光纤8（学生）

5.3 数字光纤传输系统的总体设计 5.3.1 总体考虑

1、网络拓扑、线路路由选择 2、网络/系统容量的确定 3、光纤/光缆选型

?G.652光纤 ?G.653光纤

?G.654光纤 ?G.655光纤

4、选择合适的设备，核实设备的性能指标 5、光传输设计

光纤通信系统的总体设计必须从实际需求出发，根据业务容量在当前和未

来几年内的需求、用户地理位置、用户对业务的QoS要求等，遵照ITU-T的各项相关建议和我国相关标准，确定系统的容量、拓扑和路由等。 1、网络拓扑、线路路由选择

一般可以根据网络在通信网中的位置、功能和作用，根据承载业务的生存性要求等选择合适的网络拓扑。一般位于骨干网中的、网络生存性要求较高的网络适合采用网格拓扑。

位于城域网的、网络生存性要求较高的网络适合采用环形拓扑：位于接入网的、网络生存性要求不高而要求成本尽可能低廉的网络适合采用星形拓扑、无源树形拓扑。

节点之间的光缆线路路由选择要服从通信网络发展的整体规划，要兼顾当前和未来的需求，而且要便于施工和维护。 2、系统容量的确定

SDH设备已经成熟并在通信网中大量使用，由于SDH设备良好的兼容性和组网的灵活性，新建设的骨干网和城域网一般都应选择能够承载多业务的下一代SDH设备。

系统容量一般按系统运行后的几年里所需容量来确定，而且网络/系统应

方便扩容以满足未来容量需求。目前城域网中系统的单波长速率通常为2.5Gbit/s、骨干网单波长速率通常为10Gbit/s，而且根据容量的需求采用几波到几十波的波分复用。 2、光纤/光缆选型 （1）G.652光纤

G.652光纤/光缆为1310nm波长性能最佳单模光纤或称非色散位移光纤，是目前最常用的单模光纤。在新敷设的情况下，G.652光纤/光缆主要应用于城域网和接入网，不须采用大复用路数密集波分复用的骨干网也常采用 G.652光纤/光缆：对于速率很高、距离很长的系统，应采用有小PMD（Polarization Mode Dispersion）的G.652B光纤/光缆。 （2）G.653光纤

G.653光纤/光缆为1550nm波长性能最佳的单模光纤/光缆。G.653光纤将零色散波长由1310nm移到最低衰减的1550nm波长区，在1550nm波长区，具有最低衰减特性，而且又是零色散波长。因此，这种光纤主要应用于在1550nm波长区开通长距离10 Gbit/s（或以上）速率的系统。但由于工作波长零色散区的非线性影响，容易产生严重的四波混频效应，不支持波分复用系统，故G.653光纤仅用于单信道高速率系统。目前新建或改建的大容量光纤传输系统均为波分复用系统，故G.653光纤基本不采用。 （3）G.654光纤

G.654光纤/光缆为1550nm波长衰减最小单模光纤，一般多用于长距离海底光缆系统。陆地传输一般不采用。 （4）G.655光纤

G.655是一种改进的色散移位光纤。它同时克服G.652和G.653光纤的缺点，是最新一代的单模光纤。这种光纤适合应用于采用密集波分复用的大容量的骨干网和孤子传输系统中使用，实现了超大容量超长距离的通信。根据对PMD和色散的不同要求，G.655光缆又分为G.655A、G.655B和G.655C三种。G.655A应用于速率大于2.5 Gbit/s、有光放大器的多波长信道系统时，典型的信道间隔为200GHz；而G.655B，则典型的信道间隔为100 GHz或更小；G.655C可以支持传输速率分别为10 Gbit/s和40 Gbit/s、传输距离大于400km的系统工作。

