基于网络的高速数字光纤传输系统的设计

1、沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计说明书毕 业 设 计 题 目 基于网络的高速数字光纤传输系统的设计 系 专业班级 信息与控制工程系 通信工程12-1班 学 生 姓 名 刘欣洋 性别 男 指 导 教 师 周昕 职称 副教授 2016 年 5 月 23 日摘要当今世界，计算机与通信技术高度结合，光纤通信有了长足发展。纵观当今电信的主要技术，光纤和广波的变革极大的提高着信息的传输。20世纪70年代末，光纤通信开始进入实用化阶段，各种各样的光纤通信系统如雨后春笋在世界各地建立起来，逐渐成为电信传送网的主要传送手段。近几年来，光纤通信中的各种新技术，新系统也日新月异地发展着，在全球信息高速公路建设中扮演

2、重要角色。 为保证中国通信网络的进一步拓展，实现业务的多元化，实现世界一流信息强国的发展目标，在复杂环境中保持与其它国家的竞争优势，加快全光网络建设的步伐，实现多媒体信息的光速传播和智能化业务的深入覆盖，让人类生活与高科技无缝对接，光网络传输基础的建设已势在必行。而要想实现光传输网络的发展，工程建设设计就具有了不可忽视的作用。本文是针对基于网络通信的高速数字光纤传输系统进行设计，主要对光纤通信系统的基础理论，工作原理和对器件进行选取。介绍了光纤通信系统的基本组成，性能指标，还要对损耗和色散进行预算，之后根据用户对传输距离和传输容量(话路数或比特率)及其分布的要求，按照国家相关的技术标准和当前设

3、备的技术水平，经过综合考虑和反复计算，选择最佳路由和局站设置、传输体制和传输速率以及光纤光缆和光端机的基本参数和性能指标、采用STM-16系统来达成高速的数字光纤传输系统。关键词：光纤通信系统；光纤；损耗；色散；STM-16Abstract In today's world,combined with a high degree of computer and communication technology,optical fiber communication has made great progress.Throughout today's major telecomm

4、unications technology,fiber optics and wide wave of change greatly improve the transmission of information.The late 20th century,70,entered the practical optical fiber communication phase,a variety of fiber optic communication systems are springing up all over the world set up,has become a major tel

5、ecommunications transmission network transmission means.In recent years,optical fiber communications in a variety of new technologies,new systems are developing rapidly with the global information highway construction plays an important role. To ensure the further development of China's telecomm

6、unications network,maintain a competitive advantage with other countries in a complex environment,accelerate the pace of construction of all-optical networks,multimedia information to achieve the speed of light and in-depth coverage of business intelligence,so that human life and high-tech seamless,

7、optical transport network infrastructure construction is imperative.And in order to achieve the development of optical transmission network,construction designed to have a negligible effect.This article is designed for high-speed digital optical fiber transmission system based on network communicati

8、on,mainly on the basis of the theory of optical fiber communication system, working principle and the device selected.The basic composition,performance fiber optic systems, but also for the loss and dispersion budget,after the user and the transmission distance transmission capacity (or bit rate,the

9、n large ones) and its distribution requirements,in accordance with the relevant national technical standards and the current level of technology equipment,selecting the best route and set up the station,the transmission rate and transmission system as well as the basic parameters and performance Opt

10、ical fiber cables and to make the implementation of the system to achieve the best price performance ratio,using STM-16 systems to achieve high-speed digital fiber optic transmission systems.Key words:optical fiber communication systems;optical fiber;loss;dispersion;STM-16沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）目录第一章 绪

11、论11.1研究的目的及意义11.2 光纤传输系统的研究现状21.3 数字光纤系统的设计思想31.4 数字光纤通信系统设计的方案分析3第二章 光纤通信42.1光纤通信42.1.1光纤通信概述42.1.2 光纤通信的优点52.1.3光纤通信的应用72.1.4 光纤传输的基本原理及特性72.1.5 光纤、光缆的结构类型82.1.6 光传输技术优势82.2光纤通信系统92.2.1数字光纤通信系统102.2.2模拟光纤通信系统11第三章 光传输部分的器件选择123.1 光传输部分组成123.2光端机的选择123.2.1 光发射机123.2.2 光源133.2.3 电路部分133.2.4 光接收机143.

