现代电信交换第03章传送网的传输介质.

北京化工大学信息科学与技术学院谢晓明制作通信网络技术第3章传送网的传输介质第3章传送网的传输介质3.1传输介质概述3.2光纤通信技术3.3光波分复用3.4全光网络技术3.5微波传送网络技术3.6卫星传送网技术传输介质传输介质：•通信中收方与发方之间的物理路径有线线路•整个通信网资源中所占成本很大无线线路•可用频率的有限性常用传输介质1.双绞线•两根绝缘铜导线用规则的方法绞合，主要应用于电话系统•多芯对称电缆：6-3600对双绞线•传输距离：几km至几十km，距离长要加放大器或者中继器•价格较便宜、使用方便、安装容易•常用于用户环路常用传输介质2.同轴电缆•两个导体组成的一种圆轴状通信线路。内导体是一铜质芯线，外面包有绝缘层和网状编织物的外导体屏蔽层，最外面是塑料保护层。•用于传输较高速率的数据•曾用于局域网的早期。目前主要用于有线电视网•带宽取决于电缆质量，高质量的同轴电缆带宽已接近1GHz常用传输介质3.光纤•当今通信领域中重要的传输介质，为数据通信、远距离通信、宽带高速通信和海底传输系统的迅速发展提供了良好的技术支撑常用传输介质4.无线传输•短波通信和微波通信•短波通信：–3M~30MHz频段，主要靠电离层反射，通信质量较差，一般是低速传输•微波通信–300M~300GHz频段，主要使用2~40GHz频段–直线传播–地面微波接力通信和卫星通信–地面传播距离50km。若用100m高天线塔，可达100km。需要微波中继站进行接力传播第3章传送网的传输介质3.1传输介质概述3.2光纤通信技术3.3光波分复用3.4全光网络技术3.5微波传送网络技术3.6卫星传送网技术光纤通信的基本概念光纤通信的定义•光纤通信是指以光波为载波，用光导纤维作为传输媒介的一种通信方式。由于主要传输和处理的是数字信号，因此又称为数字光纤通信系统。光纤通信的基本概念电磁波谱•通信所用的波段是波长为千米至微米数量级范围。•通信的容量与电磁波频率成正比例的增长。将更高频率的电磁波用于通信技术是人们追求的目标。光纤通信的基本概念光纤通信的主要优点光纤通信系统和其他通信系统相比具有的优点：•频带宽，通信容量大：单模可达1.5THzKm量级。•传输损耗低，无中继距离长：石英光纤在1550nm波长可以达到0.2dB/km。•抗电磁干扰：不怕电磁干扰，不受外界光影响、不怕强电、雷电，抗核辐射等。•光纤通信串话小，保密性强，使用安全：光波集中在光纤芯子传输，向外泄漏很小。•体积小，重量轻，便于敷设：飞机、轮船、人造卫星和宇宙飞船上很适用。•材料资源丰富：SiO2资源丰富。光纤通信与电通信的区别•光纤通信与电通信的区别主要有两点：一是传输信号的区别，二是传输媒介的区别。•实现光纤通信必须解决光源和光纤技术通信形式区别光纤通信电通信传输信号光信号电信号传输媒介光导纤维金属线、无线光纤通信分类类别特点按光波长划分短波长光纤通信系统系统工作波长为0.8～0.9m，中继距离短，10km以内长波长光纤通信系统系统工作波长为1.0～1.6m，中继距离长，可达1000km以上超长波长光纤通信系统系统工作波长为2m以上，中继距离很长，可达100km以上，非石英光纤按光纤特点划分多模光纤通信系统石英多模光纤：传输容量较小，一般在140Mbit/s以下单模光纤通信系统石英单模光纤：传输容量大，一般在140Mbit/s以上光纤通信分类按传输信号形式划分光纤数字通信系统传输数字信号，抗干扰能力强光纤模拟通信系统传输模拟信号，适于短距离传输和模拟电视图像信号传输其他外差相干光纤通信系统光接收机灵敏度高，中继距离长，通信容量大，设备复杂全光通信系统全部利用光器件实现的系统，如光复用、光交换和光放大等波分复用系统（WDM）在一根光纤上可传输多个光载波信号，通信容量大，成本低光孤子通信系统以波形和幅度均不变的光脉冲（光孤子）方式实现光信号传输，利用光放大补充能量，可实现无光/电变换的长距离传输光纤通信系统组成•光发送机：内有光源、调制光载波、电光转换、耦合到光纤。