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光纤通信技术ModernCommunicationNetworks西安邮电大学通信与信息工程学院通信工程系7.1光纤通信系统的基本概念7.2数字光纤通信系统7.3模拟光纤通信系统第七章光纤通信系统本章简介光纤通信系统是组成光网络的基本单元，光纤通信系统主要包括数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统。本章将主要对数字和模拟光纤通信系统的组成，工作原理，特性指标及相关应用等作以介绍。7.1光纤通信系统的基本概念7.1.1光纤通信系统的组成如图7.1所示，为光纤通信系统组成模型。可见光纤通信系统由光发送部分、光纤和光接收部分三部分组成。图7.1光纤通信系统示意图在光发射部分，信息源把用户信息转换为原始电信号，这种信号称为基带信号。电发射机再把基带信号转换为适合信道传输的信号，这个转换如果需要调制，则其输出信号称为已调信号。对于数字电话传输，电话机把话音转换为频率范围为0.3~3.4kHz的模拟基带信号，电发射机把这种模拟信号转换为数字信号，例如PCM信号，并把多路数字信号组合在一起，然后输入光发射机，同样也可将SDH信号输入道光发射机在光线中传输。对于模拟电视传输，则用摄像机把图像转换为6MHz的模拟基带信号，直接输入光发射机。光纤部分可根据所传信号的质量要求、传输距离、适用场合等指标选单模光纤、多模光纤或其他特殊光纤。光接收部分则采用和光发射部分相反的操作，将光信号转换为电信号，然后再进行解复用，然后将基带信号送给相关用户。7.1.2光纤通信系统的分类光纤通信系统根据不同的分类方法可以划分为不同类型。1.按系统所用光纤类型可将光纤通信系统分为单模光纤通信系统和多模光纤通信系统；2.按光纤通信系统应用的场合分为公用型光纤通信系统和专用光纤通信系统，如专网中的电力光纤通信系统，铁道光纤通信系统，军用光纤通信系统等；3.根据光纤通信系统所处位置分为接入网系统，城域网系统，骨干网系统等；4.按光纤通信系统所采用的技术不同进行分类等。5.通常我们是按照光纤通信系统中所传送的信号是数字的还是模拟的，可将光纤通信系统分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。下面我们就以这种分类方法来分别介绍模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统的概念和相关技术。模拟光纤通信系统通常将采集的模拟基带信号直接调制到光载波上，从光发射机经光纤传送到光接收机，完成模拟信号的传送。为提高传输质量，也可将模拟基带信号转换为频率调制(FM)、脉冲频率调制(PFM)或脉冲宽度调制(PWM)信号，最后把这种已调信号输入光发射机。还可以采用频分复用(FDM)技术，用来自不同信息源的视频模拟基带信号(或数字基带信号)分别调制指定的不同频率的射频(RF)电波，然后把多个这种带有信息的RF信号组合成多路宽带信号，最后输入光发射机，由光载波进行传输。在这个过程中，受调制的RF电波称为副载波，这种采用频分复用的多路电视传输技术，称为副载波复用(SCM)。数字光纤通信系统通常将来自电端机上的数字信号调制到光载波上经光纤传送到对端，再解调为数字信号。数字信号经电端机解复用后变为基带数字信号，然后送到用户端。通常数字电端机包括数模转换电路，编解码电路，复用和去复用电路，相关保护电路等。不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机带有信息的电信号，都通过调制转换为光信号。光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号。电接收机的功能和电发射机的功能相反，它把接收的电信号转换为基带信号，最后由信息宿恢复用户信息。在整个通信系统中，在光发射机之前和光接收机之后的电信号段，光纤通信所用的技术和设备与电缆通信相同，不同的只是由光发射机、光纤线路和光接收机所组成的基本光纤传输系统代替了电缆传输。