光纤通信系统的构成

时间：2018-06-06

光纤通信系统 与其他通信系统的区别从原理上讲只是载波频率的不同，光载波的频率在100THz的数量级，而微波载频的范围在1〜10GHz，由于光载波频率与微波频率之间的差别，光通信的信息容量可以比微波系统高出1000倍，可以达到10Tbps的量级，正是由于光通信系统具有如此巨大的带宽潜力，才使得人们不断地研究和开犮光通信系统。

图1给出了光通信系统的示意图，它由光发射机、通信信道和光接收机三个部分组成，这三个部分也是所有通信系统的必想组成部分。光纤通信系统采用光纤作为通信信道。从原理上讲，在任何需要传递信息的两地之间都可以使用光纤通信，但促进光纤通信发展的主要原因是其在电讯领域的应用。

光纤通信的电讯应用大致可以分为两类，即长途和短途通信。在长途通信系统中，干线上要求具有很高的容量，光纤通信系统正好满足这个要求，事实上，光纤通信的发展，也得利于长途通信成用的促进。与同轴电缆系统相比，中继距离和码速成呈级的提髙使得光纤通信在长途成用方具有特别的吸引力，尤其是采用光放大器后，可以使无光电转换的中继距离大大增加。

短途通信应用包括城域网络和局域网络系统，这类系统通常具有较低的速度，传输距离小于10km。在这种应用中，采用单信道光波系统的形式是不经济的，应该采用多信道和多神服务的结构。

光纤通信系统的基本构成

由图2可知，光纤通信系统由光发射机、光纤和光接收机三个部分组成。

1）光纤

在光纤通信系统中，利用光纤作为通信信道，它的作用是将光信号从发射机不失真地传送到接收机。光纤的两个重要参数是损耗和色散，它们都影响光纤通信系统的传输距离和传输容量。光纤的损耗直接决定着长途光纤通信系统的中继距离：而光纤的色散使得光脉冲在光纤中传输时发生展宽，如果脉冲展宽严重，就会对邻近码产生影响，形成码间干扰。在多模光纤的情况下，色散尤其严重，因为多模光纤中不同模式具有不同的速率，所以脉冲展宽很快（典型值约为10ns/km)，因此人多数光纤系统采用单模光纤传输，但即使在单模光纤中，由于材料色散，仍然会有脉冲展宽存在（典型值<0.1ns/km)，但对大多数应用来说，这个展宽可以被接受，并且通过控制光源的光谱，可以进步减小这种展宽效应的影响。尽管这样，材料色散仍然是光纤通信系统屮限制码速和传输距离的因素。

2）光发射机

光发射机的作用就是将电信号转变成光信号，并将光信号耦合进入传输光纤中。图2是发射机的示意图，它主要由光源、调制器和信道耦合器等组成，其屮光源是光发射机的“心脏”，在光纤通信中，普遍采用半导体激光器或发光二极管作为光源。光信号通过对光载波的调制而获得，在大多数情况下采用直接对半导体光源的注入电流进行调制的方法，也可以使用外调制器。在直接调制下，输入信号直接被加到光源的驱动电路上，与使用外调制器相比，直接调制能使系统结构简化，成本降低。信道耦合器通常是一个微透镜，它最大可能地将光信号耦合进入光纤中。

光发射机的一个重要参数是发射光功率，它意味者在传输过程屮可以容忍的传输损耗。发射光功率通常以1mW为甚准，用dBm来表示，它定义为

发光二极管的发射功率较低（一般<-10dBm)，而半导体激光溫的发射功率可以达到0〜10dBm，并且由于发光二极管的调制能力有限，所以人多数高性能的光纤通信系统都采用半导体激光器作为光源。光发射机的速率一般是受限于电子电路而不是半导体激光器本身，如果设计得好的话，光发射机的速率一般可以达到10〜15Gbps，最高达到40Gbps。

3）光接收机

光接收机在光纤的末端将接收到的光信号恢复成原来的电信号，图3给出了光接收机的示意图。它主要由耦合器、光电二极管和解调电路构成。耦合器的作用是将光信号耦合到光电二极管上，光电二极管是光接收机的主要部件，它能将光纤传来的已调光信号转变成相应的电信号，经放大后送入解调电路进行处理。解调器的设计依赖于系统的调制方式，它的作用就是将光电二极管送来的信号进行判决，恢复出原来的电信号信息。

数字光纤传输系统的性能由误码率来表征，它定义为在接收机上出现误码的几率，这样10^-6的误码率就相当于10⁶个码中平均说来会有一个误码。许多系统都将≤10^-9的误码率作为对系统的要求，有些系统要求误码率小至10^-14。

接收灵敏度是光接收机的一个重要参数，定义为在一定误码率下的最小平均接收光功率，它与系统的信噪比有关，而信噪比又与使接收信号劣化的各种噪声源的人小有关，噪声包括由接收机内部产生的噪声（如热噪声和放大器噪声）、光发射机的噪声（如相对强度噪声）以及光信号在光纤内传输过程中引入的噪声等等。接收灵敏度由在判决电路上引起信噪比降低的所有可能的噪声的累加效应决定，它一般与码速有关，因为某些噪声（如点噪声）是与信号的带宽有关的。