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1、第3章 现代传输技术,3.1 光纤通信3.2 移动通信3.3 数字微波通信3.4 卫星通信习题,3.1 光纤通信,3.1.1 光纤通信的特点光波是频率极高的电磁波，其频率位于0.3THz(1 THz=1012 Hz)到30 PHz(1PHz=1015Hz)之间，可细分为频率位于330 PHz之间的紫外光，频率位于0.33PHz之间的可见光和频率位于0.3300THz之间的红外光。目前，光纤通信使用的红外光波，其频率为1101441014 Hz。在讨论高频电磁波时利用波长这一单位比频率更方便，波长是电磁波在空间变化一周所经历的长度，波长取决于电磁波的频率和光速，即=C/f。其中，为电磁波的波长(
2、m)，C为光速(C=3108 m/s，即3108 m/s)，f为电磁波的频率(Hz)。对于光波，波长常用微米(m)或纳米(nm)来表示(1m=110-6 m，1 nm=110-9 m)。,利用光波来携带信息进行传输的通信方式称为光波通信，光波通信可分为无线光通信和有线光通信，无线光通信是利用光波在大气中直线传播的特点来传输信息的。这种方式无需任何线路，简单经济，但由于受到大气气温不均匀等因素的影响使得光线发生偏移，大雾时甚至全被吸收，因而通信质量不稳定。目前，这种方式主要应用于小容量、短距离的室内通信和户外的临时性的应急通信以及卫星之间的通信。有线光通信是利用光导纤维(玻璃纤维丝)等将光波汇聚
3、其中并进行传播的特点来传播信息的，这种方式光波的传播特性稳定因而通信稳定，目前的光波通信主要是指光纤通信，光纤通信优良的传输性能使其成为了长距离大容量信息传输的首选方案。,光纤通信与电通信相比，主要区别有两点，一是以很高频率(1014 Hz数量级)的光波作载波；二是用光纤作为传输介质。基于以上两点，光纤通信有以下的优点和缺点。优点：传输频带很宽，通信容量大；中继距离长；不怕电磁干扰；保密性好、无串话干扰；节约有色金属和原材料；线径细、重量轻；抗化学腐蚀、柔软可绕。缺点：强度不如金属线；连接比较困难；分路、耦合不方便；弯曲半径不宜太小。应该指出，光纤通信的三个缺点都已克服，不影响光纤通信的实用。
4、下面，我们着重介绍光纤通信的优越性和它的应用领域。,(1)传输频带很宽，通信容量大。随着科学技术的迅速发展，人们对通信的要求越来越多。为了扩大通信容量，有线通信从明线发展到电缆，无线通信从短波发展到微波和毫米波，它们都是通过提高载波频率来扩容的，光纤中传输的光波要比无线通信使用的频率高得多，所以，其通信容量也就比无线通信大得多。目前，光纤通信使用的频率一般位于3.51014 Hz(波长为1.05 m)附近，如果利用它带宽的一小部分，并假设一个话路占4 kHz的频带，那么一对光纤可以传送10亿路电话，它比我们今天所使用的所有通信系统的容量还大许多。然而实际上，由于光纤制造技术和光电器件特性的限制
5、，一对光纤要传送10亿路电话是有困难的。目前的实用水平为每对光纤传送30 000多话路(2.4 Gb/s)。,如果像电缆那样把几十根或几百根光纤组成一根光缆(即空分复用)，其外径比电缆小得多，传输容量却成百倍的增长，如果再使用波分复用技术，其传输容量就会大得惊人了。这样，就可以满足任何条件下信息传输的需要，对各种宽频带信息的传输具有十分重要的意义。(2)中继距离长。我们知道，信号在传输线上传输，由于传输线的损耗会使信号不断的衰减，信号传输的距离越长，衰减就越严重，当信号衰减到一定程度以后，对方就接收不到信号了。为了长距离通信，往往需要在传输线路上设置许多中继器，将衰减了的信号放大后再继续传输。
6、中继器越多，传输线路的成本就越高，维护也就越不方便，若某一中继器出现故障，就会影响全线的通信。因此，人们希望传输线路的中继器越少越好，最好是不要中继器。,减小传输线路的损耗是实现长中继距离的首要条件。因为光纤的损耗很低，所以能实现很长的中继距离。目前，实用石英光纤的损耗可低于0.2 dB/km，这比目前其他任何传输介质的损耗都低。由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达200 km还多。而现有的电通信中，同轴电缆系统最大中继距离为6 km，最长的微波中继距离也只有50 km左右。如果将来采用非石英系极低损耗光纤，其理论分析损耗可下降到10-9 dB/km，则中继距离可达数千米甚至数万千米。
