光纤通信系统

第三章光纤通信系统第一节光纤通信的发展概况第二节光纤通信的特点第三节光纤通信的基本组成第四节光纤通信系统的分类第五节光纤通信的发展方向主要内容光纤通信作为现代通信的主要支柱之一，本章将概述国内外光纤通信技术发展的历史、现状和前景．它是以光波为载频，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式．光纤与以往的铜导线相比，具有损耗低、频带宽、无电磁感应等传输特点．本章对光的性质、光在光纤中的传输和光纤通信的特点等加以介绍．第一节光纤通信的发展概况光波的波长在微米级，频率为10＾14HZ数量级．由电磁波谱中可以看出，紫外线、可见光、红外线均属于光波的范畴．目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区内，即波长为0．8～1．8um．可分为短波长和长波长波段，短波段是指波长为0．85um，长波长段是指1．31um和1．55um，这是目前所采用的三个通信窗口．第二节光纤通信的特点光纤通信与电通信方式的主要差异有两点：一是用光波作为载波传输信号，二是用光导纤维构成作为传输线路．因此，在光纤通信中起主导作用的是产生光波的激光器和传输光波的光导纤维．光纤通信与电通信比较的优缺点归纳如表２－１所示．表２－１光纤通信的优缺点主要因素光纤通信的优点光纤通信的缺点使用光引起的信息传输容量大无电磁干扰无短路引起的事故不发生火花接地设计容易需要光电交换部分光直接放大难使用光纤引起的传输损耗小传输频带宽无电磁感应障碍可忽略串音重量轻耐火．耐水有可挠性资源问题小电力传输困难弯曲半径不易太小需要高级切断接续技术分路耦合不方便使用光半导体元件引起的响应速度快方向性好光功率大第三节光纤通信的基本组成光纤通信是以光波做载波，以光缆作为传输的通信系统．目前实用的光纤通信系统，普遍采用的是数字编码、强度调制—直接检波通信系统．它由常规的电端机、光端机、光中继器及光缆传输线路组成，如图2—2所示．该系统分为三大部分：光发送、光传输和光接收，光发送完成电光转换任务，光传输部分的作用是把光信号从发送端传到接收端，光接收完成光电转换任务．光发送部分传输部分光接收部分电端机光端机中继器光缆光源光端机光缆电端机光检测器光源光检测器图２－２光纤通信传输系统的基本组成一、光源和光电检测器1、光源38页在光纤通信系统中光源是光发送部分的“心脏”，是实现光纤通信的重要器件之一．对光源的要求是：寿命长；有足够的输出光功率；电光转换效率应不低于当前半导体电子器件的转换率（约10﹪）；发射波长必须在低损耗传输窗口附近；发光面积和光束的发散角要小，谱线宽度要狭窄．二、目前广泛使用的光源有半导体发光二极管和半导体激光器，半导体光源有如下特点：1、体积小，发光面积可以与光纤相比较，从而有较高的耦合效率；2、发射波长适合在光纤中低损耗传输；可以用电流直接进行强度调制；3、可以用电流直接进行强度调制，即只要将信号电流注入半导体激光器或发光二极管，就可以得到光信号输出；4、可靠性较高．ＬＤ和ＬＥＤ的比较1、激光器优于发光二极管的方面是：1）激光器的响应速度快，可用于较高的调制速度；2）激光器的光谱较窄，应用于单模光纤时，光在光纤中的传播引起的色散小，可用于大容量通信；3）耦合到光纤中的功率高，传播的距离远。LD不足于LED的方面是：1）温度特性差；2）易损坏，寿命短；3）激光器的成本高，价格昂贵。发光二极管便宜；4）LD的调制线不如LED．所以大容量、远距离光纤通信宜用激光管；小容量、近距离通信，用发光二极管．3、光电检测器在光纤通信系统中，光电检测器是把光纤输入的光信号转为电信号的光电子器件．它是光接收机的关键元件，对光接收机的灵敏度和延长通信距离有着重要的影响。对光电检测器的基本要求是：高效率，低躁声，有足够高的响应速度或足够的带宽，在工作波长上有足够高的灵敏度，具有接收弱信号的能力；有良好的温度特性和稳定性；工作电压尽量低，使用简单；体积小，寿命长．光电检测器通常采用光电二极管．光电二极管利用半导体接受光照之后激励电子而形成电流的性质．只要有微弱的光，就能检测很大的电流．光电检测器如真空光管，光电倍增管，半导体光电检测器等．半导体光电检测器体积小，重量轻，价格便宜，使用方便，具有较好的性能．因此，目前光纤通信常用的是半导体光电检测器，如PN结光电二极管，PIN光电二极管和APD血崩光电二极管等．二、端机1、电端机电端机，是数字终端设备的简称，是组成光纤通信系统不可少的部分．它包括PCM基群设备和高次群复用设备．PCM基群设备是将模拟的话音信号通过脉冲编码调制，即PCM，变成数字信号．再通过数字复接技术，将多路PCM信号变成一路基群信号进行传送，以及将收到的PCM基群信号通过相反的处理还原成模拟话音信号的一种设备．