4、选择合适的设备，核实设备的性能指标

发送、接收、中继、分插及交叉连接设备是组成光纤传输链路的必要元素，选择性能好、可靠性高、兼容性好的设备是系统设计成功的重要保障。目前，ITU-T已对各种速率等级的PDH和SDH设备（发送机S点和接收机R点）的S-R点通道特性进行了规范。

最小发送光功率PT -2dBm 最差接收灵敏度PR -28dBm

允许最大色散值 Dmax 1200—1600ps/nm 5、光传输设计

各种拓扑结构的网络都是建立在点到点基础上的，所以S-R点之间的光传输距离确定是光纤传输系统设计的基础。传输距离由光纤衰减和色散等因素决定，系统速率、工作波长等各种因素对传输距离也均有影响。在实际的工程应用中，设计方式分为两种情况：

第一种情况是衰减受限系统，即传输距离根据S和R点之间的光通道衰减决定。

第二种是色散受限系统。S-R点之间的传输距离也就是分层光传送网的再生段或复用段（无须再生时）的传输距离。 5.3.2 再生段的设计

光传输设计主要内容是根据应用对传输距离的需求，确定经济而且可靠工作的光接口，并根据光接口的具体参数指标进行预算，验证再生段能可靠工作且经济上尽可能低成本。 光再生段组成

在实际组网应用中通常有三种光传输设计方法： ● 最坏值设计法 ● 联合设计法

● 统计设计法（包括半统计设计法）

都能应用于光PDH系统和光SDH系统的光再生段设计。 应用范围最广的是最坏值设计法。

最坏值设计法能够满足系统光接口的横向兼容性，具有简单可靠的特点。但最坏值设计采用在系统所有组成均在最坏情况下保证系统正常工作的设计思想，因此有些保守，导致资源的浪费和建设成本的相对提高。 再生段距离的设计可以分为两种情况:

● 损耗受限系统，即再生段距离由S和R点之间的光通道损耗决定 ● 色散受限系统，即再生段距离由S和R点之间的光通道总色散所决定 ¤1、损耗受限系统

S-R之间的光通道的损耗组成

损耗受限系统的最大中继距离可以用下式来估算 Ll-(PT-PR-2AC-Pp)/(Af+AS/Lf+MC) Pp为通道代价：

色散代价：码间干扰：模分配噪声；频率啁啾。 反射代价：光反馈：多径干涉。

系统的功率代价

对于给定性能要求的光纤通信系统，在进行系统设计的过程中，将系统组成部件都作为理想的性能部件进行考虑，没有考虑实际情况下系统各种不稳定因素对系统性能造成的影响，如模噪声、色散展宽、偏振模色散、模式分配噪声、频率啁啾等。事实上，在这些因素的作用下，光接收机的灵敏度会显著降低，系统要保持原有的性能参数就必须将输入光探测器的功率提高一定的量值。这就是功率代价。功率代价在光纤通信系统的设计中必须考虑进去，可折算在接收机的灵敏度或系统富余度之内，也可单独考虑。 对于最坏值设计，最大传输距离则 Ll=(PTm-PRm-2ACm-Ppm)/(afm+aSm/Lf+Mc)

公式中带下标“m”的参数皆为相应参数的最坏值 如光缆富余度按整个段总量留取，则上式变为 Ll=(PTm-PRm-2ACm-Ppm-Mc)/(afm+aSm/Lf) ¤2、色散受限系统

对于色散受限系统，系统设计者首先应确定所设计的再生段的总色散（ps/nm），再据此选择合适的光接口及相应的一整套光参数。 色散受限系统最大无再生传输距离的最坏值可以用下式估算 Ld=DSR/Dm

