關(guān)于使用光纖傳輸信號波形技術(shù)的探討

景運甫

摘 要：近年來，隨著我國信息技術(shù)的飛速發(fā)展，信息通信、網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍越來越廣。網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，離不開信息傳輸設(shè)備的建設(shè)，光纖作為傳輸光信號的絕緣介質(zhì)，在傳輸信息上廣泛應(yīng)用，信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，加快了光纖傳輸信號波形技術(shù)的應(yīng)用。本文重點分析研究了使用光纖傳輸信號的特點和優(yōu)勢，波形技術(shù)在信號傳輸過程中的主要應(yīng)用，希望可以為信號光纖傳輸波形技術(shù)的推廣應(yīng)用提供一些借鑒。

關(guān)鍵詞：信號；光纖傳輸；波形技術(shù)

中圖分類號：TN929.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）16-0048-02

在當前的信息化時代，光纖的應(yīng)用得到很大的了拓展。由于光纖在信號傳輸過程中表現(xiàn)出來的較大傳輸容量，較強抗干擾性、較強穩(wěn)定性、較強保密性等特征優(yōu)勢，為現(xiàn)代信息建設(shè)中普遍使用。由此，根據(jù)光纖傳輸信號的特征研發(fā)出的傳輸信號波形技術(shù)也得到了大量的應(yīng)用和良好的發(fā)展。隨著使用光纖傳輸信號波形技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖作為主要的傳輸介質(zhì)越來越發(fā)揮著無可替代的作用。

1 光纖的基本性能

從概念上講，光纖是一種用于傳輸光信號的絕緣介質(zhì)，與傳統(tǒng)的傳輸介質(zhì)相比較光纖具有體積小，重量輕等優(yōu)點。光纖信號傳輸與傳統(tǒng)的電磁信號傳輸相比，光纖傳輸具有更高的信息容量、更寬的頻帶、更強的抗電磁干擾等性能，光纖傳輸信號的衰減是傳統(tǒng)電磁傳輸介質(zhì)的1/400。此外，在具體的信號傳輸過程中，光纖傳輸還表現(xiàn)出傳輸損耗小，通頻帶寬，絕緣不受電磁感應(yīng)干擾，耐高壓300kV等優(yōu)越的性能，因此，在現(xiàn)代的信息通信等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)上，信號傳輸介質(zhì)都選擇了使用光纖傳輸。

2 光纖傳輸信號的種類

2.1 有源光纖傳輸

光纖在物理試驗中只能用于傳輸光信號，但是在實際的使用過程中設(shè)備發(fā)出的往往是電信號，如何實現(xiàn)信號在光纖中的傳輸，需要我們對傳統(tǒng)的脈沖信號也就通常所說的電信號進行轉(zhuǎn)換處理。用輕便的光纖代替笨重的同軸電纜完成電信號的傳輸，我們首先要做的是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，傳輸?shù)竭_目的地后再將光信號還原為電信號，為設(shè)備識別運用。在實際的工作中，我們主要是通過使用光電信號轉(zhuǎn)換設(shè)備，目前應(yīng)用比較廣的是光端機來實現(xiàn)把設(shè)備輸出的電流脈沖由二極管轉(zhuǎn)換成光脈沖信號，然后再由光纖傳輸?shù)浇邮斩?，通過接受信號端的光端機將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，設(shè)備就可以正常的識別和使用了。在實際的應(yīng)用中，我們通常把采用這種模式傳輸信號的系統(tǒng)稱為有源光纖傳輸系統(tǒng)[1]。

2.2 無源光纖傳輸

在物理實驗的過程中，我們發(fā)現(xiàn)有些時候，在一定的條件下，可以直接產(chǎn)生光信號。其主要工作原理是，在近區(qū)測量中，有些輻射轉(zhuǎn)換體（閃爍體和契侖柯夫轉(zhuǎn)換體）可以直接把脈沖輻射轉(zhuǎn)變成適應(yīng)光纖傳輸?shù)墓庑盘?，實踐中根據(jù)測量脈沖輻射場，輻射脈沖的時間特性、輻射面大小的要求選擇、輻射—發(fā)光轉(zhuǎn)換體如閃爍體ST-1703的時間響應(yīng)及發(fā)光波長更適于光纖傳輸。契侖柯夫轉(zhuǎn)換體是將光纖作為輻射—發(fā)光轉(zhuǎn)換體，又作為光的傳輸線。當輻射與光纖介質(zhì)直接作用產(chǎn)生康普頓電子在光纖中的傳播速度大于光纖介質(zhì)中的速度時，便在契侖柯夫光發(fā)射角的方向發(fā)出具有連續(xù)光譜的契侖柯夫光。并與光纖直接耦合，將光信號通過光纖傳輸?shù)浇K端，再配合以記錄光導(dǎo)系統(tǒng)配合從而拼成了又一個脈沖輻射場測量系統(tǒng)。我們通常把這種模式的傳輸系統(tǒng)稱為無源光纖傳輸系統(tǒng)。

