光纤通信刘增基版第六章
《光纤通信》第二版刘增基课后习题答案
1-1光纤通信的优缺点各是什么？答与传统的金属电缆通信、微波无线电通信相比，光纤通信具有如下优点：(1) 通信容量大．首先，光载波的中心频率很高，约为2 X10^14Hz ，最大可用带宽一般取载波频率的10 %，则容许的最大信号带宽为20000 GHz( 20 THz ) ；如果微波的载波频率选择为20 GHz ，相应的最大可用带宽为2 GHz。
两者相差10000 倍．其次，单模光纤的色散几乎为零，其带宽距离（乘）积可达几十GH z·km ；采用波分复用（多载波传输）技术还可使传输容量增加几十倍至上百倍．目前，单波长的典型传输速率是10Gb ／s。
，一个采用128个波长的波分复用系统的传输速率就是1 . 28 Tb / s .( 2 ）中继距离长。
中继距离受光纤损耗限制和色散限制，单模光纤的传输损耗可小千0 . 2 dB / km ，色散接近于零．( 3 ）抗电磁干扰．光纤由电绝缘的石英材料制成，因而光纤通信线路不受普通电磁场的干扰，包括闪电、火花、电力线、无线电波的千扰．同时光纤也不会对工作于无线电波波段的通信、雷达等设备产生干扰。
这使光纤通信系统具有良好的电磁兼容性。
( 4 ）传输误码率极低。
光信号在光纤中传输的损耗和波形的畸变均很小，而且稳定，．噪声主要来源于t子噪声及光检测器后面的电阻热噪声和前置放大器的噪声．只要设计适当，在中继距离内传输的误码率可达10^-9甚至更低。
此外，光纤通信系统还具有适应能力强、保密性好以及使用寿命长等特点。
当然光纤通信系统也存在一些不足：( 1 ）有些光器件（如激光器、光纤放大器）比较昂贵。
( 2 ）光纤的机械强度差，为了提高强度，实际使用时要构成包声多条光纤的光缆，光统中要有加强件和保护套。
( 3 ）不能传送电力．有时需要为远处的接口或再生的设备提供电能，光纤显然不能胜任。
光纤通信(第二版)课件PPT(刘增基著)
第1章 概 论
为了克服气候对激光通信的影响，人们自然想到把激光束 限制在特定的空间内传输, 因而提出了透镜波导和反射镜波导的 光波传输系统。透镜波导是在金属管内每隔一定距离安装一个 透镜，每个透镜把经传输的光束会聚到下一个透镜而实现的。 反射镜波导和透镜波导相似，是用与光束传输方向成45°角的 两个平行反射镜代替透镜而构成的。这两种波导，从理论上讲 是可行的，但在实际应用中遇到了不可克服的困难。首先，现 场施工中校准和安装十分复杂；其次，为了防止地面活动对波
由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的 研究曾一度走入了低谷。
第1章 概 论
1.1.2 现代光纤通信 1966 年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆
(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用 光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了 现代光通信——光纤通信的基础。当时石英纤维的损耗高达 1000 dB/km以上，高锟等人指出：这样大的损耗不是石英纤维 本身固有的特性，而是由于材料中的杂质，例如过渡金属(Fe、 Cu等)离子的吸收产生的。材料本身固有的损耗基本上由瑞利 (Rayleigh)散射决定，它随波长的四次方而下降，其损耗很小。 因此有可能通过原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的 低损耗光纤。如果把材料中金属离子含量的比重降低到10－6以 下，就可以使光纤损耗减小到10 dB/km。再通过改进制造工艺 的热处理提高材料的均匀性，可以进一步把损耗减小到几 dB/km。这个思想和预测受到世界各国极大的重视。
十一五 普通高等教育“十一五”国家级规划教材
光 纤 通 信(第二版)
刘增基 周洋溢 胡辽林 编著
任光亮 周绮丽
西 安 电 子西科 技 大 学 出 版 社
精品文档-光纤通信(第二版)(刘增基)-第8章 SDH与WDM光网络
第8章 SDH与WDM光网络
3.管理单元指针（AUPTR）区 AUPTR位于帧结构第4行的第1到第9个字节，这一组数码 代表的是净负荷信息的起始字节的位置，接收端根据指示可以 正确地分离净负荷。这种指针方式的采用是SDH的重要创新， 可以使之在准同步环境中完成复用同步和STM-N信号的帧定位。 这一方法消除了常规准同步系统中滑动缓存器引起络 图8.4 STM-1段开销的字节安排
第8章 SDH与WDM光网络
