1、第四章 光纤通信4.1 光纤通信基本原理4.1.1 光纤通信概述一、光纤通信的定义光纤通信是以光波作为传输信息的载波、以光纤作为传输介质的一种通信。图4.1给出了光纤通信的简单示意图。其中，用户通过电缆或双绞线与发送端和接收端相联，发送端将用户输入的信息 （语音、文字、图形、图像等）经过处理后调制在光波上，然后人射到光纤内传送到接收端，接收端对收到的光波进行处理，还原出发送用户的信息输送给接收用户。图4.1 光纤通信示意图根据光纤通信的以上特点，光纤通信属于光通信和有线通信的范畴。二、光纤通信特点光纤通信之所以受到人们的极大重视，这是因为和其它通信手段相比，具有无以伦比的优越性。1、传输频带宽
2、，通信容量大可见光波长范围大约在390nm至780nm之间，而用于光纤通信的近红外区段的光波波长为8002000nm之间，具有非常宽的传输频带。在光纤的三个可用传输窗口中，0.85um窗口只用于多模传输，1.31um和1.55um多用于单模传输。每个窗口的可用频带一般在几十到几百GHz之间。近些年来随着技术进步和新材料的应用，又相继开发出了第四窗口（L波段）、第五窗口（全波光纤）和S波段窗口，具备了宽带大容量的特点。2、传输损耗小，中继距离长由于光纤具有极低的衰耗系数（目前商用化石英光纤已达0.19dB/km以下），若配以适当的光发送与光接收设备，可使其中继距离达几十上百公里，这是传统的电缆、
3、微波等根本无法与之相比拟的。 光纤的这种低损耗的特点支持长距离无中继传输。中继距离的延长可以大大减少系统的维护费用。3、保密性能好光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光“泄露”出去，因此其保密性能极好。4、适应能力强光纤不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀，可挠性强（弯曲半径大于25厘米时其性能不受影响）。5、体积小、重量轻、便于施工维护一根光纤外径不超过125um，经过表面涂敷后尺寸也不大于1mm。制成光缆后直径一般为十几毫米，比金属制作的电缆线径细、重量轻，光缆的敷设方式方便灵活。6、原材料来源丰富，潜在价格低廉 制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅即砂子，而砂子在大自然界中几乎是取之不
4、尽、用之不竭的。因此其潜在价格是十分低廉的。4.1.2 光纤通信的发展过程大体说来，光纤通信的发展经历了以下三个阶段：一、20世纪70年代的起步阶段这个阶段是光纤通信能否问世的决定性阶段，这个阶段的主要工作是：1、研制出低损耗光纤1970年，美国Corning公司率先制成20dB/km损耗的光纤。1972年，美国Corning公司制成4dB/km损耗的光纤。1973年，美国贝尔（Bell) 实验室制成 1dB/km损耗的光纤。1976年，日本电报电话公司和富士通公司制成0.5dB/km低损耗的光纤。1979年，日本电报电话公司和富士通公司制成0.2dB/km低损耗的光纤。现在，光纤损耗已低于0
5、.4dB/km(1.31um波长窗口）和0.2dB/km (1.55um波长窗口）。2、研制出小型高效的光源和低噪声的光检测器件 这一时期，各种新型长寿命的半导体激光器件（LD）和光检测器件（PD）陆续研制成功。3、研制出光纤通信实验系统 19761979年，美国、日本相继进行了0.85um波长、速率为几十Mb/s的多模光纤通信系统的现场试验。二、20世纪80年代进入商用阶段 这一阶段，发达国家已在长途通信网中广泛采用光纤通信方式，并大力发展洲际海底光缆通信。如横跨太平洋的海底光缆，横跨大西洋的海底光缆等。在此阶段，光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85um发展到1.31um和1.55um，
6、通信速率达到几百Mb/s。 我国于1987年前在市话中继线路上应用光纤通信，1987年开始在长途干线上应用光纤通信。铺设了多条省内二级光缆干线，连通省内一些城市。从1988年起，我国的光纤通信系统由多模向单模发展。三、20世纪90年代进入提高阶段这一阶段，许多国家为满足迅速增长的带宽需求，一方面继续铺设更多的光缆。如1994年10月世界最长的海底光缆（全长1.89万公里，连接东南亚、中东和西欧的13个国家）在新加坡正式启用。另一方面，一些国家还不断努力研究开发新器件、新技术，用来提高光纤的信息运载量。1993年和1995年先后实现2.5Gb/s和10 Gb/s的单波长光纤通信系统，随后推出的密
