光纤发送系统设计与分析

光纤发送系统设计与分析摘要近年来数字通信技术的迅速发展，更是加快了数字通信设备的更新换代，多业务并存、IP化、高安全性等新技术要求被提出。1550光发射系统应其低损耗性被各大通信运营商所青睐，其基本原理是光发射机把接收到电子脉冲信号通过光电转换器转换成光脉冲信号、再经光放大器将光脉冲信号放大输出发送到光纤另一端的光接收机转换成电信号在输出，光接收机的工作原理是光发射机的一个逆向过程，是将接受到的光脉冲信号转换成电脉冲信号，从而实现数字电信号的长距离传输。关键词光纤与光缆光源和光发射机传输指标1目录摘要------------------------------------------------------------1目录------------------------------------------------------------2前言------------------------------------------------------------3一、光纤通信的原理----------------------------------------------3（一）光纤通信技术的概述-------------------------------------4二、光纤通信技--------------------------------------------------3三、光通信技术的特点--------------------------------------------4（一）信息容量大----------------------------------------------4（二）损耗低，可长距离传送-----------------------------------4（三）光纤的损耗特性及注意事项--------------------------------5四、系统的设计方案----------------------------------------------5（一）技术指标要求--------------------------------------------6（二）安全要求-----------------------------------------------7（三）二级机房的组网构架--------------------------------------8五、光链路的光损耗计算------------------------------------------9六、技术探讨----------------------------------------------------10七、数字电视的光发射前端的发展趋势探讨--------------------------10八、安全传输探讨------------------------------------------------112光纤发送系统设计与分析前言我国在上世纪70年代开始用光纤通信技术，发展到现在虽然只有几十年的时间，但是随着其在我国通信领域内地大规模应用，在短短几十年的时间里迈入了世界先进水平。由于光纤通信技术系统较其他通信技术系统容量大、传输距离远、安全性高、受地域环境限制较小等优点、且是选用的是带宽极宽的光波作为传输信号的载体，为光纤传输系统在我国的大规模的应用打下了坚实的基础。本文以数字有线电视通信技术中最常见的1550光发射机、光放大器、光接收机、光链路损耗的计算等在数字有线电视领域内的应用为模板，介绍了光纤发射技术的系统及在有线电视领域内的应用，只是一些经验之谈、有些地方分析还不够全面，希望各位同行多多指点。一、光纤通信的原理及简介光纤通信技术在各种通信技术中最受追捧的通信技术,成为当代通信技术应用范围最广范的技术之一,在现代各大通信运营商中起着至关重要的作用。前端机房把各种图像、声音转换为原始电信号，这种信号称为基带信号。