第2章+光纤通信技术.ppt

第2章光纤通信技术,2.1光纤通信的发展与现状2.2光纤通信系统及其应用2.3光纤通信系统的主要光器件2.4光放大技术2.5多信道光波系统2.6相干光通信系统2.7光弧子通信系统2.8准同步数字体系(PDH)2.9光同步数字传送体系(SDH)思考与练习,2.1光纤通信的发展与现状,光纤通信技术的发展趋势可概括为以下5个方面。1.继续增大通信容量和传输距离继续改进常规的强度调制/直接检测（IM/DD）的光通信系统技术。2.光同步数字体系（SDH）得到了迅速应用和发展SDH统一了不同数字通信标准，采用同步数字体系网络节点接口（NNI）后有利于国内外通信互连和发展，从而增强了系统效能。,3.宽带业务本地用户光纤网和异步转移模式（ATM）引起了世界的重视通信网中本地用户系统的建设费用约占总费用的30%以上。4.光电集成技术迅速发展光纤通信技术的发展与光电集成技术息息相关，相辅相成。随着科技的发展，光通信不仅将在通信的传输部分而且将在交换部分起着主要作用，特别是光子技术的发展将使通信面貌发生巨大的变化。,5.全光通信技术发展迅速为了充分发挥光纤通信网的高速大容量的通信能力，避免在传输节点上有大量的电子处理过程造成的电子瓶颈限制，近几年将在光节点交换技术(如光交叉连接器(OXC)、光分插复用器(OADM)、光包交换设备)上投入大量研究，并逐步实用化。,2.2光纤通信系统及其应用,目前实用的光纤通信系统大多采用强度调制/直接检测（IM/DD-IntensityModulation/DirectDetection）方式。强度调制是指在发送端用所传的电信号去改变光信号的强度；直接检测是指在接收端用光检测器把调制的光波变为原来的电信号。光纤通信系统的原理方框图如图2-1（a）所示。图中仅表示了一个方向的传输，反方向的传输结构是相同的。,图2-1光纤通信系统方框图（a）单信道O-E-O中继数字通信系统；（b）单信道O-O中继数字通信系统,图2-1中，电发送机的作用是对来自信源的信号进行处理，例如模/数（A/D）变换，多路复用等处理，它是一般的电通信设备。,图2-2光发送机原理框图,电信号对光的调制有两种方式：一是在光源(如激光器)上，直接加上电信号对光源进行调制，使其产生随电信号变化的光信号，这种方法称为直接调制，是一种最为简单的方法，也是最常用的方法；二是利用物质的电光、声光、磁光等效应对光波进行调制，这种调制方法的调制器在光源外部，当光从光源射出以后，在其传输通道上被一调制器调制。光检测器是光端机接收端的主要部件，其原理框图如图2-3所示。,图2-3数字光接收机原理方框图,正是这种巨大带宽潜力，推动光纤通信系统在全球的开发与应用。目前主要有以下三类应用：（1）电信应用：用于遍及全球的电信通信网中的数字语言通信。（2）数据通信：早期主要用于局部区域网中的计算机数据和传真信息的传输，距离一般较短，速率较低。（3）视频图像通信：用于广播电视与共用天线（CATV）系统中，传送宽带高质量图像。,2.3光纤通信系统的主要光器件,2.3.1光纤光纤是光纤通信的传输媒质，由纯石英经复杂工艺拉制而成。它属于介质波导，从横截面上看基本由三部分组成，即折射率较高的芯区，折射率较低的包层和表面涂层，如图2-4所示。,图2-4阶跃型光纤与渐变型光纤的横截面图和折射率分布（a）阶跃型光纤；（b）渐变型光纤,根据芯区折射率径向分布的不同，可分为阶跃型光纤、渐变型光纤。另外，还有三角形折射率分布光纤和W型折射率分布光纤等。目前通信上使用的光纤可分为阶跃型多模光纤（SIF）、渐变型多模光纤（GIF）、单模光纤（SMF）。三种光纤的主要区别见表2-1。,表2-1三种光纤的主要区别,损耗和色散是光纤的两个重要传输常数。