计算机网络设计第2版-易建勋-第08章光纤通信工程设计[

主讲：易建勋第1页共150页第8章光纤通信工程设计8.1光纤与光缆【重点】8.2光纤通信设备8.3光纤通信工程设计【重点】8.4光缆线路施工与验收主讲：易建勋第2页共150页8.1光纤与光缆主讲：易建勋第3页共150页8.1光纤与光缆8.1.1光纤通信系统结构1.光纤通信系统概述光纤通信原理：光纤中无光信号为0码，有光信号则为1码。优点：通信容量大（单根光纤理论容量可达20Tbit/s以上），保密好（不易窃听），抗电磁波辐射干扰，防雷击，传输距离长（不中继可达600km）。缺点：光纤连接困难，成本较高。主讲：易建勋第4页共150页8.1光纤与光缆模拟光纤通信系统主要用于模拟电视信号传输、模拟视频监控系统等。通信网络和计算机网络都采用数字通信系统。光纤能不能进行双向和多波长传输，取决于采用的传输技术和光源技术。以太网目前采用单光纤下的单波长和单向传输。采用WDM（波分复用）技术，可以实现单根光纤下的多波长同时传输，甚至单根光纤下的双向多波长信号传输。主讲：易建勋第5页共150页8.1光纤与光缆2.光纤通信系统基本组成数字光纤通信系统包括：光发射机、光缆、光中继器、光接收机。[P194图8-1]单向数字光纤通信系统基本组成主讲：易建勋第6页共150页8.1光纤与光缆（1）光发射机光发射机的功能是实现电-光转换。组成：光源、驱动电路和调制器等。功能：将电信号调制成光信号。光源采用发光二极管（LED）或激光二极管（LD）。（2）光接收机光接收机的功能是实现光-电转换。组成：光检测器和信号放大器等。光信号检测器采用半导体光电二极管（PD）。主讲：易建勋第7页共150页8.1光纤与光缆（3）光纤或光缆光纤构成光传输通道，完成光信号的传送任务。（4）中继器组成：光检测器、光源和判决再生电路等。功能：补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；对波形失真的光脉冲进行整形放大。主讲：易建勋第8页共150页8.1光纤与光缆8.1.2光纤结构和类型1．光纤的基本结构光纤由纤芯、包层、涂层、表皮等组成多条光纤制作在一起时称为光缆。[P194图8-2]光纤和光缆的结构主讲：易建勋第9页共150页8.1光纤与光缆纤芯采用高纯度SiO2，以提高纤芯的光折射率。包层也采用高纯度SiO2，光折射率低于纤芯。涂层保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤。光缆中的芳纶纱等材料，是增加光缆的机械强度。主讲：易建勋第10页共150页8.1光纤与光缆2.光信号在光纤中的传输光纤中纤芯与包层的折射率不同，光源通过特定角度射入光纤后，光纤的包层像一面镜子，使光在纤芯内不断折射前进。光在光纤中的传输路径称为“模”。传输多路径光波的光纤称为多模光纤（MMF）。可将多模光纤简单理解为传输多束光波的光纤。多模光纤只能单向传输，而且不能同时传输多个光波信号。主讲：易建勋第11页共150页8.1光纤与光缆[P195图8-3]光信号在光纤中的传输过程主讲：易建勋第12页共150页8.1光纤与光缆3．多模光纤的基本技术特征突变型多模光纤用于小容量短距离网络。渐变型多模光纤用于中等容量和中等距离网络。单模光纤用于大容量长距离网络系统。多模光纤由于纤芯直径较大，具有较强的集光能力和抗弯曲能力，特别适合于局域网应用。为了降低局域网成本，多模光纤普遍采用价格低廉的发光二极管（LED）作为光源。主讲：易建勋第13页共150页8.1光纤与光缆4．单模光纤的基本技术特征当光纤纤芯的尺寸与光波的波长大致相同时，如纤芯直径在5～10μm时，光波在光纤中以一种模式传播，这种光纤称为单模光纤。可将单模光纤简单的理解为传输一束光波的光纤。单模光纤具有极大的传输带宽，特别适用于大容量和长距离的通信系统。特种单模光纤：双包层单模光纤，三角芯单模光纤，椭圆芯单模光纤等。主讲：易建勋第14页共150页8.1光纤与光缆[案例]特种光纤主讲：易建勋第15页共150页8.1光纤与光缆5．