第4章 光纖通信技術(shù)1

1、 第第 4 4 章章 光纖通信技術(shù)光纖通信技術(shù) 4.1光纖通信概述光纖通信概述 4.2光纖和光纜光纖和光纜 4.3光源與光檢測(cè)器光源與光檢測(cè)器 4.4光端機(jī)光端機(jī) 4.5數(shù)字光纖通信系統(tǒng)數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 4.6同步數(shù)字系列同步數(shù)字系列(SDH) 4.7光纖通信新技術(shù)光纖通信新技術(shù) 第第4章章 光纖通信技術(shù)光纖通信技術(shù) 4.1光纖通信概述光纖通信概述 4.1.1光纖通信基本概念光纖通信基本概念 光纖通信是以光為載波，以光纖為傳輸介質(zhì)的通信方式。 任何通信系統(tǒng)追求的最終技術(shù)目標(biāo)都是要可靠地實(shí)現(xiàn)最大可 能的信息傳輸容量和傳輸距離。通信系統(tǒng)的傳輸容量取決于 對(duì)載波調(diào)制的頻帶寬度，載波頻率越高，頻帶寬度

2、越寬。光 纖通信的載波是光波。 雖然光波和電波都是電磁波，但是頻率差別很大。 目前，光纖通信用的近紅外光波長(zhǎng)范圍約0.8m 1.8m。頻率約300 THz。光纖通信用的頻帶寬度約 為200THz，在常用的1.31m和1.55m兩個(gè)波長(zhǎng)窗口 頻帶寬度也在20 THz以上。由于光源和光纖特性的限 制，目前，光強(qiáng)度調(diào)制的帶寬一般只有20 GHz，因此 還有3個(gè)數(shù)量級(jí)以上的帶寬潛力可以挖掘。 光纖是由絕緣的石英(SiO2)材料制成的，通過(guò)提高 材料純度和改進(jìn)制造工藝，可以在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)獲得 很小的損耗。 在光纖通信系統(tǒng)中，作為載波的光波頻率比電 波頻率高得多，而作為傳輸介質(zhì)的光纖又比同軸電 纜或波導(dǎo)管

3、的損耗低得多，因此，相對(duì)于電纜通信 或微波通信，光纖通信具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。 1. 容許頻帶很寬，傳輸容量很大容許頻帶很寬，傳輸容量很大 目前，單波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率一般為2.5 Gb/s和10Gb/s。采用外調(diào)制技術(shù)，傳輸速率可以達(dá) 到40Gb/s。波分復(fù)用和光時(shí)分復(fù)用更是極大地增加 了傳輸容量。DWDM最高水平為132個(gè)信道，傳輸容 量為20Gb/s132=2640 Gb/s。 2. 損耗小，中繼距離長(zhǎng)損耗小，中繼距離長(zhǎng) 石英光纖在1.31m和1.55m波長(zhǎng)，傳輸損耗分別為 0.50dB/km和0.20dB/km，甚至更低。因此，中繼距離長(zhǎng)。目 前，采用外調(diào)制技術(shù)，波長(zhǎng)為1.55m的

4、色散移位單模光纖通 信系統(tǒng)，若其傳輸速率為2.5 Gb/s，則中繼距離可達(dá)150 km； 若其傳輸速率為10 Gb/s，則中繼距離可達(dá)100 km。 傳輸容量大、傳輸誤碼率低、中繼距離長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，使光纖 通信系統(tǒng)不僅適合于長(zhǎng)途干線網(wǎng)而且適合于接入網(wǎng)的使用，這 也是降低每公里話路的系統(tǒng)造價(jià)的主要原因。 3. 重量輕、體積小重量輕、體積小 光纖重量很輕，直徑很小。即使做成光纜，在芯數(shù)相同的 條件下，其重量還是比電纜輕得多，體積也小得多。 4. 抗電磁干擾性能好抗電磁干擾性能好 光纖由電絕緣的石英材料制成，光纖通信線路不受各種電 磁場(chǎng)的干擾和閃電雷擊的損壞。無(wú)金屬光纜非常適合于存在強(qiáng) 電磁場(chǎng)干擾的高壓

5、電力線周圍和油田、煤礦等易燃易爆環(huán)境中 使用。光纖(復(fù)合)架空地線(OPGW)是光纖與電力輸送系統(tǒng)的 地線組合而成的通信光纜，已在電力系統(tǒng)的通信中發(fā)揮重要作 用。 5. 泄漏小，保密性能好泄漏小，保密性能好 在光纖中傳輸?shù)墓庑孤┓浅Ｎ⑷?，即使在彎曲地段也無(wú)法 竊聽。沒有專用的特殊工具，光纖不能分接，因此信息在光纖 中傳輸非常安全。 6.節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用 制造同軸電纜和波導(dǎo)管的銅、鋁、鉛等為金屬材料；而制 造光纖的石英(SiO2)在地球上基本上是取之不盡的材料。 總之，光纖通信不僅在技術(shù)上具有很大的優(yōu)越性，而且在 經(jīng)濟(jì)上具有巨大的競(jìng)爭(zhēng)能力，因此其在

6、信息社會(huì)中將發(fā)揮越來(lái) 越重要的作用。 4.1.2光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)的基本組成 光纖通信系統(tǒng)是以光為載波，以光纖為傳輸介質(zhì)的通信系 統(tǒng)，可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)。用戶要傳輸?shù)?信息多種多樣，一般有話音、圖像、數(shù)據(jù)或多媒體信息。為敘 述方便，這里僅以數(shù)字電話和模擬電視為例。圖4-1示出單向 傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)，包括發(fā)射、接收和作為廣義信道的基本 光纖傳輸系統(tǒng)。 圖 4-1 光纖通信系統(tǒng)的基本組成(單向傳輸) 信 息 源 電 發(fā) 射 機(jī) 光 發(fā) 射 機(jī) 光 接 收 機(jī) 電 接 收 機(jī) 信 息 宿 基本光纖傳輸系統(tǒng) 光纖線路 接 收發(fā) 射 電信號(hào) 輸入 光信號(hào) 輸出 光信號(hào)

7、 輸入 電信號(hào) 輸出 如圖4-1所示，信息源把用戶信息轉(zhuǎn)換為原始電信號(hào)，這 種信號(hào)稱為基帶信號(hào)。電發(fā)射機(jī)把基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合信道傳 輸?shù)男盘?hào)，這個(gè)轉(zhuǎn)換如果需要調(diào)制，則其輸出信號(hào)稱為已調(diào)信 號(hào)。例如，對(duì)于數(shù)字電話傳輸，電話機(jī)把話音轉(zhuǎn)換為頻率范圍 為0.33.4 kHz的模擬基帶信號(hào)，電發(fā)射機(jī)把這種模擬信號(hào)轉(zhuǎn) 換為數(shù)字信號(hào)，并把多路數(shù)字信號(hào)組合在一起。模/數(shù)轉(zhuǎn)換普遍 采用脈沖編碼調(diào)制(PCM)方式實(shí)現(xiàn)。一路話音轉(zhuǎn)換成傳輸速率 為64 kb/s的數(shù)字信號(hào)，然后用數(shù)字復(fù)接器把30路PCM信號(hào)組合 成2.048 Mb/s的一次群甚至高次群的數(shù)字系列，最后把這種已 調(diào)信號(hào)輸入光發(fā)射機(jī)。還可以采用頻分復(fù)用(

