【光接入网技术的应用与发展综述17000字（论文）】

光接入网技术的应用与发展综述目录前言 6第一章基础理论概述 7第一节常见接入网概述 7第二节光接入网 9第二章光接入网国内外研究动态和前景展望 11第一节国内外研究动态 11第二节前景展望 12第三章大气信道 12第四章光发送与光接收 13第一节天线 13第二节光发送单元 15第三节光接收单元 16第四节光接入系统的功率预算 21第五章调制和编码技术 22第一节数字光接入系统调制解调技术 23第二节光接入系统的纠错编码 24第六章光接入网的组网技术 26第一节微波/光接入网络拓扑 26第二节光纤/光接入网络拓扑 27第七章结论 27第一节总结 27第二节展望和今后的工作 28参考文献 31前言从整个电信网角度来看，可以将全网络划分为公众电信网和用户驻地网(CPN)两大块，用户驻地网属于用户自己，公众电信网又分为核心网和接入网。核心网提供高速公众传送通道，接入网是这个通道的“最后一公里”，他主要解决如何将图像、数据、语音等多种业务综合传送到用户的问题。与核心网相比，接入网具有业务密度低、缺乏经济规模、成本差异大、运行环境恶劣、技术更新慢等缺点。同时由于电信业务向高速、宽带、大容量方向发展，核心网已经经历了几代更新发展，这就势必对接入网提出不断发展更新的要求。目前比较典型的接入网按接入方式有：纯双绞线铜缆接入网、混和光纤同轴电缆网（HFC)、xDSL(HDSL,ADSL、VDSL),综合业务数字网（ISDN)、接入网和全光纤接入网。随着信息时代的到来，由信息技术、传送以及资源所构成的信息产业将会成为推动社会生产力再发展的关键因素。随着社会对信息需求的增大，也推动了信息产业的发展，这也就迫切需要各种信息系统通过统一的信息网络，能够将信息以各种形式传送到任何地方。从整个电信网来看，它主要包括用户驻地网以及公众电信网，公众电信网又主要是由核心网和接入网组成。现阶段在核心网不断更新发展的推动下，接入网的发展更新需求也不断增大。光接入网是接入网中较为典型的按接入网的方式，通过对光接入网关键技术的研究，将在很大程度上推动接入网的更新发展，使之更符合信息时代的需求。光接入网是指将光的通信技术以及接入网技术进行有机的结合，使之能够在充分发挥光通信技术优势的同时也能够顺利的完成各种数据业务的有效接入。光接入网作为一种不同于以往的、全新的接入网理念，可以实现光纤的最大程度的延伸。光接入网具有大宽带、低成本、方便安装、优良的安全保密性以及无需授权执照，能够及时迅速建设的优点。光接入的网络结构主要分为：环形、点对点、MESH网状格以及点对多点。光接入也具备一定程度的缺点：通信链路容易受阻断，如在点对点以及点对多点的网路结构中，如果一条链路被隔断，那么通信将会收到阻断；由于受到日光以及风向的影响，安装点不可避免的会出现晃动，这在一定程度上会影响两点间的激光对准；受大气影响也较为明显，尤其是在大雾天的情况下，光的色散也会在一定程度上对通信产生不良影响。接入网技术能够很好的改善由于高速宽带的光纤骨干网以及用户对局域网相连所形成的接入瓶颈。通过对光接入网中所涉及到的关键技术进行有效的分析与研究并结合大气信道散射、吸收以及湍流效应对光传输所造成的影响分析来不断完善光接入网系统所需要的特殊处理技术。通过研究不难发现，在光接入网系统中采用多孔径的卡塞格伦反射天线能够对整个系统的性能有较为良好的完善，同时在系统中采用单模以及多模光纤进行大气信道两侧的信号的接收与发送也能够使整个系统更加的可靠，除此之外，要想对光传输的性能进行较大的改善，就需要采用带有静默保护时段的PPM调制。第一章基础理论概述第一节常见接入网概述1双绞线铜缆接入网双绞线铜缆接入网是各国电信运营公司花费大量投资建起来的庞大网络资源，价值上千亿美元，决不会轻易放弃。目前的经济性能表明，对于较短或较少的用户线要求，双绞线铜缆仍然是经济的。因而对于已建成铜缆网的地区和少量的用户线需求，电话公司会继续采用铜缆。新的铜缆用户线技术（例如用户增容系统HDSL以及ADSL和VDSL)的出现和应用也会在一定程度上延缓双绞线铜缆网的技术寿命。通过对大气信道特征所采用的一些特殊的处理技术能够将光接入光发送、探测技术以及光纤通信进行有效的区分。其中主要包括对天线、处理背景光噪声、选取光源以及光探测器，以及光发射机和光接收机内部电路的处理。2混和光纤/双绞线铜缆网这种接入方案结合运用铜缆和光纤，发挥各自特长，是最有希望的接入网技术方案之一。在提供新用户线方面’其经济性已经可以与纯双绞线铜缆相比。传统的电话运营公司在修复一定规模的铜缆接入网是会越来越多的釆用这种方案。而新的竞争者则很可能会采用混和方案来提供新的用户线。诸如光纤到路边（FTTC)和光纤到远端（FTTR)都属于这种混和方案，未来的交换式数据图像（SDV)业务也是以这种方案为基础的，可以认为这是铜缆向未来纯光纤网过渡的理想方案之一，特别式由FTTC与VDSL相结合的方案提供了一种现实经济的宽带接入方式。天线是整个接收发送系统中最前端的部分。