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第1篇 光纤传输技术基础2

第1章 绪论2

1.1 电磁波与光载波2

1.2 光通信的历史回顾4

1.3 光纤传输的优点6

1.4 光纤传输系统的构成7

1.5 光纤传输系统的分类9

1.5.1 工作波长和光纤类型9

1.5.2 传输的信号形式10

参考文献14

第2章 光波导传输原理15

2.1 光纤的构造15

2.2 光纤传输的几何光学描述16

2.2.1 平面介质波导18

2.2.2 阶跃型光纤的传输条件19

2.3 光纤传输的模式理论21

2.3.1 麦克斯韦方程组22

2.3.2 波导方程22

2.3.3 阶跃折射率光纤的波动方程解24

2.3.4 阶跃折射率光纤的模式方程25

2.3.5 阶跃折射率光纤的模式26

2.3.6 阶跃折射率光纤中的功率流31

2.4 单模光纤32

2.4.1 模场直径32

2.4.2 单模光纤的传播模式33

2.5 光纤的传输特性34

2.5.1 光纤的材料与工艺34

2.5.2 光纤的损耗（loss）35

2.5.3 吸收（absorption）35

2.5.4 散射（scattering）37

2.5.5 辐射（radiation）37

2.5.6 光纤的色散（dispersion）38

2.5.7 单模光纤的冲激响应与传输带宽43

2.5.8 单模光纤的规格和型号45

参考文献47

第3章 光无源器件49

3.1 光耦合器与光分路器49

3.1.1 光耦合器的分类49

3.1.2 2×2单模光纤耦合器50

3.1.3 2×2单模光纤耦合器的性能指标51

3.1.4 光分路器53

3.2 波分复用器55

3.2.1 波分复用的国际标准55

3.2.2 介质膜波分复用器57

3.2.3 阵列波导光栅（AWG）58

3.3 光滤波器61

3.3.1 Fabry-Perot谐振腔型光滤波器61

3.3.2 Mach-Zehnder干涉器62

3.3.3 光纤光栅64

3.4 光调制器66

3.4.1 介质的电光特性67

3.4.2 横向相位调制器70

3.4.3 电光强度调制器72

3.5 光隔离器75

3.6 光纤连接器77

3.6.1 单模光纤对接的插入损耗77

3.6.2 单模光纤活动连接器78

参考文献80

第4章 激光器与光探测器82

4.1 光源概述82

4.1.1 光纤传输系统对光源的要求82

4.1.2 光源的分类83

4.2 半导体激光原理83

4.2.1 吸收与发射83

4.2.2 半导体中的光自发发射84

4.2.3 受激发射与激光产生87

4.2.4 异质结（heterojuction）88

4.2.5 光源的半导体材料89

4.3 典型的半导体激光器结构89

4.3.1 DH双异质结条型激光器89

4.3.2 DC-PBH双沟道平面隐埋型激光器90

4.3.3 RWG脊形波导型激光器91

4.3.4 DFB分布反馈激光器91

4.3.5 MQW多量子阱激光器92

4.4 半导体激光器的特性92

4.4.1 功率特性及伏安特性92

4.4.2 输出光谱与辐射图案93

4.4.3 转换效率96

4.4.4 温度特性97

4.4.5 功率特性扭折（kink）98

4.4.6 跳模（hop）和频率扫动（chirp）98

4.4.7 张弛振荡（relaxation oscillation）和自脉动（self-pulsation）99

4.4.8 调制特性101

4.4.9 噪声特性102

4.5 半导体激光器组件105

4.5.1 半导体激光器管芯的封装105

4.5.2 半导体激光器组件106

4.5.3 光源与光纤的耦合109

4.6 半导体激光器的偏置、控制和驱动110

4.6.1 自动温度控制（ATC）110

4.6.2 自动功率控制（APC）113

4.6.3 激光器动态驱动与保护114

4.7 光探测器工作原理116

4.7.1 光纤通信对光探测器的要求和光探测器分类116

4.7.2 半导体PIN的本征光吸收116

4.7.3 半导体pn结中的碰撞雪崩效应119

4.8 光探测器的散弹噪声分析121

4.9 光探测器的结构124

4.9.1 PIN光电二极管124

4.9.2 APD光电二极管125

4.1 0光收发器模块127

参考文献130

第5章 电视信号编码与数字传输体制132

5.1 模拟电视信号数字化与PCM编码132

5.1.1 模拟电视信号的特征132

5.1.2 电视信号数字化的必要性135

5.1.3 PCM编码原理138

5.1.4 电视信号编码参数及编码标准143

5.2 电视信号的压缩编码方法148

5.2.1 图像压缩编码原理概述148

5.2.2 活动图像专家组与MPEG-2标准155

5.2.3 MPEG-4与H.2 64165

5.3 数字信号时分复用概念169

5.3.1 数字信号的传输方式169

