光纖通信(第2版)劉增基復(fù)習(xí)提綱

1、第一章什么是光纖通信？光纖通信，是指利用光纖來傳輸光波信號的一種通信方式光纖通信和電通信的區(qū)別。（1）電通信的載波是電波，光纖通信的載波是光波。（2）電通信用電纜傳輸信號，光通信用光纖傳輸信號。光纜具有比電纜更小的高頻率傳輸損耗基本光纖通信系統(tǒng)的組成和各部分作用?；竟饫w傳輸系統(tǒng)由光發(fā)射機(jī)、光纖線路和光接收機(jī)三個(gè)部分組成光發(fā)射機(jī)功能：是把輸入電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并用耦合技術(shù)把光信號最大限度地注入光纖線路。核心：光源。要求光源輸出光功率足夠大，調(diào)制頻率足夠高，譜線寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長穩(wěn)定，器件壽命長。1. 光纖線路功能：把來自光發(fā)射機(jī)的光信號，以盡可能小的畸變（失真）和衰減傳

2、輸?shù)焦饨邮諜C(jī)。光纖線路由光纖、光纖接頭和光纖連接器組成。光纖線路的性能主要由纜內(nèi)光纖的傳輸特性決定。2. 光接收機(jī)功能：把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號。核心：光檢測器。對光檢測器的要求是響應(yīng)度高、噪聲低和響應(yīng)速度快。光接收機(jī)把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的過程，是通過光檢測器的檢測實(shí)現(xiàn)的。檢測方式有直接檢測和外差檢測兩種。第二章1、光能量在光纖中傳輸?shù)谋匾獥l件。設(shè)折射率，纖芯為n1;包層為n2,則光能量在光纖中傳輸?shù)谋匾獥l件是n1>n2。2、突變多模光纖數(shù)值孔徑的概念及計(jì)算。1.突變型多模光纖（全反射導(dǎo)光）（1）相對折射率指數(shù)差（纖芯

3、和包層折射率分別為n1和n2）22n2-51-山）（n門2）定義:22厲2n12弱導(dǎo)波光纖中n1和n2相差很少，則n1+n2=2n1有:也俺（n1-n2)/n1。根據(jù)定義和斯奈爾定律定義臨界角0c的正弦為數(shù)值孔徑(NumericalAperture,NA)NA=sin丸二n/一n22:n2l設(shè)厶=0.01,n1=1.5,得到NA=0.21或0c=12.2°。NA表示光纖接收和傳輸光的能力。1) NA越大，纖芯對光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲性能越好。2) NA越大經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號畸變越大3、弱導(dǎo)波光纖的概念。纖芯折射率為n1保持不變，到包層突然變?yōu)閚2。這種光纖一般纖芯直徑2a=

4、5080卩m光線以折線形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，特點(diǎn)是信號畸變大。帶寬只有1020MHz-km,一般用于小容量(8Mb/s以下)短距離(幾km以內(nèi))系統(tǒng)。4、相對折射率指數(shù)差的定義及計(jì)算。參考25、突變多模光纖的時(shí)間延遲?，F(xiàn)在我們來觀察光線在光纖中的傳播時(shí)間。根據(jù)圖2.4，入射角為0的光線在長度為L(ox)的光纖中傳輸，所經(jīng)歷的路程為l(oy),在0不大的條件下，其傳播時(shí)間即時(shí)間延遲為mi門丄-sec1(1)ccc2式中c為真空中的光速。由式(2.4)得到最大入射角(0=0c)和最小入射角(0=0)的光線之間時(shí)間延遲差近似為.Lyx2Ln<iL._c(NA):2nQ2n1cc6、漸變型

5、多模光纖自聚焦效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理。漸變型多模光纖的光線軌跡是傳輸距離z的正弦函數(shù)，對于確定的光纖，其幅度的大小取決于入射角00,其周期A=2n/A=2na/2，取決于光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)(a,),而與入射角00無關(guān)。這說明不同入射角相應(yīng)的光線，雖然經(jīng)歷的路程不同，但是最終都會聚在P點(diǎn)上，這種現(xiàn)象稱為自聚焦(SelfFocusing)效應(yīng)。漸變型多模光纖具有自聚焦效應(yīng)，不僅不同入射角相應(yīng)的光線會聚在同一點(diǎn)上，而且這些光線的時(shí)間延遲也近似相等。這是因?yàn)楣饩€傳播速度v(r)=c/n(r)(c為光速)，入射角大的光線經(jīng)歷的路程較長，但大部分路程遠(yuǎn)離中心軸線，n(r)較小，傳播速度較快，補(bǔ)償了較長的路程。(1)

