光纖通信

1§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

光纖通信系統(tǒng)的基本組成如圖4.3.1-1所示，主要由3部分構(gòu)成：光發(fā)送機(jī)，光纖傳輸線及光接收機(jī)。

圖4.3.1-1光纖通信系統(tǒng)的基本組成

光發(fā)送機(jī)電發(fā)送機(jī)電接收機(jī)光接收機(jī)中繼器2一、光纖

光纖（Opticalfiber）是由純石英拉制而成的高度透明的玻璃絲。

圖4.3.1-2為光纖的橫截面示意圖，光纖基本由3部分組成：1、折射率略高的纖芯；2、折射率略低的包層；3、表面涂層。ab纖芯包層涂層圖4.3.1-2光纖的橫截面示意圖

§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

3根據(jù)纖芯折射率徑向分布的不同，光纖可分為階躍折射率分布光纖和漸變折射率分布光纖，如圖4.3.1-3所示。

(a)階躍折射率分布光纖(b)漸變折射率分布光纖

圖4.3.1-3纖芯折射率徑向分布2a2bn1n2n0r2a2bn1n2n0r§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

4光纖的導(dǎo)光原理可用射線理論與導(dǎo)波理論兩種方法進(jìn)行分析。這里，僅對階躍折射率分布光纖的射線理論分析方法進(jìn)行介紹。圖4.3.1-4表示光波在階躍折射率分布光纖中的傳播路徑。

圖4.3.1-4光波在階躍折射率分布光纖中的傳播路徑

n2n1n0θiθrφ§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

5一束光線以與光纖軸線成的角度入射到芯區(qū)中心，在光纖——空氣界面發(fā)生折射，折射光與光纖軸線的夾角由斯涅耳定律決定4.3.1-1折射光到達(dá)纖芯——包層界面時，若入射角大于臨界角時，將發(fā)生全反射，若包層折射率為，則定義為

4.3.1-2式中，和分別為空氣和纖芯的折射率。

§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

6

所有的光線都將被限制在光纖芯中，這就是光纖導(dǎo)光的基本原理。為實現(xiàn)全反射，對光線的入射角有一個最大值限制，與有關(guān)系式成立，以替代，并利用式4.3.1-1和4.3.1-2可得

4.3.1-3

稱為光纖的數(shù)值孔徑（NumericalAperture，NA），代表光纖的集光能力。

§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

7對于

，NA可近似為

NA

4.3.1-4

式中，為光纖的纖芯——包層相對折射率差。

利用導(dǎo)波理論可將光纖分為多模光纖與單模光纖。多模光纖的纖芯直徑μm，單模光纖的纖芯直徑μm，包層直徑均為50μm。在多模光纖中，可以激勵起大量的傳輸模式，不同模式在橫向的功率分布是不同的，入射的光功率按一定比例分配給這些模式進(jìn)行傳播，不同模式在軸向的傳播常數(shù)不同。在單模光纖中，通常只能激勵起一個模式，稱為基模。§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

8

光纖有兩個重要的特性，一個是損耗特性，一個是色散特性，決定了光纖通信系統(tǒng)的容量。

（1）光纖的損耗

用衰減系數(shù)表示光纖的衰減特性，定義為

4.3.1-5dB/km§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

9圖4.3.1-5單模光纖的損耗譜特性

§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

10（2）光纖的色散

在多模光纖中，由不同模式攜帶的光的傳播常數(shù)不同，即在光纖中的傳播速度不同。這樣，一個窄的脈沖經(jīng)過一段光纖傳輸后，將被展寬，產(chǎn)生碼間干擾，這種現(xiàn)象稱為光纖的色散。對于單模光纖，用色散參數(shù)來描述色散的程度，代表兩個波長間隔1nm的光波在光纖中傳輸1km距離后的時遲差。

，光纖長度為

如果光源發(fā)射波長范圍為

，則時遲差為4.3.1-6

§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

11色散對通信容量（比特率·距離積）的限制，可以利用不產(chǎn)生相鄰脈沖重疊的準(zhǔn)則估計。設(shè)發(fā)送信號的比特率為B，相應(yīng)比特間隔為

，則應(yīng)有

，對容量的限制為

4.3.1-7二、光發(fā)送機(jī)

光發(fā)送機(jī)的功能是將來自電發(fā)送機(jī)的電脈沖信號變換成光脈沖信號，并以數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸性能所要求的光脈沖信號波形耦合到光源組件的尾纖中。

§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

12數(shù)字光發(fā)送機(jī)的組成框圖如圖4.3.1-6所示

1、線路編碼

在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，普遍采用二進(jìn)制二電平碼，有光脈沖表示“1”碼，無光脈沖表示“0”碼。

