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1、兰州交通大学博文学院毕业设计（论文）绪论 未来几年内光纤传输将面临全新的技术更新，建设新一代宽带通信网基础设施是我们的首要任务。 一方面随着IP业务的迅猛发展，网络业务应用日趋IP化；同时随着信息化进程的推进，三网合一的格局已经形成。因此未来的网络是基于IP的，是三网合一的。另一方面：从传输链路容量看，SDH的速率高达10G，40G的系统已经商用。而光纤的容量仅利用了不到1 %。显然只有采用DWDM技术才可能充分这一巨大的光纤带宽资源。目前实际传输容量已高到1. 6Tb/s。未来不久商用的传输容量将会达到几十个Tb/s。在技术方面，为了解决业务节点电”瓶颈”问题，在不久的将来引入以光分插复用器
2、（OADM）和光交叉器（OXC）节点为特征的光传送网（OTN）将成为现实。这种光节点能直接在光路上对不同的信号实现上下和交叉连接功能。一个OXC可同时交叉连接数百个上千个波长的信号，单个节点的吞吐量有可能达到几个Tb/s甚至十几个Tb/s。利用光节点可以实现一个高度透明可靠、节点和链路容量容许不断增长，并可混合不同体制、信号格式，可互连现有系统及未来新系统的超宽带传输网，从而大大降低设置连接的复杂度，使网络功能趋于扁平化。因此未来的网络又将会是全光动态的网状网络。1. SDH & MSTP技术1.1同步数字系列（SDH） SDH（Synchronous Digital Hierarchy）是一
3、种新的数字传输体质。它被称为电信传输体制的一次革命。它是高速、大容量光纤传输技术和高度灵活、又便于管理控制的智能网技术的有机结合。最初的目的是在光网络上实现标准化，便于不同厂家的产品能在光路上互通，从而实现网络的灵活性。经国际电报电话委员会（即后来的ITU-T）修订，使他不仅适用于光纤，也适用与微波和卫星传输的技术体制，并且使其网络管理功能大大增强。所谓的光同步数字传输网是有一些SDH网络单元（NE）组成的，在光纤上进行同步信息传输、复用和交叉连接的网络。它有世界统一的网络节电接口（NNI），从而简化了信号的互通及信号的传输、交叉连接和交换过程。它有一套标准化的信息结构等级，称为同步传输模块S
4、TM-1， STM-4, STM-16， STM-64，STM-N，再有它的帧结构中，安排有较多的开销比特用于操作、管理和维护（OAM ），它的基本网络单元有终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）、同步交叉连接设备（DXC）等等。虽然其功能各异，但都有统一的标准光接口，即允许不同厂家设备在光路上互通。它有一套特殊的复用结构，标准同步数字系列、同步数字系列、ATM信号、IP信号都能进入其帧结构，因而具有广泛的适用性。出于其强大的网管功能，使增加新功能和新业务变得十分方便。 若将信息高速公路和目前交通上用的高速公路进行做一个类比：公路将是SDH传输系统（主要采用光纤作为传输媒介，还可采用微波和卫
5、星来传输SDH）,立交桥将是大型的ATM交换机、SDH系统中的分插复用器（ADM）将是一些小的立交桥和叉路口，而在”SDH高速公路上跑的车”将是各种电信业务（语音、数据、图像等）。1.2 SDH的特点 SDH具有以下特点： 1 SDH可对网络节点接口（NNI）进行统一的规范。其中包括数字速率等级、帧结构、复用方式、线路接口和监控管理等，这使得SDH能横向兼容。 2 SDH信号的基本模块是速率为155. 520Mb/s的同步传送模块（STM-1），更高的同步数字系列信号，如STM-4 （622. 080Mb/s） 、STM-16 （2488. 320Mb/s）、STM-64 （9953.280
6、Mb/s），可通过简单的将STM-1的信号进行字节见插入同步信号复接而成。大大简化了复接和分接，使SDH十分适合与高速大容量光纤通信系统，便于系统的升级和换代。 3 SDH信号的基本传输模块可以容纳现有的北美、日本和欧洲的准同步数字系列。从1.5到140的PDH都能装进“虚容器”，然后经复接安排到STM-1帧结构的净负荷内，使新的SDH能支持现有的PDH，便于从PDH向SDH顺利的过渡，体现了SDH的后向兼容性。4 SDH采用同步复接方式和灵活的复用映射结构，使得上下业务十分容易。若把SDH技术和PDH技术的主要区别用铁路运输类比一下的话，PDH技术如同散装列车。各种货物对在车厢内，若想把某一
