现代通信-ch5PPT课件

1、20.04.2021,1,第五章 光纤通信系统,一、光纤通信概述 二、光导纤维 三、光发信机 四、光接收机 五、光纤无源器件 六、光纤通信网络 七、光纤通信系统的总体设计和技术发展 ,20.04.2021,2,一、光纤通信概述,（一）光纤通信的发展过程： 19世纪、电报，电话 20世纪初，带宽不断加宽，频率不断提高，通讯容量加大，但限制在100（Mb/s)Km。 60年代，发明激光器,1966年高锟博士提出以光导纤维为传输介质。1000dB/Km衰减很大。 1970年，20dB/Km，开始光纤通信。 70年代-现在 五代的发展:,20.04.2021,3,一、光纤通信概论,第一代: 0.85m

2、短波长, 1974, 50-100Mb/s,10km 多模光纤 第二代: 1.3m 长波长, 1.7Gb/s, 50km, 单模光纤 第三代: 1.55m 长波长, 2.4Gb/s, 100km 第四代: 1.55m 长波长, 2.5Gb/s, 4500km或 10Gb/s,1500km 频分复用,光放大器 第五代: 光孤子 2.5Gb/s 14000km,20.04.2021,4,20.04.2021,5,（二）光纤导光原理 光纤是一种介质波导，具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构，其直径大的约只有0.1mm，它是由两种折射率不同的玻璃构成的，如图5-1芯的折射率为n1，包层的折射率

3、为n2。取n1大于n2，于是，按照几何光学的全反射原理，光线在光纤芯中传播，经过弯曲的路由也不会射出光纤之外。,20.04.2021,6,（三）优点及应用： 、通信容量大 3*1014 Hz 语言4*103 Hz 750亿 、损耗低，传输距离长 、不受电磁干扰，通信质量高 、尺寸小、重量轻，便于施工 、原料为SiO2，很丰富 应用领域：公用电信网，计算机网络，广播电视以及电力、石油、化工、机械等领域。,一、光纤通信概论,20.04.2021,7,一、光纤通信概论,（四）光纤通信系统组成与调制方式 由发射机，信道和接收机三部分组成。,20.04.2021,8,要实现光通信就必须对作为载体的光进行

4、调制,这里光发信机实质上是一个电光调制器，它用发送端机送来的信号对光源进行调制。 光纤通信系统可归结为电光电的简单模型。即需传输的信号必须先变成电信号，然后转换成光信号在光纤内传输，对端又将光信号变成电信号。整个过程中，光的部分只起传输作用，对于信号的生成和处理，仍由电系统来完成。,20.04.2021,9,二、光导纤维,（一）光纤的种类与结构 光纤的种类很多，按光纤材料不同，常见的有以下几种： 石英光纤，其衰耗约为0.26dB/km； 多组分玻璃光纤，其衰耗约为420dB/km； 全塑光纤，衰耗约为100500dB/km。 石英光纤衰减最小，适用于长距离大容量传输。全塑光纤价格使宜，可用于某

5、些特殊短距离场合。,20.04.2021,10,二、光导纤维,纤芯（含氟或硼的SiO2)降低折射率,包层(含磷等掺杂剂的SiO2 )提高折射率,涂敷层,光纤的结构如所示。中心部分是玻璃制作的纤芯，其折射率为n1.芯子的外面覆盖了一层折射率为n2的玻璃包层，取n2n1，并有折射率差(n1-n2)/n11左右。在包层外面再套上一层塑料，以提高光纤机械强度并起保护作用。,20.04.2021,11,二、光导纤维,按光纤的结构不同，可分为：,阶跃光纤 渐变光纤,20.04.2021,12,二、光导纤维,阶跃光纤：纤芯的折射率与包层的折射率成阶跃型分布； 目前，单模光纤多属此类 渐变光纤：纤芯的折射率分

6、布曲线近似为抛物线； 目前，多模光纤多属此类 三角型光纤：纤芯的折射率分布曲线为三角形，是一种新 型的单模光纤,20.04.2021,13,二、光导纤维,按传输光场的模式不同，又可分为：,单模光纤 多模光纤,20.04.2021,14,二、光导纤维,模式：电磁波的传播形式。 多模光纤：光纤中传输光波的模式有多个。纤芯直径一般为50um，折射率分布为渐变型，外径125um。用于中容量、中距离通信系统。 单模光纤：光纤中传输光波的模式只有一个。纤芯直径一般为810um，外径125um。用于大容量、长距离通信系统。 光纤中能够传播的模式数目的多少取决于光纤的工作频率、折射率剖面分布和结构参数。对于结

7、构确定的光纤，当工作频率小于某一值（归一化截止频率）时，光纤只能传输基模，即为单模光纤，否则为多模光纤。,20.04.2021,15,二、光导纤维,表5-1 光纤分类及主要性能,20.04.2021,16,二、光导纤维,（二）光缆及连接技术：,a.光缆及其结构：,20.04.2021,17,b.光纤及光缆的连接：,二、光导纤维,固定熔解,活动光纤连接,光缆连接,20.04.2021,18,（三）光纤传输特性 1、光纤的传输模 “模”来源于电磁场的概念，光实质上也是电磁波，这里所说“模”，实际上是光场的模式。多模光纤可以传输多种模式的光场。用几何光学的概念来说，即它可以传播多种角度的光线。单模光

