（通信与信息系统专业论文）基于快速以太网的光纤收发器的研究.pdf

摘要 随着以i p 为代表的数据业务的爆炸式增长，用户对业务的需求从单一的话音 业务向声音、数据和活动图像相结合的多媒体宽带业务转变。作为信息公路“最 后一公里”的接入网部分已经成为当前网络瓶颈之所在，各种宽带接入技术也成 为了目前研究的热点。尽管存在着众多的宽带接入方式，但是从系统的可维护性、 易于升级等方面综合考虑，光纤接入网无疑是最能适应未来发展的解决方案。 以太网接入技术特别适合于布线规整、用户密度大的城市大楼。集团用户通 常采用以太网组建用户驻地网( c p n ) 。根据集团的大小，其规模可大可小。采用以 太网作为企事业用户接入手段的主要原因是已有巨大的网络基础和长期的经验知 识，并且目前所有的操作系统和应用也都是与以太网相兼容的。以太网接入具有 性能效费比好、可扩展性、容易安装开通以及高可靠性等优点，因而成为企事业 用户接入的最佳方式。广一p 以光纤作为传输介质来实现以太网接入的构想最初并没有引起人们的注意， 大多数人认为所有的业务最终都会a t m 化。但是i p 业务的迅速发展动摇了人们 对a t m 的信心。而以太网由于能很好的适应i p 网络，并且随着百兆、千兆以太 网标准的推出，光以太网正迅速成长为众多接入网技术中的一支重要力量。 根据光纤深入用户的程度，光纤接入网可分为v r t c ，f t t z ，f t t b ，f t t o ，f t t h 等。f t t h 是接入网的长期发展目标，但由于成本、用户需求和市场等各方面的原 因，f t t h 仍然是一个长期任务。目前主要是实现f t t c 。在实现f t t c 的过程中， 局端( 中心服务器) 与用户( 大楼) 之间需以光纤连接，在光纤两端则需要有能满足 以太网信号传输规范的光纤收发器来发送、接收信号，并进行相关的信号转换处 理。本课题的主要任务就是研制出可达到商用化标准的快速以太网光纤收发器。 关键字：快速以太网a l 2 1 0光纤收发器 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ti nd a t as e r # i c e ，t h er e q u e s to fc o s t u m e r s h a v et u r n e df r o ms i m p l e xv o i c et om u l t i m e d i ab r o a d b a n ds e r v i c ew h i c h c o m b i n e sv o i c e d a t aa n da c t i v e i m a g e s a s t 1 1 e “l a s tk i l o m e t e r ”o f i n f o r m a t i o nh i g h w a y , a c c e s sn e ti st h eb o t t l e n e c ko ft h ec u r r e n tn e t w o r k s s ot h et e c h n o l o g yo f b r o a d b a n da c c e s st u r n si n t ot h eh o t s p o to f t h er e s e a r c h t h o u g h t h e r ea r em a n y w a y s o fb r o a d b a n da c c e s s ，o p t i c a la c c e s sn e t w o r ki s u n d o u b t e d l y t h em o s t a p p r o p r i a t e m e t h o di ft h e m a i n t a i n a b i l i t y a n d c o n v e n i e n c eo f u p g r a d i n go f t h es y s t e mt a k e ni n t oa c c o u n t e t h e r n e ta c c e s si ss u i t e df o rt h o s cc i t yb u i l d i n g sw i t hg o o da r r a n g e m e n t o fw i r e sa n dh i g hc u s t o m e rd e n s i t y e t h e m e ti su s u a l l yu s e dt ob u i l d u pc p n w h o s es i z ec a r lb ea d j u s t e da c c o r d i n gt ot h a to fg r o u pc u s t o m e r s t h er e a s o n f o re n t e r p r i s e st oa p p l ye t h e m e ta sa c c e s sm e t h o di sn o to n l y t h e yh a v eh u g e n c t w o r kb a s ea n dl o n g t