通信原理與城軌傳輸系統(tǒng)

通信原理與城軌傳輸系統(tǒng)第一頁，共八十一頁，2022年，8月28日1通信原理

1.1通信的定義

通信按傳統(tǒng)理解就是信息的傳輸與交換，信息可以是語音、文字、符號、音樂、圖像等等。

(1)

通信的定義：通信是傳遞信息的手段，即將信息從發(fā)送器傳送到接收器。

(2)通信的目的：通信的目的是為了完成信息的傳輸和交換。第二頁，共八十一頁，2022年，8月28日

1.2通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)是以實現(xiàn)通信為目標的硬件，軟件以及人的集合。

1.2.1通信系統(tǒng)的模型

圖1-1是一個基本的點到點通信系統(tǒng)的一般模型：

圖1-1通信系統(tǒng)的一般模型第三頁，共八十一頁，2022年，8月28日

其中，各部分的功能如下：

①信息源：把各種可能消息轉換成原始電信號；

②發(fā)送設備：為了使原始電信號適合在信道中傳輸，對原始電信號變換成與傳輸信道相匹配的傳輸信號；

③信道：信號傳輸?shù)耐ǖ溃?/p>

④接收設備：從接收信號中恢復出原始電信號；

⑤收信者：將復原的原始電信號轉換成相應的消息；第四頁，共八十一頁，2022年，8月28日1.2.2模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)

信號的分類：

①模擬信號——電信號的該參量連續(xù)取值。如：普通電話機收發(fā)的語音信號；

②數(shù)字信號——電信號的該參量離散取值。如：計算機內PCI/ISA總線的信號。

模擬信號和數(shù)字信號可以互相轉換。因此，任何一個消息既可以用模擬信號表示，也可以用數(shù)字信號表示。

相應的，通信系統(tǒng)也可以分為模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)兩大類。第五頁，共八十一頁，2022年，8月28日

①模擬通信系統(tǒng)：模擬通信系統(tǒng)在信道中傳輸?shù)氖悄M信號，模型如圖1-2所示。

圖1-2模擬通信系統(tǒng)模型

基帶信號——由消息轉化而來的原始模擬信號，一般含有直流和低頻成分，不宜直接傳輸；

已調信號——由基帶信號轉化來的、頻域特性適合信道傳輸?shù)男盘?。又稱頻帶信號。

對模擬通信系統(tǒng)進行研究的主要內容就是研究不同信道條件下不同的調制解調方法。第六頁，共八十一頁，2022年，8月28日

②數(shù)字通信系統(tǒng)：數(shù)字通信系統(tǒng)在信道中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，模型如圖1-3所示。

圖1-3數(shù)字通信系統(tǒng)模型

信源編/譯碼器——實現(xiàn)模擬信號與數(shù)字信號之間的轉換；

加/解密器——實現(xiàn)數(shù)字信號的保密傳輸；

信道編/譯碼器——實現(xiàn)差錯控制功能，用以對抗由于信道條件造成的誤碼；

調制/解調器——實現(xiàn)數(shù)字信號的傳輸與復用。第七頁，共八十一頁，2022年，8月28日

1.2.3通信系統(tǒng)的分類

通信系統(tǒng)有不同的分類方法。

①

按消息分：電報系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、數(shù)據(jù)系統(tǒng)、圖像系統(tǒng)

②

按調制方式分：基帶傳輸、頻帶傳輸（調幅、調頻、調相、脈幅、脈寬、脈位）

③

媒質上的信號分：模擬系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng)

④

傳輸媒質（信道）分：有線系統(tǒng)

、無線系統(tǒng)

⑤

按復用方式分：頻分復用、時分復用、碼分復用

⑥

按消息傳送的方向和時間分：單工、半雙工、全雙工第八頁，共八十一頁，2022年，8月28日2傳輸介質

2.1

傳輸介質的基本概念2.1.1

傳輸介質

傳輸介質是連接通信設備，為通信設備之間提供信息傳輸?shù)奈锢硗ǖ溃皇切畔鬏數(shù)膶嶋H載體。從本質上講，有線通信與無線通信中的信號傳輸，實際上都是電磁波在不同介質中的傳播過程，在這一過程中對電磁波頻譜的使用從根本上決定了通信過程的信息傳輸能力。理論上，任何頻率的信號都可以用作通信。第九頁，共八十一頁，2022年，8月28日2.1.2

傳輸介質的分類

很多介質都可以作為通信中使用的傳輸介質，但這些介質本身有著不同的屬性，它們適用于不同的環(huán)境條件，同時通信業(yè)務本身也會對傳輸介質的使用提出不同的要求。因此，在實際的應用中存在著多種多樣的傳輸介質，最常見的傳輸介質是：線電纜、無線介質、光纖。

第十頁，共八十一頁，2022年，8月28日

2.1.3

傳輸介質與傳輸技術的設計

傳輸介質只有被相應的傳輸技術所使用，才能夠體現(xiàn)為可供上層業(yè)務使用的信道，由于傳輸介質是與傳輸技術緊密結合的，因此，設計傳輸技術就必須考慮并充分利用傳輸介質本身固有的特點，以下分別說明傳輸介質的各種特征對設計傳輸技術的影響。