电发射机把基带信号转换为适合信道传输的加密电信号，这个转换如果需要调制，则其输出信号称为已调信号，然后把这个经过特殊调制的加密电信号输入光发射机转换为光脉冲信号，光载波经过光纤线路传输到光接收端，再由光接收机把光信号还原成电信号，光接收机的功能和光发射机的功能相反，它把接收的光信号转换为基带电信号，最后由用户终端恢复成用户读信息。光纤是一种由玻璃中参杂稀土元素或塑料制成的纤维内芯和塑料包层组合而成的产品，内芯是一种比头发丝还要细的纤维状物质，其体积只有几十甚至几微米；而包层是外面包住内芯的物质，其作用是保护内芯在受到外力作用下不会损坏弯曲。光纤按其内部传输几种不同波长的光多分为两种传输模式：单模光纤和多模光纤。单模光纤只能够传输一种波长的光、光纤纤内芯比较细，一般为9-10μm，色散小，应用于远程通讯；而多模光纤的内芯较粗，一般为50-62.5μm，3可以同时传输两种不同波长的光，色散比单膜的要大，因此传输的距离也因此而较短，一般只有几公里。光纤的主要材质是玻璃或塑料材料做成的，因为其不导电，所以在其两端设备如何放电，都不会构成回路影响整个光链路。光纤因非常的细所以几十根光纤组合在一起，如同一根同轴电缆粗细，大大节约了空间。二、光纤通信技术㈠、光纤通信技术的概述从光纤通信系统的功能结构上来划分，主要是由光纤、发光源和光检测器这三种通信的基本功能要素构成的，由于是以一种光脉冲信号为载体的“有线”光通信网络，所以又可以称之为光纤维通信。光缆又是很多根纤芯和保护层两个主要部分。内芯一般为几十微米直至几微米，所占用的体积非常小，而外包层主要是起保护光纤的作用，所以光纤通信系统所使用的光缆不同于普通的使用单根的光纤的光缆而进行分析和设计，它使用的是由许多光纤并列组合的一组光纤，很有效的提高了传输效率还不会造成互相之间的电磁干扰。其中在实际应用中，可根据实际需求定制不同纤芯的光缆，还可以按照光缆的使用环境对其外包层进行特殊设计。总之，光纤通信技术在我国的大规模应用下在不断的进步发展。首先是拥有相比于同轴电缆的极宽频带、制造成本低廉的经济性、超大容量的信息传送能力，科学技术日新月异的今天，密集波分复用技术空分复用和应用更是最大化地扩展了单根光纤的传输容量，大大发挥了光纤通信的自身优势，尤其是对于单波长光纤通信系统。然后其超长长的中继距离，低传输损耗比其它任何传输介质传输更出色，而且如果将来能够采用极低损耗材料制成的光纤，将让光纤通信技术的低损耗更上一层楼。再然后是抗电磁干扰能力强，因为光纤原材料是由石英材料制成的绝缘体材料，可以让光波导对电磁干扰具有强大的抗干扰能力，还不容易被腐蚀损耗。最后是在光纤中的传输过程中光信号可以被完善地限制在光纤维结构中，可以保证光缆外面窃听不到光纤中传输的信息，增强了传输的安全性。三、光通信技术的特点4、信息容量大在理论上一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时传输1000亿个话路通行容量，据中国信息通行技术集团2019年2月发布的信息，我国科研人员已首次实现1.06Pbit/s大容量波分复用及空分复用的光传输系统实验，可实现一根光纤上近300亿人同时通话。并且光纤的传输宽度比电缆线或者铜线的宽度大很多。它比传统的明线、同轴电缆、微波等要高出几十乃至上千倍以上。一根光纤的传输容量如此巨大，而一根光缆中可以包括几十根甚至上千根光纤，如果再加上波分复用技术及空分复用技术把一根头发丝粗细的光纤当作几根、几十根光纤使用，其通信容量之大就更加惊人了。损耗低，可长距离传送光纤通信的损耗率比普通的同轴电缆损耗率要低得多，由于光纤具有极低的衰耗系数（商用化石英光纤已达0.19dB/km以下），若配以适当的光发射与光接收设备，可使其中继距离达数百公里以上。这是传统的电缆（1.5km）、微波（50km）等根本无法与之相比拟的。因此光纤通信特别适用于长途一、二级干线通信。据报导，用一根光纤同时传输300亿个万个话路、100公里无中继的试验已经取得成功。