光纤通信教材课程

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数字光发送机的组成框图如图4.3.1-6所示
电信号输入 输入 接口
线路 编码
调制 电路
光源 光信号输出
控制电 路
第 三
图4.3.1-6 数字光发送机的组成框图
章
光
1、线路编码
电
信 息
在数字光纤通信系统中，普遍采用二进制二电
转
换
平码，有光脉冲表示“1”码，无光脉冲表示“0”
决时刻输出的电压信号比判决电平高，则判断为“1”
码，否则判断为“0”码。如判断为“1”码，则由再
第
生电路重新产生一个矩形“1”脉冲，若判断为“0”
三 章
码，则输出一个“0”。这样，可在判决再生电路的输
光 电
出端得到一个由矩形脉冲组成的数字脉冲序列，它和
信
息 转
发送端发出的数字脉冲信号基本是一致的。
换
图4.3.1-8给出了数字光接收机的组成框图。
定时
第
提取
三 章
光信号
APD
前置 放大
主放大 器
均衡器
电信号
判决
再生
101011
光
电
信 息 转
高压直流
AGC
峰值
变换器
检波
换
§4.3.1光纤通信原理及构成
18
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4、均衡器
均衡器的作用是对主放大器输出的失真的数字脉冲 信号进行整形，使之成为最有利于判决、码间干扰最 小的波形，通常为升余弦波，其表达式为：
光
另一方面送到主放大器去调整主放大器的工作点，以
电
信 息
控制主放大器的增益，从而使均衡器输出幅度稳定的
转
换
升余弦波，保证码元判决的正确性。
§4.3.1光纤通信原理及构成
23
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数字光接收机的指标：
1、 误码率
误码率（bit error ratio，BER）是数字光接收
光纤具有很宽的频带资源，可传送高速大容量信
息，但传送音频信号仅需64kbit/s的速率，很不经济。
可以通过复用的方法同时传送多路信号。在单根光纤
中可以用3种复用方法方法提高通信容量，即时分复
用、波分复用及频分复用。
第
三 章
时分复用（Time Division Multiplexing，TDM），
光
电 信
比特率为B，相应比特间隔为 TB 1/B ，则应有 TTB
，对容量的限制为
BLD1
4.3.1-7
第
三 章
二、光发送机
光 电
光发送机的功能是将来自电发送机的电脉冲信号
信 息
变换成光脉冲信号，并以数字光纤通信系统传输性能
转
换
所要求的光脉冲信号波形耦合到光源组件的尾纤中。
§4.3.1光纤通信原理及构成
13
是数字信号，可将其分为模拟通信系统和数字通信系
统。数字通信采用再生的方法，可以消除噪声累积，
第
三 章
传输距离比较长。
光 电
取样、量化、编码的过程称为脉冲编码调制，
信
息 转
简称PCM，由脉冲编码进行通信称为脉冲编码通信，
换
这是目前数字通信的主要方式。
§4.3.2光纤通信系统
26
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机的性能标准，是指判决再生电路输出码元出现错误
的概率。 V1s V(t)
V1(t)
第
三
章
Vd
光
电
信 息
V0(t)
V0(t)
转 换
V0s
t
TB1
TB2
TB3
图4.3.1-10码元的判决
§4.3.1光纤通信原理及构成
24
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对于PCM码流，通常认为“1”码与“0”码出现
n0sini n1sinr
4.3.1-1
第
式中，和分别为空气和纤芯的折射率。
三 章
折射光到达纤芯——包层界面时，若入射角大于
光 电
临界角时，将发生全反射，若包层折射率为，则定义
信 息
为
转 换
si nc n2/n1
4.3.1-2
§4.3.1光纤通信原理及构成
7
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所有的光线都将被限制在光纤芯中，这就是光纤 导光的基本原理。
2
光
灵敏度是数字光接收机最重要的指标，它直接决
电
信
定光纤通信系统的中继距离和通信质量。数字光接
息
转 换
收机的灵敏度定义为：在保证一定误码率的条件下，
光接收机所需接收的最小光功率。
§4.3.2光纤通信系统
25
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§4.3.2光纤通信系统
一、 时分复用系统
根据通信系统信道中所传送的信号是模拟信号还
§4.3.1光纤通信原理及构成
8
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对于 n2 n，1 NA可近似为
NAn1(2)1/2 (n1n2)/n1
4.3.1-4
式中，为光纤的纤芯——包层相对折射率差。
利用导波理论可将光纤分为多模光纤与单模光纤。
