【光接入網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展綜述17000字（論文）】

光接入網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展綜述目錄前言 6第一章基礎(chǔ)理論概述 7第一節(jié)常見接入網(wǎng)概述 7第二節(jié)光接入網(wǎng) 9第二章光接入網(wǎng)國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)和前景展望 11第一節(jié)國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài) 11第二節(jié)前景展望 12第三章大氣信道 12第四章光發(fā)送與光接收 13第一節(jié)天線 13第二節(jié)光發(fā)送單元 15第三節(jié)光接收單元 16第四節(jié)光接入系統(tǒng)的功率預(yù)算 21第五章調(diào)制和編碼技術(shù) 22第一節(jié)數(shù)字光接入系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)技術(shù) 23第二節(jié)光接入系統(tǒng)的糾錯(cuò)編碼 24第六章光接入網(wǎng)的組網(wǎng)技術(shù) 26第一節(jié)微波/光接入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?26第二節(jié)光纖/光接入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?27第七章結(jié)論 27第一節(jié)總結(jié) 27第二節(jié)展望和今后的工作 28參考文獻(xiàn) 31前言從整個(gè)電信網(wǎng)角度來看，可以將全網(wǎng)絡(luò)劃分為公眾電信網(wǎng)和用戶駐地網(wǎng)(CPN)兩大塊，用戶駐地網(wǎng)屬于用戶自己，公眾電信網(wǎng)又分為核心網(wǎng)和接入網(wǎng)。核心網(wǎng)提供高速公眾傳送通道，接入網(wǎng)是這個(gè)通道的“最后一公里”，他主要解決如何將圖像、數(shù)據(jù)、語音等多種業(yè)務(wù)綜合傳送到用戶的問題。與核心網(wǎng)相比，接入網(wǎng)具有業(yè)務(wù)密度低、缺乏經(jīng)濟(jì)規(guī)模、成本差異大、運(yùn)行環(huán)境惡劣、技術(shù)更新慢等缺點(diǎn)。同時(shí)由于電信業(yè)務(wù)向高速、寬帶、大容量方向發(fā)展，核心網(wǎng)已經(jīng)經(jīng)歷了幾代更新發(fā)展，這就勢(shì)必對(duì)接入網(wǎng)提出不斷發(fā)展更新的要求。目前比較典型的接入網(wǎng)按接入方式有：純雙絞線銅纜接入網(wǎng)、混和光纖同軸電纜網(wǎng)（HFC)、xDSL(HDSL,ADSL、VDSL),綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN)、接入網(wǎng)和全光纖接入網(wǎng)。隨著信息時(shí)代的到來，由信息技術(shù)、傳送以及資源所構(gòu)成的信息產(chǎn)業(yè)將會(huì)成為推動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)力再發(fā)展的關(guān)鍵因素。隨著社會(huì)對(duì)信息需求的增大，也推動(dòng)了信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這也就迫切需要各種信息系統(tǒng)通過統(tǒng)一的信息網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)⑿畔⒁愿鞣N形式傳送到任何地方。從整個(gè)電信網(wǎng)來看，它主要包括用戶駐地網(wǎng)以及公眾電信網(wǎng)，公眾電信網(wǎng)又主要是由核心網(wǎng)和接入網(wǎng)組成?，F(xiàn)階段在核心網(wǎng)不斷更新發(fā)展的推動(dòng)下，接入網(wǎng)的發(fā)展更新需求也不斷增大。光接入網(wǎng)是接入網(wǎng)中較為典型的按接入網(wǎng)的方式，通過對(duì)光接入網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究，將在很大程度上推動(dòng)接入網(wǎng)的更新發(fā)展，使之更符合信息時(shí)代的需求。光接入網(wǎng)是指將光的通信技術(shù)以及接入網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，使之能夠在充分發(fā)揮光通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)也能夠順利的完成各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的有效接入。光接入網(wǎng)作為一種不同于以往的、全新的接入網(wǎng)理念，可以實(shí)現(xiàn)光纖的最大程度的延伸。光接入網(wǎng)具有大寬帶、低成本、方便安裝、優(yōu)良的安全保密性以及無需授權(quán)執(zhí)照，能夠及時(shí)迅速建設(shè)的優(yōu)點(diǎn)。光接入的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要分為：環(huán)形、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、MESH網(wǎng)狀格以及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)。光接入也具備一定程度的缺點(diǎn)：通信鏈路容易受阻斷，如在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的網(wǎng)路結(jié)構(gòu)中，如果一條鏈路被隔斷，那么通信將會(huì)收到阻斷；由于受到日光以及風(fēng)向的影響，安裝點(diǎn)不可避免的會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)，這在一定程度上會(huì)影響兩點(diǎn)間的激光對(duì)準(zhǔn)；受大氣影響也較為明顯，尤其是在大霧天的情況下，光的色散也會(huì)在一定程度上對(duì)通信產(chǎn)生不良影響。接入網(wǎng)技術(shù)能夠很好的改善由于高速寬帶的光纖骨干網(wǎng)以及用戶對(duì)局域網(wǎng)相連所形成的接入瓶頸。通過對(duì)光接入網(wǎng)中所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行有效的分析與研究并結(jié)合大氣信道散射、吸收以及湍流效應(yīng)對(duì)光傳輸所造成的影響分析來不斷完善光接入網(wǎng)系統(tǒng)所需要的特殊處理技術(shù)。通過研究不難發(fā)現(xiàn)，在光接入網(wǎng)系統(tǒng)中采用多孔徑的卡塞格倫反射天線能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)的性能有較為良好的完善，同時(shí)在系統(tǒng)中采用單模以及多模光纖進(jìn)行大氣信道兩側(cè)的信號(hào)的接收與發(fā)送也能夠使整個(gè)系統(tǒng)更加的可靠，除此之外，要想對(duì)光傳輸?shù)男阅苓M(jìn)行較大的改善，就需要采用帶有靜默保護(hù)時(shí)段的PPM調(diào)制。第一章基礎(chǔ)理論概述第一節(jié)常見接入網(wǎng)概述1雙絞線銅纜接入網(wǎng)雙絞線銅纜接入網(wǎng)是各國電信運(yùn)營公司花費(fèi)大量投資建起來的龐大網(wǎng)絡(luò)資源，價(jià)值上千億美元，決不會(huì)輕易放棄。目前的經(jīng)濟(jì)性能表明，對(duì)于較短或較少的用戶線要求，雙絞線銅纜仍然是經(jīng)濟(jì)的。因而對(duì)于已建成銅纜網(wǎng)的地區(qū)和少量的用戶線需求，電話公司會(huì)繼續(xù)采用銅纜。