【正文】 當(dāng)前可使用的光纖系統(tǒng)能以 1Gb/s 的速率傳輸 30km遠(yuǎn)。 但是，如果光纖的直徑減小到和光波波長相同的時(shí)候，光纖就如同一個(gè)波導(dǎo)，光在其中沒有反射，而沿直線傳播，這就是單模光纖（ singlemode fiber）。 因?yàn)槿魏我源笥谂R界值的角度入射的光線，在介質(zhì)邊界都將被完全的反射回介質(zhì)，因而不同的光線在介質(zhì)內(nèi)部以不同的反射角傳播。如果入射角大于一個(gè)臨界值，光線將完全反射回二氧化硅，而不會(huì)漏入空氣中。 入射光在邊界上經(jīng)角度 α1射入，以角度 β1射出。 實(shí)際上，如果不是利用了一個(gè)物理上的原理，這種光纖傳播系統(tǒng)就會(huì)因?yàn)槁┕舛鴽]有實(shí)用價(jià)值。當(dāng)光照到檢測器時(shí)，它產(chǎn)生一個(gè)電脈沖。習(xí)慣上，一個(gè)光脈沖表示比特 1，而無光脈沖則表示比特 0。新的習(xí)慣性思維應(yīng)該是：所有的計(jì)算機(jī)都不可救藥的慢，不管被浪費(fèi)的帶寬有多少，網(wǎng)絡(luò)都應(yīng)該不惜任何代價(jià)的 避免計(jì)算。 在計(jì)算機(jī)和通信的競賽中，通信是勝利者。要達(dá)到1Tb/s 也僅僅是幾年內(nèi)的事。當(dāng) 前實(shí)際的 1Gb/s 限制是因?yàn)楣怆娦盘?hào)的轉(zhuǎn)換不能更快的進(jìn)行。 而且，單 CPU 已經(jīng)快接近物理極限，例如光速和熱發(fā)散問題就無法解決。20 年后，一臺(tái)快速的 Cray 計(jì)算機(jī)可以在 1ns 內(nèi)執(zhí)行一條指令，每 10 年提高 10倍。 WDM 的光纖鏈路適合于字節(jié)寬度的設(shè)備接口，是一種新的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。 綜合布線系統(tǒng)中，主干線使用光纖做為傳輸介質(zhì)是十分合適的，而且是必要的。運(yùn)行在 波長的光纖衰減為 6dB/Km，運(yùn)行在 波長的光纖衰減為 4dB/Km。芯子直徑為 100um，包層直徑為 140um 的光纖，可提供相當(dāng)好的性能。 另外 ,與之配套的光纖連接器也很重要，要求每個(gè)連接器的連接損耗低于25dB，易于安裝，價(jià)格較低。雪崩光二極管的信號(hào)增益比 PIN 大，但要用 20～ 50V 的電源，而 PIN 檢波器只需用 5V電源。激光二極管的發(fā)送器成本較高，且不能滿足百萬小時(shí)壽命的要求。原則上，由于光纖功率損失小、衰減少，有較大的帶寬潛力，因此，一般光纖能夠支持的分接頭數(shù)比雙絞線或同軸電纜多得多。 光信號(hào)的傳輸 光纖傳輸特性： 光纜不易分支，因?yàn)閭鬏數(shù)氖枪庑盘?hào)，所以一般用于點(diǎn)到點(diǎn)的連接 。用不同攙雜材料和攙雜量的光纖進(jìn)行組合，制作混合型 EDFA。 ，使 EDFA 的增益平坦，提高其幅頻特性 使用光柵光纖、介質(zhì)多層薄膜濾波器、平面光波導(dǎo)作為均衡器，利用損耗特性與放大器的增益波長特性相反的原理均衡抵消增益不均勻性。利用光放大器構(gòu)成的光傳輸系統(tǒng)主要特點(diǎn)是 :工作波長恰好是在光纖損耗最低的 1550nm波長，線路的禍合損耗小，頻帶寬，噪聲低，適合于有線電視信號(hào)傳輸。