【文章內(nèi)容簡介】 浪費(fèi)嚴(yán)重，其他的用戶無法共享光纖的帶寬資源；第三，不利于開展多播和組播業(yè)務(wù)。因此這種點(diǎn)到點(diǎn)的光纖接入方式在實(shí)際中應(yīng)用并不多。(b)是點(diǎn)到點(diǎn)接入方式的改進(jìn)，中心局交換機(jī)和用戶交換機(jī)之間通過光纖連接，用戶交換機(jī)為每個(gè)用戶提供點(diǎn)到點(diǎn)的光纖接入，(a)中的點(diǎn)到點(diǎn)光纖接入，這種改進(jìn)方式可以節(jié)約光纖資源。另一種是基于PON的點(diǎn)到多點(diǎn)(P2MP)接入方式，(c)所示。這種無源的點(diǎn)到多點(diǎn)的接入方式中在用戶側(cè)使用無源光功率分配器，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到多點(diǎn)的用戶接入方式。相對(duì)于點(diǎn)到點(diǎn)光纖接入方式，點(diǎn)到多點(diǎn)接入的優(yōu)點(diǎn)非常明顯：第一，由于多個(gè)用戶共享一根光纖的帶寬資源，用戶成本相對(duì)較低，而且可以充分利用光纖的帶寬資源；第二，對(duì)于開展點(diǎn)到多點(diǎn)的多播、組播業(yè)務(wù)相對(duì)簡單，適合開展視頻廣播和流媒體業(yè)務(wù)；第三，減小中心交換局一側(cè)的光纖接頭數(shù)目，安裝和維護(hù)簡單，易于實(shí)現(xiàn)用戶網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化規(guī)劃。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，PON已經(jīng)成為光纖接入的主流技術(shù)。 PON技術(shù) PON的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，PON的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下幾種方式：(1)樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樹型結(jié)構(gòu)的PON拓?fù)浞绞饺鐖D23(a)所示，這是最常用的PON組網(wǎng)方式。在這種方式中只需要一個(gè)lN的光分離器即可實(shí)現(xiàn)P2MP的傳輸，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，組網(wǎng)靈活。(2)環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(b)所示。每個(gè)ONU和環(huán)型光纖通過22的光分離器相連。相對(duì)于樹型和總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，環(huán)型拓?fù)銹ON有較好的服務(wù)質(zhì)量(QoS，Quality of Service)保障，但是組網(wǎng)復(fù)雜，光分離器較多，ONU的增加和刪除都比較困難。(3)總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(c)所示。在這種方式中需要N個(gè)12的光分離器來實(shí)現(xiàn)P2MP傳輸，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，組網(wǎng)靈活，但是光分離器的數(shù)目較多。在實(shí)際的應(yīng)用中，考慮到光分離器的成本、多用戶接入控制復(fù)雜性和光分離器帶來的噪聲，應(yīng)盡量減少光分離器的數(shù)目，因此樹型拓?fù)涞腜ON應(yīng)用最為廣泛。(a)樹型結(jié)構(gòu)(b)環(huán)型網(wǎng)絡(luò)（c）總線型網(wǎng)絡(luò) PON的拓?fù)浞绞?PON技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化PON系統(tǒng)在90年代初就出現(xiàn)了，1996年ITU—T完成了對(duì)G..982的標(biāo)準(zhǔn)化，主要對(duì)2Mbit/s以下接入速率的窄帶PON系統(tǒng)進(jìn)行定義。與此同時(shí)，以ATM為基礎(chǔ)的PON (APON)發(fā)展迅速，1998年ITU—，即基于PON系統(tǒng)的高速光接入系統(tǒng)，主要規(guī)定線路速率、光網(wǎng)絡(luò)要求、網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)、物理媒質(zhì)層要求、匯聚層要求、測距方法和傳輸性能要求等。1999年ITU—(ONT)管理和控制接口規(guī)范，該建議主要從網(wǎng)絡(luò)管理和信息模型上對(duì)APON系統(tǒng)進(jìn)行定義，以確保不同廠家的設(shè)備實(shí)現(xiàn)互操作。ITU(the International Telemunications Union)和FSAN(Full Service Access Network)聯(lián)盟采納了ATM標(biāo)準(zhǔn)，把它作為在PON第二層的幀封裝標(biāo)準(zhǔn)，能為商業(yè)用戶、家庭用戶提供包括IP數(shù)據(jù)、視頻、音頻等綜合業(yè)務(wù)，形成了APON的標(biāo)準(zhǔn)(文檔號(hào)ITU—TRecG983)。