光纤的损耗可以用衰减系数表示，一般情况下，信号在光纤中传输时所受衰减可用下式定义：,（2-1）,式中，P为光功率，不仅包括材料吸收，也包括其它功率衰减，并与光频率和波长有关，若设输入功率为Pi，则由上式可知,经过长为L的光纤传输后的输出功率为Po=Pie-L(2-2）上式也可以写成,（2-3）,一般以dB/km为单位，并称为光纤损耗系数。,图2-5单模光纤的损耗谱特性,设频率为的一光谱分量经过长为L的单模光纤时，其时延为T=L/vg，vg为群速度，定义为vg-1=d/d（2-4）利用传播常数与有效折射率的关系：，可得vg=1/ng，ng为群折射率，,（2-5）,由于光脉冲包含许多频率分量，因而群速度的频率相关性导致了脉冲传播过程中展宽，不再同时到达光纤的输出端。设光脉冲的谱宽为，则脉冲的展宽程度可由下式决定：,（2-6）,光波系统中，决定光源发射的波长范围，常用代替。利用=2c/和=(-2c/2)，则式（2-6）可变为,（2-7）,（2-8）,式中,群速色散对比特率的影响可利用不产生相邻脉冲重叠的准则BT1估计。利用式（2-7）中的T，则GVD对单模光纤比特率-距离积（即通信容量）的影响，可用下式表示：BLD1（2-9）,单模光纤的色散由材料色散和波导色散构成，其色散系数D为材料色散系数DM与波导色散系数DW之和，即D=DM+DW（2-10）图2-6给出了DM、DW和D随波长的变化关系。,图2-6普通单模光纤的色散特性,2.3.2光源光源器件是光纤通信设备的核心，它的作用是将电信号转换为光信号。光纤通信设备的主要光源有半导体激光器（LD）、半导体发光二极管（LED）两种。,图2-7LD和LED的P-I特性曲线（a）LD的P-I特性曲线；（b）LED的P-I特性曲线,DFB激光器结构及其光谱特性如图2-8所示。图中给出了一个内部的结构示意图及其光谱特性。蚀刻的光栅并不在真正的有源层，而在其上方。光栅和谐振腔能够支持仅有的一个公共谐振纵模，其波长由布拉格定律决定，即,（2-11）,图2-8DFB激光器结构及其光谱特性,2.3.3光检测器1.PIN光电二极管PIN光电探测器的核心是P-N结。如果在P-N结上加反向电压，则在结上就形成耗尽层，当光入射在P-N结上时，将产生许多电子空穴对；在电场作用下，产生位移电流，如果两端加上负载阻抗就有电流通过。通常称这种电流为光电流，光信号就变成了电信号。,一个简单的P-N结光电探测器，由于耗尽层窄，光电转换效率低。为了提高转换效率，在P-N结中间加上本征半导体层称为1层，以展宽耗尽层，这就形成了PIN光电二极管，其结构原理如图2-9所示。,图2-9PIN光电二极管结构原理图,2.雪崩光电二极管（APD）PIN光电二极管是一种无信号增益的器件。为了提高器件的光电转换效率，可采用一种有光电倍增功能的光电二极管作为探测器，如APD光电探测器。APD光电探测器的核心还是P-N结，它与PIN光电二极管的不同之处是在P层和N层中的掺杂量增大，在耗尽层中形成高场区，其结构原理如图2-10所示。,图2-10APD结构原理图,3.APD和PIN的使用比较在要求光接收灵敏度较高时，应使用APD光电探测器，这样可以延长中继距离。但它要求较高的偏置电压和温度补偿电路，电路较为复杂，调整较为困难，成本较高。因此，在灵敏度要求不太高，中继距离不太长时，一般以使用PIN光电二极管为宜。国产PIN光电二极管的主要指标如表2-2所示。国产InGaAs-APD的主要参数如表2-3所示。,表2-2国产PIN光电二极管的主要指标,表2-3国产InGaAs-APD的主要参数,2.3.4光无源器件1.光纤连接器光纤连接器是组成光纤通信系统和测量仪表中不可缺少的一个重要器件。它与光纤固定接头不同，可以拆卸，使用灵活。,光纤连接器的种类、型号很多。其中有代表性的有：FC、ST、SC等系列。