6、入射角小的光線情況正相反，其路程較短，但速度較慢。所以這些光線的時(shí)間延遲近似相等。7、突變光纖和平方律漸變光纖傳輸模數(shù)量的計(jì)算。M=(g)a2k2n；=(對于突變型光纖，gis,M=V/2;對于平方律漸變型光纖，g=2,M=V/4。8、歸一化頻率的表達(dá)式。（1）用脈沖展寬表示時(shí)，光纖色散可以寫成t=（At2n+t2m+At2w）1/2式中Atn、AtmAtw分別為模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散所引起的脈沖展寬的均方根值。將歸一化頻率響應(yīng)|H（f）/H（O）|下降一半或減小3dB的頻率定義為光纖3dB光帶寬f3dBf3dB=f3dB=440AT（MHz）課本是441（分子）9、單模條件和截止波長。

7、單模傳輸條件為V=迎jnn2<2.405込Jn2-n；=2.405可以看到，對于給定的光纖（n1、n2和a確定），存在一個(gè)臨界波長入c,當(dāng)入<入c時(shí)，是多模傳輸，當(dāng)入>入c時(shí)，是單模傳輸，這個(gè)臨界波長入c稱為截止波長。由此得到人，V九V=2.405或cZ2.40510、三種色散的定義。模式色散是由于不同模式的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的，它取決于光纖的折射率分布，并和光纖材料折射率的波長特性有關(guān)。材料色散是由于光纖的折射率隨波長而改變，以及模式內(nèi)部不同波長成分的光（實(shí)際光源不是純單色光），其時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的。這種色散取決于光纖材料折射率的波長特性和光源的譜線寬度。波導(dǎo)色散是由于波

8、導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長有關(guān)而產(chǎn)生的，它取決于波導(dǎo)尺寸和纖芯與包層的相對折射率差。11、3dB帶寬的表達(dá)式及相關(guān)計(jì)算。同812、光纖損耗產(chǎn)生的機(jī)理。光纖的損耗在很大程度上決定了系統(tǒng)的傳輸距離。各種機(jī)理產(chǎn)生的損耗與波長的關(guān)系，這些機(jī)理包括吸收損耗和散射損耗兩部分。（1）吸收損耗1）SiO2引起的固有吸收（本征損耗）由電子躍遷引起的紫外吸收；由分子振動引起的紅外吸收2）雜質(zhì)引起的吸收。過渡金屬（例如Fe2+、Co2+、Cu2+）、氫氧根（OH-）離子（2）散射損耗1）瑞利（Rayleigh）散射（本征損耗）主要由材料微觀密度不均勻引起，與波長入四次方成反比。2）由光纖結(jié)構(gòu)缺陷（如氣泡）引起的散射13、非零

9、色散光纖。是一種改進(jìn)的色散移位光纖。在密集波分復(fù)用（WDM系統(tǒng)中，當(dāng)使用波長1.55卩m色散為零的色散移位光纖時(shí)，由于復(fù)用信道多，信道間隔小，出現(xiàn)了一種稱為四波混頻的非線性效應(yīng)。這種效應(yīng)是由兩個(gè)或三個(gè)波長的傳輸光混合而產(chǎn)生的有害的頻率分量，它使信道間相互干擾。如果色散為零，四波混頻的干擾十分嚴(yán)重，如果有微量色散，四波混頻反而減小。這種光纖在密集波分復(fù)用和孤子傳輸系統(tǒng)中使用，實(shí)現(xiàn)了超大容量超長距離的通信14、光纜纜芯的結(jié)構(gòu)類型。保護(hù)光纖固有機(jī)械強(qiáng)度的方法，通常是采用塑料被覆和應(yīng)力篩選。光纜一般由纜芯和護(hù)套兩部分組成，光纜的傳輸特性取決于被覆光纖。1. 纜芯通常包括：被覆光纖（或稱芯線）加強(qiáng)件通常

10、用楊氏模量大的鋼絲或非金屬材料例如芳綸纖維（Kevlar）做成。2. 護(hù)套護(hù)套起著對纜芯的機(jī)械保護(hù)和環(huán)境保護(hù)作用，要求具有良好的抗側(cè)壓力性能及密封防潮和耐腐蝕的能力纜芯結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，光纜可分為四種基本形式。（1）層絞式把松套光纖繞在中心加強(qiáng)件周圍絞合而構(gòu)成，采用松套光纖的纜芯可以增強(qiáng)抗拉強(qiáng)度，改善溫度特性（2）骨架式把緊套光纖或一次被覆光纖放入中心加強(qiáng)件周圍的螺旋形塑料骨架凹槽內(nèi)而構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)的纜芯抗側(cè)壓力性能好，有利于對光纖的保護(hù)。（3）中心束管式把一次被覆光纖或光纖束放入大套管中，加強(qiáng)件配置在套管周圍而構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)件同時(shí)起著護(hù)套的部分作用，有利于減輕光纜的重量。（4）帶狀式把帶狀光