在光接入技术中，对于如何区分普通的光纤通信以及大气信道所产生的光信号也是非常关键的。光接入发送单元系统中，一般会选择强度调制直接检测。此检测的光发送机主要是有光源、驱动线路、自动功率、温度控制电路以及报警保护电路共同组成。3混和光纤/同轴电缆网这种混合方案是由CATV网演变而来，是一种新型的接入网技术，不仅能提供窄带电话业务，也能提供宽带图像业务，其经济性较好，尤其是在交互式图像业务普及率不太高的很有吸引力。绝大多数有线电视公司都会逐渐釆用这种方案，不少电话运营公司也开始采用这种技术应付市场竞争。显然，这种技术越普及，新敷设的双绞线铜缆会越来越少，而光缆和同轴电缆会越多，光纤向用户侧推进速度会加快。很多国际组织和论坛正在对下一代的结合MPEG—2和ATM的数字HFC系统进行标准化，这将进一步推动其发展。对于接人网已引入竞争机制的国家和地区，接入网将在低密度的分散小用户群领域、急需电话用户线的地区以及有地理障碍的地区占有日益超重要的地位。对于正在建设固定有线接入网的地区，接入可作为过渡手段迅速提供给新用户线，一旦有线接人网建成后，接人系统可以移往别处用。农村网环境则采用一点多址技术具有经济性和灵活性。市场预测结果表明，接入将会迅速的发展，在接入网领域占有不容忽视的一席之地^4纯光纤网纯光纤网指光纤直接连到用户，中间没有其他传输煤质应用场合t又可划分光纤到办公室（FTTO)和光纤到家（FTTH\FTTO方式指至少需要几十条几百条用户线的企业用户网，这种场合只要容量超过一定数目光纤是经济合算的。FTTH方式是指居民用户一般仅需一至两条用户线短期内经济欠佳，但却是长远的发展方向和最佳解决方案。第二节光接入网我们知道，任何一种接入网都有其优点和缺点。纯双绞线铜缆接入网、混和光纤/双绞线铜缆网、混和光纤同轴电缆网都是陈旧的接入方案或者是一种折衷方案，其传输容量和带宽是其固有的瓶颈。近几年来接入网和纯光纤接入网发展迅速，在阐述光接入网前，有必要先阐明这两种接入网。1光纤接入网光纤接入网采用光纤传输系统所支持的接入链路群共享相同的网络恻接口，光接入网从系统配置上分为无源光网络（PON)和有源光网络（AON)。典型接入网类型如前所述的纯光纤接入的FTTH和FTT0，以及一些综合解决方案如HFC和FTTC、PTTR。光纤接入网可以充分利用光纤传输带宽大、衰减小、抗干扰能力强的优势，使得整个通信系统性能得到质的飞跃。近段时间，以高速光传输技术、宽带光接入技术、节点光交换技术、智能光联网技术为核心，并面向IP互联网应用的光波技术已构成了今天的光纤通信研究的热点eSDH和DWDM设备在光纤接入网中的不断延伸应用，使得光接入网己经成为一个趋于完善的网络。但是光接入网在经济性能和建网工程的复杂性上的弱点是无法克服的。无法达到接入网的建网灵活且不受地域限制相比。2光接入网接入网具有接入灵活、实用范围广泛等特点，釆用移动接入的接入网用户可以在一定范围或者超大范围移动。目前，接入网分为：移动通信系统移动通信系统由第一代模拟制式到第二代数字制式，第三代以CDMA技术为基础的移动通信也即将商用，第四代移动通信系统正在实验中，5年后将面世。本地环路系统有线固定电话用户以方式接入公用电话网称为本地环路系统。此方式比较经济、现实’它不但降低了维护成本，缩短了建设周期，同时设备扩容方便，特别适合远离城市的边远地区。GSM标准、CDMA、FDMA、TDMA技术也被应用在本地环路中。本地环路主要针对固定用户接入，因此其工作频率不与公众移动通信网相同，主要分布在1，8GHz〜2.5GHz之间的频段。—点多址微波通信设备’实际上就是一种典型的本地环路设备，它一般釆用TDMA时分多址方式，中心站通过用户与公用电话网联接，通过全向天线与分布在周围的外围站通信，提供固定电话服务。无绳电话系统是有线固定电话终端的延伸，无绳电话系统的突出特点是灵活方便。这类固定的终端可以同时带有几个子机，子机除和母机通话外，子机之间还可以通信.一类工作频率一般在45MHZ,天线覆盖在100米左右。另一类如DECT,PHS等标准的无绳电话系统工作频率在800MHz〜1.9GHz。移动卫星接入系统通过同步卫星实现移动通信联网是一种理想的接入方式，可以真正实现任何时间、任何地点、任何人的移动通信。这种系统通常需要卫星运行在低轨道，并且需要较多的卫星，投资很大。卫星接入系统的最大特点是利用卫星通信的多址传输方式。为全球用户提供大跨度、大范围、远距离的漫游和机动灵活的移动通信服务，是陆地移动通信系统的扩展和延伸，在边远的地区、山区、海岛、受灾区、远洋船只、远航飞机等通信方面更具有独特的优越性。局域网局域网(WirelessLAN,简称WLAN)是计算机网络与通信技术相结合的产物。它不受电缆束缚，可移动，能解决因有线网布线困难等带來的问题，并且组网灵活，扩容方便，与多种网络标准兼容，应用广泛等优点。WLAN既可满足各类便携机的入网要求，也可实现计算机局域网远端接入、图文传真、电子邮件等多种功能近段时间以来，局域网应用和研究正逐步成为一个热点。