|=3.0 ps/(nm· km)，ζλ=2.5 nm。求 中继距离。

除上述参数外，其它参数可做如下取值：设备 富余度ME＝3dB；活接头损耗AC＝0.5dB；每
公里接续损耗as=0.05/2 = 0.025dB；光缆富余
度mc =0.1 dB/km。

如果采用NRZ码调制，则光发送机平均发送光功率应该是 最大发光功率的一半，即Pt= -2-3＝-5 dBm。
把上述数据代入（4.1）式：
用过程中会出现性能老化。一般取ME＝3 dB。
功率预算：损耗受限系统
a：光纤的损耗系数

该参数我们已经熟知，它的取值由所供应的光缆参数
给定，单位为dB/km。其典型值为：在1310nm波长，
0.3~0.4dB/km；在1550nm波长，0.15～0.25dB/km。
功率预算：损耗受限系统
⑦ wk.baidu.coms：平均每公里接续损耗
pmax=101g(32×10－3)=－15 dBm PT=101g2=3 dBm 已知 DR=19 dB α=0.5 dB/KM α1=0.1 dB/KM M=7 dB 根据动态范围的定义： D=Pmax－Pmin 得 Pmin=Pmax－D=－15－19=－34 dBm 由 PT=Pmin+Lmax(α+α1)+M 得 Lmax=(PT－Pmin－M)/(α+α1)=(3+34－7)/0.6=50 Km Lmin=(PT－Pmax－M)/(α+α1)=(3+15－7)/0.6=18.3 Km ∴18.3<L<50 显然在无中继传输距离为40Km的情况下，系统能正常工作； 在15Km、60Km的情况下系统不能正常工作。
功率预算：损耗受限系统

损耗受限系统中的中继距离可用下式计算
Pt Pr 2 Ac ME L a as mc
(4.1)
针对式中各参数的含义与取值，做如下说明： ① Pt：光发送机平均发光功率 这是设备本身给出的技术指标，以dBm为单位。
功率预算：损耗受限系统
② Pr：光接收机灵敏度

T

其中， σ是均方根脉冲宽度， T是码 元持续时间， 为106/B， B为比特速率， 单 位为Mb/s。 而σ=DLσλ， D是光纤色散系数 （单位为ps/(km·nm)）， L是光纤长度（单 位为km）， σλ是光源的均方根谱宽（单位 为nm）。 因此
10 L BD
6
(4.2)
6
两个中继距离值相比较，显然此系统为损耗受限系
统，其最大中继距离应为74km。
已知某光纤通信系统的光发送机光源的 入纤功率为2mW，光纤损耗为0.5dB/km ，光纤平均接头损耗为0.1dB/km，光接 收机最大允许输入光功率为32μW,光接收 机的动态范围可达19dB，系统富余度 7dB。试核算在无中继传输距离分别为 15km、40km、60km情况下，该系统能 否正常工作?
λ 为系统的工作波长上限，单位为nm;
B为线路码的速率，其单位为Tbit/s。
中继距离的确定

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(4.2)和式(4.3)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。
例题：某140Mb/s光纤通信系统的参数为： 光发送机最大发光功率Pmax= -2 dBm 光接收机灵敏度Pr= -43 dBm 光纤衰耗系数a=0.4 dB/km 求其最大中继距离。

sys Y GVD mod R
(15)2 (21)2 (3.9)2 (14)

1 2 2
(ns)
4.7.5 色散影响的中继距离 对于损耗较低的光纤传输系统， 光纤 色散使得脉冲展宽得很严重， 出现码间干扰， 从而限制了传输距离。 码间干扰的严重程度 可以用相对均方根脉宽表示， 即

t
2 sys
t t
2 T
2 GVD
t
2 mod
t
2 R

通常情况下， 数字链路总的系统上 升时间不超过NRZ码比特周期的70%， 不超 过RZ码比特周期的35%。 这里的比特周期 为数字速率的倒数。 RZ tsys=0.35TS NRZ tsys=0.7TS
1) 光发送机和光接收机上升时间 光发送机和光接收机上升时间通常 定义为光信号的10%～90%上升时间， 即光 信号上升到最大值的10%至90%之间的时间。 光发送机的上升时间主要取决于光源及其驱 动电路。 对于设计人员来说， 这个时间一 般是已知的。 而光接收机的上升时间主要取 决于光检测器的响应时间和前置放大器的3 dB带宽BR， 可以表示为

先按损耗受限求其中继距离。
由（4.1）式可求其中继距离：
3 ( 42 ) 3 2 0.3 L 74 ( km ) 0.35 0.03 0.1

再按色散受限求其中继距离。
因为光源为多纵模激光器，所以取ε ＝0.115，于 是由（4.2）式得
0.115 10 L 97(km) 168 3.0 2.1

3) 光纤模式色散上升时间 实践证明， 长度为L的链路带宽可 以近似表示为 BM=B1L-q 其中： B1是单位长度（1 km）的光 纤带宽； q为光纤质量指数， 取值范围是 0.5～1， q=0.5时表示达到稳定的模式平衡 状态， q=1时表示几乎没有模式混合， 一般 情况下取q=0.7比较合理。

