基本光纖通信系統(tǒng)

1、基本光纖通信系統(tǒng)基本光纖通信系統(tǒng)最基本的光纖通信系統(tǒng)由數(shù)據(jù)源、光發(fā)送端、光學(xué)信道和光接收機(jī)組成。其中數(shù)據(jù)源包括所有的信號源，它們是話音、圖象、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)經(jīng)過信源編碼所得到的信號；光發(fā)送機(jī)和調(diào)制器則負(fù)責(zé)將信號轉(zhuǎn)變成適合于在光纖上傳輸?shù)墓庑盘?，先后用過的光波窗口有0.85、1.31和1.55。光學(xué)信道包括最基本的光纖，還有中繼放大器EDFA等；而光學(xué)接收機(jī)則接收光信號，并從中提取信息，然后轉(zhuǎn)變成電信號，最后得到對應(yīng)的話音、圖象、數(shù)據(jù)等信息。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)光纖傳輸系統(tǒng)是數(shù)字通信的理想通道。與模擬通信相比較，數(shù)字通信有很多的優(yōu)點，靈敏度高、傳輸質(zhì)量好。因此，大容量長距離的光纖通信系統(tǒng)大多采用數(shù)字傳輸

2、方式。 電發(fā)射端機(jī)主要任務(wù)是PCM編碼和信號的多路復(fù)用。多路復(fù)用是指將多路信號組合在一條物理信道上進(jìn)行傳輸，到接收端再用專門的設(shè)備將各路信號分離出來，多路復(fù)用可以極大地提高通信線路的利用率。在光纖通信系統(tǒng)中，光纖中傳輸?shù)氖嵌M(jìn)制光脈沖0碼和1碼，它由二進(jìn)制數(shù)字信號對光源進(jìn)行通斷調(diào)制而產(chǎn)生。而數(shù)字信號是對連續(xù)變化的模擬信號進(jìn)行抽樣、量化和編碼產(chǎn)生的，稱為PCM（pulse code modulation），即脈沖編碼調(diào)制。這種電的數(shù)字信號稱為數(shù)字基帶信號，由PCM電端機(jī)產(chǎn)生。抽樣是指從原始的時間和幅度連續(xù)的模擬信號中離散地抽取一部分樣值，變換成時間和幅度都是離散的數(shù)字信號的過程。抽樣所得的信號幅

3、度是無限多的，讓這些幅度無限多的連續(xù)樣值信號通過一個量化器，四舍五入，使這些幅度變?yōu)橛邢薜腗種（M為整數(shù)），這就是量化。由于在量化的過程中幅度取了整數(shù)，所以量化后的信號與抽樣信號之間有一個差值（稱為量化誤差），使接收端的信號與原信號間有一定的誤差，這種誤差表現(xiàn)為接收噪聲，稱為量化噪聲。碼位數(shù)M越多，分級就越細(xì)，誤差越小，量化噪聲也越小。編碼是指按照一定的規(guī)則將抽樣所得的M種信號用一組二進(jìn)制或者其它進(jìn)制的數(shù)來表示，每種信號都可以由N個2二進(jìn)制數(shù)來表示，M和N滿足M=2N。例如如果量化后的幅值有8種，則編碼時每個幅值都需要用3個二進(jìn)制的序列來表示。需要注意的是，此處的編碼僅指信源編碼，這和后面提到

4、的信道編碼是有所區(qū)別的?，F(xiàn)以話音為例來說明這個過程。我們知道話音的頻率范圍是3003,400Hz，在抽樣的時候，要遵循所謂的奈奎斯特抽樣率，實際中按8,000Hz的速率進(jìn)行抽樣。為了保證通話的質(zhì)量，在長途干線話路中采用的是8位碼（28=256個碼組）。這樣量化值有256種，每一種量化值都需要用8位二進(jìn)制碼編碼，那么每一個話路的話音信號速率為8864kbps。奈奎斯特抽樣定理：要從抽樣信號中無失真地恢復(fù)原信號，抽樣頻率應(yīng)大于2倍信號最高頻率。多路復(fù)用技術(shù)包括：頻分多路復(fù)用（FDM）、時分多路復(fù)用（TDM）、波分多路復(fù)用（WDM）、碼分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）。時分多路復(fù)用：當(dāng)信道達(dá)

