通信系统中信号衰减对传输质量影响的研究_毕业论文.doc

北京邮电大学世纪学院毕业设计(论文)题 目 通信系统中信号衰减对传输质量 影响的研究 学 号 学生姓名 专业名称 电子信息工程 所在系（院） 通信与信息工程系 指导教师 2015年 6月 1日北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文）姓名学号专业电子信息工程系（院） 通信与信息工程 设计（论文）题目通信系统中信号衰减对传输质量影响的研究题目分类工程设计； 工程技术研究；软件工程（如CAI课题等）； 专题研究；艺术设计； 其他 题目来源 自然科学基金与部、省、市级以上科研课题； 企、事业单位委托课题； 院级课题； 自拟课题 其他 指导教师（指导教师组组长及成员姓名）职 称工作单位备注北京邮电大学世纪学院北京邮电大学世纪学院毕业设计(论文)的内容和要求：注意：选题尽量与实际应用需求相结合。要求写明本设计（论文）所涉及的分析方法或技术手段（如定性、定量分析的方法）；要求有学生独立的见解，设计内容要详细写明具体步骤和技术指标。光纤通信就是利用光纤传输信号，以实现信息传递的一种通信方式。可以把光纤通信看成是以光导纤维为传输媒介的“有线”光通信。光纤由内芯和包层组成，内芯一般为几十微米或几微米，比一根头发丝还细；外面层称为包层，包层的作用就是保护光纤。实际上光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起的组成的光缆。光纤传输系统主要由三部分组成：光源(光发送机) 、传输介质、检测器(光接收机)。光源和检测器的工作由光端机完成，光端机的作用主要就是实现电光、光电的转换。光纤作为传输介质，是光纤传输系统中的重要因素。光纤传输具有频带宽、重量轻、抗干扰能力强、工作性能可靠、成本低的特点。但是光纤中存在色散、损耗和衰减，会严重影响信号的传输质量。信号在传输介质中传播时，将会有一部分能量转化成热能或者被传输介质吸收，从而造成信号强度不断减弱，这种现象称为衰减。衰减产生的原因主要有:可能由通过滤波器而产生的振幅或能量的降低或者是由于媒介的因素，信号在传输中将随时间和距离而减弱的现象。在光通信系统中，很多场合需要用到光信号的功率，以防止光接收机饱和或光放大器增益饱和等。光衰减器是用于对光功率进行衰减的器件，它主要用在光纤系统的指标测量、短距离通信系统的信号衰减以及系统试验等场合。测试和优化各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身，从长距离通讯系统到 LANS和MANS都使用。一个基于实际光纤通讯系统模型的系统级模拟器，OptiSystem具有强大的模拟环境和真实的器件和系统的分级定义。它的性能可以通过附加的用户器件库和完整的界面进行扩展，而成为一系列广泛使用的工具。全面的图形用户界面控制光子器件设计、器件模型和演示。参数的扫描和优化允许用户研究特定的器件技术参数对系统性能的影响。 本论文要求学生详细阐述信号衰减的类型，计算和原理，光衰减器的原理和应用。熟练使用OptiSystem光通信系统设计软件并通过设计搭建单信道光纤传输系统，通过改变光衰减器的衰减值研究接收端信号的质量，并进一步改变系统速率、输入信号光的功率、线宽和相位等参数变化环境下，信号衰减对传输质量影响的研究。论文内容包括： 1、阐述信号衰减的类型，计算和原理； 2、阐述光衰减器的原理和应用； 3、阐述光传输系统的特点、构成和现状； 4、熟练使用OptiSystem光通信系统设计软件并搭建光传输系统平台； 5、通过使用OptiSystem，仿真不同光衰减器的衰减值研究接收端信号的质量，并进一步改变系统速率、输入信号光的功率、线宽和相位等参数变化，信号衰减对传输质量影响； 6、分析过程及结论。应完成的工作和提交材料要求（课题完成后应提交成果的种类、数量、质量等方面的要求）：1、开题报告：3000字左右；2、中期检查表； 3、每周和老师见面，提交指导记录表；4、提交符合学校要求的正文字数不少于15000字的论文；5、尽量结合课题，翻译1500汉字以上的有关技术资料或专业文献； 6、提交基于OptiSystem光通信系统设计软件的单信道光纤传输系统仿真图，并对比分析不同信号衰减对信号传输质量的影响。主要参考文献（参考文献不少于4篇，参考文献目录按GB/T77142005的要求填写）：1 周炯槃.通信原理M.北京邮电大学出版社.20082 苏翼凯,冷鹿峰.高速光纤传输系统M.上海:上海交通大学出版社,2009 3 张云聪.全光纤热光型可变光衰减器J.中国激光.20084 胡辽宁.高速光通信中若干关键技术的研究.D. 西安:西安电子科技大学.2004 5 缪长樱.光衰减器主要参数测量不确定度的评定.J. 