第四章 光纖通信系統
目錄
4.1 模擬光纖通信 2
4.2 數字光纖通信系統和總體設計 3
4.2.1 數字光纖通信系統基本組成 3
4.2.2 數字光纖通信系統總體設計 4
4.3 數字光纖傳輸系統的性能指標 7
4.3.1 誤碼性能 7
4.3.2 抖動、漂移性能 8
4.3.3 可用性 8
4.4 光纖放大器及其在光纖通信系統中的應用 9
4.4.1 摻鉺光纖放大器 9
4.4.2 喇曼光纖放大器 12
4.5 光載無線技術 13
4.5.1 光載無線技術簡介 13
4.5.2 ROF系統的關鍵技術 14

第四章 光纖通信系統
光纖通信系統分為模擬光纖通信系統和數字光纖通信系統。其中數字光纖通信系統應用更廣泛，模擬光纖通信系統目前主要應用于光纖有限電視網。
本章首先簡單解釋模擬光纖通信系統，然后重點闡述熟悉光纖通信系統，進一步介紹光放大器的工作原理及其在系統中的應用，最后介紹光纖通信領域的前沿技術之一——光載無線通信。
4.1 模擬光纖通信
以光纖有限電視傳輸系統為例，闡述模擬光纖通信系統的基本原理及其特點。
傳輸介質：同軸電纜

頭端（也稱前端）設備負責將來自衛星、遠端有線電視臺、本地存儲器、實時視頻等多個頻道節目混合，然后統一向用戶發送，傳輸線路分為干線、配線個引入線3段。
由于需要每個一段距離就設置一個干線放大器，很難保證用戶的接收質量，可靠性較差，并且維護費用很高。因此，光纖通信技術一成熟就很快應用到模擬電視信號的光纖傳輸中，用光纖替代原來的同軸電纜。配線和引入線部分仍然保留原來的同軸電纜網結構，組成光纖同軸電纜混合系統（HFC）。

模擬基帶電視信號對射頻的調制通常用殘留邊帶調制（VSB-AM）和調頻（EM）兩種方式，各有不同的適用場合和優缺點。

4.2 數字光纖通信系統和總體設計
4.2.1 數字光纖通信系統基本組成
常見的光纖通信網絡拓撲結構：點對點、線性網、環形網、星形網，樹形網，網格形。

數字業務信號在數字廣信通信系統中的傳輸一般經過以下幾個環節：
把多路業務信號復用為更高速率等級的信號。
對SDH系統，為系統/網絡，為系統/網絡的運行維護等目的插入OAM開銷，并進一步的為方便接收端定時提取而進行擾碼。對于PDH系統，為方便定時提取和加入運行維護管理而進行線路擾碼。
對光源（如半導體激光器）進行數字調制，完成數字信號到光數字信號的轉換。
經廣線傳輸，由于光纖損耗和色散的影響，光信號隨光纖傳輸距離的增大而功率變弱、波形變差。
光信號到達接收端，首先由光電檢測器完成光電轉換，并進一步放大均衡，然后提取時鐘信號，在時鐘信號的作用下“判決再生”出數字信號。
解擾并取出開銷進行處理（對SDH系統）或進行線路解碼，同時處理OAM開銷。
解復用出各路數字業務信號。

4.2.2 數字光纖通信系統總體設計
4.2.2.1 總體考慮

網絡拓撲、線路路由選擇
一般位于主干網絡中的、網絡生存性要求較高的網絡適合采用網格拓撲。城域網、網絡生循序要求較高的網絡適合采用環形拓撲。接入網、網絡生存性不高而要求成本盡可能低廉的網絡適合采用星型拓撲，無源樹形拓撲。

系統/網絡容量的確定
一般按照系統/網絡運行后幾年內所需容量確定，
3.光纖/光纜選型
（1）G.652光纖：為1310nm波長性能最佳單模光纖，是目前最常用的單模光纖。主要應用于城域網和接入網。
（2）G.653光纖：為1550nm波長性能最佳的單模光纖。不支持波分復用系統，僅用于單信道高速率系統。目前新建或改建的大容量光纖傳輸系統均為波分復用系統，故G.653光纖基本不使用。
（3）G.654光纖：為1550nm波長衰減最小光纖，一般多用于長距離海底光纜系統。陸地傳輸一般不采用。
（4）G.655光纖：非零色散位移單模光纖，適合應用于密集波分復用的大容量的骨干網中。
4.選擇合適的設備，核實設備的性能指標。
5.光傳輸設計。

