基本光纤通信系统

最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。其中数据源包括所有的信号源，它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的信号；光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，先后用过的光波窗口有0.85、1.31和1.55。光学信道包括最基本的光纤，还有中继放大器EDFA等；而光学接收机则接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。下面是光通信系统图。 光通信系统图 数字光纤通信系统 　　光纤传输系统是数字通信的理想通道。与模拟通信相比较，数字通信有很多的优点，灵敏度高、传输质量好。因此，大容量长距离的光纤通信系统大多采用数字传输方式。 电发射端机 　　主要任务是PCM编码和信号的多路复用。 　　多路复用是指将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，到接收端再用专门的设备将各路信号分离出来，多路复用可以极大地提高通信线路的利用率。 　　在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲"0"码和"1"码，它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的，称为PCM（pulse code modulation），即脉冲编码调制。这种电的数字信号称为数字基带信号，由PCM电端机产生。 　　抽样是指从原始的时间和幅度连续的模拟信号中离散地抽取一部分样值，变换成时间和幅度都是离散的数字信号的过程。 　　（此处添加FLASH ,见sampling.jpg） 　　抽样所得的信号幅度是无限多的，让这些幅度无限多的连续样值信号通过一个量化器，四舍五入，使这些幅度变为有限的M种（M为整数），这就是量化。由于在量化的过程中幅度取了整数，所以量化后的信号与抽样信号之间有一个差值（称为量化误差），使接收端的信号与原信号间有一定的误差，这种误差表现为接收噪声，称为量化噪声。码位数M越多，分级就越细，误差越小，量化噪声也越小。 　　编码是指按照一定的规则将抽样所得的M种信号用一组二进制或者其它进制的数来表示，每种信号都可以由N个2二进制数来表示，M和N满足M=2N。例如如果量化后的幅值有8种，则编码时每个幅值都需要用3个二进制的序列来表示。需要注意的是，此处的编码仅指信源编码，这和后面提到的信道编码是有所区别的。 　　现以话音为例来说明这个过程。我们知道话音的频率范围是300～3,400Hz，在抽样的时候，要遵循所谓的奈奎斯特抽样率，实际中按8,000Hz的速率进行抽样。为了保证通话的质量，在长途干线话路中采用的是8位码（28=256个码组）。这样量化值有256种，每一种量化值都需要用8位二进制码编码，那么每一个话路的话音信号速率为8×8＝64kbps。 　　奈奎斯特抽样定理：要从抽样信号中无失真地恢复原信号，抽样频率应大于2倍信号最高频率。 　　多路复用技术包括：频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM）、波分多路复用（WDM）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）。 　　时分多路复用：当信道达到的数据传输率大于各路信号的数据传输率总和时，可以将使用信道的时间分成一个个的时间片（时隙），按一定规则将这些时间片分配给各路信号，每一路信号只能在自己的时间片内独占信道进行传输，所以信号之间不会互相干扰。 　　