中国科技核心期刊.2008毕业设计（论文）进度计划（从正式启动时间开始，以周为单位填写）：第七学期第14周 任务书下达，开始毕业设计（论文）；第七学期第15-16周 进行课题调研、查资料、撰写开题报告；第七学期第17周 完成并提交开题报告，进行开题答辩；第八学期第1-2周 基于OptiSystem搭建光纤传输系统平台，并讨论仿真不同光衰减器的衰减值研究接收端信号的质量，并进一步改变系统速率、输入信号光的功率、线宽和相位等参数变化，信号衰减对传输质量影响，并设计出论文整体框架；第八学期第3-4周 完成论文中期检查报告，进行中期答辩；第八学期第5-9周 进一步完善仿真，整理资料，撰写毕业论文；第八学期第10-11周 上交电子版毕业设计（论文），对学生的毕业设计（论文）的内容、 格式等进行审核，准备答辩。第八学期第12-13周 提交毕业设计论文及相关资料，进行毕设答辩。 指导教师签字： 日期： 年 月 日教学单位意见审核人签字： 年 月 日备注1、由指导教师撰写，可根据长度加页，一式二份，系（院）留存一份，发给学生一份，任务完成后附在论文内；2、凡审核不通过的任务书，请重新申报北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文）诚信声明本人声明所呈交的毕业设计（论文），题目通信系统中信号衰减对传输质量影响的研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名： 日期： 毕业设计（论文）使用权的说明本人完全了解北京邮电大学世纪学院有关保管、使用论文的规定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存论文；学校可允许论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容。本人签名： 日期： 指导教师签名： 日期： 题目 通信系统中信号衰减对传输质量影响的研究 摘要随着现代通信的发展，光纤技术的发展异常的迅速，目前光纤通信已成为信息高速公路的传输平台。光纤的许多特性与线路工程设计密切相关，其中损耗是系统设计特别需要考虑的特性，而对光纤特性的测量可为设计光纤系统时提供所需要的数据，也可为光纤的铺设与修复提供帮助。因此，为了更好的利用光纤，我们有必要对光纤的衰减特性及其测量进行深入、全面的学习。本文借助OptiSystem软件设计搭建单信道光纤传输系统，对不同器件的参数和光衰减器的衰减值进行仿真，通过仿真结果对比不同的类型信号衰减，然后以最大Q因子为指标参数，利用固定变量的方法，系统研究了频率、功率、衰减系数、光纤长度、不同类型光纤、光纤连接器数目和单个光纤连接器的衰减值等参数的变化对单信道光纤通信系统信号衰减的影响。关键词 光纤 信号衰减 OptiSystem 最大Q因子Title The research on the effect of attenuation of signals for the transmission quality in communication system AbstractWith the development of modern communication, the rapid development of optical fiber technology of anomaly,at present, optical fiber communication has become the transmission platform of information highway.Many engineering design characteristics and line are closely related to the loss of optical fiber, which is characteristic of the system design of special considerations,While measuring the fiber characteristics to design optical fiber system can provide the required data, but also for the fiber laying and repair help.Therefore, in order to make better use of optical fiber，it is necessary for us to conduct in-depth, comprehensive study on the characteristics and measurement of optical fiber attenuation,.OptiSystem software design of single channel optical fiber transmission system with the aid of this article, the simulation