数字光纤通信系统的设计

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第五章数字光纤通信系统的设计（2学时）一、教学目的及要求：使学生了解整个数字光纤通信系统在整体进行设计时应考虑的因素和设计时使用的主要方法。二、教学重点及难点：本章重点：掌握损耗限制系统和色散限制系统中再生中继距离的设计方法。本章难点：中继距离与系统传输速率的关系。三、教学手段：板书与多媒体课件演示相结合四、教学方法：课堂讲解、提问五、作业：课外作业：5-15-25-5六、参考资料：《光纤通信》刘增基第五章。《光纤通信》杨祥林第八章七、教学内容与教学设计：教学内容教学设计备注【导入】（2分钟）回顾上节课的主要内容，借以引出这节课的主要内容。导入[提问]提问引出本章的教学内容。2分钟【讲授新课】（88分钟）第五章数字光纤通信系统的设计对数字光纤通信系统而言，系统设计的主要任务是，讲解[板书][板书]88分钟 根据用户对传输距离和传输容量(话路数或比特率)及其分布的要求，按照国家相关的技术标准和当前设备的技术水平，经过综合考虑和反复计算，选择最佳路由和局站设置、传输体制和传输速率以及光纤光缆和光端机的基本参数和性能指标，以使系统的实施达到最佳的性能价格比。在技术上，系统设计的主要问题是确定中继距离，尤其对长途光纤通信系统，中继距离设计是否合理，对系统的性能和经济效益影响很大。中继距离的设计有三种方法：最坏情况法(参数完全已知)、统计法(所有参数都是统计定义)和半统计法(只有某些参数是统计定义)。5.1中继距离受损耗的限制下图示出了无中继器和中间有一个中继器的数字光纤线路系统的示意图。数字光纤线路系统(a)无中继器；(b)一个中继器如果系统传输速率较低，光纤损耗系数较大，中继距离主要受光纤线路损耗的限制。在这种情况下，要求S和R两点之间光纤线路总损耗必须不超过系统的总功率衰减，即L(αf+αs+αm)≤Pt-Pr-2αc-Me式中，Pt为平均发射光功率(dBm)，Pr为接收灵敏度(dBm)，αc为连接器损耗(dB/对)，Me为系统余量(dB)，αf为光纤损耗系数(dB/km),α[板书][多媒体课件] s为每km光纤平均接头损耗(dB/km),αm为每km光纤线路损耗余量(dB/km),L为中继距离(km)。根据ITUT(原CCITT)G.955建议，用LD作光源的常规单模光纤(G.652)系统，在S和R之间数字光纤线路的容限如下表：5.2中继距离受色散(带宽)的限制如果系统的传输速率较高，光纤线路色散较大，中继距离主要受色散(带宽)的限制。为使光接收机灵敏度不受损伤，保证系统正常工作，必须对光纤线路总色散(总带宽)进行规范。对于数字光纤线路系统而言，色散增大，意味着数字脉冲展宽增加，因而在接收端要发生码间干扰，使接收灵敏度降低，或误码率增大。严重时甚至无法通过均衡来补偿，使系统失去设计的性能。为确定中继距离和光纤线路色散(带宽)的关系，把输出脉冲用半高全宽度(FWHM)τ表示，即式中,τ=σ/0.4247,σ=aT,a为相对rms脉冲宽度，T=1/fb，fb为系统的比特传输速率。Δτf为光纤线路(FWHM)脉冲展宽，取决于所用光纤类型和色散特性。对于多模光纤系统，色散特性通常用3dB带宽表示，中继距离L与1km 光纤带宽B1的关系为B1=BLγ,所以L=［（1.21～1.78）Ｂ1/fb］1/γ对于单模光纤系统，Δτf=2.355σf,σf为光纤线路rms脉冲展宽，得到中继距离在这个基础上，根据原CCITT建议，对于实际的单模光纤通信系统，受色散限制的中继距离L可以表示为式中,Fb是线路码速率(Mb/s)，C0是光纤的色散系数(ps/(nm·km))，σλ为光源谱线宽度(nm)，ε是与功率代价和光源特性有关的参数，对于MLMLD,ε=0.115,对于SLMLD，ε=0.306。由于光纤制造工艺的偏差，光纤的零色散波长不会全部等于标称波长值，而是分布在一定的波长范围内，在140Mb/s以上的单模光纤通信系统中，色散的限制是不可忽视的。5.3中继距离和传输速率光纤通信系统的中继距离受损耗限制和受色散限制时确定方法不同。从损耗限制和色散限制两个计算结果中，选取较短的距离，作为中继距离计算的最终结果。下图示出各种光纤的中继距离和传输速率的关系，包括损耗限制和色散限制的结果。 各种光纤的中继距离和传输速率的关系对于波长为0.85μm的多模光纤，由于损耗大，中继距离一般在20km以内。在1.31μm零色散波长附近，当速率超过1Gb/s时，中继距离才受色散限制。在1.55μm波长上，由于色散大，通常要用单纵模激光器，理想系统速率可达5Gb/s，但实际系统由于光源调制产生频率啁啾，导致谱线展宽，速率一般限制为2Gb/s。采用色散移位光纤和外调制技术，可以使速率达到20Gb/s以上。现在可以把反映光纤传输系统技术水平的指标、速率×距离((Gb/s)·km)乘积大体归纳如下：0.85μm,SIF光纤，fb×L～0.01×1=0.010.85μm,GIF光纤，fb×L～0.1×20=2.01.31μm,SMF光纤，fb×L～1×125=1251.55μm,SMF光纤，fb×L～2×75=1501.55μm,DSF光纤，fb×L～20×80=1600(【结束语】（2分钟）展示并简单介绍本课程各章节的名称和主要内容。小结[幻灯片]2分钟 布置作业。展示本课程各章节名称。让学生了解本课程内容框架，做到心里有数。[作业]布置课外作业，下次上课交。八、课后小结：教学实践发现，学生对课堂上演示的具体例子很感兴趣，参与意愿、投入程度明显较高。作为导论课，应避免流于泛泛的理论陈述和空洞的说教，而应该用具体的例子来激发学生学习的兴趣，引导他们进行自行探究。