（1）帶寬：也就是可供使用的頻譜寬度。高帶寬的傳輸介質就可以承載較高的比特率，例如光纖；

（2）誤碼率：高誤碼率的傳輸環(huán)境下，肯定會要求使用更為復雜、有效的檢糾錯技術；第十一頁，共八十一頁，2022年，8月28日

（3）信號的傳輸距離：不同的傳輸介質對信號傳輸具有不同的衰減，當有用信號的強度衰減至一定水平之下時，就必須以某種形式進行信號的再生與放大，以保證按收端的正常工作。光纖通信中的光中繼器，微波通信中的中繼站，都是為了完成這一目的而設立的；

（4）安全：不同的傳輸介質是有不同的安全等級，通信中的加密和認證都是必不可少的，但不同復雜度的加密與認證技術在傳輸代價，時間代價等方面有很大差異，因此必須為各種傳輸介質來選用最為合適的安全保證技術。第十二頁，共八十一頁，2022年，8月28日3信號的傳輸技術

3.1

傳輸技術概述

3.1.1

傳輸技術的發(fā)展

根據(jù)國際電信聯(lián)盟（ITU）的定義，傳輸是指通過物理介質傳播含有信息的信號的過程。從功能上看，這是一個在通信網(wǎng)中的各節(jié)點之間轉移信息的過程。傳輸網(wǎng)即是在各網(wǎng)絡節(jié)點之間運送信息的網(wǎng)絡功能資源。

為實現(xiàn)遠距離的通信，在19世紀末即發(fā)明了用電信號來模擬語音信號并進行遠距離傳輸，于是出現(xiàn)了電話以及話音傳輸技術。時至今日，電話通信仍然是電信網(wǎng)絡中的重要業(yè)務之一，而傳輸技術則已經經歷了幾次重大的變革。第十三頁，共八十一頁，2022年，8月28日

從電話通信發(fā)明到上世紀60年代，電信傳輸均是采用模擬話音傳輸技術，起初是采用一對線路傳輸一路模擬話音信號；隨后為提高傳輸效率，開始采用頻分復用（FDM）技術進行多路載波傳輸，傳輸介質也從雙絞線向同軸電纜過渡。

上世紀60年代末到80年代后期，隨著話音信號的脈沖編碼調制（PCM）技術的發(fā)展，數(shù)字調制技術也迅速取代了模擬調制技術在頻帶信號傳輸中的位置。

近年來，光傳輸技術得到了迅速發(fā)展，光纖通信技術以其帶寬充足、不受電磁干擾、原材料豐富等優(yōu)點獲得了廣泛應用，在骨干傳輸網(wǎng)、城域傳輸網(wǎng)中已占據(jù)了主導地位。第十四頁，共八十一頁，2022年，8月28日3.1.2

調制技術的概念

由消息變換過來的原始信號具有頻率較低的頻譜分量，這種信號大多不適宜直接傳輸。必須先經過在發(fā)送端調制才便于在信道中傳輸，而在接收端進行相應的解調操作。所謂調制，就是按原始信號的變化規(guī)律去改變載波信號的某些參數(shù)的過程。調制過程的目的是把輸入信號變換為適合于通過信道傳輸?shù)牟ㄐ?。第十五頁，共八十一頁?022年，8月28日

從功能上看，調制技術主要實現(xiàn)了以下三個功能。

（1）頻率變換：例如為了利用無線傳輸方式，將（0.3~3.4KHz）有效帶寬內的語音信號調制到高頻段上去；

（2）實現(xiàn)信道復用：通過調制可以將多路信號互不干擾的安排在同一物理信道中傳輸；

（3）提高抗干擾性：利用信號帶寬和信噪比的互換性，提高通信系統(tǒng)的抗干擾性。第十六頁，共八十一頁，2022年，8月28日

3.2模擬信號的調制傳輸

當源信號是模擬信號且被改變的載波信號的參數(shù)也是連續(xù)變量時，即稱為模擬調制。常見的模擬調制技術包括幅度調制、頻率調制、相位調制，以及將以上調制方法結合的復合調制技術和多級調制技術。第十七頁，共八十一頁，2022年，8月28日

3.3

數(shù)字信號的基帶傳輸3.3.1

數(shù)字基帶傳輸概述

1.數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

數(shù)字信號傳輸方式有基帶傳輸和頻帶傳輸。來自數(shù)據(jù)終端的原始數(shù)據(jù)信號，如計算機輸出的二進制序列，電傳機輸出的代碼，或者是來自模擬信號經數(shù)字化處理后的PCM碼組，

這些信號往往包含豐富的低頻分量，甚至直流分量，因而稱之為數(shù)字基帶信號。在某些具有低通特性的有線信道中，特別是傳輸距離不太遠的情況下，數(shù)字基帶信號可以直接傳輸，其傳輸?shù)男诺朗请娎|。我們稱之為數(shù)字基帶傳輸。第十八頁，共八十一頁，2022年，8月28日

數(shù)字信號傳輸?shù)幕緶蕜t是無碼間干擾,理想的基帶傳輸系統(tǒng)其輸出響應波形在抽樣點應滿足無碼間干擾的條件。目前，數(shù)字基帶傳輸不如頻帶傳輸?shù)膽媚菢訌V泛，但對于基帶傳輸系統(tǒng)的研究仍是十分有意義的。一是因為在利用對稱電纜構成的近距離數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)廣泛采用了這種傳輸方式，例如以太網(wǎng)；二是因為數(shù)字基帶傳輸中包含頻帶傳輸?shù)脑S多基本問題，也就是說，基帶傳輸系統(tǒng)的許多問題也是頻帶傳輸系統(tǒng)必須考慮的問題，例如傳輸過程中的碼型設計與波形設計；三是因為任何一個采用線性調制的頻帶傳輸系統(tǒng)均可以等效為基帶傳輸系統(tǒng)來研究。第十九頁，共八十一頁，2022年，8月28日

