光纤通信课程设计报告--数字光纤传输系统.doc
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1、目录THE DIGITAL OPTICAL FIBER TRANSMISSION SYSTEM31. 引言41.1 设计背景41.2 光纤通信技术41.2.1 光纤通信概念41.2.2 光纤通信发展41.3 数字光纤传输的优点51.4 光纤通信技术的发展前景62.数字光纤传输系统设计72.1数字光纤传输的两种体制72.1.1准同步数字系列PDH82.1.2准同步数字系列SDH82.2 整体设计102.3 光发射机112.3.1 光源112.3.2 调制电路和控制电路112.3.3 线路编码电路122.4 光接收机132.4.1 光检测器132.4.2 放大器142.4.3 均衡和再生143.数
2、字光纤传输系统分析143.1性能指标143.2系统设计分析153.2.1中继距离受损耗的限制153.2.2中继距离受色散(带宽)的限制164总结16摘要:随着数字技术和光纤通信技术各自的进步,以及社会对于光纤集成网络以实现资源共享的要求日益增长,数据与光纤通信技术也已紧密地结合起来,成为了社会的强大物质技术基础。现代社会,数字光纤通信已经越来越多地应用到了社会各个领域中。光纤通信系统最重要的部分是光发射机、信道和光接受机三个模块。通过各种光电设备连接成SDH 同步数字序列的数字光纤传输系统,最后在分析指标与设计性能方面验证了系统的合理性。关键词:光纤通信技术、数字光纤传输系统、SDH同步数字序
3、列、性能指标The digital optical fiber transmission systemAbstract: With the development of digital technology and optical fiber communication technology and their progress, and the society for optical integrated network to realize resource sharing requirements increasing, data and optical fiber communicat
4、ion technology has been closely combined, become societys powerful corporeal technology base. In modern society, digital optical fiber communication has been increasingly applied to all areas of society. Optical fiber communication system is the most important part of the optical transmitter, channe
5、l and optical receiver module three. Through a variety of optoelectronic devices connected to SDH synchronous digital series digital optical fiber transmission system, in the final analysis indexes and design performance with respect to verify the rationality of the system.Key words: optical fiber c
6、ommunication technology, digital optical fiber transmission system, SDH synchronous digital sequence, performance index1. 引言1.1 设计背景光纤通信技术光纤通信自从问世以来,给整个通信领域带来了一场革命,它使高速率、大容量的通信成为可能。光纤通信由于具有损耗低、传输频带宽容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点而备受业内人士的青睐,发展非常迅速。在现代社会,光纤通信越来越多地与另一种通信方式数字通信联系在了一起,二者一同成为办公自动化,局域网办公,网络资源共享,