作为全球公认的局域网权威，IEEE802工作组建立的标准在过去二十年内在局域网领域内独领风骚。在1997年，经过了7年的工作以后，IEEE发布了802.11协议，这也是在局域网领域内的第一个国际上被认可的协议。在1999年9月，他们又提出了802.llbHighRate协议，用来对802.11协议进行补充，802‘1lb在802.11的1Mbps和2Mbps速率下又增加了5.5Mbps和11Mbps两个新的网络吞吐速率.在802.11最初定义的三个物理层包括了两个扩散频谱技术和一个红外传播规范。两种护频技术是指跳频扩频FHSS和直接序列DSSS技术，红外传播是指工作波长在850nm—880rmi的红外传输技术《相应的就有FH一SS局域网、DS—SS局域网、红外局域网。红外局域网具有不占用微波频段、安装灵活和成本低的优点。但是在IEEE802J1和IrDA标准下，红外局域网传输速率较小，没有充分利用光传输介质的优点，且IrDA下局域网覆盖区域较小。因此，有必要综合接入和光传输介质的优点，且在传输速率和距离上优于红外局域网。光接入网就是目前国内外正在进行的综合了和光传输优点的一个新兴技术研究。3光接入网光接入网将光通信技术与接入网技术需求有机的结合起來，充分利用光通信技术优势,完成各种数据业务(IP业务，视频，电话业务)的接入，体现一种全新的接入网理念，可以实现光纤不便延伸到所谓最后一公里的宽带接入。等状态下的宽带接入，具有带宽大、成本低、无须授权执照、安全保密性好、安装方便、建设迅速以及无需申请频带、保密性好等优点.光接入可以分为点对点、点对多点、环行和MESH网状格等网络结构。同时我们也注意到光接入的弱点：通信链路的阻断：点对点，及点对多点模式中，如有一条链路被隔断(如飞鸟经过链路空间)通信将受阻。安装点的晃动(受日光，风向的影响)，晃动将影响两个点之间的激光对准天气的影响，特别是大雾天所引起的光的色散将会对整个通信性能产生较大影响。目前，光接入网己经有较大范围的成功实用案例，在悉尼奥运会上成功的釆用Terabeam公司的光接入产品实现了由跳水中心到新闻中心的图像传输，Airfiber成功的在美国波士顿地区布网，光通信网与光纤网通过光节点连接在一起，完成该地区整个光网络的建设。第二章光接入网国内外研究动态和前景展望第一节国内外研究动态事实上，在激光刚刚问世时，将激光用于大气通信想法就随之产生，但是由于大气信道的特殊性，使得此项技术一直停滞不前。进入80年代，很多国家和地区的研究相继停止，但是仍然有人在不断的探索。随着半导体激光器的问世，激光在大气中传输进行通信逐渐进入实用阶段。近年来，国外光通信技术已相较成熟，相应产品已有较广应用，美国波音公司和一些较大的通讯公司都在釆用光接入方案。朗讯公司已开发出4X2.5Gb/s的光通信系统。在国内，中科院光电所凭借光电科技优势，引进并消化国外先进技术，研发成功JTWS-I型激光通信机。桂林电子工业学院、华中科技大学、武汉邮电科学研究院也长期致力光接入技术研究。第二节前景展望在美国，大约10%-15%的客户、仅3%-5%的商业用大楼(全球小于1%)是与光纤网相连，故光通信在低成本，快速组网方面的市场前景非常广阔。可以预示这是一种新型电信业务的诞生，将会给电信运营商带来可观的商业利润。或许，未来通信将形成一个立体的交叉光网，光网将在大气层内或外，及外太空（定点卫星与低轨卫星）的层面上形成庞大的高容量的通信网层，再与地面上成熟的巨大的光纤网相沟通，提供未來社会所需的各种通信业务的需求。第三章大气信道对光接入系统的研究首选要从光传输的大气信道着手，这也是光和光纤通信的首要区别。从光传播的角度上看，大气是极不稳定的。它的温度、压力、密度、水汽含量都在不断的变化和运动因此，大气是--种随机介质，光在大气中传输是波在随机介质中的传播。大气主要包括气溶胶粒子、各种悬浮粒子、水蒸气与各种粒子组成的雾蔼雨等，以及理想状态的大气分子，当激光通过大气时，这些物质对激光产生散射和吸收作用，大气湍流和风又使大气的折射率不均匀，引起激光光斑的闪烁和漂移，产生湍流效应。大气的散射、吸收和湍流影响统称大气效应，对光通信的影响很大，特别是对远程和高精度的应用更为突出。因此大气对光传输的影响主要可以归结为气体分子及气溶胶的吸收效应、通过混沌介质的散射效应和大气湍流效应。前两项主要造成光传输的功率损耗，而大气湍流主要引起光强和相位的起伏。大气微粒的直径分布很宽，从10—微米到数十微米。对光传输影响最大的是直径从0.1微米到10微米的微粒。我们可釆用单粒子散射理论t4]:瑞利(Rayleigh)散射和米耶（Mie)散射來近似分析大气的散射，这是因为气体分子间距大于分子直径十倍以上，大气中气溶胶微粒或悬浮微粒的间距也远大于微粒直径，满足单粒子散射的条件：粒子间距大子粒子直径三倍时，各粒子的散射近似互不影响。所以，虽然大气中存在多祌微粒，对光传播问题而言，单粒子散射理论总是适用的。而且，单粒子散射的近似数学处理简单，适合于工程计算。对可见光和红外光來说，大气分子的散射作用很小，但是分子的吸收效应对任意光波段都是不可忽略的。