第1章光纤通信系统

1第1章光纤通信系统——本章阐述有关光纤通信的主要内容，探讨学习这些知识的方法，介绍所选择技术的优点，并讨论其典型应用。2§1.1历史回顾§1.2基本通信系统§1.3光的属性§1.4光纤的优点§1.5光纤通信的应用§1.6总结和讨论3§1.1历史回顾早期的光通信目视形式的光通信：太阳为光源、手的运动改变或调制光波、眼睛是检测装置使用烟作为信息载体的光波系统：对远距离传输十分有用1880年贝尔发明了“光电话”的光通信系统4§1.1历史回顾1960年激光器的发明，是实现大容量光通信的一个主要突破非导引的光通信系统的发展，为光纤通信提供了理论基础1970年，低损耗光纤的发明，使光纤通信得以实现5基本通信系统包括发送机、接收机和信道信道可分为：非导引信道和被导引信道§1.2基本通信系统图1.1基本通信系统6被导引线路比大气信道成本更高但被导引信道有许多优点§1.2基本通信系统图1.2部分导体传输线7§1.2基本通信系统图1.3一般的光纤通信系统8信源有多种物理形式，最常见的是将非电信号转化成电信号的变换器如麦克风、摄像头无论是在电通信还是光通信中，信息在传输之前都必定是电形态。§1.2基本通信系统--1.2.1信源9调制器的功能将电信号转换成适合传输的形态将这种信号加载到由载波源产生的载波上调制格式模拟、数字§1.2基本通信系统--1.2.2调制器10§1.2基本通信系统--1.2.2调制器图1.4模拟调制11§1.2基本通信系统--1.2.2调制器图1.5数字调制数据速率bps—比特每秒模数转换器可将模拟信息转换成数字序列在接收端将数字信号转换成模拟形态12§1.2基本通信系统--1.2.3载波源载波源射频通信系统：电振荡器产生光纤通信系统：光振荡器LD、LED强度调制（IM）发送的信息包含在光功率的变化中信号电流有正、负部分，但光辐射输出始终为正13§1.2基本通信系统--1.2.3载波源图1.6光载波的模拟和数字调制14§1.2基本通信系统--1.2.3载波源半导体LD和LED的结构使其在一定的频段内辐射，在此频段上玻璃光纤的衰减应该很低，这样才能有可能实现光信号的有效传输。光源辐射频率和光纤低损耗区域的匹配是实现光纤通信的重要条件。15§1.2基本通信系统--1.2.4信道耦合器耦合器的功能：将功率送进信道无线电或电视广播系统：天线电缆导引系统：连接器大气光通信系统：透镜光纤通信系统：光耦合器16§1.2基本通信系统--1.2.4信道耦合器图1.7将光波耦合进光纤17§1.2基本通信系统--1.2.5信道信道：发送机和接收机之间的传输路径光放大器——适用于模拟和数字信号中继器（再生器）——只能用于数字系统，重建数字信号的幅度和波形传输信号的失真限制了脉冲的发送速率较大的接收角与低的信号失真是一对相互矛盾18§1.2基本通信系统--1.2.5信道图1.8光脉冲的展宽19§1.2基本通信系统--1.2.5信道大气电信系统：天线收集来自信道的信号，并将其传送到接收机光纤通信系统：输出耦合器将来自光纤的光对准到光检测器光的辐射方向与光纤的接收锥角相同。一般的光检测器有大的表面积及大的接收角，能实现有效耦合20§1.2基本通信系统--1.2.5信道图1.9由光纤到光检测器的高效率耦合。