3.5 光信号的传输
3.5.1 光信号传输的基本原理
1．光信号的发送——强度调制
与应用于双绞线、同轴电缆等媒质的电压调制（即以信号电压的高低来控制线路上数字信号的产生）方式不同，光纤通信中采用强度调制的方式控制信号的产生。强度即指光强，是指单位面积上的光功率。其原理是以电信号来控制发光器的工作电流，从而控制发光器的输出功率，使之随信号电流成线性变化，在线路上通过光信号的有无来表示数字信号的1、0。图3-28为发光器的功率-电流特性曲线。
图3-28 发光器的功率-电流特性曲线
可见，当输入电流超过 时，输出功率迅速上升，发光器产生输出，表示信号1。这个上升的过程越迅速、输入电流小于 时的输出功率越小，则发光器的性能越好。
2．光信号的接收——直接检波
直接检波完成与强度调制相反的动作，即利用光电检测器直接对已调光信号在光频上进行检测，根据光功率的强弱来判断光信号的有无，进而转化为数字信号。
3．光纤通信中的线路编码
一般数字系统的传输码型如HDB3、CMI码均不完全适合在光纤信道上传输，因此必需进行重新编码，以满足光纤信道的要求。
（1）对光纤通信中线路码型的要求
① 双极性码变为单极性码，发光器只能识别电流的有无，不能产生负脉冲；
② 可以从接收码元序列中提取时钟；
③ 加扰，有规律的破坏信息码流中的连“0”或连“1”，以便于提取时钟信号；
④ 可进行不中断业务传输的误码监测，例如：CMI码出现“10”即是误码，要求光纤信道编码具有类似功能；
⑤ 减少信号中直流电平的起伏：在接收侧，直流电平即是进行接收判决的门限电平，如果直流电平变化较大，即会出现误判，从而产生误码。信号中“0”和“1”尽量均匀即可使直流电平的起伏较小；
⑥ 能提供一定数量的辅助信号和区间通信信道：辅助信号主要是用于维护功能中的监控和倒换等信号；区间信道则是用于中继站间或中继站与终端站之间、附加于系统主信道之上的通信信道。
（2）常用的信道编码：
① 扰码：扰码是将原有的二进制序列以一定规律重新排列，从而改善码流的一些特性。如改变原有的“0”、“1”分布等。扰码的优点是不增加线路速率、适于高速系统，缺点是可减少但不能完全抑制较长的连“0”或“1”序列，可能会丢失定时信息。一般扰码与其它编码方式结合使用；
② mBnB码：是分组码的一种，它将原始码流以m个比特为一组，根据一定规则变为n个比特一组的码组输出，n>m。优点是加入冗余信息，可用于误码监测，定时信息丰富，而且频率特性好。缺点是不利用插入辅助通信信息。常用的有5B6B，7B8B码等；
③ 插入比特码；插入比特码是将原码流的m比特为一组，在其后插入1个比特，构成新的码流。优点是插入的比特可以用作误码检测，辅助信道，改善“0”、“1”分布等多种用途。根据插入码的功能不同，常用的有mB1P、mB1C、mB1H等几种。
实际的光纤设备中，常把扰码与mBnB码或插入比特码结合使用，组成线路编码。扰码+5B6B、扰码+4B1H，即是两种常用的线路码型。
3.5.2 光纤通信系统的基本组成
一个最简单的光纤通信系统由光发射机、光接收机、光中继器、光缆等组成，如图3-29所示。
图3-29 光纤通信系统组成
1．光发射机
（1）光发射机的组成：如图3-30所示，直接强度调制的数字光发射机由光源、输入接口、线路编码、调制电路、其它辅助电路等几部分组成。进入光发射机的信号就是组织好的SDH帧信号，以并行数据的形式输入发射机，需要特别说明的是，光发射机的对外接口是由国际标准定义的，逻辑信号与物理电路的结构均需要遵循这些规范。
图3-30光发射机的组成
① 光源：是光发射机的关键部件，产生光波；
② 输入接口：解决电信号与光发射机之间的匹配问题，一般即是SDH帧信号的输入接口电路；
③ 线路编码：包括码形变换和编码。码形变换是由于光源不能产生负脉冲，将双极性码变为单极性码。编码是为满足光纤传输的加扰、时钟提取等要求；
④ 调制电路：将电压信号转换为电流调制信号，以驱动电源；
⑤ 其它辅助电路：包括温度控制（补偿）电路，功率控制电路，告警指示电路，保护电路等。
