数字光纤通信系统课程设计

~~~~~~学院课程设计报告

课程名称： 通信系统课程设计 院 部： 电气与信息工程学院 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 完成时间： 2010 年 12 月 31日 报告成绩：

评阅意见： 评阅教师 日期

高 速 数 字 光 纤 通 信 系 统 的 设 计

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目录

目录 ................................................................................................................................................. 3 摘要 ................................................................................................................................................. 4 关键词 ............................................................................................................................................. 4 Abstract ......................................................................................................................................... 5 第一章 数字光纤通信系统的整体设计 ....................................................................................... 6

1.1数字光纤通信系统的简介 ............................................................................................... 6 1.2 数字光纤通信系统的基本设计思想 .............................................................................. 7 1.3 数字光纤通信系统设计的方案分析 .............................................................................. 7 第二章 数字光纤通信系统的具体设计 ....................................................................................... 8

2.1 A—E的工程分站设计 ..................................................................................................... 8 2.2 系统部件的选择 .............................................................................................................. 8

2.2.1光源的选择 ............................................................................................................. 8 2.2.2光纤的选择 ............................................................................................................. 8 2.2.3光电检测器的选择 ................................................................................................ 9 2.2.4光接口规范的选择 ................................................................................................ 9 2.3 应用代码的选择 .............................................................................................................. 9 2.4 衰耗预算 ........................................................................................................................ 10

2.4.1无光放大器系统的衰耗预算 ............................................................................... 10 2.4.2带光放大器系统的衰耗预算 ................................................................................ 10 2.5色散预算 ......................................................................................................................... 11

2.5.1码间干扰与频率啁啾的功率代价 ...................................................................... 11 2.5.2色散相关参数的确定 ............................................................................................ 12 2.5.3色散的具体计算 .................................................................................................. 12

第三章 数字光纤通信系统设计结果 ......................................................................................... 14 总结 ............................................................................................................................................... 16 参考文献 ....................................................................................................................................... 17

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摘要

当今世界，计算机与通信技术高度结合，光纤通信有了长足发展。纵观当今电信的主要技术，光纤和广波的变革极大的提高着信息的传输。进入1993年以后，我国光纤通信已处于持续大反战时期。其特征是大量新技术，特别是网络技术、高速介质接入网（HMAV）光时分复用接入（OTMMA）和波分复用接入（WDMA）、光孤子（solition）、掺铒光纤放大器（EDFA）、SDH产品等开发实用实用化开展大量、深入研究工作。同时，各种专用光纤系统组成及其系统参数测量技术现状，无论是对光纤通信的业主、经销商，还是对光纤通信的广大用户都是重要的。

20世纪70年代末，光纤通信开始进入实用化阶段，各种各样的光纤通信系统如雨后春笋在世界各地建立起来，逐渐成为电信传送网的主要传送手段。近几年来，光纤通信中的各种新技术，新系统也日新月异地发展着，在全球信息高速公路建设中扮演重要角色。

光纤通信是以光波为载波，光纤为传输媒介的通信方式。本次课程设计论文主要介绍光纤系统的基本组成，性能指标，还要对损耗和色散进行预算，用最坏值设计方法来设计高速数字光纤系统。

关键词：光纤通信系统、光纤、损耗、色散、光缆

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Abstract

Today’s world, computer and communication technology is highly integrated optical communication has made great progress. In today's major telecommunications technology, fiber and wide wave changes greatly improve the information transmission. Entered after 1993, China's largest optical fiber communications have been in constant war period. Characterized by a large number of new technologies, especially network technology, high-speed media access network (HMAV) optical time division multiplexing access (OTMMA) and wavelength division multiplexing access (WDMA), optical soliton (solition), erbium-doped fiber amplifier ( EDFA), SDH products carry a lot of practical development of practical, in-depth research.At the same time, various special optical system components and their status system parameter measurement techniques, both for the owners of optical fiber communication, distributors, or customers of the fiber optic communications are important.

The late 20th century, 70, entered the practical optical fiber communication phase, a variety of fiber optic communication systems are springing up all over the world set up, has become a major telecommunications transmission network transmission means. In recent years, optical fiber communications in a variety of new technologies, new systems are developing rapidly with the global information highway construction plays an important role.

