第8章 数字光纤通信系统(3)

光纤通信电子教案教师备课纸第 1 次课题1、光纤通信概述目的要求 1.了解光纤通信发展的历史2.了解光纤通信的优点及应用3.掌握光纤通信系统的基本组成4.了解光纤通信的发展现状及展望教学重点 1.光纤通信系统的一般组成2.光端机、光纤链路的基本功能教学难点光纤通信系统的组成与功能教学课时 2教学方法讲授法、演示法、讨论法教学内容和步骤《光纤通信》课程内容介绍、专业学习方法、参考资料介绍第1章概论第2章光纤和光缆第3章通信用光器件第4章光端机第5章数字光纤通信系统第6章模拟光纤通信系统第7章光纤通信新技术第8章光纤通信网络1.1 光纤通信的发展历史和现状教师备课纸1.1.1 探索时期的光通信中国古代用“烽火台”报警欧洲旗语望远镜，目视光通信1880年，美国人贝尔发明了用“光电话”1960年，美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器1.1.2 现代光纤通信1966年，英籍华裔学者高锟和霍克哈姆的论文指出利用光纤进行信息传输，奠定了现代光通信基础。

1970 年，美国康宁公司研制成功损耗20 dB/km的石英光纤。

1976 年，世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验成功。

光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：第一阶段(1966~1976年)，是基础研究到商业应用的开发时期。

第二阶段(1976~1986年)，提高传输速率和增加传输距离的发展时期。

第三阶段(1986~1996年)，全面深入、开展新技术研究的时期1.1.3 国内外光纤通信发展的现状1.2 光纤通信的优点和应用1.2.1 光纤通信的优点1.容许频带很宽，传输容量很大；2.损耗很小，中继距离很长且误码率很小；3.重量轻、体积小； 教师备课纸4.抗电磁干扰性能好；5.泄漏小，保密性能好；6.节约金属材料，有利于资源合理使用。

1.2.2 光纤通信的应用光纤通信的各种应用可概括如下：①通信网 ②构成因特网的计算机局域网和广域网③有线电视网；工业电视系统；自动控制系统④综合业务光纤接入网1.3 光纤通信系统的基本组成1.光发射机：把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路 (常简称为电/光或E/O 转换)。

浅谈数字光纤通信系统摘要当今世界，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。

因而传统的模拟信号的传输的信息容量已经远远不能满足当前生产生活的实际技术需求，从上世纪开始数字信号传输已经逐步取代模拟信号，成为当前电视、电话、网络中信息传输的主要方式。

