模擬信號光纖傳輸系統(tǒng)中色散的研究

黃鋒鋒,蔣鵬宇,蔣高健

(中國電子科技集團公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004)

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和進步，尤其是5G移動通信的成熟和商用，同時人們對包括聲音、數(shù)據(jù)、圖像和影視等多媒體通信的需求越來越高，并且希望能在任何時候任何地點向個人提供這些通信業(yè)務(wù)，因此需要更高速率、更大容量的通信。光纖通信系統(tǒng)以其低傳輸損耗和巨大的帶寬成為解決寬帶傳輸?shù)挠辛κ侄巍?/p>

由于現(xiàn)在低頻資源已經(jīng)幾乎都被占用了，隨著使用更高的微波頻段，遇到的困難也越來越大，最主要的問題是大氣中傳播時頻率越高的微波功率衰減越快，這就導致了信號傳輸?shù)木嚯x越短，需要非常多的中繼站和基站，由于頻率越高器件成本也越高，可見用傳統(tǒng)的無線通信方法實現(xiàn)商用很不現(xiàn)實。于是，針對高頻通信，利用光纖來實現(xiàn)傳輸成為主要的解決方案。

1 模擬信號光纖通信系統(tǒng)

模擬信號光纖通信技術(shù)就是指利用光纖代替大氣作為一種傳輸媒質(zhì)來傳送寬帶射頻信號，如基帶、中頻或射頻信號的一種傳輸技術(shù)，在模擬光纖通信系統(tǒng)中無線信號通過使用光器件、光技術(shù)調(diào)制然后進行傳送分發(fā)[1]。輸入模擬光纖系統(tǒng)的電信號可以是基帶數(shù)字信號、中頻信號和射頻信號。這些電信號用于調(diào)制光信號，然后光信號再通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h端基站。在遠端基站，通過光電探測器得到電信號從而提取傳送的信息。

模擬光纖通信是以光波為載頻，以光導纖維為傳輸介質(zhì)的一種通信方式，由于具有頻帶寬、通信容量大、損耗低及傳輸距離長等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域。從光學的角度來看，限制模擬信號光纖傳輸系統(tǒng)的因素主要包括損耗、色散等。

模擬光纖傳輸?shù)墓饫w損耗遵循比爾定律，即輸入功率、輸出功率及傳輸損耗之間的關(guān)系式，即比爾定律

式中，L是傳播距離，γ是用dB/km表示的功率衰減。

常用的光纖傳輸窗口是1310nm和1550nm波長，對應(yīng)的傳輸損耗為0.3dB/km和0.25dB/km，單就傳輸損耗而言，常規(guī)的應(yīng)用現(xiàn)在都不是主要問題，比如傳輸30 km，在1310nm波長下?lián)p耗為9dB，不管是通過光放大還是電信號的放大都已經(jīng)非常成熟。

2 色散

在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?脈沖)的不同頻率成分或者不同的模式分量以不同的速度傳播，達到一定的距離后必然產(chǎn)生信號失真(脈沖展寬)，這種現(xiàn)象稱為光纖的色散或彌散。光纖中傳輸?shù)墓庑盘柧哂幸欢ǖ念l譜寬度，也就是說光信號具有許多不同的頻率成分。

光纖色散的產(chǎn)生基于兩個方面的因素，一個是進入光纖的光信號不是單一頻率的光，因為光源發(fā)出的光不是單色光或者是光譜具有一定的寬度；另一個是光纖對光信號的色散作用。

色散導致光脈沖在時域上的展寬，致使前后脈沖相互重疊，引起信號的碼間干擾，影響系統(tǒng)性能。由于信號的各頻率成分或各模式成分的傳輸速度不同，當它們所攜帶的光脈沖在光纖中傳輸一段距離后，將互相散開，于是光脈沖展寬。嚴重時，前后脈沖將互相重疊，形成碼間干擾，增加誤碼率，使通信質(zhì)量下降。為保證通信質(zhì)量，必須加大碼間距離，這就降低了通信容量。另一方面，傳輸距離越長，脈沖展寬越嚴重，因而色散也限制了光纖的傳輸距離。

由于光纖中所傳信號的不同頻率成分，在傳輸過程中，因群速度不同互相散開，引起傳輸信號波形失真。光纖色散的存在使傳輸?shù)男盘柮}沖畸變，從而限制了光纖的傳輸容量和傳輸帶寬。從機理上說，光纖色散分為材料色散、波導色散和模式色散。前兩種色散由于信號不是單一頻率所引起，后一種色散由于信號不是單一模式所引起。