3 光纖傳輸信號的特性

3.1 衰減特性

光纖傳輸信號的一個重要特性就是光的衰減特性。我們都知道光是沿直線傳播的，光是一種能量形式，在傳輸過程中隨著傳輸距離的增加，就必然存在能量的消耗。光纖傳輸信號的衰減特性用來計量光在光纖中傳輸達到一定距離后其傳輸能量的損耗程度，用單長度的光纖對光波的吸收損耗來來表示。通常情況下，包括光波在傳輸過程中的本征吸收損耗和非本征吸收損耗兩種情況。本征吸收損耗是由純石英材料自身導(dǎo)致的損耗，非本征吸收損耗是由雜質(zhì)導(dǎo)致的損耗[2]。除此之外，還存在部分散射、輻射損耗；散射、輻射損耗指的是光波在傳輸過程中向包層之外泄漏和朝逆方向反回，造成逆轉(zhuǎn)傳輸而產(chǎn)生的損耗。

大量的實踐證明，光信號在光纖中傳輸產(chǎn)生的損耗與波長有直接的關(guān)系。拿石英光纖的傳輸損耗情況為例：波長為1.31μm和1.55μm附近具有較低的衰減值；通常情況下1.31μm波長處衰減值為0.35db/km；1.55μm波長處衰減值為0.2db/km。值得注意的是一般情況下，多模光纖的損耗要普遍大于單模光纖，我們在選擇使用光纖來傳輸信號時就有根據(jù)信號的強度和距離等綜合進行測算，從而確定使用單模光纖還是使用多模光纖。在實驗或者實際的施工中，鋪設(shè)光纖時一定不能把光纖彎曲，人為的將光纖彎曲后，光纖會產(chǎn)生彎曲損耗。彎曲損耗，顧名思義就是產(chǎn)生光信號損耗的原因是由于光纖彎曲時內(nèi)外兩側(cè)受到不同的壓力產(chǎn)生壓力差，壓力差導(dǎo)致光纖的折射率發(fā)生變化，進而導(dǎo)致光纖中的一部分光波輻射出來，產(chǎn)生彎曲損耗。為了能夠盡量減少人為造成的彎曲損耗，在施工過程中，或者在物理試驗時，如果不得不將光纖彎曲，那么要保證使光纖的折彎半徑大于光纖直徑的100倍，也就是說彎曲的半徑不能小于30cm。

3.2 色散特性

信號在光纖中傳輸?shù)纳⑻匦?，指的是輸入的光信號由于不同頻率或不同模式的光在光纖中的傳播時速度不同，導(dǎo)致到達輸出端的時間不一致，由此導(dǎo)致輸出波形與輸入波形產(chǎn)生形變導(dǎo)致信號失真。在使用光纖傳輸信號的過程中要充分考慮到信號在光纖中傳輸?shù)纳⑿蕴卣?，根?jù)設(shè)備輸出和接收信號的情況合理選擇設(shè)備的型號的光纖的類型，避免出現(xiàn)由于光纖傳輸色散性特征導(dǎo)致的輸出信號失真，影響整體的傳輸效果。如果傳輸信號是數(shù)字式脈沖的情況，解調(diào)后信號的寬度會擴展，在調(diào)制波形是模擬式信號的情況，則檢波后電平隨著信號頻率的增加而降低。這種信號在光纖中傳送到額色散特性通常在多模光纖中色散比較大，而在單模光纖中基本沒有色散。

3.3 信號傳輸?shù)募嫒菪?/p>

人們在物理實驗研究的過程中，為了研究場輻射條件下，金屬內(nèi)部產(chǎn)生的電磁場度，由于應(yīng)用普通的同軸電纜傳輸容易受到傳輸系統(tǒng)的干擾，還容易受到輻射和電流的影響，因此很難達到理想的實驗效果。為了能夠有效解決這類問題，我們嘗試使用光纖來信息信號的傳輸。由于信號在光纖傳輸中的系統(tǒng)頻帶很寬，幾乎不受電磁場的干擾，與使用同軸電纜傳輸信號相比較，還具有衰減小、重量輕、體積小等多種優(yōu)勢，能夠很好的達到實驗的效果。

