1、第4章 數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 4.1 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)概述4.2 光纖和光器件4.3 光端機(jī)4.4 數(shù)字光纖系統(tǒng)的兩種傳輸體制8/12/202214.1 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)概述 一、光纖通信發(fā)展史和現(xiàn)狀1、探索時(shí)期的光通信: 中國古代用“烽火臺(tái)”報(bào)警，歐洲人用旗語傳送信息， 這些都可以看作是原始形式的光通信。 1880年，美國人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。光電話證明了用光波作為載波傳送信息的可行性。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。 8/12/20222 1960年，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器， 給光通信帶來了新的希望。 激光具有波譜寬度窄，方向性極好

2、， 亮度極高，以及頻率和相位較一致的良好特性。 繼紅寶石激光器之后，氦氖(He - Ne)激光器、二氧化碳(CO2)激光器先后出現(xiàn)，并投入實(shí)際應(yīng)用。 激光器的發(fā)明和應(yīng)用， 使光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。 8/12/202232、現(xiàn)代光纖通信 1966年，英籍華裔學(xué)者高錕指出了利用光纖(Optical Fiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信光纖通信的基礎(chǔ)。 1970 年，光纖研制取得了重大突破。美國康寧(Corning)公司就研制成功損耗20 dB/km的石英光纖。 1973 年，美國貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室取得了更大成績，光纖損耗降低到2.5dB/km。 1976 年，日本電

3、報(bào)電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47 dB/km(波長1.2m)。8/12/202243、光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個(gè)階段： 第一階段(1966-1976年)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時(shí)期。實(shí)現(xiàn)了短波長(0.85m)低速率(45或34Mb/s)多模光纖通信系統(tǒng)。 第二階段(1976-1986年)，這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時(shí)期。 光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長從短波長(0.85m)發(fā)展到長波長(1.31m和1.55m)。 第三階段(1986-1996年)，這是以超大容量超長距離為目標(biāo)、全面深入開展新技術(shù)研究的時(shí)期。在這個(gè)時(shí)期，實(shí)現(xiàn)了1.5

4、5m色散移位單模光纖通信系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室可以達(dá)到更高水平。8/12/20225二、光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用 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，作為傳輸介質(zhì)的光纖又比同軸電纜或波導(dǎo)管的損耗低得多，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 單波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率一般為2.5 Gb/s和10 Gb/s。波分復(fù)用(WDM)和光時(shí)分復(fù)用(TDM)更是極大地增加了傳輸容量， 見下表 。8/12/20226通信手段 傳輸容量(話路)/條 中繼距離/km 1000 km內(nèi)中繼器個(gè)數(shù) 微波無線電 960 5020小同軸 9604250中同軸

5、180061600光纜 19203033光纜 14000(1Gb/s)8411光纜 6000(445MB/S)1347表 光纖通信與電纜或微波通信傳輸能力的比較 8/12/20227 2. 損耗很小， 中繼距離很長且誤碼率很小 石英光纖在1.31 m和1.55 m波長， 傳輸損耗分別為0.50 dB/km和0.20 dB/km，甚至更低。因此，用光纖比用同軸電纜或波導(dǎo)管的中繼距離長得多，見表。 傳輸容量大、傳輸誤碼率低、中繼距離長的優(yōu)點(diǎn)，使光纖通信系統(tǒng)不僅適合于長途干線網(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。8/12/202283. 重量輕、 體積小 光纖重量很輕

6、，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。表給光纜和標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜的重量和截面積的比較。 項(xiàng)目 8 芯 18 芯 光纜 電纜 光纜 電纜 重量/(kgm-1) 重量比 0.42 16.3150.4211126直徑/mm 截面積比 211475211659.6表 光纜和電纜的重量和截面積比較 8/12/20229 4. 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。 5. 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法竊聽。因此信息在光纖中傳輸非常安全。 6. 節(jié)約金屬材料， 有利

7、于資源合理使用。8/12/202210 總之，光纖通信不僅在技術(shù)上具有很大的優(yōu)越性，由圖可見，隨著傳輸容量的增加，由于采用了新的傳輸媒質(zhì)， 使得相對(duì)造價(jià)直線下降。圖 各種通信系統(tǒng)相對(duì)造價(jià)與傳輸容量的比較 8/12/202211 光纖可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)。光纖通信的各種應(yīng)用可概括如下： 通信網(wǎng)，包括全球通信網(wǎng)、各國的公共電信網(wǎng)、各種專用通信網(wǎng)、特殊通信手段。 構(gòu)成因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，如光纖以太網(wǎng)、 路由器之間的光纖高速傳輸鏈路。 有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)；工業(yè)電視系統(tǒng)，如工廠、 銀行、商場(chǎng)、交通和公安部的監(jiān)控。 綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)，分為有源接入網(wǎng)和無源接入網(wǎng)， 可實(shí)現(xiàn)電