Optical fiber communication based on the carrier wave, optical fiber as the transmission medium of communication. This paper introduces the course design basic components of optical fiber systems, performance indicators, but also on the loss and dispersion for the budget, with the worst value of the design methods to design high-speed digital fiber-optic system

keywords: optical fiber communication systems, optical fiber, loss, dispersion,

fiber optic cable

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第一章 数字光纤通信系统的整体设计

1.1数字光纤通信系统的简介

光纤通信技术和计算机技术是信息化的两大核心支柱，计算机负责把信息数字化，输入网络中去；光纤则是担负着信息传输的重任。当代社会和经济发展中，信息容量日益剧增，为提高信息的传输速度和容量，光纤通信被广泛的应用于信息化的发展，成为继微电子技术之后信息领域中的重要技术。

最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。下图为基本光纤通信系统框图。

图1 光纤通信系统的基本组成结构图

其中，光终端包括光发信机和光接信机；传输介质为光纤或光缆，其具体介绍如下：

a.光发信机：光发信机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。电端机就是常规的电子通信设备。

b.光收信机：光收信机是实现光/电转换的光端机。 它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。

c.光缆或光纤：光纤或光缆构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。

d.中继器：中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行政性。

光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。与模拟

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通信相比较，数字通信有很多的优点，灵敏度高、传输质量好。因此，大容量长距离的光纤通信系统大多采用数字传输方式。

1.2 数字光纤通信系统的基本设计思想

对数字光纤通信系统而言，系统设计的主要任务是，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)。

本设计采用最坏情况法设计中继距离并结合光接口规范STM-16系统参数设计。

1.3 数字光纤通信系统设计的方案分析

方案一：敷设8芯G.655光缆，设备按16*2.5Gbit/s WDM系统配备，目前按实际容量需要只开通其中的一个波长通路。此方案的优点是技术上最先进，可以随时满足扩容的需求，最终容量可达到3*16*2.5=120Gbit/s；缺点是一次投资太大，而且设计上存在一个风险：如果该长途光纤干线系统几年内并无非常快的扩容要求，通信成本将居高不下。

方案二：敷设8芯G.653光缆，首期开通2.5Gbit/s单通路系统。待实际容量需求增大后，再配置8*2.5Gbit/sWDM系统，保留原2.5Gbit/s单通路系统，直到开通三个8*2.5Gbit/sWDM系统后，将首期开通的2.5Gbit/s单通路系统作为保护通道。工程投资基本上能够与容量需求同步增加。最终容量可达到3*8*2.5+2.5=62.5Gbit/s.

以上两种方案比较，各有利弊。关键在于通信容量需求的增长程度有多快。在通信容量需求增长异常迅速的情况下，方案一的技术最合理。通信容量需求的增长速度难以预见的情况下，方案二最为合理。在本次设计中，对通信容量需求的增长速度未作具体要求，故这里选择方案二较为合理。

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第二章 数字光纤通信系统的具体设计

本次数字光纤通信系统的具体设计的条件有：工程全长大约为400km的两个具备设站条件的后选站设计一条2.5bit/s的长途光纤干线系统。通过查阅相关光纤通信系统的资料，结合所学理论知识，应用最坏值设计法，选择合适的光源、光缆、光检测器。并在确定好各部分元器件后进行损耗和色散的预算。

2.1 A—E的工程分站设计

该工程全长400km，将其分成4段，分别为A—B、B—C、C—D、D—E，它们的长度分别为118km、72km、155km、55km。其分站图如下所示。

B A C D E 118 72 400km 155 55

图2 A-E工程分站距离

2.2 系统部件的选择 2.2.1光源的选择

LD的输出光功率高，谱线窄，应用单模光纤传输时色散小，故适用于长距离、高码速的光线通信系统。但是与LED相比，LD的寿命相对比较低，价格高，稳定性差，调制电路复杂。与LD相比，LED的寿命长，价格低，受温度影响小，工作稳定，调制电路简单；但发光功率低，谱线宽。因此，LED适用于工作距离短、码速低的光线通信系统。由于本系统的通信距离为400Km，传输速率为2.5Gbit/s，属于长距离、高码速的光线通信系统，因此我们选择半导体激光器SLM-LD作为光源。

