1、2022-8-151第第4章章 数字光纤通信系统数字光纤通信系统 4.1 数字光纤通信系统概述数字光纤通信系统概述4.2 光纤和光器件光纤和光器件4.3 光端机光端机4.4 数字光纤系统的两种传输体制数字光纤系统的两种传输体制2022-8-1524.1 数字光纤通信系统概述数字光纤通信系统概述 一、光纤通信发展史和现状一、光纤通信发展史和现状1、探索时期的光通信、探索时期的光通信:中国古代用中国古代用“烽火台烽火台”报警，欧洲人用旗语传报警，欧洲人用旗语传送信息，送信息，这些都可以看作是原始形式的光通信。这些都可以看作是原始形式的光通信。1880年，美国人贝尔年，美国人贝尔(Bell)发明了用
2、光波作载发明了用光波作载波传送话音的波传送话音的“光电话光电话”。光电话证明了用光波作。光电话证明了用光波作为载波传送信息的可行性。贝尔光电话是现代光通为载波传送信息的可行性。贝尔光电话是现代光通信的雏型。信的雏型。2022-8-153 1960年，美国人梅曼年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红发明了第一台红宝石激光器，宝石激光器，给光通信带来了新的希望。给光通信带来了新的希望。激光具有激光具有波谱宽度窄，方向性极好，波谱宽度窄，方向性极好，亮度极高，亮度极高，以及频率和相位较一致的良好特性以及频率和相位较一致的良好特性。继红宝石激光器之后，氦继红宝石激光器之后，氦氖氖(He-Ne)激
3、光器、激光器、二氧化碳二氧化碳(CO2)激光器先后出现，并投入实际应用。激光器先后出现，并投入实际应用。激光器的发明和应用，激光器的发明和应用，使光通信进入一个崭新的阶使光通信进入一个崭新的阶段。段。2022-8-1542 2、现代光纤通信、现代光纤通信 19661966年，英籍华裔学者高锟指出了利用光纤年，英籍华裔学者高锟指出了利用光纤(Optical Fiber)(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信径，奠定了现代光通信光纤通信的基础。光纤通信的基础。1970 1970 年，光纤研制取得了重大突破。美国康年，光纤研制取得了
4、重大突破。美国康宁宁(Corning)(Corning)公司就研制成功损耗公司就研制成功损耗20 dB/km20 dB/km的石英的石英光纤。光纤。1973 1973 年，美国贝尔年，美国贝尔(Bell)(Bell)实验室取得了更大实验室取得了更大成绩，光纤损耗降低到成绩，光纤损耗降低到2.5dB/km2.5dB/km。1976 1976 年，日本电报电话年，日本电报电话(NTT)(NTT)公司将光纤损耗公司将光纤损耗降低到降低到0.47 dB/km(0.47 dB/km(波长波长1.2m)1.2m)。2022-8-1553 3、光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：、光纤通信的发展可以粗略地
5、分为三个阶段：第一阶段第一阶段(1966-1976(1966-1976年年)，这是从基础研究到商，这是从基础研究到商业应用的开发时期。实现了短波长业应用的开发时期。实现了短波长(0.85m)(0.85m)低速率低速率(45(45或或34Mb/s)34Mb/s)多模光纤通信系统。多模光纤通信系统。第二阶段第二阶段(1976-1986(1976-1986年年)，这是以提高传输速率，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。时期。光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长(0.85m)(0.8
6、5m)发展到长波长发展到长波长(1.31m(1.31m和和1.55m)1.55m)。第三阶段第三阶段(1986-1996(1986-1996年年)，这是以超大容量超长，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。在这距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。在这个时期，实现了个时期，实现了1.55m1.55m色散移位单模光纤通信系统。色散移位单模光纤通信系统。实验室可以达到更高水平。实验室可以达到更高水平。2022-8-156二、光纤通信的优点和应用二、光纤通信的优点和应用 在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高得多，作为传输介