7、这样，在任何情况下，通信线路都可以不设中继器了，它对降低海底通信的成本、提高可靠性和稳定性具有特别重要的意义。,(3)抗电磁干扰。任何信息传输系统都应具有一定的抗干扰能力，否则就无实用意义了。而当代世界对通信的各种干扰源比比皆是，有天然干扰源，如雷电干扰、电离层的变化和太阳的黑子活动等；有工业干扰源，如电动马达和高压电力线；还有无线电通信的相互干扰等，这都是现代通信必须认真对待的问题。一般说来，现有的电通信尽管采取了各种措施，但都不能满意地解决以上各种干扰的影响，惟有光纤通信不受以上各种电磁干扰的影响，这将从根本上解决电通信系统多年来困扰人们的干扰问题。,(4)保密性好，无串话干扰。对通信系统
8、的另一个重要要求是保密性好，然而无线电通信很容易被人窃听，随着科学技术的发展，就是我们以前所讲的保密性好的有线电通信也不那么保密了。人们只要在明线或电缆附近设置一个特别的接收装置，就可以窃听明线或电缆中传输的信息，因此，现有的电通信都面临着一个怎样保密的问题。,光纤通信与电通信不同，光波在光纤中传输是不会跑出光纤之外的，即使在转弯处，弯曲半径很小时，漏出的光波也十分微弱，如果在光纤或光缆的表面涂上一层消光剂，光纤中的光就完全不能跑出光纤。这样，用什么方法也无法在光纤外面窃听光纤中传输的信息了。此外，由于光纤中的光不会跑出来，我们在电缆通信中常见的串话现象，在光纤通信中也就不存在了。同时，它也不
9、会干扰其他通信设备或测试设备。,(5)节约有色金属和原材料。现有的电话线或电缆是由铜、铝、铅等金属材料制成的，但从目前的地质调查情况来看，世界上铜的储藏量不多，有人估计，按现在的开采速度只能再开采50年左右。而光纤的材料主要是石英(二氧化硅)，地球上是取之不尽用之不竭的，并且很少的原材料就可拉制出很长的光纤。例如，40克高纯度的石英玻璃可拉制1 km的光纤，而制造1 km八管中同轴电缆需要耗铜120 kg，铅500 kg。光纤通信技术的推广应用将节约大量的金属材料，具有合理使用地球资源的战略意义。,(6)线径细，重量轻。通信设备体积的大小和重量的轻重对许多领域具有特殊重要的意义，特别是在军事、
10、航空和宇宙飞船等方面。光纤的芯径很细，它只有单管同轴电缆的百分之一，光缆直径也很小，8芯光缆横截面直径约为l mm，而标准同轴电缆为47 mm。线径细对减小通信系统所占的空间具有重要意义。目前，利用光纤通信的这个特点，在市话继线路中成功地解决了地下管道拥挤的问题，节约了地下管道的建设投资。,光缆的重量比电缆要轻得多。例如，18管同轴电缆1 m的重量为11 kg，而同等容量的光缆1 m重只有90 g。近年来，许多国家在飞机上使用光纤通信设备，或将原来的电缆通信改为光纤通信，获得了很好的效果，它不但降低了通信设备的成本，飞机制造的成本，而且还提高了通信系统的抗干扰能力和飞机设计的灵活性。例如，美国
11、在A7飞机上用光纤通信取代原有的电缆通信后，它使飞机减轻重量27磅。据飞机设计人员统计，高性能的飞机每增加一磅的重量，成本费用要增加一万美元。如果考虑在宇宙飞船和人造卫星上使用光纤通信，其意义就更大了。由于光纤通信上述的许多优点，除了在公用通信和专用通信中广泛使用之外，它还在其他许多领域，如测量，传感、自动控制和医疗卫生等得到了十分广泛的应用。,3.1.2 光纤及其传输特性从电磁波的传播角度来看，光纤实际上是一个圆柱形波导，具有传播高频电磁波的能力。波导结构，由具有高折射率的纤芯和具有低折射率的包层材料构成。具有高折射率的材料充当传播介质，类似于矩形金属波导中的空气介质，能够传导电磁波；具有低
12、折射率的材料充当波导的管壁将电磁波的能量限定在波导内。1.光纤的类型光纤的分类方法有很多，可以按制作光纤的材料、光纤的结构、传播光的波长、传播模式的多少以及用途等来分。这里主要介绍三种分类方法。,1)塑料光纤与石英光纤从本质上说，目前有三种可以使用的光纤，它们都由玻璃、塑料或二者结合制成。(1)塑料纤芯和塑料包层光纤，这种光纤也称为塑料光纤，主要应用于短距离的光电隔离、工业控制中的数据量较小的数据信号的传输和简单的光纤工艺品，如光纤装饰画等。(2)玻璃纤芯和塑料包层光纤(通常称为PCS光纤，即塑料包层的石英光纤)，这种光纤也称为玻璃光纤。(3)玻璃纤芯和玻璃包层光纤(通常称为SCS光纤，即石英
