第五章数字光纤通信系统的设计
数字光纤通信系统及其设计教学文案
数字光纤通信系统及其设计数字光纤通信系统及其设计摘要当今世界，计算机与通信技术高度结合，光纤通信有了长足发展。
纵观当今电信的主要技术，光纤和光波的变革极大的提高着信息的传输容量。
进入1993年以后，我国光纤通信已处于持续大发展时期。
其特征是大量新技术，特别是网络技术、高速介质接入网(HMAV)、光时分复用接入(OTMMA)和波分复用接入(WDMA)、光孤子(soliton)、掺铒光纤放大器(EDFA)、SDH产品等开始实用化并开展大量、深入的研究工作。
面对光纤通信技术的普遍应用，了解光纤通信系统组成及其系统参数的测量技术现状，无论是对光纤通信的业主、经销商，还是对光纤通信的广大用户都是重要的。
本论文主要介绍数字光纤通信系统基本组成，含义及其特点，阐述数字光信通信系统的设计方法。
针对WDM+EPFA数字光纤链路系统进行具体设计。
关键字;数字光纤通信系统掺铒光纤放大器(EDFA) 波分复用（WDM）Digital optical communications system and its design AbstracIn today's world, the combination of computer and communication technology, the height of optical fiber communication with rapid development. In today's main technology of telecommunications, optical fiber and light changes greatly improves the information transmission capacity. Since 1993, China into a continuous fiber communication has great development period. Its characteristic is a new technology, in particular network technology, high-speed medium access (HMAV), light time multiplex access (OTMMA) and WDM access (WDMA), optical solitons (soliton), erbium doped fiber amplifier (EDFA), SDH products began to practical and large,deep research work. At the same time, various special optical system into the field of national economy, contributed to our optical fiber communication technology of vigorous development. Facing the optical fiber communication technology, understand the general application of optical communication system and the system parameters measurement technology situation of optical fiber communication, whether the owner, dealers, or for optical fiber communication customers are important.This paper mainly introduces the basic components and fiber optic communications system, expounds the meaning and characteristics of digital communication system design of light letters. In WDM optical fiber links EPFA + digital system design. Key words,Digital optical communication system erbium doped fiber amplifier (EDFA) WDM目录1数字光纤通信系统 (4)1.1数字光纤通信系统概论 (4)1.1.1数字光纤通信系统的组成 (4)1.1.2数字光纤通信系统的含义 (5)1.1.3 数字光纤通信系统的特点 (5)1.2数字光纤通信系统的设计方法 (5)1.2.1数字光纤通信系统的构成 (5)1.2.2数字光纤通信系统的设计方案 (6)2波分复用（WDM） (6)2.1光波分复用（WDM）技术概述 (7)2.2WDM系统的基本构成 (7)2.3WDM技术的主要特点 (7)3掺铒光纤放大器(EDFA) (8)3.1掺铒光纤放大器概述 (8)3.2掺铒光纤放大器原理 (8)4基于WDM+EPFA数字光纤链路系统的设计 (9)注释和参考文献 (11)谢词 (12)附录 (13)1数字光纤通信系统1.1数字光纤通信系统的概论1.1.1数字光纤通信系统的组成（1）光发信机光发信机是实现电/光转换的光端机。
