數(shù)字光纖通信系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)

1、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)摘要當(dāng)今世界，計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)高度結(jié)合，光纖通信有了長足發(fā)展。縱觀當(dāng)今 電信的主要技術(shù)，光纖和光波的變革極大的提高著信息的傳輸容量。進(jìn)入1993 年以后，我國光纖通信已處于持續(xù)大發(fā)展時(shí)期。其特征是大量新技術(shù)，特別是網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)、高速介質(zhì)接入網(wǎng)(HMAV).光時(shí)分復(fù)用接入(OTMMA)和波分復(fù)用接入 (WDMA),光孤子(soliton)、摻餌光纖放大器(EDFA)、SDH產(chǎn)品等開始實(shí)用化并 開展大量、深入的研究工作。面對光纖通信技術(shù)的普遍應(yīng)用，了解光纖通信系統(tǒng) 組成及其系統(tǒng)參數(shù)的測量技術(shù)現(xiàn)狀，無論是對光纖通信的業(yè)主、經(jīng)銷商，還是對 光纖通信的廣大用戶都是重要的。本論文主要

2、介紹數(shù)字光纖通信系統(tǒng)基本組成，含義及其特點(diǎn)，闡述數(shù)字光信 通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。針對WDM+EPFA數(shù)字光纖鏈路系統(tǒng)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。關(guān)鍵字；數(shù)字光纖通信系統(tǒng)摻鉤光纖放大器(EDFA)波分復(fù)用(WDM)Digital optical communications system and its designAbstracIn todayr s world, the combination of computer and communication technology, the height of optical fiber communication with rapid development I

3、n todayr s main technology of telecommunications, optical fiber and light changes greatly improves the information transmission capacity. Since 1993, China into a continuous fiber communication has great development period Its characteristic is a new technology, in particular network technology, hig

4、h-speed medium access (HMAV), light time multiplex access (OTMMA) and WDM access (WDMA), optical solitons (soliton), erbium doped fiber amplifier (EDFA), SDH products began to practical and large, deep research work At the same time, various special optical system into the field of national economy,

5、 contributed to our optical fiber communication technology of vigorous development Facing the optical fiber communication technology, understand the general applicat ion of optical communication system and the system parameters measurement tech no logy situat i on of optical fiber comm un icati on,

6、whether the owner, dealers, or for optical fiber communication customers are importa ntThis paper mainly introduces the basic components and fiber optic communications system, expounds the meaning and characteristics of digital comm uni cati on system design of light letters In WDM optical fiber lin

7、ks EPFA + digital system design.Key words,Digital optical communication system erbium doped fiber amplifier (EDFA)WDM(4)1數(shù)字光纖通信系統(tǒng)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)概論(4)1.1.1數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的組成(4)1.1.2數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的含義(5)1.1.3數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的特點(diǎn)(5)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法(5)1.2.1數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成(5)1.2.2數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案(6)2波分復(fù)用(WDM) (6)光波分復(fù)用(WDM)技術(shù)概述(7)WDM系統(tǒng)的基本構(gòu)成(7)技

8、術(shù)的主要特點(diǎn)(7)3摻餌光纖放大器(EDFA)(8)摻弭光纖放大器概述(8)摻鉤光纖放大器原理(8)4基于WDM+EPFA數(shù)字光纖鏈路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(9)(11)注釋和參考文獻(xiàn)謝詞(12)附錄(13)1數(shù)字光纖通信系統(tǒng)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的概論1.1.1數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的組成（1）光發(fā)信機(jī)光發(fā)信機(jī)是實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。它由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成。其 功能是將來自于電端機(jī)的電信號對光源發(fā)出的光波進(jìn)行調(diào)制，成為已調(diào)光波，然 后再將已調(diào)的光信號耦合到光纖或光纜去傳輸。電端機(jī)就是常規(guī)的電子通信設(shè) 備。（2）光收信機(jī)光收信機(jī)是實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。它由光檢測器和光放大器組成。其功 能是將光纖或光纜傳輸來