11、纖單元放入大套管內(nèi)，形成中心束管式結(jié)構(gòu)，也可以把帶狀光纖單元放入骨架凹槽內(nèi)或松套管內(nèi)，形成骨架式或?qū)咏g式結(jié)構(gòu)。帶狀式纜芯有利于制造容納幾百根光纖的高密度光纜，這種光纜已廣泛應(yīng)用于接入網(wǎng)。15、光纖特性參數(shù)的測量方法。（光纖的特性參數(shù)很多，基本上可分為幾何特性、光學(xué)特性和傳輸特性三類。）每個(gè)特性參數(shù)有多種不同的測量方法基準(zhǔn)法：嚴(yán)格按照定義進(jìn)行測量的方法。替代法：在某種意義上與定義相一致的測量方法。當(dāng)兩者有爭議時(shí)，應(yīng)以基準(zhǔn)法為準(zhǔn)。光纖損耗測量有兩種基本方法：一種是測量通過光纖的傳輸光功率，稱剪斷法和插入法；另一種是測量光纖的后向散射光功率，稱后向散射法。（看書）第三章1、光纖通信中常用的半導(dǎo)體激光

12、器的種類。半導(dǎo)體激光二極管（LD）發(fā)光二極管（LED）DFB2、半導(dǎo)體激光器的主要由哪三個(gè)部分組成？限制層有源層限制層3、電子吸收或輻射光子所要滿足的波爾條件。電子在低能級E的基態(tài)和高能級E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種基本方式：受激吸收自發(fā)輻射受激輻射電子在E1和E2兩個(gè)能級之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足波爾條件，E2-E仁hf12(3.1)式中，h=6.628X10-34Js,為普朗克常數(shù)，fi2為吸收或輻射的光子頻率。4、什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布？設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級E1和處于高能級E2(E2>E1)的原子數(shù)分別為N1和N2。當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，存在下面的分布：

13、N2N1式中，k=1.381X10-23J/K，為波爾茲曼常數(shù),式中，k=1.381X10-23J/K，為波爾茲曼常數(shù),T為熱力學(xué)溫度。由于(E2-E1)>0,T>0,所以在這種狀態(tài)下，總是N1>N2吸收物質(zhì)：如果N1>N2即受激吸收大于受激輻射。當(dāng)光通過這種物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)按指數(shù)衰減。激活物質(zhì)：如果N2>N1,即受激輻射大于受激吸收，當(dāng)光通過這種物質(zhì)時(shí)，會產(chǎn)生放大作用。N2>N1的分布，和正常狀態(tài)(N1>N2)的分布相反，所以稱為粒子(電子)數(shù)反轉(zhuǎn)分布。5、理解半導(dǎo)體激光產(chǎn)生激光的機(jī)理和過程。由于限制層的帶隙比有源層寬，施加正向偏壓后，P層的空穴和N層的

14、電子注入有源層。P層帶隙寬，導(dǎo)帶的能態(tài)比有源層高，對注入電子形成了勢壘，注入到有源層的電子不可能擴(kuò)散到P層。同理，注入到有源層的空穴也不可能擴(kuò)散到N層。另一方面，有源層的折射率比限制層高，產(chǎn)生的激光被限制在有源區(qū)內(nèi)。書本52頁6、靜態(tài)單縱模激光器。隨著驅(qū)動電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少，譜線寬度變窄。這種變化是由于諧振腔對光波頻率和方向的選擇，使邊模消失、主模增益增加而產(chǎn)生的。當(dāng)驅(qū)動電流足夠大時(shí)，多縱模變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器。7、半導(dǎo)體激光器的溫度特性。注：激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個(gè)原因：一是激光器的閾值電流Ith隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率nd隨溫度升高而減

15、小。溫度升高時(shí)，Ith增大，nd減小，輸出光功率明顯下降，達(dá)到一定溫度時(shí)，激光器就不激射了。當(dāng)以直流電流驅(qū)動激光器時(shí)，閾值電流隨溫度的變化更加嚴(yán)重。當(dāng)對激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化。8、DFB激光器的優(yōu)點(diǎn)。 單縱模激光器。 譜線窄，波長穩(wěn)定性好。 動態(tài)譜線好。 線性好。廣泛用于模擬調(diào)制的有線電視光纖傳輸系統(tǒng)中。想詳細(xì)點(diǎn)就看書(57)9、LD與LED的主要區(qū)別（課件只是兩點(diǎn)，可看課后小結(jié)）（1）LD發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光。（2）LED不需要光學(xué)諧振腔，沒有閾值。10、常用光電檢測器的種類。PIN光電二極管雪崩光電二極管（APD11、光電二極管的工作原理。光