光纤的技术标准多模光纤国际标准有：ITU-TG.651-1998单模光纤的国际标准有：ITU-TG.652-2000ITU-TG.653-2000ITU-TG.654-2000ITU-TG.655-2000ITU-TG.656-2004等。主讲：易建勋第16页共150页8.1光纤与光缆我国大部分城域网采用G.652.a和G.652.b类光纤，这类光纤占总光纤用量的70％左右。G.652.c和G.655光纤主要用于构建大城市的城域网和省际骨干传输网。计算机局域网大量使用G.651多模光纤。G.653和G.654类光纤在国内很少使用。G.655光纤将成为长途骨干传输网的首选光纤。主讲：易建勋第17页共150页8.1光纤与光缆8.1.3光纤的传输特性1.光纤的波段与工作窗口光纤理论带宽非常高，是一种完美的信号传输介质。目前光纤的传输能力与理论值相差较远，光纤的传输能力仅仅是打开了几个窗口而已。ITU-T将光纤可用波段划分为：O（第2窗口）、E、S、C（第3窗口）、L、U六个波段。主讲：易建勋第18页共150页8.1光纤与光缆光纤通信工作波长范围为850～1550nm（频率范围180～300THz），除离子吸收峰（OH-）处外，光纤的损耗随波长的增加而减小。在波长为850nm、1310nm和1550nm处，有3个损耗很小的波长“窗口”。[P197图8-4]普通光纤的传输损耗特性曲线主讲：易建勋第19页共150页8.1光纤与光缆2.光纤通信的最大理论容量目前只利用了光纤低损耗频谱中极少的一部分以2.5G的城域网SDH系统为例，单波光信号占用的频谱宽度大约只有0.02nm左右。目前单模光纤可利用频谱宽度（波长范围）为200nm左右，即25THz（125GHz/nm），如果按照波长间隔为0.8nm（100GHz）计算，理论上可以同时开通250多个波长的DWDM系统。主讲：易建勋第20页共150页8.1光纤与光缆如果采用0.4nm（50GHz）的波长间隔进行DWDM通信，大约能安排500个波长，如果每个波长最大传输速率为40Gbit/s，则单根光纤的通信容量理论上可以达到20Tbit/s（500×40）左右。如果在传输损耗方面打通1310nm、1550nm两个传输窗口（全波光纤消除了1383处的吸收峰），使低损耗窗口扩展至1280～1685nm（大约50THz），则光纤通信可以得到更大的传输容量。主讲：易建勋第21页共150页8.1光纤与光缆3.光纤的技术参数光纤的技术参数可分为：几何特性参数、光学特性参数与传输特性参数。传输特性参数包括：衰减系数色散非线性特性等。光纤通信系统中，信号产生畸变的主要原因是光纤中存在损耗和色散。损耗限制了传输距离，色散则限制了传输容量。主讲：易建勋第22页共150页8.1光纤与光缆[案例]光纤中继距离与传输速率的关系主讲：易建勋第23页共150页8.1光纤与光缆（1）信道容量信道容量指单根光纤的最大通信容量，单位Mbit/s·km或Gbit/s·km。光纤带宽越大，信道容量越大；带宽取决于光纤载波频率，载波频率越高，带宽越大。目前商用光纤的单波长信道容量达40Gbit/s；实验室光纤信道总容量达到5Tbit/s（128个波长×40Gbit/s，传输距离为：3中继×100km）。主讲：易建勋第24页共150页8.1光纤与光缆（2）衰减特性衰减特性决定了光纤通信的中继距离。多模光纤在900nm波长处的损耗为3dB/km，这表示传输1km后，信号光功率将损失50％；2km后损失达75％（损失6dB）。例如，波长为1550nm的单模光纤通信系统，如果传输速率为2.5Gbit/s，则中继距离为150km；如果传输速率提高到10Gbit/s，则中继距离会降低到100km。主讲：易建勋第25页共150页8.1光纤与光缆（3）色散特性模式色散为光信号随传输距离增大时的光线扩散。色散分为：模式色散，材料色散和波导色散。模式色散是对多模光纤而言，单模光纤只有一种传播模式，不存在模式色散。材料色散是指组成光纤的材料（二氧化硅）本身产生的色散。波导色散是指由光纤的波导结构引起的色散。