13、包层的石英光纤)，这就是通信中常用的光纤称为通信光纤，其性能最好价格也最贵。下面主要讨论通信光纤。,2)阶跃光纤和梯度光纤光纤的光学特性决定于它的折射率分布，因此光纤纤芯和包层折射率在制造阶段是沿径向加以控制的，用控制预制棒中掺杂剂的种类和数量的方法来使之产生一定形状的折射率分布。折射率分布的形状有：阶跃(突变)和渐变(高斯)，如图3.1所示。,图3.1 光纤的折射率分布(a)阶跃分布；(b)高斯分布,根据光纤横截面上折射率分布的情况来分类，光纤可分为阶跃折射率型即阶跃光纤和渐变折射率型(也称为梯度折射率型)即渐变光纤。阶跃光纤，在纤芯中折射率分布是均匀的，在纤芯和包层的界面上折射率发生突变；
14、渐变光纤，在纤芯中折射率的分布是变化的，而包层中的折射率通常是常数。在渐变光纤中，包层中的折射率常数用n2表示，纤芯中折射率分布可用方幂律式表示。,渐变光纤的折射率分布可以表示为n1=,(3.1),式中，g是折射率变化的参数，a是纤芯半径，r是光纤中任意一点到中心径向的距离，n1是光纤纤芯中心位置对应的折射率，是渐变折射率光纤的相对折射率差，即,g=2，称为抛物线分布；g=时，即为阶跃光纤。,3)单模光纤和多模光纤光纤中的模式，简单也可理解为光在光纤中传播时特定的路径。如果光纤中只容许一种路径的光束沿光纤传播，则称为单模光纤，如图3.2(a)所示。如果光束的传播路径多于一条，则称为多模光纤，如
15、图3.2(b)所示。单模光纤的纤芯直径较之多模光纤小。,图3.2 三种光纤的纤芯和包层折射率分布,4)常用的三种通信光纤常用的三种光纤为单模阶跃光纤、多模阶跃光纤和多模渐变光纤，下面对它们分别作介绍。(1)单模阶跃光纤如图3.2(a)所示(图中n0、n1、n2分别为空气、纤芯和包层的折射率)。由于只容许光以一条路径沿光纤传播，因而纤芯是极小的，光束实际上是沿光纤轴线方向向前传播，进入光纤的光几乎是以相同的时间通过相同的距离。,(2)多模阶跃型光纤如图3.2(b)所示，除了纤芯比较粗外，其结构与单模光纤相同。这种光纤的数值孔径(光纤接收入射光线能力大小的物理量，具体概念下面介绍)较大，因此允许更
16、多的光线进入光缆。入射角大于临界角的光线沿纤芯呈“之”字型传播，在纤芯与包层的界面上不断地发生全反射；入射角小于临界角的光线(图中未画出)则折射进入包层，即被衰减。可以看出，此时光纤中的光是沿着不同路径进行传播的，因而通过相同长度的光纤就需要不同的传输时间,(3)多模渐变型光纤如图3.2(c)所示，它的特点是纤芯的折射率呈现非均匀分布，中心最大，沿截面半径向外逐渐减小，光在其中通过折射传播。由于光线是以斜交叉穿入纤芯，光线在纤芯中不断地从光密介质到光疏介质或从光疏介质到光密界面中传播，因此总是在不停地发生折射，形成一条连续的曲线。进入光纤的光线有不同的初始入射角，在传输一段的距离后，入射角度变
17、大并且远离中心轴线的光线要比靠近中心轴线的光线所走的路程长。由于折射率随轴向距离的增大而减小，而速度与折射率成反比，故远离轴线处的光传播速度大于靠近轴线处的光传播速度，因此，全部光线会以几乎相同的轴向速度在光纤中传播。,2.光纤的数值孔径和截止波长1)光纤的数值孔径光源发出的光，其辐射角有大(如白织灯光源的辐射角约为360)有小(如日光灯的辐射角小于白织灯光源的辐射角)，是不是光源发出的光能全部被光纤捕获即入射进光纤呢？显然是不可能的。那么如何来衡量光纤捕获或聚集光的能力呢？可用数值孔径NA这一性能参数来衡量。NA越大则光纤从光源接收的光能量就越大。从空气中入射到光纤纤芯端面上的光线被光纤捕获
18、成为束缚光线的最大入射角max为临界光锥的半角，如图3.3所示，称其为光纤的数值孔径(Numerical Aperture)，记为NA，它与纤芯和包层的折射率分布有关，而与光纤的直径无关。,图3.3 光纤的数值孔径的概念,对于阶跃光纤，NA为,式中，是光纤纤芯和包层的相对折射率差。数值孔径NA是光纤的一个极为重要的参数，它反映光纤捕捉光线能力的大小。NA越大，光纤捕捉光线的能力就越强，光纤与光源之间的耦合效率就越高。公式(3.2)的推导可以根据入射光线在光纤端面上的折射定律和在光纤纤芯和包层界面上的全反射定律很容易求证。,2)光纤的截止波长与矩形波导类似，波导受限于最低频率称为截止频率，低于截