i m ea c c u m u l a t e de x p e r i e n c e b u ta l s oa 1 1t h ec u r r e n t o p e r a t i n gs y s t e m sa r ec o m p a t i b l ew i t he t h e m e t b e c a u s ee t h e r e c ta c c e s s h a sh i g hs e c u r i t ya n di se a s i l ye n l a r g e da n di n s t a l l e d i tb e c o m e st h eb e s t w a y o fa c c e s sf o re n t e r p r i s e s a st h et r a n s m i s s i o nm e d i u mo fe t h e r e c ta c c e s s o p t i cf i b e rd i d n td r a w p e o p l e sa t t e n t i o na tt h eb e g i n n i n gb e c a u s et h e yb e l i e v ea l lt h es e r v i c ew i l l b ea t m h o w e v e r , t h e d e v e l o p m e n t o f i ps e r v i c ew a v e r e d p e o p l e sb e l i e f t o a t m w i t h 恤ea p p e a r a n c eo ff a s te m c l t i e ta n di t sg o o da d a p t a b i l i t yt oi p n e t w o r k ，o p t i c a le t h e r n e tb e c o m e so n ei m p o r t a n tm e t h o da m o n gn u m e r o u s a c c e s sn e t w o r k t e c h n o l o g i e s o p t i c a la c c e s sn e t w o r kc a nb ec l a s s i f i e da sf t t c 。f t t z ，f t t b ，f t t o ， a n df t t h f t t hi st h ed e v e l o p m e n ta i mo fa c c e s sn e t w o r k b u tb e c a u s eo f c o s t ，m a r k e t ，c u s t o m e r s r e q u i r e m e n ta n do t h e rr e a s o n s ，f t t hi s s t i l la l o n g t i m et a s k b e f o r et h er e a l i z a t i o no f f t t h t h ec e n t r a ls e r v e rn e t w o r k a n dt h ec u s t o m e rs h o u l db ec o n n e c t e db yo p t i cf i b e r a tt h eb e t he n d so f o p t i cf i b e r , f i b e ro p t i ct r a n s c e i v e ri sn e e d e dt os e n d r e c e i v ea n dc o n v e r s e s i g n a l s t h i st a s ki st od e v e l o p f a s tf i b e ro p t i ct r a n s c e i v e rw h i c hc a na c h i e v e c o m m e r c i a lr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：f a s te t h e m e ta l 2 1 0f i b e r o p t i ct r a n s c e i v e r 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 光纤在接入网中占有传输媒介的主导位置，特别是在i p 业务迅速发展、带 宽成为业务瓶颈的时候。光纤接入是指局端与用户之间以光纤作为传输媒体。根 据所采用的技术体制的不同，光接入网( o a n ) 可以分为p d h 光接入技术、s d h 光 接入技术、a t m 光接入技术和以太网光接入技术等。以太网光接入技术是近年来 众多接入网技术中一支重要的力量，它既秉承了光通信保密性好、频带宽、容量 大等优点，又融合了以太网方便、快速、经济的特点，因而获得了快速发展和广 泛重视。 1 1课题来源 本课题是在广东佛山光电器材公司的要求下提出的，是该公司与武汉理工大 学“产学研”重点合作项目之一。 