A1、A2代表帧定位字节，其功能是识别帧的起始位置， 从而实现帧同步。A1=11110110，A2=00101000。
J0为再生段踪迹字节，该字节用来重复发送段接入点识别 符，以便段接收机据此确认其与指定的发射机是否处于连续的 连接状态。
(3) S-R点间的光通道参数规范:包括光通道衰减范围, 最大色散，回波损耗与反射系数。
第8章 SDH与WDM光网络
根据ITU-T的建议，这些定义的参数值均为最坏值，即在 设备终了时仍能达到的指标值。该设计目标是在最极端的光通 道衰减和色散条件下仍然满足每个再生段的误码比特率不劣于 1×10-10的要求。表8.2、表8.3、表8.4分别给出了STM-1、 STM-4、STM-16的光接口参数的具体规范，有关更详细的内容 请参见ITU-TG.957建议。
D1～D12为数据通信通路（DCC），D1～D12字节提供SDH 管理网（SMN）的传送链路。
E1、E2为公务联络字节，E1提供RSOH的公务联络的 64kb/s的语音通路，而E2提供MSOH公务管理的64kb/s的语音 通路。
第8章 SDH与WDM光网络
F1为使用者通路，留给使用者（通常是网络提供者），是 为特定维护目的而提供的临时数据/语音通路连接，速率为 64kb/s。
精品文档-光纤通信(第二版)(刘增基)-第4章 无源光器件
第4章 无源光器件
4.1.1 光纤连接损耗 连接损耗可分为外部损耗和内部损耗。外部
损耗又称为机械对准误差或连接错位损耗，它顾名思义 是由于光纤之间的连接错位引起的损耗。内部损耗又称 为与光纤相关的损耗，这主要是由于光纤的波导特性和 几何特性差异导致的损耗。连接错位一般有以下几种情 况：轴向位移、连接间隔、倾斜位移、截面不平整。 这 些损耗如图4.1所示。
第4章 无源光器件
图4.3 光纤的熔接
第4章 无源光器件
在V型槽机械连接方法中，首先要将预备好的 光纤端面紧靠在一起，如图4.4所示。然后将两根光纤使 用粘合剂连接在一起或先用盖片将两根光纤固定。V型通 道既可以是槽状石英、塑料、陶瓷，也可以是金属基片 作成槽状。 这种方法的连接损耗在很大程度上取决于光 纤的尺寸(外尺寸和纤芯直径)变化和偏心度(纤芯相对于 光纤中心的位置)。
能无损耗， 因而功率传输矩阵函数为
且满足
T
a13 a23
a14
a24
a13+a14<1, a23+a24<1
(4.2)
其中, a13、 a14和a23、a24分别为输入端口1和2到输出端 口3和4的功率传输因子。
第4章 无源光器件
1） 附加损耗(excess loss) 附加损耗的定义为
Pex (dB) 10
第4章 无源光器件
图4.2 (a) D2>Ｄ1; (b) NA1>NA2; (c) MFD1>MFD2
第4章 无源光器件
光纤通信 总结 西理工 光信 刘增基
第一章◆ 光纤通信的优点：✧ 容许频带很宽，传输容量很大✧ 损耗很小，中继距离很长且误码率很小 ✧ 重量轻、体积小 ✧ 抗电磁干扰性能好 ✧ 泄漏小，保密性能好✧ 节约金属材料（有色金属），SiO2 ◆ 提高光纤容量方式：✧ 提高波长速率 ✧ 增加复用波数 ✧ 偏振复用加倍 ◆ 光纤通信应用：✧ 通信网 ✧ 数据网✧ 数据网有线电视网 ✧ 接入网AN ✧ 光纤传感器 ◆ 光发射调制方式：✧ 内调制——直接调制（简单、实用、低速） ✧ 外调制——间接调制（高速） 第二章● 纤芯和包层的相对折射率差Δ=（n1-n2）/n1 ● 光纤基本类型：✧ 突变型多模光纤（Step Index Fiber, SIF ） ✧ 渐变型多模光纤（Graded Index Fiber, GIF ） ✧ 单模光纤（Single Mode Fiber, SMF ）W 型光纤——（色散平坦光、色散位移光纤、保偏光纤） ✓ 塑料光纤 ✓ 光子晶体光纤 ● 数值孔径NA● 时间延迟时间延迟差● 麦克斯韦方程组：●其中:k=2π/λ=2πf/c=ω/cu^2=a^2(n1^2*k^2-β^2) w^2=a^2*(β^2-n2^2*k^2)∆≈-=212212n n n NA )21(sec 211111θθτ+≈==c L n c L n c l n ∆≈==∆cL n NA c n L c n L c 12121)(22θτ0)()()(1)(2222222=--++r E rv k n dr r dE r dr r E d Z Z Z βv^2=u^2+w^2=a^2*k^2*(n1^2-n^2)纤芯方程： (0≤r ≤a) 包层方程: (r ≥a)光能量要在纤芯(0≤r ≤a)中传输， 在r=0处， 电磁场应为有限实数；在包层(r ≥a)，光能量沿径向r 迅速衰减，当r →∞时， 电磁场应消逝为零。
光纤传输模式的电磁场分布和性质取决于特征参数u 、w 和β的值。