此外，已在进行的光孤子通信试验，已达到传输120万个话路、6000公里无中继的水平。光纤不仅损耗低，而且也可以进行长距离的通信，目前最长的通信距离可以达到万米以上，因此光纤通信更加实用于社会网络信息量比较的地方。（三）光纤的损耗特性及注意事项光纤的传输特性是光纤通信系统中一个非常重要的问题，它反映了光信号经光纤传输后要产生损耗和失真，因而导致输入信号和输出信号不同。这在光纤发送设计中是一个非常重要的事项，但在往往会被忽略，因此我在这里着重进行了一段论述，只是一些经验之谈，希望能为光纤发送设计人员提供一些参考依据。光纤的损耗可用光纤的衰减系数来描述，光纤在制造和出厂的时候都经过测试5能到国家要求衰减测试。但在长距离运输和长时间的存放下，在各种外界环境的作用下会使光前损耗系数增加，因此，在设计光纤发射通信系统时，必须考虑光纤的实际损耗和设计时生产厂家提供的光纤损耗的差值。以保证末端光接收机收到的光功率符合所用设备的光功率要求。在实际应用中最好办法是用光时域反射仪（OTDR）这种仪器进行测量，（如下图所示）这种仪器采用单端输入和输出，不破坏光纤，使用方便。不仅可以测量光纤的损耗系数，而且能测出光纤的实际长度。在设计是可根据光纤的实际参数对设计方案进行优化和改进，以符合实际需求。四、系统的设计方案这次方案设计主要是以有线电视数字信号的安全传输为思路，实现有线电视的长距离传输。此次传输中两地相隔距离为43.28公里，二级机房架设一台迈威牌1550nm激光器外调制光发射机，其传输距离为60Km，发射光功率为-3dBm~-8dBm，三级分前端架设一台迈威牌1550nm光接收机，接受灵敏度为-2dBm~+2dBm，两端机房各用一个活动接头中间无中继站，光纤全用接续盒进行连接。电信号输入光发送机光缆电信号输入光发送机光缆光接收机（一）技术指标要求1.分前端接收的数字电视信号误码率必须大于等于34dB。2．用于电视信号传输的光信号波长必须用1550nm。其它波长必须提前预留，以用于以后其他业务的发展。63.所有的设备工作输入电压为220V，应为所有分前端所用的设备为都为220V，且有稳定的太阳能供电系统。4.网路传输设备尽可能选用同一规格型号，以便备份替换及维护。5.网络建成后，必须具有科学性、实用性、可靠性和以后的多功能利用性。且低故障率、便于维护、易于升级、容易实现双向传输。(二)安全要求安全传输是所有工作的关键，但此次传输的电视信号作为备份信号源，且是光缆传输，一级机房和二级机房在信号输入是都已经进行了严格监控。所以在安全方面不做过多工作。（三）二级机房的组网构架此次二级机房的组网方式是在保证三级机房的光功率的前提下充分考虑利用好现有机房的设备保证在现有机房不停信号的前提下，为三级分前端提供稳定的电视信号。因三级机地处偏远山区，用户规模不足300户，电视信号的覆盖主要以卫星传输链路为主，地面传输链路作为备份。为此此次传输考虑了一下原则：信号源选用本机房的的信号源。因为二级机房的现用的数码视讯IPQAM有两路射频信号，刚好可以利用多出一路作为三级机房的信号源。二级机房做为一个重要光节点，OLT能实现主、备两路信号的切换，且是双链路。所以大大提高了信号源的稳定性。因在传输链路部分，卫星链路为主用，地面传输链路作为备份。IPQAM的信号是在一级机房统一加密、调制过后通过长途干线，在本次传输中不需要再次加密、调制。此次传输只增加了一台光发射机、一台光功率放大器和一台色散补偿。极大的减轻了机房压力和成本投入。此次传输直传有线电视信号，传输网采用的的是普通的G.652单模光纤，1550nm长距离传输主要考虑入纤光功率控制、前置放大器、功率补偿和色散补偿。3.SBS设置二级机房电视光纤传输采用的一台迈威外调制光发射机，该发射机采用了窄线宽DFB激光器（0.3MHz）；带宽45-1000MHZ，可传输84路PAL-D路电视信号；发射机输出波长可调，易于对系统进行升级和扩容以适应将来大容量CATA系统的7需要，且组网灵活；发射机输出功率大，双光输出端口，可使EDFA工作在深度饱和区域；每台机器有独立的IP地址，适应网管的需要，但其SBS阀值限定最高的入纤光功率，而系统的CSO指标与如纤光功率有关，减少入纤光功率可以降低CSO,但又会减少传输距离，降低了光放的输入光功率，使下一级光放的系统载噪比增大。