由于 DSF 光纖色散值非常小 (幾乎為 0)， CSO 的劣化幾乎可以忽略。另一種是寄生調(diào)頻的各個(gè)分量頻譜以 不同的速度經(jīng)過一定距離的光纖后產(chǎn)生非線性作用。 1550nm波長上色散高是 1550nm波長的一個(gè)弱點(diǎn) 色散會(huì)對 CSO 帶來嚴(yán)重劣化。因此光放大器輸入的光信號(hào)越大，系統(tǒng)載噪比劣化越小。 光放大器對系 統(tǒng) C/N 劣化的最直接的物理原因，是光放大器中的泵浦激光器激發(fā)摻雜光纖產(chǎn)生的自發(fā)輻射光夾雜在前向放大信號(hào)中為信號(hào)帶來噪聲，降低了信號(hào)載噪比。 網(wǎng)絡(luò)的前端系統(tǒng)一般是由一臺(tái)外調(diào)制的光發(fā)射機(jī)推動(dòng)一臺(tái)光放大器 光放大器輸出光功率對各條線路進(jìn)行星形分配到各分前端。當(dāng)其中一路出現(xiàn)故障時(shí)，光接收機(jī)會(huì)自動(dòng)切換到另一路，這樣可以保障有線電視信號(hào)不間斷的傳輸。 1550nm 窗口光纖損耗低，加之高可靠性大功率 1550nm 光放大器的研制成功，為此我們采用了暫新的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)思，采用了環(huán)星結(jié)構(gòu)。 光纖放大器 EDFA 技術(shù)成熟，致使長距離有線電視干線及大型分配網(wǎng)絡(luò)向 1550nm 窗口轉(zhuǎn)移。因?yàn)榇臃糯笃鞯募?jí)數(shù)越多，有線電視信號(hào)的指標(biāo)變的就越壞。例如多級(jí)干線放大器串接的軸電纜干線，其非線性指標(biāo)損耗約占整個(gè)系統(tǒng)指標(biāo)的50%以上，延長放大器串接的支線，其非線性指標(biāo)損耗也約占 30%以上。即傳輸?shù)念l道數(shù)越多，載波三次差拍比越壞。 (3) 載波三次差拍比 (CTB) 載波三次差拍比與光調(diào)制度成反比，即光調(diào)制度增加，載波三次差拍比變壞反之亦然。 當(dāng)光調(diào)制度一定時(shí)， CSO 與頻道數(shù)的關(guān)系為 : N1,N2 為 CSO1 和 CS02 對應(yīng)的頻道數(shù)。接收光功率變小時(shí)，載噪比變壞。當(dāng)調(diào)制度變小時(shí)，載噪比變壞。我國電視制式的噪聲帶寬為 ，帶寬已定，載噪比只與光發(fā)射機(jī)的調(diào) 制度和光接收機(jī)的接收光功率有關(guān)。 光纖傳輸性能指標(biāo)主要是以光鏈路性能來給出的。 方式 讓 多路視頻、伴音信號(hào)分別對不同頻率的載波調(diào)頻，然后混合起來去調(diào)制輸出光的強(qiáng)度。 光調(diào)制的方式有 AMIM,FMIM和 PCMIM等三種主要方式，這三種方式實(shí)際都是用載有所要傳輸?shù)碾娨曅盘?hào)的載波去改變激光器輸出的光的強(qiáng)度。 光調(diào)制的基本方式 為了把要傳輸?shù)男盘?hào)不失真地調(diào)制道光信號(hào)上，要求激光器能輸出具有較高的連續(xù)功率的光，且單色性好，頻率穩(wěn)定，易于調(diào)制，能在室溫下工作，體積小，重量輕，堅(jiān)固耐用，壽命長，所發(fā)出的光波長與光導(dǎo)纖維的低損耗區(qū)相吻合，光源與 傳輸介質(zhì) 9 合效率高等。 