色散单位为ps/nm·km，它会引起光脉冲展宽和码间串扰，影响通信距离和信道容量。主讲：易建勋第26页共150页8.1光纤与光缆（4）数值孔径（NA）只有某个角度范围内的入射光才能够传输，这个角度称为光纤的数值孔径。NA值越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高；NA值越大，纤芯对光能的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好；但NA值越大时，光纤传输后产生的信号畸变也越大，因而限制了光纤传输容量。ITU-T规定：多模渐变型光纤的NA=0.18～0.24，单模光纤的NA≈0.11。主讲：易建勋第27页共150页8.1光纤与光缆（5）啁啾（zhōujiū，周纠）啁啾是对脉冲进行编码时，载频脉冲线性增加，当脉冲变化到音频区段时，会发出一种听起来像鸟叫的啁啾声。光脉冲传输时，中心波长发生偏移的现象也称为“啁啾”。（6）四波混频（FWM）效应指多个光信号之间相互作用产生新的频率干扰。主讲：易建勋第28页共150页8.1光纤与光缆8.1.4光缆结构和类型1.光缆的类型与结构光缆结构有：层绞式、骨架式、中心管式（束管式）和带状式等。[P199图8-6]光缆的结构形式主讲：易建勋第29页共150页8.1光纤与光缆[案例]室外铠装光缆主讲：易建勋第30页共150页8.1光纤与光缆[案例]6～48芯松套层绞式室外光缆主讲：易建勋第31页共150页8.1光纤与光缆[案例]室外光电混合式光缆主讲：易建勋第32页共150页8.1光纤与光缆[案例]室外铠装多模光缆技术参数主讲：易建勋第33页共150页8.1光纤与光缆[案例]室内光缆主讲：易建勋第34页共150页8.1光纤与光缆[案例]塑料光纤（用于灯光装饰）主讲：易建勋第35页共150页8.1光纤与光缆2.光缆的材料与质量（1）外护套室内光缆外表光滑明亮，柔韧性较好。室外光缆外表平整光亮，没有气泡。（2）光纤如果施工中遇到：带宽很窄，传输距离短，粗细不均匀，不能和尾纤对接，光纤缺乏柔韧性，盘纤时容易折断等现象，说明光纤质量不好。（3）加强钢丝室外光缆的钢丝一般不易生锈，强度高。主讲：易建勋第36页共150页8.1光纤与光缆（4）金属铠装（5）防水油膏光纤对水和潮气非常敏感，水或潮气渗透到光纤中时，会导致光纤表面的微裂纹迅速扩张而致使光纤断裂。同时，水与光纤中金属材料的化学反应产生的氢，会引起光纤的氢损。光缆中的防水油膏可以防止光纤氧化。（6）抗拉材料室内光缆一般用芳纶纱作为抗拉材料，芳纶纱是一种高强度的化学纤维。主讲：易建勋第37页共150页8.1光纤与光缆3.光纤跳线（尾纤）由于光缆有较厚的保护层，弯曲性能不好，不能直接连接到网络设备中，因此，往往利用光纤跳线（也称为尾纤）来连接从网络设备与光缆链路。[P200图8-7]光纤跳线主讲：易建勋第38页共150页8.1光纤与光缆[案例]光纤跳线主讲：易建勋第39页共150页8.1光纤与光缆[案例]多模光纤跳线与网络设备的连接主讲：易建勋第40页共150页8.1光纤与光缆单模光纤跳线一般用黄色表示，接头和塑料保护套为蓝色。多模光纤跳线一般用橙色表示，保护套用黑色。尾纤的纤芯直径必须与主干光缆相同。尾纤两端光模块的收发波长必须一致。尾纤不使用时，要用保护套将光纤接头保护起来，避免灰尘损害光纤的耦合性能。光纤中的激光会对人的视网膜造成不可救治的损害，因此不要直视通电中的光纤。主讲：易建勋第41页共150页8.1光纤与光缆8.1.5光纤连接器类型1．光纤连接器的结构光纤连接器采用高精密组件（2个插针和1个套管）实现光纤的对准连接。[P200图8-8]光纤连接器结构主讲：易建勋第42页共150页8.1光纤与光缆光纤连接器大多有金属或塑料的法兰盘，以便于连接器的安装固定。[P201图8-9]常用光纤连接器类型主讲：易建勋第43页共150页8.1光纤与光缆[案例]光纤连接器类型主讲：易建勋第44页共150页8.1光纤与光缆[案例]光纤连接器类型主讲：易建勋第45页共150页8.1光纤与光缆光纤连接器一般需要与光纤