19、止频率的电磁波将不能在波导中传播。相反允许通过波导的最长波长称为截止波长，定义为可在波导内传播的最大波长。换句话说，只有工作频率对应的波长小于截止波长的电磁波才能在波导内传播。截止波长可按下式计算：,(3.3),其中：C为截止波长(m)。,3.光纤的传输特性从通信的角度来看，人们最关心的是一个数字光脉冲信号注入到光纤之后，经过长距离传输后所遭受到的信号损伤，如脉冲的幅度、宽度等的变化。实验表明：一个很好的方波信号，经过传输后其幅度会下降，宽度会展宽变成了一个类似高斯分布的光脉冲信号。分析其原因就是由于光纤中存在损耗，使光信号的能量随着距离的加大而减小，导致了光脉冲的幅度下降；另一方面光脉冲信号
20、中的不同频率成分的电磁信号传播时，之间由于存在时延，因而使得原来能量集中的光脉冲信号，经传输后能量发生了弥散，光脉冲的宽度变宽了。这里对它们的产生原因作一简单的分析。,1)光纤的损耗光纤的损耗限制了光纤最大无中继传输距离。损耗用损耗系数()表示，单位为dB/km，即单位长度km的光功率损耗dB(分贝)值。如果注入光纤的功率为p(z=0)，光纤的长度为L，经长度L的光纤传输后光功率为p(z=L)，由于光功率随长度是按指数规律衰减的，因此()为,(3.4),光纤的损耗系数与光纤的折射率波动产生的散射如瑞利散射、光缺陷、石英的本征吸收、杂质吸收(如OH根离子)等有关且是波长的函数，即,(3.5),式
21、中，c1为瑞利散射常数，c2为与缺陷有关的常数，A()为杂质引起的波吸收。()与波长的关系如图3.4所示，可见有三个低损耗窗口，其中心波长分别位于0.85 m、1.30 m和1.55 m。,图3.4 光纤损耗与波长的关系,2)光纤的色散模间延迟主要存在于多模光纤中，光能量在光纤中的传输是分配到光纤中存在的模式中去，然后由不同的模携带能量向前传播。由于不同的模速度不一样，因此到达目的地时不同的模之间存在时延差。对于多模光纤，其纤芯为50 m远远大于光的波长1.3 m，因而波动理论与几何光学分析的结论是一致的。可以将一个模式看成是光线在光纤中一种可能的行进路径，由于不同的路径其长度不同，因此对应的
22、不同的模式其速度也不同。,设有一光脉冲注入长为L的光纤中，可以用几何光学求出其最大的时延差，如图3.5所示。设一单色光波注入光纤中，其能量将由不同的模式携带，利用路程最短的模(速度最快)与中心轴线光线相对应，路径最长(速度最慢)的模与沿全反射路径的光线相对应，求出最大的时延差。,图3.5 模间时延差,光纤的色散利用的全反射定理有,(3.6),由于不同的光线在光纤中传输时间不同，因而输入一个光脉冲，其能量在时间上相对集中，经光纤传输后到达输出端；输出一个光脉冲，其能量在时间上相对弥散，这种现象称为模式色散。通过合理设计光纤，模式色散可以减小(如渐变光纤)，甚至没有(如单模光纤)。,由于模间色散的
23、存在，展宽的光脉冲会达到某种程度使得前后光脉冲相互重叠，这是不希望的。一个粗略的判据是只要光脉冲在时间上的展宽不超过系统比特周期1/B的1/2即1/2B(B为系统的比特率)，就可接受。则模式色散有如下的限制,(3.7),因而光纤通信系统由于受模式色散的影响，其比特速率距离积为,如=0.01，n1=1.5(n1n2)，可得BL10(Mb/s)km。,3.1.3 光发送机光发送机原理框图如图3.6所示。在图3.6中，光源驱动电路是光发送机的主干电路，其中整形或码型变换、光源驱动电路和发射光源是光发送机的基本部分，而自动光功率控制(APC)、自动温度控制(ATC)和各种保护电路是光发送机的辅助部分。
24、在以LED为光源的光发送机中，将只有上面三个基本部分。因此，可以说光发送机的本质含义就是根据光源器件的应用特性采取针对性的措施使光源器件能有效和可靠地应用在光纤传输系统中。下文将分析光发送机的基本部分和辅助部分的作用。,图3.6 光发送机原理框图,1.光源光源是光发送电路的核心器件，主要完成电信号到光信号的转换。光纤通信系统的发光器通常有以下两种：发光二极管(LED)和激光二极管(LD)。这两种二极管是由半导体材料制成的，它们各自有不同的特点。光源的选择取决于系统成本及性能要求。激光二极管的价格高、性能好；普通发光二极管价廉、相应的性能也差。,1)发光二极管 发光二极管(LED)实质上就是PN
