《光纤通信与数字传输》复习资料1

光纤通信与数字传输 复习资料 第 1 章 概述 1 光纤通信主要优点 传输容量大 传输损耗小 中继距离长 泄漏小 保密性好 节省有 色金属 抗电磁干扰性能好 重量轻 可挠性好 敷设方便 2 光纤通信系统的组成结构 光发送机 光纤线路 光接收机 数字复用设备 光中继器 第 2 章 光纤传输理论及传输特性 1 光纤基本结构 折射率较高的纤芯 折射率较低的包层及表面涂覆层 2 光纤折射率分布及分类方法 按光纤纤芯折射率分布可分为阶跃 2 1 2 210 a r nrn 折射率光纤 SI 和渐变折射率光纤 GI 按光纤的二次涂覆层可分为紧套光纤和松套光纤 按光纤主要材料可分为石英光纤 塑料光纤 氟化物光纤 按光纤中传导模式可分为多模光 纤和单模光纤 3 模式截止条件 对每一个传播模来说 在包层中它应该是衰减很大 不能传输 如果一个 传播模 在包层中不衰减 也就是表明该模是穿过包层而变成了辐射模 则就认为该传播模 被截止了 所以一个传播模在包层中的横向衰减常数 W 0 时 表示导模截止 单模传输的条 件 光纤中传播的唯一的模式为 LP01模 即 HE11模 光纤为405 2 2 2 2 2 1 nn a V 单模传输 式为单模传输的条件 4 归一化频率和截止波长的意义和计算 只有归一化频率V 小于 LP11模的截止频率 时 才能保证光纤中只传输基模 LP01模或 HE11模 所以单模光纤理论截止波4048 2 c V 长 C为 如果 C 则为单模光纤 目前工程上有四种截止波长 4048 2 2 2 2 2 1 nna c 理论截止波长 C1 2m 长光纤截止波长 C2 光缆制造长度的截止波长 C3 一个中 继段的截止波长 C4 四种截止波长满足 C1 C2 C3 C4的关系 5 基模的表示方法 精确矢量模 HE11 和线性极化模 01 LP 6 全反射原理 临界角和最大可接收角的计算 最大可接收角 数值孔径 2sinsinsin 1 12 2 2 1 1 0 2 2 2 11 nnn n nn a 121 nnn 物理意义 NA 表示光纤接收和传输光的能力 NA 或 越 2sin 1 2 2 2 10 nnnnNA a a 大 表示光纤接收光的能力越强 光源与光纤之间的耦合效率越高 7 损耗特性定义 物理意义及计算 引起损耗的原因 L 公里长光纤的损耗公式 dB 光纤的输入功率 W 光纤的输出功率 W 光纤每公里损耗 0 lg10 P P A i i P 0 P 系数 dB km 引起损耗的原因是吸收 散射和辐射 0 lg 10 P P L i 8 瑞利散射及其与传输波长关系 瑞利散射是由于光纤内部的密度不均匀引起的 瑞利散射 损耗大小与 1 4成正比 9 色散定义 物理意义及引起色散的原因 分类 光纤的色散是由于光纤中所传输的光信 号的不同的频率成分和不同模式成分的群速不同而引起的传输信号的畸变的一种物理现象 它将传输脉冲展宽 产生码间干扰 增加误码率 传输距离越长 脉冲展宽现象越严重 所 以色散会限制光纤传输系统的通信容量 也限制了无中继传输距离 光纤中的色散可分为材 料色散 模式间色散 波导色散 和偏振模色散等 材料色散系数定义为 材料色散系数定义为 Dm dDm d2 2n n1 1 Cd Cd 2 2 光谱线宽度为光谱线宽度为 nmnm 长度为 长度为 L L 的总的材料色散时延差 的总的材料色散时延差 m m 单位 单位 psps 可表示为可表示为 m DmL m DmL 10 G 652 G 653 和 G 655 等常用传输光纤的传输特性 损耗及色散 及其应用场合 G 652 光纤又称为常规单模光纤或标准单模光纤 STD SMF 被广泛应用于数据通信和图像 传输 G 653 光纤又称为色散位移光纤 DSF 将在 1310nm 附近的零色散点 移至 1550nm 波长 处的损耗系数和色散系数均很小 主要用于单信道长距离海底或陆地通信干线 其缺点是不 适合波分复用系统 G 655 光纤称为非零色散位移光纤 NZ DSF G 655 光纤在 1550nm 波长处有一低的色散 但不是最小 能有效抑制 四波混频 等非线性现象 适用于速率高于 10Gb s 的使用光 纤放大器的波分复用系统 11 