of different device parameters and the value of attenuation of optical attenuator,by comparing the simulation results of different types of signal attenuation difference.This paper mainly introduces the Q factor is used to the parameters and we chose the method of fixed variables.Study on the influence of frequency, power, attenuation coefficient, fiber length, fiber, different types of optical fiber connector, the number of single fiber optic connector attenuation value and other parameters of the signal attenuation system.Keywords Optical fiber Signal attenuation OptiSystem The maximum Q factor 目录1 绪论11.1研究背景11.2研究意义21.3本论文的组织结构32 光纤通信概述42.1光纤通信技术的发展和现状42.2光纤通信系统和技术62.2.1光纤通信系统的组成62.2.2光纤通信系统的分类82.2.3光纤通信技术技术功能构成92.2.4光纤通信技术的特点93光纤中信号衰减的原理113.1光纤中信号衰减特性计算113.2光纤中信号衰减的类型和原因123.2.1光纤中信号衰减的类型123.2.2光纤中信号衰减的原因134光衰减器154.1光衰减器简介154.2光衰减器的特性和原理164.2.1光纤衰减的制作原理164.2.2光纤衰减的特性194.2.3光衰减器的分类204.2.4光衰减器的应用205使用OptiSystem 软件仿真不同光衰减器的衰减值研究215.1 OptiSystem 简介215.2 基于OptiSystem的单信道光纤传输系统的仿真225.2.1 OptiSystem单信道光纤传输系统的搭建235.2.2 不同CW lazer（连续波激光器）参数对传输质量影响的仿真235.2.3 不同光纤参数对传输质量影响的仿真265.2.4不同光衰减器衰减系数对传输质量影响的仿真295.2.5 三段光纤级联的仿真306结论347下一步工作及展望35致谢36参考文献37III北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文）1 绪论1.1研究背景光纤通信（Fiber-optic communication）,是指一种利用光与光纤（optical fiber）传递信息的一种方式，属于有线通信的一种1-2。光纤由内芯和包层组成，内芯一般为几十微米或几微米；外面层称为包层，包层的作用就是保护光纤。实际上光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起的组成的光缆。光纤传输系统主要由三部分组成：光源(光发送机) 、传输介质和检测器(光接收机)。光源和检测器的工作由光端机完成，光端机的作用主要就是实现电光、光电的转换。光纤作为传输介质，是光纤传输系统中的重要因素。光纤传输具有频带宽、重量轻、抗干扰能力强、工作性能可靠、成本低的特点。但是光纤中存在损耗、衰减和色散，会严重影响信号的传输质量。光纤通信的信号衰减程度在通信传输过程中具有重要地位，一方面，它可以作为衡量通信质量的指标，另一方面它也直接影响着缆线布置中的中继距离、系统的扩容升级等特性。通信过程中的信号衰减是由多方面原因产生的，比如、缆线的制造缺失、使用过程中的散射、弯曲、吸收等3。光纤的主要作用是引导光在光纤内沿直线或弯曲的途径传播。为了实现长距离的光纤通信，必须减小光纤的衰减。CKKao早就指出降低玻璃内的过渡金属杂质离子是降低光纤衰减的主要因素。另一方面，玻璃内的OH离子对衰减也有严重的影响。到了1976年，人们设法降低OH含量后发现低衰减的长波长窗口有：1.31m、1.55m。1980年，光纤衰减已降低到0.2dB/km(1.55m)，接近理论值。这样，使得进行长距离的光纤通信成为可能。与此同时，为促进光纤通信系统的实用化，人们又及时地开发出适用于长波长的光源、激光器、发光管、光检测器。应运而生的光纤成缆。光无源器件和性能测试及工程应用仪表等技术日臻成熟。这都为光纤光缆作为新的通信传输媒介奠定了良好的基础4。衰减是光纤的重要特性，直接影响到光纤通信中继站的建设距离，中继站的数量对光缆施工、维护及运营成本影响非常大。