16、電二極管（PD）把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的功能，是由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。（課本61）12、PIN和APD的主要特點(diǎn)。由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收，因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體（稱為I），這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。隨著反向偏壓的增加，開始光電流基本保持不變。當(dāng)反向偏壓增加到一定數(shù)值時(shí)，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個(gè)電壓稱為擊穿電壓UBAPD就是根據(jù)這種特性設(shè)計(jì)的器件參考課本66有性能的比較，上面只是概念13、耦合器的功能。功能：把一個(gè)輸入的光信號分配給多個(gè)輸出，或把多個(gè)輸入的光信號組合

17、成一個(gè)輸出。對光纖線路的影響：插入損耗，反射和串?dāng)_噪聲14、光耦合器的結(jié)構(gòu)種類。1）T形耦合器功能是把一根光纖輸入的光信號按一定比例分配給兩根光纖，或把兩根光纖輸入的光信號組合在一起，輸入一根光纖。主要用作不同分路比的功率分配器或功率組合器2）星形耦合器功能是把n根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配給m根光纖，m和n不一定相等。這種耦合器通常用作多端功率分配器。3）定向耦合器其功能是分別取出光纖中向不同方向傳輸?shù)墓庑盘?。定向耦合器可用作分路器，不能用作合路器?）波分復(fù)用器/解復(fù)用器這是一種與波長有關(guān)的耦合器，波分復(fù)用器的功能是把多個(gè)不同波長的發(fā)射機(jī)輸出的光信號組合在一起，輸入到一根光纖；

18、解復(fù)用器是把一根光纖輸出的多個(gè)不同波長的光信號，分配給不同的接收機(jī)。15、什么是耦合比？是一個(gè)指定輸出端的光功率Poc和全部輸出端的光功率總和的比值，用表示。CR辰二晉匚Potrn±16、什么是附加損耗？由散射、吸收和器件缺陷產(chǎn)生的損耗，是全部輸入端的光功率總和Pit和全部輸出端的光功率總和Pot的比值，用分貝表示Le=10lgPot=10lg*送Pinn4NLZPin17、光隔離器的結(jié)構(gòu)和工作原理。（必考）阻止光波往其他隔離器就是一種非互易器件，其主要作用是只允許光波往一個(gè)方向上傳輸,方向特別是反方向傳輸。主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到該器件致使器件性能變壞。插

19、入損耗和隔離度是隔離器的兩個(gè)主要參數(shù)，對正向入射光的插入損耗其值越小越好，對反向反射光的隔離度其值越大越好SOP偏振器法拉弟旋轉(zhuǎn)器偏振器反射光入射光阻塞課本72第四章1、數(shù)字光發(fā)射機(jī)的方框圖。（必考）功能：把電端機(jī)輸出的數(shù)字基帶電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并用耦合技術(shù)有效注入光纖線路。數(shù)字光發(fā)射機(jī)的方框圖如圖4.2所示，主要有光源和電路兩部分。光源是實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，在很大程度上決定著光發(fā)射機(jī)的性能。電路的設(shè)計(jì)應(yīng)以光源為依據(jù)，使輸出光信號準(zhǔn)確反映輸入電信號。課本792、光電延遲和張馳振蕩。輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個(gè)初始延遲時(shí)間，稱為電光延遲時(shí)間td，其數(shù)量級一般為ns。當(dāng)電流脈沖注入

20、激光器后，輸出光脈沖會出現(xiàn)幅度逐漸衰減的振蕩，稱為張弛振蕩，其振蕩頻率fr（=3r/2n）一般為0.52GHz。張弛振蕩和電光延遲通信系統(tǒng)的影響（限制調(diào)制速率）：（1）當(dāng)最高調(diào)制頻率接近張弛振蕩頻率時(shí)，波形失真嚴(yán)重，會使光接收機(jī)在抽樣判決時(shí)增加誤碼率，因此實(shí)際使用的最高調(diào)制頻率應(yīng)低于張弛振蕩頻率。（2）電光延遲要產(chǎn)生碼型效應(yīng)。當(dāng)電光延遲時(shí)間td與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時(shí)間T/2為相同數(shù)量級時(shí)，會使“0”碼過后的第一個(gè)“1碼的脈沖寬度變窄，幅度減小，嚴(yán)重時(shí)可能使單個(gè)“1”碼丟失，這種現(xiàn)象稱為“碼型效應(yīng)”3、激光器為什么要采用自動溫度控制？1）溫度升高，閾值電流增加，外微分量子效率減小，輸出光脈沖幅度

21、下降。2）由于激光器結(jié)區(qū)溫度的變化使得輸出光脈沖的形狀發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”，“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”將引起調(diào)制失真4、數(shù)字光接收機(jī)的方框圖。（必考）直接強(qiáng)度調(diào)制、直接檢測方式的數(shù)字光接收機(jī)方框圖示于圖4.14，主要包括光檢測器、前置放大器、主放大器、均衡器、時(shí)鐘提取電路、取樣判決器以及自動增益控制（AGC）電路。2）主放大器和AGC決定著光接收機(jī)的動態(tài)范圍3）均衡器：目的是對放大器出來的已產(chǎn)生畸變（失真）的電信號進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出信號的波形適合于判決，以消除碼間干擾，減小誤碼率。4）再生電路：包括判決電路和時(shí)鐘提取電路，它的功能是從放大器輸出的信號與噪聲混合的波形中提取碼元時(shí)鐘，并逐個(gè)地對

