光纤通信系统及其技术探究

1.光纤通信系统的组成

光纤通信系统包括实现点对点通信的全部设施，主要由传输系统、用户终端、接入设备和交换设备四个部分组成。光纤传输系统一般由光发送机、光传输线路(含光放大器)、光接收机等功能部分组成，其中包括多种无源与有源光器件。电端机就是电通信中采用的载波机、电信号收发设备、计算机终端和其它常规电子通信设备的总称。电端机在发送端的任务是把模拟信号转换为数字信号，在接收端则将光接收机处理后的电信号送给用户。

光发送机由光源、驱动电路和光调制器组成，光源是其核心。它利用电端机输送载有信息的电信号通过光调制器对光源发出的连续光波的振幅、相位或频率进行调制，从而输出载有有用信息的光信号，再将该光信号耦合进光纤传输线路。

对于长距离的光纤通信系统，传输线路中一般还需要有光放大器。其作用是把经过长距离光纤传输后已经衰减和畸变的微弱光信号，再次放大、整形，以形成一定强度的光信号，继续向前传输。目前的光放大器一般采用光一电一光形式，即:先利用光探测器，把接收到的光信号转变换为电信号，经放大、整形后去调制光源，把电信号再次转换为光信号，重新经过光纤传送出去。

在传输线路之后，光纤便接入光纤配线架等交换设备。光纤配线架的作用是通过光纤活动连接器，利用一段光纤将光信息分配到光接收机。

光接收机由光探测器、放大器和相应的信号处理电路组成，光探测器是其核心部分，它把来自光纤的光信号转换为电信号。因为光探测器输出的电流很微弱，必须经放大器将信号进行增益放大;均衡器对信号进行整形，使输出波形适合于判决;判决器和时钟提取电路对信号进行再生，把均衡器输出的波形信号恢复成数字信号;由于在发射端对信号进行了编码，最后需要译码器将信号恢复到初始状态。

经光接收机处理后的信息，再通过电端机，被用户终端(如电话终端、数字终端和图像终端等)接收，从而实现通信功能。在光接收机的判决器和译码器之间还可加入脉冲分离电路，连接用于监控、告警、公务等设备，用于监测通信系统的工作状态、出现故障后的自动报警及维护处理等目的。

2.通信网络的结构和规模

通信网络就是在一定的范围内以终端设备和交换设备为点，以传输链路为线，按一定顺序点线相连形成的有机组合的系统。其中终端设备是指用户与通信网之间的接口设备，根据通信业务的不同可以将其分为电话终端、数字终端、数据通信终端和图像通信终端等多种类型;交换设备为网络的节点，完成对信息的交换、控制和管理的功能，在光纤通信系统中主要由分配器和配线架等器件组成;传输链路是网络节点的连接媒体，即光缆。

通信网络中还包括集线器和耦合器等连接设备。集线器的实质是一个多口的中继器，其作用是通过低速支线线路集中起来的若干终端连到高速干线线路上，以提高通信效率。集线器是以广播方式工作的，当它向所连接的某个端口发出信息时，它连接的其它端口也会收到信息。光耦合器是一种对光功率进行分配的光无源器件，它能够将传输线路上的光信号耦合起来并进行再分配，它只将节点发来的信息传送到发出响应的节点。它一般是对同一波长光功率的分配，当需要从光纤的主传输信道中分出一部分光功率或者需要把不同端口来的多处光信号合起来送入一根光纤中传输时，都需要用到光耦合器。

3.光复用技术

充分利用光纤带宽资源的方法通常有两种:一是提高通信速率。通信速率的提高可以使系统在有限的时间内传输更多的信息，从而缓解通信业务量大的压力。但是由于受到电子器件响应速度的限制，通信速率不能无限地提高。目前通信速率超过40Gb/s的系统就不易实现了。二是利用光复用技术对光纤进行扩容。这是光纤通信系统进一步扩大通信容量的较好方法，它对于降低成本，满足各种宽带业务对网络容量、交互性和灵活性的要求具有重大的意义。

3.1波分复用(WDM)技术

光波分复用(WDM)技术就是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。在当前的光纤通信中，常用的光载波的波长是1.3lμm和1.55μm。对于每种波长的光载波，现在使用的光纤中都存在至少1OOnm宽度的低损耗带，也就是说在现有的光纤通信光纤中存在两个通信窗口，即1.25-1.35μm和1.5-1.6μm波段。这样，每根通信光纤就至少有200nm的波长带宽可供利用，如果以波长间隔为1nm来划分光载波(从而可利用的光载波的波长分别为l.25lμm、1.252μm、l.50lμm、l.502μm、……)，则至少有200个信道可供通信使用。现有通信技术已能使波长间隔缩小到0.4nm甚至更短，这样光纤中的通信容量就将变得更大(增大200/0.4=500倍)。这便是在光纤中采用光波分复用技术的前提和优势所在。

3.2光频分复用(FDM)技术

光频分复用技术与光波分复用技术在本质上基本相同，都是利用不同波长的光载波来传输信息，不同的是前者是在频域中描述光载波，二者所利用的光载波的波长间隔不同。在通常的情况下，光波分复用的光载波波长间隔大于1nm，而光频分复用的光载波波长间隔小于1nm。当多个光信道在光频域内密集的排列在一起，信道的波长间隔过小(由于光波的频率达1014Hz，即使1nm的波长间隔，也有约200GHz的频率间隔)而更适于用频率来表征时，就称为光频分复用。频分复用的频带间隔高达数百甚至数千GHz。所以光频分复用技术的使用，可使光纤通信容量几百甚至几千倍地提高。

3.3光时分复用技术(TDM)

光时分复用技术是指那些需要传送的各个信道的信号，在光纤的同一信道上占用不同的时间间隙而进行通信的一种复用技术。

各个支路(如信道1到信道N)的信号均是低速低频光脉冲信号，在光纤中传输的是复用后的高速光脉冲信号。复用信道中的光脉冲信号是按照一定的帧结构进行传输的，帧周期为T，帧与帧的时间间隔为t，每一帧光信号所占的时域(T-t)被划分为N个相等的时间间隙，各信道的信号发送机发来的经调制过的基带光脉冲(如脉冲信号1、2等)占有相应的时隙，复用器将各信道的光脉冲在时域上复合成一帧一帧的高速脉冲流，并在同一根光纤中进行传输。在接收端，解复用器把高速脉冲流分拆成原来的低速光脉冲信号，再送到光接受机进行处理。

在采用光时分复用技术的光纤通信系统中，传输的是单波长的光载波;每个支路信号只能在自己的时隙内独占线路进行传输，所以信号之间不会互相干扰;在利用光时分复用技术的网络中，总(时间)带宽被各个节点平均分配。当网络节点数增加时，平均分配给每个网络节点的带宽下降，网络结构的规模就受到限制。因此，这种网络结构一般适合于局域网。但若把光波分复用技术与光时分复用技术相结合，利用它们各自的优点，可使通信容量更大。