点对点的光纤传输结构

   所谓传输是指任何地方的两个用户以一定的终端设备连接方式进行信息交流的过程，实际上这种端与端的连接情况是相当复杂的，其中，点对点的信息传输方式是一种最简单的结构形式．
    图1给出了以光电再生的方法作为光信号中继的点对点光传输示意图，从图中可以看出，该系统是由发射端机（电，光）、接收端机（光，电）、光中继器、监控系统、备用系统等组成．由于在第3章中已经对端机进行了详细的介绍，下面仅就光中继器，以及辅助系统加以讨论．

图1IM-DD光纤通信系统原理框

     1．光中继器
    光脉冲信号从光发射机输出经光纤传输若干距离以后，由于光纤损耗和色散的影响，将使光脉冲信号的幅度受到衰减，波形出现失真，这样，就限制了光脉冲信号在光纤中做长距离的传输．为此就需在光波信号经过一定距离传输之后．要加一个光中继器，以放大衰减的信号，恢复失真的波形，使光脉冲得到再生．
    (1)中继器的构成方框图
    根据光中继器的上述作用，一个功能最简单的中继器，应是由一个设有码型变换的光接收机和设有均放和码型变换的光发射机相接而成，如图2所示．
    显然，一个幅度受到衰减、波形发生畸变的信号，经过中继器的放大、再生之后就可恢复为原来的情况．
    但是作为一个实用的光中继器，为了维护的需要，还应具有公务通信、监控、告警的功能，有的中继器（机）还有区间通信的功能．另外，实际使用的中继器应有两套收、发设备，一套是输出，一套是输入，故实际的中继器方框图应如图3所示．

图2 最简单的光中继器原理方框图

图3 实用的中继器方框图

     (2)中继器的结构形式
    中继器的结构有的是机架式的，设在机房中，有的是箱式或罐式的，直埋在地下或在架空光缆中架在杆上．对于直埋或架空的中继器需有良好的密封性能．
    2．监控系统
    监控系统为监视、监测和控制系统的简称．它与其他通信系统一样，在一个实用的光纤通信系统中，为保证通信的可靠，监控系统是必不可少的。
    由于光纤通信是在近20年来发展起来的新的通信手段，故能在光纤通信的监控系统中，应用了许多先进的监控手段．如用计算机进行集中监控等方式，
    (l)监控的内容
    下面将分别介绍监视和控制的内容，
    ①监控的内容
    a．在数字光纤通信系统中误码率是否满足指标要求；
    b．各个光中继器是否有故障；
    c．接收光功率是否满足指标要求；
    d．光源的寿命；
    e．电源是否有故障；
    f．环境的温度、湿度是否在要求的范围内．
    除上述内容外，还可根据需要设置其他监测内容．
    ②控制内容
    当光纤通信系统中主用系统出现故障时，监控系统即由主控站发出倒换指令，遥控装置将备用系统接入，将主用系统退出工作．当主用系统恢复正常后，监控系统应再发出指令，将系统从备用倒换到主用中．
    另外，当市电中断后，监控系统还要发出启动电机的指令．又如中继站温度过高，则应发出启动风扇或空调的指令．同样，还可根据需要设置其他控制内容．
    (2)监控系统的基本组成
    监控系统根据功能不同大致有三字组成方式：在一个数字段①内对光传输设备和PCM复用设备进行监控，这是一种基本的监控方式；在具有多个方向传输的终端站内，对多个方向进行监控，这是第二种方式；第三种是对跨越数字段的设备进行集中监控．上述中后两种监控方式是建立在第一种方式之上的监控方式．
    ① 对一个数字段的监控
    这种监控方式的组成方框图如图4-4所示．图中，主控站、副控站、被控站都装有微机，能迅速处理监控信息．主控站的功能为收集本站和被控站、副控站发来的监测信息，同时还向这些站发出指令，对这些站实行控制．     副控站是辅助主控站工作的．它亦可收集本站和其他被控站的信息并可转送给主控站，但副控站不能发控制指令．
    这种监控系统的工作过程大致如下：
    首先是由主控站的监控微机不断地向各被控站发出各种询问指令，被控站监控微机收到询问指令后就将本站设备运行情况，编成的数字信号不断地传向主控站．主控站监控微机收到各被控站发来的信息后，进行判别处理，然后显示在监视器屏幕上，并同时由打印机将信息打印出来，以上是监测过程．
    主控站的监控设备可根据上述处理的信息，人工或自动发出控制指令．被控站收到指令后，监控设备完成所需的控制“动作”，以上就是控制过程．
    ② 对多方向的监控
    对多方向进行监控系统组成的方框图如图4-5所示，图中只画出了监控设备，端站设备和中继器未画出来．其中，
