系統(tǒng)設(shè)計(jì)之

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和限制

目錄系統(tǒng)結(jié)構(gòu)損耗限制系統(tǒng)色散限制系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1光纖通信系統(tǒng)的主要組成單元：光纖光器件(有源和無(wú)源)光發(fā)送機(jī)光接收機(jī)光放大器根據(jù)光纖系統(tǒng)的應(yīng)用可分為：點(diǎn)到點(diǎn)連接廣播和分配網(wǎng)局域網(wǎng)WDM系統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸系統(tǒng)1光放大器：將接收到的微弱光比特流信號(hào)直接放大而不需將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。(1R)光放大器不能無(wú)限制級(jí)聯(lián)，因?yàn)樯?dǎo)致的脈沖畸變最終限制了系統(tǒng)的性能。光-電-光再生中繼則不存在這種問(wèn)題。

光-電-光中繼：實(shí)際上是一個(gè)接收機(jī)一個(gè)發(fā)送機(jī)對(duì)，它將檢測(cè)到的微弱變形光信號(hào)，變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)放大整形后變成規(guī)則的電比特流，再調(diào)制光發(fā)送機(jī)，恢復(fù)原光比特流繼續(xù)沿光纖傳輸。全光中繼系統(tǒng)：？點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸系統(tǒng)利用光纖的低損耗、寬帶寬特點(diǎn)性能指標(biāo)：比特率－距離積（BL）BL積與光纖損耗和色散特性有關(guān)，而光纖特性又與波長(zhǎng)有關(guān)，所以BL積與波長(zhǎng)有關(guān)。

第一代光波系統(tǒng):

0.85μm,BL積1(Gb/s).km第二代光波系統(tǒng)：1.3μm,BL積100(Gb/s).km第三代光波系統(tǒng)：1.55μm,BL積1000(Gb/s).km功能：光纖通信系統(tǒng)不僅要求傳送信息，而且要求將信息分配給多個(gè)用戶應(yīng)用：光纜電話網(wǎng)、公用天線電視(CATV)、寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（B-ISND）特點(diǎn)：傳輸距離較短、帶寬要求寬結(jié)構(gòu)：樹(shù)型拓?fù)洹⒖偩€拓?fù)?/p>

廣播分配網(wǎng)絡(luò)2樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線型缺點(diǎn)：信號(hào)損耗隨分路數(shù)指數(shù)增加。限制了單根光纖總線服務(wù)的范圍和用戶數(shù)。若忽略光纖自身的損耗，則第N個(gè)分支可得到的功率為：PN----第N個(gè)分支功率；PT----發(fā)送功率；C----分路器的功率分路比；δ----分路器的插入損耗；并假設(shè)每個(gè)分路器的C和δ都相同。若取δ=0.05,C=0.05,

PT=1mW和PN=0.1μW,則N的最大值?在總線上周期地接入光放大器提升功率，可以克服上述限制，只要光纖色散的影響限制在可忽略的程度，允許分配的用戶數(shù)將可大大增加。局域網(wǎng)：在光纖通信系統(tǒng)中，要求在網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)局部區(qū)域內(nèi)（如在一個(gè)大學(xué)校園內(nèi)）的大量用戶相互連接，使任何用戶可以隨機(jī)地進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳送給其他任何用戶。LAN中要求對(duì)每個(gè)用戶提供隨機(jī)的收發(fā)數(shù)據(jù)功能，存在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議問(wèn)題。結(jié)構(gòu)：總線型Bus、環(huán)型Ring、星型Star

局域網(wǎng)3環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)5點(diǎn)到點(diǎn)連接將節(jié)點(diǎn)依次相連以形成單個(gè)閉合環(huán)。各節(jié)點(diǎn)中均設(shè)置有發(fā)送機(jī)－接收機(jī)對(duì)，均可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，也用作中繼器。一個(gè)令牌（一個(gè)預(yù)先確定的比特率）在環(huán)內(nèi)傳遞，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都監(jiān)視比特率以監(jiān)聽(tīng)它自己的地址和接收數(shù)據(jù)。隨著光纖分布式數(shù)據(jù)接口FDDI的標(biāo)準(zhǔn)接口的出現(xiàn)，光纖LAN開(kāi)始普遍采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所有節(jié)點(diǎn)都通過(guò)點(diǎn)到點(diǎn)連接接到中心站(中樞節(jié)點(diǎn))上。有源星形結(jié)構(gòu)：所有到達(dá)的光信號(hào)都通過(guò)光接收機(jī)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再將電信號(hào)分配以驅(qū)動(dòng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的光發(fā)送機(jī)。無(wú)源星形結(jié)構(gòu)：采用星形耦合器等無(wú)源光器件在光域進(jìn)行分配。由于從一個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入被分配到許多輸出節(jié)點(diǎn)，因此傳送到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功率將受用戶數(shù)的限制。WDM系統(tǒng)3對(duì)于許多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖通信系統(tǒng)，WDM的作用是簡(jiǎn)單地增加總的比特率。DWDM系統(tǒng)主要有四種結(jié)構(gòu)：中間含有（也可能沒(méi)有）光分插復(fù)用（OADM）器的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)；全連接的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)；星狀網(wǎng)絡(luò)；具有OADM節(jié)點(diǎn)和集線器的環(huán)網(wǎng)；為了降低系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，方法一：對(duì)不同種類的業(yè)務(wù)打包，然后復(fù)用它們，在同一個(gè)波長(zhǎng)上傳輸。方法二：把不同種類的業(yè)務(wù)用不同的波長(zhǎng)傳輸，如圖8.1.6所示:一個(gè)使用星型耦合器的多信道分配網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)信道使用單獨(dú)的光載波頻率發(fā)送電信號(hào)，所有發(fā)送機(jī)的輸出功率復(fù)合進(jìn)無(wú)源星型耦合器，并且分配相等的功率到所有的接收機(jī)。每個(gè)用戶接收所有信道，使用調(diào)諧光接收機(jī)選擇它們中的一個(gè)，這種網(wǎng)絡(luò)有時(shí)也叫廣播-選擇網(wǎng)絡(luò)。如下圖所示：損耗限制系統(tǒng)2光纖的損耗譜特性損耗限制光波系統(tǒng)設(shè)發(fā)送機(jī)發(fā)出的最大平均功率為Pt，而光接收機(jī)的接收靈敏度為Pr，則最大傳輸距離為：

