第7章光纖通信系統在前面幾章中，我們已經學習了光纖通信系統中基本元器件的功能，從光源、光檢測器、光放大器等有源器件到連接器、隔離器等無源器件。在這章里我們將討論如何將這些器件通過光纖組合形成具有完整通信功能的系統。光纖通信系統就其拓撲而言是多種多樣的，有星形結構、環形結構、總線結構和樹形結構等，其中最簡單是點到點傳輸結構。從應用的技術來看，分光同步傳輸網、光纖用戶網、復用技術、高速光纖通信系統、光孤子通信和光纖通信在計算機網絡中的應用等等。從其地位來分，又有骨干網、城域網、局域網等。不同的應用環境和傳輸體系，對光纖通信系統設計的要求是不一樣的，這里我們只研究簡單系統的設計，即點到點傳輸的光纖通信系統。內容包括設計原則、數字和模擬通信系統的設計，最后給出了設計實例，以期讀者對光纖通信方面的知識有一全面了解。6.1設計原則工程設計與系統設計光纖通信系統的設計包括兩方面的內容：工程設計和系統設計。工程設計的主要任務是工程建設中的詳細經費概預算，設備、線路的具體工程安裝細節。主要內容包括對近期及遠期通信業務量的預測；光纜線路路由的選擇及確定；光纜線路敷設方式的選擇；光纜接續及接頭保護措施；光纜線路的防護要求；中繼站站址的選擇以及建筑方式；光纜線路施工中的注意事項。設計過程大致可分為：項目的提出和可行性研究；設計任務書的下達；工程技術人員的現場勘察；初步設計；施工圖設計；設計文件的會審；對施工現場的技術指導及對客戶的回訪等。系統設計的任務遵循建議規范，采用較為先進成熟的技術，綜合考慮系統經濟成本，合理選用器件和設備，明確系統的全部技術參數，完成實用系統的合成。系統設計的內容光纖通信系統的設計涉及到許多相互關聯的變量，如光纖、光源和光檢測器的工作特性、系統結構和傳輸體制等。例如，目前在骨干網和城域網中普遍選擇同步數字序列SDH(SynchronousDigitalHierarchy)作為系統制式，在設計SDH體制的光纖通信系統時，首先要掌握其標準和規范，SDH的傳輸速率分為STM-1(155.52Mb/s)、STM-4(622.08Mb/s)、STM-16(2.5Gb/s)和STM-64(10Gb/s)等四個級別。ITU-T對每個級別（STM-64正在研究中）所使用的工作波長范圍、光纖通道特性、光發射機和接收機的特性都作了規定，并對其應用給出了分類代碼，表6.1給出了STM-1標準光接口的主要指標，其中應用分類代碼中的符號I表示距離不超過2km的局內應用，S表示距離在15km的局間短距離應用，L表示距離在40～80km的局間長距離應用，符號后的數字表示STM的速率等級和工作波長（1310nm）。又例，對于局域網(LAN)的設計，IEEE、TIA/EIA等組織也有相關的標準，見表6.2，對數據速率、波長作了規定。表6.3表示了波長范圍以及相應技術的要求。對于數據速率為10Mbit/s或100Mbit/s的LAN系統，其光纜的長度可以查閱IEEE802.3u和TIA/EIA568A標準。表6.4為其建議的最大光纜長度。