若光设备的参数为非标准值，对多纵模LD

（1） 使用多纵模激光器时系统色散受限的最大传输距离

高斯波形的码间干扰

ζ为高斯脉冲的RMS谱宽

使用多纵模激光器的光缆线路系统的光通路功率代价仅需计算模式分配噪声的功率代价和码间干扰的功率代价两项。

模式分配噪声的功率代价和码间干扰的功率代价均和相对展宽因子有关，ε表示码元脉冲经过信道传输后脉冲的相对展宽值。 ε=ζ/T=B·Dm·L·δλm 106

可以求出系统色散受限的最大传输距离

（2） 使用单纵模激光器系统色散受限系统的最大传输距离

对于使用单纵模激光器的光缆线路系统，其光通路功率代价仅需计算频率啁啾的功率代价和码间干扰的功率代价两项。均和相对展宽因子有一定的关系。采用单纵模激光器的系统，可以得到一个十分简明的色散限制最大传输距离。

实际系统设计分析时，首先算出损耗受限的距离，再算出色散受限的距离，其中较短的距离为最大再生段距离。

应用举例：某光纤传输系统的应用场合为长距离局间通信目标距离40km-80km，

使用已敷设的G.652光缆，工作波长λ为1550nm，系统投入使用后两三年容量需求为2.5Gbit/s。根据上述需求可选择采用L-16-2光接口，该光接口及相关各项参数如下：

最小发送光功率PT -2dBm 最小接收灵敏度PR -28dBm

允许最大色散值Dmax 1200-1600ps/nm 光纤活动连接损耗Ac 0.2dB 光纤/光缆平均衰耗Af 0.23dB/km 光纤/光缆最大色散系数Dm 17ps/nm.km 熔接接头平均损耗As/Lf 0.04dB/km 光缆线路富余度Mc 0.05dB/km

现进行功率和色散预算确定最大无再生传输距离。

5.4 数字光纤传输系统的性能指标 1、误码性能 2、抖动性能 5.4.1 参考模型

数字传输参考模型，称为假设参考连接（HRX）。根据综合业务数字网（ISDN）的性能要求和64kb/s信号的全数字连接来考虑的。假设在两个用户之间的通信可能要经过全部线路和各种串联设备组成的数字网，而且任何参数的总性能逐级分配后应符合用户的要求。

标准数字HRX

假设参考数字链路（HRDL）组成。标准数字HRX的总性能指标按比例分配给HRDL。

建议的HRDL长度为2500km，采用的HRDL长度也不同。例如我国采用5000km，HRDL由许多假设参考数字段（HRDS）组成

假设参考数字段HRDS

在建议中用于长途传输的HRDS长度为280km，用于市话中继的HRDS长度为50km。我国用于长途传输的HRDS长度为420km(一级干线)和280km（二级干线）两种。假设参考数字段的性能指标从假设参考数字链路的指标分配中得到，并再度分配给线路和设备。

5.4.2 误码概念及其性能参数的定义 1、原因

误码是指经光接收机的接收与判决再生之后，码流中的某些比特发生了差错，使传输的质量发生了损伤。 误码的产生主要有以下因素： （1） 各种噪声产生的误码

（2） 由于光纤色散导致的码间干扰引起的误码 （3） 定时抖动产生的误码 （4） 各种外界因素产生的误码

ITU-T所制定的与网络长期误码性能指标相关的标准有G.826和G.828，与网络短期误码性能指标相关的标准有M.2101。对于一次群或高于一次群的固定比特速率传送网，只要求满足G.826/G.828即可。 1) 误码性能参数 长期平均误码率（BER） 误码时间百分数：ES,SES,DM 对SDH系统：ESR,SESR,BBER

严重误码秒：选择监测时间TL为1个月，取样时间T0为1s。定义误码率劣于1×10-3的秒钟数为严重误码秒（SES）。HRX指标要求严重误码秒占可用秒的百分数小于0.2%。

误码秒（ES）：选择监测时间TL为1个月，取样时间T0为1s，误码率门限值BERth=0。定义凡是出现误码（即使只有1bit）的秒数称为误码秒（ES）。HRX指标要求误码秒占可用秒的百分数小于8%。

