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出版者:化学工业

作者:朱小龙

出品人:

页数:376

译者:

出版时间:2004-1

价格:42.00元

装帧:

isbn号码:9787502558215

丛书系列:

图书标签:

• 数字通信
• 通信原理
• 信号处理
• 调制解调
• 信道编码
• 无线通信
• 信息论
• 通信系统
• 现代通信
• 移动通信

《光纤通信系统设计与优化》 图书简介 本书深入探讨了现代光纤通信系统的设计原理、关键技术及其优化策略，旨在为通信工程专业人员、科研人员以及高年级本科生和研究生提供一本全面、深入且具有实践指导意义的参考手册。本书内容基于当前光通信领域的前沿发展和行业标准，侧重于理论与工程应用的紧密结合，力求构建从基础理论到复杂系统集成的完整知识体系。 全书共分为六大部分，涵盖了光纤通信的理论基础、器件原理、系统架构、传输性能、网络集成与未来趋势。 --- 第一部分：光纤通信基础理论与传输介质 本部分首先回顾了电磁波理论在光通信中的应用基础，重点剖析了光纤作为核心传输介质的物理特性。 1.1 光纤的物理特性与模式理论： 详细阐述了光在光纤中的传播机理，包括几何光学模型与波动光学模型的互补应用。深入分析了单模光纤（SMF）和多模光纤（MMF）的结构、色散特性及模场直径（MFD）的工程意义。特别强调了有效折射率、截止波长和归一化频率（V数）的精确计算方法。 1.2 光纤的损耗机制： 系统分析了光纤中的主要损耗来源，包括吸收损耗（瑞利散射、紫外吸收、红外吸收）和散射损耗（瑞利散射）。提供了不同波长窗口下（如1310nm和1550nm）损耗的实际曲线分析，并讲解了如何通过优化光纤制造工艺来抑制瑞利散射，以实现超低损耗传输。 1.3 色散理论与补偿： 色散是限制高速长距离通信的关键因素。本书详尽解析了材料色散、波导色散和总群速度色散（GVD）。通过建立色散方程，推导了零色散波长点。针对色散的负面影响，本书系统介绍了色散补偿技术，包括：后向传输补偿、内置色散补偿光纤（DCF）的设计参数、以及基于布拉格光栅（FBG）的精确补偿方法。 1.4 非线性效应的引入与建模： 随着光功率密度的提高，光纤中的非线性效应成为主要的性能瓶颈。本书详细介绍了四波混频（FWM）、受激拉曼散射（SRS）、受激康普顿散射（SCS）以及自相位调制（SPM）和交叉相位调制（XPM）的物理机理。为工程设计提供了非线性克制因子（NLF）的评估模型。 --- 第二部分：光电器件与关键模块 本部分聚焦于光通信系统中实现光信号的产生、调制、接收和放大的核心有源与无源器件。 2.1 光源技术： 深入对比了半导体激光器（DFB、DBR）和光纤激光器的结构、工作原理及性能指标。重点分析了激光器的线宽、边模抑制比（SMSR）和相位噪声对系统误码率（BER）的影响。 2.2 光调制器与解调器： 详细讲解了电光调制技术，包括马赫-曾德尔调制器（MZM）和铌酸锂（LN）调制器的静态与动态特性。针对高速相干通信，本书详细阐述了偏振分复用（PDM）和多电平调制（如QPSK、16-QAM）的星座图、眼图分析及其对调制器线性度的要求。 2.3 光放大技术： 全面覆盖了光通信中的三大主流放大技术。首先是掺铒光纤放大器（EDFA）的增益机制、饱和特性和噪声系数的精确计算。其次，介绍了半导体光放大器（SOA）在动态光网中的应用。最后，探讨了拉曼放大器在超长距离和特高信噪比应用中的优势与挑战。 2.4 光电探测器与接收机： 剖析了PIN二极管和雪崩光电二极管（APD）的工作原理、响应速度和量子效率。重点讲解了相干接收机的结构，包括本振光注入、偏振分束器（PBS）和全数字信号处理（DSP）在实现相位恢复和偏振解耦中的作用。 --- 第三部分：系统架构与性能评估 本部分将理论应用于实际系统构建，详细分析了不同代际通信系统的架构和性能指标的量化。 3.1 模拟与数字通信系统： 对比了早期的模拟光通信和现代的数字光通信系统。着重于数字系统的性能评估，如信噪比（SNR）、光信噪比（OSNR）的定义、测量方法及其与误码率（BER）的转换关系。 3.2 强度调制/直接检测（IM/DD）系统设计： 针对中短距离的接入网和城域网应用，本书给出了调制指标（如RIN、啁啾参数）对系统性能的约束。提供了基于升余弦滤波器的脉冲成型设计指南。 3.3 相干光通信系统（Coherent Optical Systems）： 作为当前干线网的主流技术，本书详细介绍了相干系统的信号处理流程：从频偏估计、相位估计到色散补偿和偏振解耦。分析了DSP在提高系统容量和容错能力中的核心地位。 3.4 传输容量与频谱效率的提升： 阐述了如何通过波分复用（WDM）技术实现光纤容量的倍增。详细分析了粗波分复用（CWDM）和密集波分复用（DWDM）系统的信道间隔、滤波器设计和通道串扰抑制技术。同时，探讨了如何通过高阶调制格式（如256QAM）来提高频谱效率。 --- 第四部分：网络集成与光交换技术 本部分关注如何将光纤传输链路集成到实际的网络基础设施中，并探讨光层网络的动态配置能力。 4.1 局向传输网络（Access Networks）： 详细分析了无源光网络（PON）的架构，特别是GPON和下一代XGS-PON的技术规范、上下行时分复用（TDMA/TDDS）机制以及光功率预算的计算。 4.2 全光网络（All-Optical Networking）： 探讨了传统电-光-电（O-E-O）转换带来的瓶颈。重点介绍了光开关、光交叉连接（OXC）和可重构波长选择开关（ROADM）的工作原理，以及它们在动态波长分配和网络保护切换中的应用。 4.3 动态网络流量管理： 讨论了如何在光层实现业务的快速部署和疏导，包括基于波长的路由（LWR）和基于光突发交换（OBS）的缓冲机制。 --- 第五部分：系统优化、维护与可靠性 本部分侧重于工程实践中的优化手段和系统保障措施。 5.1 链路预算与功率管理： 提供了光纤链路的完整功率预算计算流程，包括发射功率、接收灵敏度、各器件的插入损耗以及安全裕度（Fade Margin）的确定。 5.2 噪声管理与码型效应： 针对长距离传输，详细分析了EDFA的ASE噪声与信道间的串扰如何累积。探讨了如何利用电子色散补偿器（EDC）和前馈均衡（FFE）来缓解码间串扰（ISI）。 5.3 监测、保护与恢复（MP&R）： 详细介绍了光纤链路的实时监测技术，包括光功率监测、OSNR动态监测和光纤陀螺监测。阐述了1+1、1:1备份保护机制以及光纤层面的自动保护倒换（APS）协议流程。 --- 第六部分：前沿技术与未来展望 最后，本书展望了光通信领域正在快速发展的几个热点方向。 6.1 空分复用（SDM）技术： 介绍了多芯光纤（MCF）和少模光纤（Few-Mode Fiber, FMF）的结构、耦合问题和串扰抑制方法，分析其在单纤容量突破Gbps/Tbps级别上的潜力。 6.2 硅光子集成（Silicon Photonics）： 探讨了基于CMOS工艺的片上集成技术在光互连和相干收发模块上的发展，尤其关注其在数据中心内部互连中的应用。 6.3 量子通信与光网络融合： 简要介绍了量子密钥分发（QKD）与现有经典光网络的接口和共存挑战。 --- 适用对象： 本书内容结构严谨，理论推导详尽，公式完备，非常适合作为高等院校通信工程、电子信息工程专业的研究生教材或高年级本科生参考书。同时，对于在运营商、设备制造商或第三方服务公司工作的光网络工程师和系统集成工程师，本书提供了解决复杂系统设计难题的工程化工具和思路。通过对光纤非线性、相干检测等前沿章节的学习，读者能够掌握支撑下一代超高速通信网络的核心技术。

