光纖通信技術與光纖傳輸系統(tǒng)的研究

摘要：本文闡述了光纖通信的概念和特點、光纖通信技術，并基于光纖傳輸技術的要求對光纖傳輸系統(tǒng)的設計進行闡述。

關鍵詞：光纖通信技術;光纖傳輸系統(tǒng);模塊設計

1966年高錕博士提出光纖通信的概念，提出用石英玻璃光學纖維作為通信媒介，掀開了光纖通信技術研發(fā)的研發(fā)熱潮。1977年美國芝加哥首次采用0.85微米波段多模光纖進行通信試驗，1981年采用1.3微米的波段光模通光纖進行通信，這是第二代光纖通信系統(tǒng)。直到1984年，實現了1.3微米的單模光纖通信技術，也就是第三代光纖通信技術。20世紀末，經過幾代光纖通信技術的發(fā)展，逐漸發(fā)展到第五代光纖通信技術，采用光波放大器增加了傳輸距離，從而增長了光纖通信的傳輸距離。伴隨著計算機信息技術的發(fā)展，對通信技術提出了更高的要求，進一步促進光纖通信技術的發(fā)展，光纖通信技術由于體積小、容量大、質量輕、抗干擾能力強等優(yōu)勢，正在快速發(fā)展，并在無線通信和衛(wèi)星領域廣泛應用。光纖傳輸系統(tǒng)隨著各種新材料、新工藝和新技術的發(fā)展不斷進入光集成、光交換以及光放大等全光網時代。

1 光纖通信概述

1.1 光纖通信的特點

光纖通信是以光纖作為傳輸媒介對信息的進行傳輸的一種通信方式。光纖由纖芯、包層、涂層構成，纖芯的纖維內芯只有幾十微米或者幾微米，包層是光纖的中間層，涂層主要是光纖的保護層，可以有效隔絕外界對光纖的干擾與破壞，確保光纖傳輸信號的安全性和穩(wěn)定性。光纖通信具有以下特點：

（1）傳輸容量大，可以實現遠距離電信號的傳輸，由于光纖通信技術是以光纖作為傳輸介質，光纖的主要材質為石英，這種材料的光波頻率比較高，單模光纖的帶寬容量達到數百太兆千米。目前，光纖通信己實現5000米以上無中繼站的傳輸，隨著新材料和新技術的應用，未來光纖通信距離將更遠[1]。

（2）抗干擾性強，光纖采用石英材料，這種玻璃材料絕緣效果比較好，不容易受到外界的腐蝕和干擾，在進行遠距離傳輸的時候，可以防止雷電、電磁輻射對線路的干擾，確保通信質量。

（3）保密性能好。光纖通信外部采用包層，將光波信號限制在光波結構中，各個通道相互獨立，傳輸過程中，通道與通道之間不會相互干擾，從而確保通信的安全性。

（4）質量輕、使用壽命長。光纖通信采用石英玻璃材料，這些材質不容易導電，運行相對比較安全。光纖的質量體積小，多芯光纖也不會數量的增重而成倍增長，有利于光纖通信設備的安裝鋪設，可廣泛應用在礦井、水下等作業(yè)環(huán)境，適應性好，使用壽命比較長。

1.2 光纖通信工作原理

光纖通信系統(tǒng)由光發(fā)信機、光接收機、光纖、中繼器、光纖連接器和耦合器等構成。光發(fā)信機是光纖通信系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，主要由光源、驅動器等構成，是實現電信號與光信號轉變的設備，它可以將電信號對光源發(fā)出的電波調制為光波信號，并將光波信號耦合到光纖中傳輸;光接收機是將光信號轉變?yōu)殡娦盘柕脑O備，由光檢測器和放大器構成，它的主要功能是將光纖傳輸的光信號調制成為電信號，再利用放大器將電信號進行放大，送到接收端的電端級;光纖是傳輸介質，將光發(fā)射機的光信號發(fā)送出去后，經過光纖進行遠距離傳輸，耦合劑收到光接收纖通信是遠距離傳輸，遠距離傳輸后，光信號受到一定的衰減或者信號失真，影響到信號傳輸的質量，因此需要進行補償，并對失真的脈沖信號進行近行整形;光纖連接器和耦合器主要是為了滿足光纖通信安裝需求，由于施工現場條件限制，一條光纖無法完成信號的傳輸，可能需要連接多條光纖，因此光纖與光纖、光纖與光端機需要連接器和耦合器[2]。