光纤中非线性效应的产生机理 光纤的制造材料本身并不是一种非线性材料 但光纤的结 构使得光波以较高的能量沿光纤长度聚集在很小的光纤截面上 会引起明显的非线性光学效 应 对光纤传输系统的性能和传输特性产生影响 第 3 章 光源和光发送机 1 激光产生的物理基础 自发辐射 受激辐射 受激吸收 2 粒子数反转分布 条件是多能级物质 给予额外的能量 把处于低能级的电子激发到高能 级上去 这种分布叫做 粒子数反转分布 3 激光器结构 工作物质 光学共振腔和激励系统 4 激光器的工作特性 阈值 当外加激励的能源功率超过某一临界值时 激光物质中的粒 子数反转达到了一定程度 激光器才能克服光谐振腔内的损耗而产生激光 此临界值就称为 激光器的阀值 效率 温度 光谱特性 阀值电流随温度的升高而加大 随着激光器 工作时间增长 器件老化 阀值电流也会不断增加 5 发光二极管的结构及与半导体激光器主要异同 LED 的工作原理与 LD 基本相同 只是结构 上有所区别 LED 也采用双异质结的结构 但没有谐振腔 它发出的是自发辐射光 而不是 激光 其光谱线宽度比 LD 的谱线宽度要宽 因而色散较大 传输带宽小 发出的功率小 但 是 LED 的结构比较简单 价格低 发射功率与温度的关系小 性能较稳定 因此在小容量 短距离的光纤通信系统中得到广泛的应用 与半导体激光器的 P I 特性相比 LED 没有阈值 其线性范围较大 在注入电流较小时 曲线基本上是线性的 当注入电流较大时 由于 PN 结 的发热而出现饱和现象 6 光源调制的目的和方法 直接调制和间接调制的主要异同 要实现光纤通讯 首先要解决 如何将光信号加载到光源的发射光束上 即需要进行光调制 经调制后的光波经过光纤送至 接收端 进行光解调 还原出原来的信号 方法 光源调制可以分为直接调制和间接调制 直接调制方法仅适用于半导体光源 LD 和 LED 这种方法是把要传送的信息转变为电流信号 LD 和 LED 从而获得相应的光信号 间接调制是利用晶体的光电效应 磁光效应 声光效应 等性质来实现对激光辐射的调制 这种调制方式既适用于半导体激光器 也适用于其它类型 的激光器 直接调制会引入频率啁啾 即光脉冲的载频随时间变化 由于带啁啾的光脉冲在 光纤中传输时会加剧色散展宽 因此对于传输速率达到 10Gbit s 及以上系统需要考虑采用间 接调制 此外相干光通信系统也需要采用间接调制 7 光发送机的构成 输入电路和光发送电路 8 线路码型变换的目的和主要方法 主要方法 扰码 字变换码 插入码 目的 如码流中 连 0 连 1 数太大 将减少信号中的离散定时分量 使接收机的时钟提取比较困难 如 码流中 0 1 分布不均匀 会导致直流分量波动起伏 即基线漂移 影响判决电路对信 号的再生 因数字序列没有预定规律 不可能在运行时进行不中断通信误码检测 为了解决 上述问题 光纤线路码型要特别设计 9 LD 发送电路构成 光源驱动电路的要求和偏置电流的设置依据 驰张振荡 发送电路构 成 LD 发送电路由电平移动 LD 光源 驱动电路 预偏置电路 自动功率控制 APC 电路 和自动温度控制 ATC 电路组成 要求 输出的光脉冲峰值必须保持恒定 不管温度如何变 化或激光器如何老化 都要保持脉冲恒定 光脉冲的通断比 即消光比 应 10 以免接受 灵敏度受到损害 电流脉冲加上后 激光发射的时间必须远短于每位码元的时间段 如加上 的电流脉冲有较高的码速 则输出的光脉冲有可能引起驰张振荡 这就必须予以阻尼 防止 它对系统性能发生不良影响 依据 偏置电流值接近于激光器的阈值电流 Ith 这可以大大 减小光延迟时间 同时使光脉冲的驰张振荡得到一定程度的抑制 当激光器偏置在阈值附近 时 较小的调制脉冲电流就能得到足够的输出光脉冲 太大或太小的偏置电流会使通断比 消光比 恶化 第 4 章 光检测器和光接收机 2 PIN 光电二极管的工作特性 截止波长和吸收系数 响应度和量子效率 响应速度 线性 饱和 暗电流 噪声 PIN 光电二极管和 APD 雪崩光电二极管的工作原理 光电二极管 最基本的半导体光检测器是由反向偏置的 PN 结构成 自建场的作用使电子和 空穴产生了与扩散方向相反的飘逸移动 在 PN 结界面附近形成了高电场的耗尽区 在耗尽区 两边 