气体分子的大量吸收谱线组成了谱带群，对光辐射产生连续的吸收，仅在少数几个波长区吸收较弱，形成所谓的“大气窗口”,就是地球表面大气对不同波长光的吸收情况，横坐标为波长，纵坐标为吸收率。由图可见几个重要的大气窗口。由于在光通信中，一般采用780nm,以及1310mn和1550nm附近这几个波段，正好处于大气的吸收窗口.因此，从光衰减的角度来看,分子吸收效应是可以忽略的。大气的不同部分的物理性质各不相同，不停的流动，从而形成温度、压强、密度、又由于热和风的原因，大气总是在流速、大小等不同的气流窝旋。这些气流窝旋总是处在不停的运动变化之中，大的窝旋随着流动变小直到逐渐消失，同时又有新的窝旋产生，新的窝旋又逐渐消失，如此运动不止，它们的运动相互交联、叠加，形成随机的湍流运动，这就是大气湍流。整体上讲，大气象一种随机介质，这使得光在大气中传输时，波阵面产生随机畸变，传播方向发生随机偏转，另一方面，在观察平面上产生光照度起伏，光斑内部强度随机变化，即所谓的光斑闪烁、漂移。对激光來说，大气湍流又使激光的相千性严重下降。第四章光发送与光接收光接入光发送和探测技术和光纤通信区别，是针对大气信遒的特征而采用的一些特殊处理技术。主意包括天线、背景光噪声处理、光源和光探测器的选取，以及光发射机和光接收机内部电路特殊处理。第一节天线体积轻、结构紧凑、焦距长度短等特点，且后瓣小、设计馈源灵活、增益高，它是光接入中使用较多的一种天线，佢其遮挡率影响比普通抛物面天线大。由抛物面初级反射镜和双曲线次级反射镜组成。卡塞格伦天线主反射面是旋转抛物面，张角为副反射面为旋转双曲面，张角为发送源通常置于主副反射面间旋转双曲面的实焦点F’上。在光通信中采用收发天线结构类似，发送和探测光信号部件都将放置在F上，同时为了减小遮挡率，F’往往和抛物面的顶点重合。一般双曲面的虚焦点和抛物面的焦点是重合的。多孔径天线能减小大气湍流的影响，一种多孔径施密特-卡塞格伦天线。在发送端采用光纤和光纤分支器将光源发出的信号连接到发送孔径的馈源位置处，从光源到每个孔径采用等长光纤连接，三个孔径必须通过调整使整束发送光偏移角在左右的范围内。光信号经大气传输后，在接收端经相同的三个孔径收集会聚到副反射镜，再会聚到賈于副反射镜焦点的多模光纤上，传送到光探测器上并采用波长为785nm的信标光实现收发天线的校准。釆用多孔径发送，可以在整体上增加总的发送光功率；多孔径接收，一方面增加了光的接收面积，可以减少湍流的影响，另外多孔径效应也可以进一少降低接收光强的方差。在光接入还可以采用多孔径发送，单孔径接收的天线系统。设想的一个光接入所采用的收发端的方框图。采用1550mn波长光源经EDFA驱动后有较大的光功率，从Al、A2、A3三个传输孔径发射出，经过1,2km或者2,2km距离后，并由具有一个接收孔径的卡塞格伦天线接收，且直接用InGaAs的PIN或者APD探测。探测器后端是一个数据处理分析系统，它可以是包含前置放大电路和一些采样处理单元，通过它可以分析出接收端的信号。信标光从接收端发出，采用785nm的红外光波，并通过图像监测设备（如CCD像机）來校准。如果传送孔径数可以控制，就可以比较出不同传送孔径数的光强概率密度分布，随着孔径数目增加，光强概率密度分布幅度增加，扩展宽度变窄，光强的方差就越小，其抖动影响相应减小。总之，多孔径天线是一种改进的卡塞格伦天线，它有利于消除大气湍流射衰减的影响、改善系统通信性能。第二节光发送单元天线是发送接收链路中最前端的部分，送入发射天线的光信号针对大气信道如何产生以及进行有别于普通光纤通信的处理，也是光接入技术的重要内容在光接入系统中，一般采用强度调制直接检测（IM/DDX强度调制直接检测的光发送机一般由光源、驱动电路、自动功率控制和自动温度控制电路、报警保护电路组成。数字光接入系统发射机结构框图，采用调制方式是数字调制，如果采用模拟调制，就要去掉编码部分电路。信号经复用、编码后,通过调制器对光源进行光强度调制。发射出的光一部分要反馈到光源的输出功率稳定电路，即光功率控制电路（AGC)，因为输出光功率与温度有关，所以还要加上自动稳定控制电路（ATC)。光源发射出光脉冲信号，既可以通过光耦合器耦合后由光纤传输到发射天线的馈源位置上，也可将激光器直接置于发射天线的馈源位置上。和光纤通信光发射机相比，光接入系统在光发射机前端添加了光发送天线。输入信号经复用后所采用有别于的信息编码和调制调制技术和普通光纤通信是有区别的，这将在第四章阐述。这里阐述光源的选取，其他驱动、告鳘保护、温度和自动增益控制电路完全可以参照使用光纤通信相应成熟的电路。和光纤通信一样，在进行光发送机光源的选取时，必须综合考虑传输波长、系统带宽、功率预算等因素，并结合各种光源特性进行选取。光纤通信中最常用的光源是半导体激光器（LD)和发光二极管（LE：D),发光二极管在数字通信中通常应用于传输带宽在140Mb/s的系统中，其中心波长在lJMm,比如在IEEE802.il下的红外局域网中，就常用LED作为光源。