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1、第17章 光纖通信技術(shù),17.1 光纖通信 17.2 波分復(fù)用技術(shù)（WDM） 17.3 光纖通信的發(fā)展趨勢(shì),17.1 光纖通信,17.1.1 光纖通信的概念 我們知道，對(duì)于載波通信而言，載波頻率（簡(jiǎn)稱載頻）越高，意味著可以用于通信的頻帶就越寬，則通信容量就越大。有線通信從明線發(fā)展到電纜，無(wú)線通信從短波發(fā)展到微波和毫米波，它們的目的都是通過(guò)提高載波頻率來(lái)擴(kuò)大通信容量。,由于光纖中傳輸?shù)墓獠ㄒ葻o(wú)線電通信使用的頻率高得多，因此其通信容量就比無(wú)線電通信大得多?？梢哉f(shuō)，這種新興技術(shù)是世界新技術(shù)革命的重要標(biāo)志，也是未來(lái)信息社會(huì)中各種信息網(wǎng)的主要傳輸工具。,所謂光通信就是利用光信號(hào)進(jìn)行的信息傳輸過(guò)程

2、或方式。由于光具有無(wú)線傳輸?shù)奶匦?，因此光通信有無(wú)線和有線通信之分。比如，水運(yùn)和航海中經(jīng)常使用的燈語(yǔ)就是一個(gè)無(wú)線光通信的實(shí)例；我們?cè)诔懈犊顣r(shí)，收銀員使用的條形碼閱讀器也是一種無(wú)線光通信設(shè)備。而我們目前常說(shuō)的光通信主要指利用光纖做傳輸介質(zhì)的光纖通信（有線通信），所以本節(jié)主要介紹光纖通信系統(tǒng)。,簡(jiǎn)言之，光纖通信就是以光波為載波，以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)的信息傳輸過(guò)程或方式。光纖通信首先要在信源將欲傳送的電話、電報(bào)、圖像和數(shù)據(jù)等信號(hào)進(jìn)行電/光轉(zhuǎn)換，即把電信號(hào)先變成光信號(hào)，再經(jīng)由光纖（包括在本地進(jìn)行光交換）傳輸?shù)叫潘蓿潘薇仨殞⒔邮盏降墓庑盘?hào)作與發(fā)信端相反的變換，即進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)，,從而完成一次

3、光纖通信的全過(guò)程?？梢?jiàn)，光纖通信與我們熟悉的電纜通信主要有兩點(diǎn)不同，一是傳輸信號(hào)為光信號(hào)而不是電信號(hào)；另一個(gè)是傳輸介質(zhì)是光纖而非電纜（包括明線、雙絞線、多芯電纜和同軸電纜等）。,17.1.2 光纖通信的特點(diǎn) 光纖通信與電通信方式的主要差異有兩點(diǎn)：一是以很高頻率的光波作為載波傳輸信號(hào)；二是用光導(dǎo)纖維構(gòu)成的光纜作為傳輸介質(zhì)。因此，在光纖通信中起主導(dǎo)作用的是產(chǎn)生光波的激光器和傳輸光波的光導(dǎo)纖維。 光纖通信之所以能夠飛速發(fā)展成為未來(lái)通信的發(fā)展方向，是由于它具有如下突出優(yōu)點(diǎn)：,1.通信容量大 因目前使用的光波頻率比微波頻率高103104倍，所以理論上光通信的通信容量與微波通信相比約可增

4、加103104倍。雖然在實(shí)際應(yīng)用中由于受到了光電器件特性的限制，傳輸帶寬比理論上的窄得多，但在目前投入運(yùn)營(yíng)的光纖通信系統(tǒng)中，一對(duì)光纖仍可通3萬(wàn)路電話，是目前通信容量最大的一種通信方式。 與電纜一樣，可將幾對(duì)甚至上百對(duì)光纖組成一根光纜，傳輸容量就更大了。光纖通信適合高速、寬帶信息的傳輸，能在高速通信干線以及寬帶綜合業(yè)務(wù)通信網(wǎng)中發(fā)揮作用。,2.損耗低、中繼距離遠(yuǎn) 目前實(shí)用的光纖均為二氧化硅。若要減少光纖的損耗，主要依靠提高玻璃纖維的純度來(lái)達(dá)到。由于目前制造的二氧化硅玻璃介質(zhì)的純凈度極高，因此光纖的損耗極低。由于光纖的損耗低，因此，中繼距離可以很長(zhǎng)，這樣可在通信線路中減少中繼站的數(shù)量，以降