8、話、數(shù)據(jù)、視頻(會(huì)議電視、可視電話等)及多媒體業(yè)務(wù)綜合接入核心網(wǎng)，提供各種各樣的社區(qū)服務(wù)。 8/12/202212三、光纖通信系統(tǒng)的基本組成 1、發(fā)射和接收 下圖示出單向傳輸?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 光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)組成演示8/12/202213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)。光發(fā)射機(jī)：輸入到光發(fā)射機(jī)帶有信息的電信號(hào)，通過調(diào)制轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。光接收機(jī)：光載波經(jīng)過光纖線路傳輸?shù)浇邮斩?，再由光接收機(jī)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)

9、。 電接收機(jī)：功能和電發(fā)射機(jī)的功能相反。8/12/202214 2、基本光纖傳輸系統(tǒng) 基本光纖傳輸系統(tǒng)作為獨(dú)立的“光信道”單元。 有線通信系統(tǒng)或無線通信系統(tǒng)的發(fā)射與接收之間 加入光發(fā)射機(jī)、光纖線路和光接收機(jī)，再配置適當(dāng)?shù)?光器件， 可以組成傳輸能力更強(qiáng)、功能更完善的光 纖通信系統(tǒng)。 下面簡(jiǎn)要介紹基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個(gè)組成部分。8/12/202215光發(fā)射機(jī)： 光發(fā)射機(jī)的功能：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)組成：由光源、 驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成。 光源是光發(fā)射機(jī)的核心。光發(fā)射機(jī)的性能基本上取決于光源的特性。 光源種類：半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)、半導(dǎo)

10、體激光二極管(或稱激光器)(LD)， 單縱模分布反饋(DFB)激光器。8/12/202216光纖線路： 光纖線路功能：是把來自光發(fā)射機(jī)的光信號(hào)，以盡可能小的失真和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)。 光纖線路組成：由光纖、光纖接頭和光纖連接器組成。 光纖基本要求：損耗和色散這兩個(gè)傳輸特性參數(shù)都盡可能地小， 有足夠好的機(jī)械特性和環(huán)境特性。 石英光纖分類：多模光纖和單模光纖。 單模光纖的傳輸特性比多模光纖好，價(jià)格比多模光纖便宜，因而得到更廣泛的應(yīng)用。 單模光纖適合大容量長距離光纖傳輸系統(tǒng)，小容量短距離系統(tǒng)用多模光纖配合半導(dǎo)體發(fā)光二極管更加合適。8/12/202217光接收機(jī)： 光接收機(jī)的功能：是把從光纖線路輸出、

11、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號(hào)。 光接收機(jī)組成：由光檢測(cè)器、 放大器和相關(guān)電路組成 光檢測(cè)器是光接收機(jī)的核心。對(duì)光檢測(cè)器的要求是響應(yīng)度高、 噪聲低和響應(yīng)速度快。 光檢測(cè)器種類： 光電二極管(PIN - PD)、雪崩光電二極管(APD)。 光發(fā)射機(jī)與光接收機(jī)組成演示 8/12/202218光接收機(jī)最重要的特性參數(shù)是靈敏度。 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

12、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)。 8/12/2022194.2 光纖和光器件 一、光纖1、光纖 光纖就是導(dǎo)光的玻璃纖維的簡(jiǎn)稱, 是石英玻璃絲, 它的直徑只有0.1 mm，它和原來傳送電話的明線、電纜一樣，是一種新型的信息傳輸介質(zhì)，但它比以上兩種方式傳送的信息量要高出成千上萬倍， 可達(dá)到上百千兆比特/秒,而且衰耗極低。8/12/202220 2. 光纖的導(dǎo)光原理 光纖為什么能夠?qū)Ч猓?能傳送大量信息呢? 這里我們用簡(jiǎn)單的比喻， 從物理概念上來說明，以加深對(duì)光纖傳輸信息的理解。 光纖是利用光的全反射特性來導(dǎo)光的。在物理中學(xué)習(xí)過光從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播，由于它們?cè)诓煌?/p>

13、質(zhì)中傳輸速率不一樣，因此，當(dāng)通過兩個(gè)不同的介質(zhì)交界面就會(huì)發(fā)生折射。8/12/202221 若有兩種不同介質(zhì), 其折射率分別為n0, n1，而且n1n0, 設(shè)界面為XX； 折射率小的稱光疏媒質(zhì), 折射率大的稱光密媒質(zhì)； 假定光線從光疏媒質(zhì)射向光密媒質(zhì), 其折射情況如圖所示。 圖中，入射角為0為入射光線與法線YY夾角, 折射角為1為折射光線與YY夾角； 由圖可見，10。圖 光的折射示意圖8/12/202222 若使光束從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì)時(shí), 則折射角大于入射角，如圖所示。 如果不斷增大0可使折射角1達(dá)到90, 這時(shí)的1稱為臨界角。 當(dāng)光線從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì), 且入射角大于臨界角時(shí), 就會(huì)產(chǎn)