5、到的數(shù)據(jù)傳輸率大于各路信號的數(shù)據(jù)傳輸率總和時，可以將使用信道的時間分成一個個的時間片（時隙），按一定規(guī)則將這些時間片分配給各路信號，每一路信號只能在自己的時間片內(nèi)獨占信道進(jìn)行傳輸，所以信號之間不會互相干擾。頻分多路復(fù)用：當(dāng)信道帶寬大于各路信號的總帶寬時，可以將信道分割成若干個子信道，每個子信道用來傳輸一路信號?；蛘哒f是將頻率劃分成不同的頻率段，不同路的信號在不同的頻段內(nèi)傳送，各個頻段之間不會相互影響，所以不同路的信號可以同時傳送。這就是頻分多路復(fù)用（FDM）。TDM和FDM波分多路復(fù)用：是FDM應(yīng)用于光纖信道的一個變例。碼分多址（CDMA）：這種技術(shù)多用于移動通信，不同的移動臺（或手機(jī)）可以使

6、用同一個頻率，但是每個移動臺（或手機(jī)）都被分配帶有一個獨特的碼序列，該序列碼與所有別的碼序列都不相同，所以各個用戶相互之間也沒有干擾。因為是靠不同的碼序列來區(qū)分不同的移動臺（或手機(jī)），所以叫做碼分多址（CDMA）技術(shù)?？辗侄嘀罚⊿DMA）：這種技術(shù)是利用空間分割構(gòu)成不同的信道。舉例來說，在一顆衛(wèi)星上使用多個天線，各個天線的波束射向地球表面的不同區(qū)域。地面上不同地區(qū)的地球站，它們在同一時間、即使使用相同的頻率進(jìn)行工作，它們之間也不會形成干擾?？辗侄嘀罚⊿DMA）是一種信道增容的方式，可以實現(xiàn)頻率的重復(fù)使用，充分利用頻率資源。空分多址還可以和其它多址方式相互兼容，從而實現(xiàn)組合的多址技術(shù)，例如空分碼

7、分多址（SD-CDMA）。光發(fā)送端機(jī)組成從PCM設(shè)備（電端機(jī)）送來的電信號是適合PCM傳輸?shù)拇a型，為HDB3碼或CMI碼。信號進(jìn)入光發(fā)送機(jī)后，首先進(jìn)入輸入接口電路，進(jìn)行信道編碼，變成由0和1碼組成的不歸零碼（NRZ）。然后在碼型變換電路中進(jìn)行碼型變換，變換成適合于光線路傳輸?shù)膍BnB碼或插入碼，再送入光發(fā)送電路，將電信號變換成光信號，送入光纖傳輸。 線路編碼：又稱信道編碼，其作用是消除或減少數(shù)字電信號中的直流和低頻分量，以便于在光纖中傳輸、接收及監(jiān)測。大體可歸納為三類：擾碼二進(jìn)制、字變換碼、插入型碼。我們知道將一種數(shù)據(jù)形式轉(zhuǎn)換成適合于在信道上傳輸?shù)哪撤N電信號形式，這類技術(shù)統(tǒng)稱為調(diào)制/解調(diào)技術(shù)。

8、碼名 單極性脈沖 雙極性脈沖 不歸零碼（NRZ） 歸零碼(RZ) 曼徹斯特編碼 特點 用電壓的有、無表示兩個二進(jìn)制數(shù)。 用正、負(fù)電壓分別表示兩個二進(jìn)制數(shù)。 是指在一個碼元時間內(nèi)，電壓保持恒定，這種碼又稱為全寬碼。 是指在一個碼元的時間內(nèi)，非零電壓的持續(xù)時間小于一個碼元的時間即在一個碼元的后半部分時間內(nèi)，電壓總是要歸于零。 利用電平的跳躍來表示0或1 優(yōu)缺點 積累直流分量，會損壞電鍍層。 可有效抑制直流分量。 續(xù)1或0時，碼元不易區(qū)分。 帶寬較大 便于提取時鐘信號，常用于局域網(wǎng)中。 調(diào)制方式：模擬通信可采用調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相等多種調(diào)制方式，采用數(shù)字調(diào)制時，相應(yīng)地稱為幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（F