7、质的光纤又比同轴电缆波频率高得多，作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波导管的损耗低得多，因此相对于电缆通信或微或波导管的损耗低得多，因此相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点。波通信，光纤通信具有许多独特的优点。1.容许频带很宽，传输容量很大容许频带很宽，传输容量很大 单波长光纤通信系统的传输速率一般为单波长光纤通信系统的传输速率一般为2.5 Gb/s和和10 Gb/s。波分复用。波分复用(WDM)和光时分复用和光时分复用(TDM)更是极大地增加了传输容量，更是极大地增加了传输容量，见下表见下表。2022-8-157通信手段 传输容量(话路)/条 中继距离/km 1000 km内中
8、继器个数 微波无线电 960 5020小同轴 9604250中同轴 180061600光缆 19203033光缆 14000(1Gb/s)8411光缆 6000(445MB/S)1347表表 光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较 2022-8-158 2.损耗很小，损耗很小，中继距离很长且误码率很小中继距离很长且误码率很小 石英光纤在石英光纤在1.31 m和和1.55 m波长，波长，传输损耗分传输损耗分别为别为0.50 dB/km和和0.20 dB/km，甚至更低。因此，用，甚至更低。因此，用光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多，见表。光纤比用同轴电
9、缆或波导管的中继距离长得多，见表。传输容量大、传输误码率低、中继距离长的优点，传输容量大、传输误码率低、中继距离长的优点，使光纤通信系统不仅适合于长途干线网而且适合于接使光纤通信系统不仅适合于长途干线网而且适合于接入网的使用，入网的使用，这也是降低每公里话路的系统造价的这也是降低每公里话路的系统造价的主要原因。主要原因。2022-8-159 3.重量轻、重量轻、体积小体积小 光纤重量很轻，直径很小。即使做成光缆，在光纤重量很轻，直径很小。即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多。表给光缆和标准同轴电缆的重量和截积也小得多
10、。表给光缆和标准同轴电缆的重量和截面积的比较。面积的比较。项目 8 芯 18 芯 光缆 电缆 光缆 电缆 重量/(kgm-1)重量比 0.42 16.3150.4211126直径/mm 截面积比 211475211659.6表表 光缆和电缆的重量和截面积比较光缆和电缆的重量和截面积比较 2022-8-1510 4.抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好 光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。5.泄漏小，泄漏小，保密性能好保密性能好 在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲在光纤中传输
11、的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。因此信息在光纤中传输非常安全。地段也无法窃听。因此信息在光纤中传输非常安全。6.节约金属材料，节约金属材料，有利于资源合理使用。有利于资源合理使用。2022-8-1511 总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越性，由图可见，随着传输容量的增加，由于采用了性，由图可见，随着传输容量的增加，由于采用了新的传输媒质，新的传输媒质，使得相对造价直线下降。使得相对造价直线下降。平行双绞线电缆同轴电缆微波10210103104105106101102103104105系统/话路公里相对造价话路数/条光缆图图 各种通信系统
12、相对造价与传输容量的比较各种通信系统相对造价与传输容量的比较 2022-8-1512 光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤通信的各种应用可概括如下：光纤通信的各种应用可概括如下：通信网，包括全球通信网、各国的公共电信网、通信网，包括全球通信网、各国的公共电信网、各种专用通信网、特殊通信手段。各种专用通信网、特殊通信手段。构成因特网的计算机局域网和广域网，如光纤构成因特网的计算机局域网和广域网，如光纤以太网、以太网、路由器之间的光纤高速传输链路。路由器之间的光纤高速传输链路。有线电视网的干线和分配网；工业电视系统，有线电视网的干线和分配网；工业