25、结二极管，一般由半导体材料，如砷镓铝(A1GaAs)或砷镓磷(PGaAs)制造而成。LED发射的光是电子与空穴复合自发产生的。当加在二极管两端的电压正向偏置时，注入的少数载流子通过PN结立即与多数载流子复合，释放的能量就以光的形式发射出来。这个过程原理上同平常使用的二极管是一样的，只是在选择半导体材料及杂质上有所不同。制造的材料要求具有辐射性，能够产生光子，光子以光速传播，但没有质量。而普通的二极管(如锗和硅)在工作过程中没有辐射性也不会产生光子。LED材料的禁带宽度(Energy Gap)决定所要发出的光是不是可见光以及可见光的颜色(波长)。,半导体发光二极管(LED)是由适当的P型材料或N
26、型材料构成的。光波长在800 nm范围的 LED是由三层结构或四层结构组合而成的，其中包括镓(Ga)、铝(A1)、砷化物(As)。对于长波长的LED，三层结构或四层结构是在镓(Ga)材料中掺入铟(In)及砷化物(As)中掺入磷酸盐(P)而构成的GaInAsP结。(1)同质结LED：原子结构相同的两种不同的半导体材料混合形式形成的PN结称为同质结构。最简单的LED结构是同质结，形成工艺可以是外延生长或单向扩散。同质结光源发出的光在各个方向均相等，只有其中一小部分的光可以耦合到光纤中，同质结光源的光波对于光纤不能作为有用的光源，另外光电转换效率也很低。同质结发光器常称为表面发射器。,(2)异质结L
27、ED：它是由一组P型半导体材料和另一组N型半导体材料分层堆放构成的。这种结构可以将电子和空穴的运载以及光线集中在很小的区域，以使光发射效果大大增强。异质结一般做在一个基片的衬底上，并夹在金属触点之间，这个金属触点用来连接发光器件的电源。异质结发光器是从材料的边缘发出光线，因而常把它称为边缘发光器(Edge Emitter)。实际应用中两种异质结LED的结构如下：,布鲁斯刻蚀井面发光LED是一种面发射的LED。布鲁斯刻蚀井LED向各个方向发出光线，刻蚀井可以将发射光汇聚在很小的区域，并可以在发射面上放一个半球形透镜将光汇聚得更小。因而它比标准面发射器更利于光到光纤的充分耦合，但它制造起来比较困难
28、，而且造价比较高。边发射LED，这种LED发出的光比表面发射LED具有更强的方向性，其结构与平面二极管和布鲁斯二极管相似，但它的发光面不是局限在圆形区域内，而是一条发光带，发出的光形成椭圆光束。布鲁斯刻蚀井面发光LED和边发射LED的结构如图3.7所示。,图3.7 面发光LED和边发光LED(a)面发光；(b)边发光,2)注入式激光二极管 激光器可由很多种不同的材料制成，包括气体、液体和固体。通常用于光纤通信的激光器大多数是半导体激光器。激光二极管(LD)与发光二极管(LED)有些相似。事实上，在低于某一导通电流值时，LD与LED是一样的，在导通电流值以上，LD受激振荡，才产生激光。电流通过正
29、向偏置的PN结二极管时，光是自发地发射出来的，其频率由半导体材料的能带宽度决定。一旦电流达到某一特定强度，PN结两边产生的少数载流子就会到达某一能级，当有光入射时光子与这一能级处于激活状态的载流子发生碰撞，使载流子都处于不稳定的状态。,此时，一些处在高的激发态能级上的载流子与能级低的异性载流子复合，释放出两个光子，其中一个是由受激辐射产生的。从本质上说，整个过程归结为产生出了大量的光子，产生的前提是较大的输入电流提供了较多的能级跃变的载流子(空穴和电子)。LD的结构与LED相似，如图3.8所示，但其端面被高精度抛光，像镜面一样。它能来回反射产生的光子，激发处在高能级的自由电子与空穴结合，这就是
30、激光的产生过程。典型的辐射光功率如图3.9所示(P指光功率，I指注入电流)，可以看出，在达到导通电流值之前，输出光功率极小。而一旦达到导通电流值，LD马上产生激光，输出功率随电流微小的上升而急剧增加。从图中还可以看到，LD输出功率的大小比LED更依赖于工作温度。,图3.8 激光二极管的结,图3.9 LD输出光功率与注入电流和随温度的关系,图3.10是LED和LD的辐射角比较图。由于LD射出的光集中在端面的一个狭小的光束中，因而辐射的方向性更强。,图3.10 LED和LD的辐射角的比较,LD的优点如下：(1)由于LD具有方向性很强的辐射特性，因而易于光到光纤的耦合，这降低了耦合损耗，也可使用较细
