关于铁路光传输工程色度色散指标的研究

程 华 范雅林 于天泽

（1．北京铁路通信技术中心，北京 100038；2．北京通信段，北京 100038；3．中国铁路通信信号集团公司，北京 100766）

目前，中国高速铁路设计和施工质量受到前所未有的关注。2010年铁道部发布的《高速铁路通信工程施工质量验收标准》（TB10755-2010）是一部实用有效的规范，但该标准的有些内容值得商榷。根据该标准的规定，高速铁路光缆线路验收测试指标主控项目有“接续光纤双向接头损耗、中继段光纤线路衰耗、中继段最大离散反射系数、S点最小回波损耗和偏振模色散”共5项。鉴于在该标准中没有提出色度色散要求，而这项指标又非常重要，有可能影响光传输系统的开通调试和实际运用质量，本文就此进行简要的分析和讨论，并提出相应的修改建议。

1 光纤性能指标对传输系统再生段距离的影响

长途SDH光传输系统由光发送机、再生器、光接收机和光纤等组成，如图1所示。光发送机发送的光信号经过光纤传输后到达光接收机，理论上只要接收的光信号功率在接收灵敏度以上，接收机就能将光信号正确地还原成电信号。但是由于光源信号有一定的谱宽，不同波长的光信号经过光纤传输后，由于其时延不同，光脉冲会展宽，严重时会导致前后脉冲码间干扰，使接收端产生误判。因此，在设计长途传输系统时，除了考虑衰减的影响，还必须考虑色散对光传输系统再生段的影响，从而引出了两种类型的传输系统再生段受限系统：受光信号衰减限制的称为衰减受限系统，受色散限制的称为色散受限系统。

1.1 衰减受限系统

衰减受限系统再生段距离由公式（1）计算：

式中，L是衰减受限再生段长度（km）；Ps是S（或MPI-S）点寿命终了时的光发送光功率（dBm）；Pr是R（或MPI-R）点寿命终了时的光接收灵敏度（dBm），BER≤10-12；Pp是最大光通道代价（dB）；∑ Ac是点S（或MPI-S）、点R（或MPI-R）点间活动连接器损耗之和（dB）；Af是光纤平均衰减系数（dB/km）；As是光纤固定熔接接头平均损耗（dB/km）；Mc是光缆富余度（dB/km）。

由于1 310 nm窗口光波衰减较大，一般长途传输均采用1 550 nm窗口光波，取典型参数计算，1 550 nm窗口衰减限制的再生段距离约为80 km。

1.2 色散受限系统

光纤的色散分为模间色散、色度色散和偏振模色散。长途运用仅仅用到单模光纤，所以模间色散可以不考虑。

色度色散（CD），指光源光谱中不同波长分量在光纤中的群速不同所引起的光脉冲展宽现象，主要由材料色散和波导色散组成。材料色散是由光纤材料的折射率随光波长变化引起；波导色散是光纤中同一个模的群速度随光波长而变化引起。这2种色散共同决定了色度色散的大小。

偏振模色散（PMD），指2个相互正交的光波在光纤中传播的差分群时延（DGD），由纤芯或包层的椭圆度、非对称机械热应力、玻璃表面的应力及外部应力、弯曲或扭曲产生。DGD随波长、环境条件而变化，是波长和时间的随机变量。

当色度色散或偏振模色散引起的脉冲展宽足够大时，会造成码间干扰，产生误码，限制再生段的距离。

1.2.1 色度色散限制的再生段距离

色度色散受限系统再生段距离L（km）：

式中，Dmax是S（或MPI-S）、R（或MPI-R）点间系统允许的最大总色散（ps/nm）；D是光纤色度色散系数（ps/nm·km）。由公式（2）可计算出1 550 nm窗口色度色散限制的再生段距离，当采用G.652光纤时约89 km，采用G.655光纤时约270 km。

