光纖通信

§4.3.1光纖通信原理及構成

光纖通信系統的基本組成如圖4.3.1-1所示，主要由3部分構成：光發送機、光纖傳輸線及光接收機。光發送機電發送機電接收機光接收機中繼器

圖4.3.1-1光纖通信系統的基本組成

二、光發送機

光發送機的功能是將來自電發送機的電脈沖信號變換成光脈沖信號，并以數字光纖通信系統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。

圖4.3.1-6數字光發送機的組成框圖輸入接口線路編碼調制電路控制電路光源電信號輸入光信號輸出一、限制信號帶寬，減小功率譜中的高低頻分量。

二、盡可能減少連“1”

碼和“0”碼的數目，使“1”

碼和“0”碼均勻分布，保證定時提取。三、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。1、線路編碼

在數字光纖通信系統中，普遍采用二進制二電平碼，有光脈沖表示“1”碼，無光脈沖表示“0”碼。

2、光源與調制電路

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

電信號轉換為光信號的調制方式有直接調制與間接調制。

在低速率系統中，可以采取直接調制方式，即用電信號直接調制半導體光源的驅動電流，如圖4.3.1-7所示，輸出光功率隨驅動電流而變化。

(a)LED數字調制

(b)LD數字調制圖4.3.1-7直接光強數字調制原理IP輸入電信號輸出光信號IP輸入電信號輸出光信號IthIb三、光接收機光接收機是光纖通信系統的重要組成部分，其作用是將來自光纖的光信號轉換成電信號，恢復光載波所攜帶的原信號。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1、光電檢測器將光纖傳過來的光信號轉換成電信號。主要有PIN光電二極管和雪崩光電二極管APG。2、前置放大將光電檢測器檢測到的微弱信號電流，流經負載電阻建立起電壓信號，由前置放大器預放大。3、主放大器將前置放大器的輸出信號放大到適合判決電路所需的電平。即：mV→1～3V接收指標4、均衡器均衡器的作用是對主放大器輸出的失真的數字脈沖信號進行整形，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，其表達式為：式中，t為時間變量，TB為一個碼元所占的時間—時隙，β為滾降因子。TBt圖4.3.1-9波峰處碼間干擾為零判決即是用一判決電平與均衡器輸出信號進行比較，以確定某時隙碼元為“1”還是為“0”，當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字脈沖序列，它和發送端發出的數字脈沖信號基本是一致的。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字脈沖信號送到判決再生電路進行“判決”和“再生”。

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字脈沖信號取出一部分送到峰值檢波器進行檢波，檢波后的直流信號再送到AGC放大器進行比較放大，產生一個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整主放大器的工作點，以控制主放大器的增益，從而使均衡器輸出幅度穩定的升余弦波，保證碼元判決的正確性。組成框圖數字光接收機的指標：1、誤碼率

誤碼率（biterrorratio，BER）是數字光接收機的性能標準，是指判決再生電路輸出碼元出現錯誤的概率。圖4.3.1-10碼元的判決

TB1TB2TB3V0sVdV1sV(t)V1(t)V0(t)V0(t)t2、靈敏度靈敏度是數字光接收機最重要的指標，它直接決定光纖通信系統的中繼距離和通信質量。數字光接收機的靈敏度定義為：在保證一定誤碼率的條件下，光接收機所需接收的最小光功率。§4.3.2光纖通信系統

一、時分復用系統根據通信系統信道中所傳送的信號是模擬信號還是數字信號，可將其分為模擬通信系統和數字通信系統。數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制，簡稱PCM，由脈沖編碼進行通信稱為脈沖編碼通信，這是目前數字通信的主要方式。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，很不經濟。可以通過復用的方法同時傳送多路信號。在單根光纖中可以用3種復用方法方法提高通信容量，即時分復用、波分復用及頻分復用。

時分復用（TimeDivisionMultiplexing，TDM），是將不同信道的信號在時間上交替排列組合成復合比特流。例：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的復合比特流。

圖4.3.2-15個64kbit/s數字音頻信道的時分復用

15

s3

st振幅231452314523145二、波分復用系統

在一根單模光纖中，可同時傳輸多個不同波長的信號。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100nm的低損耗傳輸范圍。作為光源的半導體激光器的線寬已小于0.1nm。因此，波分復用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）技術正是基于這種思想，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。

圖4.3.2-2為一單向傳輸的WDM系統原理框圖。

圖4.3.2-2為一單向傳輸的WDM系統原理框圖

復用器解復用器光放大器光接收機1光接收機2光接收機n光發送機1光發送機2光發送機n……λ2λnλ1λ1λ2λnλ1λ2…λn光纖1、復用器/解復用器波分復用系統的核心部件是波分復用器件，即復用器和解復用器（也稱合波器與分波器）。這里介紹閃爍光柵波分復用器。圖4.3.2-3閃爍光柵波分復用器λ1λ2λ3λ4λ1

λ2λ3λ4光纖透鏡閃爍光柵如圖所示，當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，然后經透鏡會聚到不同的輸出光纖，實現解復用的功能；反過來，可以完成光波的復用功能。閃爍光柵波分復用器具有優良的波長選擇性，波長的間隔可以小于1nm，復用信道數已達120路。其隔離度也較好，當波長間隔為1nm時可以達到55dB。缺點是插入損耗較大，通常為3~8dB。λ1λ2λ3λ4λ1

λ2λ3λ4光纖透鏡閃爍光柵2、

光放大器寬帶寬的光放大器可以對多信道信號同時放大，而不需要進行解復用，光放大器的問世推動了DWDM技術的快速發展。目前應用最廣泛的光放大器是摻鉺光纖放大器(ErDopedFiberAmplifier，EDFA)，其特點是高增益、低噪聲、能放大不同速率和調制方式的信號，而且帶寬很寬，能在幾十納米范圍內同時放大多波長信號。EDFA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，結構如圖4.3.2-4所示。

圖4.3.2-4摻鉺光纖放大器結構

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

在

EDFA的應用中，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，當光纖中信道數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”，使信號強度突然提高，接收機碼元判決時會出現錯誤。

EDFA可以提供10~30dB的增益，輸出光功率可達10mW~100mW，帶寬超過40nm，是DWDM系統理想的光放大器。§4.3.3光纖網絡系統

從拓撲結構看，通信網可分為三類，即點到點、點到多點及網絡，如圖4.3.3-1所示，分別將結點連接起來傳送信息。(a)點到點(b)點到多點(c)網絡圖4.3.3-1通信網的三種基本拓撲結構12123N