碩光通信導(dǎo)論-第1章信號(hào)與光信號(hào)課件

光通信導(dǎo)論光通信導(dǎo)論任課教師：劉嵐嵐教材：《光通信導(dǎo)論》吳重慶編著清華大學(xué)出版社參考教材：1.《光纖通信系統(tǒng)》顧婉儀,李國(guó)瑞北京郵電大學(xué)出版社2.《光纖通信導(dǎo)論》邱昆電子科技大學(xué)出版社E-mail:

電話：51688200課程特點(diǎn)光纖通信的概念光通信的概念

光通信是利用光波來(lái)傳送信息的。通信技術(shù)電通信光通信根據(jù)使用的電磁波頻率范圍分類：有線通信無(wú)線通信光纖通信是以光作為信息載體，以光纖作為傳輸介質(zhì)的光信息傳輸技術(shù)。LASER以技術(shù)為先導(dǎo)，主要研究外特性通信是通過(guò)某種媒體進(jìn)行的信息傳遞。一、光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀

1.探索時(shí)期的光通信

?在這個(gè)時(shí)期，美國(guó)麻省理工學(xué)院利用He-Ne激光器和CO2激光器進(jìn)行了大氣激光通信試驗(yàn)。由于沒(méi)有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)，對(duì)光通信的研究曾一度走入了低潮。?1960年，美國(guó)人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器，給光通信帶來(lái)了新的希望。激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。?1880年，美國(guó)人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。?原始形式的光通信:中國(guó)古代用“烽火臺(tái)”報(bào)警，歐洲人用旗語(yǔ)傳送信息。

2現(xiàn)代光纖通信

指明通過(guò)“原材料的提純制造出適合于長(zhǎng)距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向1966年，英籍華裔學(xué)者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖(OpticalFiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。光纖通信發(fā)明家高錕(左)

1998年在英國(guó)接受IEE授予的獎(jiǎng)?wù)?970年，光纖研制取得了重大突破

?1970年，美國(guó)康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。把光纖通信的研究開(kāi)發(fā)推向一個(gè)新階段。

?1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/km。

?1973年，美國(guó)貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。

?1976年，日本電報(bào)電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長(zhǎng)1.2μm)。

?在以后的10年中，波長(zhǎng)為1.55μm的光纖損耗：1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限。

1970年，光纖通信用光源取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展

?1970年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)先后，研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長(zhǎng))。雖然壽命只有幾個(gè)小時(shí)，但它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

?1973年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到7000小時(shí)。

?1976年，日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.3μm的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。

?1977年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)。

?1979年美國(guó)電報(bào)電話(AT&T)公司和日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.55μm的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使1970年成為光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑

實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展

?1976年，美國(guó)在亞特蘭大(Atlanta)進(jìn)行了世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

?1980年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化FT-3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用。?1976年和1978年，日本先后進(jìn)行了速率為34Mb/s的突變型多模光纖通信系統(tǒng)，以及速率為100Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗(yàn)。

?1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長(zhǎng)途干線。

?隨后，由美、日、英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋TAT-8海底光纜通信系統(tǒng)于1988年建成。

?第一條橫跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光纜通信系統(tǒng)于1989年建成。從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設(shè)得到了全面展開(kāi)，促進(jìn)了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。

3國(guó)內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀

1976年美國(guó)在亞特蘭大進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，標(biāo)志著光纖通信從基礎(chǔ)研究發(fā)展到了商業(yè)應(yīng)用的新階段。此后，光纖通信技術(shù)不斷創(chuàng)新：光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長(zhǎng)從0.85μm發(fā)展到1.31μm和1.55μm(短波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)），傳輸速率從幾十Mb/s發(fā)展到幾十Gb/s。隨著技術(shù)的進(jìn)步和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)的形成，光纖價(jià)格不斷下降，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。目前光纖已成為信息寬帶傳輸?shù)闹饕劫|(zhì)，光纖通信系統(tǒng)將成為未來(lái)國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施的支柱。在許多發(fā)達(dá)國(guó)家，生產(chǎn)光纖通信產(chǎn)品的行業(yè)已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占重要地位。中國(guó)最早從事光纖通信