2．數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的基本組成

數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的基本結構如圖3-1所示。它主要由編碼器、信道發(fā)送濾波器、信道、接收濾波器、抽樣判決器和解碼器組成。此外為了保證系統(tǒng)可靠有序地工作，還應有同步系統(tǒng)。

圖3-1數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)第二十頁，共八十一頁，2022年，8月28日

其中，各部分的功能為：

（1）編碼器：將信源或信源編碼輸出的碼型（通常為單極性不歸零碼NRZ）變?yōu)檫m合于信道傳輸?shù)拇a型；

（2）信道發(fā)送濾波器：將編碼之后的基帶信號變換成適合于信道傳輸?shù)幕鶐盘?，這種變換主要是通過波形變換來實現(xiàn)的，其目的是使信號波形與信道匹配，便于傳輸，減小碼間串擾，利于同步提取和抽樣判決；

（3）信道：它是允許基帶信號通過的媒質，通常為有線信道，如市話電纜、架空明線等。信道的傳輸特性通常不滿足無失真?zhèn)鬏敆l件，甚至是隨機變化的；第二十一頁，共八十一頁，2022年，8月28日

（4）接收濾波器：它的主要作用是濾除帶外噪聲，對信道特性均衡，使輸出的基帶波形無碼間串擾，有利于抽樣判決；

（5）抽樣判決器：它是在傳輸特性不理想及噪聲背景下，在規(guī)定的時刻（由位定時脈沖控制）對接收濾波器的輸出波形進行抽樣判決，以恢復或再生基帶信號；

（6）解碼器：對抽樣判決器輸出的信號進行譯碼，使輸出碼型符合收終端的要求；

（7）同步器：提取位同步信號，一般要求同步脈沖的頻率等于碼速率。第二十二頁，共八十一頁，2022年，8月28日

3.3.2

數(shù)字基帶傳輸?shù)拇a型設計

誤碼的原因：

一、是信道加性噪聲

二、是傳輸總特性（包括收、發(fā)濾波器和信道的特性）不理想引起的波形延遲、展寬、拖尾等畸變，使碼元之間相互串擾。

實際抽樣判決值不僅有本碼元的值，還有其他碼元在該碼元抽樣時刻的串擾值及噪聲。第二十三頁，共八十一頁，2022年，8月28日

1．碼型設計的要求

在實際的基帶傳輸系統(tǒng)中，并不是所有信息碼的電信號波形都能在信道中傳輸。例如，當消息代碼中包含長串的連續(xù)“1”或“0”符號時，非歸零波形呈現(xiàn)出連續(xù)的固定電平，因而無法獲取定時信息。單極性歸零碼在傳送連“0”時，存在同樣的問題。因此，信息碼在進行傳輸之前，必須經過碼型變換，變換為適用于信道傳輸?shù)拇a型。傳輸碼型（或稱線路碼）的結構將取決于實際信道特性和系統(tǒng)工作的條件。第二十四頁，共八十一頁，2022年，8月28日

通常，傳輸碼型的設計應具有下列主要特性：

（1）相應的基帶信號無直流分量，且低頻分量少(因為，在信道中直流和豐富低頻成分的基帶信號衰減的比較厲害，特別是直流不是被電容隔離就是被電感旁路)；

（2）便于從信號中提取定時時鐘信息。為此，要求傳輸碼型應含有（或者經變換后含有）時鐘頻率分量，且不能出現(xiàn)過多的連“0”碼，否則提取的時鐘信號就會很不穩(wěn)定，引起同步偏移；

（3）對適合于基帶傳輸?shù)膫鬏敶a型的功率譜中的高頻分量盡量少，以節(jié)省傳輸頻帶并減少碼間串擾；

第二十五頁，共八十一頁，2022年，8月28日

（4）不受信息源統(tǒng)計特性的影響，即能適應于信息源的變化；

（5）有內在的檢錯能力，傳輸碼型應具有一定規(guī)律性，對適合于基帶傳輸?shù)膫鬏敶a型應具有一定的監(jiān)測誤碼的能力；

（6）編譯碼設備要盡可能的簡單。

第二十六頁，共八十一頁，2022年，8月28日

2．常見的傳輸碼型

（1）單極性非歸零碼（NRZ碼）：數(shù)字信號的二進制碼元1和0分別用高電平和低電平(常為零電平)兩種取值來表示,在整個碼元期間電平保持不變。這是一種最簡單最常用的碼型,很多終端設備輸出的都是這種碼。第二十七頁，共八十一頁，2022年，8月28日

（2）雙極性非歸零碼：數(shù)字信號的二進制碼元1和0分別用正電平和負電平表示,在整個碼元期間電平保持不變。雙極性碼元無直流成分,適合在無接地的傳輸線路上使用。

（3）單極性歸零碼（RZ碼）：與單極性非歸零碼不同,RZ碼發(fā)送時,高電平在整個碼元期間T內只持續(xù)一段時間,在其余時間則返回零電平,發(fā)送零時用零電平。由于碼間干擾小,因此設備內部傳輸常采用單極性歸零碼。第二十八頁，共八十一頁，2022年，8月28日