7、集波分复用技术可使光纤传输速率提高到几百Gb/s。20世纪90年代也是我国光纤通信大发展的时期。1998年12月，贯穿全国的“八纵八横”光纤干线骨干通信网建成，网络覆盖全国省会以上城市和70的地市，全国长途光缆达到20万公里。至此，我国初步形成以光缆为主、卫星和数字微波为辅的长途骨干网络，我国电信网的技术装备水平进入世界先进行列，综合通信能力发生了质的飞跃，为国家的信息化建设提供了坚实的网络基础。从20世纪70年代至今，光纤通信给整个通信领域带来了一场革命。通信系统的传输容量成万倍的增加，传输速度成千倍的提高。目前，国际国内长途通信传输网的光纤化比例已经超过90%，国内各大城市之间都已经铺通了
8、20GB以上的大容量光纤通信网络。用带宽极宽的光波作为传送信息的载体以实现通信，这一几百年来人们梦寐以求的幻想在今天已成为活生生的现实。然而就目前的光纤通信而言，其实际应用仅是其潜在能力的2%左右，尚有巨大的潜力等待人们去开发利用。因此，光纤通信技术并未停滞不前，而是向更高水平、更高阶段方向发展。4.2 光纤通信系统的组成 按照传输信号划分，光纤通信系统可以分为光纤模拟通信系统和光纤数字通信系统，其中光纤数字通信系统是目前广泛采用的光纤通信系统。光纤数字通信系统主要由光发射、光传输和光接收3部分组成。要使光波成为携带信息的载体，必须对它进行调制，在接收端再把信息从光波中检测出来。然而，由于目前
9、技术水平所限，对光波进行频率调制和相位调制等仍局限在实验室内，尚未达到实用化水平，因此大都采用强度调制与直接检波方式（IM-DD）。所谓强度调制，是指用被传输的电信号去直接调制光源，使之随信号电流成线性变化；直接检波是指信号直接在接收机的光频上用检测器把调制的光波检测变成电信号。又由于目前的光源器件与光接收器件的非线性比较严重，所以对光器件的线性度要求比较低的数字光纤通信在光纤通信中占据主要位置。典型的数字光纤通信系统框图如图4.2所示。图4.2 数字光纤通信系统框图数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。在发送端，电发送端机把信息（如话音）进行A/D转换，用转换后的数字信号去调
10、制发送机中的光源器件（如LD），则光源器件就会发出携带信息的光波。即当数字信号为“1”时，光源器件发送一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”（不发光）。光波经低损耗光纤传输后到达接收端。在接收端，光接收机中的光检测器件（如APD）把数字信号从光波中检测出来，由电端机将数字信号转换为模拟信号，恢复成原来的信息。这样就完成了一次通信的全过程。图中的中继器起到放大信号、增大传输距离的作用。4.2.1 光纤的结构与分类一、光纤的结构光纤呈圆柱形，由纤芯、包层与涂敷层三大部分组成，如图4.3所示。图4.3 光纤的结构1、纤芯纤芯位于光纤的中心部位，其成份是高纯度的二氧化硅，此
11、外还掺有极少量的掺杂剂如二氧化锗，五氧化二磷等，掺有少量掺杂剂的目的是适当提高纤芯的光折射率。2、包层包层位于纤芯的周围，其成份也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。而掺杂剂（如三氧化二硼）的作用则是适当降低包层的光折射率n2，使之略低于纤芯的折射率n1。3、涂敷层光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的涂敷层，其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。一般涂敷后的光纤外径约1.5厘米。普通光纤的典型尺寸，对于单模光纤，其纤芯直径大约为510um，多模光纤的纤芯直径大约为5070um，包层直径一般均为125um左右。二、光纤的分类 目前光纤的种类繁多，就其分类方法而言大致有四种，即按光纤剖面折