4.2.2.2 再生段的設計
驗證再生段能可靠工作且經濟上盡可能低成本。一個光再生段也稱作光纜線路系統。

光再生模型包括發送機、光通道和接收機。發送機和光通道之間定義S參考點，光通道和接收機之間定義R參考點，S參考點與R參考點之間為光通道。L為S-R之間的距離。
在實際應用組網中通常有三種光傳輸設計方法：最壞值設計方法、聯合設計法和統計設計法。
最壞值設計法就是在設計再生段距離時，將所有參數值都按照最壞值選取，而不管其具體分布如何，是光纜線路系統傳輸設計的基本方法。最壞值設計法能夠滿足系統光接口的橫向兼容性，具有簡單可靠的特點。
再生段距離的設計可以分為兩種情況：損耗受限系統，即再生段距離由S和R點之間的光通道損耗決定；第二種是色散受限系統，即再生段距離由S和R之間的光通道總色散決定。
損耗受限系統

色散受限系統

色散受限系統的最大傳輸距離是用來ITU-T定義的光通路功率代價概念。
（1）使用多縱模激光器時系統色散受限的最大傳輸距離。
計算公式如下：

（2）使用單縱模激光器系統色散受限系統的最大傳輸距離。

4.3 數字光纖傳輸系統的性能指標
4.3.1 誤碼性能

誤碼性能及其性能參數的定義
誤碼是指經光接收機的接收與判決再生之后，碼流中的某些比特發生了差錯，使傳輸的質量發生了損傷。
以“塊”為基礎的誤碼事件和誤碼性能參數有以下幾種：差錯塊、嚴重誤塊秒、背景塊差錯、嚴重誤碼期、誤塊秒比、嚴重誤塊秒比、背景塊差錯比、嚴重誤碼期強度。
高比特率數字通道誤碼性能的規范
目前，ITU-T所制定的與網絡長期誤碼性能指標有關的標準有G.826和G.828，與網絡短期誤碼性能指標有關的標準有M.2101。對于一次群或高于一次群的固定比特速率傳送網，只要求滿足G.826/G.828即可。

4.3.2 抖動、漂移性能

抖動、漂移概念及其影響
（1）抖動：定時抖動（簡稱抖動）定義為數字脈沖信號的特定時刻（如最佳判決時刻）相對于其理想時間位置的短時間偏離。
所謂短時間偏離是指變化頻率高于10Hz的相對變化。
抖動對網絡的性能損傷表現在以下幾個方面：形成抖動噪聲，發生誤碼，產生滑動損傷。
（2）漂移：漂移定義為數字脈沖的特定時刻相對于其理想位置的長時間漂移。
所謂長時間是指變化頻率低于10Hz的變化，他與信號頻率無關。
漂移會引起傳輸信號比特偏離時間上的理想位置，結果使輸入信號比特不能正確判決，產生誤碼。
抖動、漂移性能要求。
抖動、漂移的相關性能指標主要有：輸入抖動/漂移容限、最大允許輸出抖動/漂移、抖動/漂移轉移特性。

4.3.3 可用性
可用性指在一個觀察期內可用時間所占的百分比，也稱為可用性比率（AR）。
不可用性指在一個觀察期內的不可用時間所占的百分比。也稱為不可用性比率（UR）。
AR+UR=1

4.4 光纖放大器及其在光纖通信系統中的應用
光放大器分為光纖放大器進而半導體放大器兩類。光纖放大器（OFA）的放大介質為光纖或摻稀土元素的光纖；半導體放大器的放大介質為半導體晶體材料構成的正向偏壓的P-N結。
OFA有根據放大機制不同，分為摻鉺光纖放大器（EDFA）和喇曼光纖放大器（RFA）兩大類。

4.4.1 摻鉺光纖放大器
目前，EDFA是性能最佳、技術最成熟、應用最廣泛的光放大器
EDFA工作原理
摻鉺光纖是EDFA的核心，摻鉺光纖在一定波長的泵浦光激勵下，處于低能級的Er^(3+)吸收泵浦光的能量，向高能級躍遷。
EDFA的結構
一個典型的EDFA由摻鉺光纖、泵浦源、波分復用器、光隔離器、光濾波器等組成。

EDFA的性能 增益特性

4-14為增益與摻鉺光纖長度的關系，開始時增益隨著摻鉺光纖長度的增加而上升，但光線超過一定長度之后，增益反而逐漸下降，因此存在一個最大增益長度。
輸出功率特性
當輸入功率增加時，受激輻射加快，以至于減弱了粒子反轉分布的程度，使受激輻射光減弱，輸出功率趨于飽和。