圖4.3.1-6數(shù)字光發(fā)送機(jī)的組成框圖輸入接口線路編碼調(diào)制電路控制電路光源電信號輸入光信號輸出§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

13對來自電端機(jī)的信號進(jìn)行線路編碼，主要目的是：(1)限制信號帶寬，減小功率譜中的高低頻分量。

(2)盡可能減少連“1”

碼和“0”碼的數(shù)目，使“1”

碼和“0”碼均勻分布，保證定時提取。(3)具有檢錯及糾錯能力，則需要在編碼中加入冗余碼，但要占用一定的頻帶。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)常用的線路碼型有擾碼、mBnB碼、插入碼等，這里不再介紹。

§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

142、光源與調(diào)制電路

目前的光纖通信系統(tǒng)采用半導(dǎo)體激光器（LD）作為光源，在低通信容量系統(tǒng)中，也可選用LED做光源。

電信號轉(zhuǎn)換為光信號的調(diào)制方式有直接調(diào)制與間接調(diào)制。

在低速率系統(tǒng)中，可以采取直接調(diào)制方式，即用電信號直接調(diào)制半導(dǎo)體光源的驅(qū)動電流，如圖4.3.1-7所示，輸出光功率隨驅(qū)動電流而變化。

§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

15

(a)LED數(shù)字調(diào)制

(b)LD數(shù)字調(diào)制圖4.3.1-7直接光強(qiáng)數(shù)字調(diào)制原理在高速系統(tǒng)中，要采用專用的外調(diào)制器。IP輸入電信號輸出光信號IP輸入電信號輸出光信號IthIb§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

16三、光接收機(jī)光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是將來自光纖的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，恢復(fù)光載波所攜帶的原信號。圖4.3.1-8給出了數(shù)字光接收機(jī)的組成框圖。

101011主放大器峰值檢波均衡器判決再生高壓直流變換器前置放大AGC定時提取APD光信號電信號§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

174、均衡器均衡器的作用是對主放大器輸出的失真的數(shù)字脈沖信號進(jìn)行整形，使之成為最有利于判決、碼間干擾最小的波形，通常為升余弦波，其表達(dá)式為：

4.3.1-8為滾降因子。式中，t為時間變量，

為一個碼元所占的時間——時隙，

§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

18該輸出波形的特點(diǎn)是，在

時刻，輸出值

，即輸出最大。而在

，即均衡器輸出為零。

因此，如圖4.3.1-9所示，當(dāng)均衡器輸出為升余弦波形時，發(fā)送機(jī)發(fā)送的基帶數(shù)字脈沖信號，只要是按時隙

發(fā)送碼元，則在均衡器輸出信號的波峰處不會發(fā)生前后碼元的干擾。§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

19圖4.3.1-9波峰處碼間干擾為零

5、判決再生與定時提取均衡器輸出的由升余弦波所組成的數(shù)字脈沖信號送到判決再生電路進(jìn)行“判決”和“再生”。

TBt§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

20判決即是用一判決電平與均衡器輸出信號進(jìn)行比較，以確定某時隙碼元為“1”還是為“0”，當(dāng)在判決時刻輸出的電壓信號比判決電平高，則判斷為“1”碼，否則判斷為“0”碼。如判斷為“1”碼，則由再生電路重新產(chǎn)生一個矩形“1”脈沖，若判斷為“0”碼，則輸出一個“0”。這樣，可在判決再生電路的輸出端得到一個由矩形脈沖組成的數(shù)字脈沖序列，它和發(fā)送端發(fā)出的數(shù)字脈沖信號基本是一致的?！?.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

21

6、峰值檢波器與AGC放大器AGC放大器是自動增益控制電路的一個組成部分。將由升余弦波組成的數(shù)字脈沖信號取出一部分送到峰值檢波器進(jìn)行檢波，檢波后的直流信號再送到AGC放大器進(jìn)行比較放大，產(chǎn)生一個AGC電壓。用該電壓一方面去控制光電檢測器（APD管）的反向偏置電壓，另一方面送到主放大器去調(diào)整主放大器的工作點(diǎn)，以控制主放大器的增益，從而使均衡器輸出幅度穩(wěn)定的升余弦波，保證碼元判決的正確性?！?.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

22數(shù)字光接收機(jī)的指標(biāo)：

1、

誤碼率

誤碼率（biterrorratio，BER）是數(shù)字光接收機(jī)的性能標(biāo)準(zhǔn)，是指判決再生電路輸出碼元出現(xiàn)錯誤的概率。