1 2 课题研究的目的及意义 我国接入网当前发展的战略重点已经转向能满足未来宽带多媒体需求的宽 带接入领域( 网络瓶颈之所在) 。尽管在接入网的建设中存在着不少的争议问题， 但毋庸置疑的是：发展光纤接入是解决接入网宽带化的最根本和行之有效的办 法，也是最能适应未来发展的解决方案。 以太网是2 0 世纪8 0 年代发展起来的一种局域网技术，由于具有使用简单方 便、价格低、速度高等优点，现已成为使用最广泛的网络结构，而以太接入网也 得到了快速发展和广泛重视。2 0 0 1 年初，i e e e 专门成立了8 0 2 3 e f m 工作组( e f m 的意思是“以太网第一里”，即以太网接入网) ，发展制定以太网接入网标准。 在已经提出的以太网接入网方案中，根据所使用的传输媒质的不同可以分为 以下几类： t 、基于电话线c a t3 的以太网接入网，目前主要有两种： 基于d s l 的以太网e t h e r n e to v e rd s l 和e t h e rl o o p 。速率最高为l o m b i t s ， 受双绞线带宽限制不能再提高； 2 、光缆入户的以太网接入网，有e p o n 和g t t h 两种： 以太网无源光网络e p o n ：为了降低光纤接入网的成本，用分光器将根光 缆分支连接相邻住宅。以前，在p o n 上运行a t m 称为a p o n ，但由于a t m 接入网 市场不好，而代之以发展e p o n 。目前e p o n 有两种方案：一是采用时分复用 t d m a t d mp o n ，从汇接点到用户的距离可达2 0 k m ，一根光缆最多可以支持6 4 个 武汉理工大学硕士学位论文 用户，总带宽为6 2 2 m b i t s 到2 4 g b i t s ：另外一种是波分复用的d w i ) me p o n ， 其传输距离可达5 - 6 0 k m ，一对光纤最多可以支持6 个用户，总带宽可达 1 6 - 1 6 0 g b i t s ，用户接入速率可以达到l o o k b i t s 一1 g b i t s ，光缆入户，千兆 以太网进家庭g t t h ，每户独立光缆连接小区以太网交换机。 3 、光缆到楼层( f t t b ) ，五类线入户以太网接入网。 这种方法适用于公寓型住宅楼。每户接入速率可达l o m b i t s ，如果需要可 以达到l o o m b i t s ，即百兆以太网( 也称为快速以太网) 。这种方案比较符合我 国国情，因此目前在我国发展非常迅速。 可以预见，随着我国信息化基础设施建设力度的进一步加大，在不久的将来， 以光纤作为传输媒介的各级通信网，尤其是接入网部分必将获得长足的发展。而 在目前，光纤到大楼( f t t b ) 则成为具有最优效费比的接八方式。它既能满足当前 各种业务对容量和带宽的需求，同时又为以后实现光纤到家( f t t h ) 和光纤到办公 室( f t t o ) 的最终理想提供了升级的方便。另一方面，既秉承了以太网方便、快速、 稳定、经济的优点，又结合了光纤通信高容量、高带宽特点的光以太接入网正成 为目前最具竞争力的接入网方式。而作为光以太接入网核心组成部分的以太网光 纤收发器，市场需求也日益增大，因此本课题( 快速以太网光纤收发器) 的研究是 有着巨大的经济价值和实用价值的。 1 3 本文的研究内容 据光纤深入用户的程度，光纤接入网可以分为f t t c ，f t t b ，f t t o ，f t n i 等。 f t t h 是接入网的长期发展目标，但由于成本、用户需求和市场等各方面的原因， f t t h 仍然是一个长期任务，目前发展的重点主要是实现f t t b 。在实现f t t b 的过 程中，局端( 中心服务器) 与用户( 大楼) 之间需以光纤进行连接，而在光纤两端则 需要有能满足以太网信号传输规范的光纤收发器来发送、接收信号，并进行相关 的信号转换处理。研制出可达到商用化标准的快速以太网光纤收发器是本课题的 主要任务。 快速以太网光纤收发器是一个完整的光纤通信系统，涉及到的相关知识很 多。包括光发射机光接收机的具体电路设计、调试，光纤信道中的编码，快速 以太网七层参考模型中的物理层的相关协议、标准等等，因此具有很强的系统性。 另外，在本课题的最后，还给出了光纤收发器一些比较重要的性能指标的测试方 案和结果。这些都是本文将要详细讨论的内容。 2 武汉理工大学硕士学位论文 第二章快速以太网技术概况 1 0 0 m b p s 以太网也称为快速以太网( f a s te t h e r n e t ) 系统，它于1 9 9 5 年正式 标准化为以太网标准的i e e e8 0 2 3 u 补充条款。快速以太网的整套规范和介质标 准包括光纤介质系统，统称为1 0 0 b a s e t 。快速以太网比最初的1 0 m b p s 以太 网系统在帧的发送速度上提高了l o 倍。在系统其他的重要方面，包括帧格式、 帧携带的数据量以及介质访问控制机制等都没有变化，而在物理层则开发了新的 信号收发技术。在本章中，我们将讨论i o o b a s e t 的物理层技术规范。 2 1快速以太网物理层技术规范 在快速以太网物理层规范中，定义了传输介质、介质访问单元( 姒u ) 、访问 单元接口( a u l ) 以及物理收发信号( p l s ) 子层功能，并规定了物理链路操作的电气 和机械特性参数。 