多模光纤的纤芯直径μm ，单模光纤的纤芯直径μm，包
第 三
电信号转换为光信号的调制方式有直接调制与
第 三
间接调制。
章
光
在低速率系统中，可以采取直接调制方式，即用
电
信 息
电信号直接调制半导体光源的驱动电流，如图4.3.1-
转
换
7所示，输出光功率随驱动电流而变化。
§4.3.1光纤通信原理及构成
16
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P
输出光信号
P
输出光信号
光纤有两个重要的特性，一个是损耗特性，一个 是色散特性，决定了光纤通信系统的容量。
（1）光纤的损耗 用衰减系数表示光纤的衰减特性，定义为
第 三 章
1L0lgP (out/Pin) dB/km 4.3.1-5
光
电
信
息
转
换
§4.3.1光纤通信原理及构成
10
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第 三 章
是将不同信道的信号在时间上交替排列组合成复合比
息 转
特流。
换
§4.3.2光纤通信系统
27
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例如，对于64kbit/s的单音频信道，比特间隔为 15s（125s/8），若将其他64kbit/s比特流延迟 3s插入，就可插入5个这样的信道，图4.3.2-1显 示了320 kbit/s的复合比特流。
，即均衡器输出为零。
因此，如图4.3.1-9所示，当均衡器输出为升余
第 弦波形时，发送机发送的基带数字脉冲信号，只要是
三 章
按时隙 T B 发送码元，则在均衡器输出信号的波峰
光 电
处不会发生前后码元的干扰。
信
息
转
换
§4.3.1光纤通信原理及构成
20
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TB
t
第
三 章
§4.3.1光纤通信原理及构成
22
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6、峰值检波器与AGC放大器
Hale Waihona Puke Baidu
AGC放大器是自动增益控制电路的一个组成部分。
将由升余弦波组成的数字脉冲信号取出一部分送到峰
值检波器进行检波，检波后的直流信号再送到AGC放
大器进行比较放大，产生一个AGC电压。用该电压一
第
三 章
方面去控制光电检测器（APD管）的反向偏置电压，
b a
涂层 包层 纤芯
光 电
折射率略高的纤芯；2、
信 息 转 换
折射率略低的包层；3、 表面涂层。
图4.3.1-2光纤的横截面示意图
§4.3.1光纤通信原理及构成
4
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根据纤芯折射率径向分布的不同，光纤可分为阶跃 折射率分布光纤和渐变折射率分布光纤，如图4.3.1-
§4.3光纤通信
1
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§4.3光纤通信
§4.3.1光纤通信原理及构成
第
§4.3.2光纤通信系统
三
章
光
电 信
§4.3.3光纤网络系统
息
转
换
§4.3.1光纤通信原理及构成
2
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§4.3.1 光纤通信原理及构成
光纤通信系统的基本组成如图4.3.1-1所示，主 要由3部分构成：光发送机，光纤传输线及光接收机。
光发送机
中继器
光接收机
第
三
章
光
电发送机
电
电接收机
信
息
转
换
图4.3.1-1光纤通信系统的基本组成
§4.3.1光纤通信原理及构成
3
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一、光纤
光纤（Optical fiber）是由纯石英拉制而成
的高度透明的玻璃丝。
图4.3.1-2为光纤
的横截面示意图，光纤
第
三 章
基本由3部分组成：1、
为实现全反射，对光线的入射角有一个最大值限制，
与有关系式成立，以替代，并利用式4.3.1-1和
4.3.1-2可得
第 三 章
n 0sii n n 1co c s (n 1 2 n 2 2)1 /2 4.3.1-3
光
电 信 息 转 换
n0 sini 称为光纤的数值孔径（Numerical
Aperture，NA），代表光纤的集光能力。
三
章
码，但要占用一定的频带。
光
电 信
数字光纤通信系统常用的线路码型有扰码、
息 转
mBnB码、插入码等，这里不再介绍。
换
§4.3.1光纤通信原理及构成
15
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2、光源与调制电路
目前的光纤通信系统采用半导体激光器（LD）作 为光源，在低通信容量系统中，也可选用LED做光源。
码。
§4.3.1光纤通信原理及构成
14