使用LED作为光源，具有不需要温控装置，驱动电路简单，成本低等优点。但在本文中所讨论的光接入系统中，一般釆用780nm、850nni、1550nm的传输波长；传输速率采用同步复用模块STM—N的系列；对光源输出光功率的要求是和整个系统的功率预算相关的，一个光接入系统不但要考虑天气状况良好的功率衰减，而且要考虑天气恶劣的情况功率预算，LED光源发出的光功率只有在光接入应用于短距离、低速率的情况可以满足系统功率预算的要求。参考LED和LD—些典型参数特性，结合光接入系统的参数要求，可以选择工作波长在850nm、1550nm的单模半导体激光器作为光源，其材料可以是GaAlAs或者GalnAsP，结构为掩埋异质结构。其输出光功率在l,58mw之间：调制频率可以达到2—3GHz。在数字光接入系统中，如果背景噪声或接收机噪声很大，接收机性能会受到严重影响，如果激光器发出的是脉冲光会有效抑制这种影响，如果再釆用脉冲位置调制会有更好的效果。第三节光接收单元光发射机发出的光信号经大气信道传输后，不仅幅度衰减了，而且脉冲波形也会展宽、变形。光接收机的作用就是检测经过传输的微弱信号，并放大、整形、再生成原传输信号，它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号的光电探测器。对光电检测器要求灵敏度高、响应度快、噪声小、成本低和可靠性高。一个数字光接入系统的光接收机的结构,在图中，天线收集到的光信号不仅包括从发送端发射来的信号，而且还包括背景辐射的光噪声，背景光噪声的处理办法是在光信号通过在光信号耦合到多模光纤前（如果没有采用多模光纤耦合就是在光探测器前）附加一个滤光片，滤光片选择透过信号光频的光信号，将背景光信号滤掉。但是背景光噪声总是存在的。同样，如图中所示，接收天线收集到的光信号既可以直接由光探测器接收，也可以通过多模光纤耦合到光探测器上，采用多模光纤是由于多模光纤具有更大的数值孔径,可以更有效的将光信号耦合到探测器光探测器和前置放大器组成光接收机的前端，选择合适的光探测器、设计和选择不同类型的前置放大电路在光接收机中是至关重要的，光接收机的参数主要由前端决定。在选择探测器时，我们比较关心是满足系统要求的高的灵敏度、最小系统附加噪声、快的响应度以及足够的带宽，并且，探测器应当有低的温度敏感、合适的物理尺寸、合理的价格和较长的使用寿命。目前常用光探测材料有Si、Ge、InGaAs、InGaAsP.Si光电二极管具有很高的灵敏度，Ge的波长实用范围在0H.6um,但是Ge光电二极管的暗电流较大；而三重合金的如在InP作为衬底在其上沉积Ino53Gao.47As品格可以响应的波长高达L7um，且广泛的用于工作波长为1Jum和1.55imi的光电二极管。因此，如果光接入系统采用短的工作波长，就可以采用Si或者Ge材料的光电二极管，如果采用1550mn的工作波长，一般选用InP上沉积InGaAs的材料，而较常用的探测器种类是PIN和APD光电二极管。PIN光电二极管比PN结器件具有较宽的损耗区，其电容较低且RC系数较小，用PIN光电二极管可以获得超过100GHz的高带宽。APD光电二极管由于存在一个雪崩增益过程，使得输出的电流的平均值比未增值的电流放大了M倍，其响应度也放大了M倍。但是，雪崩碰撞的随机过程增加了器件的噪声，并花费更多的时间，从而导致带宽减小。这个等效电路对于分析光电二极管的重要参数以及后续前置放大电路设计和选取十分重要。总体来看，它功能类似一个带宽为1/(2JIRiQ)低通滤波器，是负载阻抗，Cd是固有电容（约为lpF)。Rs是二极管的连续阻抗，有不可能无限制的小，因为太小将会降低输出电平，并增加热噪声的功率，减小节电容Cd可以通过减小结面积及增大势垒厚度來实现。而增大势垒厚度就会增加渡越时间，减小响应时间。这里Ra、Ca分别代表放大器的电阻和电容。为了使带宽较大，R应当较小。但减小R就可能引入附加噪声。所以必须在选择合适的R,使接收机性能最佳。前置放大器的设计要求在带宽和灵敏度之间折衷。目前有几种前置放大器可以弥补这种缺点，分别是集成前置放大器、跨越阻抗前置放大器、低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器。这是针对大的电阻R造成的带宽很窄的情况下，有必要补偿高频衰减，相对低频的导入髙频。同时微分器的引入琅调的增加了插入损耗，同时频率降低Sr2C2所决定的频率，必须在微分器前加上一个放大器来恢复低频信号的损耗。集成前置放大器虽然对大R引起的带宽降低有所改善，但是还得在接收电路中引入均衡电路，才会有较大改善。跨越阻抗的前置放大电路的等效电路图，跨越阻抗前置放大器提供了高灵敏度/宽频带的特性，它的动态范围较大。RF仍然很大，但是副反馈使输入阻抗减小了A倍，带宽相应也比同阻抗的高阻抗放大器扩大至于低阻抗前置放大器，同其他类型的前置放大器相比，它是比较容易实现的，在比特率大于lGb/s的高速光通信系统中（例如STM-16和STM—64)，低阻抗的放大器是唯一的选择。