現(xiàn)代通信系統(tǒng)新技術(shù) (第三版) 課件 第6章 光通信

第6章

光通信6.1波分復(fù)用(WDM)技術(shù)6.2相干光通信技術(shù)6.3光孤子通信6.4無線光(FSO)通信6.5全光通信系統(tǒng)6.6紫外光通信技術(shù)小結(jié)

6.1波分復(fù)用(WDM)技術(shù)

6.1.1WDM的基本原理光通信網(wǎng)絡(luò)也成為現(xiàn)代通信網(wǎng)的基礎(chǔ)平臺。波分復(fù)用技術(shù)在光纖通信出現(xiàn)伊始就出現(xiàn)了，20世紀80年代雙波長WDM(1310/1550nm)系統(tǒng)就在美國AT&T網(wǎng)中開始使用了，其傳輸速率為2?×?1.7Gb/s。

但是直到20世紀90年代中期，WDM系統(tǒng)的發(fā)展速度并不快，主要原因有兩個：①TDM(時分復(fù)用)技術(shù)的發(fā)展，且155～622Mb/s～2.5Gb/sTDM技術(shù)相對簡單。據(jù)統(tǒng)計，在2.5Gb/s系統(tǒng)以下(含2.5Gb/s系統(tǒng))，系統(tǒng)每升級一次，每比特傳輸成本就會下降30%左右。所以，在過去的系統(tǒng)升級中，人們首先想到并采用的是TDM技術(shù)。②

波分復(fù)用器件還沒有完全成熟，波分復(fù)用器/解復(fù)用器和光放大器在20世紀90年代初才開始商用。

WDM技術(shù)發(fā)展迅速的主要原因在于：

①

光電器件的迅速發(fā)展，特別是EDFA的成熟和商用，使得在光放大器(1530～1565nm)區(qū)域采用WDM技術(shù)成為可能；

②

由于利用TDM方式已日益接近硅和鎵砷技術(shù)的極限，因此TDM已沒有太多的潛力可挖，并且傳輸設(shè)備的價格也很高；

③

已敷設(shè)的G.652光纖1550?nm窗口的高色散限制了TDM系統(tǒng)的傳輸，光纖色度色散和極化模色散的影響日益加重。

從光纖通信發(fā)展的幾個階段來看，所應(yīng)用的技術(shù)都與光纖密切相關(guān)。20世紀80年代初期的多模光纖通信所應(yīng)用的是多模光纖的850nm窗口；80年代末90年代初的PDH系統(tǒng)所應(yīng)用的是單模光纖1310nm窗口；1993年出現(xiàn)的SDH系統(tǒng)開始轉(zhuǎn)向1550nm窗口；WDM是在光纖上實行的頻分復(fù)用技術(shù)，更是與光纖有著不可分割的聯(lián)系。目前的WDM系統(tǒng)是在1550nm窗口實施的多波長復(fù)用技術(shù)，因而在深入討論WDM技術(shù)以前，有必要討論一下光纖的特性，特別是光纖的帶寬和損耗。

1．光纖的基本特性

單模光纖由于具有內(nèi)部損耗低、帶寬大、易于升級擴容和成本低的優(yōu)點，因而得到了廣泛應(yīng)用。從20世紀80年代末起，我國在國家干線網(wǎng)上敷設(shè)的都是常規(guī)單模光纖。常規(guī)石英單模光纖同時具有1550?nm和1310?nm兩個窗口，最小衰減窗口位于1550?nm窗口。多數(shù)國際商用光纖在這兩個窗口的典型數(shù)值為：1310?nm窗口的衰減為0.3～0.4?dB/km；1550nm窗口的衰減為0.19～0.25dB/km。光纖頻譜的損耗如圖6-1所示。圖6-1光纖頻譜的損耗

2．WDM的基本原理

在模擬載波通信系統(tǒng)中，為了充分利用電纜的帶寬資源，提高系統(tǒng)的傳輸容量，通常使用頻分復(fù)用的方法，即在同一根電纜中同時傳輸若干個信道的信號。由于接收端各載波頻率的不同，因此利用帶通濾波器就可濾出每一個信道的信號。

圖6-2給出了波分復(fù)用系統(tǒng)的原理圖。圖6-2波分復(fù)用系統(tǒng)原理圖

WDM本質(zhì)上是光域上的頻分復(fù)用(FDM)技術(shù)，每個波長通路通過頻域的分割來實現(xiàn)，每個波長通路占用一段光纖帶寬，如圖6-3所示。圖6-3WDM的頻譜分布

WDM技術(shù)與過去的同軸電纜FDM技術(shù)不同的是：

①

傳輸媒質(zhì)不同，WDM系統(tǒng)是光信號上的頻率分割，同軸電纜FDM系統(tǒng)是電信號上的頻率分割；

②

在每個通路上，同軸電纜FDM系統(tǒng)傳輸?shù)氖?kHz的模擬語音信號，而WDM系統(tǒng)目前每個波長通路上是數(shù)字信號SDH2.5Gb/s或更高速率的數(shù)字信號。

3．WDM的主要特點

WDM技術(shù)可以充分利用光纖的巨大帶寬資源來使一根光纖的傳輸容量比單波長傳輸容量增加幾倍至幾十倍。在大容量長途傳輸時，N個波長復(fù)用起來在單模光纖中傳輸可以節(jié)約大量的光纖。另外，對于早期安裝的芯數(shù)不多的電纜，利用波分復(fù)用之后，不必對原有系統(tǒng)做較大的改動即可方便地進行擴容。

