《光通信技术原理》课件.ppt

*************************************光载波的调制格式OOK(开关键控)是最简单的调制格式，信息编码在光存在(1)或不存在(0)上。它可分为非归零(NRZ)和归零(RZ)两种，RZ对非线性效应更鲁棒，但需要更高带宽。OOK具有实现简单的优势，但频谱效率低，每符号仅传输1比特信息。DPSK(差分相位键控)利用相邻符号间的相位差编码信息，通常使用1比特延迟干涉仪解调。它比OOK具有约3dB的接收灵敏度优势，对非线性效应更鲁棒。QAM(正交幅度调制)将信息编码在光信号的幅度和相位上，如16QAM每符号可传输4比特，大大提高频谱效率。高阶QAM需要相干接收和数字信号处理，是现代高速系统的主流选择。光信号解调技术直接检测光电二极管将光强度转换为电流，简单但无法获取相位信息1延迟干涉检测通过自延迟干涉将相位调制转换为强度变化，无需本地振荡源2相干检测信号光与本地振荡光混频，可恢复完整光场信息，实现最高接收灵敏度3直接检测是最简单的解调方式，光电二极管产生与入射光功率成正比的电流。它结构简单，成本低，但仅能检测光强度变化，不能检测相位信息，接收灵敏度也受限于热噪声。适用于IM/OOK等强度调制系统和短距离传输。相干检测通过将信号光与本地振荡光混合，可以检测光场的振幅和相位完整信息。根据本地振荡光与信号光的频率关系，可分为零差频(同相)和外差检测。现代相干接收机通常采用90°光混频器和平衡探测结构，结合高速ADC和数字信号处理技术，可实现偏振复用和高阶调制格式解调，极大提高系统频谱效率。相干检测的主要挑战包括激光相位噪声、偏振跟踪和高速数字信号处理要求。第七章：光通信系统设计系统需求分析确定传输距离、容量、可靠性等指标参数计算与优化进行功率预算、带宽预算和系统性能评估设备选型与布局选择合适的器件参数和系统架构测试与验证确保系统达到预期性能指标光通信系统设计是一个复杂的工程过程，需要综合考虑各种因素和权衡取舍。设计者需要根据应用需求确定系统参数，进行详细的功率预算和带宽预算计算，选择合适的设备和架构，并对系统性能进行理论预测和验证。本章将系统介绍光通信系统设计的基本流程和关键技术，包括功率预算、带宽预算、误码率分析、链路设计和性能评估等方面的内容。通过学习这些内容，可以掌握光通信系统设计的基本方法和技能，为实际工程应用奠定基础。光通信系统的功率预算功率预算是光通信系统设计的基本环节，目的是确保接收到的光功率足以满足接收机灵敏度要求。功率预算计算包括发射功率、各种损耗和接收灵敏度。发射功率由光源类型决定，激光器通常为0-10dBm。光纤损耗取决于光纤类型和波长，1550nm单模光纤为0.2dB/km，百公里链路损耗约20dB。此外还需考虑连接器损耗(0.5dB/个)、接头损耗(0.1dB/个)和弯曲损耗等。系统裕量通常为3-6dB，用于补偿温度变化、老化和器件参数不确定性。功率余量是发射功率减去总损耗和接收灵敏度后的结果，必须为正值，通常建议大于4dB。对于长距离系统，需加入光放大器并考虑非线性效应限制。光通信系统的带宽预算光源带宽光源的调制带宽直接限制了系统的传输速率。直接调制激光器带宽通常为2-10GHz，高速系统多采用外部调制提高带宽。此外，激光器的谱宽也很重要，DFB激光器的谱宽约为0.1nm，随着传输距离和速率提高，要求更窄的谱宽以减小色散影响。光纤色散光纤色散导致不同波长成分传输速度不同，造成脉冲展宽，限制系统带宽。标准单模光纤在1550nm处的色散系数约为17ps/(nm·km)。色散限制的传输距离与比特率的平方成反比，10Gbps系统约为60km，40Gbps仅为4km左右。对于高速长距离系统，必须采用色散补偿技术或色散管理策略。接收机带宽接收机的带宽由光电探测器和后续电子电路共同决定。PIN探测器带宽可达40GHz以上，而跨阻放大器带宽通常为20-30GHz。接收机带宽过小会导致符号间干扰，过大则会引入更多噪声。最佳接收机带宽通常为比特率的0.6-0.7倍。现代系统常采用自适应均衡技术来克服带宽限制。光通信系统的误码率分析误码率定义误码率(BER)是评估数字通信系统性能的基本指标，定义为接收错误比特数与总传输比特数之比。光通信系统通常要求BER低于10^-9至10^-12，具体要求取决于应用场景。电信级系统通常要求10^-12，而数据通信可接受10^-9。误码率测量需要长时间累积足够多的比特，例如测量10^-12的BER需要传输至少10^13比特。影响因素影响BER的主要因素包括：信噪比(SNR)，直接决定了系统的误码性能；码型和调制格式，不