第6章 光纤通信系统的设计
光纤通信课件第6章 WDM
WDM系统的基本结构
光接收机： 由光前置放大器(PA)放大经传输而衰减的主信道光信 号。 光分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号。 接收机不但要满足一般接收机对光信号灵敏度、过载 功率等参数的要求，还要能承受有一定光噪声的信号， 要有足够的电带宽。
WDM系统的基本结构
光监控信道（OSC: Optical Supervisory Channel）： 主要功能：监控系统内各信道的传输情况。 在发送端，插入本结点产生的波长为λs（1510 nm）的 光监控信号，与主信道的光信号合波输出。 在接收端，将接收到的光信号分离，输出λs 波长的光 监控信号和业务信道光信号。 帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节等都是 通过光监控信道来传送的。
WDM复用原理
波分复用的常规分类
➢ 光频分复用(OFDM)：光频(信)道间距很小的频分复用。 ➢ 密集波分复用(DWDM):光频(信)道间距小于10nm的波分
复用，D:Dense (密集) ➢ 粗波分复用(CWDM)：光频(信)道间距大于10nm 的波分复
用, C: Coarse (粗)，也称稀疏波分复用。 ➢ DWDM(1550波段)的标准信道间距：
WDM复用原理
WDM系统的基本构成： 将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件 称为复用器(也叫合波器)。 反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个 波长分别输出的器件称为解复用器(也叫分波器)。 复用器和解复用器一般是相同的(除非有特殊的要求)。
WDM复用原理
WDM系统的基本构成主要有以下两种形式： 双纤单向传输： 单向WDM传输：所有光通路同时在一根光纤上沿同 一方向传送。在发送端将载有各种信息的、具有不同 波长的已调光信号λ1,λ2,…,λn通过光复用器组合在一起， 并在一根光纤中单向传输。在接收端通过光解复用器 将不同波长的信号分开，完成多路光信号传输的任务。
光纤通信系统的设计及实现
光纤通信系统的设计及实现光纤通信系统的设计首先涉及到光纤的选择。
光纤通信系统通常使用单模光纤或多模光纤。
单模光纤适用于长距离传输，具有较低的传输损耗和较高的带宽。
多模光纤适用于短距离传输，可以传输多个光信号，但带宽较窄。
根据实际需求，选择适当的光纤类型。
光纤通信系统的设计还包括网络拓扑的确定。
常见的网络拓扑结构有星型、环形、网状等。
星型拓扑结构是将所有光缆连接到一个中心节点，适用于小规模网络。
环形拓扑结构是将所有光缆连接成一个环状，适用于较大规模的网络。
网状拓扑结构是将多个中心节点相互连接，适用于大规模网络。
根据需要选择适当的网络拓扑结构。
光纤通信系统的实现需要光纤传输设备和光纤调制解调器。
光纤传输设备包括光纤收发器和光纤交换机。
光纤收发器用于将电信号转换为光信号，并通过光纤传输。
光纤交换机用于将光信号从一个光纤传输到另一个光纤。
光纤调制解调器用于调制和解调光信号，实现光纤通信的编码和解码。
光纤通信系统的实现还需要光纤的安装和连接。
安装光纤时需要避免光纤的弯曲和拉伸，以免影响光信号的传输质量。
光纤的连接可以使用光纤连接器和光纤配线架。
光纤连接器用于将光纤连接到光纤设备，光纤配线架用于将多个光纤连接在一起，并提供光纤的整理和管理。
光纤通信系统的实现也需要光纤的保护和维护。
光纤通信系统可能会受到突发事件的影响，如地震、火灾等。
因此，需要在系统设计中考虑到光纤的冗余和备份，以及与其他系统的互联互通。
此外，光纤通信系统需要定期检测和维护，保持光信号的传输质量和系统的稳定性。
总之，光纤通信系统的设计及实现需要考虑多个因素，包括光纤的选择、网络拓扑结构、光纤传输设备和光纤调制解调器的选择，光纤的安装和连接，以及光纤的保护和维护。
通过合理的设计和实施，光纤通信系统可以提供高速、低损耗和大带宽的通信服务。
第6章数字光纤通信系统
•6.1 两种传输体制
•6.1.1 复用原理介绍
•2、复用示意图
Multiplexor (MUX) Demultiplexor (DEMUX，or DMX)
Sometimes just called a MUX
第6章数字光纤通信系统
•6.1 两种传输体制
•6.1.1 复用原理介绍
第6章数字光纤通信系统
•6.1 两种传输体制
•6.1.2 准同步数字系列PDH
•4、PDH体制电接口和光接口的主要参
数 •对基群2.048Mb/s
•编码传号反转码
•Coded Mark Inversion
•E1
•E2
•E3
•E4
•CMI编码
•输入码字 编码结果
•0
01
•1
00/11交替
第6章数字光纤通信系统
•发送顺序
•采用指针技术是SDH的创新，结合虚容器(VC:Virtual Container)的概念， 解决了低速信号复接成高速信号时，由 于小的频率误差所造成的载荷相对位置漂移的问题。
第6章数字光纤通信系统
•6.1 两种传输体制
•6.1.3 同步数字系列SDH
•3、SDH复用结构
•SDH高速率等级有： • STM-4， STM-16， STM-64， STM-256 •相应速率为STM-1的4，16，64，256倍。
