摘要：本文闡述了光纖通信的概念和特點(diǎn)、光纖通信技術(shù)，并基于光纖傳輸技術(shù)的要求對光纖傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：光纖通信技術(shù);光纖傳輸系統(tǒng);模塊設(shè)計(jì)

1966年高錕博士提出光纖通信的概念，提出用石英玻璃光學(xué)纖維作為通信媒介，掀開了光纖通信技術(shù)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(jìn)行通信試驗(yàn)，1981年采用1.3微米的波段光模通光纖進(jìn)行通信，這是第二代光纖通信系統(tǒng)。直到1984年，實(shí)現(xiàn)了1.3微米的單模光纖通信技術(shù)，也就是第三代光纖通信技術(shù)。20世紀(jì)末，經(jīng)過幾代光纖通信技術(shù)的發(fā)展，逐漸發(fā)展到第五代光纖通信技術(shù)，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(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，對通信技術(shù)提出了更高的要求，進(jìn)一步促進(jìn)光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光纖通信技術(shù)由于體積小、容量大、質(zhì)量輕、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢，正在快速發(fā)展，并在無線通信和衛(wèi)星領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。光纖傳輸系統(tǒng)隨著各種新材料、新工藝和新技術(shù)的發(fā)展不斷進(jìn)入光集成、光交換以及光放大等全光網(wǎng)時(shí)代。

1 光纖通信概述

1.1 光纖通信的特點(diǎn)

光纖通信是以光纖作為傳輸媒介對信息的進(jìn)行傳輸?shù)囊环N通信方式。光纖由纖芯、包層、涂層構(gòu)成，纖芯的纖維內(nèi)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(hù)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(hào)的安全性和穩(wěn)定性。光纖通信具有以下特點(diǎn)：

（1）傳輸容量大，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離電信號(hào)的傳輸，由于光纖通信技術(shù)是以光纖作為傳輸介質(zhì)，光纖的主要材質(zhì)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(dá)到數(shù)百太兆千米。目前，光纖通信己實(shí)現(xiàn)5000米以上無中繼站的傳輸，隨著新材料和新技術(shù)的應(yīng)用，未來光纖通信距離將更遠(yuǎn)[1]。

（2）抗干擾性強(qiáng)，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(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臅r(shí)候，可以防止雷電、電磁輻射對線路的干擾，確保通信質(zhì)量。

（3）保密性能好。光纖通信外部采用包層，將光波信號(hào)限制在光波結(jié)構(gòu)中，各個(gè)通道相互獨(dú)立，傳輸過程中，通道與通道之間不會(huì)相互干擾，從而確保通信的安全性。

（4）質(zhì)量輕、使用壽命長。光纖通信采用石英玻璃材料，這些材質(zhì)不容易導(dǎo)電，運(yùn)行相對比較安全。光纖的質(zhì)量體積小，多芯光纖也不會(huì)數(shù)量的增重而成倍增長，有利于光纖通信設(shè)備的安裝鋪設(shè)，可廣泛應(yīng)用在礦井、水下等作業(yè)環(huán)境，適應(yīng)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(jī)、光接收機(jī)、光纖、中繼器、光纖連接器和耦合器等構(gòu)成。光發(fā)信機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要由光源、驅(qū)動(dòng)器等構(gòu)成，是實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與光信號(hào)轉(zhuǎn)變的設(shè)備，它可以將電信號(hào)對光源發(fā)出的電波調(diào)制為光波信號(hào)，并將光波信號(hào)耦合到光纖中傳輸;光接收機(jī)是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的設(shè)備，由光檢測器和放大器構(gòu)成，它的主要功能是將光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)調(diào)制成為電信號(hào)，再利用放大器將電信號(hào)進(jìn)行放大，送到接收端的電端級;光纖是傳輸介質(zhì)，將光發(fā)射機(jī)的光信號(hào)發(fā)送出去后，經(jīng)過光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，耦合劑收到光接收纖通信是遠(yuǎn)距離傳輸，遠(yuǎn)距離傳輸后，光信號(hào)受到一定的衰減或者信號(hào)失真，影響到信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量，因此需要進(jìn)行補(bǔ)償，并對失真的脈沖信號(hào)進(jìn)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(xiàn)場條件限制，一條光纖無法完成信號(hào)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(jī)需要連接器和耦合器[2]。

2 光纖通信技術(shù)

光纖通信技術(shù)包括光纖技術(shù)、光交換技術(shù)、光有源器件、光無源器件以及光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

2.1 光纖技術(shù)

光纖技術(shù)是將光信號(hào)機(jī)端發(fā)送的信號(hào)發(fā)送到光接收端，在傳輸過程中盡量減少信號(hào)的衰減和失真，這種光纖是在折射率比較大的光纖芯內(nèi)部覆蓋一層折射率比較小的包層，光信號(hào)在光纖芯與包層界面進(jìn)行傳播，光纖作為一種傳輸介質(zhì)波導(dǎo)，光信號(hào)被封閉在光纖內(nèi)，只能沿著光纖進(jìn)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(shù)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(hào)帶寬高，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的光信號(hào)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?shù)哪Ｊ奖容^多，各個(gè)模式的傳播速率、常數(shù)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(hào)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(jìn)行傳輸，光纖的芯徑比較大，需要使用耦合劑和接線器進(jìn)行連接[3]。

2.2 光交換技術(shù)

