第四章 光纤通信系统
目录
4.1 模拟光纤通信 2
4.2 数字光纤通信系统和总体设计 3
4.2.1 数字光纤通信系统基本组成 3
4.2.2 数字光纤通信系统总体设计 4
4.3 数字光纤传输系统的性能指标 7
4.3.1 误码性能 7
4.3.2 抖动、漂移性能 8
4.3.3 可用性 8
4.4 光纤放大器及其在光纤通信系统中的应用 9
4.4.1 掺铒光纤放大器 9
4.4.2 喇曼光纤放大器 12
4.5 光载无线技术 13
4.5.1 光载无线技术简介 13
4.5.2 ROF系统的关键技术 14
第四章 光纤通信系统
光纤通信系统分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。其中数字光纤通信系统应用更广泛，模拟光纤通信系统目前主要应用于光纤有限电视网。
本章首先简单解释模拟光纤通信系统，然后重点阐述熟悉光纤通信系统，进一步介绍光放大器的工作原理及其在系统中的应用，最后介绍光纤通信领域的前沿技术之一——光载无线通信。
4.1 模拟光纤通信
以光纤有限电视传输系统为例，阐述模拟光纤通信系统的基本原理及其特点。
传输介质：同轴电缆
头端（也称前端）设备负责将来自卫星、远端有线电视台、本地存储器、实时视频等多个频道节目混合，然后统一向用户发送，传输线路分为干线、配线个引入线3段。
由于需要每个一段距离就设置一个干线放大器，很难保证用户的接收质量，可靠性较差，并且维护费用很高。因此，光纤通信技术一成熟就很快应用到模拟电视信号的光纤传输中，用光纤替代原来的同轴电缆。配线和引入线部分仍然保留原来的同轴电缆网结构，组成光纤同轴电缆混合系统（HFC）。
模拟基带电视信号对射频的调制通常用残留边带调制（VSB-AM）和调频（EM）两种方式，各有不同的适用场合和优缺点。
4.2 数字光纤通信系统和总体设计
4.2.1 数字光纤通信系统基本组成
常见的光纤通信网络拓扑结构：点对点、线性网、环形网、星形网，树形网，网格形。
数字业务信号在数字广信通信系统中的传输一般经过以下几个环节：
把多路业务信号复用为更高速率等级的信号。
对SDH系统，为系统/网络，为系统/网络的运行维护等目的插入OAM开销，并进一步的为方便接收端定时提取而进行扰码。对于PDH系统，为方便定时提取和加入运行维护管理而进行线路扰码。
对光源（如半导体激光器）进行数字调制，完成数字信号到光数字信号的转换。
经广线传输，由于光纤损耗和色散的影响，光信号随光纤传输距离的增大而功率变弱、波形变差。
光信号到达接收端，首先由光电检测器完成光电转换，并进一步放大均衡，然后提取时钟信号，在时钟信号的作用下“判决再生”出数字信号。
解扰并取出开销进行处理（对SDH系统）或进行线路解码，同时处理OAM开销。
解复用出各路数字业务信号。
4.2.2 数字光纤通信系统总体设计
4.2.2.1 总体考虑
- 网络拓扑、线路路由选择
一般位于主干网络中的、网络生存性要求较高的网络适合采用网格拓扑。城域网、网络生循序要求较高的网络适合采用环形拓扑。接入网、网络生存性不高而要求成本尽可能低廉的网络适合采用星型拓扑，无源树形拓扑。 - 系统/网络容量的确定
一般按照系统/网络运行后几年内所需容量确定，
3.光纤/光缆选型
（1）G.652光纤：为1310nm波长性能最佳单模光纤，是目前最常用的单模光纤。主要应用于城域网和接入网。
（2）G.653光纤：为1550nm波长性能最佳的单模光纤。不支持波分复用系统，仅用于单信道高速率系统。目前新建或改建的大容量光纤传输系统均为波分复用系统，故G.653光纤基本不使用。
（3）G.654光纤：为1550nm波长衰减最小光纤，一般多用于长距离海底光缆系统。陆地传输一般不采用。
（4）G.655光纤：非零色散位移单模光纤，适合应用于密集波分复用的大容量的骨干网中。
