14第八章光纤通信系统的性能与设计
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14第八章光纤通信系统 的性能与设计
2020年5月25日星期一
第八章 光纤通信系统的性能与设计
➢ 光纤通信系统结构 ➢ 光纤损耗对系统的限制 ➢ 光纤色散对系统的限制 ➢ 光纤通信系统设计中的功率预算 ➢ 系统功率代价
•
光纤通信系统结构
光纤通信系统的主要组成单元：
光纤 光器件 光发送机 光接收机 光放大器
PN----第N个分支功率；PT----发送功率；C----分路器的功 率分路比；----分路器的插入损耗；并假设每个分路器的 C和都相同。
•
•总线拓扑结构
•若取 =0.05, C=0.05, PT =1mW 和
PN=0.1W,则N的•最N大=值6?1
•如何进一步增加分支数？
•在总线上周期地接入光放大器提升功率，可以克 服上述限制，只要光纤色散的影响限制在可忽略 的程度，允许分配的用户数将可大大增加。
利用光纤的低损耗、宽带宽特点 性能指标：比特率－距离积（BL） BL积与光纤损耗和色散特性有关，而光纤特性
又与波长有关，所以BL积与波长有关。
第一代光波系统: 0.85m,BL积 1 (Gb/s).km 第二代光波系统：1.3m,BL积 100 (Gb/s).km 第三代光波系统：1.55m, BL积1000 (Gb/s).km
•
光纤分配网
功能：光纤通信系统不仅要求传送信息，而且要 求将信息分配给多个用户
应用：光缆电话网、公用天线电视(CATV)、宽 带综合业务数字网（B-ISND）
特点：传输距离较短、带宽要求宽 结构：树型拓扑、总线拓扑
•
•树形拓扑结构
•Hub
•Hub
•Hub
•Hub
•Leabharlann Baiduub
•信道在中心点分配，光纤的 作用与点到点连接系统类似 。
•色散类型
•模间色散（仅多模光纤有）
•波导色散 •材料色散
•波长色散
•偏振模色散
•
•二、色散与光纤
•G.652（标准单模光纤SMF）: •零色散波长:1300nm •1550色散:16~17ps/nm.km
•
局域网
局域网：在光纤通信系统中，要求在网络中一个 局部区域内（如在一个大学校园内）的大量用户 相互连接，使任何用户可以随机地进入网络，将 数据传送给其他任何用户。
LAN中要求对每个用户提供随机的收发数据功能 ，存在网络协议问题。
结构：总线型Bus、 环型Ring、 星型Star
•例子：“以太网” •协议：碰撞检测的载波侦听多路存取（CSMA/CD） •限制：与每个分支的损耗有关，用户数不能太多。
•
光纤损耗对系统的限制
•2.5 •第一传输窗口
•OH离子吸收峰
•损 耗 (dB/km)
•第二传输窗口
•第三传输窗口
•瑞利散射
•0.2
•紫外吸收
•850
•1300
•波 长 (nm)
•1550
•光纤的损耗谱特性
•
•红外吸收
•损耗限制光波系统
设发送机发出的最大平均功率为Pt ，而光接收机的接收灵 敏度为Pr ，则最大传输距离为：
纤LAN开始普遍采用环形拓
扑结构。
•
•FDDI
•双环结构， superior reliability and robustness
•
•星形拓扑结构
•2
•1
•3
•Star •N •coupler •4
•N-1
•所有节点都通过点到点连接 接到中心站(中枢节点)上。
•有源星形结构：所有到达的 光信号都通过光接收机转换为 电信号，再将电信号分配以驱 动各个节点的光发送机。
•
•总线拓扑结构
•1
•3 •4
•Bus
•2
•N
•单根光纤承载整个业务范围的多信道光信号，通过光接头 完成分路，光分路器将一小部分功率分送给每个用户。多路 视频信道分配CATV系统；高清晰度电视HDTV。
•
•总线拓扑结构
缺点：信号损耗随分路数指数增加。限制 了单根光纤总线服务的范围和用户数。
若忽略光纤自身的损耗，则第N个分支可得到的 功率为：
•
第八章 光纤通信系统的性能与设计
➢ 光纤通信系统结构 ➢ 光纤损耗对系统的限制 ➢ 光纤色散对系统的限制 ➢ 光纤通信系统设计中的功率预算 ➢ 系统功率代价
•
•光纤色散对系统的限 制
