课程设计（论文）-数字光纤通信系统及其设计.doc

数字光纤通信系统及其设计摘要当今世界，计算机与通信技术高度结合，光纤通信有了长足发展。纵观当今电信的主要技术，光纤和光波的变革极大的提高着信息的传输容量。进入1993年以后，我国光纤通信已处于持续大发展时期。其特征是大量新技术，特别是网络技术、高速介质接入网(hmav)、光时分复用接入(otmma)和波分复用接入(wdma)、光孤子(soliton)、掺铒光纤放大器(edfa)、 sdh产品等开始实用化并开展大量、深入的研究工作。面对光纤通信技术的普遍应用，了解光纤通信系统组成及其系统参数的测量技术现状，无论是对光纤通信的业主、经销商，还是对光纤通信的广大用户都是重要的。本论文主要介绍数字光纤通信系统基本组成，含义及其特点，阐述数字光信通信系统的设计方法。针对wdm+epfa数字光纤链路系统进行具体设计。关键字;数字光纤通信系统 掺铒光纤放大器(edfa) 波分复用（wdm）digital optical communications system and its designabstracin todays world, the combination of computer and communication technology, the height of optical fiber communication with rapid development. in todays main technology of telecommunications, optical fiber and light changes greatly improves the information transmission capacity. since 1993, china into a continuous fiber communication has great development period. its characteristic is a new technology, in particular network technology, high-speed medium access (hmav), light time multiplex access (otmma) and wdm access (wdma), optical solitons (soliton), erbium doped fiber amplifier (edfa), sdh products began to practical and large, deep research work. at the same time, various special optical system into the field of national economy, contributed to our optical fiber communication technology of vigorous development. facing the optical fiber communication technology, understand the general application of optical communication system and the system parameters measurement technology situation of optical fiber communication, whether the owner, dealers, or for optical fiber communication customers are important.this paper mainly introduces the basic components and fiber optic communications system, expounds the meaning and characteristics of digital communication system design of light letters. in wdm optical fiber links epfa + digital system design.key words,digital optical communication system erbium doped fiber amplifier (edfa) wdm目 录1 数字光纤通信系统（4）1.1 数字光纤通信系统概论（4）1.1.1 数字光纤通信系统的组成（4） 1.1.2 数字光纤通信系统的含义（5）1.1.3 数字光纤通信系统的特点（5）1.2 数字光纤通信系统的设计方法（5） 1.2.1 数字光纤通信系统的构成（5） 1.2.2 数字光纤通信系统的设计方案（6）2 波分复用（wdm） （6）2.1光波分复用（wdm）技术概述 （7）2.2 wdm系统的基本构成（7）2.3wdm技术的主要特点（7）3 掺铒光纤放大器(edfa)(8)3.1掺铒光纤放大器概述(8)3.2掺铒光纤放大器原理(8)4 基于wdm+epfa数字光纤链路系统的设计（9）注释和参考文献（11）谢词（12）附录（13）1数字光纤通信系统1.1数字光纤通信系统的概论1.1.1数字光纤通信系统的组成（1）光发信机光发信机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。电端机就是常规的电子通信设备。 （2）光收信机光收信机是实现光/电转换的光端机。 它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。 （3）光纤或光缆光纤或光缆构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。 （4）中继器中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行政性。（5）光纤连接器、耦合器等无源器件由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的（如1km)。因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。1.1.2 数字光纤通信系统的含义光纤光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。随着国际互联网业务和通信业的飞速发展，信息化给世界生产力和人类社会的发展带来了极大的推动。光纤通信作为信息化的主要技术支柱之一，必将成为21世纪最重要的战略性产业。光纤通信技术和计算机技术是信息化的两大核心支柱，计算机负责把信息数字化，输入网络中去；光纤则是担负着信息传输的重任。当代社会和经济发展中，信息容量日益剧增，为提高信息的传输速度和容量，光纤通信被广泛的应用于信息化的发展，成为继微电子技术之后信息领域中的重要技术。