8、FDM)技術(shù)，用來(lái) 自 不同信息源的模擬基帶信號(hào)(或數(shù)字基帶信號(hào))分別調(diào)制指定的 不同頻率的射頻(RF)電波，然后把多個(gè)這種帶有信息的RF信號(hào) 組合成多路寬帶信號(hào)，最后輸入光發(fā)射機(jī)，由光載波進(jìn)行傳輸。 在這個(gè)過(guò)程中，受調(diào)制的RF電波稱為副載波，這種采用頻分復(fù) 用的多路信號(hào)傳輸技術(shù)，稱為副載波復(fù)用(SCM)。 不管是數(shù)字系統(tǒng)，還是模擬系統(tǒng)，輸入到光發(fā)射機(jī)帶有信 息的電信號(hào)，都通過(guò)調(diào)制轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。光載波經(jīng)過(guò)光纖線路 傳輸?shù)浇邮斩?，再由光接收機(jī)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 電接收機(jī)的功能和電發(fā)射機(jī)的功能相反，它把接收的電信號(hào)轉(zhuǎn) 換為基帶信號(hào)，最后由信息宿恢復(fù)用戶信息。 在整個(gè)通信系統(tǒng)中，在光發(fā)射機(jī)之前和

9、光接收機(jī)之后的電 信號(hào)段，光纖通信所用的技術(shù)和設(shè)備與電纜通信相同，不同的 只是由光發(fā)射機(jī)、光纖線路和光接收機(jī)所組成的基本光纖傳輸 系統(tǒng)代替了電纜傳輸。 光纖可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)。光纖通信在 通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)、綜合業(yè)務(wù)光纖 接入網(wǎng)以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，都得到了廣泛應(yīng)用。 4.2.1 光纖結(jié)構(gòu)和類型光纖結(jié)構(gòu)和類型 1.光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu) 光纖（Optical Fiber）是由中心的纖芯和外圍的包層同軸組 成的圓柱形細(xì)絲。纖芯的折射率比包層稍高，損耗比包層更低， 光能量主要在纖芯內(nèi)傳輸。包層為光的傳輸提供反射面和光隔 離，并起一定的機(jī)械保護(hù)作用。光纖的外形如

10、圖4-2所示。 設(shè)纖芯和包層的折射率分別為n1和n2，光能量在光纖中傳輸 的必要條件是n1n2。纖芯和包層的相對(duì)折射率差=（n1-n2） /n1的典型值，一般單模光纖為0.3%0.6%，多模光纖為 1%2%。 4.2光纖和光纜光纖和光纜 圖4-2 光纖的外形 包層 n2 纖芯 n1 2.光纖類型光纖類型 光纖種類很多，這里只討論作為信息傳輸波導(dǎo)用的由高純 度石英（SiO2）制成的光纖。實(shí)用光纖主要有三種基本類型， 圖4-3示出其橫截面的結(jié)構(gòu)和折射率分布、光線在纖芯傳播的 路徑以及由于色散引起的輸出脈沖相對(duì)于輸入脈沖的畸變。 這些光纖的主要特征如下。 突變型多模光纖（Step-Index Fib

11、er, SIF）如圖4-3(a)，纖 芯折射率為n1保持不變，到包層突然變?yōu)閚2。這種光纖一般 纖芯直徑2a=5080 m，光線以折線形狀沿纖芯中心軸線方 向傳播，特點(diǎn)是信號(hào)畸變大。 漸變型多模光纖（Graded-Index Fiber, GIF）如圖4-3(b)， 在纖芯中心折射率最大為n1，沿徑向r向外圍逐漸變小，直到 包層變?yōu)閚2。這種光纖一般纖芯直徑2a為50m，光線以正弦 形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，特點(diǎn)是信號(hào)畸變小。 單模光纖（Single-Mode Fiber, SMF）如圖4-3(c)，折射率分 布和突變型光纖相似，纖芯直徑只有810m，光線以直線 形狀沿纖芯中心軸線方向傳播。

12、因?yàn)檫@種光纖只能傳輸一個(gè) 模式，所以稱為單模光纖。 那么我們?cè)鯓永斫夤饫w模式的概念呢？光也是電磁波，電 磁波是由交變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)組成且滿足一定的數(shù)學(xué)關(guān)系。光在 光纖中的傳播就是電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互交替地變換傳播，電場(chǎng)和磁 場(chǎng)不同的分布形式（滿足特定的方程）就構(gòu)成不同的模式。所 謂單模光纖就是指只傳輸HE11一種矢量模式。多模光纖則指能 同時(shí)傳輸多種模式（例如HE11、TM01、TE01、HE12等矢量模 式）的光纖。 漸變型多模光纖和單模光纖，包層外徑2b都選用125m。實(shí) 際上，根據(jù)應(yīng)用的需要，可以設(shè)計(jì)折射率介于SIF和GIF之間 的各種準(zhǔn)漸變型光纖。為調(diào)整工作波長(zhǎng)或改善色散特 性，可以在圖4-3

13、(c)常規(guī)單模光纖的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)許多 結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特種單模光纖。 有在1.31.6m之間色散變化很小的色散平坦光纖 （Dispersion Flattened Fiber, DFF）；有把零色散波 長(zhǎng)移到1.55m的色散移位光纖（Dispersion Shifted Fiber, DSF）；有偏振保持光纖等。 圖4-3 三種基本類型的光纖 (a)突變型多模光纖； (b) 漸變型多模光纖； (c) 單模光纖 橫截面 2a 2b r n 折射率分布 纖芯包層 Ai t Ao t (a) 輸入脈沖光線傳播路徑輸出脈沖 50 m 125m r n Ai t Ao t (b) 10 m125m r n A

14、i t Ao t (c) 各種光纖，其用途也不同。突變型多模光纖信號(hào) 畸變大，相應(yīng)的帶寬只有1020 MHzkm，用于小容 量、短距離系統(tǒng)。漸變型多模光纖的帶寬可達(dá)12 GHzkm，適用于中等容量、中等距離系統(tǒng)。大容量 （565 Mb/s2.5 Gb/s）長(zhǎng)距離(30 km以上)系統(tǒng)要用 單模光纖。色散平坦光纖適用于波分復(fù)用系統(tǒng)，這種 系統(tǒng)可以把傳輸容量提高幾倍到幾十倍。外差接收方 式的相干光系統(tǒng)要用偏振保持光纖，這種系統(tǒng)最大優(yōu) 點(diǎn)是提高接收靈敏度，增加傳輸距離。 4.2.2光纖傳光原理光纖傳光原理 要詳細(xì)描述光纖傳光原理，需要求解由麥克斯韋方程組導(dǎo) 出的波動(dòng)方程。但在極限(波數(shù)k=2/非常大

15、，波長(zhǎng)0)條件 下，可以用幾何光學(xué)的射線方程作近似分析。幾何光學(xué)的方法 比較直觀，容易理解，但并不十分嚴(yán)格。 用幾何光學(xué)方法分析光纖傳輸原理，我們關(guān)注的問(wèn)題主要 是光束在光纖中傳播的空間分布和時(shí)間分布，并由此得到數(shù)值 孔徑和時(shí)間延遲的概念。 1. 突變型多模光纖突變型多模光纖 設(shè)纖芯和包層折射率分別為n1和n2，空氣的折射率n0=1， 纖芯中心軸線與z軸一致，如圖4-4所示。 圖4-4 突變型多模光纖的光線傳播原理 3 2 1 y 1 l L x o c 2 3 纖芯n1 包層n2 z c 1 光線在光纖端面以小角度從空氣入射到纖芯(n0n2)。改變角度，不同相應(yīng)的 光線將在纖芯與包層交界面發(fā)

16、生反射或折射。根據(jù)全反射原理， 存在一個(gè)臨界角c，當(dāng)c時(shí)，相應(yīng)的 光線將在交界面折射進(jìn)入包層并逐漸消失，如光線3。由此 可見，只有在半錐角為c的圓錐內(nèi)入射的光束才能在光 纖中傳播。根據(jù)這個(gè)傳播條件，定義臨界角c的正弦為數(shù) 值孔徑(Numerical Aperture, NA)。根據(jù)定義和斯奈爾定律 （4-2） N0=1，由式（4-2）經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算得到 （4-3） 0 2110 90sinsin,cossinnnnnNA ccc 2 1 2 2 2 1 nnnNA 式中：=(n1-n2)/n1為纖芯與包層相對(duì)折射率差。設(shè) =0.01，n1=1.5，得到NA=0.21。 NA表示光纖接收和傳輸光的能