9、SK）、相移鍵控（PSK）；信號只有兩種狀態(tài)的ASK稱為通斷鍵控（OOK），當(dāng)前的數(shù)字通信系統(tǒng)使用OOK-PCM格式，屬于強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測（IM-DD）通信方式，是通信方式中最簡單、最初級的方式。而相干通信系統(tǒng)則可使用ASK、FSK或PSK-PCM格式，是復(fù)雜、高級的通信方式光發(fā)射機(jī)包括以下參數(shù)：發(fā)送光功率（dBm） 光譜特性 最大均方根寬度 最大20dB跌落寬度 最小邊模抑制比（SMSR） 光中繼器目前，實用的光纖數(shù)字通信系統(tǒng)都是用二進(jìn)制PCM信號對光源進(jìn)行直接強(qiáng)度調(diào)制的。光發(fā)送機(jī)輸出的經(jīng)過強(qiáng)度調(diào)制的光脈沖信號通過光纖傳輸?shù)浇邮斩?。由于受發(fā)送光功率、接收機(jī)靈敏度、光纖線路損耗、甚至色散等因

10、素的影響及限制，光端機(jī)之間的最大傳輸距離是有限的。例如，在1.31m工作區(qū)34Mbs光端機(jī)的最大傳輸距離一般在5070km，140Mbs光端機(jī)的最大傳輸距離一般在4060km。如果要超過這個最大傳輸距離，通?？紤]增加光中繼器，以放大和處理經(jīng)衰減和變形了的光脈沖。目前的光中繼器常采用光電再生中繼器，即光一電光中繼器，這相當(dāng)于光纖傳輸?shù)慕恿φ尽Ｈ绱?，就可以把傳輸距離大大延長。傳統(tǒng)的光中繼器采用的是光電光(O-E-O)的模式，光電檢測器先將光纖送來的非常微弱的并失真了的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再通過放大、整形、再定時，還原成與原來的信號一樣的電脈沖信號。然后用這一電脈沖信號驅(qū)動激光器發(fā)光，又將電信號變換

11、成光信號，向下一段光纖發(fā)送出光脈沖信號。通常把有再放大(re-amplifying)、再整形（re-shaping）、再定時（re-timing）這三種功能的中繼器稱為3R中繼器。這種方式過程繁瑣，很不利于光纖的高速傳輸。自從摻鉺光纖放大器問世以后，光中繼實現(xiàn)了全光中繼，通常又稱為1R（re-amplifying）再生。此技術(shù)目前仍然是通信領(lǐng)域的研究熱點。3R再生向1R再生的轉(zhuǎn)變 光接收機(jī)從光纖傳來的光信號進(jìn)入光接收電路，將光信號變成電信號并放大后，進(jìn)行定時再生，又恢復(fù)成數(shù)字信號。由于發(fā)送端有碼型變換，因此，在接收端要進(jìn)行碼型反變換，然后將信號送入輸出接口電路，變成適合PCM傳輸?shù)腍DB3碼或

12、CMI碼，送給PCM。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)的性能用誤碼率來衡量。接收機(jī)主要性能參數(shù)：接收靈敏度、光接收機(jī)的動態(tài)范圍。接收機(jī)靈敏度接收機(jī)的靈敏度是表征光接收機(jī)調(diào)整到最佳工作狀態(tài)時，光接收機(jī)接收微弱光信號的能力。在數(shù)字接收機(jī)中，允許脈沖判決有一定的誤差范圍。如果接收機(jī)將1碼誤判為0碼，或者將0碼誤判為1碼，這就叫1個錯誤比特。如果在100個比特中判錯了一個比特，則稱誤比特率為1100，即10-2。數(shù)字通信要求，如果誤比特率小于10-6，則基本上可以恢復(fù)原來的數(shù)字信號。如果誤比特率大于10-3，則基本上不能進(jìn)行正常的電話通信。對于數(shù)字光通信系統(tǒng)來說，一般要求系統(tǒng)的誤比特率小于10-9，即10億

13、個脈沖中只容許發(fā)生一個誤碼。因此，光接收機(jī)靈敏度定義為：在保證達(dá)到所要求的誤比特率的條件下，接收機(jī)所需要的最小輸入光功率。接收靈敏度一般用dBm來表示，它是以lmW光功率為基礎(chǔ)的絕對功率.其中，Pmin指在給定誤比特率的條件下，接收機(jī)能接收的最小平均光功率。例如，在給定的誤比特率為10-9時，接收機(jī)能接收的最小平均光功率為InW（即10-9W），光接收機(jī)靈敏度為-60dBm。影響接收機(jī)靈敏度的主要因素是噪聲，表現(xiàn)為信噪比。信噪比越大，表明接收電路的噪聲越小，對靈敏度影響越小。光接收機(jī)靈敏度是系統(tǒng)性能的綜合反映，除了上述接收機(jī)本身的特性以外，接收信號的波形也對靈敏度產(chǎn)生影響，而接收信號的波形主要