研究機(jī)構(gòu)中科院福州物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所1972年開(kāi)始—1975年下馬武漢郵電科學(xué)研究院1973年開(kāi)始我國(guó)廠商分布結(jié)構(gòu)

我國(guó)的光纖生產(chǎn)企業(yè)主要以合資為主，包括武漢長(zhǎng)飛、上海朗訊、西古、武漢郵科院（烽火通信）、武漢NEC、南京華新藤倉(cāng)、深圳特發(fā)、成都中住、杭州富通、江蘇法爾勝等，光纖年生產(chǎn)能力約為700萬(wàn)公里。我國(guó)的光纜生產(chǎn)起步較早，生產(chǎn)技術(shù)較為成熟。目前我國(guó)光纜廠家已超過(guò)150家，年生產(chǎn)能力超過(guò)50萬(wàn)公里，供給規(guī)模約為35萬(wàn)公里。中國(guó)光纜產(chǎn)業(yè)正在逐步走向成熟，并已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。圖1部分電磁波頻譜圖2各種傳輸線路的損耗特性光纖作為傳輸介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)拐彎：全反射一八七○年英國(guó)物理學(xué)家丁達(dá)爾2.光纖通信的優(yōu)點(diǎn)

?容許頻帶很寬，傳輸容量很大

?損耗很小，中繼距離很長(zhǎng)且誤碼率很小

?重量輕、體積小

?抗電磁干擾性能好

?泄漏小，保密性能好

?節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用

3.光纖通信的應(yīng)用光纖可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)。光纖在通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)，以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，都得到了廣泛應(yīng)用。光纖寬帶干線傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)發(fā)展迅速，是當(dāng)前研究開(kāi)發(fā)應(yīng)用的主要目標(biāo)。光纖通信的各種應(yīng)用可概括如下：①通信網(wǎng)②構(gòu)成因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)③有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)④綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)

ATMInternet骨干網(wǎng)DDN/FRPSTN/ISDNTV業(yè)務(wù)分配節(jié)點(diǎn)(COT)業(yè)務(wù)接入節(jié)點(diǎn)（RT）網(wǎng)管SNMP與電信網(wǎng)管中心相連Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622MSDH典型應(yīng)用之一：寬帶綜合業(yè)務(wù)光纖接入系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)光纖通信器件的發(fā)展過(guò)程雛形：古代烽火、手旗、燈光1880年貝爾的光電話激光器(發(fā)送源）光纖(傳輸介質(zhì))1960Maiman發(fā)明紅寶石激光器1962半導(dǎo)體激光器誕生(GaAs870nm)70年代室溫工作LD(GaAsAI850nm)1300、1550nm多模LD單模LD1951醫(yī)用玻璃纖維(損耗1000dB/km)1966高錕理論預(yù)言1970康寧制出低損耗光纖(20dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低損耗窗口光纖開(kāi)發(fā)單模光纖光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展歷程光纖通信追求目標(biāo):大容量、長(zhǎng)距離技術(shù)發(fā)展：短波長(zhǎng)-長(zhǎng)波長(zhǎng)、多模光纖-單模光纖、多模激光器-單模激光器通信系統(tǒng)容量：比特率-距離積BL，B比特率，

L中繼距離每秒鐘傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)目。光纖通信技術(shù)的發(fā)展大體上可分為:（續(xù)）工作波長(zhǎng)光纖激光器比特率B中繼距離L第四代90年代1550nm單模單模2.5Gb/s10Gb/s21000Km（環(huán)路）1500Km光放大系統(tǒng)第五代1550nm單模單模波分復(fù)用WDM單路速率:40,160,640Gb/s信道數(shù):8,16,64,128,1022超長(zhǎng)傳輸距離:27000Km(Loop)6380(Line)目前研究?jī)?nèi)容WDM光網(wǎng)絡(luò)；全光分組交換；光時(shí)分復(fù)用；光孤子通信；新型的光器件目錄第一章

信號(hào)與光信號(hào)第二章

傳輸光路第三章

光發(fā)射機(jī)第四章

光接收機(jī)第五章

異步光纖通信系統(tǒng)第六章

光放大第一章

信號(hào)與光信號(hào)第一節(jié)

信號(hào)的概念第二節(jié)