•光接收机：内有光检测器、检测光信号、光电转换、对电信号放大整形再生。•中继器：将衰减和畸变的光信号放大、整形、再生成一定强度的光信号，送入光纤续传，保证通信质量。•目前主要采用的光纤通信系统多为数字编码、强度调制和直接检波的光纤通信系统调制光源中继器光检测器放大、再生电信号光纤电信号光纤光发送传输光接收光纤•光导纤维的简称，主要成分是石英玻璃（SiO2），是由含有不同折射率的纤芯和包层构成的同心圆柱体。•圆截面介质波导，由纤芯、包层、涂覆层组成。–纤芯：高度透明的材料构成；–包层：折射率略小于纤芯的材料；–涂覆层：增强光纤的柔韧性；–套塑层：提高光纤的机械强度。光纤光纤的分类1.按光纤横截面的折射率分布分类（1）阶跃光纤–折射率在纤芯和包层内均匀分布，在界面处突变。（2）渐变光纤–包层折射率均匀分布，纤芯折射率随半径加大而非均匀连续减小。（3）其它折射率光纤光纤光纤的分类2.按光纤中的传导模式数量分类•光是电磁波，沿光纤传输可能存在多种不同电磁场分布形式（即传播模式），能在光纤中远距离传输的传播模式称为传导模。–单模光纤只传输一种模式，即基模。纤芯直径约为4~10um，包层直径125um。适用于长距离、大容量传输。–多模光纤存在多个传导模式。纤芯一般为50um。适用于中距离、中容量传输。光纤光纤的分类2.按光纤中的传导模式数量分类•光纤中可传输的模式数量的多少取决于光纤的工作波长、光纤横截面折射率的分布和结构参数。•对于一根确定的光纤，当工作波长大于光纤的截止波长时，只能传输基模，为单模光纤，否则为多模光纤。3.按光纤构成的原材料分类•石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层光纤、全塑光纤等。光纤光纤的损耗特性•光纤对光波产生的衰减作用。用损耗系数来衡量。•是光纤很重要的传输参数，决定光纤质量和光纤通信系统的中继距离。•引起光纤损耗的因素：–吸收损耗、散射损耗和其它损耗。归纳为本征损耗、制造损耗和附加损耗。–此外还存在连接损耗、耦合损耗及非线性效应带来的散射损耗。光纤光纤的损耗特性•光纤的损耗特性曲线—损耗谱–将各类损耗相加就得到总的损耗，是一条随波长变化的曲线。–3个低损耗窗口：850nm、1310nm、1550nm。–衰减系数随波长的增长呈降低趋势；损耗的峰值主要与OH-离子有关；–波长大于1600nm时损耗增大的原因是由于石英玻璃的吸收损耗和微（或宏）观弯曲损耗引起。–光纤制造工艺可以消除1385nm附近的吸收峰，使光纤在整个1300~1600nm波段都有很低的损耗。光纤光纤的色散特性•色散概念–信号由不同频率成分和不同模式成分的光波所携带，由于不同频率成分和不同模式成分传输速度不同而导致信号畸变的一种物理现象。–在数字光纤通信系统中，色散使光脉冲发生展宽。色散严重时，会导致光脉冲前后相互重叠，造成码间干扰，增加误码率。–色散不仅影响光纤的传输容量，也限制了光纤通信系统的中继距离。光纤光纤的色散特性•色散表示法–表示法：色散系数、最大时延差、光纤的带宽。•色散种类–根据色散产生的原因，分：模式色散、材料色散和波导色散。–因为多种模式传输速度不一致产生的色散；由于折射率是波长的非线性函数；由于群速度随波长而变化。光纤光纤的非线性效应•在高强度电磁场中任何电介质（包括光纤）对光的响应都会变成非线性。•非线性效应对于光纤通信系统有正反两方面作用：–反：引起传输信号的附加损耗、波分复用系统中信道之间的串话、信号载波的移动；–正：开发放大器、调制器等新型器件。•非线性效应分为两类：受激散射效应和折射率扰动。光纤单模光纤•在给定的工作波长上只传输单一基模的光纤。不存在模式色散，具有相当宽的传输带宽，适用于长距离、大容量的光纤通信系统。•单模光纤的结构特点–芯径为4~10um。纤芯折射率均匀分布。包层折射率变化。光纤单模光纤•单模光纤的特性参数–折射率分布、衰减系数、色散、截止波长、模场直径。–截止波长»光纤第一个高阶模截止时的波长。»