在我国用的最多的是FC系列的连接器，它是干线系统中采用的主要型号，在今后较长一段时间内仍是主要品种。随着光纤局域网、CATV和用户网的发展，SC型连接器也将逐步推广使用。此外，ST型连接器也有一定数量的应用。FC型连接器是一种用螺纹连接，外部零件采用金属材料制作的连接器。它是我国采用的主要品种，其结构如图2-11所示。,图2-11FC型连接器结构图,图2-12SC型连接器的插头和转换器(a)插头；（b）转换器,SC型连接器的插针、套管与FC完全一样，外壳采用工程塑料制作，矩形结构，便于密集安装，不用螺纹连接，可以直接插拔。图2-12给出了两种SC型插头。图2-12（a）中的（1）为通用型插头，可以直接插拔，多用于单芯连接；（2）为密集安装型转换器，要用工具进行插拔，用于多芯连接。ST型连接器采用带键的卡口式锁紧机构，确保了连接时准确对中，其插头和转换器如图2-13所示。,图2-13ST型连接器的插头与转换器(a)插头；(b)转换器,2.光纤的永久性连接在光纤通信线路中，两段光纤之间常需进行永久性的连接。永久性连接可分为熔接法和粘接法。由于熔接法制得的接头损耗小，机械强度高，性能稳定，且易实现操作过程的自动化，故目前工程上采用此法。,图2-14焊接机原理框图,3.光衰减器光衰减器是调节光强度不可缺少的器件，主要用于光纤通信系统、线路的评估、调整等方面。光衰减器可按照用户的要求将光信号能量进行预期的衰减，常用于系统中吸收或反射掉光功率余量、评估系统的损耗及各类试验中。光衰减器的种类很多，主要可分为固定衰减器和可变衰减器两种。光衰减器一般使用金属蒸发镀膜滤光片作为衰减元件，依据镀膜厚度来控制衰减量。光纤固定衰减器原理如图2-15所示。,图2-15固定衰减器原理,4.光隔离器从光纤连接器界面和光纤近端面反射回的光，再次进入激光器后，就会使激光器的工作不稳定，影响它的工作特性，特别是当激光器在超高速条件下工作时，影响更为明显。光隔离器就是为消除这种反射光影响的一种器件。偏振器分别置于法拉第旋转器的前后两边，其透射光方向彼此呈45关系，如图2-16所示。,图2-16光隔离器典型结构,5.光开关光开关是一种具有一个或多个可选择的传输端口对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。根据其工作原理，光开关可分为机械式和非机械式两大类。,6.光耦合器光耦合器是一类能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行再分配的器件。7.光波分复用元件光波分复用元件是对光波波长进行分离与合成的光无源器件。在高速光通信系统、接入网、全光网络等领域中有着极为重要的应用。图2-17给出了复用/解复用器的一种典型应用系统。,图2-17复用/解复用器的典型应用系统,图2-18解复用器波长插入损耗关系曲线,有时同一个器件既有合波功能又有分波功能，采用这种复合功能型器件可以通过一根光纤实现双向通信。光波分复用/解复用器的光学特性与普通耦合器有不同之处，现分别介绍如下：以光信号波长为函数的解复用器的光学特性，可以用输入端到n个输出端的各信道的波长插入损耗关系来表示，如图2-18所示。,对于每一个工作通道，从输入端到输出端都有一个最小损耗分布图。1）中心波长（或通带）1、2n+1它是由设计、制造者根据相应的ITU-T规定选定的。2）中心波长工作范围1、2对于每一工作通道，器件必须给出一个适合于光源谱宽的范围。,3）中心波长对应的插入损耗Li它是指某特定波长信号穿过复用器相应通道时所引入的功率损耗。4）相邻信道之间串音耦合LC它是指波长隔离度或通道隔离度，即在某一指定波长输出端口所测的另一非选择波长与该波长输入功率之比的对数。