（4）傳號反轉交替碼（AMI碼）：AMI碼的編碼規(guī)則是將二進制消息代碼“1”交替地變換為傳輸碼的“+1”和“-1”，而“0”保持不變。AMI碼的優(yōu)點是：由于+1與-1交替，AMI碼的功率譜中不含直流成分，高、低頻分量少。AMI碼的編譯碼電路簡單，便于利用傳號極性交替規(guī)律觀察誤碼情況。鑒于這些優(yōu)點，AMI碼是CCITT建議PCM采用的傳輸碼性之一。AMI碼的不足是，當原信碼出現(xiàn)連“0”串時，信號的電平長時間不跳變，造成提取定時信號的困難，解決連“0”碼問題的有效方法之一是采用HDB3碼。AMI碼的碼型如圖3-2中的（b）所示；第二十九頁，共八十一頁，2022年，8月28日

（5）三階高密度雙極性碼（HDB3碼）：HDB3碼是AMI碼的一種改進碼型，其目的是為了保持AMI碼的優(yōu)點而克服其缺點，使連“0”個數(shù)不超過3個。其編碼規(guī)則如下：

①當信碼的連“0”個數(shù)不超過3個時，仍按AMI碼的規(guī)則，即傳號極性交替；

②當連“0”個數(shù)超過3個時，則將第4個“0”改為非“0”脈沖，記為+V或-V，稱之為破壞脈沖。相鄰V碼的極性必須交替出現(xiàn)，以確保編好的碼中無直流分量；

③為了便于識別，V碼的極性應與其前一個非“0”脈沖的極性相同，否則，將四連“0”的第一個“0”更改為與該破壞脈沖相同極性的脈沖，并記為+B或-B；第三十頁，共八十一頁，2022年，8月28日

④破壞脈沖之后的傳號碼極性也要交替。

雖然HDB3碼的編碼規(guī)則比較復雜，但譯碼卻比較簡單。從上述原理看出，每一個破壞符號V總是與前一非0符號同極性（包括B在內）。這就是說，從收到的符號序列中可以容易地找到破壞點V，于是也斷定V符號及其前面的3個符號必是連0符號，從而恢復4個連0碼，再將所有-1變成+1后便得到原消息代碼。當接收端收到HDB3碼后對其解碼還原成二進碼。

HDB3碼保持了AMI碼的優(yōu)點外，同時還將連“0”碼限制在3個以內，故有利于位定時信號的提取。HDB3碼是應用最為廣泛的碼型，A律PCM四次群以下的接口碼型均為HDB3碼。HDB3碼的碼型如圖3-2中的（c）所示；第三十一頁，共八十一頁，2022年，8月28日

（6）傳號反轉碼（CMI碼）：它是一種二電平不歸結零碼,屬于1B2B碼。CMI碼的編碼規(guī)則是：“1”碼交替用“11”和“00”兩位碼表示；“0”碼固定地用“01”表示。CMI碼有較多的電平躍變，因此含有豐富的定時信息。此外，由于10為禁用碼組，不會出現(xiàn)3個以上的連碼，這個規(guī)律可用來進行檢錯。由于CMI碼易于實現(xiàn)，且具有上述特點，因此ITU-T已建議將CMI碼作為同步數(shù)字系列(SDH)的STM-1的接口碼型，在速率低于8.448Mb/s的光纖傳輸系統(tǒng)中有時也用作線路傳輸碼型。CMI碼的碼型如圖3-2中的（d）所示；第三十二頁，共八十一頁，2022年，8月28日

圖3-2常見的基帶傳輸碼型第三十三頁，共八十一頁，2022年，8月28日

3.4

數(shù)字信號的調制傳輸

通信的最終目的是遠距離傳遞信息。雖然基帶數(shù)字信號可以在傳輸距離不遠的情況下直接傳送，但如果要進行遠距離傳輸時，特別是在無線信道上傳輸時，則必須經過調制將信號頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸。為了使數(shù)字信號在有限帶寬的高頻信道中傳輸，必須對數(shù)字信號進行載波調制。如同模擬信號的頻帶傳輸時一樣，傳輸數(shù)字信號時也有三種基本的調制方式：振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）。

第三十四頁，共八十一頁，2022年，8月28日

理論上數(shù)字調制與模擬調制在本質上沒有什么不同，它們都屬于正弦波調制。但是，數(shù)字調制是源信號為離散型的正弦波調制，而模擬調制則是源信號為連續(xù)型的正弦波調制，因而，數(shù)字調制具有由數(shù)字信號帶來的一些特點。這些特點主要包括兩個方面：第一，數(shù)字調制信號的產生，除把數(shù)字的調制信號當作模擬信號的特例而直接采用模擬調制方式產生數(shù)字調制信號外，還可以采用鍵控載波的方法。第二，對于數(shù)字調制信號的解調，為提高系統(tǒng)的抗噪聲性能，通常采用與模擬調制系統(tǒng)中不同的解調方式。第三十五頁，共八十一頁，2022年，8月28日4

光信號的傳輸4.1

光信號傳輸?shù)幕驹?/p>

4.1.1光信號的發(fā)送——強度調制

光纖通信中采用強度調制的方式控制信號的產生。強度即指光強，是指單位面積上的光功率。其原理是以電信號來控制發(fā)光器的工作電流，從而控制發(fā)光器的輸出功率，使之隨信號電流成線性變化，在線路上通過光信號的有無來表示數(shù)字信號的1、0。