但是它的噪声相对较大，且输出电平低于其他前置放大器。髙阻前置放大器的特性是低噪声、小带宽（最大为500MHz)。比较适用于外层自由空间光通信系统。同时由于高阻抗前置放大器的RC之积较小，会引起信号失真，所以它需要一个均衡器，增加了电路的难度。总之，几种前置放大器各有自己的优缺点。集成前置放大器主要缺点是，在数字系统中，如果有一系列的“1”，那么集成块建立起一个可以评估的DC分对前置放大器的选择取决于预期应用要求，高速传输链路需要使用50Q的放大器但在远程、中等比特率的链路中，一个高阻抗的前置放大器可能是最佳选择。从上表可以看出，跨越阻抗前置放大器具有相对低的噪声和相对高的带宽，且动态范围较大，特别适用于光接入系统◊光接收机的线性通道除了放大器外，还有一个低通滤波器。采用自动增益控制电路，可以把放大器的输出电平控制在一个固定的值上。低通滤波器的作用就是整形电压脉冲、减小噪声、避免引入码间干扰。同时，接收机的噪声是和带宽成正比的，由于接收机其他部分的带宽都设计得比较大，因此，低通滤波器带宽就是整个接收机的带宽。合适的选择低通滤波器的带宽Af,使其小于比特率B，可以降低接收机的噪声，但是带宽的降低可能引起码间干扰，一种解决办法是采用均衡低通滤波器，另一种办法是合适的选择Af尽量不产生码间千扰。总之，线性通道是一个将光接收机前端输出信号进一步放大整形的过程，使得在数据恢复电路种能尽可能无误的还原成原发射信号。数据恢复电路包括判决电路和时钟恢复电路。事实上，不管是模拟系统还是数字系统，从光接收机的前端到线性通道的输出，仍然可以认为是模拟信号。而数据恢复电路正是要低通滤波器输出的信号恢复成数字信号。为了判断输出信号到底是“1”还是“0”，通常会在信号最大时进行判决，因此抽样判决时刻的准确性非常重要。在数字传输系统中，有两种方法获得定时信号，一是在发送的信号中单独传输时钟信号，二是从接收的数字信号中提取时钟信号。通常釆用的是后一种方式，即依靠接收机中的定时提取电路來完成。时钟提取电路不仅要稳定可靠，抗连“1”或连“0”性能好，而且应该尽量减小时钟信号的抖动。总之，从天线接收到的光信号经光接收机的前端探测放大、线性通道进一步放大整形、数据恢复电路的恢复处理，便可以得到一定误码率的脉冲序列数字信号。在数字光接入系统中，通常采用脉冲位置调制（PPM)，在判决部分还可以采用最大似然解调方式以及纠错编码/解码，系统性能会得到进一亦改善。光接入系统的接收机和普通光纤通信相比，其噪声机制除了增加背景噪声外，同样也包含散粒噪声（又称散弹噪声、量子噪声）、热噪声、溫度噪声；针对APD探测器，还存在倍增噪声背景噪声、散粒噪声、热噪声和APD的倍增噪声是分析的重点。背景噪声是山空间的各种背景光源引起的，背景光源包括扩展背景光源和分离局部背景光源，前者主要指天空、太阳等，后者主要指灯光、星光、人造光源等。背景光对接收机的影晌主要表现在两个方面，强背景光引起探测器饱和。所谓探测器饱和是指探测器接收的光功率超过其JE常工作范围的倩况，严重时甚至于使探测器损坏。背景光电流引起的散弹噪声使探测器灵敏度降低。对于一个工作在特定波长的光通信系统，由于使用的探测器不同，背景光干扰主要来&探测器敏感的波长范围。一个使用PIN或APD探测器的半导体光接入系统，这样，其背景光干扰主要来自太阳，包括天空中的悬浮粒子、尘埃等对阳光的散射，地面物体对阳光的反射以及髙能灯光等。大多数背景光源都可以用黑体辐射模型来描述，光源的辐射谱函数为散粒噪声是接收器件本身产生电子的随机性引起的噪声，它围绕着一个平均统计值而起伏，这种无规则的起伏就是散粒噪声。从上面可知，分析光接收机的噪声主要从散弹噪声和热噪声来分析，可以将前置放大器噪声等效到光探测器上，前置放大器产生的噪声是散弹噪声和热噪声的综合效应。下面分析在光接入系统中采用跨越阻抗前置放大器的噪声机制，如前所述，在模拟通信系统中，根据SNR可以确定光接收机的最小平均接收功率。在数字光通倍系统中，一般要先提出一个误码率BER的水平，再根据误码率、光探测器种类、册置放大器的噪声水平来确定光接收机接收灵敏度。第四节光接入系统的功率预算在前边的三节中分别介绍了光接入系统的天线、发送和接收单元技术。从整个光传送链路来看，光发送端需要多大的发送功率才能使整个系统稳定可靠的运行，在整个光链路各个部分的功率衰减具体是多少，这需要进行功率预算。下面我们较全面的考虑整个链路的功率预算。由第二章和第三章可知，整个光链路功率损耗包括下：光源发出光信号耦合到光纤的的耦合损耗光纤连接到天线发送点的光纤传输损耗光束在发送天线中转换传输的损耗光束在大气信道传输的散射衰减损耗光束在大气信道中抖动损耗由于光束偏移角存在的几何扩展损耗光束在接收天线中会聚传输损耗会聚光束耦合到接收端多模光纤耦合效率以及滤光片效率的损耗接收端光纤到探测器的光纤传输损耗探测器和接收端光纤耦合的损耗光束的几何扩展衰减是由于由发送偏移角造成的，选取一定的发送偏移角是必须的，这样可以在接收端增大接收面积，消除光束抖动造成的影响。