新的銅纜用戶線技術(shù)（例如用戶增容系統(tǒng)HDSL以及ADSL和VDSL)的出現(xiàn)和應(yīng)用也會(huì)在一定程度上延緩雙絞線銅纜網(wǎng)的技術(shù)壽命。通過對(duì)大氣信道特征所采用的一些特殊的處理技術(shù)能夠?qū)⒐饨尤牍獍l(fā)送、探測(cè)技術(shù)以及光纖通信進(jìn)行有效的區(qū)分。其中主要包括對(duì)天線、處理背景光噪聲、選取光源以及光探測(cè)器，以及光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)內(nèi)部電路的處理。2混和光纖/雙絞線銅纜網(wǎng)這種接入方案結(jié)合運(yùn)用銅纜和光纖，發(fā)揮各自特長，是最有希望的接入網(wǎng)技術(shù)方案之一。在提供新用戶線方面’其經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)可以與純雙絞線銅纜相比。傳統(tǒng)的電話運(yùn)營公司在修復(fù)一定規(guī)模的銅纜接入網(wǎng)是會(huì)越來越多的釆用這種方案。而新的競爭者則很可能會(huì)采用混和方案來提供新的用戶線。諸如光纖到路邊（FTTC)和光纖到遠(yuǎn)端（FTTR)都屬于這種混和方案，未來的交換式數(shù)據(jù)圖像（SDV)業(yè)務(wù)也是以這種方案為基礎(chǔ)的，可以認(rèn)為這是銅纜向未來純光纖網(wǎng)過渡的理想方案之一，特別式由FTTC與VDSL相結(jié)合的方案提供了一種現(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)的寬帶接入方式。天線是整個(gè)接收發(fā)送系統(tǒng)中最前端的部分。在光接入技術(shù)中，對(duì)于如何區(qū)分普通的光纖通信以及大氣信道所產(chǎn)生的光信號(hào)也是非常關(guān)鍵的。光接入發(fā)送單元系統(tǒng)中，一般會(huì)選擇強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)。此檢測(cè)的光發(fā)送機(jī)主要是有光源、驅(qū)動(dòng)線路、自動(dòng)功率、溫度控制電路以及報(bào)警保護(hù)電路共同組成。3混和光纖/同軸電纜網(wǎng)這種混合方案是由CATV網(wǎng)演變而來，是一種新型的接入網(wǎng)技術(shù)，不僅能提供窄帶電話業(yè)務(wù)，也能提供寬帶圖像業(yè)務(wù)，其經(jīng)濟(jì)性較好，尤其是在交互式圖像業(yè)務(wù)普及率不太高的很有吸引力。絕大多數(shù)有線電視公司都會(huì)逐漸釆用這種方案，不少電話運(yùn)營公司也開始采用這種技術(shù)應(yīng)付市場競爭。顯然，這種技術(shù)越普及，新敷設(shè)的雙絞線銅纜會(huì)越來越少，而光纜和同軸電纜會(huì)越多，光纖向用戶側(cè)推進(jìn)速度會(huì)加快。很多國際組織和論壇正在對(duì)下一代的結(jié)合MPEG—2和ATM的數(shù)字HFC系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，這將進(jìn)一步推動(dòng)其發(fā)展。對(duì)于接人網(wǎng)已引入競爭機(jī)制的國家和地區(qū)，接入網(wǎng)將在低密度的分散小用戶群領(lǐng)域、急需電話用戶線的地區(qū)以及有地理障礙的地區(qū)占有日益超重要的地位。對(duì)于正在建設(shè)固定有線接入網(wǎng)的地區(qū)，接入可作為過渡手段迅速提供給新用戶線，一旦有線接人網(wǎng)建成后，接人系統(tǒng)可以移往別處用。農(nóng)村網(wǎng)環(huán)境則采用一點(diǎn)多址技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)性和靈活性。市場預(yù)測(cè)結(jié)果表明，接入將會(huì)迅速的發(fā)展，在接入網(wǎng)領(lǐng)域占有不容忽視的一席之地^4純光纖網(wǎng)純光纖網(wǎng)指光纖直接連到用戶，中間沒有其他傳輸煤質(zhì)應(yīng)用場合t又可劃分光纖到辦公室（FTTO)和光纖到家（FTTH\FTTO方式指至少需要幾十條幾百條用戶線的企業(yè)用戶網(wǎng)，這種場合只要容量超過一定數(shù)目光纖是經(jīng)濟(jì)合算的。FTTH方式是指居民用戶一般僅需一至兩條用戶線短期內(nèi)經(jīng)濟(jì)欠佳，但卻是長遠(yuǎn)的發(fā)展方向和最佳解決方案。第二節(jié)光接入網(wǎng)我們知道，任何一種接入網(wǎng)都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。純雙絞線銅纜接入網(wǎng)、混和光纖/雙絞線銅纜網(wǎng)、混和光纖同軸電纜網(wǎng)都是陳舊的接入方案或者是一種折衷方案，其傳輸容量和帶寬是其固有的瓶頸。近幾年來接入網(wǎng)和純光纖接入網(wǎng)發(fā)展迅速，在闡述光接入網(wǎng)前，有必要先闡明這兩種接入網(wǎng)。1光纖接入網(wǎng)光纖接入網(wǎng)采用光纖傳輸系統(tǒng)所支持的接入鏈路群共享相同的網(wǎng)絡(luò)惻接口，光接入網(wǎng)從系統(tǒng)配置上分為無源光網(wǎng)絡(luò)（PON)和有源光網(wǎng)絡(luò)（AON)。典型接入網(wǎng)類型如前所述的純光纖接入的FTTH和FTT0，以及一些綜合解決方案如HFC和FTTC、PTTR。光纖接入網(wǎng)可以充分利用光纖傳輸帶寬大、衰減小、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，使得整個(gè)通信系統(tǒng)性能得到質(zhì)的飛躍。近段時(shí)間，以高速光傳輸技術(shù)、寬帶光接入技術(shù)、節(jié)點(diǎn)光交換技術(shù)、智能光聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，并面向IP互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的光波技術(shù)已構(gòu)成了今天的光纖通信研究的熱點(diǎn)eSDH和DWDM設(shè)備在光纖接入網(wǎng)中的不斷延伸應(yīng)用，使得光接入網(wǎng)己經(jīng)成為一個(gè)趨于完善的網(wǎng)絡(luò)。但是光接入網(wǎng)在經(jīng)濟(jì)性能和建網(wǎng)工程的復(fù)雜性上的弱點(diǎn)是無法克服的。無法達(dá)到接入網(wǎng)的建網(wǎng)靈活且不受地域限制相比。2光接入網(wǎng)接入網(wǎng)具有接入靈活、實(shí)用范圍廣泛等特點(diǎn)，釆用移動(dòng)接入的接入網(wǎng)用戶可以在一定范圍或者超大范圍移動(dòng)。目前，接入網(wǎng)分為：移動(dòng)通信系統(tǒng)移動(dòng)通信系統(tǒng)由第一代模擬制式到第二代數(shù)字制式，第三代以CDMA技術(shù)為基礎(chǔ)的移動(dòng)通信也即將商用，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)正在實(shí)驗(yàn)中，5年后將面世。本地環(huán)路系統(tǒng)有線固定電話用戶以方式接入公用電話網(wǎng)稱為本地環(huán)路系統(tǒng)。此方式比較經(jīng)濟(jì)、現(xiàn)實(shí)’它不但降低了維護(hù)成本，縮短了建設(shè)周期，同時(shí)設(shè)備擴(kuò)容方便，特別適合遠(yuǎn)離城市的邊遠(yuǎn)地區(qū)。GSM標(biāo)準(zhǔn)、CDMA、FDMA、TDMA技術(shù)也被應(yīng)用在本地環(huán)路中。本地環(huán)路主要針對(duì)固定用戶接入，因此其工作頻率不與公眾移動(dòng)通信網(wǎng)相同，主要分布在1，8GHz?2.5GHz之間的頻段?！c(diǎn)多址微波通信設(shè)備’實(shí)際上就是一種典型的本地環(huán)路設(shè)備，它一般釆用TDMA時(shí)分多址方式，中心站通過用戶與公用電話網(wǎng)聯(lián)接，通過全向天線與分布在周圍的外圍站通信，提供固定電話服務(wù)。