12、射率分布分类，按传播模式分类、按工作波长分类和按套塑类型分类等。1、按折射率分布分类（1）阶跃光纤：在纤芯与包层区域，折射率的分布分别是均匀的，但在纤芯与包层的分界处，其折射率的变化是阶跃的，其值分别为n1与n2，如图4.4所示。图4.4 阶跃光纤的折射率分布（2）渐变光纤：光纤轴心处的折射率最大，沿剖面径向逐渐变小，其变化规律一般符合抛物线规律，到了纤芯与包层的分界处，正好降到与包层区域的折射率n2相等的数值；在包层区域中其折射率的分布是均匀的，如图4.5所示。图4.5渐变光纤的折射率分布2、按传播模式分类从几何光学的角度来理解光纤的传输模式，可以认为每一根以不同角度入射到光纤中的光射线都有
13、其不同于其它光射线的模式。能够在光纤中传输的光射线，称为可传输模式，沿着光纤轴向传输的模式称为基模，其它模式称为高次模。按照光纤传输模式的不同分为多模光纤和单模光纤两种。（1）多模光纤：当光纤的几何尺寸（主要是纤芯直径）远远大于光波波长时，光纤中会存在着几十种乃至几百种传播模式，这种光纤叫做多模光纤。不同的传播模式会具有不同的传播速度与相位，因此经过长距离的传输之后会产生时延，导致光脉冲变宽。这种现象叫做光纤的模式色散。模式色散会使多模光纤的带宽变窄，降低了其传输容量，因此多模光纤仅适用于较小容量的光纤通信。多模光纤的折射率分布大都为抛物线分布即渐变折射率分布，其纤芯直径大约在50微米左右。（
14、2）单模光纤：根据电磁场理论与求解麦氏方程组发现，当光纤的几何尺寸可以与光波长相比拟时，如芯径在510微米范围，光纤只允许一种模式（基模)在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤叫做单模光纤。由于它只允许一种模式在其中传播，从而避免了模式色散的问题，故单模光纤具有极宽的带宽，特别适用于大容量的光纤通信。3、按工作波长分类（1）短波长光纤：在光纤通信发展的初期，人们使用的光波的波长在0.60.9微米范围内（典型值为0.85微米），习惯上把在此波长范围内呈现低衰耗的光纤称作短波长光纤。短波长光纤属早期产品，目前很少采用。（2）长波长光纤：随着研究工作的不断深入，人们发现在波长1.31微米和1.
15、55微米附近，石英光纤的衰耗急剧下降，如图4.6所示。不仅如此，而且在此波长范围内石英光纤的材料色散也大大减小。因此人们的研究工作又迅速转移，并研制出在此波长范围衰耗更低，带宽更宽的光纤，习惯上把工作在1.02.0微米波长范围的光纤称之为长波长光纤。长波长光纤因具有衰耗低、带宽宽等优点，特别适用于长距离、大容量的光纤通信。图4.6石英光纤的衰耗谱线4、按套塑类型分类（1）紧套光纤：二次、三次涂敷层与预涂敷层及光纤的纤芯、包层等紧密地结合在一起的光纤。目前此类光纤居多。（2）松套光纤：经过预涂敷后的光纤松散地放置在塑料管内，不再进行二次、三次涂敷。松套光纤的制造工艺简单，其衰耗-温度特性与机械性
16、能也比紧套光纤好，因此越来越受到人们的重视。三、光缆 光纤在经过涂覆和套塑等表面层处理后已具有一定的抗拉强度，但一般还经不起实用场合的弯曲、扭曲和侧压力的作用。为构成实用的传输线路，同时，便于工程上的施工安装，常常将多根光纤借用传统的绞合、套塑、金属带恺装等成缆工艺组合成像通信用的各种铜线电缆那样的光缆。这样既保持了光纤原有的传输特性，又具备了满足实际工程使用要求的力学性能。为工程应用打下了基础。 具体的光纤光缆的最主要的技术要求是保证在制造成缆、敷设以及在各种使用环境下光纤的传输性能不受影响并具有长期的稳定性。其主要性能有：1、力学性能： 包括抗拉强度、抗压、抗冲击和抗弯曲性能。2、温度特性
17、：包括高温和低温温度特性。3、质量和尺寸：每千米质量(kg/km)及外径尺寸。 其中最重要的是力学性能，它是保持光缆在各种敷设条件下都能为纤芯提供足够的抗拉、抗压、抗冲击、抗弯曲等机械强度的关键指标。必须采用加强纤芯和光缆的防护层(简称护层)，根据敷设方式的不同，护层要求也有所不同。4.2.2 光纤的导光原理和传输特性光是一种频率极高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导，因此光在光纤中的传输理论是十分复杂的。为了便于理解，我们从几何光学的角度来讨论光纤的导光原理，这样会更加直观、形象、易懂。更何况对于多模光纤而言，由于其几何尺寸远远大于光波波长，所以可把光波看作成为一条光线来处理。一、全反射原理
