[科普中國(guó)]-再生中繼器

中繼器是網(wǎng)絡(luò)物理層的一種介質(zhì)連接設(shè)備，即中繼器工作在OSI的物理層。

簡(jiǎn)介中繼器具有放大信號(hào)的作用，它實(shí)際上是一種信號(hào)再生放大器。因而中繼器用來(lái)擴(kuò)展局域網(wǎng)段的長(zhǎng)度，驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)距離通信。電磁信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)上傳遞時(shí)，由于衰減和噪音使有效數(shù)據(jù)信號(hào)變得越來(lái)越弱。為保證數(shù)據(jù)的完整性，它只能在一定的有限距離內(nèi)傳遞。在IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)中，幾種主要介質(zhì)傳輸距離設(shè)計(jì)規(guī)格如下表所示：

中繼器將接收到的弱信號(hào)中的數(shù)據(jù)提出，新的信號(hào)與原來(lái)的完全相同，但是它的信號(hào)強(qiáng)度大大提高了。

特點(diǎn)中繼器優(yōu)點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)單容易，造價(jià)低廉，主要的缺點(diǎn)是它再生電子干擾及錯(cuò)誤信號(hào)；另外由于中繼器雙向傳遞網(wǎng)絡(luò)段間的所有信息，所以它很容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)上的信息擁擠，同時(shí)當(dāng)某個(gè)網(wǎng)段有問(wèn)題時(shí)，會(huì)引起所有網(wǎng)段的中斷。其擴(kuò)展規(guī)模（長(zhǎng)度、站點(diǎn)數(shù)）也不能突破單級(jí)的限制，新的發(fā)展趨勢(shì)是用屏蔽雙絞線UTP作為網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)。如在樓宇規(guī)整化布線系統(tǒng)中UTP為主要規(guī)范性傳輸介質(zhì)。屬于中繼器的以太網(wǎng)UTP集線器也大量使用。

為適應(yīng)用戶的需求，市場(chǎng)上有各種各樣的中繼器產(chǎn)品：多路復(fù)用器、多口中繼器,還有模塊中繼器、緩沖中繼器等。

從理論上講可以采用中繼器連接無(wú)限數(shù)量的媒介段，然而實(shí)際上各種網(wǎng)絡(luò)中接入的中繼器數(shù)量因受時(shí)延和衰耗都有具體的限制，如在IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)中，它最多允許四個(gè)中繼器連接五個(gè)網(wǎng)段。假如使用粗同軸電纜構(gòu)造一個(gè)以太局域網(wǎng)，每一段粗纜最大長(zhǎng)度為800米，則利用四個(gè)中繼器可以將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到4000米。

再生中繼器主要由均衡放大電路、定時(shí)提取電路、判決及碼形成電路等3個(gè)部分組成。均衡放大電路的作用是對(duì)接收到的失真波形進(jìn)行放大和均衡;定時(shí)提取電路的作用是在收到的信碼流中提取定時(shí)時(shí)鐘,以得到與發(fā)端相同的主時(shí)鐘脈沖,做到收發(fā)同步;判決及碼形成電路則是對(duì)已被放大和均衡的信號(hào)波形進(jìn)行抽樣、判決,并根據(jù)判決結(jié)果形成新的、與發(fā)送端相同的脈沖。

目前,再生中繼器（REG）已向集成化的方向發(fā)展,集成再生中繼器具有體積小、工作穩(wěn)定和便于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

光再生中繼器光再生中繼器是一種用來(lái)接收光數(shù)字信號(hào)并能按規(guī)定要求再生光數(shù)字信號(hào)的光纖中繼器，在設(shè)計(jì)光再生中繼器時(shí)應(yīng)該要滿足性能穩(wěn)定、可靠性高、工作壽命長(zhǎng)、功能完善、維護(hù)方便、成本合理。