12、2.5 光接收机的性能指标163.2.6 光收发模块结构183.3 光电检测器的选择193.4 光接口规范的选择193.5 光纤的选择19II3.6 光路设计20第四章 数字光纤通信系统的设计214.1 A-E的工程分站设计214.2 应用代码的选择214.3 衰耗预算224.3.1 无光放大器系统的衰耗预算224.3.2 带光放大器系统的衰耗预算224.4 色散预算234.4.1 码间干扰与频率啁啾的功率代价234.4.2 色散具体计算24第五章 设计结果26第六章 技术经济分析27第七章 结论28参考文献29谢辞30附录一 中文译文附录二 外文资料原文附录三 图纸III基于网络通信的高速数

13、字光纤传输系统的设计第一章 绪论1.1研究的目的及意义光纤通信是近30年迅猛发展起来的高新技术，从一开始就显示出无以伦比的优越性，引起人们的极大兴趣和关注并得到了迅速的发展。自70年代以来,光纤通信技术不仅在电信等民用领域得到了广泛的应用，而且因其独特的频带极宽、通信容量大、衰减小等优点，使得光纤通信技术至今已发展为举世瞩目的、独立的新兴产业，给通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了巨大的变革。目前在高速公路、交通、电子警察、监控、安防、工业自动化、电力、海关、水利、银行等领域视频图像、音频、数据、以太网、电话等数字光纤通信系统开始普遍大量应用。数字光纤通信系统已经发展、应用了二十余年

14、，在世界上广泛用于邮电通信网的局间中继线、长途干线、洲际线路（通过海地光缆）和用户环路，也用于铁道、电力、公安、军事等专用通信网。通信的主要业务内容是电话和数据（电报、传真、计算机数据等）。随着广播电视事业的发展，图像和电视的数字光纤传输正迅速进入人类社会生活的各个领域。对于电话传输来说，目前广泛采用的是电缆传输。但是，随着家用电话的普及，在通信线路上所要传输的电话路数越来越多；同时，来自桌面计算机和其他传送设备的带宽需求以指数速率增长。采用光纤来传输语音信号是解决这一难题的很好的办法。在光纤传输中，语音信号是通过时分复用方式（TDM）进行传输的。典型的如T1或E1传输系统，但它们传输的只是语

15、音信号，没有其他的信号。同样道理，在传输数据信号时，也可以采用相类似的传输方式。在传输语音信号时，实质上传输的是语音信号经过采样、量化和编码后的数字信号，所以传输数据信号和语音信号的方式大体相同。在视频传输方面，典型的应用就是有线电视。传统的有线电视网几乎唯一地以同轴电缆为传输媒介。随着网络规模的扩大和容量需求的增加，同轴电缆的缺点日益暴露出来。人们经过研究发现，单模光纤是有线电视传输的理想的传输媒介，经过一些现场应用也证实了这一点。所以说光缆取代电缆是有线电视传输的必然发展方向。从上面分析可以看出，光纤通信在电话、电视等方面都有所应用。在目前的光纤通信系统中，设计者普遍是用其他生产厂家的光发

16、送端机和光接收端机以及光缆来组成系统。这就需要设计者在设计系统时要考虑市面上的光端机的性能，设计出来的系统要符合光端机的各项指标，而各种光端机的指标也都是固定的，这使得在系统中所传输的信号也有了局限性；而且光端机所用到的是专用的集成芯片，造价也比较高。这些都限制了光纤通信的应用。为解决这些问题，本文设计出了一种光纤通信系统，该系统通过软件编程可以实现多种信号的传输，而不必象现在的系统中对硬件的要求比较严格，大部分功能通过软件来实现。因此，该系统在电话会议、远程医疗、多媒体传输等场合都有比较广泛的应用。1.2 光纤传输系统的研究现状光纤通信脱胎于光通信，20多年前文献中光通信、光纤通信和光缆通信

17、三个术语还是混用的。光纤通信的第一次飞跃发生在20世纪60年代。人们开始研究的本是以空气为传播媒质的光通信，由于信道对环境的变化非常敏感，终究被证实在地球上没有实用前景。1962年第一只半导体激光器诞生，随后半导体光检测器也研究成功。特别是1966年美籍华人科学家高锟与Hockham提出用玻璃可以制成衰减为20dB/km的通信光导纤维，1970年美国康宁公司首先制出了20dB/km的光纤，这标志着光纤通信系统的实际研究条件得已具备。光纤通信的第二次飞跃发生在20世纪70年代末。1970年发明了LD的双异质结构，使得光源与光检测器的寿命都达到了10万小时的实用化水平。1979年发现了光1.31m

18、和1.55m新的低损耗窗口，紧接着单模光纤问世。光纤的衰减系数一下降到了0.5dB/km以下。这一次的飞跃使得光纤通信迈入了实用化阶段，从80年代初开始光纤通信便大步地迈向了市场。光纤通信的第三次飞跃发生在20世纪90年代初。1989年掺铒光纤放大器（EDFA）的研制成功是光纤通信新一轮突破的开始。EDFA的应用不仅解决了光纤传输衰减的补偿问题，而且为光源的外调制、波分复用器、色散补偿元件和光滤波器等一批光网络器件的应用创造了条件。使得光纤通信的数字传输速率迅速提高，促成了波分复用技术的实用化。有人对实用化光纤通信的速率距离乘积发展水平作过统计，速率距离乘积出现加速增长的两个年份分别是1983