7、包特定货物（某一相传输业务）在某一站取下，即需要把车上的全部货物卸下，找到你所需的货物然后再把剩余的货物全部装到车厢内。因此，PDH技术在需要上下电路的地方都需要大量各次群的复接设备。而SDH就像集装箱列车，各种货物贴上标签（各种开销：overhead）后装入集装箱。然后小箱子装入大箱子，一级套一级，这样通过各级标签，就可以在高速行驶的列车上准确的将某一包货物取下，因此只有在SDH中才可以简单的上下电路。5 SDH灵活的同步复用方式也使数字交叉连接（DXC）功能的实现大大简化，大大提高网络的自愈能力和动态组网能力。6 SDH帧结构中安排了丰富的开销比特，因而网络的运行、维护和管理能力大大增强。
8、7 SDH具有较强的智能，可通过远程控制灵活的组网和管理。由于对网管设备接口进行了规范，使不同厂家的网管互连成为可能。8 SDH构成了世界性的统一的NN工接口基础，因为SDH支持除了电路交换的同步传送模式（STM）外，还支持基于分组交换的异步转移模式（ATM）及IP业务。这样SDH适合向ATM和工P的过渡，体现前向兼容性。作为一种成熟的技术，光同步数字传输技术（STM）的速率从155M， 622M，l0G已经发展到40G，l0G系统已经在全球得到广泛应用，40G也已经开始。MSTP是指基于SDH平台，同时实现TDM，ATM、以太网等多种业务的接入处理和传送，提供统一网管的多业务节点。MSTP明
9、显地优于SDH，主要表现在多种类端口，提供灵活服务，支持WDM的升级扩容，最大效用的光纤带宽利用，较小粒度的带宽管理等方面。MSTP技术和业务特点包括： 1.继承了SDH技术良好的保护倒换性能、对TDM业务较好的支持能力； 2.支持多种协议，通过对不同业务的聚合、交换或路由来提供对不同类型传输流的分离，提供丰富的多业务（PDH/SDH，ATM，以太网/IP，图像业务等）接口，支持的物理接口包括TDM接口（T1/E1， T3/E3）， SDH接口（OC-N/STM-M）、以太网接口（10/100BaseT， GE）， POS接口等； 3.提供集成的数字交叉连接交换，支持VC-4/VC-3/VC-
10、12各种等级的交叉连接以及连续级联或虚级联处理，节省传输带宽以及省去核心层中昂贵的数字交叉连接系统端口； 4.支持动态带宽分配，提供高效的链路配置、维护和管理能力。具有以太网和ATM业务的透明传输或二层交换能力，其传输链路带宽可配置，并支持VLAN，流量控制、业务和端口的汇聚或统计复用功能； 5.具备多种完善的保护机制（SDH，ATM，以太网/IP）和灵活的组网特性； 6.可实现统一、智能的网络管理，具有良好的兼容性和互操作性。 并且，MSTP技术仍在不断的发展完善之中，部分厂家在MSTP设备中引入了中间的智能适配层（1.5层，包括MPLS，RPR等）、采用GFP高速封装协议、支持VC虚级联和
11、链路容量自动调整（LCAS）机制，可支持多点到多点的连接、具有可扩展性、支持用户隔离和带宽共享、支持QoS，SLA增强、阻塞控制以及公平接入。MSTP可应用在城域网各层，IP城域网中继电路对MSTP仅是其上承载的一种业务方式。对于各层IP城域网节点，采用MSTP设备直接提供以太网口，为IP城域网设备提供点到点传输通道，也可以提供共享带宽的传送通道，这样网络边缘的IP城域网节点就可以通过以太网中继直接和核心节点相连，由SDH层为以太网中继提供50ms环路保护。波分复用技术DWDM技术指在当前1.5511 m波段密集放置更多信道，在发送端采用光复用器（合波器）将不同规定波长的信号光载波合并起来送入
12、一根光纤进行传播。在接收端，由一个光解复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开，从而在一根光纤中可以实现多路光信号的复用传输。在建议标准中，规定信道间隔为100GHz的整数倍。现在，人们已在试验采用和33.3GHz的信道间隔，甚至更窄，力求更充分地利用光纤的可用带宽。系统主要由光源、光放大器、光复用器和光解复用器组成。 WDM系统的性能优势： 1.传输容量大、传输速率高 在PDH阶段，光纤线路的传送速率多采用34Mbit/s和140Mbit/s，SDH阶段，传输速率多采用155Mbit/s, 622Mbit/s, 2.5Gbit/s以及l0Gbit/s。由于在采用TDM方式的SD