圖4.3.1-10碼元的判決

TB1TB2TB3V0sVdV1sV(t)V1(t)V0(t)V0(t)t§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

23對于PCM碼流，通常認(rèn)為“1”碼與“0”碼出現(xiàn)的概率P(1)、P(0)是相等的，如果將“0”碼誤判為“1”碼的概率為P(1/0)，將“1”碼誤判為“0”碼的概率為P(0/1)，則誤碼率為：4.3.1-92、靈敏度靈敏度是數(shù)字光接收機(jī)最重要的指標(biāo)，它直接決定光纖通信系統(tǒng)的中繼距離和通信質(zhì)量。數(shù)字光接收機(jī)的靈敏度定義為：在保證一定誤碼率的條件下，光接收機(jī)所需接收的最小光功率?！?.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

24§4.3.2光纖通信系統(tǒng)

§4.3.2光纖通信系統(tǒng)

一、時分復(fù)用系統(tǒng)根據(jù)通信系統(tǒng)信道中所傳送的信號是模擬信號還是數(shù)字信號，可將其分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。數(shù)字通信采用再生的方法，可以消除噪聲累積，傳輸距離比較長。取樣、量化、編碼的過程稱為脈沖編碼調(diào)制，簡稱PCM，由脈沖編碼進(jìn)行通信稱為脈沖編碼通信，這是目前數(shù)字通信的主要方式。25光纖具有很寬的頻帶資源，可傳送高速大容量信息，但傳送音頻信號僅需64kbit/s的速率，很不經(jīng)濟(jì)。可以通過復(fù)用的方法同時傳送多路信號。在單根光纖中可以用3種復(fù)用方法方法提高通信容量，即時分復(fù)用、波分復(fù)用及頻分復(fù)用。

時分復(fù)用（TimeDivisionMultiplexing，TDM），是將不同信道的信號在時間上交替排列組合成復(fù)合比特流?！?.3.2光纖通信系統(tǒng)

26例如，對于64kbit/s的單音頻信道，比特間隔為15

s（

125

s/8），若將其他64kbit/s比特流延遲3

s插入，就可插入5個這樣的信道，圖4.3.2-1顯示了320kbit/s的復(fù)合比特流。

圖4.3.2-15個64kbit/s數(shù)字音頻信道的時分復(fù)用

15

s3

st振幅231452314523145§4.3.2光纖通信系統(tǒng)

27TDM的概念可以擴(kuò)展到形成不同的群路等級，國際電信聯(lián)盟（ITU）曾作過規(guī)定，將多路編碼數(shù)字電話按兩種標(biāo)準(zhǔn)組成各種群路。為了便于在接收端將復(fù)合信號分開，在復(fù)合比特流中插入了額外的控制位。因此，復(fù)合比特率略大于64kbit/s與復(fù)用信道數(shù)的乘積。將4個基群通過TDM復(fù)合成6.312Mbit/s和8.448Mbit/s的二次群，繼續(xù)這種復(fù)用可獲得更高的群路等級。

§4.3.2光纖通信系統(tǒng)

28表4.3.2-1即為按此復(fù)合方法合成的群路等級體系中4個不同群路的比特率。表4.3.2-1數(shù)字通信系統(tǒng)群路等級及其標(biāo)準(zhǔn)比特率

群路等級標(biāo)準(zhǔn)話路數(shù)比特率/Mbit/s

北美歐洲日本北美歐洲日本基群2430241.5442.0481.544二次群96120966.3128.4486.312三次群67248048044.73634.36832.046四次群13341920144090139.24697.728§4.3.2光纖通信系統(tǒng)

29二、波分復(fù)用系統(tǒng)

如圖4.3.1-5所示，單模光纖具有非常寬的帶寬。在1.3μm（1.25~1.35μm）波段和1.55μm（1.50~1.60μm）波段，都具有高達(dá)100nm的低損耗傳輸范圍。另一方面，作為光源的半導(dǎo)體激光器的線寬已小于0.1nm，因此，在一根單模光纖中，可同時傳輸多個不同波長的信號。

波分復(fù)用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）技術(shù)正是基于這種思想，通過在一根單模光纖中傳輸多個信道信號，來大幅度增加通信容量的。

§4.3.2光纖通信系統(tǒng)

30圖4.3.2-2為一單向傳輸?shù)腤DM系統(tǒng)原理框圖。

圖4.3.2-2為一單向傳輸?shù)腤DM系統(tǒng)原理框圖

復(fù)用器解復(fù)用器光放大器光接收機(jī)1光接收機(jī)2光接收機(jī)n光發(fā)送機(jī)1光發(fā)送機(jī)2光發(fā)送機(jī)n……λ1λ2λnλ1λ1λ2λnλ1λ2…λn光纖§4.3.2光纖通信系統(tǒng)