假设有发送偏移角为1m「ad，在经过2km的传送后，将会产生半径为2m的光束面积，如果采用100mm半径的接收孔径，那么光速扩展衰减在假定功率在平面上均匀分布的情况下其效率为：0.01/4=0.25%;如果传输距离是1km，仍然采用100mm的接收孔径，那么其效率为0.01/1=1%;如果传输距离是500m,仍然采用100mm的接收孔径，那么其效率为0.01/0.25=4%,可见几何扩展衰减是个很大的比例。接收端光学天线的传输衰减仍然按照天线的效率来计算，取天线效率为70%会聚光束耦合到接收端多模光纤的耦合效率是多少呢。我们知道光在大气中传输后，由于大气闪烁的效应，和真空中传输相比较，会聚光斑会扩展，不同的天气状况，光斑的大小不一样，一般会在10—70um之间。那么我们选取多模光纤芯径为62.5um，则其耦合效率应该十分高。上面的实例说明光接入系统的功率预算需要考虑的因素，在实际系统中会根据不同情况进行近似和计算。第五章调制和编码技术在前面的章节中讨论了光接入系统的信道、光发送和光接收单元技术。数字光接入系统发送单元结构框图中，其他网络、接入点或者用户的待传送信息在传送到激光器上进行调制输出前，针对大气信道的特性，一般采用何种编码调制技术，接收端从线性通道出来的信号如何判决解调、解码，正是这一章要讨论的内容。第一节数字光接入系统调制解调技术数字光系统调制解调技术直接关系到系统性能，调制解调技术种类繁多，选择某种调制方式必定要和其他调制方式进行比较其各种性能指标。脉冲位置调制（PPM)是数字光接入系统中通常采用的调制方式。在数字光系统，我们釆用脉冲直接强度调制，光脉冲的产生是通过激光器的开断来实现的，当发送信息为“1”码时，激光器发出光脉冲，“0”码时激光器完全关闭。本文中假定进入光系统是数字信息，数字信息经过编码处理后是一连串的01码序列，最简单的调制方式就是将01序列脉冲直接对激光器进行强度调制，当输入信息为“1”时，激光器发出一个宽度为1/Rb、强度为2P的脉冲；输入信息为“0”时，激光器完全关闭，这就是非归零的开关键控调制(OOK-NRZ)o开关键控调制简单可靠,但是针对光传输大气信道，背景噪声的影响和空间衰减大，OOK调制功率利用率不高，通常会采用脉冲位置调制（PPM)。从其他网络、接入点或者用户传送来的待传送数字01码序列信息，不管是否经过纠错编码，如果采用PPM调制，就有一个数字的01序列映射为另一种01数字序列的过程，这也可以看着是一个编码过程。在光接入系统中，大气信道对传输光功率衰减较大，釆用PPM调制方式，对于系统的功率利用率有明显的改善，在含有静默时段的PPM调制中，带宽利用率通过优化PPM的参数也会有所改善。我们采用00K—NRZ调制方式作为参照來分析PPM调制的性能。不同静默时隙数D时的PPM最佳传信时隙数，由表中可见当D大于32时，PPM的带宽利用率总是比OOK：小。功率利用率和带宽利用率都可以做得比00K的髙。但D<12时，PPM的带宽利用率比00K低，但只要取Q大于16，PPM的能量利用率仍可比00K的高。PPM特别适合于脉冲重复间隔有限制的通信系统或带宽比较丰富而功率比较珍贵的通信环境。从上面的分析可以看出，静默时段的引入使激光器能有效重建粒子数反转，合适的选择静默时段，使PPM的带宽利用率和功率利用率都优于00K调制。但是静默时段同时使系统的数据传送速率下降。经过大气散射信道来PPM调制信号经过光探测器、前S放大电路和线性信道后进行判决解调，通过对信号解调的分析，我们可以得出系统的误码率特性。这样，光探测器探测到的光信号就是光发送信号的线性过程再加上高斯白噪声，且光探测器输出的光电流正比于光探测器探测到的信号。同时，由光探测器输出的光电流经过前置放大器、线性通道处理过程也跫一个线性过程，所以可以认为在解调器上观察到的直接就是光探测器的光电子计数过程。由于光探测器光电流的产生是一个满足泊松（Possion)分布光电子计数过程，所以在忽略了探测器和前置的热噪声，即在散弹噪声极限下，解调器观测到的也将是一个泊松计数过程。事实上，假设光在发送端发送光脉冲在PPM帧内具有很好的脉冲波形，保持时间上的交性，在经过大气散射信遒后，波形会在时间上展宽，甚嵆失去其正交性。脉冲宽度为t,且具有静默时段的PPM信息帧在经过大气信道后在调制器上观测到的光电子计数过程。如梁PPM帧时段中没有加入靜默保护时段，且如果某帧光脉冲在最后一个时隙，下一帧刚好在第一个吋隙，那么光脉冲的扩展就会造成码间干扰；如果PPM帧时段中有静默保护时段，且山于静默时段一般都远大于光脉冲的扩展时间，所以这种情况不考虑码间干扰。信号的判决解调方式一般分为硬判决和软判决解调，硬判决一般要合适的选择一个最佳门限，而输出具有两种符号序列，是一种无记忆的；采用软判决解调器的输出符号数大于2,是一种有记忆的。软判决解调在信源等概率发送吋，最大似然解调是最佳的，所以一般釆用&大似然解调系统采用最大似然解调,显然增加解调的k杂程度。