楊富印 尹樹華 陳光靜
(解放軍西安通信學(xué)院，陜西 西安 710106)
摘 要：本文對(duì)光纖通信中幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了探討。通過(guò)對(duì)這些問(wèn)題的研究，將有助于對(duì)光纖通信技術(shù)的正確理解，便于解決光纖通信系統(tǒng)中出現(xiàn)的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：光纖通信；色散； 傳播速度； 通道干擾； 編碼方式；同步數(shù)字系列
光纖通信技術(shù)的迅猛發(fā)展使得通信技術(shù)經(jīng)歷了革命性的變革，從事光纖通信產(chǎn)業(yè)的管理、計(jì)劃、設(shè)計(jì)及工程維護(hù)人員對(duì)光纖通信技術(shù)正確的理解十分重要。本文將就光纖通信中容易混淆的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行討論。
一、光纖通信中調(diào)制方式的分類
以往傳輸系統(tǒng)的調(diào)制方式是按照傳輸媒質(zhì)中所傳輸?shù)男盘?hào)類型來(lái)分類的。通常，傳輸媒質(zhì)中所傳輸?shù)男盘?hào)屬于數(shù)字信號(hào)，則系統(tǒng)調(diào)制方式為數(shù)字調(diào)制方式；傳輸媒質(zhì)中所傳輸?shù)男盘?hào)屬于模擬信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)調(diào)制方式為模擬調(diào)制方式。在光纖通信系統(tǒng)中，光纖通信的調(diào)制方式常常是按照調(diào)制信號(hào)的類型來(lái)分類的。如果調(diào)制信號(hào)屬于數(shù)字信號(hào)，則系統(tǒng)調(diào)制方式稱為數(shù)字調(diào)制方式；若調(diào)制信號(hào)屬于模擬信號(hào)，則系統(tǒng)調(diào)制方式稱為模擬調(diào)制方式。
二、光纖中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)
在光纖傳輸系統(tǒng)中，常用強(qiáng)度調(diào)制方式下已調(diào)信號(hào)的電場(chǎng)表達(dá)形式：
式中Am(1+mx(t))為已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)；
Am為已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)幅度；
m為調(diào)制系數(shù)；
x(t)為歸一化的調(diào)制信號(hào)；
cos(ωt+φ)表示了光載波的變化規(guī)律；
ω為光頻率。
若調(diào)制信號(hào)為二進(jìn)制信號(hào)，則（1）式寫成下式：
從（1）、（2）式中看出，已調(diào)信號(hào)幅度是連續(xù)的。嚴(yán)格地說(shuō)，在強(qiáng)度調(diào)制方式下，光纖中傳輸?shù)男盘?hào)一定是模擬信號(hào)。
三、光纖中光信號(hào)的傳播速度比電纜中電信號(hào)的傳播速度慢
1. 信號(hào)的傳播速度表達(dá)式
信號(hào)在傳輸媒質(zhì)中以波的形式傳播，其速度通常使用傳播速度（即群速）。傳播速度是表征信號(hào)在傳輸介質(zhì)中傳播快慢的程度。
根據(jù)電磁場(chǎng)理論，光纖中光信號(hào)的傳播速度表達(dá)式為
式中c為光在真空中的傳播速度，近似為3×105km/s；
n為介質(zhì)的折射率，在光纖中其值約為1.5；
λ為信號(hào)的波長(zhǎng)，在光纖中典型值為0.85、1.31及1.55μm；
f為信號(hào)頻率，在光纖中約為3×1014Hz。
2. 光信號(hào)傳播速度與電信號(hào)傳播速度比較