14、生全反射現(xiàn)象。 光纖就是利用這種全反射來傳輸光信號(hào)的。圖 臨界角和光線的全反射 8/12/202223 以上了解了光的全反射原理之后，下面畫出光在階躍光纖中的傳播軌跡，即按“之”之形傳播及沿纖芯與包層的分界面掠過，如圖 所示。8/12/202224 在制造光纖時(shí)， 使光纖芯的折射率高，在外面涂上一包屏層，可使折射率低； 當(dāng)選擇一定的角度0時(shí)，射入纖芯的光束將會(huì)全部返回纖芯中。 光纖芯線結(jié)構(gòu)如圖所示。 光纖的芯線由纖芯、包層、涂覆層、套塑四部分組成。 8/12/202225圖 光纖芯線的剖面構(gòu)造 8/12/202226 纖芯： 纖芯位于光纖的中心部位（直徑d1 約950 微米），其成份是高純度的

15、二氧化硅。 包層： 包層位于纖芯的周圍（其直徑d2 約125 微米），其成份也是含有極少量摻雜劑的高純度二氧化硅。 涂敷層： 光纖的最外層是由丙烯酸酯、硅橡膠和尼龍組成的涂敷層，其作用是增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性。8/12/202227 3. 光纖的分類 根據(jù)波導(dǎo)傳輸波動(dòng)理論分析，光纖的傳播模式可分為多模光纖和單模光纖。 1) 多模光纖 多模光纖即能承受多個(gè)模式的光纖。這種光纖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn), 接頭連接要求不高, 用起來方便, 也較便宜。因而在早期的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)(PDH系列)中采用，但這種光纖傳輸帶寬窄、衰耗大、時(shí)延差大, 因而已逐步被單模光纖代替。 8/12/2022282) 單模

16、光纖 單模光纖即只能傳送單一基模的光纖, 如圖。 這種光纖從時(shí)域看不存在時(shí)延差，從頻域看, 傳輸信號(hào)的帶寬比多模光纖寬得多, 有利于高碼率信息長距離傳輸。8/12/202229 圖 裸光纖結(jié)構(gòu)示意圖(a) 階躍型多模光纖; (b) 梯度型多模光纖; (c) 單模光纖 8/12/202230二、光纜 為了使光纖能在工程中實(shí)用化，能承受工程中拉伸、 側(cè)壓和各種外力作用, 還要具有一定的機(jī)械強(qiáng)度才能使性能穩(wěn)定。 因此, 將光纖制成不同結(jié)構(gòu)、不同形狀和不同種類的光纜以適應(yīng)光纖通信的需要。 光纜主要由纜芯、護(hù)套和加強(qiáng)元件組成。8/12/202231 纜芯 纜芯是由光纖芯組成的, 它可分為單芯和多芯兩種。

17、單芯型纜芯和多芯型纜芯結(jié)構(gòu)的比例如表 。 單芯型由單根二次涂覆處理后的光纖組成。 多芯型由多根經(jīng)二次涂覆處理后的光纖組成, 它又分為帶狀結(jié)構(gòu)和單位式結(jié)構(gòu)。 強(qiáng)度元件 由于光纖的材料比較脆, 容易斷裂, 在光纜內(nèi)中心或四周要加一根或多根加強(qiáng)元件。 護(hù)層 光纜的護(hù)層主要是對(duì)已形成的光纖芯線起保護(hù)作用, 避免受外部機(jī)械力和環(huán)境損壞。8/12/202232 8/12/202233 光纜的種類 在公用通信網(wǎng)中用的光纜結(jié)構(gòu)如表所示。 8/12/202234下面介紹幾種有代表性的光纜結(jié)構(gòu)形式。 (1) 層絞式光纜。 它是將若干根光纖芯線以強(qiáng)度元件為中心絞合在一起的一種結(jié)構(gòu), 如圖(a)所示。特點(diǎn)是成本低,

18、芯線數(shù)不超過10根。 (2) 單位式光纜。 它是將幾根至十幾根光纖芯線集合成一個(gè)單位, 再由數(shù)個(gè)單位以強(qiáng)度元件為中心絞合成纜, 如圖(b)所示, 其芯線數(shù)一般適用于幾十芯。 8/12/202235(3) 骨架式光纜。 這種結(jié)構(gòu)是將單根或多根光纖放入骨架的螺旋槽內(nèi), 骨架中心是強(qiáng)度元件, 骨架上的溝槽可以是V型、U型或凹型, 如圖(c)所示。光纖具有耐側(cè)壓、抗彎曲、抗拉的特點(diǎn)。 (4) 帶狀式光纜。 它是將412根光纖芯線排列成行, 構(gòu)成帶狀光纖單元, 再將多個(gè)帶狀單元按一定方式排列成纜, 如圖(d)所示。這種光纜的結(jié)構(gòu)緊湊, 采用此種結(jié)構(gòu)可做成上千芯的高密度用戶光纜。 8/12/202236