13、H传送10Gb t / s或40Gb t / s速率时，还需要相关的调制技术和更高级的激光器，这将使成本极高，用户难以接受。而采用WDM方式，每个波长不仅可以传输2.5Gbit/ s的SDH信号，也可以传送l0Gbit/s及40Gbit/s以上的光载波信号，使得在一个光纤上传输的容量比单模光纤大几倍到几十倍。 2.光纤系统的传输距离长、传输设备简单 WDM系统采用了石英光纤最低损耗的1550nm窗口，其传输损耗更小、传输距离更长，并且EDFA技术、外调制、电吸收等方式使得WDM系统中继段的允许损耗、色散更大，传输距离由几十公里向几百公里或更长距离的延长。WDM系统采用了光放大器代替了原来的电再
14、生器，大大减少了SDH中继器的数量，节省了成本，简化了设备。 3.网络更加智能化 未来光纤网发展的目标之一是实现统一的传输网监控并顺利地纳入TMN。目前的PDH网管帧结构中的管理比特少、网管能力差；SDH虽然在帧结构中增加了丰富的管理、维护用开销比特，但由于各厂商的信息模型不同，使得不同厂商的网管系统在接口上不能互通；WDM系统设置了重要的网管监控通路，以传输WDM系统的网管信息，其网管更接近TMN模式。 4.适合传输多媒体综合业务信息由于同一光纤中传输的光载波信号彼此独立，可以传送不同传输特性的不同信号，并且其通道对于数据格式是完全透明的，与信号的速率和调制方式无关，从而多种格式的业务信号，
15、如语音、数据、视频等多媒体信息都可以在WDM系统中得到高质量的传送，改善了业务质量。光传送网络（OTN）OTN（光传送网，Optical Transport Network），是以波分复用技术为基础，在光层组织网络的传送网，是下一代的骨干传送网。OTN通过G.872， G.709， G.798等一系列ITU-T的建议所规范的新一代“数字传送体系”和“光传送体系”。OTN将解决传统WDM网络无波长/子波长业务调度能力、组网能力弱、保护能力弱等问题。 光传送网面向IP业务、适配IP业务的传送需求已经成为光通信下一步发展的一个重要议题。光传送网从多种角度和多个方面提供了解决方案，在兼容现有技术的前提
16、下，由于SDH设备大量应用，为了解决数据业务的处理和传送，在SDH技术的基础上研发了MSTP设备，并己经在网络中大量应用，很好地兼容了现有技术，同时也满足了数据业务的传送功能。但是随着数据业务颗粒的增大和对处理能力更细化的要求，业务对传送网提出了两方面的需求：一方面传送网要提供大的管道，这时广义的OTN技术（在电域为0TH，在光域为ROADM）提供了新的解决方案，它解决了SDH基于VC-12/VC-4的交叉颗粒偏小、调度较复杂、不适应大颗粒业务传送需求的问题，也部分克服了WDM系统故障定位困难，以点到点连接为主的组网方式，组网能力较弱，能够提供的网络生存性手段和能力较弱等缺点；另一方面业务对光
17、传送网提出了更加细致的处理要求，业界也提出了分组传送网的解决方案，目前涉及的主要技术包括T-MPLS和PBB-TE等。2 光纤传输的原理及特性2.1 光纤传输的原理光纤传输系统是数字通信的理想通道。与模拟通信相比较，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。数字光纤通信的基本原理是将数字通信中的数据传输信号首先经过电-光变换成光脉冲数字信号，然后通过光纤光缆传输到数字通信的对方，然后再经过光-电变换、放大、均衡与定时再生成数据传输信号。完整的数字光纤通信设备包括光发送端机、光接收端机和光中继器以及光纤光缆传输线路。光接收机完成光-电变换，
18、既由光检测器把光信号变换成电信号，经光接收机放大、均衡和定时再生出数据信号。系统结构图如2.1所示。光中继器光接收端机PCM端机光发送端机PCM端机光纤线路图2.1 光纤通信系统结构图 PCM设备（电端机）送来的电信号是适合PCM传输的码型，为HDB3（三阶高密度双极性码）码或CMI（信号反转码）码。信号进入光发送机后，首先进入输入接口电路，进行信道编码（作用是提高传输可靠性），变成由0和1码组成的不归零码（NRZ）。然后在码型变换电路中进行码型变换，变换成适合于光线路传输mBnB码（便于定时，在高速光纤数字传输系统中应用的，意思是每m位二元输入信息被编码成一个n位二元输出编码）或插入码，再送