無繩電話系統(tǒng)是有線固定電話終端的延伸，無繩電話系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是靈活方便。這類固定的終端可以同時(shí)帶有幾個(gè)子機(jī)，子機(jī)除和母機(jī)通話外，子機(jī)之間還可以通信.一類工作頻率一般在45MHZ,天線覆蓋在100米左右。另一類如DECT,PHS等標(biāo)準(zhǔn)的無繩電話系統(tǒng)工作頻率在800MHz?1.9GHz。移動(dòng)衛(wèi)星接入系統(tǒng)通過同步衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信聯(lián)網(wǎng)是一種理想的接入方式，可以真正實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何人的移動(dòng)通信。這種系統(tǒng)通常需要衛(wèi)星運(yùn)行在低軌道，并且需要較多的衛(wèi)星，投資很大。衛(wèi)星接入系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是利用衛(wèi)星通信的多址傳輸方式。為全球用戶提供大跨度、大范圍、遠(yuǎn)距離的漫游和機(jī)動(dòng)靈活的移動(dòng)通信服務(wù)，是陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)的擴(kuò)展和延伸，在邊遠(yuǎn)的地區(qū)、山區(qū)、海島、受災(zāi)區(qū)、遠(yuǎn)洋船只、遠(yuǎn)航飛機(jī)等通信方面更具有獨(dú)特的優(yōu)越性。局域網(wǎng)局域網(wǎng)(WirelessLAN,簡稱WLAN)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它不受電纜束縛，可移動(dòng)，能解決因有線網(wǎng)布線困難等帶來的問題，并且組網(wǎng)靈活，擴(kuò)容方便，與多種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)兼容，應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)。WLAN既可滿足各類便攜機(jī)的入網(wǎng)要求，也可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)遠(yuǎn)端接入、圖文傳真、電子郵件等多種功能近段時(shí)間以來，局域網(wǎng)應(yīng)用和研究正逐步成為一個(gè)熱點(diǎn)。作為全球公認(rèn)的局域網(wǎng)權(quán)威，IEEE802工作組建立的標(biāo)準(zhǔn)在過去二十年內(nèi)在局域網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。在1997年，經(jīng)過了7年的工作以后，IEEE發(fā)布了802.11協(xié)議，這也是在局域網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)的第一個(gè)國際上被認(rèn)可的協(xié)議。在1999年9月，他們又提出了802.llbHighRate協(xié)議，用來對(duì)802.11協(xié)議進(jìn)行補(bǔ)充，802‘1lb在802.11的1Mbps和2Mbps速率下又增加了5.5Mbps和11Mbps兩個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)吞吐速率.在802.11最初定義的三個(gè)物理層包括了兩個(gè)擴(kuò)散頻譜技術(shù)和一個(gè)紅外傳播規(guī)范。兩種護(hù)頻技術(shù)是指跳頻擴(kuò)頻FHSS和直接序列DSSS技術(shù)，紅外傳播是指工作波長在850nm—880rmi的紅外傳輸技術(shù)《相應(yīng)的就有FH一SS局域網(wǎng)、DS—SS局域網(wǎng)、紅外局域網(wǎng)。紅外局域網(wǎng)具有不占用微波頻段、安裝靈活和成本低的優(yōu)點(diǎn)。但是在IEEE802J1和IrDA標(biāo)準(zhǔn)下，紅外局域網(wǎng)傳輸速率較小，沒有充分利用光傳輸介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，且IrDA下局域網(wǎng)覆蓋區(qū)域較小。因此，有必要綜合接入和光傳輸介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，且在傳輸速率和距離上優(yōu)于紅外局域網(wǎng)。光接入網(wǎng)就是目前國內(nèi)外正在進(jìn)行的綜合了和光傳輸優(yōu)點(diǎn)的一個(gè)新興技術(shù)研究。3光接入網(wǎng)光接入網(wǎng)將光通信技術(shù)與接入網(wǎng)技術(shù)需求有機(jī)的結(jié)合起來，充分利用光通信技術(shù)優(yōu)勢(shì),完成各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(IP業(yè)務(wù)，視頻，電話業(yè)務(wù))的接入，體現(xiàn)一種全新的接入網(wǎng)理念，可以實(shí)現(xiàn)光纖不便延伸到所謂最后一公里的寬帶接入。等狀態(tài)下的寬帶接入，具有帶寬大、成本低、無須授權(quán)執(zhí)照、安全保密性好、安裝方便、建設(shè)迅速以及無需申請(qǐng)頻帶、保密性好等優(yōu)點(diǎn).光接入可以分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、環(huán)行和MESH網(wǎng)狀格等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。同時(shí)我們也注意到光接入的弱點(diǎn)：通信鏈路的阻斷：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)模式中，如有一條鏈路被隔斷(如飛鳥經(jīng)過鏈路空間)通信將受阻。安裝點(diǎn)的晃動(dòng)(受日光，風(fēng)向的影響)，晃動(dòng)將影響兩個(gè)點(diǎn)之間的激光對(duì)準(zhǔn)天氣的影響，特別是大霧天所引起的光的色散將會(huì)對(duì)整個(gè)通信性能產(chǎn)生較大影響。目前，光接入網(wǎng)己經(jīng)有較大范圍的成功實(shí)用案例，在悉尼奧運(yùn)會(huì)上成功的釆用Terabeam公司的光接入產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了由跳水中心到新聞中心的圖像傳輸，Airfiber成功的在美國波士頓地區(qū)布網(wǎng)，光通信網(wǎng)與光纖網(wǎng)通過光節(jié)點(diǎn)連接在一起，完成該地區(qū)整個(gè)光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。第二章光接入網(wǎng)國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)和前景展望第一節(jié)國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)事實(shí)上，在激光剛剛問世時(shí)，將激光用于大氣通信想法就隨之產(chǎn)生，但是由于大氣信道的特殊性，使得此項(xiàng)技術(shù)一直停滯不前。進(jìn)入80年代，很多國家和地區(qū)的研究相繼停止，但是仍然有人在不斷的探索。隨著半導(dǎo)體激光器的問世，激光在大氣中傳輸進(jìn)行通信逐漸進(jìn)入實(shí)用階段。近年來，國外光通信技術(shù)已相較成熟，相應(yīng)產(chǎn)品已有較廣應(yīng)用，美國波音公司和一些較大的通訊公司都在釆用光接入方案。朗訊公司已開發(fā)出4X2.5Gb/s的光通信系統(tǒng)。在國內(nèi)，中科院光電所憑借光電科技優(yōu)勢(shì)，引進(jìn)并消化國外先進(jìn)技術(shù)，研發(fā)成功JTWS-I型激光通信機(jī)。桂林電子工業(yè)學(xué)院、華中科技大學(xué)、武漢郵電科學(xué)研究院也長期致力光接入技術(shù)研究。