19、圖 (a) 層絞式； (b) 單位式； (c) 骨架式； (d) 帶狀8/12/2022374.3 光端機(jī) 一、光發(fā)射機(jī)1、數(shù)字光發(fā)射機(jī)的功能: 電端機(jī)輸出的數(shù)字基帶電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)； 用耦合技術(shù)注入光纖線路； 用數(shù)字電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制。2、調(diào)制方式：直接調(diào)制和外調(diào)制。 受調(diào)制的光源特性參數(shù)有：功率、 幅度、頻率和相位，廣泛應(yīng)用的是直接光強(qiáng)(功率)調(diào)制。 8/12/202238 I I P P輸入電信號(hào)輸出光信號(hào)輸出光信號(hào)輸入電信號(hào) (a) LED數(shù)字調(diào)制原理； (b) LD的數(shù)字調(diào)制原理 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

20、入電流成正比，輸出光信號(hào)反映輸入電信號(hào)。8/12/2022393、光發(fā)射機(jī)基本組成 數(shù)字光發(fā)射機(jī)的方框圖如圖所示，主要有光源和電路兩部分。 光源是實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，在很大程度上決定著光發(fā)射機(jī)的性能。 電路的設(shè)計(jì)應(yīng)以光源為依據(jù)，使輸出光信號(hào)準(zhǔn)確反映輸入電信號(hào)。輸入接口線路編碼調(diào)制電路光源控制電路電信號(hào)輸入光信號(hào)輸出圖 數(shù)字光發(fā)射機(jī)方框圖8/12/2022401）光源 對(duì)通信用光源的要求如下 ： 發(fā)射的光波長應(yīng)和光纖低損耗“窗口”一致，即中心波長應(yīng)在0.85 m、 1.31 m和1.55 m附近。光譜單色性要好， 即譜線寬度要窄， 以減小光纖色散對(duì)帶寬的限制。 電/光轉(zhuǎn)換效率要高，即要求在

21、足夠低的驅(qū)動(dòng)電流下， 有足夠大而穩(wěn)定的輸出光功率，且線性良好。發(fā)射光束的方向性要好，以利于提高光源與光纖之間的耦合效率。 8/12/202241 允許的調(diào)制速率要高或響應(yīng)速度要快， 以滿足系統(tǒng)的大傳輸容量的要求。 器件應(yīng)能在常溫下以連續(xù)波方式工作， 要求溫度 穩(wěn)定性好， 可靠性高，壽命長。 此外，要求器件體積小，重量輕，安裝使用方 便，價(jià)格便宜。 8/12/2022422） 調(diào)制電路和控制電路 直接光強(qiáng)調(diào)制的數(shù)字光發(fā)射機(jī)主要電路有：調(diào)制電路、控制電路和線路編碼電路。 3）線路編碼電路 電端機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)是適合電纜傳輸?shù)碾p極性碼，而光源不能發(fā)射負(fù)脈沖， 要變換為適合于光纖傳輸?shù)膯螛O性碼。8/1

22、2/202243 二、光接收機(jī)1、光接收機(jī)基本組成 直接強(qiáng)度調(diào)制、直接檢測(cè)方式的數(shù)字光接收機(jī)方框圖示于圖。 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。8/12/202244 1） 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。 對(duì)光檢測(cè)器的要求如下： 波長響應(yīng)要和光纖低損耗窗口(0.85 m、 1.31m和1.55 m)兼容； 響應(yīng)度要高， 在一定的接收光功率下， 能產(chǎn)生最大的光電流； 噪聲要盡可能低， 能接收極微弱的光信號(hào)； 性能穩(wěn)定， 可靠性高， 壽命長， 功耗體積

23、小。 目前， 適合于光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用的光檢測(cè)器有 PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。8/12/202245 2）放大器 前置放大器應(yīng)是低噪聲放大器，它的噪聲對(duì)光接收機(jī)的靈敏度影響很大。 前放的噪聲取決于放大器的類型，目前有三種類型的前放可供選擇。 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 ； 并通過它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制(AGC)，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。 8/12/202246 3）均衡和再生 均衡的目的： 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

24、判決，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8/12/202247 2、 光電集成接收機(jī) 圖中除光檢測(cè)器以外的所有元件都是標(biāo)準(zhǔn)的電子器件， 很容易用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路(IC)技術(shù)將它們集成在同一芯片上。 不論是硅(Si)還是砷化鎵(GaAs)IC技術(shù)都能夠使集成電路的工作帶寬超過2 GHz，甚至達(dá)到10 GHz。 為了適合高傳輸速率的需求，人們一直在努力開發(fā)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。 8/12/202248 在1991年試驗(yàn)成功的單路InGaAs OEIC接收機(jī)，其運(yùn)行速率達(dá)5 Gb/s。 InGaAs