19、年和1992年，前者是报导发现光纤长波长低损耗窗口和单模光纤问世后的第三年，后者是报导EDFA研制成功后的第三年。这可以说明光纤的改进和EDFA的应用在光纤通信技术的发展史上占有非常重要的地位。当光纤通信完成了上述三次技术突破之后，光纤通信方式的优越性已经得到了充分显示，光纤通信全面取代其他有线通信的格局也就随之形成。1.3 数字光纤系统的设计思想对数字光纤通信系统而言，系统设计的主要任务是，根据用户对传输距离和传输容量(话路数或比特率)及其分布的要求，按照国家相关的技术标准和当前设备的技术水平，经过综合考虑和反复计算，选择最佳路由和局站设置、传输体制和传输速率以及光纤光缆和光端机的基本参数和

20、性能指标，以使系统的实施达到最佳的性能价格比。在技术上，系统设计的主要问题是确定中继距离，尤其对长途光纤通信系统，中继距离设计是否合理，对系统的性能和经济效益影响很大。 中继距离的设计有三种方法：最坏情况法(参数完全已知)、 统计法(所有参数都是统计定义)和半统计法(只有某些参数是统计定义)。 本设计采用最坏情况法设计中继距离并结合光接口规范STM-16系统参数设计。1.4 数字光纤通信系统设计的方案分析方案一：敷设8芯G.655光缆，设备按16*2.5Gbit/s WDM系统配备，目前按实际容量需要只开通其中的一个波长通路。此方案的优点是技术上最先进，可以随时满足扩容的需求，最终容量可达到3

21、*16*2.5=120Gbit/s；缺点是一次投资太大，而且设计上存在一个风险：如果该长途光纤干线系统几年内并无非常快的扩容要求，通信成本将居高不下。方案二：敷设8芯G.653光缆，首期开通2.5Gbit/s单通路系统。待实际容量需求增大后，再配置8*2.5Gbit/sWDM系统，保留原2.5Gbit/s单通路系统，直到开通三个8*2.5Gbit/sWDM系统后，将首期开通的2.5Gbit/s单通路系统作为保护通道。工程投资基本上能够与容量需求同步增加。最终容量可达到3*8*2.5+2.5=62.5Gbit/s。以上两种方案比较，各有利弊。关键在于通信容量需求的增长程度有多快。在通信容量需求增

22、长异常迅速的情况下，方案一的技术最合理。通信容量需求的增长速度难以预见的情况下，方案二最为合理。在本次设计中，对通信容量需求的增长速度未作具体要求，故这里选择方案二较为合理。 第二章 光纤通信2.1光纤通信2.1.1光纤通信概述就广义而言，通信就是各种信息的转移或传递。通常的做法是首先将要传递的信息设法加载（或调制）到某种载体上，然后在将此调制的载体传送到目的地后，将信息从载体中解调出来。在通信系统中，发送信息端叫信源，接收端叫信宿，信源的信号经过调制后通过电缆和电磁波发送到信宿端，在信宿端将接收信号解调以实现信号的恢复，从而完成信号的传输。光纤通信是利用光作为信息载体、以光纤作为传输媒质的通

23、信方式。光纤通信是在信源端需要将电信号转化为光信号，通过光纤传输到信宿端，再将光信号转化为原始的电信号的一个过程。实现光纤通信除了需要将传统多样的电信号转换为光信号的装置，还需要有传输光信号的介质以及将光信号转换为电信号的装置。所以在光纤通信中有三个主要的技术问题：便于应用且性能优良的光源；能长距离传输光信号的传输介质；灵敏地接收光信号并能把光信号转化为电信号的光检测器。光源是光纤传输系统的心脏部件，它的功能是实现电/光转换，其性能的好 坏对整个传输系统的质量有举足轻重的作用。随着半导体光器件制造工艺的不断成熟，半导体光源在光纤通信中得以广泛的应用。常用的半导体光源有发光二极管（LED）和半导

24、体激光器（LD）。LD发出的是激光，亮度高、方向性强、相干性好，工作速度快，适合于传输容量大，传输速率高的光纤通信系统；而LED发出的是自然光，光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低；但是成本较LD低，平均工作寿命较长，性能稳定，而且制造工艺简单；因此这种器件适用于中短距离、传输容量较小的系统。 对于一个完整的光通信系统，除了主要器件外，还要很多辅助的光器件，尤其是无源器件，对光纤通信系统的结构组成、性能提高，功能扩展，全然不可或缺。各种器件的特性在系统中要求也不同，但是一般必须满足：（1）插入损耗小。（2）反射损耗大。（3）工作范围宽。（4）性能稳定。（5）寿命长。（6）体积小。还有其他如价