9、的光信號，經(jīng)光檢測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺缓螅賹⑦@微 弱的電信號經(jīng)放大電路放大到足夠的電平，送到接收端的電端汲去。（3）光纖或光纜光纖或光纜構(gòu)成光的傳輸通路。其功能是將發(fā)信端發(fā)出的已調(diào)光信號，經(jīng)過 光纖或光纜的遠(yuǎn)距離傳輸后，耦合到收信端的光檢測器上去，完成傳送信息任務(wù)。(4) 中繼器中繼器由光檢測器、光源和判決再生電路組成。它的作用有兩個(gè)：一個(gè)是補(bǔ) 償光信號在光纖中傳輸時(shí)受到的衰減；另一個(gè)是對波形失真的蛀近行政性。(5) 光纖連接器、耦合器等無源器件由于光纖或光纜的長度受光纖拉制工藝和光纜施工條件的限制，且光纖的拉 制長度也是有限度的(如lKm)0因此一條光纖線路可能存在多根光纖相連接的 問題。于

10、是，光纖間的連接、光纖與光端機(jī)的連接及耦合，對光纖連接器、耦合 器等無源器件的使用是必不可少的。1.1.2數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的含義光纖光纖通信系統(tǒng)是以光為載波，利用純度極髙的玻璃拉制成極細(xì)的光導(dǎo)纖 維作為傳輸媒介，通過光電變換，用光來傳輸信息的通信系統(tǒng)。(隨著國際互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和通信業(yè)的飛速發(fā)展，信息化給世界生產(chǎn)力和人類社會的發(fā) 展帶來了極大的推動(dòng)。光纖通信作為信息化的主要技術(shù)支柱之一，必將成為21 世紀(jì)最重要的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。光纖通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)是信息化的兩大核心支 柱，計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)把信息數(shù)字化，輸入網(wǎng)絡(luò)中去；光纖則是擔(dān)負(fù)著信息傳輸?shù)闹厝巍?當(dāng)代社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，信息容量日益劇增，為提高信息的傳輸速

11、度和容量，光 纖通信被廣泛的應(yīng)用于信息化的發(fā)展，成為繼微電子技術(shù)之后信息領(lǐng)域中的重要 技術(shù)。1.1.3數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的特點(diǎn)光纖傳輸系統(tǒng)是數(shù)字通信的理想通道。與模擬通信相比較，數(shù)字通信有很多 的優(yōu)點(diǎn)，靈敏度高、傳輸質(zhì)量好。因此，大容量長距離的光纖通信系統(tǒng)大多采用 數(shù)字傳輸方式。在光纖通信系統(tǒng)中，光纖中傳輸?shù)氖嵌M(jìn)制光脈沖”0碼和”1”碼，它由二進(jìn) 制數(shù)字信號對光源進(jìn)行通斷調(diào)制而產(chǎn)生。而數(shù)字信號是對連續(xù)變化的模擬信號進(jìn) 行抽樣、量化和編碼產(chǎn)生的，稱為PCM (pulse code modulation),即脈沖編碼 調(diào)制。這種電的數(shù)字信號稱為數(shù)字基帶信號，由PCM電端機(jī)產(chǎn)生。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的設(shè)

12、計(jì)方法1.2.1數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成RX:光接收堺機(jī)TX:光發(fā)射端機(jī)圖1數(shù)字光纖通信系統(tǒng)構(gòu)成最基本的光纖通信系統(tǒng)由數(shù)據(jù)源、光發(fā)送端、光學(xué)信道和光接收機(jī)組成。其 中數(shù)據(jù)源包括所有的信號源，它們是話音、圖象、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)經(jīng)過信源編碼所得 到的信號；光發(fā)送機(jī)和調(diào)制器則負(fù)責(zé)將信號轉(zhuǎn)變成適合于在光纖上傳輸?shù)墓庑?號，先后用過的光波窗口有、和。光學(xué)信道包括最基本的光纖，還有中繼放大器 EDFA等；而光學(xué)接收機(jī)則接收光信號，并從中提取信息，然后轉(zhuǎn)變成電信號， 最后得到對應(yīng)的話音、圖象、數(shù)據(jù)等信息。1.2.2數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案對數(shù)字光纖通信系統(tǒng)而言，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是，根據(jù)用戶對傳輸距離和 傳輸容量