18、当光线在均匀介质中传播时是以直线方向进行的，但在到达两种不同介质的分界面时，会发生反射与折射现象，如图4.7所示。图4.7 光的反射与折射根据光的反射定律，反射角等于入射角。 （4.1）根据光的折射定律： （4.2）其中n1为纤芯的折射率，n2为包层的折射率。 显然，若nln2，则会有。如果n1与n2的比值增大到一定程度，则会使折射角90O，此时的折射光线不再进入包层，而会在纤芯与包层的分界面上掠过(折射角=90O时），或者重返回到纤芯中进行传播(折射角90O时）。这种现象叫做光的全反射现象。人们把对应于折射角等于90O的入射角叫做临界角。很容易可以得到临界角 （4.3） 不难理解，当光在光纤
19、中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯区进行传播，没有光跑到包层中去，所以可以大大降低光纤的衰耗。早期的阶跃光纤就是按这种思路进行设计的。二、光在阶跃光纤中的传播 了解了光的全反射原理之后，不难画出光在阶跃光纤中的传播轨迹，如图4.8所示。图4.8 光在阶跃光纤中的传播示意图 通常人们希望用入射光与光纤顶端面的夹角来衡量光纤接收光的能力，于是产生了光纤数值孔径NA的概念。当入射光源与光纤纤芯的横截面进行入射光耦合时，入射光线的角度不能太大，只有当小于某个角度时才可以获得全反射传输的条件，我们称这个角度的正弦值为光纤的数值孔径NA。这里首先定义光纤的相对折射率差 （4.4）因为光在空气中的
20、折射率n0=1，若想实现全反射，连续应用折射定律，光在纤芯端面的最大入射角应满足： （4.5）在光纤通信中所用光纤的一般小于1%，所以可近似表示为： （4.6） 因此，阶跃光纤数值孔径NA的物理意义是：能使光在光纤内以全反射形式进行传播的接收角的正弦值。 需要注意的是，光纤的NA并非越大越好。NA越大，虽然光纤接收光的能力越强，但光纤的模式色散也越厉害。因为NA越大，则其相对折射率差也就越大，值较大的光纤的模式色散也越大，从而使光纤的传输容量变小。因此NA取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和模式色散。CCITT建议光纤的NA=0.180.23。三、光在渐变光纤中的传播1、定性解释 由图4.5知道
21、，渐变光纤的折射率分布是在光纤的轴心处最大，而沿剖面径向的增加而折射率逐渐变小。采用这种分布规律是有其理论根据的。假设光纤是由许多同轴的均匀层组成，且其折射率由轴心向外逐渐变小，这样光在邻层的分界面都会产生折射现象。由于外层总比内层的折射率要小一些，所以每经过一个分界面，光线向轴心方向的弯曲就厉害一些，就这样一直到了纤芯与包层的分界面。而在分界面又产生全反射现象，全反射的光线沿纤芯与包层的分界面向前传播，而反射光则又逐层地折射回光纤纤芯。就这样完成了一个传输全过程，使光线基本上局限在纤芯内进行传播，其传播轨迹类似于正弦波，如图4.9所示。图4.9 渐变光纤中光的传播轨迹2、光在单模光纤中的传播
22、光在单模光纤中的传播轨迹，简单地讲是以平行于光纤轴线的形式以直线方式传播，如图4.10所示。图4.10光在单模光纤中的传播轨迹这是因为在单模光纤中仅以一种模式（基模）进行传播，而高次模全部截止，不存在模式色散。平行于光轴直线传播的光线代表传播中的基模。四、光纤的传输特性光纤的传输特性主要包括光纤的损耗特性、色散特性和非线性特性。1、光纤的损耗特性光波在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率会不断下降。光纤对光波产生的衰减作用称为光纤的损耗。衡量光纤损耗特性的参数为衰减系数（损耗系数），定义为：每公里光纤对光功率信号的衰减值。其表达式为： （4.7）式中：为光波的波长，Pi为输入光功率，PO为
23、输出光功率。如某光纤的衰减系数为3dB/km，则经过一公里的光纤传输之后，其光功率信号减少了一半。长度为L公里的光纤的衰耗值为： （4.8）衰减系数是多模光纤最重要的特性参数之一，在很大程度上决定了光纤通信的中继距离，衰减系数越小，光纤质量越好，可无中继传输距离越大。目前，在波长1.31um和1.55um处，普通光纤的损耗系数分别在0.5dB/km和0.2dB/km以下。不同波长及不同类型的光纤其损耗系数不一样。光纤产生损耗的机理很复杂，降低损耗主要依靠于制造工艺的提高和相关材料的研究等措施。2、光纤的色散特性光源信号作为载波，理想情况下应是频率单一的单色光，但现实中难以做到纯粹的单色光，光源