数字光纤通信系统及其设计
数字光纤通信系统及其设计摘要当今世界，计算机与通信技术高度结合，光纤通信有了长足发展。
纵观当今电信的主要技术，光纤和光波的变革极大的提高着信息的传输容量。
进入1993年以后，我国光纤通信已处于持续大发展时期。
其特征是大量新技术，特别是网络技术、高速介质接入网(HMA V)、光时分复用接入(OTMMA)和波分复用接入(WDMA)、光孤子(soliton)、掺铒光纤放大器(EDFA)、SDH产品等开始实用化并开展大量、深入的研究工作。
面对光纤通信技术的普遍应用，了解光纤通信系统组成及其系统参数的测量技术现状，无论是对光纤通信的业主、经销商，还是对光纤通信的广大用户都是重要的。
本论文主要介绍数字光纤通信系统基本组成，含义及其特点，阐述数字光信通信系统的设计方法。
针对WDM+EPFA数字光纤链路系统进行具体设计。
关键字;数字光纤通信系统掺铒光纤放大器(EDFA) 波分复用（WDM）Digital optical communications system and its design AbstracIn today's world, the combination of computer and communication technology, the height of optical fiber communication with rapid development. In today's main technology of telecommunications, optical fiber and light changes greatly improves the information transmission capacity. Since 1993, China into a continuous fiber communication has great development period. Its characteristic is a new technology, in particular network technology, high-speed medium access (HMA V), light time multiplex access (OTMMA) and WDM access (WDMA), optical solitons (soliton), erbium doped fiber amplifier (EDFA), SDH products began to practical and large, deep research work. At the same time, various special optical system into the field of national economy, contributed to our optical fiber communication technology of vigorous development. Facing the optical fiber communication technology,understand the general application of optical communication system and the system parameters measurement technology situation of optical fiber communication, whether the owner, dealers, or for optical fiber communication customers are important.This paper mainly introduces the basic components and fiber optic communications system, expounds the meaning and characteristics of digital communication system design of light letters. In WDM optical fiber links EPFA + digital system design.Key words,Digital optical communication system erbium doped fiber amplifier (EDFA) WDM目录1数字光纤通信系统 (4)1.1数字光纤通信系统概论 (4)1.1.1数字光纤通信系统的组成 (4)1.1.2数字光纤通信系统的含义 (5)1.1.3 数字光纤通信系统的特点 (5)1.2数字光纤通信系统的设计方法 (5)1.2.1数字光纤通信系统的构成 (5)1.2.2数字光纤通信系统的设计方案 (6)2波分复用（WDM） (6)2.1光波分复用（WDM）技术概述 (7)2.2WDM系统的基本构成 (7)2.3WDM技术的主要特点 (7)3掺铒光纤放大器(EDFA) (8)3.1掺铒光纤放大器概述 (8)3.2掺铒光纤放大器原理 (8)4基于WDM+EPFA数字光纤链路系统的设计 (9)注释和参考文献 (11)谢词 (12)附录 (13)1数字光纤通信系统1.1数字光纤通信系统的概论1.1.1数字光纤通信系统的组成（1）光发信机光发信机是实现电/光转换的光端机。