•时隙=8bit=前7bit(信息)+末位1bit(信令)
•一次群(基群)速率T1=193bit/125 µs=1.544Mb/s 第6章数字光纤通信系统
•6.1 两种传输体制
•6.1.2 准同步数字系列PDH
•PDH-E基群帧结构
光纤通信系统的设计及实现
光纤通信系统的设计及实现光纤通信技术是一种较为先进的数据传输技术，其具有高速、稳定和可靠等诸多优点，被广泛应用于互联网、电视广播、电话和数据中心等领域。
本文将从光纤通信系统的设计和实现两个方面详细讨论光纤通信技术的基本原理、系统组成、参数选择和应用实例等相关内容。
一、光纤通信系统的基本原理光纤通信系统是基于光信号传输的一种通信方式，其基本原理是利用光的折射、反射和衍射等特性将光信号进行传输。
在光纤通信系统中，光源产生的信号被送至光纤中，并通过光纤进行光信号传播。
光信号到达光纤的末端后，再由光探测器将光信号转换为电信号送至接收端。
光纤通信系统中的光信号可以是LED或激光二极管等光源产生的单色光或多色光，其波长范围在600nm~1550nm之间。
光纤主要由芯层、包层和绝缘层等三部分构成。
其中，芯层的折射率高于包层，光信号在芯层中传输时会发生反射折射等现象，从而实现信号的传输。
光信号在传输过程中会产生各种损耗，如弯曲损耗、空气折射损耗、微弯损耗等，因此需要对光纤的长度、弯曲度、材料和参数等进行选择和设计。
二、光纤通信系统的系统组成光纤通信系统的主要组成部分包括光源、光纤、光探测器、前端调制电路、解调电路和转换电路等。
其中，光源产生的信号被送至光纤中，通过光纤传输至光探测器，并由后端电路进行处理与分析。
1. 光源光源是光纤通信系统中的核心组成部分，其产生的光信号的质量和稳定性直接影响到整个通信系统的性能和可靠性。
现代光纤通信系统中的光源主要有LED和激光二极管两种。
（1）LED光源：LED光源是一种常见的光源类型，其优点在于价格低廉、发光效率高、驱动电流小、寿命长等。
但是，LED光源的光强度低、色散大、光谱比较宽，因此仅适用于传输距离较短、带宽较窄的光纤通信系统。
（2）激光二极管光源：激光二极管光源由于其高发射功率、高光强度、小线宽、高调制速度等优点。
因此，其适用范围更广，可应用于带宽较宽、传输距离较远的光纤通信系统中。
第六章 光纤通信系统工程设计
室内光 解决大型智能小区、 不适用于业务 缆工程 商务中心的通信方 量不大的地方 案
6.1 工程设计概述
6.1.2 光纤通信系统工程设计的特点 • 1.体现技术应用及创新水平 • 在通信网络规划阶段，设计单位既要考虑通信网 络的现状，又要考虑网络的未来发展方向。在做 初步设计时就要应用通信领域新的知识成果，采 用新技术、新设备、新工艺进行规划设计，为运 营商开发新的电信业务品种，提供新的服务奠定 技术基础。通信设计的创新不仅表现在新技术、 新工艺的应用上，而且在设计通信工程项目时打 破常规思维，进行思想创新，如将技术实现与环 境保护有机结合起来，避免通信设施或建筑对环 境造成破坏。
• • •Байду номын сангаас• • 知识点 (1)工程设计 (2)系统制式 (3)再生段计算 (4)光纤光缆选型
第六章 光纤通信系统工程设计
• 引导案例 • 如图6-1所示，是某通信运营商在全国敷设 的部分省际光缆干线网络示意图。图6-1表 明，该省际光缆干线网络有四个环网，分 别采用32×2.5 G DWDM、32×2.5 GSDH、 40×10 G WDM等高速光纤通信系统。
6.1 工程设计概述
• 试运行结束且具备了验收交付使用的条件，由主 管部门及时组织相关单位的工程技术人员对工程 进行系统验收，即按工验收。 • 系统验收是对光缆线路工程进行全血检查和指标 抽测的过程，验收合格后签发验收证书，表明工 程建设告一段落，正式投产交付使用。 • 【提示】对于中小型工程项目，可以视情况适当 简化手续，可以将工程初验与竣工验收合并进行。 • 综上所述，光纤通信系统工程建设程序，可以概 括为图6-2所示的流程。
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第六章 光纤通信系统工程设计
• 问题引领 (1)光纤通信系统工程设计包含了哪些内容? (2)光纤通信系统工程设计的主要步骤是什么? (3)光纤通信系统工程设计工作该如何进行? 目前，在我国的通信网中，无论是骨干网， 还是本地网，光纤通信系统都是首选，因 此掌握光纤通信系统工程设计的基本知识 和技能，是十分必要的。
举例说明光纤通信系统的设计流程
举例说明光纤通信系统的设计流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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光纤通信系统的设计
光纤通信系统设计所谓光纤通信系统，就是将从光源、光检测器、光放大器等有源器件到连接器、隔离器等无源器件通过光纤组合形成具有完整通信功能的系统。
光纤通信系统就传送的信号可以分为模拟光纤系统和数字光纤系统。
模拟光纤系统目前一般只应用于传送广播式的视频信号，最主要的应用是广电的HFC 网。
其他场合一般采用数字光纤系统，它具有传输距离长，传输质量高，噪声不累积等模拟光纤系统无法比拟的特点。
光纤通信系统的设计包括两方面的内容：工程设计和系统设计。
工程设计的主要任务是工程建设中的详细经费预算，设备、线路的具体工程安装细节。
