關于鐵路光傳輸工程色度色散指標的研究

程 華 范雅林 于天澤

（1．北京鐵路通信技術中心，北京 100038；2．北京通信段，北京 100038；3．中國鐵路通信信號集團公司，北京 100766）

目前，中國高速鐵路設計和施工質量受到前所未有的關注。2010年鐵道部發布的《高速鐵路通信工程施工質量驗收標準》（TB10755-2010）是一部實用有效的規范，但該標準的有些內容值得商榷。根據該標準的規定，高速鐵路光纜線路驗收測試指標主控項目有“接續光纖雙向接頭損耗、中繼段光纖線路衰耗、中繼段最大離散反射系數、S點最小回波損耗和偏振模色散”共5項。鑒于在該標準中沒有提出色度色散要求，而這項指標又非常重要，有可能影響光傳輸系統的開通調試和實際運用質量，本文就此進行簡要的分析和討論，并提出相應的修改建議。

1 光纖性能指標對傳輸系統再生段距離的影響

長途SDH光傳輸系統由光發送機、再生器、光接收機和光纖等組成，如圖1所示。光發送機發送的光信號經過光纖傳輸后到達光接收機，理論上只要接收的光信號功率在接收靈敏度以上，接收機就能將光信號正確地還原成電信號。但是由于光源信號有一定的譜寬，不同波長的光信號經過光纖傳輸后，由于其時延不同，光脈沖會展寬，嚴重時會導致前后脈沖碼間干擾，使接收端產生誤判。因此，在設計長途傳輸系統時，除了考慮衰減的影響，還必須考慮色散對光傳輸系統再生段的影響，從而引出了兩種類型的傳輸系統再生段受限系統：受光信號衰減限制的稱為衰減受限系統，受色散限制的稱為色散受限系統。

1.1 衰減受限系統

衰減受限系統再生段距離由公式（1）計算：

式中，L是衰減受限再生段長度（km）；Ps是S（或MPI-S）點壽命終了時的光發送光功率（dBm）；Pr是R（或MPI-R）點壽命終了時的光接收靈敏度（dBm），BER≤10-12；Pp是最大光通道代價（dB）；∑ Ac是點S（或MPI-S）、點R（或MPI-R）點間活動連接器損耗之和（dB）；Af是光纖平均衰減系數（dB/km）；As是光纖固定熔接接頭平均損耗（dB/km）；Mc是光纜富余度（dB/km）。

由于1 310 nm窗口光波衰減較大，一般長途傳輸均采用1 550 nm窗口光波，取典型參數計算，1 550 nm窗口衰減限制的再生段距離約為80 km。

1.2 色散受限系統

光纖的色散分為模間色散、色度色散和偏振模色散。長途運用僅僅用到單模光纖，所以模間色散可以不考慮。

色度色散（CD），指光源光譜中不同波長分量在光纖中的群速不同所引起的光脈沖展寬現象，主要由材料色散和波導色散組成。材料色散是由光纖材料的折射率隨光波長變化引起；波導色散是光纖中同一個模的群速度隨光波長而變化引起。這2種色散共同決定了色度色散的大小。

偏振模色散（PMD），指2個相互正交的光波在光纖中傳播的差分群時延（DGD），由纖芯或包層的橢圓度、非對稱機械熱應力、玻璃表面的應力及外部應力、彎曲或扭曲產生。DGD隨波長、環境條件而變化，是波長和時間的隨機變量。

當色度色散或偏振模色散引起的脈沖展寬足夠大時，會造成碼間干擾，產生誤碼，限制再生段的距離。

1.2.1 色度色散限制的再生段距離

色度色散受限系統再生段距離L（km）：

式中，Dmax是S（或MPI-S）、R（或MPI-R）點間系統允許的最大總色散（ps/nm）；D是光纖色度色散系數（ps/nm·km）。由公式（2）可計算出1 550 nm窗口色度色散限制的再生段距離，當采用G.652光纖時約89 km，采用G.655光纖時約270 km。