6.1.2WDM通信系統(tǒng)

1．集成式系統(tǒng)和開放式系統(tǒng)

WDM系統(tǒng)可以分為集成式WDM系統(tǒng)和開放式WDM系統(tǒng)。

集成式系統(tǒng)中的SDH終端設(shè)備都具有滿足G.692的光接口：標(biāo)準的光波長、滿足長距離傳輸?shù)墓庠?又稱彩色接口)。這兩項指標(biāo)都是當(dāng)前SDH系統(tǒng)不要求的。集成式系統(tǒng)整個系統(tǒng)的構(gòu)造比較簡單，沒有多余設(shè)備。四路光信號集成式WDM系統(tǒng)如圖6-4所示。圖6-4集成式WDM系統(tǒng)

開放的WDM系統(tǒng)適用于多廠家環(huán)境，徹底實現(xiàn)了SDH與WDM的分開。四路光信號開放式WDM系統(tǒng)如圖6-5所示。圖6-5四路光信號開放式WDM系統(tǒng)

2．工作波長區(qū)的選擇

在1549～1560?nm波長區(qū)間，EDFA的增益相對平坦，其增益差在1.5dB以內(nèi)，而且增益較高，可充分利用EDFA的高增益區(qū)，如圖6-6所示。

在多級級聯(lián)的WDM系統(tǒng)中，容易實現(xiàn)各通路的增益均衡。另外，由于該區(qū)域位于長波長區(qū)一側(cè)，因此很容易在EDFA的另一側(cè)1530～1545nm波長區(qū)間內(nèi)開通另外16個波長，然后將其擴容為32通路的WDM系統(tǒng)。

16通路WDM系統(tǒng)的16個光通路的中心頻率應(yīng)滿足表6-1的要求；8通路WDM系統(tǒng)的8個光通路的中心波長則應(yīng)選擇表6-1中加?*?的波長。圖6-6WDM系統(tǒng)的頻譜分布

3．光接口分類

由于現(xiàn)在應(yīng)用的WDM系統(tǒng)都是用于干線長途傳輸?shù)?，因而我國只選用有線路光放大器的系統(tǒng)，而不考慮兩點之間無線路光放大器的WDM系統(tǒng)?，F(xiàn)階段只考慮8波長和16波長WDM系統(tǒng)的應(yīng)用。

對于長途W(wǎng)DM系統(tǒng)的應(yīng)用，規(guī)定了三種光接口，即8×22dB、3×?33dB和5×?30dB。其中，22dB、30dB和33dB是每一個區(qū)段(Span)允許的損耗，而前一個數(shù)字(8，3，5)則代表區(qū)段的數(shù)目。

圖6-7為8×22dB系統(tǒng)的示意圖。圖6-78?×?22dB系統(tǒng)示意圖

4．光接口參數(shù)

在進行WDM系統(tǒng)設(shè)計時，對系統(tǒng)光接口的參數(shù)要規(guī)范化、標(biāo)準化，特別是考慮到高功率條件下非線性效應(yīng)和光信噪比的要求，應(yīng)合理選擇入纖功率，并對開放系統(tǒng)和集成系統(tǒng)提出相應(yīng)要求。WDM系統(tǒng)接收端的光信噪比(OSNR)數(shù)值要求是，對于8×?22dB的系統(tǒng)，其光信噪比為22dB；對于5×30dB和3×33dB的系統(tǒng)，則要求光信噪比分別為21dB和20dB。系統(tǒng)的OSNR很大程度上取決于區(qū)段的損耗，區(qū)段的損耗越大，則最后系統(tǒng)的性能越差。

5．性能要求

目前，WDM系統(tǒng)還缺少一套衡量其傳輸質(zhì)量的標(biāo)準。雖然光信噪比可以用來衡量系統(tǒng)傳輸質(zhì)量，但還存在一定缺陷。當(dāng)光信噪比很高時(?>22dB)，系統(tǒng)的質(zhì)量還可以保證(一般BER?<?10

15)；但當(dāng)OSNR工作在臨界狀態(tài)，如15～17dB時，OSNR就很難定量地評估信號傳輸質(zhì)量了；再考慮到信號脈沖傳輸中出現(xiàn)的波形失真，有時OSNR較高時相應(yīng)的誤碼率也較差。

開放式WDM系統(tǒng)引入了波長變換器(OTU)，OTU應(yīng)具有和SDH再生中繼器一樣的抖動傳遞特性和輸入抖動容限。

DWDM只是WDM的一種形式，WDM更具有普遍性，DWDM缺乏明確和準確的定義，而且隨著技術(shù)的發(fā)展，原來所謂密集的波長間隔在技術(shù)實現(xiàn)上也越來越容易，已經(jīng)變得不那么“密集”了。一般情況下，如果不特指是1310nm/1550nm的雙波長WDM系統(tǒng)，人們談?wù)摰腤DM系統(tǒng)就是DWDM系統(tǒng)。

6.2相干光通信技術(shù)

6.2.1相干光通信的基本原理圖6-8給出了相干光通信系統(tǒng)的組成框圖。在相干光通信系統(tǒng)中，信號以適當(dāng)?shù)姆绞秸{(diào)制光載波。當(dāng)信號光傳輸?shù)浇邮斩藭r，首先與本振光信號進行相干混頻，然后由光檢測器進行光電變換，最后由中頻放大器對本振光波和信號光波的差頻信號進行放大。中頻放大輸出的信號通過解調(diào)器進行解調(diào)，從而可以獲得原來的數(shù)字信號。圖6-8相干光通信系統(tǒng)的組成框圖