19、入光发送电路，将电信号变换成光信号，送入光纤传输。 目前，实用的光纤数字通信系统都是用二进制PCM（脉冲编码调制）信号对光源进行直接强度调制的。光发送机输出的经过强度调制的光脉冲信号通过光纤传输到接收端。由于受发送光功率、接收机灵敏度、光纤线路损耗、甚至色散等因素的影响及限制，光端机之间的最大传输距离有限。目前常用的光中继器有三种功能：再放大(re-amplifying)、再整形（re-shaping）、再定时（re-timing），这三种功能的光中继器又称为“3R”中继器。但这种过程相对烦琐，很不利于光纤的高速传输。自从掺铒光纤放大器问世以后光中继实现了全光中继，通常又称为1R（re-amp
20、lifying）再生。而光接收机则是从光纤传来的光信号进入光接收电路，将光信号变成电信号并放大后，进行定时再生，又恢复成数字信号。由于发送端有码型变换，因此，在接收端要进行码型反变换，然后将信号送入输出接口电路。2.2 光纤传输的特性2.2.1 损耗特性由于损耗的存在，在光纤中传输的光信号不管是模拟信号还是脉冲信号，其幅度都要减小。衰减是光纤的一个重要的传输参数。它表明了光纤对光能的传愉损耗，光纤每单位长度的损耗，直接关系到光纤通信系统传翰距离的长短，对光纤质量的评定和对光纤通信系统的中继距离的确定都起着十分重要的作用。形成光纤损耗的原因很多，既有来自光纤本身的损耗，也有光纤与光源的藕合损耗以
21、及光纤之间的连接损耗。光纤本身损耗的原因主要有吸收损耗和散射损耗两类。吸收损耗是光波通过光纤的材料时，有一部分光能变成热能，从而造成光功率的损失。造成吸收损耗的原因很多，主要有本征吸收和杂质吸收。本征吸收是指光纤基本材料(例如：纯Site )固有的吸收。本征吸收是不可避免的，所以本征吸收基本上确定了任何特定材料的吸收下限。对于石英光纤，本征吸收有两个吸收带：一个是紫外吸收带，一个是红外吸收带。光纤中的杂质吸收有铁、铬、铜等过渡金属离子和氢氧根离子吸收。目前过渡金属离子含量可以降低到0.4ppb以下，1ppb表示质量的十亿分之一，吸收峰损耗也可降低到1dB/km以下。由氢氧根离子产生吸收峰出现在
22、950mm、1240mm和1390mm波和附近。其中以1390mm的吸收峰影响最为严重。一般氢氧根离子的含量可降低到l0.5dB/km以下。目前采用特殊的生产工艺几乎可以完全消除光纤内部的氢氧根离子，从而可以制成一个无水峰光纤，也称全波光纤。散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生散射而产生的损耗。2.2.2 色散特性及带宽光纤色散是光纤通信的最重要的传输特性之一。在光纤中由于不同成分的光信号有不同的传输速度。因而有不同的时间延时而产生的一种物理效应。在光纤中，不同速率的信号传过同样的距离需要不同的时间，从而产生时延差.时延差越大，色散越严重，因此可用时
23、延差表示色散的程度。由干光纤中色散的存在，将直接导致光信号在光纤传愉过程中的畸变，会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰.增加误码率，从而限制了通信容量和传愉距离。因此制造优质的、色散小的光纤，对于通信系统容量和加大传输距离是非常重要的。从光纤色散产生的机理来看，它包括模式色散、材料色散和波导色散3种。模式色散：在多模光纤中由于各传输模式的传输路径不同，各模式到达出射端的时间不同，从而引起光脉冲展宽，由此产生的色散称为模式色散。材料色散：光纤材料石英玻璃的折射率对不同的传输光波长有不同的值，包含有许多波长的太阳光通过棱镜以后可分成7种不同颜色就是一个证明。由于上述原因，材料折射率随光波长而
