郭健明光纤通信课程结课论

光纤通信课程结课论文
论文题目：光纤通信技术系统设计
姓名: 郭健明
学号: 201320130126
班级1321301
摘要
1966年，美籍华人高锟(C.K.1cao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表论文，预见了低损耗的光纤能够用于通信，敲开了光纤通信的大门，引起了人们的重视。

1970年，美国康宁公司首次研制成功损耗为20dB/km的光纤，与此同时GaAlAs-GaAs双异质结半导体激光器实现了室温下连续运转，光纤通信时代由此开始。

光纤通信系统的传输容量从1980年到2000年增加了近一万倍．传输速度在过去的10年中大约提高了100倍，光纤的衰减系数在1550nm的最小值已经做到0.16db/km，接近理论极限值0.15db/km，这使得光纤能够广泛用于通信系统。

光纤通信是以很高频率(1014Hz数量级)的光波作为载波、以光纤作为传输介质的通信。

随着光纤通信技术的不断进步，其在通信领域的地位越来越重要，逐步成为现代通信系统中不可或缺的组成部分。

1980年，国际电报电话咨询委员会（CCITT，International Telegraph and Telephone Consultative Committee，现为ITU-T）通过了No.7信令技术规程的黄皮书，并于1984年的红皮书、1988年的蓝皮书和1992年的白皮书三次对其进行了修改和完善，现在，No.7信令已经成为最适合在数字通信网中使用的公共信道信令技术。

分组交换原理与报文交换类似，但它规定了交换设备处理和传输的数据长度（称之为分组）。

它可将长报文分成若干个小分组进行传输，且不同站点的数据分组可以交织在同一线路上传输，提高了线路的利用率。

可以固定分组的长度，系统可以采用高速缓存技术来暂存分组，提高了转发的速度。

分组交换方式在X.25分组交换网和以太网中都是典型应用。

在X.25分组交换网中分组长度为131字节，包括128字节的用户数据和3字节的控制信息；而在以太网中，分组长度为1500字节左右（较好的线路质量和较高的传输速率，分组的长度可以略有增加）。

关键词：光纤通信技术，计算机通信技术，接口技术，RS-232
引言
光纤即为光导纤维的简称。

光纤通信是以光波作为信息载体,以光纤作为传输媒介的一种通信方式。

从原理上看,构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。

光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外,在应用中,光纤常按用途进行分类,可分为通信用光纤和传感用光纤。

传输介质光纤又分为通用与专用两种,而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤,并常以某种功能器件的形式出现。

光纤通信就是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信方式。

光导纤维通信简称光纤通信。

可以把光纤通信看成是以光导纤维为传输媒介的“有线”光通信。

实际上光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起的组成的光缆。

光纤通信具有以下特点： (1)通信容量大、传输距离远。

(2)信号串扰小、保密性能好; (3)抗电磁干扰、传输质量佳。

(4)光纤尺寸小、重量轻,便于敷设和运输; (5)材料来源丰富,环境保护好，有利于节约有色金属铜。

(6)无辐射,难于窃听, (7)光缆适应性强,寿命长。

(8)质地脆，机械强度差。

(9)光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术。

(10)分路、耦合不灵活。

(11)光纤光缆的弯曲半径不能过小（>20cm） (12)有供电困难问题。

就光纤通信技术本身来说，应该包括以下几个主要部分:光纤光缆技术、光交换技术传输技术、光有源器件、光无源器件以及光网络技术等。

1.光纤通信系统
1.1光纤通信的特点
光纤通信与电通信的主要差异：一是以很高频率的光波作为载波传输信号；二是用光导纤维构成的光缆作为传输线路。

光纤通信之所以能够飞速发展，是由于它具有以下的突出优点所决定：
（1）传输频带宽，通信容量大
由信息理论知道，载波频率越高通信容量越大，因目前使用的光波频率比微波频率高104～105倍，所以通信容量约可增加104～105倍。

(2）损耗低，中继距离远
（石英）光纤，要减少光纤损耗，主要是靠目前使用的光纤均为SiO
2
提高玻璃纤维的纯度来达到。

由于目前制成的SiO
玻璃介质的纯度极高，
2
所以光纤的损耗极低，在光波长λ=1.55μm附近，损耗有最低点，为0.2 dB/km，已接近理论极限值。

由于光纤的损耗低，因此中继距离可以很长，在通信线路中可以减少中继站的数量，降低成本并且提高了通信质量。

例如，对于400Mbit/s速率的信号，光纤通信系统无中继传输距离达到70km以上，而同样速率的同轴电缆通信系统，无中继距离仅为几千米（中同轴电缆为 4.5km，小同轴电缆为2km）
图-2.1.1光纤的损耗特性曲线－损耗谱
(3)抗电磁干扰能力强
光纤原材料是由石英制成的绝缘体材料，只传光，不导电，不受电磁场的作用，不易被腐蚀，而且绝缘性好。

