光纤通信技术电子教案.doc

通信系统组成 噪声一：信宿接收机信道信源发送机 O/E 光纤E/O电信号光发送二：光接收电信号输出输入 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 1962 LED1977 Bell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/km1973 Bell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 PDH SDH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： 039076m近线外： 0.7615m中线外： 15 25m远线外： 25300m光纤通信：0.81.8m f:1.673.75*10短波长：0.80.9m长波长：1.01.8m 超长波长：2m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：0.85m局域网，用户接入网，中继短，中继距离长 长波长：1.31.5m 超长波长：2m 非石英光纤，卤化物光纤，2000m衰减低至0.100.0001dB/km，1000km无中继站研制阶段。5.按数字体分：PDH，SDH6、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E1 导带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。E2 价带hv 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 1.1 LD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LD500w2mw；LED10w 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： TIth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Ith 2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1K ，反向电阻大于500K 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。12 LED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：30100nm，比LD宽，不能用于长距离传输2P-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LED LD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13 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hfEg f=Eg/h f=c/=c/f c=hc/Eg当入射光c，即hfEg，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APD1PIN 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 10100m；P区，N区：几个m2APD因为接收光信号微弱 w -PIN 产A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 C入射光2um 0.001dB/Km2、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-T1、模光纤 G651 （A）表1-5，1-72、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 10/125um2、 相对折射率差=（n1-n2）/n1 对c色散、带宽影响3、 NA=n10.2=sinmax4、 单模光纤截止波长单模传输充分必要条件：归化V=-18 =-25 =-30 8048 LD =-12 =-9 =-9LED =-18 =-25 =-30 32368 LD =-12 =-9 =-9LED =-20 =-25 =-30 139264 LD =-20 =-9 =-9LED =-20 =-9 =-30希望EXT越笑越好EXT小 信噪比大 I th 大但是EXT小，就是 I th 小 光源谱宽大 色散大也希望平均发送光功率大 I th 大 EXT小所以要统筹考虑所以Po 对接收机时噪声，从灵敏度考虑，希望EXT小，对LD讲，EXT小就是注入 I b 小，导致光源输出光功率降低，谱线宽度大 色散所以要全面考虑四、最小近模抑制比SMSR1问题 DWDM ：密集波分复用、信道间隔小于或等于1.6 nmCWDM：粗波分复用、信道间隔小于或等于 20nm相干光源：均要求 LD 为动态单纵横模激器1定义：衡量单位纵横性能（SLM）ITU-T 为30dB （下限）市话单模 LD =-6dB mLED =-28dB m长途单模：LD 6dB m 或 3dBm注意：单模光纤用NRZ码 多模光纤用 NZ码一般采用LD为9 ，6，3dBmLED 为 30dBm有关因素：中继段长，光源波长，传输容量，光纤类型（三）消光比1、 定定义：EXT=10ITV-T标准PON为全“1”码光功率平均POFF为全“0”码光功率平均我国定义：EXT=PO/2P*100% PO：全“0”码平均发光功率 P：伪随机码平均发送光功率 