24、变化从而引起脉冲展宽的现象称为材料色散。波导色散：由于光纤的纤芯与包层的折射率差别很小，因而在界面产生全反射现象时，有一部分光进入到包层之内。由于出现在包层内的这部分光，大小与光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。具有一定波谱线宽的光源所发出的光脉冲射入到光纤后，由于不同波长的光其传输路程不完全相同，所以到达光纤出射端的时间也不相同，从而使脉冲展宽。具体说入射光的波长越长，进入到包层的光强比例就越大，传输路径距离越长。由上述原因所形成的脉冲展宽现象叫做波导色散。材料色散和波导色散都与光波长有关，所以又统称为波长色散。模式色散仅在多模光纤中存在，在单模光纤中不产生模式色散，而
25、只有材料色散和波导色散。通常各种色散的大小顺序是模式色散材料色散波导色散，因此多模光纤的传输带宽几乎仅由模式色散所制约。在单模光纤中由于没有模式色散，所以它具有非常宽的带宽。色散的单位是指单位光源光谱宽度、单位光纤长度所对应的光脉冲的展宽（延时差）。无论是核心网还是接入网，目前主要应用的还是G.652单模光纤，不过在核心网新建线路中已开始采用G.655光纤。光纤的选型是波分复用系统设计中很重要的一个问题，过去由于技术的限制光纤只有少数的几种，同时我国已埋设的光纤几乎都是常规单模光纤，选型问题显得不是很重要。现在新型光纤种类越来越多，在设计波分复用系统和进行传输网建设时，光纤的选型就十分重要。通
26、过实验可以发现，如果输入光信号的功率大小保持不变，随着调制频率的增加，通过光纤传输后，其输出光功率会随发端调制频率的增加而减小，这说明光纤也存在象电缆一样的带宽系数，即对调制光信号的调制频率有一定的响应特性。象电缆一样有高频线、低频线的区分，目前高频、低频线的衰减也不一样。带宽系数的定义：一公里长的光纤，其输出光信号的功率下降到其最大值(直流光输入时的输出光功率)的一半时，此时光信号的调制频率就叫做光纤的带宽系数，即下降一半时光信号的带宽，也叫3dB带宽，对DWDM设备，还有O.SdB带宽、1dB带宽、20dB带宽的特性测试。 需要注意的是，光信号是以光功率来度量的，一般以dBm为单位，也可用
27、瓦特W来表示，W与dBm是可相互转换的，换算公式为dBm = l 0lgW，1mW就是OdBm,5OOuW就是一3 dBm左右。所以3dB带宽就是光信号输出功率减少一半时的带宽，相同的对十电缆来说，一般以6dB带宽来表示其电能量衰减一半，因为电信号是以电压或电流来度量的，是以201g来计算的。引起光纤带宽变窄的原因主要是光纤的色散。对于多模光纤而言，传输的是多模光信号，带宽也叫模式色散带宽，用带宽系数表示多模光纤的传输能力。对于单模光纤，因模式色散为零，也有带宽系数的概念，同时引入色散系数的概念。由十单模光纤制造技术的提高，其色散系数一般为20ps/km.nm。对于单模发送激光器，都会给出一个
28、色散容限值参数，如7200ps，则7200/20-360km，表示此激光器在无电中继的情况下，可传输360km，对于SDH的传输，其无电中继传输时，一般不会超过150km，一般不考虑色散容限值这个参数，只有在DWDM中，才考虑这个参数，在DWDM中，无电中继最大可传输640km，所以要求的色散容限值要在12800ps/km以上。显然，光纤的带宽与色散有关，与长度呈非线性关系，但光纤的衰耗与长度有，与长度呈线性关系。带宽系数Bc是在频域范围内描述光纤传输特性的重要参数，实际上沿用了模拟通信的概念。对多模光纤来说，测量时，一般用均方根谱宽of末表述带宽系数特性，对单模光纤来说，一般测量3dB和20
29、dB谱宽特性来表述带宽系数特性。光纤的均方根谱宽的物理意义：对应于光纤高斯冲击响应最大函数值的0.61倍时，自变量时间t的数值。一方面在实际工作中，人们在时域内进行测量臂在频域内测量更加方便可行，另一方面光纤的均方根of与数字光纤通信理论有着更密切的关系，直接和其传输的光脉冲的均方根脉宽发生联系。均方根谱宽不仅能确切地描述光脉冲的特性，而且与光纤通信系统的传输中继距离密切相关，所以在光纤通信的理论中经常用到。2.2.3光纤类型的选用目前主要的单模光纤有G.652、 G.653、 G.654、 G.655。各类光纤的主要性能与应用特点：（1）G.652光纤1310nm波长性能最佳单模光纤（或称非