,图2-19复用器插入损耗波长关系曲线,2.4光放大技术,2.4.1光放大器的种类迄今为止，研究的光放大器有三种，即半导体光放大器、掺杂光纤放大器（包括EDFA）和非线性光纤放大器。,1.半导体光放大器半导体光放大器由半导体材料做成，与半导体激光器的基本原理相同，是利用能级间跃迁的受激现象进行光放大的。2.掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器是利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大器。,3.非线性光纤放大器非线性光纤放大器包括受激拉曼散射（SRS）光纤放大器（FRA）和受激布里渊散射（SBS）光纤放大器（FBA）。,2.4.2光放大器在光波系统中的应用光放大器具有高增益和高功率放大能力，在各种不同的光波系统中均可得到应用。图2-20给出了四种基本应用。,图2-20光放大器在光波系统中的应用,2.4.3半导体光放大器及应用半导体光放大器有两种，一种是将半导体激光器当作光放大器使用，称为法布里泊罗半导体光放大器，另一种是在F-P激光器的两个端面上涂有防反射膜，以获得宽频带、高输出、低噪声。这种光放大器是在光的行进过程中将其放大的，故称行波式光放大器，如图2-21所示。,图2-21半导体行波式光放大器原理图,2.4.4掺铒光纤放大器（EDFA）及应用EDFA是在泵浦源作用下采用掺铒光纤而形成的光纤放大器。它是固体激光技术与光纤制造技术相结合的产物。其原理结构图如图2-22所示。,图2-22EDFA原理结构图,EDFA利用掺入石英光纤中的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大。放大器的主要特性由掺杂元素决定，而不是由起主介质作用的石英光纤决定。掺铒光纤放大器采用掺铒离子单模光纤作为增益介质，在泵浦光激发下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大，如图2-23所示。掺铒光纤放大器的能级图、掺铒光纤中E3+r的能级图如图2-24所示。,图2-23EDFA能级图和光吸收辐射图（a）EDFA能级图；（b）光吸收辐射图,图2-24掺铒光纤中的离子E3+r的能级图,1.增益特性增益特性是掺铒光纤放大器的最主要特性。光纤放大器的增益与其长度有关，我们可以用近似公式定性分析掺铒光纤放大器的增益长度关系。长度为L的掺铒光纤放大器的增益为,（2-12）,式中，g(x)是单位长度上的增益。因为光子是沿长度感应激发积累的，所以增益呈指数函数。若g(x)沿长度方向均匀分布，则g(x)=g，光纤放大的增益为G=exp(gL)（2-13）上式仅在L为一定值的范围内正确。,当信号频率与粒子跃迁频率0完全重合时，增益系数为,(2-14）,式中，Ps为饱和光强对应的饱和光功率，光功率的变化关系为,（2-15）,可求出放大器增益的表示式,（2-16）,由图2-25可以看出，当Po/Ps2，则上式可简化为,（2-18）,2.放大器的噪声特性光纤放大器的噪声主要来自它的自发辐射。在激光器中，自发辐射是产生激光振荡所不可缺少的，而在光放大器中却成了有害噪声的来源。自发辐射经放大后成为增强的自发辐射功率PASE近似分析如下：,设x处的自发辐射函数为A（x）。单位长度的增益为g（x），则前向的自发辐射功率,若A（x），g（x）为常数，即与x无关，则自发辐射噪声功率,图2-26EDFA用于高速用户分配网,2.5多信道光波系统,2.5.1光时分复用（OTDM）在电的通信系统中，时分复用（TDM）方式是一种已经成熟的复用方式，得到广泛的应用。光的时分复用与电的时分复用工作原理相似。可以将一帧时间T划分为n个时隙，每一时隙为T/n。其中第1、2n路的时隙依次排列，如图2-27所示。