24、信号含有不同的波长成分，这些不同波长成分在折射率为n1的光纤介质中传输速度不同，从而导致光信号分量产生不同延迟，这种现象称为光纤的色散。具体表现为当光脉冲沿着光纤传输一定距离后脉冲宽度展宽，甚至有了明显的失真，严重时前后脉冲相互重叠，难以分辨。光纤的色散不仅影响传输质量，也限制了光纤通信系统的中继距离，它是限制传输速率的主要因素。光纤的色散可以分为三部分即模式色散、材料色散与波导色散。（1）模式色散因为光在多模光纤中传输时会存在着许多种传播模式，而每种传播模式具有不同的传播速度与相位，因此虽然在输入端同时输入光脉冲信号，但到达到接收端的时间却不同，于是产生了脉冲展宽，这种现象称为模式色散。（2
25、）材料色散由于光纤材料的折射率是波长的非线性函数，从而使光的传输速度随波长的变化而变化，由此而引起的色散叫材料色散。（3）波导色散同一模式的相位常数随波长而变化，即群速度随波长而变化，从而引起色散，称为波导色散。描述光纤色散的参数有一下三种：（1）色散系数：定义为单位线宽光源在单位长度光纤上所引起的时延差，即： （4.9）式中，是光源的线宽，即输出激光的波长范围，单位是nm；是单位长度光纤上引起的时延差，单位是ps/km。色散系数越小越好。（2）最大时延差：定义为光纤中传播速度最快和最慢的两种光波频率成分的时延之差，时延差越大说明色散越严重。单位是ns/km。（3）光纤的带宽系数：定义为一公里
26、长的光纤，其输出光功率信号下降到其最大值的一半时，此时光功率信号的调制频率就叫做光纤的带宽系数。需要注意的是，由于光信号是以光功率来度量的，所以其带宽又称为3dB光带宽。即光功率信号衰减3dB时意味着输出光功率信号减少一半。而一般的电缆带宽称为6dB电带宽，因为输出电信号是以电压或电流来度量的。3、数值孔径NA数值孔径是多模光纤的重要参数，它表征了光纤端面接收光的能力，其取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和对模式色散的影响。CCITT建议多模光纤的数值孔径取值范围为0.180.23。此外，式（4.5）的表达式是在阶跃光纤的条件下推导出来的，但多模光纤目前大多数是渐变光纤。所以对应于式（4.5）的
27、数值孔径叫做最大理论数值孔径NAt，而在实际中最常使用强度有效值数值孔径NAe，它们二者的关系为： （4.10）4、归一化频率归一化频率是光纤的最重要的结构参数，它能表征光纤中传输模式的数量，其表达式为： （4.11）式中，为光波的波长；n1为纤芯区域中最大折射率，对阶跃光纤而言为常数，对渐变光纤为轴心处的折射率；a1为纤芯的半径（um）；为光纤的相对折射率差。 V是一个无量纲的参数，它的大小能决定光纤中传播模式的数量。理论上可以证明，对于阶跃光纤而言其传播模式的数量为N=0.5V2，对于渐变光纤而言则为N=0.25 V2。4.2.3 光发送端机和光接收端机一、光端机的基本概念光端机是位于电端
28、机和光纤之间不可缺少的设备。如前所述，光端机包含发送和接收两大单元。光端机的功能是：其发送单元将电端机发出的电信号转换成符合一定要求的光信号后，送至光纤传输；其接收单元将光纤传送过来的光信号转换成电信号后，送至电端机处理。可见，光端机的发送单元是完成电/光转换，光端机的接收单元是完成光电转换。通常，一套光纤通信设备含有2个光端机、2个电端机。二、光发送端机的组成框图光发送机原理框图如图4.11所示，其各部分的功能如下。图4.11 光发送机原理图1、均衡放大ITU-T规定了不同速率的光发送机接口速率和接口码型。由PCM端机送来的HDB3或CMI码流，经过电缆的传输产生了衰减和畸变，首先要进行均衡
29、放大，用以补偿由电缆传输所产生的衰减或畸变，以便正确译码。2、码型变换在数字电路中，为了处理方便，由均衡器输出的HDB3码或CMI码，需通过码型变换电路，将其变换为二进制单极性码。3、扰码若信码流中出现长连“0”或长连“1”的情况，将会给时钟信号的提取带来困难，为了避免出现这种情况，需加一扰码电路。它可有规律地破坏长连“0”或长连“1”的码流，从而达到“0”、“1”等概率出现。相应的接收机需要加一个解扰电路，以恢复原来的信号流。4、时钟提取由于码型变换和扰码过程都需要以时钟信号作为依据，因此，在均衡放大电路之后，由时钟提取出时钟信号，供给均衡放大、码型变换、扰码电路和编码电路使用。5、编码如上