4) 举例 假设LED及其驱动链路的上升时间为15 ns， LED 的 半 功 率 谱 宽 为 40 nm ， 则 使 用 tGVD=tmat=DmatLζλ 可得到上升时间为21 ns。 假设接收机带宽为25 MHz， 则接收机上升时 间为tR=0.35/BR=14 ns。 如果选择光纤的带宽 距离积为400 MHz·km， 光纤质量指数q为 0.7 ， 则 模 式 色 散 上 升 时 间 为 tmod=0.44/BM=0.44Lq/B1=3.9 ns， 系统上升时 1 间为 t (t 2 t 2 t 2 t 2 ) 2

在具体施工中需要把一盘盘的光缆用熔接机连接起
来才能形成较长的传输线路。随着技术的不断发展， 每个熔接点的衰耗可以保证在0.05dB以下。

一 般 来 讲 ， 光 缆 每 盘 长 度 为 2 km， 所 以 可 取 as=0.05/2 dB。
功率预算：损耗受限系统
⑧ mc：光缆富余度

光缆在长期使用中性能会发生老化。尤其是随 环境温度的变化(主要是低温)，其损耗系数会增
加，故必须留出一定的余量。

一般取值为mc =0.1～0.2 dB/km。
功率预算：损耗受限系统

知道(41)式中各参数的物理意义与取值范围，则可以很
容易的计算出最大中继距离了。当然也可以根据予先 设计好的中继距离去计算对某些参数的要求，如对光 纤的损耗系数的要求或对光发送机发光功率、光接收 机灵敏度的要求等。
第4章 数字光纤通信系统 (3)
湖南文理学院电气工程系
4.7 光纤通信系统总体设计
4.7.1 系统总体设计考虑
4.7.2 总体设计方法
4.7.3 功率预算：损耗受限系统

所谓损耗受限系统，是指光纤通信的中继距离受诸传输 损耗参数的限制，如光发送机的平均发光功率、光缆的 损耗系数、光接收机灵敏度等。

图4-1示出了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
功率预算：损耗受限系统
图4-1数字光纤线路系统的示意图，
功率预算：损耗受限系统

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； C1, C2: 光纤连接器； S: 靠近Tx的连接器C1的接收端； R: 靠近Rx的连接器C2的发射端； SR: 光纤线路，包括接头。
4.7.4 色散系统的上升时间预算 随着光纤制造工艺的成熟， 光纤的损 耗可以达到理论值。 在高速光纤通信系统中， 光纤的损耗非常低， 此时限制传输距离的是 光纤的色散。 一种简单的分析方法是进行系 统上升时间的分析。 系统总的上升时间tsys 主要受以下几个因素的影响： 光发送机上升 时间tT， 接收机上升时间tR， 光纤模式色散 上升时间tmod， 光纤群速率色散tGVD等。 并 且有
的脉冲展宽占主要地位，其中继距离为
71400 L D(· 2 B 2 · ) ·
（4.3）
其中


为啁啾声系数。对分布反馈型（DFB）单纵模激
=2～4 ps/nm;


光器而言， =4～6ps/nm；对量子阱激光器而言，
D（λ ）仍为单模光纤的色散系数，单位为ps/km· nm;
色散受限系统：色散预算

上式中 ε 为光脉冲的相对展宽值。当光源为多纵模激光器时， ε ＝0.115；当光源为发光二极管时，ε ＝0.306;

δ λ 为光源的根均方谱宽，单位为nm;
D（λ ）为所用光纤的色散系数，单位为ps/km· nm;

B为线路码的码率，单位为Mbit/s。
当光源器件为单纵模激光器（SLM）时，啁啾声引起

0.35 tR BR
2) 光纤群速率色散上升时间 在实际的链路上， 光纤都是由几段 光纤链接而成的， 每段光纤的色散特性并不 完全相同， 而多模光纤在连接点处还要进行 模式再分配， 因此确定光纤的GVD上升时 间比较复杂。 长度为L的光纤引起的GVD上升时间可以 近似表示为 tGVD=DLζλ

它也是设备本身给出的技术指标，也以dBm为单位。
③ Ac：活动连接器的损耗

活动连接器又称活接头，它把光纤线路和光终端设备连
接在一起，可以方便的进行拆装。因在光发送机与光接
收机上各有一个活接头，故式中为2Ac。

一般取值Ac=0.5 dB。
功率预算：损耗受限系统
④ ME：设备富余度

关于ME的概念，主要考虑光终端设备在长期使