每一时隙只能传输固定的信道。这种复用方式称为光时分复用。,图2-27OTDM原理,传统的TDM是利用复用器时钟的1/4分路时钟来分别读取各个支路信号进行合路的，在复用信号中，各个支路脉冲的位置由复用器时钟来控制。在OTDM中，各个支路脉冲的位置由光学手段来调整，并由光纤耦合器来合路。图2-28是一种20Gb/s的OTDM实验系统。,图2-28OTDM实验系统,2.5.2光波分复用(WDM)WDM是高速全光传输中传输容量潜力最大的一种多信道复用方案。最早的复用方案是对一铺设的1.3m的光波系统，利用1.3/1.5mWDM技术，在1.55m增加另一信道构成二路复用，信道间隔=250nm。随着技术的进步，信道间隔不断减小，复用信道数不断增加，容量不断增大，最小间隔已降至=0.01nm。,WDM技术可用于高速大容量点到点通信。图2-17是一个典型的大容量点到点WDM光波系统框图。若干发送机分别工作于各自的载波i，借助WDM耦合器复用为多路信号进入光纤，传输至接收端，再借助于一个解复用器将复用信号分离后，分别送到各自的接收机。当比特率分别为B1，B2，BN的N个信道同时经长为L的光纤传输后，总比特率与距离积为BL=(B1+B2+BN)L(2-20),图2-29星型结构的波长选路传输网,波分复用方式的主要特点有：(1)可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量扩大几倍、几十倍，甚至上千倍。(2)由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因而可以完成各种电信业务的综合和分离，包括数字信号和模拟信号、PDH信号与SDH信号的综合和分离。,(3)利用逐步增加附加波长的方式可以实现网络按需增长的逐步扩容和引入任何新的宽带业务的目的，大大加强了网络的灵活性和经济性。(4)利用WDM选路来实现网络交换和恢复，从而可能实现未来透明的、高度生存性的光网络。,表2-4WDM技术分类,2.5.3光频分复用（FDM）频分复用（频率分割复用）与波分复用（波长分割复用）在本质上是没有什么区别的。这是因为波长和频率两者是互为倒数的关系。当光载波间隔比较大时，用波长来衡量比较方便，一般称波分复用；当光载波间隔比较小时，用波长来衡量就显得不方便了。,相干光通信的工作原理如图2-30所示。发送端激光器发出频率为f1的光载波，此光波在调制器中被电信号所调制，然后进入光纤。,图2-30相干光通信工作原理图,已知FDM与WDM的主要区别是光载波间隔不同，而光载波间隔又与每个信道的传输速率有关。故采用FDM技术能够传输的总信息容量可以用下述方法确定。若以D代表此光纤可以利用的光谱宽度，在此光谱宽度内能够容纳的信道数为N，每一个信道传输的速率为B。,目前，一般认为光载波的频率间隔只需等于每个信道速率B的6倍就可以了，故光谱宽度D相当于频宽f为：,（2-21）,（2-22）,（2-23）,或即,2.5.4光码分多址复用(OCDMA)光码分多址复用也称为光码分复用（OCDM，OpticalCodeDivisionMultiplexing）其技术在原理上与电码分复用技术相似，OCDMA通信系统是给每个用户分配一个唯一的光正交码的码字作为该用户的地址码，对要传输的数据信息用该地址码进行光编码，实现信道复用；在接收端，用与发端相同的地址码进行光解码。实现用户之间通信。其系统的工作原理见图2-31所示。,图2-31OCDMA系统工作原理图,图2-32光纤延迟线编解码器(a)编码器；(b)编码器输出；(c)解码器,图2-33是一种多脉冲检测接收机原理图，它的结构与相关器接收机类似，基本思路是对接收信号经过相关延迟后的w路支信号进行码片级的检测，最后根据各路支信号的检测结果最终决定发送的比特信号。