由于前面各个章节我们已经讲述了光线与光缆、光源器件与光发射机、光检测器件与光接收机等内容，在本章中我们将重点就数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统等知识予以讲述。7.2数字光纤通信系统7.2.1数字光纤通信系统组成1.数字光纤通信系统数字光纤通信系统比模拟光纤通信系统具有更多的优点，也更能适应社会对通信能力和通信质量越来越高的要求。数字通信系统用参数取值离散的信号(如脉冲的有和无、电平的高和低等)代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系；而模拟通信系统则用参数取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。这种基本特征决定着两种通信方式的优缺点和不同时期的发展趋势。20世纪70年代光纤通信的应用和80年代计算机的普及，为数字通信的发展创造了极其有利的条件。目前虽有数字通信几乎完全代替模拟通信的趋势，但是模拟通信仍然有着重要的应用。数字通信系统的优点1.抗干扰能力强，传输质量好。在模拟通信系统中，噪声叠加在信号上，两者很难分开，放大时噪声和信号一起放大，不能改善因传输而劣化的信噪比。数字光纤通信采用二进制信号，信息不包含在脉冲波形中，而由脉冲的“有”和“无”表示。因此，一般噪声不影响传输质量，只有在抽样和判决过程中，当噪声超过一定阈值时，才产生误码率。2.可以用再生中继，传输距离长。数字通信系统可以用不同方式再生传输信号，消除传输过程中的噪声积累，恢复原信号，延长传输距离。3.适用各种业务的传输，灵活性大。在数字通信系统中，话音、图像等各种信息都变换为二进制数字信号，可以把传输技术和交换技术结合起来，有利于实现综合业务。4.容易实现高强度的保密通信。只需要将明文与密钥序列逐位模2相加，就可以实现保密通信。只要精心设计加密方案和密钥序列并经常更换密钥，便可达到很高的保密强度。5.数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本。数字通信系统的缺点是占用频带较宽，系统的频带利用率不高注：这里没有考虑语音、视频压缩编码和多元制数字调制的作用。例如，一路模拟电话只占用4kHz的带宽，而一路数字电话要占用2064kHz的带宽。数字通信系统的许多优点是以牺牲频带为代价得到的，然而光纤通信的频带很宽，完全能够克服数字通信的缺点。因而对于电话的传输，数字光纤通信系统是最佳的选择。7.2.2数字光纤通信系统的线路码型对于数字端机的接口码型，一般采用双极性码，因为对电脉冲信号，以零伏为中心，无论产生正脉冲还是负脉冲都是比较容易的。目前常用的双极性码有码和CMI码。码适用于PDH(234)Mb/s（13次群）的数字信号接口。而CMI码适用于PDH140Mb/s数字信号接口。3HDB3HDB对于光缆数字系统，目前主要采用光强度调制方式，即传输信息仅与发光器件发出的光“有”或“无”两种状态，因此应采用单极性码。光缆线路系统对传输码型的主要要求有：能对中继器进行不中断业务的误码检测;减少码流中长连“0”或长连“1”的码字，以利于端机和中继设备的定时提取，便于信号再生判决;能传输监控、公务和区间信号;能实现比特序列独立性，即不论传输的信息信号如何特殊，其传输系统都不依赖于信息信号而进行正确的传输。1.扰码为了保证传输的透明性，在系统光发射机的调制器前，需要附加一个扰码器，将原始的二进制码序列进行变换，使其接近随机序列。它是根据一定的规则将信号码流进行扰码，经过扰码后使线路码流中的“0”、“1”出现概率相等，从而改善了码流的一些特性。但是它仍然具有下列缺点：不能完全控制长连“1”和长连“0”序列的出现；没有引入冗余，不能进行在线误码检测；信号频谱中接近于直流的分量较大。因为扰码不能完全满足光纤通信对线路码型的要求，所以许多光纤设备除采用扰码外，还采用其它类型的线路编码。2.分组码(1)mBnB码最典型的分组码为mBnB码，它是把输入码流中每m比特码分为一组，然后变换为n比特。m、n均为正整数，且nm，一般n=m+1。