8、纤只能传输一种模式的光场如HE11模。 根据全反射原理，不是所有模式的光线均可在光纤内传播只有小于光纤的全反射截止角c又称传输角范围内的模式光线才能在光纤内继续传播。把它们称为光纤的传输模。,20.04.2021,19,二、光导纤维,a.阶跃光纤（多模）：,b.渐变光纤（多模）,20.04.2021,20,2光纤的色散特性 不同模式和不同工作波长的光信号，在光纤中将有不同的传播速度，即有色散。光纤的色散分为模式色散和波长色散(包括材料色散和波导色散)。 模式色散：不同的入射光线同时进入光纤的输入端，但是它们到达光纤的输出端的时间却不相同，使光的脉冲展宽。 材料色散: 材料的折射率与光的波长有关

9、，而光纤通信系统中光源的谱线有一定宽度，则传输后会引起光纤的脉冲展宽。 波导色散: 由于光纤的芯与包层间界面的不平滑等几何结构引起的色散称为波导色散。,20.04.2021,21,二、光导纤维,3、光纤的频率特性和冲激响应 光纤的频率特性是指调制的光通过光纤的频率的特性。因为光纤具有色散，光纤的带宽就会受到色散的限制。光纤的色散越大，带宽就越窄。 (1)光纤的带宽 光纤的带宽是由光纤的基带频率响应曲线下降3dB时的频率定义的。此时对应的调制频率fc称为光纤的3dB光带宽。即带宽fc满足下式：,20.04.2021,22,(2)光纤冲激响应 理论和实验表明，带宽为fc的光纤频率特性近似为高斯形曲

10、线。如图5-6所示，则光纤的冲激响应可表示为：,相应的波形见图5-7，称为脉冲色散或展宽。通常采用光脉冲的半高宽度来表示光脉冲的宽度。理论上可证明，带宽与脉冲展宽有下列关系 ：,20.04.2021,23,式中， 就是光纤总色散。,20.04.2021,24,(3)光纤带宽与长度的关系 随着光纤长度的增长，脉冲展宽增大，光纤的带宽变窄。前面讨论的光纤的色散和带宽，都是指单位长度即1km的值。一条光纤通信线路中继距离为十几到几十公里，这时光纤传输线的带宽，由于光纤中模式变换的作用，它与传输线长度L有以下经验公式：,式中，f1km是长度为1km光纤的带宽，=0.51.0，称为光纤的带宽距离指数，其

11、值大小取决于光纤工艺的均匀性。,20.04.2021,25,4、光纤的衰减特性 光纤的衰减特性通常用dB/km(分贝公里)表示，它的定义为 ：,式中，L为光纤的长度，Pi为光纤输入端的功率，P0为光纤输出的功率。例如光能经过1km长的光纤后，输出光功率是输入的一半，则称此光纤的衰减3dBkm。,20.04.2021,26,引起光纤中光能量衰减的原因有吸收损耗和散射损耗等，可如下表示： 本征材料吸收 吸收损耗 不纯物吸收 光纤衰减 OH离子吸收 瑞利散射损耗 散射损耗 结构不均匀散射损耗,20.04.2021,27,二、光导纤维,a.本征损耗：光纤材料固有的一种损耗，包括吸收损 耗、瑞利散射损耗

12、。无法避免。 b.光纤制造损耗：由不纯成分的吸收和结构缺陷引起。 c.附加损耗：成纤之后出现的损耗，如弯曲损耗。 下图为石英光纤几种损耗的综合曲线，在1.31um和1.55um处有两个低损耗谷，目前光纤通信系统主要工作在这两个波段上，尤其是1.55um处损耗更小，传输频带也更宽。,20.04.2021,28,二、光导纤维,不同光纤类型的衰减和色散,20.04.2021,29,二、光导纤维,20.04.2021,30,5. 光纤数值孔径NA 由于光纤是按照全反射原理来传播光能的，所以光纤只能吸收和传输一定范围的入射角的光线。如果入射角太大，超过了临界角，则光线从光纤芯射出，穿入包层到空气中。 为

13、了表征光纤对光线的接收角，通常用数值孔径NA来表示，NA定义为：,式中，n0为空气折射率， 为临界接收角。,20.04.2021,31,利用光学折射定理可导出阶跃光纤数值孔径： 其中，=（nn2）/n1，n0=1。 对于浙变型光纤，芯部折射率为其半径r的函数，同样方法可推导其数值孔径为：,式中，n（0）为芯中心即r=0处折射率，n(a)为其芯在包层边缘处的折射率。,20.04.2021,32,当n(0)=n1，n（a）=n2时，其最大理论数值孔径为：,从光纤与光源耦合观点看，希望NA大，但NA大即要求大，而同时模式色散也越大，光纤带宽变窄，故要折衷考虑的取值。目前我国生产的光纤，其数值孔径值取

14、NA0.2土0.02。,20.04.2021,33,三、光发信机,光发信机的作用是将电信号变成光信号，然后送入光纤中传输出去。光发信机的典型组成如图5-9所示。,20.04.2021,34,（一）光源 光纤通信用光源有两种：发光二极管LED和激光器LD。光源器件的作用在光发射机中占有决定性的地位，因为半导体光源器件不但具有发射光载波的功能，同时也具有作为调制器的功能。 LED和LD使用的半导体材料是：短波长工作区为三元化合物GaAlAs；长波长工作区为三元和四元化合物InGaAs、InGaAsP和InGaAsSb。它们都是利用这些材料的自发辐射或受激辐射发光的。 LED发出的是荧光，LD发出的

