楊富印 尹樹華 陳光靜
(解放軍西安通信學院，陜西 西安 710106)
摘 要：本文對光纖通信中幾個問題進行了探討。通過對這些問題的研究，將有助于對光纖通信技術的正確理解，便于解決光纖通信系統中出現的問題。
關鍵詞：光纖通信；色散； 傳播速度； 通道干擾； 編碼方式；同步數字系列
光纖通信技術的迅猛發展使得通信技術經歷了革命性的變革，從事光纖通信產業的管理、計劃、設計及工程維護人員對光纖通信技術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問題進行討論。
一、光纖通信中調制方式的分類
以往傳輸系統的調制方式是按照傳輸媒質中所傳輸的信號類型來分類的。通常，傳輸媒質中所傳輸的信號屬于數字信號，則系統調制方式為數字調制方式；傳輸媒質中所傳輸的信號屬于模擬信號時，系統調制方式為模擬調制方式。在光纖通信系統中，光纖通信的調制方式常常是按照調制信號的類型來分類的。如果調制信號屬于數字信號，則系統調制方式稱為數字調制方式；若調制信號屬于模擬信號，則系統調制方式稱為模擬調制方式。
二、光纖中傳輸的是模擬信號
在光纖傳輸系統中，常用強度調制方式下已調信號的電場表達形式：
式中Am(1+mx(t))為已調信號的包絡；
Am為已調信號的包絡幅度；
m為調制系數；
x(t)為歸一化的調制信號；
cos(ωt+φ)表示了光載波的變化規律；
ω為光頻率。
若調制信號為二進制信號，則（1）式寫成下式：
從（1）、（2）式中看出，已調信號幅度是連續的。嚴格地說，在強度調制方式下，光纖中傳輸的信號一定是模擬信號。
三、光纖中光信號的傳播速度比電纜中電信號的傳播速度慢
1. 信號的傳播速度表達式
信號在傳輸媒質中以波的形式傳播，其速度通常使用傳播速度（即群速）。傳播速度是表征信號在傳輸介質中傳播快慢的程度。
根據電磁場理論，光纖中光信號的傳播速度表達式為
式中c為光在真空中的傳播速度，近似為3×105km/s；
n為介質的折射率，在光纖中其值約為1.5；
λ為信號的波長，在光纖中典型值為0.85、1.31及1.55μm；
f為信號頻率，在光纖中約為3×1014Hz。
2. 光信號傳播速度與電信號傳播速度比較
在一定約束條件下，理論表達式總是能夠給出被表達量比較準確的值，但是，對一個表達量進行比較準確地計算要知道許多的已知量。由于實際的環境千差萬別，使得這些已知量準確值往往非常難以獲得。所以，實際工作中的已知量值常常都是通過測量獲得的。
根據測量結果，單模光纖中光信號的傳播速度近似表達式為
ｖg=c/n1（5）
式中n1為光纖軸心處的折射率。
代入數據后，就可以得出單模光纖中光信號的傳播速度近似值為2×105km/s。雖然這是對單模光纖而言的，但就其量級而言對多模光纖也是有效的。
根據對電纜線路的測量結果，我們也可以給出電信號的傳播速度近似值：根據不同的線路（明線、對稱電纜及同軸電纜）形式，傳播速度在2.0～2.8×105km/s之間變化。
通過分析可看出：一般情況下，光信號在光纖中的傳播速度要小于電信號在電纜中的傳播速度。
四、混合傳輸介質中兩種信號傳播速度差異對傳輸的影響
混合傳輸介質是指在整個傳輸系統中由電纜和光纜組成的全部傳輸介質。現在只討論信息經過電纜傳輸后再經由光纜傳輸的情況。由于信息在電纜中的傳播速度要比光纜中快，所以會在電纜和光纜的交界處形成信息的堵塞。這種堵塞現象嚴重時，會影響到系統傳輸信息的質量，甚至導致信息的丟失。
之所以造成信號傳輸質量下降是因為電纜和光纜中信息傳播速度的差異。另外，光纜的長度越長，發生信息堵塞的程度就越嚴重。
從電纜、光纜的傳播速度及光纜的長度角度考慮解決傳輸質量問題是不現實的。實際采用的方法是在電纜和光纜交界處引入緩存器來解決這種問題。其原理是：當沒有信道資源可供利用時首先把待傳輸的信息暫時存儲起來，不使這些信息發生丟失現象；在有信道資源可供利用時，則將存儲于緩存器中的信息再發送到信道上去傳輸。
五、對教科書中光纖總色散表達式的商榷
1. 模式理論給出的表達式
設單一模式的相移常數為β，則相應的群速為
材料色散和波導色散表達式分別為
式中ω為光波的頻率；
k0為光在真空中的傳播常數；