數(shù)字信號(hào)第三節(jié)光學(xué)信號(hào)第四節(jié)噪聲信息的概念信息是事物的特征、狀態(tài)和與其他事物的關(guān)聯(lián)信息是能夠用來(lái)消除不確定性的東西。它是信息獲得者從“不知”到“知”的過(guò)程中，對(duì)事物從不確定到確定的一個(gè)度量。AB第一節(jié)信號(hào)的概念

什么是信號(hào)？1．信號(hào)的物理性2．信號(hào)的信息性載有信息的客觀物理量(1)確定信號(hào)和隨機(jī)信號(hào):只有隨機(jī)信號(hào)才是真正的信號(hào)(2)時(shí)間性實(shí)時(shí)信號(hào)時(shí)間相關(guān)實(shí)時(shí)信號(hào)時(shí)間不相關(guān)非實(shí)時(shí)信號(hào)時(shí)間相關(guān)非實(shí)時(shí)信號(hào)時(shí)間不相關(guān)

1．信號(hào)的物理性連續(xù)信號(hào)周期性的和非周期性的離散信號(hào)周期性的和非周期性的時(shí)間域頻譜空間域頻譜 不用級(jí)數(shù)表達(dá)式線狀譜

連續(xù)譜(3)

信號(hào)的頻譜(3)信號(hào)的頻譜只有離散譜中的沖激函數(shù)，才能在頻譜儀上觀測(cè)到。(3)信號(hào)的頻譜例如，一個(gè)連續(xù)的周期信號(hào)

正弦信號(hào)的頻譜ω-ω0ω0圖1.2-1周期信號(hào)的線狀譜周期性的連續(xù)信號(hào)非周期性的連續(xù)信號(hào)周期性的離散信號(hào)非周期性的離散信號(hào)信號(hào)頻譜非周期的線狀離散譜非周期的連續(xù)譜周期性的線狀離散譜周期性的連續(xù)譜周期離散非周期連續(xù)連續(xù)非周期離散周期周期性的離散信號(hào)周期性的線狀離散譜周期性的離散信號(hào)的譜仍是周期性離散的，構(gòu)成了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的基礎(chǔ)。隨機(jī)信號(hào)的頻譜

不能直接利用傅立葉變換得到；但一個(gè)現(xiàn)實(shí)有對(duì)應(yīng)的頻域數(shù)；考察一個(gè)時(shí)間段內(nèi)一個(gè)現(xiàn)實(shí)的平均功率

功率譜密度函數(shù)

如果這個(gè)現(xiàn)實(shí)是各態(tài)遍歷的，那么這個(gè)現(xiàn)實(shí)的平均功率，也就是整個(gè)隨機(jī)過(guò)程各個(gè)現(xiàn)實(shí)的平均功率的數(shù)學(xué)期望隨機(jī)過(guò)程各個(gè)現(xiàn)實(shí)的平均功率的數(shù)學(xué)期望）等于它的功率譜密度函數(shù)的積分。2．信號(hào)的信息性(1)數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)原始信息的狀態(tài)集合是離散集合模擬信號(hào)原始信息的狀態(tài)集合是連續(xù)集合連續(xù)的模擬信號(hào)離散的模擬信號(hào)連續(xù)的數(shù)字信號(hào)離散的數(shù)字信號(hào)話音信號(hào)由CCD攝像機(jī)采集未經(jīng)編碼的信號(hào)FSK信號(hào)通常的數(shù)字信號(hào)序列(2)信息的時(shí)間特性流量:信息流在單位時(shí)間的信息量信息流：平穩(wěn)性和突發(fā)性實(shí)時(shí)，非實(shí)時(shí)，時(shí)間相關(guān)，時(shí)間無(wú)關(guān)第二節(jié)數(shù)字信號(hào)1.2.1

一般概念

1.2.2

碼元函數(shù)

1.2.3

數(shù)字信號(hào)的頻譜1.2.4

眼圖1.2.5同步1.2.6幀定位方法1.2.7包1.2.1一般概念當(dāng)采用二進(jìn)制數(shù)字時(shí)，數(shù)字信息就是一個(gè)隨機(jī)的二進(jìn)制數(shù)字序列隨機(jī)變量只能取數(shù)字0和1；一個(gè)有序的序列。定義某個(gè)數(shù)字位為起始位，這個(gè)序列是可數(shù)的數(shù)字信號(hào)是載有數(shù)字信息的信號(hào)