第三十六頁，共八十一頁，2022年，8月28日

4.1.2光信號的接收——直接檢波

直接檢波完成與強度調制相反的動作，即利用光電檢測器直接對已調光信號在光頻上進行檢測，根據(jù)光功率的強弱來判斷光信號的有無，進而轉化為數(shù)字信號。第三十七頁，共八十一頁，2022年，8月28日4.1.3光纖通信中的線路編碼

一般數(shù)字系統(tǒng)的傳輸碼型如HDB3、CMI碼均不完全適合在光纖信道上傳輸，因此必需進行重新編碼，以滿足光纖信道的要求。

（1）對光纖通信中線路碼型的要求

①雙極性碼變?yōu)閱螛O性碼，發(fā)光器只能識別電流的有無，不能產生負脈沖；

②可以從接收碼元序列中提取時鐘；

③加擾，有規(guī)律的破壞信息碼流中的連“0”或連“1”，以便于提取時鐘信號；第三十八頁，共八十一頁，2022年，8月28日

④可進行不中斷業(yè)務傳輸?shù)恼`碼監(jiān)測,例如:CMI碼出現(xiàn)“10”即是誤碼，要求光纖信道編碼具有類似功能；

⑤減少信號中直流電平的起伏：在接收側，直流電平即是進行接收判決的門限電平，如果直流電平變化較大，即會出現(xiàn)誤判，從而產生誤碼。

⑥能提供一定數(shù)量的輔助信號和區(qū)間通信信道：輔助信號主要是用于維護功能中的監(jiān)控和倒換等信號；區(qū)間信道則是用于中繼站間或中繼站與終端站之間、附加于系統(tǒng)主信道之上的通信信道。第三十九頁，共八十一頁，2022年，8月28日

（2）常用的信道編碼：

①擾碼：擾碼是將原有的二進制序列以一定規(guī)律重新排列，從而改善碼流的一些特性。如改變原有的“0”、“1”分布等。擾碼的優(yōu)點是不增加線路速率、適于高速系統(tǒng)，缺點是可減少但不能完全抑制較長的連“0”或“1”序列，可能會丟失定時信息。一般擾碼與其它編碼方式結合使用；

②mBnB碼：是分組碼的一種，常用碼型有1B2B、2B3B和5B6B等,它將原始碼流以m個比特為一組,根據(jù)一定規(guī)則變?yōu)閚個比特一組的碼組輸出,n>m。優(yōu)點是加入冗余信息,可用于誤碼監(jiān)測,定時信息豐富,而且頻率特性好。缺點是不利用插入輔助通信信息,傳輸輔助信號比較困難;第四十頁，共八十一頁，2022年，8月28日

③插入比特碼；插入比特碼是將原碼流的m比特為一組，在其后插入1個比特，構成新的碼流。優(yōu)點是插入的比特可以用作誤碼檢測，輔助信道，改善“0”、“1”分布等多種用途。根據(jù)插入碼的功能不同，常用的有mB1P、mB1C、mB1H等幾種。

實際的光纖設備中，常把擾碼與mBnB碼或插入比特碼結合使用，組成線路編碼。擾碼+5B6B、擾碼+4B1H，即是兩種常用的線路碼型。第四十一頁，共八十一頁，2022年，8月28日

4.2

光纖通信系統(tǒng)的基本組成

一個最簡單的光纖通信系統(tǒng)由光發(fā)射機、光接收機、光中繼器、光纜等組成，如圖4-1所示。

圖4-1光纖通信系統(tǒng)組成第四十二頁，共八十一頁，2022年，8月28日

4.2.1光發(fā)射機

（1）光發(fā)射機的組成：如圖4-2所示，光發(fā)射機是由均衡放大器、碼型變換、復用、擾碼、時鐘提取、光源、光源的調制電路、光源的控制電路及光源的監(jiān)視和保護電路組成。光發(fā)射機首先要對由電端機送的電信號進行均衡放大,需要特別說明的是，光發(fā)射機的對外接口是由國際標準定義的，邏輯信號與物理電路的結構均需要遵循這些規(guī)范。第四十三頁，共八十一頁，2022年，8月28日

圖4-2光發(fā)射機的組成第四十四頁，共八十一頁，2022年，8月28日

①光源：是光發(fā)射機的關鍵部件，產生光波,光源器件是光纖通信設備的核心；

②均衡放大器：由于在實際的系統(tǒng)中總是存在不同程度的碼間干擾，往往在系統(tǒng)中加入均衡器，用以校正這些失真。本系統(tǒng)中由PCM端機送來的HDB3（三階高密度雙極性碼）或CMI（傳號反轉碼）碼流，首先需要經過均衡放大，用于補償由電纜傳輸產生的衰減和畸變，以便正確譯碼；

③線路編碼：包括碼形變換和編碼。碼形變換是由于光源不能產生負脈沖，將雙極性碼變?yōu)閱螛O性碼。編碼是為滿足光纖傳輸?shù)募訑_、時鐘提取等要求；第四十五頁，共八十一頁，2022年，8月28日

④調制電路：將電壓信號轉換為電流調制信號，以驅動電源；⑤碼型變換：由均衡器輸出的是HDB3或CMI碼，HDB3碼是三值雙極性碼（即+1、0、-1），CMI碼是歸零碼。由于光源不能發(fā)射負脈沖，因此要通過碼型變換電路，將其變換成適合于光纖傳輸?shù)膯螛O性的非歸零的0、1碼（即NRZ碼）。

