光通信技术高速光纤设计.ppt

第五章高速光纤通信系统设计 第一节光接口一 物理层接口的分类对于SDH物理层而言主要指的是光接口或电接口 与传统的PDH设备相比 SDH设备有更多的横向兼容模式 对于任何的网元都能在其光路上互通 在目前的应用场合中 对于SDH设备的物理层而言只需要三套光接口参数和一条电接口参数即可 为了在应用中便于理解通常用不同的代码来表示光纤的应用 用字母I表示局内通信 S表示短距离局间通信 L表示长距离局间通信 字母后面的第一位数字表示STM的等级 例如数字4就表示STM 4等级 第二位数字表示工作窗口和所用光纤类型 空白或1表示标称工作波长为1310nm 所用光纤为G 652光纤 2表示标称工作波长为1550nm 所用光纤为G 652光纤和G 654光纤 3表示标称工作波长为1550nm 所用光纤为G 653光纤 下面就这四种不同的应用场合作以下介绍 1 长距离局间通信 光接口 一般指局间再生段距离为40km以上的应用场合 即工作于 31um又可以工作于1 55um 若工作于 31um窗口则只使用G 652光纤若工作于1 55um窗口 则G 652 G 653 G 654光纤均可使用 短距离局间通信 光接口 一般只局间再生段距离为15km左右的场合 主要适用于室内局间通信和用户接入网环境 其工作波长可以是1 31um或1 55um 一般两个窗口都用G 652光纤 3 局内通信 光接口 一般传输距离为几百米 最多不超过2km 由于相对于传统局内设备之间互连的电缆而言光纤具有衰减低 传输速率快 抗干扰能力强等优点 一般指工作于1 31um窗口并采用G 653光纤 电接口由于技术经济原因 目前的电接口只适用于STM 1等级 所用的传输媒质为同轴电缆 因此网络单元所能传输的最大距离为70m下表总结了上述物理层光接口的分类 应用代码 光纤类型 和典型传输距离 表5 二 光接口参数对于目前的同步光缆线路系统的光接口中 如图5 1 光接口参数可以划分为三大类 即参考点S的发送机光功率参数 参考点R的接收机光功率参数和S R点之间的光通道参数 所有的参数值均按最坏值考虑 1 发送机光参数a 光谱特性光谱特性是光源的重要参数 一般包括下述三种参数 1 最大均方根宽度 指为了度量光脉冲能量的集中程度 通常采用均方根宽度表示 2 最大 20dB宽度 指在主模中心波长的最大峰值功率跌落 20dB时的最大全宽 如图5 2 3 最小边模抑制比 SMSR 指在最坏反射条件时 全调制条件下主纵模 M 与最显著边模 M 的光功率之比的最小值即 SMSR 10lg m m 平均发送功率光发送机的输出功率被定义为当发送机送 0 1 交替码时再参考点S所测的平均光功率 C 消光比在全调制条件下送全 1 码时的平均光功率和送全 码时的平均光功率比值的最小值用工时表示为 EX 10lg EX1 10lg A B 其中A表示送全 1 的平均光功率其中 表示送全 0 的平均光功率 光通道中的参数 衰减在同步光线数字线路系统中 衰减值的上限制主要是由发送机功率和接收机功率动态范围所允许的国在点决定 而下限制则由最小发送功率和最小接受灵明度所决定的 最大色散值指在光纤传输中由于码间干扰 即光纤在传输中的色散 摸分配噪声 啁秋声而造成的系统损耗通常将1dB功率代价所对应的光通道色散值定义为最大色散值 c 反射反射是由光通道的折射率不连续造成的 为了适于光通道的传输 通常用光缆设施在S点的最小回波损耗和S R之间的最大离散反射系数来恒量传输通道是否满足传输的要求 3 接受机光参数a 接收机灵明度接收机灵明度定义为R点出为达到1 10 10的BER值所需要的平均光功率的最小可接受值 b 接收机过载功率接收机过载功率定义为R点出为达到1 10 10的BER值所需要的平均光功率的最大可接收值 如图5 3所示 c 接收机反射系数接收机反射系数定义为R点出的反射光功率与入射光功率之比 4 光通道代价光通道代价 由于码间干扰 模分配噪声 激光器啁秋声等原因 脉冲在光通道中的传输导致接收机灵敏度的变化 这种变化称为光通道代价 即为系统接入光通道时与不接入通道时接收机灵敏度的差值 通常光通道总功率的代价不得超过1dB 第二节波分复用系统的光接口 一 光接口的分类对于目前波分复用系统的光接口分类通常从两个方面进行分类 1 应用 1 不带线路放大器的系统应用代码 表5 2 2 带线路放大器的系统应用代码 表5 3 2 实施 1 由某一参考点进行光接口配置 为了使WDM系统能够兼容大量现有的SDH设备而采用的一种光接口形式 2 对光通道通路中插入和分路设备的光接口 为类能满足WDM系统的横向兼容性而采用的一种光接口形式 二 WDM系统中的光参数1 中心频率在WDM系统中各个同路的中心频率都是标准化的 其间隔必须为50GHz 