光纤在传输的过程之中，其传输强度是随着距离的变化而发生改变的，传输的距离越长光纤的强度越弱，我们将光纤的这种特性称之为光纤损耗。光纤在传输的过程中出现损耗的主要原因包括两个方面：其是在传输的过程中光纤自身产生了一定的损耗，如：吸收损耗、散射损耗等等；另一方面的原因是：作为系统传输线引起的弯曲损耗等。吸收损耗主要是指：在光波传输的过程中，有一部分光能会转发成为热能。光纤的吸收损耗主要由两个因素引起：其是光纤玻璃材料本身的固有吸收损耗；其二是指因杂质引起的吸收损耗。如何降低光纤衰减，提高光纤的传输性能一直是各个光纤生产厂家不懈追求的目标。1.2研究意义光纤通信技术是近30年迅猛发展起来的高新技术，给世界通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了巨大变革。近几年，光纤通信技术在人类生活和社会发展中起着越来越重要的作用。随着光纤通信技术的发展，人们对光纤通信的认识也逐渐增强，我国也逐渐向信息化时代发展。另一方面，人们对光纤通信传输速度和准确性的要求也逐渐提高。但是，在光纤通信系统传输中还存在许多问题，这些问题会导致通信信号在传输过程中衰减。作为通信传输的重要环节, 信号的发送与接收是否良好是决定通信传输质量的关键。光纤通信具有速率高，传输信息大，传输距离远，抗干扰能力强，保密性好等优点。近年来，随着人们对通信带宽需求的迅速增长，光纤通信骨干网上单通道传输速率一直在朝着高速、大容量和长距离的方向发展。在我国，随着经济的迅速发展，通信技术和通信市场也得到了飞速的发展。单通道速率为10Gbit/s的系统已经商业化，单通信速率正向40Gbit/s甚至更高速率发展。在当前人们对信息传输需求不断增大的市场环境下, 保证信号的强度是客户对通信传输业提出的新的要求, 也是通信行业亟待解决的一个主要技术问题 。一般来讲, 通信信号在传输的过程中出现了衰减现象, 其形成原因是多方面的, 但最主要的原因在于通信电缆自身的问题, 如线路的几何缺陷、 散射损耗、 吸收损耗以及弯曲损耗等等5。为了保证通信信号在传输过程中的质量，需要对信号衰减对传输质量的影响进行分析。所以，本研究课题具有重要的现实研究意义。1.3本论文的组织结构本文系统研究了光纤通信邻域中的光纤信号衰减对通信质量的影响，详细介绍了信号衰减的类型，计算和原理，光衰减器的原理和应用。并使用OptiSystem光通信系统设计软件并通过设计搭建单信道光纤传输系统，通过改变光源的类型、光纤的参数和光衰减器的衰减值研究接收端信号的质量，并进一步改变系统速率、输入信号光的功率、线宽和相位等参数变化环境下，信号衰减对传输质量影响的研究。 第一章介绍了本文的研究背景和研究意义。为了保证通信信号在传输过程中的质量，需要对信号衰减与传输质量的关系进行研究分析。 第二章描述了光纤通信技术的概况。包括：光纤通信系统及其特点，光纤通信技术研究的主要内容以及光纤通信技术的发展和现状。第三章介绍信号衰减的原理和计算。包括：信号衰减的原因，类型和相关计算问题。第四章着重介绍光衰减器。包括：光衰减器简介；光衰减器的原理，分类和应用。详细阐述了空气隔离技术、位移错位技术、衰减光纤技术、吸收玻璃法等光衰减器的制作原理。第五章介绍和使用OptiSystem 软件仿真了不同光衰减器的衰减值研究。从仿真实验的角度搭建了光纤传输系统，并验证了变化环境下，信号衰减对传输质量的影响。第六章对全文的工作成果进行了总结，对未来的工作方向进行了展望。2 光纤通信概述光纤通信作为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中，起着举足轻重的作用。光纤即光导纤维的简称。光纤通信是以光为载频，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。光纤与以往的铜导线相比，具有损耗低，频带宽，无电磁感应等传输特点。因此，人们希望将光纤作为灵活性强，经济的优质传输介质，广泛地应用于数字传输方式和图像通信方式中，这种通信方式在今后非话业务的发展中是不可缺少的。由于光纤通信具有一系列优异的特点，因此，光纤通信技术近几年来发展速度之快，应用面之广是通信史上罕见的。可以说，这种新兴技术，是世界新技术革命的重要标志6。又是未来信息社会中各种信息网的主要传输工具。光纤与以往的铜导线相比，有本质的区别，因此，在传输理论，制造技术，连接方法，测试方法等方面，基本上都不能采用铜质电缆的理论与方法。2.1光纤通信技术的发展和现状光纤通信经过30多年的发展，经历了五个发展阶段，其中有三代光纤通信系统由试验研究已进入了实用阶段。1、 第一代光纤通信系统。1978年，第一代光纤通信系统，即0.85um多模光纤通信系统，正式投入商用，光源为半导体激光器（LD）或发光二极管（LED），工作波长=0.85m，该光纤通信系统称为短波通信系统。比特率为20Mb/s100Mb/s，最大中继距离为10Km，最大容量约为500（MB/S）Km。2、第二代光纤通信系统。