5.3.2 时分复用概念169

5.3.3 准同步数字等级（PDH）标准171

5.4 同步数字等级（SDH）标准172

5.4.1 同步数字等级概念的产生172

5.4.2 SDH的速率与帧结构172

5.4.3 同步复用与映射结构174

5.4.4 光同步数字传输网176

参考文献179

第2篇 光纤传输系统与光接入网182

第6章 数字光纤通信系统设计182

6.1 概述182

6.2 光接收机的噪声分析184

6.2.1 光接收机模型184

6.2.2 放大器电路噪声189

6.2.3 波形因子的计算192

6.3 误码率的高斯逼近算法195

6.3.1 误码率195

6.3.2 光接收机灵敏度与最佳雪崩增益197

6.4 光接收机电路199

6.4.1 前置放大器199

6.4.2 均衡放大器204

6.5 定时提取与判决再生205

6.6 数字光纤通信系统链路设计212

6.6.1 损耗限制情况213

6.6.2 色散限制情况214

6.7 数字光纤传输系统的指针与测试218

6.7.1 数字光纤传输设备的技术指针218

6.7.2 光接口指针与测试222

6.7.3 SDH电接口指针与测试223

参考文献225

第7章 副载波复用（SCM）模拟电视光纤传输系统227

7.1 模拟视频／音频光纤传输方式227

7.2 副载波复用（SCM）光纤传输系统概述228

7.3 FM光纤传输系统229

7.3.1 FM光纤传输系统的构成与分析229

7.3.2 微波SCM光纤传输系统231

7.4 AM-VSB光纤传输系统233

7.4.1 AM-VSB光纤传输系统的构成233

7.4.2 AM-VSB光纤传输系统的载噪比236

7.4.3 影响AM-VSB光纤传输系统载噪比的其他因素238

7.4.4 AM-VSB光纤传输系统的非线性失真241

7.4.5 对削波决定的AM-VSB光发送机CSO、CTB的分析246

7.4.6 半导体激光器非线性的预失真补偿252

7.5 AM-VSB外调制光纤传输系统255

7.5.1 为什么要利用1550 nm波长255

7.5.2 1550 nm外调制光纤传输系统的组成256

7.5.3 外调制器造成的系统CSO失真分析257

7.5.4 外调制器的预失真补偿259

7.6 HFC网的结构与设计261

7.6.1 光纤传输用于有线电视网的优点261

7.6.2 光纤CATV网的网络拓扑与结构263

7.6.3 光纤CATV网光缆干线的设计265

7.7 光纤CATV网上行通道的设计270

7.7.1 光纤CATV网上行通道的构成270

7.7.2 上行通道损耗偏差271

7.7.3 上行通道的均衡274

7.7.4 上行通道的电平设置274

7.8 光纤CATV网的测量281

7.8.1 概述281

7.8.2 载噪比C/N的测量283

7.8.3 组合三阶差拍CTB的测量288

7.8.4 组合二阶互调CSO的测量292

7.8.5 载波电平及频率的测量294

参考文献299

第8章 数字调制SCM光纤传输系统301

8.1 载波数字传输系统基本原理301

8.1.1 载波数字调制概述301

8.1.2 四相相移键控（QPSK）302

8.1.3 正交幅度调制（M2QAM）306

8.1.4 各种数字调制方式的比较308

8.1.5 多载波调制技术309

8.2 载波数字电视传输系统的光链路分析312

8.2.1 数字电视传输系统的射频指标312

8.2.2 数字电视光链路的均方光调制指数314

8.2.3 数字电视光链路输出信号功率与非线性失真功率316

8.2.4 数字电视光链路MER和误码率分析及优化320

8.2.5 分析结论324

8.3 HFC网上行信道的噪声测量与分析325

8.3.1 HFC网的结构噪声325

8.3.2 HFC网的侵入干扰327

8.3.3 HFC网上行信道干扰与噪声的测量333

8.4 上行信道噪声与干扰对QPSK调制解调器的影响335

8.4.1 噪声模型335

8.4.2 QPSK符号差错率的级数计算方法338

8.4.3 QPSK符号差错率的计算结果339

参考文献341

第9章 光纤放大器及1550 nm SCM光纤传输系统344

9.1 引入光放大器的优越性344

9.2 掺铒光纤放大器原理345

9.2.1 掺铒光纤特性345

9.2.2 掺铒光纤放大器的泵浦347

9.2.3 掺铒光纤放大器的结构348

9.2.4 掺铒光纤放大器的性能参数349

9.3 掺铒光纤放大器特性分析350

9.3.1 速率方程350

9.3.2 数值计算351

9.3.3 性能分析352

9.3.4 功率放大器的量子转换效率355

9.4 掺铒光纤放大器的噪声355

9.4.1 掺铒光纤放大器的噪声系数355

9.4.2 掺铒光纤放大器噪声的优化357

9.5 用于电视分配网的掺铒光纤放大器359

9.5.1 掺铒光纤放大器的增益线性359

9.5.2 含掺铒光纤放大器的电视传输系统的噪声特性360