定義編輯

光再生中繼器是一種用來(lái)接收光數(shù)字信號(hào)并能按規(guī)定要求再生光數(shù)字信號(hào)的光纖中繼器，在設(shè)計(jì)光再生中繼器時(shí)應(yīng)該要滿足性能穩(wěn)定、可靠性高、工作壽命長(zhǎng)、功能完善、維護(hù)方便、成本合理。

在長(zhǎng)途光纖通信線路中，為了使發(fā)送出去的脈沖在接收端能夠正確的被判決，應(yīng)當(dāng)在適當(dāng)?shù)膫鬏旈g隔內(nèi)設(shè)置再生中繼器。傳統(tǒng)數(shù)字光纖通信中的再生中繼器是光電檢測(cè)器、放大器（包括前置放大和主放大）、均衡器、判決再生電路、光源與驅(qū)動(dòng)電路、APC和AGC電路等組成的所謂光/電/光中繼器，其基本功能是均衡放大、時(shí)鐘提取和識(shí)別再生。取這三個(gè)功能的英文字頭，統(tǒng)稱(chēng)為“3R”功能。把因衰減和失真而惡化的脈沖放大到能夠判決的程度的過(guò)程稱(chēng)為均衡放大；把設(shè)定判決時(shí)刻的過(guò)程稱(chēng)為時(shí)鐘提?。话褱y(cè)定波形的幅度，并當(dāng)其值超過(guò)某判決電平時(shí)就產(chǎn)生脈沖的過(guò)程稱(chēng)為識(shí)別再生。經(jīng)再生后的輸出脈沖，完全消除了附加的噪聲和畸變，即使在線路中由多個(gè)中繼器組成的系統(tǒng)中，再生和畸變也不會(huì)積累，這就是數(shù)字通信長(zhǎng)距離傳輸時(shí)的優(yōu)點(diǎn)。另外，一種直接可對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大的摻鉺光纖放大器（EDFA）已廣泛應(yīng)用在WDM系統(tǒng)中，它可以作為IR繼中器（僅放大）來(lái)代替上述再生中繼器構(gòu)成全光通信系統(tǒng)；或應(yīng)用在超長(zhǎng)距離、高速光通信系統(tǒng)中，并可與傳統(tǒng)3R中繼器構(gòu)成混合中繼方式，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低成本[1]

作用編輯

在光纖傳輸線路上，除有光纜外，還有線路的中間設(shè)備，即光再生中繼器。由于光纖的固有吸收和散射，會(huì)造成光能量的衰減。同時(shí)光纖在模式、材料和結(jié)構(gòu)上的色散，會(huì)使信號(hào)脈沖產(chǎn)生展寬畸變，從而增加傳輸線路的噪聲和誤碼，使信息傳輸質(zhì)量降低、距離縮短。因而在長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)中，每隔一定距離需設(shè)置一個(gè)再生中繼器[2]。

光再生中繼器的功能是補(bǔ)償光能的衰減，恢復(fù)信號(hào)脈沖的形狀。采用光-電-光的轉(zhuǎn)換方式，即先將接收光纖的已衰減光信號(hào)用光電檢測(cè)器接收，經(jīng)放大和定時(shí)再恢復(fù)原來(lái)數(shù)字電信號(hào)，再對(duì)光源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生光信號(hào)送入光纖[2]。

構(gòu)成編輯

光端機(jī)是產(chǎn)生和發(fā)送光波、檢測(cè)和接收光波的設(shè)備，由光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)組成，其主要作用是進(jìn)行電/光及光/電的轉(zhuǎn)換，還包括一些信號(hào)變換和處理電路以及為使系統(tǒng)穩(wěn)定工作而設(shè)的自動(dòng)控制電路和監(jiān)測(cè)電路。光再生中繼器除了沒(méi)有接口設(shè)備和碼型變換以及控制設(shè)備以外，其他部件與光端機(jī)相同。