30、色散位移光纤），是目前最常用的单模光纤，主要应用在1310nm波长区开通长距离2.5Gbit/s及以下系统，在1550nm波长区开通2.5Gbit/s，或N2.5Gbit/s波分复用系统。而有PMD（偏振模色散）要求的G.652B则可支持N10Gbit/s系统。（2）G.653光纤1550nm波长性能最佳单模光纤（或称为色散位移单模光纤）是将零色散波长由1310nm移到最低衰耗的1550nm波长区的单模光纤，在1550nm波长区，它不仅具有最低衰耗特性，而且又是零色散波长，因此，这种光纤主要用于在1550nm波长区开通长距离10Gbit/s及其以上系统，但由于工作波长零色散区的非线性影响，并产
31、生严重的四波混频效应，其不支持波分复用系统,故仅用于单信道高速率系统。（3）G.654光纤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光纤非零色散位移单模光纤。其中，G.655A用于带放大器的单信道系统，而G.655B同时克服了G.652光纤在1550nm波长色散大和G.653光纤在1550nm波长产生的非线性效应不支持波分复用系统的缺点。这种光纤主要用于在1550nm波长区开通10Gbit/s及以上速率的波分复用高速传输系统。光纤是传输网络的基础，在光纤系统设计中，必须考虑未来1520年寿命期仍能满足传输容量和速率的发展需要。从我国的国
32、情与未来发展需要看，我国东部发达地区的新干线建设多采用以10Gbit/s速率为基础的波分复用系统。在这种情况下，对于新敷设的大容量光缆线路采用G.655B（或部分G.655B）光纤是合适的。G.655光纤技术发展很快，目前有朗讯G.655（真波光纤）、康宁G.655（大有效面积）这种光纤是为了适应更大容量和更长传输距离的WDM系统应用，其有效面积为72um2,零色散点位于1510nm处，并可承受较大的光功率，在使用EDFA的波分复用系统中，可以有效克服非线性效应光纤以及我国长飞公司的G.655保时光纤等。至于具体哪一种G.655光纤更适合中国的网络，目前尚无定论，应具体分析。但可预计的是：第二
33、代G.655光纤的低色散斜率、非零色散位移光纤和大有效面积光纤在性能上足以支撑我国至少15年的容量和速率的发展需要。G.655光纤在1550nm波长上有较小的色散，ITU-T规定15301565nm波长范围内，色散应在0.16.0ps/(nmkm)之间。色散位移的方法和G.653光纤一样，在G.652光纤的基础上减少纤芯芯径，加大相对折射率差，在选择较好的折射率剖面，就制造出G.655光纤。2.3光纤传输指标光传输再生段距离由光纤衰减和色散等因素决定。不同的系统，由于各种因素的影响程度不同，再生段距离的设计方式也不同。在实际的工程应用中，设计方式分为二种情况，第一种情况是衰减受限系统，即再生段
34、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，即再生段距离根据S和R点之间的光通道色散决定。光纤数字传输系统的再生段长度计算首选最坏值设计法计算，即在设计时，将所有光参数指标都按最坏值进行计算，而不是设备出厂或系统验收指标。优点是可以为工程设计人员及设备生产厂家，分别提供简单的设计指导和明确的元部件指标，不仅能实现基本光缆段上设备的横向兼容，而且能在系统寿命终了，所有系统和光缆富余度都用尽，且处于允许的最恶劣的环境条件下仍能满足系统指标。1.衰减受限系统光缆线路衰减受限系统的再生段距离传统上一般用下式计算： La(PsPRMe2Ac)/(AfAsMc) (km) 式(2.1) 式
35、中：La衰减受限再生段长度(km)。PsS点发送光功率（dBm），已扣除设备连接器C的衰减和LD耦合反射噪声功率代价。PRR点接收光功率（dBm），已扣除设备连接器C的衰减。Me设备富余度（dB），考虑了收、发器件的性能劣化，温度影响等因素引起的光功率代价。Mc光缆富余度（dB/km），是指光缆线路运行中的变动（维护时附加接头和光缆长度的增加），外界环境因素引起的光缆性能劣化，S和R点间其他连接器（若配置时）性能劣化在设计中应保留必要的富余量。2AcS和R点间其他连接器衰减之和（dB），PC（平面连接）型平均0.03 dB/个。Af光缆光纤平均衰减常数（dB/km），厂家一般提供标称波长的平均