7、社区网络通信甚至是建设信息高速公路的核心技术。这两种技术也成了当下的热门研究课题。1.2 光纤通信技术1.2.1 光纤通信概念所谓光纤通信,就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的。要使光波成为携带信息的载体,必须对之进行调制,在接收端再把信息从光波中检测出来。然而,对光波进行调制与解调,由于目前技术水平所限,目前大都采用强度调制与直接检波方式。又因为目前的光源器件与光接收器件的非线性比较严重,所以对光器件的线性度要求比较低的数字光纤通信在光纤通信中占据主要位置。数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。发送端的电端机把信息(如话音)进行模/数转换,用转换后的数字信号去调制
8、发送机中的光源器件(LED),则LED 就会发出携带信息的光波。即当数字信号为“1”时,光源器件发送一个“传号”光脉冲;当数字信号为“0”时,光源器件发送一个“空号”(不发光)。光波经光纤传输后到达接收端。在接收端,光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机,而电端机再进行数/模转换,恢复成原来的信息。就这样完成了一次通信的全过程。1.2.2 光纤通信发展通信向大容量,长距离的方向发展已经是必然的发展趋势,在社会的进步与发展,以及人们日益增长的物质与文化需求下。由于光波具有极高的频率(大约3 亿兆赫兹),也就是说是具有极高的宽带从而可以容纳巨大的通信信息,所以用光波作为载体来进行通信一直是人
9、们几百年来追求的目标所在。在60年代中期以前,光圈波导、气体透镜波导、空心金属波导管等,作为传送光波的媒体以实现通信,因衰耗过大或者造价昂贵而无法实现。1966年7月,华裔学者高锟在PIEE 杂志上发表的文章用于光频的光纤表面波导,从理论上分析证明了用光纤以实现光通信的可能性,并设计了通信用阶跃光纤。并科学预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性,原材料提纯,加适当掺杂剂,光纤衰耗系数降低到20dB/km 以下,被誉为光纤通信的里程碑。1970年美国康宁玻璃公司,用改进型化学相沉积法制造出世界上第一根超低耗光纤,成为光纤通信发展的导火索。证明了用当时的科学技术与工艺方法制造通信用的超低耗光纤是完全
10、有可能的,是光通信研究的重大实质性突破。自1970年以后,从光纤的衰耗看:从70年的20 dB/km降至90年的0.14dB/km,这个数值已经接近石英光纤的理论衰耗极限值0.1dB/km。从光器件看:1970年,美国贝尔实验室研制出世界上第一只在室温下连续波工作的砷化镓铝半导体激光器,为光纤通信找到了合适的光源器件。后来逐渐发展到异质结条形激光器、分布反馈式单纵模激光器(DFB)以及多量子阱激光器(MQW)。光接收器件从硅PIN 光二极管发展到雪崩光二极管APD。从光纤通信系统看:从小容量到大容量、从短距离到长距离、从低水平到高水平、从旧体制(PDH)到新体制(SDH)的迅猛发展。1976年
11、,世界上第一个实用化光纤通信系统。码率为45 Mb/s,中继距离为10 km。 1980 年,多模光纤通信系统商用化(140Mb/s),并着手单模光纤通信系统的现场试验工作。1990 年,单模光纤通信系统进入商用化阶段(565 Mb/s),并着手进行零色散移位光纤和波分复用及相干通信的现场试验,而且陆续制定数字同步体系(SDH)的技术标准。1993年,SDH 产品开始商用化622Mb/s ,1995年,2.5Gb/s SDH 商用化,1996年,10Gb/s SDH商用化,1997年波分复用技术(WDM)的20Gb/s 、40Gb/s SDH 试验取得突破。此外,在光孤子通信、超长波长通信和相
12、干光通信方面也正在取得巨大进展。总之,短短不到三十年的时间,但光纤通信技术却取得了极其惊人的进展。因此,光纤通信技术并未停滞不前,而是向更高水平、更高阶段方向发展。1.3 数字光纤传输的优点光通信与电通信相比,具有无以伦比的优越性。1. 通信容量大一根光纤同时传输24 万个话路的试验已经取得成功,它比传统的明线、同轴电缆、微波等要高出几十乃至上千倍以上。一根光纤的传输容量如此巨大,而一根光缆中可以包括几十根甚至上千根光纤,再加上波分复用技术,其通信容量之大就更加惊人了。2. 中继距离长石英光纤具有极低的衰耗系数0.19dB/km 以下,若配以适当的光发送与光接收设备,可使其中继距离达数百公里以