15、是激光。,20.04.2021,35,1. 发光二极管LED 发光二极管LED是最简单又实用的光源，一般用于低速短距离的光纤通信系统。 其优点是：寿命长、稳定可靠、调制方便、驱动电路简单而价格便宜。 其缺点是：辐射光为荧光而不是激光，输出光功率低，影响了系统的传输距离；辐射光的谱线宽，通常，在光纤中引起的材料色散不可忽略，辐射光远场图发散角大，与光纤的耦合效率较低。 如果在发光二极管LED上通以电流，其输出光功率P与电流I的关系曲线如图5-10。,20.04.2021,36,20.04.2021,37,LED的调制特性如图5-11。一般LED最高调制频率为2060MHz。随驱动电流不同，调制速

16、率也有所改变。一般在电流密度大时调制速率也较高。,20.04.2021,38,2. 激光器LD 半导体激光器(LD)发射的光和LED不同，是一种相干光，即单色性非常好的光。它的谱线窄、光束细、功率强、调制速率高，是一种比较理想的光源。 LD一般用于中长距离、大容量的光纤通信系统中。但它的寿命和稳定性尚需改进。,20.04.2021,39,（1）LD输出光功率持性 输出光功率特性是指LD的输出光功率P与其注入电流I的关系曲线，如图5-12所示。 （2）LD的温度特性 注入LD的电功率有一大部分将在LD中P-N结构转换为热能消耗掉，只有一小部分转换为光功率。消耗掉的热能将使结温升高，从而导致阈值电

17、流变化，引起输出特性发生变化。图5-13所示为结温分别为几种值时LD的输出特性。,20.04.2021,40,20.04.2021,41,（3）LD的谱线 短波长GaAsAl激光器的光谱特性如图5-14（a），它只有一根谱线，称为单纵模；有些激光器的谱线如图5-14（b），它具有几根谱线，称为多纵模。,20.04.2021,42,（4）LD的光束空间分布特性 LD发射的光功率典型分布如图5-15所示。,20.04.2021,43,一个良好的激光器输出的光功率分布如图5-16所示的实线，它只有一个光斑，激射的是0阶模或称为单横模。,20.04.2021,44,在光纤通信系统中，为了使光能的大部分

18、耦合到光纤中去，一般要求LD激射单横模。 LD的光束空间分布特性直影响着与光纤耦合效率。发射角越小，耦合效率越高。LD典型发光面积约120um，其发射角一般为土5土15。 目前商用LD内部已与一段光纤耦合好，便于用户使用。这段光纤称为尾巴光纤。,20.04.2021,45,（5）LD的调制待性 典型的LD的调制频率特性如图5-17所示。,20.04.2021,46,当对LD进行高速脉冲调制时，将会出现较为复杂的瞬态特性：张弛振荡、自脉冲现象以及码型效应等。 当LD为高速脉码调制时，在脉冲的前后沿处，输出的光脉冲将发生频率为几百MHz到2GHz的衰减式的张弛振荡，如图5-18所示。它使光脉冲失真

19、，对系统传输有损害。,20.04.2021,47,如果LD的输出特性存在明显的扭折，则当注入电流进入扭折区时，在脉冲的前后沿处，将发生持续的等幅自脉冲现象，其振荡频率和张弛振荡处于同一数量级，如图5-19所示。,自脉冲现象属于一种高频干扰，会影响LD的高码速调制。,20.04.2021,48,码型效应的出现，会在“0”码的地方出现“1”码的差错，增加系统的误码率。,LD工作在脉冲状态时，由于有源区内载流子的残留和积累作用，将出现后一个光脉冲幅度高于前一个光脉冲幅度的码型效应，如图5-20所示。,20.04.2021,49,（6）LD使用及寿命 LD比较娇嫩，且价格昂贵，运用不当很易损坏。故需注

20、意LD不能有过大的电充冲击。例如对LD输人23倍于阈值电流的暂态冲击，一次就能损坏。另外LD应注意充分散热，必须采用较大的散热罩，而且接触面必须良好。,20.04.2021,50,（二）光发信机电路 为了使光纤中传输的光场携带信息，就要对LD或LED发出的光的某些参量（如幅度等）进行调制。光发信机电路主要完成这个工作。 就调制器与光源之间的关系而言，可分为内调制和外调制。内调制是指直接把信息通过光频发生器加在光波上的调制方法，目前最常用的方法是改变半导体光源器件的激励电流。而得到光频的调幅波，称为直接光强度调制。外调制是指利用某些特定物质的电光、声光、磁光效应对光能的吸收作用，在光源以外的光路

21、中进行调制。,20.04.2021,51,1模拟调制电路 模拟调制是利用模拟信号控制光源的注入电流，使输出光功率随调制信号线性变化的方法。其调制原理如图5-21所示。,20.04.2021,52,（1）驱动电路,20.04.2021,53,（2）LED调制补偿电路 光纤模拟传输系统主要用来传输图象信号，LED输出特性的非线性带来的影响不可忽视，必须采取措施补偿LED非线性。 LED非线性失真的补 偿，最常用的方法是预 失真法，即在驱动电路 里增加一个非线性电路 ，使它的输出待性正好 与LED的输出特性相反 ，两者实现互补，如 图5-24所示。,20.04.2021,54,图5-25(a)为一种