36、值和最大值，设计中按平均值增加0.050.08 dB/km取值。As光缆固定接头平均熔接衰减（dB/km），与光缆质量、熔接机性能、操作水平有关。工程中取0.02 dB/km。在高速率SDH传输系统中，还需考虑通道功率代价PL，它是传输通道中码间干扰、光源啁啾、传输反射、模分配噪声等因素引起的信号波形畸变，造成接收判决困难，为保证规定的误码指标而须将接收光功率提高（即接收灵敏度降低的代价）。对于SDH和DWDM光纤传输系统，各项设计参数相对比较规范，可将上式中的Af、As、Mc三项合并在一起考虑，即要求光缆线路在每千米长度上的衰减不大于0.28dB，此外，Me亦可考虑在PR之内，故而，上式可简
37、化为：La(PsPRPL)/0.28 (km) 式(2.2) 光传输系统在不同工作条件下的最大衰减受限距离见表2.1表2.1不同工作条件下的最大衰减受限距离速率等级STM-4STM-16STM-64工作波长(nm)131015501310155013101550最大衰减受限距离(km)659856884570光传输系统的接收灵敏度与接收检测器类型、系统传输速率以及规定的误码指标有关。一般系统的接收灵敏度列于表2.2中。表2.2 光接受机在不同条件下的接收灵敏度速率等级34Mbit/sSTM-4STM-16STM-64BER10-910-1010-12优扰比(Q)66.367.04接收机灵敏度(
38、PR)-42dBm-32dBm-28dBm-22dBm2.色散受限系统色散受限系统再生段距离用下式计算：LD（106）/（BD）（km） 式(2.3) 式中，LD色散受限再生段长度；光源系数：对于多纵模激光器（MLM），=0.115；对于单纵模激光器（SLM），=0.306；B线路传输速率（bit/s）；D光纤色散系数（ps/nm.km）；光源谱线宽度（nm）。在规范化的SDH系统和DWDM系统设计中，传输速率，光源性能以及误码指标等因素，确定了系统的最大色散容限 Dmax ，色散受限再生距离亦可用下式计算：LD=Dmax/D 式(2.4) 式中，DmaxS点与R点之间允许的最大色散值（ps/
39、nm）；D光纤色散系数（ps/nm.km）。SDH光传输系统在不同条件下的色散受限距离，见表2.3。表2.3 SDH系统在不同条件下的色散受限距离速率等级STM-4STM-16STM-64Tb(ps)1600400100Dps(ps/nmkm)1310155013101550131015503.5203.53.5203.520G.6523.5G.653光源类型MLMSLMMLMSLMSLM均方根谱宽(nm)1.01.0-20dB谱宽1.01.00.53dB(nm)2.3550.3882.3550.3880.194Lm(km)6265373151693847实际设计中，应根据衰减受限式及色散受限
40、式分别计算，取其两者较小值确定为最大再生段距离。2.3.1光纤传输的色散补偿光纤传输中的信号衰减由于光放大器的应用而在很大程度上获得解决，但传输色散引起的脉冲展宽则严重限制着信号速率和再生距离，成为传输设计中的主要矛盾。特别是在系统传输速率已达数10Gbit/s，再生距离要求更长的今天，这一矛盾则更加突出。因而，研究光纤的传输色散，并采用相应措施消除或减少色散的影响，成为传输设计中的重要问题。目前，光纤传输设计中采用的色散调节技术主要有如下两种：(1)采用色散补偿光纤；(2)利用自相位调制效应（SPM）等。前一项措施为无源补偿方式，而后一项则为有源补偿方式。在密集波分复用（DWDM）系统中，采
41、用1550nm波长对于G.652与G.655光纤而言，由于存在或大或小的色散的作用。四波混频的非线性效应不易产生，但色散引起的脉冲展宽则会限制信道传输速率，故高速率DWDM系统的传输需考虑色散补偿的问题。色散补偿光纤（DCF）的应用：光纤的传输色散有正负之分，而正负色散可互相补偿（抵消）。这就是DCF的作用机理。DCF是专门为色散补偿制作的具有大的负色散系数的单模光纤。如DCF的色散系数可达-65ps/nm.km，如使用12.3km即可补偿G.652光纤40km的正色散。因而可以将色散受限距离提高40km。DCF通常不成缆，盘在一个终端盒中作为一个单独的无源器件。当然，如果将其成缆作为传输光缆