每根光纖放在不同的位置，具有不同的顏色，便于熔接時(shí)識(shí)別。由于單根光 纖的強(qiáng)度很低，不便鋪設(shè)，必須把多根光纖組合在一起，加上保護(hù)層，并增加其強(qiáng)度構(gòu)成光纜。 (2)光分路器 把光發(fā)射機(jī)輸出的光信號(hào)分成強(qiáng)度不等的幾路輸出，使光強(qiáng)度較大的一路傳輸較遠(yuǎn)的距離，光強(qiáng)度較弱的一路傳輸較近的距離，以使各個(gè)光節(jié)點(diǎn)得到近似相等功率的光。 (5)工作性能可靠 光纖系統(tǒng)的可靠性很高，平均無故障工作時(shí)間可達(dá) 50^75 萬小時(shí)，其中壽命最短的是發(fā)射機(jī)中的激光器，平均壽命也可達(dá) 25 年。 (4)抗干擾能力強(qiáng) 因?yàn)楣饫w的基本成分是石英，只導(dǎo)光，不導(dǎo)電，對電磁干擾、工業(yè)干擾都有很強(qiáng)的抗干擾能力，光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)也不受各種干擾。 (3)重量輕 因?yàn)楣饫w非常細(xì)，單模光纖芯線直徑一般為 4~10pm，外徑也只有 125μm,加上防水層、加強(qiáng)筋、護(hù)套等，用 48 根光纖組成的光纜直徑還不到 13mm。光纖傳輸?shù)膿p耗還有兩個(gè)特點(diǎn)，一是在全部有線電視頻道內(nèi)具有相同的損耗，不需要引入均衡器進(jìn)行均衡 。 (2)損耗低 光纖損耗很小，傳輸波長為 1310nm 的光，每公里損耗在 以下，傳輸波長為 1550nm 的光，每公里損耗在 以下。 (1)頻帶寬 頻帶的寬窄代表傳輸信號(hào)能力的高低，單模光纖帶寬可達(dá) 10GHz 以上。經(jīng)過光中繼站放大的光信號(hào)將繼續(xù)在光導(dǎo)纖維中傳輸，到達(dá)接收端后，被光接收機(jī)接收下來，利用 PIN 光電二極管(PINPD)、雪崩光 電二極管 (APD)等光電探測器把光信號(hào)變成高頻電視信號(hào)，進(jìn)入分配系統(tǒng)進(jìn)行分配。間接放大器則是把光信號(hào)解調(diào)成電信號(hào)，把電信號(hào)放大后再調(diào)制到光信號(hào)上去。對光信號(hào)的放大有直接放大和間接放大兩類。調(diào)制后的光從光發(fā)射機(jī)輸出后， 經(jīng)過分光器分成幾路，分別禍合到光導(dǎo)纖維中傳播。 圖 24 為 1310nm和 1550nm光纖傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 光發(fā)射機(jī)由光源，調(diào)制器等組成，光源主要是分布反饋激光器 (DFB)、二極管泵激光器、摻欽憶鋁石榴石激光器 (YAG)等。下面是光纖傳輸電視信號(hào)的示意圖。 (4) CTB 和 CSO 與放大器級(jí)數(shù)的關(guān)系 CSO 與級(jí)數(shù)的關(guān)系 相同設(shè)備串連 : 不同設(shè)備串連 : CTB 與級(jí)數(shù)的關(guān)系 相同設(shè)備串連 : 不同設(shè)備串連 : 光纖傳輸鏈路 光纖傳輸基本原理 所謂光纖 ，是光導(dǎo)纖維的簡稱，它可以引導(dǎo)一定波長的光在其中傳播。落在同一頻道內(nèi)三次差拍的總和，稱為復(fù)合三次差拍 (Composite Triple Beat，簡稱 CTB)。 