（2）光源：光源是光发射机的核心部件，这也是光器件研究中非常重要的一个研究领域。当前光纤通信中常用的光源主要有半导体发光二极管（LED）和半导体激光二极管（LD）两种。
① 光源的作用：是将传输的电信号转换为光信号进入光纤；
② 光纤通信系统对光源的要求：
a．合适的发光波长：应处于光纤的工作窗口内；
b．足够的输出功率：输出功率直接影响着光纤通信的中继距离，一般输出功率均应在1mw以上；
c．可靠性高：要求平均工作寿命在106小时以上；
d．输出效率高；主要为了支持无人中继站的供电；
e．光谱宽度窄：窄谱线的激光器可以有效地降低色散效应的影响。
③ LED： LED主要依靠半导体自身的辐射发光。其特点是谱线较宽、响应速度慢、温度特性好、且控制电路简单。一般主要用于34Mbit/s以下的近距系统；
④ LD：半导体激光器是依靠半导体中的光学谱振腔受激辐射产生光振荡从而发光，原理类似于电子振荡器。其特点是由于谐振有一定的谐振频率因此其谱线很窄，即单色性好、响应速度很快、转换效率高。光纤通信中得到大规模应用的即是此种光源。
2．光接收机
（1）光接收机的组成：如图3-31所示，直接检波式光接收机一般由光电检测器、放大电路、均衡器、判决器、增益控制电路、时钟恢复电路等组成。
图3-31光接收机的组成
① 光电检测器：将光纤中输入的微弱光信号转换为电信号；
② 放大电路：将电信号放大至一定幅度，一般是级联形式的放大电路；
③ 均衡器：将信号波形进行调整，使之适于进入判决电路；
④ 判决器：对点信号进行判决，获得“0”、“1”码流；
⑤ 译码器：对线路编码进行译码；
⑥ 输出接口：生成与输出线路匹配的电信号；
⑦ 增益控制电路：利用自动增益控制电路（AGC）进行控制，使光接收机的输出保持稳定；
⑧ 时钟恢复电路：提取时钟以获得判决时刻。
（2）光电检测器：光电检测器是光接收机的核心部件，常见的光电检测器有光电二极管（PD）和雪崩光电二极管（APD）两种。
① 光电检测器的作用：光电检测器的作用是将微弱的光信号转换为电信号；
② 对光电检测器的要求：
a．灵敏度高：光纤上的线路信号有可能弱达1nw，因此灵敏度要尽可能的高；同时，光电检测器的峰值响应波长要尽可能接近系统的工作波长；
b．响应速度快：即随入射光信号产生电流信号的速度要快于系统的工作码率；
c．暗电流小：暗电流是指无光照射时，光电检测器的输出电流。暗电流给光接收机引入了噪声，因此越小越好；
d．受环境变化、温度变化的影响尽可能小。
③ PD：主要原理是利用二极管内耗尽层所形成的漂移电流来完成光电转换。其特点是光电转换效率高、响应速度快，目前广泛应用于各种光纤通信系统；
④ APD：原理与PD类似，区别是由于雪崩现象，会在强光照射下产生倍增效应，其优点是可以为光接收提高一定的动态范围，缺点是受湿度影响极严重、需附加额外的自动温度补偿电路。
（3）光接收机的评价指标
① 灵敏度：灵敏度是光接收机的重要性能指标，是指光接收机在最佳工作状态下，接收微弱光信号的能力。在一定的误码率水平下，灵敏度越高越好；
② 动态范围：是在一定的误码率水平下，光接收机所能接收的最大最小的功率之差，一般动态范围越大越好。实际设备中一般为16-20dB；
③ 眼图：眼图是直观表征接收信号质量的重要手段。眼图是将连续的输出信号在时域上重叠之后、观测到的形状，其图案类似于眼睛。评价的标准是眼睛张得越开、眼皮越薄越好，即“0”“1”的间隔大、信号幅度抖动小。
3．光纤通信系统中的其它设备
（1）光中继器：光中继器用于长距传输中对衰减和变形了的光信号进行放大和再生。一般可分为光/光中继器和光/电中继器两种。光/光中继器结构简单，但由于目前技术所限，无法用于高速系统。光/电中继器可用于插入监控信号，但结构复杂，常用的是光/电中继器。光中继器也可以分为有人中继器和无人中继器，在海底、野外等恶劣环境下，一般采用无人中继，无人中继器要求良好密封；有人中继站多设于城镇，以便就地供电；
