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          基本光纖通信系統

          發布日期:2014-07-25

          基本光纖通信系統  光纖線,光纜線,光通信,光纖原理  
            *基本的光纖通信系統由數據源、光發送端、光學信道和光接收機組成。其中數據源包括所有的信號源,它們是話音、圖象、數據等業務經過信源編碼所得到的信號;光發送機和調制器則負責將信號轉變成適合于在光纖上傳輸的光信號,先后用過的光波窗口有0.85、1.31和1.55。光學信道包括*基本的光纖,還有中繼放大器EDFA等;而光學接收機則接收光信號,并從中提取信息,然后轉變成電信號,**得到對應的話音、圖象、數據等信息。下面是光通信系統圖。

          光通信系統圖 光纖線,光纜線,光通信,光纖原理

          數字光纖通信系統
            光纖傳輸系統是數字通信的理想通道。與模擬通信相比較,數字通信有很多的優點,靈敏度高、傳輸質量好。因此,大容量長距離的光纖通信系統大多采用數字傳輸方式。 電發射端機
            主要任務是PCM編碼和信號的多路復用。
            多路復用是指將多路信號組合在一條物理信道上進行傳輸,到接收端再用專門的設備將各路信號分離出來,多路復用可以極大地提高通信線路的利用率。
            在光纖通信系統中,光纖中傳輸的是二進制光脈沖"0"碼和"1"碼,它由二進制數字信號對光源進行通斷調制而產生。而數字信號是對連續變化的模擬信號進行抽樣、量化和編碼產生的,稱為PCM(pulse code modulation),即脈沖編碼調制。這種電的數字信號稱為數字基帶信號,由PCM電端機產生。
            抽樣是指從原始的時間和幅度連續的模擬信號中離散地抽取一部分樣值,變換成時間和幅度都是離散的數字信號的過程。
            (此處添加FLASH ,見sampling.jpg)
            抽樣所得的信號幅度是無限多的,讓這些幅度無限多的連續樣值信號通過一個量化器,四舍五入,使這些幅度變為有限的M種(M為整數),這就是量化。由于在量化的過程中幅度取了整數,所以量化后的信號與抽樣信號之間有一個差值(稱為量化誤差),使接收端的信號與原信號間有一定的誤差,這種誤差表現為接收噪聲,稱為量化噪聲。碼位數M越多,分級就越細,誤差越小,量化噪聲也越小。
            編碼是指按照一定的規則將抽樣所得的M種信號用一組二進制或者其它進制的數來表示,每種信號都可以由N個2二進制數來表示,M和N滿足M=2N。例如如果量化后的幅值有8種,則編碼時每個幅值都需要用3個二進制的序列來表示。需要注意的是,此處的編碼僅指信源編碼,這和后面提到的信道編碼是有所區別的。
            現以話音為例來說明這個過程。我們知道話音的頻率范圍是300~3,400Hz,在抽樣的時候,要遵循所謂的奈奎斯特抽樣率,實際中按8,000Hz的速率進行抽樣。為了保證通話的質量,在長途干線話路中采用的是8位碼(28=256個碼組)。這樣量化值有256種,每一種量化值都需要用8位二進制碼編碼,那么每一個話路的話音信號速率為8×8=64kbps。
            奈奎斯特抽樣定理:要從抽樣信號中無失真地恢復原信號,抽樣頻率應大于2倍信號**頻率。
            多路復用技術包括:頻分多路復用(FDM)、時分多路復用(TDM)、波分多路復用(WDM)、碼分多址(CDMA)和空分多址(SDMA)。
            時分多路復用:當信道達到的數據傳輸率大于各路信號的數據傳輸率總和時,可以將使用信道的時間分成一個個的時間片(時隙),按一定規則將這些時間片分配給各路信號,每一路信號只能在自己的時間片內獨占信道進行傳輸,所以信號之間不會互相干擾。
            頻分多路復用:當信道帶寬大于各路信號的總帶寬時,可以將信道分割成若干個子信道,每個子信道用來傳輸一路信號。或者說是將頻率劃分成不同的頻率段,不同路的信號在不同的頻段內傳送,各個頻段之間不會相互影響,所以不同路的信號可以同時傳送。這就是頻分多路復用(FDM)。
            下面是TDM和FDM的示意圖。