根据公司多年有线电视的传输经验，此次系统的SBS设置为16dBm。为保证传输网的指标，二级机房的入纤光功率不易高于16dBm，而经过前置放大器后随着传输距离的增大不会影响三级分前端的光接收的接收指标。4.光放的光功率设置1550nmCATV掺铒光纤放大器是1550nm光纤通信系统中重要的光中继传输设备，主要用于电视图像信号、数字电视信号、电话语音信号和数据（或压缩数据）信号的远距离光纤传输。前置放大器是一个输入为高阻而输出为低阻的放大器，并且有电流/电压变换。前置放大器是光接收的关键部分之一，它直接影响接收机的灵敏度，因此它必须满足信号传输要求的足够带宽、高增益、低噪声性能。为了保证系统的COS指标，首先我们考虑的设备的兼容性、载噪系数低和可远程管理性的光放大器；其次是为系统的长期使用的稳定型，预留5dB的光功率最为后期线路老化后的光功率补偿。5.色散补偿由于普通的G.652单模光纤在1550nm窗口从在很大的色散，色散系数达到17ps/nm.Km。按照光纤的类型分：单模光纤（一般为G.652纤：光纤内径9um，外径125um），多模光纤（一种是G.651纤其内径50um，外径125um；另一种是内径62.5um，外径125um）；如果系统传输距离达到100Km时，色散因素作用会造成系统的CSO指标很快劣化；达不到国标规定的技术指标要求，尤其是经IPQAM调制的的数字电视信号，其频率利用率比较高，色散的影响就更为严重。但这次实际传输距离不足百公里，所以这次传输我们在机房设计是不考虑色散对数字电视指标的影响。如果在光长距离传输设计的距离大于100Km时，就必须考虑色散补偿，距离达到130-150Km时，用肉眼就可以明显观察到CSO指标劣化形成的电视屏幕上的网纹干扰。所以要引起特别的注意。下面时几种决绝色散问题的常见方案，我在这里进行了简单的罗列，希望为设计人员进行简单的8参考；=1\*GB3①1550nm光纤传输加光电中继站，此方案能很好的解决色散问题，但是加光电中继会大大提高成本，后期维护也比较麻烦且中继站需要稳定的供电系统，需要持续的后续投入。=2\*GB3②1550nm光纤传输加色散补偿，此方案虽然能便于维护和管理，但是传输距离易受到限制。适用于100Km一下的传输。=3\*GB3③1550nmDWDM光纤传输技术，DWDM系统具有传输距离长、容量大、波道多，实施全透明传输，CWDM技术充分利用了城域网传输距离短的特点,不受EDFA放大波段的限制,可以在1310～1560nm的整个光纤传输窗口上,能组成全光层网络和相对工程造价较低等技术经济优势，DWDM光纤传输系统尚无一套完整的衡量其传输质量的标准，且技术要求较高，在这里不做过多的讨论，但在实际应用中光信噪比是可以作为衡量传输质量的标准，但其他参数还需做进一步的研究。6、光接收机数字光接收机在数字光纤通信系统中的作用是将经光纤光缆传输后衰减变形的微弱光脉冲信号通过光/电转换为电脉冲信号，并通过内置放大模块放大、均衡与定时再生还原成为终端电子设备可读取的数字脉冲信号。当从光纤中输出的微弱光信号入射在光电检测器的光感应器上时，光电检测器将其转变为电信号。前置放大器放大从光电检测器送来的微弱电信号，它是光接收的核心部分，要求它有特别好的灵敏度、适当的带宽和一定的信号放大。主放大模块的作用是进一步放大光电检测器输出的电脉冲信号，并且有可调的放大作用。均衡器将通过传输和放大高低端电平的信号电平值差的信号电平差进行补偿，使之输出的高低端电平值差符合规定要求的脉冲形状（一般为升余弦脉冲）。为了使光接收机的输出保持恒定，采用了自动增益控制电路（AGC），它由峰值检波、直流放大和控制电路组成。为了判决再生，还要从主放大器的输出提取时钟信号。