100GHz或其整数倍 下表是目前广泛应用的8路系统的典型中心频率 表5 4 2 中心频率偏差指标称中心频率与实际中心频率之差 下表 5 5 给出了寿命终了允许的通路中心频率偏差要求 即最坏值要求 3 光通道衰减下面两表分别给出了不带光线路放大器和带光线路放大器的WDM衰减要求 表5 6和5 7 4 光通道色散下表分别给出了不带光线路放大器和带光线路放大器的WDM系统的色散要求 通常 由于ASE噪声与EDFA的增益呈线性关系增长 而与中继段数近似成对数增长 因而对于长再生段传输 可以采用缩短线路放大器间距和适当增加中继段数来减小ASE的噪声增长 在技术上也容易 表中nL8 y 2系统就是一个比较理想的干线选择 其目的是保证色散要求 表5 8 三 光功率电平的范围 1 每路光功率电平的最小值由光放大器引入的ASE噪声功率为一方面 由于G 1 因而下式成立 另一方面 当EDFA增益恰好补偿中继段光通道损耗时 引入的ASE噪声为 如果取为0 1nm 则上式变为 58 N个EDFA级联后 总的噪声功率成为 设两个EDFA之间的光通道衰减为L dB 则光信噪声比OSNR可以表示为 2 每路光功率电平的最大值光功率的最大值受限于两种因素 即激光器安全值和非线性的影响 其中对于激光器的安全值应为17 10logM M表示有m条光路 而对于非线性的影响则取决于多种因素 一般应取高于安全值 第三节 WDM系统设计 一 系统设计方案1 复用路数于波长范围的选择目前WDM系统中试用的光放大器是EDFA EDFA的最大利用带宽要分成两种情况 1 20nm带宽 即1540 1560nm范围 无须作通带平坦化处理 2 32nm带宽 即1528 77 1560 61nm范围 需要作通带平坦化处理 第二种情况构成的成本将明显高于第一种情况 因此应优先采用前一种波段 1540 1560nm 2 速率等级的选择对速率等级选择的原则是 站间距离较长 总容量在80Gbit s以下 优先选用STM 16等级 总容量在80Gbit s以上 或者多数间站距离较短 则选用STM 64等级 3 光线类型的选择WDM系统设计选择光纤的一般原则是 1 新建WDM系统的路由不再选用G 653光纤 旧路的G 653光纤用于WDM系统需采取不等间隔信道波长配置 复用路数通常选为8波 2 STM 16系统一般使用G 652光纤 可实现120Km的跨距传输 具有成本优势 且未来有1310和1550两个波段同时使用的潜力 3 2 5Gbit s速率以上 跨间距宜选用G 655光纤 4 允许同一个系统中G 652光纤和G 655光纤混用 但G 653光纤与其它光纤混用没有意义 G 652和G 655光纤混用时只能采用1550nm窗口 主通道不能1550nm和1310nm混用 4 关于通路组织第一条原则 WDM系统通路组织的第一个原则就是拒绝容纳小容量站 即使两个大容量站的距离过长也只能采取加在线放大器 而不主张在小容量站开口 小容量站的通信需求应通过其他路由现金到大容量站后再进入WDM系统 若实在没有合适的路由时 可采用其他灵活的设计方式解决 第二条原则 分站的站间距离尽可能接近规范目标距离 第三条原则 分配给同一站的信道尽量不用邻近信道 信道的功率应尽可能的相同 第四条原则 WDM系统用于城域网时 应选用环保护结构 如图5 4所示 5 信道功率的选择信道的光信号功率的最小值出现在光放大器的输入端 而信道的光信噪比的最坏值则出现在光放大器的输入端 因为光发大器对其输入的信号和噪声同时予以放大之外还引入了新的噪声 这个新的噪声源就是该放大器的ASE 放大的自发辐射 0 1nm谱宽相当于信道的占有带宽为通常EDFA的NF 5 5Db 将这些值代入式 0 1nm时 要求的EDFA最小光功率为 而 0 3nm时 要求EDFA的最小输入光功率为单个信道的最大光功率受SRS非线性效应的限制 要求主通路中的最大总功率不超过SRS的门限功率 主通路中最大功率出现在光发大器的输出端 最大总功率G 692文件给出的I 5式估算 NF和L以dB为单位 其他各量均用UI单位制 N为复用路数 成为ASE的有效带宽 二 16X2 5Gbit s系统设计举例假定有需要新建连通郑州 登峰 洛阳 焦作 新乡 开封的省内信息高速通路 采用16X2 5Gbit s的系统 其路由如图5 5所示 磁力的基本特点是路由呈环形 允许实现图5 4 b 那样的环路保护结构 1 系统基本参数选定 1 中心波长取信道间隔为100GHz等间距 信道中心波长在EDFA的20nm带宽内 并靠向短波长一边 以利于光纤色散系数能去较小些的最坏值 全部中心波长为G692文件规范的标准值 如表5 12所示 2 信道分配假定郑州 洛阳和开封的通信容量较大 如图5 6所示 2 色散预算 