25、 OEIC接收機(jī)也可以用混合法實(shí)現(xiàn)。 如圖所示， 電元件集成在GaAs基片上，而光檢測(cè)器集成在InP基片上，兩個(gè)部分通過接觸片連接在一起。 圖 光電集成接收機(jī) 8/12/202249三、線路編碼 在光纖通信系統(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蟆?數(shù)字光纖通信系統(tǒng)普遍采用二進(jìn)制二電平碼，即“有光脈沖”表示“”碼， “無光脈沖”表示“0”碼。8/12/2022501、簡(jiǎn)單的二電平碼會(huì)帶來如下問題： 在碼流中，出現(xiàn)“”碼和“0”碼的個(gè)數(shù)是隨機(jī)變化的， 因而直流分量也會(huì)發(fā)生隨機(jī)波動(dòng)(基線漂移)， 給光接收機(jī)的

26、判決帶來困難。 在隨機(jī)碼流中，容易出現(xiàn)長串連“”碼或長串連“0”碼，這樣可能造成位同步信息丟失，給定時(shí)提取造成困難或產(chǎn)生較大的定時(shí)誤差。 不能實(shí)現(xiàn)在線(不中斷業(yè)務(wù))的誤碼檢測(cè)， 不利于長途通信系統(tǒng)的維護(hù)。8/12/202251 2、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對(duì)線路碼型的主要要求是保證傳輸?shù)耐该餍?，具體要求有： 能限制信號(hào)帶寬，減小功率譜中的高低頻分量。提高輸出功率的穩(wěn)定性和減小碼間干擾， 有利于提高光接收機(jī)的靈敏度。 能給光接收機(jī)提供足夠的定時(shí)信息。因而應(yīng)盡可能減少連“”碼和連“0”碼的數(shù)目，使“1”碼和“0”碼的分布均勻， 保證定時(shí)信息豐富。 能提供一定的冗余碼，用于平衡碼流、誤碼監(jiān)測(cè)和公務(wù)通信。 8

27、/12/2022523、擾碼 為了保證傳輸?shù)耐该餍?，在系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)的調(diào)制器前， 需要附加一個(gè)擾碼器，將原始的二進(jìn)制碼序列加以變換，使其接近于隨機(jī)序列。 相應(yīng)地，在光接收機(jī)的判決器之后，附加一個(gè)解擾器，以恢復(fù)原始序列。 擾碼改變了“”碼與“0”碼的分布， 從而改善了碼流的一些特性。 例如： 擾碼前： 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 擾碼后： 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 8/12/202253擾碼有下列缺點(diǎn)： 不能完全控制長串連“”和長串連“0”序列的出現(xiàn)； 沒有引入冗余， 不能進(jìn)行在線誤碼監(jiān)測(cè)； 信號(hào)頻譜中接近于直流的分量較大， 不能解決基線漂移。 因

28、為擾碼不能完全滿足光纖通信對(duì)線路碼型的要求， 所以許多光纖通信設(shè)備除采用擾碼外還采用其它類型的線路編碼。 8/12/2022544、mBnB碼 mBnB碼是把輸入的二進(jìn)制原始碼流進(jìn)行分組，每組有m個(gè)二進(jìn)制碼，記為mB，稱為一個(gè)碼字，然后把一個(gè)碼字變換為n個(gè)二進(jìn)制碼，記為nB，并在同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)輸出。 這種碼型是把mB變換為nB，所以稱為mBnB碼，其中m和n都是正整數(shù)， nm，一般選取n=m+1。mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6B、 8B9B、 17B18B等等。 8/12/202255 mBnB碼編碼原理 最簡(jiǎn)單的mBnB碼是1B2B碼，即曼徹斯特碼，這就是把原碼的“”變換為“01”，

29、把“1”變換為“10”。 因此最大的連“”和連“”的數(shù)目不會(huì)超過兩個(gè)，例如1001和0110。但是在相同時(shí)隙內(nèi)，傳輸1比特變?yōu)閭鬏?比特， 碼速提高了1倍。 8/12/202256 以3B4B碼為例，輸入的原始碼流3B碼，共有（23 ）8個(gè)碼字， 變換為4B碼時(shí)， 共有(24)16個(gè)碼字，見表。 為保證信息的完整傳輸，必須從4B碼的16個(gè)碼字中挑選8個(gè)碼字來代替3B碼。 設(shè)計(jì)者根據(jù)最佳線路碼特性的原則來選擇碼表。 例如：在3B碼中有2個(gè)“0”，變?yōu)?B碼時(shí)補(bǔ)1個(gè)“”；在3B碼中有2個(gè)“1”， 變?yōu)?B碼時(shí)補(bǔ)1個(gè)“0”。而000用0001和1110交替使用； 111用0111和1000交替使用。

