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，也可以傳輸模擬信號。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，這種信號稱為基帶信號。

為提高傳輸質(zhì)量，通常把這種基帶信號轉(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，再把這種已調(diào)信號輸入光發(fā)射機。

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

輸入到光發(fā)射機帶有信息的電信號，都通過調(diào)制轉(zhuǎn)換為光信號。光載波經(jīng)過光纖線路傳輸?shù)浇邮斩耍儆晒饨邮諜C把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。

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

在整個通信系統(tǒng)中，在光發(fā)射機之前和光接收機之后的電信號段，光纖通信所用的技術(shù)和設備與電纜通信相同，不同的只是由光發(fā)射機、光纖線路和光接收機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)作為獨立的“光信道”單元，若配置適當?shù)慕涌谠O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、光纖線路和光接收機，若配置適當?shù)墓馄骷?，可以組成傳輸能力更強、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)，配置波分復用器和解復用器，組成大容量波分復用系統(tǒng)，使用耦合器或光開關(guān)組成無源光網(wǎng)絡，等等。

基本光纖傳輸系統(tǒng)一般由以下3個部分組成。

（1）光發(fā)射機

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

光發(fā)射機由光源、驅(qū)動器和調(diào)制器組成，光源是光發(fā)射機的核心。

光發(fā)射機的。性能基本上取決于光源的特性，對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體發(fā)光二極管（LED）和半導體激光二極管（或稱激光器）（LD），以及譜線寬度很小的動態(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)射機把電信號轉(zhuǎn)換為光信號的過程（電/光轉(zhuǎn)換），是通過電信號對光的調(diào)制而實現(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)制是用電信號直接調(diào)制半導體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動電流，使輸出光隨電信號變化而實現(xiàn)的。這種方案技術(shù)簡單，成本較低，容易實現(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，用獨立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實現(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)隨電信號變化而實現(xiàn)調(diào)制的。外調(diào)制的優(yōu)點是調(diào)制速率高，缺點是技術(shù)復雜，成本較高，因此只有在大容量的波分復用和相干光通信系統(tǒng)中使用。對光參數(shù)的調(diào)制，原理上可以是光強（功率）、幅度、頻率或相位調(diào)制，但實際上目前大多數(shù)光纖通信系統(tǒng)都采用直接光強調(diào)制。因為幅度、頻率或相位調(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)射機的光信號，以盡可能小的畸變（失真）和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C。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。對光纖的基本要求是損耗和色散這兩個傳輸特性參數(shù)都盡可能地小，而且有足夠好的機械特性和環(huán)境特性，例如，在不可避免的應力作用下和環(huán)境溫度改變時，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，價格比多模光纖便宜，因而得到更廣泛的應用。單模光纖配合半導體激光器，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體發(fā)光二極管更加合適。為適應不同通信系統(tǒng)的需要，已經(jīng)設計了多種結(jié)構(gòu)不同、特性優(yōu)良的單模光纖，并成功地投入實際應用。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個損耗很小的波長“窗口”。在這3個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，帶寬極大值高達幾十吉赫千米（GHz?km）。通過光纖設計，可以使零色散波長移到1.55pm,實現(xiàn)損耗和色散都最小的色散移位單模光纖；或者設計在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，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波長，都要和光纖這3個波長窗口相一致。目前在實驗室條件下，1.55pm的損耗已達到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，光纖的技術(shù)進步，有力地推動著光纖通信向前發(fā)展。

（3）光接收機

光接收機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轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)放大和處理后恢復成發(fā)射前的電信號。光接收機由光檢測器、放大器和相關(guān)電路組成，光檢測器是光接收機的核心。對光檢測器的要求是響應度高、噪聲低和響應速度快。

目前廣泛使用的光檢測器有兩種類型：在半導體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）。光接收機把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的過程（光/電轉(zhuǎn)換），是通過光檢測器的檢測實現(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轉(zhuǎn)換為電信號。這種檢測方式設備簡單、經(jīng)濟實用，是當前光纖通信系統(tǒng)普遍釆用的方式。

外差檢測要設置一個本地振蕩器和一個光混頻器，使本地振蕩光和光纖輸出的信號光在混頻器中產(chǎn)生差拍而輸出中頻光信號，再由光檢測器把中頻光信號轉(zhuǎn)換為電信號。外差檢測方式的難點是需要頻率非常穩(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)點是有很高的接收靈敏度。

目前，實用光纖通信系統(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。

光接收機最重要的特性參數(shù)是靈敏度。靈敏度是衡量光接收機質(zhì)量的綜合指標，它反映接收機調(diào)整到最佳狀態(tài)時，接收微弱光信號的能力。靈敏度主要取決于組成光接收機的光電二極管和放大器的噪聲，并受傳輸速率、光發(fā)射機的參數(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。

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