第6章 光纤通信系统的设计

第6章光纤通信系统的设计

在前面几章中，我们已经学习了光纤通信系统中基本元器件的功能，从光源、光检测器、光放大器等有源器件到连接器、隔离器等无源器件。在这章里我们将讨论如何将这些器件通过光纤组合形成具有完整通信功能的系统。光纤通信系统就其拓扑而言是多种多样的，有星形结构、环形结构、总线结构和树形结构等，其中最简单是点到点传输结构。从应用的技术来看，分光同步传输网、光纤用户网、复用技术、高速光纤通信系统、光孤子通信和光纤通信在计算机网络中的应用等等。从其地位来分，又有骨干网、城域网、局域网等。不同的应用环境和传输体系，对光纤通信系统设计的要求是不一样的，这里我们只研究简单系统的设计，即点到点传输的光纤通信系统。内容包括设计原则、数字和模拟通信系统的设计，最后给出了设计实例，以期读者对光纤通信方面的知识有一全面了解。

6.1 设计原则

6.1.1 工程设计与系统设计

光纤通信系统的设计包括两方面的内容：工程设计和系统设计。

工程设计的主要任务是工程建设中的详细经费概预算，设备、线路的具体工程安装细节。主要内容包括对近期及远期通信业务量的预测；光缆线路路由的选择及确定；光缆线路敷设方式的选择；光缆接续及接头保护措施；光缆线路的防护要求；中继站站址的选择以及建筑方式；光缆线路施工中的注意事项。设计过程大致可分为：项目的提出和可行性研究；设计任务书的下达；工程技术人员的现场勘察；初步设计；施工图设计；设计文件的会审；对施工现场的技术指导及对客户的回访等。

系统设计的任务遵循建议规范，采用较为先进成熟的技术，综合考虑系统经济成本，合理选用器件和设备，明确系统的全部技术参数，完成实用系统的合成。

6.1.2系统设计的内容

光纤通信系统的设计涉及到许多相互关联的变量，如光纤、光源和光检测器的工作特性、系统结构和传输体制等。

例如，目前在骨干网和城域网中普遍选择同步数字序列SDH(Synchronous Digital Hierarchy)作为系统制式，在设计SDH体制的光纤通信系统时，首先要掌握其标准和规范，SDH的传输速率分为STM-1(155.52Mb/s)、STM-4(622.08Mb/s)、STM-16(2.5Gb/s)和STM-64(10Gb/s)等四个级别。ITU-T对每个级别（STM-64正在研究中）所使用的工作波长范围、光纤通道特性、光发射机和接收机的特性都作了规定，并对其应用给出了分类代码，表6.1给出了STM-1标准光接口的主要指标，其中应用分类代码中的符号I表示距离不超过2km的局内应用，S表示距离在15km的局间短距离应用，L表示距离在40～80km的局间长距离应用，符号后的数字表示STM的速率等级和工作波长（1310nm）。

又例，对于局域网(LAN)的设计，IEEE、TIA/EIA等组织也有相关的标准，见表6.2，对数据速率、波长作了规定。表6.3表示了波长范围以及相应技术的要求。对于数据速率为10Mbit/s或100Mbit/s的LAN系统，其光缆的长度可以查阅IEEE802.3u和TIA/EIA568A标准。表6.4为其建议的最大光缆长度。

虽然光纤通信系统的形式多样，但在设计时，不管是否有有成熟的标准可循，以下几点是必须考虑的：①传输距离。②数据速率或信道带宽。③误码率（数字系统）或载噪比和非线性失真（模拟系统）。在作过相关的分析后，我们要决定：是采用多模光纤还是单模光纤，并涉及到纤芯尺寸、折射率剖面、带宽或色散、损耗、数值孔径或模场直径等参数的选取；是采用LED还是LD光源，涉及到波长、谱线宽度、输出功率、有效辐射区、发射方向图、发射模式数量等指标的确定；是采用PIN还是APD接收器，它涉及到响应度、工作波长、

速率和灵敏度等参量的选择。

6.1.3 系统设计的方法

为了确保获得预期的系统性能，做出合适的选择，必须进行两种分析：功率预算和带宽预算。

1．功率预算

功率预算的目的是判断光检测器接收到的光功率是否达到其所需的最小光功率（灵敏度）。光发射机发送的功率减去光纤链路的损耗和系统富余度，即为接收机的接收功率。光纤链路的损耗包括光纤损耗、连接器损耗、接头损耗以及诸如分路器和衰减器等元件设备引入的损耗。系统富余度是一个估计值，用于补偿器件老化、温度波动以及将来可能加入链路器件引起的损耗，这个值在2～8dB 之间。设总的光功率损耗为PT ，光发射机发送的光功率为PS(dBm)，光接收机的灵敏度为PR(dBm)，则

AC(dB)为连接器损耗，FC 型连接器一般为0.8dB/个，PC 型连接器一般为0.5dB/个；AS(dB)为光纤固定接点损耗，一般为0.1 dB/个；MC(dB)为系统富余度。由（6.1.1）式可以计算出给定光纤的最大传输距离、连接器和接头等数量，得到较好的设计。

2. 带宽预算

带宽预算的目的是为了满足传输速率的要求。光纤通信系统的带宽除了和光纤的色散特性有关外，还与光发射机和光接收机等设备有关。工程上常用系统上升时间来表示系统的带宽。上升时间的定义是：在阶跃脉冲作用下，系统响应从幅值的10％上升到90％所需要的时间，如图6.1.1所示

系统带宽与上升时间成反比，常用下式作为系统设计的标准

（6.1.2） 上式仅适用于归零码（RZ ），对于非归零码（NRZ ），则应当修正为

（6.1.3） 系统上升时间与诸多因素有关，较为主要的因素有光纤色散、光发射机和光接收机的上升时间。设由光纤色散引起的上升时间为，光发射机等光电设备的上升时间为，则得到 6.2 数字传输系统的设计

6.2.1 系统技术考虑

数字传输系统的描述和指标有比特率、传输距离、码型和误码率等，其中误码率是保C S C R S T M A A L P P P +++=-=αr

sys t f ∆=∆35.0r

sys t f ∆=∆7.02

2)()(eq

fib sys t t t ∆+∆=∆