⑥時鐘提?。河捎诖a型變換、擾碼和編碼的過程都需要以時鐘信號為依據(jù)，因此，在均衡電路之后，由時鐘提取電路提取時鐘信號，供碼型變換、擾碼和解碼電路使用。第四十六頁，共八十一頁，2022年，8月28日⑦擾碼：若信息碼流中出現(xiàn)長連0和長連1的情況，將會給時鐘信號的提取帶來困難。為了避免出現(xiàn)這種情況，需要附加一個擾碼器，將原始的二進制碼序列加以變換，使之達到0、1等概率出現(xiàn)。相應地，在光接收機的判決器后加一個解擾器，以恢復原始序列。⑧其它輔助電路：包括溫度控制（補償）電路，功率控制電路，告警指示電路，保護電路等。

（2）光發(fā)送機的作用：把電信號轉換成光信號，并送入光纖線路進行傳輸。光發(fā)送機合適的輸出光功率為0.01mw-5mw。第四十七頁，共八十一頁，2022年，8月28日

（3）光源：光源是光發(fā)射機的核心部件,當前光纖通信中常用的光源主要有半導體發(fā)光二極管（LED）和半導體激光二極管（LD）兩種。

①光源的作用：是將傳輸?shù)碾娦盘栟D換為光信號進入光纖；

②光纖通信系統(tǒng)對光源的要求：

a．合適的發(fā)光波長:應處于光纖的工作窗口內；

b．足夠的輸出功率:輸出功率直接影響著光纖通信的中繼距離，一般輸出功率均應在1mw以上；

c．可靠性高:要求平均工作壽命在106小時以上；

d．輸出效率高:主要為了支持無人中繼站的供電；

e．光譜寬度窄:窄譜線的激光器可以有效地降低色散效應的影響。

第四十八頁，共八十一頁，2022年，8月28日

③LED：發(fā)光二極管主要依靠半導體自身的輻射發(fā)光。其特點是譜線較寬、響應速度慢、溫度特性好、且控制電路簡單。LED適用于模擬光纖通信系統(tǒng),LED通常和多模光纖耦合,主要用于34Mbit/s以下的短距離小容量的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)；

④LD：半導體激光器是依靠半導體中的光學譜振腔受激輻射產生光振蕩從而發(fā)光，其閥值電流越小越好,一般來說，閾值電流越小，使用壽命越長；閾值電流越大，使用壽命越短。LD適用于長距離大容量的光纖通信系統(tǒng)。

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4.2.2光接收機

（1）光接收機的組成：如圖4-3所示，直接檢波式光接收機一般由光電檢測器、放大電路、均衡器、判決器、增益控制電路、時鐘恢復電路等組成。

圖4-3光接收機的組成第五十頁，共八十一頁，2022年，8月28日

①光電檢測器：是光纖通信系統(tǒng)中接收端機中的第一個部件；

②放大電路：將電信號放大至一定幅度，一般是級聯(lián)形式的放大電路；

③均衡器：將信號波形進行調整，使之適于進入判決電路；校正由于信道特性（包括接收濾波器在內）不理想而產生的波形失真或碼間串擾。

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④判決器：對點信號進行判決，獲得“0”、“1”碼流。它是在傳輸特性不理想及噪聲背景下，在規(guī)定時刻（由位定時脈沖控制）對接收濾波器的輸出波形進行抽樣判決，以恢復或再生基帶信號。用來抽樣的位定時脈沖則依靠同步提取電路從接收信號中提取，位定時的準確與否將直接影響判決效果；

⑤譯碼器：對線路編碼進行譯碼；

⑥輸出接口：生成與輸出線路匹配的電信號；

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⑦增益控制電路：利用自動增益控制電路（AGC）進行控制，使光接收機的輸出保持穩(wěn)定,其原理就是利用反饋環(huán)路來控制主放大器的增益；

采用PIN光電檢測器的數(shù)字光接收機,其自動增益控制只對主放大器起作用;

⑧時鐘恢復電路：提取時鐘以獲得判決時刻。

光接收機的主要作用是將接收到的光信號變化為電信號,并對電信號進行放大、整形,再生后,生成與發(fā)送端相同的電信號。第五十三頁，共八十一頁，2022年，8月28日

（2）光電檢測器：光電檢測器是光接收機的核心部件，常見的光電檢測器有PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管兩種。

①光電檢測器的作用：光電檢測器的作用是將微弱的光信號轉換為電信號；

②

光電檢測器的噪聲:包括量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲和雪崩光電二極管的倍增噪聲;第五十四頁，共八十一頁，2022年，8月28日

③對光電檢測器的要求：

a．靈敏度高：光纖上的線路信號有可能弱達1nw，因此靈敏度要盡可能的高；同時，光電檢測器的峰值響應波長要盡可能接近系統(tǒng)的工作波長；

b．響應速度快：即隨入射光信號產生電流信號的速度要快于系統(tǒng)的工作碼率；

c．暗電流?。喊惦娏魇侵笩o光照射時，光電檢測器的輸出電流。暗電流給光接收機引入了噪聲，因此越小越好；

d．受環(huán)境變化、溫度變化的影響盡可能小。第五十五頁，共八十一頁，2022年，8月28日

④半導體的光電效應:當光照射到半導體的PN結上,若光子能量足夠大,便發(fā)生受激吸收,即價帶的電子吸收光子的能量躍遷到導帶,形成電子-空穴對(光生載流子),這種現(xiàn)象稱為半導體的光電效應。

