光通信原理-总复习.pdf
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第一章信息与信号第二章光通信的一般概念第三章第三章传输光路传输光路第四章第四章光发射机光发射机第五章第五章光接收光接收机机与基本光纤数字通信系统与基本光纤数字通信系统第六章基于电复用的光纤通信系统第七章第七章光放大光放大第八章光路复用技术目目录录第一章第一章信息与信号信息与信号第一节第一节信息的基本知识信息的基本知识11信息的概念信息的概念22信息的度量信息的度量33信息源信息源4.4.信息系统与信道信息系统与信道第二节第二节信号的概念信号的概念第三节第三节数字信号和模拟信号数字信号和模拟信号第四节第四节噪声噪声第一节第一节信息的基本知识信息的基本知识1信息的概念信息的概念
(1)什么是信息什么是信息?
(2)信息的基本特征信息的基本特征2信息的度量信息的度量
(1)信息量信息量
(2)信息量的单位信息量的单位3信源信源
(1)信源的信息量信源的信息量
(2)信源编码)信源编码第二节第二节信号的概念信号的概念-什么是信号?
什么是信号?
1信号的物理性信号的物理性2信号的信息性信号的信息性第三节第三节数字信号数字信号和模拟信号和模拟信号1一般概念一般概念2同步同步3包包第四节第四节噪声噪声1.干扰干扰2.狭义噪声狭义噪声第二章第二章光通信的一般概念光通信的一般概念第一节第一节通信的一般概念通信的一般概念2.1.1通信的一般概念通信的一般概念2.1.2通信系统的基本组成通信系统的基本组成2.1.3通信的基本问题通信的基本问题第二节第二节光纤通信的特点光纤通信的特点2.2.1光通信与光纤通信光通信与光纤通信2.2.2光信号的基本特征光信号的基本特征2.2.3光纤信道的基本特性光纤信道的基本特性第三节第三节光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成第一节第一节通信的一般概念通信的一般概念1通信的一般概念通信的一般概念什么是通信什么是通信?
通信要素通信要素2通信系统的基本组成通信系统的基本组成通信系统的基本组成模型通信系统的基本组成模型3.通信的基本要求通信的基本要求
(1)通信的实时性)通信的实时性
(2)通信的可靠性)通信的可靠性(3)通信质量)通信质量1通信的一般概念通信的一般概念什么是通信什么是通信?
“通信是信息的发出着按照双方事先一致同意的协定以某种方式经通信是信息的发出着按照双方事先一致同意的协定以某种方式经过某种途径将信息传递给接收者的全过程过某种途径将信息传递给接收者的全过程”1)通信必须有信息的发出者,信源通信必须有信息的发出者,信源发出的是自身的信息,也可能是从别的信源获得的信息,可能是发出的是自身的信息,也可能是从别的信源获得的信息,可能是人或机器人或机器信息的发出者和通信的发起者不是同一含义,通信也可能由接收信息的发出者和通信的发起者不是同一含义,通信也可能由接收者发起者发起2)通信必须有信息的接受者,信宿通信必须有信息的接受者,信宿通信的接受者可以是明确的,也可以不明确。
可以是人或机器通信的接受者可以是明确的,也可以不明确。
可以是人或机器3)通信方式通信方式信息的承载方式信息的承载方式数字通信,模拟通信,编码方式数字通信,模拟通信,编码方式2通信系统的基本组成通信系统的基本组成信源信源变换器变换器信道信道反变反变换器换器信宿信宿噪声噪声通信系统通信系统2通信系统的基本组成通信系统的基本组成信源信源通信终端通信终端信道信道通信终端通信终端信宿信宿噪声噪声通信系统通信系统第二节第二节光纤通信的特点光纤通信的特点2.2.1光通信与光纤通信光通信与光纤通信2.2.2光信号的基本特征光信号的基本特征2.2.3光纤信道的基本特性光纤信道的基本特性2.2.2光信号的基本特征光信号的基本特征1)波动性波动性:
频率频率(波长波长)、幅度幅度、相位相位、偏振方向偏振方向2)量子性量子性,光子能量光子能量(频率频率)、光子数光子数1.频率极高频率极高,可承载信息量极大可承载信息量极大7.5亿条话路亿条话路2.相位与偏振方向相位与偏振方向不能直接检测出来不能直接检测出来调幅调幅调频调频调相调相调偏调偏3.强度调制的光信号强度调制的光信号非负的非负的双极性码双极性码HDB3RS-232-C4.偏振度偏振度偏振稳定性的度量偏振稳定性的度量5.相干性相干性相干时间相干时间相干长度相干长度相干性相干性相干时间相干时间相干长度相干长度相干长度相干长度:
在这段长度内,光有稳定的相位关系在这段长度内,光有稳定的相位关系相干时间相干时间光源的稳定发光时间有关,也就是与光源的光源的稳定发光时间有关,也就是与光源的频带宽度有关频带宽度有关FP-LD激光器激光器6ns,1.2mDFB激光器激光器20m外腔激光器外腔激光器200mtvLgft1MHz150fMHz10fs1.0MHz1f2.2.3光纤信道的基本特征光纤信道的基本特征1.光信道(传输光路)光信道(传输光路)光纤,光有源器件和光无源器件,光纤,光有源器件和光无源器件,光纤放大器、光连接器、光耦合器、光纤光栅、波分光纤放大器、光连接器、光耦合器、光纤光栅、波分复用器、偏振控制器复用器、偏振控制器.2.带宽带宽1.2到到1.6um20亿个话路亿个话路3.几乎没有噪声几乎没有噪声光源光源探测器,量子噪声探测器,量子噪声光纤放大器光纤放大器自发辐射噪声自发辐射噪声ASE串音串音反射反射4.相位敏感和偏振不稳定相位敏感和偏振不稳定电电/光光光光/电电前端前端前端前端主机主机电信号输入电信号输入主机主机电信号输出电信号输出传输光路传输光路光卡光卡光卡光卡光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成第三章传输光路第三章传输光路第一节第一节光纤和光缆光纤和光缆3.1.13.1.1光纤的一般理论光纤的一般理论3.1.2.3.1.2.通信用光纤通信用光纤的结构和制造的结构和制造3.1.3.3.1.3.光缆的结构和制造光缆的结构和制造3.1.4.3.1.4.光纤中光信号的传输特性光纤中光信号的传输特性第二节无源光器件第二节无源光器件3.2.1.3.2.1.光纤连接器光纤连接器3.2.2.3.2.2.光纤耦合器光纤耦合器3.2.3.3.2.3.其他器件其他器件波分复用波分复用/解复用器解复用器第一节第一节光纤和光缆光纤和光缆3.1.1光纤的一般理论光纤的一般理论1.射线理论射线理论2.波动理论波动理论模式理论模式理论模耦合理论模耦合理论3.量子理论量子理论3.1.2通信用光纤的结构通信用光纤的结构和制造和制造3.1.3光缆的结构和制造光缆的结构和制造3.1.4光纤中光信号的传输特性光纤中光信号的传输特性1.光纤损耗光纤损耗2.时延与色散时延与色散3.非线性效应非线性效应3.1.43.1.4光纤的传输特性光纤的传输特性1.光纤损耗光纤损耗2.2.时延与色散时延与色散3.3.非线性效应非线性效应光纤损耗谱光纤损耗谱3.1.43.1.4光纤的传输特性光纤的传输特性-色散色散
(1)
(1)色散的概念色散的概念
(2)
(2)色散的影响色散的影响(3)(3)色散的分类色散的分类总色散总色散(4)(4)色散对通信系统的影响色散对通信系统的影响3.1.43.1.4光纤的传输特性光纤的传输特性-非线性效应非线性效应1.弹性非线性弹性非线性:
自相位调制自相位调制,交叉相位调制交叉相位调制,四波混频四波混频2.非弹性非弹性:
布里渊散射布里渊散射拉曼效应拉曼效应第二节第二节无源光器件无源光器件指不需要外界输入能量即可工作的光路部件指不需要外界输入能量即可工作的光路部件光纤连接器光纤连接器、光纤耦合器光纤耦合器、光环形器光环形器、光滤波器光滤波器、波分复用波分复用/解复用器解复用器光衰减器光衰减器、光隔离器光隔离器、偏振控制器偏振控制器、起偏器起偏器准直器准直器第四章第四章光发射机光发射机概述概述第一节第一节光发射机使用的光源光发射机使用的光源第二节第二节光的调制光的调制第三节第三节直接调制光发射机直接调制光发射机第四节第四节外调制外调制第五节第五节线路编码线路编码概述概述电信号转化为光信号的这部分电路被称为光发射机。
电信号转化为光信号的这部分电路被称为光发射机。
线路线路编码编码驱动驱动电路电路LD或或LED控制电路控制电路电信号输入电信号输入光信号光信号第一节第一节光发射机使用的光源光发射机使用的光源1.光纤通信系统对光源的要求光纤通信系统对光源的要求2.半导体激光器半导体激光器3.发光二极管(发光二极管(LED)4.1.2.半导体激光器半导体激光器1.基本原理基本原理2.材料与结构材料与结构3.基本特性基本特性2.半导体激光器半导体激光器-基本原理基本原理三个基本条件三个基本条件激励源,提供能量靠它。