30、所述，经过扰码后的码流，尽量使得“1”和“0”的个数均等，这样便于接收端提取时钟信号。而且在实用上，为了便于不间断业务的误码监测，区间通信联络、监控及克服直流分量的波动，在实际的光纤通信系统中，都要对经过扰码以后的信码流进行编码，以满足上述要求。经过编码以后，线路码型已适合在光纤线路中传送。6、驱动（调制）光源驱动电路用经过编码以后的数字信号来调制发光器件的发光强度，完成电/光转换。光源发出的光强随经过编码后的信号源变化，形成相应的光脉冲送入光导纤维。7、自动光功率控制光源经一段使用时间将出现老化，如果光源采用LD管，必须设有自动光功率控制APC（Automatic Power Control
31、）和自动温度控制ATC（Automatic Temperature Control）电路，达到稳定输出光功率的目的。采用LED管时，可不设置。8、自动温度控制由于半导体光源的调制特性曲线对环境温度变化的反应很灵敏，使输出光功率出现变化，一般在发送机盘上装有ATC电路。在发送盘，除上述主要功能以外，还有一些辅助功能，如光源过流保护功能、无光告警功能等。三、光接收端机的基本组成光接收机是光通信系统中的一个主要组成部分，目前广泛使用的强度调制直接检波系统中接收机的示意图，如图4.12所示。图4.12 光接收机结构框图1、光电检测器由光纤传输过来的光信号，送到光接收机，光信号进入光电检测器，将光信号转
32、变为电信号。光电检测器是利用材料的光电效应来实现光电转换的。在光纤通信中，由于光纤的芯径很细，因此要求器件的体积小，重量轻，故多采用半导体光电检测器。它是利用半导体材料的光电效应来实现光电转换的。在光纤通信中常用的半导体光电检测器是光电二极管PIN和雪崩光电二极管APD。这两种光电管的主要区别是APD管需外加高反偏电压，使得其内部产生雪崩增益效应，因此，它不但具有光电转换作用，而且具有内部放大作用。PIN管比较简单，只需10V20V的电压即可工作，且不需要偏压控制，但没有增益。2、前置放大器在一般的光纤通信系统中光信号经光电检测器的光电变换后，输出的电流是十分微弱的，为了使光接收机判决电路正常
33、工作，必须将这种微弱的电信号进行若干级放大。大家知道，放大器在将信号放大的过程中，放大器本身的电阻将引入热噪声；放大器中的晶体管将引入散弹噪声。不仅如此，在一个多级放大器中，后一级放大器还会把前一级放大器输出的信号和噪声同时放大。因此，对多级放大器的前级就有特别要求，前主放大器的性能对接收机的性能有十分重要的影响，要求它是低噪声、高增益的放大器。这样才能得到较大的信噪比SNR。前置放大器一般采用APD，它的输出为毫伏数量级。3、主放大器主放大器的作用是将前置放大器输出的信号，放大到几伏数量级，使后面判决电路能正常工作。主放大器一般是一个多级增益可调节放大器。当光电检测器输出的信号出现起伏时，通
34、过光接收机的自动增益控制电路AGC用反馈环路来控制放大器，对主放大器的增益进行调整，以使主放大器的输出信号幅度在一定范围内保持恒定，主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围，使判决器的信号稳定。4、均衡器在数字光纤通信系统中，送到光发送机进行调制的数字信号是一系列矩形脉冲。由信号分析知道，理想的矩形脉冲具有无穷的带宽。这种矩形脉冲从发送光端机输出后，要经过光纤、光电检测器、放大器等部件，而这些部件的带宽却是有限的。这样，矩形脉冲频谱中只有有限的频率分量可以通过，使从接收机主放大器输出的脉冲形状不再是矩形的了，可能出现很长的拖尾。这种拖尾现象将会使前、后码元的波形重叠，产生码间干扰，严重时造成判
35、决电路误判，产生误码。因此，均衡器的主要作用是使经过均衡器以后的波形成为有利于判决的波形，即对已产生畸变的波形进行补偿，并使邻码判决时使本码的拖尾接近0值，消除码间干扰，减小误码率。5、判决器和时钟恢复电路判决器由判决电路和码形成电路构成。判决器和时钟恢复电路合起来构成脉冲再生电路。脉冲再生电路的作用，是将均衡器输出的信号，恢复为“0”或“1”的数字信号。判决器中需用的时钟信号也是从均衡器输出的信号中取得，时钟恢复电路是由箝位、整形、非线形处理调谐放大、限幅、整形、移相电路组合而成。6、解码、解扰、编码电路为了使信码流能够高质量地在光纤中传输，光发射机送入光纤的信号是经过扰码、编码处理的。这种