20世纪80年代初，第二代早期多模光纤通信系统（1.3um）多模光纤通信系统问世。光源为半导体激光器，工作波长1.3m，该波段为石英系光纤第二代低损耗窗口，有较低的损耗和色散。信道均为均匀多模光纤。由于多模光纤的横向色散，故该早期多模光纤的比特限制在100Mb/S以下。随着光纤由多模光纤发展到单模光纤，单模光纤比多模光纤的色散系数更低，损耗更小，因此，采用单模光纤则可进一步提高中继距离。1981年，英国贝尔实验室演示了一个单模光纤通信系统，其传输距离为44Km，传输速率为2Gb/s，并且很快引入到商业系统。1987年第二代单模光纤通信系统（1.3m）引入到商业系统，速率为1.7 Gb/s，中继距离为50Km左右。3、第三代光纤通信系统。1990年，第三代光纤通信系统已能商业应用，光源为铟鐌砷磷半导体激光器，单模光纤工作波长为1.55um，称为长波系统。1979年其损耗达到0.2dB/Km，是石英光纤的第三个低损耗工作窗口，由于在1.55um处，光纤的色散较高，损耗较小，终于在1990年第三代光纤通信系统引入商业系统。传输速率在2.42.5Gb/S，中继距离可达100Km左右。另外，最近几年，又将1.30um和1.55um合用，即单模光纤具有二个工作波长窗口，因此传输速率可达到10Gb/S,传输距离为100200Km左右。4、第四代光纤通信系统。此代通信系统又称相干光纤通信系统，它是利用激光的相干性，将无线通信中采用的“外差”或“容差”接收和先进的调幅键控制，相移键控制，频移键控制等应用到光纤通信系统中，相干光纤系统已在实验室中得到成功，可用于长途骨干和综合业务的数字网，日本已在1990年实现了2223KM的中继距离。5、第五代光纤通信系统。该代又称光弧子通信系统，它是利用光纤的非线性进行超大容量，超常距离的通信方式。光弧子（Soliton），又称光弧粒子，它是一种特殊的波，在经过长距离传输后，仍保持波形不失真，而且，即使两侧光弧子波相互碰撞后，依然保持各自原来的形状不变。弧子的概念，首先在流体力学中提到，早在1834年，英国一个科学家拉塞耳，发现一艘船在狭窄的苏格兰运河中快速行进，当突然停止时，船头发现了一股水柱滚滚向前，水柱形状不变，当它和其它幅度较低速度的波相遇时，这个波可以不失真地穿过。于是，它首先引进了弧子这个概念来描述这个现象。光弧子是一种非常窄，并具有很强地光脉冲。光弧子的存在是光纤速度色和自位调制平衡的结果，它的产生是由于在单模光纤中，当光的强度增加到一定程度时，将出现非线性效应。光弧子脉冲很窄，达0.2ps，因此，可实现大容量长距离的通信。先后由美国、英国、日本等国家试验，到1995年试验可以达到8100Km(20Gb/S)、40Gb/S，可达5000Km。光弧子通信是一种潜在应用前景的传输方式，能否迅速实现商业化，取决于技术发展和市场的需求及其经济性。全光交换机、微型光纤等也相继在研究和试验中。30余年来，光纤通信获得了迅猛地发展，对通信技术产生了深远影响，光纤通信技术已成为信息社会的支柱，已成为信息“高速公路”的骨干网，是用户、接入网及今后世界通信发展的主体7。目前，光纤技术，大量的理论研究正在研究中，未来前景可观，可以讲是通信领域的第二次革命。2.2光纤通信系统和技术光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。光纤通信作为信息化的主要技术支柱之一，必将成为21世纪最重要的战略性产业。光纤通信技术和计算机技术是信息化的两大核心支柱，计算机负责把信息数字化，输入网络中去；光纤则是担负着信息传输的重任。当代社会和经济发展中，信息容量日益剧增，为提高信息的传输速度和容量，光纤通信被广泛的应用于信息化的发展，成为继微电子技术之后信息领域中的重要技术。2.2.1光纤通信系统的组成光纤传输系统的主体主要由三部分组成：光源(光发送机) 、传输介质(光纤)和检测器(光接收机)8。但是实际应用中，光纤传输系统主要由以下部分组成。光发送机：光发信机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。电端机就是常规的电子通信设备。光收信机：光收信机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。光纤或光缆：光纤或光缆构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。中继器：中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行政性。光纤连接器、耦合器等无源器件：由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的（如1Km)。因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。目前实用的光纤通信系统都采用直接检波系统。