          TDM和FDM

            波分多路復用:是FDM應用于光纖信道的一個變例。
            碼分多址(CDMA):這種技術多用于移動通信,不同的移動臺(或手機)可以使用同一個頻率,但是每個移動臺(或手機)都被分配帶有一個獨特的"碼序列",該序列碼與所有別的"碼序列"都不相同,所以各個用戶相互之間也沒有干擾。因為是靠不同的"碼序列"來區分不同的移動臺(或手機),所以叫做"碼分多址"(CDMA)技術。
            空分多址(SDMA):這種技術是利用空間分割構成不同的信道。舉例來說,在一顆衛星上使用多個天線,各個天線的波束射向地球表面的不同區域。地面上不同地區的地球站,它們在同一時間、即使使用相同的頻率進行工作,它們之間也不會形成干擾。
            空分多址(SDMA)是一種信道增容的方式,可以實現頻率的重復使用,充分利用頻率資源。空分多址還可以和其它多址方式相互兼容,從而實現組合的多址技術,例如空分·碼分多址(SD-CDMA)。

          光發射端機光纖線,光纜線,光通信,光纖原理
            光發送端機組成如圖所示。

          光發送端機組成

            從PCM設備(電端機)送來的電信號是適合PCM傳輸的碼型,為HDB3碼或CMI碼。信號進入光發送機后,首先進入輸入接口電路,進行信道編碼,變成由"0"和"1"碼組成的不歸零碼(NRZ)。然后在碼型變換電路中進行碼型變換,變換成適合于光線路傳輸的mBnB碼或插入碼,再送入光發送電路,將電信號變換成光信號,送入光纖傳輸。
            線路編碼:又稱信道編碼,其作用是消除或減少數字電信號中的直流和低頻分量,以便于在光纖中傳輸、接收及監測。大體可歸納為三類:擾碼二進制、字變換碼、插入型碼。
            我們知道將一種數據形式轉換成適合于在信道上傳輸的某種電信號形式,這類技術統稱為調制/解調技術。
          碼名 單極性脈沖 雙極性脈沖 不歸零碼(NRZ) 歸零碼(RZ) 曼徹斯特編碼
          特點 用電壓的有、無表示兩個二進制數。 用正、負電壓分別表示兩個二進制數。 是指在一個碼元時間內,電壓保持恒定,這種碼又稱為全寬碼。 是指在一個碼元的時間內,非零電壓的持續時間小于一個碼元的時間即在一個碼元的后半部分時間內,電壓總是要歸于零。 利用電平的跳躍來表示"0"或"1"
          優缺點 積累直流分量,會損壞電鍍層。 可有效抑制直流分量。 續"1"或"0"時,碼元不易區分。 帶寬較大 便于提取時鐘信號,常用于局域網中。
            調制方式:模擬通信可采用調幅、調頻、調相等多種調制方式,采用數字調制時,相應地稱為幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK);信號只有兩種狀態的ASK稱為通斷鍵控(OOK),當前的數字通信系統使用OOK-PCM格式,屬于強度調制-直接檢測(IM-DD)通信方式,是通信方式中*簡單、*初級的方式。而相干通信系統則可使用ASK、FSK或PSK-PCM格式,是復雜、**的通信方式
            光發射機包括以下參數:
          發送光功率(dBm)
          光譜特性
          **均方根寬度
          **20dB跌落寬度
          *小邊模抑制比(SMSR)
          光中繼器
            目前,實用的光纖數字通信系統都是用二進制PCM信號對光源進行直接強度調制的。光發送機輸出的經過強度調制的光脈沖信號通過光纖傳輸到接收端。由于受發送光功率、接收機靈敏度、光纖線路損耗、甚至色散等因素的影響及限制,光端機之間的**傳輸距離是有限的。
            例如,在1.31μm工作區34Mb/s光端機的**傳輸距離一般在50~70km,140Mb/s光端機的**傳輸距離一般在40~60km。如果要超過這個**傳輸距離,通常考慮增加光中繼器,以放大和處理經衰減和變形了的光脈沖。目前的光中繼器常采用光電再生中繼器,即光一電-光中繼器,這相當于光纖傳輸的接力站。如此,就可以把傳輸距離大大延長。
            傳統的光中繼器采用的是光-電-光(O-E-O)的模式,光電檢測器先將光纖送來的非常微弱的并失真了的光信號轉換成電信號,再通過放大、整形、再定時,還原成與原來的信號一樣的電脈沖信號。然后用這一電脈沖信號驅動激光器發光,又將電信號變換成光信號,向下一段光纖發送出光脈沖信號。通常把有再放大(re-amplifying)、再整形(re-shaping)、再定時(re-timing)這三種功能的中繼器稱為"3R"中繼器。這種方式過程繁瑣,很不利于光纖的高速傳輸。
            自從摻鉺光纖放大器問世以后,光中繼實現了全光中繼,通常又稱為1R(re-amplifying)再生。此技術目前仍然是通信領域的研究熱點。下面是3R再生向1R再生的轉變示意圖。