36、信号经过光纤传到接收机后，还需要将上述经过扰码、编码处理过的信号进行一系列的“复原”工作。这些将由接收机中的解码、解扰及码型反变换来完成。首先要通过解码电路，将在光纤中传输的光线路码型恢复为发端编码之前的码型。然后再经解扰电路，将发送端“扰乱”的码恢复为被扰之前的状况。最后再进行码型反变换，将解扰后的码变换为原来适于在PCM系统中传输的HDB3或CMI码，它是发端码型变换部分的逆过程，最后送至电端机中。4.2.4 光中继器光脉冲信号从光发射机输出，经光纤传输若干距离以后，由于光纤损耗和色散的影响，将使光脉冲信号的幅度受到衰减，波形出现失真。这样，就限制了光脉冲信号在光纤中作长距离的传输。为此，
37、就需在光波信号经过一定距离传输以后，要加一个光中继器，以放大衰减的信号，恢复失真的波形，使光脉冲得到再生，从而克服光信号在光纤传输中产生的衰减和色散失真，实现光纤通信系统的长途传输。光中继器一般可分为光-光中继器和光-电-光中继器两种，前者就是光放大器，后者是由能够完成光-电变换的光接收端机、电放大器和能够完成电-光变换的光发送端机组成。光放大器省去了光-电转换过程，可以对光信号直接进行放大。因此结构比较简单，有较高的效率，在DWDM系统中广泛应用。当前实用的PDH光纤通信系统，一般采用光-电-光中继器。显然，一个幅度受到衰减、波形发生畸变的信号，经过中继器的均衡放大、再生之后，即可补偿了光纤
38、的衰减，消除了失真和噪声的影响，恢复为原发送端的光脉冲信号继续向前传输。4.3 自动交换光网络4.3.1 ASON概述一、ASON的提出上个世纪90年代以来，全球互联网数据业务一直以超摩尔定律(每612个月翻一番)的速度发展，导致网络对于带宽的需求愈发无止境。这就使语音业务和专线业务与指数增长的数据业务相比不再占据主导地位。同时，随着互联网正在构成全球性的网络，传统的常识性概念，如业务的增长是缓慢、可预测的业务模式不再适用。以中国电信为例，如今其干线业务量95%以上是数据业务，现有业务承载传送模式受到前所未有的压力和挑战。为了解决未来业务和现有光网络之间的矛盾，智能控制被引入到下一代光网络中来
39、。在2000年3月日本召开的国际电信联盟-电信标准局一次会议上，Q19/Q13研究组提出了自动交换光网络，并将它形成了G.astn和G.ason的建议。ASON网络在ITU-T中的定义为：“通过能提供自动发现和动态连接建立功能的分布式（或部分分布式）控制平面，在OTN或SDH网络之上，实现动态的、基于信令和策略驱动控制的一种网络。”ASON的提出，使原来复杂的多层网络结构可以变得简单化和扁平化，从光网络层开始直接承载业务，避免了在传统网络中业务升级时受到的多重限制。在这种网络结构中核心的特点就是支持电子交换设备（如IP路由器等）动态地向光网络申请带宽资源。电子交换设备可以根据网络中业务分布模式
40、动态变化的需求，通过信令系统或者管理平面自主地去建立或者拆除光通道，不需要人工干预。ASON直接在光纤网络之上引入了以IP为核心的智能控制技术，可以有效地支持连接的动态建立与拆除，可基于流量工程按需合理分配网络资源，并能提供良好的网络保护恢复功能。因此，可以说ASON代表了光通信网络技术新的发展阶段和未来的前进方向。二、ASON的特点 与传统的光传输网络相比，ASON具有以下特点：1、控制为主的工作方式ASON最大的特点就是从传统的传输节点设备和管理系统中抽象分离出了控制平面。自动控制取代管理成为ASON最主要的工作方式。2、分布式智能ASON的重要标志是实现了网络的分布式智能，即网元的智能化
41、，具体体现为依靠网元实现网络拓扑发现、路由计算、链路自动配置、路径的管理和控制、 业务的保护和恢复等。3、多层统一与协调在ASON中，网络层次细化，体现了多种粒度，但多层的控制却是统一的，通过公共的控制平面来协调各层的工作。多层控制时涉及层间信令、层间路由和层发现，还有多层生存机制。4、面向业务ASON业务提供能力强大，业务种类丰富，能在光层直接实现动态业务分配，提高了网络资源的利用率。4.3.2 ASON基本原理和体系结构一、ASON的基本原理自动交换光网络指的是直接由控制系统下达信令来完成光网络连接自动交换的新型网络，其赋予原本单纯传送业务的底层光网以自动交换的智能，主要体现了两个思路：一