設(shè)到達接收端的信號光場ES可表示為

式中，AS為光信號的幅度；ω0為光載波頻率；φS為光場相位。本振光場EL可表示為

由于光匹配器使信號光與本振光具有相同的偏振狀態(tài)，所以兩光場經(jīng)相干混頻后在光檢測器上會產(chǎn)生光電流IS。IS正比于?|ES?+?EL|，即

式中，R為光檢測器的響應(yīng)度；PS和PL分別為信號光和本振光的光功率；ωIF為信號光頻與本振光頻之差，ωIF＝ω0-?ωL，稱為中頻。

在式(6-3)中，如果本振光頻率ωL與信號光頻率ω0相等，那么中頻ωIF=?0，這種檢測方式稱為零差檢測。在零差檢測中，信號電流iS變成

在這種檢測方式中，光信號被直接轉(zhuǎn)換成基帶信號，但它要求本振光頻率與信號光頻率嚴格匹配，并且要求本振光與信號光的相位鎖定，圖6-9給出了這種檢測方式的結(jié)構(gòu)和信號的頻譜分布。圖6-9零差檢測的結(jié)構(gòu)和信號的頻譜分布

如果本振光頻率ωL與信號光頻率ω0不相等，而是相差一個中頻ωIF，那么這種檢測方式稱為外差檢測。在外差檢測中，信號電流

與零差檢測不同，外差檢測不要求本振光與信號光之間的相位鎖定和光頻率嚴格匹配，但這種檢測方式不能直接獲得基帶信號，信號仍然被載在中頻上，因此需要對中頻進行二次解調(diào)，圖6-10給出了外差檢測的結(jié)構(gòu)和信號的頻譜分布。根據(jù)中頻信號的解調(diào)方式的不同，外差檢測又分同步解調(diào)和包絡(luò)解調(diào)。圖6-10外差檢測的結(jié)構(gòu)和信號的頻譜分布

外差同步解調(diào)如圖6-11所示，光檢測器上輸出的中頻信號首先通過一個中頻帶通濾波器(BPF，中心頻率為ωIF)，分成兩路，其中一路用作中頻載頻恢復(fù)，恢復(fù)出的中頻載波與另一路中頻信號進行混頻，最后由低通濾波器(LPF)輸出基帶信號。這種同步解調(diào)方式具有靈敏度高的優(yōu)點。圖6-11外差同步解調(diào)

在如圖6-12所示的外差包絡(luò)解調(diào)中，信號光沒有中頻載頻的恢復(fù)過程，而是經(jīng)帶通濾波后直接經(jīng)過包絡(luò)檢波器和低通濾波器，從而直接檢測出基帶信號。其光譜寬度的要求不高，采用分布反饋式(DFB)半導(dǎo)體激光器即可滿足要求，因此這種方式在相干通信中很有吸引力。圖6-12外差包絡(luò)解調(diào)

6.2.2相干光通信的關(guān)鍵技術(shù)

與IM-DD系統(tǒng)相比，相干光通信最顯著的優(yōu)點就是接收靈敏度高。由于相干檢測對中頻信號起重要作用的本振光功率較大，使中頻信號較強，從而使接收靈敏度比IM-DD系統(tǒng)高10～25?dB，中繼距離大大加長。相干光通信的第二個優(yōu)點是具有很好的頻率選擇性，通過對光接收機中本振光頻率的調(diào)諧來對特定頻率的光載波進行接收，可以實現(xiàn)信道間隔小至1～10?GHz的密集頻分復(fù)用，從而有效增加傳輸容量，實現(xiàn)超高容量的傳輸。

在IM-DD系統(tǒng)中，只能使用強度調(diào)制方式對光波進行調(diào)制；而在相干光通信系統(tǒng)中，可以采用調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相等多種調(diào)制方式。但是，相干光通信對光源、調(diào)制、傳輸、接收的要求都比IM-DD嚴格得多。實現(xiàn)相干光通信的關(guān)鍵技術(shù)主要有兩個：

一是光源的頻率穩(wěn)定性問題，在相干光通信系統(tǒng)中，發(fā)射機的載波光源和接收機的本振光源的頻率穩(wěn)定性要求非常高，不容易實現(xiàn)；

二是接收信號光波和本振光波的偏振必須匹配，以保證接收機具有較高的靈敏度。

目前這些問題并沒有得到完全解決，所以相干光通信系統(tǒng)尚未進入實用階段。但是近年來，已成功研制出一些相干光通信實驗系統(tǒng)，它們向人們展示了相干光通信系統(tǒng)的優(yōu)越性。我們有理由相信，隨著技術(shù)水平的提高，在不久的將來，相干光通信將在光纖通信中發(fā)揮重要作用。

6.3光

孤

子

通

信

光纖的損耗和色散是限制系統(tǒng)傳輸距離的兩個主要因素，尤其是在傳輸率為兆位每秒以上的高速光纖通信系統(tǒng)中，色散將起主要作用，且脈沖展寬效應(yīng)會使得系統(tǒng)的傳輸距離受到限制。

6.3.1光孤子的基本特征

在討論光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)時指出：在強光作用下，光纖的折射率n將隨光強而變化，即n=n0+?，進而引起光場的相位變化為圖6-13脈沖的光強頻率調(diào)制