1.1.3 数字光纤通信系统的特点光纤传输系统是数字通信的理想通道。与模拟通信相比较，数字通信有很多的优点，灵敏度高、传输质量好。因此，大容量长距离的光纤通信系统大多采用数字传输方式。 在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲0码和1码，它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的，称为pcm（pulse code modulation），即脉冲编码调制。这种电的数字信号称为数字基带信号，由pcm电端机产生。1.2 数字光纤通信系统的设计方法1.2.1 数字光纤通信系统的构成 图1 数字光纤通信系统构成最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。其中数据源包括所有的信号源，它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的信号；光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，先后用过的光波窗口有0.85、1.31和1.55。光学信道包括最基本的光纤，还有中继放大器edfa等；而光学接收机则接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。1.2.2 数字光纤通信系统的设计方案对数字光纤通信系统而言，系统设计的主要任务是，根据用户对传输距离和传输容量(话路数或比特率)及其分布的要求，按照国家相关的技术标准和当前设备的技术水平，经过综合考虑和反复计算，选择最佳路由和局站设置、传输体制和传输速率以及光纤光缆和光端机的基本参数和性能指标，以使系统的实施达到最佳的性能价格比。 在技术上，系统设计的主要问题是确定中继距离，尤其对长途光纤通信系统，中继距离设计是否合理，对系统的性能和经济效益影响很大。 中继距离的设计有三种方法：（1）最坏情况法(参数完全已知) （2）统计法(所有参数都是统计定义)（3）半统计法(只有某些参数是统计定义)2 波分复用（wdm） 图2 波分复用光纤通信系统构成2.1光波分复用（wdm）技术概述光波分复用（wavelength division multiplexing，wdm）技术是在一根光纤中同时同时多个波长的光载波信号，而每个光载波可以通过fdm或tdm方式，各自承载多路模拟或多路数字信号。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将这些组合在一起的不同波长的信号分开（解复用），并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。因此将此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用技术。2.2 wdm系统的基本构成wdm系统的基本构成主要分双纤单向传输和单纤双向传输两种方式。单向wdm是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送，在发送端将载有各种信息的具有不同波长的已调光信号通过光延长用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输，由于各信号是通过不同波长的光携带的，所以彼此间不会混淆，在接收端通过光的复用器将不同波长的光信号分开，完成多路光信号的传输，而反方向则通过另一根光纤传送。双向wdm是指光通路在一要光纤上同时向两个不同的方向传输，所用的波长相互分开，以实现彼此双方全双工的通信联络。目前单向的wdm系统 在开发和应用方面都比较广泛，而双向wdm由于在设计和应用时受各通道干扰、光反射影响、双向通路间的隔离和串话等因素的影响，目前实际应用较少。2.3wdm技术的主要特点1.充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍到几十倍，从而增加光纤的传输容量，降低成本，具有很大的应用价值和经济价值。2.由于wdm技术中使用的各波长相互独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成各种信号的综合和分离，实现多媒体信号混合传输。3.由于许多通信都采用全双式方式，因此采用wdm技术可节省大量线路投资。4.根据需要，wdm技术可以有很多应用形式，如长途干线网、广播式分配网络，多路多地局域网等，因此对网络应用十分重要。5.随着传输速率不断提高，许多光电器件的响应速度明显不足，使用wdm技术可以降低对一些器件在性能上的极高要求，同时又可实现大容量传输。6.利用wdm技术选路，实现网络交换和恢复。3 掺铒光纤放大器(edfa)图3掺铒光纤放大器构成3.1掺铒光纤放大器概述掺铒光纤放大器(edfa即在信号通过的纤芯中掺入了铒离子er3 + 的光信号放大器。)是1985年英国南安普顿大学首先研制成功的光放大器，它是光纤通信中最伟大的发明之一。掺铒光纤是在石英光纤中掺入了少量的稀土元素铒(er)离子的光纤，它是掺铒光纤放大器的核心。从20世纪80年代后期开始，掺铒光纤放大器的研究工作不断取得重大的突破。wdm技术、极大地增加了光纤通信的容量。成为当前光纤通信中应用最广的光放大器件。3.2掺铒光纤放大器原理edfa的基本结构如图1(a)所示，它主要由有源媒质(几十米左右长的掺饵石英光纤，芯径3-5微米，掺杂浓度(25-1000)x10-6)、泵浦光源(990或1480nm ld)、光耦合器及光隔离器等组成。信号光与泵浦光在铒光纤内可以在同一方向(同向泵浦)、相反方向(反向泵浦)或两个方向(双向泵浦)传播。当信号光与泵光同时注入到铒光纤中时，铒离子在泵光作用下激发到高能级上(图1 (b)，三能级系统)，并很快衰变到亚稳态能级上，在入射信号光作用下回到基态时发射对应于信号光的光子，使信号得到放大。图1 (c)为其放大的自发发射(ase)谱，带宽很大(达20-40nm)，且有两个峰值，分别对应于1530nm和1550nm。 edfa的主要优点是增益高、带宽大、输出功率高、泵浦效率高、插入损耗低、对偏振态不敏感等。4 基于wdm+epfa数字光纤链路系统的设计掺铒光纤放大器在密集波分复用系统中的应用主要是补偿传输中的光纤损耗，根据放大器在系统中的位置及作用，可以分成以下三种类型：1.功率放大器（booster-amplifier），处于合波器之后，用于对合波以后的多个波长信号进行功率提升，然后再进行传输，由于合波后的信号功率一般都比较大，所以，对一功率放大器的噪声指数、增益要求并不是很高，但要求放大后，有比较大的输出功率。2.线路放大器（line-amplifier），处于功率放大器之后，用于周期性地补偿线路传输损耗，一般要求比较小的噪声指数，较大的输出光功率。3.前置放大器（pre-amplifier），处于分波器之前，线路放大器之后，用于信号放