光纤通信课件第六章002教材
(2) N个波长复用以后在一根光纤中传输，在大容量长途传输时 可以节约大量的光纤。
(3)对数据“透明” 。波分复用通道对传输信号是完全透明的， 即
对传输码率、数据格式及调制方式均具有透明性，可同时提
在DWDM系统中是通过增加一个新的波长来对EDFA的工作 状态进行监控。
除监控线路中的EDFA之外，DWDM系统中的监控系统还应 完成对各波道工作状态的监控。
监控信号所传信息包括帧同步字节、公务字节和网管所用 的开销字节等。
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6.1.2 DWDM系统结构
2．DWDM的几种网络单元类型
光纤通信
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6.1.2 DWDM系统结构
光纤通信
OXC的功能与SDH网络中的DXC设备的功能相比，它们
OADM设备接收线路的光信号后，先提取监控信道，再用WPA 将主光通道预放大，通过MR2单元把含有16或32路STM-16的光 信号按波长取下一定数量后送出设备，要插入的波长经MR2单元 直接插入主信道，再经功率放大后插入本地光监控信道，向远端 传输。以MR2为例，其信号流向如图6-8所示。
27
6.1.2 DWDM系统结构
光纤通信
10
6.1.1 DWDM概述
光纤通信
DWDM是密集波分复用的英文缩写。DWDM系统是一种波长间隔 更紧密的WDM系统。现在的通道间隔则更小，只有0.8-2nm，甚 至小于0.8nm，所谓密集是针对波长间隔而言的.
CWDM技术是为了满足接入网应用的要求，是一种近来流行的 被称为粗波分复用的技术CWDM系统是在1530-1560nm的频谱范围 内每隔10nm分配一个波长，此时可以使用频谱较宽的、对中心 波长精确度要求低的、比较便宜的激光器，通常为了节约投资 成本不使用放大器.
光纤通信(第二版)【刘增基】简答题总结
1.光纤通信的优缺点各是什么？优：通信容量大中继距离长抗电磁干扰传输误码率极低缺：有些光器件(如激光器、光纤放大器)比较昂贵光纤的机械强度差不能传送电力光纤断裂后的维修比较困难，需要专用工具2.光纤通信系统由哪几部分组成?简述各部分作用光纤通信系统由发射机、接收机和光纤线路三个部分组成发射机又分为电发射机和光发射机，接收机也分为光接收机和电接收机，电发射机的作用是将信(息)源输出的基带电信号变换为适合于信道传输的电信号，包括多路复接、码型变换等：光发射机的作用是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。
光纤线路把来自于光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。
光接收机把从光纤线路输出的产生畸变和衰减的微弱光信号还原为电信号。
光接收机的功能主要由光检测器完成，光检测器是光接收机的核心。
电接收机的作用一是放大，二是完成与电发射机相反的变换，包括码型反变换和多路分接等。
3.光纤通信为什么向长波长、单模光纤方向发展?长波长、单模光纤比短波长、多模光纤具有更好的传输特性。
单模光纤没有模式色散。
4.光纤色散产生的原因及其危害是什么?光纤色散是由光纤中传输的光信号的不同成分光的传播时间不同而产生的。
光纤色散对光纤传输系统的危害有：若信号是模拟调制的，色散将限制带宽；若信号是数字脉冲，色散将使脉冲展宽，限制系统传输速率（容量）。
5.光纤损耗产生的原因及其危害是什么?光纤损耗包括吸收损耗和散射损耗。
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的。
散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和光纤结构缺陷（如气泡）引起的散射产生的。
光纤损耗使系统的传输距离受到限制，大损耗不利于长距离光纤通信。
6.半导体激光器（LD）有哪些特性?发射波长和光谱特性激光束空间分布特性转换效率和输出功率特性频率特性温度特性7.比较半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）的异同？LD和LED的不同之处：工作原理不同，LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。
光纤通信课程教案