13、电视系统，如工厂、如工厂、银行、商场、交通和公安部的监控。银行、商场、交通和公安部的监控。综合业务光纤接入网，分为有源接入网和无源综合业务光纤接入网，分为有源接入网和无源接入网，接入网，可实现电话、数据、视频可实现电话、数据、视频(会议电视、可视会议电视、可视电话等电话等)及多媒体业务综合接入核心网，提供各种各样及多媒体业务综合接入核心网，提供各种各样的社区服务。的社区服务。2022-8-1513三、光纤通信系统的基本组成三、光纤通信系统的基本组成 1、发射和接收发射和接收 下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统
14、。接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。信息源电发射机光发射机光接收机电接收机信息宿基本光纤传输系统光纤线路接 收发 射电信号输入光信号输出光信号输入电信号输出图图 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成光纤通信系统组成演示光纤通信系统组成演示2022-8-1514信息源：信息源：把用户信息转换为原始电信号，这种信号称把用户信息转换为原始电信号，这种信号称为基带信号。为基带信号。电发射机：电发射机：把基带信号转换为适合信道传输的信号，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，这个转换如果需要调制，则其输出信号称为已调信号。则其输出信号称为已调信号。光发射机：光发射机：输入
15、到光发射机带有信息的电信号，通过输入到光发射机带有信息的电信号，通过调制转换为光信号。调制转换为光信号。光接收机：光接收机：光载波经过光纤线路传输到接收端，再由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。光接收机把光信号转换为电信号。电接收机：电接收机：功能和电发射机的功能相反。功能和电发射机的功能相反。2022-8-1515 2 2、基本光纤传输系统、基本光纤传输系统 基本光纤传输系统作为独立的基本光纤传输系统作为独立的“光信道光信道”单元。单元。有线通信系统或无线通信系统的发射与接收之间有线通信系统或无线通信系统的发射与接收之间 加入光发射机、光纤线路和光接收机，再配
16、置适当的加入光发射机、光纤线路和光接收机，再配置适当的 光器件，光器件，可以组成传输能力更强、功能更完善的光可以组成传输能力更强、功能更完善的光 纤通信系统。纤通信系统。下面简要介绍基本光纤传输系统的三个组成部分。下面简要介绍基本光纤传输系统的三个组成部分。2022-8-1516光发射机：光发射机：光发射机的功能：光发射机的功能：把输入电信号转换为光信号，把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。光发射机组成：光发射机组成：由光源、由光源、驱动器和调制器组成。驱动器和调制器组成。光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本上光
17、源是光发射机的核心。光发射机的性能基本上取决于光源的特性。取决于光源的特性。光源种类：光源种类：半导体发光二极管半导体发光二极管(LED)、半导体激、半导体激光二极管光二极管(或称激光器或称激光器)(LD)，单纵模分布反馈单纵模分布反馈(DFB)激光器。激光器。2022-8-1517光纤线路：光纤线路：光纤线路功能光纤线路功能：是把来自光发射机的光信号，以：是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的失真和衰减传输到光接收机。尽可能小的失真和衰减传输到光接收机。光纤线路组成光纤线路组成：由光纤、光纤接头和光纤连接器：由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。组成。光纤基本要求光纤基本要求：损耗和色散这两个传
18、输特性参数：损耗和色散这两个传输特性参数都尽可能地小，都尽可能地小，有足够好的机械特性和环境特性。有足够好的机械特性和环境特性。石英光纤分类石英光纤分类：多模光纤和单模光纤。：多模光纤和单模光纤。单模光纤的传输特性比多模光纤好，价格比多模单模光纤的传输特性比多模光纤好，价格比多模光纤便宜，因而得到更广泛的应用。光纤便宜，因而得到更广泛的应用。单模光纤适合大容量长距离光纤传输系统，小容单模光纤适合大容量长距离光纤传输系统，小容量短距离系统用多模光纤配合半导体发光二极管更加量短距离系统用多模光纤配合半导体发光二极管更加合适。合适。2022-8-1518光接收机：光接收机：光接收机的功能光接收机的功
19、能：是把从光纤线路输出、产生：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。和处理后恢复成发射前的电信号。光接收机组成光接收机组成：由光检测器、：由光检测器、放大器和相关电放大器和相关电路组成路组成 光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求是响应度高、是响应度高、噪声低和响应速度快。噪声低和响应速度快。光检测器种类光检测器种类：光电二极管光电二极管(PIN-PD)、雪崩光、雪崩光电二极管电二极管(APD)。光发射机与光接收机组成演示光发射机与光接收机组成演
