光纤通信技术电子教案.docx

光纤通信技术电子教案.docx

《光纤通信技术电子教案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤通信技术电子教案.docx（82页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

光纤通信技术电子教案

通信系统组成

一：

二：

信源：

原始信号系统

发送机：

对原始信号处理，变换（调制，放大，滤波）送信道

信道：

信号传输媒介

噪声：

各种干扰信号

接收机：

完成发送机的反变换（滤波，放大，解调）

信宿：

完成原始电信号原始消息

一：

光纤通信发展史

1.光纤通信概念：

以光载波运送信息，以光纤为传媒的通信。

2.古老光通信：

烽火台，交通灯，光电话/880，贝尔实验室。

3.三个主要技术：

光源:

1960红宝石激光器

1962LED

1977Bell实验室成功研制100HLD

光纤：

1966高锟严格论证从人类玻璃中祛除杂质可制成低衰减光纤。

1970公司制出20dB/km

1973Bell实验室制成1dB/km，现在02dB/km以下。

1973日本解决接续问题。

1974活动连接器

光检测器：

70年代研制成功。

1．三个阶段：

第一阶段：

1970-1979：

光源，光纤检测器研制成功。

由美国，亚特兰大，第一个光纤通信系统建成。

第二阶段：

光纤技术突破：

衰减降02dB以下。

79-89年：

多模单模光系统建设高潮

第三阶段：

89年至今：

光系统PDHSDH过渡。

传输速率提高，光纤放大器问世，给光纤通信技术带来巨大变革。

光纤传输光放大光集成，光分播复用，光交叉相连，光交换的全光网时代。

将来:

宇宙星际光通信，可能实现。

2.光在电磁波谱中位置：

可见光：

λ039—076μm

近线外：

λ0.76—15μm

中线外：

λ15—25μm

远线外：

λ25—300μm

光纤通信：

λ0.8—1.8μmf:

1.67—3.75*10

短波长：

0.8~0.9μm

长波长：

1.0~1.8μm

超长波长：

>2μm

二：

光纤通信类型及特点

1．按信号类型分：

光纤模拟通信系统：

广播，电视

光纤数字通信系统：

PCM数字信号

2．按光调制分：

直接调制光纤系统：

电信号对光源强变调制

外差调制光纤系统：

电信号对光源发出光载波调制。

3．按光纤特性分：

多模光纤通信系统：

140Mbit/s以下

单模光纤通信系统

4．工作波长分：

短波长：

0.85μm局域网，用户接入网，中继短，中继距离长

长波长：

1.3—1.5μm

超长波长：

>2μm

非石英光纤，卤化物光纤，2000пm衰减低至0.10—0.0001dB/km，1000km无中继站研制阶段。

5.按数字体分：

PDH，SDH

6、按应用范围分：

长途

市话中继

接入网系统

6传输信道数目划分：

单信道（波长）系统：

一根光纤只传一个波

粗波分复用系统（CWDM）：

一根光纤传少量不同波长，信道间隔大于20nm

密集波分复用系统：

传多个波长，信道间隔小于8nm。

CWDM：

一根光纤中同时传少量不同光波长。

信道间隔大于20nm，在城域网中广泛应用。

DWDM：

一根光纤中同时传多个不同波长光信号。

信道间隔小于8nm，同时用时分复用使系统容量数百倍提高。

三：

本课程学习内容

光纤、光缆：

原理，参数

光器件：

原理、参数

光传输设备：

25Gbit/s，16*25Gbit/s，32*10Gbit/s，40Gbit/s

光测量技术：

原理、方法

光半导体发光机理

爱因斯坦量子论提出：

光与物质相互作用，发生自发辐射、受激辐射、受激吸收。

1．跃迁：

电子从一个能级转移到另一个能级的过程。

2．从低能级向高能级跃迁：

吸收能量。

3．释放能量：

从高能级跃迁到低能级。

4．能量是二个能级之差

hv=E1-E2

E1：

高能级；E2：

低能级；v：

光频率；h：

普郎克常数

A：

受激吸收：

在低能级电子，在外来光子激发下，吸收光子能量跃迁到高能级上。

B：

自发辐射：

处在高能级电子自发跃迁到低能级上（与空穴复合）并辐射出一个能量为（Eg=E1-E2=hv）光子

光子频率v=（E1-E2）/h

特点各电子是独立地，自发地随机地跃迁，彼此无关。

发出光是非相干光。

能量以光子方式发射出来。

C：

光的受激辐射（发射）

处在高能级电子，在能量为E=E1-E2，频率

V=（E1-E2）/h外来光子激发下，跃迁到低能级，

发射出一个和入射光子一模一样—全同光子。

特点：

频率、相位、方向、传播方向相同

一个光子作用可以得到二个全同光子

一定条件下可以产生大量全同光子—光放大。

相干光

D：

粒子数反转分布

热平衡状态下物质中：

低能级电子多、高能级电子少。

∴没有外界激励下，常温下，受激吸收>受激辐射

∵单位体积时间内，从低能级受激跃迁到高能级电子数多于从高能级受激跃迁到低能级电子数。

∴光放大条件：

物质中受激辐射>受激吸收必须有—高能级电子数>低能级电子数。

物质这种发常态粒子数分布—粒子数反转分布

E：

工作物质：

能形成粒子数反转分布的物质。

帮浦源：

给工作物质施加能量，形成粒子数反转分布。

第一章1.1LD

一：

对光源LD要求

1．寿命10年以上，从可靠性、经济性要求，不允许中断。

如北京—武汉全程40LD。

如平均寿命100万H，每2.8年可能出现一次故障。

2．较大光功率输出1mw以上。

目前LD—500μw—2mw；LED—10μw

3．发出光波长须和光纤三个窗口一致。

4．谱线宽度要窄：

LD谱宽<0.1nm。

谱线窄，传输距离远谱度1nm只能传17Km；0.2nm，能传80Km

5．高速响应特性与光纤耦合效率高。

6．良好温度特性，工作波长，输出功率与温度变化有关。

尺标、重量轻易安装。

二：

LD组成、原理

1．组成产生激光的工作物质

帮浦源

光学谐振腔

2．原理：

当PN结加正向电压时，有源区载流子达到粒子数发转分布，电子与空穴复合产生光子—受激辐射—光放大—立即达到稳定激光输出。

三：

LD性能参数

理解重要特性，才能正确使用LD。

1．I-V特性：

在正偏压下工作，当外加电压超导通电压时，电流随外加电压增大。

导通电压：

VF在1V~1.5VVF高长期工作不利

正向电阻：

RF（2~3N）AV/AI

RF高，工艺不好

V=Eg/（E+TRs）E：

电子电荷；Rs：

二极管串联电阻；f：

光振荡频率

Eg=h.f（h=6.626*10）

2.P-I特性：

Ith:

值电流。

注入电流》Ith时激光器发光。

一般：

ITH：

长波长20~50MA；短波长50~100MA。

Ith小寿命长。

当Ith>初始值时LD坏了。

3．光谱特性：

谱线宽度：

输出光功率峰值下降3dB时，半功率点对应。

宽度越窄越好→容量↑

4．温度与光电特性：

T↑→Ith↑→输出功率随温度变化。

如果注入电流不变→输出功率↓所以用ATC电路。

通常：

Ith→初始值1.5倍时，LD寿命终止。

要加ATC制冷器，散热。

5．调制特性

电信号直接加到激光器上，在数字调制时，有电脉冲时，激光器就发光；无脉冲激光器就不发光。

电脉冲—光脉冲激光器发射光脉冲后，需一段时间恢复即需粒子数反转分布。

延迟：

以td表示：

激光器连接发射二个光脉冲即需时间。

加偏置电流可以提高调制速率。

当外加偏置电流等于Ith时，延迟时间等于零。

激光器可以连续发射脉冲而不需要准备时间。

四：

注意事项

1．不能用大于Ith2倍电流冲击。

∵电流微小变化，引起光输出的较大变化。

曲线（P-I）相当陡

2.测试时避免极性反接

3．防静电击穿

4．判断LD好坏时，正向电阻为1KΩ，反向电阻大于500KΩ

5．选LD时，Ith要小，对应Pth也小（线性好,Ith以上）

6．满足要求前提下，尽量低功率输出。

1．2LED

一．结构原理

1．结构：

没有光学谐振腔，其它与激光器相同。

无阀值器件，发光只限于自发辐射—荧光。

2．原理：

PN结加正向电压，注入正向电流时，注入电子在扩散过程中与空穴复合发光

二．特性

1．光谱宽：

30~100nm，比LD宽，不能用于长距离传输

2．P-I曲线线性好，广泛应用于模拟信号传输

3．寿命长，稳定可靠。

调制方便，价格低

4．方向性差

5．温度特性好，在中低速系统中应用。

当T从20℃升高到70℃时，功率下降不多，不要ATC电路。

三．LED与LD性能比较

LEDLD

输出功率小大

温度不敏感敏感

成本低高

寿命长一般

带宽小大

1．3光检测器

一．基本要求

1．在工作波长内，有足够灵敏度，由响应度及量子效率衡量

2．要有足够带宽，对光信号有快速反应能力，以脉冲上升时间TR衡量

3．对光信号解调时引入噪声要小

4．检测器体积小，可靠，方便

5．可低功率工作，不要过高偏压，偏流

6．高的光电转换效率

二．光电转换原理

1．光电效应：

半导体中被束缚载流子吸收光子能量后，激发为自由电子。

2．原理

光照射在PN结上，如光子能量足够大，电子吸收光能，从低能级跃迁到高能级，产生电子空穴时，—即光生载流子，光生载流子在负偏压和内建电场作用下，在外电路中出现光电流。

如光子能量hf，能级差Eg。

当hf≥Egf=Eg/hf=c/λ∵λ=c/f∴λc=hc/Eg

当入射光λ<λc，即hf≥Eg，时，才能有光生载流子。

光信号—光生载流子

工作原理光生载流子运动

光电流与外电路相互作用

三：

PIN与APD

1．PIN光电二极管

原理：

在反向偏压下，形成较宽耗尽区而且具有相当高的电场强度的耗尽区。

在耗尽区内激发的光生载流子对，立即被电场分开，以很高速度向相反方向运动，形成电流。

∵耗尽层宽，光生载流多

∴加大反向电压

加一层本征区I区10~100μm；P区，N区：

几个μm

2．APD

因为接收光信号微弱μw-PIN产μA

∴要高增益放大

∵KV升高—噪声大

∴在检测器内放大。

原理：

在PN结加高反压（几百伏）形成了强电场，光生载流子被加速，获取高能量与半导体晶格的原子发生碰撞，产生新的载流子，新的载流子被加速----如此循环，像雪崩一样光电流在管子内部获得倍增。