调制激励电流激励源,提供能量靠它。
调制激励电流粒子数反转分布(有源区内)粒子数反转分布(有源区内)光学谐振腔,稳定的振荡输出和单一的谱线光学谐振腔,稳定的振荡输出和单一的谱线IP3基本特性基本特性1.发光特性发光特性
(1)发光曲线和阈值特性发光曲线和阈值特性
(2)光谱特性光谱特性(3)温度特性温度特性(4)光斑、发散角和耦合效率光斑、发散角和耦合效率(5)噪声特性噪声特性2.电特性电特性
(1)电压电压-电流曲线电流曲线
(2)发光效率发光效率(3)电光调制特性电光调制特性发光曲线和阈值特性发光曲线和阈值特性注入电流注入电流PIIth半导体激光器半导体激光器发光特性发光特性3.发光二极管的发光特性发光二极管的发光特性
(1)发光特性发光特性1)发光曲线发光曲线2)光谱特性光谱特性3)温度特性温度特性4)耦合效率耦合效率
(2)发光二极管的电特性发光二极管的电特性1)电压)电压-电流曲线电流曲线2)电光调制特性)电光调制特性半导体激光器和发光二极管比较半导体激光器和发光二极管比较光谱特性出光功率温度特性响应速度相干性可靠性价格适用场合LD窄,色散影响小mW数量级影响大,动态范围小较快易于高速调制较好较易损坏,寿命较短比较贵长距离、大容量系统LED宽,色散影响大W和nW量级特性好,动态范围大慢较调制频率不能太高差不易损坏,可靠性高比较便宜近距离、中小容量系统第三节第三节直接调制光发射机直接调制光发射机I调制电流信号调制电流信号输出光功率输出光功率半导体激光器半导体激光器(LD)PPI发光二极管发光二极管(LED)激光器的调制电路激光器的调制电路偏置部分偏置部分调制部分调制部分Ib0Ibs有用信号有用信号恒流源恒流源I0Is-VccI0IsItotel驱动电路原理驱动电路原理差动放大电路差动放大电路激光器的控制电路激光器的控制电路温度控制温度控制光功率控制光功率控制激光器激光器制冷器制冷器探测器探测器QT+3VT+5V第五节第五节线路编码线路编码为什么要线路编码?
为什么要线路编码?
编码方法与实现电路:
编码方法与实现电路:
信道编码的主要目的信道编码的主要目的1.从双极性信号转换为单极性信号从双极性信号转换为单极性信号2.保证光端机同步,要有丰富的时钟分量,以便于时钟保证光端机同步,要有丰富的时钟分量,以便于时钟提取提取3.使平均光功率稳定使平均光功率稳定4.误码检测,必须得留一些冗余误码检测,必须得留一些冗余5.其他用途:
勤务电话、定位码其他用途:
勤务电话、定位码编码方法编码方法编码方法与实现电路:
编码方法与实现电路:
(1)1B2B
(2)5B6B(3)4B5B(4)8B10B(5)插插0技术技术(6)扰码)扰码第五章第五章光接收机与基本光纤数字通信系统光接收机与基本光纤数字通信系统概述概述第一节第一节光探测器光探测器第二节第二节光接收机光接收机前置放大部分前置放大部分第三节第三节光接收机其他部分光接收机其他部分第四节第四节基本光纤数字通信系统基本光纤数字通信系统光接收机光接收机译码部分光前置放大部分光纤数字信号恢复主放大光前端接口光检测器前置放大器主放大器均衡滤波AGC电路判决电路再生放大时钟提取译码器帧同步并行输出第一节光检测器第一节光检测器概述概述5.1.1光检测的物理基础光检测的物理基础:
电光效应电光效应5.1.2PIN半导体光电二极管半导体光电二极管5.1.3APD雪崩光电二极管雪崩光电二极管PN结的工作参数结的工作参数响应度响应度量子效率量子效率响应度和量子效率之间的关系响应度和量子效率之间的关系截止波长截止波长Si材料的截止波长为材料的截止波长为1.06;Ge材料的截止波长为材料的截止波长为1.65PIR/he/PIheRggc24.1hcEEPIN光电二极管的结构光电二极管的结构P区N区耗尽区I区响应速度响应速度1)光电二极管的结电容和负载电阻构成的)光电二极管的结电容和负载电阻构成的RC时间常数时间常数2)载流子在耗尽区内的定向运动速度)载流子在耗尽区内的定向运动速度3)载流子在零电场区内的扩散运动速度)载流子在零电场区内的扩散运动速度结电容结电容wACdPIN的噪声(和干扰)的噪声(和干扰)量子噪声量子噪声:
由光子产生电子:
由光子产生电子-空穴对的随机起伏空穴对的随机起伏而引起。
而引起。
功率谱密度为常数,可以看作为与频率无关,是一功率谱密度为常数,可以看作为与频率无关,是一种白噪声。
种白噪声。
暗电流暗电流:
带电粒子的热运动形成的电子空穴对:
带电粒子的热运动形成的电子空穴对受电源电压和温度的影响是一个极不稳定的因素受电源电压和温度的影响是一个极不稳定的因素第二节第二节光接收机光接收机5.2.1光接收机的前置放大部分光接收机的前置放大部分电路电路5.2.2光电集成接收组件光电集成接收组件5.2.3光前置放大级的噪声光前置放大级的噪声5.2.4光前置放大级的信噪比光前置放大级的信噪比光接收机的前置放大部分光接收机的前置放大部分半导体光电二极管的等效电路半导体光电二极管的等效电路三种放大电路三种放大电路
(1)高阻抗放大高阻抗放大
(2)低阻抗放大低阻抗放大(3)跨阻抗放大跨阻抗放大半导体光电二极管的等效电路半导体光电二极管的等效电路跨阻抗放大跨阻抗放大电压反馈并联输入放大器电压反馈并联输入放大器电压反馈并联放大器电压反馈并联放大器电路图电路图密勒定理密勒定理输入电阻输入电阻输出电压输出电压前置放大级的噪声前置放大级的噪声量子噪声量子噪声,暗电流噪声暗电流噪声,热噪声,放大器噪声,热噪声,放大器噪声,漏电流噪声,漏电流噪声,APD噪声噪声第三节第三节光接收机光接收机(其他部分其他部分)5.3.1主放大部分主放大部分5.3.2数字信号恢复部分(时钟提取)数字信号恢复部分(时钟提取)5.3.3光接收机的误码率光接收机的误码率5.3.4光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度5.3.5译码部分译码部分功率限制系统的中继距离功率限制系统的中继距离PT-发送光功率(dBm);PR-接收机理论灵敏度(dBm),与实际灵敏度差一个连接器的衰减值。
Ps-入纤功率,;LD光源,-3、-6、-9dBmPr-接收机灵敏度(dBm),每个中继段内BER1x10-10时,连接器前最低平均光功率。
csfderscsfdceRTMAAPAMPPMAAPAAMPPL00222第四节第四节基本光纤数字通信系统基本光纤数字通信系统功率限制系统的中继距离功率限制系统的中继距离Me-系统的设计富余度(dB);时间和环境因素的影响,不小于3dB。
Ac-连接器损耗(dB/个);0.31dB/个。
Af-衰减常数(dB/km);约为0.4dB/km(1310nm)、0.25dB/km(1550nm)。
As-平均每公里光纤接头损耗(dB/km);一般在0.1dB/km以下。
csfderscsfdceRTMAAPAMPPMAAPAAMPPL00222第六章第六章基于电复用的光纤通信系统基于电复用的光纤通信系统第一节第一节复用技术概述复用技术概述第二节第二节时分复用的基本原理时分复用的基本原理第三节第三节同步数字体系同步数字体系SDH复用段和再生段ABC3R3R再生段复用段ABC复用器解复用器复用方式复用方式按固定时隙复用按固定时隙复用(同步方式同步方式)按帧复用(异步方式)按帧复用(异步方式)二进制数字的序列二进制数字的序列携带了用户的信息携带了用户的信息)()(nTtfatsnn10或kkaa.,420aaa.,531aaa第七章第七章光放大光放大第一节第一节光放大器的原理和一般特性光放大器的原理和一般特性第二节第二节半导体光放大器半导体光放大器第三节第三节掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器第四节第四节光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器第一节第一节光放大器的原理和一般特性光放大器的原理和一般特性7.1.1光放大原理光放大原理7.1.2光增益谱宽与带宽光增益谱宽与带宽7.1.3饱和输出功率饱和输出功率7.1.4放大器噪声放大器噪声7.1.5放大器应用分类放大器应用分类均匀展宽二能级系统的增益系数均匀展宽二能级系统的增益系数:
为饱和功率,与粒子的驰豫时间有关。
为饱和功率,与粒子的驰豫时间有关。
T2:
为增益介质的驰豫时间,一般为增益介质的驰豫时间,一般0.1ps1ns。
)(g00g0sPsPPTgg22200)
(1)(:
频率处的增益系数频率处的增益系数:
原子跃迁频率,由跃迁能带的带隙决定。
原子跃迁频率,由跃迁能带的带隙决定。
:
在在处、且输入平均光功率很小的增益系处、且输入平均光功率很小的增益系数,也称为峰值增益系数。
数,也称为峰值增益系数。
7.1.2光增益谱宽光增益谱宽在小信号条件下在小信号条件下增益谱的半高全宽增益谱的半高全宽(FWHM)(FullWideHaffMaximum)1sPP22200)
(1)(Tggggg2)(0202)(2Tg7.1.3增益饱和增益饱和考虑在中心频率考虑在中心频率0处处(除过去)积分可得(除过去)积分可得随输出功率增加随输出功率增加,放大倍数下降放大倍数下降(基本不放大基本不放大)增益饱和增益饱和PPPgzP001dd)1exp(out0sPPGGGG)exp(00LgG7.1.4放大器噪声放大器噪声噪声指数噪声指数自发辐射噪声与差拍噪声自发辐射噪声与差拍噪声自发辐射噪声自发辐射噪声:
自发辐射跃迁是一种光子态不确定的自发辐射跃迁是一种光子态不确定的随机跃迁,所以有很宽的频谱,形成噪声随机跃迁,所以有很宽的频谱,形成噪声.差拍噪声:
信号光与自发辐射光在光检测器中发生相差拍噪声:
信号光与自发辐射光在光检测器中发生相干混频,从而使检测器的光电流产生了一个差拍分量干混频,从而使检测器的光电流产生了一个差拍分量outinnoiseSNRSNRF)()(7.1.5放大器分类放大器分类1.根据用途分类根据用途分类后置放大器后置放大器(功率放大器功率放大器)线路放大器线路放大器(线性放大器线性放大器)前置放大器前置放大器(低噪声放大器低噪声放大器)光发光发射机射机光接光接收机收机后置放大器后置放大器(功率放大器功率放大器)线路放大器线路放大器前置放大器前置放大器第二节第二节半导体光放大器半导体光放大器7.2.1SOA的原理、结构及一般特性的原理、结构及一般特性7.2.2SOA的瞬态放大特征的瞬态放大特征(了解了解)SOA-Semiconductoropticalamplifier第三节第三节掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器77.33.11EDFA的原理的原理、结构结构77.33.22EDFA的增益特性的增益特性77.33.33EDFA的瞬态特性的瞬态特性77.33.44EDFA的多波长放大的多波长放大7.3.1EDFA的原理、结构的原理、结构7.3.1.1EDFA的结构和原理的结构和原理7.3.1.2EDF的能级与跃迁的能级与跃迁7.3.1.3EDF的传输方程的传输方程7.3.1.1EDFA的结构和原理的结构和原理signalEDFPump1Pump2WDM1WDM2Isolater1Isolater2图7.3-1系统结构P7.3.1.2EDF的能级与跃迁的能级与跃迁980nm1480nm1550nm图7.3-3铒离子的能级结构4I15/24I11/24I13/21s10ms7.3.2EDFA的增益特性的增益特性7.3.2.1小信号增益特性小信号增益特性7.3.2.2增益谱特性增益谱特性7.3.2.3增益饱和与饱和输出功率增益饱和与饱和输出功率7.3.2.4ASE噪声与噪声指数噪声与噪声指数7.3.2.1小信号增益特性小信号增益特性实验发现:
在每个泵浦功率下,存在一个最佳的光纤长度,实验发现:
在每个泵浦功率下,存在一个最佳的光纤长度,在此长度下,信号增益最大。
当超过这个光纤长在此长度下,信号增益最大。
当超过这个光纤长度时,在这段光纤中没有足够的粒子反转,信号度时,在这段光纤中没有足够的粒子反转,信号在光纤中会被吸收。
在光纤中会被吸收。
7.3.2.2增益谱特性增益谱特性图4.3EDFA的谱特性总之总之内容内容1.光发射机光发射机2.光纤光纤3.光接收机光接收机4.光纤放大器光纤放大器总之总之知识点知识点1.实际知识:
实际知识:
2.基本原理与概念:
基本原理与概念:
3.系统的估算系统的估算祝大家取得好成绩!
祝大家取得好成绩!
谢谢!
谢谢!
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