設(shè)光纖無損耗，在光纖中傳輸?shù)囊颜{(diào)波為線性偏振模式，其場強可以表示為

式中，R(t)為徑向本征函數(shù)；U(z,t)為脈沖的調(diào)制包絡(luò)函數(shù)；ω0為光載波頻率；β0為調(diào)制頻率ω?=?ω0時的傳輸常數(shù)。

已調(diào)波E(r,z,t)的頻譜在ω?=?ω0處有峰值，頻譜較窄，所以可近似為單色平面波。由于非線性克爾效應(yīng)，傳輸常數(shù)應(yīng)寫成

式中，P為光功率；Aeff為光纖有效截面積。

由此可見，β不僅是折射率的函數(shù)，而且是光率的函數(shù)。在β0和P=?0附近把β展開成級數(shù)，得

6.3.2光孤子通信系統(tǒng)

圖6-14(a)示出了光孤子通信系統(tǒng)的構(gòu)成框圖。光孤子源會產(chǎn)生一系列脈沖寬度很窄的光脈沖，即光孤子流。光孤子流作為信息的載體進入光調(diào)制器，并使信息對光孤子流進行調(diào)制。調(diào)制的光孤子流經(jīng)摻鉺光纖放大器和光隔離器后，進入光纖線路進行傳輸。圖6-14光孤子通信系統(tǒng)和實驗系統(tǒng)

6.4無線光(FSO)通信

無線光通信又稱自由空間光通信(FreeSpaceOpticalCommunications，F(xiàn)SO)，是一種寬帶接入方式，是光通信和無線通信結(jié)合的產(chǎn)物，它利用光束信號通過大氣空間，而不是通過光纖傳送信號。這種技術(shù)的接入系統(tǒng)在組成結(jié)構(gòu)上與光纖傳送系統(tǒng)非常相似，系統(tǒng)的物理組成非常簡單，用戶無須申請無線頻率，而且起始投資低、運營費用低，能快速裝設(shè)，可提供與光纖系統(tǒng)相似的傳送帶寬。

6.4.1無線光通信技術(shù)的發(fā)展

LightPointe公司將自由空間光學(xué)技術(shù)用于創(chuàng)造、設(shè)計和制造光傳輸設(shè)備，并向電信服務(wù)商提供比傳統(tǒng)光纜傳輸速度更快、成本更低的高速通信解決方案。LightPointe的系統(tǒng)以超快的速度提供安全可靠的無線傳輸，速度最高可達2.5Gb/s，且產(chǎn)品適應(yīng)性強，可解決城市地區(qū)的連接問題。

隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起，在眾多的寬帶技術(shù)之中，無線光通信以其容量和價格的優(yōu)勢受到越來越多運營公司的注意，應(yīng)用的范圍不斷擴大。

6.4.2無線光通信系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

無線光通信是利用激光束作為載波，不使用光纖等有線信道作為傳輸介質(zhì)，而是在空氣中直接傳輸光信息的一種通信方式，也就是利用激光束作為信道在空間直接進行語音、數(shù)據(jù)、圖像等信息雙向傳輸?shù)囊环N技術(shù)。FSO可分為大氣光通信、衛(wèi)星間光通信和星地光通信。

無線光通信系統(tǒng)包括發(fā)射和接收兩個部分。發(fā)射部分主要由激光器、光調(diào)制器和光學(xué)天線組成；接收部分主要由光學(xué)天線、光電檢測器和電信號處理器組成。發(fā)射是先將待發(fā)送的信息源變換成電信號，然后將這些電信號輸入光調(diào)制器，調(diào)制到一個由激光器產(chǎn)生的激光束上，并控制這個載波的某個參數(shù)，使光按照電信號的規(guī)律變化；接下來激光載波就運載著這些已調(diào)制成激光的信息，在經(jīng)過處理后由發(fā)射天線發(fā)射出去。接收是發(fā)射的逆過程，接收天線接收到已調(diào)制的激光信號后送到光檢測器取出電信號，然后由信號變換設(shè)備恢復(fù)出原始信息。

無線光通信系統(tǒng)具體的工作原理如圖6-15所示，圖中信號交換與處理、信息發(fā)送與接收屬于電信號部分。圖6-15無線光通信系統(tǒng)工作原理

6.4.3無線光通信系統(tǒng)的優(yōu)點

雖然無線光通信技術(shù)還有待進一步發(fā)展，但它以獨特的方式、顯著的優(yōu)點擁有著巨大的市場潛能：

(1)頻帶寬、速率高、信息容量大。

(2)頻譜資源豐富。

(3)適用多種通信協(xié)議。

(4)部署鏈路快捷。

(5)傳輸保密性好。

(6)不易出現(xiàn)傳輸堵塞。

(7)便攜性。

(8)全天候工作。

6.4.4無線光通信的關(guān)鍵技術(shù)

1.高功率光源及高碼率調(diào)制技術(shù)

空間光通信系統(tǒng)大多可采用半導(dǎo)體激光器或半導(dǎo)體泵浦的Nd:YAG固體激光器作為信號光和信標(biāo)光源，其工作波長滿足大氣傳輸?shù)蛽p耗窗口，即0.8～1.5μm的近紅外波段。用于ATP(Acquisition，Tracking，Pointing，捕獲、跟蹤和瞄準)系統(tǒng)的信標(biāo)光源(采用單管或多管陣列組合，以加大輸出功率)要求能提供數(shù)瓦連續(xù)光或脈沖光，以便在大視場、高背景光干擾下快速、精確地捕獲和跟蹤目標(biāo)；通常信標(biāo)光的調(diào)制頻率為幾十赫茲至幾千赫茲(或幾千赫茲至幾十千赫茲)，以克服背景光的干擾。