30、同時(shí)，規(guī)定一些禁止使用的碼字， 稱為禁字，例如0000和1111。8/12/202257 0111 1111111 0110 1110110 0101 1101101 0100 1100100 0011 1011011 0010 1010010 0001 1001001 0000 10000004B3B 表 3B和4B的碼字 8/12/202258 作為普遍規(guī)則，引入“碼字?jǐn)?shù)字和”(WDS)來描述碼字的均勻性，并以WDS的最佳選擇來保證線路碼的傳輸特性。 所謂“碼字?jǐn)?shù)字和”，是在nB碼的碼字中，用“-1”代表“0”碼， 用“+1”代表“”碼，整個(gè)碼字的代數(shù)和即為WDS。 如果整個(gè)碼字“”碼的數(shù)

31、目多于“0”碼，則WDS為正；如果“0”碼的數(shù)目多于“1”碼， 則WDS為負(fù)；如果“0”碼和“1”碼的數(shù)目相等，則WDS為0。 例如：對(duì)于0111，WDS=+2；對(duì)于0001， WDS=-2；對(duì)于0011，WDS=0。 8/12/202259 nB碼的選擇原則是：盡可能選擇|WDS|最小的碼字， 禁止使用|WDS|最大的碼字。 以3B4B為例，應(yīng)選擇WDS=0和WDS=2的碼字， 禁止使用WDS=4的碼字。 線路碼（4B）信號(hào)碼（3B）模式2（負(fù)組）模式1（正組）WDS碼子WDS碼子-20010+211011117-21000+201111106010100101010150100101001

32、10040011000110011300101001010102-20001+211100011-20100+210110000 表 一種3B4B碼表 8/12/202260 我國3次群和4次群光纖通信系統(tǒng)最常用的線路碼型是5B6B碼，其編碼規(guī)則如下： 5B碼共有(25)32個(gè)碼字，變換6B碼時(shí)共有(26)64個(gè)碼字，其中WDS=0有20個(gè)，WDS=2有15個(gè)，WDS=-2有15個(gè)，共有50個(gè)|WDS|最小的碼字可供選擇。 由于變換為6B碼時(shí)只需32個(gè)碼字，為減少連“”和連“0”的數(shù)目， 刪去： 000011、 110000、 001111和111100。 禁用WDS=4和6的碼字。 表4示出

33、根據(jù)這個(gè)規(guī)則編制的一種5B6B碼表，正組和負(fù)組交替使用。 表中正組選用20個(gè)WDS=0和12個(gè)WDS=+2，負(fù)組選用20個(gè)WDS=0和12個(gè)WDS=-2。 8/12/2022618/12/202262線路碼（6B）信號(hào)碼（5B）模式2（負(fù)組）模式1（正組）WDS碼子WDS碼子-2000101+21110101111131-2001001+21101101111030-2010001+2101101110129011100001110001110028-2000110+21110011101127011010001101001101026011001001100101100125續(xù)表8/12/2

34、02263 mBnB碼是一種分組碼，設(shè)計(jì)者根據(jù)傳輸特性的要求確定某種碼表。mBnB碼的特點(diǎn)是： (1) 碼流中“0”和“1”碼的概率相等， 連“0”和連“1”的數(shù)目較少，定時(shí)信息豐富。 (2) 高低頻分量較小，信號(hào)頻譜特性較好，基線漂移小 (3) 在碼流中引入一定的冗余碼， 便于在線誤碼檢測(cè)。 mBnB碼的缺點(diǎn)是傳輸輔助信號(hào)比較困難。因此，在要求傳輸輔助信號(hào)或有一定數(shù)量的區(qū)間通信的設(shè)備中，不宜用這種碼型。 8/12/2022644.4 數(shù)字光纖系統(tǒng)的兩種傳輸體制 光纖大容量數(shù)字傳輸目前都采用同步時(shí)分復(fù)用(TDM)技術(shù)。 復(fù)用又分為若干等級(jí)，先后有兩種傳輸體制：準(zhǔn)同步數(shù)字系列(PDH)、同步數(shù)字