⑤PIN光電二極管：利用光電效應可以制造出簡單的PN結光電二極管,在P型材料和N型材料之間加入一層輕摻雜的N型材料,經擴散后形成很寬的耗盡層,這種結構的光電二極管稱為PIN光電二極管。主要原理是利用二極管內耗盡層所形成的漂移電流來完成光電轉換。其特點是光電轉換效率高、響應速度快，其響應度隨入射光波長的增大而增大。

第五十六頁，共八十一頁，2022年，8月28日⑥APD雪崩光電二極管：原理與PIN類似，區(qū)別是由于雪崩現(xiàn)象，會在強光照射下光電流產生倍增效應，其不但具有光電轉換作用,還具有內部放大作用。其優(yōu)點是可以為光接收提高一定的動態(tài)范圍，缺點是受濕度影響極嚴重、為保持穩(wěn)定的增益,雪崩光電二極管需要在溫度變化的情況下進行額外的自動溫度補償。另外,隨著溫度升高,雪崩光電二極管倍增增益將下降。第五十七頁，共八十一頁，2022年，8月28日

（3）光接收機的評價指標

①靈敏度：靈敏度是光接收機的重要性能指標，是指光接收機在最佳工作狀態(tài)下，接收微弱光信號的能力。在一定的誤碼率水平下，靈敏度越高越好,光接收機在滿足給定的誤碼率指標下,所需的平均光功率越高,則它的靈敏度越低。影響光接收機靈敏度的主要因素是雪崩光電二極管倍增的噪聲和放大器的噪聲等；第五十八頁，共八十一頁，2022年，8月28日

②動態(tài)范圍：是在一定的誤碼率水平下，光接收機所能接收的最大最小的功率之差(即動態(tài)范圍)，動態(tài)范圍越大越好。實際設備中一般為16-20dB；

③噪聲:數(shù)字光接收機的內部噪聲包括光電檢測器的噪聲和光接收機的電路噪聲；

④眼圖：眼圖是直觀表征接收信號質量的重要手段。眼圖是將連續(xù)的輸出信號在時域上重疊之后、觀測到的形狀，其圖案類似于眼睛。評價的標準是眼睛張得越開、眼皮越薄越好，即“0”“1”的間隔大、信號幅度抖動小。第五十九頁，共八十一頁，2022年，8月28日

4.2.3光纖通信系統(tǒng)中的其它設備

（1）光中繼器：光中繼器用于長距傳輸中對衰減和變形了的光信號進行放大和再生。一般可分為光/光(全光)中繼器和光/電中繼器兩種。光/光中繼器結構簡單，但由于目前技術所限，無法用于高速系統(tǒng)。光/電中繼器可用于插入監(jiān)控信號，但結構復雜，常用的是光/電中繼器。光中繼器也可以分為有人中繼器和無人中繼器，在海底、野外等惡劣環(huán)境下，一般采用無人中繼，為了增加光纖的通信距離和通信容量,就必須在傳輸線路中每隔一定距離50-70KM設置一個光中繼器,光電中繼器采用光-電-光轉換模式,全光中繼器沒有光-電-光的轉換過程,就是光放大器；第六十頁，共八十一頁，2022年，8月28日

（2）光開關：光開關是用于傳輸線路轉換的器件，利用光開關可以直接進行光路交換。常見的有機械式和電子式開關。

（3）光放大器：光放大器主要應用于光中繼器中光信號的放大、光發(fā)射機中放大進入光線路的信號，以及接收機中對微弱光信號的再生。

（4）保護倒換系統(tǒng)：由于骨干網(wǎng)傳輸對可靠性的要求非常高，因此光纖通信一般采用主備倒換方式。常見的有一主一備倒換和多主一備倒換。當前多主一備方式的應用更為廣泛。第六十一頁，共八十一頁，2022年，8月28日5數(shù)字信號復接

5.1模擬信號的數(shù)字化

通常所說的模擬信號數(shù)字化是指將模擬的話音信號數(shù)字化、將數(shù)字化的話音信號進行傳輸和交換的技術。這一過程涉及數(shù)字通信系統(tǒng)中的兩個基本組成部分：一個是發(fā)送端的信源編碼器，它將信源的模擬信號變換為數(shù)字信號，即完成模擬/數(shù)字（A/D）變換；另一個是接收端的譯碼器，它將數(shù)字信號恢復成模擬信號，即完成數(shù)字/模擬（D/A）變換，將模擬信號發(fā)送給信宿。第六十二頁，共八十一頁，2022年，8月28日

(1)

A/D變換

模擬信號的數(shù)字化過程主要包括三個步驟：抽樣、量化和編碼。抽樣是指用每隔一定時間的信號樣值序列來代替原來在時間上連續(xù)的信號，也就是在時間上將模擬信號離散化。量化是用有限個幅度值近似原來連續(xù)變化的幅度值，把模擬信號的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量的有一定間隔的離散值。編碼則是按照一定的規(guī)律，把量化后的值用二進制數(shù)字表示，然后轉換成二進制或多進制的數(shù)字信號流。