2.精密、可靠的光束控制技術(shù)

在發(fā)射端，由于半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量一般較差、發(fā)散角大，而且水平和垂直兩個方向的發(fā)散角不相等，因此必須進行準直，即先將發(fā)散角壓縮到毫弧度級，然后再通過發(fā)射望遠鏡進一步將其準直成微弧度級；在接收端，接收天線的作用是將空間傳播的光場收集并匯聚到探測器表面。發(fā)射和接收天線的效率及接收天線的口徑都對系統(tǒng)的接收光功率有重要影響。

3.高靈敏度和高抗干擾性的光信號接收技術(shù)

空間光通信系統(tǒng)中，光接收機接收到的信號是十分微弱的，加上高背景噪聲場的干擾，會導(dǎo)致接收端信噪比小于1。為快速、精確地捕獲目標(biāo)和接收信號，通常采取的措施有：首先是提高接收端機的靈敏度，使其達到納瓦至皮瓦量級，這就需要選擇量子效率高、靈敏度好、響應(yīng)速率快、噪聲小的新型光電探測器件；其次是對所接收的信號進行處理，在光信道上采用光窄帶濾波器，如吸收濾光片、干涉濾光片、新型的原子共振濾光器等，以抑制背景雜散光的干擾，在電信道上則采用微弱信號檢測與處理技術(shù)。

4.快速、精確的捕獲、跟蹤和瞄準(ATP)技術(shù)

ATP系統(tǒng)通常由兩部分組成：

(1)捕獲(粗跟蹤)系統(tǒng)，捕獲范圍可達

±1°～±20°或更大。通常采用陣列CCD來實現(xiàn)，并與帶通光濾波器、信號實時處理的伺服執(zhí)行機構(gòu)完成粗跟蹤即目標(biāo)的捕獲。

(2)跟蹤、瞄準(精跟蹤)系統(tǒng)，通常采用四象限紅外探測器QD或Q-APD高靈敏度位置傳感器來實現(xiàn)，并配以相應(yīng)的電子學(xué)伺服控制系統(tǒng)。精跟蹤要求視場角為幾百微弧度，跟蹤精度為幾微弧度，跟蹤靈敏度大約為幾納瓦。

5.大氣信道

在地對地、地對空的激光通信系統(tǒng)的信號傳輸中，涉及的大氣信道是隨機的。大氣中的氣體分子、水霧、雪、霾、氣溶膠等粒子的幾何尺寸與半導(dǎo)體激光波長相近甚至更小，這就會引起光的吸收、散射。特別是在強湍流的情況下，光信號將受到嚴重干擾甚至脫靶。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可以較好地解決這一問題，并已逐漸實用。

6.調(diào)制方式、編碼方式及解調(diào)方式

目前，空間光通信系統(tǒng)多采用IM-DD方式，主要是考慮到系統(tǒng)能比較簡單地實現(xiàn)這種方式。采用的編碼方式多為開關(guān)鍵控(OOK)編碼和曼徹斯特編碼方式。在實際應(yīng)用中，采用曼徹斯特編碼方式的接收誤碼率通常比采用OOK編碼的要低。

6.4.5無線光通信的典型應(yīng)用

1.在局域網(wǎng)連接中的應(yīng)用

在校園網(wǎng)、小區(qū)網(wǎng)或大企業(yè)的內(nèi)部網(wǎng)建設(shè)中，經(jīng)常會碰到這樣一種情況：馬路對面的新建大樓急需接通，但可挖路許可權(quán)卻遲遲不能得到批準或者根本就無法取到。這時候無線光通信技術(shù)便可以大顯身手，如圖6-16所示。圖6-16局域網(wǎng)的延伸

2.在城域、邊緣網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用

圖6-17所示為一種采用無線光通信技術(shù)的解決方案。在這種方案中，無線光通信技術(shù)集中展現(xiàn)了高帶寬的魅力。這種連接方式可以滿足城市邊緣網(wǎng)通信中對數(shù)據(jù)通信帶寬的需求，因為它具有建設(shè)周期短、投入小的特點，已被歐美一些電信運營商采用。圖6-17城域網(wǎng)的建設(shè)及擴展

3.在“最后一公里”接入中的應(yīng)用

由于接入Internet的需求不斷增長，越來越多的公司、團體、個人要求加入Internet。但由于各種實際原因，例如公路開挖、敏感地區(qū)對微波使用的限制，很多接入還沒有解決方案，而無線光通信的誕生為運營商搶占市場提供了一種可行的解決方案。圖6-18就是光纖到樓的圖示說明。圖6-18光纖到樓

4.無線光通信在移動通信中的應(yīng)用

圖6-19所示為一種采用無線光通信技術(shù)連接的移動網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。圖6-19無線光通信技術(shù)在移動網(wǎng)中的應(yīng)用

主干網(wǎng)到距離最近的天線之間采用光纖連接，經(jīng)NE1接口轉(zhuǎn)換器后，由無線光通信設(shè)備再連接到其他天線，所以所有的天線可以共用一個基站，且具有以下優(yōu)點：