17、力，NA(或c)越大，光纖 接收光的能力越強(qiáng)，從光源到光纖的耦合效率越高。 對(duì)于無(wú)損耗光纖，在c內(nèi)的入射光都能在光纖中傳輸。 NA越大， 纖芯對(duì)光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲性能 越好。 現(xiàn)在我們來(lái)觀察光線在光纖中的傳播時(shí)間。根據(jù)圖4-4， 入射角為的光線在長(zhǎng)度為L(zhǎng)(ox)的光纖中傳輸，所經(jīng) 歷的路程為l(oy)，在不大的條件下，得到最大入射角 (=c)和最小入射角(=0)的光線之間時(shí)間延遲差近似 為 （4-4） 式中：c為真空中的光速。這種時(shí)間延遲差在時(shí)域產(chǎn)生 脈沖展寬，或稱為信號(hào)畸變。由此可見，突變型多模 光纖的信號(hào)畸變是由于不同入射角的光線經(jīng)光纖傳輸 后，其時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的，其大小與成

18、正比。 可見，NA越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號(hào)畸變?cè)酱螅?因而限制了信息傳輸容量。所以要根據(jù)實(shí)際使用場(chǎng)合， 選擇適當(dāng)?shù)腘A。 c Ln n n c Ln c Ln c Ln c 1 2 1111 ) 1( sin 2. 漸變型多模光纖漸變型多模光纖 漸變型多模光纖具有能減小脈沖展寬、增加帶寬的優(yōu) 點(diǎn)。漸變型多模光纖的子午面(r - z)示于圖4-5，一般 光纖相對(duì)折射率差都很小，光線和中心軸線z的夾角也 很小，即sin。 圖4-5 漸變型多模光纖 的光線傳播原理 o i dz ri rm p 纖芯n(r) r * z r 0 dr 由圖可見，漸變型多模光纖的光線軌跡是傳輸距離z的正弦函 數(shù)，對(duì)

19、于確定的光纖，其幅度的大小取決于入射角0，其周期 =2a/，取決于光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)(a, )，而與入射角0無(wú)關(guān)。 這說(shuō)明不同入射角相應(yīng)的光線，雖然經(jīng)歷的路程不同，但是最 終都會(huì)聚在P點(diǎn)上，見圖4-5，這種現(xiàn)象稱為自聚焦(Self- Focusing)效應(yīng)。 漸變型多模光纖具有自聚焦效應(yīng)，不僅不同入射角相應(yīng)的光 線會(huì)聚在同一點(diǎn)上，而且這些光線的時(shí)間延遲也近似相等。這 是因?yàn)楣饩€傳播速度v(r)=c/n(r)(c為光速)，入射角 的光線經(jīng)歷的路程較長(zhǎng)，但大部分路程遠(yuǎn)離中心軸線， n(r)較小，傳播速度較快，補(bǔ)償了較長(zhǎng)的路程。入射角 小的光線情況正相反，其路程較短，但速度較慢。所 以這些光線的時(shí)間延遲

20、近似相等。所以信號(hào)畸變比突 變型多模光纖的信號(hào)畸變要小。 4.2.3光纖傳輸特性光纖傳輸特性 光信號(hào)經(jīng)光纖傳輸后要產(chǎn)生損耗和畸變(失真)，因而 輸出信號(hào)和輸入信號(hào)不同。對(duì)于脈沖信號(hào)，不僅幅度 要減小，而且波形要展寬。產(chǎn)生信號(hào)畸變的主要原因 是光纖中存在色散。損耗和色散是光纖最重要的傳輸 特性。損耗限制系統(tǒng)的傳輸距離，色散則限制系統(tǒng)的 傳輸容量。本節(jié)討論光纖的色散和損耗的機(jī)理和特性， 為光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 （一）光纖色散（一）光纖色散 色散(Dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，由于不 同成分的光的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。 色散一般包括模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散。

21、1）模式色散是由于不同模式的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的， 它取決于光纖的折射率分布，并和光纖材料折射率的 波長(zhǎng)特性有關(guān)。 2）材料色散是由于光纖的折射率隨波長(zhǎng)而改變，以及模 式內(nèi)部不同波長(zhǎng)成分的光(實(shí)際光源不是純單色光)，其 時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的。這種色散取決于光纖材料折 射率的波長(zhǎng)特性和光源的譜線寬度。 3）波導(dǎo)色散是由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長(zhǎng)有關(guān)而產(chǎn)生的， 它取決于波導(dǎo)尺寸和纖芯與包層的相對(duì)折射率差。色 散對(duì)光纖傳輸系統(tǒng)的影響，在時(shí)域和頻域的表示方法 不同。如果信號(hào)是模擬調(diào)制的，色散限制帶寬 (Bandwith)；如果信號(hào)是數(shù)字脈沖，色散產(chǎn)生脈沖展 寬。所以，色散通常用3 dB光帶寬f3dB 或脈沖

22、展寬 表示。 光纖色散測(cè)量有相移法、脈沖時(shí)延法和干涉法等。 （二）光纖損耗（二）光纖損耗 由于損耗的存在，在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，不管 是模擬信號(hào)還是數(shù)字脈沖，其幅度都要減小。光纖的 損耗在很大程度上決定了系統(tǒng)的傳輸距離。損耗的大 小用損耗系數(shù)表示。 （ dB/km） （4-5） 式中：L為光纖的長(zhǎng)度，km；Pi為輸入光功率；Po為 輸出光功率。 0 lg 10 P P L i 1. 損耗的機(jī)理?yè)p耗的機(jī)理 光纖損耗機(jī)理包括吸收損耗和散射損耗兩部分。 吸收損耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì) 引起的吸收產(chǎn)生的。主要是光波通過(guò)光纖時(shí)，有一部 分光能變成熱能，從而造成光功率的損失。 散射損耗主要

23、由材料、形狀、折射率分布等的缺 陷或不均勻，使光纖中傳的光發(fā)生散射。 2. 損耗測(cè)量損耗測(cè)量 光纖損耗測(cè)量有兩種基本方法：一種是測(cè)量通過(guò) 光纖的傳輸光功率，稱剪斷法和插入法；另一種是測(cè) 量光纖的后向散射光功率，稱后向散射法。在工程上 最實(shí)用的是后向散射法。 由于瑞利散射光功率與傳輸光功率成比例。利用與傳 輸光相反方向的瑞利散射光功率來(lái)確定光纖損耗系數(shù) 的方法，稱為后向散射法。 設(shè)在光纖中正向傳輸光功率為P，經(jīng)過(guò)L1和L2點(diǎn) (L1P2)，從這兩點(diǎn)返回輸入 端(L=0)。光檢測(cè)器的后向散射光功率分別為Pd(L1)和 Pd(L2)，經(jīng)分析推導(dǎo)得到，正向和反向平均損耗系數(shù) （4-6） 式中：右邊分母

24、中因子2是光經(jīng)過(guò)正向和反向兩次傳輸 產(chǎn)生的結(jié)果。后向散射法不僅可以測(cè)量損耗系數(shù)，還 可利用光在光纖中傳輸?shù)臅r(shí)間來(lái)確定光纖的長(zhǎng)度L。 （4-7） 式中：c為光速；n1為光纖的纖芯折射率；t為光脈沖 從發(fā)出到返回的時(shí)間。 )/( )( )( lg )(2 10 2 1 12 KmdB LPd Lpd LL 1 2n ct L 式中：c為光速；n1為光纖的纖芯折射率；t為光脈沖 從發(fā)出到返回的時(shí)間。 圖4-6示出后向散射法光纖損耗測(cè)量系統(tǒng)的框圖。 光源應(yīng)采用特定波長(zhǎng)、穩(wěn)定的大功率激光器，調(diào)制的 脈沖寬度和重復(fù)頻率應(yīng)和所要求的長(zhǎng)度分辨率相適應(yīng)。 耦合器件把光脈沖注入被測(cè)光纖，又把后向散射光注 入光檢測(cè)