直接检波系统就是在发送端直接把信号调制到光波上，而在接收端用光电检波管直接把被调治的光波检波为原信号的系统。电端机就是一般电信号设备，例如载波机或电视图象发送与接受设备等。光端机则是把电信号转变为光信号（发送光端机），或把光信号转变为电信号（接收光端机）的设备。发送光端机的作用是将发送的电信号进行处理，加在半导体激光器上，使电信号调制光波，然后将此已调制光波送入光导纤维。已调制光波经光导纤维传送至接收光端机的半导体光电管上检波。检波后得到的电信号经过适当处理再送接受电端机，然后按一般电信号处理。这就是整个光纤通信的过程。这个过程和一般无线电通信过程是十分相似的。当然光线通信的空间传输手段是光导纤维，这与一般无线电通信在空间传输电波的情况是不同的。直接检波系统的基本优点是构成简单，就当前光波技术水平来讲现实可行。同时由于光波频率极高，在这样系统上传送上万路电话，几十路电视并不困难，完全可以满足目前通信的需要。因此直接检波系统是光纤通信当前较多采用的形式。图2-1光纤通信系统的组成2.2.2光纤通信系统的分类(1)按波长分类短波长光纤通信系统，工作波长在0.80.9m范围，典型值为0.85m，这种系统的中继间距离较短，目前使用较少。长波长光纤通信系统，工作波长在1.01.6m范围，通常采用1.3m1.5m两种波长。这类系统的中继距离较长，尤其是采用1.5m零色散位移的单模光纤时，140Mbit/s系统的中继距离可达到100Km。超长波长光纤通信系统，采用非石英光纤，例如卤化物光纤，工作波长大于2m时，衰减为10-210-5dB/Km，可实现1000Km无中继传输。(2)按光纤的模式分类多模光纤通信系统，采用石英多模梯度光纤作为传输线路，因传输频率受限制，一般应用于140Mbit/s以下的系统。单模光纤通信系统，采用石英单模光纤作为传输线，传输容量大，距离长。目前建设的光纤通信系统都是这一类型的。(3)按光纤的传输型号分类光纤模拟通信系统，它是用模拟信号直接对光源进行强度调制的系统。光纤数字系统，它是用PCM数字电信号直接对光源进行强度调制的系统，其通信距离长，传输质量高，是被广泛采用的系统。(4)按传输速率分类低速光纤通信系统，一般传输信号速率为2Mbit/S或8Mbit/S。高速光纤通信系统，它的传输信号速率为34Mbit/S、140Mbit/S以上的系统。有时把速率等于140Mbit/S和高于140Mbit/S的系统才称为高速通信系统。如1.5G/S,2.5G/S等。(5)按应用范围分类公用光纤通信系统，电信部门应用的光纤通信系统称为公用光纤通信系统，它包括光纤市话中继通信系统，光纤长途通信系统，光纤用户环路通信系统等。专用光纤通信系统，指电信部门以外的各部门应用的光纤通信系统，例如电力、铁路、交通、石油、广播、银行、军事等应用的部门，统称为专用光纤通信系统。2.2.3光纤通信技术技术功能构成光纤通信是利用光作为信息载体、以光纤作为传输的通信方式。在光纤通信系统中,作为载波的光波频率比电波的频率高得多,而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或导波管的损耗低得多,所以说光纤通信的容量要比微波通信大几十倍9。光纤是用玻璃材料构造的,它是电气绝缘体,因而不需要担心接地回路,光纤之间的串绕非常小;光波在光纤中传输,不会因为光信号泄漏而担心传输的信息被人窃听;光纤的芯很细,由多芯组成光缆的直径也很小,所以用光缆作为传输信道,使传输系统所占空间小,解决了地下管道拥挤的问题。光纤通信在技术功能构成上主要分为:(1)信号的发射;(2)信号的合波;(3)信号的传输和放大;(4)信号的分离;(5)信号的接收。2.2.4光纤通信技术的特点(1)频带极宽,通信容量大。光纤比铜线或电缆有大得多的传输带宽,光纤通信系统的于光源的调制特性、调制方式和光纤的色散特性。对于单波长光纤通信系统,由于终端设备的电子瓶颈效应而不能发挥光纤带宽大的优势。通常采用各种复杂技术来增加传输的容量,特别是现在的密集波分复用技术极大地增加了光纤的传输容量。目前,单波长光纤通信系统的传输速率一般在2.5Gbps到10Gbps。(2)损耗低,中继距离长。目前,商品石英光纤损耗可低于020dB/km,这样的传输损耗比其它任何传输介质的损耗都低;若将来采用非石英系统极低损耗光纤,其理论分析损耗可下降的更低。这意味着通过光纤通信系统可以跨越更大的无中继距离,对于一个长途传输线路,由于中继站数目的减少,系统成本和复杂性可大大降低。(3)抗电磁干扰能力强。光纤原材料是由石英制成的绝缘体材料,不易被腐蚀,而且绝缘性好。与之相联系的一个重要特性是光波导对电磁干扰的免疫力,它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰,也不受人为释放的电磁干扰,还可用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆。(4)无串音干扰,保密性好。在电波传输的过程中,电磁波的泄漏会造成各传输通道的串扰,而容易被窃听,保密性差。光波在光纤中传输,因为光信号被完善地限制在光波导结构中,而任何泄漏的射线都被环绕光纤的不透明包皮所吸收,即使在转弯处,漏出的光波也十分微弱,即使光缆内光纤总数很多,相邻信道也不会出现串音干扰,同时在光缆外面,也无法窃听到光纤中传输的信息。除以上特点之外,还有光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设;光纤的原材料资源丰富,成本低;温度稳定性好、寿命长。由于光纤通信具有以上的独特优点,其不仅可以应用在通信的主干线路中,还可以应用在电力通信控制系统中,进行工业监测、控制,而且在军事领域的用途也越来越为广泛。3光纤中信号衰减的原理3.1光纤中信号衰减特性计算光波在光纤中传输时，光功率随着传输距离的增加而减少，这种减少称为光纤的衰减，可用下式定义：式(3-1)式中，为输入光功率值(W瓦特)，为输出光功率值(W瓦特)，为衰减系数(dB/km)。当光纤损耗均匀时，其损耗常用衰减系数可用来表示：式(3-2)式中，为在波长为时的光纤衰减系数。常用的石英玻璃系列单模纤维的衰减系数在1310nm波长处约为0.35dB/km，在1550nm处波长约为0.20dB/km。假如某光纤的衰耗系数为a=3dB/km，则意味着经过一公里光纤传输Pi/Po= = 2后，其光信号功率值减小了一半。长度为L 公里的光纤总的衰耗值为：式(3-3)对于单模光纤，按照0.18dB/km 的衰耗。对于一个光信号，若经过EDFA 放大后输出功率为+5dBm ，其接收端的接收灵敏度若为-28dBm ，则放大增益为33dB ，除以衰耗系数，除数距离为33/0.18=183公里，考虑老化等情况，可传输120km 以上。单模光纤在1310nm 和1550nm 波长区的衰减常数一般分别为0.30.4dB/km(1310nm) 和0.170.25dB/km(1550nm) 。ITU-TG.652建议规定光纤在1310nm和1550nm的衰减常数应分别小于0.5dB/km 和0.4dB/km。实际应用中，光信号的长距离传输要求信号功率足以抵消光纤的衰耗，G.652 光纤在1550nm 窗口的衰耗系数一般为0.25dB/km 左右，考虑到光接头、光纤冗余度等因素，综合的光纤衰耗系数一般小于0.275dB/km10。3.2光纤中信号衰减的类型和原因3.2.1光纤中信号衰减的类型光纤中信号衰减的类型：包括本征损耗，制造损耗和附加损耗。引起光纤的衰减的原因很多，主要可以从光纤本身的材料结构和成纤后的使用性能两方面考虑，现归纳于表3-1中，下文中具体介绍了这些衰减的具体过程。 表3-1光纤衰减的原因光纤本身的传输损耗吸收损耗 材料杂质吸收过渡金属正离子吸收(Cu2+、Fe2+、Cr2、Co2、Ni2+)在可见光与近红外段吸收； 材料固有的吸收(基本材料本征吸收)紫外区吸收(电荷转移波段)近红外区段吸收(分子振动波段)散射损耗波导结构散射 (制作不完善造成)折射率不均匀引起的散射光纤芯径不均匀引起的散射纤芯与包层截面不平引起的散射晶体中气泡及杂物引起的散射材料固有散射瑞利散射受激拉曼散射受激布里渊散射光纤使用时引起的传输损耗持续损耗弯曲损耗微弯曲损耗固有因素：芯径适配、折射率分布失配、同心度不良等外部因素：纤芯位置偏差、光纤角度偏差等光纤弯曲半径小于容许弯曲半径所产生的损耗光纤轴产生微米级弯曲引起的损耗3.2.2光纤中信号衰减的原因光纤在传输的过程之中，其传输强度是随着距离的变化而发生改变的，传输的距离越长光纤的强度越弱，我们将光纤的这种特性称之为光纤损耗11。光纤在传输的过程中出现损耗的主要原因包括两个方面：其是在传输的过程中光纤自身产生了一定的损耗，如：吸收损耗、散射损耗等等；另一方面的原因是：作为系统传输线引起的弯曲损耗等。(1)吸收损耗。吸收损耗主要是指：在光波传输的过程中，有一部分光能会转发成为热能。光纤的吸收损耗主要由两个因素引起：其是光纤玻璃材料本身的固有吸收损耗；其二是指因杂质引起的吸收损耗。光纤材料的固有吸收又叫本征吸收，在不含任何杂质的纯净材料中也存在这种吸收。固有吸收有两个吸收带，个吸收带在红外区，吸收峰在波长8-12mm范围，它的尾部拖到光通信所要用的波段范围，但影响不大拐个吸收带在紫外区，吸收峰在0.1mm附近，吸收很强时，它的尾巴会拖到0.7-1.1mm波段里去。对物质固有吸收来说，在远离峰值区域的1.0-1.6mm波段范围内，固有吸收损耗为低谷区域。杂质吸收损耗是由光纤材料中铁、钴、镍、铬、铜、钒、镁等随遇金属离子以及水的氢氧根离子的存在造成的附加吸收损耗。随着近年来我国经济的发展和科学技术的进步，对金属离子杂质的提纯技术有了较大程度的提高，已经不再是光纤通讯的阻碍；但是，氢氧根对光纤通讯的影响还是不容小觑的，因为在光纤通讯的光纤材质中，光纤本身的水含量较高，因此在对其进行提纯的过程中很难清除干净，导致其残存在光纤中，而残留于光纤内的氢氧根离子，使得在波长在0.94mm、1.24mm和1.38mm附近出现吸收谐振峰，峰值大小与氢氧根离子浓度密切相关。