工作波长须大于截止波长，才能保证光纤工作在单模状态。–模场直径»光纤中基模的电场在空间的强度分布。»描述光功率沿光纤半径的分布状态，即光纤中光能集中程度。光发送机•将电端机送来的电信号变换为光信号，并耦合进光纤中进行传输。•光源是整个系统的核心器件，它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标。调制光源中继器光检测器放大、再生电信号光纤电信号光纤光发送传输光接收光发送机光源光纤通信系统对光源的要求–发射波长与低损耗窗口一致；–足够高的、稳定的输出光功率；–光谱线宽要窄，单色性好；–调制方法简单，响应速度快；–电光转换效率高；–能在室温下连续工作；–体积小、重量轻、寿命长，工作稳定可靠。•满足上述要求的光源器件：半导体激光器（LD）和半导体发光二极管（LED）。光发送机半导体激光器•基本原理：受激辐射；•结构：光源的核心是PN结。•发射波长：–GaAs/GaAlAs材料：短波长850nm；–InGaAsP/InP材料：长波长（1100~1700nm）激光器。•P-I特性：–当注入电流低于阈值时，输出功率很小；–当注入电流大于阈值后，输出光功率随注入电流的增加而急剧增加。光发送机半导体激光器•温度特性：–对温度敏感，输出光功率随温度而变化。–温度升高，器件阈值电流增大，且输出光的峰值波长会向长波长方向漂移。–实用化的激光器必须对温度加以控制。光发送机发光二极管•基本原理：非相干光源，自发辐射。•结构：双异质结构。•P-I特性：不存在阈值，输出光功率与注入电流之间呈线性关系，且线性范围大。当注入电流较大时，由于PN结发热，发光效率降低，出现饱和现象。•温度特性：随温度变化不大，可以不加温度控制。•发光二极管的优点：寿命长、可靠性高、调制电路简单、成本低。在传输速率不太高、传输距离不太长的系统中广泛应用。光发送机光源的调制•用待发送的电信号控制光载波的某一参量（如光强度等），使之携带发送信息的过程，也就是电/光转换过程。•直接调制：–把要传送的信息转变为电流信号注入半导体激光器和发光二极管，获得相应的光信号。–光强度调制，又分数字信号调制和模拟信号调制。–简单、经济、易实现，但增加色散，限制光纤传输容量。光发送机光源的调制•间接调制：–利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制。–常用外调制方法，即激光形成以后加载调制信号。–在高速长距离光纤通信系统中采用。光发送机光发送机的组成•包括：输入接口、线路编码、调制电路、光源及其控制电路。•输入接口：电、光端机间信号的幅度、阻抗适配，码型变换。•控制电路包括：自动功率控制和自动温度控制。光发送机光源的数字调制与驱动•通过改变注入电流来实现光波的强度调制。•LED的数字调制：–加以小的直流正向偏置（0-1mA），提高LED的响应速度。既要保证有足够的输出光脉冲幅度，又要考虑LED对电流的承受能力。光发送机光源的数字调制与驱动•LD的数字调制：–在LD上加稍低于阈值电流的偏置电流。偏置电流的大小直接影响激光器的高速调制性质，要兼顾到电光延迟、张弛振荡、码型效应、结发热效应、激光器的消光比、散粒噪声等。既要保证有足够的输出光脉冲的幅度，又要考虑光源的负担及选择光源的线性区域。•调制电路要有快的开关速度还要保持良好的电流脉冲波形；光源本身的响应速度也要快。常用差分电流开关实现。•直接调制速率可达10Gbit/s。光发送机控制电路•作用：消除温度和器件老化的影响，稳定输出光信号。•自动温度控制：–由微型半导体制冷器、热敏电阻及控制电路组成。只能控制温度变化引起的输出光功率的变化，不能控制由器件老化而产生的输出功率的变化。光发送机控制电路•自动功率控制–原理：»控制偏置电流，自动跟踪阈值的变化，使激光器总是偏置在最佳工作状态；»控制调制脉冲电流的幅度，保持输出光脉冲信号的幅度恒定。–方法：»通过光反馈自动调整偏置电流；»峰值功率/平均功率法。光发送机光发送机的主