λ0和λ分別為光在真空、光纖中的工作波長；
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（β）、歸一化頻率（V）等有關的參數。
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式
在很多教科書中，多模和單模光纖的總色散表達式一般表示如下：
多模光纖的總色散：
其中，τM為多模光纖的模式色散。這些表達式主要是基于光纖通信發展初期的、工程上的、近似的表達式。
3. 嚴格的多模和單模光纖總色散表達式
通過對2類表達式的比較發現，它們的區別主要在τm和τw的關系上，顯然波導理論給出的表達式是嚴格的。下面分析其原因：
波導理論是一種任何傳輸過程的準確分析方法，而工程方法只是為了使用簡單的近似方法。在計算多模光纖的總色散方面，2種表達式沒有多大差異（多模光纖的總色散主要決定于模式色散，滿足關系：τM>>τm>τw）。但是，在用一般教科書給出的表達式計算單模光纖總色散時存在非常大的誤差，而且它不能解釋單模光纖的"零色散"現象（因為τm和τw不是同時為0，所以單模光纖不存在"零色散"現象，這與實際是不相符合的）。
六、波分復用技術的通道干擾
波分復用器的通帶定義為波帶內不大于0.5 dB衰減所對應的頻率或波長寬度，如曲線1所示。為了保證傳輸信號的質量，要求信號只能在對應的頻帶或波帶內工作。
從曲線1可以看出，離開通帶中心波長越遠，信號受到的衰減就越大。
波分復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，臨近通道的信號在特定通道的衰減不為無限大。這意味著，臨近通道的信號將會串擾至特定的通道內，對特定通道的信號產生影響，這就是通道干擾現象。從理論上說，沒有辦法使串擾到臨近通道的信號為零，即通道干擾一定會存在，只是盡可能將串擾信號降低到可以忽略的地步。所以只要使用波分復用器，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同步的實現
1. SDH傳輸編碼方式
設備的橫向兼容性是指不同廠家之間設備的相互替代能力。由于ITU-T沒有對PDH光纖通信系統的線路編碼方式進行統一，因此就線路編碼方式而言PDH光纖通信系統根本不具備橫向兼容性。相同的線路編碼是實現SDH橫向兼容性的一個重要條件，因此規定了統一的線路碼型--NRZ化的復位擾碼。
有時候，復位擾碼也稱為幀定位擾碼。與低速（速率≤34 Mbit/s）系統中的自同步擾碼比較，復位擾碼的主要優點是誤碼擴展系數小（實用中一般自同步擾碼誤碼擴展系數為3，復位擾碼誤碼擴展系數為1）。在擾碼器和解擾碼器的實現上，主要是給自同步擾碼器增加了一個由幀定位碼決定的"復位"脈沖（由于該脈沖的作用是將擾碼器周期性地置位，所以習慣上將該脈沖稱為置位脈沖）。在要求的隨機性性能上，復位擾碼與自同步擾碼沒有什么區別。
在同步狀態下，擾碼器輸出的擾碼信號為
式中Sk為信源碼；
ak為移位寄存器產生的m序列。
在接收端，解擾碼器輸出的信號為
即如果傳輸中不出現誤碼，解擾碼后就可以恢復出原來的信源碼。
2. SDH同步的實現
SDH信號的同步碼的產生過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。根據對應原則，SDH信號的接收也應該是先在SPI中實現解擾碼，而在RST中完成同步碼的檢測。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行解擾碼過程。如果要先接收同步碼后進行解擾碼，則由于同步字被擾碼而無法提取。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，通過規定再生段開銷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。
通過對上述幾個問題的研究，將有助于對光纖通信技術的理解、分析和解決光纖通信系統中出現的問題。
參考文獻
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