14、由光發(fā)送機(jī)的消光比和光纖的色散來決定。光接收機(jī)靈敏度還與傳輸信號的碼速有關(guān)，碼速越高，接收靈敏度就越差。這就影響了高速傳輸系統(tǒng)的中繼距離。速率越高，接收機(jī)靈敏度越差，中繼距離就越短。接收機(jī)的動態(tài)范圍光接收機(jī)前置放大器輸出的信號一般較弱，不能滿足幅度判決的要求，因此還必須加以放大。在實際光纖通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)的輸入信號將隨具體的使用條件而變化。造成這種變化的原因，可能是由于溫度變化引起了光纖損耗的變化，也可能是由于一個標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的光接收機(jī)，使用在不同的系統(tǒng)中，光源的強(qiáng)弱不同，光纖的傳輸距離也不同。這樣，傳給光接收機(jī)的光功率就不可能一樣。為了使光接收機(jī)正常工作，接收信號不能太弱，否則會造成過大的

15、誤碼。但接收信號也不能太強(qiáng)，否則會使接收機(jī)放大器過載，而造成失真。因此光接收機(jī)正常工作時，接收光信號的強(qiáng)度應(yīng)該有一個范圍。把光接收機(jī)在保證一定的誤比特率條件下，所能接收的最大光功率與最小光功率之差，稱作光接收機(jī)的動態(tài)范圍。一般希望光接收機(jī)的動態(tài)范圍越大越好，實際中一般為1620dB。備用系統(tǒng)與輔助設(shè)備為了確保系統(tǒng)的暢通，通常設(shè)置備用系統(tǒng)。正常情況下只有主系統(tǒng)工作，一旦主要系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就可以立即切換到備用系統(tǒng)，這樣就可以保障通信的正確無誤。輔助設(shè)備是對系統(tǒng)的完善，它包括監(jiān)控管理系統(tǒng)、公務(wù)通信系統(tǒng)、自動倒換系統(tǒng)、告警處理系統(tǒng)、電源供給系統(tǒng)等。其中，監(jiān)控管理系統(tǒng)可對組成光纖傳輸系統(tǒng)的各種設(shè)備自動進(jìn)

16、行性能和工作狀態(tài)的監(jiān)測，發(fā)生故障時會自動告警并予以處理，對保護(hù)倒換系統(tǒng)實行自動控制。對于設(shè)有多個中繼站的長途通信線路及裝有通達(dá)多方向、多系統(tǒng)的線路維護(hù)中心局來說，集中監(jiān)控是必須采用的維護(hù)手段。公務(wù)電話為各中繼站與終端站之間提供業(yè)務(wù)聯(lián)絡(luò)。輸入分配和輸出倒換組成了自動保護(hù)倒換裝置。它是為提高線路的可靠性和可利用率而準(zhǔn)備的熱備用系統(tǒng)。主用系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，會自動切換到備用系統(tǒng)工作。備用的方式是多種多樣的，可以是一個主系統(tǒng)配備一個備用系統(tǒng)，也可以是多個主系統(tǒng)共用一個備用系統(tǒng)。是采用一主一備還是多主一備系統(tǒng)工作，要根據(jù)使用要求和使用條件而定。我國省內(nèi)通信和本地網(wǎng)中采用一主一備方式較多，這主要是因為前期建設(shè)

17、的系統(tǒng)數(shù)較少，又要設(shè)保護(hù)系統(tǒng)的緣故。而長途干線中主要采用多主一備系統(tǒng)，以提高機(jī)線設(shè)備的利用率。評價光纖數(shù)字通信誤碼特性和抖動特性是評價光纖數(shù)字通信系統(tǒng)的重要指標(biāo)。誤碼特性什么是誤碼？誤碼的基本概念是：在數(shù)字通信系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)送端發(fā)送1碼時，接收端收到的卻是0碼；而當(dāng)發(fā)送端發(fā)送0碼時，接收端卻接收到了1碼，這種接收碼與發(fā)送碼不一致的情況就叫做誤碼。產(chǎn)生誤碼的主要原因是傳輸系統(tǒng)的噪聲和脈沖抖動。在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，誤碼性能用誤比特率BER來衡量。BER錯誤比特數(shù)/傳輸總的比特數(shù)對于數(shù)字光通信系統(tǒng)來說，一般要求系統(tǒng)的誤比特率小于10-9。抖動特性 抖動，又稱為相位抖動，是指數(shù)字脈沖信號的相位擺動,或