          3R再生向1R再生的轉變
          光接收機
            從光纖傳來的光信號進入光接收電路,將光信號變成電信號并放大后,進行定時再生,又恢復成數字信號。由于發送端有碼型變換,因此,在接收端要進行碼型反變換,然后將信號送入輸出接口電路,變成適合PCM傳輸的HDB3碼或CMI碼,送給PCM。
            在數字通信系統中,光接收機的性能用誤碼率來衡量。
            接收機主要性能參數:接收靈敏度、光接收機的動態范圍。

          接收機靈敏度
            接收機的靈敏度是表征光接收機調整到*佳工作狀態時,光接收機接收微弱光信號的能力。
            在數字接收機中,允許脈沖判決有一定的誤差范圍。如果接收機將"1"碼誤判為"0"碼,或者將"0"碼誤判為"1"碼,這就叫1個錯誤比特。如果在100個比特中判錯了一個比特,則稱誤比特率為1/100,即10-2。數字通信要求,如果誤比特率小于10-6,則基本上可以恢復原來的數字信號。如果誤比特率大于10-3,則基本上不能進行正常的電話通信。對于數字光通信系統來說,一般要求系統的誤比特率小于10-9,即10億個脈沖中只容許發生一個誤碼。
            因此,光接收機靈敏度定義為:在保證達到所要求的誤比特率的條件下,接收機所需要的*小輸入光功率。接收靈敏度一般用dBm來表示,它是以lmW光功率為基礎的**功率,或寫為
           

                      
            其中,Pmin指在給定誤比特率的條件下,接收機能接收的*小平均光功率。例如,在給定的誤比特率為10-9時,接收機能接收的*小平均光功率為InW(即10-9W),光接收機靈敏度為-60dBm。
            影響接收機靈敏度的主要因素是噪聲,表現為信噪比。信噪比越大,表明接收電路的噪聲越小,對靈敏度影響越小。光接收機靈敏度是系統性能的綜合反映,除了上述接收機本身的特性以外,接收信號的波形也對靈敏度產生影響,而接收信號的波形主要由光發送機的消光比和光纖的色散來決定。光接收機靈敏度還與傳輸信號的碼速有關,碼速越高,接收靈敏度就越差。這就影響了高速傳輸系統的中繼距離。速率越高,接收機靈敏度越差,中繼距離就越短。
          接收機的動態范圍
            光接收機前置放大器輸出的信號一般較弱,不能滿足幅度判決的要求,因此還必須加以放大。在實際光纖通信系統中,光接收機的輸入信號將隨具體的使用條件而變化。造成這種變化的原因,可能是由于溫度變化引起了光纖損耗的變化,也可能是由于一個標準化設計的光接收機,使用在不同的系統中,光源的強弱不同,光纖的傳輸距離也不同。這樣,傳給光接收機的光功率就不可能一樣。
            為了使光接收機正常工作,接收信號不能太弱,否則會造成過大的誤碼。但接收信號也不能太強,否則會使接收機放大器過載,而造成失真。因此光接收機正常工作時,接收光信號的強度應該有一個范圍。把光接收機在保證一定的誤比特率條件下,所能接收的**光功率與*小光功率之差,稱作光接收機的動態范圍。一般希望光接收機的動態范圍越大越好,實際中一般為16~20dB。