利用光纖傳輸模擬信號，其主要的技術(shù)操作是在試驗中完成單次模擬信號的傳輸、測試系統(tǒng)的要求，需要應(yīng)用到較高高的傳輸頻帶及毫微秒光纖傳輸技術(shù)，光/電、電/光轉(zhuǎn)換器件。實驗操作中將一個瞬變的波形直接調(diào)制LD或LED輸出的光功率隨輸入信號的強度而變化，完成光電轉(zhuǎn)換。再經(jīng)1000多米的光纖傳輸后由光探測器（PZN或APD）探測接收光電轉(zhuǎn)換，電轉(zhuǎn)換后的弱信號，經(jīng)低噪聲放大到一定幅度，進行顯示和測量、記錄。光纖傳輸系統(tǒng)主要由三大部分構(gòu)成，光信號發(fā)射機、光纖傳輸系統(tǒng)、光信號接收機。發(fā)射機為了保證系統(tǒng)的帶寬和快速響應(yīng)，選用了脈沖響應(yīng)快速激光器LD作為發(fā)射機的光源，配合較快的調(diào)制脈沖，根據(jù)LD的特點，激光器（LD）不宜承受較大的功率，所以在信號到來之前，把一個較寬的脈沖4μs閾值信號加在調(diào)制器上，使激光器（LD）工作在脈沖狀態(tài)。為保證傳輸信號在正、負極性準確地傳輸，克服溫度漂移帶來的誤差和工作補償，LD的工作點應(yīng)選在線形性的中點。未解決比例測試信號的不穩(wěn)定情況，發(fā)射部分還加有溫度補償網(wǎng)絡(luò)，考慮到測試信號的直觀性，比較傳輸信號到來的同時觸發(fā)拾取跟隨器經(jīng)正、負甄別延遲后產(chǎn)生一固定幅度的標準信號，再加到信號輸入端，并使它落在傳輸信號的后面。光信號接收機由光探測器和低噪聲寬帶放大器構(gòu)成，經(jīng)光纖傳輸?shù)浇K端的光信號，由光探測器接收轉(zhuǎn)換成電信號經(jīng)放大后分兩顯示管記錄，一路用7844示波器記錄被測信號和校準信號全波形，通過比較直接讀出被測信號的幅值，激光器閾值臺階脈沖是由探頭，經(jīng)同步器而提供，同步器分六路，可以同時接入發(fā)射機，臺階脈沖上的核信號是隨被測波形的有無而存在的。在物理試驗時考慮到一旦被測信號不來，在臺階脈沖上也有較準信號輸出，改為由同步觸發(fā)（即觸發(fā)），這樣較準信號就成為系統(tǒng)自己的考核信號，成功地采用光纖傳輸圓滿完成了物理試驗任務(wù)。

4 使用光纖傳輸信號波形技術(shù)

從大量的實驗和實踐情況看，使用光纖傳輸信號，光信號的波形長短對傳輸效果有著直接的影響，因此控制信號的波長，也就是波形技術(shù)在實際的信號傳輸中起到了至關(guān)重要的作業(yè)。從當前的測試數(shù)據(jù)看，波長為1.31μm和1.55μm附近時衰減值比較低，因此我們在應(yīng)用波形技術(shù)時就可以盡可能的使傳輸信號的波長接近1.31μm和1.55μm，這樣就可以有效的減少信號的衰減，保證傳輸信號的質(zhì)量[3]。

4.1 波長控制技術(shù)

波長控制技術(shù)的原理就是通過對輸出信號的波長進行技術(shù)層面的控制、調(diào)節(jié)，使在光纖中傳播的信號的波長接近1.31μm和1.55μm，從而使光信號在傳輸過程中產(chǎn)生最低程度的衰減，這樣一來就可以有效的保證了在長距離傳輸?shù)倪^程中，信號的衰減度很小，確保了傳輸信號的整體質(zhì)量。隨著信息技術(shù)突飛猛進的發(fā)展進步，當前，實現(xiàn)對波長的控制已經(jīng)比較簡單，先進的光電信號轉(zhuǎn)換設(shè)備可以根據(jù)不同的傳輸距離，來選擇轉(zhuǎn)換成不同波長的光信號，可以很好的解決光信號在傳輸過程中的衰減問題，大大提高了光纖傳輸信號的質(zhì)量。

4.2 波頻控制技術(shù)

波頻控制技術(shù)的原理是通過對輸出信號的波頻進行調(diào)控，是傳輸前光信號最大限度的趨于相同的頻率上，這樣就可以有效的控制色散性，最大限度的保證光信號在接收端呈現(xiàn)時不失真。當前在實際的技術(shù)應(yīng)用中，波頻控制技術(shù)的應(yīng)用也比較成熟，主要是通過在輸出端和接收端使用先進的光電信號的轉(zhuǎn)換設(shè)備來實現(xiàn)對傳輸光信號的波頻控制。通過輸出端光電信號轉(zhuǎn)換設(shè)備的轉(zhuǎn)換，將電信號盡可能的轉(zhuǎn)換成為了波頻基本相同的光信號，在信號的接收端，光電信號轉(zhuǎn)換設(shè)備再將信號盡可能的還原，最大程度的保持傳輸信號的穩(wěn)定性，保證傳輸信號的質(zhì)量不失真。

5 結(jié)語

隨著波形控制技術(shù)的發(fā)展完善，對于光信號的波長和波頻的控制將變得越來越容易，從而有效的解決了光信號在傳輸過程中的衰減和失真問題，確保了信號在光纖中傳播的穩(wěn)定性和保真效果，更好的實現(xiàn)了人們使用光纖傳輸信號的技術(shù)要求。波形技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，必將對未來使用光纖傳輸信號技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展起到很好的推動作用。

參考文獻

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[2]陳克難，劉文紅.使用光纖傳輸信號波形的技術(shù)[J].儀器儀表學(xué)報，2005，（z1）：537-538.

[3]姜楠.廣播電視信號傳輸中光纖傳輸技術(shù)應(yīng)用分析[J].新媒體研究，2016，（11）：34+36.