18、時間上的前后擺動。在系統(tǒng)測量中，描述抖動程度的單位是單位間隔，簡寫為UI，其意義是指一個碼元的時間長度。對于不同的群次，、不同碼速率的相應(yīng)1UI的時間是不相同的。例如，對于PCM一次群信號，1UI=1/(2.048*106)ns122ns ；而對于PCM二次群信號，依此類推。另外，抖動還可以用度為單位來表示，并規(guī)定1UI=360。在光前數(shù)字通信系統(tǒng)中，必須把抖動限制在一定的范圍之內(nèi)，否則，會導(dǎo)致定時脈沖的相位偏離最佳判決位置，結(jié)果造成誤判概率的增加和引起再生脈沖流的時間間隔不規(guī)則，碼間距不一致。鐵腕高壓，直接檢測強(qiáng)度調(diào)制直接檢測系統(tǒng)是最簡單的一種傳輸方式，目前大多數(shù)的光纖通信系統(tǒng)都采用這種傳輸

19、技術(shù)。強(qiáng)度調(diào)制是指在發(fā)送端，用電的脈沖信號來控制光源，使其按照信號的強(qiáng)弱發(fā)光或者不發(fā)光；直接檢測是指在接收端用光電檢測器直接檢測光的有無，再轉(zhuǎn)化為電信號。從歷史的眼光來看，這僅相當(dāng)于無線電技術(shù)發(fā)展初期的馬可尼時代。系統(tǒng)的中繼距離我們知道，光纖數(shù)字通信系統(tǒng)是適于遠(yuǎn)距離、大容量通信的。在長距離傳輸中，需要使用中繼器來放大經(jīng)過長距離傳輸而減弱了的信號，就像接力賽跑一樣，一個人累了的時候需要換一個人繼續(xù)向前傳遞。在通信系統(tǒng)中，中繼距離越長，中繼站數(shù)目越少，系統(tǒng)的成本就越低，可靠性也越高。延長系統(tǒng)的中繼距離是科技工作者的奮斗目標(biāo)之一。光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)的最大中繼距離是指在光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)之間不設(shè)中繼器時

20、能傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離，在設(shè)計一個光纖通信系統(tǒng)時，計算最大中繼距離是十分重要的。 光纖傳輸系統(tǒng)的最大中繼距離由四個因素決定。1發(fā)送機(jī)輸出耦合進(jìn)光纖的平均光功率。耦合進(jìn)光纖的功率越大，中繼距離越長。2光纖的色散，若光纖的色散大，則經(jīng)過一定距離傳輸后出現(xiàn)的波形失真就嚴(yán)重。傳輸?shù)木嚯x越長，波形失真就越嚴(yán)重。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，波形失真將引起碼間干擾，使光接收靈敏度降低，影響系統(tǒng)的中繼距離。3光纖的損耗。光纖線路的損耗包括光纖活動連接器損耗和光纖的熔接損耗，當(dāng)然主要是光纖的每公里損耗。如果光纖每公里損耗越小，則信號光功率在光纖上的損失就越小,光信號在光纖中的傳輸距離就越遠(yuǎn)。4滿足一定誤比特率要求的光接收機(jī)靈敏度。接收靈敏度越高，即滿足系統(tǒng)誤比特率要求的最低接收光功率越小，中繼距離就越長。對于某一光纖通信系統(tǒng)來說，發(fā)送光功率和光接收靈敏度一般都是已知的，影響其中繼距離的因素主要是損耗限制和色散限制。對于單模光纖通信系統(tǒng)來說，傳輸速率在140Mb/s以下的系統(tǒng)一般只受損耗限制，色散對其影響不大；而傳輸速率在565Mbs以上的系統(tǒng)，由于光源有一定的譜線寬度，可能會給中繼距離帶來較大影響?，F(xiàn)在，采用動態(tài)單縱模激光器，特別是多量子阱激光器（MQW）后，連傳輸