雖然光纖通信系統的形式多樣，但在設計時，不管是否有有成熟的標準可循，以下幾點是必須考慮的：①傳輸距離。②數據速率或信道帶寬。③誤碼率（數字系統）或載噪比和非線性失真（模擬系統）。在作過相關的分析后，我們要決定：是采用多模光纖還是單模光纖，并涉及到纖芯尺寸、折射率剖面、帶寬或色散、損耗、數值孔徑或模場直徑等參數的選取；是采用LED還是LD光源，涉及到波長、譜線寬度、輸出功率、有效輻射區、發射方向圖、發射模式數量等指標的確定；是采用PIN還是APD接收器，它涉及到響應度、工作波長、速率和靈敏度等參量的選擇。系統設計的方法為了確保獲得預期的系統性能，做出合適的選擇，必須進行兩種分析：功率預算和帶寬預算。1．功率預算功率預算的目的是判斷光檢測器接收到的光功率是否達到其所需的最小光功率（靈敏度）。光發射機發送的功率減去光纖鏈路的損耗和系統富余度，即為接收機的接收功率。光纖鏈路的損耗包括光纖損耗、連接器損耗、接頭損耗以及諸如分路器和衰減器等元件設備引入的損耗。系統富余度是一個估計值，用于補償器件老化、溫度波動以及將來可能加入鏈路器件引起的損耗，這個值在2～8dB之間。設總的光功率損耗為PT，光發射機發送的光功率為PS(dBm)，光接收機的靈敏度為PR(dBm)，則忍AC著(d嫩B)嘩為連撲接器林損耗辣，F灶C型醋連接身器一記般為騙0.搶8d著B/鍛個，送PC壓型連磁接器營一般輝為0牽.5扁dB輛/個頸；A怠S(侵dB辰)為幼光纖行固定便接點報損耗牌，一賠般為挑0.背1拍dB搭/個唯；M際C(輸dB珠)為濕系統稈富余郊度。犁由（覽6.耀1.直1雀）式飄可以幅計算楚出給站定光櫻纖的百最大期傳輸久距離蛇、連農接器和和接約頭等儉數量絲，得拆到較賓好的腔設計抽。座2.魯帶吃寬預基算朽帶寬夏預算樣的目掀的是列為了渡滿足巴傳輸農速率閘的要譽求。維光纖能通信糾系統尋的帶磚寬除挨了和良光纖雀的色灘散特推性有休關外價，還榜與光朽發射匪機和竹光接漫收機盒等設旅備有臥關。粗工程猴上常忘用系零統上閱升時散間來勵表示丸系統堡的帶卡寬。奏上升灘時間并的定錘義是客：在稿階躍啄脈沖震作用劫下，猜系統廟響應步從幅恥值的受10沖％上擱升到牧90魯％所檢需要題的時截間，科如圖印6.株1.棕1努所示夫系統艘帶寬宗與上飽升時除間成弓反比鬼，常叫用下憶式作俗為系宿統設主計的勁標準萌科架絹狀算膝夫容勁按征滴妻忘泰齊黎適否觀帆桂緣瓦攔室辭女蘭扇草慢溉幻賄慘帶玩寬悠（發6.旨1.慘2混）殺上式雖僅適誓用于元歸零兆碼（新RZ贏），疼對于盟非歸脈零碼洽（N誓RZ溉），槳則應發當修案正為惱是蟻膠院款蹄爺刮法賺隆罰永疲夾院脅尿眨擱匹余擴勤鞏惱柿禾啟昆月筆酷瓣挎昂寸絡煤籠（勢6.江1.免3腎）謎系統唱上升扯時間問與諸矩多因暑素有瓶關，花較為趕主要攪的因峽素有酷光纖舞色散蕉、光掃發射攤機和駐光接簽收機蜓的上拋升時巷間。旬設由監光纖助色散費引起傳的上與升時嚴間為駁，光昌發射例機等耕光電葉設備曉的上皺升時唇間為體，則唇得到梢6.揮2樸數字竟傳輸軋系統引的設醉計產6.所2.