35、系列(SDH) 隨著光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，PDH遇到了許多困難。SDH解決了PDH存在的問題，是一種比較完善的傳輸體制，現(xiàn)已得到大量應(yīng)用。這種傳輸體制不僅適用于光纖信道，也適用于微波和衛(wèi)星干線傳輸。 8/12/202265 一、 數(shù)字復(fù)接原理 數(shù)字復(fù)接實(shí)質(zhì)上是對(duì)數(shù)字信號(hào)的時(shí)分多路復(fù)用。 數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)組成原理如圖所示。 數(shù)字復(fù)接設(shè)備由數(shù)字復(fù)接器和數(shù)字分接器組成。 數(shù)字復(fù)接器將若干個(gè)低等級(jí)的支路信號(hào)按時(shí)分 復(fù)用的方式合并為一個(gè)高等級(jí)的合路信號(hào)。 數(shù)字分接器將一個(gè)高等級(jí)的合路信號(hào)分解為原來 的低等級(jí)支路信號(hào)。 8/12/202266圖 數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)組成原理8/12/202267 碼速調(diào)整單元：對(duì)

36、輸入各支路信號(hào)的速率和相位進(jìn)行調(diào)整，形成與本機(jī)定時(shí)信號(hào)完全同步的數(shù)字信號(hào)，使輸入的各支路信號(hào)是同步的。 定時(shí)單元：受時(shí)鐘控制，產(chǎn)生復(fù)接需要的各種定時(shí)控制信號(hào)。 分接器：合路數(shù)字信號(hào)和相應(yīng)的時(shí)鐘同時(shí)送給分接器。 分接器的定時(shí)單元受合路時(shí)鐘控制，因此它的工作節(jié)拍與復(fù)接器定時(shí)單元同步。 同步單元：從合路信號(hào)中提出幀同步信號(hào)， 用它再去控制分接器定時(shí)單元。 恢復(fù)單元：把分解出的數(shù)字信號(hào)恢復(fù)出來。8/12/202268 在數(shù)字復(fù)接中，如果復(fù)接器輸入端的各支路信號(hào)與本機(jī)定時(shí)信號(hào)是同步的，則稱為同步復(fù)接器。 如SDH 如果不是同步的， 則稱為異步復(fù)接器。 輸入各支路數(shù)字信號(hào)與本機(jī)定時(shí)信號(hào)標(biāo)稱速率相同，但實(shí)際

37、上有一個(gè)很小的容差， 這種復(fù)接器稱為準(zhǔn)同步復(fù)接器。如PDH8/12/202269 二、 準(zhǔn)同步數(shù)字系列PDH 準(zhǔn)同步數(shù)字系列有兩種基礎(chǔ)速率： 以1.544 Mb/s為第一級(jí)(一次群，或稱基群)基礎(chǔ)速率，采用的國家有北美各國和日本； 以2.048 Mb/s為第一級(jí)(一次群)基礎(chǔ)速率， 采用的國家有西歐各國和中國。8/12/2022708/12/202271 對(duì)于以2.048 Mb/s為基礎(chǔ)速率的制式，各次群的話路數(shù)按4倍遞增，速率的關(guān)系略大于4倍。 對(duì)于以1.544 Mb/s為基礎(chǔ)速率的制式，在3次群以上，日本和北美各國又不相同， 看起來很雜亂。 PDH各次群比特率相對(duì)于其標(biāo)準(zhǔn)值有一個(gè)規(guī)定的容差

38、，而且是異源的，通常采用正碼速調(diào)整方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)同步復(fù)用。 1次群至4次群接口比特率早在1976年就實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，并得到各國廣泛采用。 PDH主要適用于中、低速率點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸。8/12/202272 在這種形勢(shì)下，現(xiàn)有PDH的許多缺點(diǎn)也逐漸暴露出來，主要有： (1) 北美、西歐和亞洲所采用的三種數(shù)字系列互不兼容。 (2) 各種復(fù)用系列都有其相應(yīng)的幀結(jié)構(gòu)，沒有足夠的開銷比特，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)缺乏靈活性。 (3) 復(fù)接/分接設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上下話路價(jià)格昂貴。 8/12/202273 三、同步數(shù)字系列SDH 1. SDH傳輸網(wǎng) SDH不僅適合于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，而且適合于多點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸。 圖示出SDH傳輸網(wǎng)的拓?fù)?/p>

39、結(jié)構(gòu)。 SDH傳輸網(wǎng)由SDH終接設(shè)備(或稱SDH終端復(fù)用器TM)、分插復(fù)用設(shè)備ADM、數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC等網(wǎng)絡(luò)單元以及連接它們的(光纖)物理鏈路構(gòu)成。8/12/202274圖 SDH傳輸網(wǎng)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)TMADMDXCADMTMTMTMADMSTM-nSTM-nDXCADMTMSTM-NSTM-NSTM-NSTM-NSTM-NSTM-NSTM-NSTM-nSTM-n低速信號(hào)低速信號(hào)低速信號(hào)低速信號(hào)(nN)8/12/202275 SDH終端的主要功能是：復(fù)接/分接和提供業(yè)務(wù)適配 SDH終端的復(fù)接/分接功能主要由TM設(shè)備完成。MUXE1E1STM-N同步復(fù)接DMXE1E1STM-N同步分接圖