22、碼元波形進(jìn)行取樣判決，以得到原發(fā)送的碼流。時(shí)鐘提取的目的是為了實(shí)現(xiàn)收發(fā)同步。5、光接收機(jī)對光檢測器的要求。光檢測器是光接收機(jī)實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，其性能特別是響應(yīng)度和噪聲直接影響光接收機(jī)的靈敏度。對光檢測器的要求如下：（1）波長響應(yīng)要和光纖低損耗窗口（0.85卩m1.31卩m和1.55卩m）兼容；（2）響應(yīng)度要高，在一定的接收光功率下，能產(chǎn)生最大的光電流；（3）噪聲要盡可能低，能接收極微弱的光信號；（4）性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長，功耗和體積小。目前，適合于光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用的光檢測器有PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD）。6、什么是靈敏度?靈敏度Pr:在保證通信質(zhì)量（限定誤碼率或信噪

23、比）的條件下，光接收機(jī)所需的最小平均接收光功率P>min，并以dBm為單位。Pr=10lg：Pm3n（w）（dBm）接收光功率P>min，并以dBm為單位。Pr=10lg：Pm3n（w）（dBm）3靈敏度表示光接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí),由定義得到能夠接收微弱光信號的能力。提咼靈敏度意味著能夠接收更微弱的光信號7、什么是誤碼和誤碼率？誤碼：把發(fā)射的“0”碼誤判為“1”碼，或把“1”碼誤判為“0”碼。誤碼率：光接收機(jī)對碼元誤判的概率稱為誤碼率（在二元制的情況下，等于誤比特率，BER）,用較長時(shí)間間隔內(nèi)，在傳輸?shù)拇a流中，誤判的碼元數(shù)和接收的總碼元數(shù)的比值來表示8、什么是動態(tài)范圍？動態(tài)范圍（

24、DR）的定義是：在限定的誤碼率條件下，光接收機(jī)所能承受的最大平均接收光功率P>max和所需最小平均接收光功率P>min的比值，用dB表示。根據(jù)定義DR=10lgP吶（dB）VP>min動態(tài)范圍是光接收機(jī)性能的另一個(gè)重要指標(biāo)，它表示光接收機(jī)接收強(qiáng)光的能力，數(shù)字光接收機(jī)的動態(tài)范圍一般應(yīng)大于15dB。'''生變化，為實(shí)現(xiàn)寬動態(tài)范圍，采用AGC是十分有必要的。AGC-般采用直流運(yùn)算放大器構(gòu)成的反饋控制電路來實(shí)現(xiàn)。對于APD光接收機(jī)，AGC控制光檢測器的偏壓和放大器的輸出；對于PIN光接收機(jī)，AGCR控制放大器的輸出。9、數(shù)字光纖通信讀線路碼型的要求。在光纖通信

25、系統(tǒng)中，從電端機(jī)輸出的是適合于電纜傳輸?shù)碾p極性碼。光源不可能發(fā)射負(fù)光脈沖，因此必須進(jìn)行碼型變換，以適合于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)囊?。?shù)字光纖通信系統(tǒng)普遍采用二進(jìn)制二電平碼，即“有光脈沖”表示“1”碼，“無光脈沖”表示“0”碼。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對線路碼型的具體要求有：(1) 能限制信號帶寬，減小功率譜中的高低頻分量。這樣就可以減小基線漂移、提高輸出功率的穩(wěn)定性和減小碼間干擾，有利于提高光接收機(jī)的靈敏度。(2) 能給光接收機(jī)提供足夠的定時(shí)信息。因而應(yīng)盡可能減少連“1”碼和連“0”碼的數(shù)目，使“1”碼和“0”碼的分布均勻，保證定時(shí)信息豐富。(3) 能提供一定的冗余碼，用于平衡碼流、誤碼監(jiān)測和公務(wù)通信

26、。但對高速光纖通信系統(tǒng)，應(yīng)適當(dāng)減少冗余碼，以免占用過大的帶寬。10、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中常用的碼型種類。擾碼、mBnE碼(特點(diǎn)可以查看94)第五章1、SDH的優(yōu)點(diǎn)。與PDH相比，SDH具有下列特點(diǎn)：(1) SDH采用世界上統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率等級。最低的等級也就是最基本的模塊稱為STM-1,傳輸速率為155.520Mb/s;4個(gè)STM1同步復(fù)接組成STM-4，傳輸速率為4X155.52Mb/s=622.080Mb/s。(2) SDH各網(wǎng)絡(luò)單元的光接口有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。因此，光接口成為開放型接口，任何網(wǎng)絡(luò)單元在光纖線路上可以互連，不同廠家的產(chǎn)品可以互通，(3) 在SDH幀結(jié)構(gòu)中，豐富的開銷比特用于網(wǎng)

