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1、第一章：概 论 1.任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输 离。2.光纤通信用的近红外光(波长约 1 m)的频率(约 300 THz)比微波(波长为 0.1 m1 mm)的频 率(3300 GHz)高 3 个数量级以上。为便于比较，图 1.1 给出了相关部分的电磁波频谱。光纤通信用的近红外光(波长为 0.71.7 m)频带宽度约为，在常用的 1.31 m和 1.55 m 两个波长窗口频带宽度也在 20 THz 以上。3.光纤通信的优点：（1）容许频带很宽，传输容量很大(汗牛充栋)（2）损耗很小，中继距离很长且误码率很小(特快列车)（3）重量轻、体积小(瘦身专
2、家)（4）抗电磁干扰性能好(百毒不侵)4.光纤通信系统的基本组成(单向传输)5.基本光纤传输系统：光发射机、光纤线路和光接收机 6.光发射机由光源、驱动器和调制器组成，光源是光发射机的核心。目前广泛使用的光源有半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管(或称激光器)(LD)。7.光发射机把电信号转换为光信号的过程(常简称为电/光或 E/O 转换)，是通过电信号对光的调制而实现的。目前有直接调制和间接调制(或称外调制)两种调制方案（1）直接调制：用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。这种方案技术简单、成本较低、容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所
3、限制。（2）外调制：把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。8.对光参数的调制，原理上可以是光强(功率)、幅度、频率或相位调制，但实际上目前大多数光纤通信系统都采用直接光强调制。9.光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。10.在 0.85 m、1.31 m 和 1.55 m 有三个损耗很小的波长“窗口”。11.光接收机的功能是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经其后的电接收机放大和处理后恢复成基
4、带电信号。光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成，光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。12.目前广泛使用的光检测器有两种类型：在半导体 PN 结中加入本征层的 PIN 光电二极管(PIN-PD)和雪崩光电二极管(APD)。第二章：光纤和光缆 1.光纤结构：光纤(Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。2.光纤类型：(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；(c)单模光纤 3.光线传输原理：斯奈尔(
5、Snell)定律：n0sin=n1sin1=n1cos1 数值孔径：定义临界角c 的正弦为数值孔径(NA，Numerical Aperture)NA 表示光纤接收和传输光的能力，NA(或c)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高；纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。4.自聚焦效应：不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在 P 点上，这种现象称为自聚焦(Self Focusing)效应。渐变型多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射角相应的光线会聚在同一点上，而且这些光线的时间延迟也近似相等。5.损耗和色散是光纤最重要的传输特性。损耗限制系统的传输距离，色散
6、则限制系统的传输带宽。6.光纤色散：色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的传播时间不同而产生的一种物理效应。从频域上看，色散限制了传输信号的带宽(Bandwith)；从时域上看，色散引起信号脉冲的展宽(Pulse Broadening)。色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。模式色散是由于不同模式的传播时间不同而产生的，它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关。材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同波长成分的光(实际光源不是纯单色光)，其传播时间不同而产生的。这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性 波导色散是由于波导结构参
7、数与波长有关而产生的，它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。7.材料色散和波导色散总称为色度色散(Chromatic Dispersion)，常简称为色散，它是传播时间随波长变化产生的结果。8.光纤损耗机理包括吸收损耗和散射损耗两部分：吸收损耗 是由 SiO2 材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的；散射损耗 主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利(Rayleigh)散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。9.光缆结构：光缆一般由缆芯和护套两部分组成，有时在护套外面加有铠装。10.光缆可分为四种基本型式：层绞式、骨架式、中心束管式、带状式 第三章：通信用光器件 1.电子在低能级