(2)D/A變換在接收端則與上述模擬信號數(shù)字化過程相反。首先經過解碼過程，再經過低通濾波器恢復成原來的模擬信號。

第六十三頁，共八十一頁，2022年，8月28日

5.2多路復用技術

在數(shù)字通信中，復用技術的使用極大地提高了信道的傳輸效率，取得了廣泛地應用。多路復用技術就是在發(fā)送端將多路信號進行組合，然后在一條專用的物理信道上實現(xiàn)傳輸，接收端再將復合信號分離出來。多路復用技術主要分為兩大類：頻分多路復用（簡稱頻分復用）和時分多路復用（簡稱時分復用），波分復用和統(tǒng)計復用本質上也屬于這兩種復用技術。另外還有一些其他的復用技術，如碼分復用、極化波復用和空分復用等。第六十四頁，共八十一頁，2022年，8月28日

5.2.1

頻分復用（FrequencydivisionMultiplexing）

1)頻分復用原理

所謂頻分復用（FDM）技術，是指按照頻率的不同來復用多路信號的方法。在頻分復用中，信道的帶寬被分成若干個相互不重疊的頻段，每路信號占用其中一個頻段，因而在接收端可以采用適當?shù)膸V波器將多路信號分開，從而恢復出所需要的信號。在FDM系統(tǒng)中，各信號在頻域上是分開的而在時域上是混疊在一起的，一個簡單的頻分復用系統(tǒng)如圖5-1所示。第六十五頁，共八十一頁，2022年，8月28日

圖5-1頻分復用系統(tǒng)組成第六十六頁，共八十一頁，2022年，8月28日

2)

時分復用（TimedivisionMultiplexing）

時分復用（TDM）技術是利用各信號的抽樣值在時間上的不相互重疊來達到在同一信道中傳輸多路信號的一種方法，各信號在時域上是分開的，而在頻域上是混疊在一起的。時分復用方式將提供給整個信道傳輸信息的時間劃分成若干時間片（簡稱時隙），并將這些時隙分配給每一個信號源使用，每一路信號在自己的時隙內獨占信道進行數(shù)據(jù)傳輸。時分復用技術的特點是時隙事先規(guī)劃分配好且固定不變。其優(yōu)點是時隙分配固定，便于調節(jié)控制，適于數(shù)字信息的傳輸；缺點是當某信號源沒有數(shù)據(jù)傳輸時，它所對應的信道會出現(xiàn)空閑，而其他繁忙的信道無法占用這個空閑的信道。第六十七頁，共八十一頁，2022年，8月28日PCM30/32系統(tǒng)幀結構第六十八頁，共八十一頁，2022年，8月28日

與FDM方式相比，TDM方式主要有以下兩個突出優(yōu)點：

(1)多路信號的復接和分路都是采用數(shù)字處理方式實現(xiàn)的，通用性和一致性好，比FDM的模擬濾波器分路簡單、可靠；

(2)信道的非線性會在FDM系統(tǒng)中產生交調失真和高次諧波，引起信號間串擾，因此，要求信道的線性特性要好。而TDM系統(tǒng)對信道的非線性失真要求可以降低。3)

碼分復用（CDM）

碼分復用系統(tǒng)為每路信號分配了各自特定的地址碼，利用同一信道來傳輸信息。碼分復用系統(tǒng)的地址碼相互之間具有準正交性，以區(qū)別各路信號。碼分復用的信號在頻率、時間和空間上都可能重疊。也就是說，每路信號有自己的地址碼，這個地址碼用于區(qū)別每路信號，地址碼彼此之間是互相獨立的，也就是互相不影響的.

第六十九頁，共八十一頁，2022年，8月28日

5.3

數(shù)字復接技術

5.3.1

數(shù)字復接的基本概念

在頻分復用的載波系統(tǒng)中，高次群系統(tǒng)是由若干個低次群信號通過頻譜搬移并疊加而成。例如，60路載波是由5個12路載波經過頻譜搬移疊加而成。

在時分制數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了擴大傳輸容量和提高傳輸效率，常常需要將若干個低速數(shù)字信號合并成一個高速數(shù)字信號流，以便在高速寬帶信道中傳輸。數(shù)字復接技術就是解決PCM、SDH等系統(tǒng)中的傳輸信號由低次群到高次群的合成的技術。

第七十頁，共八十一頁，2022年，8月28日

擴大數(shù)字通信容量有兩種方法。一種方法是采用PCM30/32系統(tǒng)（又稱基群或一次群）復用的方法。例如需要傳送120路電話時，可將120路話音信號分別用8kHz抽樣頻率抽樣，然后對每個抽樣值編8位碼。另一種方法是將幾個（例如4個）經PCM復用后的數(shù)字信號（例如4個PCM30/32系統(tǒng)）再進行時分復用，形成容納更多路信號的數(shù)字通信系統(tǒng)。顯然，經過數(shù)字復用后的信號的碼速率提高了，但是對每一個基群的編碼速度沒有提高，實現(xiàn)起來容易。目前廣泛采用這種方法提高通信容量。由于數(shù)字復用是采用數(shù)字復接的方法來實現(xiàn)的，因此也稱為數(shù)字復接技術。第七十一頁，共八十一頁，2022年，8月28日

5.3.2

數(shù)字復接系統(tǒng)的組成

數(shù)字復接系統(tǒng)由數(shù)字復接器和數(shù)字分接器組成，如圖5-2所示。數(shù)字復接器是把兩