20、示 2022-8-1519光接收机最重要的特性参数是光接收机最重要的特性参数是灵敏度灵敏度。灵敏度是衡量光接收机质量的综合指标，它灵敏度是衡量光接收机质量的综合指标，它反映接收机调整到最佳状态时，反映接收机调整到最佳状态时，接收微弱光信接收微弱光信号的能力。号的能力。灵敏度主要取决于组成光接收机的光电二极灵敏度主要取决于组成光接收机的光电二极管和放大器的噪声，并受传输速率、光发射机的管和放大器的噪声，并受传输速率、光发射机的参数和光纤线路的色散的影响，还与系统要求的参数和光纤线路的色散的影响，还与系统要求的误码率或信噪比有密切关系。误码率或信噪比有密切关系。所以灵敏度也是反映光纤通信系统质量的
21、所以灵敏度也是反映光纤通信系统质量的重要指标。重要指标。2022-8-15204.2 光纤和光器件光纤和光器件 一、光纤一、光纤1、光纤、光纤 光纤就是导光的玻璃纤维的简称光纤就是导光的玻璃纤维的简称,是石英玻璃丝是石英玻璃丝,它的直径只有它的直径只有0.1 mm，它和原来传送电话的明线、，它和原来传送电话的明线、电缆一样，是一种新型的信息传输介质，但它比以电缆一样，是一种新型的信息传输介质，但它比以上两种方式传送的信息量要高出成千上万倍，上两种方式传送的信息量要高出成千上万倍，可达可达到上百千兆比特到上百千兆比特/秒秒,而且衰耗极低。而且衰耗极低。2022-8-1521 2.光纤的导光原理光
22、纤的导光原理 光纤为什么能够导光，光纤为什么能够导光，能传送大量信息呢能传送大量信息呢?这里这里我们用简单的比喻，我们用简单的比喻，从物理概念上来说明，以加深从物理概念上来说明，以加深对光纤传输信息的理解。对光纤传输信息的理解。光纤是利用光的全反射特性来导光的。在物理中光纤是利用光的全反射特性来导光的。在物理中学习过光从一种介质向另一种介质传播，由于它们在学习过光从一种介质向另一种介质传播，由于它们在不同介质中传输速率不一样，因此，当通过两个不同不同介质中传输速率不一样，因此，当通过两个不同的介质交界面就会发生折射。的介质交界面就会发生折射。2022-8-1522 若有两种不同介质若有两种不同
23、介质,其折其折射率分别为射率分别为n0,n1，而且而且n1n0,设界面为设界面为XX；折射率小的称光疏媒质折射率小的称光疏媒质,折折射率大的称光密媒质；射率大的称光密媒质；假定光线从光疏媒质射向光假定光线从光疏媒质射向光密媒质密媒质,其折射情况如图所示。其折射情况如图所示。图中，入射角为图中，入射角为0为入射光为入射光线与法线线与法线YY夹角夹角,折射角为折射角为1为折射光线与为折射光线与YY夹角；夹角；由图可见，由图可见，10。YXAY光疏媒质光密媒质ABB01X图图 光的折射示意图光的折射示意图2022-8-1523 若使光束从光密媒质若使光束从光密媒质射向光疏媒质时射向光疏媒质时,则折射
24、角则折射角大于入射角，如图所示。大于入射角，如图所示。如果不断增大如果不断增大0可使折可使折射角射角1达到达到90,这时的这时的1称为临界角。称为临界角。当光线从光密媒质射向当光线从光密媒质射向光疏媒质光疏媒质,且入射角大于临且入射角大于临界角时界角时,就会产生全反射现就会产生全反射现象。象。光纤就是利用这种全反光纤就是利用这种全反射来传输光信号的。射来传输光信号的。光疏媒质光密媒质cn0图图 临界角和光线的全反射临界角和光线的全反射 2022-8-1524 以上了解了光的全反射原理之后，下面画出光以上了解了光的全反射原理之后，下面画出光在阶跃光纤中的传播轨迹，即按在阶跃光纤中的传播轨迹，即按
25、“之之”之形传播及之形传播及沿纤芯与包层的分界面掠过，如图沿纤芯与包层的分界面掠过，如图 所示。所示。2022-8-1525 在制造光纤时，在制造光纤时，使光纤芯的折射率高，在外面使光纤芯的折射率高，在外面涂上一包屏层，可使折射率低；涂上一包屏层，可使折射率低；当选择一定的角度当选择一定的角度0时，射入纤芯的光束将会时，射入纤芯的光束将会全部返回纤芯中。全部返回纤芯中。光纤芯线结构如图所示。光纤芯线结构如图所示。光纤的芯线由光纤的芯线由纤芯、包层、涂覆层、套塑纤芯、包层、涂覆层、套塑四部四部分组成。分组成。2022-8-15262b2a包层一次涂覆(涂覆层)二次涂覆(套塑)纤芯图图 光纤芯线的