第二節(jié)前景展望在美國，大約10%-15%的客戶、僅3%-5%的商業(yè)用大樓(全球小于1%)是與光纖網(wǎng)相連，故光通信在低成本，快速組網(wǎng)方面的市場前景非常廣闊?？梢灶A(yù)示這是一種新型電信業(yè)務(wù)的誕生，將會(huì)給電信運(yùn)營商帶來可觀的商業(yè)利潤?；蛟S，未來通信將形成一個(gè)立體的交叉光網(wǎng)，光網(wǎng)將在大氣層內(nèi)或外，及外太空（定點(diǎn)衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星）的層面上形成龐大的高容量的通信網(wǎng)層，再與地面上成熟的巨大的光纖網(wǎng)相溝通，提供未來社會(huì)所需的各種通信業(yè)務(wù)的需求。第三章大氣信道對(duì)光接入系統(tǒng)的研究首選要從光傳輸?shù)拇髿庑诺乐郑@也是光和光纖通信的首要區(qū)別。從光傳播的角度上看，大氣是極不穩(wěn)定的。它的溫度、壓力、密度、水汽含量都在不斷的變化和運(yùn)動(dòng)因此，大氣是--種隨機(jī)介質(zhì)，光在大氣中傳輸是波在隨機(jī)介質(zhì)中的傳播。大氣主要包括氣溶膠粒子、各種懸浮粒子、水蒸氣與各種粒子組成的霧藹雨等，以及理想狀態(tài)的大氣分子，當(dāng)激光通過大氣時(shí)，這些物質(zhì)對(duì)激光產(chǎn)生散射和吸收作用，大氣湍流和風(fēng)又使大氣的折射率不均勻，引起激光光斑的閃爍和漂移，產(chǎn)生湍流效應(yīng)。大氣的散射、吸收和湍流影響統(tǒng)稱大氣效應(yīng)，對(duì)光通信的影響很大，特別是對(duì)遠(yuǎn)程和高精度的應(yīng)用更為突出。因此大氣對(duì)光傳輸?shù)挠绊懼饕梢詺w結(jié)為氣體分子及氣溶膠的吸收效應(yīng)、通過混沌介質(zhì)的散射效應(yīng)和大氣湍流效應(yīng)。前兩項(xiàng)主要造成光傳輸?shù)墓β蕮p耗，而大氣湍流主要引起光強(qiáng)和相位的起伏。大氣微粒的直徑分布很寬，從10—微米到數(shù)十微米。對(duì)光傳輸影響最大的是直徑從0.1微米到10微米的微粒。我們可釆用單粒子散射理論t4]:瑞利(Rayleigh)散射和米耶（Mie)散射來近似分析大氣的散射，這是因?yàn)闅怏w分子間距大于分子直徑十倍以上，大氣中氣溶膠微粒或懸浮微粒的間距也遠(yuǎn)大于微粒直徑，滿足單粒子散射的條件：粒子間距大子粒子直徑三倍時(shí)，各粒子的散射近似互不影響。所以，雖然大氣中存在多祌微粒，對(duì)光傳播問題而言，單粒子散射理論總是適用的。而且，單粒子散射的近似數(shù)學(xué)處理簡單，適合于工程計(jì)算。對(duì)可見光和紅外光來說，大氣分子的散射作用很小，但是分子的吸收效應(yīng)對(duì)任意光波段都是不可忽略的。氣體分子的大量吸收譜線組成了譜帶群，對(duì)光輻射產(chǎn)生連續(xù)的吸收，僅在少數(shù)幾個(gè)波長區(qū)吸收較弱，形成所謂的“大氣窗口”,就是地球表面大氣對(duì)不同波長光的吸收情況，橫坐標(biāo)為波長，縱坐標(biāo)為吸收率。由圖可見幾個(gè)重要的大氣窗口。由于在光通信中，一般采用780nm,以及1310mn和1550nm附近這幾個(gè)波段，正好處于大氣的吸收窗口.因此，從光衰減的角度來看,分子吸收效應(yīng)是可以忽略的。大氣的不同部分的物理性質(zhì)各不相同，不停的流動(dòng)，從而形成溫度、壓強(qiáng)、密度、又由于熱和風(fēng)的原因，大氣總是在流速、大小等不同的氣流窩旋。這些氣流窩旋總是處在不停的運(yùn)動(dòng)變化之中，大的窩旋隨著流動(dòng)變小直到逐漸消失，同時(shí)又有新的窩旋產(chǎn)生，新的窩旋又逐漸消失，如此運(yùn)動(dòng)不止，它們的運(yùn)動(dòng)相互交聯(lián)、疊加，形成隨機(jī)的湍流運(yùn)動(dòng)，這就是大氣湍流。整體上講，大氣象一種隨機(jī)介質(zhì)，這使得光在大氣中傳輸時(shí)，波陣面產(chǎn)生隨機(jī)畸變，傳播方向發(fā)生隨機(jī)偏轉(zhuǎn)，另一方面，在觀察平面上產(chǎn)生光照度起伏，光斑內(nèi)部強(qiáng)度隨機(jī)變化，即所謂的光斑閃爍、漂移。對(duì)激光來說，大氣湍流又使激光的相千性嚴(yán)重下降。第四章光發(fā)送與光接收光接入光發(fā)送和探測(cè)技術(shù)和光纖通信區(qū)別，是針對(duì)大氣信遒的特征而采用的一些特殊處理技術(shù)。主意包括天線、背景光噪聲處理、光源和光探測(cè)器的選取，以及光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)內(nèi)部電路特殊處理。第一節(jié)天線體積輕、結(jié)構(gòu)緊湊、焦距長度短等特點(diǎn)，且后瓣小、設(shè)計(jì)饋源靈活、增益高，它是光接入中使用較多的一種天線，佢其遮擋率影響比普通拋物面天線大。由拋物面初級(jí)反射鏡和雙曲線次級(jí)反射鏡組成?？ㄈ駛愄炀€主反射面是旋轉(zhuǎn)拋物面，張角為副反射面為旋轉(zhuǎn)雙曲面，張角為發(fā)送源通常置于主副反射面間旋轉(zhuǎn)雙曲面的實(shí)焦點(diǎn)F’上。在光通信中采用收發(fā)天線結(jié)構(gòu)類似，發(fā)送和探測(cè)光信號(hào)部件都將放置在F上，同時(shí)為了減小遮擋率，F(xiàn)’往往和拋物面的頂點(diǎn)重合。一般雙曲面的虛焦點(diǎn)和拋物面的焦點(diǎn)是重合的。多孔徑天線能減小大氣湍流的影響，一種多孔徑施密特-卡塞格倫天線。在發(fā)送端采用光纖和光纖分支器將光源發(fā)出的信號(hào)連接到發(fā)送孔徑的饋源位置處，從光源到每個(gè)孔徑采用等長光纖連接，三個(gè)孔徑必須通過調(diào)整使整束發(fā)送光偏移角在左右的范圍內(nèi)。光信號(hào)經(jīng)大氣傳輸后，在接收端經(jīng)相同的三個(gè)孔徑收集會(huì)聚到副反射鏡，再會(huì)聚到賈于副反射鏡焦點(diǎn)的多模光纖上，傳送到光探測(cè)器上并采用波長為785nm的信標(biāo)光實(shí)現(xiàn)收發(fā)天線的校準(zhǔn)。釆用多孔徑發(fā)送，可以在整體上增加總的發(fā)送光功率；多孔徑接收，一方面增加了光的接收面積，可以減少湍流的影響，另外多孔徑效應(yīng)也可以進(jìn)一少降低接收光強(qiáng)的方差。在光接入還可以采用多孔徑發(fā)送，單孔徑接收的天線系統(tǒng)。設(shè)想的一個(gè)光接入所采用的收發(fā)端的方框圖。采用1550mn波長光源經(jīng)EDFA驅(qū)動(dòng)后有較大的光功率，從Al、A2、A3三個(gè)傳輸孔徑發(fā)射出，經(jīng)過1,2km或者2,2km距離后，并由具有一個(gè)接收孔徑的卡塞格倫天線接收，且直接用InGaAs的PIN或者APD探測(cè)。探測(cè)器后端是一個(gè)數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)，它可以是包含前置放大電路和一些采樣處理單元，通過它可以分析出接收端的信號(hào)。信標(biāo)光從接收端發(fā)出，采用785nm的紅外光波，并通過圖像監(jiān)測(cè)設(shè)備（如CCD像機(jī)）來校準(zhǔn)。如果傳送孔徑數(shù)可以控制，就可以比較出不同傳送孔徑數(shù)的光強(qiáng)概率密度分布，隨著孔徑數(shù)目增加，光強(qiáng)概率密度分布幅度增加，擴(kuò)展寬度變窄，光強(qiáng)的方差就越小，其抖動(dòng)影響相應(yīng)減小?？傊嗫讖教炀€是一種改進(jìn)的卡塞格倫天線，它有利于消除大氣湍流射衰減的影響、改善系統(tǒng)通信性能。第二節(jié)光發(fā)送單元天線是發(fā)送接收鏈路中最前端的部分，送入發(fā)射天線的光信號(hào)針對(duì)大氣信道如何產(chǎn)生以及進(jìn)行有別于普通光纖通信的處理，也是光接入技術(shù)的重要內(nèi)容在光接入系統(tǒng)中，一般采用強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)（IM/DDX強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)的光發(fā)送機(jī)一般由光源、驅(qū)動(dòng)電路、自動(dòng)功率控制和自動(dòng)溫度控制電路、報(bào)警保護(hù)電路組成。