光纤通信系统的设计及实现
光纤通信系统的设计及实现光纤通信技术是一种较为先进的数据传输技术，其具有高速、稳定和可靠等诸多优点，被广泛应用于互联网、电视广播、电话和数据中心等领域。
本文将从光纤通信系统的设计和实现两个方面详细讨论光纤通信技术的基本原理、系统组成、参数选择和应用实例等相关内容。
一、光纤通信系统的基本原理光纤通信系统是基于光信号传输的一种通信方式，其基本原理是利用光的折射、反射和衍射等特性将光信号进行传输。
在光纤通信系统中，光源产生的信号被送至光纤中，并通过光纤进行光信号传播。
光信号到达光纤的末端后，再由光探测器将光信号转换为电信号送至接收端。
光纤通信系统中的光信号可以是LED或激光二极管等光源产生的单色光或多色光，其波长范围在600nm~1550nm之间。
光纤主要由芯层、包层和绝缘层等三部分构成。
其中，芯层的折射率高于包层，光信号在芯层中传输时会发生反射折射等现象，从而实现信号的传输。
光信号在传输过程中会产生各种损耗，如弯曲损耗、空气折射损耗、微弯损耗等，因此需要对光纤的长度、弯曲度、材料和参数等进行选择和设计。
二、光纤通信系统的系统组成光纤通信系统的主要组成部分包括光源、光纤、光探测器、前端调制电路、解调电路和转换电路等。
其中，光源产生的信号被送至光纤中，通过光纤传输至光探测器，并由后端电路进行处理与分析。
1. 光源光源是光纤通信系统中的核心组成部分，其产生的光信号的质量和稳定性直接影响到整个通信系统的性能和可靠性。
现代光纤通信系统中的光源主要有LED和激光二极管两种。
（1）LED光源：LED光源是一种常见的光源类型，其优点在于价格低廉、发光效率高、驱动电流小、寿命长等。
但是，LED光源的光强度低、色散大、光谱比较宽，因此仅适用于传输距离较短、带宽较窄的光纤通信系统。
（2）激光二极管光源：激光二极管光源由于其高发射功率、高光强度、小线宽、高调制速度等优点。
因此，其适用范围更广，可应用于带宽较宽、传输距离较远的光纤通信系统中。
光纤通信第五章光纤线路技术原理及器件波分复用器件
1.6nm 100G 0.8nm 50G 0.4nm 25G
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
Frequency Wavelength Frequency Wavelength
(THz)
(nm)
(THz)
(nm)
196.1
基于偏振干涉的光梳状滤波器
偏振干涉系统：起偏器P1、双折射晶体平行 平板及检偏器P2
FX
X
X
P1
S
Z
45°
Y
Y
P1
P2
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
透过起偏器的光场的振幅为A0，光通过 双折射晶体平行平板后在X、Y方向的分 量分别为
AxA0co4s5ex pj2(Lon/l) AyA0si4n5ex pj2(Len/l)
闪耀光栅剖面图
BOE1
l1 ln
l┋1
F1
ln
L1 L2 透射式二元光学波分复用器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
干涉滤波片型
采用干涉滤波片来实现不同波长的光的 分离，实现分/合波功能。
由于采用了微等离子体镀膜技术，介质 膜窄带滤光片的光学性能有了很大改善， 工艺也较为成熟。透过率高，带宽窄，
1528.77 193.1
1552.52
196.0
1529.55 193.0
1553.33
195.9
1530.33 192.9
1554.13
195.8
1531.12 195.8
ห้องสมุดไป่ตู้
光纤通信系统的设计与实现
光纤通信系统的设计与实现第一章介绍随着科技的不断进步，网络技术也在不断地发展壮大。
而在这个网络技术的背后，一个名为光纤通信系统的技术已然成为了网络通信系统中的重要部分。
光纤通信系统的出现不仅可以大大提高网络速度，同时也可以增加网络传输的稳定性和安全性。
本文将会详细介绍光纤通信系统的设计与实现过程。
第二章光纤通信系统的概述光纤通信是通过光纤将信号传输到目的地，利用光的无线电波特性传递信号的一种通信方式。
其基本原理是通过将数字信号或模拟信号转化成光信号，利用光信号在所传输的光纤中进行传输，通过接收端将光信号重新转化为数字信号或模拟信号。
光纤通信技术具有以下优点：1. 带宽大，信息传输速度快。
2. 信号传输距离远，可达数十到数百公里，而且不会线路接口等原因导致信号失真。
3. 具有一定的安全性。
4. 可以适用于各种环境要求，包括高温、高湿、高压等。
5. 具有较高的可靠性，信号的传输不易受到自然干扰的影响。
6. 光纤通信技术的使用成本较低。
