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1、1光纤通信系统西北大学物理系冯选旗2教教 材材教材：l光纤通信，人民邮电出版社、顾畹仪参考书：l光纤通信系统，国防工业出版社，杨祥林l光纤传输系统，东南大学出版社，杨祥林l光纤通信工程，人民邮电出版社，赵梓心l光纤通信，西安电子科技大学出版社，刘增基所需相关知识：l通信原理l半导体基础l激光技术3定位光纤通信系统隶属于：l光学l通信系统光纤通信系统研究的对象l物理学l光学l通信系统物理学是做什么研究的？4物理学物理学物理学是研究物物（非意识）的理理（道理、规律）的科学学教学教学：从初中高中普通物理理论物理相对论，充分体现了人们对事物认识的螺旋式上升螺旋式上升过程。发展发展：从亚里士多德牛顿爱因
2、斯坦，人们对事物的认识在不断的认认识识修正修正再认识再认识的往复过程。5物理学两大定律守恒律守恒律：机械能守恒 能量守恒质能守恒 因果律因果律：结果是时间轴上原因的累积。l因果因果：必然来自时间的流逝和验证，没有时间，因果就会合一，就是没有变化，也就是无因果。l时间时间：能量相互转换和增减，没有能量的转换，就体会不到时间的存在，就无所谓时间的概念。l相对论相对论：改变物体速度改变物体的能量和质量，当物体接近光速的时候，可以使时间停止，也就是能量的转化趋于停止。6“物理”一词的来源 物理学(physics)，最早始见于古希腊亚里士多德的物理学一书，指出物理学是一门以自然界为特定对象的哲学。190
3、0年，日本人藤田丰八把饭盛挺造编写的物理学译成了中文，由当时上海江南制造局刊行.这本书是我国第一本具有现代“Physics”内容的称为“物理学”的书。“物理学物理学”一词的来源一词的来源 7“物理”一词探源明末清初科学家方以智的百科全书式著作物理小识,在17世纪晚期传入日本。此书并影响到日本学者把“物理学”作为Physics的译名，最后又传回中国。杜甫的曲江二首中两句，“细推物理物理须行乐，何用浮名绊此身？”l“细”字讲的在认识过程中由粗到细，逐步逼近的认识思想与历程；l“推”字讲的是由此及彼，举一反三及由个体到一般的认识过程。冠子王斧第九云：“庞子曰：愿闻其人情物理物理，所以啬万物与天地总，
4、与神明体正之道?”8物理思想 之源大学这本书中，在其开篇讲的八条目：格格物物、致知致知、诚意、正心、修身、齐家、治国、平天下。l格，宇宙混沌，格之，以为类。l要认知，就要把大的东西划小，由繁到简，抽丝剥茧，从侧面、局部乃至尽可能做到“致知”。l程子：“所谓致知在格物者，言欲致吾之知，在即物而穷其理也。盖人心之灵莫不有知，而天下之物莫不有理，惟于理有未穷，故其知有不尽也。是以大学始教，必使学者即凡天下之物莫不因其已知之理而益穷之，以求至乎其极。至于用力之久而一旦豁然贯通焉，则众物之表里精粗无不到，而吾心之全体大用无不明矣。此谓物格，此谓知之至也。”9传统文化中的物理学思想之一大学致知在格物致知在
5、格物。l庖丁解牛 格物的具体方法 从其缝隙处，或接壤最少的地方来解（格）。“彼节者有间，而刀刃者无厚；以无厚入有间，恢恢乎其于游刃必有余地矣！”l对于一个物理学问题，边界定对了，问题基本上就解决了，实际当中许多物理问题、数学问题的求解，就是求边界条件。10l从格物到致知，六个层次和步骤第一步、确定划分的边界，即在何处分格；第二步、分析格子内与格子外之间的连接；第三步、暂时抛开格子外的部分；第四步、对格子内部分建立简化模型；第五步、从不同侧面认知格子内事物的特征，即了解其各属性；第六步、研究格子内事物对格子外条件变化的反应，即应对不同事件的方法，以求认知及达到用的境界。11传统文化中的物理学思想
6、之二大学新民新民：苟日新，日日新，又日新。易经乾卦的大象传：“天行键，君子当自强不息”人们对规律的认识就好比数学中求极限一样，只能逼近，不可尽得天下之物莫不有理，惟于理有未穷。12传统文化中的物理学思想之三得位得位（中道，过犹不及）l易经：“明象位，立德业”。l孔子：“君君、臣臣、父父、子子”。l中庸“致中和，天地位焉，万物生焉”。l物理学中有学多定理、定律，这些定理定律都是对物理规律在一定条件下的投影，在一定条件下是正确的，超出了范围就是错误的，如何正确使用这些定理定律，中国人讲就叫“得位”，即处在其应处得位置，就是用得不偏不倚，则刚刚好，则才合乎理、合乎道。13传统文化中的物理学思想之四归