1 、传输介质 在1 0 0 m b p s 以太网标准中，共定义有四种用来在快速以太网站点和介质系统 间建立连接的介质类型，其i e e e 缩略标识符分别为：t x 、t 2 、t 4 和f x 。t x 类 型是基于两对5 类双绞线的双绞线网段：t 2 类型是使用两对3 类话音级双绞线 的双绞线网段；t 4 类型是使用四对3 类话音级双绞线的双绞线网段；而f x 类型 则是使用两股光纤的光纤链路段。快速以太网中使用的i o o b a s e - - t x 标准和 i o o b a s e - - f x 标准统称为i o o b a s e - - x 标准，这两种标准都源于a n s i 开发的光纤 分布式数据接口( f d d i ) 信号标准。这四种介质类型共同形成一个物理标准系列。 u t p 双绞线的特性阻抗为1 0 0 q ，采用点到点的连接方式。光纤般为多模 光纤，也有采用价格较贵的单模光纤的，都是采用点到点的链路连接方式。 2 、介质访问单元 介质访问单元m a u ( m e d i u ma c c e s su n i t ) 包含了介质相关接口m d i ( m e d i a d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 和物理介质连接设备p m a ( p h y s i c a lm e d i aa t t a c h m e n t ) 两部分。它是连接传输介质的物理接口，具有以下物理信号的发送、接收和冲突 检测等功能，即： 发送功能：向传输介质上发送串行二进制数据位流的能力。 接接功能：从传输介质上接收串行二进制数据位流的能力。 冲突检测功能：检测传输介质上是否发生发送冲突的能力。 监控功能：在保持接收和冲突检测功能继续有效的同时，禁止向介质上 发送信号。该功能主要用于故障隔离和操作验证等网络管理上。 3 武汉理工大学硕士学位论文 载波监听功能：监听介质上载波活动变化的能力。 信号质量检测功能：检测介质上信号质量改变的能力。 m a u 与传输介质相关，不同传输介质的m a u 规定了不同的电气和机械特 性。尽管它们的信号收发速率均为1 0 0 8 b i t s ，但对介质的驱动能力各不相同。 习惯上将m a u 称为收发器。 3 、访问单元接口 访问单元接口a u i ( a c c e s su n i ti n t e r f a c e ) 是物理收发信号p l s ( p h y s i c a l s i g n a l i n g ) 子层和8 a u 之间的接口。p l s 子层可以通过a u i 选择m a u ，去驱动相 应的传输介质。也就是说，a u i 将使得p l s 、m a c 、l l c 等各层均与传输介质无关， 可以自由地选择所需的传输介质。 在具体实现上，1 0 0 b a s e t x 的8 a u ( 收发器) 集成在网卡的内部( 称为内部收 发器) ，p l s 与 i a u 之间通过网卡内部连线方式的a u i 来实现连接。而1 0 0 b a s e f x 的m a u 则是一个独立于网卡的收发器( 称为外部收发器) ，p l s 与m a u 之间则通过 一条长达5 0 m 的a u i 电缆实现连接。a u i 电缆是一条单独屏蔽的4 对7 5q 的双 绞线，其中一对是电源线( 1 2 v ) ，其它3 对分别是发送线、接收线和冲突检测线。 4 、物理收发信号子层 物理收发信号( p l s ) 子层是物理层和m a c 子层之间的接口，主要完成复位、 识别以及输出、输入、操作方式选择、冲突检测和载波监听等功能。各个功能简 述如下： 复位和识别功能在接通电源或接收复位请求时执行，它将复位并启动所 有的p l s 功能，并决定m a u 连接到a u i 的能力。 输出功能是将m a c 的数据传送给m a u 发送出去。 输入功能是将m a u 接收到的数据传送给m a c 。 操作方式选择功能提供两种操作方式：正常和监控。监控方式是可选的， 用于隔离故障和作验证。这时，m a u 发送器在逻辑上与介质隔离，m a u 只是 作为一个介质监视器而工作。 冲突检测功能是将m a u 检测到的信号质量改变情况以信号状态( s i g n a l s t a t u s ) 报告给m a c 子层。 载波检测功能是将m a u 监听到的载波活动变化情况以载波状态 ( c a r r i e rs t a t u s ) 报告给m a c 子层。 数据的编码与解码功能是采用曼彻斯特编码技术，对输出的数据进行编 码，对输入的信号进行解码。 图2 1 为 0 0 b a s e - t 物理层技术规范的结构模型，它共定义了三种物理层标 4 武汉理工大学硕士学位论文 准：i o o b a s e t 4 、i o o b a s e t x 和i o o b a s e f x ，分别支持不同的传输介质。m a c 层通过一个介质独立接口( m i i ) 与三种物理层协议中的一个相连接。