本文就光纤通信网络中的数字光纤通信部分进行了简要的介绍以及分析，涉及数字光纤通信系统基本概念特点的解析，系统的组成结构，主要传输体制以及线路的编码方式。

关键字数字光纤通信系统准同步数字系列（PDH）同步数字系列（SDH）线路编码内容一．数字光纤通信系统概况光纤是数字通信的理想的传输信道。

与模拟通信相比，数字通信有许多优点，最主要的是数字系统可以恢复因传输损失导致的信号畸变，因而传输质量高。

大容量长距离的光纤通信系统几乎都是采用数字传输方式。

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。

二．数字光纤通信系统组成数字光纤通信系统如图1所示，与模拟系统主要区别在于数字系统中有模数转换设备和数字复接设备，即为PCM端机。

1.模数转换设备。

它将来自用户的模拟信号转换为对应的数字信号。

数字复接设备则将多路低速数字信号按待定的方式复接成一路高速数字信号，以便在单根光纤中传输。

2.输入接口将来自PCM端机的数字基带信号适配成适合在光纤信道中传输的形态。

3. 光发送机将数字电信号转换为数字光信号，并将其反馈入光纤传输。

发送端一般采用强度调制方式实现数字电信号到数字光信号的转换，即通过直接调制或者间接调制，使得“1”码出现时发出光脉冲，而“0”码出现时不发光。

数字光纤通信系统的工作原理数字光纤通信系统是一种高速、高带宽的数据传输技术，其工作原理基于光学和电学的相互作用。

数字光纤通信系统主要由三部分组成：发射机、光纤传输线路和接收机。

发射机是数字光纤通信系统中的第一部分，它将电信号转换为光信号并将其发送到光纤传输线路上。

发射机主要由三个部分组成：激光器、调制器和驱动电路。

激光器是发射机的核心部件，它能够产生高强度、单色、相干的激光束。

调制器则是将电信号转换为激光脉冲的设备，它能够对激光束进行调制以便在传输过程中能够正确地识别出每一个二进制位。

驱动电路则是用来控制调制器的工作状态，以便让其按照正确的时间序列进行工作。

光纤传输线路是数字光纤通信系统中的第二部分，它是负责将激光脉冲从发射机传输到接收机的媒介。

在传输过程中，激光脉冲会在光纤中不断地反射和折射，以保证光信号能够稳定地传输到目的地。

光纤传输线路主要由两个部分组成：光纤和连接器。

光纤是数字光纤通信系统中最重要的部件之一，它具有非常高的抗干扰性和传输带宽。

在数字光纤通信系统中，常用的是单模光纤，它能够将激光脉冲通过一个非常小的核心直接传送到接收机中。

连接器则是用来连接不同段光纤的设备，它能够确保激光脉冲在传输过程中不会受到损失或干扰。

接收机是数字光纤通信系统中的第三部分，它负责将从传输线路上接收到的激光脉冲转换为电信号并将其输出。

接收机主要由两个部分组成：探测器和前置放大器。

探测器是接收机中最重要的部件之一，它能够将从传输线路上接收到的激光脉冲转换为电信号。

前置放大器则是用来增强探测器输出信号强度，并将其输出到后续的数字处理器中进行解码和处理。

总之，数字光纤通信系统是一种高速、高带宽的数据传输技术，其工作原理基于光学和电学的相互作用。

通过发射机将电信号转换为光信号并将其发送到光纤传输线路上，再通过接收机将从传输线路上接收到的激光脉冲转换为电信号并将其输出，从而实现了数字信息在长距离范围内的高速、稳定地传输。

数字光纤通讯系统基本构成20 世纪 70 年月末，光纤通讯开始进入适用阶段，各样光纤通讯系统先后成立起来，但当前强度调制－直接检测 (IM-DD) 系统是最常用、最主要的方式，下边就我所理解的光纤系统做一下简要介绍。

数字光纤通讯系统的基本框图以下列图所示。

光发射端机光接收端机光缆光中继器光缆输入接口输出接口备用系统电发射机电接收机协助系统用户用户一、电发射机通讯中传输的很多信号都是模拟信号，如语音信号、图像信号等，电发射机的任务就是把模拟信号变换为数字信号（ A/D 变换），并用时分复用的方式把多路信号复接、合群，进而输出高比特率的数字信号。

PCM 包含抽样、量化、编码、传输、解码、低通等过程。

二、光发射机电发射机的输出电信号经输入接口进入光发射机。

输入接口的作用是保证电、光端机间信号的幅度、阻抗般配，还要进行合适的码型变换，以合适光发射机的要求。

如 PDH 的一、二、三次群 PCM 复接设施的输出码型是 HDB3 码，四次群是 CMI 码，在光发射机中，需要先变换成 NRZ 码。

光发射端机的构成以下列图所示。

数字信号线路编码调制电路光源光信号控制电路1、线路编码线路编码的作用是将传递码流变换成便于在光纤中传输接收及监测的线路码型。

线路编码的种类有：①扰码；②mBnB 码；③插入码。

我国 3 次群和 4 次群光纤通讯系统最常用的线路编码是5B6B 码。

2、调制电路光源的调制方式分直接调制和间接调制。

直接调制仅合用于半导体光源（ LD 和 LED ），它是把要传递的信息转变成电流信号注入 LD 和 LED ，进而获取相应的光信号，是一种电源调制方式。

直接调制分模拟调制和数字调制，模拟调制一般只好使用 LED ，数字调制可使用 LED 也可使用 LD 。

间接调制是利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制，它既合用于半导体激光器，也适于其余种类激光器。