42、是将复杂的多层网络结构简单和扁平化，从光网络层开始直接承载业务，避免了传统网络中业务升级时受到的多重限制；二是利用电子交换设备直接向光网络申请带宽资源，可以根据网络中业务分布模式动态变化的需求，通过信令系统或者管理系统自主地建立或者拆除光通道，不经人工干预，高效而可靠。ASON网络结构的核心特点就是支持电子交换设备动态地向光网络申请带宽资源，可以根据网络中业务分布模式动态变化的需求，通过信令系统或者管理平面自主地去建立或者拆除光通道，而不需要人工干预。采用自动交换光网络技术之后，原来复杂的多层网络结构可以变得简单和扁平化，光网络层可以直接承载业务，避免了传统网络中业务升级时受到的多重限制。AS
43、ON的优势集中表现在其组网应用的动态、灵活、高效和智能方面。支持多粒度、多层次的智能，提供多样化、个性化的服务是ASON的核心特征。ASON网络之所以是自动交换光网络，就在于它本身具备的智能性，即ASON网络在不需要人为管理和控制的作用下，可以依据控制面的功能，按用户的请求来建立一条符合用户需求的光信道。这一前所未有的革命性进步为光网络带来了质的飞跃。而ASON网络之所以具备这种智能，是因为它首次引入了光网络中的控制面。在引入了控制平面以后，光网络从逻辑上可分为个平面：控制平面、传送平面、管理平面。ASON力图将三者有机结合，传送平面负责信息流的传送；控制平面关注于实时动态的连接控制；管理平面
44、面向网络操作者实现全面的管理，并对控制平面的功能进行补充。ASON参考结构体系如图4.13所示。图4.13 ASON网络参考结构体系在ASON网络的整体结构中，层次模型关系是一个非常重要的方面。因为从实现目的讲，ASON网络设计的目的是实现大范围全局性整体网络，因此ASON网络在结构上采用了层次性的可划分为多个域的概念性结构。这种结构可以允许设计者根据多种具体条件限制和策略要求来构建一个ASON网络。在不同域之间的互作用是通过标准抽象接口来完成的，而把一个抽象接口映射到具体协议中就可以实现物理接口，并且多个抽象接口可以同时复用在一个物理接口上。二、ASON的体系结构 传统的光传送网络只是由网管
45、层面和传输层面组成的，而自动交换光网络与传统的光传送网络相比，突破性地引入了更加智能化的控制平面，从而使得光网络能够在信令的控制下完成网络连接的自动建立、资源的自动发现等过程。也就是说，ASON由控制平面、管理平面和传送平面组成，其体系结构如图4.14所示。图4.14 ASON的体系结构ASON的体系结构主要表现在具有ASON特色的3个平面、3个接口以及所支持的3种连接类型上。控制平面用于实现对传送平面的灵活控制，完成信令转发、资源管理、呼叫控制、连接控制和传送控制等功能。控制平面提供网络节点接口(I-NNI和E-NNI)以及用户网络接口(UNI)。传送平面由一系列的传送实体组成,它是业务传送
46、的通道，提供用户信息的单向或双向传输。ASON传输网络基于网状网结构，也支持环网保护，具有如SDH(STM-N)接口、以太网接口、ATM接口以及一些特殊的接口，同时也具有与控制平面交互连接的控制接口(CCI)。节点可使用智能化的光交叉连接(OXC)或光分插复用(OADM)等光交换设备。管理平面可分别通过NMI-T和NMI-A网络管理接口，同时对传送平面和控制平面进行管理。3个平面之间通过3个接口实现信息的交互。控制平面和传送平面之间通过CCI相连，交互的信息主要为从控制节点到传送平面网元的交换控制命令和从网元到控制节点资源状态信息。管理平面通过NMI-T和NMI-A分别与控制平面和传送平面相连，实现管理，接口中的信息主要是网络管理信息。控制平面上还有用户与网络间的接口(UNI)、内部网络之间的接口(I-NNI)和外部网络之间的接口(E-NNI)。UNI是客户网络和光层设备之间的信令接口,客户设备通过这个接口动态地请求获取、撤销、修改具有一定特性的光带宽连接资源。I-NNI是一个自治域内部或有信任关系的多个自治域中的控制实体间的双向信令接口。E-NNI是不同自治域中控制实体之间的双向信令接口。ASON支持3种连接类