5、低成本并提高通信質(zhì)量。,例如，對(duì)于400Mb/s速率的信號(hào)，光纖通信系統(tǒng)可達(dá)到100km以上的無(wú)中繼傳輸距離，然而，同樣速率的同軸電纜通信系統(tǒng)，無(wú)中繼傳輸距離僅為1.6km左右。如將來(lái)采用非石英系的超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖，傳輸損耗會(huì)更小，有可能實(shí)現(xiàn)1000km以上的無(wú)中繼傳輸，這一點(diǎn)對(duì)于海底光纜通信等長(zhǎng)途干線業(yè)務(wù)具有重大意義。,3.抗電磁干擾能力強(qiáng) 由于光纖是由純度較高的玻璃（二氧化硅）材料制成的，是不導(dǎo)電和無(wú)電感的，因此它不受電磁干擾。正是由于這樣，電纜通信中常見(jiàn)的串話現(xiàn)象，在光纖通信中就不存在了。同時(shí)不會(huì)干擾其它的通信設(shè)備或測(cè)試設(shè)備。,4.無(wú)串話、保密性強(qiáng) 光在光纖中傳播時(shí)，幾乎不向外輻

6、射。因此在同一光纜中，數(shù)根光纖之間不會(huì)相互干擾，即不會(huì)產(chǎn)生串話，也難以竊聽(tīng)，所以光纖通信和其它通信方式相比有更好的保密性。 5.線徑細(xì)、重量輕 由于光纖的直徑很小，只有0.125mm左右，因此制成光纜后，直徑要比相同容量的電纜小得多，而且重量也輕。這樣在長(zhǎng)途干線或市內(nèi)干線上，空間利用率高，而且便于鋪設(shè)。,6.資源豐富、節(jié)約有色金屬和原材料 現(xiàn)有的通信線路是由銅、鋁、鉛等金屬材料制成的，從目前的地質(zhì)調(diào)查情況來(lái)看，世界上金屬的儲(chǔ)藏量有限，有人估計(jì)，按現(xiàn)有的開(kāi)采速度，銅的儲(chǔ)藏量只能再開(kāi)采50年。而光纖的原材料是石英，在地球上資源豐富，而且用很少的原材料就可以拉制很長(zhǎng)的光纖。隨著光纖

7、通信技術(shù)的推廣應(yīng)用，將會(huì)節(jié)約大量的有色金屬材料，對(duì)合理使用地球資源有一定的戰(zhàn)略意義。,7.容易均衡 在電通信中，信號(hào)的各頻率成分的幅度變化是不相等的，頻率越低，幅度的變化越??；頻率越高，其幅度變化則越大。這對(duì)信號(hào)的接收極為不利，為使各頻率成分都受到相同幅度的放大處理，就必須采用幅度均衡。對(duì)光纖通信系統(tǒng)則不同，在光纖通信的運(yùn)用頻帶內(nèi)，光纖對(duì)每一頻率的損耗是相等的，一般情況下，不需要在中繼站和接收端采取幅度均衡措施。,8.光纖接頭不放電、不產(chǎn)生電火花 這一優(yōu)點(diǎn)使得光纖通信在礦井下、石油化工、軍火倉(cāng)庫(kù)等易燃易爆的環(huán)境中能發(fā)揮更重要的作用。 9.抗化學(xué)腐蝕 由于光纖取材于石英，

8、因此具有一定的抗化學(xué)腐蝕能力。光纖通信具有的上述優(yōu)點(diǎn)使之成為當(dāng)今世界上的主要通信手段之一。當(dāng)然光纖本身也有缺點(diǎn)，如光纖質(zhì)地跪、機(jī)械強(qiáng)度低；要求比較好的切斷、連接技術(shù)；分路、耦合比較麻煩等。但這些問(wèn)題隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，都是可以克服的。,17.1.3 光纖通信原理 根據(jù)第1章有關(guān)通信原理的內(nèi)容我們知道，若要實(shí)現(xiàn)光纖通信，首先必須在信源對(duì)作為信息載體的光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，也就是說(shuō)必須讓光信號(hào)隨電信號(hào)的變化而變化。調(diào)制后的光波經(jīng)過(guò)光纖信道傳送到信宿，由相關(guān)設(shè)備鑒別出它的變化，然后再現(xiàn)出原始信息。 根據(jù)調(diào)制與光源的關(guān)系，光調(diào)制可分為直接調(diào)制和間接調(diào)制兩大類。直接調(diào)制方法僅適用于半導(dǎo)體光源（激光