會1餡系俱統技擾術考閘慮陽數字見傳輸致系統蹦的描拉述和想指標稼有比而特率見、傳蹦輸距摸離、敘碼型撒和誤冊碼率堆等，躺其中療誤碼輛率是嗚保證神傳輸字質量出的基販本指雨標，成它受耀多種數因素床制約左，與助光探筐測器藝性能滋、前鞏置放肢大器兇性能字、碼賄速、窯光波靈形、鏟消光退比以駕及線泡路碼阻型有吸關。欲數字價傳輸貸系統房設計像的任友務就物是要袖通過撫器件桐的適由當選惑擇以黨減小且系統份噪聲娛的影推響，殘確保鄭系統乓達到涂要求懇的性何能。陶在系稈統的襪傳輸刪容量答確定最后，揉就因償確定撤系統腰的工復作波折長，曾然后面選擇倒工作槳在這炭一區嫁域內符的器閃件。聚如果撥系統淘傳輸嚇距離展不太瓦遠，抹工作漂波長壽可以懲選擇雜在第茂一窗莊口（沉80羅0~芽90招0n鳳m）倉；如行果傳忠輸距攏離較爪遠，箭應選久擇1夠30徹0孝nm奇或1羞55折0礦nm羨波長生。闖光纖懂的選園擇應絕該根隔據通嬌信容呈量的姻大小罩和工稱作波食長來萄決定竊。多冰模光拳纖和朵單模疼光纖鐵除了馳工作蛛模式鵲上的柜差別夜外，倆它們思在帶炕寬、材衰減擊常數郊、尺允寸和富價格貧等方悅面存之在較彼大差吳異。槽表6姜.5微為典宰型的蔬多模草、單揉模光繩纖在融帶寬野和衰娛減常奮數上亮差異責的比村較。陷多模胳光纖延的帶曬寬比絞單模擾光纖異帶寬失小得章多，扮衰減論常數上比單浮模光貨纖大螞得多廢，所扮以比帝較適伙用于鐘低速睛、短棄距離游的系稻統和相網絡滿，典鉆型的菊應用頑有計畢算機薦局域私網、炕光纖籠用戶攻接入賴網等尺。表村6.滾6為河不同封類型底多模肌光纖促的技墻術規縫范。稼多模政光纖男的芯巨徑最耍小為角50示μ訪m，針最大鴉為1握00黎μ尿m，條數值年孔徑陜較大吼，有榜利于賀光源預光功禽率到褲光纖產的耦劫合。蛾另外毅，對省于連歡接器桌和接蔥頭的簡要求辛都不棟高，帆這也逐決定封了多制模光趴纖比芽較適腸用于加多交荒叉點歌、多朵連接濕頭的園場所俘的應橋用。食單模便光纖緩的帶坦寬較汪寬，寨衰減聲較低綱，所梨以比幫較適脂合高滅速、臂長距鉗離的制系統測，典召型的辯應用使有S耍DH預、W班DM外網絡他等。陵光檢何測器賠的選粗取通旨常放詠在光敏源之喝前。就接收轉靈敏暮度和棋過載喉光功礎率是四主要雅考慮罪的參泥數。題接收課靈敏踏度是界指在培一定言誤碼苦率（臣一般烈為1現0-償9）聾下，延接收咬機所仇能接詢收到物的最叨小光渡功率插。過襪載功藏率是聲指接恢收機平可以康接收呆的最蘋大光兄功率疏。當激接收豪機接籃收的鋼光功還率開桐始高展于靈仆敏度態時，疲信噪獨比的愉改善壟會使譜誤碼或率變濱小，由但是伐若光加功率舅繼續掛增加世到一盤定地攤步，滿接收訪機前吼置放翁大器瘡將進比入非蔑線性窩區域潮，繼慢而發兵生飽巴和或暈過載吳，使競信號遷脈沖忍波形鎖產生喬畸變綁，導愛致碼耗間干齊擾迅趴速增全加，殊誤碼塔率開延始劣危化（方變大惑），步當誤臂碼率耽再次猛到達錫規定著值時雕，對隙應的泉接收階光功軌率即炊為過叛載功視率。田在選防取光共檢測眼器時鑄，應妹綜合眨考慮配成本踏和復村雜程緊度。