25、器。光檢測(cè)器應(yīng)有很高的靈敏度。 圖4-6 后向散射法光纖損耗測(cè)量系統(tǒng) 圖4-7后向散射功率曲線的示例 光學(xué)系統(tǒng)耦合器件光學(xué)系統(tǒng) 光學(xué)系統(tǒng) 信號(hào)處理 放大器 示波器 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 被測(cè)光纖 光源 光檢測(cè)器 相對(duì)反向散射功率 光纖長(zhǎng)度 E D C B A 圖4-7是后向散射功率曲線的示例，圖中A 輸入端反射區(qū)； BC恒定斜率區(qū)，用以確定損耗系數(shù)；C連接器、接頭或局部缺 陷引起的損耗；D介質(zhì)缺陷(例如氣泡)引起的反射；E輸出端反 射區(qū)（光纖斷點(diǎn)），用以確定光纖長(zhǎng)度。 用后向散射法的原理設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x器稱為光時(shí)域反射儀 (OTDR)。這種儀器采用單端輸入和輸出，不破壞光纖，使用 非常方便。OTDR不僅可

26、以測(cè)量光纖損耗系數(shù)和光纖長(zhǎng)度，還 可以測(cè)量連接器和接頭的損耗，觀察光纖沿線的均勻性和確定 故障點(diǎn)的位置，確實(shí)是光纖通信系統(tǒng)工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量不可缺少的 工具。 （三）光纖標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用（三）光纖標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用 制訂光纖標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際組織主要有ITU-T和IEC(國(guó)際電工委員 會(huì))。應(yīng)用情況一般為： G.651 多模漸變型(GIF)光纖，這種光纖在光纖通信發(fā)展初 期廣泛應(yīng)用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)。 G.652 常規(guī)單模光纖，是第一代單模光纖，其特點(diǎn)是在波 長(zhǎng)1.31m色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離只受損耗的限制。目前 世界上已敷設(shè)的光纖線路90%采用這種光纖。 G.653 色散移位光纖，是第二代單模光纖，其特點(diǎn)

27、是在波 長(zhǎng)1.55m色散為零，損耗又最小。這種光纖適用于大容量長(zhǎng) 距離通信系統(tǒng)。 G.654 1.55m損耗最小的單模光纖，其特點(diǎn)是在 波長(zhǎng)1.31m色散為零，在1.55m色散為1720 ps/(nmkm)，和常規(guī)單模光纖相同，但損耗更低，可 達(dá)0.20 dB/km以下。這種光纖實(shí)際上是一種用于 1.55m改進(jìn)的常規(guī)單模光纖，目的是增加傳輸距離。 此外還有色散補(bǔ)償光纖，其特點(diǎn)是在波長(zhǎng)1.55m具有 大的負(fù)色散。這種光纖是針對(duì)波長(zhǎng)1.31m常規(guī)單模光 纖通信系統(tǒng)的升級(jí)而設(shè)計(jì)的，因?yàn)楫?dāng)這種系統(tǒng)要使摻 鉺光纖放大器(EDFA)以增加傳輸距離時(shí)，必須把工作 波長(zhǎng)從1.31m移到1.55m。用色散補(bǔ)償光

28、纖在波長(zhǎng) 1.55m的負(fù)色散和常規(guī)單模光纖在1.55m的正色散相 互抵消，以獲得線路總色散為零損耗又最小的效果。 G.655 非零色散光纖，是一種改進(jìn)的色散移位光 纖。具有常規(guī)單模光纖和色散移位光纖的優(yōu)點(diǎn)，是最 新一代的單模光纖。這種光纖在密集波分復(fù)用和孤子 傳輸系統(tǒng)中使用，實(shí)現(xiàn)了超大容量超長(zhǎng)距離的通信。 4.2.4光纜及電力系統(tǒng)特種光纜光纜及電力系統(tǒng)特種光纜 在實(shí)際通信線路中，都是將光纖制成不同結(jié)構(gòu)型式 的光纜。因?yàn)楣饫w本身脆弱易裂，直接和外界接觸， 易產(chǎn)生接觸傷痕，甚至被折斷。保護(hù)光纖固有機(jī)械強(qiáng) 度的方法，通常是采用塑料被覆和應(yīng)力篩選。光纖從 高溫拉制出來(lái)后，要立即用軟塑料(例如紫外固化的

29、丙 烯酸樹脂)進(jìn)行一次被覆和應(yīng)力篩選，除去斷裂光纖， 并對(duì)成品光纖用硬塑料(例如高強(qiáng)度聚酰胺塑料)進(jìn)行二 次被覆。二次被覆光纖有緊套、松套、大套管和帶狀 線光纖四種。 把一次被覆光纖裝入硬塑料套管內(nèi)，使光纖與外力 隔離是保護(hù)光纖的有效方法。在工程應(yīng)用中，光纜不 可避免要遭受一定的拉力而伸長(zhǎng)，或者遭遇低溫而收 縮。因此，松套管內(nèi)的光纖要留有一定的余長(zhǎng)，使光 纖受拉力或壓力的作用。 （一）光纜結(jié)構(gòu)和類型（一）光纜結(jié)構(gòu)和類型 光纜一般由纜芯和護(hù)套兩部分組成，有時(shí)在護(hù)套外面 加有鎧裝。 1. 纜芯纜芯 纜芯通常包括被覆光纖(或稱芯線)和加強(qiáng)件兩部分。 被覆光纖是光纜的核心，決定著光纜的傳輸特性。 光纜

30、類型多種多樣，圖4-8給出若干典型實(shí)例。根據(jù) 纜芯結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，光纜可分為四種基本型式。 圖4-8光纜類型的典型實(shí)例 (a) 6芯緊套層絞式光纜(架空、管道)；(b) 12芯松套層絞式光纜(直埋防蟻)；(c) 12 芯骨架式光纜(直埋)； (d) 648芯束管 式光纜(直埋)；(e) 108芯帶狀光纜；(f) LXE束管式光纜(架空、管道、直埋)； (g) 淺海光纜； (h) 架空地線復(fù)合光纜 (OPGW) （1）層絞式。）層絞式。把松套光纖繞在中心加強(qiáng)件周圍絞合而 構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)的纜芯制造設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝相當(dāng)成熟， 得到廣泛應(yīng)用。采用松套光纖的纜芯可以增強(qiáng)抗拉強(qiáng) 度，改善溫度特性。 （2）骨架式

31、。）骨架式。把緊套光纖或一次被覆光纖放入中心加 強(qiáng)件周圍的螺旋形塑料骨架凹槽內(nèi)而構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu) 的纜芯抗側(cè)壓力性能好，有利于對(duì)光纖的保護(hù)。 （3）中心束管式。）中心束管式。把一次被覆光纖或光纖束放入大套 管中，加強(qiáng)件配置在套管周圍而構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)的加 強(qiáng)件同時(shí)起著護(hù)套的部分作用，有利于減輕光纜的重 量。 （4）帶狀式。）帶狀式。把帶狀光纖單元放入大套管內(nèi)，形成中心 束管式結(jié)構(gòu)，也可以把帶狀光纖單元放入骨架凹槽內(nèi) 或松套管內(nèi)，形成骨架式或?qū)咏g式結(jié)構(gòu)。帶狀式纜芯 有利于制造容納幾百根光纖的高密度光纜，這種光纜 已廣泛應(yīng)用于接入網(wǎng)。 2. 護(hù)套護(hù)套 護(hù)套起著對(duì)纜芯的機(jī)械保護(hù)和環(huán)境保護(hù)作用，要求具 有

