1、本 科 毕 业 论 文 （ 设 计 ）题目： 数字光纤通信系统 (期中作业) 学生姓名 杨建杰 学 号 2012112147 指导教师 冯选旗 院 系 物理学院 专 业 光信息科学与技术 年 级 2012 级 教务处制成绩（采用四级记分制）目 录摘要.1关键词1引言 11.数字光纤通信系统 11.1 数字光纤通信系统的概论 .11.1.1 数字光纤通信系统的组成.11.1.2 数字光纤通信系统的含义21.1.3 数字光纤通信系统的特点.21.2 数字光纤通信系统的设计方法.21.2.1 数字光纤通信系统的构成.21.2.2 数字光纤通信系统的设计方案.31.3 数字光纤传输的优点.32.数字光
2、纤传输系统的设计 .42.1 数字光纤传输的两种体制.42.1.1 准同步数字系列 PDH.42.1.2 准同步数字系列 SDH.52.2 整体设计 62.3 光发射机.62.4 光接收机.7参考文献.8 摘要 : 数字光纤通信是现代新兴的通信系统传输技术,相比于模拟光纤通信具有很多优势。数字通信有很多的优点，灵敏度高、传输质量好。因此，大容量长距离的光纤通信系统大多采用数字传输方式。本文就数字光纤通信系统的组成及设计进行了介绍,并对数字光纤通信的特点及参数进行了优劣分析。关键词 光纤通信技术 发展 趋势 超高速传输 超大容量波分复用 光联网引言 数字光纤通信技术光纤通信自从问世以来，给整个通
3、信领域带来了一场革命，它使高速率、大容量的通信成为可能。光纤通信由于具有损耗低、传输频带宽容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点而备受业内人士的青睐，发展非常迅速。在现代社会，数字光纤通信越来越多地与另一种通信方式数字通信联系在了一起，二者一同成为办公自动化，局域网办公，网络资源共享，社区网络通信甚至是建设信息高速公路的核心技术。这两种技术也成了当下的热门研究课题。1、数字光纤通信系统1.1 数字光纤通信系统的概论1.11 数字光纤通信系统的组成（1）光发信机光发信机是实现电-光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为
4、已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。电端机就是常规的电子通信设备。 （2）光收信机光收信机是实现光-电转换的光端机。 它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。 （3）光纤或光缆光纤或光缆构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。 （4）中继器中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲政性。（
5、5）光纤连接器、耦合器等无源器件由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的（如 1Km)。因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。1.1.2 数字光纤通信系统的含义数字通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。随着互联网业务和通信业的飞速发展，信息化给世界生产力和人类社会的发展带来了极大的推动。光纤通信作为信息化的主要技术柱之一，必将成为 21 世纪最重要的战略性产业。光纤通信技术
6、和计算机技术是信息化的两大核心支柱，计算机负责把信息数字化，输入网络中去；光纤则是担负着信息传输的重任。当代社会和经济发展中，信息容量日益剧增，为提高信息的传输速度和容量，光纤通信被广泛的应用于信息化的发展，成为继微电子技术之后信息领域中的重要技术。1.1.3 数字光纤通信系统的特点数字光纤传输系统是数字通信的理想通道。与模拟通信相比较，数字通信有很多的优点，灵敏度高、传输质量好。因此，大容量长距离的光纤通信系统大多采用数字传输方式。 在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲“0“码和“1“码，它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码
7、产生的，称为 PCM（pulse code modulation） ，即脉冲编码调制。这种电的数字信号称为数字基带信号，由 PCM 电端机产生。1.2 数字光纤通信系统的设计方法1.2.1 数字光纤通信系统构成最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。其中数据源包括所有的信号源，它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的信号；光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，先后用过的光波窗口有 0.85、1.31 和 1.55。光学信道包括最基本的光纤，还有中继放大器 EDFA 等；而光学接收机则接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对