主要内容包括对近期及远期通信业务量的预测；光缆线路路由的选择及确定；光缆线路铺设方式的选择；光缆接续及接头保护措施；光缆线路的防护要求；中继站站址的选择以及建筑方式；光缆线路施工中的注意事项。
系统设计的任务遵循建议规范，采用较为先进成熟的技术，综合考虑系统经济成本，合理选用器件和设备，明确系统的全部技术参数，完成实用系统的集成。
虽然光纤通信系统的形式多样，但在设计时，不管是否有有成熟的标准可循，以下几点是必须考虑的：①传输距离。
②数据速率或信道带宽。
③误码率（数字系统）或载噪比和非线性失真（模拟系统）。
下面分别介绍模拟光纤系统和数字光纤系统的设计。
模拟光纤通信系统多采用副载波复用技术，主要指标有：载噪比CNR(Carrier Noise Ratio)、组合二阶互调失真CSO(Composite Second Order Intermodulation)和组合三阶差拍失真CTB(Composite Triple Beat)。
后两项指标针对多路信道复用的使用情况。
对于模拟的HFC网的设计，主要需要考虑系统的CNR、CTB、CSO指标，其传输距离主要受限于链路的损耗。
在模拟的HFC网中，EDFA的引入可以延长传输距离且对CTB和CSO等非线性指标没有多大的影响，但对CNR影响较大，在系统设计时重点考虑。
光纤通信系统的设计
光纤通信系统的设计一、引言光纤通信系统是一种通过光纤传输光信号进行信息传输的通信系统。
相比传统的铜线传输方式，光纤通信系统具有更大的带宽和更低的信号衰减，能够传输更高速率的数据。
本文将详细介绍光纤通信系统的设计，包括光纤选材、光纤连接、光纤传输和光纤接收等方面。
二、光纤选材在设计光纤通信系统之前，首先要选择合适的光纤材料。
常见的光纤材料有多模光纤和单模光纤。
多模光纤适用于短距离传输，信号传输速率较低；而单模光纤适用于长距离传输，信号传输速率较高。
因此，根据实际需求选择合适的光纤材料。
三、光纤连接光纤连接是指将两根或多根光纤进行连接，使光信号可以在它们之间传输。
光纤连接的质量对通信系统的性能有很大影响。
在进行光纤连接时，需要注意以下几点：1.清洁：光纤连接口必须保持干净，以避免光信号被杂散光干扰。
在接插件时，需要使用清洁棉签或洁净纸巾清洁连接口。
2.对准：将两根光纤的连接口对准，确保连接无误。
3.固定：连接好的光纤需要固定，以避免松动或断开。
可以使用光纤盒或光纤固定器进行固定。
四、光纤传输光纤传输是指光信号在光纤中的传输过程。
光纤传输需要考虑以下几个因素：1.光衰减：光信号在传输过程中会发生衰减。
因此，在光纤传输中需要采取措施来补偿光衰减，以保证信号的传输质量。
2.光发射：光信号在光纤传输之前需要经过光发射器的处理。
光发射器通常由激光二极管组成，它将电信号转换为光信号并输出到光纤中。
3.光检测：光信号在光纤传输结束后，需要经过光接收器进行光检测和解码。
光接收器通常由光电二极管组成，它将光信号转换为电信号并输出到接收设备中。
五、光纤接收光纤接收是指光信号从光纤中传输到接收设备的过程。
在进行光纤接收时，需要注意以下几点：1.光接收器：选择合适的光接收器对光信号进行接收。
不同类型的光纤通信系统可能需要不同类型的光接收器。
2.信号放大：由于光信号在传输过程中会发生衰减，因此可能需要使用信号放大器增强信号强度，保证信号的传输质量。
光纤通信系统及设计
光纤通信系统及设计一、引言光纤通信是一种利用光纤传输信息的通信方式。
与传统的电信号传输相比，光纤通信具有高速率、大带宽、低延迟等优点，已经成为现代通信领域的重要技术。
本文将介绍光纤通信系统的基本原理、组成部分以及设计考虑的几个关键因素。
二、光纤通信系统的基本原理三、光纤通信系统的组成部分1.光源：主要有激光器和发光二极管两种。
激光器具有高亮度、狭窄带宽和高稳定性的特点，适用于长距离传输；而发光二极管具有低成本、高发光效率的特点，适用于短距离传输。
2.调制器：用于将要传输的信息转换成光脉冲。
调制器根据调制方式的不同可以分为直接调制和外调制两种。
直接调制是利用光源的直接电调制功能来实现信息的转换；外调制是通过外部信号调制光源来间接实现信息转换。
3.放大器：用于放大由光源发出的光信号，以保证信号能够在传输过程中不被衰减。
4.光纤传输介质：光纤是光信号传输的关键环节，分为单模光纤和多模光纤两种。
单模光纤适用于长距离传输，具有更小的传输损耗和更高的带宽；而多模光纤适用于短距离传输，成本更低。
5.接收器：将接收到的光信号转换为电信号，以便进一步处理和解码。
四、光纤通信系统设计的考虑因素在进行光纤通信系统设计时，需要考虑以下几个关键因素。
1.传输距离：传输距离决定了光纤通信系统所需的信号强度和传输损耗。
对于长距离传输，需要使用较强的光源和放大器；而短距离传输则可以使用较弱的光源和放大器。
2.带宽需求：不同的应用领域对带宽的需求也不同。
高带宽需求的应用，需要使用更高频率的光源和调制器。
3.抗干扰能力：光纤通信系统应具备一定的抗干扰能力，以保证信号的稳定传输。
可采取的措施包括使用低噪声的光源、加强信号调制、增强接收器的灵敏度等。
4.可靠性和可维护性：光纤通信系统需要具备良好的可靠性和可维护性。
可通过设置冗余传输路径、备用设备、定期维护等方式来提高系统的可靠性和可维护性。
五、结论光纤通信是一种高效、可靠的通信方式，已经被广泛应用于现代通信领域。
第6章 光纤通信系统及设计