但是APON存在著一系列的問題，比如帶寬有限、帶寬損失大、數(shù)據(jù)包開銷大、協(xié)議轉(zhuǎn)換麻煩、技術(shù)復(fù)雜、設(shè)備昂貴、多廠家互操作性差等。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的異軍突起，APON技術(shù)一直沒有得到大規(guī)模應(yīng)用。隨著Internet的高速發(fā)展，用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求不斷提高，各種新的寬帶接入技術(shù)已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。在這種背景下，IEEE于2000年底成立了EFM工作組(Ethernet in the First Mile study Group)，試圖引入一種新的接入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)Ethernet PON (Ethernet passive Optical Network，即EPON)。EPON利用PON(無源光網(wǎng)絡(luò))的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的接入，它基于高速以太網(wǎng)平臺(tái)和TDM時(shí)分MAC(Media Access Control)媒體訪問控制方式，能夠提供多種綜合業(yè)務(wù)的寬帶接入，是成熟度最高、發(fā)展最快的技術(shù)。除了EPON標(biāo)準(zhǔn)，另外一個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)則為ITU—T的GPON標(biāo)準(zhǔn)，GPON(GigabitCapablep PON)最早由FSAN組織于2002年9月提出，ITU—，從而最終形成了GPON的標(biāo)準(zhǔn)族。目前GPON尚處于試驗(yàn)應(yīng)用階段。 光接入網(wǎng)中的復(fù)用方式 光纖最重要的一個(gè)特點(diǎn)是它可以傳輸很高速率的數(shù)字信號(hào)，容量很大。為了更進(jìn)一步提高光纖的利用率，參考已經(jīng)比較成熟的店的復(fù)用方法，人們還采用了各種光的復(fù)用技術(shù)。并將其運(yùn)用于各種類型的光纖接入網(wǎng)中，如波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）、頻分復(fù)用（Frequency Division Multiplexing，F(xiàn)DM）、時(shí)分復(fù)用（Time Division Multiplexing，TDM）、空分復(fù)用（Space Division Multiplexing，SDM）和副載波復(fù)用（Subcarrier Multiplexing，SCM）等。第3章 光發(fā)送與光接收無線光接入光發(fā)送和探測技術(shù)和光纖通信區(qū)別，是針對(duì)大氣信道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。由于卡塞格倫天線具有體積輕、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，它是無線光接入中使用較多的一種天線，但其遮擋率影響比普通拋物面天線大。 天線結(jié)構(gòu)原理圖D：拋物面直徑f：拋物面焦距ψ0：拋物面半角d：雙曲面直徑φ0：雙曲面半角LV：雙曲面頂點(diǎn)到拋物面焦點(diǎn)的距離fc：雙曲面實(shí)焦點(diǎn)F′：虛焦點(diǎn)F間距離。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ψ0；副反射面為旋轉(zhuǎn)雙曲面，張角為φ0；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。在無線光通信中采用收發(fā)天線結(jié)構(gòu)類似，發(fā)送和探測光信號(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。在進(jìn)行天線的幾何設(shè)計(jì)時(shí)，一般先給定拋物面D、f，再確定拋物面半角Ψ0， （31）雙曲面的四個(gè)參量LV、ф0、fc、d可以任選兩個(gè)參量，從而確定其他參數(shù)。給定D、F，可以用下式近似確定最小遮擋率的雙曲面直徑dmin （32）K取2，或者有dmin （33）；且： （34）根據(jù)上述公式就可以對(duì)卡塞格倫天線進(jìn)行幾何設(shè)計(jì)?？ㄈ駛愄炀€的口徑越大，那么接收到的光強(qiáng)的方差就越小。但是天線的口徑的增大會(huì)帶來成本和制造的難度，典型的無線光接入系統(tǒng)的主反射面口徑直徑為幾十厘米以內(nèi)。假設(shè)有球面波光場的光源置于雙曲面的實(shí)焦點(diǎn)F′上，經(jīng)過雙曲面和拋物面反射后，發(fā)送出光場將具有平面波特性。同理，平面波光場經(jīng)過大氣信道傳輸后，由接收天線的拋物面收集，再經(jīng)雙曲面反射將會(huì)聚在雙曲面的實(shí)焦點(diǎn)F′上，具有球面波的特性。通過場理論[10]推倒，可以得出一個(gè)有用的天線增益計(jì)算公式：g=2 g （35）D為主反射面直徑，g為天線的總效率。效率因子g由副射面截獲效率、主反射面截獲效率、主反射面的口徑效率、遮擋效率、主反射面效率的乘積確定。在天線設(shè)計(jì)過程中必須考慮如下要求：l）高的光學(xué)質(zhì)量；2）低的遮擋率；3）光學(xué)透鏡的高透射率及主、次反射鏡的高反射率；4）低的散射光效應(yīng)；5）材料的熱膨脹系數(shù)小，機(jī)械強(qiáng)度高，重量輕，使用壽命長。