因此光纤的一个重要特性是光波导对电磁干扰的免疫力，它不受自然界的雷电、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受人为的电磁干扰，还可用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆。

这一点对于强电领域(如电力传输线路和电气化铁道)的通信系统特别有利。

由于能免除电磁脉冲效应，光纤传输系还特别适合于军事应用
(4)无串音干扰，保密性好
在电波传输的过程中，电磁波的泄漏会造成各传输通道的串扰，而容易被窃听，保密性差。

光波在光纤中传输，因为光信号被完善地限制在光
波导结构中，而任何泄漏的射线都被环绕光纤的不透明包皮所吸收，即使在转弯处，漏出的光波也十分微弱，即使光缆内光纤总数很多，相邻信道也不会出现串音干扰，同时在光缆外面，也无法窃听到光纤中传输的信息。

(5)工作性能可靠
一个系统的可靠性与组成该系统的设备数量有关。

设备越多，发生故障的机会越大。

因为光纤系统不像电缆系统那样需要几十个放大器，包含的设备数量较少，可靠性自然也就高，加上光纤设备的寿命都很长，无故障工作时间达50万～75万小时，其中寿命最短的是光发射机中的激光器，最低寿命也在10万小时以上。

所以光纤通信系统的工作性能是非常可靠的。

除以上特点之外，光纤还具有径细、重量轻、柔软、易于铺设；光纤的原材料资源丰富，成本低；温度稳定性好、寿命长等优点。

所以光纤通信系统不仅可以应用在通信的主干线路中，还可以应用在电力通信控制系统中，进行工业监测、控制，而且在军事领域的用途也越来越为广泛。

1.2光纤通信系统的原理
所谓光纤通信，就是在发送端首先要把传送的信息(如语音)变成电信号，然后经调制器调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随着电信号的幅度或频率的变化而变化，并通过光纤传送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调器解调后恢复原信息。

然而，由于目前技术水平所限，对光波进行频率调制与相位调制等仍局限在实验室内，尚未达到实用化水平，因此目前大都采用强度调制与直接检波方式。

又因为目前的光源器件与光接收器件的非线性比较严重，所以对光器件的线性度要求比较低的数字光纤通信在光纤通信中占据主要位置。

基本的光纤通信系统是由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。

数据可以是数字，声音，图像等各种信号的数字化。

光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，先后用过的光波窗口有0.85、1.31和1.55光学信道包括最基本的光纤，还有中继放大器EDFA 等：而光学接收机则接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图像、数据等信息。

1.3 光纤通信的基本组成
光纤通信系统的基本组成框图如图-2.3.1所示
图-2.3.1 光纤通信系统组成图
(1)PCM电端机
在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲“0”码和“1。

码，它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。

而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的，称为PCM，即脉冲编码调制。

这种电的数字信号称为数字基带信号，由PCM电端机产生。

(2)光发信机
光发信机是实现电/光转换的光端机。

它由光源、驱动器和调制器组成。

其功能是将来自于PCM电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。

电端机就是常规的电子通信设备。

(3)光中继器
光中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。

它的作用有两个：—是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；二是对波形失真的脉冲近行整形。

(4)光收信机
光收信机是实现光/电转换的光端机。

它由光检测器和光放大器组成。

其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，
再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机去。

(5)光纤连接器、耦合器等无源器件
由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的，因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。

于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。

3光纤通信的应用
21世纪以来，我国已形成了比较完备的光纤通信体系，极大地推动了我国光纤通信传输技术的运用。

例如，2000年国内首个OADM、DXC设备诞生；2001年全球第一套全光网络设备诞生并开始运行；2004年，第一个国产FTTH系统工程产生；2008年，成功研制出100G波分样机；2009年，3G产业的发展。