22、常用微分增益预畸变补偿电路，图5-25(b)为一种常用的微分相位补偿电路。,20.04.2021,55,2数字调制电路 数字调制方式中的调制信号是PCM脉冲，所以光源的P-I特性的非线性不再是主要考虑的问题。而电路的开关工作速度成为第一位问题。即调制速率是数字调制电路主要考虑的问题。 根据光源的调制特性，在较低速率的数字光发信机中，多用LED作光源，此时调制电路也较简单。在较高速率的数字光发信机中，多采用LD作光源，使用较复杂，以下分别讨论。,20.04.2021,56,（1）LED光源的驱动电路 图5-26所示为一种简单的共发射极驱动电路。图中C1为加速电容，R2为限流电阻，导通时Q1工作于

23、饱和状态。这种电路工作速率低，电源滤波要求高。 图5-27为一种ECL电平兼容的射极耦合LED实际驱动电路。该电路可工作在50Mbs，当使用高速ECL逻辑器件和高速晶体管时，该电路可工作到300Mbs。,20.04.2021,57,20.04.2021,58,（2）LD驱动电路 调制原理如图5-28所示。前面所述LED驱动电路，稍加改动，原则上也适用于LD。,不过与LED相比，LD的调制要复杂得多，尤其在高速率调制时，必须适当地选择驱动条件，即选择偏置电流I0和调制电流Im。一般应考虑如下几个方面问题：,20.04.2021,59,A. 需要一个较大的直流偏置电流I0；加大I0逼近阂值Ith，

24、可以使光电延迟大大减小，使张弛振荡受到一定的抑制。 B当I0在Ith附近时，较小的调制脉冲电流幅度就可得到足够的输出光脉冲，I0和 I0+Im的值相差不大，这样可以减少码型效应和结发热效应的影响。 C. 另一方面，加大I0会使LD的消光比恶化，所谓消光比，是指LD在全“0”码时发射的功率与全“1”码时发射的功率之比，即,20.04.2021,60,而光源的消光比将直接影响接收机的灵敏度。一个性能优良的光发信机，消光比应小于10，如果取I0Ith将使消光比恶化，降低接收机的灵敏度。 D室温下双质结GaAlAs激光器的散粒噪声在Ith附近出现最大值，而在Ith之上，如果P-I曲线的线性较好，散粒噪

25、声会随电流的升高而降低。 因此，驱动电流的选择，要兼顾到光电延迟、张弛振荡、码型效应，结发热效应以及LD的噪声、消光比等各方面情况。根据具体的系统要求，具体的器件，适当加以选择。,20.04.2021,61,常用的调制和控制电路有如下几种： A简单的LD驱动电路 图5-31为由场效应管(FET)组成的简单LD驱动电路，FET工作在导通和夹断两个状态。利用GaAsFET的高速开关特性，该电路可以做到1Gb/s。但由于电路中无功率控制电路，当温度变化时，不能可靠工作。,20.04.2021,62,B反馈稳定式LD驱动电路 图5-32为反馈稳定式LD驱动电路，其驱动电路与LED的射极耦合器完全相同。

26、,20.04.2021,63,四、光接收机,光接收机组成框图如图5-33所示，其功能是接收经传输衰减后的十分微弱的光信号，从中检测出传送的信息，放大到足够大后，供终端处理使用。,光接收机的主要质量指标是灵敏度，即接收机在保证一定信号质量的条件下所需接收的最小光功率，以dBm表示。,20.04.2021,64,（一） 光电检测器 光电检测器件一般有光电二极管(PIN管)和雪崩二极管(APD)。 1. PIN管 PIN管的性能，常用光电转换效率响应速度和暗电流等指标来描述。 PIN的光电转换效率常用量子效率或响应度来衡量。量子效率定义为：,PIN的值一般在3095%之间。,20.04.2021,6

27、5,响应度定义为：,它表示单位光功率转换成光生电流的数值，因此同样描述了光电二极管的光电转换效率。 响应速度是光电二极管的另一个重要指标。它表示器件对高速调制光信号的反应能力。对脉冲调制光信号的响应速度，常以电流脉冲上升时间 (10上升到90幅度的时间)和下降时间 (90幅度下降到10的时间)来表示。对正弦调制的光信号，响应速度则以截止频率表示。,20.04.2021,66,PIN的暗电流是指器件在反偏状态下，无光照射时输出的反向直流电流Id。产生Id机理很复杂，其量级较小，一般为nA量级。Id是器件噪声的主要来源之一，其性质属散弹噪声一类。,20.04.2021,67,2雪崩光电二接管APD

28、 光纤中，光接收端光功率一般在60dBm左右，对如此微弱的信号，用PIN是很难检测到信号的。为此，人们常常用APD来检测。APD是一种具有增益的光电检测器件，响应度较高，效果较好。 (1)工作原理 APD所用的偏压较大，它使APD内形成一个高场区。当光信号照射到APD上，光子激出电子空穴对之后，受高场区内电场加速，可以碰撞出二次电子孔穴对，形成光电流倍增，提高了器件的响应度。,20.04.2021,68,(2)APD性能 A倍增因子g 式中，Ip为一次光生电流；I0为倍增后的电流。倍增因子g与加在APD的偏压大小有关，有经验公式描述g与偏压之间关系：,式中，VB为二极管击穿电压；V为偏压。n为

