硕光通信导论-第1章信号与光信号.ppt

光通信导论,主讲教师：刘岚岚,光通信导论,任课教师：刘岚岚,教材： 光通信导论吴重庆编著 清华大学出版社,参考教材： 1.光纤通信系统顾婉仪,李国瑞 北京邮电大学出版社 2.光纤通信导论 邱昆 电子科技大学出版社,E-mail: 电话：51688200,课程特点,光纤通信的概念,光通信的概念,光通信是利用光波来传送信息的。,通信技术,电通信,光通信,根据使用的电磁波频率范围分类：,有线通信,无线通信,光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输介质的光信息传输技术。,LASER,以技术为先导，主要研究外特性,通信是通过某种媒体进行的信息传递。,引 言,一、光纤通信发展的历史和现状 二、光纤通信的优点和应用,一、 光纤通信发展的历史和现状 1. 探索时期的光通信, 在这个时期，美国麻省理工学院利用He-Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验。,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潮。, 1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器， 给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用， 使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。, 1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型。, 原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。,2 现代光纤通信,指明通过“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”这一发展方向,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。,光纤通信发明家高锟(左) 1998年在英国接受IEE授予的奖章,2009年诺贝尔物理学奖获得者英国华裔科学家高锟，美国科学家威拉德博伊尔和乔治史密斯。,瑞典皇家科学院说，高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就，他将获得今年物理学奖一半的奖金，共500万瑞典克朗（约合70万美元）；博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件电荷耦合器件（CCD）图像传感器，将分享今年物理学奖另一半奖金。, 1970年，光纤研制取得了重大突破 1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。 1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。 1973 年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。 1976 年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2m)。 在以后的 10 年中，波长为1.55 m的光纤损耗： 1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限。,1970 年，光纤通信用光源取得了实质性的进展 1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。 1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。 1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 m的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。 1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。 1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55 m的连续振荡半导体激光器。 ,由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年成为光纤通信发展的一个重要里程碑,实用光纤通信系统的发展 1976 年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验。 1980 年，美国标准化FT - 3光纤通信系统投入商业应用。 1976 年和 1978 年，日本先后进行了速率为34 Mb/s的突变型多模光纤通信系统， 以及速率为100 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。 1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。 随后，由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。 第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于1989年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。