當(dāng)有 N 個(gè)頻道輸入時(shí)，由于放大器的非線性失真，會(huì)產(chǎn)生 NI、三次諧波項(xiàng)，2N(N1)個(gè)三次互調(diào)分量項(xiàng)， N(N1)個(gè)交調(diào)分量項(xiàng)， 2/3N(N1)(N2)個(gè)三次差拍項(xiàng)。有四項(xiàng)是山三個(gè)頻率的和差形成的三次差拍分量項(xiàng)，其頻率可表示為 的形式，幅度為 3/2ABC。若有幾個(gè)頻道對同一個(gè)頻道 產(chǎn)生交調(diào)干擾，就會(huì)出現(xiàn)多條豎條紋，由于這種豎條紋的左右移動(dòng)類似汽車前窗玻璃上的雨刷，故也常稱之為“雨刷干擾”。干擾信號(hào)與所收看頻道的同步信號(hào)不可能絕對同步，所以常在屏幕上看到由同步信號(hào)反轉(zhuǎn)而形成的一條白色豎條紋在屏幕上左右移動(dòng)，條紋寬度即為同步信號(hào)寬度。有六項(xiàng) 也是輸入信號(hào)頻率，但幅度中包含其他頻道的信號(hào)，即會(huì)出現(xiàn)“串臺(tái)”，因?yàn)?k。 (3) 載波復(fù)合三次差拍比 將式中 k3 展開，得到三次產(chǎn)物共 28 項(xiàng)。若有 N 個(gè)頻道輸入，則會(huì)出現(xiàn) N 個(gè)二次諧波項(xiàng)， N (N1)/2 個(gè)和頻項(xiàng)，從 N（ N1)/2 個(gè)差頻項(xiàng)，共有 N個(gè)干擾項(xiàng)，在二次產(chǎn)物中，兩頻率的和、差所得到的二次差拍項(xiàng)的振幅 AB 比二次諧波項(xiàng)振幅 Az12 要大一倍，因而更重要。我們把這些二次差拍項(xiàng)的總和稱為復(fù)合二次差拍失真 (Composite Second Order distortion，簡稱 CSO)。第 712 項(xiàng)是任意兩個(gè)頻道差拍出來的和差頻率項(xiàng)，也叫二次差拍。第 1,2,3 項(xiàng)是 直流項(xiàng)，在設(shè)備中會(huì)被隔直電容阻隔掉，不會(huì)起干擾作用。這些產(chǎn)物都是新產(chǎn)生的，輸入信號(hào)中沒有這些分量。 式中 :k1 各項(xiàng)是有用信號(hào)，它們被放大了 k1 倍。 設(shè)有三個(gè)電視信號(hào)同時(shí)輸入，用正弦波來表示輸入信號(hào) Ui, 則 式中 :A,B,C 分別為載波振幅， Wa, 分別是載波的角頻率。 (1) 非線性失真的產(chǎn)生 一般說來，放大器的輸出電壓 U0 與輸入電壓以之間滿足如下關(guān)系 : 式中 :U0 為輸出信號(hào)電壓 Ui 為輸入信號(hào)電壓， 4 次方以后各項(xiàng)忽 略不計(jì)。而非線性失真則是由于信號(hào)通過放大器等非線性元件，不僅使各頻率分量的幅度和相位發(fā)生變化，而且產(chǎn)生新的頻率成分，對有用信號(hào)進(jìn)行干擾。所謂失真，就是輸出波形與輸入波形不完全一致。根據(jù)我國的電視制式，信噪比和載噪比的關(guān)系為 : 有線電視系統(tǒng)的噪聲是頻譜密度相等的白色噪聲，加權(quán)后的信噪比將增加。 