式中σ为均方根(rms)脉冲宽度。把σ/T=a定义为相对均 方根脉冲宽度，码间干扰δ的定义如图所示。得到：
g (t ) T
a
1 2
1
t
高斯波形的码间干扰
第6章 光纤通信系统及设计
美国Bell实验室的早期研究中，曾建议采用下列标准来考
查光纤线路色散对系统传输性能的限制。
及设备内光纤连接器性能劣化，Me一般不小于3dB。
光纤损耗系数αf取决于光纤类型和工作波长，例如单模 光纤在1310nm,αf为0.4～0.45dB/km; 在1550nm,αf为0.22～ 0.25dB/km。 光纤损耗余量αm 一般为 0.1 ～ 0.2dB/km, 但一个中继段
总余量不超过 5dB 。平均接头损耗可取 0.05dB/ 个，每千米光
第6章 光纤通信系统及设计
3. 工作波长的确定
工作波长可根据通信距离和通信容量进行选择。 如果是短距离小容量的系统，则可以选择短波长范围， 即800～900nm。 如果是长距离大容量的系统，则选用长波长的传输窗
口，即1310nm和1550nm， 因为这两个波长区具有较低的损
耗和色散。 另外，还要注意所选用的波长区具有可供选择的相应
6.1 IM-DD数字光纤通信系统设计
6.1.1 总体设计考虑
数字光纤通信系统一般采用强度调制、直接检波的方 式， 即IM-DD 方式。任何复杂的通信系统，其基本单元都
是点到点的传输链路。它包括三大部分，即光发送机，光
接收机和光纤线路。每一部分都涉及许多的光电器件，所 以对链路的设计是一个复杂的工作，而每个元器件的选择 都要经过若干次的反复。这里仅对原则性的问题作一下介 绍。
第6章 光纤通信系统及设计
第六章 光纤通信系统设计
11
最大中继距离光传输的设计方法
• 光纤通信系统的设计：最坏值设计法和统计设计法。 ➢ 使用最坏值设计时，所有考虑在内的参数都以最坏的情况考虑。用这种
方法设计出来的指标一定满足系统要求，系统的可靠性较高，但由于在 实际应用中所有参数同时取最坏值的概率非常小，所以这种方法的富余 度较大，总成本偏高。 ➢ 统计设计方法是按各参数的统计分布特性取值的，即通过事先确定一个 系统的可靠性代价来换取较长的中继距离。这种方法考虑各参数统计分 布时较复杂，系统可靠性不如最坏值法，但成本相对较低，中继距离可 以有所延长。 ➢ 也可以综合考虑这两种方法，部分参数按最坏值处理，部分参数取统计 值，从而得到相对稳定，成本适中，计算简单的系统。(联合设计法)
4
3. 工作波长的确定
• 工作波长可根据通信距离和通信容量进行选择。
• 如果是短距离小容量的系统，则可以选择短波长范围，即800～900nm。 • 如果是长距离大容量的系统，则选用长波长的传输窗口，即1310nm和
1550nm， 因为这两个波长区具有较低的损耗和色散。
• 另外，还要注意所选用的波长区具有可供选择的相应器件。
• 典型情况下，LD耦合进光纤中的光功率比LED高出10～15dB, 因此会有
更大的无中继传输距离。但是LD的价格比较昂贵，发送电路复杂，并且 需要自动功率和温度控制电路。而LED价格便宜，线性好，对温度不敏 感，线路简单。设计电路时需要综合考虑这些因素。
9
6. 光检测器的选择
• 选择检测器需要看系统在满足特定误码率的情况下所需的最小接收光 功率，即接收机的灵敏度，此外还要考虑检测器的可靠性、成本和复 杂程度。
发射频谱宽度等。 • 检测器：可以使用PIN组件或APD组件，主要参数有工作波长、 响应
光纤通信6第六章光纤通信系统与工程
第6章 光纤通信系统与工程
对光纤线路码型的要求
① 易于从信号码流中提取时钟分量。要求减少码流 中长连“0’和长连“1”个数； ② 码流中直流分量较稳定，以利于接收端的判决。 要求码流中“0’’、“‘l”分布均匀；
③ 要求码型有一定规律性，便于对终端站和各中继
站进行不间断业务的误码检测。
29
第6章 光纤通信系统与工程
11
第6章 光纤通信系统与工程
3.两种数字体系
系 列 码率（Mb/s) 话路数 北美 日本 体 制
PDH
一次群 1.544 24 二次群 6.312 × 4=96 三次群 32.064(日) 44.736(美) × 5=480(日) × 7=672(美) 34.368 × 4=480 四次群 97.728 271.176 × 3=1440 × 3=4032 五次群 397.2 × 4=5760
为了建立世界性的统一标准， ITU－T完成了有关SDH的31个标准：
比特率、网络节点接口、复用结构、复用设备、网络管理、线路系统和 光接口、SDH信息模型、网络结构和抖动性能、误码性能、网络保护结构
等
在世界范围内就SDH的基本软硬件问题也达成了一致协议。
16
第6章 光纤通信系统与工程
4.光中继器 在光纤通信线路上，光纤的吸收和散射导致光信号衰减， 光纤的色散将使光脉冲信号畸变，导致信息传输质量降低，误 码率增高，限制了通信距离。
6
第6章 光纤通信系统与工程
2. PCM端机 实现模拟信号到数字信号
转换(A/D转换)，完成PCM
编码，并且按照时分复用 的方式把多路信号复接、
合群，从而输出高比特率
的数字信号。 PCM编码包括取样、量化、 编码三个步骤。 这个过程可以通过下图来 说明。
光纤通信原理与光纤通信系统的教学设计
致谢
感谢所有支 持和帮助过
我的人
对教学设计和研 究工作给予的帮
助和支持
谢谢！
对读者的支持和 关注表示真诚的
感谢
感谢大家的 聆听和支持