m i i 类似于 8 0 2 3 中的访问单元接口( a u i ) ，通过提供单一的接口来支持任何符合i o o b a s e t 标准的外部m a u ( 收发器) 。 逻辑链路控制( l l c ) 8 0 2 3 前r 质存取控制( m a c ) 协调子层 介质独立接口l l 物理编码子层 刊( p c s ) l8 8 6 t 编码 物理介质连接 ( 模拟功能) 介质相关接口 理编码子层 4 8 5 b 编码 ，理介质连接 ( 模拟功能) a n s i 物理 介质相关 子层( p m d ) l o o b a s e t x 介质独立接口 物理编码子层 4 8 5 b 编码 物理介质连接 ( 模拟功能) a n s i 物理 介质相关 子层( p 如) 物 理 层 图2 1i o o b a s e t 技术规范 由图中可以看出，在这三种i o o b a s e t 物理层标准中，都是由物理编码子层 和物理介质相关( p m d ) 子层组成。其中i o o b a s e - t 4 是四对无屏蔽双绞线( u t p ) 电 缆系统，支持3 类、4 类和5 类u t p 电缆。它是一项新的信号发送技术，采用8 8 6 t 编码技术，即把8 位二进制码组编码成6 位三进制码组，再经过不归零( n r z ) 编 码后输出到3 对数据线上。每对线的传输速率为3 3 3 m b i t s ，三对线的总传输 速率则为1 0 0 胁i t s ，这样就在音频级的3 类u t p 电缆上实现了l o o m b i t s 的 传输速率。对于i o o b a s e t 4 介质系统而言，与本课题没有太多关联，我们不作 详细讨论，而把重点放在另外两种介质系统i o o b a s e - t x 和i o o b a s e f x 上。 2 2 基于双绞线介质的快速以太网系统 i o o b a s e t x 系统是目前使用最广泛的快速以太网双绞线介质系统。双绞线 以太网的主要优势在于利用标准的双绞线电缆来传输信号，因此可以充分利用目 前已大面积铺设的铜线资源。而且在很多情况下，这些标准双绞线已经被安装并 作为结构化布线系统的组成部分。基于星形拓扑结构的结构化布线系统也已经广 l l l l _ 武汉理工大学硕士学位论文 泛使用，并且利用它构成的网络系统很容易管理和排除故障。 i o o b a s e t x 介质系统所基于的信号编码和信号规范是最初用于f d d i 网络的 a n s i 标准。f d d i 网络是一种工作在l o o m b p s 的令牌环网，当需要以l o o m b p s 发 送信号时，i o o b a s e t x 和i o o b a s e t 介质标准都采用f d d i 标准中的信号编码和 物理介质部分。因为它们都使用一组相同的信号规范，所以把i o o b a s e t x 标准 和i o o b a s e f x 标准统称为i o o b a s e x 。i o o b a s e t x 标准的基础是f d d i t p p m d ( 双绞线物理介质依赖) 标准中的双绞线规范。f d d i 和t p p 佃标准中的信号 编码和信号稍加变动后被i o o b a s e t x 介质标准采用，并在双绞线上以l o o m b p s 发送以太网帧。i o o b a s e t x 系统使用两对非屏蔽双绞线，一对用于接收数据信 号，另一对用于发送信号。每对线中的两根电线在整个长度上必须被严密绞合在 一起，这是用来提高双绞线信号传输性能的标准技术。特征阻抗值为1 0 0 【2 ，符 合t i a e i a5 类规范的非屏蔽双纹线电缆的最大网段长度为l o o m 。 基于5 类电缆和部件并且符合t i a e a 规范的水平电缆段能够在最长l o o m 的网段上传送i o o b a s e - t x 信号。这就使得快速以太网系统在很多场合的应用受 到限制，为了解决这个问题，目前广泛采用的是以光纤作为传输介质，这样可以 大大增加信号传输的距离，因而获得了广泛的应用。 在i o o b a s e t x 双绞线网段上发送和接收的数据都是有极性的，每对信号线 中的一根线传送正( 十) 信号，另一根线传送负( 一) 信号。有些收发器支持“极性 转换”的功能，该功能自动检测并纠正在电线中产生不正确极性的连线错误。极 性转换指的是交换一对电线中的两根线。i o o b a s e t x 还规定5 类u t p 电缆采用 标准8 针r j 一4 5 连接器。r j 一4 5 插座中央的两根探针( 第4 针和第5 针) 一般是供 标准话音服务使用的。因此为了避免与话音服务发生冲突，i o o b a s e t x 系统不 使用第4 针和第5 针。下表2 1 给出了r j 一4 5 各探针的功能描述。 p i nn a m e d e s c r i p t i o n p i nn a m e d e s c r i p t i o n 1t x +发送信号+5n c空脚 2t x - 发送信号一 6r x 一 接收信号一 3r x +接收信号+7n c空脚 4n c空脚8n c空脚 表2 1r j 一4 5 连接器各探针功能说明 6 武汉理工大学硕士学位论文 i o o b a s e t x 介质段提供了独立的发送和接收信号通道，它能够支持可选的 全双工操作模式。