用分貝表示 : 則相同設(shè)備串接時(shí)的載噪比為 : 不同設(shè)備串接時(shí)的載噪比為 : (5) 信噪比 信噪比的定義為視頻信號(hào)功率與噪聲功率之比，即 用分貝表示為 : 即信號(hào)電平與噪聲電平之差 世界各國對電視圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)多采用五級(jí)記分法，我國國家標(biāo)準(zhǔn) CB7401對圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)的五級(jí)損傷標(biāo)準(zhǔn)如表 23 所示 . 表 23 五級(jí)損傷標(biāo)準(zhǔn) 等級(jí) 圖像質(zhì)量損傷程度 5 分 (優(yōu) ) 圖像上不察覺有損傷或干擾存在 4 分 (良 ) 圖 像上有稍可察覺的損傷或干擾，但不另人討厭 3 分 (中 ) 圖像上有明顯察覺的損傷或干擾另人感到討厭 2 分 (差 ) 圖像上損傷或干擾較為嚴(yán)重，另人相當(dāng)討厭 1 分 (劣 ) 圖像上損傷或干擾極為嚴(yán)重，不能觀看 信噪比與圖像等級(jí)的關(guān)系可近似用歐廣聯(lián)的公式來計(jì)算 : 其中 Q 為圖像等級(jí)。 在傳輸系統(tǒng)中設(shè)備的增益正好和無源器件的損耗抵消 ，任兩放大器間的增益可視為 1，當(dāng)各設(shè)備噪聲系數(shù)相同均等于 F。設(shè)輸入功率為 Pc，則該放大器的載噪比為： C/N=Pc/FPm (27) 用分貝來表示為 : (C/N)dB=10lgPc/FPw=201g(UC/UNO)10IgF (28) =201gUc 10IgF20lgUno =SaF(dB) 其中 Sa 為輸入載波電平， F(dB)是用分貝來表示的放大器噪聲系數(shù)，基礎(chǔ)熱噪聲電平為 。有源器件內(nèi)產(chǎn)生的噪聲不僅有基礎(chǔ)熱噪聲，還有半導(dǎo)體器件等產(chǎn)生的散彈噪聲、分配噪聲和閃爍噪聲等，噪聲系數(shù)研究的是有源器件的總噪聲。所以基礎(chǔ)熱噪聲功率為 Pwo== (23) 有線電視的阻抗為 75Ω，因此可求出基礎(chǔ)熱噪聲電壓 : Pwo=PnoRo== (24) 有線電視系統(tǒng)中常取 1μV為 dB 電平，以分貝微伏為單位?；A(chǔ)熱噪聲功率由下式?jīng)Q定 : Pno=KTB (22) 式中 :K是一個(gè)常數(shù)，稱波爾茲曼常數(shù)，其值為 ./K。這個(gè)噪聲功率就是基礎(chǔ)熱噪聲功率。內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲 主要包括由電阻等無源器件產(chǎn)生的基礎(chǔ)熱噪聲。即： C/N=Pc/Pn 用分貝表示為 (C/N)dB=101g(Pc/Pn)=201g(Uc/Un) (21) 噪聲是來自于外界和由系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的紊亂、斷續(xù)、隨機(jī)的電磁振動(dòng)，出現(xiàn)在屏幕上表現(xiàn)為雪花狀的、雜亂無章的干擾。在技術(shù)性能指標(biāo)中，主要有載噪比 (C/N)、載波復(fù)合二次差拍比 (CSO)和載波三次差拍比 (CTB)。 CMTS 的配置可以隨著用戶使用率的增長而逐步增加。 1 路下行信號(hào)可以提供 27Mbps 的純數(shù)據(jù)流， 1 路上行最大可提供 10Mbps 的傳輸速率。 圖 23CableModem控制層 Cable Modem的下行通道可以為 1 路或多路 6MHz帶寬的 QAM 信號(hào)。在物理層中，它采用了 QAM調(diào)制的方式將數(shù)字信號(hào)得以在 HF