9、LD和發(fā)光二極管LED），,這種方法是把要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)注入LD或LED，從而獲得相應(yīng)的光信號(hào)。直接調(diào)制后的光波電場(chǎng)振幅的平方正比于調(diào)制信號(hào)，是一種光強(qiáng)度調(diào)制（IM）的方法。間接調(diào)制是利用晶體的電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)等性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光輻射的調(diào)制，這種調(diào)制方式既適應(yīng)于半導(dǎo)體激光器，也適應(yīng)于其它類型的激光器。間接調(diào)制最常用的是外調(diào)制的方法，即在激光形成以后加載調(diào)制信號(hào)。,其具體方法是在激光器諧振腔外的光路上放置調(diào)制器，在調(diào)制器上加調(diào)制電壓，使調(diào)制器的某些物理特性發(fā)生相應(yīng)的變化，當(dāng)激光通過(guò)它時(shí)，得到調(diào)制。對(duì)某些類型的激光器，間接調(diào)制也可以采用內(nèi)調(diào)制的方法，即用集成光學(xué)的方法把激光器和

10、調(diào)制器集成在一起，用調(diào)制信號(hào)控制調(diào)制元件的物理性質(zhì)，從而改變激光輸出特性以實(shí)現(xiàn)其調(diào)制。我們主要介紹直接調(diào)制。,17.1.4 光纖通信系統(tǒng)的組成 通過(guò)上述原理描述，我們可以認(rèn)為一個(gè)基本光纖通信系統(tǒng)必須包括信源端的光發(fā)射機(jī)（光調(diào)制設(shè)備）、信宿端的光接收機(jī)（光解調(diào)設(shè)備）和連接它們的光纖介質(zhì)，如圖171（a）所示。信源端的光發(fā)射機(jī)（實(shí)質(zhì)上就是電/光調(diào)制器）把電端機(jī)送來(lái)的電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制。原則上可以使用振幅、頻率和相位調(diào)制，但由于目前實(shí)用激光器等光源的頻譜不純，頻率也不穩(wěn)定，使調(diào)頻或調(diào)相方式難以實(shí)現(xiàn)，因此，通常采取控制光功率大小的調(diào)幅方法，即直接調(diào)制。,經(jīng)調(diào)制后的光功率信號(hào)耦合入光纖，經(jīng)光纖傳

11、輸后，光接收機(jī)的光電檢測(cè)器（一般為半導(dǎo)體光電管或雪崩管）把光信號(hào)變換成電信號(hào)，再經(jīng)放大、整形處理后送至信宿端的電端機(jī)。如果進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，則須在通信線路中間插入中繼器。實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)一般都是雙向的，因此其系統(tǒng)的組成包含了正、反兩個(gè)方向的基本系統(tǒng)，并且每一端的發(fā)信機(jī)和接收機(jī)做在一起，稱為光端機(jī)，同樣，中繼器也有正反兩個(gè)方向，如圖171（b）所示。,圖171 基本光通信系統(tǒng),可以看出，光纖通信系統(tǒng)可歸結(jié)為“電-光-電”的簡(jiǎn)單模型，即需要傳輸?shù)男盘?hào)必須先變成電信號(hào)，然后轉(zhuǎn)換成光信號(hào)在光纖內(nèi)傳輸，末端又將光信號(hào)變成電信號(hào)。整個(gè)過(guò)程中，光纖部分只起傳輸作用，對(duì)于信號(hào)的生成和處理，仍由電系統(tǒng)來(lái)完成。與

12、電通信類似，光纖通信也可分為模擬通信和數(shù)字通信兩種。模擬光通信中的光信號(hào)強(qiáng)度隨電信號(hào)的變化而線性變化，通俗地講，就是光線有“明”“暗”之分。而數(shù)字光通信中的光信號(hào)與數(shù)字電信號(hào)相似，只有兩種狀態(tài)：“亮”和“滅”。,圖171所示的系統(tǒng)框圖對(duì)模擬或數(shù)字信號(hào)都適用。對(duì)模擬信號(hào)而言，要使信號(hào)不失真，就要求光源有良好的線性幅度特性。但是常用的光源，尤其是半導(dǎo)體激光器的非線性比較嚴(yán)重，所以模擬光通信常用在非線性失真要求不太嚴(yán)格的地方。對(duì)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)而言，由于信號(hào)為脈沖形狀，因此光源的非線性對(duì)系統(tǒng)性能影響不大。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)也具有數(shù)字電通信系統(tǒng)的一切優(yōu)點(diǎn)。在現(xiàn)已建成的系統(tǒng)中，除少數(shù)專用光纖通信系統(tǒng)外，幾