4.选择合适的设备，核实设备的性能指标。
5.光传输设计。
4.2.2.2 再生段的设计
验证再生段能可靠工作且经济上尽可能低成本。一个光再生段也称作光缆线路系统。
光再生模型包括发送机、光通道和接收机。发送机和光通道之间定义S参考点，光通道和接收机之间定义R参考点，S参考点与R参考点之间为光通道。L为S-R之间的距离。
在实际应用组网中通常有三种光传输设计方法：最坏值设计方法、联合设计法和统计设计法。
最坏值设计法就是在设计再生段距离时，将所有参数值都按照最坏值选取，而不管其具体分布如何，是光缆线路系统传输设计的基本方法。最坏值设计法能够满足系统光接口的横向兼容性，具有简单可靠的特点。
再生段距离的设计可以分为两种情况：损耗受限系统，即再生段距离由S和R点之间的光通道损耗决定；第二种是色散受限系统，即再生段距离由S和R之间的光通道总色散决定。
损耗受限系统
色散受限系统
色散受限系统的最大传输距离是用来ITU-T定义的光通路功率代价概念。
（1）使用多纵模激光器时系统色散受限的最大传输距离。
计算公式如下：
（2）使用单纵模激光器系统色散受限系统的最大传输距离。
4.3 数字光纤传输系统的性能指标
4.3.1 误码性能
- 误码性能及其性能参数的定义
误码是指经光接收机的接收与判决再生之后，码流中的某些比特发生了差错，使传输的质量发生了损伤。
以“块”为基础的误码事件和误码性能参数有以下几种：差错块、严重误块秒、背景块差错、严重误码期、误块秒比、严重误块秒比、背景块差错比、严重误码期强度。
高比特率数字通道误码性能的规范
目前，ITU-T所制定的与网络长期误码性能指标有关的标准有G.826和G.828，与网络短期误码性能指标有关的标准有M.2101。对于一次群或高于一次群的固定比特速率传送网，只要求满足G.826/G.828即可。
4.3.2 抖动、漂移性能
- 抖动、漂移概念及其影响
（1）抖动：定时抖动（简称抖动）定义为数字脉冲信号的特定时刻（如最佳判决时刻）相对于其理想时间位置的短时间偏离。
所谓短时间偏离是指变化频率高于10Hz的相对变化。
抖动对网络的性能损伤表现在以下几个方面：形成抖动噪声，发生误码，产生滑动损伤。
（2）漂移：漂移定义为数字脉冲的特定时刻相对于其理想位置的长时间漂移。
所谓长时间是指变化频率低于10Hz的变化，他与信号频率无关。
漂移会引起传输信号比特偏离时间上的理想位置，结果使输入信号比特不能正确判决，产生误码。
抖动、漂移性能要求。
抖动、漂移的相关性能指标主要有：输入抖动/漂移容限、最大允许输出抖动/漂移、抖动/漂移转移特性。
4.3.3 可用性
可用性指在一个观察期内可用时间所占的百分比，也称为可用性比率（AR）。
不可用性指在一个观察期内的不可用时间所占的百分比。也称为不可用性比率（UR）。
AR+UR=1
4.4 光纤放大器及其在光纤通信系统中的应用
光放大器分为光纤放大器进而半导体放大器两类。光纤放大器（OFA）的放大介质为光纤或掺稀土元素的光纤；半导体放大器的放大介质为半导体晶体材料构成的正向偏压的P-N结。
OFA有根据放大机制不同，分为掺铒光纤放大器（EDFA）和喇曼光纤放大器（RFA）两大类。
4.4.1 掺铒光纤放大器
目前，EDFA是性能最佳、技术最成熟、应用最广泛的光放大器
EDFA工作原理
掺铒光纤是EDFA的核心，掺铒光纤在一定波长的泵浦光激励下，处于低能级的Er^(3+)吸收泵浦光的能量，向高能级跃迁。
EDFA的结构
一个典型的EDFA由掺铒光纤、泵浦源、波分复用器、光隔离器、光滤波器等组成。
EDFA的性能
增益特性
4-14为增益与掺铒光纤长度的关系，开始时增益随着掺铒光纤长度的增加而上升，但光线超过一定长度之后，增益反而逐渐下降，因此存在一个最大增益长度。
输出功率特性