这样，变换之后，码组的比特数比变换前大，即输入码字共有种，输出码字可能组成种，使变换后的码流有了“富余”（冗余）。有了它，在码流中除了可以传输原来的信息外，还可以传输与误码检测等有关的信息。另外，经过适当的编码之后，可以改善定时信号的提取和直流分量的起伏等问题。mBnB码型中有1B2B，2B3B，3B4B，5B6B等。其中，5B6B码被认为在编码复杂性和比特冗余度之间是最合理的折衷，因此使用较为普遍。表7.15B6B码型的一种方案(2)mB1C码这种码型是将信码流每m比特分为一组，然后在其末位之后再插入一个反码（又称补码）即C码。C码的作用是：如果第m位码为“1”码，则反码为“0”；反之则为“1”。例如：8个码元为一组的码组为：11011001；编为8B1C码时的码组为：110110010。因此插入C码可进行误码检测，此外，还可减少连“0”或连“1”的不良影响。(3)mB1H码这种码是将信码流中每m比特码分为一组，然后在其末位之后插入一个混合码，称为H码。这种码型具有多种功能，除可完成mB1P和mB1C码的功能外，还可同时用来完成区间通信、公务联络、数据传输以及误码检测等功能。(4)其它线路码型在光纤通信中，有时利用电缆传送数字信号。因此可用ITU―TG.703建议的物理/电气接口码型，如伪双极性码即CMI和DMI码。表7.2CMI码变换规则CMI码由于结构均匀，传输性能好，可以用游动数字和的方法检测误码，因此误码检测性能好。由于它是一种电接口码型，因此139264kb/s光纤传输系统就用CMI码作为光线路码型。另外，它还不需重新变换，直接用四次群复用设备送来的CMI信号调制光源。接收端也可直接将再生还原的CMI码直接送给四次群复用设备，而不需线路码型的变换和反变换设备。CMI码的缺点是：码速提高率（等于100%）太大以及传送辅助信息的性能较差。7.2.3数字光纤通信系统特性指标与设计7.2.3.1数字光纤通信系统的特性指标目前，光纤通信系统主要是数字系统，因此光纤传输系统的各种性能指标应满足数字传输系统的要求。而数字信号在传输中也要遇到各种各样的干扰，因此考察光纤通信系统总的传输性能时，要分析各部分设备的性能及各传输段的性能，以便在各指标累加之后，能保证系统的全程性能指标。为此，对全程通信网的性能指标要作一个合理的分配，首先要确定一个合适的传输模型。ITU―T提出了“系统参考模型”的概念，并规定了系统参考模型的性能参数和指标，光纤通信系统的性能指标就应遵循该规定。1.数字光纤系统模型结构系统参考模型有三种假设形式：假设参考数字连接（HRX），假设参考数字链路（HRDL）及假设参考数字段（HRDS）。(1)假设参考数字连接（HRX）假设参考数字连接是针对通信系统的总的性能和指标分配而找出的通信距离最长、结构最复杂、传输质量预计最差的连接。如果这种连接能满足通信系统的性能指标要求，那么通信距离较短，结构较简单的通信连接肯定能保证传输质量，因而引入了假设参考连接模型。它是通信网中从用户至用户，包括参与变换与传输的各个部分（如用户线、终端设备、交换机、传输系统等）。ITU―T建议的一个标准最长HRX全长为27500km，包含14个假设参考数字链路和13个数字交换点。实际上经常实现的连接都比标准最长HRX短。假设参考数字连接的具体组成如图7.2示。LEISCISCISCISC27500km国内国际国内本地本地T参考点PC一级中心LE本地交换数字链路SC二级中心ISC国际交换数字交换TC三级中心PCSCTCISCTCSCPCLET参考点图7.2假设参考数字连接组成图(2)假设参考数字链路（HRDL）为了简化数字传输系统的研究，保证全程通信质量，把假设参考数字连接（HRX）中的两个相邻交换点的数字配线架间所有的传输系统，复、分设备等各种传输单元，用假设参考数字链路（HRDL）表示。由于HRDL是HRX的一个组成部分，因此允许把总的性能指标分配到一个比较短的模型上。ITU―T建议HRDL的合适长度是2500km，根据我国地域广阔的特点，我国长途一级干线的数字链路长度为5000km。(3)假设参考数字段（HRDS）为了适应传输系统的性能规范，保证全线质量和管理维护方便，具体提供数字传输系统的性能指标，把假设参考数字链路（HRDL）中相邻的数字配