模拟基带直接光强调制光纤传输系统.docx
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模拟基带直接光强调制光纤传输系统
目录
1光纤结构及光纤传输原理1
1.1光纤的结构及类型1
1.2光纤传输的原理2
2激光光源工作原理3
2.1半导体激光器的工作原理3
3模拟基带直接光强调制光纤传输及应用4
3.1模拟基带直接光强调制原理4
3.2模拟基带直接光强调制光纤传输系统组成框图4
3.3光发射机4
3.3.1光源5
3.3.2调制电路和控制电路6
3.4光接收机6
3.4.1光检测器7
3.4.2放大器7
3.4.3均衡和再生7
4光纤损耗与带宽8
5总结8
参考文献9
课程设计
课程设计报告
班级：
通信10-2
姓名：
王佩
学号：
1006030219
指导教师：
冀常鹏
成绩：
电子与信息工程学院
信息与通信工程系
模拟基带直接光强调制光纤传输系统
摘要
本文主要对模拟基带直接光强调制系统光纤系统进行了分析和研究，介绍了光纤的基本结构和光纤传输的基本原理，同时对激光光源的原理进行了简单的阐述，叙述了模拟基带直接光强调制的原理，对模拟基带直接光强调制系统的组成和各部分的功能、设计要求进行了详细的分析。
在文章的最后对光纤损耗对传输距离的限制与系统对光纤带宽的要求
也进行了简略的描述。
关键词：
光纤；激光器；直接光强调制；光纤损耗
1光纤结构及光纤传输原理
1.1光纤的结构及类型
光纤（OpticalFiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。
光纤的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。
包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。
光纤结构如图1-1：
图1-1光线结构
设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。
纤芯和包层的相对折射率差Δ=（n1-n2）/n1的典型值，一般单模光纤为0.3%~0.6%，多模光纤为1%~2%。
Δ越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量却越小。
光纤种类很多，最为信息传输波导用的由高纯度石英制成的光纤。
实用光纤主要有三种基本类型。
如图示出其横截面的结构和折射率的分布，光线在纤芯的传输路径，以及由于色散引起的输出脉冲相对于输入脉冲的畸变。
这些光纤的主要特征如下：
1、突变型多模光纤（StepIndexFiber,SIF），纤芯折射率为n1保持不变，到包层突变变n2。
这种光纤一般纤芯的直径2a=50~80um,光线以折射形状沿纤芯中心轴线方向传播，
特点是信号畸变大。
2、渐变型多模光纤（GradedIndexFiber,GIF），在纤芯中心折射率最大为n1,沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2.这种光纤一般纤芯直径2a为50um，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点信号畸变小。
3、单模光纤（SingleModeFiber,SMF），折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有8~10um,光线以直线形状沿纤芯中心轴方向传播。
因为这种光纤只能传输一个模式，所以称为单模光纤，其信号畸变很小。
1.2光纤传输的原理
光纤传输，即以光导纤维为介质进行的数据、信号传输。
光导纤维，不仅可用来传输模拟信号和模拟信号，而且可以满足视频传输的需求。
光纤传输一般使用光缆进行，单根光导纤维的数据传输速率能达几Gbps，在不使用中继器的情况下，传输距离能达几十公里。
在极限介质空间尺寸>>波长λ条件下，可以用几何光学的射线方程作近似分析。
几何光学的方法比较直观，容易理解，但并不十分严格。
以突变型多模光纤的交轴（子午）光线为例，设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致，如图1-1。
光线在光纤端面以小角度θ从空气入射到纤芯（n0n2）。
改变角度θ，不同θ相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射。
根据全反射原理，存在一个临界角θc，当θ<θc时，相应的光线将在交界面发生全反射而返回纤芯，并以折线的形状向前传播，如光线1。
根据斯奈尔（Snell）定律得到数值孔径：
NA=n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1（1-1）
图1—1
由于n0=1,由式
（1）经简单计算得到（1-2）式中Δ=（n1-n2）/n1为纤芯与包层相对折射率差。
设Δ=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21或θc=12.2°。
NA表示光纤接收和传输光的能力，NA（或θc）越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。
对于无损耗光纤，在θc内的入射光都能在光纤中传输。
NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。
2激光光源工作原理
2.1半导体激光器的工作原理
半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡，输出激光。
有源器件的物理基础是光和物质相互的作用的效应。
在物质的原子中存在许多能级，最低能级E1称为基态，能级比基态大的能级Ei（i=1.2.3……）称为激发态。
电子的低能级的基态和高能级E2激发态之间的跃迁有三种基本形式。
（1）在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光的作用下，吸收光子能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。
电子跃迁后，在低能级留下相同的数目的空穴。
（2）在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换成光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。
（3）在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激跃迁。
受激辐射是受激吸收的逆过程。
电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量要满足波尔条件，即E2-E1=hf12。
图2-1三种跃迁形式
设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2（E1>E2）的原子数分别是N1和N2。
当系统处于热平衡状态时，存在下面分布：
（2-1）
3模拟基带直接光强调制光纤传输及应用
3.1模拟基带直接光强调制原理
模拟基带直接光强调制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。
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0.85μm，传输距离不到4km,若波长为1.3μm，传输距离也只有10km左右。
模拟基带直接光强调制光纤传输系统的特点是：
设备简单并且价格低廉，因而在短距离传输中得到广泛应用。
3.2模拟基带直接光强调制光纤传输系统组成框图
模拟基带直接光强调制（DIM）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，这种系统框图如图3-1所示：
图3-1模拟基带直接光强调制系统框图
3.3光发射机
模拟基带直接光强调制光纤传输系统光发射机的功能是：
•将电端机输出的模拟基带电信号转换为光信号
•用耦合技术将光信号注入光纤线路
•用模拟电信号对光源进行调制
光发射机的方框图如图3-2所示，主要有光源和电路两部分。