第三章光纤通信系统的设计光纤通信系统的设计包括以下几个方面：1. 光纤通信系统的结构设计光纤通信系统主要包括传输系统、传输媒介、光源、检测器和处理单元等构成。
2. 光纤通信系统的光源设计光纤通信系统中光源的设计是至关重要的，其作用是将电信号转化为光信号并进行传输。
常用的光源有半导体激光器、LED发光二极管等。
3. 光纤通信系统的光纤设计光纤通信系统中光纤的设计也是至关重要的，光纤的设计不仅需考虑光的传输特性，还需考虑光纤的损耗、带宽等因素。
常用的光纤有单模光纤和多模光纤。
4. 光纤通信系统的检测器设计光纤通信系统中检测器的设计主要是将光信号转化为电信号，以便于进行数字或模拟信号的处理和传输。
常用的光检测器有PIN光检测器和光电二极管。
第四章光纤通信系统的实现光纤通信系统的实现主要包含以下步骤：1. 光信号的发射和接收：通过光源将电信号转化为光信号，通过光纤传输到接收端后，再通过检测器将光信号转化为电信号。
现代通信-ch5公开课获奖课件
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一、光纤通信概论
（三）优点及应用： ①、通信容量大 3*1014 Hz 语言4*103 Hz 750亿 ②、损耗低，传播距离长 ③、不受电磁干扰，通信质量高 ④、尺寸小、重量轻，便于施工 ⑤、原料为SiO2，很丰富 应用领域：公用电信网，计算机网络，广播电视以及电 力、石油、化工、机械等领域。
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LED旳调制特征如图5-11。一般LED最高调制频率为 20～60MHz。随驱动电流不同，调制速率也有所变化。一 般在电流密度大时调制速率也较高。
10Gb/s,1500km 频分复用,光放大器 第五代: 光孤子 2.5Gb/s 14000km
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3
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4
（二）光纤导光原理
光纤是一种介质波导，具有把光封闭在其中并沿轴向进 行传播旳导波构造，其直径大旳约只有0.1mm，它是由两 种折射率不同旳玻璃构成旳，如图5-1芯旳折射率为n1， 包层旳折射率为n2。取n1不小于n2，于是，按照几何光 学旳全反射原理，光线在光纤芯中传播，经过弯曲旳路由 也不会射出光纤之外。
b.光纤制造损耗：由不纯成份旳吸收和构造缺陷引起。
c.附加损耗：成纤之后出现旳损耗，如弯曲损耗。
下图为石英光纤几种损耗旳综合曲线，在1.31um和 1.55um处有两个低损耗谷，目前光纤通信系统主要工作在 这两个波段上，尤其是1.55um处损耗更小，传播频带也更 宽。
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衰减 (dB/km) 色散(ps/nm.km)
3.5
高
高
0.4
包层：多组分玻璃
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数字光纤通信系统的设计
第五章数字光纤通信系统的设计
（2学时）
一、教学目的及要求：
使学生了解整个数字光纤通信系统在整体进行设计时应考虑的因素和设计时使用的主要方法。
二、教学重点及难点：
本章重点：掌握损耗限制系统和色散限制系统中再生中继距离的设计方法。
本章难点：中继距离与系统传输速率的关系。
三、教学手段：
板书与多媒体课件演示相结合
四、教学方法：
课堂讲解、提问
五、作业：
课外作业：
5-1 5-2 5-5
六、参考资料：
《光纤通信》刘增基第五章。
《光纤通信》杨祥林第八章
七、教学内容与教学设计：
5. 2 中继距离受色散(带宽)的限制
如果系统的传输速率较高，光纤线路色散较大，中继距离主要受色散(带宽)的限制。
为使光接收机灵敏度不受损伤，保证系统正常工作，必须对光纤
在这个基础上，根据原CCITT建议，对于实际的单模光纤通信系统，受色散限制的中继距离
八、课后小结：
教学实践发现，学生对课堂上演示的具体例子很感兴趣，参与意愿、投入程度明显较高。
作为导论课，应避免流于泛泛的理论陈述和空洞的说教，而应该用具体的例子来激发学生学习的兴趣，引导他们进行自行探究。
第五章SDHWDM
1.网同步方式
国际上所使用的同步方式有主从同步方式、相互同步 方式和准同步方式，但大多数国家普遍采用主从同步方式
主从同步方式就是要在同步网中设立一个最高级别的 基准主时钟，而其他时钟均逐级与上一级时钟保持同步， 以此实现与主时钟同步的目的，及具体结构如图5-11所示
图5-11 我国同步时钟等级
由图5-11可知，主从同步网多采用树型拓扑结构，基 准时钟通过同步链路逐级向下传输，在各交换节点上，通 过锁相环将本地时钟与接收到的上一级时钟进行相位锁定， 从而达到与基准时钟同步的目的
（1）复用各部相同常用的有容 器（C）、虚容器（VC）、管理单元（AU）、之路单元 （TU）等。
① 容器
容器（C）实际上是一种装载各种速率业务信号的 信息结构，主要完成PDH信号与VC之间的适配功能。