29、一常数，它的大小与半导体材料有关。,20.04.2021,69,g与V有如图5-34的关系曲线。,20.04.2021,70,B过剩噪声指数x APD的雪崩倍增效应不仅对光生信号电流有放大作用，同样对噪声电流也有放大作用。由APD产生的散弹噪声电流均方值可表示为：,实际上倍增作用并不是固定不变的，对于某一特定的光子载流子而言，能产生的雪崩载流子数是随机的，g只不过是表示雪崩放大作用的统计平均值而已。由于倍增作用的随机性，使光生电流中引入新的噪声成分，它被称为APD的过剩噪声，因此，使总的散弹噪声增加，可表示为,20.04.2021,71,式中，把x称为过剩噪声指数，用它来表示额外引入噪声的大小

30、。x的值与APD的制造工艺和材料有关，对Si-APD，x在0.30.5之间；对Ge-APD，x在0.81.0之间；对InGeAsP-APD，x在O.50.7之间。 C其他参数 除上述倍增因子和过剩噪声指数外，APD和PIN一样同样有工作波长、量子效率、暗电流及响应速度等性能指标，它们的定义和PIN管一样。,20.04.2021,72,（二）光接收机的噪声特性 衡量接收机输出信号质量的指标是信噪比，信噪比直接与接收机噪声特性有关。为了计算各种噪声因素对信噪比的影响，可把它们都等效到接收机输入端一并考虑，此时接收机可视为理想无噪声的了。 1. 光接收机的噪声等效模型 图5-35为光接收机的噪声等效

31、模型。在理想放大器的输入端，由两部分组成。左边为光电检测器等效部分，包括光生电流源Ip表示信号，检测器输出的量子噪声(其功率谱密度为SIp)，以及暗电流噪声(其功率谱密度为SId)。C为光电检测器等效电容。R为光电检测器的偏置电阻。,20.04.2021,73,等效电路另一部分为放大器等效的等效噪声电压源和电流源，同样以其功率谱密度SE和Sl表示，Rin为放大器的等效输入电阻。,20.04.2021,74,2. 光电检测器的噪声来源 对于PIN光电检测器，有暗电流会产生散弹噪声；对APD，有过剩噪声；除上述暗电流噪声和过剩噪声源以外，还存在量子噪声，它是由照射在器件上的光的粒子性引起的，是电系

32、统中所没有的。 综上所述，光电检测器输出的等效噪声中，包含有量子噪声、暗电流噪声和过剩噪声的成分，而不含热噪声。这与电系统不一样。热噪声是电接收系统灵敏度的最终限制。而上述光接收系统的输入信号中，量子噪声成为主要的噪声成分。因此，在光接收机中，量子噪声才是灵敏度极限的最终限制。,20.04.2021,75,式中，K为波耳兹曼常数， K1.3810-23JK， T为绝对温度，gm为FET跨导。 其等效噪声电流源功率密度SI=0 其等效输入电阻Rin,3. 放大器的等效噪声 (1)场效应晶体管(FET)放大器等效噪声 如图5-36所示FET放大器电路，经分析，其等效噪声电压源功率谱密度为：,20.

33、04.2021,76,(2)双极晶体管放大器等效噪声 BJT放大器电路如图5-37，经分析同样有：,式中，Ic为集电极电流直流成分，Ib为基极直流电流。 Rin=KT/（e0Ib）,20.04.2021,77,4. 光接收机输出信噪比计算 可根据图5-35等效电路进行计算噪声功率PN0 输出信噪比为,20.04.2021,78,五、光纤无源器件,光纤通信系统除了电端机(例如数字光纤系统中的PCM端机)，光端机和光纤传输线外，还需要一些无源器件如光纤活动连接器、光开关和光衰减器等。 （一）光纤活动连接器 它的主要用途是用于光纤与光端机的连接。光纤活动连接器结构如图5-39，由三部分组成：两个插头

34、和一个插座。插座一般是安装在机壳上，而插头上各包含一根被对接的光纤，通过它与要被对接的光纤或器件相连接。连接时，两个插头均匀插入插座内。,20.04.2021,79,20.04.2021,80,（二）光开关 光开关的主要用途是切换光路。实际系统中，为了系统安全可靠的工作，除了主传输系统外，还有备用传输系统。当主系统发生故障时，光开关应自动进行光路切换，使光路由主传输系统切换到备用传输系统上去。 （三）光衰减器 光衰减器是一种衰减光路光能的无源光学器件。它主要用于测试光接收机的接收灵敏度和动态范围。按其对光能的衰减方式，可分为固定式、步进式和连续变式三种。,20.04.2021,81,20.04

35、.2021,82,六、光纤通信网络,（一）光纤通信网络的分类 1、按覆盖范围分类 宽域网（WAN）、城域网（MAN）、局域网（LAN） 2、按拓扑结构分类 总线形、环形、星形、树形 3、按技术体制分类 准同步数字（PDH）光传输网络 （基群、二次、三次、四次和五次群网络） 同步数字（SDH）光传输网络 （STM-1、STM-4、STM-16） （155Mb/S、622Mb/S、2.5Gb/S）,20.04.2021,83,a.点对点传输,b.光纤分配网 市内电话网络，CATV, B-ISDN 中心站和总线型,20.04.2021,84,20.04.2021,85,c.局域网络(LAN),位置相