13、乎所有公用及大多數(shù)專用光纖系統(tǒng)都使用數(shù)字式。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)一般是指以傳送數(shù)字話音為主的光纖通信系統(tǒng)，它主要由PCM終端設(shè)備、數(shù)字復(fù)用設(shè)備、光端機(jī)、光纖和光中繼設(shè)備組成，如圖172。,圖172 數(shù)字光通信系統(tǒng),前面講過(guò)由光發(fā)射機(jī)、光纖和光接收機(jī)可構(gòu)成一個(gè)基本光纖通信系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，作為一個(gè)完整的光纖通信系統(tǒng)，還應(yīng)包括光中繼器、監(jiān)控系統(tǒng)、脈沖復(fù)接和脈沖分離系統(tǒng)、告警系統(tǒng)以及電源系統(tǒng)等。如圖173所示。,圖173 光通信系統(tǒng)原理框圖,17.1.5 光端機(jī) 由于光纖通信系統(tǒng)一般都是雙向的，因此將光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)做在一起并稱為光端機(jī)。下面分別介紹光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。 1.發(fā)射機(jī) 光

14、發(fā)射機(jī)的作用是將電信號(hào)變成光信號(hào)，然后送入光纖中傳輸出去。光發(fā)射機(jī)主要由光源、光源驅(qū)動(dòng)與調(diào)制以及信道編碼電路三部分組成，如圖174所示。,(1)光源。 光發(fā)射部分的核心是產(chǎn)生激光或熒光的光源，它是組成光纖通信系統(tǒng)的重要器件。目前，用于光纖通信的光源主要是半導(dǎo)體激光器LD和半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED，它們都屬于半導(dǎo)體器件，共同特點(diǎn)是體積小、重量輕、耗電量小。 LD和LED相比，其主要區(qū)別表現(xiàn)在，前者發(fā)出的是激光，而后者發(fā)出的是熒光。因此，LED的話線寬度較寬，調(diào)制速度較低，與光纖的耦合效率也較低。但是，LED也有許多優(yōu)點(diǎn)：它的輸出特性曲線線性好，使用壽命長(zhǎng)，成本低，適合于短距離、小容量的

15、傳輸系統(tǒng)。而LD一般適用于長(zhǎng)距離、大容量的傳輸系統(tǒng)。,圖174 光發(fā)射機(jī)框圖,(2) 信道編碼電路。 信道編碼電路用于對(duì)基帶信號(hào)的波形和碼型進(jìn)行變換，使其適合作為光源的控制信號(hào)。它主要完成以下功能： 均衡。由PCM端機(jī)送來(lái)的HDB3或CMI（又稱傳號(hào)反轉(zhuǎn)碼）碼流，首先需要經(jīng)過(guò)均衡器均衡，用于補(bǔ)償由電纜傳輸產(chǎn)生的衰減和畸變，以便正確譯碼。,碼型變換。由均衡器輸出的HDB3或CMI碼，在數(shù)字電路中為了處理方便，需要通過(guò)碼型變換電路，將其變換為非歸零碼（即NRZ碼）。 擾碼。若信碼流中出現(xiàn)長(zhǎng)連“0”或長(zhǎng)連“1”的情況，將會(huì)給時(shí)鐘信號(hào)的提取帶來(lái)困難。為了避免出現(xiàn)這種情況，加一擾碼電路

16、，它可以有規(guī)律地破壞長(zhǎng)連“0”或長(zhǎng)連“1”的碼流，達(dá)到0、1等概率出現(xiàn)。擾碼以后的信號(hào)再進(jìn)行線路編碼（信道編碼）。,時(shí)鐘提取。由于碼型變換和時(shí)鐘提取過(guò)程都需要以時(shí)鐘信號(hào)作為依據(jù)，因此，在均衡電路之后，由時(shí)鐘提取電路提取時(shí)鐘信號(hào)，供碼型變換和擾碼電路使用。編碼。如上所述，經(jīng)過(guò)擾碼以后的碼流，盡量使得1、0的個(gè)數(shù)均等，這樣便于接收端提取時(shí)鐘信號(hào)。另外，為了便于不間斷業(yè)務(wù)的誤碼監(jiān)測(cè)、區(qū)間通信聯(lián)絡(luò)、監(jiān)控及克服直流分量的波動(dòng)，在實(shí)際的光纖通信系統(tǒng)中，都對(duì)經(jīng)過(guò)擾碼以后的信碼流進(jìn)行信道編碼，以滿足上述要求。經(jīng)過(guò)編碼以后，變?yōu)檫m合光纖線路傳送的線路碼型。,(3)光源驅(qū)動(dòng)與調(diào)制電路。 光源驅(qū)動(dòng)與調(diào)制電路主