25、格便宜等。目前信息仍然最终还是要以电的形式表现出来的，所以光纤通信仍然需要由 电/光转换到光/电转换的过程，在发送端完成电/光转换，在接收端实现电信号的还原。实现电信号还原由半导体光电二极管来完成，他们利用半导体物理吸收光子后形成电子一空穴对把光功率转化为电流，目前广泛使用的光电转换器件主要有两种类型：PIN光电二极管（PINPD）和雪崩光电二极管两种（APD）。尽管光纤通信从诞生到现今的发展仅仅经历的几十年，但是它的发展和普及缺及其的迅速，在一定程度上很多的技术都己经趋于成熟，而且不断地诞生新方法和工艺。例如密集波分复用以及光纤放大器这些技术。目前可以预见的是，在未来国家信息基础设施中，光纤

26、通信系统将会成为支柱。2.1.2 光纤通信的优点 光纤通信本身具有许多突出的优点：（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，光纤通信系统的容许带宽取决于光源的调制特性、调制方式和光纤的色散特性。在零色散波长窗口，单模光纤具有几十GHz·km的带宽。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。通常采用各种复用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。采用密集波分复用技术可以扩大光纤的传输容量至几倍到几十倍。目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般在2.SGbpS到10GbpS，采用密集波分复用技术

27、实现的多波长传输系统的传输速率已经达到单波长系统的数百倍。巨大的带宽潜力使单模光纤成为宽带综合业务网的首选介质。（2）损耗低，中继距离长。目前，商品石英光纤损耗可低于0.20dB/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极低损耗光纤，其理论分析损耗可下降得更低。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。目前，由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达200多千米，由非石英系极低损耗光纤组成的通信系统，其最大中继距离则可达数千甚至数万千米，这对于降低通信系统的成本、提高可靠性和稳定性具有

28、特别的意义。（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。这一点对于强电领域（如电力传输线路和电气化铁道）的通信系统特别有利。由于能免除电磁脉冲效应，光纤传输系统还特别适合于军事应用。（4）对电气绝缘。因为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。光纤之间的串扰非常小。设备接口问题也简化了。光纤在电气危险环境中的应用是很吸引人的，因为它不会产

29、生电弧和火化。（5）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，而且容易被窃听，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，这样，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。（6）光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设。（7）光纤的原材料资源丰富，成本低，无资源问题，节省金属材料。光纤的材料主要是石英（二氧化硅），地球上有取之不尽、用之不竭的原材料，而电缆的主要材料是铜，世界上铜的储藏量并不多，用光纤取代电缆

30、，则可节约大量的金属材料，具有合理使用地球资源的重大意义。（8）温度稳定性好、寿命长。与铜线和同轴电缆相比，光纤的温度系数极小，淇传输特性基本不随温度而变，故光纤传输系统十分稳定可靠，而且不易老化。（9）便于采用多种复用技术。由光纤通信系统组成的通信主干线路可以采用空分复用、波分复用、时分复用和频分复用来扩充系统的容量，节省了资源。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。2.1.3光纤通信的应用光纤通信可以对数字信号和模拟信号进行传播。因此，在通信网、广播电视网、计算机网以及其他

31、数据传输系统中光纤都得到了广泛的应用。当前对光纤通信研究应用的主要目标就是光纤宽带接入网和干线传送网的发展。光纤通信可以应用在各种的公共通信网光纤光缆系统、组成计算机网络的局域广域传输路径、有线电视的干线和分配网和有源及无源接入的光纤。2.1.4 光纤传输的基本原理及特性光纤之所以可以导光，其主要原因是光在介质中的传输特性。一般外径为125至140m的光纤是利用光的全反射原理来传导光的。 光纤是由折射率较大的纤芯和折射率较低的包层构成的，纤芯用于传导光波，包层用于封闭光波，使其能够在光纤中传播。要注意的是，光纤的折射率要大于包层的折射率，确定形成光的全反射，光波才能顺利的在光纤中传播。在光线弯

32、曲的曲径半径在一定范围为时，光波可在光纤内形成转弯传播。光纤、光缆即光的传输通道，其基本特性和参数大致分为三种： （1）光纤的衰减和损耗特性。（2）光纤的色散特性。（3）光纤的反射特性。光信号沿光纤传输，光功率会逐渐变小，即光纤对光信号有衰减，传输距离越长衰减越大。在工程中德考虑因素还有光纤接头、连接器、光衰减器等。光纤损耗是光纤传输的一个重要参量，光纤传输系统中的一种主要限制因素是中继传送距离。光纤损耗主要分为吸收损耗、散射损耗、辐射损耗三种。散射损耗与光纤选材和光信号传导中的非线性效应、构成缺陷有关，而吸收损耗与光纤选材有关，这两项是光纤材料所固有的特性，而辐射损耗是光纤使用过程中弯曲半径