42、的一部分，还可以再增加色散受限距离12.3km。这取决于DCF生产水平的提高和其他色散补偿技术的进展。因为DCF作为一个无源器件时是放在机房内，调整和更换都很方便。DCF补偿方式有两个问题：一是它的损耗系数大，12.3km将引入约5.6dB的衰耗，需要EDFA的增益来补偿，从这个角度看，这种补偿方法的成本代价也存在疑问。第二个缺点是它的色散斜率的绝对值与G.652光纤的色散斜率并不吻合，因此DCF的实际长度需要现场调整。DCF补偿方式由于技术上简单易行，尤其在WDM系统中应用时其成本是由多个波长系统分担的，因此是目前最实用的色散补偿方法。色散补偿光纤与传输光纤的长度及各自的色散系数可按下列关系
43、考虑：D1L1D2L20 式(2.5) 式中，D1传输光纤色散系数；L1传输光纤长度；D2补偿光纤色散系数；L2补偿光纤长度。DCF在系统中的配置位置在发送侧应放在EDFA与发送终端之间，这有三个好处：一是便于对DCF调整和变换；二是DCF先衰耗有利于减轻OA的功率饱和限制；三是避免DCF中出现非线性效应。在接收机侧DCF放在EDFA与接收终端之间。这时与发送侧不同，放大后的信号光也仍然较弱，不会在DCF中引起明显的非线性效应。自相位调制（SPM）技术：自相位调制是指输入光强变化时，光纤的折射率随之改变，从而引起光波的相位产生变化，与光纤的色散相结合后，将导致频谱展宽，并随长度的增加而积累，光
44、功率变化越快，导致的光频率变化也越大，对系统中的高速窄脉冲影响较大。在光纤传输中应用光放大器加大光功率，产生自相位调制（SPM）的非线性效应，此时在正色散光纤中，光信号脉冲的前沿会出现“红移”，即光频变低；光信号脉冲的后沿则会出现“蓝移”，即光频变高而速度变快。这样，脉冲的前、后沿向中间靠拢，从而达到将光纤色散造成的信号脉冲展宽进行压缩的目的，这也是“光孤子”传输的基本原理。自相位调制（SPM）产生于传输光纤中，条件是信号能量达到其“阈值”，一般在靠近光发送机或光放大器的部位效果较好。2.3.2光纤工作波长的确定工作波长可根据通信距离和通信容量进行选择。如果是短距离小容量的系统，则可选择短波长
45、范围及800900nm。如果是长距离大容量的系统，则选用长波长的传输窗口，即1310nm和1550nm，因为这两个波长均具有较低的损耗和色散。WDM信道的标准波长分等间隔和不等间隔两种分配方案。由于使用G.655光纤的WDM系统中没有观察到四波混频效应的明显影响，因此ITU-T对G.655光纤的WDM系统使用标准波长按等间隔配置。对于WDM系统确定信道间隔和中心波长有两种方案可供选择。一种是利用EDFA的20nm固有平坦带宽，必须采用50GHz信道间隔，另一种是使用EDFA的32nm带宽，信道间隔可取100GHz，但对EDFA有增益平坦化修整要求。这两种方案的选择取决于设备厂家的技术储备。如果
46、设备厂家已经掌握了EDFA的增益平坦化技术，那么就应该优先选择后一种方案。2.4 光检测器的选择选择检测器需要看系统在满足特定误码率的情况下所需的最小接收光功率。即接收机的灵敏度，此外还要考虑检测器的可靠性、成本和复杂程度。光纤通信系统较多采用PIN-PD（p-i-n光电二级管）及雪崩光电二极管（APD）。为了提高接收机的灵敏度，常将PIN-PD或APD与场效应管（FET)组合成为PIN-FET或APD-FET接收机组件，它们都具有光电转换和放大作用。本设计采用PIN检测器，PIN比起APD来简单，温度特性更加稳定，成本低廉。2.5 光源的选择光源是将电信号变成光信号的器件。作为光源可以采用半
47、导体激光二极管(LD，由半导体激光器)、半导体发光二极管（LED）。选择LED还是LD，需要考虑一些系统参数，比如色散、码速率、传输距离和成本等。LED输出频谱的谱宽比起LD来宽得多，这样引起的色散较大，使得LED的传输容量（码速距离积）较低，限制在1500（Mb/s）.km以下（1310nm）；而LD的谱线较窄，传输容量可达500（Gb/s）.km(1550nm)。 LED与LD相比，因为它发射的不是激光，所以输出功率较小。半导体发光二极管可以作为中短距离、中小容量的光纤通信系统的光源。本设计的距离长，通信容量大，所以选择半导体激光器作为光源。2.6 系统设计的主要技术问题2.6.1 SDH系统光接口选择工程设计往往是先在局部地区，甚