2 光纖通信技術

光纖通信技術包括光纖技術、光交換技術、光有源器件、光無源器件以及光網絡技術等。

2.1 光纖技術

光纖技術是將光信號機端發(fā)送的信號發(fā)送到光接收端，在傳輸過程中盡量減少信號的衰減和失真，這種光纖是在折射率比較大的光纖芯內部覆蓋一層折射率比較小的包層，光信號在光纖芯與包層界面進行傳播，光纖作為一種傳輸介質波導，光信號被封閉在光纖內，只能沿著光纖進行傳輸，光纖的纖芯直徑大小一般為幾微米至幾百微米。目前光纖大多數采用近紅外波段透過率比較高的單模和多模石英光纖，單模光纖是只能傳輸單重光模的光纖，這種光纖的傳輸信號帶寬高，可以實現遠距離的光信號傳輸;多模光纖是指在一定波長上傳輸多種模式的光纖，這種多模光纖傳輸的模式比較多，各個模式的傳播速率、常數不同，因此光纖的帶寬比較窄、色散比較大、損耗比較大，適合短距離的光信號傳輸。由于多模光纖可以讓多種模式的光纖在同一根光纖上進行傳輸，光纖的芯徑比較大，需要使用耦合劑和接線器進行連接[3]。

2.2 光交換技術

光交換技術是通過光纖進行網絡數據、信號傳輸的網絡交換傳輸技術。通過光交換技術可以避免電子設備在進行交換過程由于容量比較大，無法實現信號的傳輸。光交換技術有助于網絡優(yōu)化，提高網絡的靈活性和兼容性。光交換技術不需要光電轉換，可以直接將輸入的光信號交換到不同的輸出端，從而減少網絡協(xié)議層的數量，并利用現有的光技術進行轉換。與其他交換技術相比，光交換技術具有大容量、數據率、格式透明、可配置性等特點，可以支持不同類型的數據，帶寬的利用率比較好，可以為客戶提供各種服務，滿足不同客戶的通訊需求。同時，光交換技術還可以與MPLS、OXC等新技術進行結合，對光網絡進行優(yōu)化[4]。

2.3 光放大技術

光放大技術是在電和光的作用下，實現粒子數反轉，并通過接收刺激輻射直接將入射光放大，它不需要將光信號轉變?yōu)殡娦盘?，從而改變了光纖通信傳輸的效率，讓光纖傳輸系統(tǒng)變得更加簡單。光放大技術促進了光復合技術、全光網絡的發(fā)展，在光放大技術出現之前，光纖通信傳輸系統(tǒng)需要將光電信號進行轉換，才能實現信號放大，通過光放大技術，可以直接放大光信號，避免在光電信號轉變過程中，導致通信信號的損失或者變形[5]。

2.4 光網絡技術

光網絡技術是采用光纖傳輸的一種網絡結構技術，它在光纖提供遠距離、大容量的傳輸介質基礎上，利用光和電子控制技術，可以實現各個網絡節(jié)點的互聯(lián)和調度。光網絡主要用于使用光纖作為傳輸介質的廣域網、城域網以及更大范圍的局域網[6]。