(1)省卻基站到天線之間的鏈路敷設(shè)，縮短了施工時間和施工費用；

(2)可以多個天線共用一個基站，減少了基站數(shù)目；

(3)大大減少了基站與中心節(jié)點之間的光纖敷設(shè)費用；

(4)無線光通信技術(shù)采用紅外激光傳輸，相鄰設(shè)備之間不會產(chǎn)生干擾。

6.5全光通信系統(tǒng)

6.5.1全光通信的概念全光通信技術(shù)是一種光纖通信技術(shù)，該技術(shù)是針對普通光纖系統(tǒng)中存在較多的電子轉(zhuǎn)換設(shè)備而進行改進的技術(shù)。該技術(shù)確保用戶與用戶之間的信號傳輸與交換全部采用光波技術(shù)，即從源節(jié)點到目的節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸過程都在光域內(nèi)進行，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的數(shù)據(jù)交換則采用全光網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)。

全光通信網(wǎng)由全光內(nèi)部部分和通用網(wǎng)絡(luò)控制部分組成。內(nèi)部全光網(wǎng)是透明的，能容納多種業(yè)務(wù)格式，而且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以通過選擇合適的波長來進行透明的發(fā)送或從別的節(jié)點處接收。通過對波長路由的光交叉設(shè)備進行適當(dāng)配置，透明光傳輸擴展的距離更遠。外部控制部分可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)，這使得波長和容量在整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)動態(tài)分配以滿足通信量、業(yè)務(wù)和性能需求的變化，并提供一個生存性好、容錯能力強的網(wǎng)絡(luò)。

6.5.2全光通信的關(guān)鍵器件和技術(shù)

1.全光通信的關(guān)鍵器件

全光通信的關(guān)鍵器件包括如下幾種：

(1)光分插復(fù)用器(OADM)。

(2)光交叉連接(OXC)設(shè)備。

(3)可變波長激光器。

(4)全光再生器。

實現(xiàn)透明的、具有高生存性的全光通信網(wǎng)，是寬帶通信網(wǎng)未來發(fā)展的目標(biāo)，而要實現(xiàn)這樣的目標(biāo)，需要有先進的技術(shù)來支撐。

(1)光層開銷處理技術(shù)。

(2)光監(jiān)控技術(shù)。

(3)信息再生技術(shù)。

(4)動態(tài)路由和波長分配技術(shù)。

(5)光時分多址(OTDMA)技術(shù)。

(6)光突發(fā)數(shù)據(jù)交換技術(shù)。

(7)光波分多址(WDMA)技術(shù)。

(8)光轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。

(9)副載波多址(SCMA)技術(shù)。

(10)空分光交換技術(shù)。

(11)光放大技術(shù)。

(12)時分光交換技術(shù)。

(13)無源光網(wǎng)技術(shù)(PON)。

6.5.3全光通信網(wǎng)

1．全光通信網(wǎng)的組成

所謂全光通信網(wǎng)，就是網(wǎng)中所有單元以及到達用戶節(jié)點的信號通道仍然保持著光的形式，即端到端的完全的光路，中間沒有電轉(zhuǎn)換的介入。數(shù)據(jù)從源節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸過程都在光域內(nèi)進行，而它在各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的交換則使用高可靠、大容量和高度靈活的光交叉連接(OXC)設(shè)備。在全光網(wǎng)絡(luò)中，由于沒有光/電轉(zhuǎn)換的障礙，所以允許存在各種不同的協(xié)議和編碼形式，信息傳輸具有透明性，且無須面對電子器件處理信息速率難以提高的困難。

OTN是一種以波分復(fù)用(WDM)與光信道技術(shù)為核心的新型通信網(wǎng)絡(luò)傳輸體系，它由光分插復(fù)用器(OADM)、光交叉連接(OXC)設(shè)備、光放大(OA)設(shè)備等網(wǎng)元設(shè)備組成，具有超大傳輸容量、對承載信號透明及在光層面上實現(xiàn)保護和路由選擇(波長選路)的功能。因此，這種光傳送網(wǎng)又稱為WDM全光通信網(wǎng)。在光網(wǎng)絡(luò)中，信息流的傳送處理過程主要在光域進行，由波長標(biāo)識的信道資源成為光層聯(lián)網(wǎng)的基本信息單元。

圖6-20是一個全光通信實驗網(wǎng)，該光網(wǎng)絡(luò)含有兩個光交叉連接器節(jié)點和兩個光分插復(fù)用器(OADM)節(jié)點。建網(wǎng)的目的是演示光信號的透明傳輸并研究傳輸中可能出現(xiàn)的問題。圖中，第一個OXC節(jié)點交叉連接來自骨干網(wǎng)兩條WDM鏈路上的信號；第二個OXC節(jié)點交叉連接骨干網(wǎng)和局域網(wǎng)之間的信號，局域網(wǎng)是一個含有OADM的WDM環(huán)狀網(wǎng)。圖6-20全光通信實驗網(wǎng)

2．全光通信網(wǎng)的特點

全光通信網(wǎng)是通信網(wǎng)發(fā)展的目標(biāo)，這一目標(biāo)的實現(xiàn)分兩個階段完成：

(1)全光傳送網(wǎng)。在點到點的光纖傳輸系統(tǒng)中，整條線路中間不需要進行任何光/電和電/光的轉(zhuǎn)換，這種完全靠光波沿光纖傳播的長距離傳輸，稱為發(fā)端與收端間的點到點全光傳輸。那么整個光纖通信網(wǎng)的任意用戶地點應(yīng)該都可以設(shè)法與任意其他用戶地點實現(xiàn)全光傳輸，這樣就組成了全光傳送網(wǎng)，如圖6-21所示。圖6-21