17、要包含下面幾個(gè)電路：光源驅(qū)動(dòng)電路。它用經(jīng)過(guò)編碼以后的數(shù)字信號(hào)來(lái)調(diào)制發(fā)光器件的發(fā)光強(qiáng)度，完成電光變換任務(wù)。APC（自動(dòng)光輸出功率控制電路）。它的作用有三個(gè)，一是為了使光輸出信號(hào)電平保持穩(wěn)定；二是防止光源因電流過(guò)大而損壞；三是防止因光輸出功率過(guò)大，而使光源的輸出散彈噪聲增加，系統(tǒng)的性能變差。,ATC（自動(dòng)溫度控制電路）。對(duì)激光二極管而言，結(jié)溫高的時(shí)候光輸出功率會(huì)下降，在APC的作用下控制電流就會(huì)自動(dòng)增加，使結(jié)溫進(jìn)一步升高，造成惡性循環(huán)而導(dǎo)致激光二極管損壞。ATC電路用以進(jìn)行光源的溫度補(bǔ)償。 光監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)光電二極管用于檢測(cè)激光器發(fā)出的光功率，經(jīng)放大器放大后控制激光器的偏置電流，使其輸出的平均功

18、率保持恒定。,(4)光發(fā)射機(jī)的指標(biāo)。 有合適的輸出光功率。光發(fā)射機(jī)的輸出光功率，通常是指耦合進(jìn)光纖的功率，亦稱入纖功率。入纖功率越大；可通信的距離就越長(zhǎng)，但光功率太大會(huì)使系統(tǒng)工作在非線性狀態(tài)，對(duì)通信將產(chǎn)生不良影響。因此，要求光源應(yīng)有合適的光功率輸出，一般在0.015mW。與此同時(shí)，要求輸出光功率保持恒定，在環(huán)境溫度變化或器件老化的過(guò)程中，穩(wěn)定度要求在5%10%。,有較好的消光比Ext。消光比是指全0碼時(shí)的平均光功率P0與全1碼時(shí)的平均光功率P1之比。作為一個(gè)調(diào)制好的光源，希望在全0碼時(shí)沒(méi)有光功率輸出，否則它將使光纖系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲，使接收機(jī)靈敏度降低，因此，一般要求Ext10%。 調(diào)制

19、特性要好。所謂調(diào)制特性好，即要求調(diào)制效率和調(diào)制頻率要高，以滿足大容量、高速率光纖通信系統(tǒng)的需要。目前一般認(rèn)為L(zhǎng)D管可以實(shí)現(xiàn)的最高調(diào)制頻率為10GHz，實(shí)際上已有調(diào)制速率達(dá)20Gb/s的報(bào)道。 除此之外，要求電路盡量簡(jiǎn)單、成本低、光源壽命長(zhǎng)等等。,2.光接收機(jī) 光接收機(jī)的作用是接收經(jīng)光纖傳輸衰減后的十分微弱的光信號(hào)，從中檢測(cè)出傳送的信息，放大到足夠大后，供終端處理使用。它包括光電檢測(cè)器、光信號(hào)接收電路和信道解碼電路三部分，如圖175所示。,圖175 光接收機(jī)框圖,(1) 光電檢測(cè)器。 光電檢測(cè)器的作用，是利用光電二極管將發(fā)射光端機(jī)經(jīng)光纖傳送過(guò)來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。目前在光纖通