3 光纖傳輸系統(tǒng)設計

光纖傳輸系統(tǒng)可以滿足大容量、遠距離語音、數據、視頻等業(yè)務傳輸的需求，為了降低光纖傳輸過程中，信號的損失和變形，可以采用無壓傳輸方式，在傳輸過程中不需要使用壓縮技術將數據進行壓縮，而是直接將轉換后的信號直接傳送到光纖介質[7]。光纖傳輸系統(tǒng)主要由轉換模塊、復接/分接模塊、編碼/編譯模塊、并串/串并模塊、光接收/光發(fā)射模塊構成，并通過主要控制芯片對復接/分接、編碼/編譯以及并串/串并功能。光纖傳輸系統(tǒng)的發(fā)送端由8路轉換模塊負責將傳輸信號進行轉換，轉換后每一路信號經過復合器復用為數字信號，完成數據信息的一次復用。然后數字信號將其發(fā)送到編碼單元對線路進行編碼，將光發(fā)信端傳輸的適合電纜傳輸的雙極性碼轉變?yōu)檫m合光纖傳輸的單級性碼，將碼數轉換后再將信號送入到轉換模塊進行串行輸出。光傳輸系統(tǒng)的接收端通過光收發(fā)一體模塊將接收的光信號轉換為電信號，并通過串并實現數據的一次復用，從而獲得8路并行的數字信號，再經過編碼器、分路器對數據進行分解，將數據進行分離，最終將信號還原最初的信號[8]。系統(tǒng)工作原理如圖1。

3.1 信號轉換模塊的設計

根據系統(tǒng)設計原理，光纖傳輸系統(tǒng)需要將信號轉換后經過各個模塊的處理，才能將串行的信號傳輸到光纖網絡。信號模塊的轉化是需要將語音、視頻、數據等信號進行有效的處理，處理符合光纖傳輸系統(tǒng)的要求才能發(fā)送到光纖結構中。因此，光纖傳輸系統(tǒng)的信號轉換模塊必須具備一定的兼容性、可拓展性，信號通過取樣、量化、編碼以后才能在光纖、衛(wèi)星通道等數字線路上進行傳輸。此次系統(tǒng)采用AD9280作為轉換芯片，AD9280具有采樣、放大的集成芯片，轉換芯片所需電壓為2.8—6.0V，并自帶可編程的存儲器和采樣放大器，可以確保在正常速率下信號不會失真[9]。

3.2 復接和分接模塊設計

光纖傳輸網絡采用復用設計理念，合路器可以將每一路的信號轉變?yōu)榉项l率的要求進行輸出，并調整每一路信號碼的速率。信號復接和分接模塊采用FPGA現場可編程邏輯門列陣，這種可編輯器件是專用集成電路中的半定制電路，芯片中含有數字管理模塊、內嵌式元、輸入單元和輸出單元，它可以通過小型查找表實現模塊的組合模式，每一個小型查找表可以連接到一個觸發(fā)器的輸入端，然后觸發(fā)器驅動其他邏輯電路或者輸入輸出模塊[10]。

3.3 光纖線路編碼/譯碼模塊設計

光纖通信網絡中，光發(fā)射機輸出的是雙極性碼，這種碼一般應用在電力電纜傳輸系統(tǒng)，光纖傳輸系統(tǒng)采用的是單極性碼。因此，在光發(fā)信端需要將雙極性碼轉變?yōu)閱螛O性碼。此次光纖傳輸系統(tǒng)的線路采用8B編碼，10B譯碼。這種編碼技術是目前相對主流的一種編碼譯碼技術，可以有效補償信號，避免信號在編譯過程中，由于電壓差異導致失真或者錯誤，可以將8bit的數據增加到10bit，讓部分10bit的數據轉變?yōu)榻勾a，如果傳輸過程中出現了禁止碼，說明數據傳輸出現了錯誤。編碼/解碼模塊采用查表的方式，用存儲器將可能出現的碼組進行存儲，并在輸入碼組轉換為存儲地址的方式找出對應的編譯碼，這種編譯方式邏輯簡單，有利于系統(tǒng)的開發(fā)，從而減少了光纖傳輸系統(tǒng)的電路板面積，提高了整個系統(tǒng)的編碼效率。

4 結束語

光纖通信技術具有是當前我國通訊事業(yè)的發(fā)展方向，經過幾十年的發(fā)展，我國的光纖通信技術取得了一定的進步，各地鋪設的光纖通信光纜越來越多，但是目前，光纖通信傳輸系統(tǒng)在實際應用過程中還存在不少問題，還需要進一步優(yōu)化。

參考文獻

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作者簡介

郝達明（1980一），男，吉林省長春市人。大學本科學歷，通信工程師（中級）。研究方向為通信工程建設。