3.1单纤双向传输技术
单纤双向传输技术是与双纤传输技术相对应的。

运用双纤传输技术时，信号是在两根不同的光纤中传输，而运用单纤传输技术时，其信号可在同一光纤中传输。

依据现代光纤传输理论，光纤传输的容量是无限的，然而，由于各种传输设备的影响，致使光纤传输的容量没有达到理想状态。

当前，我国通信领域内广泛使用的是双纤传输技术，这样便造成了严重的光纤资源浪费，但若使用单纤双向传输技术，则可以节省一半的光纤资源。

而相对于庞大的光纤网络通信系统，可节省的光纤资源十分巨大，因而单纤双向技术的广泛运用对于网络通信的发展具有十分重大的意义。

现阶段单纤双向传输技术主要运用于光纤末端接入设备，如单纤光收发器，PON 无源光网络。

由此可见，单纤双向传输技术在通信领域中的运用十分必要，这也是未来光纤通信技术发展的方向。

3.2光纤到户接入技术
现代宽带业务领要满足用户对通信技术的要求，除了要具备宽带的主干传输网络，还需要有光纤到户接入技术。

有学者指出，信息接入网是信息高速公路发展上的“最后一公里”。

虽然现在移动通信发展速度惊人，但因其带宽有限，终端体积不可能太大，显示屏幕受限等因素，人们依然追求性能相对占优的固定终端，也就是希望实现光纤到户。

光纤到户的魅力在于它具有极大的带宽，它是解决从互联网主干网到用户桌面的“最后一公里”瓶颈现象的最佳方案。

目前，我国大部分一线城市都可以实现光纤到户。

2.光纤通信的发展趋势
21世纪以来，随着移动互联网，三网融合和3G产业的发展，光纤通信技术在信息通信领域中得到了广泛的运用。

对于光纤通信技术而言，大容量、长距离、高速度一直是其追求的目标。

4.硬件电路设计
4.1 接口转换电路
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口转换芯片，使用+5v单电源供电。

图4.1即为使用哪个MAX232搭建的串口到普通导线插口的接口转换电路。

图4.1 接口转换电路设计
内部结构基本可分三个部分：
第一部分是电荷泵电路。

由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。

功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

第二部分是数据转换通道。

由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。

其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。

8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。

TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从
T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。

第三部分是供电。

15脚GND、16脚VCC（+5v）。

4.2 光调制和驱动电路
光调制和驱动电路是光发射机最核心的部件。

电信号进入光发射机之后，调制电路对其进行直接光强度调制，使LD发射的光带上电信号的信息。

驱动电路的作用就是激发LD，使其正常发光。

如图4.2为ECL光调制和驱动电路。

图4.2 光调制和驱动电路
图中Q2、Q3、Q4构成基本的调制电路，Q1和Q5实现电平移位，集成器件MC10H124完成信号的电平转换（TTL→ECL）。

MC10H124引脚功能如图3所示，使用时需要在ECL电平输出脚（如图中2、4脚）要通过50Ω电阻外接-2V电压，未用的输出脚通过50Ω电阻接地。

从2或4脚输出ECL电平信号，第6脚接公共选通电压（这里接+4V电压）。

参考电压VBB作为ECL电路的重要组成部分，通常取在ECL逻辑高、低电平的中心VBB=-1.3V(ECL)的逻辑高电平VOH=-0.8V，低电平VOL=-1.8V，使高、低电平的噪声容限基本相等，电路在全工作温度范围内噪声容限的变化不会太大。

VBB常与ECL电路共用负电源，在电阻分压器的基础上，利用二极管和射极跟随器电平移位构成。

电路中R1和R2的取值对电路抗干扰能力有重要的影响。

在一定范围内，若R2不变，增大R1会使Q1基极输入端信号的动态范围有所增大，即ECL电流开关
的回差电压增大，确保VBB介于该范围内电流开关能正常工作，因此可以减小噪声导致Q1基极输入的ECL信号微小波动而导致电流开关误动作。

实验证明，如果取R1≈10R2时，可使Q1基极输入的ECL电平信号处于一个适当的动态范围内，ECL电流开关具有较合适的回差电压，而Q5基极的参考电压VBB介于该范围内，则Q1基极的输入信号能正常控制激光器LD的驱动电流。

4.3 前置放大电路
在经历了光纤衰减后，信号到达接收端时已经很微弱，光探测器产生的光电流也非常微弱（pA），如果采用一般的放大器进行放大，由于放大器本身会引入噪声，后一级放大器必然会将前一级放大器引入的噪声进行放大，因此，信噪比不会得到明显改善。

为了解决上述问题，需要一个低噪声、高增益的前置放大器对信号进行放大。

因此前置放大器是数字光接收器的关键部分，它应该与光探测器有最佳的匹配，以得到尽可能大的输出信噪比，同时具有将电流信号转换成电压的能力。

如图4.3 所示是一种高阻型前置放大电路。

图4.3 高阻型前置放大电路
高阻抗前置放大器由于其输入阻抗较大，一般不考虑它的输入阻抗对其噪声特性的影响，所以可提供较低的噪声，有着最高的探测灵敏度。

但是，由于高阻放大器输入阻抗高，输入电路的时间常数较大，其频率响应也就受到了限制，因此带宽较窄。

采用另一种跨阻型前置放大器可以解决这些问题。

这种放大器实际上就是一种通过反馈电阻Rf给放大器输入端提供负反馈的高增益、高阻抗放大器。

这种设计方法有低噪声又有大带宽、宽动态范围、放大倍数稳定等优点。

如图4.4所示。

图4-4 跨阻型前置放大器
4.4 均衡电路
如前所述，均衡的目的是对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变（失真）的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决。