33、不同而产生的。关于光纤色散，是由于光中传播信号的不同频率或不同模式在传播过程中因群速度的不同而互相散开，并造成其到达光纤终端的时间不同而产生的信号失真、脉冲展宽现象。若脉冲展宽过大，会造成码间干扰，使误码率增加，而且脉冲展宽越大，带宽能力则越小。光纤的色散主要分为材料色散、波导色散和模式色散。材料色散和波导色散是指每个模式本身具有的多种波长所造成的色散，模式色散是多模光纤中各种模式由于传播途径的不同而产生的色散。所以单模光纤没有模式色散。光纤的反射特性是由于光通道的折射率不连续所产生的。反射光波会干扰激光的工作，多测反射将在接收机上引起干涉噪声，传输性能将受到干扰。2.1.5 光纤、光缆的结构

34、类型光纤现已成为光传输通信中的主要应用材料。典型的光纤结构是多层同轴圆柱体，由纤芯、包层和涂覆层构成。纤芯的主要材料是高纯度的SiO2和少量的掺杂。光纤的粗细和材料对光纤的性能起到决定性的作用，包层的折射率小于纤芯会使光传输的性能更稳定。涂覆层一般包括一次涂覆层、缓冲层和二次涂覆层，可以保护光纤不受外界的损伤的侵蚀，曾强光纤的柔韧性和使用寿命。 光纤的分类可从三各方面来说，一是纤芯的折射率方面，根据截面的分布形状来划分可分为阶跃型和梯度型；二是根据纤芯的传导模式分为单模光纤和多模光纤两种；还可以按光波的波长分为短波长光纤盒长波长光纤。 但在实际应用中，光纤纤细易断等特征使其限制了使用的环境，一

35、般应用于室内、设备箱、或专门的纤芯分配箱中。想大面积的网络铺设，还要把纤芯制成不同结构和形式光缆来使用。光缆一般是由纤芯、护套和加强部件构成的，其中加强部件可使光缆变成各种应用型式，一般有四种基本型式：层绞式、骨架式、中心束管式、带状式。光缆具有机械特性和温度特性。其中机械特性包括拉力特性、压力特性和弯曲特性。在通信技术日新月异的今天，传输速率高、传输容量大、传输带宽宽等各种通信要求也促使光缆结构的不断变化，新型光缆不断涌现，既要适应不同的环境要求，又要保证传输安全可靠性能的提升，还要做到容易连接、价格低廉等各种优越条件，以适应现代网络的发展。其中大芯数光缆、海底光缆、配线光缆、用户分支光缆、

36、阻燃光缆的应用较为普遍。下图为通信常使用的室外光缆结构图，适用于直埋敷设。2.1.6 光传输技术优势通信用光纤是一种细长的玻璃纤维，直径大约0.1mm，也称光导纤维，具有很多独特的优越性。光从光纤的一端射入，光波被封闭在这根细小的“玻璃丝”内，像电流一样快速传播，但却可以解决电流在电缆中传输时产生的很多问题，制作成光缆后更是应用广泛。 光纤传输具有带宽大，容量大的特点。以光波作为载波，频率范围大约在10121016Hz，现阶段传输常采用波分复用的技术，使传输容量大幅提高。现在实际应用中的光纤大多为石英玻璃制成，其传输损耗可低至0.5dB/Km，比其他介质的传输损耗要低很多。在实际施工中，运输费

37、用常常以计重的方式计取，搬运更是需要人力物力。与电缆相比，光纤以其自身纤细轻便，容易搬运的特点受到施工方的好评。光纤还具有一定的柔韧性，可以适当弯曲，但不能折角。光纤因其材料的特殊性，导光不导电，不会受到电磁、雷电、高压电线等电磁干扰，可以有效地保证传输信号的稳定性，同时也不容易发生电火等现象。同时，石英光纤还可以抗化学腐蚀，为底下、架空等光缆敷设提供了较强的环境适应能力，实用性强。光纤的主要原材料石英SiO2在地球的储量丰富，容易采集和制造，可大批量的生产供应。 2.2 光纤通信系统光纤通信系统作为通信系统，它和电通信系统的区别如下为：（1）光通信系统对数字信号，模拟信号都能传输；电通信系统