(2)完整的全光傳送網(wǎng)。圖6-22所示為由骨干核心網(wǎng)、城域網(wǎng)和接入網(wǎng)組成完整的全圖6-22完整的全光傳送網(wǎng)

全光通信網(wǎng)絡(luò)是在WDM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它比傳統(tǒng)的電信網(wǎng)絡(luò)和電?+?光網(wǎng)絡(luò)具有更大的通信容量，并具有如下優(yōu)點：

(1)結(jié)構(gòu)簡單，端到端采用透明的光通道連接，沿途無光/電轉(zhuǎn)換與存儲；網(wǎng)絡(luò)中的許多光器件是無源的，便于維護，可靠性高、可維護性好。

(2)加入新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時，不影響原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)備，具有網(wǎng)絡(luò)可擴展性。

(3)采用波長選擇路由，對傳輸碼速率、數(shù)據(jù)格式以及調(diào)制方式均透明；可提供多種協(xié)議業(yè)務(wù)，不受限制地提供端到端的業(yè)務(wù)連接。

(4)可根據(jù)通信業(yè)務(wù)量的需要，動態(tài)地改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，具有網(wǎng)絡(luò)的可重組性。

6.5.4光時分復(fù)用

提高碼速率和增大容量是光纖通信的目標(biāo)。電子器件的極限速率為40Gb/s左右，現(xiàn)在通過電時分復(fù)用(TDM)已經(jīng)接近了這個極限速率。若要繼續(xù)提高碼速率，就必須在光域中想辦法，一般有兩種途徑：波分復(fù)用(WDM)和光時分復(fù)用(OTDM)。

OTDM是在光域進行時間分割復(fù)用的，一般有兩種復(fù)用方式：比特間插和信元間插。比特間插是目前廣泛使用的方式，信元間插也稱為光分組復(fù)用。圖6-23所示為OTDM系統(tǒng)框圖。圖6-23OTDM系統(tǒng)框圖

6.6紫外光通信技術(shù)

6.6.1紫外光通信簡介按照通信使用的電磁頻譜，目前的通信主要可分為無線電通信和光通信。無線電通信發(fā)展迅猛，是現(xiàn)在的主流通信方式，廣泛用于航天、軍事、工業(yè)現(xiàn)場、民用等領(lǐng)域。其特點是通信建立速度快，較少受地理、天氣的影響；不足是較容易被捕獲、竊聽、跟蹤，信息的相對保密性較差。

為了克服現(xiàn)有通信方式的缺點，以紫外光作為媒介的通信系統(tǒng)被提出，以其高保密度、高抗干擾能力及全天候的通信優(yōu)點而備受關(guān)注，成為新型的光通信方式，目前主要用于國防事業(yè)。

1.紫外光

紫外光波(UltraViolet，簡稱UV)是一種電磁波，它的波長范圍為10～400nm。紫外段光譜按照不同的劃分方法可分成多個區(qū)域，如圖6-24所示。圖6-24紫外段光譜分布

2.紫外光通信的特點

(1)太陽光的紫外輻射在通過地球大氣層時，會受到對流層上臭氧層的強吸收作用，使得這一波段的紫外輻射在海平面附近幾乎衰減為零，屬于日盲區(qū)。

(2)?UVC段光波在空氣中的衰減率不是很大。

(3)由于低空的分子密度高，UVC波段紫外光波具有強的瑞利散射效應(yīng)。直視紫外光通信是基于大氣散射，采用日盲區(qū)中紫外波段(200～280nm)光波進行傳輸?shù)?，主要?yīng)用于短距離的、保密的通信，是常規(guī)通信的一種重要補充。

3.紫外光通信的優(yōu)點

紫外光通信具有如下一些優(yōu)點：

(1)數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｃ苄愿摺?/p>

(2)系統(tǒng)抗干擾能力強。

(3)可用于非直視通信。

(4)無須ATP跟蹤。

6.6.2紫外光通信的基本原理

紫外光通信系統(tǒng)一般由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)組成，其中發(fā)射系統(tǒng)將信源產(chǎn)生的原始電信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?；接收系統(tǒng)從帶有干擾的接收信號中恢復(fù)出相應(yīng)的原始信號。圖6-25所示為紫外光通信的基本結(jié)構(gòu)。圖6-25紫外光通信的基本結(jié)構(gòu)

發(fā)射系統(tǒng)由信源模塊、調(diào)制電路、驅(qū)動電路和紫外光源等組成，其工作過程如下：調(diào)制電路采用特定的調(diào)制方式將信源模塊產(chǎn)生的電信號進行調(diào)制變換，再通過發(fā)端驅(qū)動電路使紫外光源將調(diào)制信息隨紫外載波發(fā)送出去。

接收系統(tǒng)由紫外探測器、預(yù)處理電路、解調(diào)電路和信宿模塊組成，其工作過程和發(fā)射系統(tǒng)剛好相反，紫外探測器捕捉并收集紫外光信號，對其進行光/電轉(zhuǎn)換，接收端預(yù)處理電路對電信號進行放大、濾波等，解調(diào)電路將原始信息恢復(fù)出來送至信宿模塊。

6.6.3紫外光通信鏈路模型

紫外光通信按照通信方式，可劃分為三種：可視距(LOS)通信、準視距(QLOS)通信和非視距(NLOS)通信。大氣中存在大量的粒子，而紫外光波比較短，很容易被散射，因此在非視距范圍內(nèi)也可以進行通信，這一點不同于紅外光通信，更加適合在較為復(fù)雜的地理環(huán)境中通信。