2、光端机73页光线路终端设备，简称光端机．光端机主要由光发送支路和光接收支路两部分组成．它的主要作用是：在发端将电信号变换成光信号，将其注入光纤中；在收端将收到的信号变换为原电信号．光端机方框图如图2—3所示．1）输入电路和输出电路在接收端，输出电路将光接收机输出的单极性码还原成双极性码送入PCM电端机．输出电路包括线路码型反变换和输出接口两大部分．码型反变换是码型变换的逆过程，它把线路码型信号变换为普通的信号后，再经输出接口还原成原始电信号送入电端机．因此，输入电路是光端机的发送支路在调制电路的信号处理剖分．输出电路是光端机接收支路定时再生之后的信号处理部分．光端机方框图输入接口线路码型变换光发送光纤输出接口线路码型交换光接收光纤输出倒换输入分配电源公务电话监控告警辅助电路光发送支路光接收支路区间通信2）光发送机光发送机是把将要传输的电信号转化为光信号，再经光缆传输至远方的设备．它主要由光源和调制电路组成．光源采用半导体激光器和发光二极管．光发送器原理图：图２－４光发机原理方框图调制电路控制电路调制电路数字信号入光纤LD数字信号入光纤LED（b）光源为LED时（a)光源为LD时3）光接收机81页图２－５光接收机原理方框图光检测放大均衡裁决自动增益控制时钟提取接收电路裁决在生电路辅助电路（光缆线路监控）为了保证光端机的正常工作及便于操作维护等，还有一些辅助电路．辅助电路主要包括公务电话、告警、主备用倒换和检测控制电路等，根据需要也可有各种各样的其他功能．如区间通信、油机启动等，统称为辅助设备．三、光中继器851、光线在生中继器，简称光中继器．工作原理：来自光纤线路的微弱光数字信号进入光中继器的接收机的光电检测器后转化为数字信号，经过放大、均衡、定时判决、整形后又输入到光发送机中的驱动电路推动光源，发出很强的光数字信号，再送入光缆线路，向前方传输．中继器是起接力作用的装置，目前多采用光—电----光的形式．2、掺铒光纤放大器87四、光缆光缆是实现光信号传输的通信线路，他由一定数量的光纤按照一定方式组成缆心，外面包有护层，有的还包覆外护层．光缆与电缆在结构上的主要不同点在于光缆必须设有加强构件，以承受机械拉伸负荷．光缆比电缆具有更大的传输容量，中继段距离长，体积小，重量轻，无电磁，干扰．目前光缆已经发展成长途干线、市内中继、近海及跨洋海底通信．以及局域网、专用网等的有线传输线路骨干，正在开始向市内用户环路配线网的领域发展，并为光纤到户、宽带综合业务数字网提供传输线路．二、按光纤的模式分类1、多模光纤通信系统，采用石英多模梯度光纤作为传输线，因传输频率受到限制，一般应用于140Mbit/s以下的系统．2、单模光纤通信系统，采用石英单模光纤作为传输线，传输容量大，距离长，目前建设的光纤通信系统都是这一类型的．三、按传输信号的类型分类1、光纤模拟通信系统，它是用模拟信号直接对光源进行强度调制的系统．2、光纤数字系统，它是用PCM数字电信号直接对光源进行强度调制的系统．其通信距离长，传输质量高，是被广为采用的系统．四、按传输的速率分类1、低速光纤通信系统，一般传输信号为2Mbit/s或8MBit/s．2、高速光纤通信系统，它的传输信号速率为34Mbit/s，140Mbit/s，以上的系统，有时把速率等于和高于140Mbit/s的系统才称为高速光纤通信系统．五、按应用范围分类1、公用光纤通信系统，邮电部门应用的光纤系统称为公用光纤通信系统．它包括光纤市话中继通信系统，光纤长途通信系统，光纤用户环路系统．2、专用光纤通信系统，指邮电部门以外的各部门应用的光纤通信系统，例如电力、铁路、石油、广播电视，交通，军事等的应用都称为专用光纤通信系统．第五节光纤通信的发展方向光纤通信系统以它独特的优点被认为是通信史上一次革命性的变革，光纤通信将在长途通信网与市话通信网中代替现用的电缆通信网，这已为各国所公认．在未来的信息社会中，交换大量信息的信息网络也将由光纤通信网络来构成．目前，接入网工程已经在我国一些大城市开始兴建和应用，大容量光缆和带状光缆为传输大容量的信息提供了足够的信息通道，满足了人们日益增长的信息交流的需要．光纤通信作为一门新学科来讲，其发展的速度与潜力在通信史上很少有其他技术可与之相比．目前，单模光纤的生产已经完全实用化，它的传输频带达几十吉赫以上．在1．31um的损耗是0．5dB/skm，在1．55um的损耗是0．2—0．3dB/skm，已接近理论极限值．为适应远距离高速、宽带光纤通信传输的需要，专用的光纤传输的集成电路和光纤放大器的研究都有新的突破．相干光纤通信系统的研制成功将使我们有可能把现有光纤通信容量提高几个数量级，一次传送距离为几百公里的通信系统可望建立；新的红外线材料的研究，有可能使光纤的衰减再减小两、三个数量级，这样可使一次传输距离达到成千上万公里．这些方面的研制工作正在进行，它们的实现不少是可望可及的．