•一、光纤色散
•光纤色散:信号能量中的各种分量由于在光纤中 传输速度不同，而引起的信号畸变。
•色散限制:光纤色散导致的信号畸变限制系统的 传输距离。
根据光纤系统的应用可分为
点到点连接 广播和分配网 局域网
•
点到点的传输系统
光放大器：将接收到的微弱光比特流信号直接放大而
不•光需发将送机其转换为电•信再生号器。(1R) •再生器
•光接收机
光放大器不能无限制级联，因为色散导致的脉冲畸变
最•终Tx限制了系统的•R性x•能Tx。光-电-光•R再x•生Tx中继则不存•在Rx这
tot (dB/km)为光纤损耗，包括对接损耗和活动连接损耗。
由于接收机灵敏度Pr随比特率B线性变化： 因此传输距离亦与比特率有关。 h为光子能量， Np为
接收机所要求的每比特的平均光子数。 在给定工作波长处，L随比特率B的增加而呈对数关系降
低。
•
•损耗限制 •色散限制
• 横越大西洋的海底光波系统 • 实际陆地光波系统 • 采用色散位移光纤的1550nm，B >10Gb/s 的实验系统
种问题。
••光光发-电送机-光中继：实•放际大上器是一个接收•放机大一器 个发送机•光对接，收机 它•将Tx检测到的微弱变形光信号，变为电信号，经放•R大x 整形后变成规则的电比特流，再调制光发送机，恢复 原光比特•采流用再继生续器和沿光光放纤大器传作输为周。期性损耗补偿的点到点连接
•
点到点的传输系统
•
•环形拓扑结构 •点到点连接将节点依次相连
•1 •N
以形成单个闭合环。各节点中
•2
均设置有发送机－接收机对， 均可发送和接收数据，也用作
中继器。
•一个令牌（一个预先确定的
•N-1
比特率）在环内传递，每个节
点都监视比特率以监听它自己
的地址和接收数据。
•随着光纤分布式数据接口
•N-2
FDDI的标准接口的出现，光
•无源星形结构：采用星形耦 合器等无源光器件在光域进行 分配。由于从一个节点的输入 被分配到许多输出节点，因此 传送到每个节点的功率将受用 户数的限制。
•
第八章 光纤通信系统的性能与设计
➢ 光纤通信系统结构 ➢ 光纤损耗对系统的限制 ➢ 光纤色散对系统的限制 ➢ 光纤通信系统设计中的功率预算 ➢ 系统功率代价
2020年5月25日星期一
第八章 光纤通信系统的性能与设计
➢ 光纤通信系统结构 ➢ 光纤损耗对系统的限制 ➢ 光纤色散对系统的限制 ➢ 光纤通信系统设计中的功率预算 ➢ 系统功率代价
•
光纤通信系统结构
光纤通信系统的主要组成单元：
光纤 光器件 光发送机 光接收机 光放大器
PN----第N个分支功率；PT----发送功率；C----分路器的功 率分路比；----分路器的插入损耗；并假设每个分路器的 C和都相同。
•
•总线拓扑结构
•若取 =0.05, C=0.05, PT =1mW 和
PN=0.1W,则N的•最N大=值6?1
•如何进一步增加分支数？
•在总线上周期地接入光放大器提升功率，可以克 服上述限制，只要光纤色散的影响限制在可忽略 的程度，允许分配的用户数将可大大增加。
利用光纤的低损耗、宽带宽特点 性能指标：比特率－距离积（BL） BL积与光纤损耗和色散特性有关，而光纤特性
又与波长有关，所以BL积与波长有关。
第一代光波系统: 0.85m,BL积 1 (Gb/s).km 第二代光波系统：1.3m,BL积 100 (Gb/s).km 第三代光波系统：1.55m, BL积1000 (Gb/s).km
•
光纤分配网
功能：光纤通信系统不仅要求传送信息，而且要 求将信息分配给多个用户
应用：光缆电话网、公用天线电视(CATV)、宽 带综合业务数字网（B-ISND）
特点：传输距离较短、带宽要求宽 结构：树型拓扑、总线拓扑
•
•树形拓扑结构
•Hub
•Hub
•Hub
•Hub
•Leabharlann Baiduub
•信道在中心点分配，光纤的 作用与点到点连接系统类似 。
•色散类型
•模间色散（仅多模光纤有）
•波导色散 •材料色散
•波长色散
•偏振模色散
•
•二、色散与光纤
•G.652（标准单模光纤SMF）: •零色散波长:1300nm •1550色散:16~17ps/nm.km
•
局域网
