通信工程師綜合能力考試光纖通信系統(tǒng)的基本組成

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4.2.2 光纖通信系統(tǒng)的基本組成

光纖通信系統(tǒng)可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)。用戶要傳輸?shù)男畔⒍喾N多樣，一般有語音、圖像、數(shù)據(jù)或多媒體信息。

1.發(fā)射和接收

信息源把用戶信息轉(zhuǎn)換為原始電信號(hào)，這種信號(hào)稱為基帶信號(hào)。

為提高傳輸質(zhì)量，通常把這種基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)制（FM）、脈沖頻率調(diào)制（PFM）或脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)，再把這種已調(diào)信號(hào)輸入光發(fā)射機(jī)。

還可以采用頻分復(fù)用（FDM）技術(shù)，將來自不同信息源的基帶信號(hào)分別調(diào)制成指定的不同頻率的射頻（RF）電波，然后把多個(gè)這種帶有信息的RF信號(hào)組合成多路寬帶信號(hào)，最后輸入光發(fā)射機(jī)，由光載波進(jìn)行傳輸。在這個(gè)過程中，受調(diào)制的RF電波稱為副載波，這種采用頻分復(fù)用的多路電波傳輸技術(shù)，稱為副載波復(fù)用（SCM）。

輸入到光發(fā)射機(jī)帶有信息的電信號(hào)，都通過調(diào)制轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。光載波經(jīng)過光纖線路傳輸?shù)浇邮斩?，再由光接收機(jī)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

電接收機(jī)的功能和電發(fā)射機(jī)的功能相反，它把接收的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)，最后由信息宿恢復(fù)用戶信息。

在整個(gè)通信系統(tǒng)中，在光發(fā)射機(jī)之前和光接收機(jī)之后的電信號(hào)段，光纖通信所用的技術(shù)和設(shè)備與電纜通信相同，不同的只是由光發(fā)射機(jī)、光纖線路和光接收機(jī)所組成的基本光纖傳輸系統(tǒng)代替了電纜傳輸系統(tǒng)。

2.基本光纖傳輸系統(tǒng)

基本光纖傳輸系統(tǒng)作為獨(dú)立的“光信道”單元，若配置適當(dāng)?shù)慕涌谠O(shè)備，則可以插入現(xiàn)有的數(shù)字通信系統(tǒng)或模擬通信系統(tǒng)；有線通信系統(tǒng)或無線通信系統(tǒng)的發(fā)射與接收之間光發(fā)射機(jī)、光纖線路和光接收機(jī)，若配置適當(dāng)?shù)墓馄骷?，可以組成傳輸能力更強(qiáng)、功能更完善的光纖通信系統(tǒng)。例如，在光纖線路中插入光纖放大器組成光中繼長途系統(tǒng)，配置波分復(fù)用器和解復(fù)用器，組成大容量波分復(fù)用系統(tǒng)，使用耦合器或光開關(guān)組成無源光網(wǎng)絡(luò)，等等。

基本光纖傳輸系統(tǒng)一般由以下3個(gè)部分組成。

（1）光發(fā)射機(jī)

光發(fā)射機(jī)的功能是把輸入電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并用稱合技術(shù)把光信號(hào)最大限度地注入光纖線路。

光發(fā)射機(jī)由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成，光源是光發(fā)射機(jī)的核心。

光發(fā)射機(jī)的。性能基本上取決于光源的特性，對(duì)光源的要求是輸出光功率足夠大，調(diào)制頻率足夠高，譜線寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長穩(wěn)定，器件壽命長。目前廣泛使用的光源有半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）和半導(dǎo)體激光二極管（或稱激光器）（LD），以及譜線寬度很小的動(dòng)態(tài)單縱模分布反饋（DFB）激光器。有些場合也使用固體激光器，例如大功率的摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）激光器。光發(fā)射機(jī)把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的過程（電/光轉(zhuǎn)換），是通過電信號(hào)對(duì)光的調(diào)制而實(shí)現(xiàn)的。目前有直接調(diào)制和間^接調(diào)制（或稱外調(diào)制）兩種調(diào)制方案。

直接調(diào)制是用電信號(hào)直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流，使輸出光隨電信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)的。這種方案技術(shù)簡單，成本較低，容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速率受激光器的頻率特性所限制。

外調(diào)制是把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開，用獨(dú)立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實(shí)現(xiàn)的。目前有多種調(diào)制器可供選擇，最常用的是電光調(diào)制器。這種調(diào)制器是利用電信號(hào)改變電光晶體的折射率，使通過調(diào)制器的光參數(shù)隨電信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)調(diào)制的。外調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制速率高，缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，成本較高，因此只有在大容量的波分復(fù)用和相干光通信系統(tǒng)中使用。對(duì)光參數(shù)的調(diào)制，原理上可以是光強(qiáng)（功率）、幅度、頻率或相位調(diào)制，但實(shí)際上目前大多數(shù)光纖通信系統(tǒng)都采用直接光強(qiáng)調(diào)制。因?yàn)榉取㈩l率或相位調(diào)制需要幅度和頻率非常穩(wěn)定、相位和偏振方向可以控制、譜線寬度很窄的單模激光源，并采用外調(diào)制方案，所以這些調(diào)制方式只在新技術(shù)系統(tǒng)中使用。