以太网标准的8 0 2 3 x 补充条款标准化了全双工操作模式，如 果想在一个i o o b a s e t x 链路上进行全双工操作，则需要确定带内置式收发器的 接口能否支持全双工模式。在使用m i i 接口( 介质独立接口) 的情况下，不但需要 确定接口能够支持全双工操作，而且所购买的外部i o o b a s e t x 收发器也支持可 选的全双工模式。 2 3 基于光纤介质的快速以太网系统 与前面所介绍的i o o b a s e - t x 双绞线介质系统不同，i o o b a s e f x 光纤介质系 统以光脉冲取代了电流来传输以太网信号。这种方法有许多优点：首先，光纤连 接传递快速以太网信号的距离比金属介质远得多。光纤链路段使用多模光纤可以 允许连接越过4 1 2 m 距离的以太网站。而且如果使用全双工模式来连接交换式集 线器，那么完全可以实现更远距离的连接。使用光脉冲取代电流传输以太网信号 的另一个主要优点是为光纤链路两端的设备提供了完全的电气隔离。这种完全的 电气隔离可以避免类似电击的危险。也可以避免存在于不向建筑物间地电位不同 产生的接地电流，及由这种电流在金属电缆中导致的一些问题。当在建筑物中间 安装以太网时，由光纤提供的电气隔离是极其重要的，它可以提高以太网系统的 远距离安全性，并使操作更可靠。目前，在结构化布线系统中主干电缆普遍选择 光纤介质，因为它可以用来连接位于建筑楼层的以太网集线器，而这种介质可以 传送比双绞线更远的距离。 与i o o b a s e - t x 标准一样，i o o b a s e f x 介质系统使用的信号编码和信号的规 范也是针对f d d i 网络的a n s i 标准，它们都遵循一套共同的信号规范。i o o b a s e f x 介质标准对f d d i 标准中的信号编码和信号规范作了一点变动，用于以l o o l i f o p s 在光缆上传送以太网帧。i o o b a s e f x 系统在两条光纤上运作：一条用于接收数 据信号，另一条则用于发送数据信号。 i o o b a s e - f x 光纤介质段提供了独立的发送和接收信号通道，它可以支持以 太网适配卡或交换式集线器端口可选的全双工模式操作。全双工模式在以太网标 准的8 0 2 3 x 补充条款中进行了标准化。当工作在全双工模式时，i o o b a s e - f x 光 纤段可以支持更长的距离。 i o o b a s e f x 系统使用的信号是最初a n s i 为f 叻i 标准开发的一套信号，它 既包括了光纤信号，也包括了光纤介质。i o o b a s e f x 使用的信号编码与 i o o b a s e - t x 的编码相同。在光缆上发送信号的物理信号，是通过在光缆中传送 光脉冲来实现的。一台i o o b a s e f x 收发器的光发送最大功率峰值在2 0 0 4 0 0 u w 7 武汉理工大学硕士学位论文 之间。假定发送大约相向数目的l 和0 ，那么在光纤链路中传送的平均功率大约 在1 0 0 2 0 0 u w 之间，这些数字相当于光被耦合进标准的6 2 5 1 2 5 u m 光纤时的情 况。与在i o o b a s e t x 系统中要限制电磁放射不同，它没有必要对数据进行变频， 因为在光纤链路中不存在电磁发射。 快速以太网收发器电路一直在监视接收数据通道上的活动，确定链路是否 正确工作，即使在没有网络通信的空闲时间中也会持续地发送信号。因此，接收 数据路径上的活动监测就能有效地提供持续的链路完整性检查。 自动协商( a u t on e g o t i a t i o n ) 是i e e e 8 0 2 3 规定的一项新标准，它能使集 线器和网卡知道线路另一端能有的速度，把速度自动调节到线路两端能达到的最 高速度( 优先的顺序为：i o o b a s e t 2 全双工，i o o b a s e t 2 ，i o o b a s e t x 全双工， i o o b a s e t 4 ，i o o b a s e - t x ，i o o b a s e t 全双工，i o b a s e t ) ，然后以最高性能操 作。 自动协商是在有效频带之外进行的，信息由一个紧密分隔的连接完整测试 脉冲一快速连接脉冲( f l p s ) 来传送。f l p s 在网络启动时产生或由网络管理软件 产生。根据从f l p s 抽取出来的数据，同一个电缆区段的接收站便可知道传送站 的容量。如果f l p s 被侦听到，自动协商算法便决定最高表现性能的操作模式， 然后自动把接收与发送站升级。 自动协商链路脉冲信号被定义为只能用于连接双绞线的8 针r j 一4 5 型连接 器，因此光纤段上不支持自动协商。自动协商系统还提供远程错误( r e m o t ef a u l t ) 能力来检查当链路一个方向出错而另一个方向没有出错的情况。在光纤连接方式 中，这种功能的代替方式称作远端出错( f a re n df a u l t ) 功能。远端出错检测功 能十分有用，因为光纤链路很长，如果有一种能检测出一个方向上的链路在工作， 另一个方向不在工作的系统，就能在检查链路故障时节省很多时间。