遭PI睛N管稀與A匪PD伸管相倚比，散結構霸簡單反，成腰本較我低，巨但靈盈敏度真沒有桌AP月D管糊高，干目前題它們帳經常袍與前找置放畝大器撥組合謎成組室件使吼用。桌光源奏的選糊擇要岸考慮重系統袍的一甜些參蠅數，步如色駱散、爺數據廢速率菠、傳騾輸距述離和胡成本議等。豎LD邁的譜繡寬比吐LE濃D的娃要窄扭得多談。在救波長腥80婦0n假m到培90組0n駱m的挑區域仇里，形LE甚D的骨譜寬該與石莊英光窮纖的炎色散啄特性國的共觀同作溫用將兆帶寬訊距離磁積限扛制在芽15關0(白Mb賊/s御)格·鋪km稠以內故，要棋達到屑更高墨的數幼值，膠在此柴波長替區域大內就蠶要用幅激光榆器。柳當波描長在窮13駱00淘nm保附近貓時，雨光纖掛的色繡散很茶小，稈此時騙使用拔LE虜D可忘以達孫到1素50夕0(屬Mb丙/s疊)會·銀km著的帶毛寬距濱離積毒。若戚采用資In狠Ga俯As蟻P激揭光器型，則耽該波殃長區沒域上危的帶焰寬距線離積跪可以輝超過倦25復(G波b/嚷s)豐·扔km補。而泄在1獎55湯0n辛m波餓長區煎域內伸，單婚模光騙纖的遭極限苦帶寬任距離均積可蘇以達層到5播00葵(G絮b/述s)詳·壺km哨。蕉一般犧而言毯，半印導體張激光暈器耦寨合進絲光纖禿的功驅率比觀LE聲D要貼高出踐10墊dB零到1狗5d分B，輪因此身采用尼LD互可以紋獲得晚更大網的無領中繼駱傳輸傍距離燒，但犧是價侮格要潑昂貴歷許多愿，所律以要保綜合家考慮爪加以佩選擇穿。硬6.饒2.螺2呢光肅通道摘功率結代價漠和損辛耗、暮色散視預算岔當傳區輸距渡離確街定后決，根芒據功擦率預留算關填系式斬（腥6.棟1.統1鄭）可穿以知采道鏈馳路允躍許損厲耗與尼光發擦送機縣和接柔收機飛的功拴率關融系。淚實際錢的數掌字光拖纖鏈估路除怪了光唯纖本保身的珍損耗云、連影接器港和接吃頭的扒損耗輪外，菜還存號在著輔因模塑式噪認聲、弦模分稻配噪蛾聲、剃激光旺器頻講率啁遠啾、黑反射駝以及啦碼間文干擾輩而導酒致的抬光通那路功茄率代垃價。旗模式欠噪聲悟在多賴模光秩纖中梯，由辮于振悅動、猶微彎燭等機換械擾珠動，天各傳肚輸模寒式間三的干楊涉在誤光檢住測器設的受斷光面厭上產淡生的穩斑圖之將隨紀時間丸波動謠，它遼會導嫂致接免收功粉率發危生波欺動，況并附衛加到勿總的餐接收炮噪聲問中，徒使得悲誤碼冷率劣臭化，任這種皆波動碧稱為差模式針噪聲端。另貝外，罵連接捆器和途接頭垮起到顫了空勵間濾啄波器愉的作劣用，嗓它們積也會草造成險斑圖免的瞬竟時波瓦動，豪增加暑模式乎噪聲旗。節相干錢激光宿器的山譜寬冰（）氏如果蓋比較懶小，磁使得線相干丹時間因（）照大于更模間蕩時延睜差（狠見2瀉.2禽節）湯的話運，同管樣會故產生請模式第噪聲抗。黎一般恢而言訴，運謝行速草率低嫂于1豬00重Mb經/s串的鏈淡路，睛可以萍不考瓶慮模桐式噪菌聲的融影響毫，但到當速毅率達阿到4奴00陣Mb姻/s季以上敵時，哥模式塘噪聲隔就變撇得較累為嚴爪重了鉛。減地小模膠式噪散聲可壘以采鉛取下掃列方攪法：臥使用奶非相揀干光隆源L線ED冰；或兇使用槍縱模柜數多著的激業光器寶；使叛用數谷值孔帆徑較破大的青光纖攜或使茫用單撿模光健纖。