13、（話路數(shù)或比特率）及其分布的要求，按照國家相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)前設(shè) 備的技術(shù)水平，經(jīng)過綜合考慮和反復(fù)計(jì)算，選擇最佳路由和局站設(shè)置、傳輸體制 和傳輸速率以及光纖光纜和光端機(jī)的基本參數(shù)和性能指標(biāo)，以使系統(tǒng)的實(shí)施達(dá)到 最佳的性能價(jià)格比。在技術(shù)上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要問題是確定中繼距離，尤其對長途光纖通信系統(tǒng), 中繼距離設(shè)計(jì)是否合理，對系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)效益影響很大。中繼距離的設(shè)計(jì)有三種方法：（1）最壞情況法（參數(shù)完全已知）（2）統(tǒng)計(jì)法（所有參數(shù)都是統(tǒng)計(jì)定義）（3）半統(tǒng)計(jì)法（只有某些參數(shù)是統(tǒng)計(jì)定義）2波分復(fù)用（WDM）光發(fā)射機(jī)光中繼放大光接收機(jī)圖2波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)構(gòu)成光波分復(fù)用（WDM）技術(shù)概述光波分復(fù)用（

14、Wavelength Division Multiplexing, WDM）技術(shù)是在一根光 纖中同時(shí)同時(shí)多個(gè)波長的光載波信號，而每個(gè)光載波可以通過FDM或TDM方式， 各自承載多路模擬或多路數(shù)字信號。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長的光信號 組合起來（復(fù)用），并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又 將這些組合在一起的不同波長的信號分開（解復(fù)用），并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出 原信號后送入不同的終端。因此將此項(xiàng)技術(shù)稱為光波長分割復(fù)用，簡稱光波分復(fù) 用技術(shù)。WDM系統(tǒng)的基本構(gòu)成WDM系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要分雙纖單向傳輸和單纖雙向傳輸兩種方式。單向 WDM是指所有光通路同時(shí)在一根光纖上沿同一方向傳

15、送，在發(fā)送端將載有各種信 息的具有不同波長的已調(diào)光信號通過光延長用器組合在一起，并在一根光纖中單 向傳輸，由于各信號是通過不同波長的光攜帶的，所以彼此間不會混淆，在接收 端通過光的復(fù)用器將不同波長的光信號分開，完成多路光信號的傳輸，而反方向 則通過另一根光纖傳送。雙向WDM是指光通路在一要光纖上同時(shí)向兩個(gè)不同的方 向傳輸，所用的波長相互分開，以實(shí)現(xiàn)彼此雙方全雙工的通信聯(lián)絡(luò)。目前單向的 WDM系統(tǒng)在開發(fā)和應(yīng)用方面都比較廣泛，而雙向WDM由于在設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)受各 通道干擾、光反射影響、雙向通路間的隔離和串話等因素的影響，目前實(shí)際應(yīng)用 較少。技術(shù)的主要特點(diǎn)1. 充分利用光纖的巨大帶寬資源，使一根光纖的