數(shù)字光接入系統(tǒng)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)框圖，采用調(diào)制方式是數(shù)字調(diào)制，如果采用模擬調(diào)制，就要去掉編碼部分電路。信號(hào)經(jīng)復(fù)用、編碼后,通過調(diào)制器對(duì)光源進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制。發(fā)射出的光一部分要反饋到光源的輸出功率穩(wěn)定電路，即光功率控制電路（AGC)，因?yàn)檩敵龉夤β逝c溫度有關(guān)，所以還要加上自動(dòng)穩(wěn)定控制電路（ATC)。光源發(fā)射出光脈沖信號(hào)，既可以通過光耦合器耦合后由光纖傳輸?shù)桨l(fā)射天線的饋源位置上，也可將激光器直接置于發(fā)射天線的饋源位置上。和光纖通信光發(fā)射機(jī)相比，光接入系統(tǒng)在光發(fā)射機(jī)前端添加了光發(fā)送天線。輸入信號(hào)經(jīng)復(fù)用后所采用有別于的信息編碼和調(diào)制調(diào)制技術(shù)和普通光纖通信是有區(qū)別的，這將在第四章闡述。這里闡述光源的選取，其他驅(qū)動(dòng)、告鳘保護(hù)、溫度和自動(dòng)增益控制電路完全可以參照使用光纖通信相應(yīng)成熟的電路。和光纖通信一樣，在進(jìn)行光發(fā)送機(jī)光源的選取時(shí)，必須綜合考慮傳輸波長、系統(tǒng)帶寬、功率預(yù)算等因素，并結(jié)合各種光源特性進(jìn)行選取。光纖通信中最常用的光源是半導(dǎo)體激光器（LD)和發(fā)光二極管（LE：D),發(fā)光二極管在數(shù)字通信中通常應(yīng)用于傳輸帶寬在140Mb/s的系統(tǒng)中，其中心波長在lJMm,比如在IEEE802.il下的紅外局域網(wǎng)中，就常用LED作為光源。使用LED作為光源，具有不需要溫控裝置，驅(qū)動(dòng)電路簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。但在本文中所討論的光接入系統(tǒng)中，一般釆用780nm、850nni、1550nm的傳輸波長；傳輸速率采用同步復(fù)用模塊STM—N的系列；對(duì)光源輸出光功率的要求是和整個(gè)系統(tǒng)的功率預(yù)算相關(guān)的，一個(gè)光接入系統(tǒng)不但要考慮天氣狀況良好的功率衰減，而且要考慮天氣惡劣的情況功率預(yù)算，LED光源發(fā)出的光功率只有在光接入應(yīng)用于短距離、低速率的情況可以滿足系統(tǒng)功率預(yù)算的要求。參考LED和LD—些典型參數(shù)特性，結(jié)合光接入系統(tǒng)的參數(shù)要求，可以選擇工作波長在850nm、1550nm的單模半導(dǎo)體激光器作為光源，其材料可以是GaAlAs或者GalnAsP，結(jié)構(gòu)為掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)。其輸出光功率在l,58mw之間：調(diào)制頻率可以達(dá)到2—3GHz。在數(shù)字光接入系統(tǒng)中，如果背景噪聲或接收機(jī)噪聲很大，接收機(jī)性能會(huì)受到嚴(yán)重影響，如果激光器發(fā)出的是脈沖光會(huì)有效抑制這種影響，如果再釆用脈沖位置調(diào)制會(huì)有更好的效果。第三節(jié)光接收單元光發(fā)射機(jī)發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)大氣信道傳輸后，不僅幅度衰減了，而且脈沖波形也會(huì)展寬、變形。光接收機(jī)的作用就是檢測(cè)經(jīng)過傳輸?shù)奈⑷跣盘?hào)，并放大、整形、再生成原傳輸信號(hào)，它的主要器件是利用光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的光電探測(cè)器。對(duì)光電檢測(cè)器要求靈敏度高、響應(yīng)度快、噪聲小、成本低和可靠性高。一個(gè)數(shù)字光接入系統(tǒng)的光接收機(jī)的結(jié)構(gòu),在圖中，天線收集到的光信號(hào)不僅包括從發(fā)送端發(fā)射來的信號(hào)，而且還包括背景輻射的光噪聲，背景光噪聲的處理辦法是在光信號(hào)通過在光信號(hào)耦合到多模光纖前（如果沒有采用多模光纖耦合就是在光探測(cè)器前）附加一個(gè)濾光片，濾光片選擇透過信號(hào)光頻的光信號(hào)，將背景光信號(hào)濾掉。但是背景光噪聲總是存在的。同樣，如圖中所示，接收天線收集到的光信號(hào)既可以直接由光探測(cè)器接收，也可以通過多模光纖耦合到光探測(cè)器上，采用多模光纖是由于多模光纖具有更大的數(shù)值孔徑,可以更有效的將光信號(hào)耦合到探測(cè)器光探測(cè)器和前置放大器組成光接收機(jī)的前端，選擇合適的光探測(cè)器、設(shè)計(jì)和選擇不同類型的前置放大電路在光接收機(jī)中是至關(guān)重要的，光接收機(jī)的參數(shù)主要由前端決定。在選擇探測(cè)器時(shí)，我們比較關(guān)心是滿足系統(tǒng)要求的高的靈敏度、最小系統(tǒng)附加噪聲、快的響應(yīng)度以及足夠的帶寬，并且，探測(cè)器應(yīng)當(dāng)有低的溫度敏感、合適的物理尺寸、合理的價(jià)格和較長的使用壽命。目前常用光探測(cè)材料有Si、Ge、InGaAs、InGaAsP.Si光電二極管具有很高的靈敏度，Ge的波長實(shí)用范圍在0H.6um,但是Ge光電二極管的暗電流較大；而三重合金的如在InP作為襯底在其上沉積Ino53Gao.47As品格可以響應(yīng)的波長高達(dá)L7um，且廣泛的用于工作波長為1Jum和1.55imi的光電二極管。因此，如果光接入系統(tǒng)采用短的工作波長，就可以采用Si或者Ge材料的光電二極管，如果采用1550mn的工作波長，一般選用InP上沉積InGaAs的材料，而較常用的探測(cè)器種類是PIN和APD光電二極管。PIN光電二極管比PN結(jié)器件具有較寬的損耗區(qū)，其電容較低且RC系數(shù)較小，用PIN光電二極管可以獲得超過100GHz的高帶寬。APD光電二極管由于存在一個(gè)雪崩增益過程，使得輸出的電流的平均值比未增值的電流放大了M倍，其響應(yīng)度也放大了M倍。但是，雪崩碰撞的隨機(jī)過程增加了器件的噪聲，并花費(fèi)更多的時(shí)間，從而導(dǎo)致帶寬減小。這個(gè)等效電路對(duì)于分析光電二極管的重要參數(shù)以及后續(xù)前置放大電路設(shè)計(jì)和選取十分重要。總體來看，它功能類似一個(gè)帶寬為1/(2JIRiQ)低通濾波器，是負(fù)載阻抗，Cd是固有電容（約為lpF)。Rs是二極管的連續(xù)阻抗，有不可能無限制的小，因?yàn)樘?huì)降低輸出電平，并增加熱噪聲的功率，減小節(jié)電容Cd可以通過減小結(jié)面積及增大勢(shì)壘厚度來實(shí)現(xiàn)。而增大勢(shì)壘厚度就會(huì)增加渡越時(shí)間，減小響應(yīng)時(shí)間。這里Ra、Ca分別代表放大器的電阻和電容。為了使帶寬較大，R應(yīng)當(dāng)較小。但減小R就可能引入附加噪聲。所以必須在選擇合適的R,使接收機(jī)性能最佳。前置放大器的設(shè)計(jì)要求在帶寬和靈敏度之間折衷。目前有幾種前置放大器可以彌補(bǔ)這種缺點(diǎn)，分別是集成前置放大器、跨越阻抗前置放大器、低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器。這是針對(duì)大的電阻R造成的帶寬很窄的情況下，有必要補(bǔ)償高頻衰減，相對(duì)低頻的導(dǎo)入髙頻。同時(shí)微分器的引入瑯調(diào)的增加了插入損耗，同時(shí)頻率降低Sr2C2所決定的頻率，必須在微分器前加上一個(gè)放大器來恢復(fù)低頻信號(hào)的損耗。集成前置放大器雖然對(duì)大R引起的帶寬降低有所改善，但是還得在接收電路中引入均衡電路，才會(huì)有較大改善。