感谢读者对光纤 通信教学内容的 认真阅读和学习
感谢观看
THANKS
● 04
第四章 光纤通信的应用
光纤通信在电话 网络中的应用
光纤通信在电话网络 中的应用越来越广泛， 其高带宽和低延迟的 特点使通话质量更加 稳定，通信更加顺畅。
光纤通信在互联网中的应用
提高传输速 度
光纤传输速度快， 可大幅提升互联
网速度。
提高网络稳 定性
光纤信号不受外 界电磁干扰，网
络更加稳定。
光纤通信原理与光纤通信系 统的教学设计
汇报人：XX
2024年X月
目录
第1章 光纤通信基础 第2章 光纤通信传输介质 第3章 光纤通信系统 第4章 光纤通信的应用 第5章 光纤通信系统的教学设计 第6章 总结与展望
● 01
第一章 光纤通信基础
光纤通信概述
光纤通信是利用光纤 作为传输介质的通信 方式，其优势包括高 带宽、低损耗、抗干 扰能力强，在通信、 网络等领域有广泛应 用。
成功率。
光纤通信用于医疗设备监 测数据传输，实时监控患 者健康状况。
提升了医疗设备的精准度
和效能。
光纤通信支持医疗信息管 理系统的构建，实现医疗 数据的安全传输和存储。
提升医疗服务的质量和效
率。
总结
光纤通信的应用领域广泛，涵盖通信、工业、医 疗、军事等多个领域，为现代社会提供了高效稳 定的通信和信息传输手段。
光纤通信原理
光纤的工作 原理
光信号的传输方 式
光纤通信系统设计
1、损耗受限距离：Lmax =(PT−PR−PP)/∑A Lmin =(PT−(PR+Dr)−PP)/∑A
2、色散受限距离：Lmax=Dmax/D
3、L=？
Lmin≤L≤[Lmax、Lmax]min
以上各式中所用参数均为最坏值，因此也称最坏值设计法。
3
1、 损耗受限系统设计
光纤通信
在用最坏值法设计同步光缆数字线路系统时，通常，发送机 富余度取1dB左右，而接收机富余度取（2～4）dB，系统总富 余度为（3～5）dB左右。
fb为线路信号比特率（单位为Tbit/s）。
以2.4Gbit/s系统为例，假设工作波长λ为1550nm，Dm为 17ps/（nm·km），则采用普通量子阱激光器（设α=3）和电
吸收调制器（设α=0.5）后，传输距离可以分别达101km和 607km。
11
2、 色散受限系统设计
光纤通信
（3）采用外调制器
A f表示再生段平均光缆衰减系数（dB/km）， A S是再生段平均接头损耗（dB）， L f是单盘光缆的盘长（km）， M c是光缆富余度（dB/km）， A C是光纤配线盘上的附加活动连接器损耗（dB），按两个考虑。
图1 光通道损耗的组成
5
1、 损耗受限系统设计
光纤通信
损耗受限系统的实际可达再生段距离可以用下式来估算：
6
1、 损耗受限系统设计
光纤通信
PT为发送光功率（dBm）， PR为光接收灵敏度（dBm）， AC是光纤配线盘上的收发端两个附加活动连接器损耗（dB）， PP为光通道功率代价（dB），由反射功率代价Pr和色散功率代 价Pd组成， Me为系统设备富裕度（dB）， Mc为光缆富余度（dB/km）， n是再生段内所用光缆的盘数，
光纤通信第6章光放大器
光功率(dB)
光纤拉曼放大器
同向泵浦
WDM耦合器
反向泵浦
6.3.1 分布式拉曼放大器工作原理和特性
2. 拉曼增益和带宽
斯托克斯（Stokes）频差（ΩR= ωP- ωs）在SRS过程 中扮演着重要角色。由分子振动能级确定的ΩR 值决 定了SRS的频率（或波长）范围。
1530~1564nm 之间的C波段
6.3 光纤拉曼放大器FRA
人们对FRA的兴趣来源于这种放大器可以提 供整个波长波段的放大。通过适当改变泵浦 激光波长，就可以达到在任意波段进行宽带 光放大，甚至可在1270～1670nm整个波 段内提供放大。 特别是高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展， 又为FRA的实现奠定了坚实的基础。
第六章 光放大器
概述
光纤通信系统的传输距离受光纤损耗或色散 限制。
因此，传统的长途光纤传输系统，需要每隔 一定的距离，就增加一个再生中继器，以便 保证信号的质量。
光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用 光－电－光(O-E-O)变换方式。
光放大器（O-O）
WDM系统光－电－光(O-E-O)变换方式
0
v0
1.46
增益带宽宽（约为70nm），有能力放大超窄光脉冲。
TW- SOA的特性
3. 缺点
SOA对极化态非常敏感（增益偏振相关性）。不同极 化模式，具有不同的增益G，横电模（TE）和横磁模 （TM）极化增益差可能达到5~8dB 起因：由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横 向（长方形的宽边方向）和竖向（长方形的窄边方向） 的光场约束不同，光场在竖向的衍射泄漏强于横向， 因而竖向的光增益弱于横向。因此光信号的偏振方向 取横向时的增益大，取竖向时的增益小。 解决方法：采用宽、厚可比拟的有源层设计；
光纤通信系统设计与实现
光纤通信系统设计与实现一、光纤通信系统概述光纤通信作为目前通信系统中最主要的一种通信方式，给人们带来了高速、高带宽、长距离传输等优势。
光纤通信系统是由波分复用模块、光纤传输模块、解复用模块和光接收模块等模块构成的。
二、光纤通信系统设计（一）光纤通信系统节点设计1. 激光发射器模块：光纤通信系统节点中最重要的组成部分，可以将电信号转换为光信号。