检测器可以接收到由光纤辐射出的绝大部分光波21§1.2基本通信系统--1.2.6检测器解调：从信道接收到的信息从其载波上分离出来光纤通信系统最常用的检测器：半导体光电二极管通过检测器转换得到的电流与输入光波的功率成比例检测得到的电流是驱动光源的电流的再现22§1.2基本通信系统--1.2.6检测器图1.10模拟系统中不同参考点处的信号23§1.2基本通信系统--1.2.7信号处理器模拟传输：信号处理器包括放大和滤波滤除直流成分、同时阻止其他的频率成分，允许传输信息所含有的频率成分通过信噪比（SNR）数字系统：放大器、滤波器、判决器误码率（BER）24§1.2基本通信系统--1.2.9一些数据表1.3：字首太、吉、兆、千、分、毫、微、纳、皮、飞光波长量级：微米表1.4：常用的模拟系统的带宽25§1.2基本通信系统--1.2.9一些数据模拟信号采用数字传输时，其比特率取决于模拟信号的抽样定理及编码体系t00tt0f(t)y(t)k(t)图抽样概念示意图26§1.2基本通信系统--1.2.9一些数据图信号抽样编码及传输原理27§1.2基本通信系统--1.2.9一些数据0000ttt00f(t)ys(t)T(t)f(t)T(t)ys(t)F()T()Ys()TsTs－m－2sm－ss2s－2s－s－mms2s理想低通特性抽样定理示意图：Ys(ω)的波形是由一连串的F(ω)波形组成。在ωs≥2ωH的前提下，输出样值信号的频谱Ys(ω)就不会发生重叠现象，从理论上讲，就可以通过一个截止频率为ωH的理想低通滤波器将Ys(ω)中的第一个F(ω)滤出来，恢复出原始信号f(t)。28§1.2基本通信系统--1.2.9一些数据Ys()2s3ss0－s－2s－3s重叠部分若不满足ωs≥2ωH的条件，则Ys(ω)中的F(ω)就会出现重叠（见上图），以致于无法用滤波器提取出一个干净的F(ω)。29§1.2基本通信系统--1.2.9一些数据标准的单个数字电话的速率是64kbps音频带宽4kHz信息速率：每秒抽样8000次，每个抽样幅度值用8比特代表编码，即为64kbps时分复用技术在发送端，通过间插数据比特，可将不同信息复用成单路较高速率的数据流解复用30§1.2基本通信系统--1.2.9一些数据时分复用技术的应用——表1.5美国电话系统的数字传输速率基本信息块T1（最低级别传输）系统，传送24路话音信息T2级别由4个T1系统组合形成，传送4×24=96路话音信息复用后高级别的信息块包括了同步脉冲和信令脉冲，需要额外的比特率31§1.2基本通信系统--1.2.9一些数据光纤的传输容量单根光纤可达2.5Gbps、10Gbps、甚至40Gbps一个更新的传输标准——同步光网络SONET基本传输速率是OC-1更高级别的SONET参考表1.6数字电视广播模拟电视带宽6MHz，每个抽样值用8比特编码，数据速率为2×6×8=96Mbps32§1.2基本通信系统--1.2.9一些数据为了传输尽可能多的数字化图像，需要降低数据速率压缩数字图像技术——可以将普通图像的数据速率从接近100Mbps降低到5Mbps数字化高清晰度电视（HDTV）信号一般需要1Gbps的传输速率，经过压缩后大约只需要20Mbps的传输速率33§1.2基本通信系统--1.2.9一些数据各类信息与带宽之间的关系以太局域网——运行速率为10Mbps，可用同轴电缆或光纤传输线实现高速数据传输——光纤分布式数据接口（FDDI)的标称运行速率为100Mbps更快的局域网——如高性能并行接口（HPPI)运行速率为800Mbps34§1.2基本通信系统--1.2.9一些数据带宽与速率是信息本身的特征，并不取决于所用的传输类型，对于相同的待传输信息，光通信系统和射频通信系统需要相同的传输带宽和数据速率35§1.2基本通信系统--1.2.9一些数据信号传输的质量模拟线路——用信噪比（SNR）表示数字系统——用误码率（BER）表示标准数字电话允许的误码率指标是多少？