要知遒这种解调方式对系统性能误码率有无改势必须求出这种悄况误码率的表达式，假设在的k帧实际的脉冲发送时刻第k个时隙，符号K的似然K度就应该在k帧内是最大的，如果k的似然量度小于其他的似然ft度,这就会产生误码。第二节光接入系统的纠错编码从前而章节的分析可以看出，光接入系统在采用天线、滤光片、脉冲整形处理以及调制解调技术的处理后，系统性能得到了一作改善，但是要达到在较恶劣天气状况和更大传输距离的稳定可靠的电信级标准（如BER应该小于10-9),还需要进一步釆用其他技术。恙错控制编码就是一种可行方案。差错控制的基本办法就是在发送端被传输的信息码元上附加一些监督码元，监督码元和信息码元之间釆用某种关连约束，接收端按照既定的规则检验信息码元和监督码元的之间的关系，一垃传输过程发生错误，信息码元和监督码元之间的关系就会发生破坏，从而可以发现甚至纠正铅误。在光接入系统中，大气散射信道的特点决定采用前向纠错的方式(FEC)比较合现，而采用检错重发(ARQ)或者混和纠错(HEC)方式不可行。同时,大气信遒的衰减、烁不仅会造成随机的误码，也会造成突发成串的误码。纠错编码的类型按照信息码元和监督码元的检验关系分为线性和非线性，按照信息码元和监督码元的约束关系分为分组和卷积码。迎常较常见的有二进制线性分组码BCH码和非二进制的线性分组码RS码,以及卷积码和近段时f研究得较多的集调制和编码为一体的网格编码调制TCM。研究表明，卷积编码和TCM技术对通信系统的性能改善较好，但是足以增加系统的复杂程度为代价的。BCH一般是一种岡定长度的编码，当系统的要求在不同传输速率，一个己经选定的BCH编译码设备就不适合，如果采用变长BCH码，那么系统的复杂性增加。对于釆用PPM调制的光通信系统由于将Kbit的信息映射到2k个时隙，所以是一种非二进制的，再加上大气信道的澎响，误码常成串出现，很快就超出BCH的检纠错码能力。要解决这个问题可以釆用交织技术，那将进一歩增加复杂程度。因此采用非二进制的是一种较佳的选杼方案。RS码是一种较成熟非二进制线性码，它既能纠正随机单个错误的，也能纠突发成串错误。但是分组码（不管是二进制还是非二进制）釆用软判决译码显得十分复杂，只能釆用硬判决，这会性能改善有一定下降。总体来看，RS码是一种适合于光接入系统的综合性能较好的纠错码。随蓍VLSI技术和解码算法的不断发展，可以根据用户要求设计出几百兆的FPOA编码解码电路对于PP.M光传输系统，已经苻采兩不同种类纠错编码的分析,通常认为在光PPM信逝上使纠错码能见进一步改菩性能,但实际情况并不总是如此，这与所用的码型、K率以及解调和译码方法有关。下面就采用RS码的PPM系统的进行分析，系统采用硬判决译码。从上分析可知，系统采用纠错编码虽然使系统实现变得趄杂，但是系统性能得到较大改锛。因此，在光接入系统中釆用纠错编码技术是克服大气信道的衰减和抖动的要办法。第六章光接入网的组网技术在前面的章节中，我们介绍的是一种輔于点对点的光讪信链路所涉及到的一些关键技术。如果把光接入放到整个应用网络中，就要考虑网络拓扑以及光接入终端间互联以及与其他M络亚联技术。对于接入网.其物理拓扑结构除了点对点结构外，还分为应型、总线型、树型和环行拓扑结构，每种结构又有许多种不冋具体逻辑柘扑结构以及儿种物理结构相：组合又形成不同的逻辑拓扑结构。在光接入系统中用得较多的点对点、点对多点、环型和网状网结构。从前面的宽节分析可知，光通饴屮加入许多针对大气信逆的袞减和抖动的处理技术后，系统性能得到较大改蔣，（0圮要往较长距离传输且天气状况恶劣（光传播在大雾衰减最明显）情况下使通信性能栊定可靠.必须较大幅度的增加发送功率、增大接收孔径，这些会好致成木把而微波传输链路组然有其固有弱点，但是微波衰减最严重的天气状况是大雨，而在大雾愔况下裒减相对较小：光传输在大雾状况下袞减最严喂，而在大PW状况下又相较较小。这就为微波链路和光链路相互作为通信的备用链路提供依掂ll7L同样，光纤传输系统经常会遇到城市施工改造的破坏中断，光传输速率也足可以可以作为光纤传输的备用链路[IH)。第一节微波/光接入网络拓扑具宥备用微波链路的光接入，-般采川无须认证的微波或者亳米波频段.并采用自动切换保护丌关进行切换，与主链路由于信道恶化致使系统性能下降到架个门限时，系统自动切换到备用链路，又自动切换到主链路，设计的切换吋间可以控制在一帧时段内。这种自动切换另一个优点就是光链路的状态可以通过娃于简单网络管理协议(SNMP)的网络铃现來恢复。与主用和备用链路相连的单元可以同时集中网络接口、复用和链路切换的功能。这种系统还可以应用于各祌应用场合，入方式传送到各个大楼局域网内，光传输具有微波备用链路，整个光接入是型拓扑结构。有些应用场合可以具有更为复杂的网络拓扑结构，同时包含环状、星型和mesh网结构。从光接入系统的接收天线来的是路波长信号经多模光纤耦合，通过WDM的波长解，用转换为电信号，苒由电信号再生为单模光信号，然后通过光分插复川収下光信号，再进入微电机械开关（MEMS)系统进行波长选择，最后再经过酬将各波长传送的光接入的发送装置。屋顶路山接点中WDM的引入，使得整个接入系统可以在更高的速率和更广的范围内