20、信中廣泛使用的光電檢波管是半導(dǎo)體光電二極管，它具有尺寸小、靈敏度高、響應(yīng)速度快以及工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。,(2) 光信號(hào)接收電路。 光信號(hào)接收電路主要有以下三個(gè)作用： 低噪聲放大。由于從光電檢測(cè)器出來(lái)的電信號(hào)非常微弱，在對(duì)其進(jìn)行放大時(shí)首先必須考慮的是抑制放大器的內(nèi)部噪聲。 給光電二極管提供穩(wěn)定的反向偏壓。光電二極管只需58V的非臨界電壓，因此選擇合適的偏壓很重要，而且在設(shè)計(jì)過(guò)程中也比較困難，需要反復(fù)調(diào)試。,自動(dòng)增益控制。雖然光纖信道是恒參信道，但仍有可能因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)中的光電器件的性能變化、控制電路的不穩(wěn)定以及器件的更換等原因，使光接收電路所接收到的信號(hào)的電平發(fā)生波動(dòng)，因此光接收機(jī)

21、必須有自動(dòng)增益控制的功能。 (3)信道解碼電路。 信道解碼電路是與發(fā)端的信道編碼電路完全對(duì)應(yīng)的電路，即包含解密電路、解擾電路和碼型反變換電路。,(4) 光接收機(jī)的指標(biāo)。 光接收靈敏度Sr指標(biāo)是描述接收機(jī)被調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)，在滿足給定的誤碼率指標(biāo)條件下，接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力。 工程上常用最低平均光功率來(lái)描述光接收機(jī)的靈敏度，即在滿足給定的誤碼率指標(biāo)條件下，最低接收平均光功率Pmin。 光接收機(jī)靈敏度中的光功率在工程上習(xí)慣用對(duì)數(shù)值來(lái)描述，即,式中,Sr光接收靈敏度，單位為dBm； Pmin在滿足給定的誤碼率條件下最低接收光功率，單位為mW。 從物理概念上

22、來(lái)看，上述這種靈敏度定義也是容易理解的：如果一部光接收機(jī)在滿足給定的誤碼率指標(biāo)條件下所需的平均光功率低，說(shuō)明這部接收機(jī)在微弱的輸入光條件下就能正常工作，顯然，這部接收機(jī)的性能是好的，是靈敏的。,接收機(jī)的的動(dòng)態(tài)范圍D：在保證系統(tǒng)的誤碼率指標(biāo)要求下，接收機(jī)的最低光功率和最大允許光功率之比，單位為dB，即,之所以要求光接收機(jī)有一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，是因?yàn)楫?dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，光纖的損耗將產(chǎn)生變化；隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，光源輸出光功率亦將變化。這樣，原來(lái)按標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的光接收機(jī)便可能失效。因此，要求光接收機(jī)有一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，低于這個(gè)動(dòng)態(tài)范圍的下限（即靈敏度），將會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的誤碼；高于這個(gè)動(dòng)態(tài)范圍的上限，在判決時(shí)亦將造成過(guò)大

23、的誤碼。顯然，一臺(tái)質(zhì)量好的接收機(jī)應(yīng)有較寬的動(dòng)態(tài)范圍。,17.1.6中繼器 在遠(yuǎn)距離光纖通信系統(tǒng)中，由于受發(fā)送光功率、光接收機(jī)靈敏度、光纖的損耗和色散的影響，將使光脈沖信號(hào)的幅度受到衰落，波形出現(xiàn)失真。這樣，就限制了光脈沖信號(hào)在光纖中長(zhǎng)距離的傳輸。為了延長(zhǎng)通信距離，需在光波信號(hào)傳輸一定距離以后，加一個(gè)光中繼器，以放大信號(hào)，補(bǔ)償光能的衰減，恢復(fù)波形。,光纖通信系統(tǒng)中的光中繼器主要由光接收設(shè)備和光發(fā)送設(shè)備組成,如圖176所示。此外，為了使光中繼機(jī)正常工作，便于監(jiān)控、維護(hù)，必須有電源、公務(wù)、告警、監(jiān)控等設(shè)備。有的光中繼器還有區(qū)間通信接口，以提供一定的區(qū)間通信能力。,圖176 光中繼器框圖,17.

