高斯脉冲在电力传输通信网的色散受限效应,本文是通信网论文范文资料跟高斯和色散受限效应和高斯脉冲有关论文范文资料.
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【摘 要】 通过高斯脉冲在光纤中传输的基本方程- 薛定鄂方程出发,研究了电力传输通信网光纤色散在不同情况下的影响.当考虑色散（TOD）和自相位调制（SPM）共同作用时,随着传输距离的变化,色散对于电力通信网传输系统不同传输速率的影响.
【关键词】 高斯脉冲 薛定鄂方程 色散 传输受限距离
引言
随着近年来电网业务的不断拓展,传输系统的传输速率越来越高、距离越来越长.如何在高速率长距离的情况下,保证传输信号的质量成为必须解决的问题.限制电力通信系统传输速率的因素主要体现为光纤的衰耗和光纤的色散.光纤衰耗在长距离传输中影响较小,色散受限对长距离及高速率传输影响更大.
一、理论模型
描述光脉冲在单模光纤内传输的非线性薛定谔 (NLS) 方程为 :
式中: Z 为脉冲在光纤中的传输距离,T 是随脉冲以群速度vg 移动的参考系中的时间量度(T等于t-z/vg),A 是脉冲包络的慢变振幅；β2 为群速色散系数；β3 为三阶色散系数；α 为光纤吸收系数；γ 为非线性系数.NLS 方程的右边为光脉冲光通信的群速色散效应、吸收效应、非线性效应和三阶色散.通过分析入射脉冲初始宽度T0 和峰值功率P0 的不同取值,研究光纤传输过程中是色散还是非线性效应起主要作用.
二、色散和一阶非线性共同作用引起高斯脉冲波形的演变
高斯脉冲在正常色散区对波形和频谱的影响如下图1 所示.
当C等于0,β2>0,p1等于3.54×10-2W,γ等于0 时高斯脉冲波形图, (a) 高斯脉冲时或关系图(b) 为高斯脉冲频域关系图,图(a)和(b) 中( 左) 图为高斯脉冲强度随光纤长度、时间变化关系图,( 右) 图为强度随时间变化的关系曲线.
三阶色散参数β3 和非线性参数γ 在不同情况下的高斯脉冲传输变化曲线图形,其中不同三阶色散参数β3 选择1ps2/km 和-1ps2/km,而非线性参数γ 的大小选择1W-1km-1、-1W-1km-1、5W-1km-1、-5W-1km-1（只考虑三阶色散和一阶非线性）,高斯脉冲参数m等于4,C等于0, 初始脉冲T0等于10ps.
当β3等于1ps3/km,（图1,γ等于1W-1km-1、图2,γ等于-1W-1km-1图3,γ等于-5W-1km-1、图4,γ等于5W-1km-1）,β2等于0 时高斯脉冲波形图,(a) 高斯脉冲强度随光纤长度、时间变化时或关系图(b) 为高斯脉冲强度随光纤长度、时间变化频域关系图.
如图所示,色散因素和一阶非线性因素共同作用会保留色散因素单独作用时的特点与其中单一因素对高斯脉冲波形的影响有明显的不同.三阶色散β3 会使脉冲波形拓宽和产生拖尾振荡,使脉冲波形经历顶、多峰、最后到单峰的演变；而一阶非线性（SPM）只改变脉冲波形的相位而不影响脉冲波形的形状；但在相同的三阶色散β3 参数下,三阶色散（TOD）和一阶非线性（SPM）共同作用使高斯脉冲波形的拖尾振荡更加激烈,使脉冲波形拓宽得更快.此外,一阶非线性参数γ 无论是正负,只要|γ| 相等,那么对高斯脉冲波形的影响具有相同结果.
三、色散传输距离分析通过高斯脉冲对色散理论模型和波形演变趋势分析,分析出光纤电力通信网传输影响因素为色散和衰耗.色散导致光脉冲在传输中波形展宽或拖尾,使眼图信号变差和系统误码高.