    T-SV(Terminal- Supervisory)为端站监控设备；
    R-SV(Repeator - Supervisory)为中继器监控设备。
    这种多方向监控系统的工作过程大体可参照上述一个数字段监控系统来理解．
    ③对跨越数字段的监控
    这种监控系统的组成方框图如图4-6所示．     (3)监控信号的传输
    在上面讨论的光纤通信监控系统中，监控信号是怎样在主控站和被控站之间传输呢？从目前情况来看，有两类方式：一类是在光缆中加金属导线对来传输监控信号；另一类是由光纤来传输监控信号．
    ①在光缆中设专用金属线传监控信号．用这种方式传输监控信号的优点是：让主信号（光信号）“走”光纤；让监控信号“走”金属线．这样，主信号和监控信号可以完全分开，互不影响，光系统的设备相对简单，这种方式类似于在中同轴电缆中采用的方式．
    然而，在光缆中加设金属导线对，将带来较多的缺点．由于金属线要受雷电和其他强电、磁场的干扰，从而影响传输的监控信号，使监控的可靠性要求难以满足．而且，一般来说，距离越长干扰越严重，因而使监控距离受到了限制．鉴于上述原因，在光缆中加金属线对传输监控信导不是发展方向，逐渐被淘汰。
    ②用光纤传输监控信号，这种方法又可分为如下两种方式．
    a．频分复用传输方式．从对数字信号的频域分析来看，光纤通信中的主信号（高速数字信号）的功率谱密度是处在高频段位置上，其低频分量很小，几乎为零，而监控信号（低速数字信号）的功率谱密度，则处在低频段位置，如图4-7所示．
    这就为采用频分复用方式传输监控信号创造了一个可行的条件．采用频分方式可有不同的方法，下面介绍其中一种方法――脉冲调顶方法。
    脉冲调顶法的实施方案是：将主信号（即数字信号电脉冲）作“载波”，用监控电数字信号对这个主信号进行脉冲浅调幅，即使监控信号“载”在主信号脉冲的顶部，或者说对主信号脉冲“调顶”．最后，再将这个被“调顶”的主信号对光源进行强度调制，变为光信号耦合进光纤． 主信号被监控信号调顶后的波形示意图如图4-8所示．     在中继站的接收端，由光纤来的光信号经光电检测变为电信号后，再经前放、主放和均衡．由于主信号和监控信号的频率相差较大，因而，可用高通滤波器将主信号滤出，经调制送入光纤继续向前传输，而监控信号由低通滤波器滤出，经判决再生电路恢复出形状规则的波后送到微型计算机进行处理．具有调顶功能的中继站方框图如图4-9所示．
    目前，这种方法在使用5B6B码型的机器上，用来传输监控信号，此外还可传输公务区间通信等信号．但是这种方法亦有一些缺点，如这种调制方式将造成主信号与监控信号之间有微弱的串扰．     b．时分复用方式．这种方式就是在电的主信号码流中插入冗余（多余）的比特，用这个冗余的比特来传输监控等信号．这就是说，将主信号和监控等信号的码元在时间上分开传输，达到复用的目的．具体实施方法有：如将主信号码流中每m个码元之后插入一个码元，一般称为H码（意思是混合码），这种不断插入的H码就可传输监控、区间通信、公务联络、数据等信号．这种插入方式就是将在后面要讨论的mBIH编码方式，这里不再仔细讨论了．
    3．脉冲插入与脉冲分离
    在一个实用的光纤通信系统中，除了要传输从电端机送来的多路信号之外，为了使整个系统完善地工作，还需传送监控信号、公务联络信号、区间通信信号以及其他信号．
    脉冲复接是将监控信号、公务联络信号、区间通信信号等汇接后在读脉冲的作用下，将上述信号插入信码流经编码后多余的时隙中，然后在光纤中传输．
    在光纤通信系统的接收端设有脉冲分离电路．它的作用与脉冲插入电路相反，将插入的监控信号、公务联络信号、区间通信信号分离出来，送至相应的单元中．
    4．保护倒换系统
    对于通信系统要求其具有高可靠性．光纤数字通信系统的各个组成部分的可靠性是技术、材料、元器件、工艺和使用维护等诸多因素的综合，根据统计资料分析，传输故障主要来源于光缆线路，且多为人为故障，因而需要设置另外一套光端机、光中继器以及光缆线路，供一个或多个主用系统共同备用，当某一个主用系统出现故障，则可以通过倒换装置，启用该备用系统，以保证信息的正常传输．
    (1)保护方式