在实际操作 中，当在i o o b a s e - f x 链路上检测不到连续的i d l e 符号流时，即进行远端出错检 测。此时，在链路接收方向发现i d l e 符号错误的设备就发送连续的远端出错信 号流。如果链路另一端的设备能够识别远端出错信号，它将把远端出错信号解释 为链路连接失败，而且能在设备的管理接口上显示出错信息。 正如前文所述，当链路工作在全双工模式下时，i o o b a s e f x 光纤段可以支 持更长的距离。链路段上使用全双工模式意味着链路段的长度不受共享的以太网 通信的循环计时的限制，取而代之的是段长度受到光缆上光功率损耗( 信号衰减) 和光缆上的信号色散的限制。典型的光纤收发器多模光纤构成的i o o b a s e - f x 段 上能达到2 k m 的距离。而当使用单模光纤构成全双工段时，光信号传送距离可达 2 0 4 0 k m ，甚至更远的距离。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 4i o o b a s e t ) ( ，f x 介质转换系统中的信号传输规范 信号编码是一种将时钟和数据信息组合成自同步的信号流在介质系统上传 送的方法。i o o b a s e - t x 系统基于最初为包括光纤和双绞线介质的a n s ix 3 t 9 5 f d d i 标准开发的信号标准。f d d i 和i o o b a s e t x 中使用的信号编码基于一种“4 b 5 b ”系统，它将4 位的数据模式转变成5 位代码组在介质系统上传输，效率为 8 0 。附加的第5 位表示l o o m b p s 数据流在介质系统上变成了1 2 5 m b d 的信号流。 5 位编码方案允许传送3 2 个5 位符号，其中有1 6 个符号传送的是从卜f 的4 位数据值，另外1 6 个符号用于控制和其他目的，这些符号包括当信道不存 在其他数据时连续发送的i d l e 符号。因此，i o o b a s e - t x 中的信号系统是连续活 动的，如果不存在其他数据，就以1 2 5 m b d 发送i d l e 符号。 信道上传送的每个5 位符号都对应于m i i 接口上发送的一个4 位半字节的数 据。其中有些是非数据符号，这些非数据符号中的一部分具有字母名称( “j ”和 k ) ，它们用于表示帧的前同步信号开始等特殊目的。 i o o b a s e - t x 收发器中的载波侦听忽略i d l e 符号，所以只有当信道中出现真 正的帧数据符号时，载波侦听才会被激活。“j ”和“k ”这对符号一起出现表示 以太网帧中前同步信号的开始，另一对称为“t ”和“k ”的符号则用来表示帧的 结束。i o o b a s e t x 收发器( p h y ) 负责识别这些5 位符号，去掉特殊符号，并将标 准的以太网帧数据送给站点接口或中继器端口。 用来在双绞线电缆上传送5 位符号的物理信号基于的是一种称为m l t 一3 三元 信号的系统。三元表示每个被传送的信号可以有三种电平中的一种。在一个传送 时钟中，信号从一个电平变到另一个电平表示逻辑i ，不变的信号电平表示逻辑 0 。在1 0 0 b a s e - t x 收发器中，4 b 5 b 编码的数据首先被变频( s c r a m b l e ) ，展宽 数据中的电磁发射模式，然后作为一连串具有三种电平的信号被发送到双绞线介 质段上，其信号传输率为1 2 5 m b d 。正信号线上的差分电压变化范围大约是0 一+ l v ，负信号线上差分电压变化范围大约是o _ 一1 v 。 1 2 5 m b d 的信号传输率表示i o o b a s e t x 系统在双绞线电缆上发送很高频率的 信号。因此，l o o b a s e t x 介质段中使用的所有双绞线电缆跳接线和其他部件都 必须符合或超过处理信号所要求的分类信号传输规范 9 武汉理工大学硕士学位论文 第三章光纤通信系统中几个关键问题的讨论 自从1 9 6 6 年英籍华人高锟提出光纤通信的概念以来，光纤通信有了长足的 发展，在构成社会信息基础设施方面扮演着重要角色，并已成为信息社会不可缺 少的神经系统。在本章中，将重点介绍光纤通信系统中一些关键性问题的研究成 果。 3 1光信号在光纤介质中传输时的色散 随着社会的信息化，人们对信息的需求越来越大，这种需求直接推动了作为 通信网主要传输方式的光纤通信朝着高速率、大容量和长距离的方向迅速发展， 但光纤通信传送的信息容量和传输距离受到光纤损耗和色散的限制，因此如何减 少和消除这两大不利因素，成为光纤通信领域研究的重要课题。而近年来随着掺 铒光纤放大器( e d f a ) 的出现并且日益实用化，使得光纤衰耗对系统的传输距离 不再起主要限制作用。在这种情况下，光纤的色散就成为了决定光纤通信系统性 能优劣的主要因素，而如何有效地控制色散，使信号在高码速、长距离传输中不 失真地传输到接收端，也就成为当前光纤通信系统研究的热点。 3 1 1 色散的定义及度量 色散是指不同频率的光信号在传输媒介中由于传播速度不同而产生分离的 现象。产生这种现象的实质是当一束电磁波与电介质的束缚电子相互作用时，介 质响应通常与光波频率有关，这体现在折射率对频率的依赖关系上，此关系称之 为光纤色散特性。