31、的光纤。(2)LD的输出光功率大于LED。典型LD的输出功率是5 mW(7 dBm)，大于一般只有0.5 mW(-3 dBm)的LED，因而可提供较强驱动能力的LD，使系统具有更长的通信距离。(3)LD比LED适用于更高的比特率。(4)LD产生的是单色光。LD的缺点如下：(1)LD比LED约贵10倍。(2)由于LD辐射功率较高，因而寿命比LED短。(3)与LED相比LD对温度的变化更敏感。,2.整形或码型变换在数字光纤传输系统设备的总体设计中，为了方便光发送机对其输入脉冲信号码型的选择，统一电路接口，简化设备的电路结构，一般输入到光发送机的脉冲信号都采用NRZ码型。而在光发送机中可以采用NRZ
32、码型，也可采用RZ码型。一般说来，RZ码型对数字光纤传输系统中的数字光接收机有利，而NRZ码型则相应增加了光接收机对信号波形均衡的难度。因此，目前在中等码速率的数字光纤传输系统中一般采用RZ码型，而在高码速率或超高码速率的数字光纤通信系统中多采用NRZ码型。,所以，在光发送机中，若采用NRZ码型，则必须将输入的NRZ码型的脉冲信号通过整形电路进行码型整形，以便用十分标准或经过某些预处理的电脉冲信号去调制光源器件，从而发出符合系统性能要求的光脉冲信号。若采用RZ码型，则必须将输入的NRZ码型转变成RZ码型，这就是光发送机中码型变换电路的作用。,3.光源驱动电路 要想光源发光，就必须给光源提供一定
33、的调制信号，对LD而言，还必须提供一定的偏置电流。所谓的光源驱动电路就是给光源提供恒定偏置电流和调制信号的电路，因此也可叫作光源的调制电路。一般说来，光源驱动电路是一种电流开关电路，最常用的是差分电流开关电路。在对LD进行高速脉冲调制时，驱动电路既要有快的开关速度，又要保持有良好的电流脉冲波形。由于LD对环境温度敏感以及自身老化特性等原因，其发光功率会发生改变，因而除了以上主要电路之外还应有ATC和APC电路。,(1)自动温度控制电路(ATC)。通常温度控制采用微型致冷器、热敏元件及控制电路组成。热敏电阻监测激光器的结温，与设定的基准温度比较、放大后，驱动致冷器控制电路，改变致冷量，以保持激光
34、器在恒定温度下工作。微型致冷器多采用半导体致冷器，它利用半导体材料的珀耳帖效应制成。所谓珀耳帖效应，是指当直流电流通过两种半导体(P型和N型)组成电偶时，利用其一端吸热而另一端放热的效应。一对电偶的致冷量很小，可根据用途不同，将若干对电偶串联或并联，组成温差功能器，其中微型半导体致冷器的控制温差可达3040。,为提高致冷效率和控制精度，常将致冷器和热敏电阻封装在激光器管壳内部，热敏电阻直接探测结区温度，致冷器直接与激光器的热沉接触，这种方法可使激光器的结温控制在0.1范围内，从而使激光器有较恒定的输出光功率和发射波长。但温控无法阻止由于激光器老化而产生的输出功率和频率的变化。温控电路的控制精度
35、，与外围电路的设计和激光器的封装技术有直接的关系，一个高质量的封装，应能使热敏电阻准确反映结温，同时致冷器与PN结应有良好的热传导。除了ATC方法外，另一种温度控制的方法是环境温度控制法，它主要是对通信机房进行温度控制，让LD在比较适宜的环境温度下工作。,(2)自动光功率控制(APC)。由于LD的性能参数，如阈值电流会随温度和器件的老化而变化，从而引起输出光功率的变化，这可以通过控制激光器的偏置电流，使其自动跟踪阈值的变化，从而使LD总是偏置在最佳状态，而达到稳定其输出光功率恒定不变。这是APC最常用的方法，当然还有其他的方法，这里不再一一介绍。,3.1.4 光接收机上文讨论了光源的强度调制(
36、IM)以及相应的光发送机，接下来本节将讨论相应的光接收机。DD(Direct Detection)直接检测，与外差接收检测相对应，是指不经过任何变换用光检测器直接检测光信号，将之转换成电信号，然后再在电域进行光载波所携带的原始信号的恢复过程。常用的检测器有PIN和APD。一般，由光检测器进行光电转换后的电信号都非常微弱，需要首先进行放大后，再进行原始信号的再生。如果原始信号是模拟信号，那么信号再生部分只需要滤波器即可；如果是数字信号，还要增加判决、时钟提取和自动增益控制(AGC)等电路，图3.11给出了强度调制(IM)的数字光信号直接检测(DD)光接收机的组成框图。,第1章 概 述,图3.11