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对来自电端机的信号进行线路编码，主要目的是：
(1) 限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量。
(2) 尽可能减少连“1” 码和“0”码的数目，使“1” 码和“0”码均匀分布，保证定时提取。
第
(3) 具有检错及纠错能力，则需要在编码中加入冗余
15s 3s
第
三
振
章
幅
光
电
信
息
12345 12345 12345
转
换
t
图4.3.2-1 5个64kbit/s数字音频信道的时分复用
§4.3.2光纤通信系统
28
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TDM 的概念可以扩展到形成不同的群路等级， 国际电信联盟（ITU）曾作过规定，将多路编码数字 电话按两种标准组成各种群路。
光
电
信
息
转
换
图4.3.1-5单模光纤的损耗谱特性
§4.3.1光纤通信原理及构成
11
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（2）光纤的色散
在多模光纤中，由不同模式携带的光的传播常数不
同，即在光纤中的传播速度不同。这样，一个窄的脉冲 经过一段光纤传输后，将被展宽，产生码间干扰，这种
现象称为光纤的色散。
I
Ith Ib
I
输入电信号
输入电信号
第
三 章
(a) LED数字调制
(b) LD数字调制
光 电
图4.3.1-7直接光强数字调制原理
信
息 转
在高速系统中，要采用专用的外调制器。
换
§4.3.1光纤通信原理及构成
17
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三、光接收机
光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作 用是将来自光纤的光信号转换成电信号，恢复光载波 所携带的原信号。
层直径均为50μm。在多模光纤中，可以激励起大量的传
章 输模式，不同模式在横向的功率分布是不同的，入射的
光
电 光功率按一定比例分配给这些模式进行传播，不同模式
信
息 转
在轴向的传播常数不同。在单模光纤中，通常只能激励
换 起一个模式，称为基模。
§4.3.1光纤通信原理及构成
9
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的概率P(1)、P(0)是相等的，如果将“0”码误判为
“1”码的概率为P(1/0)，将“1”码误判为“0”码
的概率为P(0/1)，则误码率为：
B E PP R (/1 1 ( 0 P ) ) P (/0 0 ( 1 ) 1 )[P /1 (P )0 /0 (1 4).3.]1-9
第 三 章
2、 灵敏度
第 三 章
光 电 信
ho (t )
s
in
TB
t
cos
TB
t
t
TB
1
2t
TB
2
4.3.1-8
息 转 换
式中，t为时间变量，T B 为一个码元所占的时间—— 时隙，
为滚降因子。
§4.3.1光纤通信原理及构成
19
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该输出波形的特点是，在t 0时刻，输出值 ho(0) 1 ，即输出最大。而在 t KTB K1,2,3,ho(t) 0
第
对于单模光纤，用色散参数来描述色散的程度，代
三 章
表两个波长间隔1nm的光波在光纤中传输1km距离后的
光
时迟差。
电 信
如果光源发射波长范围为 ，光纤长度为 L
息 转 换
，则时迟差T 为
TD L
4.3.1-6
§4.3.1光纤通信原理及构成
12
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色散对通信容量（比特率· 距离积）的限制，可以 利用不产生相邻脉冲重叠的准则估计。设发送信号的
图4.3.1-9波峰处码间干扰为零
光 电
5、判决再生与定时提取
信 息
均衡器输出的由升余弦波所组成的数字脉冲信号
转
换
送到判决再生电路进行“判决”和“再生”。
§4.3.1光纤通信原理及构成
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判决即是用一判决电平与均衡器输出信号进行比
较，以确定某时隙码元为“1”还是为“0”，当在判
3所示。
第
n1
n2
n1
n2
三
2a
2a
章
2b
2b
光
n0
n0
电
r
r
信 息
(a) 阶跃折射率分布光纤
(b) 渐变折射率分布光纤
转
换
图4.3.1-3纤芯折射率径向分布
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§4.3.1光纤通信原理及构成
6
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一束光线以与光纤轴线成的角度入射到芯区中心， 在光纤——空气界面发生折射，折射光与光纤轴线的 夹角由斯涅耳定律决定