当输入功率增加时，受激辐射加快，以至于减弱了粒子反转分布的程度，使受激辐射光减弱，输出功率趋于饱和。
噪声特性
EDFA的噪声有4中：①信号光的散粒噪声②被放大的自发辐射光ASE的散粒噪声；③自发辐射ASE光谱与信号光之间的差拍噪声；④自发辐射与ASE光谱间的插拍噪声
衡量EDFA的噪声特性可用噪声系数（NF）来衡量，定义为EDFA的输入信噪比和输出信噪比的比值。
在输入小信号情况下，光放大器的噪声系数（NF）随着输入信号光功率的增大而略有减小，而EDFA处于饱和状态时噪声系数随信号功率的增大而增大。
噪声系数随着泵浦功率的增加而减小。
当掺铒光纤长度增大时，同向泵浦形式输出的ASE功率最小。，因而噪声系数最低。双向泵浦形式的噪声系数居中；反向泵浦形式的噪声系数最高。
EDFA的应用
EDFA的基本应用形式
线路放大（将EDFA直接插入到光纤传输线路中对信号进行中继放大），功率放大（将EDFA放在发射光源之后对信号进行放大），前置放大（将EDFA放在光接收机的前面以提高光接收机的接收灵敏度）
EDFA在DWDM系统中的应用。在DWDM系统/网络中作线路放大、功率放大和前置放大时EDFA的典型应用之一。
EDFA在光缆有限电视传输系统中的应用：采用EDFA作为功率放大器以提高发送端的输出光功率。
RFA+EDFA混合放大。
4.4.2 喇曼光纤放大器
- RFA的工作原理
RFA的工作原理建立在光纤喇曼散射的基础上。喇曼散射是指入射泵浦光子通过光纤的非线性散射转移部分能量，产生低频斯托克斯光子，而剩余的能量被介质以分子振动的形式吸收，完成振动态之间的跃迁。
当一束信号光和一个强泵浦光在光纤中同时传输时，如果信号光的波长位于泵浦光波长的Raman增益谱之内，就会由于光纤中受激喇曼散射效应而放大。
2. RFA的基本性能
（1）增益特性：当泵浦功率增加时，喇曼增益也上升。
（2）噪声特性：喇曼放大器的噪声主要是被放大的自发喇曼散射噪声（ASE）、串话噪声、瑞丽散射噪声以及非线性受激布里渊散射造成的噪声。
3. RFA的应用
（1）独立喇曼宽带放大器
（2）RFA+EDFA混合放大器
4.5 光载无线技术
4.5.1 光载无线技术简介
光载无线技术结合了无线通信和光纤通信的优势，利用光纤链路传输射频信号（ROF）。光纤提供了足够高的容量和带宽，而射频技术是的带宽数据可以以最快的速度和廉价的方式传送给终端用户，因此光载无线通信技术综合了射频系统与光纤技术两者的优点，具有广阔的应用前景。
4.5.2 ROF系统的关键技术
- 光载毫米波产生技术
基本原理：通过两个不同频率成分的光波在平方律探测器中进行拍频，从而产生频率为参与拍频的两光波频率之差的射频（或微波）信号。下图为利用光外差来产生高频毫米波信号方法的基本原理，利用具有窄线宽的两个不同频率的光波在光电探测器中进行拍频，从而产生频率为两光波频率之差的射频信号。
2.色散致功率衰落效应
色度色散（简称色散）是限制光纤通信系统传输速率的一个关键因素。色散可引起脉冲展宽，导致码间干扰。
在ROF系统中，色散还会导致所产生射频信号的功率随传输距离发生周期性衰落。
4.5.3 ROF技术的主要应用
1.移动通信：利用ROF技术可以简化基站功能，减少中心站的数量，从而使得具有众多基站的移动通信系统与网络成本大大降低。
2.智能交通与车载通信：智能交通系统（ITS）是通过各种通信技术把人、路、车结合在一起的系统，具有提供交通状况、减少驾驶员负担、提高交通效率甚至于环保的优点。
3.室内覆盖：ROF技术一个非常重要的应用是利用光纤传输射频信号，延长室内射频传输系统的距离和容量，该系统被称为分布式天线系统。
4.卫星通信：利用ROF技术的基站天线覆盖半径较小，具有更强的抗同频干扰能力，可以提高卫星的观测能力，降低地面其他系统的干扰。
摘录自：
[1] 顾畹仪. 光纤通信.第2版[M]. 人民邮电出版社, 2011.