误码性能参数（ESR SESR BBER）都涉及可用时间和不可用时间。可用时间的含义是连续10s每秒均为非SES，从这10秒钟的第一秒起就认为进入了可用时间。不可用时间的含义是：连续10s内每秒均为SES，从这10秒钟的第一秒起就认为进入了不可用时间。

最长HRX的电路质量等级划分 64Kb/s业务全程全网的误码性能指标 类别 劣化分 （DM） 定义 门限值 T0时间 1分钟 全程全网指标 时间百分数<10% 1秒钟 时间百分数<0.2% 1秒钟 时间百分数<8%

对SDH系统

误块秒比（ESR）：当某一秒内具有一个或多个误块时，就称该块为误块秒（ES），对一个确定的测试时间而言，在可用时间以内出现的ES（误块秒数）与总秒数之比称为误块秒比。

严重误块秒比（SESR）:当某一秒内含有不少于30%的误块或者至少出现一种缺陷时，就以该秒为严重误块秒。对于一个确定的测试时间而言，在可用时间以内出现的SESR数与总秒数之比称为严重误块秒比。

背景误块比（BBER）:剔除不可用时间和SES期间出现的误块，所剩下的误块称为背景误块（BBE）。对于一个确定的测试时间而言，在可用时间以内出现的BBE数与剔除不可用时间和SES期间所有块数后的总块数之比称为背景误块比。 3、误码性能指标的换算

a) 在n比特序列中发生m个误码的概率为：

误码率劣于门1×10-5 限的分 严重误码秒误码率劣于门1×10-3 （SES） 限的秒 误码秒（ES） 出现误码的秒 0

b) n比特序列中出现不多于k比特误码的概率为：

c) ES和BER的关系

d) SES和BER的关系

3）误码指标的分配 全程全网BER<10-7

长度模型：假设参考连接（27500km） 假设参考数字链路（5000km） 假设参考数字段（280km，420km） 中继段

电路级别：高级电路（25000km，分配40%的指标） 中级和本地级（每端1250km，每端各15%） 分配原则：高级电路按照长度分配 BER指标：数字段：10-9 中继段：10-10 5.4.3 抖动性能 1、抖动的概念

概念：数字信号（包括时钟信号）的各有效瞬间对于标准时间的位置偏差，称为抖动（或漂动）。10Hz以下的相位变化称为漂动，而10Hz以上的则称为抖动。 原因：随机噪声产生低频振荡的相位调制，加载到传输的数字信号上，产生抖动。 抖动的单位：UI，表示单位时隙，当传输信号为NRZ码时，1UI就是1比特信息所占用的时间，它在数值上等于传输速率的倒数。 影响：使判决偏离最佳的判决时间

2、抖动性能参数 ●输入抖动/漂移容限

PDH、SDH设备必须容许输入信号含有一定的抖动/漂移，保证系统正常工作所容许的输入信号的最大抖动/漂移范围称为输入抖动/漂移容限 ● 最大允许输出抖动/漂移

能够使网元任意互连而不影响网络传输质量而允许的网络接口的最大输出抖动/漂移

● 抖动/漂移转移特性

输出信号的抖动/漂移与输入信号的抖动/漂移的比值随频率变化的特性 a) 输入抖动容限

各次群输入口对抖动的要求

STM-N光接口输入抖动和漂移容限

b) 输出抖动

复用设备STM-N接口抖动产生 c) 抖动转移特性

5.5 光纤放大器及其在光纤通信系统中的应用 5.5.1 光放大器的优越性

1、直接对光信号作低噪声放大，使中继站简单化、小型化，也更为廉价； 2、线路的分支损耗很容易补偿，信号可以直接以光的形式处理，因而使光纤传

输网络极为灵活可变；

3、对信号“透明”，其性能与所传输电信号的形式、比特率和调制方式无关，更新系统只需更换终端设备；

4、频带极宽，达1-4THz，便于超高速传输、波分复用和光频分复用，可更有效的利用光纤的带宽资源。 5.5.2 光放大器的种类 半导体激光放大器 非线性光纤放大器 掺杂光纤放大器 1半导体光放大器