27、絡(luò)的運(yùn)行、維護(hù)和管理，便于實(shí)現(xiàn)性能監(jiān)測、故障檢測和定位、故障報(bào)告等管理功能。(4) 采用數(shù)字同步復(fù)用技術(shù)，其最小的復(fù)用單位為字節(jié)，不必進(jìn)行碼速調(diào)整，簡化了復(fù)接分接的實(shí)現(xiàn)設(shè)備，由低速信號復(fù)接成高速信號，或從高速信號分出低速信號，不必逐級進(jìn)行。(5) SDH采用了DXC后，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性及對各種業(yè)務(wù)量變化的適應(yīng)能力。2、SDH傳輸網(wǎng)的主要組成設(shè)備。SDH終端復(fù)用器TM分插復(fù)用設(shè)備ADM數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC等網(wǎng)絡(luò)單元以及連接它們的(光纖)物理鏈路構(gòu)成。3、SDH的幀結(jié)構(gòu)(STM-1)。SDH幀結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字同步時(shí)分復(fù)用、保證網(wǎng)絡(luò)可靠有效運(yùn)行的關(guān)鍵。圖5.5給出SDH幀一個(gè)STMN幀有9行，

28、每行由270XN個(gè)字節(jié)組成。這樣每幀共有9X270XN個(gè)字節(jié)，每字節(jié)為8bit。幀周期為125卩s，即每秒傳輸8000幀。對于STM1而言，傳輸速率為9X270X8X8000=155.520Mb/s。字節(jié)發(fā)送順序?yàn)椋河缮贤轮鹦邪l(fā)送，每行先左后右。2SOHSTM-N載荷AU-PTR5（含POH）SOH9發(fā)送順序rIY9XN261XN270XN圖5.5SDH幀的一般結(jié)4、SDH的復(fù)用原理。將低速支路信號復(fù)接為高速信號的方法有兩種：(1) 正碼速調(diào)整法優(yōu)點(diǎn)是容許被復(fù)接的支路信號有較大的頻率誤差；缺點(diǎn)是復(fù)接與分接相當(dāng)困難。(2) 固定位置映射法是讓低速支路信號在高速信號幀中占用固定的位置。這種方法的

29、優(yōu)點(diǎn)是復(fù)接和分接容易實(shí)現(xiàn)，但由于低速信號可能是屬于PDH的或由于SDH網(wǎng)絡(luò)的故障，低速信號與高速信號的相對相位不可能對準(zhǔn)，并會隨時(shí)間而變化。SDH采用載荷指針技術(shù)，結(jié)合了上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，付出的代價(jià)是要對指針進(jìn)行處理。超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)指針技術(shù)創(chuàng)造了條件。5、三種誤碼率參數(shù)的概念。誤碼率是衡量數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量優(yōu)劣的非常重要的指標(biāo)，它反映了在數(shù)字傳輸過程中信息受到損害的程度。BER是在一個(gè)較長時(shí)間內(nèi)的傳輸碼流中出現(xiàn)誤碼的概率，它對話音影響的程度取決于編碼方法。(1) 劣化分(DM):誤碼率為1X10-6時(shí)，感覺不到干擾的影響，選為BERth。選擇取樣時(shí)間T0為1min。選擇

30、TL為1個(gè)月。定義誤碼率劣于1X10-6的分鐘數(shù)為劣化分(DM)。HRX指標(biāo)要求劣化分占可用分(可用時(shí)間減去嚴(yán)重誤碼秒累積的分鐘數(shù))的百分?jǐn)?shù)小于10%(2) 嚴(yán)重誤碼秒(SES):由于某些系統(tǒng)會出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)大誤碼率的情況，嚴(yán)重影響通話質(zhì)量，因此引入嚴(yán)重誤碼秒這個(gè)參數(shù)。選擇監(jiān)測時(shí)間TL為1個(gè)月，取樣時(shí)間T0為1s。定義誤碼率劣于1X10-3的秒鐘數(shù)為嚴(yán)重誤碼秒(SES)。HRX旨標(biāo)要求嚴(yán)重誤碼秒占可用秒的百分?jǐn)?shù)小于0.2%。(3) 誤碼秒(ES):選擇監(jiān)測時(shí)間TL為1個(gè)月，取樣時(shí)間T0為1s,誤碼率門限值BERth=0。定義凡是出現(xiàn)誤碼(即使只有1bit)的秒數(shù)稱為誤碼秒(ES)°HR