频分多路复用：当信道带宽大于各路信号的总带宽时，可以将信道分割成若干个子信道，每个子信道用来传输一路信号。或者说是将频率划分成不同的频率段，不同路的信号在不同的频段内传送，各个频段之间不会相互影响，所以不同路的信号可以同时传送。这就是频分多路复用（FDM）。 　　下面是TDM和FDM的示意图。 TDM和FDM 　　波分多路复用：是FDM应用于光纤信道的一个变例。 　　码分多址（CDMA）：这种技术多用于移动通信，不同的移动台（或手机）可以使用同一个频率，但是每个移动台（或手机）都被分配带有一个独特的"码序列"，该序列码与所有别的"码序列"都不相同，所以各个用户相互之间也没有干扰。因为是靠不同的"码序列"来区分不同的移动台（或手机），所以叫做"码分多址"（CDMA）技术。 　　空分多址（SDMA）：这种技术是利用空间分割构成不同的信道。举例来说，在一颗卫星上使用多个天线，各个天线的波束射向地球表面的不同区域。地面上不同地区的地球站，它们在同一时间、即使使用相同的频率进行工作，它们之间也不会形成干扰。 　　空分多址（SDMA）是一种信道增容的方式，可以实现频率的重复使用，充分利用频率资源。空分多址还可以和其它多址方式相互兼容，从而实现组合的多址技术，例如空分・码分多址（SD-CDMA）。 光发射端机 光纤线,光缆线,光通信,光纤原理 　　光发送端机组成如图所示。 光发送端机组成 　　从PCM设备（电端机）送来的电信号是适合PCM传输的码型，为HDB3码或CMI码。信号进入光发送机后，首先进入输入接口电路，进行信道编码，变成由"0"和"1"码组成的不归零码（NRZ）。然后在码型变换电路中进行码型变换，变换成适合于光线路传输的mBnB码或插入码，再送入光发送电路，将电信号变换成光信号，送入光纤传输。 　　线路编码：又称信道编码，其作用是消除或减少数字电信号中的直流和低频分量，以便于在光纤中传输、接收及监测。大体可归纳为三类：扰码二进制、字变换码、插入型码。 　　我们知道将一种数据形式转换成适合于在信道上传输的某种电信号形式，这类技术统称为调制/解调技术。 码名 单极性脉冲 双极性脉冲 不归零码（NRZ） 归零码(RZ) 曼彻斯特编码 特点 用电压的有、无表示两个二进制数。 用正、负电压分别表示两个二进制数。 是指在一个码元时间内，电压保持恒定，这种码又称为全宽码。 是指在一个码元的时间内，非零电压的持续时间小于一个码元的时间即在一个码元的后半部分时间内，电压总是要归于零。 利用电平的跳跃来表示"0"或"1" 优缺点 积累直流分量，会损坏电镀层。 可有效抑制直流分量。 续"1"或"0"时，码元不易区分。 带宽较大 便于提取时钟信号，常用于局域网中。 　　调制方式：模拟通信可采用调幅、调频、调相等多种调制方式，采用数字调制时，相应地称为幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）；信号只有两种状态的ASK称为通断键控（OOK），当前的数字通信系统使用OOK-PCM格式，属于强度调制-直接检测（IM-DD）通信方式，是通信方式中最简单、最初级的方式。而相干通信系统则可使用ASK、FSK或PSK-PCM格式，是复杂、高级的通信方式 　　光发射机包括以下参数： 发送光功率（dBm） 光谱特性 最大均方根宽度 最大20dB跌落宽度 最小边模抑制比（SMSR） 光中继器 　　目前，实用的光纤数字通信系统都是用二进制PCM信号对光源进行直接强度调制的。光发送机输出的经过强度调制的光脉冲信号通过光纤传输到接收端。由于受发送光功率、接收机灵敏度、光纤线路损耗、甚至色散等因素的影响及限制，光端机之间的最大传输距离是有限的。 　　例如，在1.31μm工作区34Mb／s光端机的最大传输距离一般在50～70km，140Mb／s光端机的最大传输距离一般在40～60km。如果要超过这个最大传输距离，通常考虑增加光中继器，以放大和处理经衰减和变形了的光脉冲。