1.可視距(LOS)通信鏈路模型

所謂可視距通信，即在發(fā)送端和接收端之間沒有障礙物阻隔，可以構(gòu)成面對面的視場。紫外光在傳播中受到的衰減主要有兩方面，大氣吸收損耗和一部分散射能量丟失。在可視距通信中，大部分光子不經(jīng)過散射而直接從發(fā)射機進入接收機。如圖6-26所示，T為發(fā)射端光源位置，R為接收端探測器位置。圖6-26可視距通信鏈路LOS模型示意圖

綜上所述，到達接收端的光功率為

由圖6-26可以得到

最后得到

相應(yīng)的路徑損耗為

2.非視距(NLOS)通信鏈路模型

非視距通信是指發(fā)射機和接收機之間存在障礙物，光信號路徑需要繞過障礙物實現(xiàn)通信。在實際的應(yīng)用環(huán)境中，大多數(shù)情況是非視距通信。由于紫外光在傳播中受到的路徑損耗和發(fā)散角有關(guān)，因此對非距視通信的分析應(yīng)根據(jù)不同的發(fā)射和接收仰角進行。非視距通信示意圖如圖6-27所示。圖6-27非視距通信示意圖

圖6-28所示為非視距通信鏈路模型圖6-28非視距通信鏈路模型

接收端探測到的光功率為

其中，[λ/(4πr2)]2為自由空間路徑損耗因子，為大氣衰減因子，4πAr/λ2為接收機探測器的增益。

由圖6-28的幾何關(guān)系可得

將以上公式代入Pr,NLOS的表達式，即可得到最終的結(jié)果：

上式中，r為發(fā)射端和接收機的直視距離；λ為紫外光波長；ke為大氣信道衰減系數(shù)，ke?=?ka?+?ks，其中，ka為吸收系數(shù)，ks為散射系數(shù)；Ar為接收孔徑面積；Ω1為發(fā)射立體角；V為有效散射體體積；散射角θs的相函數(shù)為Ps。

3.影響紫外光通信系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)

影響紫外光通信系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)主要包括發(fā)射接收器件的研究、信道模型的研究以及調(diào)制/解調(diào)、編碼/解碼、檢測等方法的研究。

在紫外光通信系統(tǒng)中，由于大氣中臭氧層的強烈吸收作用，所以需要具有性能好、功率高、調(diào)制性能好的發(fā)射光源。光學(xué)通信系統(tǒng)可采用的紫外光源一般可分為紫外線燈和紫外線激光器兩大類。

紫外線燈常見的有高、低壓充氣汞燈，紫外線鹵化物燈等。此類光源具有價格便宜、功率大(可以達到數(shù)十瓦和上萬瓦)等特點。

紫外探測器是接收機最為重要的器件，其主要功能是完成紫外光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。對于非視距的紫外光通信，理想的探測器應(yīng)該有較大的探測面積、較高的增益和帶寬、高的透過率、極低的暗電流密度和“日盲”功能。

6.6.4紫外光通信在軍事方面的應(yīng)用

紫外光通信既可以補足傳統(tǒng)光通信不能進行非視距通信，受氣候影響嚴重的缺陷，也可以彌補傳統(tǒng)無線及有線通信需要部署線路和基站等靈活性差的不足，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ能娛峦ㄐ攀侄巍?/p>

紫外光通信系統(tǒng)可用于超低空飛行的直升機小隊進行不間斷的內(nèi)部安全通信。使用紫外光通信系統(tǒng)的每架飛機都裝備有一套收/發(fā)系統(tǒng)，發(fā)射機以水平方向輻射光信號，接收機則面朝天方向安裝，以收集散射在其視野區(qū)內(nèi)的紫外光信號，從而使全小隊的飛機都可收到相同的通信信號。

紫外光通信系統(tǒng)在地面上可采用車載式，在空中可采用機載式，在海上可采用艦載式，因此可實現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)移動式通信，克服了傳統(tǒng)有線或無線通信需敷設(shè)電纜和基站的缺點，達到了跟隨部隊快速機動、適應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境的目的。

1.海軍方面

美國、俄羅斯等海軍強國早已將紫外光通信應(yīng)用于艦艇通信，且技術(shù)成熟。美海軍已研制出應(yīng)用于艦艇和艦載直升機的紫外光通信系統(tǒng)，為艦船和直升機之間提供通信。此外，紫外光通信還應(yīng)用于航空母艦和艦載機之間的甲板通信，以及海軍艦隊秘密集結(jié)、隱蔽航渡、艦船進港導(dǎo)引、在航母機群起降導(dǎo)引、對潛通信等。

其海軍應(yīng)用領(lǐng)域及特點如下：

(1)代替旗語和燈語。

(2)紫外夜視系統(tǒng)。

(3)海軍艦艇編隊內(nèi)保密通信。當(dāng)艦隊必須保持無線電寂靜時，可用紫外光通信系統(tǒng)提供艦船之間的近距離通信，具體可應(yīng)用場合如下：①

艦艇編隊內(nèi)部艦—艦戰(zhàn)術(shù)協(xié)同通信、報文和語音業(yè)務(wù)；②

單艦或艦艇編隊通過沿海觀通站或雷達站，需要戰(zhàn)術(shù)情報或警報報知時的報