37、 直接检测数字光接收机框图,在图3.11中，光接收机前置放大的作用是将检测器PIN或APD进行光电转换后的微弱电信号进行预放大，以便后级作进一步处理。在光纤通信系统的接收机中常用两种器件检测光能，它们是PIN二极管和APD(雪崩光电二极管)。PIN二极管是一种耗尽层光电二极管，是光纤通信系统中最常用的光电检测器。图3.12是PIN二极管的基本结构。其中，在掺杂浓度较高的N区和P区中间夹了一层掺杂浓度非常低的(近似于纯的或本征的)N型半导体材料，入射光可通过一个极小的入射孔照射到本征材料的空穴载流子上。由于本征材料的耗尽层很宽，足以使大多数入射到光电二极管的光子都被耗尽层吸收，即大多数光子被其中
38、的价带电子吸收，使其具有较高的能量生成载流子，形成电流。,实际上，PIN光电二极管与 LED的工作原理正好相反。通过入射孔径射入PIN光电二极管的光被本征材料吸收，使其中的电子由低能级跃迁到高能级，即由价带跃迁到导带。导带中的新增加的电子在数量上与价带中增加的空穴是相等的。因此，若要在光电二极管中形成电流，价带中的电子必须吸收足够的光能使其跨越禁带(Energy Gap)。因而只有频率或波长满足一定条件的光信号才能被光电检测器吸收。,图3.12 PIN光电二极管的结构,图3.13 APD光电二极管的结构,图3.13表示了雪崩光电二极管(APD)的基本结构。APD是一种PIPN组成的四层结构。光
39、入射二极管并被较薄的、重掺杂的N层吸收，使IPN结的电场强度增强。在强反向电场的作用下，PN结内部产生雪崩式的碰撞电离作用。当一个载流子获得足够能量后就再去碰撞其他束缚电子，而这些被电离的载流子又会继续去碰撞，产生更多的电离子。这个过程持续不断就像雪崩一样，实际上它就相当于内部增益或载流子放大。因此，APD光电二极管比PIN更灵敏，而且对外部放大功能要求更低。APD的缺点是具有相对较长的渡越时间以及由于雪崩放大造成的附加内部噪声。,光电检测器最重要的特性有以下几点：(1)响应度。响应度是光电检测器转换效率的度量，是光电二极管输出电流与输入光功率之比，单位是安培/瓦特(A/W)。响应度一般是针对
40、特定的波长或频率给定的。(2)暗电流。暗电流是指在没有入射光的情况下光电二极管的漏电流，它是由二极管热生载流子引起的。(3)渡越时间。渡越时间是指光产生的载流子通过耗尽区所需要的时间，这一参数决定了光电二极管的最大比特率。(4)光谱响应。光谱响应这一参数用来确定对于给定光电二极管的波长响应范围。一般光谱响应可在图表上表示为波长或频率的函数。,(5)光灵敏度。光灵敏度就是光接收机能够进行光检测并能给出可用输出电信号的最小输入光功率。对于某一特定的波长，光灵敏度通常以dBm或dB的形式给定。一台性能优良的光接收机应具有无失真地检测和恢复微弱信号的能力，这就要求前放应有低噪声、高灵敏度和足够的带宽。
41、根据不同的应用要求，前置放大有三种方案：低阻抗前放、高阻抗前放和跨(互)阻抗前放。均衡滤波部分主要是对受线路光纤色散和带宽影响的光脉冲进行波形均衡，以利于后续的判决再生电路，因此和均衡滤波电路一起，判决再生电路主要用来抑制数字脉冲信号在光/电变换和传输交换过程中产生的畸变与噪声，形成标准的数字脉冲信号。,3.1.5 光放大器与中继器上面介绍的光发送机和光接收机就可以构成一个短距离的光纤传输系统，如图3.14所示。较其他传输媒质来说，光纤的损耗较小，因此，光纤传输系统用在长距离传输中更具优势。虽然光纤的损耗小，但也不可能一次直接传输距离无限长，当两点间距离超过一定长度时，就必须补偿光纤损耗，否则
42、信号将受到过度衰减变得太弱而不能可靠检测。因此，和其他长距离传输系统一样，用于长距离传输的光纤传输系统需要增加中继系统作周期性损耗补偿。目前，中继方式主要有两种，一种是电中继，一种是光中继。采用这两种方式的长距离传输系统如图3.15和图3.16所示。,图3.14 短距离光纤传输系统,图3.15 采用再生器作周期性损耗补偿的点到点连接,图3.16 采用光放大器作周期性损耗补偿的点到点连接,图3.15中的再生器即电中继器，它实际上是一个接收机和一个发送机对。它首先检测到达的微弱变形光信号，然后将其转变为电信号，经放大整形后变成波形规则的电比特流，再调制光发送机，恢复原光比特流继续沿光纤传输。图3.