36、对较近(10km) 每一个用户接收/发送,20.04.2021,86,（二）光同步数字传输网 SONET/SDH（同步光纤网/同步数字序列）,What is SONET, What is SDH,20.04.2021,87,（二）光同步数字传输网 1、准同步数字体系（PDH）的缺陷 （1）两大不同数字系列的兼容性问题； 北美、日本1544kbit/s，欧洲、中国2048kbit/s， （2）逐级复接增加了设备复杂性； （3）对数字通信网的管理能力不足（预流的比特少） （4）没有标准化的光接口。 （5）PDH系统建立在点对点传输的基础上，无法提供最佳的路由选择，通道利用率低。 SDH克服了PDH

37、的弱点，具有通信容量大、传输性能好、接口标准、组网灵活方便、管理功能强大等优点。,20.04.2021,88,（二）光同步数字传输网 2、SDH的帧结构 （1）速率等级 同步传输模块STM-N（Synchronous Transport Module Level N）的标准速率为： STM-1155.520Mbit/s STM-4622.080Mbit/s STM-162488.32Mbit/s,20.04.2021,89,2、SDH的帧结构 （2） SDH的块状帧结构 SDH采用以字节结构为基础的矩形块状帧结构，一帧由270N列和9行的字节（每字节8bit）组成，N表示SDH的等级，每帧的时

38、间为125us，帧的重复速率是8000帧/秒，与话音的取样频率相同。 STM-N的帧结构如图所示，图中净负荷是结构中存放各种信息容量的地方，其中含有少量用于通道监测、管理和控制的通道开销字节（POH：Path Overhead）。,20.04.2021,90,9270N字节,SOH AU PTR STM-N净负荷 （含POH） SOH 9N 261N 270N列,传输 方向,1 3 4 5 9,20.04.2021,91,下图为STM-1 中SOH各字节内容,9字节,RSOH,MSOH,9行,20.04.2021,92,RSOH：再生段开销 MSOH：复用段开销 AU PTR：管理单元指针，用

39、来指示信息净负荷的 第一个字节在STM-N帧内的准确位置，以 便在接收端正确的分解。 ：国内使用字节 ：不扰码国内使用字节 ：与传输媒介有关的字节,20.04.2021,93,（3）段开销字节安排(SDH各字节功能）,20.04.2021,94,3、SDH的网络结构 1994年颁布的光同步数字传输网技术体制规定了我国SDH公用网结构，将SDH网分成四层，从最低到最高依次为：用户（接入）网、中继网、二级干线网和一级干线网。 通常，干线网用较高速率的传输链路组成网状网，即各节点均有线路直通；用户网则用较低速率的传输链路相连，但亦有自愈环网功能。 构成SDH网络的各个部件各有不同的作用，它们称为SD

40、H网络的基本网元：,20.04.2021,95,SDH网络的四大类网元： （1）数字交叉连接设备（DXC） DXC允许接入不同等级速率的数字信号，能对接入信号码流全部或部分实行交叉连接（交换），也能从高等级信号中分出或插入低等级信号，例如从STM-1中分接/复接2048kbit/s的信号。,20.04.2021,96,（2）分/插复用设备（ADM） 从任何一级线路信号中分出或插入低级信号，如从STM-16中分/插STM-1信号。,20.04.2021,97,（3）同步复用设备（MUX） 用于完成将低级SDH信号复接成高级SDH信号，或把PDH信号复用到SDH信号中。它往往是DXC或ADM的一部

41、分。,20.04.2021,98,（4）同步再生器（REG） 即光中继器，其功能是接收来自光纤线路的信号并再生还原后送到下一段光纤线路。,20.04.2021,99,（三）光纤用户接入网 光纤用户接入网介于市话中继网与用户之间。直接担负用户的信息传输与交换。 1。基本形式 目前，光纤到户（FTTH）的成本过高，用户难以接受。同时许多用户暂不需要宽带多媒体业务接入，因此在用户接入网的整个长度上不必全部采用光纤实现FTTH，而是根据实际情况，分别采用以下接入方式： FTTH 光纤到家FTTB 光纤到大楼 FTTC 光纤到路边FTTO 光纤到办公室 FTTZ 光纤到小区FTTF 光纤到楼层 FTTN

42、 光纤到邻里FTTR 光纤到远端节点 各种不同方式的主要区别在于ONU（光网络单元）放设的位置不同。,20.04.2021,100,2。混合光纤同轴型接入网（HFC） HFC是为住宅用户提供视像宽带业务的一种接入网方式。基本特征：以模拟传输方式为主，称为副载波调制光纤同轴总线型接入网，具有交换功能，可以提供交互式业务，综合接入多种业务信息。 HFC的主干系统使用光纤，采用频分复用方式传输多种信息；配线部分使用树状拓扑结构的同轴电缆系统传输和分配用户信息。在HFC网上传输数字信息（语音、图象）时，必须经过宽带调制器（如64QAM），将数字信号调制到模拟信道中传输。 HFC可以解决CATV、电话、

43、数据等业务的综合接入问题。,20.04.2021,101,HFC工作原理示意图,20.04.2021,102,3. 交互式数字视频型接入网（SDV） SDV是由HFC与FTTC结合起来的一种组网方式。SDV主干传输部分采用共缆分纤的SDM（空分复用）方式分别传输双向数字信号和单向模拟视像信号。 SDV的主要优点： 数字视像和模拟视像兼容； 能可靠传送电信业务； 可充分利用现有的HFC有线电视网，不必改造。 SDV的问题：成本较高，要求用户数达到一定比例。,20.04.2021,103,SDV结构原理图：,20.04.2021,104,4.无源光网络（PON） 在PON中，信号从交换中心由光纤和