數(shù)字信號(hào)是一個(gè)隨機(jī)的二進(jìn)制數(shù)字信息序列承載在一個(gè)物理量（比如波形）上。

——數(shù)字信號(hào)的基本表達(dá)式1.2.2碼元函數(shù)-數(shù)字信號(hào)的物理特征碼元函數(shù)f(t)：一個(gè)只在-T/2<t<T/2內(nèi)有定義的、光功率（或者光強(qiáng)）隨時(shí)間變化的函數(shù)f(t)a-τ-τ/2τ/2τtτf1f0占空比

τ/T消光比

非歸零NRZ碼，歸零RZ碼，高斯脈沖，雙曲正割函數(shù)（光學(xué)孤子）在光通信中，通常為20dB以上-τ/2τ/2τ-τ/2τ/2τ-τ/2τ/2τ-τ/2τ/2τTTT可以看做是一系列相同波形的、周期性但隨機(jī)出現(xiàn)的碼元所構(gòu)成的碼流。相同波形的周期性隨機(jī)碼流1.2.3數(shù)字信號(hào)的頻譜

1.2.3數(shù)字信號(hào)的頻譜-離散譜

二進(jìn)制碼

1.2.3數(shù)字信號(hào)的頻譜-離散譜

占空比為100%的脈沖信號(hào)在周期信號(hào)頻率點(diǎn)無(wú)頻譜分量。S=0占空比為50%的脈沖信號(hào)在周期信號(hào)頻率點(diǎn)的分量最大。S=(2/π)K占空比小于50%時(shí)，其頻譜中有含脈沖信號(hào)周期信號(hào)頻率點(diǎn)在內(nèi)的多種線譜

1.2.4眼圖

可以利用眼圖的張開(kāi)程度，來(lái)觀察波形失真的情況1.2.5同步全網(wǎng)的同步的概念：全網(wǎng)的時(shí)鐘頻率相同（時(shí)鐘同步）；全網(wǎng)的時(shí)刻一致（幀同步）同步方式和異步方式

同步方式：時(shí)鐘同步，幀同步異步方式：時(shí)鐘同步，幀可以不同步1.2.6

幀定位方法起始位標(biāo)識(shí)2.信號(hào)（物理）方法1.信息方法定義一個(gè)特定的字符串（起始字段）作為起始定位標(biāo)識(shí)，而后的其他字符組合成的字符串（凈負(fù)荷）不允許與之相同。HDLC:01111110SDH:A1A1A1A2A2A2在發(fā)送數(shù)據(jù)流的同時(shí)，另發(fā)送一個(gè)幀定位信號(hào)。1.2.7包

檢錯(cuò)、重傳，不丟失信息可靠性與實(shí)時(shí)性找到折衷或平衡包的大小對(duì)傳輸質(zhì)量、效率有很大影響固定時(shí)隙信元

HDLC以太網(wǎng)幀IP包10610-610510-6肯定有錯(cuò)要多次傳才有錯(cuò)包，也稱為分組，幀。包是一串連續(xù)有限的比特碼流。1.3光信號(hào)的基本特征1)波動(dòng)性頻率（真空中的波長(zhǎng)）幅度相位偏振態(tài)2)量子性光子能量（頻率）光子數(shù)Ｎ

光子動(dòng)量（波數(shù)k）光子偏振態(tài)光纖通信系統(tǒng)的新波段145014901530157016101650S+SCLL+

波長(zhǎng)(nm)范崇澄FS-08波段波長(zhǎng)范圍(nm)帶寬(THz)光放大器應(yīng)用C1530-15705.0有長(zhǎng)途干線C+L1530-16109.7有長(zhǎng)途干線S+C+L1490-161015.0無(wú)城/局域網(wǎng)S++S+C+L+L+1450-165025.1無(wú)城/局域網(wǎng)全波1300-165048.9無(wú)城/局域網(wǎng)

2.5Gb/s10Gb/s40Gb/s10Gb/s40Gb/s20Gb/s80Gb/s80Gb/s320Gb/s3216841WDM波長(zhǎng)數(shù)每波長(zhǎng)比特率(TDM)40Gb/s