13、上。传统的电缆、微波等根本无法与之相比的。因此光纤通信特别适用于长途一、二级干线通信。此外,已在进行的光孤子通信试验,全球无中继的光纤通信目的能实现。3. 保密性能好光波在光纤中传输时只在纤芯进行,基本上没有光“泄露”,因此其保密性能极好。4. 适应能力强不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀,可挠性强大于一定弯曲半径其性能不受影响。5. 体积小、重量轻、便于施工维护光缆的敷设方式方便灵活,既可以直埋、管道敷设,又可以水底和架空。6. 原材料来源丰富,潜在价格低廉制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅,即砂子是取之不尽、用之不竭的。因此其潜在价格是十分低廉的。1.4 光纤通信技术的发展前景光纤通信虽然仅
14、有近三十年的时间,但光纤通信的技术无论是光纤制造技术还是光电器件的制造技术,以及光纤通信系统水平都取得惊人的进展,已经成为现代通信最主要的传输手段。光纤的衰耗从20dB/km到现在低于0.14dB/km,已十分接近石英光纤理论衰耗极限0.1dB /km,光纤的带宽也从10MHZkm 发展到1000GHZkm 以上。光源器件从结构十分简单、GaAs 激光器发展到分布反馈式和多量子阱的单纵模激光器。光纤通信系统的水平的提高,从1976年的45Mb/S发展到10Gb/S。1985年的多模,1990年单模光纤商用化,而现在技术更加先进的SDH 光纤通信已经席卷世界各地。但是,光纤通信的潜力是巨大的,目
15、前的光纤通信应用水平是其能力的12左右。因此光纤通信技术并未停滞不前,而是向更高水平、更高层次的方向发展。1. 波分复用技术(WDM)用一根光纤同时传输几种不同波长的光波以达到扩大通信容量的目的。在系统的发送端,分系统发出不同波长的光波1、2、3、4,由合波器合成一束光波进入光纤传输,在接收端分波器把几种光波分开,分别输入到各个分系统的光接收机。波分复用的关键技术是合波器与分波器。2. 相干光通信目前光纤通信都是采用强度调制与直接检波的工作方式,光源器件的调制速率、光接收机的灵敏度受到局限难以提高,适应不了超大容量、超长距离通信的要求。所谓相干光通信,就是在发端由激光器发出谱线极窄、频率稳定、
16、相位恒定的相干光,并用先进的调制方法如FSK、ASK 和PSK 对之进行调制。在收端,把由光纤传输来的相干光载波与本振光源发出的相干光,经光耦合器后加到光混频器上进行混频与差频,然后把差频后的中频光信号进行放大、检波。相干光通信的关键技术是光源器件、光波的匹配。3. 超长波长光纤通信石英光纤的衰耗已接近理论值,无潜力可挖。研究发现,氟化物光纤在波长3.4 微米处的衰耗理论值,可低达0.001dB/km;而金属卤化物光纤的衰耗理论值可低达0.010.00001dB/km,若光纤衰耗小于0.001dB/km,中继距离可达三万多公里,那么实现全球无中继的光纤通信就会成为现实。4. 光集成技术和电子技
17、术中的集成电路相类似,微型光学元件如光源器件、光检测器件、光透镜、光滤波器、光栅等集成在芯片上,构成复杂性能的光器件;还和集成电路等电子元件集成在一起形成光电部件如光发送机与光接收机等。采用光集成技术,设备的体积、重量大大减少,提高了稳定性与可靠性。5. 光孤子通信通信容量越大,要求光脉冲越窄,如2.5Gb/s 系统的光脉冲宽度约为400ps。窄光脉冲经光纤传输后因色散使脉冲展宽引起码间干扰,因此脉冲展宽一直制约大容量、长距离传输。研究发现,当注入光强密度足够大时会引起光脉冲变窄的现象,其光脉冲宽度可低达几个ps,即所谓光孤子脉冲。因此用孤子脉冲可以实现超大容量的光纤通信。2.数字光纤传输系统
18、设计2.1数字光纤传输的两种体制光纤大容量数字传输目前都采用同步时分复用(TDM)技术。 复用又分为若干等级,先后有两种传输体制:准同步数字系列(PDH),同步数字系列(SDH),随着光纤通信技术和网络的发展,PDH遇到了许多困难,美国提出了同步光纤网(SONET),1988年,ITU-T(原CCITT) 提出了被称为同步数字系列(SDH)的规范建议。SDH解决了PDH存在的问题,是一种比较完善的传输体制,现已得到大量应用。2.1.1准同步数字系列PDH两种基础速率:24路64kbps组成1.544 Mb/s为第一级(一次群,或称基群)基础速率,采用的国家有北美和日本;以2.048 Mb/s为
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