31、X旨標(biāo)要求誤碼秒占可用秒的百分?jǐn)?shù)小于8%相應(yīng)地，不出現(xiàn)任何誤碼的秒數(shù)稱為無誤碼秒(EFS),指標(biāo)要求無誤碼秒占可用秒的百分?jǐn)?shù)大于92%6、可靠性及其表示方法。對光纖通信系統(tǒng)而言，可靠性包括光端機(jī)、中繼器、光纜線路、輔助設(shè)備和備用系統(tǒng)的可靠性。確定可靠性一般采用故障統(tǒng)計(jì)分析法，即根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查結(jié)果，統(tǒng)計(jì)足夠長時(shí)間內(nèi)的故障次數(shù)，確定每兩次故障的時(shí)間間隔和每次故障的修復(fù)時(shí)間?？煽啃裕菏侵冈谝?guī)定的條件和時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)無故障工作的概率，它反映系統(tǒng)完成規(guī)定功能的能力。1. 可靠性表示方法可靠性R和故障率$。故障率0：是系統(tǒng)工作到時(shí)間t，在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障(功能失效)的概率。$的單位為10-9/h,稱為菲特

32、(fit),1fit等于在109h內(nèi)發(fā)生一次故障的概率。(1) 故障率$和平均故障間隔時(shí)間MTBF(2) 可用率A和失效率PF?？捎寐蔄是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)處于良好工作狀態(tài)的概率(課件)7、損耗對中繼距離限制的計(jì)算。如果系統(tǒng)傳輸速率較低，光纖損耗系數(shù)較大，中繼距離主要受光纖線路損耗的限制。在這種情況下，要求S和R兩點(diǎn)之間光纖線路總損耗必須不超過系統(tǒng)的總功率衰減，即L(af+aS+am)<Pt-Pr-2aC-Me或者LV_PtPr2ac-Meaf+as+am式中，Pt為平均發(fā)射光功率(dBm),Pr為接收靈敏度(dBm),ae為連接器損耗(dB),Me為系統(tǒng)余量(dB),af為光纖損耗系數(shù)

33、(dB/km),as為每km光纖平均接頭損耗(dB/km),am為每km光纖線路損耗余量(dB/km),L為中繼距離(km)。8、色散對中繼距離限制的計(jì)算。如果系統(tǒng)的傳輸速率較高，光纖線路色散較大，中繼距離主要受色散(帶寬)的限制。為使光接收機(jī)靈敏度不受損傷，保證系統(tǒng)正常工作，必須對光纖線路總色散(總帶寬)進(jìn)行規(guī)范。我們要討論的問題是，對于一個(gè)傳輸速率已知的數(shù)字光纖線路系統(tǒng)，允許的線路總色散是多少，并據(jù)此計(jì)算中繼距離。對于數(shù)字光纖線路系統(tǒng)而言，色散增大，意味著數(shù)字脈沖展寬增加，因而在接收端要發(fā)生碼間干擾，使接收靈敏度降低，或誤碼率增大。對于實(shí)際的單模光纖通信系統(tǒng)，受色散限制的中繼距離L可以表示

34、為L=一106一fb|c°F扎式中，F(xiàn)b是線路碼速率(Mb/s)，與系統(tǒng)比特速率不同，它要隨線路碼型的不同而有所變化。G是光纖的色散系數(shù)(ps/(nmkm)，它取決于工作波長附近的光纖色散特性。入為光源譜線寬度(nm),對多縱模激光器(MLMLD),為rms寬度，對單縱模激光器(SLMLD),為峰值下降20dB的寬度。&是與功率代價(jià)和光源特性有關(guān)的參數(shù)，對于MLMLD,£=0.115,對于SLMLD£=0.306。例子：以140Mb/s單模光纖通信系統(tǒng)為例計(jì)算中繼距離。設(shè)系統(tǒng)平均發(fā)射功率Pt=-3dBm,接收靈敏度Pr=-42dBm，設(shè)備余量Me=3dB,

35、連接器損耗ac=0.3dB/對，光纖損耗系數(shù)af=0.35dB/km,光纖余量am=0.1dB/km，每km光纖平均接頭損耗as=0.03dB/km。把這些數(shù)據(jù)代入式(5.8),得到中繼距離:74(km)_3_(_42)3_2匯0.3L二0.35+0.03+0.1ps/(nmkm),又設(shè)線路碼型為5B6B,線路碼速率Fb=140X(6/5)=168Mb/s,|C0|=3.0入=2.5nm。把這些數(shù)據(jù)代入式(5.16)，得到中繼距離0.115106168:97(km)在工程設(shè)計(jì)中，中繼距離應(yīng)取74km。在本例中中繼距離主要受損耗限制。但是，如果假設(shè)|C0|=3.5ps/(nmkm),入=3nm,