26、剖面构造光纤芯线的剖面构造 2022-8-1527 纤芯：纤芯：纤芯位于光纤的中心部位（直径纤芯位于光纤的中心部位（直径d1 约约950 微米），其微米），其成份是高纯度的二氧化硅。成份是高纯度的二氧化硅。包层：包层：包层位于纤芯的周围（其直径包层位于纤芯的周围（其直径d2 约约125 微米），其成微米），其成份也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。份也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。涂敷层：涂敷层：光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的涂敷层，其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。涂敷层，其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。2022-8
27、-1528 3.光纤的分类光纤的分类 根据波导传输波动理论分析，光纤的传播模式可根据波导传输波动理论分析，光纤的传播模式可分为多模光纤和单模光纤。分为多模光纤和单模光纤。1)多模光纤多模光纤 多模光纤即能承受多个模式的光纤。这种光纤结多模光纤即能承受多个模式的光纤。这种光纤结构简单、易于实现构简单、易于实现,接头连接要求不高接头连接要求不高,用起来方便用起来方便,也较便宜。因而在早期的数字光纤通信系统也较便宜。因而在早期的数字光纤通信系统(PDH系系列列)中采用，但这种光纤传输带宽窄、衰耗大、时延中采用，但这种光纤传输带宽窄、衰耗大、时延差大差大,因而已逐步被单模光纤代替。因而已逐步被单模光纤
28、代替。2022-8-1529 2)单模光纤单模光纤 单模光纤即只能传送单一基模的光纤单模光纤即只能传送单一基模的光纤,如图。如图。这种光纤从时域看不存在时延差，从频域看这种光纤从时域看不存在时延差，从频域看,传传输信号的带宽比多模光纤宽得多输信号的带宽比多模光纤宽得多,有利于高码率信息有利于高码率信息长距离传输。长距离传输。2022-8-1530包层包层(n2)芯(n1)DCBA2b2a折射率折射率包层包层CBA芯A包层芯折射率(a)(b)(c)图图 裸光纤结构示意图裸光纤结构示意图(a)阶跃型多模光纤阶跃型多模光纤;(b)梯度型多模光纤梯度型多模光纤;(c)单模光纤单模光纤 2022-8-1
29、531二、光缆二、光缆 为了使光纤能在工程中实用化，能承受工程为了使光纤能在工程中实用化，能承受工程中拉伸、中拉伸、侧压和各种外力作用侧压和各种外力作用,还要具有一定的还要具有一定的机械强度才能使性能稳定。机械强度才能使性能稳定。因此因此,将光纤制成不将光纤制成不同结构、不同形状和不同种类的光缆以适应光纤同结构、不同形状和不同种类的光缆以适应光纤通信的需要。通信的需要。光缆主要由缆芯、护套和加强元件组成。光缆主要由缆芯、护套和加强元件组成。2022-8-1532 缆芯缆芯 缆芯是由光纤芯组成的缆芯是由光纤芯组成的,它可分为单芯和多芯两种。单它可分为单芯和多芯两种。单芯型缆芯和多芯型缆芯结构的比
30、例如表芯型缆芯和多芯型缆芯结构的比例如表。单芯型由单根二次涂覆处理后的光纤组成。单芯型由单根二次涂覆处理后的光纤组成。多芯型由多根经二次涂覆处理后的光纤组成多芯型由多根经二次涂覆处理后的光纤组成,它又分为它又分为带状结构和单位式结构。带状结构和单位式结构。强度元件强度元件 由于光纤的材料比较脆由于光纤的材料比较脆,容易断裂容易断裂,在光缆内中心或四周在光缆内中心或四周要加一根或多根加强元件。要加一根或多根加强元件。护层护层 光缆的护层主要是对已形成的光纤芯线起保护作用光缆的护层主要是对已形成的光纤芯线起保护作用,避避免受外部机械力和环境损坏。免受外部机械力和环境损坏。2022-8-1533 2
31、022-8-1534 光缆的种类光缆的种类 在公用通信网中用的光缆结构如表所示。在公用通信网中用的光缆结构如表所示。2022-8-1535下面介绍几种有代表性的光缆结构形式。下面介绍几种有代表性的光缆结构形式。(1)层绞式光缆。层绞式光缆。它是将若干根光纤芯线以强度元件为中心绞它是将若干根光纤芯线以强度元件为中心绞合在一起的一种结构合在一起的一种结构,如图如图(a)所示。特点是成本所示。特点是成本低低,芯线数不超过芯线数不超过10根。根。(2)单位式光缆。单位式光缆。它是将几根至十几根光纤芯线集合成一个它是将几根至十几根光纤芯线集合成一个单位单位,再由数个单位以强度元件为中心绞合成缆再由数个单
32、位以强度元件为中心绞合成缆,如图如图(b)所示所示,其芯线数一般适用于几十芯。其芯线数一般适用于几十芯。2022-8-1536(3)骨架式光缆。骨架式光缆。这种结构是将单根或多根光纤放入骨架的螺这种结构是将单根或多根光纤放入骨架的螺旋槽内旋槽内,骨架中心是强度元件骨架中心是强度元件,骨架上的沟槽可以是骨架上的沟槽可以是V型、型、U型或凹型型或凹型,如图如图(c)所示。光纤具有耐侧压、抗所示。光纤具有耐侧压、抗弯曲、抗拉的特点。弯曲、抗拉的特点。(4)带状式光缆。带状式光缆。它是将它是将412根光纤芯线排列成行根光纤芯线排列成行,构成带状光纤构成带状光纤单元单元,再将多个带状单元按一定方式排列成