目前的光中继器常采用光电再生中继器，即光一电－光中继器，这相当于光纤传输的接力站。如此，就可以把传输距离大大延长。 　　传统的光中继器采用的是光－电－光(O-E-O)的模式，光电检测器先将光纤送来的非常微弱的并失真了的光信号转换成电信号，再通过放大、整形、再定时，还原成与原来的信号一样的电脉冲信号。然后用这一电脉冲信号驱动激光器发光，又将电信号变换成光信号，向下一段光纤发送出光脉冲信号。通常把有再放大(re-amplifying)、再整形（re-shaping）、再定时（re-timing）这三种功能的中继器称为"3R"中继器。这种方式过程繁琐，很不利于光纤的高速传输。 　　自从掺铒光纤放大器问世以后，光中继实现了全光中继，通常又称为1R（re-amplifying）再生。此技术目前仍然是通信领域的研究热点。下面是3R再生向1R再生的转变示意图。 3R再生向1R再生的转变 光接收机 　　从光纤传来的光信号进入光接收电路，将光信号变成电信号并放大后，进行定时再生，又恢复成数字信号。由于发送端有码型变换，因此，在接收端要进行码型反变换，然后将信号送入输出接口电路，变成适合PCM传输的HDB3码或CMI码，送给PCM。 　　在数字通信系统中，光接收机的性能用误码率来衡量。 　　接收机主要性能参数：接收灵敏度、光接收机的动态范围。 接收机灵敏度 　　接收机的灵敏度是表征光接收机调整到最佳工作状态时，光接收机接收微弱光信号的能力。 　　在数字接收机中，允许脉冲判决有一定的误差范围。如果接收机将"1"码误判为"0"码，或者将"0"码误判为"1"码，这就叫1个错误比特。如果在100个比特中判错了一个比特，则称误比特率为1／100，即10-2。数字通信要求，如果误比特率小于10-6，则基本上可以恢复原来的数字信号。如果误比特率大于10-3，则基本上不能进行正常的电话通信。对于数字光通信系统来说，一般要求系统的误比特率小于10-9，即10亿个脉冲中只容许发生一个误码。 　　因此，光接收机灵敏度定义为：在保证达到所要求的误比特率的条件下，接收机所需要的最小输入光功率。接收灵敏度一般用dBm来表示，它是以lmW光功率为基础的绝对功率，或写为 　 　　　　　　　　　　　　 　　其中，Pmin指在给定误比特率的条件下，接收机能接收的最小平均光功率。例如，在给定的误比特率为10-9时，接收机能接收的最小平均光功率为InW（即10-9W），光接收机灵敏度为-60dBm。 　　影响接收机灵敏度的主要因素是噪声，表现为信噪比。信噪比越大，表明接收电路的噪声越小，对灵敏度影响越小。光接收机灵敏度是系统性能的综合反映，除了上述接收机本身的特性以外，接收信号的波形也对灵敏度产生影响，而接收信号的波形主要由光发送机的消光比和光纤的色散来决定。光接收机灵敏度还与传输信号的码速有关，码速越高，接收灵敏度就越差。这就影响了高速传输系统的中继距离。速率越高，接收机灵敏度越差，中继距离就越短。 接收机的动态范围 　　光接收机前置放大器输出的信号一般较弱，不能满足幅度判决的要求，因此还必须加以放大。在实际光纤通信系统中，光接收机的输入信号将随具体的使用条件而变化。造成这种变化的原因，可能是由于温度变化引起了光纤损耗的变化，也可能是由于一个标准化设计的光接收机，使用在不同的系统中，光源的强弱不同，光纤的传输距离也不同。这样，传给光接收机的光功率就不可能一样。 　　为了使光接收机正常工作，接收信号不能太弱，否则会造成过大的误码。但接收信号也不能太强，否则会使接收机放大器过载，而造成失真。因此光接收机正常工作时，接收光信号的强度应该有一个范围。把光接收机在保证一定的误比特率条件下，所能接收的最大光功率与最小光功率之差，称作光接收机的动态范围。一般希望光接收机的动态范围越大越好，实际中一般为16～20dB。 