光纤色散会使光脉冲在传输中时域展宽，强度降低，导致通信 系统的误码增加，限制了光脉冲无中继传输距离。 单模光纤中的色散包括群速度色散( g v d ) 和偏振模色散( p 尬) 两大类。群 速度色散是指单模光纤中基模的传输系数随频率而改变，从而造成群速度不同。 群速度色散主要是因为实际光源都是具有一定谱宽的复色光源的结果。偏振模色 散产生于单模光纤基模的两个相互正交的偏振模之间，由于受到外界一些不稳定 因素的影响而使二者具有不同的传输速率，从而导致模式间的差分群时延，也就 是偏振模色散。 因为群速度色散与偏振模色散的产生原因及其特性都有很大的不同，因此很 难用一种统一的方法来对这两种色散形式进行度量和分析。在实际的应用中，群 速度色散可以用严格的数学模型来分析；而对偏振模色散而言，则多采用统计的 方法来进行分析。下面我们将详细讨论这个问题。 l 、群速度色散的度量 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 在光纤信道中，不同频率的信号因速度不同而使其传过相同距离后会有不同 时延f ，从而产生时延差( f ) 。时延差越大，表示色散越严重，这具体表现 在光脉冲在沿光纤传输过程中被展宽的程度愈大。因此色散的度量，通常都是采 用每单位长度的群时延差来表示。在数学上，光纤的色散效应可以通过在中心频 率处展开成模传输常数卢的泰勒级数来表示。 n l1 p ( c o ) = ( 卯) = = p o + 届一c o o ) + 屈 一) 2 + ( 3 1 ) 妲成警l - o ，l 当参量恁对应于脉冲展宽时，脉冲包络以群速度( v 。= l p , ) 移动。参量屈， 屈与折射率n 有关。它们的关系可由下面的式子推得： 届= 1 c 斟了n g = 专 z ， 屈= c z 面d n + 鲁卜詈鲁“嘉嘉 。， 式中f i g 是群折射率，屈是群速度色散系数，是决定脉冲展宽的主要因素，通常 也用色散参数d 来表示色散，它与屈之间的关系为d = - 2 ：c f l ：五2 。在 旯= 1 5 5 0 n m 处，屈= - 2 0 p s 2 k i n ，且在1 3 1 0 n m 附近改变符号。 光纤在a = 1 5 5 0 n m 窗口的色散可表示为： 扯m 着低，+ 学筹帆h + a ， 凡为脉冲的中心波长，其谱宽为a 2 ，a t 为色散宽度。r ( 凡) = ，v ( 厶) ， 其中1 等于链路长度，v ( 九) 代表光以九传输时的群速度，因此式( 3 4 ) 又可 写成： 武汉理工大学硕士学位论文 f - 五丢f d ( 厶) + ( a 2 a 2 ) 删d 2 i d ( 凡) + + ( 35 ) 其中一阶色散d ( 九) 和二阶色散d ( 凡) 可表示为 丢岗槭川，= 加纠拭。 在a = 1 5 5 0 n m 窗口，对标准单模光纤来说，有： d 1 7 p s ( n m k m ) ，d 0 0 6 p s ( n m k m ) 。 2 、偏振模色散的度量 在单模光纤中，基模是由两个相互正交的偏振模组成的，由于光纤的不圆度、 边应力，光纤扭曲等造成单模光纤中这两个模式之间有轻微的传输群速度差，从 而形成线性偏振模色散。在光纤较长时，由于偏振随机模耦合对温度、环境条件、 光源波长的轻微波动都很敏感，所以它会随时间而发生变化，因此，偏振模色散 是一统计量，而且其均值与距离的平方根成正比，p m d 的统计分布满足麦克斯韦 分布规律；而在光纤的传输距离较短时，其p 蛐是一定值而且与距离成线性关系。 单模光纤中的偏振模耦合和双折射效应在数学上可以用琼斯矩阵和s t o k e s 参量来描述，并成为分析p m d 的有力数学工具。自从1 9 8 6 年p o o l e 提出了单 模光纤中基本偏振态的概念后，对理解实际光纤中的双折射和偏振模耦合等概念 带来了很大的方便。在理想的双折射光纤中存在两个相互正交、与光波频率和传 输距离无关的本征偏振态。但在实际长距离的光纤中一般并不存在这种完全与频 率和传输距离无关的本征态，而是存在由输入光脉冲分解成的沿两正交方向偏 振、并与输出偏振态有最小频率相关性的光脉冲，这两个偏振的光脉冲即为基本 偏振态( p s p ) 。在输出端，两个脉冲的到达时间是不同的，其时间差就称之为偏 振模色散的群时延差( 1 e d ) 。在一阶近似下，p s p 与频率无关；而在二阶近似下， p s p 与l e d 的值都与频率相关。一般采用两偏振模的群时延差f 来表示p b i d 的 大小，由于两偏振模之间的模式耦合是随波长和时间随机变化的，所以p m d 是一 个统计量，并随时间而变化。因此实际测量光纤中由偏振模色散引起的i e d 时必 须考虑其统计特性并采取相应的措施。通常采用以下几种定义来表征p m d 的数 值：群时延差的平均值、群时延差平均值系数和传输时间的均方差。 正如前文所说的单模光纤的偏振模色散具有统计特性，因此光纤中所给出的 偏振模色散参数通常是指其统计平均值。在长度为l 的链路中，两相互垂直偏振 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 模产生的时延差a t ( p s ) 遵