半导体激光器芯片两端镀上增透膜。

优点：单程增益高，小型化，容易与其他半导体器件集成。 缺点：

●性能与光偏振方向有关 ●与光纤的耦合损耗大 2、非线性光纤放大器

利用光纤中的非线性效应，利用受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（SBS）。 需要对光纤注入泵浦光，泵浦光能量通过SRS或SBS传送到信号上，同时部分能量转换成分子振动（SRS）或声子（SBS）。 ● 光纤拉曼放大器（FRA）

泵浦光与信号光可同向或反向传输，增益带宽约为6THz。 ● 光纤布里渊放大器（FBA）

泵浦光与信号光只能反向传输，增益带宽相当窄，为30-100MHz。 3、掺杂光纤放大器

利用掺杂离子在泵浦光作用下形成粒子数反转分布，当有入射光信号通过时实现对入射光信号的放大作用。

优点：掺铒与掺镨光纤放大器具有增益高、噪声低、频带宽、输出功率高等优点，具有广泛的应用前景。

掺杂光纤放大器的特性主要由掺杂元素决定：

● 掺铒（Er）光纤放大器（EDFA）：工作波长1550nm ● 掺镨（Pr）光纤放大器（PDFA）：1300nm ● 掺铥（Tm）光纤放大器（TDFA）:1400nm

5.5.3 掺铒光纤放大器（Erbium-doped Fiber Amplifier,EDFA） 1、EDFA的工作原理

铒是镧系稀土元素，原子序数是68，原子量为167.3 a) 三能级跃迁

EDF增益谱

2、EDFA的结构

3、EDFA的基本性能 (1)增益特性

增益特性表示了光放大器的放大能力，定义为输出功率与输入功率之比 EDFA的增益大小与多种因素有关，增益一般为15Db-40dB

（2）输出功率特性

（3）EDFA的增益变化曲线

EDFA的增益与泵浦功率、输入功率和EDF的长度有关，EDF存在最佳长度。

（4）噪声特性

EDFA的噪声主要有4种： ①信号光的散粒噪声

②被放大的自发辐射光ASE的散粒噪声 ③自发辐射ASE光谱与信号光之间的差拍噪声 ④自发辐射ASE光谱见的差拍噪声

衡量EDFA的噪声特性可用噪声系数（NF）来度量，其定义为EDFA的输入信噪比与输出信噪比的比值（用dB表示）。 EDFA的噪声系数

ASE噪声：放大的自发辐射噪声。来源于放大器介质中电子-空穴对的自发发射，与信号一起放大而形成的宽谱噪声。ASE的功率谱密度为：

Nsp是自发辐射或粒子数反转因子。

噪声系数：

它与同相传输的自发辐射频谱密度和放大器增益密切相关，与输入信号功率、泵浦功率和泵浦方式等有关。 表现为以下三点：

①在输入小信号情况下，光放大器的噪声系数（NF）随着输入信号光功率的增大而略有减小，而EDFA处于饱和状态时噪声系数随信号功率的增大而增大。 ②噪声系数随着泵浦功率的增加而减小。

③信噪比恶化基本相同，但是当掺铒光纤长度增大时，同向泵浦形式输出的ASE功率最小，因而噪声系数最低；双向泵浦形式的噪声系数居中；反向泵浦形式的噪声系数最高

4、级连EDFA系统的信噪比恶化 ● 损耗 ● 色散 ● ASE噪声 ● 功率的不均衡 ● 非线性光学效应的影响

三种不同的级联方式：

·第一种级联方式是所谓的“自愈”方式，即对每级增益不做专门的控制。开始增益较大，经过几级放大后增益趋于饱和，输出功率趋于恒定。 ·第二种方式是保证几级EDFA输出总功率恒定。

·第三种级联方式是保持每级EDFA的增益好抵消级间损耗。信号功率恒定。

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