间接调制最常用的是外调制，即在激光形成此后加载调制信号，详细方法是在激光器谐振腔外的光路上搁置调制器。

数字光纤通信系统的组成数字光纤通信系统是一种高速数字数据传输系统，使用光纤传输数据，具有高速传输、信噪比高、阻抗稳定、抗干扰等优点，已经广泛应用于网络通信、数据中心、智能家居、医疗等领域。

数字光纤通信系统主要由三部分组成：传输设备、光纤线路和接收设备。

传输设备是数字光纤通信系统的核心部分，通常包括发射器和接收器两个组成部分。

发射器主要是将电信号转换成光信号，通过光纤线路传输；接收器则是将接收到的光信号转换成电信号，从而实现数字数据的传输。

发射器中的激光器是数字光纤通信系统中最重要的组件之一，它的性能直接影响到系统的传输速度和传输距离。

光纤线路是数字光纤通信系统的传输介质，它主要是由纤芯、包层、护套等组成。

纤芯是光纤线路中最关键的组件之一，它是光信号的传输通道，通常由高纯度玻璃、石英等材料制成。

包层则是包裹在纤芯外的一层材料，主要作用是保护纤芯，减少信号传输中的损耗。

护套则是包裹在包层外的一层材料，主要是为了保护线路，防止外界物理损伤。

接收设备是数字光纤通信系统中数据接收的最后一环，主要是将接收到的光信号转换成数字电信号，从而实现数据的解析和传输。

接收器通常包括光电探测器、放大器、解码器等组成部分，其中光电探测器是数字光纤通信系统中另一个重要的组件，它主要是将接收到的光信号转换成电信号，为后续的数据处理提供信号源。

综上所述，数字光纤通信系统的组成主要包括传输设备、光纤线路和接收设备三部分。

传输设备中的发射器和接收器是系统中最关键的组件之一，光纤线路是系统传输介质，而接收设备则是数据接收的最后一个环节，对于数据的完整性和准确性具有重要作用。

随着数字通信技术的不断更新和发展，数字光纤通信系统在未来的应用中将会发挥越来越重要的作用。

数字光纤通信系统设计与组成数字光纤通信系统设计与组成光纤通信的发展正进入一个历史性的时期，这一时期的主要技术特征是高速化、联网化、长波长化和集成化.从网络运用上看，则正从长途网、中继网和馈线网向分配网推进。

截至1992年底，全世界敷设的陆地光缆系统总长度已经超过4240万光纤公里，由于用户网市场的开发，在未来几年将会形成一个新的光通信发展高潮.1966年，美籍华人高锟(C．K．论文网/。

1970年，美国康宁公司首次研制成功损耗为20 dB／km的光纤，光纤通信时代由此开始。

光纤通信是以很高频率(1014 Hz数量级)的光波作为载波、以光纤作为传输介质的通信。

由于光纤通信具有损耗低、传输频带宽、容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点，备受业内人士青睐，发展非常迅速。

光纤通信系统的传输容量从1980年～2000年增加了近一万倍，传输速度在过去的10年中大约提高了100倍.1.2 光纤通信发展的现状为了适应网络发展和传输流量提高的需求，传输系统供应商都在技术开发上不懈努力。