ITU-T规定了5种标准容器，我国的SDH复用结构中， 仅用了装载2.048Mbit/s、34.368Mbit/s和 139.264Mbit/s信号的3种容器，即C-12，C-3和C-4， 其中C-4为高阶容器，C-3和C-12为低阶容器。
2.映射方法
5.1.3 SDH光传输系统
1.点到点链状线路系统
该系统是由具有复用和光接口功能的线路终端、中继 器和光缆传输线路构成，其中中继器可以采用目前常见的 光-电-光再生器，也可以使用掺饵光纤放大器（EDFA）， 在光路上完成放大的功能
2.环路系统
环路系统中，可选用分插复用器，也可以选用交叉连 接设备作为节点设备，它们的区别在于后者具有交叉连接 功能，它是一种集复用、自动配线、保护/恢复、监控和网 管设备的控制下，对由多个电路组成的电路群进行交叉连 接，因此其成本很高，故通常使用在线路交汇处，而接入 设备则可以使用数字环路载波系统（DLC）、宽带综合业务 接入单元（B-ISDN）
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第五章数字光纤通信系统的设计
（2学时）
一、教学目的及要求：
使学生了解整个数字光纤通信系统在整体进行设计时应考虑的因素和设计时使用的主要方法。
二、教学重点及难点：
本章重点：掌握损耗限制系统和色散限制系统中再生中继距离的设计方法。
本章难点：中继距离与系统传输速率的关系。
三、教学手段：
板书与多媒体课件演示相结合
四、教学方法：
课堂讲解、提问
五、作业：
课外作业：
5-1 5-2 5-5
六、参考资料：
《光纤通信》刘增基第五章。
《光纤通信》杨祥林第八章
七、教学内容与教学设计：
第五章数字光纤通信系统的设计
对数字光纤通信系统而言，系统设计的主要任
务是，根据用户对传输距离和传输容量(话路数或
比特率)及其分布的要求，按照国家相关的技术标准
和当前设备的技术水平，经过综合考虑和反复计算，
选择最佳路由和局站设置、传输体制和传输速率以
及光纤光缆和光端机的基本参数和性能指标，以使
系统的实施达到最佳的性能价格比。
在技术上，系统设计的主要问题是确定中继距
离，尤其对长途光纤通信系统，中继距离设计是否
合理，对系统的性能和经济效益影响很大。
中继距离的设计有三种方法：最坏情况法(参数
完全已知)、统计法(所有参数都是统计定义)和半
统计法(只有某些参数是统计定义)。
5.1 中继距离受损耗的限制
下图示出了无中继器和中间有一个中继器的数
字光纤线路系统的示意图。
数字光纤线路系统
(a)无中继器； (b) 一个中继器
如果系统传输速率较低，光纤损耗系数较大，
中继距离主要受光纤线路损耗的限制。
在这种情况
下，要求S和R两点之间光纤线路总损耗必须不超
过系统的总功率衰减，即
[板书]
[板书]
[板书]
[多媒体课件]
96分钟
L(αf+αs+αm)≤Pt-Pr-2αc-Me
式中，Pt 为平均发射光功率(dBm)，Pr为接收灵敏度(dBm)，αc 为连接器损耗(dB/对)， Me 为系统余量(dB)，αf为光纤损耗系数(dB/km), αs 为每km光纤平均接头损耗(dB/km), αm为每km光纤线路损耗余量(dB/km), L 为中继距离(km)。
根据ITU T(原CCITT)G.955建议，用LD作光源的常规单模光纤(G.652)系统，在S和R之间数字光纤线路的容限如下表：
5. 2 中继距离受色散(带宽)的限制
如果系统的传输速率较高，光纤线路色散较大，中继距离主要受色散(带宽)的限制。
为使光接收机灵敏度不受损伤，保证系统正常工作，必须对光纤线路总色散(总带宽)进行规范。
对于数字光纤线路系统而言，色散增大，意味着数字脉冲展宽增加，因而在接收端要发生码间干扰，使接收灵敏度降低，或误码率增大。
严重时甚至无法通过均衡来补偿，使系统失去设计的性能。
为确定中继距离和光纤线路色散(带宽)的关系，把输出脉冲用半高全宽度(FWHM)τ表示，即式中, τ=σ/0.4247, σ=aT, a为相对rms脉冲宽度，T=1/fb，fb为系统的比特传输速率。
Δτ
f为光纤线路(FWHM)脉冲展宽，取决于所用光纤类型和色散特性。
对于多模光纤系统，色散特性通常用3dB带宽表示，中继距离L与1km光纤带宽B1的关系为B1=BL γ, 所以
L=［（1.21～1.78）Ｂ1/fb］1/γ
对于单模光纤系统，Δτf=2.355σf, σf为光纤线路rms脉冲展宽，得到中继距离
在这个基础上，根据原CCITT建议，对于实际的单模光纤通信系统，受色散限制的中继距离L可以表示为
式中, Fb是线路码速率(Mb/s)，C0是光纤的色散系数(ps/(nm·km))，σλ为光源谱线宽度(nm)，ε是与功率代价和光源特性有关的参数，对于MLMLD, ε=0.115, 对于SLMLD，ε=0.306。
由于光纤制造工艺的偏差，光纤的零色散波长不会全部等于标称波长值，而是分布在一定的波长范围内，在140 Mb/s以上的单模光纤通信系统中，色散的限制是不可忽视的。
5.3 中继距离和传输速率
光纤通信系统的中继距离受损耗限制和受色散限制时确定方法不同。
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。
下图示出各种光纤的中继距离和传输速率的关。