2P：全“1”码平均发送光功率2、标准EXT5%（四）灵敏度Pmin1、定义：在一定BER前提下，光端机接口点R所能接收最小平均光功率2、标准：表1-133、工作中，灵敏度用dBm表示Pr=10：1mwPmin：给定BER下，最低接收光功率（五）动态范围1、定义：在一定的BER（）时，R点处测的最大接收光功率与最小接收光功率之比对数2指标：1310nm系统D18dB PIN-FET为2025dB；APD为3040dB接收放大电路1、6中继距离计算1、问题： 传输衰减限制中继距离 传输带宽限制中继距离；另外：光功率、误码率2、国际解决：由系统性能、光端机性能定中继距离中继间距定系统性能、光端机性能 方法：参数选择法： L= P：平均光功率 af: 光纤衰减 Pr:灵敏度 as:接续衰减 ac:活动连接器损耗 Me、Mc:设备、光缆富余度 1.7光线路码电缆线路码：HDB3码: 一、二、三次群+1、0、-1CMI码：四次群001；100与11交臂光器件：发光“1” 无光“0”选择码型要求：避免信码中出现长“0”或长“1”能进行不中断业务误码监视尽量减少信码中直流分量起伏编码、解码电路简单、功耗小误码扩展小码速提升率要小1、mBnB码（1） 概念：m个二进制码转换为n个二进制线路码nm，码率提升n/m（2） 3B4B码：输入信号码流3B（bit），然后编4B（bit）A. 3B码B. 4B码2=16状态，16个状态选出若干代表3B的8种状态C. 编码表 表1-15字数和：WDS 码组中-1表示0码；+1表示1码每个字的代数和称为字数和如：0010写成（-1）+（-1）+（+1）+（-1）=-2=WDSDWDS值分类用4B码代替3B码时最好选WDS=0码字；禁选WDS=4E3B4B编码方案换成1、换成2、为使“1”、“0”码均匀分布WDS=2，和WDS=-2交替出现才能达到均匀分布。字数和又称为码字不均，又常以表示不均 如：字00111则d=+1；字11000则d=-10、1交替数量均等，定时提取丰富，码速提高=33.3%适于中等速率（3）5B6B特点：编码复杂性、比特冗余度方面适中，误码监测方便。A：编码5B输入码字共有，码速提升6/5倍选出若干码字代表32种码B平衡分析第一类：均等码字，含有3个“0”，3个“1”共20个（计=0）平衡不完全平衡码组第二类：含有4个“1”，2个“0”12个第三类：含有4个“0”，2个“1”12个 C码组选用：先用20个平衡含有四个“1”两个“0”用12个正模式含有四个“0”两个“1”用12个负模式两个模式交替使用，保持0、1均等，直流分量稳定，基线不起伏。总计20+2*12=44码组64-44=20禁字接收端收到误码特点：码速提高20% 如：140mB/S160mB/S 编码简单 对灵敏度影响不大 最大连“0”连“1”不超过6个3.插入比特码概念：信码中每M比特分为一组，把末尾一位插入1比特码（1）mB1P码每比特后插入1个奇、偶校正码，称为P码作用：每个码组内1码个数为偶数(2)mb1c概念：m比特分为1组，末位加一个反码C码作用：有效控制长连“0”连“1”，误码监码须有同步检测误码方法，误码检测。反对第m位码实行误码检测。(3)mb1H码概念：信码每m比特为1组，末位插入混合码、H码作用：有多种功能。可完成区间通信、公务、数据、监测等1不中断业务的误码检测（1） 双稳态检测法：码组内“1”“0”个数偶数线路码。如：mBnB,mB1p只能检测出奇数字误码，双稳态不改变无误码，双稳态改变有误码。（2） 运行数字和法：RDS不论均等码或非均等码，只要“0”“1”个数平均值等于0，可用RDS方法，字数和在一定范围内。（3） 禁字检测法：禁字出现误码（4） 同步误码检测法：对于mB1p,mB1c,MB1H码方法：对m和m+1模二加校对，位码成对的校对（5） 码结构违反检测法，正负不均等码字，交替规则。mB1H码在我国运用。1、基本结构与特点B、为传输信息比特，为连续信息比特数。H、混合信号码，各种辅助信号组成。结构：特点：减少相同码连续个数，定时信息丰富。 误码检测利用C码特点。 监控、公务、区间通信数据通信在S位插入实现各种信息在同一根光纤中传送与扰码共同作用效果更佳。2、mB1H帧结构1）、4B1H帧结构 （1）4B1H码帧结构在34系统中应用 4B1H码 H码 区 1 8路区 2 8路C 码 8路帧同步4路数据通信2路监控1路公务1路 （2）8B1H码区 1 8路区 2 8路S码 区 3 8路数据通信2路监控1路公务1路（3） 1B1H码特点标准型 1比特信息 插入码C反码1比特插入码H码 公务监控区间倒换34Mb/s系统Hi=32帧长=325=160bit码率提高343685/4=42960Kb/s帧频42960/160=268.5KHZ2）8B1H 码帧结构对140Mb/s信号速率提高9/8140=1556672Kb/s帧长：3292=576bit帧频：156672/576=272Kbit区间通信速率2728=2176Kb/s3）1B1H码帧结构 特点：灵敏度代价高，码速提升率大，电路简单，辅助比例大，功能齐全，误码检测精度高，可靠性好。 标准型线路码帧结构 H码：公务电话，监控信号，区间通道等辅助信号比特排列次序如a标准型线路码帧结构帧长：328=256bit对140端机：B1、B2、B3、B4为139264信号码H1、H3是二个34368区间通信H2混合码：速率34368，长度32F1、F2、F1、F2 ：1001帧定位码组区1、区2：二个8448区间通信码：可使8路低于1000速率数据。公1、公2监倒为4路1088数据通道本地码：（1）每个码速：8448kb/s（2）线路码：84488=67584=68Mb/s（3）B1B4各传120路话路且为二次群（8448