網(wǎng)絡(luò)容量演進(jìn)戰(zhàn)略1.3.1偏振問(wèn)題（1）偏振態(tài)（2）偏振度（1）偏振態(tài)--復(fù)矢量實(shí)矢量復(fù)矢量波動(dòng)的觀點(diǎn)，代表一種偏振態(tài)（1）偏振態(tài)---斯托克斯矢量偏振態(tài)是對(duì)單一頻率分量而言的；是一個(gè)頻域量可以用斯托克斯矢量描述，這時(shí)永遠(yuǎn)有邦加球注意：斯托克斯矢量是一個(gè)虛構(gòu)的矢量，是偏振態(tài)的一種形象描述。運(yùn)算規(guī)則和常規(guī)矢量的運(yùn)算規(guī)則不相同。偏振態(tài)的分解與疊加，并不對(duì)應(yīng)于斯托克斯矢量按照平行四邊形法則分解與合成；兩個(gè)偏振態(tài)的正交并不對(duì)應(yīng)于斯托克斯矢量的垂直；兩個(gè)正交偏振態(tài)的斯托克斯矢量將處于同一條直徑上；（2）偏振度—頻域是對(duì)多頻率分量而言的；偏振度理解為不同頻率分量偏振態(tài)一致性的度量

如何表示的一致性？用分布函數(shù)的矩（方差）、用變化率？?jī)蓚€(gè)頻率分量的情形

如果二者一致如果二者不一致連續(xù)光譜的情形（2）偏振度—時(shí)域偏振度不同頻率分量偏振一致性的度量時(shí)域相干矩陣（2）偏振度—時(shí)域時(shí)域相干矩陣偏振度的定義1.3.2相干性相干長(zhǎng)度:在這段長(zhǎng)度內(nèi)，光有穩(wěn)定的相位關(guān)系相干時(shí)間光源的穩(wěn)定發(fā)光時(shí)間有關(guān)，也就是與光源的頻帶寬度有關(guān)FP-LD激光器，6ns，1.2mDFB激光器20m外腔激光器200m第四節(jié)噪聲噪聲是通信系統(tǒng)的主要敵人1.4.1干擾

1.4.2狹義噪聲

1.4.3噪聲的表示

1.4.1干擾引線干擾空間干擾工頻干擾廣播干擾雷電干擾內(nèi)部各部分間的干擾通信設(shè)備電源輸入輸出空間干擾(雷電廣播電氣化鐵路臨近設(shè)備)干擾有時(shí)也稱為串?dāng)_。干擾指的是有一定規(guī)律的不含信息的信號(hào)，或它雖然含有信息但不是通信系統(tǒng)所要傳送的信息。是確定信號(hào)1.4.2狹義噪聲加性噪聲無(wú)論通信系統(tǒng)中的有用信號(hào)是否存在，它都存在，二者是疊加關(guān)系熱噪聲、晶體三極管有源器件散彈噪聲光電器件的量子噪聲白噪聲高斯白噪聲三角噪聲

乘性噪聲只有信號(hào)存在時(shí)噪聲才存在非線性失真噪聲量化噪聲狹義噪聲是一種完全無(wú)規(guī)則的“信號(hào)”，它不含任何信息，一般來(lái)自于系統(tǒng)內(nèi)部熱噪聲、晶體三極管有源器件散彈噪聲光電器件的量子噪聲噪聲的頻譜f0N0fN0加性噪聲無(wú)論通信系統(tǒng)中的有用信號(hào)是否存在，它都存在，二者是疊加關(guān)系白噪聲:頻譜很寬的噪聲。在所考慮的頻段內(nèi)，噪聲功率近似均勻分布。高斯白噪聲：對(duì)于每一個(gè)頻率分量的噪聲，其功率分布，近似為高斯布。三角噪聲：在所考慮的頻段內(nèi)，近似為三角形分布。低頻大，高頻小。NN0p加性噪聲由電子的非定向運(yùn)動(dòng)疊加在定向運(yùn)動(dòng)上的一種起伏或波動(dòng)，它在頻率上均勻分布，其功率譜密度為4kTRk為波爾茲曼系數(shù)T為溫度R為電阻（直流平均電阻）在給定帶寬內(nèi)的總噪聲：V2=4kTRB,B為帶寬在外電路最佳匹配的條件下，輸出的噪聲功率為