2. 光、电转换模块：把从光纤传输过来的光信号转换为电信号。
3. 解复用模块：将多路光信号解码生成多路原始数据流。
4. 光电检测模块：通过光电转换将光信号转换为电信号。
5. 光纤传输模块：快速而可靠地传输光信号的方式。
（二）光纤通信系统接口设计1. 光纤通信系统的接口设计分为三个层次：物理层、数据链路层和应用层。
物理层负责传输数字信息的物理特征；数据链路层负责进行错误的纠正；应用层则处理根据传输内容集成的应用。
2. 物理层接口设计：需要支持的接口有串行和并行，并且每个接口的传输距离都应该经过计算和校正。
3. 数据链路层接口设计：需要支持的接口有MAC层和IP层，并且每个层的接口速率和数据转换协议都需要进行计算和校正。
（三）光纤通信系统的接收电路设计1. 高速移相器的设计：建立高速信号的精确相位，保证时域和频域响应的匹配，并且最大限度地减小相邻频率干扰。
2. 自适应均衡器的设计：处理失真和干扰，保证信号平稳清晰。
同时，还需要设计恰当的均衡因子和滤波器。
3. 高速AD采样电路的设计：实现高速信号的精确采样，保证采样结果尽可能精确和真实。
三、光纤通信系统实现（一）计算和优化光纤通信系统的转换效率光纤通信系统的转换效率是一个重要的指标，通常通过增加带宽、调整精度和改进电路结构等方法进行优化。
（二）开发通信模块光纤通信系统的节点模块可以通过开发可编程电流源、放大器、相位移动器和自适应均衡器等组件来实现。
（三）实现接收电路接收电路可以通过开发自适应均衡器、相平衡器和高速AD采样电路等模块来实现，同时需要进行实验和测试，进一步优化电路结构和性能。
光纤通信系统原理与设计
光纤通信系统原理与设计光纤通信系统是一种利用光纤作为传输介质进行信息传输的通信系统。
它利用光的全反射特性，并通过光信号的调制与解调实现传输数据。
在现代通信领域中，光纤通信系统已经成为主流的通信方式之一。
本文将介绍光纤通信系统的原理与设计。
一、光纤通信系统的工作原理光纤通信系统的工作原理可以简单分为三个步骤：光信号的发射、传输和接收。
1. 光信号的发射光信号的发射是指将电信号转换为光信号的过程。
在光纤通信系统中，通常采用光电转换器将电信号转换为光信号。
光电转换器由激光器和调制器组成。
激光器产生一束强度和频率稳定的光，而调制器则根据输入的电信号对光信号进行调制。
2. 光信号的传输光信号的传输是指将调制后的光信号通过光纤传输至目标地点的过程。
光纤是一种由高纯度的玻璃或塑料材料制成的细长棒状结构。
它具有很好的光导性能，可以将光信号以全内反射的方式沿光纤传输。
在传输过程中，光信号会经过多次全内反射，几乎不受损失。
3. 光信号的接收光信号的接收是指将传输过来的光信号转换为电信号的过程。
光纤通信系统中，接收端通常采用光电转换器将光信号转换为电信号。
光电转换器由光探测器和解调器组成。
光探测器将光信号转换为电信号，解调器则对电信号进行解调得到原始信号。
二、光纤通信系统的设计要点在进行光纤通信系统的设计时，需要考虑以下几个关键要点。
1. 光纤的选择光纤的选择是设计光纤通信系统时的关键因素之一。
根据通信距离的不同，可选择不同类型的光纤，如单模光纤或多模光纤。
同时还需要考虑光纤的直径、材料和信号传输损耗等因素。
2. 光源的选择光源是指光信号的发射装置，激光器是光纤通信系统中常用的光源。
在选择光源时，需要考虑发射功率、频率稳定性和调制性能等因素。
3. 光电转换器的设计光电转换器是光信号的发射和接收装置。
设计光电转换器时，需要考虑调制方式、频率响应和转换效率等因素。
4. 解调器的设计解调器是光信号接收后将其转换为原始信号的装置。
光纤通信系统课程设计
光信号强度测试：测量光信号的强度，确保信号传输的稳定性 光信号波长测试：测量光信号的波长，确保信号传输的准确性 光信号频率测试：测量光信号的频率，确保信号传输的速度 光信号噪声测试：测量光信号的噪声，确保信号传输的质量
传输速率：衡量光纤通信系统传输数据 的速度
传输距离：衡量光纤通信系统传输数据 的距离
光电倍增管：一种高灵敏度的光接收器，适用于弱光信号的接收
光接收电路：将光电二极管或光电倍增管输出的电信号进行放大和处理，以便于后续处理或 传输
安全性：确保通信数据的安全 性和隐私性
可靠性：保证通信系统的稳定 性和可靠性
灵活性：适应不同的应用场景 和需求
经济性：考虑成本效益，选择 合适的设备和技术
企业网络：为企业提供高速、安全的内部网 络通信
智能交通：实现交通信息的实时传输和处理
互联网：支持高速、大容量的网络数据传输
医疗健康：支持远程医疗、健康监测等应用
光源：激光二 极管（LD）、 半导体激光器
（SL）等
光调制技术： 直接调制、外 调制、内调制
等
光调制器：马 赫-曾德尔调制 器（MZM）、 电吸收调制器
需求分析：确定系统需求，如传输速率、传输距离等 系统设计：包括光纤选择、光模块选择、光路设计等 设备选型：选择合适的光纤通信设备，如光纤收发器、光端机等 光路测试：测试光纤通信系统的性能，如传输速率、误码率等 系统调试：根据测试结果进行系统调试，优化系统性能 系统验收：对光纤通信系统进行验收，确保系统满足设计需求
（EAM）等
光调制技术应 用：光纤通信、 光存储、光传
感等
光纤传输损耗：光在光纤中传输时，由于各种原因导致的能量损失 光纤传输带宽：光纤可以传输的频率范围，决定了光纤的传输速率 光纤传输模式：光纤中光信号的传播方式，包括单模和多模 光纤传输距离：光纤可以传输的最大距离，受光纤损耗和信号衰减等因素影响