从判决电路输出的数字信号送至接口，再进行转码反变换，恢复成原来的码型。五、光链路的光损耗计算1、1550nm光纤损耗按0.25dB/km计算，既0.25dB/km*43.28Km=10.82dB；2、链路的活动接头4个，FC/APC活动接头的损耗为0.3dB/个，既0.3dB/个*4=1.2dB；93、熔接损耗平均按0.03dB/个计算，接头数为43.28km/3km=15个；既（15+2）个*0.03dB=0.51dB,在实际施工中熔接损耗远远大于计算值，且很难进行计算，根据以往的施工经验43.28km的光缆熔接损耗在3dB左右算是优良工程，在这里为了保险期间，我们把熔接损耗设为5dB。4、经测试前置光放放大后实际输出光功率为19dB；5、末端光功率为：19dB-10.8dB-1.2dB-5dB=2dB6、进测算末端光功率在+2dB符合设计时光接收机的光功率要求，也符合预留5dB的光功率最为线路老化时补充光功率要求。六、技术探讨本次设计完成的是数字电视信号的中距离发送，在日新月异的数字通信邻域，此次设计在设备选用和传输思路上已经比较落后，但此次设计方案在目前的有线电电视传输邻域比较常见，而且得到时间的考验，在后期的维护和管理已形成了一套完整的规范。无论是前期投入还是后期维护管理，成本都比较低，是此套设计的优势所在。在此次设计的思路虽没有新异之处，但其有些观点是我多年从事有线电视施工所得的经验，在这里进行了分享，希望能给同行们一些参考。七、数字电视的光发射前端的发展趋势探讨随着三网融合的深度实现，广播电视技术发展迅速，双向化、IP化、大数据及云计算部署已成为广播电视发展的必然技术趋势。加上用户收视终端的IP化促使广电不得不调整自身传统的发射模式向IP化转变，广大向IP化转变是时代的必经之路。目前，全国大部分省市的数字电视平台大多以DVB架构平台为主，一些发达地区的省市已经对数字电视平台进行了IP化升级改造。升级改造后的数字电视直播网仍然用原省的SDH传输信号，用网络适配器适配成ASI信号，经IP网管转化成IP信号，复用、加扰调制成RF信号，再通过1550或1310光发射机分前端；分前端的1550或1330光接收机在将光信号转变成RF信号，然后再将RF信号通过机房分配分配成若干RF信号，在通过1550或1310光发射机城域网传输到小区。最后经过铜轴电缆分配网传输到用户家中。虽然同轴电缆已逐10步退出了广电的历史舞台，现在广电城域网主推的时FTTH，但其本质是将小区楼道光接收机推到了用户家中。在用户家中光接收机和机顶盒之间还是通过同轴电缆连接，因此可见，数字电视信号源及调制后的数字电视信号还是没有一IP化形式传输，IP化只从在于中间部分，没有彻底的IP化。在以后的数字电视传输平台还有很大的提升空间，在IP化传输技术转型同时保护和利用好有线电视同轴电缆的再利用，取得最佳的传输成效。八、安全传输探讨广播电视作为党和政府的喉舌，其特有的文化属性和政治属性。随着三网融合的不断推进，广播电视光传输网络发生了很大的变化。在功能方面、广播电视已具备直播电视、互动电视和宽带服务，从传统的广播形式的单向网向双向网络发展，这种发展使原本封闭的广播电视网络向开放式的双向网络发展。大大增加了网络安全隐患。尤其是宽带业务和有线电视网络同时接入到用户终端设备时，互联网的安全隐患就逐渐转移到了广播电视网络中，会严重影响广播电视网络安全。只有做好确保网络安全，才能保障其最基础的社会功能。现在大部分省市在保障广播电视的安全性和兼顾已有的有线电视网络，大多采用同一平面内两张网的形式进行传输，直播电视在DVB平台模式下，通过DS3适配器适配成ASI信号，经IP网关转换成IP信号，复用加扰、最终调制成RF信号，经1550或1310光接收机传输到末端光接收，末端光接收机再把光信号转化成RF信号。宽带业务则是由数据网路由器通过OLT将数据业务通过另一根光纤传输到小区，后经小区光分纤箱分配到用户家中或楼道ONU中。通常宽带业务下行用1