本例路线总长为421 5km 加上保护段后总长约为500km WDM系统采用了外调制技术 频率啁啾效应的影响一般都不再讨论 光通路的色散距离累计功率代价只需核算偏振模色散和码间干扰的功率代价 1 偏振模色散功率代价计算单模光纤的偏振模色散系数的规范值为0 5ps km 500km传输的DGD值为换算成UI单位 然后再查图5 1的曲线 可得出结论 偏振模色散功率代价小于0 1dB 而功率代价偶尔性达到Db的几率也小于 2 码间干扰的功率代价核算 按P 1 8dB考虑 根据上式先求出相对展宽因子 再根据展宽因子的定义写出码间干扰功率代价限定在1 8Db的2 5Gbit s系统在不同光纤色散系数和不同光源谱宽下允许传输距离的计算式 实用单位 上节已说明目前使用的WDM系统采用的光纤只考虑G 652和G 655光纤 在EDFA的32nm带宽色散系数的最坏值分别为 G 652光纤的色散系数为D 20ps nm km G 655的光纤色散系数为D 6ps nm km 由于本例16波长只取到1554 13nm 相应的G 652和G 655光纤的色散系数分别减为19ps nm km和5ps nm km WDM的信道间隔为50GHz 光源和光选择器的带宽应取0 1nm 而信道间隔为100GHz时 可以放宽至0 3nm 色散预算的结论是 选用G 655光纤 要求光源和光滤波器的带宽不大于0 2nm 全程无需色散补偿 3 光功率预算 1 站间线路总衰耗从前站的输出口S 点至下站的输入口R 点 下路总衰耗按下式计算 2 光信号的最小功率与最大功率限制光选择器带宽按0 2nm考虑 则上式中的N是光放大器的数目 N的技术应取下一站R 点之前的全部光放大器总数 信道中单波长光信号的最大功率限制为 3 光放大器的增益 两个相邻R 参考点之间的主光路的传输模型 如图5 7所示 图中虚线框表示第n个中间站 R n 1 为其邻近的下一站的输入端口 L为两站的间距 L 表示线路放大器离该站的距离 如果允许L 0 就表明OA可放在站内 设R n 点和R n 1 点的光信号功率正好等于最小光功率门限值 大于 表明光纤放大器的噪声已经反映到了最小光功率门限值中 因此 不难列出两参考点之间的功率代数方程 以本例的新乡站为例 取OADM的插入损耗为6 5dB 则所需的总光增益为用同样的办法算出其他站光放大器增益的值列入表5 15 光放大器的位置确定郑州和开封端站的功率预留带后面讨论 登封 焦作和新乡都只需一个光放大器 这三处的光放大器都属于小信号放大 洛阳 焦作段 图5 7中的虚线框可以看作洛阳站 需要两个光放大器来完成 第一个放大器的增益设计为35dB 剩下的8 7dB有第二个光放大器来完成 其位置在OADM之后 输入光功率为 其输出光功率为 8 0 8 7 0 7dBm 没有功率饱和问题 0 7dBm光信号功率在经36 2dB的线路衰耗 达到焦作站输入端的R 既有成为一个功率最小点 并且与焦作站R 参考点的最小功率门限自然吻合 4 光发送机子系统的设计 1 光接受机子系统的配置如图5 8所示 设光波长选择器的插入损耗为5dB 光通路功率代和接收机老化富余度3dB 所以中间站要求的接收机灵敏度分别为 21 3 18 23 1和 16 9dBm 因此 登封和焦作站需采用满足G 975规范的S 16 2接收机 灵敏度为18dBm 也可以全都采用V 16 2接收机 2 开封站的光接收机设计开封站的光接收机子系统配置类似图5 8 不同之处在OADM改为1 16分波器 即光波长选择器和光接收机共配16套 另外 参考点信号最小光功率为 34 0dBm 设分路器的插入损耗为10dB 所以接收机预放的增益应为 5 光发送机子系统的设计 1 中间站光发射机子系统设计 前一节中间站接收机功率计算的参考点选的是上图的S 点 中间站发送机功率计算如果也取此点位参考点 就还需经OADM的衰耗后才能上主通路 迁涉到OADM的插损取值得误差 故建议参考点选图中的点为好 相应的功率计算光功放的增益 功率预算的方程应为 始发站光发送机子系统设计 保护通路的设计本例的保护通路至少有如下两种方案可供选择 一种是在郑州到开封 76 5km 间备份一个 系统 即76 5km线路两端都配备16路合波器和分波器 而且在开封站还要另加光倒换装置 保护通到平时闲置 一旦出现故障 例如洛阳至焦作段间线路阻断 系统将分离成郑州 洛阳和焦作 开封两段 第二种方案较为简单 保护通到设计成一个STM 16的单通道系统 不需配备波分复用器 也不要求配备光倒换设备 因而成本降低的多 系统出现故障时启用此单通道系统 开封站WDM系统与单通道之间通过O E O模块连接 结果图5 2是本例郑州至开封方向的配置图 上面给出了设计结果的一部分内容 虚线框表示站内 本设计的全部设备都在站内