电场基本为 0 称为扩散区 耗尽区和扩散区均为光子的吸收区 在入射光照射下 要吸收光能量产生光生载流子 APD 处于反向偏置的耗尽层光电二极管 当外加的反向偏压不断增强时 耗尽区内产生的 光生载流子在强电场作用下得到加速 获得很大的动能 高能的载流子与半导体晶体内的原 子相碰撞 将束缚在价带中的电子激发到导带 从而在耗尽层内产生新的电子 空穴对 这种 现象称为碰撞电离 碰撞电离的第二代载流子在耗尽层的强电场的加速下再次引起碰撞电离 而产生第三代载流子 3 光接收机的主要性能指标和主要噪声 光接收机性能的优劣的主要技术指标是接受灵敏度 误码率或信噪比 带宽和动态范围 根据噪声产生的不同机理 噪声可分为两类 散粒噪声 和热噪声 光接收机的误码率和 Q 值 光接收机的误码主要由散粒噪声 倍增噪声 热噪声等综合的总 噪声引起 误码的多少及分布不仅和总噪声的大小有关 还与总噪声的分布有关 Q D N0 Vm D N1 Q 值表示判决点门限值与噪声电压 电流 有效值的比值 称为超 扰比 含有信噪比的概念 只要知道 Q 值 就可以求出误码率 4 灵敏度 三种表示方法及其换算 输入的最小平均光功率 PR 每个光脉冲的最低平均光 子数 n0 每个光脉冲的最低平均能量 三者之间关系 T 脉冲码元时隙 d E T hfn T E P d R 22 0 T 1 hf 一个光子能量 PR的单位为 w 常用 mW 若用 dBm 来表示灵敏度 Sr b f dBm mW P S R r 1 lg10 动态范围的定义和计算 动态范围表征的是光接收机适应输入信号变化的能力 也即光接收 机灵敏度和过载功率之间的差值 dB min maxminmax lg10 1 lg10 1 lg10 P P mW mWP mW mWP D 5 影响灵敏度的因素 码间干扰 消光比 暗电流 量子效率 光波波长 信号速率 各种 噪声等 6 光中继机构成 光中继机包括光接收 再生判决和光发送部分 第 6 章 同步数字体系 SDH 1 SDH 的基本概念和特点 概念 光同步数字传送网是由一些 SDH 网元 NE 组成 在光纤 上进行同步信息传送 复用和交叉连接的网络 它具有全世界统一的网络节点接口 NNI 从而简化了信号的互通以及信号的传输 复用 交叉连接和交换过程 特点 实现了数字 传输体制上的世界性标准 采用了同步复用方式和灵活的复用映射结构 SDH 帧结构中 安排了丰富的开销比特 将标准光接口综合进各种不同的网元 从而简化了硬件 缓解了 布线拥挤 减少了成本 SDH 网具有信息静负荷的透明性 SDH 网还具有定时透明性 用一个光接口代替了大量电接口 使网络可用性和误码性能都得到改善 运营成本也大大 减少 有唯一的网络节点接口标准 从而可使通信网络具有多厂家互操作能力 SDH SONET 网具有完全的前向和后向兼容性 核心有 3 条 同步复用 标准光接口和强大的 网管能力 2 SDH 的速率等级和帧结构 同步数字体系信号最基本也是最重要的模块信号是同步传送模 块 STM 其最低级别的 STM 1 网络节点接口的速率为 155 520Mbit s 相应的光接口信号也 只是 STM 1 信号经扰码后的电 光变换结果 因而速率不变 更高等级的 STM N 信号是将基本 模块 STM 1 以字节交错间插的方式同步复用的结果 其速率是 155 520Mbit s 的 N 倍 SDH 要求能对各种支路信号进行同步的复用 交叉连接和交换 因而帧结构必须能适应所有这些 功能 同时也希望支路信号在一帧内的分布均匀 有规律的 以便进行接入和提取 还要求 帧结构能对北美 1 5Mbit s 和欧洲 2Mbit s 系列信号同样方便和实用 3 SDH 帧结构中各部分的构成与作用 段开销区域 段开销是指 STM 帧结构中为了保证信息 净负荷正常灵活传送所必须的附加字节 主要是供网络运行 管理和维护使用的字节 管理 单元指针区域 AUPTR 是一种指示符 主要用来指示信息净负荷的第 1 个字节在 STM N 帧内 的准确位置 以便在接受端正确的分解 信息净负荷区域 信息净负荷区就是帧结构中存放 各种信息容量的地方 4 我国采用的复用映射路线 我国光同步传输体制规定以 2048Kbit s 为基础的 PDH 