嘩模分悔配噪扎聲揀多模市LD責在調插制時襪，即足使總擱功率降不隨劇時間負改變代，其禾各個功模式普的功敗率隨賀著時未間呈炮隨機六波動慎。由值于光冷纖色卵散的久存在虜，這舉些模萌式以圍不同關的速顆度傳套播，器造成態各模參式不形同步隊，引屈起系昌統接接收端蘆電流探附加齡的隨擊機波估動，糧形成漢噪聲遺，使鎖判決不電路碗的信純噪比庫降低肉。因悟此，估為了類維持任一定著的信芒噪比虎，達畏到要樹求的診誤碼竟率，駛就要藏增大諷接收碎光功席率。忽考慮弦模分版配噪銳聲需紀要增絡加的照這部鋤分功貫率就慚是要思付出腿的功舟率代野價。檔模分睬配噪驗聲的裙影響跨在高唇速率殖的系箱統中旬表現夢較為真明顯盟。由括于D盼FB蛋激光吩器的話邊模愁抑制私比很巖高，欣所以梢選擇碗動態宏單縱傳模D壯FB椒激光財器而棉不是戴F-簽P腔慣激光但器就圣可以葵有效推地降腫低這接種噪莊聲的驢影響童。銳頻率梨啁啾屆單縱仇模激島光器播工作宮于直換接調桐制狀洽態時抵，由井于注塔入電噸流的半變化購引起版了有咬源區格載流羅子濃勞度變堵化，需進而姥使有請源區遼折射顫率發秧生變奉化，尿結果諷導致砍諧振禽波長稀隨時講間漂爺移，貧產生劇頻率紗啁啾舞，由灰于光希纖的究色散計作用牽，頻寨率啁泄啾造揮成光蟻脈沖胖波形本展寬贏，影旬響到舅接收宅機的級靈敏板度。肆減小袍啁啾謀效應協最理健想到憤方法乏是通可過選族擇激符光器悟的工此作波喘長接介近于縮光纖扒的零馬色散靈波長猴，另畫外采擱用多牛量子秤阱結匠構D截FB言-L啟D或蕩者采酬用外盡調制喜器都晶可以略減少示頻率質啁啾門的影行響。跪碼間即干擾岔碼間娃干擾兇是因駁為光當纖色補散導虜致所五傳輸習的光臟脈沖代展寬尸，最朋終相括鄰光圈脈沖墾彼此墾重疊納而形午成的瘡。對桌于使流用多脖縱模蜂激光服器的挎系統忌，即奸使光混接收估機能豬夠對心單根捉譜線豈形成羨的波編形進梳行理軌想均厚衡，顯但由汗于各撒個譜舍線產辜生的浮波形棟經歷法的色晴散不查同而火前后夾錯開盞，光你接收直機很世難對鳥不同炕模式添攜帶某的合鉗成波堤進行恒理想薯均衡育，從波而造漸成光是信號賞損傷辰，導爺致功哭率代控價。反射仇在光趣傳輸施路徑浩上總敵是存事在連紹接器推、接嫁頭等顆折射排率不罷連續疊的點誼，這畫時一罩部分凳光功糠率就冤會被炭反射波回來配，反資射信率號對勵光發羽射機竹和接矮收機定都會源產生偷不良糠影響鵲，在掠高速桑系統災中，熱這種玩反射趟功率隸造成橡的光榮反饋連使激誰光器嘗處于焰不穩隱定狀驗態，膚表現旨為激焰光器歸的輸識出功巾率發疏生波偶動、殲激光冬器的毅諧振柔狀態綢受到肢擾亂死，形吊成較辱大的先強度珍噪聲被、抖輪動或彩相位火噪聲欺，同去時引膝起發牲射波估長、紗線寬罩和閾惰值電約流的頸變化酷。繞如果蠢在兩韻個反受射點岡之間翻產生然多次間反射流，反哥射光顏與信涼號光私相互韻疊加鞋，將久產生肯干涉團強度愧噪聲執，對凡高速貍系統巖將產杯生較吹大的誘影響梢。在攻ST橋M-唇1標策準光甚接口減的主鞭要指踐標中雞，為針了控葛制反口射的醋影響梯，規和定了踢兩種宿反射鴉指標幣，即遞S點不的最毫小回顧波損盈耗和閣S-鬼R點彈之間膏的最典大離努散反嗎射系傷數。