16、傳輸容量比單波長傳輸增 加幾倍到幾十倍，從而增加光纖的傳輸容量，降低成本，具有很大的應(yīng)用價(jià)值和 經(jīng)濟(jì)價(jià)值。2. 由于WDM技術(shù)中使用的各波長相互獨(dú)立，因而可以傳輸特性完全不同的信 號，完成各種信號的綜合和分離，實(shí)現(xiàn)多媒體信號混合傳輸。3. 由于許多通信都采用全雙式方式，因此采用WDM技術(shù)可節(jié)省大量線路投 資。4. 根據(jù)需要，WDM技術(shù)可以有很多應(yīng)用形式，如長途干線網(wǎng)、廣播式分配網(wǎng) 絡(luò)，多路多地局域網(wǎng)等，因此對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用十分重要。5. 隨著傳輸速率不斷提高，許多光電器件的響應(yīng)速度明顯不足，使用WDM 技術(shù)可以降低對一些器件在性能上的極髙要求，同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)大容量傳輸。6. 利用WDM技術(shù)選路，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)

17、絡(luò)交換和恢復(fù)。3摻鉀光纖放大器(EDFA)rJ押號輸入 泵LD2雨高能級9S0 nm 、 傅號光4眾攀303 202 = 1530 nm6= 1550 nm低能級(b)b15501600Mum.圏1(a)EDFA的結(jié)構(gòu)；(b)能級；(c)増益譜圖3摻鉤光纖放大器構(gòu)成摻餌光纖放大器概述摻弭光纖放大器(EDFA即在信號通過的纖芯中摻入了餌離子Er3 +的光信號 放大器。)是1985年英國南安普頓大學(xué)首先研制成功的光放大器，它是光纖通信 中最偉大的發(fā)明之一。摻弭光纖是在石英光纖中摻入了少量的稀土元素弭(Er)離子的光纖，它是摻 鉤光纖放大器的核心。從20世紀(jì)80年代后期開始，摻鉤光纖放大器的研究工作

18、 不斷取得重大的突破。WDM技術(shù)、極大地增加了光纖通信的容量。成為當(dāng)前光纖 通信中應(yīng)用最廣的光放大器件。摻餌光纖放大器原理EDFA的基本結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，它主要由有源媒質(zhì)(幾十米左右長的摻餌石 英光纖，芯徑3-5微米，摻雜濃度(25-1000) x 10-6)、泵浦光源(990或1480nm LD)、 光耦合器及光隔離器等組成。信號光與泵浦光在鉤光纖內(nèi)可以在同一方向(同向 泵浦)、相反方向(反向泵浦)或兩個(gè)方向(雙向泵浦)傳播。當(dāng)信號光與泵光同時(shí) 注入到鉤光纖中時(shí)，弭離子在泵光作用下激發(fā)到髙能級上(圖1 (b),三能級系 統(tǒng))，并很快衰變到亞穩(wěn)態(tài)能級上，在入射信號光作用下回到基態(tài)時(shí)發(fā)射對應(yīng)

19、于 信號光的光子，使信號得到放大。圖1 (c)為其放大的自發(fā)發(fā)射(ASE)譜，帶寬 很大(達(dá)20-40nm),且有兩個(gè)峰值，分別對應(yīng)于1530nm和1550nm。EDFA的主要優(yōu)點(diǎn)是增益高、帶寬大、輸出功率髙、泵浦效率高、插入損耗 低、對偏振態(tài)不敏感等。4基于WDM+EPFA數(shù)字光纖鏈路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摻餌光纖放大器在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用主要是補(bǔ)償傳輸中的光纖損 耗，根據(jù)放大器在系統(tǒng)中的位置及作用，可以分成以下三種類型：1.功率放大器(booster-Amp 1 ifier),處于合波器之后，用于對合波以 后的多個(gè)波長信號進(jìn)行功率提升，然后再進(jìn)行傳輸，由于合波后的信號功率一般 都比較大，所以，對一功率放大器的噪聲指數(shù)、增益要求并不是很高，但要求放 大后，有比較大的輸出功率。2線路放大器(Line-Amplifier),處于功率放大器之后，用于周期性 地補(bǔ)償線路傳輸損耗，一般要求比較小的噪聲指數(shù)，較大的輸出光功率。3前置放大器(Pre-Amplifier),處于分波器之前，線路放大器之后， 用于信號放大，提高接收機(jī)