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我一直认为，一本优秀的专业书籍，应该能够反映出行业前沿的脉络，而不仅仅是复述经典理论。翻阅这本书的后半部分，明显能感受到作者对新兴技术的关注与整合。虽然我们知道书名聚焦于“技术”本身，但书中对5G乃至未来6G的一些关键概念，比如毫米波传播特性、波束赋形的基本原理，都有相当深入的探讨，而且这些内容的引入非常自然，仿佛是现有技术发展的必然趋势。例如，在讨论衰落信道对数据传输的破坏性时，作者顺理成章地引出了大规模MIMO如何利用空间复用增益来克服传统衰落的限制。更让人眼前一亮的是，书中对“软件定义无线电（SDR）”和“认知无线电”的讨论，它没有将其视为独立的章节，而是将其融入到不同层次的系统设计中，强调了硬件可重构性对于实现更灵活通信协议的重要性。这使得整本书的知识体系显得更加“立体”和“面向未来”，让人感觉到阅读的知识并非是静止的，而是处于持续演进中的鲜活领域。

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我对技术书籍的阅读习惯通常比较挑剔，尤其看重作者对细节的把握和逻辑的严密性。在这本书中，我惊喜地发现作者在处理关键的性能指标时，展现出了一种近乎偏执的严谨。比如，在讨论误码率（BER）的下降曲线时，作者不仅给出了理论的渐进分析，还非常详尽地对比了在不同信噪比条件下，不同调制方案（如QPSK、16QAM）的实际性能差异，甚至附带了仿真数据的简要说明，尽管没有给出完整的代码，但其对曲线形态背后物理意义的解释，远超一般教材的深度。更值得称赞的是，对于那些容易混淆的概念，例如“信道容量”与“实际传输速率”之间的关系，作者用了一种层层递进的剖析方式，先定义了香农极限，然后紧接着讨论了实际系统中由于编码效率、帧结构带来的损耗，最后落脚到如何通过引入MIMO技术来突破传统单天线限制。这种从抽象理论到具体工程约束的过渡，处理得非常自然流畅，让人感觉每一个技术选择背后都有其深刻的工程考量，而不是凭空想象出来的最佳方案。这本书的价值，就在于它能让你在看到“为什么能行”的同时，也明白“为什么不能更好”的局限性。

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阅读体验的流畅性，往往决定了一本书能否被坚持读完。这本书在这方面做得非常出色，它并没有采用那种生硬的章节划分，而是将知识点串联成了一系列引人入胜的“技术故事”。举个例子，当讲解到多址接入技术时，作者并没有简单地罗列FDMA、TDMA、CDMA的定义，而是设想了一个场景：一群人在一个拥挤的宴会上如何轮流发言，以此引出时间、频率和码分的调度逻辑。这种叙事手法极大地降低了学习曲线的陡峭程度。特别是对于那些涉及时域和频域变换的内容，作者借助大量的图示，将抽象的频谱结构具象化，使得原本令人头疼的脉冲成形和滤波设计，变得清晰可见。我特别喜欢其中关于“功率与带宽的权衡”那一节的探讨，它没有直接给出帕累托最优的结论，而是通过一个假设的监管机构对频谱资源的限制，引导读者去思考在实际部署中，如何根据业务需求（比如低延迟视频流对带宽要求高，而安全监控对可靠性要求高）来动态调整设计参数。这种带着读者“一起做决策”的方式，使得学习过程充满了主动探索的乐趣，而不是被动接受知识灌输。

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这本书的书名实在太直白了，初拿到手时，心里其实有点打鼓。我本以为会是一本晦涩难懂的教科书，堆满了密密麻麻的公式和理论推导，毕竟“技术”二字常常伴随着枯燥。然而，翻开第一章，我就被作者的叙事方式吸引住了。它没有一上来就抛出复杂的傅里叶变换或者信道编码的细节，而是从宏观的视角，描绘了信息是如何从一个点传输到另一个点的“历史画卷”。作者巧妙地运用了大量生动的比喻，比如将信道想象成一条充满回音和杂音的古老隧道，而信号的调制和解调，则像是古代的信使在复杂的环境中如何确保信息不被篡改和丢失。特别是关于噪声处理的那一部分，描述得极为形象，它将随机过程的数学概念，转化为了读者可以感同身受的“信息海洋中的涟漪”，让人明白了为什么我们需要那些复杂的均衡器和滤波器。这本书的优势在于，它似乎在努力地弥合理论与实践之间的鸿沟，即便是对通信基础了解不深的工程人员，也能从中找到理解深层原理的钥匙。它更像是一位经验丰富的老工程师，带着你一起回顾那些奠定现代通信基石的伟大思想，而不是冷冰冰的公式手册。读完前几章，我感觉自己对整个通信系统的架构有了一个更清晰、更有层次感的认知，这对于后续深入学习特定模块，无疑是一个极佳的铺垫。

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与其他技术书籍相比，这本书最令人印象深刻的是它对“工程实现约束”的深度关照。很多理论书籍止步于理想模型，但这本书却始终将读者拉回现实世界的限制中思考。例如，在讲解信道估计时，作者花了大量篇幅讨论了训练序列的设计、代价函数的选择，以及如何在有限的计算资源下，权衡估计的准确性和实时性。这对于我们这些需要将理论转化为实际产品的人来说，无疑是极其宝贵的经验。它不仅仅告诉你“应该怎么做”，更重要的是告诉你“为什么不能完全照做”，以及“在什么情况下可以妥协”。书中对功耗预算的分析也相当细致，它将基带处理的复杂度和射频前端的能耗紧密联系起来，展示了一个完整的系统级功耗优化视角。这种深入到器件和算法层面的工程哲学，让这本书的实用价值远远超越了纯理论的范畴，它更像是一份从概念验证到大规模部署的“实战指南”，让我在面对实际项目时，能有更全局的、更务实的决策基础。

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