38、只能对数字信号进行传输。（2）光通信和电通信系统的传输介质有区别。图2-1 光纤通信系统框图（单向传输）很多用户有各种各样的信息需要进行传输，对于这种信息传输的需求，图2-1示出了基础的单向传输的光纤通信系统，本系统中含有：信源、电发射机、光发射机、光接收机、电接收机、信宿和连接整个系统的光纤通路。其中信源，电发射机和光发射机是整个系统的发射系统；信宿，光接收机和电接收机是整个系统的接收端。增加一个反向信道就可以完成双向通信系统。图2-1所示光纤通信系统由三部分组成：（1）光发射机：负责把输出端的数字信息的信号转换成光信号传输到下一部分。（2）光缆和光纤：负责整个系统各个部分的连接。（3）光接

39、收机：负责把光纤光缆传输过来的光信号转换成输出信息的电信号并把信号进行放大处理。如图2-1所示，不管是数字还是模拟通信系统，原始信号第一步都要经过信源的处理把输入进来最原始的要传输的信息转变成原始的电信号。第二部通过电发射机将这些原始的电信号处理，加工成更适合整个信道传输的的电信号。第三步将加工后的电信号输入光发射机，通过光载波传输完成系统发送端的运行。光载波通过光纤光缆输出到接收端，经由光接收机的处理又把光信号转变回电信号。电接收机把收到的电信号进行处理恢复，最后输出原始发来的信息。作为独立的“光信道”单元的基本光纤传输系统，如果设备配置的比较合适，就可以插入现有的数字或模拟通信系统。如果配

40、置适当的光器件的光发射机、光纤线路和光接收机，可以组成传输性能更高、功能更完善的光纤通信系统。2.2.1 数字光纤通信系统数字光纤通信系统是一种通过光纤信道传输数字信号的通信系统，与模拟光纤通信系统相比，不存在噪声和失真积累问题，它对光源特性的线性要求和对接收信噪比的要求不高更能发挥光纤的优势，并且适合于长距离、大容量和高质量的信息传输。数字通信系统具有以下优点：（1）有着强大的抗干扰能力以保持传输的质量。（2）因为灵活性的强大更加适合对多种业务的传输。（3）因为系统使用再生中继的方式来传输信号，所以可以进行更加远距离的传输而保持稳定。（4）大量采用数字电路，易于集成，有利于降低加工成本。这些

41、优点许多是以牺牲频带才能换来的，所以具有以下缺点： （1）整个系统的频率利用率不高。（2）数字通信系统的占用频带较宽。然而在光纤通信中，占用的频带和总体频带相比只占用了少部分，整个系统的频带很宽，第一个缺点就可以几乎忽略不计。所以数字光纤通信系统对于电话传输是最佳的选择。2.2.2 模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统是一种通过光纤信道传输模拟信号的通信系统，目前主要用于模拟电视传输。和数字光纤通信系统不同，模拟光纤通信系统采用参数取值连续变化的信号来代表信息，要求在电/光转换过程中信号和信息存在线性对应关系。因此，对光源功率特性的线性要求，对系统信噪比的要求，都比较高。由于噪声的累积，和数字光纤

42、通信系统相比，模拟光纤通信系统的传输距离较短，但是采用频分复用技术，实现了一根光纤传输100多路电视节目的优势，在有线电视网络中，具有巨大的竞争能力。由于本次论文不采用模拟光纤通信系统，故不对此进行过多的论述。第三章 光传输部分的器件选择3.1 光传输部分组成一个光纤通信系统的光传输部分由几个基本部件光收发端机、光纤线路、编解码电路和数据传输控制电路组成，是光纤通信系统的核心部分。通信过程的好坏取决于这些基本部件的质量好坏。3.2 光端机的选择在整个光纤通信系统中，最基本的部件叫做光端机。用以实现它功能的主要组成部位是光发射机还有光接收机。数字光发射机的功能：（1）把电端机输出的数字基带电脉冲

43、信号转换为光脉冲信号。（2）用藕合技术有效注入光纤线路。数字光接收机的功能：（1）以最小的附加噪声及失真把经光纤传输后光信号转换成电信号，（2）对电信号放大，恢复原始数字信号。所以，整个光纤通信部件的性能好坏，才能决定了光接收机的输出信息的特性和质量。3.2.1 光发射机在数字光纤通信系统中，光发射机的方框图如图3-1所示。图3-1 数字光发射机方框图光发射机主要由两部分组成，它们分别是光源和电路。在电路部分中，分调制电路、控制电路和线路编码电路。而光源则是实现电信号和光信号转换的重要器件，本系统中光源的性能好坏决定了数字光发射机输出的质量好坏。正常我们设计系统电路时，电路部分的设计应以光源为