,光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段： 第一阶段(19661976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。 第二阶段(19761986年)，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。 第三阶段(19861996年)，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。,3 国内外光纤通信发展的现状 1976年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信从基础研究发展到了商业应用的新阶段。 此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85 m发展到1.31 m和1.55 m(短波长向长波长），传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。 随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大。 目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。 在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位。,中国最早从事光纤通信 研究机构,中科院福州物质结构研究所 1972年开始 1975年下马 武汉邮电科学研究院 1973年开始,我国厂商分布结构 我国的光纤生产企业主要以合资为主，包括武汉长飞、上海朗讯、西古、武汉邮科院（烽火通信）、武汉NEC、 南京华新藤仓、深圳特发、成都中住、杭州富通、江苏法尔胜等，光纤年生产能力约为700万公里。 我国的光缆生产起步较早，生产技术较为成熟。目前我国光缆厂家已超过150家，年生产能力超过50万公里， 供给规模约为35万公里。中国光缆产业正在逐步走向成熟，并已达到国际先进水平。,二、光纤通信的优点和应用,1. 光通信与电通信 通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。 光通信的主要特点 载波频率高；频带宽度宽（图 1 ） 光通信利用的传输媒质-光纤，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。 （图 2 ）,图 1 部分电磁波频谱,图 2 各种传输线路的损耗特性,光纤作为传输介质的优势,拐弯：全反射 一八七年英国物理学家丁达尔,光纤作为传输介质的优势,拐弯：全反射 光纤的结构,优势与问题,2. 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， 有利于资源合理使用,3. 光纤通信的应用 光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中， 都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速， 是当前研究开发应用的主要目标。 光纤通信的各种应用可概括如下：, 通信网 构成因特网的计算机局域网和广域网 有线电视网的干线和分配网 综合业务光纤接入网,ATM,Internet骨干网,DDN/ FR,PSTN/ISDN,TV,业务分配节点,(COT),业务接入节点（RT）,网管,SNMP,与电信网管中心相连,Q3,100/1000M,E1/BRA/PRA,155M,622M SDH,典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构,某大学网络中心,典型应用之二：作为校园网的骨干传输网,中南网络中心维护,光纤通信器件的发展过程,光纤通信系统的发展历程,光纤通信追求目标: 大容量、长距离 技术发展：短波长-长波长、多模光纤-单模光纤、多模激光器-单模激光器,通信系统容量：比特率-距离积BL，B 比特率， L 中继距离,每秒钟传输的比特数目。,光纤通信技术的发展大体上可分为：,光纤通信技术的发展大体上可分为:（续）,目 录,第一章 信号与光信号 第二章 传输光路 第三章 光发射机 第四章 光接收机 第五章 异步光纤通信系统 第六章 光放大,第一章 信号与光信号,第一节 信号的概念 第二节 数字信号 第三节 光学信号 第四节 噪声, 信息的概念,信息是事物的特征、状态和与其他事物的关联 信息是能够用来消除不确定性的东西。它是信息获得者从“不知”到“知”的过程中，对事物从不确定到确定的一个度量。,A,B,第一节 信号的概念,什么是信号？,1信号的物理性 2信号的信息性,载有信息的客观物理量,(1) 确定信号和随机信号: 只有随机信号才是真正的信号 (2) 时间性 实时信号 时间相关 实时信号 时间不相关 非实时信号 时间相关 非实时信号 时间不相关,1信号的物理性,连续信号 周期性的和非周期性的 离散信号 周期性的和非周期性的 时间域频谱 空间域频谱 不用级数表达式 线状谱 连续谱,(3) 信号的频谱,(3) 信号的频谱,只有离散谱中的冲激函数，才能在频谱仪上观测到。,(3)信号的频谱,例如，一个连续的周期信号,正弦信号的频谱,周期性的连续信号,非周期性的连续信号,周期性的离散信号,非周期性的离散信号,信号,频谱,非周期的线状离散谱,非周期的连续谱,周期性的线状离散谱,周期性的连续谱,周期,离散,非周期,连续,连续,非周期,离散,周期,周期性的离散信号,周期性的线状离散谱,周期性的离散信号的谱仍是周期性离散的，构成了数字信号处理技术的基础。,随机信号的频谱,不能直接利用傅立叶变换得到；但一个现实有对应的频域数； 考察一个时间段内一个现实的平均功率,功率谱密度函数,如果这个现实是各态遍历的，那么这个现实的平均功率，也就是整个随机过程各个现实的平均功率的数学期望 随机过程各个现实的平均功率的数学期望）等于它的功率谱密度函数的积分。