光纤通信系统的基本组成

1.3光纤通信系统的基本组成光纤通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。用户要传输的信息多种多样，一般有话音、图像、数据或多媒体信息。为叙述方便，这里仅以数字电话和模拟电视为例。图1.4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。图1.4光纤通信系统的基本组成(单向传输)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1.3.1发射和接收如图1.4所示，信息源把用户信息转换为原始电信号，这种信号称为基带信号。电发射机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，则其输出信号称为已调信号。对于数字电话传输，电话机把话音转换为频率范围为0.3~3.4kHz的模拟基带信号，电发射机把这种模拟信号转换为数字信号，并把多路数字信号组合在一起。模/数转换目前普遍采用脉冲编码调制(PCM)方式，这种方式是通过对模拟信号进行抽样、量化和编码而实现的。一路话音转换成传输速率为64kb/s的数字信号，然后用数字复接器把24路或30路PCM信号组合成1.544Mb/s或2.048Mb/s的一次群甚至高次群的数字系列，后输入光发射机。对于模拟电视传输，则用摄像机把图像转换为6MHz的模拟基带信号，直接输入光发射机。为提高传输质量，通常把这种模拟基带信号转换为频率调制(FM)、脉冲频率调制(PFM)或脉冲宽度调制(PWM)信号，最后把这种已调信号输入光发射机。还可以采用频分复用(FDM)技术，用来自不同信息源的视频模拟基带信号(或数字基带信号)分别调制指定的不同频率的射频(RF)电波，然后把多个这种带有信息的RF信号组合成多路宽带信号，最后输入光发射机，由光载波进行传输。在这个过程中，受调制的RF电波称为副载波，这种采用频分复用的多路电视传输技术，称为副载波复用(SCM)。不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机带有信息的电信号，都通过调制转换为光信号。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。电接收机的功能和电发射机的功能相反，它把接收的电信号转换为基带信号，最后由信息宿恢复用户信息。在整个通信系统中，在光发射机之前和光接收机之后的电信号段，光纤通信所用的技术和设备与电缆通信相同，不同的只是由光发射机、光纤线路和光接收机所组成的基本光纤传输系统代替了电缆传输。1.3.2基本光纤传输系统基本光纤传输系统作为独立的“光信道”单元，若配置适当的接口设备，则可以插入现有的数字通信系统或模拟通信系统，或者有线通信系统或无线通信系统的发射与接收之间光发射机、光纤线路和光接收机，若配置适当的光器件，可以组成传输能力更强、功能更完善的光纤通信系统。例如，在光纤线路中插入光纤放大器组成光中继长途系统，配置波分复用器和解复用器，组成大容量波分复用系统，使用耦合器或光开关组成无源光网络，等等。下面简要介绍基本光纤传输系统的三个组成部分。1.光发射机的功能是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。光发射机由光源、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取决于光源的特性，对光源的要求是输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。目前广泛使用的光源有半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管(或称激光器)(LD)，以及谱线宽度很小的动态单纵模分布反馈(DFB)激光器。有些场合也使用固体激光器，例如大功率的掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器。光发射机把电信号转换为光信号的过程(常简称为电/光或E/O转换)，是通过电信号对光的调制而实现的。目前有直接调制和间接调制(或称外调制)两种调制方案，如图1.5所示。直接调制是用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。外调制是把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。目前有多种调制器可供选择，最常用的是电光调制器。这种调制器是利用电信号改变电光晶体的折射率，使通过调制器的光参数随电信号变化而实现调制的。外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。图1.5(a)直接调制；(b)间接调制(外调制)激光源驱动器光纤光信号输出电信号输入(a)激光源调制器驱动和控制电信号输入光纤光信号输出(b)对光参数的调制，原理上可以是光强(功率)、幅度、频率或相位调制，但实际上目前大多数光纤通信系统都采用直接光强调制。因为幅度、频率或相位调制，需要幅度和频率非常稳定，相位和偏振方向可以控制，谱线宽度很窄的单模激光源，并采用外调制方案，所以这些调制方式只在新技术系统中使用。2.光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。实际工程中使用的是容纳许多根光纤的光缆。光纤线路的性能主要由缆内光纤的传输特性决定。对光纤的基本要求是损耗和色散这两个传输特性参数都尽可能地小，而且有足够好的机械特性和环境特性，例如，在不可避免的应力作用下和环境温度改变时，保持传输特性稳定。目前使用的石英光纤有多模光纤和单模光纤，单模光纤的传输特性比多模光纤好，价格比多模光纤便宜，因而得到更广泛的应用。单模光纤配合半导体激光器，适合大容量长距离光纤传输系统，而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合适。为适应不同通信系统的需要，已经设计了多种结构不同、特性优良的单模光纤，并成功地投入实际应用。