为减小氢氧根离子的影响，工作波长必须避开吸收峰谐振区域，为此将工作波长选择在0.85mm、1.3mm和1.55mm附近，提纯又称它们为第一窗口、第二窗口和第三窗口。(2)瑞利散射损耗。光波在传输的过程中会遇到各种微小的颗粒，当两者发生碰撞时，光波就会向四周散射，物理学上将这一现象称之为瑞利散射。而在光纤通信中，我们将这种光纤耗损现象命名为瑞利散射耗损12。要想最大限度的降低瑞利散射耗损现象的发生，我们必须要对产生这一现象的原因进行全面系统的把握：在光纤的制造过程中，因冷凝条件不均匀造成材料密度不均匀，以及掺杂时因材料组分中浓度涨落造成浓度的不均匀，以上两种不均匀微粒大小在与光波长可相比拟的范围内，结果都产生折射率分布不均匀，从而引起瑞利散射损耗。散射现象是任何固体都不能避免出现的物理现象，无论采用如何高端的技术手段和措施都不可能将其消除。但是，瑞利散射损耗有个非常重要的特性，那就是其损耗系数与光纤通信传播的光波长成反比。根据瑞利散射损耗的这一特性，在对光纤通信进行设计时，我们可以选择长段波长。(3)色散。光纤的色散是指光纤昕传输信号的不同模式或不同频率成分，由于其传输速度的不同，从而引起传输信号发生畸变的一种物理现象。对于光通信来说，大多数光纤通信系统采用数字通信方式，在这种通信系统中，用数字脉冲信号去调制光载频，因而，在光纤中所传输的是个个的光脉冲信号，由于信号的各频率成分或各模式成分的传输速度不同，当它在光纤中传输一段距离后，将互相散开，于是光脉冲被展宽，严重时前后脉冲将互相重叠。这将形成码间干扰，增加误码率，使通信质量下降。为保证通信质量，必须加大码间距离，这就降低了通信容量。另方面，传输距离越长，脉冲展宽越严重，因而色散也就限制了光纤的一次传输距离。由此看来，制造优质的、色散小的光纤，对增加通信系统容量和加大传输距离是至关重要的。光纤的色散值是光纤的个重要指标。(4)由于结构不均匀而引起的散射损耗。这种散射损耗是由于光纤结构的缺陷产生的。结构缺陷包括光纤芯子与包层交界面的不完整，存在微小的凹凸缺陷，以及芯径与包层直径的微小变化和沿纵轴方向形状的改变等，他们将引起光的散射，产生光纤传输模式散射性的损失。不断提高光纤的制造工艺，采用现代化监测控制技术，可以使结构不完善引起的散射损耗越来越小。(5)弯曲损耗。弯曲损耗是一种辐射损耗。它是由于光纤的弯曲所产生的损耗，当光纤在集束成缆或在光纤、光缆的敷设、施工、接续中造成光纤的弯曲，其弯曲的曲率半径小到一定程度时，芯子内光射线不满足全反射条件，使部分光功率由传输模式转为辐射模式而造成的损耗。弯曲的曲率半径越小，造成的损耗越大。般认为，当光纤弯曲的曲率半径超过10cm时，弯曲所造成的损耗可以忽略。因此，在工程中必须要保证光缆和光纤在静态和动态时的弯曲曲率半径限值要求，通常动态时的曲率半径限值要大于静态时的曲率半径限值，这是为了确保在施工过程中不会发生光纤断裂损伤。4光衰减器4.1光衰减器简介在光通信系统中，许多场合需要减少光信号的功率。比如，光接收机对光功率的过载非常灵敏，必须将输入功率控制在接收机的输入范围内，防止其饱和。或者，光放大器前的不同信道输入功率间的平衡可防止某个或某些信道的输入功率过大，引起光放大器增益饱和等。在通常情况下，我们都希望传输线的损耗越小越好，但在有些情况下，由于信号源及传输距离的不确定，线路中的信号强度可能过大，这就需要采取某种措施减小信号13。光衰减器就是这样一种用于消除线路中过大信号的器件。光衰减器的主要作用是可按照用户的要求将光信号进行预期地衰减。如下图所示是几种光衰减器： (a) (b)(c) 图4-1(a)市场上的光衰减器(b)插座式光衰减器(c)法兰式光衰减器4.2光衰减器的特性和原理4.2.1光纤衰减的制作原理根据以上光在线路中传输的特性，可以通过多种原理，完成光衰减器的制作。(1)空气隔离技术光在光纤中传输受到全反射定律的制约，无法散射出来，保持强度的相对稳定。而一旦其脱离光纤，在光纤与光纤之间加入空气间隔，光就会散射出去，从而引起光的衰减。由于光从普通光纤中入射到空气中散射很强，为此要使衰减量控制一定的范围，就要确保隔离距离及保持两端光纤的对准。图4-4单模光纤空气隔离距离与衰减值曲线通过这个原理可以制作法兰式固定衰减器和可调衰减器。法兰式固定衰减器采用隔离衰减片，根据曲线图制作一定厚度的衰减片，将衰减片植入法兰中，就可起到固定光衰减的作用。法兰式可调光衰减器采用机械旋转原理，通过机械旋转调节两端连接器间的距离，可使光衰减在030dB之间。(2)位移错位技术此方法是将2根光纤的纤芯进行微量平移错位，从而达到功率损耗的效果。图4-5光纤错位通过使用普通尾纤，用熔接机将2根尾纤的纤芯在错位的情况下进行熔接工作，使光在传输过程中发生偏芯损耗，得到连接器式固定衰减器，又称在线固定衰减器。(3)衰