均衡电路主要由全通时延补偿电路和低通时延补偿电路组成。

如图4.5和图4.6所示。

图4.5 全通时延补偿电路
图4.6 低通时延补偿电路
5单波长通道向多波长通道发展。

光纤通信传输技术中的波分复用技术能够极大地扩大光波通信的信息容量，从而实现空分、时分等多址复用。

空分复用是用多根光纤传输信号的，而对于单根光纤复用而言，需实现时分、码分、频分复用。

其中频分复用在现代商业中得到了广泛运用。

对于传统的单模光纤，也即常见的G.652光纤，可以利用色散调节技术实现信息容量和传输速度的大幅提高。

然而，对于G.653光纤(色散位移光纤)，由于波分复合技术和光纤放大器
的运用，在其使用过程中产生了严重的四波混合，会产生一些新的波长，出现串音干扰和传输信号的衰弱，影响了波分复合技术的运用。

针对上述光纤产生的问题，需要设计出一种超大容量波分复用系统的新型光纤，它能够减轻四波混合的影响，保证波分复用技术的运用。

5.2光网络的智能化
光网络的智能化是目前乃至未来通信领域发展的重要方向。

纵观我国几十年的光纤通信历史，主要是以传输为主线的。

然而随着现代计算机技术的快速发展，计算机技术在网络通信中的作用越来越大，使得网络通信技术也得到了更高层次的进步。

在现代光网络技术发展中，越来越多运用自动连接控制技术和信息自动发现技术及系统的保护恢复功能，促进了光网络的智能化发展。

5.3全光网络
全光网络是指信号在网络传输过程和交换过程中都是以光的形式存在，只有在进出网络时才进行光电或电光的转换。

全光网是光纤通信技术发展的最高阶段，也是理想阶段。

传统的光网络实现的是节点间的全光化，但在网络结点处仍采用电器件，很难达到通信网干线总容量的进一步提高。

所以全光网络的实现是未来通信发展的必然趋势，更是未来信息网络的核心，发展的最高理想级别。

结论
光通信技术作为信息技术的重要支撑平台，是现代社会信息传输技术中重要技术之一，在未来信息社会中将起到重要作用。

网络时代的到来，对现代光纤通信技术提出了更高的要求，我们必须尽快了解光纤通信技术
的应用现状，大力促进光纤信息传输技术向更高层次的发展。

我国已研制开发了一些具有自主知识产权的光通信高技术产品，取得了一批重要的研究与应用成果。

这些研究工作和突出成果为光时代的计划的实施奠定了坚实的基础，为我国的信息基础设施建设做出贡献。

我们相信，光纤通信技术在不久的将来一定会取代其他的信息传输方式，成为信息通信领域中的主流技术。

随着现代电信技术的发展，电话语音交换与数据信息交换的界限越来越模糊。

交换设备各取所长、互补所需，各类网络设备进一步融合，技术的进步使得我们采用单一网络结构实现数字、语音、图像、音频和视频等信息的宽带高速传送与交换成为可能。

实现电话通信网、有线电视网和计算机网络的“三网合一”是通信网发展的趋势。

若想实现全光网络，促进网络通信传输速度的快速发展，光器件的集成化是实现其目标的重要发展方向。

随着互联网技术的快速发展，传统的ADSL接入宽带已无法满足现实的信息传输需要。

因此，我们可以通过完善光器件的性能来提高信息传输速度。

可见，光器件的集成化能够推动光纤传输技术的快速发展。

参考文献
[1]尧长青,都明,冯涛-《光纤通信的发展趋势》-四川省通信学会2008年学术年会- 2008年
[2]曾雪云-《浅谈我国光纤通信的发展现状及前景》-《科技资讯》-2010年34期
[3]夏坚-《浅析现代光纤通信传输技术的应用》-《信息通信》-2011年4期
[4]唐宏亮-《浅议光纤通信原理及其发展趋势》-《科技风》-2010年14期
[5]傅伟明-《探讨新时期光纤通信技术的发展》-《中国科技纵横》-2010年14期
[6]何益丰-《对光纤通信技术的探讨》-《中国新技术新产品》-2010年24期
[7]白建春-《光纤通信技术的发展及其应用》-《中国新技术新产品》-2010年3期
[8]陈玉兰，鉴玉英-《光纤通信技术及其发展趋势》-《数字技术与应用》
[9] J. B. Stark, P. P. Mitra, and A. Sengupta, Opt. Fiber Technol. 7, 275 (2001).
[10] Stevens, W. R. , TCP/IP Illustrated, Vol. 1. Addison- Wesley, 1994.
[11] Myron Sveum, Data Communications, An Overview, Upper Saddle River, N.J.:Prentice Hall,2000。