光發(fā)送機(jī)1.光發(fā)送機(jī)的作用

光發(fā)送機(jī)的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，將光信號(hào)射入光纖。其核心器件是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的器件：發(fā)光二極管（LED）和激光二極管（LD）[3]。

2.對(duì)發(fā)送機(jī)的要求是：

（1）有合適的輸出光功率。光發(fā)送機(jī)的輸出功率是指耦合進(jìn)光纖的功率，又稱(chēng)為入纖功率。光源應(yīng)有合適的光功率輸出，一般為0.01~5mW[3]。

（2）有較好的消光比（EXT）。消光比的定義為全“1”碼平均發(fā)送光功率與全“0”碼平均發(fā)送光功率之比。一般要求EXT不小于10dB[3]。

（3）調(diào)制特性好，所謂調(diào)制特性是指待傳輸?shù)碾娦盘?hào)與光功率之間有較好的線性關(guān)系。即光源的P-I曲線在使用的范圍內(nèi)線性特性好，否則在調(diào)制后將產(chǎn)生非線性失真[3]。

除此之外，還要求電路簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性好和光源的壽命長(zhǎng)等[3]。

3.光發(fā)送機(jī)的構(gòu)成

數(shù)字光發(fā)送機(jī)的基本組成包括：均衡放大、復(fù)用、擾碼、時(shí)鐘提取、光源及光源的調(diào)制電路、光源的控制電路（ATC和APC）、光源的監(jiān)測(cè)和保護(hù)電路等[3]。

（1）均衡放大：來(lái)自電端機(jī)的信號(hào)首先經(jīng)過(guò)均衡放大電路，簡(jiǎn)稱(chēng)均放。其作用是補(bǔ)償由電纜傳輸所造成的衰減和畸變。

（2）復(fù)用（又稱(chēng)為復(fù)接）：將多個(gè)低速信號(hào)復(fù)用到一個(gè)高速通道上傳輸，并加入開(kāi)銷(xiāo)消息，以提高信道的利用率和對(duì)設(shè)備的監(jiān)控和管理。復(fù)用的方式有PDH準(zhǔn)同步數(shù)字體系和SDH同步數(shù)字體系。

（3）擾碼：有規(guī)律地破壞長(zhǎng)連“0”和長(zhǎng)連“1”的碼流，使信號(hào)達(dá)到“0”、“1”等概率出現(xiàn)，利于時(shí)鐘提取。

（4）時(shí)鐘提取提取數(shù)字碼流中的時(shí)鐘信號(hào)，供給其他電路使用。

（5）調(diào)制（驅(qū)動(dòng)）電路：完成電/光轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)擾碼后的數(shù)字信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制。使光源發(fā)出的光信號(hào)隨電信號(hào)碼流變化，形成相應(yīng)的光脈沖送入光纖。依據(jù)光源不同調(diào)制電路的結(jié)構(gòu)和原理不同。它是發(fā)送機(jī)的核心電路。

（6）光源：產(chǎn)生作為光載波的信號(hào)。用于光纖通信的光源主要是發(fā)光二極管（LED）和半導(dǎo)體激光器（LD）。

（7）溫度控制和功率控制：LD器件對(duì)溫度比較敏感，溫度和老化的作用使輸出光功率發(fā)生變化，影響了光通信的質(zhì)量，因此，設(shè)有自動(dòng)溫度控制電路（ATC）和自動(dòng)功率控制電路（APC），穩(wěn)定LD的工作溫度和輸出的平均光功率。

（8）其它保護(hù)、監(jiān)測(cè)電路：用于對(duì)光源的保護(hù)與維修的電路。如光源過(guò)流保護(hù)電路、無(wú)光告警電路、LD偏流（壽命）告警電路等[3]。