          備用系統與輔助設備
            為了確保系統的暢通,通常設置備用系統。正常情況下只有主系統工作,一旦主要系統出現故障,就可以立即切換到備用系統,這樣就可以保障通信的正確無誤。
            輔助設備是對系統的完善,它包括監控管理系統、公務通信系統、自動倒換系統、告警處理系統、電源供給系統等。
            其中,監控管理系統可對組成光纖傳輸系統的各種設備自動進行性能和工作狀態的監測,發生故障時會自動告警并予以處理,對保護倒換系統實行自動控制。對于設有多個中繼站的長途通信線路及裝有通達多方向、多系統的線路維護中心局來說,集中監控是必須采用的維護手段。
            公務電話為各中繼站與終端站之間提供業務聯絡。
            "輸入分配"和"輸出倒換"組成了自動保護倒換裝置。它是為提高線路的可靠性和可利用率而準備的熱備用系統。主用系統出現故障時,會自動切換到備用系統工作。備用的方式是多種多樣的,可以是一個主系統配備一個備用系統,也可以是多個主系統共用一個備用系統。是采用一主一備還是多主一備系統工作,要根據使用要求和使用條件而定。我國省內通信和本地網中采用一主一備方式較多,這主要是因為前期建設的系統數較少,又要設保護系統的緣故。而長途干線中主要采用多主一備系統,以提高機線設備的利用率。
          評價光纖數字通信
            誤碼特性和抖動特性是評價光纖數字通信系統的重要指標。
          誤碼特性
            什么是誤碼?誤碼的基本概念是:在數字通信系統中,當發送端發送"1"碼時,接收端收到的卻是"0"碼;而當發送端發送"0"碼時,接收端卻接收到了"1"碼,這種接收碼與發送碼不一致的情況就叫做誤碼。產生誤碼的主要原因是傳輸系統的噪聲和脈沖抖動。
            在數字光纖通信系統中,誤碼性能用誤比特率BER來衡量。
                  BER=錯誤比特數/傳輸總的比特數
            對于數字光通信系統來說,一般要求系統的誤比特率小于10-9。
                     抖動特性
            抖動,又稱為相位抖動,是指數字脈沖信號的相位擺動,或時間上的前后擺動。
            在系統測量中,描述抖動程度的單位是"單位間隔",簡寫為UI,其意義是指一個碼元的時間長度。對于不同的群次,、不同碼速率的相應1UI的時間是不相同的。例如,對于PCM一次群信號,1UI=1/(2.048*106)ns≈122ns ;而對于PCM二次群信號,依此類推。另外,抖動還可以用"度"為單位來表示,并規定1UI=360°。
            在光前數字通信系統中,必須把抖動限制在一定的范圍之內,否則,會導致定時脈沖的相位偏離*佳判決位置,結果造成誤判概率的增加和引起再生脈沖流的時間間隔不規則,碼間距不一致。
          鐵腕高壓,直接檢測
            強度調制-直接檢測系統(Intensity Modulation/Direct Detection)是*簡單的一種傳輸方式,目前大多數的光纖通信系統都采用這種傳輸技術。"強度調制"是指在發送端,用電的脈沖信號來控制光源,使其按照信號的強弱發光或者不發光;"直接檢測"是指在接收端用光電檢測器直接檢測光的有無,再轉化為電信號。從歷史的眼光來看,這僅相當于無線電技術發展初期的馬可尼時代。
          系統的中繼距離
            我們知道,光纖數字通信系統是適于遠距離、大容量通信的。在長距離傳輸中,需要使用中繼器來放大經過長距離傳輸而減弱了的信號,就像接力賽跑一樣,一個人累了的時候需要換一個人繼續向前傳遞。在通信系統中,中繼距離越長,中繼站數目越少,系統的成本就越低,可靠性也越高。延長系統的中繼距離是科技工作者的奮斗目標之一。
            光纖數字傳輸系統的**中繼距離是指在光發射機和光接收機之間不設中繼器時能傳輸的*遠距離,在設計一個光纖通信系統時,計算**中繼距離是十分重要的。
            光纖傳輸系統的**中繼距離由四個因素決定。
            1.發送機輸出耦合進光纖的平均光功率。耦合進光纖的功率越大,中繼距離越長。
            2.光纖的色散,若光纖的色散大,則經過一定距離傳輸后出現的波形失真就嚴重。傳輸的距離越長,波形失真就越嚴重。在數字通信系統中,波形失真將引起碼間干擾,使光接收靈敏度降低,影響系統的中繼距離。
            3.光纖的損耗。光纖線路的損耗包括光纖活動連接器損耗和光纖的熔接損耗,當然主要是光纖的每公里損耗。如果光纖每公里損耗越小,則信號光功率在光纖上的損失就越小,光信號在光纖中的傳輸距離就越遠。
            4.滿足一定誤比特率要求的光接收機靈敏度。接收靈敏度越高,即滿足系統誤比特率要求的**接收光功率越小,中繼距離就越長。
            對于某一光纖通信系統來說,發送光功率和光接收靈敏度一般都是已知的,影響其中繼距離的因素主要是損耗限制和色散限制。對于單模光纖通信系統來說,傳輸速率在140Mb/s以下的系統一般只受損耗限制,色散對其影響不大;而傳輸速率在565Mb/s以上的系統,由于光源有一定的譜線寬度,可能會給中繼距離帶來較大影響。現在,采用動態單縱模激光器,特別是多量子阱激光器(MQW)后,連傳輸速率為2.5Gb/s的系統也幾乎不受色散限制了。