2.2.2光纤的选择

单模光纤从理论上讲，由于其只传一种模式，无模式色散，故适用于工作在距离长、码速高的情况。但是芯径细，连接时较多模光纤困难。

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多模光纤有模式色散，故色散较单模光纤大，不适用工作在距离长、码速高的情况；但芯径粗，便于连接。根据该设计的具体要求我们选择G.653单模光纤来传输。

2.2.3光电检测器的选择

PIN管的偏压电路简单，价格较低。但是使用PIN管时，光接收机的灵敏度较使用APD管的灵敏度低。

对于APD管，由于偏压高，故偏压电路复杂，价格亦高。但是使用APD管的光接收灵敏度，因由雪崩倍增作用，比使用PIN管的接收机要高。比较两者我们最后选择InGaAs/InP-APD光电检测器。

2.2.4光接口规范的选择

STM-16系统是目前传输速率较高，而设备成本较低，技术上难度不大，因而可靠性较高的一种最为成熟的高速光纤通信系统，无论是单通道使用还是WDM使用，STM-16都是目前最实用的系统。因此本设计选择STM-16作光接口规范。

2.3 应用代码的选择

A—E长途光纤干线系统全部中继段应用代码选择的结果列于下表中。其中A—B段全长118Km配V-16.3中继机。B—C段和D—E段长度分别为75Km和55Km，配L-16.3中继机。C—D段全长155Km配U-16.3中继机。其他各项参数详见表中。

表一 A—E长途光纤干线系统中继段应用代码 站名 站距（km） 应用代码 工作波长（nm） 光纤类型 光纤衰耗系数（dB/km） 光纤色散系数（ps/nm·km） A—B 118 V-16.3 B—C 72 L-16.3 1530~1565 G.653 0.20 C—D 155 U-16.3 D—E 55 L-16.3 3.33 9

2.4 衰耗预算

2.4.1无光放大器系统的衰耗预算

L-16.3的工作波长范围为1500~1580nm，其下限波长比标准B区稍有提高，目前是控制光纤衰耗系数为0.2dB/km。这是因为80km已接近2.5Gbit/s系统的衰耗受限最大距离，如果简单地采用标准B区工作波长，光纤的衰耗系数就可能大到0.25dB/km，80km的光纤衰耗以达到20dB，将不能满足线路富余度的要求。

2.4.2带光放大器系统的衰耗预算

加有放大器后衰耗预算没有困难。对于2.5Gbit/s速率80km以上的传输主要受色散限制，因为80~120km必须加光功率放大，以提高场强，激发SPM效应来补偿光纤色散。120~160km除了色散补偿外，接收机灵敏度也不够，因此光功放和前置放大器都要加上。加有放大器后衰耗预算没有困难。从传输距离的覆盖上考虑，超过80km必须选用V-16.2而不能选用L-16.2。但稍微超过120km还可用V-16.2以降低设备成本。

A-B站站间距离为118km，选用应用代码V-16.3。光纤损耗为

118As0.08(1)4.64dB2接头总损耗为。按常规光通路计算MlMePSPRAfAsPp12(24)23.64.6416.76Af0.211823.6dB。

dB取设备富余度为3dB，

线路富余度则为3.76dB。

A-C选用应用代码L-16.3，站间距离为72m。光纤损耗为

As0.08(721)2.8dB2。

Af0.27214.4dB。

接头总损耗为

MlMePSPRAfAsPp3(27)14.42.8111.8dB取设备富余度为5dB，

线路富余度则为6.8B。

A-D同前上面的分析方法一样可得设备富余度为3dB，线路富余度为5.88dB。 A-E同前上面的分析方法一样可得设备富余度为5dB，线路富余度为5.88dB。

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段名 应用代码 S点发送功率A—B V-16.3 12 B—C L-16.3 3 C—D U-16.3 13 D—E L-16.3 -3 （dBm） R点接收灵敏度-24 （dBm） 通路功率代价1 （dB） 光缆平均盘长2 （km） 平均接头损耗0.08 （dB） 设备富余度（dB） 线路富余度（dB） 3 3.76 5 6.8 3 5.88 5 5.88 0.08 0.08 0.08 2 2 2 1 1 1 -27 -33 -27 2.5色散预算

2.5.1码间干扰与频率啁啾的功率代价

对于该高速系统STM-16，我们选用的半导体激光器为SLM-LD，通路功率代价的核算将不考虑模分配噪声，而现有的光线产品的光纤不圆度引起的偏振色散功率代价可以忽视，所以通路功率代价的核算实际上就是码间干扰和频率啁啾功率代价的计算问题。 码间干扰功率代价的函数关系为：

PISI5lg(122) （1-1）

而频率啁啾功率代价的计算较为复杂：

Pshirp102xlg(1)1x

（1-2）

式中

22222B2(4)()()32ln2c2，x为雪崩电离得附加噪声指数，对于

InGaAs/InP-APD取典型值x=0.8

式中方括号内的号是因为啁啾效应具有驰豫振荡的性质，考虑最坏的情况，只取+号。

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将式中常数部分算出具体值，并简化成

2B222.5740.50.721()c

（1-3）

在观察上式根号部分的后一项，工作波长为1550nm；数据速率B为2.5Gbit/s；光速c为