    实际系统中，主要采用rn：n的主备比方式，个别场合也有采用1+1的保护方式．m：n主备用方式中，以1:1为最大备用比方式，所采用的设备利用率低，投资过大，但从可靠性的角度来观察，该方式可靠程度相当高，为了进一步地提高设备的利用率，往往采用多主一备，即N：l的保护方式，在正常工作状态下，一些公务信息以及不被保护的数据信息均可以利用备用信道进行传输，一旦主用信道出现告警故障，则启动倒换设备，将备用信道中所传送的信号切断，同时将主用信道中所传送的信息改由备用系统传送，这样，一方面提高了设备的利用率，同时又降低了投资成本；但若主备比过大，则会造成倒换设备的复杂程度增加，投资成本加大，因而主备比不宜过大．
    1+1保护方式是指系统中同时存在一个主用信道和一个备用信道，而且信息是同时在主用和备用信道中传输，正常情况下，接收端是提取主用信道信号作为接收信号，只有主用信道出现故障时，才启动倒换设备，这样接收端便从备用信道中提取接收信号，从上述分析，可以看出，由于是采用了主备信道同时传输有效信息的双重保险方式，因此其可靠程度要高于1:1保护方式，但其使用效率却略低一些．
    无论是1:1还是1+1的保护方式，其中最重要的是它们的倒换系统，当然不同的保护方式，其使用的倒换系统的具体操作也会有所区别，在此分别进行说明，
    (2)1：1保护系统
    1：1保护系统结构如图4-10所示．当主用通道出现故障时，则启用备用通道将其自动取代，以保证通信的畅通，这中间的倒换功能是自动完成的，那么在什么情况下，才能启动倒换程序呢？     ①倒换命令的发出条件
    当主用信道出现收无光、收失步或较大误码，而备用系统正常时；或者当主用信道出现收告警显示信号(AIS)情况下，光纤通信系统的保护装置将自动发出倒换控制命令，然后启动倒换设备，进行主备用系统的倒换，以保证系统的正常工作．
    ②倒换操作
    当下游方向主收端或主发存在故障时，引起主收端的接收盘产生即时告警，该告警信号向本端的倒换控制盘送“倒换请求信号”，当倒换控制盘收到“倒换请求”后，先检查本端备用系统是否正常，同时通过上游方向的通道，将“联络信号”发往上游站点，当上游站点收到该信号之后，一方向产生一个“应答”信号，发往下游站点；另一方向，经过若干的延迟之后，再向下游站点发送“倒发控制信号”，同时实现上游站点处的主用系统与备用系统的倒换．下游站点在接收到“应答”信号后，向接收倒换盘发送“倒收控制信号”，使接收倒换盘动作，完成主、备用系统的倒换，由于要求收、发丙端尽量同时进行倒换，以免码流的丢失，因此上游站点延迟发送“倒发控制信号”的时间应该等于“应答”信号的传输和处理的时间．
    (3)l+l保护系统
    1+l保护系统是指，在发射端主备系统同时发送信息，只是在接收端选择其中的一路信号送到复用设备，故倒换操作是在接收端进行．
    5．光路中的无源器件
    (1)光纤连接器
    光纤连接器又称光纤活动连接器，俗称活动接头，它用于设备（如光端机、光测试仪表等）与光纤之间的连接、光纤与光纤之间的连接或光纤与其他无源器件的连接．它是组成光纤通信系统和测量系统不可缺少的一种重要无源器件．
    光纤连接器的作用是将需要连接起来的单根或多根光纤芯线的端面对准、贴紧并能多次使用，由于光纤的芯径很细（微米级），因此，对其加工工艺和精度都有比较高的要求．为此，光纤连接器应满足如下条件。
    ①连接损耗小连接损耗是评价光纤连接器的主要指标．目前各种不同结构的单模光纤连接器的插入损耗为0.5 dB左右．
    ②装、拆方便．
    ③稳定性好连接后，插入损耗随时间、环境的改变应变化不大，
    ④重复性好一般要求重复使用次数大于1 000次．
    ⑤互换性好要求同一种型号的活动连接器可以互换．
    ⑥保积小，成本低．
    对于光纤连接器，最重要的是如何使需要连接的两根光纤的轴心对准．因为两根光纤轴心的偏离或两根光纤的端面之间有夹角等等都会引起连接损耗．
    简单地说，光纤连接器是由两个插头、一个插座三部分构成，如图4-11所示，其关键是：光纤的纤芯中心要与插头、插座的中心完全一致．     目前常用的光纤连接器是以端面直接耦合为基础的端面对接连接器．如：单模光纤连接器即属于这一种。
    单模光纤连接器的结构如图4-12所示．在套管与插头之间置有小球轴承，能够比较精确地校准两插头成一直线，这种连接器的连接损耗为0.46 dB.     (2)光定向耦合器
    ①光定向耦合器的结构和工作原理
    在光纤通信系统或光纤测试中，经常要遇到需要从光纤的主传输信道中取出一部分光，作为监测、控制等使用，也有时需要把两个不同方向来的光信号合起来送入一根光纤中传输，在上述情况下，都需要光定向耦合器来完成．