（2）光纖線路

光纖線路的功能是把來自光發(fā)射機(jī)的光信號(hào)，以盡可能小的畸變（失真）和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)。光纖線路由光纖、光纖接頭和光纖連接器組成。光纖是光纖線路的主體，接頭和連接器是不可缺少的器件。實(shí)際工程中使用的是容納許多根光纖的光纜。

光纖線路的性能主要由纜內(nèi)光纖的傳輸特性決定。對(duì)光纖的基本要求是損耗和色散這兩個(gè)傳輸特性參數(shù)都盡可能地小，而且有足夠好的機(jī)械特性和環(huán)境特性，例如，在不可避免的應(yīng)力作用下和環(huán)境溫度改變時(shí)，保持傳輸特性穩(wěn)定。

目前使用的石英光纖有多模光纖和單模光纖，單模光纖的傳輸特性比多模光纖好，價(jià)格比多模光纖便宜，因而得到更廣泛的應(yīng)用。單模光纖配合半導(dǎo)體激光器，適合大容量長距離光纖傳輸系統(tǒng)，而小容量短距離系統(tǒng)用多模光纖配合半導(dǎo)體發(fā)光二極管更加合適。為適應(yīng)不同通信系統(tǒng)的需要，已經(jīng)設(shè)計(jì)了多種結(jié)構(gòu)不同、特性優(yōu)良的單模光纖，并成功地投入實(shí)際應(yīng)用。石英光纖在近紅外波段，除雜質(zhì)吸收峰外，其損耗隨波長的增加而減小，在0.85pm、和1.55pm有3個(gè)損耗很小的波長“窗口”。在這3個(gè)波長窗口損耗分別小于2dB/km、0.4dB/km和0.2dB/km.石英光纖在波長1.31pm色散為零，帶寬極大值高達(dá)幾十吉赫千米（GHz?km）。通過光纖設(shè)計(jì)，可以使零色散波長移到1.55pm,實(shí)現(xiàn)損耗和色散都最小的色散移位單模光纖；或者設(shè)計(jì)在1.31-1111和1.55jluii之間色散變化不大的色散平坦單模光纖等。根據(jù)光纖傳輸特性的特點(diǎn)，光纖通信系統(tǒng)的工作波長都選擇在0.85jLim、1.31pm或特別是1.31pm和1.55pm應(yīng)用更加廣泛。

因此，作為光源的激光器的發(fā)射波長和作為光檢測器的光電二極管的響應(yīng)波長，都要和光纖這3個(gè)波長窗口相一致。目前在實(shí)驗(yàn)室條件下，1.55pm的損耗已達(dá)到0.154dB/km,接近石英光纖損耗的理論極限，因此人們開始研究新的光纖材料。

光纖是光纖通信的基礎(chǔ)，光纖的技術(shù)進(jìn)步，有力地推動(dòng)著光纖通信向前發(fā)展。

（3）光接收機(jī)

光接收機(jī)的功能是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號(hào)。光接收機(jī)由光檢測器、放大器和相關(guān)電路組成，光檢測器是光接收機(jī)的核心。對(duì)光檢測器的要求是響應(yīng)度高、噪聲低和響應(yīng)速度快。

目前廣泛使用的光檢測器有兩種類型：在半導(dǎo)體PN結(jié)中加入本征層的PIN光電二極管（PIN-PD）和雪崩光電二極管（APD）。光接收機(jī)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過程（光/電轉(zhuǎn)換），是通過光檢測器的檢測實(shí)現(xiàn)的。檢測方式有直接檢測和外差檢測兩種。直接檢測是用檢測器直接把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這種檢測方式設(shè)備簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，是當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)普遍釆用的方式。

外差檢測要設(shè)置一個(gè)本地振蕩器和一個(gè)光混頻器，使本地振蕩光和光纖輸出的信號(hào)光在混頻器中產(chǎn)生差拍而輸出中頻光信號(hào)，再由光檢測器把中頻光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。外差檢測方式的難點(diǎn)是需要頻率非常穩(wěn)定、相位和偏振方向可控制、譜線寬度很窄的單模激光源；優(yōu)點(diǎn)是有很高的接收靈敏度。

目前，實(shí)用光纖通信系統(tǒng)普遍采用直接調(diào)制一直接檢測方式。外調(diào)制一外差檢測方式雖然技術(shù)復(fù)雜，但是傳輸速率和接收靈敏度很高，是很有發(fā)展前途的通信方式。

光接收機(jī)最重要的特性參數(shù)是靈敏度。靈敏度是衡量光接收機(jī)質(zhì)量的綜合指標(biāo)，它反映接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)，接收微弱光信號(hào)的能力。靈敏度主要取決于組成光接收機(jī)的光電二極管和放大器的噪聲，并受傳輸速率、光發(fā)射機(jī)的參數(shù)和光纖線路的色散影響，還與系統(tǒng)要求的誤碼率或信噪比有密切關(guān)系。所以靈敏度也是反映光纖通信系統(tǒng)質(zhì)量的重要指標(biāo)。

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