光纤通信：第一章 概要

第一章概要VocabularyChapter12SOEI,HUSTNearinfrared近红外DWDM:densewavelengthdivisionmultiplexing密集波分复用Modulationformat调制格式Regenerator再生器Repeaterspacing中继距离Bitrate-distanceproduct比特率距离的乘积Dispersionshiftedfiber色散位移光纤Submarinetransmissionsystem海底传输系统Dryfiber无水光纤Opticalsoliton光孤子Binaryrepresentation二进制表示方法Samplingtheorem抽样定理Nyquistcriterion奈奎斯特准则Quantizationnoise量化噪声PPM脉冲位置调制PDM脉冲宽度调制PCM脉冲编码调制TDM时分复用FDM频分复用Digitalhierarchy数字体系SONET同步光网络SDH同步数字体系STM同步转移模块RZ归零码NRZ非归零码CSRZ载波抑制归零码AM/FM/PM幅度/频率/相位调制ASK/FSK/PSK幅/频/相移键控OOK：通断键控Free-spaceopticalcommunication自由空间光通信系统Opticaltransmitter光发射机Launchedpower发射功率IM/DD强度调制/直接探测BER误码率Receiversensitivity接收机灵敏度Quantumnoise量子噪声Shotnoise散粒噪声Thermalnoise热噪声1.1 系统结构&系统元件1.2历史进程回顾1.3基本概念第一章概要Chapter13SOEI,HUST1.1.1基本摘要Chapter14SOEI,HUST通信光通信光纤通信载体:微波光波媒介:自由空间光纤

电报

无线电广播

有线电视

无线电….1.什么是光纤通信系统Chapter15SOEI,HUST

载波频率→比特率微波→300MHz~3GHz→B~100Mb/s

光波→200THzat→B~10Tb/s倍!2.为什么使用光波载体?Chapter16SOEI,HUST优点在可见光和近红外区域低损耗保密性好&抗电磁干扰低成本(silica)体积小:125mm包层直径;重量轻抗腐蚀缺点难以耦合和分离难以熔接不能过度弯曲已折断损耗→传输距离(L)通信容量积

定义为(比特率与传输距离乘积)3.为什么使用光纤?Chapter17SOEI,HUST波长:µm=10-6m,nm=10-9m,pm=10-12m带宽(MHz/GHz/THz):M=106,G=109,T=1012,100GHz~0.8nm(1550nm通信窗口)

光功率换算关系:1mW对应0dBm1µW对应-30dBm1W对应30dBm4.重要单位功率功率1.1.2系统结构&系统元件Chapter18SOEI,HUSTReamplifyRetimeReshape中继器光接收机电接收机数据/图像/音频O/E光发射机电端机数据/图像/音频E/OO/E/OorO/O光纤光纤1.系统结构96x40/100Gbit/sT-bit级光传输系统Chapter19SOEI,HUST单个二进制编码/线路编码调制器光源(LDorLED)驱动电路PCM信道耦合光信号输出LD/LED

发射功率

光谱线宽窄线宽

光发射机2.系统元件Chapter110SOEI,HUST光纤损耗光纤色散非线性&高阶模色散光纤卷盘

光纤Chapter111SOEI,HUST中继器3R:Reamplification（再放大）Retiming（重新定时）Reshaping（重整波形）O/E/O3R:数据格式不透明,传输速度受限.O/O3R:光放大，色散补偿

光中继器Chapter112SOEI,HUST

EDFASOAChirped

Bragggrating••

•

llonglshortG.652:PositiveDispersion@1550nmDCM

光放大器

色散补偿调制器(DCM)Chapter113SOEI,HUST信道耦合光探(PINorAPD)前置放大线性通道判决单个二进制二进制码元译码PCM（脉冲编码调制）信号光信号输入噪声&灵敏度!2.5Gb/sAPD

10Gb/sPIN

光接收机第一章概要Chapter114SOEI,HUST1.1 系统结构&系统元件1.2历史进程回顾1.3基本概念1.2.1历史解读Chapter115SOEI,HUST早期烽火信号光电话(Bell,1880)光源:不稳定&不可靠媒介:高损耗Laserdiode(transmitter)光纤(medium)1960Maimanrubylaser1962LD（GaAs870nm)1970sLDatroomtemperature(GaAsAl850nm)1310

,1550nm多模LD单纵模LD1951医用光纤(1000dB/km)1965E.Miller透镜波导1966

Loss<20dB/km(高锟)1970Corning光纤(20dB/km)0.5dB/km@1310nm,0.2dB/km@1550nm单模光纤(SMF)短波到长波多模到单模K.C.Kao高锟2.里程碑Chapter117SOEI,HUST1st:LD:多纵模(MLM)光纤