光纤通信课程教案（2009—2010学年第二学期）课程名称：光纤通信授课学时：48学时授课班级：07通信工程任课教师：韦文生温州大学教案（首页）课程编号授课班级07通信工程学生人数课程名称光纤通信技术公共基础课（）；学科基础课（）；专业基础课程（✓）；课程类型基础选修课（）；专业选修课（）；公选课（）考试（✓）授课方式理论（✓）实验（）实习（）考核方式考查（）课程总学时48 学分 3学时分配课堂讲授48 学时；实践课程学时教材名称《光纤通信技术》教学参考书１、刘增基等编著《光纤通信》，西安电子科技大学出版社，2002。
２、杨祥林等编著《光纤通信系统》，国防工业出版社，2000。
３、Gerd Keiser著，李玉权等译《光纤通信》电子工业出版社，2002。
5、顾畹仪等编著《光纤通信系统》，北京邮电大学出版社，1999。
授课教师韦文生职称副教授学科工科授课时间周三第3、4节课/周五第3、4节课授课地点1A-305/6第四章光端机（6学时）一、教学目的及要求：使学生了解光端机的结构、组成和工作原理，重点介绍了光发射机、光接收机和线路编码的主要概念。
二、教学重点及难点：本章重点：光端机的基本组成、发送机的性能指标、接收灵敏度与动态范围的定义及计算。
本章难点：光接收机的噪声分析。
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：4-1 4-2 6-5 4-6 4-7 4-8 4-9六、参考资料：《光纤通信》刘增基第四章。
《光纤通信》杨祥林第五章第六章《光纤通信》Gerd Keiser著，李玉权等译第七章七、教学内容与教学设计：教学内容教学设计备注【导入】（2分钟）导入2分钟回顾上节课的主要内容，借以引出这节课的主要内容。
[提问]提问引出本章的教学内容。
【讲授新课】（96分钟）第4章光端机4.1光发射机数字光发射机的功能是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。
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6.1 调制方式
6.2 模拟基带直接光强调制光纤传输系统 6.3 副载波复用光纤传输系统
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6.1
调制方式
模拟光纤传输方式主要有以下几种方式：
• 模拟基带直接光强调制(D-IM)
• 模拟间接光强调制方式
• 频分复用光强调制方式
6.1.1 模拟基带直接光强调制
影响，因而输入到光检测器的信号非常微弱，所以对系统的SNR
影响很大。
2. 信号失真 为使模拟信号直接光强调制系统输出光信号真实地反映输 入电信号，要求系统输出光功率与输入电信号成比例地随时间 变化， 即不发生信号失真。 一般说，实现电/光转换的光源， 由于在大信号条件下工 作，线性较差，所以发射机光源的输出功率特性是D-IM系统 产生非线性失真的主要原因。
充分发挥光纤带宽的独特优势。
因此，开发多路模拟传输系统，就成为技术发展的必然。
实现一根光纤传输多路模拟信号的主要方法：
目前现实的方法是先对电信号复用，再对光源进行光强调制。 对电信号的复用可以是频分复用(FDM)。
6.1.3
频分复用光强调制
频分复用光强调制方式
用每路模拟电视基带信号，分别对某个指定的射频(RF)电信
p
Pmax Pom Pb Iom Pmin Imin Ib Imax
输出信号
I
输入信号
图 6.11 激光器模拟调制原理
6.2.1
特性参数
评价模拟信号直接光强调制系统的传输质量的最重要的特性 参数是信噪比(SNR)和信号失真(信号畸变)。
1. 信噪比
正纤传输系统
图6.10示出副载波复用(SCM)模拟电视光纤传输系统方框图。
f1 放 频道1 大 放 大 M1 f2 频道2 M2 BPF BPF
f1s 组 f2s 合 电 fNs 路 光发射机 LD 宽 放 驱 动 电 路 PIN 探 测 电 路 宽 放 光接收机 分
f1s
D1
LPF 频道1
特性参数
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。 1. 载噪比 载噪比CNR的定义是：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，用公式表示为：
C CNR=10lg 10lg 2 Np in
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。 光载波经光纤传输后，由远端接收机进行光/电转换和信号分
离。
因为传统意义上的载波是光载波，为区别起见，把受模拟基 带信号预调制的RF电载波称为副载波，这种复用方式也称为副载 波复用(SCM)。
进行调频，产生等幅、不等宽的方波脉冲调频信号，其方波脉