系列作为 SDH 的有效负荷 并选用 AU 4 复用路线 5 网同步的主要方法 网内主从同步和网间伪同步 从时钟的工作模式 正常工作模式 保 持模式 自由运行模式 6 二纤单向通道保护环工作原理 二纤单向通道保护环的体系结构以信号双重输入概念为基 础 它在每个节点有一个 ADM 和以相反方向传送业务的一对光纤 信号按顺时针和逆时针两 个被输入环中 在接收点可以接收到具有不同时延的两个完全相同的信号 这两个信号被分 别指定为主信号和辅信号 在正常操作中 尽管这两个信号都被监测 但只使用主信号 如 果环被切断 可以执行适当的保护切换来选择辅信号 使业务得到恢复 7 四纤双向复用段保护环工作原理 四纤双向复用段保护环的保护能力是利用 APS 在光缆切 断或节点故障的情况下执行环回功能实现的 四纤双向复用段保护环的业务量在相同路由的 两条光纤上双向传送 两条保护光纤作为备用 在光缆被切断的情况下 业务量在下一个节 点被阻截 而通过保护光纤被反向送往目的地 第 7 章 光波分复用系统 1 光波分复用的基本概念和应用形式 光波分复用技术是在一根光纤上能同时传送多波长光 信号的一项技术 应用形式 双纤单项传输 单纤双向传输 光分路插入传输 2 WDM 系统的分类方法 有线路光放大器 WDM 系统和无线路光放大器 WDM 系统 3 光波长区的分配要求 标称中心频率和最小通路间隔 通路分配表 中心频率偏差等 WDM 系统的关键技术 光纤选型和监控技术 带外波长监控技术 带内波长监控技术 带内带 外联合监控技术 光监控信道的保护 4 四波混频效应及其影响 四波混频亦称四声子混合 是光纤介质三阶极化实部作用产生的 一种光波间耦合效应 是因不同波长的两三个光波相互作用而导致在其它波长上产生所谓混 频产物 或边带的新光波 这种互作用可能发生于多信道系统的信号之间 可以产生三倍频 和频 差频等多种参量效应 影响 四波混频 效应会造成信道间的串扰 光纤的色散效 应限制了信道速率的提高 第 8 章 数字光纤通信系统性能 1 数字传输模型概念和分类 由于数字信号在传输的过程中会受到各种损伤 因此在进行传 输系统设计时需要规定各部分设备的性能 以保证把他们构成一个完整的传输系统时 能满 足总的传输性能要求 模型分为 假设参考连接 HRX 假设参考数字链路 HRDL 和假设 参考数字段 HRDS 2 误码特性及其评定方法 误码性能的规范 误码也称为差错 对于一个数字传输系统而言 出现误码也就意味着发送和接受的数字序列出现了不一致 评定方法 长期平均误码率和无 码时间百分数 性能的规范 N 64Kbit s 数字连接的误码性能和高比特率数字通道的性能 G 821 和 G 826 规范 长期误码率不能正确反映系统误码率的性能 所谓平均误码率 是指测量期间内收到的错误比特数与同一时期传送的全部比特数之比 用 长期误码率的方法评定误码 即用在较长时间内平均比特误码率不超过某一定值来衡量 因 此 仅适用于误码是单个随机发生的情况 而对于突发的群误码情况不能正确评定 因为可 能在某一限定时间内突发群误码导致误码率远超过可以接收的水平 而在其他时间内误码率 非常小 这样高误码率发生时期对通信业务质量影响并未反映出来 因此采用这种评定方法 有局限性 3 抖动的定义 数字信号的各有效瞬间对理想时间位置的短时偏移 单位 用 单位间隔 或称时隙 UI 作单位 ns 传输速率 bit 1 1 UI 抖动性能的规范及来源 来源 线路系统的抖动和复用器的抖动 规范 PDH 网的抖动性能 规范 网络接口的最大允许抖动 设备输入口的抖动和漂移容限 设备抖动传递特性 SDH 网的抖动性能规范 网络接口的最大允许抖动 设备输入口的抖动和漂移容限 4 漂移和延时基本概念 漂移 漂移的定义为数字信号的特定时刻 例如最佳抽样时刻 相 对其理想时间位置的长时间位移 延时 延时是指数字信号传输的群延时 即数字信号以群 速通过一个数字连接所经历的时间 又称包络延时 第 9 章 光接入网 1 接入网和光接入网的定义和结构 G 920 接入网定义和模型 接入网是由业务节点接口 SNI 和用户网络接口 UNI 之间的一系列传送实体 如线路设施和传输设施 组成的 为传送电信业务提供所需要的传送承载能力的实施系统 可经由