32、良好的抗側(cè)壓力性能及密封防潮和耐腐蝕的能力。 護(hù)套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和鋁帶或鋼帶 構(gòu)成。不同使用環(huán)境和敷設(shè)方式對(duì)護(hù)套的材料和結(jié)構(gòu) 有不同的要求。 根據(jù)使用條件，光纜又可以分為許多類型。一般光纜 有室內(nèi)光纜、架空光纜、埋地光纜和管道光纜等。 （二）光纜特性（二）光纜特性 光纜的傳輸特性取決于被覆光纖。對(duì)光纜機(jī)械特性和 環(huán)境特性的要求由使用條件確定。光纜生產(chǎn)出來(lái)后， 對(duì)這些特性的主要項(xiàng)目：拉力、壓力、扭轉(zhuǎn)、彎曲、 沖擊、振動(dòng)和溫度等，要根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定做例行 試驗(yàn)。成品光纜一般要求給出上述特性。 4.3光源與光檢測(cè)器光源與光檢測(cè)器 光源、光檢測(cè)器是光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)和光中繼器

33、 的關(guān)鍵器件，和光纖一起決定著基本光纖傳輸系統(tǒng)的 水平。 4.3.1光源光源 光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件，其功能是把電信號(hào)轉(zhuǎn) 換為光信號(hào)。目前光纖通信廣泛使用的光源主要有半 導(dǎo)體激光二極管或稱激光器(LD)和發(fā)光二極管或稱發(fā) 光管(LED)。 （一）半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)（一）半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的基本原理是向半導(dǎo)體PN結(jié) 注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再 利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。 所以討論激光器工作原理要從受激輻射開始。 1. 受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 有源器件的物理基礎(chǔ)是光和物質(zhì)相互作用的效

34、應(yīng)。 在物質(zhì)的原子中，存在許多能級(jí)，最低能級(jí)E1稱為基 態(tài)，能量比基態(tài)大的能級(jí)Ei(i=2, 3, 4 )稱為激發(fā)態(tài)。 電子在低能級(jí)E1的基態(tài)和高能級(jí)E2的激發(fā)態(tài)之間的躍 遷有三種基本方式(見圖4-11)： hf12 初態(tài)E2 E1 終態(tài)E2 E1 (a)(b) hf12 (c) hf12 hf12 圖4-11 能級(jí)和電子躍遷 (a) 受激吸收； (b) 自發(fā)輻 射； (c) 受激輻射 （1）在正常狀態(tài)下，電子處于低能級(jí)E1，在入射光作 用下，它會(huì)吸收光子的能量躍遷到高能級(jí)E2上，這種躍 遷稱為受激吸收。電子躍遷后，在低能級(jí)留下相同數(shù)目 的空穴，見圖4-11(a)。 （2）在高能級(jí)E2的電子是

35、不穩(wěn)定的，即使沒有外界的 作用，也會(huì)自動(dòng)地躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放 的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射， 見圖4-11(b)。 （3）在高能級(jí)E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍 遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射， 這種躍遷稱為受激輻射，見圖4-11(c)。 受激輻射是受激吸收的逆過(guò)程。電子在E1和E2兩個(gè)能 級(jí)之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿 足波爾條件，即 E2-E1=hf12 (4-8) 式中：h為普朗克常數(shù)，h=6.62810-34Js；f12為吸 收或輻射的光子頻率。 受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光其特點(diǎn)很不相同。受激 輻射光的頻率、相

36、位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同， 這種光稱為相干光；自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的 電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)， 相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相 干光。產(chǎn)生受激輻射和產(chǎn)生受激吸收的物質(zhì)是不同的。 設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級(jí)E1和處于高能級(jí) E2(E2E1)的原子數(shù)分別為N1和N2。如果N1N2，則 受激吸收大于受激輻射，當(dāng)光通過(guò)這種物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng) 按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)。如果N2N1， 則受激輻射大于受激吸收，當(dāng)光通過(guò)這種物質(zhì)時(shí)，會(huì) 產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為激活物質(zhì)。N2N1的分 布，和正常狀態(tài)的分布相反，所以稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分 布。如何得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布

37、的狀態(tài)呢? 2. PN結(jié)的能帶和電子分布結(jié)的能帶和電子分布 在P型和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)界面上，由于存在多 數(shù)載流子(電子或空穴)的梯度，因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形 成內(nèi)部電場(chǎng)，見圖4-12(a)。 4.4光端機(jī)光端機(jī) 4.4.1發(fā)射機(jī)發(fā)射機(jī) 光發(fā)射機(jī)的功能是把輸入電信號(hào)轉(zhuǎn)換 為光信號(hào),并用耦合技術(shù)把光信號(hào)最大限度 地注入光纖線路。 光發(fā)射機(jī)完成把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào) (常簡(jiǎn)稱為電/光或E/O轉(zhuǎn)換)，是通過(guò)電信號(hào) 對(duì)光的調(diào)制而實(shí)現(xiàn)的。 兩種調(diào)制方式兩種調(diào)制方式 目前調(diào)制分為直接調(diào)制和外調(diào)制兩種方式。如圖 4-20所示。 激光源 驅(qū)動(dòng)器 光纖 光信號(hào)輸出 電信號(hào) 輸入 (a) 激光源調(diào)制器 驅(qū)動(dòng)和控制

38、 電信號(hào)輸入 光纖 光信號(hào)輸出 (b) 圖 4-20 兩種調(diào)制方案 (a) 直接調(diào)制； (b) 間接調(diào)制(外調(diào)制) 1直接調(diào)制直接調(diào)制 直接調(diào)制是用電信號(hào)直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二 極管的驅(qū)動(dòng)電流，使輸出光隨電信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)的。圖 4-21示出激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)直接光強(qiáng)數(shù)字調(diào) 制原理，對(duì)LD施加了偏置電流Ib。由圖4-21可見，當(dāng)激 光器的驅(qū)動(dòng)電流大于閾值電流Ith時(shí)，輸出光功率P和驅(qū) 動(dòng)電流I基本上是線性關(guān)系，輸出光功率和輸入電流成正 比，所以輸出光信號(hào)反映輸入電信號(hào)。 這種方案技術(shù)簡(jiǎn)單，成本較低，容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速 率受激光器的頻率特性所限制。 圖4-21直接光強(qiáng)數(shù)字調(diào)

39、制原理 (a) LED數(shù)字調(diào)制原理； (b) LD的數(shù)字調(diào)制原 理 2. 外調(diào)制外調(diào)制 外調(diào)制是把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開，用獨(dú)立的調(diào)制器調(diào)制激 光器的輸出光而實(shí)現(xiàn)的。如圖4-20（b）所示。目前有多種調(diào) 制器可供選擇，最常用的是電光調(diào)制器。這種調(diào)制器是利用電 信號(hào)改變電光晶體的折射率，使通過(guò)調(diào)制器的光參數(shù)隨電信號(hào) 變化而實(shí)現(xiàn)調(diào)制的。外調(diào)制方式雖然技術(shù)復(fù)雜，但是傳輸速率 和接收靈敏度很高，在大容量的波分復(fù)用和相干光通信系統(tǒng)中 使用，是很有發(fā)展前途的通信方式。 （二）光發(fā)射機(jī)基本組成（二）光發(fā)射機(jī)基本組成 目前技術(shù)上成熟并在實(shí)際光纖通信系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用的是直 接光強(qiáng)(功率)調(diào)制。直接調(diào)制 光發(fā)射機(jī)由