8、E1 的基态和高能级 E2 的激发态之间的跃迁有三种基本方式：(a)受激吸收；(b)自发辐射；(c)受激辐射 2.电子在 E1 和 E2 两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即 E2E1=hf12 式中，h=6.6281034 Js，为普朗克常数，f12 为吸收或辐射的光子频率。3.价带、导带 2NA12212nnn近红外光波长约的频率约比微波波长为的频率高个数量级以上为便于比较图给出了相关部分的电磁波频谱光纤通信用的近红外光波长为频带宽度约为在常用的和两个波长窗口频带宽度也在以上光纤通信的优点容许频带很宽传输容量纤通信系统的基本成单向传输基本光纤传输系统光发射机
9、光纤线路和光接收机光发射机由光源驱动器和调制器成光源是光发射机的核心目前广泛使用的光源有半导体发光二极管和半导体激光二极管或称激光器光发射机把电信号转换种调制方案直接调制用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流使输出光随电信号变化而实现的这种方案技术简单成本较低容易实现但调制速率受激光器的频率特性所限制外调制把激光的产生和调制分开用独立的调制半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体。在这种晶体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带，如图 3.2。能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带。4.半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量
10、，这个能量近似等于禁带宽度 Eg(eV)，h f=Eg 式中，f=c/，f(Hz)和(m)分别为发射光的频率和波长，c=3108 m/s 为光速，h=6.6281034 Js 为普朗克常数，1 eV=1.61019 J，代入上式得到 5.半导体激光器的温度特性：温度升高时，Ith 增大，d 减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。6.发光二极管(LED)的工作原理与激光器(LD)有所不同，LD 发射的是受激辐射光，LED 发射的是自发辐射光。7.和激光器相比，发光二极管输出光功率较小，光谱宽度较宽，调制频率较低。但发光二极管性能稳定，寿命长，输出光功率线性范围宽，而且制造工
11、艺简单，价格低廉。因 此，这种器件在小容量短距离系统中发挥了重要作用。8.LD、LED 应用场合：LED 通常和多模光纤耦合，用于 1.3 m(或 0.85 m)波长的小容量短距离系统 LD 通常和 G.652 或 G.653 规范的单模光纤耦合，用于 1.3 m 或 1.55 m 大容量长距离系 9.雪崩效应含义：高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子-空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增。有这种效应的光电二极管称雪崩光电二极管(APD)。10.常见光无源器件：耦合器、连接器、光开关，连接器件是光纤通信领域最基本、应用
12、最广泛的无源器件。第四章 1.数字光发射机的功能：把电端机输出的数字基带电信号转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路，电/光转换是用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的。2.数字光发射机方框图 3.直接光强调制的数字光发射机主要电路有调制电路、控制电路和线路编码电路 4.弛张振荡含义、危害及避免 当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡，称为弛张振荡；弛张振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形失真严重，会使光接收机在抽样判决时增加误码率；将最高调制频率应低于弛张振荡频率 5.码型效应含义、危害、避免 电光延迟时间 td 与数字调制
13、的码元持续时间 T/2 为相同数量级时，会使“0”码过后的第一个“1”码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个“”码丢失，这种现象称为“码型效应”；用适当的“过调制”补偿方法可以消除码型效应。6.自脉动现象含义、危害、避免 ggEEhc24.1近红外光波长约的频率约比微波波长为的频率高个数量级以上为便于比较图给出了相关部分的电磁波频谱光纤通信用的近红外光波长为频带宽度约为在常用的和两个波长窗口频带宽度也在以上光纤通信的优点容许频带很宽传输容量纤通信系统的基本成单向传输基本光纤传输系统光发射机光纤线路和光接收机光发射机由光源驱动器和调制器成光源是光发射机的核心目前广泛使用的光源有半导体发光二
14、极管和半导体激光二极管或称激光器光发射机把电信号转换种调制方案直接调制用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流使输出光随电信号变化而实现的这种方案技术简单成本较低容易实现但调制速率受激光器的频率特性所限制外调制把激光的产生和调制分开用独立的调制 某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现象称为自脉动现象；自脉动频率可达 2 GHz，严重影响 LD 的高速调制特性；避免：选用内部增益均匀、内部吸收均匀的激光器。7.数字光接收机的功能是：把经光纤传输后幅度被衰减、波形被展宽的微弱光信号转换为电信号，并放大处理，恢复为原始的数字码