假設(shè)光纖系統(tǒng)中的光源所發(fā)出的光都是單一波長的(換種說法，即單一頻率的)，實際的光源在一個特定的波長范圍內(nèi)發(fā)光。這個范圍稱為光源的線寬，或者譜寬。光源的線寬越窄，其相干性就越好。理想的相干光源發(fā)射單波長的光，其線寬為0，因而是理想的單色的[2]。

3 色散對模擬信號光纖傳輸?shù)挠绊?/h2>

理想的光信號在時域為單頻點信號，在頻域帶寬為0。實際光信號都有一定的帶寬，假設(shè)一個窄線寬的光信號由多個形狀完全相同但波長不同的理想脈沖組成。光信號在光纖中是通過全反射傳輸?shù)?，根?jù)折射率為n=c/v，其中c是光在真空中傳輸速度，c= 3×108m/s，v是光在光纖中的傳輸速度。折射率n在不同的波長不同，但是差異很小，例如在常用的1310nm窗口的折射率是1.46750,1550nm窗口的折射率是1.46800。窄線寬光源中組成的各個單脈沖波長差異很小，相互之間的折射率差異也會很小。在光纖中，這些脈沖以不同的速度傳輸，到達光纖末端的時間會有差別。這個差別的大小和傳輸距離成正比，在輸出端再將其疊加起來，形成輸出脈沖，相對于輸入信號，輸出信號被展寬了。這解釋了色散如何導致脈沖畸變，脈沖傳輸?shù)脑竭h，其展寬的越嚴重。

圖1 窄線寬光源在光纖中的傳播

光信號的色散會帶來調(diào)制在光信號上模擬信號產(chǎn)生失真，和上文一樣假設(shè)窄線寬光源由三個不同波長的理想光脈沖組成，模擬信號調(diào)制到窄線寬光源上，實際上就是調(diào)制到三個不同波長的理想光脈沖上。

圖2 色散引起的模擬信號傳輸?shù)氖д?/p>

在輸入端，調(diào)制在三個光波長上的模擬信號在相位上變化相同，疊加在一起產(chǎn)生一個幅度變化更大的信號。在光纖介質(zhì)中傳播一段距離后，由于色散的原因，這些調(diào)制在不同光波長上的模擬信號在相位上不再相同。當疊加在一起時，所形成的信號的幅度變化變小、信號頻譜展寬，色散并沒有改變平均功率或者調(diào)制功率，但減小了信號的幅度變化，傳輸?shù)男畔⒕桶谛盘柕淖兓?，所以這種幅度衰減會影響信息的傳輸，我們可以將這種結(jié)果看成信號峰值的擴展(降低幅度)和波谷的填充(抬高其幅度)。

4 色散的解決方法

由材料色散(或波導色散)引起的信號畸變可通過使用窄線寬光源來降低，線寬越窄包含的不要波長脈沖數(shù)量越小、不同波長的光脈沖之間的波長差異也越小，經(jīng)光纖傳輸以后，可以在光接收機對光束進行濾波來減小色散畸變。光濾波器只允許帶寬非常窄的光波到達光檢測器，但這種技術(shù)有兩個缺點：一是生產(chǎn)研制足夠窄的濾波器技術(shù)難度非常大；二是窄帶濾波器會濾掉帶外的波長的光，光濾波器的帶寬越窄，濾掉的光信號越多，因此大大降低了光功率，在模擬信號光纖通信中，模擬信號是直接調(diào)制在光信號上的，模擬信號的功率和光功率成線性關(guān)系，光功率降低會導致傳輸和轉(zhuǎn)換效率成線性降低。

在模擬信號光纖傳輸通信系統(tǒng)中，強度調(diào)制方法產(chǎn)生的是雙邊帶信號，在光纖色散的影響下，接收端光檢測器輸出的模擬信號強度隨光纖長度周期性變化，產(chǎn)生”周期性衰落效應(yīng)”。因此，光載RF信號在光纖中傳輸?shù)木嚯x受到限制，而且模擬信號的工作頻率越高，光纖色散對鏈路傳輸距離的限制就越嚴重[3]。

由光纖傳輸引起的色散可進行色散補償，常用的方法是采用負色散的光纖進行色散補償，讓不同頻率光信號和在普通光纖中的表現(xiàn)相反。除此之外還有采用光纖光柵、預(yù)啁啾等技術(shù)做色散補償。