跨越阻抗的前置放大電路的等效電路圖，跨越阻抗前置放大器提供了高靈敏度/寬頻帶的特性，它的動(dòng)態(tài)范圍較大。RF仍然很大，但是副反饋使輸入阻抗減小了A倍，帶寬相應(yīng)也比同阻抗的高阻抗放大器擴(kuò)大至于低阻抗前置放大器，同其他類型的前置放大器相比，它是比較容易實(shí)現(xiàn)的，在比特率大于lGb/s的高速光通信系統(tǒng)中（例如STM-16和STM—64)，低阻抗的放大器是唯一的選擇。但是它的噪聲相對(duì)較大，且輸出電平低于其他前置放大器。髙阻前置放大器的特性是低噪聲、小帶寬（最大為500MHz)。比較適用于外層自由空間光通信系統(tǒng)。同時(shí)由于高阻抗前置放大器的RC之積較小，會(huì)引起信號(hào)失真，所以它需要一個(gè)均衡器，增加了電路的難度?？傊?，幾種前置放大器各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。集成前置放大器主要缺點(diǎn)是，在數(shù)字系統(tǒng)中，如果有一系列的“1”，那么集成塊建立起一個(gè)可以評(píng)估的DC分對(duì)前置放大器的選擇取決于預(yù)期應(yīng)用要求，高速傳輸鏈路需要使用50Q的放大器但在遠(yuǎn)程、中等比特率的鏈路中，一個(gè)高阻抗的前置放大器可能是最佳選擇。從上表可以看出，跨越阻抗前置放大器具有相對(duì)低的噪聲和相對(duì)高的帶寬，且動(dòng)態(tài)范圍較大，特別適用于光接入系統(tǒng)?光接收機(jī)的線性通道除了放大器外，還有一個(gè)低通濾波器。采用自動(dòng)增益控制電路，可以把放大器的輸出電平控制在一個(gè)固定的值上。低通濾波器的作用就是整形電壓脈沖、減小噪聲、避免引入碼間干擾。同時(shí)，接收機(jī)的噪聲是和帶寬成正比的，由于接收機(jī)其他部分的帶寬都設(shè)計(jì)得比較大，因此，低通濾波器帶寬就是整個(gè)接收機(jī)的帶寬。合適的選擇低通濾波器的帶寬Af,使其小于比特率B，可以降低接收機(jī)的噪聲，但是帶寬的降低可能引起碼間干擾，一種解決辦法是采用均衡低通濾波器，另一種辦法是合適的選擇Af盡量不產(chǎn)生碼間千擾?？傊?，線性通道是一個(gè)將光接收機(jī)前端輸出信號(hào)進(jìn)一步放大整形的過程，使得在數(shù)據(jù)恢復(fù)電路種能盡可能無誤的還原成原發(fā)射信號(hào)。數(shù)據(jù)恢復(fù)電路包括判決電路和時(shí)鐘恢復(fù)電路。事實(shí)上，不管是模擬系統(tǒng)還是數(shù)字系統(tǒng)，從光接收機(jī)的前端到線性通道的輸出，仍然可以認(rèn)為是模擬信號(hào)。而數(shù)據(jù)恢復(fù)電路正是要低通濾波器輸出的信號(hào)恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)。為了判斷輸出信號(hào)到底是“1”還是“0”，通常會(huì)在信號(hào)最大時(shí)進(jìn)行判決，因此抽樣判決時(shí)刻的準(zhǔn)確性非常重要。在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，有兩種方法獲得定時(shí)信號(hào)，一是在發(fā)送的信號(hào)中單獨(dú)傳輸時(shí)鐘信號(hào)，二是從接收的數(shù)字信號(hào)中提取時(shí)鐘信號(hào)。通常釆用的是后一種方式，即依靠接收機(jī)中的定時(shí)提取電路來完成。時(shí)鐘提取電路不僅要穩(wěn)定可靠，抗連“1”或連“0”性能好，而且應(yīng)該盡量減小時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)?？傊?，從天線接收到的光信號(hào)經(jīng)光接收機(jī)的前端探測(cè)放大、線性通道進(jìn)一步放大整形、數(shù)據(jù)恢復(fù)電路的恢復(fù)處理，便可以得到一定誤碼率的脈沖序列數(shù)字信號(hào)。在數(shù)字光接入系統(tǒng)中，通常采用脈沖位置調(diào)制（PPM)，在判決部分還可以采用最大似然解調(diào)方式以及糾錯(cuò)編碼/解碼，系統(tǒng)性能會(huì)得到進(jìn)一亦改善。光接入系統(tǒng)的接收機(jī)和普通光纖通信相比，其噪聲機(jī)制除了增加背景噪聲外，同樣也包含散粒噪聲（又稱散彈噪聲、量子噪聲）、熱噪聲、溫度噪聲；針對(duì)APD探測(cè)器，還存在倍增噪聲背景噪聲、散粒噪聲、熱噪聲和APD的倍增噪聲是分析的重點(diǎn)。背景噪聲是山空間的各種背景光源引起的，背景光源包括擴(kuò)展背景光源和分離局部背景光源，前者主要指天空、太陽等，后者主要指燈光、星光、人造光源等。背景光對(duì)接收機(jī)的影晌主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，強(qiáng)背景光引起探測(cè)器飽和。所謂探測(cè)器飽和是指探測(cè)器接收的光功率超過其JE常工作范圍的倩況，嚴(yán)重時(shí)甚至于使探測(cè)器損壞。背景光電流引起的散彈噪聲使探測(cè)器靈敏度降低。對(duì)于一個(gè)工作在特定波長的光通信系統(tǒng)，由于使用的探測(cè)器不同，背景光干擾主要來&探測(cè)器敏感的波長范圍。一個(gè)使用PIN或APD探測(cè)器的半導(dǎo)體光接入系統(tǒng)，這樣，其背景光干擾主要來自太陽，包括天空中的懸浮粒子、塵埃等對(duì)陽光的散射，地面物體對(duì)陽光的反射以及髙能燈光等。大多數(shù)背景光源都可以用黑體輻射模型來描述，光源的輻射譜函數(shù)為散粒噪聲是接收器件本身產(chǎn)生電子的隨機(jī)性引起的噪聲，它圍繞著一個(gè)平均統(tǒng)計(jì)值而起伏，這種無規(guī)則的起伏就是散粒噪聲。從上面可知，分析光接收機(jī)的噪聲主要從散彈噪聲和熱噪聲來分析，可以將前置放大器噪聲等效到光探測(cè)器上，前置放大器產(chǎn)生的噪聲是散彈噪聲和熱噪聲的綜合效應(yīng)。下面分析在光接入系統(tǒng)中采用跨越阻抗前置放大器的噪聲機(jī)制，如前所述，在模擬通信系統(tǒng)中，根據(jù)SNR可以確定光接收機(jī)的最小平均接收功率。在數(shù)字光通倍系統(tǒng)中，一般要先提出一個(gè)誤碼率BER的水平，再根據(jù)誤碼率、光探測(cè)器種類、冊(cè)置放大器的噪聲水平來確定光接收機(jī)接收靈敏度。第四節(jié)光接入系統(tǒng)的功率預(yù)算在前邊的三節(jié)中分別介紹了光接入系統(tǒng)的天線、發(fā)送和接收單元技術(shù)。從整個(gè)光傳送鏈路來看，光發(fā)送端需要多大的發(fā)送功率才能使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，在整個(gè)光鏈路各個(gè)部分的功率衰減具體是多少，這需要進(jìn)行功率預(yù)算。下面我們較全面的考慮整個(gè)鏈路的功率預(yù)算。由第二章和第三章可知，整個(gè)光鏈路功率損耗包括下：光源發(fā)出光信號(hào)耦合到光纖的的耦合損耗光纖連接到天線發(fā)送點(diǎn)的光纖傳輸損耗光束在發(fā)送天線中轉(zhuǎn)換傳輸?shù)膿p耗光束在大氣信道傳輸?shù)纳⑸渌p損耗光束在大氣信道中抖動(dòng)損耗由于光束偏移角存在的幾何擴(kuò)展損耗光束在接收天線中會(huì)聚傳輸損耗會(huì)聚光束耦合到接收端多模光纖耦合效率以及濾光片效率的損耗接收端光纖到探測(cè)器的光纖傳輸損耗探測(cè)器和接收端光纖耦合的損耗光束的幾何擴(kuò)展衰減是由于由發(fā)送偏移角造成的，選取一定的發(fā)送偏移角是必須的，這樣可以在接收端增大接收面積，消除光束抖動(dòng)造成的影響。假設(shè)有發(fā)送偏移角為1m「ad，在經(jīng)過2km的傳送后，將會(huì)產(chǎn)生半徑為2m的光束面積，如果采用100mm半徑的接收孔徑，那么光速擴(kuò)展衰減在假定功率在平面上均勻分布的情況下其效率為：0.01/4=0.25%;如果傳輸距離是1km，仍然采用100mm的接收孔徑，那么其效率為0.01/1=1%;如果傳輸距離是500m,仍然采用100mm的接收孔徑，那么其效率為0.01/0.25=4%,可見幾何擴(kuò)展衰減是個(gè)很大的比例。