（2）光开关：光开关是用于传输线路转换的器件，利用光开关可以直接进行光路交换。常见的有机械式和电子式开关。机械式开关是以机械方式驱动光纤和透镜等光学器件完成交换，结构简单但转换速度较慢。电子式开关是在光纤物理熔接的基础上，利用电极所加的电压来控制各光路的接续，电子式开关是光开关研究和应用的主要方向；
（3）光放大器：光放大器主要应用于光中继器中光信号的放大、光发射机中放大进入光线路的信号，以及接收机中对微弱光信号的再生。应用于光中继器中的光放大器称为在线放大器，应用于发射机的光放大器称为功 率放大器，应用于接收机的光放大器称为前置放大器。
在光纤中掺入少量铒离子，就构成了掺铒光放大器，其基本原理是利用掺铒石英光纤的非线性效应，吸收泵浦光源的能量来放大特定波长的光信号。掺铒光纤放大器的优点是可形成1.55μm的放大器，而且可以实现光信号的直接放大。实用的掺铒放大器的功率增益可达30dB以上；
（4）监控系统：监控系统是光纤通信系统的重要组成部分，特别是在长途光纤传输中，监控系统的地位显得更重要。监控系统的基本功能包括：
① 监视运行状态，检测故障；
② 提供远程的配置功能；
③ 提供带外通信，以供日常维护。
一般各国对本国的入网设备所提供的监控功能均有一定的技术规范，监控设备实际上构成了单独的传输支撑网，物理上常用单独的E1电路或光纤信道中单独的一个波长来作为监控信息的承载；
（5）保护倒换系统：由于骨干网传输对可靠性的要求非常高，因此光纤通信一般采用主备倒换方式。常见的有一主一备倒换和多主一备倒换。当前多主一备方式的应用更为广泛。
3.5.3 光波分复用（WDM）
1．光波分复用的原理
光纤具有巨大的潜在带宽，为了充分利用这些带宽，可以在不同频段上安排不同的光信道，这就构成了波分复用。波分复用实际上也可以看作是高频段的频分复用。
光波分复用系统在发射机侧有多个不同工作波长的光源，而接收机侧存在不同波长的光电检测器，使得同一根光纤上同时有多个波长的光信号传输。另外，在多个光源与光纤之间还要加入波分复用器；光纤与多个光电检测器之间还要加入光波分解复用器。
目前国际领先的光纤设备公司如北电、西门子、朗讯、阿尔卡特等均已试制成功160T的密集波分复用（DWDM）设备，DWDM已广泛应用于骨干网、跨海光缆、大中城市城域网中。
2．波分复用的优点
（1）能够充分利用光纤的潜在带宽；
（2）不同信号的波长之间彼此独立，可以传输性质完全不同的信号；
（3）通过增减传输所使用的波长，可以灵活地配置传输设备。
3．波分复用技术对其它光器件的要求
（1）对光放大器的要求
① 要求光放大器的增益带宽，理想情况下是所有的工作波长均可通过同一个放大器进行放大；
② 增益曲线平坦，即对不同波长信号的放大倍数要相等。
（2）对光纤的要求
① DWDM系统要求光纤的工作窗口在1.55μm；
② 低色散；
③ 承受功率大。
3.5.4 未来光纤通信技术的发展方向
光纤通信技术业已得到了广泛的应用，但仍存在一些尚待解决的问题，以下是目前若干研究工作中的热点：
1．全光通信网
全光通信网是指光信息流在网络中传输及交换时始终以光的形式存在，而不必经过光电、电光的转换，波长成为最基本的信息单元。通过波长交换来进行路由选择。其研究的主要难点是在核心路由器中完成光交换/光路由。
2．光交换
光交换即是在光纤通信网的核心节点处任意光端口之间的信息交换及路由选择。它简化了现有交换中的光/电、电/光转换，实现了真正的高速交换。目前已有全光交换的实验设备建成。
3．光以太网
光以太网技术融合和发展了目前两大主流通信技术，集中了光纤和以太网的优点。光以太网的高速率和大容量的特点消除了局域网之间的带宽瓶颈，也符合技术下移即先进技术从骨干网向接入网转移的趋势。
4．IP over DWDM
基于IP的互联网应用和DWDM技术固有的丰富带宽导致了IP over DWDM的研究。IP over DWDM的核心是由波长交换机和IP路由器所构成的新型路由结点。目前研究的热点主要是IP协议到DWDM接口的映射、以及如何为IP层提供服务质量保证等。