40、輸入接口、編碼電路、光源、驅(qū)動(dòng)電路、公務(wù)及監(jiān) 控電路、自動(dòng)偏置控制電路、溫控電路等組成(圖4-22)，其核 心是光源及驅(qū)動(dòng)電路。 電信號(hào) 光信號(hào) 輸入電路驅(qū)動(dòng)電路光源 保護(hù)、報(bào)警 自動(dòng)偏置 編碼電路 圖4-22數(shù)字光發(fā)送機(jī)框圖 工作過(guò)程是這樣的：輸入電路將輸入的PCM脈沖信 號(hào)進(jìn)行整形，變換成NRZ/RZ碼后送給編碼電路，編碼 電路將簡(jiǎn)單的二電平碼變換為適合于光纖傳輸?shù)木€路 碼，因?yàn)樵诠饫w通信系統(tǒng)中，從電端機(jī)輸出的是適合 于電纜傳輸?shù)碾p極性碼。光源不可能發(fā)射負(fù)光脈沖， 因此必須進(jìn)行碼型變換，以適合于數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 傳輸?shù)囊?。在光發(fā)射機(jī)中有編碼電路，在光接收機(jī) 中有對(duì)應(yīng)的解碼電路。 常用的光

41、纖線路碼有擾碼、mBnB碼和插入碼。線 路碼通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)制光源。驅(qū)動(dòng)電路要給光源提供 一個(gè)合適的偏置電流和調(diào)制電流。為了穩(wěn)定輸出的平 均光功率和工作溫度，通常設(shè)置一個(gè)自動(dòng)功率控制電 路（APC）和自動(dòng)溫控電路（ATC）。此外，在光發(fā)射 機(jī)中還有監(jiān)控、報(bào)警電路，對(duì)光源壽命及工作狀態(tài)進(jìn) 行監(jiān)控與報(bào)警等。 數(shù)字光發(fā)射機(jī)最重要的性能指標(biāo)為平均輸出光功率 和消光比。 1. 平均發(fā)送光功率平均發(fā)送光功率 （1）平均發(fā)送光功率的定義。 光端機(jī)的平均發(fā)送光功率是指光端機(jī)在正常工作的情 況下，由電端機(jī)輸出223-1或215-1的偽隨機(jī)碼時(shí)，在光 端機(jī)輸出端測(cè)量到的平均光功率。平均發(fā)送光功率的功 率值用PT（W

42、）表示，電平值用LT（dBm）表示，光功 率值與電平值之間的關(guān)系是： （4-11） 3 10 lg10 T T P L 對(duì)于一個(gè)實(shí)際的光纖通信系統(tǒng)，平均發(fā)送光功率并不是 越大越好，雖然從理論上講，發(fā)送光功率越大，通信距離越 長(zhǎng)，但光功率越大會(huì)使光纖工作在非線性狀態(tài)，這種非線性 狀態(tài)會(huì)對(duì)光纖產(chǎn)生不良影響。 2消光比消光比 （1）消光比的定義。 消光比是指光端機(jī)的電接口輸入為全“1”碼和全“0”碼時(shí) 的平均發(fā)送光功率之比，用EXT表示。 無(wú)輸入信號(hào)時(shí)，光端機(jī)輸出平均發(fā)送光功率P0，對(duì)接收機(jī) 來(lái)說(shuō)是一種噪聲，會(huì)降低接收機(jī)的靈敏度，因此希望消光比 越小越好。但是，對(duì)激光器LD來(lái)講，要使消光比小就要減

43、小偏置電流，從而使光源輸出功率降低，譜線寬度增加。所 以要全面考慮消光比與其它指標(biāo)之間的矛盾。 4.4.2光接收機(jī)光接收機(jī) （一）光接收機(jī)基本組成 直接檢測(cè)方式的數(shù)字光接收機(jī)方框圖示于圖4-23， 主要包括光檢測(cè)器、前置放大器、主放大器、均衡器、 時(shí)鐘提取電路、取樣判決器以及自動(dòng)增益控制(AGC)電 路。 光檢測(cè)器 偏壓控制 前置放大器 AGC 電路 均衡器判決器 時(shí)鐘 提取 再生碼流 主放大器 光信號(hào) 圖4-23 數(shù)字光接收機(jī)方框圖 1. 光檢測(cè)器光檢測(cè)器 光檢測(cè)器是光接收機(jī)實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，其性 能特別是響應(yīng)度和噪聲直接影響光接收機(jī)的靈敏度。 2. 放大器放大器 前置放大器應(yīng)是低噪

44、聲放大器，它的噪聲對(duì)光接收機(jī) 的靈敏度影響很大。 主放大器一般是多級(jí)放大器，它的作用是提供足夠的 增益，并通過(guò)它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制(AGC)，以使輸入光 信號(hào)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電信號(hào)保持恒定。主放 大器和AGC決定著光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。 3. 均衡和再生均衡和再生 均衡的目的是對(duì)經(jīng)光纖傳輸、光/電轉(zhuǎn)換和放大后已產(chǎn) 生畸變(失真)的電信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出信號(hào)的波形適 合于判決(一般用具有升余弦譜的碼元脈沖波形)，以消 除碼間干擾，減小誤碼率。 再生電路包括判決電路和時(shí)鐘提取電路，它的功能是 從放大器輸出的信號(hào)與噪聲混合的波形中提取碼元時(shí)鐘， 并逐個(gè)地對(duì)碼元波形進(jìn)行取樣判決，以得到原發(fā)送的碼

45、流。 （二）光電集成接收機(jī)（二）光電集成接收機(jī) 為了適合高傳輸速率的需求，人們一直在努力開發(fā)而 且已實(shí)現(xiàn)單片光接收機(jī)，即用“光電集成電路(OEIC)技術(shù)” 在同一芯片上集成包括光檢測(cè)器在內(nèi)的全部元件。 （三）噪聲特性（三）噪聲特性 光接收機(jī)的噪聲有兩部分：一部分是外部電磁干擾產(chǎn) 生的，這部分噪聲的危害可以通過(guò)屏蔽或?yàn)V波加以消除； 另一部分是內(nèi)部產(chǎn)生的，這部分噪聲是在信號(hào)檢測(cè)和放大 過(guò)程中引入的隨機(jī)噪聲，只能通過(guò)器件的選擇和電路的設(shè) 計(jì)與制造盡可能減小，一般不可能完全消除。下面討論的 噪聲是指內(nèi)部產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲。 光接收機(jī)噪聲的主要來(lái)源是光檢測(cè)器的噪聲和前置放 大器的噪聲。因?yàn)榍爸眉?jí)輸入的是微弱

46、信號(hào)，其噪聲對(duì)輸 出信噪比影響很大，而主放大器輸入的是經(jīng)前置級(jí)放大的 信號(hào)，只要前置級(jí)增益足夠大，主放大器引入的噪聲就可 以忽略。 （四）主要性能（四）主要性能 1. 靈敏度靈敏度 靈敏度Pr的定義是，在保證誤碼率的條件下，光接收 機(jī)所需的最小平均接收光功率Pmin，并以dBm為單位。 靈敏度是衡量光接收機(jī)質(zhì)量的綜合指標(biāo)，它反映接收機(jī)調(diào) 整到最佳狀態(tài)時(shí)，接收微弱光信號(hào)的能力。靈敏度主要 取決于組成光接收機(jī)的光電二極管和放大器的噪聲，并受 傳輸速率、光發(fā)射機(jī)的參數(shù)和光纖線路的色散的影響，還 與系統(tǒng)要求的誤碼率或信噪比有密切關(guān)系。所以靈敏度也 是反映光纖通信系統(tǒng)質(zhì)量的重要指標(biāo)。 2. 動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)