在一定約束條件下，理論表達(dá)式總是能夠給出被表達(dá)量比較準(zhǔn)確的值，但是，對(duì)一個(gè)表達(dá)量進(jìn)行比較準(zhǔn)確地計(jì)算要知道許多的已知量。由于實(shí)際的環(huán)境千差萬(wàn)別，使得這些已知量準(zhǔn)確值往往非常難以獲得。所以，實(shí)際工作中的已知量值常常都是通過(guò)測(cè)量獲得的。
根據(jù)測(cè)量結(jié)果，單模光纖中光信號(hào)的傳播速度近似表達(dá)式為
ｖg=c/n1（5）
式中n1為光纖軸心處的折射率。
代入數(shù)據(jù)后，就可以得出單模光纖中光信號(hào)的傳播速度近似值為2×105km/s。雖然這是對(duì)單模光纖而言的，但就其量級(jí)而言對(duì)多模光纖也是有效的。
根據(jù)對(duì)電纜線路的測(cè)量結(jié)果，我們也可以給出電信號(hào)的傳播速度近似值：根據(jù)不同的線路（明線、對(duì)稱電纜及同軸電纜）形式，傳播速度在2.0～2.8×105km/s之間變化。
通過(guò)分析可看出：一般情況下，光信號(hào)在光纖中的傳播速度要小于電信號(hào)在電纜中的傳播速度。
四、混合傳輸介質(zhì)中兩種信號(hào)傳播速度差異對(duì)傳輸?shù)挠绊應(yīng)?BR> 混合傳輸介質(zhì)是指在整個(gè)傳輸系統(tǒng)中由電纜和光纜組成的全部傳輸介質(zhì)�，F(xiàn)在只討論信息經(jīng)過(guò)電纜傳輸后再經(jīng)由光纜傳輸?shù)那闆r。由于信息在電纜中的傳播速度要比光纜中快，所以會(huì)在電纜和光纜的交界處形成信息的堵塞。這種堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)，會(huì)影響到系統(tǒng)傳輸信息的質(zhì)量，甚至導(dǎo)致信息的丟失。
之所以造成信號(hào)傳輸質(zhì)量下降是因?yàn)殡娎|和光纜中信息傳播速度的差異。另外，光纜的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，發(fā)生信息堵塞的程度就越嚴(yán)重。
從電纜、光纜的傳播速度及光纜的長(zhǎng)度角度考慮解決傳輸質(zhì)量問(wèn)題是不現(xiàn)實(shí)的。實(shí)際采用的方法是在電纜和光纜交界處引入緩存器來(lái)解決這種問(wèn)題。其原理是：當(dāng)沒有信道資源可供利用時(shí)首先把待傳輸?shù)男畔簳r(shí)存儲(chǔ)起來(lái)，不使這些信息發(fā)生丟失現(xiàn)象；在有信道資源可供利用時(shí)，則將存儲(chǔ)于緩存器中的信息再發(fā)送到信道上去傳輸。
五、對(duì)教科書中光纖總色散表達(dá)式的商榷
1. 模式理論給出的表達(dá)式
設(shè)單一模式的相移常數(shù)為β，則相應(yīng)的群速為
材料色散和波導(dǎo)色散表達(dá)式分別為
式中ω為光波的頻率；
k0為光在真空中的傳播常數(shù)；
λ0和λ分別為光在真空、光纖中的工作波長(zhǎng)；
c為光在真空中的速度；
n1為光纖纖芯的折射率；
V為光纖的歸一化頻率；
b是與模式的相移常數(shù)（β）、歸一化頻率（V）等有關(guān)的參數(shù)。
因此，可以得出多模和單模光纖的總色散。多模光纖的總色散表達(dá)式為
其中，τM為多模光纖特有的模式色散。
2. 一般教科書給出的表達(dá)式
在很多教科書中，多模和單模光纖的總色散表達(dá)式一般表示如下：
多模光纖的總色散：
其中，τM為多模光纖的模式色散。這些表達(dá)式主要是基于光纖通信發(fā)展初期的、工程上的、近似的表達(dá)式。
3. 嚴(yán)格的多模和單模光纖總色散表達(dá)式
通過(guò)對(duì)2類表達(dá)式的比較發(fā)現(xiàn)，它們的區(qū)別主要在τm和τw的關(guān)系上，顯然波導(dǎo)理論給出的表達(dá)式是嚴(yán)格的。下面分析其原因：
