1、第一章光纤通信的优点1. 频带宽，通信容量大；2. 损耗小，传输距离长；3. 抗电磁干扰：相互之间不会干扰，石英材料抗外界电磁干扰、抗雷电损坏；4. 抗噪声干扰：石英材料抗电机、荧光灯等其他电器的电磁干扰；5. 体积小，重量轻，成本低，便于施工；6. 保密性好，不向外辐射能量即使弯曲地段也无法窃听；7. 材料源丰富。光纤通信系统的基本组成光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。其基本组成如下：信道（光纤线路）完成光信号（携带信息）的传输，由光纤/光缆、光纤接头、光纤连接器组成，其中光纤具有两个重要的特性参数：损耗和色散。光发射机功能：完成电信号光信号的转换，并把光信号流耦合
2、进光纤进行传输；由光源、驱动电路以及其他辅助电路组成。核心部件：LED 或 LD 光源。通过电信号对光源的调制实现电光转换。光接收机功能：完成光信号(畸变、衰减的微弱光信号 )电信号的转换；由光电探测器、放大器和相关处理电路组成。核心部件：PIN 或 APD 光电探测器。通过光电探测器对微弱光信号的直接检测实现光电转换。光放大器第二章光纤的结构与分类纤芯 core：折射率较高，用来传送光；高纯度 SiO2+掺杂剂如 GeO2 等。包层 coating：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件（把光能量束缚在纤芯） ；高纯度 SiO2+掺杂剂如B2O3。涂覆套 jacket：强度大，能承受较大冲击，
3、保护光纤；环氧树脂、硅橡胶和尼龙。光纤的分类1. 按纤芯折射率分布（1）阶跃型光纤(SIF ：Step Index Fiber) 信号畸变大（色散） ；（2）渐变型光纤(GIF：Graded Index Fiber) 信号畸变小。2. 按光纤的模式（1）多模光纤(MMF：Multi Mode Fiber)：光纤中传输的模式不止一个，即在光纤中存在多个传导模式。多模光纤信号畸变大（色散） ，适用于中距离、中容量的光纤通信系统； （2）单模光纤(SMF：Single Mode Fiber)：光纤中只传输一种模式，即基模（最低阶模式） 。单模光纤信号畸变很小，折射率分布与 SIF 相似，适用于长距离
4、、大容量的光纤通信系统。 3. 按光纤构成的原材料分类：石英系光纤、光子晶体光纤、塑料包层光纤 、全塑光纤 目前光纤通信中主要使用石英系列光纤。4. 按光纤的套塑层分类：紧套光纤，900m；松套光纤， 3mm。数值孔径 NA：NA=n0sinimax （imax：光纤的接收角）NA 表示光纤接收和传输光的能力。NA（或 imax）越大，表示光纤接收光的能力越强，光源与光纤之间的耦合效率越高。NA 越大，纤芯对入射光能量的束缚越强，光纤抗弯曲特性越好。（补公式）对于多模光纤，相对折射率差 约 1%2%，而单模光纤约 0.3%0.6%。群时延差 实际上就是光脉冲经光纤传输以后的信号畸变，可以用光线
5、的时间差来推导得到。群时延差 使光脉冲展宽，即色散为减小光纤的色散，采取减小 的措施，但受到 的极限制约，人们又开发出渐变折射率光纤。注意：芯径尺寸不是判断单模和多模光纤的标准。阶跃折射率光纤单模传输的条件阶跃光纤的传输条件随着光纤结构参数的变化而变化，在光纤纤芯可以传输的模式数量也多模光纤和单模光纤是由光纤中传输的模式数决定的，判断一根光纤是不是单模传输，除了光纤自身的结构参数外，还与光纤中传输的光波长有关！用结构参数（光纤的归一化频率 V）描述光纤中传输的模式数目是单模还是多模。发生变化。单模光纤的传输条件(HE11 或 LP01)-截止波长对于一个确定的光信号波长，如果结构参数 Vmin
6、，单位是 W 或 dBm（分贝毫瓦） ， Pr=10lg (min /1mW) 。灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接收微弱光信号的能力。Pr，则光接收机能够接收更微弱的光信号。动态范围：光接收机能适应输入信号在一定范围内变化的能力称为光接收机的动态范围。为什么要设计 AGC 来满足光接收机的动态范围？中继距离较短时，光接收机的输入功率会增加；新建线路，新器件和系统设计时考虑了富余量，这也将使光接收机的输入功率增加；其他原因导致的光接收机输入功率的增加线性通道： 提供足够增益的主放，同时保证光接收机的动态范围；数据恢复：将均衡器输出的信号恢复成理想的数字信号眼图分析法数据恢复的结果在实验