,图2-33脉冲检测接收机原理图,2.5.5副载波复用（SCM）将多个基带信号分别调制不同频率的电载波（这些电载波一般在微波波段），也就是进行电的频分复用，然后把这些经过频分复用的电信号群对一个光源（光载波）进行调制，再进入光纤。也就是说在发送端要经过两次调制，第一次是进行电调制，然后再经过一次光调制。,在接收端，先由光电检测器检出电频分复用电信号群，再用电的方式把各路电载波分开，经过解调，恢复原来的各个基带信号。整个通信方式过程要经过两次调制和两次解调。第一次调制的是电载波，第二次调制的是光载波。我们一般就把电载波称为副载波，同时把这整个通信方式简称为副载波复用（SCM）方式，如图2-34所示。,图2-34SCM工作原理图,SCM技术最主要的优点是可以充分利用已成熟的微波技术，易于实用化；每一个副载波所传送的信号与另一个副载波所传送的信号不相关，相互独立，故可以实现模拟电话、数字电话、图像及各种数据业务的兼容。,2.6相干光通信系统,2.6.1相干光通信的基本原理相干光通信系统方框图如图2-30所示。其中有本振Lo，它是一个优质的激光器。本振光与光信号在混频器中混合，经光检波后产生电中频信号，再经电解调就可得到原来发送的信息。,系统中的相位控制器是用来纠正光信号的偏振状态以保证与本振光的偏振状态一致，以得到高的混频效率。其中光的混频器实际上是一个光功率耦合器，光检波器一般是光PIN管。在相干检测系统中，设与信号光和本振光相关的电场分别为EsAsexp-I（st+s）（2-24）ELALexp-I（Lt+L）（2-25）式中，s和L，As和AL，s和L，分别为信号与本振的频率、振幅和相位。,设利用偏振控制器将Es和EL电场调至同偏振，则投射至光电检测器的光强为Es+EL2，检测到的功率为PKEs+EL2，K为比例常数，利用式（2-24）和式（2-25），则P（t）可写成,（2-26）,1.零差检测IF=0，称为零差检测，这时光电流由下式给出,（2-27）,通常，本振功率PL远大于信号功率Ps，因而Ps+PLPL为常数。传输信息包含在上式第二项中。零差检测时sf=L，因此零差信号电流为,(2-28),2.外差检测IF0，称为外差检测，这时光电流为,（2-29）,含有信息的外差信号电流为,（2-30）,图2-35特定比特图形的ASK、PSK和FSK调制格式,3.调制格式由于相干检测技术具有检测振幅、相位或频率变化的能力，使得通过调制光信号的振幅、相位和频率的方法来传递信息成为可能。对于数字通信系统，这种可能性产生了三种调制格式，即振幅键控（ASK），相移键控（PSK）和频移键控（FSK）。如图2-35是某种特定比特图形的三种调制格式。,表2-5是相干光通信系统的主要性能比较。表中B表示比特率、PLL为中频锁相环、OPLL为光频锁相环，从该表可见调制激光器的谱线纯度仅为码率的很小部分，它取决于调制、检测及解调方案。,表2-5相干光通信系统性能比较,2.6.2相干光通信的关键技术相干光通信系统的关键部件是光源，其关键技术主要表现在以下两个方面。1.光源的相干性和频率的稳定性在相干光通信系统中，要求光载波发送光源和接收机的本地光源的相干性必须良好，频率的稳定性高。,2.偏振匹配前面已介绍过，在相干光接收机内信号光波和本振光波的偏振方向一致才能有高的接收灵敏度。为了减少光纤的偏振不稳定，在光纤制造上采取了一系列措施，例如制造偏振保持光纤等。但是从性能和成本上来看都还存在一定的问题。目前多采用偏振分集接收的办法，亦可在接收机上加偏化控制元件等办法。,2.6.3相干光通信的应用与发展由于相干光通信的出色信道选择性和灵敏度，因而十分适用于相干光频分复用CATV分配网，其基本结构如图2-36所示。