接收端光學(xué)天線的傳輸衰減仍然按照天線的效率來計(jì)算，取天線效率為70%會(huì)聚光束耦合到接收端多模光纖的耦合效率是多少呢。我們知道光在大氣中傳輸后，由于大氣閃爍的效應(yīng)，和真空中傳輸相比較，會(huì)聚光斑會(huì)擴(kuò)展，不同的天氣狀況，光斑的大小不一樣，一般會(huì)在10—70um之間。那么我們選取多模光纖芯徑為62.5um，則其耦合效率應(yīng)該十分高。上面的實(shí)例說明光接入系統(tǒng)的功率預(yù)算需要考慮的因素，在實(shí)際系統(tǒng)中會(huì)根據(jù)不同情況進(jìn)行近似和計(jì)算。第五章調(diào)制和編碼技術(shù)在前面的章節(jié)中討論了光接入系統(tǒng)的信道、光發(fā)送和光接收單元技術(shù)。數(shù)字光接入系統(tǒng)發(fā)送單元結(jié)構(gòu)框圖中，其他網(wǎng)絡(luò)、接入點(diǎn)或者用戶的待傳送信息在傳送到激光器上進(jìn)行調(diào)制輸出前，針對(duì)大氣信道的特性，一般采用何種編碼調(diào)制技術(shù)，接收端從線性通道出來的信號(hào)如何判決解調(diào)、解碼，正是這一章要討論的內(nèi)容。第一節(jié)數(shù)字光接入系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)技術(shù)數(shù)字光系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)技術(shù)直接關(guān)系到系統(tǒng)性能，調(diào)制解調(diào)技術(shù)種類繁多，選擇某種調(diào)制方式必定要和其他調(diào)制方式進(jìn)行比較其各種性能指標(biāo)。脈沖位置調(diào)制（PPM)是數(shù)字光接入系統(tǒng)中通常采用的調(diào)制方式。在數(shù)字光系統(tǒng)，我們釆用脈沖直接強(qiáng)度調(diào)制，光脈沖的產(chǎn)生是通過激光器的開斷來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)發(fā)送信息為“1”碼時(shí)，激光器發(fā)出光脈沖，“0”碼時(shí)激光器完全關(guān)閉。本文中假定進(jìn)入光系統(tǒng)是數(shù)字信息，數(shù)字信息經(jīng)過編碼處理后是一連串的01碼序列，最簡單的調(diào)制方式就是將01序列脈沖直接對(duì)激光器進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，當(dāng)輸入信息為“1”時(shí)，激光器發(fā)出一個(gè)寬度為1/Rb、強(qiáng)度為2P的脈沖；輸入信息為“0”時(shí)，激光器完全關(guān)閉，這就是非歸零的開關(guān)鍵控調(diào)制(OOK-NRZ)o開關(guān)鍵控調(diào)制簡單可靠,但是針對(duì)光傳輸大氣信道，背景噪聲的影響和空間衰減大，OOK調(diào)制功率利用率不高，通常會(huì)采用脈沖位置調(diào)制（PPM)。從其他網(wǎng)絡(luò)、接入點(diǎn)或者用戶傳送來的待傳送數(shù)字01碼序列信息，不管是否經(jīng)過糾錯(cuò)編碼，如果采用PPM調(diào)制，就有一個(gè)數(shù)字的01序列映射為另一種01數(shù)字序列的過程，這也可以看著是一個(gè)編碼過程。在光接入系統(tǒng)中，大氣信道對(duì)傳輸光功率衰減較大，釆用PPM調(diào)制方式，對(duì)于系統(tǒng)的功率利用率有明顯的改善，在含有靜默時(shí)段的PPM調(diào)制中，帶寬利用率通過優(yōu)化PPM的參數(shù)也會(huì)有所改善。我們采用00K—NRZ調(diào)制方式作為參照來分析PPM調(diào)制的性能。不同靜默時(shí)隙數(shù)D時(shí)的PPM最佳傳信時(shí)隙數(shù)，由表中可見當(dāng)D大于32時(shí)，PPM的帶寬利用率總是比OOK：小。功率利用率和帶寬利用率都可以做得比00K的髙。但D<12時(shí)，PPM的帶寬利用率比00K低，但只要取Q大于16，PPM的能量利用率仍可比00K的高。PPM特別適合于脈沖重復(fù)間隔有限制的通信系統(tǒng)或帶寬比較豐富而功率比較珍貴的通信環(huán)境。從上面的分析可以看出，靜默時(shí)段的引入使激光器能有效重建粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，合適的選擇靜默時(shí)段，使PPM的帶寬利用率和功率利用率都優(yōu)于00K調(diào)制。但是靜默時(shí)段同時(shí)使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送速率下降。經(jīng)過大氣散射信道來PPM調(diào)制信號(hào)經(jīng)過光探測(cè)器、前S放大電路和線性信道后進(jìn)行判決解調(diào)，通過對(duì)信號(hào)解調(diào)的分析，我們可以得出系統(tǒng)的誤碼率特性。這樣，光探測(cè)器探測(cè)到的光信號(hào)就是光發(fā)送信號(hào)的線性過程再加上高斯白噪聲，且光探測(cè)器輸出的光電流正比于光探測(cè)器探測(cè)到的信號(hào)。同時(shí)，由光探測(cè)器輸出的光電流經(jīng)過前置放大器、線性通道處理過程也跫一個(gè)線性過程，所以可以認(rèn)為在解調(diào)器上觀察到的直接就是光探測(cè)器的光電子計(jì)數(shù)過程。由于光探測(cè)器光電流的產(chǎn)生是一個(gè)滿足泊松（Possion)分布光電子計(jì)數(shù)過程，所以在忽略了探測(cè)器和前置的熱噪聲，即在散彈噪聲極限下，解調(diào)器觀測(cè)到的也將是一個(gè)泊松計(jì)數(shù)過程。事實(shí)上，假設(shè)光在發(fā)送端發(fā)送光脈沖在PPM幀內(nèi)具有很好的脈沖波形，保持時(shí)間上的交性，在經(jīng)過大氣散射信遒后，波形會(huì)在時(shí)間上展寬，甚嵆失去其正交性。脈沖寬度為t,且具有靜默時(shí)段的PPM信息幀在經(jīng)過大氣信道后在調(diào)制器上觀測(cè)到的光電子計(jì)數(shù)過程。如梁PPM幀時(shí)段中沒有加入靜默保護(hù)時(shí)段，且如果某幀光脈沖在最后一個(gè)時(shí)隙，下一幀剛好在第一個(gè)吋隙，那么光脈沖的擴(kuò)展就會(huì)造成碼間干擾；如果PPM幀時(shí)段中有靜默保護(hù)時(shí)段，且山于靜默時(shí)段一般都遠(yuǎn)大于光脈沖的擴(kuò)展時(shí)間，所以這種情況不考慮碼間干擾。信號(hào)的判決解調(diào)方式一般分為硬判決和軟判決解調(diào)，硬判決一般要合適的選擇一個(gè)最佳門限，而輸出具有兩種符號(hào)序列，是一種無記憶的；采用軟判決解調(diào)器的輸出符號(hào)數(shù)大于2,是一種有記憶的。軟判決解調(diào)在信源等概率發(fā)送吋，最大似然解調(diào)是最佳的，所以一般釆用&大似然解調(diào)系統(tǒng)采用最大似然解調(diào),顯然增加解調(diào)的k雜程度。要知遒這種解調(diào)方式對(duì)系統(tǒng)性能誤碼率有無改勢(shì)必須求出這種悄況誤碼率的表達(dá)式，假設(shè)在的k幀實(shí)際的脈沖發(fā)送時(shí)刻第k個(gè)時(shí)隙，符號(hào)K的似然K度就應(yīng)該在k幀內(nèi)是最大的，如果k的似然量度小于其他的似然ft度,這就會(huì)產(chǎn)生誤碼。第二節(jié)光接入系統(tǒng)的糾錯(cuò)編碼從前而章節(jié)的分析可以看出，光接入系統(tǒng)在采用天線、濾光片、脈沖整形處理以及調(diào)制解調(diào)技術(shù)的處理后，系統(tǒng)性能得到了一作改善，但是要達(dá)到在較惡劣天氣狀況和更大傳輸距離的穩(wěn)定可靠的電信級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（如BER應(yīng)該小于10-9),還需要進(jìn)一步釆用其他技術(shù)。恙錯(cuò)控制編碼就是一種可行方案。