提高灵敏度，用于长距离光系统。

四：

参数

1、截止波长λC

入射光λ<λC才能检测

2、光子效率响应度

光子效率

η=

P/hf=光子数；光生电流IP=

3、暗电流

1nA以下，无光照射电流

4、响应时间

Tr=W/Vmax（W：

耗尽宽度；Vmax：

载流子漂移速度）

1.5光纤与光缆

一：

类型

石英系光纤

1、材料分多组分玻璃光纤：

由镍、钴、铁化合物

塑料光纤：

聚苯乙烯、有机玻璃

氧化物光纤：

氟磷酸，低酸盐、铋酸盐，远红外下，中继距离可达1000KM。

λ>2um0.001dB/Km

2、模式分多模

单模：

只传输基模

短波长

3、波长分长波长

超长波长

4、折射学突变

渐变

二：

标准化ITU-T

1、模光纤G651

（A）表1-5，1-7

2、模光纤G652

（B）表1-6，1-7

1.55um衰减小，色散较大；1.33um衰减大，色散较小

3、653标准色散位移光纤

1.55um处色散小，衰减也小

4、654光纤衰减变成最小光纤

1.55um衰减最小，用于海底通信

三：

参数

1、芯径：

2a

多模50/125um；单模10/125um

2、相对折射率差

Δ=（n1-n2）/n1对λc色散、带宽影响

3、NA=n1≈0.2=sinØmax

4、单模光纤截止波长

单模传输充分必要条件：

归化V<2.405

频率=2πa

四：

传输特性

1、损耗：

紫外：

吸收0.16μm

红外：

吸收21μm

OH：

吸收1.39μm、1.24μm、0.95μm

∴形成0.85μm、0.31μm、1.55μm

2、色散：

材料色散：

材料N随λ变化

模式色散：

模式不同

波导色散：

光源有一定Δλ

原因：

单模光纤带宽100G/Km，色散系数→带宽

参数测量

3、要求：

可重复性、易行

4、参数：

损耗，带宽，N，λ故障点分布

5、动态模分布（EMD）：

稳态模：

各模式光功率相对保持不变→平衡

标准：

近场分布，远场分布图形不变，场图与光纤长度无关

近场Z≤πL/λ（单模3μm；多模70μm）

远场Z≥πL/λ（单模0.3mm；多模70mm）

L：

传输长度

G651规定：

NA=0.2；λ=0.85μm；50/125μm

EMD：

近场半幅值宽：

26μm；

远场半幅值NA：

0.11μm

方法：

滤模器：

去除高阶模（d=20mm绕5圈）

包层模剥除器：

去除包层模

扰模器：

强烈几何扰动方法，微弯曲→小圆柱8mm

阶跃

↓

渐变

↓

1、光纤损耗测量

截断法、插入法、OTDR

⑴衰减定义：

A（λ）=10

⑵衰减系数：

对均匀光纤

⑶切断法：

根据定义测量→准确

1接线

2测出P2

3在测P1时，在2m处剪断测量

4重复三次，取平均值

⑷插入法：

适用于现场维护，施工

法一：

1接线

2测出P1，检测器与注入系统直接连接

3将待测光纤接上测出P2

4A（λ）=P1-P2-C1-C2存在C1、C2连接器衰减

法二：

1将参考系统接入P1（λ）

2待测光纤系统接入P2（λ）

3P1-P2=λ准确

⑸OTDR法

光时域反射计法—方便、功能多

测试：

衰减、长度、物理缺陷、衰减沿长度分布、故障点、接头损耗

原理：

从后向散射光中提取信号衰减的信息及其它信息

α：

衰减系数

Ζ：

长度

输入接口

光发送码型变换

光发送电路

光端机输出接口

码型反变换

光接收定时再生

光接收

抽样

发送端A/D量化

编码（高次群）

PCM端机

接收端D/A再生（分接）

解码

低通

1.6.1系统参数模型

一方面：

光纤通信系统分布作为通信网中的传输部分，其传输性能的好坏直接影响全网全程的通信质量，所以要考察光系统的传输性能，就应把它放在整个通信网中考虑，为了有机地分析整个通信网，ITV-T提出了参数模型的概念，并规定了系统参数模型的性能参数及指标，光系统质量指标应按此规定。