1.2.2 PMD限制的再生段距离

由PMD限制的再生段距离由公式（3）计算（取DGDmax=0.1T=0.1/B时）：

式中，L是偏振模色散限制的再生段距离（km），DGDmax为最大差分群时延（ps）；PMD系数为传输链路的偏振模色散系数T为信号周期，B为信号传输速率，取Gbit/s。由公式（3）可以看出，当传输链路PMD系数不变时，再生段距离随传输速率的平方成反比下降。例如，当传输速率由2.5 Gbit/s上升到10 Gbit/s时，再生段距离变成原来的1/16；当传输速率不变时，传输距离随传输链路PMD系数的平方成反比下降。由公式（3）计算出PMD限制的再生段距离如表1所示。

表1 再生距离随PMD系数和速率的变化，加一列622 M

由以上计算可以看出，当再生段距离在80 km以上时，色度色散已不能忽略。通过光放大器可以解决衰减问题，通过色散补偿光纤可以解决色度色散的问题，对于10 Gbit/s传输系统，当传输链路时，且传输距离大于400 km时，必须考虑PMD的影响。

1.2.3 光缆工程施工对色散的影响

工程经验表明，光缆敷设质量、弯曲或扭曲、环境温度、老化等均会对色散产生影响，即相对于出厂值会发生一些变化。

1.2.4 光传输工程的色散补偿

铁路目前光传输系统工程设计中，一般取典型值进行光纤色度色散受限距离计算，并在此基础上进行补偿，一般不考虑PMD的影响。以某高铁传输系统工程为例，Dmax取1 400 ps/nm，|D|取18 ps/nm·km，色度色散受限距离按（2）式计算为77 km，在此估算的基础上，根据光纤类型对色散进行补偿。

2 对铁标的修改建议

《长途通信光缆线路工程验收规范》（YD5121-2005），规定长途光缆线路中继段光纤的验收，主要是中继段光纤线路衰减系数及传输长度、中继段后向散射曲线、中继段光纤通道总衰减、中继段光纤偏振模色散系数4个项目。TB10755-2010标准对高速铁路光缆线路验收主要是参照通信行业标准。

电信运营商的长途光缆线路主要运用于省际干线和省内干线，大量采用G.655光纤，其组网的设备主要是DWDM设备。省际干线传输系统设计中，2个上下业务站之间距离长达500 km以上，PMD对系统的影响是不可忽略的，对PMD进行验收测试是非常必要的。

而中国高速铁路骨干/汇聚传输系统组网中，目前主要采用MSTP设备和G.652光纤，再生段距离基本在130 km以内，系统速率一般采用STM-64或STM-16。当再生段距离80 km以上时，色度色散将超过衰减成为影响再生段的主要因素，而PMD对系统再生段的影响基本可以忽略不计。从目前高速铁路骨干汇聚层传输系统的组网方案来看，已经有多处采用了色度色散补偿技术，而再生段距离并没有超过125 km。

根据以上分析，我们认为TB10755-2010的色散指标验收，仅验收PMD项目显然是不合适的，应结合高速铁路传输系统组网的特点和实际影响进行必要的修改，建议增加色度色散指标的验收项目。对于已经采用色度色散补偿的区段，不仅可以验证系统设计的合理性，而且可以验证工程施工质量的完好性，还可以为将来系统维护提供有价值的原始资料，保证高速铁路传输系统运营质量的要求。对于是否保留PMD项目的测试，可以视将来光缆的运用前景决定，如果将来可能开通骨干DWDM系统，则保留PMD测试项目；否则工程竣工后，可以不要求测试。

3 结论

本文具体分析色散指标对传输系统再生段距离的影响，结合高速铁路光传输系统组网的特点，建议修改铁标《高速铁路通信工程施工质量验收标准》（TB10755-2010）中的有关规定：增加长途光缆中光纤色度色散指标验收测试项目。通过该项测试验收，可以有效验证传输系统设计的合理性和工程施工质量的完好性，包括光缆的有关质量，同时为将来系统维护提供有价值的原始资料，保证高速铁路传输系统运营质量的要求。

[1] YD/T 5095-2005 SDH长途光缆传输系统工程设计规范[S].

[2] YD 5121-2005 长途通信光缆线路工程验收规范[S].

[3] TB 10755-2010 高速铁路通信工程施工质量验收标准[S].

[4] 韦乐平，张成良．光网络—系统、器件与联网技术[M].北京：人民邮电出版社，2006.

[5] 谢桂月，谢沛荣．通信线路工程设计[M].北京：人民邮电出版社，2008.