7、室里观察最简单、最直观的方法是眼图分析法。1. 眼睛睁开最大处为最佳判决时刻；2. 眼睛睁开度（垂直张开度）表征噪声容限：E=V1/V2，表示系统抵抗噪声的能力，也称为 SNR 边际；3. 眼睛展开度（水平张开度）减小表征过门限失真量的大小：E/=t1/t2， E/减小表示时钟抖动增加；4. 眼皮厚度体现噪声大小及码间干扰；最佳判决时刻5. 眼图斜率：体现系统对定时误差的敏感性，斜率愈大愈敏感；6. 非线性传输特性会产生眼图的不对称性。第六章EDF 的结构EDF 在泵浦光的作用下，直接对信号光进行放大，是提供光增益的核心部件。EDFA 的工作原理 EDFA 的基本光路结构（书本 P147 最上
8、面的 a 图）EDFA 采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，信号光诱导实现受激辐射放大。吸收带可以是 520、650、800、980、1480nm ；波长短于 980nm 的泵浦效率低，因而通常采用 980 和 1480nm 泵浦。原理：实现粒子数反转的过程：-电子吸收泵浦光跃迁Er3+在未任何光激励的情况下，处于最低能级基态上。在 980nm 泵浦光的作用下， 电子不断从基态能级吸收泵浦光的能量跃迁到激发态，但是电子在激发态的生存期很短，对于，平均寿命为 1us，电子迅速以“非辐射方式跃迁至亚稳态，在亚稳态上电子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数积累
9、，从而实现粒子数反转分布；电子被 1480nm 的泵浦光不断地泵浦到亚稳态上，此时电子在亚稳态上生存期较长（10ms ） ，不断地积累实现粒子数反转分布。泵浦方式：EDFA 的光路结构按照所采用的泵浦方式可以分为三种形式：（光路图看 ppt)反向泵浦（后向泵浦）型：输出信号功率高。双向泵浦：输出信号功率比单泵浦源大约高 3dB，且放大特性与信号传输方向无关正向泵浦（同向泵浦）型：好的噪声性能。光路结构中的器件说明：(主体部件是泵浦光源和 EDF。)光纤耦合器：波长敏感型光纤耦合器（WDM） ，将泵浦光和信号光复用耦合进 EDF；光隔离器：保证光信号正向传输的器件、防止反射光影响 EDFA 的工
10、作稳定性；EDF：长度 10100m 的掺铒光纤，铒离子的浓度约 100 2000ppm（part per million） ；泵浦光源：半导体激光器，980/1480nm，泵浦功率为 10200mW；光滤波器：滤除放大器的噪声，降低噪声对系统的影响，提高系统的信噪比。EDFA 形式1）前置放大器提高光接收机的灵敏度： 高增益（不是功率） ；低噪声。作前置放大器时，使接收机灵敏度提高 1020dB。用途：放大一个长距离传输后的微弱光信号。前置放大器的另一个重要特性参数是它的灵敏度，即 EDFA 能处理的光输入信号的最小功率。前置放大器能运行在-40dBm（0.1uW）的输入功率条件下。2）功率
11、放大器延长输出距离：饱和输出功率是主要参数。用来提高光发射机的输出功率，增加入纤功率，延长传输距离。应具有较高的饱和输出功率3）线路/在线放大器补偿线路损耗： 中等的增益；中等的噪声；中等的饱和输出功率。Er3+ GeO2-Al2O3-SiO2GeO2-SiO2F-SiO2 2b2aEr 掺铒区（浓度 11002500ppm)掺锗区直径46um硅包层直径125um+：1.3%-： 0.7%EDF 的结构与折射率分布吸收泵浦光快速非辐射跃迁光放大受激辐射产生噪声自发辐射 受激吸收基态能带泵浦能带980nm 1480nm亚稳态能带1550nm这是 EDFA 在光纤通信系统中的一种重要应用，它可替代
12、传统的 O/E/O 中继器，对线路中的光信号直接进行放大，是实现全光通信的重要保障之一。4）局域网的功率放大器增加网络节点数：局域网的功率放大器补偿分配损耗，增加网络节点数。功率、在线、前置放大器的组合光发射机+功率放大器+ 前置放大器+ 光接收机光发射机+功率放大器+ 线路放大器+ 光接收机光发射机+线路放大器+ 前置放大器+ 光接收机光发射机+功率放大器+ 线路放大器+ 前置放大器+光接收机EDFA 级联特性：信道间增益竞争，多级级连使用导致 “尖峰效应” 。造成问题非线性、高的输出功率（增益钳制） 、噪声积累和增益均衡等，并且对高速线路系统构成影响。噪声解决办法：滤波器滤除；噪声积累到一