多孔徑天線能減小大氣湍流的影響，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1mrad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)聚到置于副反射鏡焦點(diǎn)的多模光纖上，傳送到光探測器上。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)。采用多孔徑發(fā)送，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)一步降低接收光強(qiáng)的方差?？傊?，多孔徑天線是一種改進(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。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，也是無線光接入技術(shù)的重要內(nèi)容。在無線光接入系統(tǒng)中，一般采用強(qiáng)度調(diào)制直接檢測（IM/DD）。強(qiáng)度調(diào)制直接檢測的光發(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。，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， 數(shù)字無線光接入系統(tǒng)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)框圖通過調(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，無線光接入系統(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)、告警保護(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（LED），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，，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無線光接入系統(tǒng)中，一般采用780nm、850nm、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)出的光功率只有在無線光接入應(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一些典型參數(shù)特性，結(jié)合無線光接入系統(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GaInAsP，結(jié)構(gòu)為掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)。－8mw之間；調(diào)制頻率可以達(dá)到2－3GHz。在數(shù)字無線光接入系統(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，如果再采用脈沖位置調(diào)制會(huì)有更好的效果，這將在第四章詳細(xì)闡述。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)的光電探測器。對(duì)光電檢測器要求靈敏度高、響應(yīng)度快、噪聲小、成本低和可靠性高。，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器接收，也可以通過多模光纖耦合到光探測器上，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)耦合到探測器。光探測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。 無線光接入系統(tǒng)接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖在選擇探測器時(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。目前常用光探測材料有Si、Ge、InGaAs、InGaAsP。Si光電二極管具有很高的靈敏度，—，—，但是Ge光電二極管的暗電流較大；。因此，如果無線光接入系統(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1550nm的工作波長，一般選用InP上沉積InGaAs的材料。而較常用的探測器種類是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。 光電二極管的等效電路圖這個(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?？傮w來看，它功能類似一個(gè)帶寬為1/(2πR1Cd)低通濾波器，R1是負(fù)載阻抗，Cd是固有電容（約為1pF）。Rs是二極管的連續(xù)阻抗，通常RsR1。要增加帶寬，就應(yīng)該使R1和Cd最小。R1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。通常量子效率、響應(yīng)度、暗電流、響應(yīng)速度、結(jié)電容，是我們選擇的光電二極管的重要參數(shù)。無線光接入系統(tǒng)中PIN和APD都可以采用，采APD成本較高，通常在高速率、大容量的系統(tǒng)中采用。，光電二極管的信號(hào)由一個(gè)理想電流源I代表。該電流源3dB帶寬B＝1/2πRC，其中：R＝R1||Rd||Ra，C＝Cd＋Ca