备用系统与辅助设备 　　为了确保系统的畅通，通常设置备用系统。正常情况下只有主系统工作，一旦主要系统出现故障，就可以立即切换到备用系统，这样就可以保障通信的正确无误。 　　辅助设备是对系统的完善，它包括监控管理系统、公务通信系统、自动倒换系统、告警处理系统、电源供给系统等。 　　其中，监控管理系统可对组成光纤传输系统的各种设备自动进行性能和工作状态的监测，发生故障时会自动告警并予以处理，对保护倒换系统实行自动控制。对于设有多个中继站的长途通信线路及装有通达多方向、多系统的线路维护中心局来说，集中监控是必须采用的维护手段。 　　公务电话为各中继站与终端站之间提供业务联络。 　　"输入分配"和"输出倒换"组成了自动保护倒换装置。它是为提高线路的可靠性和可利用率而准备的热备用系统。主用系统出现故障时，会自动切换到备用系统工作。备用的方式是多种多样的，可以是一个主系统配备一个备用系统，也可以是多个主系统共用一个备用系统。是采用一主一备还是多主一备系统工作，要根据使用要求和使用条件而定。我国省内通信和本地网中采用一主一备方式较多，这主要是因为前期建设的系统数较少，又要设保护系统的缘故。而长途干线中主要采用多主一备系统，以提高机线设备的利用率。 评价光纤数字通信 　　误码特性和抖动特性是评价光纤数字通信系统的重要指标。 误码特性 　　什么是误码？误码的基本概念是：在数字通信系统中，当发送端发送"1"码时，接收端收到的却是"0"码；而当发送端发送"0"码时，接收端却接收到了"1"码，这种接收码与发送码不一致的情况就叫做误码。产生误码的主要原因是传输系统的噪声和脉冲抖动。 　　在数字光纤通信系统中，误码性能用误比特率BER来衡量。 　　　　　　　　BER＝错误比特数/传输总的比特数 　　对于数字光通信系统来说，一般要求系统的误比特率小于10-9。 　　　　　　　　　　　抖动特性 　　抖动，又称为相位抖动，是指数字脉冲信号的相位摆动,或时间上的前后摆动。 　　在系统测量中，描述抖动程度的单位是"单位间隔"，简写为UI，其意义是指一个码元的时间长度。对于不同的群次，、不同码速率的相应1UI的时间是不相同的。例如，对于PCM一次群信号，1UI=1/(2.048*106)ns≈122ns ；而对于PCM二次群信号，依此类推。另外，抖动还可以用"度"为单位来表示，并规定1UI=360°。 　　在光前数字通信系统中，必须把抖动限制在一定的范围之内，否则，会导致定时脉冲的相位偏离最佳判决位置，结果造成误判概率的增加和引起再生脉冲流的时间间隔不规则，码间距不一致。 铁腕高压，直接检测 　　强度调制－直接检测系统（Intensity Modulation/Direct Detection）是最简单的一种传输方式，目前大多数的光纤通信系统都采用这种传输技术。"强度调制"是指在发送端，用电的脉冲信号来控制光源，使其按照信号的强弱发光或者不发光；"直接检测"是指在接收端用光电检测器直接检测光的有无，再转化为电信号。从历史的眼光来看，这仅相当于无线电技术发展初期的马可尼时代。 系统的中继距离 　　我们知道，光纤数字通信系统是适于远距离、大容量通信的。在长距离传输中，需要使用中继器来放大经过长距离传输而减弱了的信号，就像接力赛跑一样，一个人累了的时候需要换一个人继续向前传递。在通信系统中，中继距离越长，中继站数目越少，系统的成本就越低，可靠性也越高。延长系统的中继距离是科技工作者的奋斗目标之一。 　　光纤数字传输系统的最大中继距离是指在光发射机和光接收机之间不设中继器时能传输的最远距离，在设计一个光纤通信系统时，计算最大中继距离是十分重要的。 　　光纤传输系统的最大中继距离由四个因素决定。 　　1．发送机输出耦合进光纤的平均光功率。耦合进光纤的功率越大，中继距离越长。 　　2．光纤的色散，若光纤的色散大，则经过一定距离传输后出现的波形失真就严重。传输的距离越长，波形失真就越严重。