33、缆再将多个带状单元按一定方式排列成缆,如图如图(d)所示。这种光缆的结构紧凑所示。这种光缆的结构紧凑,采用此种结构可做成采用此种结构可做成上千芯的高密度用户光缆。上千芯的高密度用户光缆。2022-8-1537光纤加强构件光纤单位加强构件加强构件塑料骨架光纤防热层综合护套光纤带加强构件(a)(b)(c)(d)图图 (a)层绞式；层绞式；(b)单位式；单位式；(c)骨架式；骨架式；(d)带状带状2022-8-15384.3 光端机光端机 一、光发射机一、光发射机1、数字光发射机、数字光发射机的功能功能:电端机输出的数字基带电端机输出的数字基带信号转换为信号转换为信号；信号；用耦合技术用耦合技术光纤
34、线路；光纤线路；用数字电信号对光源进行用数字电信号对光源进行2、调制方式：直接调制和外调制。、调制方式：直接调制和外调制。广泛应用的是直接光强广泛应用的是直接光强(功率功率)调制。调制。2022-8-1539 I I P P输入电信号输入电信号输出光信号输出光信号输出光信号输出光信号输入电信号输入电信号(a)LED数字调制原理；数字调制原理；(b)LD的数字调制原理的数字调制原理 当激光器的驱动电流大于阈值电流当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时，输出光功率时，输出光功率P和驱动和驱动 电流电流I基本上是基本上是 输出输出和和成正比，输出光信号反映输入电信号。成正比，输出光信号反映输入电信号
35、。2022-8-15403、光发射机基本组成、光发射机基本组成 数字光发射机的方框图如图所示，主要有数字光发射机的方框图如图所示，主要有光源光源和和电路电路两部分。两部分。光源光源是实现电是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。决定着光发射机的性能。电路电路的设计应以的设计应以为依据，使为依据，使准确准确反映反映输入接口线路编码调制电路光源控制电路电信号输入电信号输入光信号输出光信号输出图图 数字光发射机方框图数字光发射机方框图2022-8-15411）光源）光源 ：发射的光波长应和光纤低损耗发射的光波长应和光纤低损耗“窗口窗口”一致，即一致
36、，即中心波长应在中心波长应在0.85 m、1.31 m和和1.55 m附近。光附近。光谱单色性要好，谱单色性要好，即谱线宽度要窄，即谱线宽度要窄，以减小光纤色散以减小光纤色散对带宽的限制。对带宽的限制。要高，即要求在足够低的驱动电流要高，即要求在足够低的驱动电流下，下，有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。发有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。发射光束的射光束的，以利于提高光源与光纤之间的，以利于提高光源与光纤之间的。2022-8-1542调制速率要高或响应速度要快，调制速率要高或响应速度要快，以满以满足系统的大传输容量的要求。足系统的大传输容量的要求。器件应能在常温下以连续波方式工作，
37、器件应能在常温下以连续波方式工作，要求要求温度温度 稳定性好，稳定性好，可靠性高，寿命长。可靠性高，寿命长。此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方 便，价格便宜。便，价格便宜。2022-8-15432）调制电路和控制电路调制电路和控制电路 直接光强调制的数字光发射机主要电路有：直接光强调制的数字光发射机主要电路有：调制调制电路、控制电路和线路编码电路电路、控制电路和线路编码电路。3）线路编码电路）线路编码电路 电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，性码，而光源不能发射负脉冲，要变换为
38、适合于光要变换为适合于光纤传输的纤传输的2022-8-1544 二、二、光接收机光接收机1、光接收机基本组成、光接收机基本组成 直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于图。方框图示于图。主要包括：主要包括：光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。电路。光检测器偏压控制前置放大器AGC电路均衡器判决器时钟提取再生码流主放大器光信号2022-8-1545 1）光检测器光检测器 光检测器是光接收机实现光光检测器是光接