:多模(MMF)波长:0.85µm(3.5dB/km)2nd:LD:MLM光纤:MMF→单模(SMF)波长:1.31µm3rd:LD:MLM→SLM（单纵模）光纤:SMF→DSF波长:1.55µm4th:多波长

→WDM

（耦合器）DSF:色散位移光纤5th:多级调试格式,S+L波段,拉曼放大器,

相干探测，色散&非线性效应利用3.几代光纤Chapter118SOEI,HUST单个波长:40Gb/s多根光纤传输单根光纤多个再生器单个光放大器已实现传输速率:1~10Tbit/s多波长波分复用:40Gb/s1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM光放大器1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERMOC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48

波分复用技术：Chapter119SOEI,HUST196619701980199520012015理论LD压缩强度，连续波操作

单模，长波长LDWDM先进调制格式超高速度超大容量超长距离色散量子效率非线性量子效率量子效率非线性色散

三个关键问题推进传输系统改革Chapter120SOEI,HUSTFunctionality年份199420002006opticalamplifierspoint-to-pointWDM&DWDMDWDMpoint-to-multipointStaticOADMsdynamicOADMs

e-g-STM1ondemandColouredsectionringsOXCandDXCco-existencewavelengthconversionWavelengthroutingOpticalpacketswitching连接性容量复杂性4.点对点到光学网络第一章概要Chapter121SOEI,HUST1.1 系统结构&系统元件1.2历史进程回顾1.3基本概念1.3.1模拟与数字信号

Chapter122SOEI,HUST模拟信号:音频、图像(连续)数字信号:数据(离散、通常用二进制表示)

模拟信号数字信号光通信系统通常用数字信号1.模拟与数字信号定义

Chapter123SOEI,HUST在噪声和色散失真下仍能恢复信号2.数字信号优势

Chapter124SOEI,HUST

三步:

采样

量化

编码3.模数转换(ADC)

Chapter125SOEI,HUST(奈奎斯特准则)减少附加噪声:M>Amax/AN(量化信号电平)SNR=20log10(Amax/AN)(信噪比)ConsiderBinarycoding:(mbits/采样值)比特率

传输比特率要求：

采样:

量化:

编码:Amax:给定信号最大振幅

AN:模拟信号噪声均方Chapter126SOEI,HUST数字音频信号∆f=3.1kHz(300Hz~3.4kHz),SNR=30dBB>31kbit/s实际,fs=8kHz,m=8bits/sampleB=64kbit/s数字视频信号∆f=4MHz,SNR=50dB(HDTV)B>66Mbit/s实际,fs=10MHz,m=10bits/sampleB=100Mbit/s

举例Chapter127SOEI,HUSTRZ(归零)有利于重新定时频域宽NRZ(非归零)频域窄码间串扰效应数字比特流010110…分别用(a)RZand(b)NRZ格式.4.数字信号数据形式:RZandNRZ1.3.2调制与多路复用Chapter128SOEI,HUST1.光信号电场表达式偏振态空间分布振幅复频率相位时间Chapter129SOEI,HUSTAMFMPM,,是模拟信号,对应于AM,FMandPM调制(carrier)×AMsignal=2.调制格式模拟调制Chapter130SOEI,HUST,,为数字信号,对应于ASK,FSKandPSK调制ASKPSKFSKASKFSKPSK电场二进制比特流光信号数字调制Chapter131SOEI,HUSTPolSKQAM:正交调幅其他调制技术tx-pol.y-pol.OOK(ASK)BPSKDPSKQPSKDQPSKMulti-levelQPSK16QAMChapter132SOEI,HUST调制的总符号数码元传输速率比特率比特:信息容量度量OOK:BPSK/DPSK:QPSK/DQPSK:16QAM:(等概率下)比特率(bit/s)和波特率(Baud/s)频（波）分服用(FDMorWDM)Chapter133OEI,HUSTTDMFDMorWDM10101信道1信道210101101011010112t12信道210101信道1

110011001110101t1时分复用(TDM)3.信道复用Chapter134SOEI,HUSTETDM:电时分多路复用OTDM:光时分多路复用(详见第6章)对于多路复用，24路数字音频信道为1帧,每路音频信道为64Kbit/s(8KHz*8bits/sample),总比特率：24*64KHz=1.536Mbit/s1242帧(8000帧/s~8kHz)信道ETDM与其数字分级体系Chapter135SOEI,HUST64Kb/s1544Kb/s2048Kb/s6312Kb/s32064Kb/s97728Kb/s397200Kb/s44736Kb/s274176Kb/s8448Kb/s34368Kb/s139264Kb/s564992Kb/s24304753464444JapanUSAEurope,China附加比特率：1.536Mbit/s

PDH:准同步数字体系Chapter136SOEI,HUSTSONET(US)Linerate(