13、定程度后，插入一个 O/E/O 中继器，使含有累积噪声的输出信号由相关电路（经门限电路判决）去掉该噪声。增益均衡（增益平坦化）：EDFA 对不同波长光信号的放大增益不同，从而在 EDFA 多级串联后，使不同波长的光增益相差很大（贫富差距拉大） ，这就限制了 WDM 系统中使用的信道数量。第七章同步数字体系 SDH：同步：在数字光纤通信系统中，传送的信号都是数字化的脉冲序列，这些数字信号流在传输时，其速率必须完全保持一致，才能保证信息传送的准确无误。优点1、世界统一的比特率和统一的光接口标准2、极强的网络管理能力3、采用字节为基础的同步复接（字节间插）技术，使网络中上下路信号变得非常简单；4、S
14、DH 具有后向和前向的兼容性缺点1、带宽利用率稍低；2、大量的软件控制、易产生重大故障。SDH 的帧结构： SDH 采用以字节为基础的矩形块状结构，与传统的 PDH 信号的条形帧结构完全不同。传输方向（行、列）T=125us，帧的重复率为 8000 帧/秒。按照帧结构从左上角第一个字节开始，从左到右、由上而下按顺序传送，直至 9270N 个字节传送完毕。映射所谓映射，是指在 SDH 网络边界处，使支路信号适配进虚容器（VC-n）的过程，其目的是使各种支路信号的速率与相应虚容器 速率同步，以便使虚容器 VC-n 称为可独立地进行传送、同步复用和交叉连接的实体。即：各种速率的 PDH 信号分别经过
15、码速调整装入相应的标准容器，再加进低阶或高阶通道开销（POH）形成虚容器信息净负荷的过程。2Mb/s 或 140Mb/s 复用为 2.5Gb/s 的映射过程（略）看 ppt数字光纤通信系统的性能指标包括误码特性、抖动特性和可靠性三个参数。系统的性能指标1. 误码性能误码是指经光接收机的接收与判决再生之后，码流中的某些比特发生了差错，使传输的质量发生了损伤。误码的产生主要有以下因素： 各种噪声产生的误码； 由于光纤色散导致的码间干扰引起的误码； 定时抖动产生的误码； 各种外界因素产生的误码。系统的误码性能是衡量数字光纤通信系统在正常工作状态下传输质量优劣的一个非常重要的指标，反映了数字信息在传输
16、过程中受到损伤的程度。系统的误码性能通常用长期平均误码率、误码时间百分数和误码秒百分数表示。2、抖动特性抖动是数字光纤通信系统的重要指标之一，将使信号判决偏离最佳时间，影响系统的性能，使输出端的 SNR劣化，灵敏度降低。3、可靠性误码性能和抖动特性是光纤通信系统最主要的两大性能参数。光端机的中继器、光缆线路、辅助设备和备用系统的可靠性也是衡量通信系统质量优劣的重要性能指标。可靠是指在规定条件和时间内系统无故障工作的概率，它反映系统完成规定功能的能力。可靠性表示方法：故障率 ；平均故障间隔时间 MTBF；可用率 A 和失效率 PF；系统的总体考虑（系统设计）当设计一个光纤通信系统（如：一个数字段
17、）时，首先弄清设计系统的整体情况、所处的地理位置、未来几年（35 年）内对容量的需求以及当前设备和技术的成熟程度等。1. 选择路由、设置局站：信源和信宿两个终端之间选择最佳、合理的路由，设置中继站或转接站/分接站2. 确定系统的制式、速率：PDH（34Mb/s、140Mb/s） ，SDH（多路波分复用 2.5Gb/s、10Gb/s） 。3. 光纤选型：G.652、G.653、G.655 4. 选择合适的设备，核实设备的性能指标5. 对中继段进行功率和色散预算*设计方法1. 最坏值设计法最坏值设计法是系统设计中最常用的方法，在设计再生段距离时，将所有参考值按照最坏值选择，而不考虑具体分布。 缺点
18、：成本高、资源利用率低。2. 统计设计法在实际的光纤通信系统中，光参数的离散性很大，若能利用其统计分布特性，则可充分利用各种资源、降低成本。3、半统计设计法统计法中得益较小的光参数（如：发送光功率、接收灵敏度和活动连接器损耗等）按最坏值设计方法进行处理；将统计设计中得益较大的参数（如：光纤的损耗、光纤接头的损耗等）按统计分布处理。衰减和色散这两个限制因素功率预算损耗受限系统，即再生段距离由 S 和 R 点之间的光通道损耗决定。色散预算色散受限系统，即再生段距离由 S 和 R 点之间的光通道总色散所限定对于系统的传输速率较高，光纤线路色散较大时，中继距离主要受色散（带宽）的限制。为使光接收机灵敏度损耗，保持系统正常工作，必须对光纤线路总色散（总带宽）进行规范。色散受限系统可达的再生段距离的最坏值可用下式估算：DSR 为 S 点和 R 点之间允许的最大色散值(ps/nm)，可以从相关的标准表格中查到； Dm 为允许工作波长范围内的最大光纤色散系数，单位为 ps/(nmkm)，可取实际光纤色散分布最大值。光通道损耗的组成图示f L (L /Lf) sc c mDLSR