47、范圍 光接收機(jī)應(yīng)具有一定的動(dòng)態(tài)范圍。由于使用條件不同， 輸入光接收機(jī)的光信號(hào)大小要發(fā)生變化，為實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范 圍，采用AGC是十分有必要的。 動(dòng)態(tài)范圍(DR)的定義是：在限定的誤碼率條件下，光 接收機(jī)所能承受的最大平均接收光功率Pmin和所需最小平 均接收光功率Pmin的比值，用dB表示。 動(dòng)態(tài)范圍是光接收機(jī)性能的另一個(gè)重要指標(biāo)，它表示光 接收機(jī)接收強(qiáng)光的能力，數(shù)字光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍一般應(yīng) 大于15 dB。 4.5數(shù)字光纖通信系統(tǒng)數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 4.5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 光纖通信系統(tǒng)是通信網(wǎng)的一個(gè)組成部分。典型的光 纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-24所示。從圖中可以看出，該 系統(tǒng)是由發(fā)射端機(jī)(電/光

48、)、接收端機(jī)(光/電)、光中繼 器、監(jiān)控系統(tǒng)、備用系統(tǒng)等組成。由于在前面已經(jīng)對(duì) 端機(jī)進(jìn)行了討論，下面僅就光中繼器加以介紹。 光接收機(jī) 光發(fā)射機(jī) 光中繼器 光接收機(jī) 光發(fā)射機(jī) 圖4-24光纖通信系統(tǒng)示意圖 光纖 光 纖 1. 光中繼器光中繼器 傳統(tǒng)的光中繼器采用光電光的轉(zhuǎn)換形式，即先將 受到的微弱光信號(hào)用光檢測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后進(jìn)行放大、 整形和再生后，恢復(fù)出原來(lái)的數(shù)字信號(hào)，然后再對(duì)光源 進(jìn)行調(diào)制，變換為光脈沖信號(hào)后送入光纖繼續(xù)傳輸。 自光纖放大器實(shí)用化以來(lái)，光纖放大器開始代替?zhèn)鹘y(tǒng) 的光中繼器，特別是在高速光纖通信系統(tǒng)中。光放大器 能直接放大光信號(hào)，對(duì)信號(hào)的格式和速率具有高度的透 明性，使得整個(gè)系

49、統(tǒng)更加簡(jiǎn)單、靈活。 4.5.2系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) （一）誤碼性能 1. 誤碼的定義 光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)的誤碼性能用誤碼率BER來(lái)衡量。即 在特定的一段時(shí)間內(nèi)所接收的錯(cuò)誤碼元與同一時(shí)間內(nèi)所接 收的總碼元數(shù)之比。 2. 誤碼發(fā)生的形態(tài)和原因 誤碼發(fā)生的形態(tài)主要有兩類：一類是隨機(jī)形態(tài)的誤碼， 即誤碼主要是單個(gè)隨機(jī)發(fā)生的，具有偶然性；另一類是突 發(fā)的、成群發(fā)生的誤碼，這種誤碼可能在某個(gè)瞬間集中發(fā) 生，而其它大部分時(shí)間無(wú)誤碼發(fā)生。誤碼發(fā)生的原因是多 方面的。如數(shù)字網(wǎng)中的熱噪聲，交換設(shè)備的脈沖噪聲干擾， 雷電的電磁感應(yīng)，電力線產(chǎn)生的干擾等。 3. 誤碼性能的評(píng)定方法誤碼性能的評(píng)定方法 評(píng)定

50、誤碼性能的參數(shù)包括平均誤碼率、劣化分、嚴(yán)重誤 碼秒和誤碼秒。 （二）抖動(dòng)性能（二）抖動(dòng)性能 1. 抖動(dòng)的定義抖動(dòng)的定義 抖動(dòng)是數(shù)字信號(hào)傳輸中的一種瞬時(shí)不穩(wěn)定現(xiàn)象。即數(shù)字信 號(hào)的各有效瞬間對(duì)其理想時(shí)間位置的短時(shí)間偏離，稱為抖 動(dòng)。圖4-25為定時(shí)抖動(dòng)的圖解定義。 抖動(dòng)可分為相位抖動(dòng)和定時(shí)抖動(dòng)。相位抖動(dòng)是指?jìng)鬏斶^(guò) 程中所形成的周期性的相位變化。定時(shí)抖動(dòng)是指脈碼傳輸 系統(tǒng)中的同步誤差。 發(fā)送信號(hào) 接收信號(hào) 圖4-25 定時(shí)抖動(dòng)的圖解 抖動(dòng)的大小或幅度通?？捎脮r(shí)間、相位或數(shù)字周期來(lái)表 示。目前多用數(shù)字周期來(lái)表示，即“單位間隔”，用符號(hào) UI（Unit Interval），也就是1比特信息所占有的時(shí)間間

51、隔。 例如碼速率為34.368Mb/s的脈沖信號(hào)，1UI=1/34.368s。 2. 抖動(dòng)產(chǎn)生的原因抖動(dòng)產(chǎn)生的原因 （1）數(shù)字再生中繼器引起的抖動(dòng)。由于再生中繼器中 的定時(shí)恢復(fù)電路的不完善及再生中繼器的累計(jì)導(dǎo)致了抖動(dòng) 的產(chǎn)生和累加。 （2）數(shù)字復(fù)接及分接器引起的抖動(dòng)。在復(fù)接器的支路 輸入口，各支路數(shù)字信號(hào)附加上碼速調(diào)整控制比特和幀定 位信號(hào)形成群輸出信號(hào)。而在分接器的輸入口，要將附加 比特扣除，恢復(fù)原分支數(shù)字信號(hào)，這些將不可避免地引起 抖動(dòng)。 （3）噪聲引起的抖動(dòng)。由于數(shù)字信號(hào)處理電路引起的各種 噪聲。 （4）其它原因。由于環(huán)境溫度的變化、傳輸線路的長(zhǎng)短及 環(huán)境條件等也會(huì)引起抖動(dòng)。 3. 抖動(dòng)

52、的類型抖動(dòng)的類型 （1）隨機(jī)性抖動(dòng)。在再生中繼器內(nèi)與傳輸信號(hào)關(guān)系不大 的抖動(dòng)來(lái)源稱為隨機(jī)性抖動(dòng)。這些抖動(dòng)主要由于環(huán)境變化、 器件老化及定時(shí)調(diào)諧回路失調(diào)引起。 （2）系統(tǒng)性抖動(dòng)。由于碼間干擾，定時(shí)電路幅度相位 轉(zhuǎn)換等因素引起的抖動(dòng)。 4. 抖動(dòng)的容限抖動(dòng)的容限 （1）輸入抖動(dòng)容限。輸入抖動(dòng)容限是指數(shù)字段能夠允許 的輸入信號(hào)的最低抖動(dòng)限值，即加大輸入信號(hào)的抖動(dòng)值， 直到設(shè)備由不誤碼到開始誤碼的這個(gè)分界點(diǎn)。此時(shí)的輸 入信號(hào)上的誤碼即為最大允許輸入抖動(dòng)下限。 （2）輸出抖動(dòng)容限。 在數(shù)字段輸入信號(hào)無(wú)抖動(dòng)時(shí)，由于 數(shù)字段內(nèi)的中繼器產(chǎn)生抖動(dòng)，并按一定規(guī)律進(jìn)行累計(jì)， 于是在數(shù)字段輸出端產(chǎn)生抖動(dòng)。ITUT提出

53、了數(shù)字段無(wú) 輸入抖動(dòng)時(shí)的輸出抖動(dòng)上限，即為輸出抖動(dòng)容限。 （3）抖動(dòng)轉(zhuǎn)移特性。由于輸入口數(shù)字信號(hào)的抖動(dòng) 經(jīng)設(shè)備或系統(tǒng)轉(zhuǎn)移后到達(dá)輸出口，從而構(gòu)成了輸出 抖動(dòng)的另一個(gè)來(lái)源。為了保證數(shù)字網(wǎng)抖動(dòng)的總質(zhì)量 目標(biāo)，ITUT建議抖動(dòng)轉(zhuǎn)移增益不大于1dB。 發(fā) 送 電端機(jī)光端機(jī)光纖光纖光端機(jī)電端機(jī) A B S R B A 接 收 發(fā) 送 接 收 中繼 中繼 R S 發(fā) 送 接 收 發(fā) 送 接 收 圖4-26 光纖通信系統(tǒng)的具體組成 （三）光纖通信系統(tǒng)接口指標(biāo)（三）光纖通信系統(tǒng)接口指標(biāo) 一個(gè)完整的光纖通信系統(tǒng)的具體組成如圖4-26所示。 我們把光端機(jī)與光纖的連接點(diǎn)稱為光接口。光接口 有兩個(gè)，一個(gè)由S點(diǎn)向光纖發(fā)送