44、光分路器直接分送到用户。 PON的主要优点： 初次投资小、使用灵活； PON的问题：分路器产生损耗，传输距离不能很远。 解决：有源光网络，即用有源电复用设备代替无源光分路器。,20.04.2021,105,（四）多信道光纤通信系统,1、光频分复用系统,强度调制直接监测（IMDD) 效率低 光频分复用（OFDM)：就是不同信道的信号采用不同的频率的光载波，多路光信号通过光学复用后在同一条光纤中传输，在接收端同样需要采用光学的方法解复用而获得每一信道的信号。 当信道间隔较大（100GHz)时,则称为波分复用（WDM)。,实现FDM的难点：多波长光源、光合波器和光分波器。,20.04.2021,10

45、6,2、光时分复用系统（OTDM）,光时分复用（OTDM)：就是用多路电信道信号分别调制频率相同但在时间上相互错开的光脉冲载波，然后进行光复用；在接收端用解复用器（光开关）在定时的控制下分出不同信道的光信号，然后分别解调，恢复出原各信道电信号。 光时分复用与电时分复用有十分类似之处。不同点在于两者载波不同。,20.04.2021,107,超短脉冲光源,时钟源,MOD,MOD,MOD,MOD,延时,EDFA,耦合器,时分解复用器,时钟提取,接收机,MOD,OTDM系统原理图：,20.04.2021,108,超大容量，与WDM结合后容量更大 采用高速光信号处理技术，上、下通路方便，与未来全光网兼容

46、 单波长，不受四波混频非线性影响 因单波长，对传输线路中光纤放大器平坦度要求不严，对放大器管理简单 采用归零超短脉冲，信号占用带宽宽，色散影响更为显著，需采用色散管理或孤子传输技术，长距离传输需使用全光再生整形,OTDM 特点,四、光纤通信系统,20.04.2021,109,四、光纤通信系统,3、副载波复用系统（SCM）,副载波复用（SCM)：就是将传输的信号先用于调制一个射频载波，再将射频信号调制发射光源。射频载波也就是副载波。 该系统可通过增加频带宽度来实现多路传输。工作带宽随副载波的频率和频道数目增加而增加。,（SCM)Subcarrier Multiplexed Lightwave S

47、ystem 电载波通过光纤传播的系统,20.04.2021,110,四、光纤通信系统,电载波通过光纤传播的系统,20.04.2021,111,七、光纤通信系统的总体设计和技术发展,（一）光纤通信系统的总体设计 系统总体设计的主要任务是根据光纤、光源、光电探测器的参数、信号的类型和参数（信噪比或误码率等），估算系统达到的传输距离；或根据设计系统需达到的传输距离，反过来合理地分配有关性能指标要求，设计系统部件。系统的传输距离，可能主要受光纤衰减的限制，此时光纤通信系统称为损耗限制系统；也可能受光纤带宽或色散的限制，此时的通信系统称为带宽或色散限制系统。设计时，按上述两方面验算，取较小值作为最大无中

48、继传输距离。,20.04.2021,112,1. 损耗限制情况 在所用光纤的带宽足够宽，系统传输的码速率又较低的光纤通信系统，其无中继传输距离主要受光纤系统损耗的限制。传输系统如图5-42。,20.04.2021,113,当发送光功率、光接收机灵敏度和光纤线路参数已知时，可用下列公式对系统的传输距离作大致的估算。,式中，接头损耗包括活动接头和固定接头损耗，固定接头损耗每个一般为0.21dB，光纤活动接头一般每个12dB。对数字光纤通信系统而言，富余度一股取69dB。,20.04.2021,114,2. 光纤带宽限制情况 上面讨论系统传输距离受光纤衰减限制的情况。实际上传输距离还要受到光纤带宽的

49、限制，尤其在码率较高距离较长而光纤带宽不够的情况下，系统的传输距离主要受光纤带宽的限制。 对数字系统而言，光纤的带宽可以用它的脉冲展宽来考虑。光信号在光纤中经过较长距离后，传输波形变劣，脉冲展宽，码间干扰变大，相应误码率加大，这就限制了传输距离。 假设光纤输出的展宽后的光脉冲为高斯波，如图5-43所示。则有：,20.04.2021,115,式中， 为高斯脉冲的均方根宽度。 当 时，码间干扰很小，意味着光纤线路的带宽还未对传输距离有所限制。 当 时，码间干扰很大，达大约14。严重影响传输质量。,一般取 ，可保证系统可靠地工作，此时接收机灵敏度损失2dB。,20.04.2021,116,如果给定接

50、收端的光脉冲均方根脉宽和传输码率fb，发射的光脉冲的占空比为50，则光纤线路所需的光带宽可用以下经验公式近似地求得： 当 时，则由上式可计算得： 即光纤线路所需总带宽为码率fb的(0.70.9)。系统的传输距离为： L为光纤总长度，为光纤带宽距离指数，fc为千米带宽。,20.04.2021,117,3. 线路码型的考虑 光纤传输系统中“0”、“1”码是只用光调制后的强弱来表示的，不可能有负的光能，故不能采用普通电缆中传输的码型有正负极性的HDB3码。 但在数字光纤通信系统中采用简单的“0”、“1”二值码又会有如下问题： 线路码中连“0”连“1”码太长，会使定时提取困难； 随机码流的脉冲信号直流