另一方面：

1．假设参数数字连接HRX：

HypothesisReferenceDigitalConnection

HRX：

是一种最长，结构最复杂，传输质量最差的连接。

它是以ISDN性能要求和64Kb/s数字信号连接考虑，使任何参数总性能要求与用户要求一致，两个用户之间要经过各种传输手段，交换和其他功能单元。

27500km

14段电路（数字链路）

ITV-T规定13个交换点

本地交换LE间有12段电路

二个用户参考点T间全是64kb/s连接

交换LE本地交换

数字链路T参放点

假设数字通道：

HPDP（Path）

1．光纤数字通信系统参数类型

问题提出：

为保证正常通信，必须对光系统提出合理指标要求。

包括误码、抖动、损耗，可靠性等指标。

参考模型是制定各项性能指标基础。

为了进行性能指标分配要找出距离最长，结构最复杂，传输质量又最差作为质量核算对象，所以这样的连接传输质量能满足要求，那么其它情况更可以满足通信要求。

（1）假设参考数字连接HRX：

是固定公认规定，是一个具有规定结构长度，性能的假设连接。

由若干数字链路，交换机构成。

总长度27500km

共有14段电路（假设参考数字链路）

共有13个数字交换点

本地连接LE间共有12段电路

两用户参考点T之间全是数字64kbit/s连接

从ISDN性能要求和64kb/s信号最长全数字连接考虑的。

针对这样的电路结构，规定了各项指标。

（2）假设参考数字链路HRDL

作用：

为了对数字传输劣化的研究，提出了由复用设备和传输系统构成的网络模型。

两个相邻数字配线架间所有的传输系统、复、分接设备等各种传输单元。

HRDL：

指相邻交换点之间的二个数字配线架间的全部复、分接设备和传输系统，不含交换设备—含义是什么？

规定总长2500km国际

我国5000km美国（加拿大）6400km

市话100km日本2500km

一个HRX由若干HRDL组成。

（3）假设参放数字段HRDS

指两个相邻数字配线架之间的光中继器，光缆线路。

（HRDL）由若干HRDS构成，作用是提供数字传输系统的性能指标。

一个数字段包含一个或几个中继段，有一定的长度和指标规范的数字段。

规定我国一级形成420km

二级形成280km

国际280km

市话50km

总之：

HRX、HRDL、HRDS是一种规定长度，网络结构分别包含一定数量的复、分接设备，传输设备。

HRDL、HRDS是HRX组成部分，可以认为HRX是二个用户话机最长的网络模型，在此模型上，ITV-T规定了各项性能指标，并把它进一步分配到HRDL、HRDS，便于我们工程设计也符合国际规范。

HRX总性能指标分配到HRDL中去，HRDL性能指标按比例分到HRDS中去。

1.6.2光纤数字通信系统

1．框图

2．组成：

电端机、光端机、光缆线路、中继器

3．各部分作用

电端机：

发端：

话音信号→PCM信号→光端机

接收：

PCM信号→话音信号（非话音）

光端机：

发送：

PCM信号经调制LD→光信号光纤

LED

接收：

光信号→经APD检测→电信号→放大均衡→PCM信号

PIN

光中继器：

光→电光中继器信号再生放大

4．140Mbit/s系统PDH

TX：

发送

RX：

接收

接口4（4´）：

四次群端机与四次群复用设备接口M4

接口3（3´）：

四次群复用设备支路口与三次群复用设备M3接口。

接口2（2´）：

三次群复用设备支路口与二次群复用设备M2接口。

接口1（1´）：

二次群复用设备支路口与一次群复用设备M1接口。

接口0（0´）：

一次群复用设备的音频话路与交换机接口或64kb/s接口。

1.6.3系统的性能指标

1．系统电性能参数

（1）误码性能：

误码基本含义：

发“1”→接收“0”

发“0”→接收“1”