在数字通信系统中，波形失真将引起码间干扰，使光接收灵敏度降低，影响系统的中继距离。 　　3．光纤的损耗。光纤线路的损耗包括光纤活动连接器损耗和光纤的熔接损耗，当然主要是光纤的每公里损耗。如果光纤每公里损耗越小，则信号光功率在光纤上的损失就越小,光信号在光纤中的传输距离就越远。 　　4．满足一定误比特率要求的光接收机灵敏度。接收灵敏度越高，即满足系统误比特率要求的最低接收光功率越小，中继距离就越长。 　　对于某一光纤通信系统来说，发送光功率和光接收灵敏度一般都是已知的，影响其中继距离的因素主要是损耗限制和色散限制。对于单模光纤通信系统来说，传输速率在140Mb/s以下的系统一般只受损耗限制，色散对其影响不大；而传输速率在565Mb／s以上的系统，由于光源有一定的谱线宽度，可能会给中继距离带来较大影响。现在，采用动态单纵模激光器，特别是多量子阱激光器（MQW）后，连传输速率为2.5Gb／s的系统也几乎不受色散限制了。 同步数字序列 　　在数字通信发展的初期，为了适应点到点通信的需要，大量的数字传输系统都是准同步数字体系（PDH），准同步是指各级的比特率相对于其标准值有一个规定的容量偏差，而且定时用的时钟信号并不是由一个标准时钟发出来的，通常采用正码速调整法实现准同步复用。 　　随着数字交换的引入，由光通信技术的发展带动的长距离大容量数字电路的建设，以及网络控制和宽带综合业务数字网（B-ISDN）的发展需要，暴露了现有的准同步数字序列存在的一些固有弱点。主要是：北美、日本、欧洲三种数字体制互不兼容；没有世界性的标准光接口规范，在光路上无法互通和调配；难以上、下话路；网络维护管理复杂，缺乏灵活性，无法适应不断演变的电信网的要求。 　　随着光纤通信技术和大规模集成电路的高速发展，1986年美国提出了一种以光纤通信为基础的同步光纤网（SONET）概念，作为现代化通信网的基本结构。1988年ITU-T对SONET概念进行了修改，重新命名为同步数字序列，简称SDH，使之成为不仅适用于光纤通信，也适合于微波和卫星传输的体制。现在SDH已经成为国际上公认的新一代的理想传输网体制。 　　在电信网中所运载的种类繁多的信息首先必须规范化，然后再纳入数字序列的某一级的一种速率信号之中，即成为电信网所传输的异步或同步数字序列信号的内容。SDH的最低分级是155.520Mb/s，称为基本传送模块，用STM-1表示。STM-N则表示速率为N×155.520Mb/s的传送模块，其中N一般取1、4、16、64、256。 　　下面是光纤通信传输体制的发展历程： 　　1972 年ITU-T前身CCITT提出第一批PDH建议 　　1976和1988年又提出两批建议--形成完整的PDH体系 　　1984年美国贝尔实验室开始同步信号光传输体系的研究 　　1985年美国国家标准协会(ANSI)根据贝尔实验室提出的全同步网的构想,委托T1X1委员会起草光同步网标准,并命名为SONET(Synchronous Optical NETwork) 　　1986年CCITT开始以SONET为基础制订SDH 　　1988年通过了第一批SDH建议 　　1990以后,SDH已成为光纤通信基本传输方式；目前,SDH不仅是一套新的国际标准,又是一个组网原则,也是一种复用方法。 下面列出了几种传输技术（既包括电又包括光）的实现方式： 　　明线技术，FDM模拟技术，每路电话4kHz； 　　小同轴电缆6O路FDM模拟技术，每路电话4kHz； 　　中同轴电缆1800路FDM模拟技术，每路电话4kHz； 　　光纤通信140Mb／s PDH系统，TDM数字技术，每路电话64kb／ｓ； 　　光纤通信2.5Gb／s SDH系统，TDM数字技术，每路电话64kb／s； 　　光纤通信N×2.5Gb／s WDM系统，TDM数字技术+光频域FDM模拟技术，每路电话64kb／s。 光纤线