36§1.2基本通信系统--1.2.10以分贝表示功率分别(dB)是表示通信系统中相对功率电平的一个十分方便的量若P1是输入，P2是输出，P2/P1是两点间的传输效率分贝值为负说明存在损耗，分贝值为正数说明两点间有放大器P2可由P1求得12lg10PPdB37§1.2基本通信系统--1.2.10以分贝表示功率链路有元器件级联时，使用对数计算很方便，如图用分贝表示相应的损耗为即以分贝为单位，总的效率是单个级联部分的效率之和12233414PPPPPPPP12233412233414lg10lg10lg10lg10lg10PPPPPPPPPPPPPPdB38§1.2基本通信系统--1.2.10以分贝表示功率图1.13分贝计算39§1.2基本通信系统--1.2.10以分贝表示功率图1.14放大的分贝尺度40§1.2基本通信系统--1.2.10以分贝表示功率例题1.1假设图1.12所示的三个级联部分的损耗分别为-11dB，-6dB，-3dB。计算此系统的总损耗。如果输入功率为5mW，试计算输出功率。41§1.2基本通信系统--1.2.10以分贝表示功率用分贝可以表示相对功率电平，也可以表示绝对功率。相对于1mW用分贝表示的功率值用dBm表示，则有利用图1.13、图1.14同样可以进行dBm运算P2以mW为单位，代替图中P2/P1，纵坐标的刻度值就是dBmmWPdBm1lg10242§1.2基本通信系统--1.2.10以分贝表示功率例题1.3假设一个发光二极管的辐射功率为2mW，计算与此辐射功率相对应的dBm值。此功率通过一组元件后有23dB的损耗，计算输出功率。mW01.02020233dBm32对应有根据各功率之间的关系对应解：dBmdBmdBdBmdBmmWstr43§1.2基本通信系统--1.2.10以分贝表示功率微瓦是另外一个常用的参考电平。相对于1μW用分贝表示的功率值用dBμ表示，则有WPdB1lg10244§1.3光的属性--1.3.1光的波动性“光”这一术语指的是频谱中的红外光、可见光、紫外光部分的电磁波。这样划分是因为这些频段范围内应用的许多分析方法、技术和器件都相同。可见光的波长范围0.4μm（蓝光）到0.7μm（红光）。可见光频段、紫外线，在石英玻璃光纤中的衰减较大。红外区域，0.85μm附近，1.26μm~1.75μm之间为光纤的传输窗口。45§1.3光的属性--1.3.1光的波动性46§1.3光的属性--1.3.1光的波动性47§1.3光的属性--1.3.1光的波动性光波的频率比射频电磁波高得多，但两者都遵循相同的规律。由于光波长很短，在光纤通信系统中的大部分器件的线度都要比波长大得多。但低频器件的尺寸可能在一个波长左右或更小。（媒质中）自由空间fvfc)(48§1.3光的属性--1.3.2光的粒子性单个光子的能量是例1.4如果光功率是1μW，波长是0.8μm，计算1s内投射到检测器上的光子数。电子伏特（eV），由一个电子在1V的电势差中加速得到的动能来定义，即0.8μm光子的能量用电子伏特表示为hfWpJeV19106.11eVeVJJ55.1/106.11048.2191949§1.3光的属性--1.3.2光的粒子性图1.17光子能量光的粒子理论可以解释LED、激光器和半导体激光器等光源的发光机理，也可以用来解释将光辐射转换成电流的光检测过程。50§1.4光纤的优点玻璃光纤的基础材料二氧化硅取之不尽。光缆传输比金属电缆传输更为便宜，铺设更为容易。光纤和光缆机械强度高，柔韧性好。光纤可以获得很低的损耗。图1.181km长的同轴线和玻璃光纤的等效衰减。光纤的3-dB带宽是500MHz。对于高频应用，与光纤系统相比，电缆传输系统的线路长度和放大器之间的间隔距离要小得多。51§1.4光纤的优点光纤具有巨大的传输能力。对于模拟传输——单根光纤可以传输调制带宽达数百兆赫兹甚至更高的信息。在数字系统中，光信号的失真限制了传输速率。图1.18信号随调制频率变化的典型曲线当调制频率较低时，传输1km时光纤有4dB的损耗。当频率提高到500MHz时，传输损耗会增加3dB，称光纤在这个长度上有500Mhz的3-dB带宽，用f3-dB表示。高于这个调制频率，衰减会进一步增加。高频衰