7、纳、推理归纳、推理l孔子：“君子不器君子不器”。易经：“形而上之谓道，形而下之谓器”。l器与道器与道是事物相对立的两端，一体的两面，器是道的象，道是器的体，器我们容易认知，而道就没那么简单了，只有从形而下走到形而上才可一见端倪，所以孔子告诫它的学生不要局限于形而下的器，而应通过思考、推理由形而下的器而达到形而上的道的境界。l细推物理细推物理：细是人类的一种思维惯性，常常是“细”而未“推”。14传统文化中的物理学思想之五習習（实践）（实践）l“学而时习之学而时习之”l习字的繁体字“習”，从羽，与鸟飞有关，本义为小鸟反复地试飞，引申为反覆练习、钻研。l时习和不器 的统一：时习代表了孔子的普及教育的
8、思想；不器代表了孔子的精英教育的思想。l习思不器。15格物思想与计算机技术格物思想与ISO计算机网络的开放式系统互联OSI七层网络协议模型以及层次划分的规则。格物思想与计算机语言中面向对象的思想。按照问题领域的基本事物实现自然分割，按人们通常的思维模式建立问题领域的模型，设计尽可能直接表现问题求解的软件系统。对象表现事物，用消息传递建立事物间的联系。16内容光纤通信系统硬件组成l光纤l光发送l光接收光纤通信系统及技术l光放大技术l相干光通信l波分复用现代光纤通信技术l孤子通信l全光网络17第一章 导 论1.1 光纤通信的发展与现状1.2 光纤通信的主要特性1.3 光纤通信系统的组成和分类1.4
9、 光纤通信使用波段 1.5 光纤通信系统1.6 几个常用到的概念181.1 光纤通信的发展与现状1.1.1 早期的光通信到了1880年，贝尔发明了第一个光电话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。在这里，将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。19图图1.1 贝尔电话系统贝尔电话系统20贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道，光波传播易受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离很短，遇到下雨下雪天也有影响。l1.1.2 光纤通信在大气光通信受阻之后，人们将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通
10、信的实验，如图1.2所示。21图图1.2 反射波导和透镜波导反射波导和透镜波导221966年，英籍华人高锟(K.C.Kao，当时工作于英国标准电信研究所)博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质，其次是拉制光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀，他还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。23在高锟理论的指导下，1970年美国的康宁公司拉出了第一根损耗为20dB/km的光纤。1977年 美 国 在 芝 加 哥 进 行 了44.736Mbit/s的现场实验，1978年，日本开始了
11、32.064Mbit/s和97.728Mbit/s的光纤通信实验；1979年，美国AT&T和日本NTT均研制出了波长为1.35m的半导体激光器。24日本也做出了超低损耗的光纤(损耗为0.2dB/km，波长为1.55m)，同时进行了多模光纤(同时允许多个方向的光线在其中传送的光纤)1.31m的长波长传输系统的现场试验。到如今，光纤通信已经发展到以采用光放大器(Optical Amplifier，OA)增加中继距离和采用波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)增加传输容量为特征的第四代系统。251.2 光纤通信的主要特性l1.2.1 光纤通信的优点1.光
12、纤的容量大光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统，其载波光 波 具 有 很 高 的 频 率(约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信容量。262.损耗低、中继距离长目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在1.55m波长区的损耗可低到0.18dB/km，比已知的其他通信线路的损耗都低得多，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其它介质构成的系统长得多。27如果今后采用非石英光纤，并工作在超长波长(2m)，光纤的理论损耗系数可以下降到10-310-5dB/km，此时光纤通信的中继距离可达数千，甚至数万公里。3.抗电磁干扰能力强我们知道，电话线和电缆一般是不能跟高压电