差錯(cuò)控制的基本辦法就是在發(fā)送端被傳輸?shù)男畔⒋a元上附加一些監(jiān)督碼元，監(jiān)督碼元和信息碼元之間釆用某種關(guān)連約束，接收端按照既定的規(guī)則檢驗(yàn)信息碼元和監(jiān)督碼元的之間的關(guān)系，一垃傳輸過程發(fā)生錯(cuò)誤，信息碼元和監(jiān)督碼元之間的關(guān)系就會(huì)發(fā)生破壞，從而可以發(fā)現(xiàn)甚至糾正鉛誤。在光接入系統(tǒng)中，大氣散射信道的特點(diǎn)決定采用前向糾錯(cuò)的方式(FEC)比較合現(xiàn)，而采用檢錯(cuò)重發(fā)(ARQ)或者混和糾錯(cuò)(HEC)方式不可行。同時(shí),大氣信遒的衰減、爍不僅會(huì)造成隨機(jī)的誤碼，也會(huì)造成突發(fā)成串的誤碼。糾錯(cuò)編碼的類型按照信息碼元和監(jiān)督碼元的檢驗(yàn)關(guān)系分為線性和非線性，按照信息碼元和監(jiān)督碼元的約束關(guān)系分為分組和卷積碼。迎常較常見的有二進(jìn)制線性分組碼BCH碼和非二進(jìn)制的線性分組碼RS碼,以及卷積碼和近段時(shí)f研究得較多的集調(diào)制和編碼為一體的網(wǎng)格編碼調(diào)制TCM。研究表明，卷積編碼和TCM技術(shù)對(duì)通信系統(tǒng)的性能改善較好，但是足以增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度為代價(jià)的。BCH一般是一種岡定長度的編碼，當(dāng)系統(tǒng)的要求在不同傳輸速率，一個(gè)己經(jīng)選定的BCH編譯碼設(shè)備就不適合，如果采用變長BCH碼，那么系統(tǒng)的復(fù)雜性增加。對(duì)于釆用PPM調(diào)制的光通信系統(tǒng)由于將Kbit的信息映射到2k個(gè)時(shí)隙，所以是一種非二進(jìn)制的，再加上大氣信道的澎響，誤碼常成串出現(xiàn)，很快就超出BCH的檢糾錯(cuò)碼能力。要解決這個(gè)問題可以釆用交織技術(shù)，那將進(jìn)一歩增加復(fù)雜程度。因此采用非二進(jìn)制的是一種較佳的選杼方案。RS碼是一種較成熟非二進(jìn)制線性碼，它既能糾正隨機(jī)單個(gè)錯(cuò)誤的，也能糾突發(fā)成串錯(cuò)誤。但是分組碼（不管是二進(jìn)制還是非二進(jìn)制）釆用軟判決譯碼顯得十分復(fù)雜，只能釆用硬判決，這會(huì)性能改善有一定下降?？傮w來看，RS碼是一種適合于光接入系統(tǒng)的綜合性能較好的糾錯(cuò)碼。隨蓍VLSI技術(shù)和解碼算法的不斷發(fā)展，可以根據(jù)用戶要求設(shè)計(jì)出幾百兆的FPOA編碼解碼電路對(duì)于PP.M光傳輸系統(tǒng)，已經(jīng)苻采兩不同種類糾錯(cuò)編碼的分析,通常認(rèn)為在光PPM信逝上使糾錯(cuò)碼能見進(jìn)一步改菩性能,但實(shí)際情況并不總是如此，這與所用的碼型、K率以及解調(diào)和譯碼方法有關(guān)。下面就采用RS碼的PPM系統(tǒng)的進(jìn)行分析，系統(tǒng)采用硬判決譯碼。從上分析可知，系統(tǒng)采用糾錯(cuò)編碼雖然使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變得趄雜，但是系統(tǒng)性能得到較大改錛。因此，在光接入系統(tǒng)中釆用糾錯(cuò)編碼技術(shù)是克服大氣信道的衰減和抖動(dòng)的要辦法。第六章光接入網(wǎng)的組網(wǎng)技術(shù)在前面的章節(jié)中，我們介紹的是一種輔于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的光訕信鏈路所涉及到的一些關(guān)鍵技術(shù)。如果把光接入放到整個(gè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中，就要考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约肮饨尤虢K端間互聯(lián)以及與其他M絡(luò)亞聯(lián)技術(shù)。對(duì)于接入網(wǎng).其物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)除了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)外，還分為應(yīng)型、總線型、樹型和環(huán)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)又有許多種不冋具體邏輯柘撲結(jié)構(gòu)以及兒種物理結(jié)構(gòu)相：組合又形成不同的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在光接入系統(tǒng)中用得較多的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、環(huán)型和網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)。從前面的寬節(jié)分析可知，光通飴屮加入許多針對(duì)大氣信逆的袞減和抖動(dòng)的處理技術(shù)后，系統(tǒng)性能得到較大改蔣，（0圮要往較長距離傳輸且天氣狀況惡劣（光傳播在大霧衰減最明顯）情況下使通信性能櫳定可靠.必須較大幅度的增加發(fā)送功率、增大接收孔徑，這些會(huì)好致成木把而微波傳輸鏈路組然有其固有弱點(diǎn)，但是微波衰減最嚴(yán)重的天氣狀況是大雨，而在大霧愔況下裒減相對(duì)較小：光傳輸在大霧狀況下袞減最嚴(yán)喂，而在大PW狀況下又相較較小。這就為微波鏈路和光鏈路相互作為通信的備用鏈路提供依掂l(xiāng)l7L同樣，光纖傳輸系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)遇到城市施工改造的破壞中斷，光傳輸速率也足可以可以作為光纖傳輸?shù)膫溆面溌穂IH)。第一節(jié)微波/光接入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚咤秱溆梦⒉ㄦ溌返墓饨尤耄?般采川無須認(rèn)證的微波或者亳米波頻段.并采用自動(dòng)切換保護(hù)丌關(guān)進(jìn)行切換，與主鏈路由于信道惡化致使系統(tǒng)性能下降到架個(gè)門限時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到備用鏈路，又自動(dòng)切換到主鏈路，設(shè)計(jì)的切換吋間可以控制在一幀時(shí)段內(nèi)。這種自動(dòng)切換另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是光鏈路的狀態(tài)可以通過娃于簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)的網(wǎng)絡(luò)鈴現(xiàn)來恢復(fù)。與主用和備用鏈路相連的單元可以同時(shí)集中網(wǎng)絡(luò)接口、復(fù)用和鏈路切換的功能。這種系統(tǒng)還可以應(yīng)用于各祌應(yīng)用場合，入方式傳送到各個(gè)大樓局域網(wǎng)內(nèi)，光傳輸具有微波備用鏈路，整個(gè)光接入是型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。有些應(yīng)用場合可以具有更為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)包含環(huán)狀、星型和mesh網(wǎng)結(jié)構(gòu)。從光接入系統(tǒng)的接收天線來的是路波長信號(hào)經(jīng)多模光纖耦合，通過WDM的波長解，用轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，苒由電信號(hào)再生為單模光信號(hào)，然后通過光分插復(fù)川収下光信號(hào)，再進(jìn)入微電機(jī)械開關(guān)（MEMS)系統(tǒng)進(jìn)行波長選擇，最后再經(jīng)過酬將各波長傳送的光接入的發(fā)送裝置。屋頂路山接點(diǎn)中WDM的引入，使得整個(gè)接入系統(tǒng)可以在更高的速率和更廣的范圍內(nèi)