54、光信號(hào)；另一個(gè)由R點(diǎn)從 光纖接收信號(hào)。光中繼器兩側(cè)均與光纖相連，所以它兩 側(cè)的接口均為光接口。光接口是光纖通信系統(tǒng)特有的接 口。在S點(diǎn)的主要指標(biāo)有平均發(fā)送光功率和消光比，在R 點(diǎn)的主要指標(biāo)有接收機(jī)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。 圖4-26中的A、B點(diǎn)為電接口。通常把A點(diǎn)稱為輸入口， B點(diǎn)稱為輸出口。在輸入口和輸出口都需要測(cè)試的指標(biāo) 是：比特率及容差、反射損耗。在輸入口測(cè)試的指標(biāo)有 輸入口允許衰減和抗干擾能力、輸入抖動(dòng)容限；在輸出 口測(cè)試的指標(biāo)有輸出口脈沖波形、無(wú)輸入抖動(dòng)時(shí)的輸出 抖動(dòng)容限。 三、光纖傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)三、光纖傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 根據(jù)前面所討論的光纖傳輸系統(tǒng)的各種指標(biāo)要求，光發(fā) 射機(jī)與光接收機(jī)之間有

55、最大傳輸距離的問(wèn)題。因此如要 實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通信，在設(shè)計(jì)一個(gè)光纖系統(tǒng)時(shí)，最大中繼距 離的設(shè)計(jì)就是一個(gè)重要問(wèn)題。從前面的性能討論知道， 最大中繼距離要受發(fā)射機(jī)耦合入光纖的功率PT、光接收 機(jī)靈敏度Pmin、光纖的衰減系數(shù)、光纖的色散4個(gè)因素 的影響。 下面我們分兩種情況討論： 1. 中繼距離受光纖衰減限制的情況中繼距離受光纖衰減限制的情況 如果在光纖通信系統(tǒng)中，信號(hào)的碼速不是很高，帶寬 足夠?qū)?，則光纖的色散對(duì)傳輸距離的影響不大，可認(rèn)為光 纖傳輸系統(tǒng)的最大中繼距離僅受光纖衰減的影響。則中繼 距離的長(zhǎng)度可按下式計(jì)算。 （4-12） msf ecT MPP L 2 min 式中：PT 為平均發(fā)射光功率(d

56、Bm)；Pmin為接收靈敏度 (dBm)；c 為連接器損耗（dB/對(duì)）； Me 為系統(tǒng)余量(dB)； f為光纖損耗系數(shù)(dB/km)；s為每km光纖平均接頭損耗 (dB/km)；m為每km光纖線路損耗余量(dB/km)；L 為中繼 距離(km)。 連接器損耗一般為0.31 dB/對(duì)。設(shè)備余量Me包括由于時(shí)間 和環(huán)境的變化而引起的發(fā)射光功率和接收靈敏度下降，以及 設(shè)備內(nèi)光纖連接器性能劣化，Me一般不小于3 dB。 光纖損耗系數(shù)f取決于光纖類型和工作波長(zhǎng)。光纖損耗余量 m一般為0.10.2 dB/km，但一個(gè)中繼段總余量不超過(guò)5 dB。平均接頭損耗可取0.05 dB/個(gè)，每千米光纖平均接頭損 耗s

57、可根據(jù)光纜生產(chǎn)長(zhǎng)度計(jì)算得到。 2. 色散對(duì)中繼距離的影響色散對(duì)中繼距離的影響 當(dāng)光纖系統(tǒng)的碼速大于140Mb/s時(shí)，如果中繼距離過(guò)長(zhǎng)， 由于色散的影響，會(huì)造成數(shù)字信號(hào)脈沖過(guò)大的展寬，引起碼 間干擾，從而降低光接收機(jī)的靈敏度。就目前的速率系統(tǒng)而 言，僅考慮色散影響的中繼距離的計(jì)算公式為 （4-13） Df L b D 6 10 式中：LD為傳輸距離，km；為線路碼速率，Mb/s；D 為色散系數(shù)，ps/kmnm；為與色散代價(jià)有關(guān)的系數(shù)。 由系統(tǒng)中所選用的光源類型來(lái)決定，若采用多縱模激光器， 取為0.115；若采用單縱模激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管， 則取為0.306。對(duì)于某一傳輸速率的系統(tǒng)而言，在考慮

58、上 述兩個(gè)因素的同時(shí)，分別算出兩個(gè)中繼距離L和LD，然后 取距離短的為該傳輸速率的實(shí)際中繼距離。 以140 Mb/s單模光纖通信系統(tǒng)為例計(jì)算中繼距離。設(shè)系 統(tǒng)平均發(fā)射功率PT=-3 dBm, 接收靈敏度Pmin=-42 dBm， 設(shè)備余量Me=3 dB，連接器損耗c=0.3dB/對(duì)，光纖損耗 系數(shù) f=0.35 dB/km, 光纖余量m=0.1 dB/km，每km光纖平均 接頭損耗s=0.03 dB/km。把這些數(shù)據(jù)代入式(4-12)， 得 到中繼距離74km。又設(shè)線路碼型為5B6B, 線路碼速率 fb=140(6/5)=168 Mb/s, |C0|=3.0 ps/(nmkm)， =2.5 n

59、m。把這些數(shù)據(jù)代入式(4-13)，得到中繼距離 91km。因?yàn)?，LDL，所以中繼距離為74km。在工程設(shè)計(jì) 中，中繼距離應(yīng)取74 km。 在本例中中繼距離主要受損耗 限制。 （三）功率預(yù)算（三）功率預(yù)算 功率預(yù)算是設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)所必需的，正確的預(yù)算，才能選 擇合適的功率匹配，使整個(gè)系統(tǒng)工作在良好狀態(tài)。受損耗限制 的中繼距離由第五節(jié)式（4-13）確定，也可采用預(yù)算損耗的方 法。 用S表示總損耗，表示每公里光纖損耗，dB/km ；L表示光纜長(zhǎng) 度km，表示光纜接頭損耗dB/個(gè)，n表示接頭數(shù)量，表示光纖 連接器損耗，dB/個(gè)；m表示連接器數(shù)量，Mc表示光纜富余度 (常見0.050.1dB/km)，Me

60、表示光設(shè)備富余度。則 S=L+n+m+MC+Me。 （4-14） 現(xiàn)舉一例說(shuō)明，某電業(yè)局A變一B變，全長(zhǎng)約30km(電力 線長(zhǎng)度為接近29km)，1310nm波長(zhǎng)光纜損耗為0.33dB/km， 取0.1dB/個(gè)，光纜盤長(zhǎng)以標(biāo)稱3km計(jì)，接頭11個(gè)，取1dB/個(gè)， 共2個(gè)，Mc取3dB，Me取1dB。這樣： S=0.3330+0.111+12+3+1 =17dB 計(jì)算出該結(jié)果就要看光設(shè)備發(fā)送功率與該結(jié)果的差值在 光設(shè)備接收功率動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)，否則就要提高發(fā)光功率或者 增加光衰減器，來(lái)達(dá)到功率平衡。 （四）色散預(yù)算（四）色散預(yù)算 由于色散的存在，光脈沖在傳輸過(guò)程中將被展寬，限制了 光纖的傳輸容量或者