富士通公司在150 km、1310nm 零色散光纤上进行了55x20Gbit/s传输的研究，实现了1.1Tbit/s的传输。

NEC公司进行了132x20Gbit/s、120 km传输的研究，实现了2.64Tbit/s的传输。

NTT公司实现了3Tbit/s的传输。

目前，以日本为代表的发达国家。

在光纤传输方面实现了10.96Tbit/s(274x40Gbit/s)的实验系统，对超长距离的传输已达到4000 km无电中继的技术水平。

在光网络方面，光网技术合作计划(ONTC)、多波长光网络(MONET)、泛欧光子传送重迭网(PHOTON)、泛欧光网络(OPEN)、光通信网管理(MOON)、光城域通信网(MTON)、波长捷变光传送和接入网(WOTAN)等一系列研究项目的相继启动、实施与完成，为下一代宽带信息网络，尤其为承载未来IP业务的下一代光通信网络奠定了良好的基础。

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相关信息：【作者】（美）Gerd Keiser【格式】超星转成的pdf【译者】李⽟权等【 ISBN 】7-5053-7637-3【出版社】电⼦⼯业出版社【系列名】国外电⼦通信教材【出版⽇期】2002年7⽉【版别版次】2002年7⽉第⼀版第⼀次印刷【简介】本书是⼀本系统介绍光纤通信知识的专著。

全书共分为13章，内容涉及光纤传输原理和传输特性、半导体光源和光检测器的⼯作原理及⼯作特性、数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统、光放⼤器的⼯作原理和性能、WDM系统原理、光⽹络以及光纤通信系统测量。