原因：

噪声、抖动、色散引起码间干扰

平均误码率

参数劣化分

严重误码率

误码秒

对于实用光系统应同时满足四项参数

①平均误码率BERav

A：

含义：

某单位时间内出现误码的码元数与传输元数

BERav=误码的码元数/传输码元总数

例如：

一速率8.448Mbit/s光系统，若BERav等于求5min内允许误码的码元数。

解：

5min传总码元数

8.448*10*60*50=2.5344*10码元

允许误码的码元

2.5344*10*10=2.5码元

说明：

BER与传输码速，测试时间长短有关还与具体测试时间、中继段数有关。

B：

影响：

反映为话音中噪声。

觉察不到

刚刚觉察到

低声讲话，感到干扰

各种电平都感到干扰

强烈干扰

平均误码率合格并不表示短时间内误码率一定合格。

②64接口处误码性能参数

A：

劣化分（DM）

DM定义：

BERav钟称为劣化分。

∵低于时，即可以觉察的到。

门限：

指标：

劣化分数/可用分数目≤10%

总观测时间TL：

一个月

取样观测时间To一

可用分数目：

TL中扣除不可用时间和严重误码秒后所得到时间。

B：

严重误码秒SES

定义：

误码率低于秒称为SES

门限

指标：

累积严重误码秒数目/可用时间秒数目≤0.%

↓

扣除不可用时间后累积的严重误码秒数目

总观测时间：

Tl个月

抽样观测时间：

To1S

C：

误码秒（ES）

定义：

误码发生的秒称ES

指标：

累积误码秒数目/TL中可用秒数目8%

总观测时间TL：

一个月

抽样观测时间TO：

1S均是针对27500KMHRX而言

高速率接口与64KBIT/S接口转换关系

高速率DM为X%转换到64KBIT/S接口DM仍为X%

高速率SES为Y%转换到64KBIT/S接口SESY%+E%工作中Z=0

高速率ES转换，求64KBIT/S接口误码秒

N：

所测比特率第I秒误码数

N：

高比特率除以64KKBIT/S的商

J：

整个测量期以秒为单位的总时间（不含不可用时间）

（N/N）为第I秒的（N/N）值

另外工程验收中用BERW，所以BERW与DM、SES、ES转换

测试时间24H。

通常做法：

420KM高比特率数字段BERAV〈10

大于420KM

对市话光系统〈50KM时，高比特率BERAV〈10

4指入分配：

∵2500KM占全程27500KM40%

∴按长度均分每公里指标数字段误码性能指标（64KB/S接口）

误码性能每公里280KM420KM

DM

ES

SES

在数字段长不足420KM，280KM时，仍按420，280KM

转换方法

1BERAV与DM

DM=

M：

为平均误码率门限（和传输速率确定的误码比特

B为64KB/S；D平均误码率

对于T0=1MIN64KB/S传输系统

每分钟可传384BIT，对应平均误码率限门为容许误码个数为384个比特，所以上式是误码数超过3BIT的概率（DM）计算公式。

2BERAV与SES

对与T。

=1s，门限10-3这样64kb/s传输系统要求误码个数必须等于或者少于64kbit，大于64kbit的概念用下式

SES=

3BERAV与ES对于T。

=1S

ES=1-EFS

无误码秒有分数EFS=e-bp×100%

4指标分配

5高速率SDH系统的误码能性

据1TV-TG826建议以“误码块”为基础

A误码块（EB）：

在一组码（一块）中有一个或多个错误比特

B误码秒（ES）：

在一秒内有一个或多个误码块

C严重误码秒（SES）：

在一秒内有30%以上误码块

D背景误码块（BBE）：

发生在SES以外的误码块

E误码块秒比（ESR）：

在规定测量时间之隔内出现的ES数与总的可用时间之比

F严重误块秒比（SESR）：

在规定测量时间之隔内出现懂得SES数与总的可用时间之比

G北京误块比（BBER）：

BBE数扣除不可用时间和SES期间有料数后的总块数之比

双抖动性能

一概念

1．抖动含义：

数字信号有效瞬间相对于标准时间位置短时间偏离。

变化频率高与10HZ的相位变化

2、影响：

误码失真。

3、原因：

定时提取电路谐振回路失谐噪声码间干扰限幅的门限变化

4、单位：

UI以一个码元的时隙为一个UI，吗速率倒数

2048kbit/s448

8448118

3436829.1

1392647.18

二指标

1、网络接口的最大允许抖动

数字网内任何接口，在任何情况下，不管其前面有多少设备传输信道，接口的抖动不能超过

相位抖动原因

A：

谐振回路失谐

因为接受端定时提取采用并联谐振电路

f。

=fb数码率

当f。

fb时

Δf=fb-f.由于Δf引起相位抖动TgΦ=Φ=2Δf/fb

所以破坏了相位判决条件——误码

所以：

减少各种因素对L。

C参数的影响

B：

限幅门限失调与信号电平变