8、应的话音、图象、数据等信息。1.2.2 数字光纤通信系统的设计方案对数字光纤通信系统而言，系统设计的主要任务是，根据用户对传输距离和传输容量(话路数或比特率)及其分布的要求，按照国家相关的技术标准和当前设备的技术水平，经过综合考虑和反复计算，选择最佳路由和局站设置、传输体制和传输速率以及光纤光缆和光端机的基本参数和性能指标，以使系统的实施达到最佳的性能价格比。在技术上，系统设计的主要问题是确定中继距离，尤其对长途光纤通信系统，中继距离设计是否合理，对系统的性能和经济效益影响很大。 1.3 数字光纤传输的优点光通信与电通信相比，具有无以伦比的优越性。1. 通信容量大一根光纤同时传输24 万个话路
9、的试验已经取得成功，它比传统的明线、同轴电缆、微波等要高出几十乃至上千倍以上。一根光纤的传输容量如此巨大，而一根光缆中可以包括几十根甚至上千根光纤，再加上波分复用技术，其通信容量之大就更加惊人了。2. 中继距离长石英光纤具有极低的衰耗系数0.19dB/km 以下，若配以适当的光发送与光接收设备，可使其中继距离达数百公里以上。传统的电缆、微波等根本无法与之相比的。因此光纤通信特别适用于长途一、二级干线通信。此外，已在进行的光孤子通信试验，全球无中继的光纤通信目的能实现。3. 保密性能好光波在光纤中传输时只在纤芯进行，基本上没有光“泄露” ，因此其保密性能极好。4. 适应能力强不怕外界强电磁场的干
10、扰、耐腐蚀，可挠性强大于一定弯曲半径其性能不受影响。5. 体积小、重量轻、便于施工维护光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底和架空。6. 原材料来源丰富，潜在价格低廉制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅，即砂子是取之不尽、用之不竭的。因此其潜在价格是十分低廉的。二、数字光纤传输系统设计2.1 数字光纤传输的两种体制光纤大容量数字传输目前都采用同步时分复用(TDM)技术。 复用又分为若干等级，先后有两种传输体制：准同步数字系列(PDH)，同步数字系列(SDH)，随着光纤通信技术和网络的发展，PDH遇到了许多困难，美国提出了同步光纤网(SONET)，1988年，ITU-T(原CC
11、ITT) 提出了被称为同步数字系列(SDH)的规范建议。SDH解决了PDH存在的问题，是一种比较完善的传输体制，现已得到大量应用。2.1.1 准同步数字系列 PDH两种基础速率：24路64kbps组成1.544 Mb/s为第一级(一次群，或称基群)基础速率，采用的国家有北美和日本；以2.048 Mb/s为第一级(一次群)基础速率32路64kbps， 欧洲各国和中国。对于以2.048 Mb/s为基础速率的制式，各次群的话路数按4倍递增，速率的关系略大于4倍。对于以1.544 Mb/s为基础速率的制式，在3次群以上，日本和北美各国又不相同， 看起来很杂乱。PDH 各次群比特率相对于其标准值有一个规
12、定的容差，而且是异源的，通常采用正码速调整方法实现准同步复用。1次群至4次群接口比特率早在1976年就实现了标准化，并得到各国广泛采用。 PDH主要适用于中、低速率点对点的传输。在这种形势下，现有PDH的许多缺点也逐渐暴露出来，主要有： (1) 北美、西欧和亚洲所采用的三种数字系列互不兼容。 (2) 各种复用系列都有其相应的帧结构，没有足够的开销比特，使网络设计缺乏灵活性。(3) 复接/分接设备结构复杂，上下话路价格昂贵。2.1.2 准同步数字系列 SDH同步数字系列SDH传输网不仅适合于点对点传输，而且适合于多点之间的网络传输。SDH 传输网由SDH终接设备(或称SDH 终端复用器TM)、分
13、插复用设备ADM 、数字交叉连接设备DXC等网络单元以及连接它们的(光纤) 物理链路构成。SDH终端的主要功能是，复接/分接和提供业务适配，主要由TM设备完成。ADM是一种特殊的复用器，它利用分接功能将输入信号所承载的信息分成两部分：一部分直接转发，另一部分卸下给本地用户然后信息又通过复接功能将转，发部分和本地上送的部分合成输出DXC类似于交换机，它一般有多个输入和多个输出，通过适当配置可提供不同的端到端连接。SDH传输网的连接模型，通过DXC的交叉连接作用，在 SDH传输网内可提供许多条传输通道，每条通道都有相似的结构，每个通道(Path)由一个或多个复接段(Line) 构成，而每一复接段又
14、由若干个再生段(Section)串接而成。与PDH相比，SDH 具有下列特点：(1) SDH采用世界上统一的标准传输速率等级。 最低的等级也就是最基本的模块称为STM-1，传输速率为155.520 Mb/s； 4个STM-1 同步复接组成STM-4，传输速率为622.080 Mb/s； 16个STM-1 组成 STM-16, 传输速率为2488.320 Mb/s，以此类推。(2) SDH各网元光接口有严格规范。因此，光接口成为开放接口，利于建世界统一的通信网络。 标准光接口综合进各种不同的网络单元，简化硬件，降低成本。(3) 在SDH帧结构中，开销比特用于网络运行维护和管理，便于性能监测、故障