31隨著1.55μm波段摻鉺光纖放大器(EDFA)的商用化，可以利用EDFA對傳送的光信號進(jìn)行放大，實現(xiàn)超長距離無電再生中繼傳輸，WDM系統(tǒng)得到了極其廣泛的應(yīng)用。在1.55μm波段傳送多路信道信號，這些信道波長間隔非常窄，且共享一個EDFA，將這種信道密集的WDM系統(tǒng)稱為密集波分復(fù)用（DenseWavelengthDivisionMultiplexing，DWDM）系統(tǒng)。ITU-TG.692建議，DWDM系統(tǒng)的光波絕對參考頻率為193.1THz（對應(yīng)的波長為1552.52nm），不同信道的頻率間隔應(yīng)為100GHz（波長間隔約為0.8nm）的整數(shù)倍?！?.3.2光纖通信系統(tǒng)

32在DWDM系統(tǒng)中，復(fù)用器/解復(fù)用器和光放大器是兩個關(guān)鍵的組成單元，下面進(jìn)行簡單介紹。

1、復(fù)用器/解復(fù)用器波分復(fù)用系統(tǒng)的核心部件是波分復(fù)用器件，即復(fù)用器和解復(fù)用器（也稱合波器與分波器）。這里介紹閃爍光柵波分復(fù)用器。圖4.3.2-3閃爍光柵波分復(fù)用器λ1λ2λ3λ4λ1

λ2λ3λ4光纖透鏡閃爍光柵§4.3.2光纖通信系統(tǒng)

33如圖4.3.2-3所示，當(dāng)不同波長的入射光從同一角度照射到光柵上后，由于光柵的色散作用，不同波長的光將以不同的角度反射，然后經(jīng)透鏡會聚到不同的輸出光纖，實現(xiàn)解復(fù)用的功能；反過來，可以完成光波的復(fù)用功能。閃爍光柵波分復(fù)用器具有優(yōu)良的波長選擇性，波長的間隔可以小于1nm，復(fù)用信道數(shù)已達(dá)120路。其隔離度也較好，當(dāng)波長間隔為1nm時可以達(dá)到55dB。缺點(diǎn)是插入損耗較大，通常為3~8dB?！?.3.2光纖通信系統(tǒng)

342、

光放大器

寬帶寬的光放大器可以對多信道信號同時放大，而不需要進(jìn)行解復(fù)用，光放大器的問世推動了DWDM技術(shù)的快速發(fā)展。目前應(yīng)用最廣泛的光放大器是摻鉺光纖放大器(ErDopedFiberAmplifier，EDFA)，其特點(diǎn)是高增益、低噪聲、能放大不同速率和調(diào)制方式的信號，而且?guī)捄軐?，能在幾十納米范圍內(nèi)同時放大多波長信號。§4.3.2光纖通信系統(tǒng)

35EDFA主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔離器及光濾波器組成，結(jié)構(gòu)如圖4.3.2-4所示。

圖4.3.2-4摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)

信號光耦合器光隔離器摻鉺光纖光隔離器光濾波器輸出光泵浦光§4.3.2光纖通信系統(tǒng)

36光耦合器的作用是將信號光和泵浦光復(fù)合在一起，注入到摻鉺光纖中，一般采用波分復(fù)用器來實現(xiàn)。光隔離器是用來抑制光反射，防止光放大器自激，確保工作穩(wěn)定。當(dāng)較弱的信號光與較強(qiáng)的泵浦光一起輸入EDF時，泵浦光激活EDF中的鉺離子，躍遷到高能級態(tài)；在信號光的誘導(dǎo)下，鉺離子受激輻射，躍遷到基態(tài)，產(chǎn)生與信號光相同的光子，實現(xiàn)光放大。須在輸出端設(shè)置光濾波器，以降低自發(fā)輻射噪聲。

§4.3.2光纖通信系統(tǒng)

37在

EDFA的應(yīng)用中，需要解決兩個問題。

一是增益的平坦化，增益平坦是指放大器的增益譜要平坦，對需要放大的所有信道提供相同的增益。

二是增益的自動控制，當(dāng)光纖中信道數(shù)由于故障等原因突然減少時，光放大器的增益會突然增加，形成“浪涌”，使信號強(qiáng)度突然提高，接收機(jī)碼元判決時會出現(xiàn)錯誤。