石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在0.85μm、1.31μm和1.55μm有三个损耗很小的波长“窗口”。在这三个波长窗口损耗分别小于2dB/km、0.4dB/km和0.2dB/km。石英光纤在波长1.31μm色散为零，带宽极大值高达几十GHz·km。通过光纤设计，可以使零色散波长移到1.55μm，实现损耗和色散都最小的色散移位单模光纤；或者设计在1.31μm和1.55μm之间色散变化不大的色散平坦单模光纤，等等。根据光纤传输特性的特点，光纤通信系统的工作波长都选择在0.85μm、1.31μm或1.55μm，特别是1.31μm和1.55μm应用更加广泛。因此，作为光源的激光器的发射波长和作为光检测器的光电二极管的波长响应，都要和光纤这三个波长窗口相一致。目前在实验室条件下，1.55μm的损耗已达到0.154dB/km，接近石英光纤损耗的理论极限，因此人们开始研究新的光纤材料。光纤是光纤通信的基础，光纤的技术进步，有力地推动着光纤通信向前发展。3.光接收机的功能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，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成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、噪声低和响应速度快。目前广泛使用的光检测器有两种类型：在半导体PN结中加入本征层的PIN光电二极管(PIN-PD)和雪崩光电二极管(APD)。光接收机把光信号转换为电信号的过程(常简称为光/电或O/E转换)，是通过光检测器的检测实现的。检测方式有直接检测和外差检测两种。直接检测是用检测器直接把光信号转换为电信号。这种检测方式设备简单、经济实用，是当前光纤通信系统普遍采用的方式。外差检测要设置一个本地振荡器和一个光混频器，使本地振荡光和光纤输出的信号光在混频器中产生差拍而输出中频光信号，再由光检测器把中频光信号转换为电信号。外差检测方式的难点是需要频率非常稳定，相位和偏振方向可控制，谱线宽度很窄的单模激光源；优点是有很高的接收灵敏度。目前，实用光纤通信系统普遍采用直接调制—直接检测方式。外调制—外差检测方式虽然技术复杂，但是传输速率和接收灵敏度很高，是很有发展前途的通信方式。光接收机最重要的特性参数是灵敏度。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，接收微弱光信号的能力。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。所以灵敏度也是反映光纤通信系统质量的重要指标。1.2光纤通信的优点和应用1.3.3数字通信系统和模拟通信系统数字光纤通信系统比模拟光纤通信系统具有更多的优点，也更能适应社会对通信能力和通信质量越来越高的要求。数字通信系统用参数取值离散的信号(如脉冲的有和无、电平的高和低等)代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系；而模拟通信系统则用参数取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。这种基本特征决定着两种通信方式的优缺点和不同时期的发展趋势。20世纪70年代光纤通信的应用和80年代计算机的普及，为数字通信的发展创造了极其有利的条件。目前虽有数字通信几乎完全代替模拟通信的趋势，但是模拟通信仍然有着重要的应用。数字通信系统的优点如下：①抗干扰能力强，传输质量好。在模拟通信系统中，噪声叠加在信号上，两者很难分开，放大时噪声和信号一起放大，不能改善因传输而劣化的信噪比。数字光纤通信采用二进制信号，信息不包含在脉冲波形中，而由脉冲的“有”和“无”表示。因此，一般噪声不影响传输质量，只有在抽样和判决过程中，当噪声超过一定阈值时，才产生误码率。②可以用再生中继，传输距离长。数字通信系统可以用不同方式再生传输信号，消除传输过程中的噪声积累，恢复原信号，延长传输距离。③适用各种业务的传输，灵活性大。在数字通信系统中，话音、图像等各种信息都变换为二进制数字信号，可以把传输技术和交换技术结合起来，有利于实现综合业务。④容易实现高强度的保密通信。只需要将明文与密钥序列逐位模2相加，就可以实现保密通信。只要精心设计加密方案和密钥序列并经常更换密钥，便可达到很高的保密强度。⑤数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本。数字通信系统的缺点是占用频带较宽，系统的频带利用率不高注：这里没有考虑语音、视频压缩编码和多元制数字调制的作用。。例如，一路模拟电话只占用4kHz的带宽，而一路数字电话要占用20~64kHz的带宽。数字通信系统的许多优点是以牺牲频带为代价得到的，然而光纤通信的频带很宽，完全能够克服数字通信的缺点。因而对于电话的传输，数字光纤通信系统是最佳的选择。模拟通信系统除占用带宽较窄外，还有电路简单、价格便宜等优点。因此，目前的电视传输，广泛采用模拟通信系统。另一方面，由于电视的数字化传输，要求较复杂的技术，特别是当今社会对电视频道数目的要求日益增多，要传输几十甚至上百路电视，需要极复杂的编码和解码技术，设备价格昂贵，因此目前还不能普遍使用。在这种情况下，副载波复用(SCM)模拟光纤通信系统得到很大重视和迅速发展。在这种SCM系统中，视频基带信号对射频副载波的调制，可以采用调频(FM)或调幅(AM)。目前，在卫星模拟电视传输中，视频信号对微波的调制采用的是调频(FM)，所以连接卫星地面站的干线光纤传输系统要采用FM/SCM方式。但是，世界各国模拟电视信号对无线广播载波的调制，采用的都是单边带调幅(VSB-AM)，所以用于电视分配网的光纤传输系统要采用VSB-AM/SCM方式，以便和传输到家用电视机的同轴电缆相兼容，组成光纤/同轴混合(HFC)系统。模拟通信系统要求传输信号和信息之间具有良好的线性关系，因此需要输出光功率与驱动电流之间具有极好线性特性的激光器。幸好，目前这种激光器在技术发达国家已投入商业应用，可以传输60~120路质量优良的彩色电视信号。在现有电视设备都是模拟的，而数字电视又未能普遍应用的今天和未来一段时间里，采用SCM模拟光纤通信系统传输多路电视，不失为一种明智的选择。