39、收机实现光/电转换的关键器件，其性能电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。对光检测对光检测器的要求如下：器的要求如下：波长响应要和光纤低损耗窗口波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85 m、1.31m和和1.55 m)兼容；兼容；响应度要高，响应度要高，在一定的接收光功率下，在一定的接收光功率下，能产生最大的光能产生最大的光电流；电流；噪声要尽可能低，噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号；能接收极微弱的光信号；性能稳定，性能稳定，可靠性高，可靠性高，寿命长，寿命长，功耗体积小。功耗体积小。目前，目前，适合于光纤通信系统应用的
40、光检测器有适合于光纤通信系统应用的光检测器有 PIN光电二光电二极管和雪崩光电二极管极管和雪崩光电二极管(APD)。2022-8-1546 2）放大器）放大器 前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。接收机的灵敏度影响很大。前放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种前放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种类型的前放可供选择。类型的前放可供选择。一般是多级放大器，它的作用是：一般是多级放大器，它的作用是：提供足够的增益提供足够的增益；并通过它实现自动增益控制并通过它实现自动增益控制(AGC)，使输入光，使输入光信号在一定范围内变化时，
41、信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。输出电信号保持恒定。主放大器和主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。决定着光接收机的动态范围。2022-8-1547 3）均衡和再生）均衡和再生 均衡的目的：均衡的目的：对经光纤传输、光对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变电转换和放大后已产生畸变(失真失真)的电信号进行补偿；的电信号进行补偿；使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干扰，减小误码率。扰，减小误码率。再生电路包括：再生电路包括：判决电路和时钟提取电路判决电路和时钟提取电路2022-8-1548 2、光电集成接收机光电集成接收机 图中除光检
42、测器以外的所有元件都是标准的电图中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件，子器件，很容易用标准的集成电路很容易用标准的集成电路(IC)技术将它们技术将它们集成在同一芯片上。集成在同一芯片上。不论是硅不论是硅(Si)还是砷化镓还是砷化镓(GaAs)IC技术都能够技术都能够使集成电路的工作带宽超过使集成电路的工作带宽超过2 GHz，甚至达到，甚至达到10 GHz。为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光接收机，即用开发单片光接收机，即用“光电集成电路光电集成电路(OEIC)技技术术”在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元在同一芯片上集成包括光
43、检测器在内的全部元件。件。2022-8-1549 在在1991年试验成功的单路年试验成功的单路InGaAs OEIC接收机，接收机，其运行速率达其运行速率达5 Gb/s。InGaAs OEIC接收机也可以用接收机也可以用混合法实现混合法实现。如图所示，如图所示，电元件集成在电元件集成在GaAs基片上，而光检测基片上，而光检测器集成在器集成在InP基片上，两个部分通过接触片连接在一基片上，两个部分通过接触片连接在一起。起。图图 光电集成接收机光电集成接收机 光检测器电路部分GaAs基片N-InP基片P-接触片N-接触片2022-8-1550三、线路编码三、线路编码 在光纤通信系统中，从电端机输出
44、的是适合在光纤通信系统中，从电端机输出的是适合于电缆传输的双极性码。光源不可能发射负光脉于电缆传输的双极性码。光源不可能发射负光脉冲，因此必须进行码型变换，以适合于数字光纤冲，因此必须进行码型变换，以适合于数字光纤通信系统传输的要求。通信系统传输的要求。数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码，数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码，即即“有光脉冲有光脉冲”表示表示“”码，码，“无光脉冲无光脉冲”表表示示“0”码。码。2022-8-15511、简单的二电平码会带来如下问题：、简单的二电平码会带来如下问题：在码流中，出现在码流中，出现“”码和码和“0”码的个数是随机码的个数是随机变化的，变化的，因