噪聲特性

EDFA的噪聲有4中：①信號光的散粒噪聲②被放大的自發輻射光ASE的散粒噪聲；③自發輻射ASE光譜與信號光之間的差拍噪聲；④自發輻射與ASE光譜間的插拍噪聲
衡量EDFA的噪聲特性可用噪聲系數（NF）來衡量，定義為EDFA的輸入信噪比和輸出信噪比的比值。
在輸入小信號情況下，光放大器的噪聲系數（NF）隨著輸入信號光功率的增大而略有減小，而EDFA處于飽和狀態時噪聲系數隨信號功率的增大而增大。
噪聲系數隨著泵浦功率的增加而減小。
當摻鉺光纖長度增大時，同向泵浦形式輸出的ASE功率最小。，因而噪聲系數最低。雙向泵浦形式的噪聲系數居中；反向泵浦形式的噪聲系數最高。
EDFA的應用
EDFA的基本應用形式
線路放大（將EDFA直接插入到光纖傳輸線路中對信號進行中繼放大），功率放大（將EDFA放在發射光源之后對信號進行放大），前置放大（將EDFA放在光接收機的前面以提高光接收機的接收靈敏度）
EDFA在DWDM系統中的應用。在DWDM系統/網絡中作線路放大、功率放大和前置放大時EDFA的典型應用之一。
EDFA在光纜有限電視傳輸系統中的應用：采用EDFA作為功率放大器以提高發送端的輸出光功率。
RFA+EDFA混合放大。

4.4.2 喇曼光纖放大器

RFA的工作原理
RFA的工作原理建立在光纖喇曼散射的基礎上。喇曼散射是指入射泵浦光子通過光纖的非線性散射轉移部分能量，產生低頻斯托克斯光子，而剩余的能量被介質以分子振動的形式吸收，完成振動態之間的躍遷。

當一束信號光和一個強泵浦光在光纖中同時傳輸時，如果信號光的波長位于泵浦光波長的Raman增益譜之內，就會由于光纖中受激喇曼散射效應而放大。
2. RFA的基本性能
（1）增益特性：當泵浦功率增加時，喇曼增益也上升。
（2）噪聲特性：喇曼放大器的噪聲主要是被放大的自發喇曼散射噪聲（ASE）、串話噪聲、瑞麗散射噪聲以及非線性受激布里淵散射造成的噪聲。
3. RFA的應用
（1）獨立喇曼寬帶放大器
（2）RFA+EDFA混合放大器

4.5 光載無線技術
4.5.1 光載無線技術簡介
光載無線技術結合了無線通信和光纖通信的優勢，利用光纖鏈路傳輸射頻信號（ROF）。光纖提供了足夠高的容量和帶寬，而射頻技術是的帶寬數據可以以最快的速度和廉價的方式傳送給終端用戶，因此光載無線通信技術綜合了射頻系統與光纖技術兩者的優點，具有廣闊的應用前景。

4.5.2 ROF系統的關鍵技術

光載毫米波產生技術
基本原理：通過兩個不同頻率成分的光波在平方律探測器中進行拍頻，從而產生頻率為參與拍頻的兩光波頻率之差的射頻（或微波）信號。下圖為利用光外差來產生高頻毫米波信號方法的基本原理，利用具有窄線寬的兩個不同頻率的光波在光電探測器中進行拍頻，從而產生頻率為兩光波頻率之差的射頻信號。

2.色散致功率衰落效應
色度色散（簡稱色散）是限制光纖通信系統傳輸速率的一個關鍵因素。色散可引起脈沖展寬，導致碼間干擾。
在ROF系統中，色散還會導致所產生射頻信號的功率隨傳輸距離發生周期性衰落。

4.5.3 ROF技術的主要應用
1.移動通信：利用ROF技術可以簡化基站功能，減少中心站的數量，從而使得具有眾多基站的移動通信系統與網絡成本大大降低。
2.智能交通與車載通信：智能交通系統（ITS）是通過各種通信技術把人、路、車結合在一起的系統，具有提供交通狀況、減少駕駛員負擔、提高交通效率甚至于環保的優點。
3.室內覆蓋：ROF技術一個非常重要的應用是利用光纖傳輸射頻信號，延長室內射頻傳輸系統的距離和容量，該系統被稱為分布式天線系統。
4.衛星通信：利用ROF技術的基站天線覆蓋半徑較小，具有更強的抗同頻干擾能力，可以提高衛星的觀測能力，降低地面其他系統的干擾。

摘錄自：
[1] 顧畹儀. 光纖通信.第2版[M]. 人民郵電出版社, 2011.

總結

以上是生活随笔為你收集整理的2020-08-21 光纤通信第四章知识点整理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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