本书理论体系严谨，内容深⼊浅出，并且紧密联系实际，是通信⼯程及相关专业⾼年级本科⽣、研究⽣的⼀本好教材，也是通信⼯程师的⼀本很好的参考书。

【⽬录】第1章光纤通信总览1.1 基本的⽹络信息速率1.2 光纤光学系统的演进1.3 光纤传输链路的基本单元1.4 仿真与建模⼯具1.4.1 仿真和建模⼯具的特征1.4.2 编程语⾔1.4.3 PTDS仿真和建模⼯具1.5 本书的使⽤和扩展1.5.1 参考资料1.5.2 CD—ROM中的仿真程序1.5.3 光⼦学实验室1.5.4 基于Web的资源参考⽂献第2章光纤：结构、导波原理和制造2.1 光的特性2.1.1 线偏振2.1.2 椭圆偏振和圆偏振2.1.3 光的量⼦特性2.2 基本的光学定律和定义2.3 光纤模式和结构2.3.1 光纤分类2.3.2 射线和模式2.3.3 阶跃折射率光纤结构2.3.4 射线光学表述2.3.5 介质平板波导中的波动解释2.4 圆波导的模式理论2.4.1 模式概述2.4.2 对关键的模式概念的归纳2.4.3 麦克斯韦⽅程2.4.4 波导⽅程式2.4.5 阶跃折射率光纤中的波动⽅程2.4.6 模式⽅程2.4.7 阶跃折射率光纤中的模式2.4.8 线偏振模2.4.9 阶跃折射率光纤中的功率流2.5 单模光纤2.5.1 模场直径2.5.2 单模光纤中的传播模2.6 梯度折射率光纤的结构2.7 光纤材料2.7.1 玻璃纤维2.7.2 卤化物玻璃纤维2.7.3 有源玻璃纤维2.7.4 硫属化合物玻璃纤维2.7.5 塑料光纤2.8 光纤制造2.8.1 外部汽相氧化法2.8.2 汽相轴向沉积法2.8.3 改进的化学汽相沉积法2.8.4 等离⼦体活性化化学汽相沉积法2.8.5 双坩埚法2.9 光纤的机械特性2.10 光缆习题参考⽂献第3章光纤中的信号劣化3.1 损耗3.1.1 损耗单位3.1.2 吸收损耗3.1.3 散射损耗3.1.4 弯曲损耗3.1.5 纤芯和包层损耗3.2 光波导中的信号失真3.2.1 信息容量的确定3.2.2 群时延3.2.3 材料⾊散3.2.4 波导⾊散3.2.5 单模光纤中的信号失真3.2.6 偏振模⾊散3.2.7 模间⾊散3.3 梯度折射率光波导中的脉冲展宽3.4 模式耦合3.5 单模光纤的优化设计3.5.l 折射率剖⾯3.5.2 截⽌波长3.5.3 ⾊散计算3.5.4 模场直径3.5.5 弯曲损耗习题参考⽂献第4章光源4.1 半导体物理学专题4.1.1 能带4.1.2 本征材料和⾮本征材料4.1.3 pn结4.1.4 直接带隙和间接带隙4.1.5 半导体器件的制造4.2 发光⼆极管(LED)4.2.1 LED的结构4.2.2 光源材料4.2.3 量⼦效率和LED的功率4.2.4 LED的调制4.3 半导体激光器4.3.1 半导体激光器的模式和阈值条件4.3.2 半导体激光器的速率⽅程4.3.3 外量⼦效率4.3.4 谐振频率4.3.5 半导体激光器结构和辐射⽅向图4.3.6 单模激光器4.3.7 半导体激光器的调制4.3.8 温度特性4.4 光源的线性特性4.5 模式噪声、模分配噪声和反射噪声4.6 可靠性考虑习题参考⽂献第5章光功率发射和耦合5.1 光源⾄光纤的功率发射5.1.1 光源的输出⽅向图5.1.2 功率耦合计算5.1.3 发射功率与波长的关系5.1.4 稳态数值孔径5.2 改善耦合的透镜结构5.2.1 ⾮成像微球5.2.2 半导体激光器与光纤的耦合5.3 光纤与光纤的连接5.3.1 机械对准误差5.3.2 光纤相关损耗5.3.3 光纤端⾯制备5.4 LED与单模光纤的耦合5.5 光纤连接5.5.1 连接⽅法5.5.2 单模光纤的连接5.6 光纤连接器5.6.1 连接器的类型5.6.2 单模光纤连接器5.6.3 连接器回波损耗习题参考⽂献第6章光检测器6.1 光电⼆极管的物理原理6.1.1 pin光电⼆极管6.1.2 雪崩光电⼆极管6.2 光检测器噪声6.2.1 噪声源6.2.2 信噪⽐6.3 检测器响应时间6.3.1 耗尽层光电流6.3.2 响应时间6.4 雪崩倍增噪声6.5 InGaAsAPD结构6.6 温度对雪崩增益的影响6.7 光检测器的⽐较习题参考⽂献第7章光接收机7.1 接收机⼯作的基本原理7.1.1 数字信号传输7.1.2 误码源7.1.3 接收机结构7.1.4 傅⾥叶变换表⽰7.2 数字接收机性能7.2.1 