44、主要核心。选取一个性能好的光源可以让输出来的光信号更加精准的反映出来输入的电信号。线路编码电路使输出的光信号适合于光信道传输，同时控制电路能够保证光源可靠稳定地工作。3.2.2 光源在光纤通信系统中，作为产生光信号的光源，应满足以下要求：（1）光谱单色性要好，即光谱宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。（2）电信号和光信号相互之间的转换的效率要高，就是说必须要在驱动电流很低的情况下还要有更大更稳定的输出光的功率，而且线性要好。（3）允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统对传输容量的要求。（4）器件应能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳定性好，可靠性高，寿命长。（5）此外，要求器件体积小

45、，重量轻，安装使用方便，价格便宜。 一般，半导体二极管都作为满足要求的光源。现今，半导体发光器件是半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）在通信系统中比较常用。一般大容量、长距离的光通信系统中使用响应速度快，光功率大，方向性强，光谱谱线较窄的发射激光的LD；LED发射自然光，但是它的反应速度比较慢一些，而且光功率不大，但是光谱宽，所以适合终中短距离、低容量的光纤系统。3.2.3 电路部分直接光强调制的数字光发射机主要电路有调制电路、控制电路和线路编码电路，采用激光器作光源时，还有偏置电路对激光器提供直流偏置。对调制电路和控制电路的要求如下：（1）输出消光比要尽量大，以保证足够的光接收信噪比。

46、（2）调制光源具有足够高的响应速度，使输出的光脉冲能准确再现输入屯脉冲的波形。（3）对激光器应施加足够的偏置电流，以便抑制在较高速率调制下可能出现的张弛振荡，保证发射机正常工作。（4）应采用自动功率控制（ACP）和自动温度控制（ATC），以保证输出光功率有足够的稳定性和发射机的正常工作。因为电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，所以要变换为适合于光纤传输的单极性码，必须使用线路编码电路。在光纤通信的传输系统中，光源占有着极其重要的地位，光源能否稳定工作将直接会影响整个光纤通信系统能否正常工作。在使用中，LD结温的变化以及老化都会使Ith增大，电光转换效率下降，从而

47、导致输出光脉冲的幅度发生变化。为了保证激光器有稳定的输出光功率，需要有各种辅助电路，一般对激光器的控制有自动光功率控制（APC）和自动温度控制（ATC）。自动光功率控制与LD的驱动电路一样重要，自动光功率控制电路实现的功能是：首先，自动补偿LD由于环境温度的变化和老化效应而引起的输出光功率的变化，保持其输出光功率不变，或变化幅度不超过数字光纤通信系统的工程设计要求的指标范围；其次，自动控制光发送机的输入信号码流中长连“0”序列或无信号时使LD不发射激光。光功率自动控制有许多办法，例如：自动跟踪偏置电流法、峰值功率和平均功率的自动控制法、P-I曲线效率控制法等。但最简单的办法是通过直接检测光功率

48、控制偏置电流，用这种办法可收到良好的效果。该办法是利用激光器组件中的PIN光电二极管，监测激光器背向输出光功率的大小，如功率小于某一额定值时，通过反馈电路后驱动电流增加，并达到额定输出功率值。反之，若光功率大于某一额定值,则驱动电流减小，以保证激光器输出功率基本上保持不变。在反馈电路中引入信号参考电压的目的，是使LD的偏置电流入不受码流中“0”码和“1”码比例变化的影响。3.2.4 光接收机光发送机输出的光信号，在光纤中传输时不仅幅度会受到衰减，而且脉冲的波形也会被展宽。光接收机的任务就是以最小的附加噪声及失真恢复出由光纤传输、光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系

49、统的性能。下面将重点讨论光接收机的性能。光纤通信系统有模拟和数字两大类，和光发射机一样，光接收机也有数字接收机和模拟接收机两种形式。与模拟光接收机相比,数字光接收机更复杂，在主放大器后还有均衡滤波器、定时提取与判决再生、峰值检测与AGC放大电路，见图3-2所示。光电检测器是光接收机的第一个关键部件，其作用是把接收到的光信号转化成电信号。目前，在光纤通信系统中广泛使用的光电检测器是PIN光电二极管和雪崩光电二极管APD。PIN管比较简单，只需加上偏压即可工作，但它没有增益。因此使用PIN管的接收机的灵敏度不如APD管；APD管具有10-200倍的内部电流增益。可提高光接收机的灵敏度。但使用APD

50、管比较复杂，并且温度变化较严重地影响APD管的增益特性，所以通常需要对APD管进行偏压控制和温度补偿措施以保持其增益不变。由于光检测器产生的光电流非常微弱，必须先经前置放大器进行低噪声放大，光电检测器和前置放大器合起来称作接收机前端，其性能的优劣是决定接收机灵敏度的主要因素。为此，前置放大器必须是低噪声、宽频带的放大器。图3-2 数字光接收端机方框图主放大器一般是多级放大器，主要用来提供高的增益，将前置放大器的输出信号放大到适合于判决电路所需的电平，并通过它实现自动增益控制（AGC），以使输入的光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。均衡器的作用