15、流。8.光接收机的噪声有两部分：一部分是外部电磁干扰产生的，这部分噪声的危害可以通过屏蔽或滤波加以消除；另一部分是内部产生的，这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小，一般不可能完全消除。9.灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。灵敏度 Pr 的定义是，在保证通信质量(限定误码率或信噪比)的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin，并以 dBm 为单位。10.理想光接收机的灵敏度：假设光检测器的暗电流为零，放大器完全没有噪声，系统可以检测出单个光子形成的电子-空穴对所产生的光电流，这种接收机称为理想光接收机。它的灵敏度只受到光检测器
16、的量子噪声的限制，因为量子噪声是伴随光信号的随机噪声，只要有光信号输入，就有量子噪声存在。11.量子极限：当允许误码率达最高值时（Pe=109），光接收机达到最高灵敏度极限，这个极限值是由量子噪声决定的，所以称为量子极限。第五章：数字光纤通信系统 1.两种传输体制：准同步数字系列(PDH)和同步数字系列(SDH)。2.SDH 特点：(1)SDH 采用世界上统一的标准传输速率等级(2)SDH 各网络单元的光接口有严格的标准规范(3)在 SDH 帧结构中，有丰富的开销比特(4)采用数字同步复用技术，其最小的复用单位为字节(八比特组)，不必进行码速调整(5)采用数字交叉连接设备 DXC 可以对各种端
17、口速率进行可控的连接配置，对网络资源进行自动化的调度和管理，既提高了资源利用率，又增强了网络的抗毁性和可靠性。3.SDH 帧结构：SDH 帧结构是实现数字同步时分复用、保证网络可靠有效运行的关键。图 5.5 给出SDH帧的一般结构。一个 STM-N 帧有 9 行，每行由 270N 个字节组成。这样每帧共有 9270N 个字节，每字节为 8 bit。帧周期为 125 s，即每秒传输 8000 帧。对于 STM-1 而言，传输速率为 927088000=155.520 Mb/s。字节发送顺序为：由上往下逐行发送，每行先左后右。4.SDH 帧大体可分为三个部分：(1)段开销(SOH)(2)信息载荷(
18、Payload)(3)管理单元指针(AU-PTR)5.抖动：抖动是数字信号传输过程中产生的一种瞬时不稳定现象。抖动的定义是：数字信号在各有效瞬时对标准时间位置的偏差。抖动产生抖动的原因很多，主要与定时提取电路的质量、输入信号的状态和输入码流中的连“0”码数目有关。6.从损耗限制和色散限制两个计算结果中，选取较短的距离，作为中继距离计算的最终结果。第六章：模拟光纤通信系统 近红外光波长约的频率约比微波波长为的频率高个数量级以上为便于比较图给出了相关部分的电磁波频谱光纤通信用的近红外光波长为频带宽度约为在常用的和两个波长窗口频带宽度也在以上光纤通信的优点容许频带很宽传输容量纤通信系统的基本成单向传
19、输基本光纤传输系统光发射机光纤线路和光接收机光发射机由光源驱动器和调制器成光源是光发射机的核心目前广泛使用的光源有半导体发光二极管和半导体激光二极管或称激光器光发射机把电信号转换种调制方案直接调制用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流使输出光随电信号变化而实现的这种方案技术简单成本较低容易实现但调制速率受激光器的频率特性所限制外调制把激光的产生和调制分开用独立的调制1.模拟光纤传输系统目前使用的主要调制方式有模拟基带直接光强调制、模拟间接光强调制和频分复用光强调制三种。2.模拟基带直接光强调制(D-IM)：用承载信息的模拟基带信号，直接对发射机光源(LED 或LD)进行光强调制，使
20、光源输出光功率随时间变化的波形和输入模拟基带信号的波形成比例。3.模拟间接光强调制方式是先用承载信息的模拟基带信号进行电的预调制，然后用这个预调制的电信号对光源进行光强调制(IM)。这种系统又称为预调制直接光强调制光纤传输系统。预调制又有多种方式，主要有以下三种：频率调制(FM)、脉冲频率调制(PFM)、方波频率调制(SWFM)4.频分复用光强调制方式是用每路模拟电视基带信号，分别对某个指定的射频(RF)电信号进行调幅(AM)或调频(FM)，然后用组合器把多个预调 RF 信号组合成多路宽带信号，再用这种多路宽带信号对发射机光源进行光强调制。5.SCM (1)一个光载波可以传输多个副载波，各个副
21、载波可以承载不同类型的业务，有利于数 (2)SCM 系统灵敏度较高，又无需复杂的定时技术，FM/SCM 可以传输 60120 路模拟电视节目，制造成本较低。因而在电视传输网中竞争能力强，发展速度快。(3)这种系统不仅可以满足目前社会对电视频道日益增多的要求，而且便于在光纤与同轴电缆混合的有线电视系统(HFC)中采用。6.道带宽，降低对信道载噪比(载波功率/噪声功率)的要求，而又保持输出信噪比不变。7.对光接收机的基本要求是：(1)输出信噪比(SNR)(2)(3)带宽要足够。8.对于副载波复用模拟电视光纤传输系统，评价其传输质量的特性参数主要是载噪比(CNR)和信号失真 9.载噪比 CNR 的定
22、义是，把满负载、无调制的等幅载波置于传输系统，在规定的带宽内特定频道的载波功率(C)和噪声功率(Np)的比值，并以 dB 为单位 10.副载波复用模拟电视光纤传输系统产生信号失真的原因很多，但主要原因是作为载波信号源的半导体激光器在电/光转换时的非线性效应。kTFBRPm8)(lg 10(CNR)L20T近红外光波长约的频率约比微波波长为的频率高个数量级以上为便于比较图给出了相关部分的电磁波频谱光纤通信用的近红外光波长为频带宽度约为在常用的和两个波长窗口频带宽度也在以上光纤通信的优点容许频带很宽传输容量纤通信系统的基本成单向传输基本光纤传输系统光发射机光纤线路和光接收机光发射机由光源驱动器和调制器成光源是光发射机的核心目前广泛使用的光源有半导体发光二极管和半导体激光二极管或称激光器光发射机把电信号转换种调制方案直接调制用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流使输出光随电信号变化而实现的这种方案技术简单成本较低容易实现但调制速率受激光器的频率特性所限制外调制把激光的产生和调制分开用独立的调制