光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。
电路的设计应以光源为依据，使输出光信号准确反映输入的电信号。
图3-2光发射机方框图
对光发射机的基本要求是：
（1）发射（入纤）光功率要大，以利于增加传输距离。
在光纤损耗和接收灵敏度一定的条件下，传输距离和发射光功率成正比。
发射光功率取决于光源，LD优于LED；
（2）非线性失真要小，以利于减小微分相位（DP）和微分增益（DG），或增大调制指数m。
LED线性优于LD；
（3）调制指数m要适当大。
m大，有利于改善SNR；但m太大，不利于减小DP和DG；
（4）光功率温度稳定性要好。
LED温度稳定性优于LD，用LED作光源一般可以不用自动温度控制和自动功率控制，因而可以简化电路、降低成本。
3.3.1光源
对通信用光源的要求如下：
（1）发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长应在0.85μm、1.31μm和1.55μm附近。
光谱单色性要好，即谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。
（2）电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下，有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。
发射光束的方向性要好，即远场的辐射角要小，以利于提高光源与光纤之间的耦合效率。
（3）允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统的大传输容量的要求。
（4）器件应能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳定性好，可靠性高，寿命长。
以上各项中，调制速率、谱线宽度、输出光功率和光束方向性，直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离，是光源最重要的技术指标。
3.3.2调制电路和控制电路
对调制电路和控制电路的要求如下：
（1）要保证足够的光接收信噪比。
（2）在高速率调制下，输出的光信号的波形能准确再现输入电信号的波形。
（3）对激光器应施加足够的偏置电流，以便抑制在较高速率调制下可能出现的张弛振荡，保证发射机正常工作。
（4）应采用自动功率控制（APC）和自动温度控制（ATC），以保证输出光功率有足够的稳定性。
3.4光接收机
直接光强调制方式的模拟光接收机方框图如图3-3所示。
主要包括：
光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路。
光接收机的功能是把光信号转换为电信号。
经前置放大器和主放大器放大后输出，为保证输出稳定，通常要用自动增益控制（AGC）。
对光接收机的基本要求是：
（1）信噪比（SNR）要高；
（2）幅频特性要好；
（3）带宽要宽。
图3-3光接收机方框图
3.4.1光检测器
光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。
对光检测器的要求如下：
（1）波长响应要和光纤低损耗窗口（0.85μm、1.31μm和1.55μm）兼容；
（2）响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流；
（3）噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号；
（4）性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。
目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。
3.4.2放大器
前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。
前放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种类型的前放可供选择：
双极型晶体管前置放大器、场效应管前置放大器、跨阻型前置放大器。
主放大器一般是多级放大器，它的作用是：
（1）提供足够的增益
（2）并通过它实现自动增益控制（AGC），使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。
主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。
3.4.3均衡和再生
均衡的目的：
•对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变（失真）的电信号进行补偿；
•使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干扰，减小误码率。
再生电路的功能是从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个的对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。
再生电路包括：
判决电路和时钟提取电路。
4光纤损耗与带宽
光纤损耗：
设长度为L（km）的光纤，输入光功率为Pi，则输出光功率应为Po=Pi*exp（-ɑL），ɑ损耗系数ɑ=10/L*lgPi/Po（dB/km）。
光纤损耗分为：
吸收损耗和散射损耗。
①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产生；②散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光线结构缺陷引起的散射产生。
危害：
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。
当光纤带宽与信号速率之比足够大时，传输距离主要受到光纤损耗的限制。
即当系统的工作频宽远小于光纤带宽，当码速较低（B<100Mb／s）时，光纤色散对灵敏度的影响较小时。
限制决定于下列因素：
（1）发送端耦合入光纤的平均功率PT（dBm）；
（2）光接收机的接收灵敏度Pmin（dBm）；
（3）光纤线路的总损耗T（dB）。
中继距离受损耗的限制有公式：
（4-1）
Pt为平均发射光功率，Pr为接收灵敏度（dBm）,αc为连接器损耗，Me为系统余量（dB），αf为光纤损耗系数，αs为每千米光纤平均接头损耗，αm为每千米光纤线路损耗余量，L为中继距离。
5总结
本次课程设计主要内容是模拟基带直接光强调制系统的研究，按照课题的要求，我主要从：
光纤结构及光纤传输、激光光源工作原理、模拟基带直接光强调制光纤传输系统组成、模拟基带直接光强调制原理、光发射机、光接收机、光纤损耗对传输距离的限制及系统对光纤带宽的要求等七个方面来研究。
在文章中我主要介绍了光纤的基本结构和光纤传输的基本原理，同时对激光光源的原理进行了简单的阐述，叙述了模拟基带直接光强调制的原理，对模拟基带直接光强调制系统的组成和各部分的功能、设计要求进行了详细的分析。
通过本次光纤通信的课程设计，让我对模拟基带直接光强调制系统有了更深一步的了解，对光纤结构和光纤传输的原理有了一定的掌握，同时对光接收机和光发射机的原理和设计要求有了更深的认识，巩固了光纤通信的基础知识。
参考文献
[1]王晓凤.激光通信[J].邢台学院学报,2009,（02）:
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[2]徐安士.新型光通信技术研究与发展[J].中国通信,2009,（03）:
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[4]段培贤,王蓬,陈佶.光通信技术在潜艇武器系统中的应用[J].信息与电子工程,2009,（04）:
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[5]“650nm塑料光纤传输系统”将带给我们一个怎样的网络[J].现代传输,2009,（03）:
20
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