,图2-36相干光频分复用CATV分配网,2.7光孤子通信系统,2.7.1光孤子及其特性“孤子”一词英文名为soliton，是1834年罗素（J.R.Russell）在河流中偶然发现的一种自然现象，后来一直是少数数学家们研究的问题。,所谓光纤的自相位调制，就是在强光场的作用下，光纤的折射率出现非线性，这个非线性的折射率使得光纤中所传光脉冲的前后沿的相位相对漂移。这种相位的变化，必对应于所传输光脉冲的频谱发生变化。由信号分析理论可知，频谱的变化，必然使波形出现变化，从而使传输脉冲在波形上或被压缩，或被展宽。当作用在光纤上的光场很强时，光纤折射率为n=n0+n2E2,下面，我们讨论上述折射率的变化n(t)=n2E2(2-31)引起的相位变化。由光纤的导波理论知，导模传输常数=n/C。因而，长度为L的光纤由于折射率变化引起的相位移变化为,（2-32）,由通信理论可知，相位的变化必然对应于频率的变化。这种频率变化将引起光脉冲的频谱展宽，导致在光脉冲的中心频率两侧出现不同的瞬时光频率，瞬时频率与中心频率的差值为,(2-33),这种频率差值造成的频率漂移作用将对光脉冲产生如下的影响。,脉冲前沿：由于脉冲前沿E（t）随时间t是增加的，故由式（2-31）知，这时,将这个结果代入式（2-33）中可见，这时(t)为负，即对应于在这里脉冲前沿频率应下移。脉冲后沿：同理，由于这时E（t）随t是减少的，根据式（2-31）知，这时,同样将这个结果代入式（2-33）后可知，这时(t)为正，即对应于脉冲后沿的频率将上移。接着，让我们来讨论光脉冲前、后沿频率下移和上移对脉冲宽度带来的影响。如果，这时处在单模光纤的正色散区，即,于是光脉冲的前、后沿的群速vg将出现如下的变化。,2.7.2光纤损耗与光孤子能量的放大利用提高输入光脉冲功率产生的非线性压缩效应，补偿光纤色散导致的脉冲展宽，维持光脉冲的幅度和形状不变是光纤孤子通信的基础。如果在光孤子传输系统中设置增益机构来补偿光纤损耗，可使孤子幅度增大，展宽的脉冲压窄，恢复原始波形，这种实现光孤子放大整形的机制称为全光中继。通常有两种方法实现光孤子的放大整形如图2-37所示。,图2-37光孤子系统补偿放大方案（a）集总式补偿放大方案；（b）分布式补偿放大方案,2.7.3光孤子通信的实验研究日本NTT公司成功地演示了将10Gbs信号在光纤上传输106km。下面对NTT的这一试验系统作一简要介绍，其简化的系统配置如图2-38所示。,图2-38510km环光孤子循环实验装置,2.8准同步数字体系（PDH）,将标称速率相同、实际容许有一定偏差的数字体系，称为准同步数字体系，记为PDH。目前，世界上有两种制式：一种是以1544kb/s为基群的T系列；另一种是以2048kb/s为基群的E系列，其体系构成见图2-39所示。,图2-39PDH体系构成,2.8.1数字复接1.为什么要进行数字复接脉码调制数字终端有24路系统和3032路系统，这些系统叫做PCM基群或一次群。随着通信业务量的增大，迫切地需要中、大容量的数字传输系统。,2.数字复接要解决的问题1)同步数字信号进行复接，需要解决两个问题：一个是同步；另一个是复接。图2-40表示同步信号情况，两个数字系统A和B的时钟信号是由同一个时钟源给出的,叫做同源信号。显然，这两个系统的输出信号只会有相位上的差别而不会有频率上的差别。,图2-40两路同步数字信号的复接,图2-41两路异步数字信号的直接复接,另一种复接方法如图2-41所示，各个系统有自己独立的时钟，即使它们的标称数码率完全相同（如都是2048kb/s），但由于各时钟频率都有一定的容差（如102Hz），因此，它们的瞬时数码率不会完全相同。,2)复接几个支路的数码率完全同步后就可以进行复接了。实际上复接也是一种时分复用，不同的支路信号复接后占有不同的时间间隔。复接的方法有以下三种：(1)按位复接。(2)按字复接。