局域网：在光纤通信系统中，要求在网络中一个 局部区域内（如在一个大学校园内）的大量用户 相互连接，使任何用户可以随机地进入网络，将 数据传送给其他任何用户。
LAN中要求对每个用户提供随机的收发数据功能 ，存在网络协议问题。
结构：总线型Bus、 环型Ring、 星型Star
•例子：“以太网” •协议：碰撞检测的载波侦听多路存取（CSMA/CD） •限制：与每个分支的损耗有关，用户数不能太多。
•
光纤损耗对系统的限制
•2.5 •第一传输窗口
•OH离子吸收峰
•损 耗 (dB/km)
•第二传输窗口
•第三传输窗口
•瑞利散射
•0.2
•紫外吸收
•850
•1300
•波 长 (nm)
•1550
•光纤的损耗谱特性
•
•红外吸收
•损耗限制光波系统
设发送机发出的最大平均功率为Pt ，而光接收机的接收灵 敏度为Pr ，则最大传输距离为：
纤LAN开始普遍采用环形拓
扑结构。
•
•FDDI
•双环结构， superior reliability and robustness
•
•星形拓扑结构
•2
•1
•3
•Star •N •coupler •4
•N-1
•所有节点都通过点到点连接 接到中心站(中枢节点)上。
•有源星形结构：所有到达的 光信号都通过光接收机转换为 电信号，再将电信号分配以驱 动各个节点的光发送机。
•
•总线拓扑结构
•1
•3 •4
•Bus
•2
•N
•单根光纤承载整个业务范围的多信道光信号，通过光接头 完成分路，光分路器将一小部分功率分送给每个用户。多路 视频信道分配CATV系统；高清晰度电视HDTV。
•
•总线拓扑结构
缺点：信号损耗随分路数指数增加。限制 了单根光纤总线服务的范围和用户数。
若忽略光纤自身的损耗，则第N个分支可得到的 功率为：
•
第八章 光纤通信系统的性能与设计
➢ 光纤通信系统结构 ➢ 光纤损耗对系统的限制 ➢ 光纤色散对系统的限制 ➢ 光纤通信系统设计中的功率预算 ➢ 系统功率代价
•
•光纤色散对系统的限 制
•一、光纤色散
•光纤色散:信号能量中的各种分量由于在光纤中 传输速度不同，而引起的信号畸变。
•色散限制:光纤色散导致的信号畸变限制系统的 传输距离。
根据光纤系统的应用可分为
点到点连接 广播和分配网 局域网
•
点到点的传输系统
光放大器：将接收到的微弱光比特流信号直接放大而
不•光需发将送机其转换为电•信再生号器。(1R) •再生器
•光接收机
光放大器不能无限制级联，因为色散导致的脉冲畸变
最•终Tx限制了系统的•R性x•能Tx。光-电-光•R再x•生Tx中继则不存•在Rx这
tot (dB/km)为光纤损耗，包括对接损耗和活动连接损耗。
由于接收机灵敏度Pr随比特率B线性变化： 因此传输距离亦与比特率有关。 h为光子能量， Np为
接收机所要求的每比特的平均光子数。 在给定工作波长处，L随比特率B的增加而呈对数关系降
低。
•
•损耗限制 •色散限制
• 横越大西洋的海底光波系统 • 实际陆地光波系统 • 采用色散位移光纤的1550nm，B >10Gb/s 的实验系统
种问题。
••光光发-电送机-光中继：实•放际大上器是一个接收•放机大一器 个发送机•光对接，收机 它•将Tx检测到的微弱变形光信号，变为电信号，经放•R大x 整形后变成规则的电比特流，再调制光发送机，恢复 原光比特•采流用再继生续器和沿光光放纤大器传作输为周。期性损耗补偿的点到点连接
•
点到点的传输系统
•
•环形拓扑结构 •点到点连接将节点依次相连
•1 •N
以形成单个闭合环。各节点中
•2
均设置有发送机－接收机对， 均可发送和接收数据，也用作
中继器。
•一个令牌（一个预先确定的
•N-1
比特率）在环内传递，每个节
点都监视比特率以监听它自己
的地址和接收数据。
•随着光纤分布式数据接口
•N-2
FDDI的标准接口的出现，光
•无源星形结构：采用星形耦 合器等无源光器件在光域进行 分配。由于从一个节点的输入 被分配到许多输出节点，因此 传送到每个节点的功率将受用 户数的限制。
•
第八章 光纤通信系统的性能与设计
➢ 光纤通信系统结构 ➢ 光纤损耗对系统的限制 ➢ 光纤色散对系统的限制 ➢ 光纤通信系统设计中的功率预算 ➢ 系统功率代价