EDFA可以提供10~30dB的增益，輸出光功率可達(dá)10mW~100mW，帶寬超過40nm，是DWDM系統(tǒng)理想的光放大器。§4.3.2光纖通信系統(tǒng)

38§4.3.3光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

§4.3.3光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)看，通信網(wǎng)可分為三類，即點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)，如圖4.3.3-1所示，分別將結(jié)點(diǎn)連接起來傳送信息。

(a)點(diǎn)到點(diǎn)(b)點(diǎn)到多點(diǎn)(c)網(wǎng)絡(luò)圖4.3.3-1通信網(wǎng)的三種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

12123N

1234539根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，可將網(wǎng)絡(luò)分為三類：

1、局域網(wǎng)，是在一個局部地理范圍（如一所學(xué)校、一個機(jī)關(guān)）內(nèi)將計算機(jī)、外部設(shè)備數(shù)據(jù)庫等連接起來組成的網(wǎng)絡(luò)，簡稱LAN.

2、城域網(wǎng)，是在一個城市范圍內(nèi)所建立的計算機(jī)通信網(wǎng)，簡稱MAN。MAN的一個重要用途是作骨干網(wǎng).3、廣域網(wǎng)，是在一個廣泛的地理范圍內(nèi)所建立的計算機(jī)通信網(wǎng)，簡稱WAN。WAN用于通信的傳輸裝置，一般由公司或電信部門提供。互連主要采用公用網(wǎng)絡(luò)和專用網(wǎng)絡(luò)兩種。

§4.3.3光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

401、總線形網(wǎng)絡(luò)圖4.3.3-2總線形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

可以看出，所有參加聯(lián)網(wǎng)的通信結(jié)點(diǎn)，都通過光纖定向耦合器接在一條光纖數(shù)據(jù)總線上，構(gòu)成總線形網(wǎng)絡(luò)。發(fā)送信息時，由發(fā)送端（T）將光信號通過耦合器耦合到光纖總線中；在各接收端（R），通過耦合器將總線中的光信號功率耦合出一部分。

TRAEC數(shù)據(jù)總線FDB光傳播方向定向耦合器§4.3.3光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

41

在該網(wǎng)絡(luò)中，如果結(jié)點(diǎn)A想將信息傳送給結(jié)點(diǎn)B，它只須將信息輸送到各通信結(jié)點(diǎn)共享的數(shù)據(jù)總線上，此時包括結(jié)點(diǎn)B在內(nèi)的其他各結(jié)點(diǎn)均處于“監(jiān)聽”狀態(tài)，監(jiān)聽總線上是否正在傳送信息，如果發(fā)現(xiàn)正在傳送信息，各結(jié)點(diǎn)都需判斷該信息是否是傳送給本結(jié)點(diǎn)的。如果B結(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)信息是傳送給自己的，就將它接收下來，其他結(jié)點(diǎn)對該信息不予理睬。如果結(jié)點(diǎn)A向結(jié)點(diǎn)B傳送信息的同時，結(jié)點(diǎn)C也將信息送到共享的數(shù)據(jù)總線上，欲傳送給結(jié)點(diǎn)D，于是在總線上這兩個信息將發(fā)生碰撞。為了避免發(fā)生碰撞，各結(jié)點(diǎn)在發(fā)送信息§4.3.3光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

42之前必須監(jiān)聽一下總線上是否有信息在傳送。如果沒有，則可以將信息送到總線上；如果總線上有信息正在傳送，則必須等正在傳送的信息傳送完之后，方可傳送，這個過程稱為“載波監(jiān)聽（Carriersense）”。

還有一種可能出現(xiàn)的情形是，當(dāng)結(jié)點(diǎn)A正在向結(jié)點(diǎn)B傳送信息，此時結(jié)點(diǎn)C與結(jié)點(diǎn)E分別想將信息傳送給結(jié)點(diǎn)D與結(jié)點(diǎn)F，根據(jù)“載波監(jiān)聽”法，此時結(jié)點(diǎn)C與結(jié)點(diǎn)E都不能傳送信息。一旦結(jié)點(diǎn)A信息傳送完畢，結(jié)點(diǎn)§4.3.3光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

43C與結(jié)點(diǎn)E都可將信息輸送到總線上，顯然結(jié)點(diǎn)C與結(jié)點(diǎn)E的信息將發(fā)生碰撞。因此，結(jié)點(diǎn)C與結(jié)點(diǎn)E都必須一邊傳送，一邊監(jiān)聽總線上有沒有發(fā)生信息碰撞，這個方法稱為“碰撞檢測（Collisiondetection）”。