15、检测和定位、故障报告等管理功能。 (4) 数字同步复用技术，最小复用单位为字节，不必进行码速调整，简化复接分接实现设备，低速信号复接成高速信号，高速信号分出低速信号，不必逐级进行。(5) 数字交叉连接设备DXC对各种端口速率可控的连接配置，对网络资源自动化的调度和管理，提高资源利用率，增强了网络的抗毁性和可靠性。SDH采用了DXC后，大大提高了网络的灵活性及对各种业务量变化的适应能力，使现代通信网络提高到一个崭新的水平。2.2 整体设计本系统主要由三部分组成：光发射机、传输光纤和光接收机。其电/光和光/电变换的基本方式是直接强度调制和直接检波。实现过程如下：输入电信号是数字信号；调制器将电信号
16、转换成适合驱动光源器件的电流信号并用来驱动光源器件，对光源器件进行直接强度调制，完成电/光变换的功能；光源输出的光信号直接耦合到传输光纤中，经一定长度的光纤传输后送达接收端；在接收端，光电检测器对输入的光信号进行直接检波，将光信号转换成相应的电信号，再经过放大恢复等处理过程，以弥补线路传输过程中带来的信号损伤（如损耗、波形畸变） ，最后输出和原始输入信号相一致的电信号，从而完成整个传送过程。光发端机将电信号直接调制至光载波上去，采用强度调制（IM ） ；光接收机完成光信号的解调，采用直接检测（DD） ，属于非相干解调。光载波由半导体光源产生，由半导体光检测器将光信号转换成电信号从而达到传输信号
17、的目的.2.3 光发射机数字光发射机的功能是把电端机输出的数字基带信号转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路。主要有光源和电路两部分。光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。2.3.1 光源对光源的要求如下：（1） 发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长应在0.85um，1.31um，1.55um附近。单色性好。（2） 电/光转换效率高，在低驱动电流下，有够大稳定的输出光功率，且线性良好。（3） 允许的调制速率要高或相应速度要快。（4） 温度特性好，可靠性高，寿命长目前，有半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）可满足不同场合的要求。2.3.2 调制
18、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调制电路、控制电路和线路编码电路。选用的LD作为光源，所以还需要偏置电路。对调制电路和控制电路的要求如下：（1） 输出光脉冲的通断比（全“1”码平均光功率和全“0”码平均光功率的比值，或消光比的倒数）应大于10，以保证足够的光接收信噪比。（2） 输出光脉冲的宽度远大于电光延迟，光脉冲的上升、下降、开通延迟应足够短，以便在高速率调制下，输出的光脉冲准确再现输入电脉冲的波形。（3） 对激光器应施加足够的偏置电流，以便抑制在较高速率调制下可能出现的张弛震荡，保证发射机正常工作。（4）采用自动功率控制和自动温度控制，以保证输出光功率有足够可靠稳定性。2
19、.3.3 线路编码电路线路编码必要性，是因为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，所以要变换为适合于光纤传输的单极性码。数字光纤通信系统常用的线路码型有：扰码、mbnb 码和插入码。2.4 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2.7，主要包括光检测器、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（AGC）2.4.1 光检测器光检测器是光接收机实现光/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。对光检测器的要求如下：（1） 波长响应要和光纤低损耗窗口（0.85um、1.31um和1.55um）
20、兼容；（2） 响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流；（3） 噪声要尽可能低，能接受极微弱的光信号；（4） 性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩二极管（APD） 。2.4.2 放大器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。主放大器一般是多级放大器，它的作用是提供足够的增益，并通过它实现自动增益控制（AGC） ，以使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。2.4.3 均衡和再生均衡的目的是对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变（失真）的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干扰，减小误码率。再生电路包括判决电路和时钟提取电路，从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地堆码元进行取样判决，以得到原发送的码流。参考文献1 张宝富等 . 现代光纤通信与网络教程. 人民邮电出版社，2002 年 7 月2 孙强等. 光纤通信系统及其应用. 北方交通大学出版社，2003 年 10 月3 马声全 . 高速光纤通信 ITU-1 规范与系统设计. 北京邮电大学出版社，2001