24、1.8 監(jiān)控系統(tǒng) 監(jiān)視控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱監(jiān)控系統(tǒng)。與其它的通信系統(tǒng)一樣，在一個(gè)實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)中，為了保證通信的可靠，監(jiān)控系統(tǒng)是必不可少的。 由于光纖通信是近年才發(fā)展起來(lái)的通信手段，故一般在光纖通信的監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用了許多先進(jìn)監(jiān)控手段，如用計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)控等方式。,對(duì)光纖通信進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制的主要內(nèi)容有： 1.監(jiān)測(cè)的內(nèi)容 (1)誤碼率是否滿足指標(biāo)要求； (2)各個(gè)中繼器是否有故障； (3)接收光功率是否滿足指標(biāo)要求； (4)光源的壽命； (5)電源是否有故障； (6)環(huán)境的溫度、濕度是否在要求的范圍內(nèi)，包括火災(zāi)告警等。,2. 控制的內(nèi)容 監(jiān)視控制系統(tǒng)能自動(dòng)地

25、對(duì)通信線路的傳輸質(zhì)量和各個(gè)組成設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)光纖通信系統(tǒng)中的主用系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)即由主控站發(fā)出自動(dòng)倒換指令，遙控裝置就將備用系統(tǒng)接入，將主用系統(tǒng)退出工作。當(dāng)經(jīng)過(guò)維護(hù)值守人員維修主用系統(tǒng)恢復(fù)正常后，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)再發(fā)出指令，將系統(tǒng)從備用倒換回主用系統(tǒng)。,當(dāng)市電中斷后，監(jiān)控系統(tǒng)還要發(fā)出啟動(dòng)油機(jī)發(fā)電的指令。又如當(dāng)中繼站溫度過(guò)高，則發(fā)出啟動(dòng)風(fēng)扇或空調(diào)的指令。同樣，還可根據(jù)需要設(shè)置其它控制內(nèi)容。監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)功能不同大致有三種組成方式： (1)在一個(gè)數(shù)字段內(nèi)對(duì)光傳輸設(shè)備和PCM復(fù)用設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控； (2)在具有多個(gè)方向傳輸?shù)慕K端站內(nèi),對(duì)多個(gè)方向進(jìn)行監(jiān)控； (3)對(duì)跨越數(shù)字段的設(shè)備

26、進(jìn)行集中監(jiān)控。,監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)控信號(hào)的傳輸有兩種方式：一種是在光纜中加金屬導(dǎo)線來(lái)傳輸監(jiān)控信號(hào)；另一種是由光纖來(lái)傳輸監(jiān)控信號(hào)。 在實(shí)際應(yīng)用中，第一種方法可使主信號(hào)和監(jiān)控信號(hào)可以完全分開(kāi)，互不影響，光系統(tǒng)的設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單。然而，光纜中加設(shè)金屬導(dǎo)線，也將帶來(lái)許多缺點(diǎn)：如由于金屬線要受雷電和其它強(qiáng)電、磁場(chǎng)的干擾，影響所傳輸?shù)谋O(jiān)控信號(hào)，因此使監(jiān)控的可靠性要求難以滿足；,而且，距離越長(zhǎng)干擾越嚴(yán)重，使監(jiān)控距離受到限制。鑒于上述原因，在光纜中加金屬線來(lái)傳輸監(jiān)控信號(hào)不是發(fā)展方向，將會(huì)逐漸淘汰，而采用光纖來(lái)傳輸監(jiān)控信號(hào)的方法會(huì)越來(lái)越普及。,利用光纖通信線路本身傳送監(jiān)控信息的方法也有兩種：一種叫時(shí)分復(fù)用法，又稱插

27、入比特法，它是利用插入比特把監(jiān)控信息按時(shí)分復(fù)用方式插入主信號(hào)碼流進(jìn)行傳輸。另一種是頻分復(fù)用法，由于光纖通信的主信號(hào)速率很高，而監(jiān)控、公務(wù)等輔助信號(hào)的速率低得多，兩者在頻譜上是分開(kāi)的，因此可以利用頻分復(fù)用進(jìn)行傳輸。,17.2 波分復(fù)用技術(shù)（WDM）,所謂波分復(fù)用（WDM），就是把具有不同波長(zhǎng)的幾個(gè)或幾十個(gè)光通路信號(hào)復(fù)用到一根光纖中進(jìn)行傳送的方式或技術(shù)。 由于光纖具有很寬的帶寬，因此可在一根光纖中傳輸多個(gè)不同波長(zhǎng)的光載波，這就是波分復(fù)用，它類似于電通信中的頻分復(fù)用。采用這種技術(shù)可以擴(kuò)大光纖通信的容量，實(shí)現(xiàn)大容量的光纖通信。,在長(zhǎng)距離光纖通信中，波分復(fù)用具有很高的經(jīng)濟(jì)性。因?yàn)榫€路的投資很大，占