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第6章光纤通信系统的设计在前面几章中，我们已经学习了光纤通信系统中基本元器件的功能，从光源、光检测器、光放大器等有源器件到连接器、隔离器等无源器件。
在这章里我们将讨论如何将这些器件通过光纤组合形成具有完整通信功能的系统。
光纤通信系统就其拓扑而言是多种多样的，有星形结构、环形结构、总线结构和树形结构等，其中最简单是点到点传输结构。
从应用的技术来看，分光同步传输网、光纤用户网、复用技术、高速光纤通信系统、光孤子通信和光纤通信在计算机网络中的应用等等。
从其地位来分，又有骨干网、城域网、局域网等。
不同的应用环境和传输体系，对光纤通信系统设计的要求是不一样的，这里我们只研究简单系统的设计，即点到点传输的光纤通信系统。
内容包括设计原则、数字和模拟通信系统的设计，最后给出了设计实例，以期读者对光纤通信方面的知识有一全面了解。
6.1 设计原则6.1.1 工程设计与系统设计光纤通信系统的设计包括两方面的内容：工程设计和系统设计。
工程设计的主要任务是工程建设中的详细经费概预算，设备、线路的具体工程安装细节。
主要内容包括对近期及远期通信业务量的预测；光缆线路路由的选择及确定；光缆线路敷设方式的选择；光缆接续及接头保护措施；光缆线路的防护要求；中继站站址的选择以及建筑方式；光缆线路施工中的注意事项。
设计过程大致可分为：项目的提出和可行性研究；设计任务书的下达；工程技术人员的现场勘察；初步设计；施工图设计；设计文件的会审；对施工现场的技术指导及对客户的回访等。
系统设计的任务遵循建议规范，采用较为先进成熟的技术，综合考虑系统经济成本，合理选用器件和设备，明确系统的全部技术参数，完成实用系统的合成。
6.1.2系统设计的内容光纤通信系统的设计涉及到许多相互关联的变量，如光纤、光源和光检测器的工作特性、系统结构和传输体制等。
例如，目前在骨干网和城域网中普遍选择同步数字序列SDH(Synchronous Digital Hierarchy)作为系统制式，在设计SDH体制的光纤通信系统时，首先要掌握其标准和规范，SDH的传输速率分为STM-1(155.52Mb/s)、STM-4(622.08Mb/s)、STM-16(2.5Gb/s)和STM-64(10Gb/s)等四个级别。
ITU-T对每个级别（STM-64正在研究中）所使用的工作波长范围、光纤通道特性、光发射机和接收机的特性都作了规定，并对其应用给出了分类代码，表6.1给出了STM-1标准光接口的主要指标，其中应用分类代码中的符号I表示距离不超过2km的局内应用，S表示距离在15km的局间短距离应用，L表示距离在40～80km的局间长距离应用，符号后的数字表示STM的速率等级和工作波长（1310nm）。
又例，对于局域网(LAN)的设计，IEEE、TIA/EIA等组织也有相关的标准，见表6.2，对数据速率、波长作了规定。
表6.3表示了波长范围以及相应技术的要求。
对于数据速率为10Mbit/s或100Mbit/s的LAN系统，其光缆的长度可以查阅IEEE802.3u和TIA/EIA568A标准。
表6.4为其建议的最大光缆长度。
虽然光纤通信系统的形式多样，但在设计时，不管是否有有成熟的标准可循，以下几点是必须考虑的：①传输距离。
②数据速率或信道带宽。
③误码率（数字系统）或载噪比和非线性失真（模拟系统）。
在作过相关的分析后，我们要决定：是采用多模光纤还是单模光纤，并涉及到纤芯尺寸、折射率剖面、带宽或色散、损耗、数值孔径或模场直径等参数的选取；是采用LED还是LD光源，涉及到波长、谱线宽度、输出功率、有效辐射区、发射方向图、发射模式数量等指标的确定；是采用PIN还是APD接收器，它涉及到响应度、工作波长、速率和灵敏度等参量的选择。
6.1.3 系统设计的方法为了确保获得预期的系统性能，做出合适的选择，必须进行两种分析：功率预算和带宽预算。
1．功率预算功率预算的目的是判断光检测器接收到的光功率是否达到其所需的最小光功率（灵敏度）。
光发射机发送的功率减去光纤链路的损耗和系统富余度，即为接收机的接收功率。
光纤链路的损耗包括光纤损耗、连接器损耗、接头损耗以及诸如分路器和衰减器等元件设备引入的损耗。
系统富余度是一个估计值，用于补偿器件老化、温度波动以及将来可能加入链路器件引起的损耗，这个值在2～8dB 之间。
设总的光功率损耗为PT ，光发射机发送的光功率为PS(dBm)，光接收机的灵敏度为PR(dBm)，则AC(dB)为连接器损耗，FC 型连接器一般为0.8dB/个，PC 型连接器一般为0.5dB/个；AS(dB)为光纤固定接点损耗，一般为0.1 dB/个；MC(dB)为系统富余度。
由（6.1.1）式可以计算出给定光纤的最大传输距离、连接器和接头等数量，得到较好的设计。
2. 带宽预算带宽预算的目的是为了满足传输速率的要求。
光纤通信系统的带宽除了和光纤的色散特性有关外，还与光发射机和光接收机等设备有关。
工程上常用系统上升时间来表示系统的带宽。
上升时间的定义是：在阶跃脉冲作用下，系统响应从幅值的10％上升到90％所需要的时间，如图6.1.1所示系统带宽与上升时间成反比，常用下式作为系统设计的标准（6.1.2） 上式仅适用于归零码（RZ ），对于非归零码（NRZ ），则应当修正为（6.1.3） 系统上升时间与诸多因素有关，较为主要的因素有光纤色散、光发射机和光接收机的上升时间。