3.141017nm/s；光源均方根谱宽为0.1nm。计算该项的结果仅为0.00407，远小于前一

项0.721。即后一项对计算结果对值的计算结果不会造成明显的误差。上面的可简化为

1.28722.17

（1-4）

这样就得出了简化的 功率代价的表达式，对于使用InGaAs/InP-APD作光电检测器的系统

PCA15.56lg(11.28722.17) （1-5）

通过上式就可得到光通路功率代价与相对展宽因子的关系。

2.5.2色散相关参数的确定

的计算公式为

DLB

（1-6）

D为色散系数、L为传输距离、为光源均方根谱宽、B为数据速率；采用实用单位的量值时，计算出的值在乘以因子10。D由所用光纤和工作波长范围共同确定。值由式（1-5）先确定相对展宽系数，再按式（1-6）算出，L和B通过STM-16系统光接口规范参数表可得出。

62.5.3色散的具体计算

本设计的长距离、甚长距离和超长距离中继采用G.653光缆，工作波长均定为15301565nm，最大光纤色散系数取3.3ps/nmkm。所有各段的色散预算都较为宽松，无需加色散补偿。这正是本方案的优点。

A-B由于该段带光放大器，因此SPM效应的色散补偿距离为

LSPM2(S点发送功率10)/光纤衰耗系数2(1210)/0.220km相对展宽因子根据

式取0.045，所以可根据式（1-6）得到即：

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

D(LLSPM)B1060.0450.05523.33(11820)2500106nm

STM-LD的-20dB谱宽可根据式

20dBk

得到，其中k为常数，取其值为6.07，则可得到

20dBk6.070.05520.34nm

B-C由于该段带光放大器，因此SPM效应的色散补偿距离为零。

DLB1060.0450.0751nm3.33722500106

20dBk6.070.07510.50nm

C-D该段中亦带光放大器，SPM效应的色散补偿距离为

LSPM2(S点发送功率10)/光纤衰耗系数2(1310)/0.230km



D(LLSPM)B1060.0450.0432nm3.33(15530)2500106

20dBk6.070.04320.26nm

D-E该段中无光放大器，SPM效应的色散补偿距离为零。

DLB1060.0450.0983nm3.33552500106

20dBk6.070.09830.60nm

将预算结果列于下表中 段名 站距（km） SPM补偿距离（km） （ps/nmkm） A—B 118 B—C 72 C—D 155 D—E 55 20 0 30 0 3.33 0.045 0.0552 0.0751 0.0432 0.0983  （nm） 13

-20dB谱宽（nm） 0.34 0.50 0.26 0.60 第三章 数字光纤通信系统设计结果

至此本设计的系统已完成，光传输系统的全部技术参数均已确定，列于下表中。

段名 站间距离（km） 应用代码 光源类型 工作波长（nm） LD-20dB谱宽（nm） S点发送功率（dBm） 消光比（dB） 光纤型号 光纤衰耗系数（dB/km） 平均接头损耗（dB/个） 光缆平均盘长（km） 线路富余度（dB） 光纤色散系数（ps/nmkm） SPM补偿长度（km） 通路功率代价

A—B 118 V-16.3 SLM—LD 1530~1565 0.34 B—C 72 L-16.3 C—D 155 U-16.3 D—E 55 L-16.3 0.50 0.26 0.60 12 8.2 G.653 0.20 3 8.2 13 10 -3 8.2 0.08 0.1 0.08 0.1 2 3.76 6.8 5.88 5.88 3.33 20 1 0 30 0 14

（dB） 接收灵敏度（dBm） 最小过载功率（dBm） S点最小回损（dB） R点反射系数（dB） S-R离散反射（dB） 设备老化余度（dB） -24 -27 -33 -27 -9 -9 -18 -9 24 -27 -27 4~5 系统设计遵循ITU-T规范，充分考虑了系统的总体成本和可行性。总的来说该系统的设计算是完整的。

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总结

三周的通信系统课程设计已告一段落，这是我大学生涯中的最后一次课程设计了。回顾这三周的心历进程，学海中的点点滴滴无不记忆犹新！

本次高速数字光纤通信系统的设计，核心内容是相关器件的选择及损耗和色散的预算。这就要求我们对具体情况下的数字光纤通信系统能进行完整的分析。整个设计过程中没有电路设计和仿真，所以没有涉及太多软件应用方面的知识。主要是对理论方面要求掌握较深，需要查阅的先关资料较多。

总的来说，在王立老师的细心指导和其他同学的帮助下，通过本次设计我掌握了数字光纤通信系统的基本组成和光纤传输系统设计的方法，及设计中需要考虑解决的问题。基本达到了预期效果。

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参考文献

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[4] 顾畹仪等. 光纤通信系统. 北京邮电大学出版社，1999年 [5] 刘增基等. 光纤通信. 西安电子科技大学出版社，2001年

[6] 张引发等. 光缆线路工程设计\\施工与维护. 电子工业出版社，2002年8月 [7] http://www.5351.net/netcom/26/n-2026.html

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