13、线平行架设的，也不能在电气铁化路附近铺设。284.保密性能好对通信系统的重要要求之一是保密性好。然而，随着科学技术的发展，电通信方式很容易被人窃听：只要在明线或电缆附近(甚至几公里以外)设置一个特别的接收装置，就可以获取明线或电缆中传送的信息。更不用去说无线通信方式。5.体积小，重量轻6.节省有色金属和原材料29l1.2.2 光纤通信的缺点事物都是一分为二的，光纤通信有许多优点，因而发展很快，但光纤通信也有以下缺点。1.抗拉强度低2.光纤连接困难3.光纤怕水301.3 光纤通信系统的组成和分类l1.3.1 光纤通信系统的组成光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统。主要由光发送机、
14、光纤光缆、中继器和光接收机组成。系统中光发送机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成，如果是直接强度调制可以省去调制器，这些将在后续章节中详细介绍。31光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。它一般由光电检测器和解调器组成，对于直接强度调制解调器可以省略。光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介(信道)，将光信号由一处送到另一处。中继器分为电中继器和光中继器(光放大器)两种，其主要作用就是延长光信号的传输距离。32l1.3.2 光纤通信系统的分类根据调制信号的类型，光纤通信系统可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。根据
15、光源的调制方式，光纤通信系统可以分为直接调制光纤通信系统和间接调制光纤通信系统。33根据光纤的传导模数量，光纤通信系统可以分为多模光纤通信系统和单模光纤通信系统。根据系统的工作波长，光纤通信系统可分为短波长光纤通信系统、长波长光纤通信系统和超长波长光纤通信系统。341.4 光纤通信使用波段 1.4.1 光在电磁波谱中的位置351.4.2 光纤通信使用波段l目前光纤通信所用光波的波长范围为=0.81.8 m，属于电磁波谱中的近红外区。l光纤的有3个低损耗窗口：0.85m、1.31 m、1.55 m，这也是光纤通信使用的最多的三个波长区域。l新技术的应用跳出3个低损耗区域的限制，正向全波段发展。3
16、61.5 光纤通信系统通信：l各种形式信息的转移或传递通常的具体做法是：l首先将拟传递的信息设法加载(或调制)到某种载体上l然后再将被调制的载体传送到目的地后l最后将信息从载体上解调出来37光纤通信过程l电端机的作用是对来自信息源的信号进行处理，例如模拟数字转换多路复用等；l发送端光端机的作用则是将光源(如激光器或发光二极管)通过电信号调制成光信号，输入光纤传输至远方；l接收端的光端机内有光检测器(如光电二极管)将来自光纤的光信号还原成电信号，经放大、整形、再生恢复原形后，输至电端机的接收端。381.6 几个常用到的概念1、模拟信号与数字信号2、模拟信号的数字化传输l过程：取样量化编码光纤传输
17、解码滤波l抽样定理：只要抽样频率工满足奈奎斯特(Nyguist)准则，即抽样频率2*信号带宽l量化噪声：样值量化为离散值，由此处理可能导致附加噪声39码型：l归零码(RZ)l非归零码(NRZ)调制与编码l调制：在通信系统的发送端要先对信号进行处理，变成某种格式的波形传输实现信道复用提高通信系统的抗干扰能力l解调：在接收端对信号要有一个相反的处理过程，恢复原来形式的信号40调制方式l模拟调制调幅(AM)调频(FM)调相(PM)l数字调制幅度键控(ASK)频移键控(PSK)相移键控(PSK)41数字信号的复用l时分复用(TDM)l频分复用(FDM)l波分复用或光频分复用(WDM或OFDM)几中体系l准同步系统(PDH)l同步数字体系(SDH)l同步光纤网(SONET)42光发送机l发送功率，通常以lmW为参考电平，以dBm为单位，定义为l最小边模抑制比(SMSR)SMSR=10lg(M1/M2)光接收机l光电检测器产生的电信号的信噪比(SNR)l误码率(BER)