,2信号的信息性,(1)数字信号和模拟信号,数字信号 原始信息的状态集合是离散集合,模拟信号 原始信息的状态集合是连续集合,连续的模拟信号 离散的模拟信号 连续的数字信号 离散的数字信号,话音信号,由CCD摄像机采集未经编码的信号,FSK信号,通常的数字信号序列,(2)信息的时间特性,流量:信息流在单位时间的信息量 信息流：平稳性和突发性,实时，非实时，时间相关，时间无关,第二节 数字信号,1.2.1 一般概念 1.2.2 码元函数 1.2.3 数字信号的频谱 1.2.4 眼图 1.2.5 同步 1.2.6 帧定位方法 1.2.7 包,1.2.1一般概念,当采用二进制数字时，数字信息就是一个随机的二进制数字序列 随机变量只能取数字0和1； 一个有序的序列。定义某个数字位为起始位，这个序列是可数的,数字信号是载有数字信息的信号,数字信号是一个随机的二进制数字信息序列承载在一个物理量（比如波形）上 。,数字信号的基本表达式,1.2.2 码元函数-数字信号的物理特征,码元函数 f(t)：一个只在-T/2tT/2内有定义的、光功率（或者光强）随时间变化的函数,占空比 /T,消光比,非归零NRZ码，归零RZ码，高斯脉冲，双曲正割函数（光学孤子）,在光通信中，通常为20dB以上,可以看做是一系列相同波形的、周期性但随机出现的码元所构成的码流。,相同波形的周期性随机码流,1.2.3 数字信号的频谱,1.2.3数字信号的频谱-离散谱,二进制码,1.2.3数字信号的频谱-离散谱,占空比为100%的脉冲信号在周期信号频率点无频谱分量 。S=0 占空比为50%的脉冲信号在周期信号频率点的分量最大。S=(2/)K 占空比小于50%时，其频谱中有含脉冲信号周期信号频率点在内的多种线谱,1.2.4 眼图,可以利用眼图的张开程度，来观察波形失真的情况,1.2.5 同步,全网的同步的概念： 全网的时钟频率相同（时钟同步）； 全网的时刻一致（帧同步） 同步方式和异步方式,同步方式：时钟同步，帧同步,异步方式：时钟同步，帧可以不同步,1.2.6 帧定位方法,起始位 标识,2.信号（物理）方法,1.信息方法 定义一个特定的字符串（起始字段）作为起始定位标识，而后的其他字符组合成的字符串（净负荷）不允许与之相同。,HDLC: 01111110 SDH: A1A1A1A2A2A2,在发送数据流的同时，另发送一个帧定位信号。,1.2.7 包,检错、重传，不丢失信息 可靠性与实时性 找到折衷或平衡 包的大小对传输质量、效率有很大影响 固定时隙 信元 HDLC 以太网帧 IP包,包，也称为分组，帧。包是一串连续有限的比特码流。,1.3 光信号的基本特征,1)波动性 频率（真空中的波长） 幅度 相位 偏振态 2)量子性 光子能量（频率） 光子数 光子动量（波数k） 光子偏振态,光纤通信系统的新波段,1450 1490 1530 1570 1610 1650,S+ S C L L+,波 长 (nm),范崇澄 FS-08,网络容量演进战略,1.3.1偏振问题,（1）偏振态 （2）偏振度,（1）偏振态-复矢量,实矢量 复矢量,波动的观点，代表一种偏振态,（1）偏振态-斯托克斯矢量,偏振态是对单一频率分量而言的；是一个频域量 可以用斯托克斯矢量描述，这时永远有,邦加球,注意：,斯托克斯矢量是一个虚构的矢量，是偏振态的一种形象描述。 运算规则和常规矢量的运算规则不相同。 偏振态的分解与叠加，并不对应于斯托克斯矢量按照平行四边形法则分解与合成； 两个偏振态的正交并不对应于斯托克斯矢量的垂直； 两个正交偏振态的斯托克斯矢量将处于同一条直径上 ；,（2）偏振度频域,是对多频率分量而言的； 偏振度理解为不同频率分量偏振态一致性的度量 如何表示 的一致性？ 用分布函数的矩（方差）、用变化率？,两个频率分量的情形,如果二者一致 如果二者不一致,连续光谱的情形,（2）偏振度时域,偏振度 不同频率分量偏振一致性的度量 时域相干矩阵,（2） 偏振度时域,时域相干矩阵偏振度的定义,1.3.2 相干性,相干长度: 在这段长度内，光有稳定的相位关系 相干时间 光源的稳定发光时间有关，也就是与光源的频带宽度有关,FP-LD激光器 ， 6ns，1.2m DFB激光器 20m 外腔激光器 200m,第四节 噪声,噪声是通信系统的主要敌人 1.4.1 干扰 1.4.2 狭义噪声 1.4.3 噪声的表示,1.4.1干扰,引线干扰 空间干扰 工频干扰 广播干扰 雷电干扰 内部各部分间的干扰,干扰有时也称为串扰。干扰指的是有一定规律的不含信息的信号，或它虽然含有信息但不是通信系统所要传送的信息。,是确定信号,1.4.2 狭义噪声,加性噪声 无论通信系统中的有用信号是否存在，它都存在，二者是叠加关系 热噪声、晶体三极管 有源器件散弹噪声 光电器件的量子噪声 白噪声 高斯白噪声 三角噪声 乘性噪声 只有信号存在时噪声才存在 非线性失真噪声 量化噪声,狭义噪声是一种完全无规则的“信号”，它不含任何信息，一般来自于系统内部,热噪声、晶体三极管 有源器件散弹噪声 光电器件的量子噪声 噪声的频谱,加性噪声,无论通信系统中的有用信号是否存在，它都存在，二者是叠加关系,白噪声 : 频谱很宽的噪声。在所考虑的频段内，噪声功率近似均匀分布。 高斯白噪声：对于每一个频率分量的噪声，其功率分布，近似为高斯布。 三角噪声：在所考虑的频段内，近似为三角形分布。低频大，高频小。,加性噪声,由电子的非定向运动叠加在定向运动上的一种起伏或波动， 它在频率上均匀分布，其功率谱密度为 4kTR k为波尔兹曼系数 T为温度 R为电阻（直流平均电阻） 在给定带宽内的总噪声：V2=4kTRB, B为带宽 在外电路最佳匹配的条件下，输出的噪声功率为 P= V2/4R =kTB,加性噪声 电阻的热噪声,只有信号存