28、總投資的70%80%，采用波分復(fù)用，相當(dāng)于成倍地增加光纖線路的傳輸總量，提高了線路的利用率。目前，許多國(guó)家采用這種技術(shù)，它在長(zhǎng)途光纖通信與用戶網(wǎng)光纖通信領(lǐng)域中均有著廣闊的前景?，F(xiàn)在的光纖通信系統(tǒng)的通信容量基本上都在1Gb/s以下，從光纖的傳輸特性來(lái)看，可以說(shuō)只用到光纖可通信區(qū)域的10-5以下，光纖還有很寬的頻帶可以利用，從而為波分復(fù)用技術(shù)開(kāi)辟了道路。,波分復(fù)用的帶寬一般為幾十個(gè)納米，通常用戶較多，需要較多的傳輸通路時(shí)，可以使用工作波長(zhǎng)小于一個(gè)納米的波分復(fù)用系統(tǒng)，這種系統(tǒng)中光載波的間距小而密集，稱之為高密度波分復(fù)用（HDWDM）。從目前市內(nèi)通信的狀況來(lái)看，市內(nèi)電話中繼線地下管道十分擁擠。如果利用

29、波分復(fù)用技術(shù)，不僅可以在原有地下管道的條件下增加線路的容量，而且可以節(jié)省大量的地下管道建設(shè)資金，避免管道建設(shè)對(duì)城市交通和市容的影響。因此，許多國(guó)家都在加大力度研究波分復(fù)用光纖通信技術(shù)。圖177所示的方框圖就是在一根光纖上單向傳輸N個(gè)光波波長(zhǎng)的波分復(fù)用系統(tǒng)。,圖177 波分復(fù)用示意圖,系統(tǒng)在發(fā)端有N臺(tái)光發(fā)射機(jī)（即有N個(gè)不同波長(zhǎng)的光源）。這N個(gè)光信號(hào)通過(guò)復(fù)用器合波器，將來(lái)自N臺(tái)光發(fā)射機(jī)的光信號(hào)合并起來(lái)，耦合進(jìn)入同一根光纖中傳輸。當(dāng)這些被合并的光波傳到接收端后，又通過(guò)一個(gè)復(fù)用器分波器，將合并的信號(hào)分開(kāi)，再分別送到各自相應(yīng)的光電檢波器通道中。從而實(shí)現(xiàn)在一根光纖上傳輸多個(gè)光源光信號(hào)的目的。當(dāng)然，每個(gè)光源

30、本身又能傳輸成百上千路信號(hào)，如傳輸五次群（7680路）信號(hào)。于是，通過(guò)這樣的復(fù)用方式，會(huì)使一根光纖中的實(shí)際傳輸量得到成倍地增加，因而提高了光纖通信系統(tǒng)的有效性和經(jīng)濟(jì)效益。,17.3 光纖通信的發(fā)展趨勢(shì),光纖通信以它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)被人們認(rèn)為是通信史上一次革命性的變革。光纖通信網(wǎng)將在長(zhǎng)途通信與市話通信中代替現(xiàn)有的電纜通信網(wǎng)，這已為各國(guó)所公認(rèn)。在未來(lái)的信息社會(huì)中，交換大量信息的信息網(wǎng)絡(luò)也將由光纖通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)構(gòu)成。因此，有人說(shuō)，如果20世紀(jì)的通信是電網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代，那么21世紀(jì)的信息傳輸將會(huì)是全新的光網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。,隨著光電技術(shù)的進(jìn)步，光纖通信技術(shù)會(huì)朝以下幾個(gè)方向發(fā)展：首先是低損耗單模光纖的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和研制，這是一項(xiàng)長(zhǎng)期而又需要不斷完善的工作；其次，為增加光頻帶的利用，將致力于波分復(fù)用技術(shù)和相干光通信體制的研究和實(shí)用化；第三，為了進(jìn)一步提高通信速度，將發(fā)展光電混合集成電路，提高光電轉(zhuǎn)換的速度，增強(qiáng)現(xiàn)有光系統(tǒng)的傳輸能力，這方面遠(yuǎn)期的發(fā)展目標(biāo)是光學(xué)集成的全光線路，使更多的信號(hào)處理功能在光頻上完成。,另外為了大大提高光纖通信系統(tǒng)的有效性和可靠性，許多國(guó)家還在進(jìn)行光放大器、相干光通信、多波道光纖通信及光孤子通信等新技術(shù)的研究。 總之，全光網(wǎng)絡(luò)是未來(lái)信息傳送網(wǎng)的發(fā)展方向，它可以直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行處理，不僅大大簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低了成本，而且極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與可靠性。,