    光定向耦合器按其结构不同可分为棱镜式和光纤式两类，如图4-13所示． 图4-13 棱镜式和光纤式定向耦合器     其中，光纤式定向耦合器体积较小，工作稳定可菲、光纤连接比较方便，是目前较常使用的一种．下面简单介绍其工作原理．
    光纤式定向耦合器，是由两根紧密耦合的光纤，通过光纤界面的衰减场相互重叠而实现光的耦合的一种器件，一般有四个端口，从端口l输入的光信号（图中实线所示）向端口2方向传输，可由端口3耦合出一部分光信号，端口4无光信号输出，从端口3输入的光信号（图中虚线所示）向端口4方向传输，可由端口l耦合出一部分光信号，而端口2无光信号输出．另外，由端口1和端口4输入的光信号，可合并为一种光信号，由端口2和端口3输出，或反之。
    ②光纤式定向耦合器的主要参数
    a．隔度度A 由端口l输入的光功率Pl应从端口2和端口3输出，端口4理论上应无光功率输出．但实际上端口4还是有少量光功率输出( P4)，其大小就表示了1,4两个端口的隔离程度．隔离度用字母A表示，则1,4端口间的隔离度为     一般情况下，要求A> 20 dB．
    b．插入损耗L 它表示了定向耦合器损耗的大小，如由端口l输入光功率Pl，应由端口2和端口3输出光功率P2和P3，则插入损耗等于输出光功率之和与输入光功率之比的分贝值，用字母L表示，则为     一般情况下，要求L≤0.5 dB．
    c．分光比T 它等于两个输出端口的光功率之比，如从端口1输入光功率，则分光比为     一般情况下，定向耦合器的分光比为1：1~1：10，由需要来决定．
    (3)光衰减器
    ①光衰减器的作用和原理
    当输入光功率超过某一范围时，为了使光接收机不产生失真，或为了满足光线路中某种测试的需要，就必须对输入光信号进行一定程度的衰减，因此，光衰减器是光纤通信线路或测试技术中不可缺少的无源光器件．
    目前常用的光衰减器主要采用金属蒸发膜未吸收光能，实现光的衰减，故衰减量的大小与膜的厚度成正比．
    ②光衰减器的分类及基本结构
    光衰减器可分为固定衰减器和可变衰减器两种，结构如图4一l4所示．
    a．固定衰减器 它的衰减量是一定的，用于调节传输线路中某一区间的损耗．要求体积小、重量轻，具体规格有3 dB，6 dB，10 dB，20 dB，30 dB，40 dB的标准衰减量．要求衰减量误差<10%．
    b．可变衰减器 这种衰减器可分为连续可变和分挡可变两种．前者的衰减范围可达60dB以上，衰减量误差小于10%．通常将这两种可变衰减器组合起来作用． 图4- 14 光衰减器的基本结构     (4)光隔离器
    它是保证光信号只能正向传输的器件，避免线路中由于各种因素而产生的反射光再次进入激光器，而影响激光器的工作稳定性．
    ①光隔离器的基本原理和结构
    光隔离器的基本原理是法拉第旋转效应，如图4-15所示，其主要由两个偏振器和一法拉第旋转器组成如图4-15(a)所示，
    当光入射到某一光学器件时，其输出光为某一种形式的偏振光（如线偏振光），则这种光学器件就称为偏振器（如线偏振器）．在光隔离器中使用的是线偏振器．线偏振器中有一透光轴，当光的偏振方向与透光轴完全一致时，则光全部通过．如图4-15(a)中入射光经过偏振器1以后，为虚线所示的光．
    法拉第旋转器由某种旋光性材料制成．接照法拉第效应理论，当线偏振光经过它以后，光的偏振面按顺时针方向旋转一定角度（如450），如果正好与偏振器2中的透光轴方向一致，则正向光入射后，经过偏振器1、旋光器和偏振器2，正向光功率全部射出，如图4-15(b)所示；当反向光射入后，有一部分光经过偏振器2到达旋光器，被顺时针旋转450，正好和偏振器1中透光轴方向垂直，因此，被全部隔离，如图4-15(c)所示． 图4-15 光隔离器的工作原理图     ②光隔离器的主要参数和指标
    由于光隔离器的主要作用是只允许正向光信号通过，阻止反向光返回，因此，对光隔离器的主要要求是：插入损耗低、隔离性能好．
    隔离衰减的大小用αi 表示，为     式中，Pr――隔离方向（即与传输方向相反的方向）上的入射光功率，
    Pout――隔离方向上的输出光功率。
    制作法拉第旋转器的旋光材料，在0.85μm短波长波段，一般采用含稀土族离子的顺磁玻璃；在1.3μm或1.55μm的长波长波段，可采用钇铁石榴石(YIG)单晶．目前，用YIG单晶制作的晶体法拉第旋转器光隔离器，在1.55胛波段隔离衰减可做到40 dB．