51、分量将发生变化，给判决电路的工作带来困难； 不能在线监视误码情况。 一般采用码字变换方法，最常用的方案是mBnB字变换码和mBIC冗余比特插入码。,20.04.2021,118,mBnB码变换是把原始码流按m比特分成一组，然后把每一组码根据一定的规则变换成新的一组n比特码组，这里nm，于是就引入了一定的冗余度以满足线路码的某些要求。常用的mBnB码有1B2B2B3B，3B4B5B6B，5B7B5B8B等。 在这种mBnB变换码中，随着字长的增加，码型变换电路的结构变得更复杂，从而可能增加系统的误码率，降低传输质量。如果用短字长的mBnB码，如1B2B码，电路虽简单，但线路码速提高到原来2倍，将

52、较大地降低光接收机的灵敏度，缩短传输距离。因此采用mBnB码应注意到电路结构复杂性和线路码速提高之间的矛盾。,20.04.2021,119,现将几种不同mBnB码型对接收机灵敏度影响列于表5-2。 表5-2 mBnB码对接收机灵敏度影响,20.04.2021,120,4. 系统设计中其余因素考虑 (1)占空比的考虑 发送不归零码(NRZ)可以比归零码(RZ)光功率大3dB，在系统带宽足够的情况下可采用NRZ码。若调制速率提高，光纤带宽不够，则码间干扰严重，导致光接收机灵敏度降低，此时应采用RZ码。 (2)中继距离 不同的中继距离，应选择不同的工作波长性能不同的光源、光纤及检测器。当码速率由话路

53、确定后，可参照图5-47，对上述问题进行综合考虑。,20.04.2021,121,20.04.2021,122,(3)误码率指标的分配 长途干线光纤通信系统，由于各中继段的通信业务不同，码速率亦不同，所以为保证必要通信质量，各中继段误码率指标要求亦不同。例CCITT G821文件建议相应中继段误码率指标分配为： 140Mb/s系统：Pe10-11 34Mb/s系统：Pe10-10 8Mb/s系统：Pe10-9 2Mbs系统：Pe10-8 (4)数字复用设备接口的考虑 接口必须规范化，所有复用设备的接口，都应符合CCITT有关文件提出的要求。,20.04.2021,123,5. 总体设计举例 考

54、虑一条长6km，8.44MBs的光纤传输系统总体设计。要求P0=10-9，采用RZ调制方式。码型根据我国的实际情况采用5B6B编码方式。工作波长选A0.85um，光源选用LED，其出纤光功率为100uW，即-9.6dBm。采用RZ调制时，出纤光功率要下降6dBm，即PS=-15.6dBm；光电检测器采用APD-FET组件。光接收机的灵敏度应为Pr=-59.3dBm，光纤采用多模阶跃型，其带宽因子为200MHzkm；光纤活动连接器有2个，固定接点数为4，对该段线路损耗计算结果L11.6km大于实际传输距离6km，表明该线路在损耗方面无问题。,20.04.2021,124,对该线路及带宽验算结果是

55、B（-3dB）16.7MHz，大于要求的5.9MHz，系统在带宽方面也无问题。 光缆采用六芯和一对铜线。四芯用于主、备系统，二芯用于扩容。铜线对兼作压力传感器电源和信号输出线。,20.04.2021,125,（二）光纤传输系统举例 图5-48为4545MHz/s光纤数字通信系统中继再生机的方框图。,20.04.2021,126,此系统传输码速率为44.736Mb/s，码型为经过扰码以后的不归零码（NRZ），光波长为0.85um，采用Si-APD和晶体管互阻抗混合集成的前放电路。当误码率为10-9时，gopt=80。光接收机灵敏度为Pr-55dBm；当误码率为10-6时，则Pr-57dBm。光接

56、收机各部分增益和电平情况如表。,20.04.2021,127,(1)前置放大器 采用Si-APD的前放电路原理图如图5-49所示。,20.04.2021,128,(2)接收机自动增益控制 为扩大接收机动态范围，要同时控制APD的雪崩增益和放大器的电压增益。 (3)接收机的高频滚降特性 接收机3dB带宽为38.5MHz，滚降特性较缓。整个系统无特别设计的均衡电路，只有一个用来限制系统噪声的低通滤波器，这要求光纤传输系统无明显的色散，在工作频带内的衰减特性应较平坦。 (4)判决电平的选择 此系统码元“1”输出电平为500mV，“0”码输出电压为-50mV，最佳判决电压约为-70mV。,20.04.

57、2021,129,(三)光纤通信技术发展 1、波分复用技术 波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）和光频分复用（OFDM）本质上都是光波长分割复用，所不同的是复用信道波长间隔不同。 类型 复用信道的波长间隔 WDM 几十几百纳米 DWDM nm量级 0.8nm,1.6nm,2.4nm,3.6nm OFDM 几个GHz几十GHz,20.04.2021,130,波分复用系统的构成：,20.04.2021,131,波分复用系统主要优点： （1）充分利用光纤的低损耗波段，大大增加传输容量，降低成本。（1.3um :1000 ;1.5um :1500信道） （2）兼容性好 （3）节省光纤和光中继器，便于扩容 （4）可提供波长选路，使建立WDM全光通信网成为可能。,20.04.2021,132,DWDM实验室水平：100*10Gb/s 400km、30*40Gb/s 85km、64*5Gb/s 720km 密集波分复用DWDM商用水平为320Gb/