光交換技術(shù)是通過光纖進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、信號(hào)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)交換傳輸技術(shù)。通過光交換技術(shù)可以避免電子設(shè)備在進(jìn)行交換過程由于容量比較大，無法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。光交換技術(shù)有助于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和兼容性。光交換技術(shù)不需要光電轉(zhuǎn)換，可以直接將輸入的光信號(hào)交換到不同的輸出端，從而減少網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層的數(shù)量，并利用現(xiàn)有的光技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。與其他交換技術(shù)相比，光交換技術(shù)具有大容量、數(shù)據(jù)率、格式透明、可配置性等特點(diǎn)，可以支持不同類型的數(shù)據(jù)，帶寬的利用率比較好，可以為客戶提供各種服務(wù)，滿足不同客戶的通訊需求。同時(shí)，光交換技術(shù)還可以與MPLS、OXC等新技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，對光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化[4]。

2.3 光放大技術(shù)

光放大技術(shù)是在電和光的作用下，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，從而改變了光纖通信傳輸?shù)男?，讓光纖傳輸系統(tǒng)變得更加簡單。光放大技術(shù)促進(jìn)了光復(fù)合技術(shù)、全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，在光放大技術(shù)出現(xiàn)之前，光纖通信傳輸系統(tǒng)需要將光電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大，通過光放大技術(shù)，可以直接放大光信號(hào)，避免在光電信號(hào)轉(zhuǎn)變過程中，導(dǎo)致通信信號(hào)的損失或者變形[5]。

2.4 光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是采用光纖傳輸?shù)囊环N網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)技術(shù)，它在光纖提供遠(yuǎn)距離、大容量的傳輸介質(zhì)基礎(chǔ)上，利用光和電子控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)和調(diào)度。光網(wǎng)絡(luò)主要用于使用光纖作為傳輸介質(zhì)的廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)以及更大范圍的局域網(wǎng)[6]。

3 光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光纖傳輸系統(tǒng)可以滿足大容量、遠(yuǎn)距離語音、數(shù)據(jù)、視頻等業(yè)務(wù)傳輸?shù)男枨?，為了降低光纖傳輸過程中，信號(hào)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(shù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，而是直接將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)直接傳送到光纖介質(zhì)[7]。光纖傳輸系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)換模塊、復(fù)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(gòu)成，并通過主要控制芯片對復(fù)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(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)將傳輸信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后每一路信號(hào)經(jīng)過復(fù)合器復(fù)用為數(shù)字信號(hào)，完成數(shù)據(jù)信息的一次復(fù)用。然后數(shù)字信號(hào)將其發(fā)送到編碼單元對線路進(jìn)行編碼，將光發(fā)信端傳輸?shù)倪m合電纜傳輸?shù)碾p極性碼轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合光纖傳輸?shù)膯渭壭源a，將碼數(shù)轉(zhuǎn)換后再將信號(hào)送入到轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過串并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的一次復(fù)用，從而獲得8路并行的數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過編碼器、分路器對數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，最終將信號(hào)還原最初的信號(hào)[8]。系統(tǒng)工作原理如圖1。

3.1 信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，光纖傳輸系統(tǒng)需要將信號(hào)轉(zhuǎn)換后經(jīng)過各個(gè)模塊的處理，才能將串行的信號(hào)傳輸?shù)焦饫w網(wǎng)絡(luò)。信號(hào)模塊的轉(zhuǎn)化是需要將語音、視頻、數(shù)據(jù)等信號(hào)進(jìn)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(jié)構(gòu)中。因此，光纖傳輸系統(tǒng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊必須具備一定的兼容性、可拓展性，信號(hào)通過取樣、量化、編碼以后才能在光纖、衛(wèi)星通道等數(shù)字線路上進(jìn)行傳輸。此次系統(tǒng)采用AD9280作為轉(zhuǎn)換芯片，AD9280具有采樣、放大的集成芯片，轉(zhuǎn)換芯片所需電壓為2.8—6.0V，并自帶可編程的存儲(chǔ)器和采樣放大器，可以確保在正常速率下信號(hào)不會(huì)失真[9]。

3.2 復(fù)接和分接模塊設(shè)計(jì)

光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)采用復(fù)用設(shè)計(jì)理念，合路器可以將每一路的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉项l率的要求進(jìn)行輸出，并調(diào)整每一路信號(hào)碼的速率。信號(hào)復(fù)接和分接模塊采用FPGA現(xiàn)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(shù)字管理模塊、內(nèi)嵌式元、輸入單元和輸出單元，它可以通過小型查找表實(shí)現(xiàn)模塊的組合模式，每一個(gè)小型查找表可以連接到一個(gè)觸發(fā)器的輸入端，然后觸發(fā)器驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)

光纖通信網(wǎng)絡(luò)中，光發(fā)射機(jī)輸出的是雙極性碼，這種碼一般應(yīng)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(zhuǎn)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(shù)是目前相對主流的一種編碼譯碼技術(shù)，可以有效補(bǔ)償信號(hào)，避免信號(hào)在編譯過程中，由于電壓差異導(dǎo)致失真或者錯(cuò)誤，可以將8bit的數(shù)據(jù)增加到10bit，讓部分10bit的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榻勾a，如果傳輸過程中出現(xiàn)了禁止碼，說明數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)了錯(cuò)誤。編碼/解碼模塊采用查表的方式，用存儲(chǔ)器將可能出現(xiàn)的碼組進(jìn)行存儲(chǔ)，并在輸入碼組轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)地址的方式找出對應(yīng)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(gè)系統(tǒng)的編碼效率。

4 結(jié)束語

光纖通信技術(shù)具有是當(dāng)前我國通訊事業(yè)的發(fā)展方向，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國的光纖通信技術(shù)取得了一定的進(jìn)步，各地鋪設(shè)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(shí)際應(yīng)用過程中還存在不少問題，還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

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作者簡介

郝達(dá)明（1980一），男，吉林省長春市人。大學(xué)本科學(xué)歷，通信工程師（中級）。研究方向?yàn)橥ㄐ殴こ探ㄔO(shè)。