如何降低光纤色散的影响,增加通信容量和延长通信距离对电力通信网至关重要.
电力网高斯脉冲色散包括两方面：调制信号有一定的带宽和光源发出的不是单色光.色散分为色度色散(CD) 与偏振模色散(PMD) 两大类.
电力通信系统具有不同波长的光源和不同的色散系数值D(λ),较为常见是G.652 光缆和G.655 光缆.承载1550nm波长的信号时,G.652 光缆的色散系数约为17 ps/km.nm,G.655光缆的色散系数为4ps/km.nm.
在光纤传输时1310nm 波长光信号的衰耗系数要远大于1550nm 波长,所以长距离传输系统常采用1550nm 的波长进行传输.因此本文只分析1550nm 波长光源的色散受限问题.
随着传输速率的增高,直接调制方式会出现 “啁啾”现象,导致光源的发射波长产生偏移,对传输系统的性能产生严重影响.因此直接调制方式常用于2.5G 以下低速级别光口.外调制方式是通过调制器使激光器在直流状态下工作、具有大消光比、低色散失真、无激光啁啾、高速率的优点.
高于2.5G 速率系统,常规采用外调制方式.通过色散受限计算公式得出：L ＝光源色散容限/ D(λ) .对于2.5Gb/s速率的传输系统,结合现阶段的生产工艺水平达到11000ps/nm 的色散容限值.G.652 光纤的色散系数为17ps/nm.km,受限距离可以达到640km.因此对于2.5Gb/s 速率的系统,实际应用只需对色散容限要求的单板组网,无需考虑色散受限问题.
对传输速率为10Gb/s 的系统,常规厂家提供最大约1600ps/nm 的色散容限值, 按G.652 光纤的色散系数为17ps/nm.km 计算,传输受限距离约90km,在电力通信网中实际传输长度远长于此受限距离.因此需通过光缆的长度计算色散损耗,对其色散补偿.
色散补偿量等于 全程总色散值－光板色散受限量＋调整量常见电网单跨度传输距离一般小于200km.结合目前厂家提供的长距离光源具备40km(800ps/nm) 的色散容限,所以色散补偿的距离常在0 ～ 160km 之间.考虑到实际光缆使用中存在偏差,可以按补偿距离长度的15％作为色散的补偿冗余量.这样光源只需要考虑0 ～ 32km 的正色散偏差.满足厂家提供光源色散容量要求.
综上所述本文推荐色散补偿距离的计算方法为：
色散补偿量等于 全程总色散值－光板色散容限＋ 408 ps/nm(24km)
实际电力线路组网中经常存在G.652、G.655 光缆混合组网的情况,所以,我们需要将不同段光缆的色散量进行累加,从而得出全程总的色散值.因此,针对G.652、G.655光缆混合组网的情况,我们可以通过下式进行估算：
全程总色散值 等于 L1×17ps/nm.km + L2×4ps/nm.km（L1 为全程光缆中G.652 光缆的长度,L2 为全程光缆中G.655 光缆的长度,单位为km）.
通过计算可知：现阶段,2.5G 速率系统可以在无色散补偿的情况下正常传送640km 的距离,而10G 速率系统在无色散补偿的情况下只能正常传送80km 的距离（G.652 光缆）.
因此,一般只有传输速率达到10G 及以上、且传输距离大于80km 才需要考虑色散受限问题.
四、结语
高斯脉冲在电力传输系统单模光纤中的传输特性,线性效应的主要作用是展宽光纤内传输的光脉冲的频谱,若线性效应和色散共同作用影响光脉冲,脉冲形状会受较大影响.高斯脉冲在电力通信网中色散受限距离主要同光口的色散容限、光源的波长窗口、光源的调制方式、光缆的型号种类有关.
而且色散的影响随着传输速率的增大而成几何倍数增长.
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