45、而直流分量也会发生随机波动因而直流分量也会发生随机波动(基线漂移基线漂移)，给光接收机的判决带来困难。给光接收机的判决带来困难。在随机码流中，容易出现长串连在随机码流中，容易出现长串连“”码或长串码或长串连连“0”码，这样可能造成位同步信息丢失，给定时提码，这样可能造成位同步信息丢失，给定时提取造成困难或产生较大的定时误差。取造成困难或产生较大的定时误差。不能实现在线不能实现在线(不中断业务不中断业务)的误码检测，的误码检测，不利于长不利于长途通信系统的维护。途通信系统的维护。2022-8-1552 2、数字光纤通信系统对线路码型的主要要求是保、数字光纤通信系统对线路码型的主要要求是保证传输的
46、透明性，具体要求有证传输的透明性，具体要求有：能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量。提高输出功率的稳定性和减小码间干扰，量。提高输出功率的稳定性和减小码间干扰，有利于提高光接收机的灵敏度。有利于提高光接收机的灵敏度。能给光接收机提供足够的定时信息。因而应能给光接收机提供足够的定时信息。因而应尽可能减少连尽可能减少连“”码和连码和连“0”码的数目，使码的数目，使“1”码和码和“0”码的分布均匀，码的分布均匀，保证定时信息丰保证定时信息丰富。富。能提供一定的冗余码，用于平衡码流、误码能提供一定的冗余码，用于平衡码流、误码监测和公务通信。监测和公务通信。20
47、22-8-15533、扰码、扰码 为了保证传输的透明性，在系统光发射机的调为了保证传输的透明性，在系统光发射机的调制器前，制器前，需要附加一个扰码器，将原始的二进制码需要附加一个扰码器，将原始的二进制码序列加以变换，使其接近于随机序列。序列加以变换，使其接近于随机序列。相应地，在光接收机的判决器之后，附加一个相应地，在光接收机的判决器之后，附加一个解扰器，以恢复原始序列。解扰器，以恢复原始序列。扰码改变了扰码改变了“”码与码与“0”码的分布，码的分布，从而改从而改善了码流的一些特性。善了码流的一些特性。例如：例如：扰码前：扰码前：1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 扰码后：扰码
48、后：1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 2022-8-1554扰码有下列缺点：扰码有下列缺点：不能完全控制长串连不能完全控制长串连“”和长串连和长串连“0”序列的出序列的出现；现；没有引入冗余，没有引入冗余，不能进行在线误码监测；不能进行在线误码监测；信号频谱中接近于直流的分量较大，信号频谱中接近于直流的分量较大，不能解决基线不能解决基线漂移。漂移。因为扰码不能完全满足光纤通信对线路码型的要因为扰码不能完全满足光纤通信对线路码型的要求，求，所以许多光纤通信设备除采用扰码外还采用其它所以许多光纤通信设备除采用扰码外还采用其它类型的线路编码。类型的线路编码。2022-8-15554
49、、mBnB码码 mBnB码是把输入的二进制原始码流进行分组，码是把输入的二进制原始码流进行分组，每组有每组有m个二进制码，记为个二进制码，记为mB，称为一个码字，然，称为一个码字，然后把一个码字变换为后把一个码字变换为n个二进制码，记为个二进制码，记为nB，并在同，并在同一个时隙内输出。一个时隙内输出。这种码型是把这种码型是把mB变换为变换为nB，所以称为，所以称为mBnB码，码，其中其中m和和n都是正整数，都是正整数，nm，一般选取，一般选取n=m+1。mBnB码有码有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B等等等。等。2022-8-1556 mBnB码编码原理码编码原理 最简单
50、的最简单的mBnB码是码是1B2B码，即曼彻斯特码，码，即曼彻斯特码，这就是把原码的这就是把原码的“”变换为变换为“01”，把把“1”变变换为换为“10”。因此最大的连因此最大的连“”和连和连“”的数目不会的数目不会超过两个，例如超过两个，例如1001和和0110。但是在相同时隙内，。但是在相同时隙内，传输传输1比特变为传输比特变为传输2比特，比特，码速提高了码速提高了1倍。倍。2022-8-1557 以以3B4B码为例，输入的原始码流码为例，输入的原始码流3B码，共有（码，共有（23）8个个码字，码字，变换为变换为4B码时，码时，共有共有(24)16个码字，见表。个码字，见表。为保证信息的完