光源的調(diào)制按照調(diào)制信號(hào)的形式，光調(diào)制可分為兩大類(lèi)：模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。模擬調(diào)制又有兩類(lèi)：一類(lèi)是用模擬基帶信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制；另一類(lèi)是采用連續(xù)或脈沖的射頻波作為副載波，模擬基帶信號(hào)先對(duì)它的幅度、頻率或相位等進(jìn)行調(diào)制，再用該受調(diào)制的副載波對(duì)光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。按照調(diào)制方式與光源的關(guān)系來(lái)分，光調(diào)制又可分為直接調(diào)制和間接調(diào)制兩種。

（1）直接調(diào)制

直接調(diào)制就是將電信號(hào)直接注入光源，使其輸出的光載波信號(hào)的強(qiáng)度隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化，即直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器的注入電流。直接調(diào)制是光纖通信中最常用的通信方式，又稱(chēng)為內(nèi)調(diào)制。直接調(diào)制方式原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便，在光纖通信系統(tǒng)中得到最廣泛的應(yīng)用。然而由于光源的發(fā)光及調(diào)制都集中在PN結(jié)區(qū)完成，使載流子和光子的作用關(guān)系變的更加復(fù)雜。調(diào)制的瞬態(tài)變化會(huì)影響到諧振腔的振蕩性能，引起明顯的動(dòng)態(tài)光譜展寬[4]。

（2）間接調(diào)制

間接調(diào)制是利用晶體的電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)和聲光效應(yīng)等性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光輻射的調(diào)制。這種調(diào)制方式適應(yīng)于各種類(lèi)型的激光光源[4]。

間接調(diào)制與直接調(diào)制的本質(zhì)區(qū)別在于光源的發(fā)光和調(diào)制功能是分離進(jìn)行的，即在激光形成以后才加載調(diào)制信號(hào)，兩者只有光路的連接而沒(méi)有電路之間的互相影響，因此，不會(huì)因?yàn)檎{(diào)制而影響到激光器的工作[4]。

光接收機(jī)1.分類(lèi)

光接收機(jī)分為模擬光接收機(jī)和數(shù)字光接收機(jī)兩種。模擬光接收機(jī)主要用于接收模擬信號(hào)，如光纖CATV信號(hào)。當(dāng)前的通信系統(tǒng)大多采用數(shù)字信號(hào)，因而主要用的是數(shù)字光接收機(jī)[5]。

2.組成

光接收機(jī)可以分為以下三部分：

（1）光檢測(cè)器和前置放大器合起來(lái)稱(chēng)為接收機(jī)前段；

（2）主放大器、均衡濾波器和自動(dòng)增益控制組成的線性通道；

（3）判決器、譯碼器和時(shí)鐘恢復(fù)組成光接收機(jī)的時(shí)鐘提取與數(shù)據(jù)再生部分[5]。

結(jié)構(gòu)要求編輯

關(guān)于光再生中繼器的結(jié)構(gòu)要求視安裝地點(diǎn)而不同。

（1）安裝于機(jī)房的光再生中繼器在結(jié)構(gòu)上應(yīng)與機(jī)房原有的光傳輸設(shè)備配套。供電電源種類(lèi)，引出線端子設(shè)置，設(shè)備工作環(huán)境要求也應(yīng)統(tǒng)一[2]。

（2）埋設(shè)于地下人孔和架空線路上的無(wú)人維護(hù)光再生中繼器要求箱體密封、防水、防腐蝕等。光中繼器應(yīng)有遠(yuǎn)供接收設(shè)備、遙測(cè)、遙控等性能，還有能和有人維護(hù)站進(jìn)行業(yè)務(wù)聯(lián)絡(luò)的功能。應(yīng)能滿足無(wú)人維護(hù)的要求。

如果光再生中繼器在直埋狀態(tài)下，則要求更嚴(yán)格[2]。

現(xiàn)在，工程中應(yīng)用的光再生中繼器采用集成結(jié)構(gòu)的光收發(fā)模塊，并能監(jiān)控納入網(wǎng)格管理系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便[2]。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

何星 - 副教授 - 上海交通大學(xué)