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光纤通信系统基础

     人类看不见的世界,并不是空想的幻影,而是被科学的光辉照射的实际存在。尊贵的是科学的力量。—居里夫人(M.Curie)

一、脉冲编码——将模拟信号变为数字信号

       光纤通信系统光源的发射功率和线性都有限,因此通常选择二进制脉冲传输,即将连续变化的模拟信号变为用数字“1”或“0”表示的数字信号。因为传输二进制脉冲信号对接收机信噪比(SNR)的要求非常低,对光源的非线性要求也不苛刻。
脉冲编码调制
       脉冲编码调制(PCM)是光纤传输模拟信号的基础。解码后的基带信号质量几乎只与编码参数有关,而与接收到的SNR关系不大。假如接收到的信号质量不低于一定的误码率,此时解码SNR只与编码比特数有关。模拟信号变为数字信号,要通过三个过程,即取样、量化和编码,如图9.1.1所示。
1. 取样
       取样是分别以固定的时间间隔T取出模拟信号的瞬时幅度值(简称样值)的过程,如图9.1.1b所示。要想实现模拟数字转换(ADC),首先要进行取样。
       取样定理:若取样频率不小于模拟信号带宽的两倍,则取样后的样值波形只需通过低通滤波器即可恢复出原始的模拟信号波形。
       图9.1.1b表示具体的取样过程,由图可见,时间上连续的信号变成了时间上离散的信号,因而给时分多路复用技术奠定了基础。但这种样值信号,本身在幅度取值上仍是连续的,称为脉冲幅度调制(PAM)信号,它仍属模拟信号,不仅无法抵御噪声的干扰,也不能用有限位数的二进码组加以表示。
PCM编码过程
图9.1.1PCM编码过程
a)模拟信号b)取样c)量化d)编码
2. 量化
       所谓量化指的是将幅度为无限多个连续样值变成有限个离散样值的处理过程。
       具体来说,就是将样值的幅度变化范围划分成若干个小间隔,比如8个小间隔,如图9.1.1b所示,每一个小间隔称之为一个量化级,当某一样值落入某一个小间隔内时,可采用“四舍五入”的方法分级取整,近似看成某一规定的标准数值,如图9.1.1c的第3个样值,落在图9.1.1b的7和8之间,并靠近7,所以分级取整为7。这样一来,就可以用有限个标准数值来表示样值的大小。当然量化后的信号和原来的信号是有差别的,称之为量化误差,对于图9.1.1c所示的均匀量化,各段的量化误差均为±0.5。经过量化后的各样值可用有限个值来表示,进而即可进行编码。
3. 编码
       所谓编码指的是用一组组合方式不同的二进制码来替代量化后的样值信号的处理过程。
       二进制码与状态“电平值”的关系为
光纤通信系统基础(图3)
       其中n为二进制代码所包含的比特个数,N为所能表示的不同状态(电平值)。换句话说,当样值信号被划分为N个不同的电平幅度时,每一个样值信号需要用个二进制码元表示。
光纤通信系统基础(图4)
       在图9.1.1c和图9.1.1d中,每一样值划分为8种电平幅度(0~7),即N = 8,所以每一样值需用n=3个码元表示,对于3位二进制码而言,与各样值的对应关系如表9.1.1所示,在图9.1.1d中,第1个样值为4,所以用100表示。
表9.1.1   8个样值电平值与二进制代码的对应关系
8个样值电平值与二进制代码的对应关系
       至此,将一路模拟信号变成用二进制代码表示的脉冲信号的处理过程就结束了。所产生的信号称之为PCM信号。而描述所含信息量的大小,可用传输速率来表示,即每秒钟所传输的码元(比特)数目(bit/s)。
        我国PCM通信制式的基础速率计算如下:语音信号的频带为300~3400Hz,取上限频率为4000Hz,按取样定理,取样频率为fs=8kHz(即每秒取样8000次),取样时间间隔T=1/fs=1/(8kHz)=125μs,在125μs时间间隔内要传输8个二进制代码(比特),每个代码所占时间为Tb=125/8μs,所以每路数字电话的传输速率为B=1/Tb=64kbit/s(或者8bit/每次取样×8000次/每秒取样)。如果传输32路PCM电话,则传输速率为64kbit/s×32=2048kbit/s(也就是8bit/每个取样值×32个取样值/每次×8000次/每秒)。这一速率就是我国PCM通信制式的基础速率。
4. PCM编码
       PCM编码的实现过程如图9.1.2所示。首先在输入端用基带滤波器滤除叠加在模拟信号上的噪声。然后信号幅度被等于或大于奈奎斯特(Nyquist)频率fs取样,并使取样频率fs满足条件
光纤通信系统基础(图6)
式中(Δf)b为模拟基带信号带宽。
光纤通信系统基础(图7)
图9.1.2PCM编码过程的实现
a)发送端b)接收端
       幅度电平被取样器记忆并选通到量化/编码器,在这里每个取样值幅度与2n个离散参考电平中的一个比较。该量化器输出一串N=2n个二进制代码,它代表每个取样间隔内(1/fs)测量到的取样幅度电平。每个代码具有n个码元(比特)。然后,把帧和同步比特插入二进制代码比特流中,重新组成串联数据流以便于传输。因此,传输速率要比
稍高。
       在接收端,为了解码的需要,恢复出定时信号并分解取样代码。每个代码进入一个数模转换器(DAC)。该DAC输出一个离散电压脉冲幅度调制(PAM)波形,它与接收到的二进制代码相对应。为了重新恢复原来的模拟波形,PAM波形需要经基带滤波器滤波。

二、信道编码——减少误码,方便时钟提取

       信道编码的目的是使输出的二进制码不要产生长连“1”或长连“0”,而是使“1”码和“0”码尽量相间排列,这样既有利于时钟提取,也不会产生如图9.1.3所示的因长连零信号幅度下降过大使判决产生误码的情况。
光接收机电容耦合使长连零信号幅度下降导致判决产生误码
图9.1.3光接收机电容耦合使长连零信号幅度下降导致判决产生误码
a)电容耦合放大判决电路b)电容耦合放大判决电路各点波形
        光纤通信系统光源的发射功率和线性都有限,因此通常选择二进制脉冲传输,因为传输二进制脉冲信号对接收机SNR的要求非常低(15.6dB,甚至更低),对光源的非线性要求也不苛刻。
        脉冲编码调制是光纤传输模拟信号的基础。解码后的基带信号质量几乎只与编码参数有关,而与接收到的SNR关系不大。假如接收到的信号质量不低于一定的误码率,此时解码信噪比只与编码比特数有关。

三、 信道复用——扩大信道容量,充分利用光纤带宽

       为了提高信道容量,充分利用光纤带宽,方便光纤传输,可把多个低容量信道以及开销信息,复用到一个大容量传输信道。可以在电域和光域同时复用多个信道到一根光纤上。因此,复用后的多个信道共享光源的光功率和光纤的传输带宽。在电域内,信道复用有时分复用(TDM)、频分复用(FDM)、微波副载波复用(SCM)、正交频分复用(OFDM)和码分复用(CDM);与此相对应,在光域内,信道复用也有光时分复用(OTDM)、光频分复用即波分复用(WDM)和光正交频分复用(O-OFDM)、光偏振复用、以及光码分复用(OCDM),如图9.1.4所示。此外,还有空分复用,比如双纤双向传输。
光纤通信系统基础(图9)
图9.1.4光纤通信系统复用技术
       目前,光纤通信系统普遍采用电时分复用和电频分复用、波分复用和偏振复用。