设由光纤色散引起的上升时间为，光发射机等光电设备的上升时间为，则得到 6.2 数字传输系统的设计6.2.1 系统技术考虑数字传输系统的描述和指标有比特率、传输距离、码型和误码率等，其中误码率是保C S C R S T M A A L P P P +++=-=αrsys t f ∆=∆35.0rsys t f ∆=∆7.022)()(eqfib sys t t t ∆+∆=∆证传输质量的基本指标，它受多种因素制约，与光探测器性能、前置放大器性能、码速、光波形、消光比以及线路码型有关。
数字传输系统设计的任务就是要通过器件的适当选择以减小系统噪声的影响，确保系统达到要求的性能。
在系统的传输容量确定后，就因确定系统的工作波长，然后选择工作在这一区域内的器件。
如果系统传输距离不太远，工作波长可以选择在第一窗口（800~900nm）；如果传输距离较远，应选择1300 nm或1550 nm波长。
光纤的选择应该根据通信容量的大小和工作波长来决定。
多模光纤和单模光纤除了工作模式上的差别外，它们在带宽、衰减常数、尺寸和价格等方面存在较大差异。
表6.5为典型的多模、单模光纤在带宽和衰减常数上差异的比较。
多模光纤的带宽比单模光纤带宽小得多，衰减常数比单模光纤大得多，所以比较适用于低速、短距离的系统和网络，典型的应用有计算机局域网、光纤用户接入网等。
表6.6为不同类型多模光纤的技术规范。
多模光纤的芯径最小为50μm，最大为100μm，数值孔径较大，有利于光源光功率到光纤的耦合。
另外，对于连接器和接头的要求都不高，这也决定了多模光纤比较适用于多交叉点、多连接头的场所的应用。
单模光纤的带宽较宽，衰减较低，所以比较适合高速、长距离的系统，典型的应用有SDH、WDM网络等。
光检测器的选取通常放在光源之前。
接收灵敏度和过载光功率是主要考虑的参数。
接收灵敏度是指在一定误码率（一般为10-9）下，接收机所能接收到的最小光功率。
过载功率是指接收机可以接收的最大光功率。
当接收机接收的光功率开始高于灵敏度时，信噪比的改善会使误码率变小，但是若光功率继续增加到一定地步，接收机前置放大器将进入非线性区域，继而发生饱和或过载，使信号脉冲波形产生畸变，导致码间干扰迅速增加，误码率开始劣化（变大），当误码率再次到达规定值时，对应的接收光功率即为过载功率。
在选取光检测器时，应综合考虑成本和复杂程度。
PIN管与APD管相比，结构简单，成本较低，但灵敏度没有APD管高，目前它们经常与前置放大器组合成组件使用。
光源的选择要考虑系统的一些参数，如色散、数据速率、传输距离和成本等。
LD的谱宽比LED的要窄得多。
在波长800nm到900nm的区域里，LED的谱宽与石英光纤的色散特性的共同作用将带宽距离积限制在150(Mb/s)·km以内，要达到更高的数值，在此波长区域内就要用激光器。
当波长在1300nm附近时，光纤的色散很小，此时使用LED可以达到1500(Mb/s)·km的带宽距离积。
若采用InGaAsP激光器，则该波长区域上的带宽距离积可以超过25(Gb/s)·km。
而在1550nm波长区域内，单模光纤的极限带宽距离积可以达到500(Gb/s)·km。
一般而言，半导体激光器耦合进光纤的功率比LED要高出10dB到15dB，因此采用LD 可以获得更大的无中继传输距离，但是价格要昂贵许多，所以要综合考虑加以选择。
6.2.2 光通道功率代价和损耗、色散预算当传输距离确定后，根据功率预算关系式（6.1.1）可以知道链路允许损耗与光发送机和接收机的功率关系。
实际的数字光纤链路除了光纤本身的损耗、连接器和接头的损耗外，还存在着因模式噪声、模分配噪声、激光器频率啁啾、反射以及码间干扰而导致的光通路功率代价。
模式噪声在多模光纤中，由于振动、微弯等机械扰动，各传输模式间的干涉在光检测器的受光面上产生的斑图将随时间波动，它会导致接收功率发生波动，并附加到总的接收噪声中，使得误码率劣化，这种波动称为模式噪声。
另外，连接器和接头起到了空间滤波器的作用，它们也会造成斑图的瞬时波动，增加模式噪声。
相干激光器的谱宽（）如果比较小，使得相干时间（）大于模间时延差（见2.2节）的话，同样会产生模式噪声。
一般而言，运行速率低于100Mb/s 的链路，可以不考虑模式噪声的影响，但当速率达到400Mb/s 以上时，模式噪声就变得较为严重了。
减小模式噪声可以采取下列方法：使用非相干光源LED ；或使用纵模数多的激光器；使用数值孔径较大的光纤或使用单模光纤。
模分配噪声多模LD 在调制时，即使总功率不随时间改变，其各个模式的功率随着时间呈随机波动。
由于光纤色散的存在，这些模式以不同的速度传播，造成各模式不同步，引起系统接收端电流附加的随机波动，形成噪声，使判决电路的信噪比降低。
因此，为了维持一定的信噪比，达到要求的误码率，就要增大接收光功率。
考虑模分配噪声需要增加的这部分功率就是要付出的功率代价。
模分配噪声的影响在高速率的系统中表现较为明显。
由于DFB 激光器的边模抑制比很高，所以选择动态单纵模DFB 激光器而不是F-P 腔激光器就可以有效地降低这种噪声的影响。
频率啁啾单纵模激光器工作于直接调制状态时，由于注入电流的变化引起了有源区载流子浓度变化，进而使有源区折射率发生变化，结果导致谐振波长随时间漂移，产生频率啁啾，由于光纤的色散作用，频率啁啾造成光脉冲波形展宽，影响到接收机的灵敏度。