51、是对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整形，使之成为最有利于判决，码间干扰最小的升余弦波形。均衡器的输出通常分为两路，一路经峰值检波电路变换成与输入信号的峰值成比例的直流信号，送入到自动增益电路以控制主放大器的增长。另一路送入到再生电路，将均衡器输出的升余弦信号恢复为“0”和“1”的数字信号。定时提取电路和判决再生电路，它们的功能是从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地对码元波形进行取样判决，以得到与原发送端相似的码流。图3-2中除光检测器以外的所有元器件都是标准的电子器件，很容易用标准的集成电路（IC）技术将他们集成在同一芯片上。现已开发出单片光端机，使用方便，而且运行

52、速率很高。3.2.5 光接收机的性能指标数字光接收机最主要的性能指标是灵敏度和动态范围。灵敏度和误码率密切相关，主要取决于光检测器的性能和相关电路的设计。（1）接收灵敏度接收灵敏度是数字光接收机最重要的指标，它直接决定光纤通信系统中的中继距离和通信质量。数字光接收机灵敏度的定义如下：在指定误码率或信噪比时的最小接收信号光功率Pmin（mW），通常用dBm表示： 3-1 Pr越小，意味着数字光接收机接收微弱信号的能力就越强，灵敏度越高，此时当发射机功率一定时，则保证通信质量的中继通信距离就越长。因此，提高数字光接收机的灵敏度，可以延长光纤通信的中继距离和增加通信质量。（2）动态范围在实际的光纤通

53、信系统中，由于中继距离、光纤损耗、连接器及熔接头损耗的不同，发送功率随温度的变化及老化等因素，接收光功率有一定的范围。数字光接收机的动态范围（DR）定义如下：在限定的误码率条件下，光接收机所能承受的最大平均接收光功率PMAX和Pmin的比值，用dB表示。根据定义： 3-2动态范围是光接收机性能的另一个重要指标，它表示光接收机接收光强的能力。宽的动态范围对系统机构来说更方便灵活，使同一个接收机可用于不同长度的中继距离。由于噪声的存在，放大器输出的是一个随机过程，其取样值是随机变量，因此在判决时可能发生误判，把发射的“0”码误判为“1”码，或把“1”码误判为“0”码。在数字信息传输过程中，误码对不

54、同传输信息有着不同的影响。误码对电话的影响是产生噪音，对图象的影响是造成图象失真，对数据的影响表现为信息的丢失和错乱。因此，制定数字光接收机的误码性能指标及其在通信系统中的合理使用是非常有必要的。也是设备、系统设计以及维护运转的基本依据。（1）误码率的含义误码率是指在测量时间内数字比特错误的数量与数字比特总数之比，即 3-3误码率实际上是比特误码率，是当每个码为一比特时的误码率，实际含义是误比特率，即 3-4由于误码的出现是随机的，因此只能在一定的时间内观测取平均值。在实际工作中，通常以24小时作为平均误码率的观测时间。（2）产生误码的主要机理光纤传输系统产生误码的机理涉及到系统的各个部分。即

55、与发送的光信号、传输过程以及检测等过程有关。但主要还是由与信号检测有关的各种噪声及干扰所造成，现分别叙述如下。模式分配噪声。光反射引起的噪声。码间干扰。光接收机中的噪声。（3）实用的误码分布模型假定数字序列各比特是相互独立的，每比特均有同样的误码概率尸，或者说任一比特发生错误的都是随机事件。按概率理论，在n比特序列中发生m比特误码的概率应是= 3-5对于很小的p值，该二项式分布可由泊松分布简化计算，即 3-6由此式可求得在n比特序列中不多于K个比特误码的总概率为 3-7当m=0时，得到在n比特序列传输中无误码的概率为 3-8 其中n是每次误码取样观测时间T0=1秒内传输的比特数。经过实验测试，计算的概率与实测数据很好地一致，说明泊松分布模型成为实用的计算误码特性的数学工具，能完全满足工程的要求。目前，几乎任何一个光纤通信系统的误码比特率都能做到小于10-9完全可以认为误码是随机的零星的。由上所述，泊松分布模型是描述系统误码特性的最佳数学模型。由于这种分布只决定于一个参数p，此值实际上就是观测时间内的平均误码率，因此实际上是很方便的。3.2.6 光收发模块结构该模块的总体封装包括两个基本的原件：两个光学器件和两个电子元器件。如图3-3所示。在发送部分，直接由驱动电路驱动LED二极管发光，这个驱动电路包括调制电路和控制电路。在接收部分，主要由前置放大器、主放大器两部分组成。