丟減小絞光反駐射的于方法念有：玻將光惠纖端處面制古成曲可面或幟者斜城面，碰從而狠使反輛射光兔偏離局軸線端，不劫重新響進入儀光纖廊傳輸慎；將昂光纖縣與空限氣交蓄界面皮上涂捐上折忠射率抱匹配狐的物壓質，悲如凝半膠；苗使用獎PC勺連接摩器；唱使用文光隔扎離器察。臥當考鍬慮到吳上述幣因素屆后，撥在（映6.懷1.帳1太）式蘿的右鍬邊，唇還需臟要加揚上一蛇項光牙通道咳功率載代價腐PC壽，取漲值范資圍約浙為1踢～2多dB嗓，功別率預蜘算關茂系式陣重新滑表達緩為著式中豎Ld奶為色綱散受降限中愧繼距阻離（溜km門），針ε鋒為與蹈激光蘋器有限關的南系數嗽，光菜源為航多縱表模激笛光器沿時取聚0.慘11陡5葬，為槳LE舊D眾時取光0.鍛30統6膏，雞B牢為信賢號比醉特率貢（向Mb槐/s怪），銜D殖是光撇纖色松散系番數夾[p迫s/唉(n尤m·烤km盯)]荷，呈對于嘉采用綱單縱掃模激拖光器稻的系算統，保假設證光脈哄沖為醫高斯外波形口，允舍許的躁脈沖格展寬龜不超詠過發清送脈迷沖寬幕度的待10規％，衛用的油計算借公式槽是封（鴉6.進2.殲3賴）喬（慰6.滾2.艙3帽）式殃中，歪λ綱為工候作波腦長（習μ保m）蠶，B偏為信新號比站特率速（T夢b/侍s）支，灘α跨為啁外啾系頌數，宅對于嫌量子蜘阱激援光器阿，，湖若采醬用E派A調泛制器蹲，取低。實淺際設啄計時閑，應社根據燥（6綿.2薪.1傍）式滋和（守6.粗2.譯2）姿式或衛（6誰.2洲.3航）式栗分別濫計算較后，襯取兩僑者較鉛小值縫為最鳥大無相中繼把距離辛。呆6.凱3晨模擬毫傳輸為系統租的設晃計章6.甘3.嫩1旋系繪統組費成及兔其評桌價打1.梢系暈統組倘成鮮戲絮大多欲數光旱纖通繡信系解統是查數字播系統壯，但掃有的煙時候狀，以稠模擬箱的形抹式傳怕送信忌息具偷有更朽多的領優點耗。圖頭6.棟3.駁1攀畫出擾了模低擬光彎纖傳殖輸系姐統的覺示意獅圖。遣圖中已的模乏擬電主輸入柔信號趁可以蕩是微殺波多雀路復性用信夫號、談雷達愧信號松、視雨頻分繡配信鐵號等須。以榮多路釣電視快信號春傳輸周為例識，它鈴是將違各個福電視本基帶窩信號饒調制臥到不刊同頻閉率的況載波旦上，另CA經TV錯系統帖一般細都是吐采用罩殘留誠邊帶吸幅度閣調制減方式席。這幼些信賽號的撕頻譜腎相互乳不重潔疊，到每路借信號踩所占立帶寬嘩為8澡MH需z。奸這些緊信號月合成扛后再駱以某祖種方單式去映調制藥光載閑波，躬一般黎對激微光器戴以直籠接強嫁度方飾式調怎制。董因為辱合成過的載漢波信冤號對愈于光戀信號粱而言缺扮演桃著副宿載波派的角乖色，尺所以窗這種別技術定也稱蒙為副硬載波剩復用效SC改M（擁Su搭bc護ar特ri滑er瞧M汽ul邁ti辣pl和ex牲in省g）恰，見臘圖危6.筆3.柿2滋。僅2.鴉主全要指枕標們模擬猶傳輸噸系統摩的主犬要性傾能指免標有問三個俊，它店們是覆載噪蓮比C疼NR刷(C肺ar衡ri債er期t滅o財No線is太e臺Ra陜ti浮o)濾、復夸合二猶階失完真C闊SO雪(C殖om娛po壺si售te浴S最ec祖