误码概率7.2.2 量⼦极限7.3 接收机性能的详细计算7.3.1 接收机噪声7.3.2 散弹噪声7.3.3 接收机灵敏度计算7.3.4 性能曲线7.3.5 ⾮零消光⽐7.4 前置放⼤器的类型7.4.1 ⾼阻抗FET放⼤器7.4.2 ⾼阻抗双极晶体管放⼤器7.4.3 互阻抗放⼤器7.4.4 ⾼速电路7.5 模拟接收机习题参考⽂献第8章数字传输系统8.1 点到点链路8.1.1 系统考虑8.1.2 链路的功率预算8.1.3 展宽时间预算8.1.4 第⼀窗⼝传输距离8.1.5 单模光纤链路的传输距离8.2 线路编码8.2.1 NRZ码8.2.2 RZ码8.2.3 分组码8.3 纠错8.4 噪声对系统性能的影响8.4.1 模式噪声8.4.2 模分配噪声8.4.3 凋嗽8.4.4 反射噪声习题参考⽂献第9章模拟系统9.1 模拟链路概述9.2 载噪⽐9.2.1 载波功率9.2.2 光检测器和前置放⼤器的噪声9.2.3 相对强度噪声(RIN)9.2.4 反射对RIN的影响9.2.5 极限条件9.3 多信道传输技术9.3.1 多信道幅度调制9.3.2 多信道频率调制9.3.3 副载波复⽤习题参考⽂献第10章 WDM概念和器件10.1 WDM的⼯作原理10.2 ⽆源器件10.2.1 2x 2光纤耦合器10.2.2 散射矩阵表⽰法10.2.3 2x 2波导辊合器10.2.4 星形精合器10.2.5 马赫—曾德尔⼲涉仪复⽤器10.2.6 光纤光栅滤波器10.2.7 基于相位阵列的WDM器件10.3 可调谐光源10.4 可调谐滤波器10.4.1 系统考虑10.4.2 可调谐滤波器的类型习题参考⽂献第11章光放⼤器11.1 光放⼤器的基本应⽤和类型11.1.1 ⼀般应⽤11.1.2 放⼤器的类型11.2 半导体光放⼤器11.2.1 外泵浦11.2.2 放⼤器增益11.3 掺饵光纤放⼤器11.3.1 放⼤机制11.3.2 EDFA的结构11.3.3 EDFA的功率转换效率及增益11.4 放⼤器噪声11.5 系统应⽤11.5.1 功率放⼤器11.5.2 在线放⼤器11.5.3 前置放⼤器11.5.4 多信道运⽤11.5.5 在线放⼤器增益控制11.6 波长变换器11.6.1 光栅波长变换器11.6.2 光波混合波长变换器习题参考⽂献第12章光⽹络12.1 基本⽹络12.1.1 ⽹络拓扑12.1.2 ⽆源线形总线的性能12.1.3 星形结构的性能12.2 SONET／SDH12.2.1 传输格式和速率12.2.2 光接⼝12.2.3 SONET／SDH环12.2.4 S0NET／SDH⽹络12.3 ⼴播选择WDM⽹络12.3.1 ⼴播选择单跳⽹12.3.2 ⼴播选择多跳⽹12.3.3 洗牌⽹多跳⽹12.4 波长路由⽹12.4.1 光交叉连接12.4.2 波长变换器的性能评估12.5 ⾮线性对⽹络性能的影响12.5.1 有效长度与⾯积12.5.2 受激拉曼散射12.5.3 受激布⾥渊散射12.5.4 ⾃相位调制和交叉相位调制12.5.5 四波混频12.5.6 ⾊散管理12.6 WDM⼗EDFA系统的性能12.6.1 链路带宽12.6.2 特定BER所需的光功率12.6.3 串扰12.7 孤⼦12.7.1 孤⼦脉冲12.7.2 孤⼦参数12.7.3 孤⼦宽度和间隔12.8 光CDMA12.9 超⾼容量⽹络12.9.1 超⼤容量WDM系统12.9.2 ⽐特间插光TDM12.9.3 时隙光TDM习题参考⽂献第13章测量13.1 测量标准和测试过程13.2 测试设备13.2.1 光功率计13.2.2 光衰减器13.2.3 可调谐激光器13.2.4 光谱分析仪13.2.5 光时域反射仪13.2.6 多功能光测试系统13.3 损耗测量13.3.1 截断法13.3.2 插⼊损耗法13.4 ⾊散的测量13.4.1 模间⾊散13.4.2 模间⾊散的时域测量13.4.3 模问⾊散的频域测量13.4.4 ⾊度⾊散13.4.5 偏振模⾊散13.5 0TDR的场地应⽤13.5.1 0TDR轨迹13.5.2 损耗测量13.5.3 光纤故障定位13.6 眼图13.7 光谱分析仪的应⽤13.7.1 光源特性13.7.2 EDFA增益与噪声系数的测试习题参考⽂献附录A 国际单位制附录B 常⽤的数学关系附录C 贝塞⽿函数附录D 分贝附录E 通信理论专题附录F ⾊散因⼦。