(3)按帧复接。,图2-42数字信号按位复接,2.8.2二次群帧结构异步复接器要插入帧同步码、对告码(告警)、调整码和标志码。对于二次群复接系统，每帧每支路有212个码。图2-43为某一支路中212比特码的分配情况。,图2-43支路调整后212比特码的分配,将212比特分为四组，每组53比特。第I组中1，2，3位码供复接时插入帧同步码用，记为F码，然后是基群来的50比特的信码。在第、组中的第一位码为插入标志码（C码）。第161比特的码为调整比特(V)码，在需要进行码速调整时就在这一位插入一个不带信息的码，不需要进行调整时，这一位仍然用来传支路信码。四个支路调整后，212比特按位复接构成二次群的帧结构，如图2-44所示。,图2-44二次群异步复接帧结构,2.8.3正码速调整的基本原理1.基本原理PCM高次群的复接属于准同步复接。这是因为要复接在一起的各支路信号的速率，虽然标称值相同，但存在一定的容差。要进行同步复接，首先将各支路进行码速调整，使各支路码速同步，然后进行同步复接。,码速调整可分为三种方式：正码速调整；正负码速调整；正零负码速调整。ITUT推荐使用正码速调整和正零负码速调整方式。我国大部分复用设备采用正码速调整方式，也有采用正零负码速调整方式的。,图2-45正码速调整与恢复原理图,图2-46正码速调整与恢复,图2-47锁相环,2.正码速调整的基本关系式设：fL为标称支路比特率；fb为标称复接比特率；m为支路数；K为每帧中对应每个支路的非信息比特数；G为每帧中对应每个支路的信息比特数。则有：,（1）帧长LF。帧长表示每帧中信息比特与非信息比特的总和为：LF=m（GK）（2-35）二次群:m=4G=206K=6LF=4（2066）=848（bit）（2）帧频fF。,（2-36）,(3)标称码速调整速率fS。标称码速调整速率也称为标称插入速率，是当支路速率与复接速率均为标称值时，插入的调整比特的速率。,（2-37）,（4）每支路最大码速调整频率fSmax。fSmax=fF（2-38）（5）标称码速调整比S。,（2-39）,（6）正码速调整的基本关系式。由式（2-35）得：GK=LF/m（2-40）,由式（2-39）、（2-37）、（2-38）得：,（2-41）,将式（2-41）代入式（2-40）可得正码速调整的基本关系式：,(2-42),其中，支路比特速率fL、复接比特率fb和支路数m都是已知量。帧长LF、对应每个支路的非信息比特数K及标称码速调整比S是基本设计量。在这三个设计量中通常取帧长LF作自变量。每取一个LF值即可按基本公式求得左端的数值，该数值的整数部分就是K，小数部分就是S。,2.9光同步数字传送体系（SDH）,2.9.1SDH的产生SDH是指在光纤通信网中传输数字信号时，所采用的一种新的传输制式，它由一些SDH网元（NE）组成，在光纤上进行同步信号传输、复用和交叉连接的网络，它是针对目前广泛采用的准同步数字传送体系（PDH）的许多缺点而提出的，在许多方面比准同步数字系统有很大改进。,(1)由于历史的原因，目前世界上的准同步数字系列，有两种不同的基群码速率。(2)在各种准同步数字系列间，光接口不统一。(3)准同步数字系列的复接方式是异步复接，使低速支路信号不能从高速支路直接取出，必须将高速支路一步步解复用，才能把低速支路信号取出；然后再由低向高一步步复用上去。(4)准同步数字系列的帧结构中没有足够的管理比特，故不利于网络的管理运营。,2.9.2SDH的特点(1)将基群码速率不同的两套准同步数字系列，经过一系列措施后，在四次群以上兼容互通，将其共同的两速率变为155.520Mb/s构成一个基本模块信号STM-1。(2)在SDH的帧结构中留有足够多的管理比特，因而SDH较PDH有大得多的网络管理功能。,图2-48光纤自愈网示意图,(3