αtot(dB/km)為光纖損耗，包括對(duì)接損耗和活動(dòng)連接損耗。由于接收機(jī)靈敏度Pr隨比特率B線性變化：

因此傳輸距離亦與比特率有關(guān)。hv為光子能量，Np為接收機(jī)所要求的每比特的平均光子數(shù)。在給定工作波長(zhǎng)處，L隨比特率B的增加而呈對(duì)數(shù)關(guān)系降低———損耗限制---------色散限制橫越大西洋的海底光波系統(tǒng)實(shí)際陸地光波系統(tǒng)采用色散位移光纖的1550nm，B>10Gb/s的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)色散限制系統(tǒng)3一.光纖色散光纖色散:信號(hào)能量中的各種分量由于在光纖中傳輸速度不同，而引起的信號(hào)畸變。色散限制:光纖色散導(dǎo)致的信號(hào)畸變限制系統(tǒng)的傳輸距離。色散類型模間色散（僅多模光纖有）波導(dǎo)色散材料色散偏振模色散波長(zhǎng)色散二.色散與光纖G.652（標(biāo)準(zhǔn)單模光纖SMF）:零色散波長(zhǎng):1300nm1550色散:16~17ps/nm.kmG.653（色散位移光纖DSF）:零色散波長(zhǎng):1550nmG.655（非零色散位移光纖NZDSF）:

1550nm色散:2~6ps/nm.km三.色散限制光纖色散導(dǎo)致的信號(hào)畸變限制系統(tǒng)的傳輸距離。導(dǎo)致色散限制的物理機(jī)制隨不同波長(zhǎng)而不同。1.0.85μm光波系統(tǒng)2.1.3μm光波系統(tǒng)3.1.55μm光波系統(tǒng)1、0.85μm光波系統(tǒng)第一代光波系統(tǒng)，通常采用低成本的多模光纖作為傳輸媒質(zhì)。主要限制因素是模間色散。多模階躍光纖，BL=c/(2n1)。典型值n1=1.46、=0.01，傳輸距離隨比特率的曲線。即使在B1Mb/s的低比特率，也是色散限制的，其傳輸距離限制在10km內(nèi)。應(yīng)用：數(shù)據(jù)連接，很少用于光纖通信系統(tǒng)中。

多模漸變光纖，BL=2c/(n12).對(duì)于

n1=1.46、=0.01，曲線如圖。當(dāng)比特率小于100Mb/s時(shí)為損耗限制，大于100Mb/s將變?yōu)樯⑾拗?。第一代陸上光通信系統(tǒng)就是采用多模漸變光纖，比特率在50-100Mb/s，中繼距離接近10公里，于1978年投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。2、1.3μm光波系統(tǒng)第二代光波系統(tǒng)采用最小色散波長(zhǎng)在1.3m附近的單模光纖，最大的限制因素是由較大的光源譜寬支配的由色散導(dǎo)致的脈沖展寬。比特率－距離積

BL(4|D|)-1

D為色散，為光源的均方根譜寬。

|D|典型值為

1-2ps/(km-nm)當(dāng)取|D|=2ps/km時(shí)，BL125(Gb/s)-km當(dāng)B<1Gb/s時(shí)，為損耗限制系統(tǒng)，但當(dāng)B>1Gb/s時(shí)則變?yōu)樯⑾拗葡到y(tǒng)。-------色散限制3、1.55μm光波系統(tǒng)第三代光波系統(tǒng)工作在損耗最小的1.55m波長(zhǎng)，光纖色散是系統(tǒng)的主要限制因素。對(duì)普通單模光纖，在1.55m處D的典型值為17ps/(km-nm)，色散值比較高，由色散導(dǎo)致的脈沖展寬較大，系統(tǒng)處于色散限制狀態(tài)。采用單縱模半導(dǎo)體光源可大大緩解這種限制。最終限制為：B2L<(16|2|)-1

式中，2為群速色散，與色散參數(shù)D的關(guān)系為： D=-(2c/2)2普通單模光纖的限制線為：B2L=4000(Gb/s)2-km。對(duì)理想的1.55m系統(tǒng)，B2L可達(dá)6000(Gb/s)2-km。當(dāng)B>5Gb/s

時(shí)，為色散限制系統(tǒng)。-------色