36、而上述其他參數(shù)不變，根據(jù)式(5.16)計(jì)算得到的中繼距離L-65km,則此時(shí)中繼距離主要受色散限制，中繼距離應(yīng)確定為65kmo注：對于波長為0.85卩m的多模光纖，由于損耗大，中繼距離一般在20km以內(nèi)。單模光纖在長波長工作，損耗大幅度降低，中繼距離可達(dá)100200km。在1.31卩m零色散波長附近，當(dāng)速率超過1Gb/s時(shí)，中繼距離才受色散限制。在1.55卩m波長上，由于色散大，通常要用單縱模激光器，理想系統(tǒng)速率可達(dá)5Gb/s,但實(shí)際系統(tǒng)由于光源調(diào)制產(chǎn)生頻率啁啾，導(dǎo)致譜線展寬，速率一般限制為2Gb/s。采用色散移位光纖和外調(diào)制技術(shù)，可以使速率達(dá)到20Gb/s以上。第七章1、光放大器的種類(1)

37、 半導(dǎo)體光放大器(SOA半導(dǎo)體光放大器的優(yōu)點(diǎn)是小型化，容易與其他半導(dǎo)體器件集成;缺點(diǎn)是性能與光偏振方向有關(guān)，器件與光纖的耦合損耗大。(2) 光纖放大器摻鉺光纖放大器(EDFA分布光纖拉曼放大器(DRA非線性光纖放大器2、摻鉺光纖放大器的工作原理如圖，在摻鉺光纖(EDF)中，鉺離子(Er3+)有三個(gè)能級：其中能級1代表基態(tài)，能量最低；能級2是亞穩(wěn)態(tài)，處于中間能級；能級3代表激發(fā)態(tài)，能量最高。1)當(dāng)泵浦(Pump,抽運(yùn))光的光子能量等于能級3和能級1的能量差時(shí)，鉺離子吸收泵浦光從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)(1t3)。(2) 但是激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，Er3+很快返回到能級2(無輻射躍遷)。(3) 如果輸入的信號

38、光的光子能量等于能級2和能級1的能量差，則處于能級2的Er3+將躍遷到基態(tài)(2t1)，產(chǎn)生受激輻射光，因而信號光得到放大。|_unZZZZZZZB0.80330.9821.53ITpun|_uri4I|32_一-臂丑2號注：從摻鉺光纖放大器的工作原理可以看出，光放大是由于泵浦光的能量轉(zhuǎn)換為信號光的結(jié)果。為提高放大器增益，應(yīng)提高對泵浦光的吸收，使基態(tài)Er3+盡可能躍遷到激發(fā)態(tài)，3、摻鉺光纖放大器的構(gòu)成方框圖（必考）輸入信號輸入信號泵浦梅鋌光纖光隔寓器波分復(fù)用器輸出信號光隔寓器（1）光隔離器：防止反射光影響光放大器的工作穩(wěn)定性。（2）光耦合器（波分復(fù)用器）：把信號光和泵浦光混合起來。（3）摻珥光纖

39、：長約10100mEr3+濃度約為25mg/kg。（4）泵浦光源：形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。光功率為10100mV，工作波長為0.98卩m。4、什么是WDM光波分復(fù)用（WDMWavelengthDivisionMultiplexing）技術(shù)是在一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長光信號的一項(xiàng)技術(shù)。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來（復(fù)用），并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號分開（解復(fù)用）,并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號后送入不同的終端，因此將此項(xiàng)技術(shù)稱為光波長分割復(fù)用，簡稱光波分復(fù)用技術(shù)。注：目前，“摻鉺光纖放大器（EDFA）+密集波分復(fù)用（WDM）+非零色散光纖

40、（NZDSF,即G.655光纖）+光子集成（PIC）”正成為國際上長途高速光纖通信線路的主要技術(shù)方向。5、光交換技術(shù)的方式光交換主要有三種方式:（1）空分光交換（2）時(shí)分光交換（3）波分光交換1、空分光交換的功能是使光信號的傳輸通路在空間上發(fā)生改變?？辗止饨粨Q的核心器件是光開關(guān)。2、時(shí)分光交換是以時(shí)分復(fù)用為基礎(chǔ)，用時(shí)隙互換原理實(shí)現(xiàn)交換功能的。時(shí)分復(fù)用是把時(shí)間劃分成幀，每幀劃分成N個(gè)時(shí)隙，并分配給N路信號，再把N路信號復(fù)接到一條光纖上。3、波分光交換（或交叉連接）是以波分復(fù)用原理為基礎(chǔ)，采用波長選擇或波長變換的方法實(shí)現(xiàn)交換功能的。6、什么是光孤子？光孤子（Soliton）:經(jīng)光纖長距離傳輸后，其幅度和寬度都不變的超短光脈沖（ps數(shù)量級）。光孤子的形成是光纖的群速度色散和非線性效應(yīng)相互平衡的結(jié)果。利用光孤子作為載體的通信