40、SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)單元 (a) 終端復(fù)用器TM；8/12/202276 ADM是一種特殊的復(fù)用器 它利用分接功能將輸入信號(hào)所承載信息分兩部分： 一部分直接轉(zhuǎn)發(fā)；一部分卸下給本地用戶然后信息又通過復(fù)接功能將轉(zhuǎn)發(fā)部分和本地上送的部分合成輸出DMXMUX中繼線STM-N中繼線STM-NAddSTM-n分接復(fù)接DropSTM- n本地圖 SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)單元分插復(fù)用設(shè)備ADM(Add/DropMultiplexer)8/12/202277 DXC類似于交換機(jī)，它一般有多個(gè)輸入和多個(gè)輸出，通過適當(dāng)配置可提供不同的端到端連接。1: m1: mm:1m :1復(fù)接交叉連接矩陣分接1n1n配置管理圖 SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)單

41、元數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC 8/12/2022782、SDH具有下列特點(diǎn)： (1) SDH采用世界上統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率等級(jí)。 最低的等級(jí)也就是最基本的模塊稱為STM-1，傳輸速率為155.520 Mb/s； 4個(gè)STM-1 同步復(fù)接組成STM-4，傳輸速率為622.080 Mb/s； 16個(gè)STM-1 組成STM-16, 傳輸速率為2488.320 Mb/s，以此類推。 (2) SDH各網(wǎng)絡(luò)單元的光接口有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。因此， 光接口成為開放型接口，這有利于建立世界統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)。 標(biāo)準(zhǔn)的光接口綜合進(jìn)各種不同的網(wǎng)絡(luò)單元， 簡(jiǎn)化了硬件，降低了網(wǎng)絡(luò)成本。 (3) 在SDH幀結(jié)構(gòu)中，豐富的開銷比特用于

42、網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行、 維護(hù)和管理，便于實(shí)現(xiàn)性能監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)和定位、故障報(bào)告等管理功能。8/12/202279 (4) 采用數(shù)字同步復(fù)用技術(shù)，其最小的復(fù)用單位為字節(jié)， 不必進(jìn)行碼速調(diào)整，簡(jiǎn)化了復(fù)接分接的實(shí)現(xiàn)設(shè)備，由低速信號(hào)復(fù)接成高速信號(hào)，或從高速信號(hào)分出低速信號(hào)，不必逐級(jí)進(jìn)行。 (5) 采用數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC可以對(duì)各種端口速率進(jìn)行可控的連接配置，對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行自動(dòng)化的調(diào)度和管理，既提高了資源利用率，又增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的抗毀性和可靠性。 SDH采用了DXC后，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性及對(duì)各種業(yè)務(wù)量變化的適應(yīng)能力，使現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)提高到一個(gè)嶄新的水平。8/12/202280 圖 分插信號(hào)流程的比較光/電光信號(hào)分

43、接分接分接140/34 Mb/s34/8 Mb/s8/2 Mb/s復(fù)接復(fù)接復(fù)接電/光光信號(hào)2/8 Mb/s8/34 Mb/s34/140 Mb/s2 Mb/s(電信號(hào))SDHADM155 Mb/s光接口155 Mb/s光接口2 Mb/s(電信號(hào))PDHPDH和SDH分插信號(hào)流程的比較 采用SDH分插復(fù)用器(ADM)，可以利用軟件一次直接分出和插入 2 Mb/s支路信號(hào)，十分簡(jiǎn)便。 8/12/202281 3.SDH幀結(jié)構(gòu) SDH幀結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字同步時(shí)分復(fù)用、保證網(wǎng)絡(luò)可靠有效運(yùn)行的關(guān)鍵。 圖給出SDH幀一個(gè)STM-N幀有9行，每行由270N個(gè)字節(jié)組成。 這樣每幀共有9270N個(gè)字節(jié)每字節(jié)為8 bit。 幀周期為125s，每秒傳輸8000幀。對(duì)于STM-1而言，傳輸速率為927088000=155.520 Mb/s。 字節(jié)發(fā)送順序?yàn)椋河缮贤轮鹦邪l(fā)送，每行先左后右。 8/12/202282圖 SDH幀的一般結(jié)構(gòu) 8/12/202283SDH幀的三個(gè)部分： (1) 段開銷(SOH)。 段開銷是在SDH幀中為保證信息正常傳輸所必需的附加字節(jié)，主要用于運(yùn)行、 維護(hù)和管理，如幀定位、 誤碼檢測(cè)、 公務(wù)通信、自動(dòng)保護(hù)倒換以及網(wǎng)管信息傳輸。 (2) 信息載荷(Payload)。信息載荷域是SDH幀內(nèi)用于承載各種業(yè)務(wù)信息的部分。在Payload中包含少量字節(jié)用于通道的運(yùn)行、 維護(hù)和管理， 這些字節(jié)