1.2.2 PMD限制的再生段距離

由PMD限制的再生段距離由公式（3）計算（取DGDmax=0.1T=0.1/B時）：

式中，L是偏振模色散限制的再生段距離（km），DGDmax為最大差分群時延（ps）；PMD系數為傳輸鏈路的偏振模色散系數T為信號周期，B為信號傳輸速率，取Gbit/s。由公式（3）可以看出，當傳輸鏈路PMD系數不變時，再生段距離隨傳輸速率的平方成反比下降。例如，當傳輸速率由2.5 Gbit/s上升到10 Gbit/s時，再生段距離變成原來的1/16；當傳輸速率不變時，傳輸距離隨傳輸鏈路PMD系數的平方成反比下降。由公式（3）計算出PMD限制的再生段距離如表1所示。

表1 再生距離隨PMD系數和速率的變化，加一列622 M

由以上計算可以看出，當再生段距離在80 km以上時，色度色散已不能忽略。通過光放大器可以解決衰減問題，通過色散補償光纖可以解決色度色散的問題，對于10 Gbit/s傳輸系統，當傳輸鏈路時，且傳輸距離大于400 km時，必須考慮PMD的影響。

1.2.3 光纜工程施工對色散的影響

工程經驗表明，光纜敷設質量、彎曲或扭曲、環境溫度、老化等均會對色散產生影響，即相對于出廠值會發生一些變化。

1.2.4 光傳輸工程的色散補償

鐵路目前光傳輸系統工程設計中，一般取典型值進行光纖色度色散受限距離計算，并在此基礎上進行補償，一般不考慮PMD的影響。以某高鐵傳輸系統工程為例，Dmax取1 400 ps/nm，|D|取18 ps/nm·km，色度色散受限距離按（2）式計算為77 km，在此估算的基礎上，根據光纖類型對色散進行補償。

2 對鐵標的修改建議

《長途通信光纜線路工程驗收規范》（YD5121-2005），規定長途光纜線路中繼段光纖的驗收，主要是中繼段光纖線路衰減系數及傳輸長度、中繼段后向散射曲線、中繼段光纖通道總衰減、中繼段光纖偏振模色散系數4個項目。TB10755-2010標準對高速鐵路光纜線路驗收主要是參照通信行業標準。

電信運營商的長途光纜線路主要運用于省際干線和省內干線，大量采用G.655光纖，其組網的設備主要是DWDM設備。省際干線傳輸系統設計中，2個上下業務站之間距離長達500 km以上，PMD對系統的影響是不可忽略的，對PMD進行驗收測試是非常必要的。

而中國高速鐵路骨干/匯聚傳輸系統組網中，目前主要采用MSTP設備和G.652光纖，再生段距離基本在130 km以內，系統速率一般采用STM-64或STM-16。當再生段距離80 km以上時，色度色散將超過衰減成為影響再生段的主要因素，而PMD對系統再生段的影響基本可以忽略不計。從目前高速鐵路骨干匯聚層傳輸系統的組網方案來看，已經有多處采用了色度色散補償技術，而再生段距離并沒有超過125 km。

根據以上分析，我們認為TB10755-2010的色散指標驗收，僅驗收PMD項目顯然是不合適的，應結合高速鐵路傳輸系統組網的特點和實際影響進行必要的修改，建議增加色度色散指標的驗收項目。對于已經采用色度色散補償的區段，不僅可以驗證系統設計的合理性，而且可以驗證工程施工質量的完好性，還可以為將來系統維護提供有價值的原始資料，保證高速鐵路傳輸系統運營質量的要求。對于是否保留PMD項目的測試，可以視將來光纜的運用前景決定，如果將來可能開通骨干DWDM系統，則保留PMD測試項目；否則工程竣工后，可以不要求測試。

3 結論

本文具體分析色散指標對傳輸系統再生段距離的影響，結合高速鐵路光傳輸系統組網的特點，建議修改鐵標《高速鐵路通信工程施工質量驗收標準》（TB10755-2010）中的有關規定：增加長途光纜中光纖色度色散指標驗收測試項目。通過該項測試驗收，可以有效驗證傳輸系統設計的合理性和工程施工質量的完好性，包括光纜的有關質量，同時為將來系統維護提供有價值的原始資料，保證高速鐵路傳輸系統運營質量的要求。

[1] YD/T 5095-2005 SDH長途光纜傳輸系統工程設計規范[S].

[2] YD 5121-2005 長途通信光纜線路工程驗收規范[S].

[3] TB 10755-2010 高速鐵路通信工程施工質量驗收標準[S].

[4] 韋樂平，張成良．光網絡—系統、器件與聯網技術[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[5] 謝桂月，謝沛榮．通信線路工程設計[M].北京：人民郵電出版社，2008.