          同步數字序列
            在數字通信發展的初期,為了適應點到點通信的需要,大量的數字傳輸系統都是準同步數字體系(PDH),準同步是指各級的比特率相對于其標準值有一個規定的容量偏差,而且定時用的時鐘信號并不是由一個標準時鐘發出來的,通常采用正碼速調整法實現準同步復用。
            隨著數字交換的引入,由光通信技術的發展帶動的長距離大容量數字電路的建設,以及網絡控制和寬帶綜合業務數字網(B-ISDN)的發展需要,暴露了現有的準同步數字序列存在的一些固有弱點。主要是:北美、日本、歐洲三種數字體制互不兼容;沒有世界性的標準光接口規范,在光路上無法互通和調配;難以上、下話路;網絡維護管理復雜,缺乏靈活性,無法適應不斷演變的電信網的要求。
            隨著光纖通信技術和大規模集成電路的高速發展,1986年美國提出了一種以光纖通信為基礎的同步光纖網(SONET)概念,作為現代化通信網的基本結構。1988年ITU-T對SONET概念進行了修改,重新命名為同步數字序列,簡稱SDH,使之成為不僅適用于光纖通信,也適合于微波和衛星傳輸的體制。現在SDH已經成為國際上公認的新一代的理想傳輸網體制。
            在電信網中所運載的種類繁多的信息首先必須規范化,然后再納入數字序列的某一級的一種速率信號之中,即成為電信網所傳輸的異步或同步數字序列信號的內容。SDH的**分級是155.520Mb/s,稱為基本傳送模塊,用STM-1表示。STM-N則表示速率為N×155.520Mb/s的傳送模塊,其中N一般取1、4、16、64、256。
            下面是光纖通信傳輸體制的發展歷程:
            1972 年ITU-T前身CCITT提出第一批PDH建議
            1976和1988年又提出兩批建議--形成完整的PDH體系
            1984年美國貝爾實驗室開始同步信號光傳輸體系的研究
            1985年美國國家標準協會(ANSI)根據貝爾實驗室提出的全同步網的構想,委托T1X1委員會起草光同步網標準,并命名為SONET(Synchronous Optical NETwork)
            1986年CCITT開始以SONET為基礎制訂SDH
            1988年通過了第一批SDH建議
            1990以后,SDH已成為光纖通信基本傳輸方式;目前,SDH不僅是一套新的國際標準,又是一個組網原則,也是一種復用方法。
          下面列出了幾種傳輸技術(既包括電又包括光)的實現方式:
            明線技術,FDM模擬技術,每路電話4kHz;光纖線,光纜線,光通信,光纖原理
            小同軸電纜6O路FDM模擬技術,每路電話4kHz;
            中同軸電纜1800路FDM模擬技術,每路電話4kHz;
            光纖通信140Mb/s PDH系統,TDM數字技術,每路電話64kb/s;
            光纖通信2.5Gb/s SDH系統,TDM數字技術,每路電話64kb/s;
            光纖通信N×2.5Gb/s WDM系統,TDM數字技術+光頻域FDM模擬技術,每路電話64kb/s。 光纖線,光纜線,光通信,光纖原理

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