43、15的系统收发端一般采用IM-DD方式。图3.16中的损耗补偿是用光放大器来实现的，它将接收到的微弱光比特流信号直接放大而不需将其转换为电信号，这种类型的放大器最成熟的是掺铒光纤放大器(EDFA)，拉曼光纤放大器也是一种很有前途的光放大器。,3.1.6 光纤链路设计 光纤系统与其他通信系统一样由信源、信号接收端以及各种功能相对独立的装置组成。信号在通过系统传播过程中，各种功能电路都会对信号产生损耗及增益。图3.14表示无光中继的光纤系统，光源与光接收端之间通过一段或多段光纤连接。对于无光中继的传输系统，光源与光接收端之间没有光再生和光放大。图3.15和图3.16表示包含光中继器的光纤系统，中继
44、器对光信号可进行放大(光放大器)或再生(再生器)处理。在光源与接收端相距很远时，光中继器显然是必不可少的。,链路估算通常是对光源和光接收器之间的链路进行功率计算。对于无光中继的光传输系统只包括一个光源(如LED或LD)和一个光检测器(PIN或APD)，通过光缆和连接器连接而成。因此，光纤通信系统的链路估算是由光源、光检测器、各种光缆以及各种连接器的损耗构成的。典型的光纤链路损耗包括以下几种：(1)光缆损耗。光缆损耗取决于光缆长度、材料以及材料的纯度。光缆损耗通常用dB/km表示，并且一般在每公里零点几个分贝至几个分贝之间。,(2)连接器损耗。机械连接器通常用来连接两根光缆，如果机械连接器连接得
45、不理想，光能量就会漏掉，造成光功率的降低。连接器损耗一般用每个连接器的损耗来表示，损耗在零点几个分贝至2分贝之间。(3)光源与光缆接口损耗。用于光源与光缆之间的机械接口很难做到匹配，因此，光功率中起码有一小部分不能耦合到光缆中，对于光纤传输系统相当于零点几个分贝的功率损耗。,(4)光缆与光检测器接口损耗。套在光检测器外并连接在光缆上的机械接口也很难做到匹配。因此，离开光缆的光功率有很小的一部分不能进入光检测器，这样也就相当于零点几个分贝的功率损耗。(5)熔接损耗。如果要求很多节光缆用于远距离通信，光缆之间可通过熔合连接在一起。由于熔接有缺陷，每个熔合处的损耗范围在零点零几个分贝至零点几个分贝之
46、间。(6)光缆弯折。如果光缆弯折的角度过大，光缆中的信号传播特性就会发生明显变化。弯折严重时光线不再以全反射形式传播，光缆中出现折射现象。在纤芯与包层分界面的折射光会进入包层，对信号造成零点几个分贝至几个分贝的净损耗。对于各种通信系统或链路的预算，在接收端的实际有效功率等于发射功率与各种损耗之差。,3.1.7 WDM系统一般认为电子复用技术如前面介绍的TDM，在一个光信道的可利用带宽最高限度约为1020 GHz，目前传输的数据速率如2.510 Gb/s已经接近这个极限。而一条现有的普通单模光纤可传输的带宽极宽，仅1.55 m传输窗口就可传输10 000个光信道，其间隔为2.2 GHz。此时想再
47、提高信道利用率就必须借助于光频分复用技术，用增加光信道来扩大容量。光频分复用也称光波分复用(WDM)，然而习惯上光频分复用是指光频细分，即光信道非常密集；光波分复用是指光频粗分，光信道相隔甚远，甚至在光纤的不同窗口上，其复用的信道也较少，约10个左右。,这样一来，它对光滤波器的要求就降低了，采用普通的光纤WDM耦合器或光栅，即可对复用信道解复用。光频分复用的物理原理与光波分复用是相同的。但由于光频道的间隔很小，要用波长选择性更高的波导干涉仪或采用可调相干检测技术在电域解复用，并同时完成信号解调，难度很大。因此，现在走向商用化的技术是光频粗分的WDM。,一条波分复用的光纤通信链路如图3.17所示
48、，若干光发送机分别工作于各自的载波(i)。借助WDM耦合器复用为多路信号进入同一根光纤，传输至接收端，在此处借助一个解复用器将复用信号分离后，分别送到各自的接收机。链路中的EDFA用于补偿波分复用器/解复用器所带来的插入损耗。一个EDFA可以同时放大其窗口内所有的波长通道。,图3.17 波分复用光纤通信链路,评价如图3.17所示的WDM加EDFA系统的性能常用的指标有：链路带宽、特定BER所需的光功率以及光信道间的串扰。考虑一个如图3.17所示的四个光发送机的WDM链路，开通比特速率分别为B1到B4，则总的带宽为,(3.9),当所有的波长的比特速率相等时，系统容量与单波长链路相比增强了4倍。例
49、如，若每个信道的带宽是2.5 Gb/s，则四个信道的WDM链路总带宽为10 Gb/s。如果复用的信道数提高到32个，则带宽将变为80 Gb/s，这是一个相当可观的数据速率。,但是，另一方面WDM链路的总容量取决于光放大器的带宽，以及在可用的传输窗口中信道之间的间隔。ITU-T G.692标准建议的波长间隔为100 GHz，该文档还指出：波长必须安置在15371563 nm的标准EDFA的放大范围内，以193.100 THz(1552.524 nm)为中心频率的波长格子上。采用拉曼放大器或以硅酸盐光纤代替石英光纤，这一窗口还可扩展到1616 nm。采用更小的信道间隔和扩展的EDFA范围，制造商可
50、以提供商业级的128个波长的WDM链路。,3.2 移动通信,3.2.1 移动通信的特点移动通信与固定通信不同，它需要保障各移动用户在运动中的不间断通信，故它只能采用无线通信方式，同时由于通信双方或一方处于运动状态，位置在不断变化，因此移动通信与固定通信相比还具有以下特点：,(1)移动通信的电波传播环境复杂，传播条件十分恶劣，特别是陆上移动通信更是如此。移动通信必须利用无线电波进行信息传输，无线电波这种传播媒质允许通信中的用户可以在一定范围内自由活动，不受束缚。但由于移动用户经常在城市、郊区、丘陵、山区等环境中移动，且移动台的天线较低，受周围的地形、地物影响较大，因而导致接收信号的强度和相位随时