冲频率随输入的模拟基带信号的幅度而变化。然后用这个方波 脉冲调频信号对光源进行光强调制，形成SWFM-IM光纤传输
系统。
上述光纤的传输方式都存在一个共同的问题：一根光纤只能 传输一路信号。 这种情况，既满足不了现代社会对大信息量的要求，也没有
副载波复用的实质是: 利用光纤传输系统很宽的带宽换取有限的信号功率，也就 是增加信道带宽，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。 在副载波系统中，预调制是采用调频还是调幅，取决于所 要求的信道载噪比和所占用的带宽。
6.2
模拟基带直接光强调制光纤传输系统
模拟基带直接光强调制(D-IM)光纤传输系统由光发射机(光 源通常为发光二极管)、光纤线路和光接收机(光检测器)组成， 这 种系统的方框图如图6.1所示。
离 f 2s 电 路 f 3s
D2
LPF 频道2
光纤
…
fN MN BPF
…
放 频道N 大
DN
LPF
频道N
Mi 为调制器
Di 为解调器
BPF为带通滤波器
LPF为低通滤波器
图 6.１0
副载波复用模拟电视光纤传输系统方框图
N个频道的模拟基带电视信号分别调制频率为f1,f2,f3,…,fN 的射频(RF)信号，把N个带有电视信号的副载波f1s, f2s, f3s，…, fNs组合成多路宽带信号，再用这个宽带信号对光源(一般为LD) 进行光强调制，实现电/光转换。
ic2
(6.23)
式中, 〈i2c〉为均方载波电流，〈i2n〉为均方噪声电流。
2. 信号失真
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。 由于到达光检测器的信号非常微弱，在光/电转换时可能 产生的信号失真可以忽略。只要光纤带宽足够宽，传输过程 可能产生的信号失真也可以忽略。
光信号经光纤传输后，由光接收机实现光/电转换， 经分
离和解调，最后输出N个频道的电视信号。
模拟基带电视信号对射频的预调制，通常用残留边带调幅 (VSBAM)和调频(FM)两种方式，各有不同的适用场合和优缺点。 我们主要讨论残留边带调幅副载波复用(VSB-AM/SCM)模拟 电视光纤传输系统。
6.3.1
SCM模拟电视光纤传输系统的优点：
• 一个光载波可以传输多个副载波，各个副载波可以承载 不同类型的业务。 • SCM系统灵敏度较高，又无需复杂的定时技术， 制造
成本较低。
• 前后兼容。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。
2. 脉冲频率调制(PFM)
脉冲频率调制方式是先用承载信息的模拟基带信号对脉冲 载波进行调频，产生等幅、等宽的频率受调的脉冲信号，其脉 冲频率随输入的模拟基带信号的瞬时值而变化。然后用这个脉 冲调频信号对光源进行光强调制，形成PFM-IM光纤传输系统。
3. 方波频率调制(SWFM)
方波频率调制方式是先用承载信息的模拟基带信号对方波
6.1.2
模拟间接光强调制
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。 预调制主要有以下三种: 1. 频率调制(FM) 频率调制方式是先用承载信息的模拟基带信号对正弦载波进 行调频，产生等幅的频率受调的正弦信号，其频率随输入的模拟 基带信号的瞬时值而变化。然后用这个正弦调频信号对光源进行 光强调制， 形成FM-IM光纤传输系统。
第六章小结
• 了解模拟系统的主要特性参数；
• 了解副载波复用的概念、优点、特性参数。
对于广播电视节目而言，视频信号带宽(最高频率)是6MHz，
加上调频的伴音信号，这种模拟基带光纤传输系统每路电视信号 的带宽为8 MHz。
用这种模拟基带信号对发射机光源(线性良好的LED)进行直
接光强调制，若光载波的波长为0.85 μm， 传输距离不到4 km, 若 波长为1.3 μm，传输距离也只有10 km左右。 D-IM光纤传输系统的特点是： • 设备简单 • 价格低廉 因而在短距离传输中得到广泛应用。
发光 二极管 光检测器 放大器 恢复原信号 m(t ) 光纤 接收机
基带信号m(t )
调 制 器 发送机
图 6.1 模拟信号直接光强调制系统方框图
图6.2示出对发光二极管进行正弦信号直接光强调制的原 理。
P
输出信号 Pb
0
Im in
Ib
Im ax
I
输入信号 Io m
图 6.2 发光二极管模拟调制原理
模拟基带直接光强调制(D-IM) 是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。 20世纪70年代末期，光纤开始用于模拟电视传输时，采用 一根多模光纤传输一路电视信号的方式，就是这种基带传输方
式。
所谓基带，就是对载波调制之前的视频信号频带。