9.5.3 掺铒光纤放大器噪声系数对系统载噪比的影响362

9.5.4 光纤传输系统中由EDFA增益倾斜引入的失真364

9.5.5 含EDFA的超干线模拟光纤传输系统的结构366

9.5.6 光纤放大器链路饱和输出功率的控制368

9.6 铒镱共掺包层泵浦光纤放大器368

9.6.1 铒镱共掺光纤放大器原理368

9.6.2 铒镱共掺包层泵浦光纤放大器YEDFA的性能371

9.7 受激拉曼光纤放大器372

9.7.1 光纤中的受激拉曼效应372

9.7.2 拉曼光纤放大器373

9.8 超长距离1550 nm SCM光纤传输系统设计375

9.8.1 光纤中的受激布里渊散射376

9.8.2 光纤色散对系统CSO的影响379

9.8.3 光纤中的自相位调制对系统CSO的影响380

9.8.4 多EDFA级联的超长距离光纤传输系统的CSO分析381

9.8.5 超长距离1550 nm光纤SCM系统的色散补偿386

附录：在放大器输出端信号—荧光差拍噪声与荧光—荧光差拍噪声公式的推导395

参考文献397

第10章 光接入网399

10.1 无源光网（PON）399

10.1.1 无源光网的概念和优越性399

10.1.2 无源光网的品种400

10.2 EPON的标准402

10.2.1 以太接入网概念402

10.2.2 EPON物理层的协调子层（RS）404

10.2.3 EPON物理层的物理编码子层（PCS）407

10.2.4 EPON物理层的物理介质附加（PMA）子层409

10.2.5 EPON物理层的物理媒质依赖（PMD）子层410

10.2.6 EPON的MAC控制子层及MPCP协议411

10.2.7 EPON的运行、管理、维护（OAM）子层421

10.3 10 G-EPON协议425

10.3.1 10 G-EPON的市场驱动力425

10.3.2 10G-EPON标准制定的指导思想426

10.3.3 10G-EPON的协议栈427

10.3.4 10 G-EPON的物理层427

10.3.5 10 G-EPON的RS与XGMII接口436

10.3.6 10 G-EPON的MPCP子层436

10.3.7 10 G-EPON应用模式438

10.4 1／10 G-EPON与HFC结合构造全业务光接入网439

10.4.1 HFC叠加EPON的思路439

10.4.2 HFC叠加EPON的技术可行性分析440

参考文献447

第3篇 网络融合与未来发展趋势450

第11章 信息高速公路与宽带接入网450

11.1 信息高速公路与Internet450

11.2 计算机网络与以太网451

11.2.1 计算机网络的分层结构和协议栈451

11.2.2 以太网的发展457

11.3 宽带接入网458

11.3.1 接入网的定义和宽带接入网的分类458

11.3.2 光纤同轴混合（HFC）网与Cable Modem459

11.3.3 光电结合宽带接入网的比较467

11.3.4 宽带接入网的最终出路——FTTB/H469

参考文献472

第12章 同轴接入网与家庭网络473

12.1 信息高速公路的最后100 m问题473

12.1.1 信息高速公路的最后100 m问题的由来473

12.1.2 楼宇同轴以太网的网络拓扑构造473

12.1.3 楼宇同轴网的物理特性474

12.1.4 楼宇接入网与家庭网络的联系和区别475

12.1.5 EoC技术的分类476

12.2 各种EoC技术概述477

12.2.1 电话线家庭网络技术HPNA477

12.2.2 电力线通信技术PLC477

12.2.3 统一的家庭网络技术ITU-T G.hn与IEEE 1901480

12.2.4 降频WiFi技术488

12.2.5 同轴电缆多媒体技术MoCA与c.LINK489

12.2.6 DOCSIS-EoC497

12.3 以太无源同轴电缆技术EPoC的重要性和发展前景498

12.3.1 EPON+EoC的共同问题498

12.3.2 同轴透传以太无源网络的概念499

12.3.3 EPoC的协议栈500

12.3.4 EPoC的射频数字调制体制501

12.3.5 EPoC的频道安排501

12.3.6 EPoC的RF管理502

12.3.7 EPoC的优势和国际标准的制定502

参考文献503

第13章 下一代广播电视网与三网融合505

13.1 三网融合的世界发展趋势505

13.1.1 电信与广播立法506

13.1.2 管理机构、体制与政策507

13.1.3 业务发展509

13.1.4 技术进步511

13.2 下一代广播电视网（NGB）技术512

13.2.1 NGN、NGI的异同512

13.2.2 什么是NGB及其与NGN的关系513

13.2.3 NGB的内容和规划514

13.3 中国三网融合的发展前景518

13.3.1 光纤到家成为国家战略518

13.3.2 三网融合试点启动519

参考文献520