波導(dǎo)理論是一種任何傳輸過(guò)程的準(zhǔn)確分析方法，而工程方法只是為了使用簡(jiǎn)單的近似方法。在計(jì)算多模光纖的總色散方面，2種表達(dá)式?jīng)]有多大差異（多模光纖的總色散主要決定于模式色散，滿足關(guān)系：τM>>τm>τw）。但是，在用一般教科書給出的表達(dá)式計(jì)算單模光纖總色散時(shí)存在非常大的誤差，而且它不能解釋單模光纖的"零色散"現(xiàn)象（因?yàn)棣觤和τw不是同時(shí)為0，所以單模光纖不存在"零色散"現(xiàn)象，這與實(shí)際是不相符合的）。
六、波分復(fù)用技術(shù)的通道干擾
波分復(fù)用器的通帶定義為波帶內(nèi)不大于0.5 dB衰減所對(duì)應(yīng)的頻率或波長(zhǎng)寬度，如曲線1所示。為了保證傳輸信號(hào)的質(zhì)量，要求信號(hào)只能在對(duì)應(yīng)的頻帶或波帶內(nèi)工作。
從曲線1可以看出，離開通帶中心波長(zhǎng)越遠(yuǎn)，信號(hào)受到的衰減就越大。
波分復(fù)用器通道的插入衰減如曲線2所示。
從插入衰減曲線中可以看出，臨近通道的信號(hào)在特定通道的衰減不為無(wú)限大。這意味著，臨近通道的信號(hào)將會(huì)串?dāng)_至特定的通道內(nèi)，對(duì)特定通道的信號(hào)產(chǎn)生影響，這就是通道干擾現(xiàn)象。從理論上說(shuō)，沒有辦法使串?dāng)_到臨近通道的信號(hào)為零，即通道干擾一定會(huì)存在，只是盡可能將串?dāng)_信號(hào)降低到可以忽略的地步。所以只要使用波分復(fù)用器，通道干擾就不可避免，只是通道干擾的大和小而已。
七、SDH傳輸編碼方式與SDH同步的實(shí)現(xiàn)
1. SDH傳輸編碼方式
設(shè)備的橫向兼容性是指不同廠家之間設(shè)備的相互替代能力。由于ITU-T沒有對(duì)PDH光纖通信系統(tǒng)的線路編碼方式進(jìn)行統(tǒng)一，因此就線路編碼方式而言PDH光纖通信系統(tǒng)根本不具備橫向兼容性。相同的線路編碼是實(shí)現(xiàn)SDH橫向兼容性的一個(gè)重要條件，因此規(guī)定了統(tǒng)一的線路碼型--NRZ化的復(fù)位擾碼。
有時(shí)候，復(fù)位擾碼也稱為幀定位擾碼。與低速（速率≤34 Mbit/s）系統(tǒng)中的自同步擾碼比較，復(fù)位擾碼的主要優(yōu)點(diǎn)是誤碼擴(kuò)展系數(shù)�。▽�(shí)用中一般自同步擾碼誤碼擴(kuò)展系數(shù)為3，復(fù)位擾碼誤碼擴(kuò)展系數(shù)為1）。在擾碼器和解擾碼器的實(shí)現(xiàn)上，主要是給自同步擾碼器增加了一個(gè)由幀定位碼決定的"復(fù)位"脈沖（由于該脈沖的作用是將擾碼器周期性地置位，所以習(xí)慣上將該脈沖稱為置位脈沖）。在要求的隨機(jī)性性能上，復(fù)位擾碼與自同步擾碼沒有什么區(qū)別。
在同步狀態(tài)下，擾碼器輸出的擾碼信號(hào)為
式中Sk為信源碼；
ak為移位寄存器產(chǎn)生的m序列。
在接收端，解擾碼器輸出的信號(hào)為
即如果傳輸中不出現(xiàn)誤碼，解擾碼后就可以恢復(fù)出原來(lái)的信源碼。
2. SDH同步的實(shí)現(xiàn)
SDH信號(hào)的同步碼的產(chǎn)生過(guò)程是在再生段端終端功能塊(RST)中完成的，而擾碼是在同步物理接口(SPI)中完成的。根據(jù)對(duì)應(yīng)原則，SDH信號(hào)的接收也應(yīng)該是先在SPI中實(shí)現(xiàn)解擾碼，而在RST中完成同步碼的檢測(cè)。但是，解擾碼是需要同步碼的接收支持的，這樣又要求先接收同步碼后進(jìn)行解擾碼過(guò)程。如果要先接收同步碼后進(jìn)行解擾碼，則由于同步字被擾碼而無(wú)法提取。這樣，在接收同步碼和解擾碼之間就存在著矛盾。
在SDH擾碼方案中，通過(guò)規(guī)定再生段開銷RSOH第一行（其中包含了同步碼）不擾碼而很好地解決了接收同步碼和解擾碼之間存在著的矛盾。
通過(guò)對(duì)上述幾個(gè)問(wèn)題的研究，將有助于對(duì)光纖通信技術(shù)的理解、分析和解決光纖通信系統(tǒng)中出現(xiàn)的問(wèn)題。
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