第3章
将光波导入高速数字信号系统实现传输光化的意义及应用

3.1　信号及其传输特性

3.1.1　两类不同的信号

由自然界中形形色色的物理量所构成的信号，尽管其性质各异，但就其变化规律的特点而言，不外乎下述两大类。

1. 模拟信号

模拟信号是用连续变化的物理量来表示信息的，人们把该类物理量称作模拟量，把表示模拟量的信号叫作模拟信号或连续信号，并把传输模拟信号的电路称为模拟电路。模拟信号的特征是信号参数，如幅度、相位和波形在某个时间范围内是不断变化的，如图3.1所示。

图3.1　模拟信号（连续信号）

模拟信号（连续信号）从零频率（直流）直到呈正弦波周期性变化的微波频率。假如信号的波形不同于正弦波形，可用若干个正弦信号之和来表示（即用频谱来表示）。

2. 数字信号

数字信号是指幅度和时间都离散的信号，换言之，数字信号是用离散的物理量来表示信息的，人们把该类物理量称作数字量，把表示数字量的信号叫作数字信号，并把传输数字信号的电路称作数字电路。数字信号也被称为离散（脉冲）信号，如图3.2所示。

图3.2　数字信号［离散（脉冲）信号］

3.1.2　两类不同的设备及信号传输问题

1. 两类不同的设备

① 模拟设备：传输模拟信号（又称连续信号）的设备被称为模拟设备。

② 数字设备：传输数字信号［又称离散（脉冲）信号］的设备被称为数字设备。

模拟设备与数字设备在构成方法上有着本质的区别。由于最新一代的微电子装备，如5G以及相控阵雷达等设备工作的无线电频率越来越高，达到了超高频（厘米波）和极高频（毫米波）波段，均需要借助一些按新原理进行工作的功能器件（如声电器件、光电器件、场效应管、双极晶体管等）来实现。

2. 信号传输遇到的瓶颈

21世纪科学技术的发展日新月异，电子行业作为高新技术行业，技术发展更是一日千里。当前，随着5G技术的飞速发展，对电路带宽和容量的要求急剧增加。在传统的电子学领域，信号的传输和开关的速度已经受到限制，以高速电子计算机为例，其CPU的主频已达到2～3.9 GHz，在电信干线上传输码流的速度更是达到了几十甚至上千吉比特每秒。而与之相对照的是，计算机的总线传输速率依然停留在10～100 Mbps，最高也不过吉比特每秒。显然，高速计算机内部总线连接和高速计算机互连的速率已经成为整个高速计算机环境的瓶颈。很久以来，就有人谈论将光作为计算机内部（包括电路板内部）及计算机之间的互连手段。从原理上讲，采用铜线互连方式传输高速信号的传输速率严重受到铜导线寄生参量（寄生电阻、电感和电容）的影响和限制。比如，在常用的印制电路板FR-4基材中，信号的传输速率大约仅为光速的70%，这样的速率在很多领域已经不能满足需求了。

3. 在电子安装中用光取代铜线传输高速信号（光化）

铜线传输的比特率取决于其寄生参量—分布电阻、分布电容和分布电感，印制电路板导线的寄生参数限制了其传输的脉冲信号的前、后沿过渡时间，从而限制了脉冲信号的传输速率。当频率增高时，此现象尤为突出。铜线互连与光纤互连对频率的依赖性，如图3.3所示。

图3.3　铜线互连与光纤互连对频率的依赖性