数字光纤通信.

第5章数字光纤通信系统5.1数字光纤通信系统概述5.2PDH5.3SDH光同步数字传输系统5.4SDH传送网5.5SDH5.6光波分复用系统5.7全光通信系统第5章返回主目录第5章数字光纤通信系统第5章5.15.1.1数字光纤通信,是以光波运载数字信号,以光导纤维为传输媒介的一种通信方式。1996年，英籍华人“光通信之父”高锟(C.K.Kilo)博士根据介质波导理论提出了光纤通信的概念。光纤通信有如下的显著特点。1.线径细,由于光纤的直径小,只有0.1mm左右,所以制成光缆后与电缆比要细得多,因而重量轻,有利于长途和市话干线布放,而且便于制造多芯光缆。第5章数字光纤通信系统2.由于技术的发展,现在制造出的光纤介质纯度很高,因而损耗极低。现已制出的在光波导1.55mm窗口的衰耗低于0.18dB/km。由于损耗极低,所以传输的距离可以很长,这就大大减少了数字传输系统中中继站的数目,既可降低成本,也可提高通信质量。3.传输的频带宽、由于光波频率高,因此用光来携带信号则信息量大。现在已经发展到几十千兆比特/秒的光纤通信系统,它可传输几十万路电话和几千路彩色电视节目。第5章数字光纤通信系统4.不受电磁干扰、因光纤是非金属材料,它不会受到电磁干扰,也不会发生锈蚀,具有防腐的能力。5.不怕高温,防爆、防火性能强因光纤是石英玻璃材料,熔点高达2000℃以上,所以不怕高温,有防火的性能。因而可用于矿井下、军火仓库、石油、化工等易燃易爆的环境中。6.由于光纤在传输光信号时向外泄漏小,不会产生串话等干扰,因而光纤通信保密性好。第5章数字光纤通信系统由于光纤通信具有一系列的突出优点,随着科学技术的进步,光纤通信技术近年来发展速度之快、应用范围之广,出乎人们的预料,它是世界信息革命(互联网)的一个重要标志,是现代通信技术的重要组成部分。可以说有了光纤通信,就为构筑信息高速公路打下了基础,光纤通信成为通向信息社会的桥梁。第5章数字光纤通信系统5.1.2数字光纤通信系统与一般通信系统一样,它由发送设备、传输信道和接收设备三大部分构成。现在普遍采用的数字光纤通信系统,是采用数字编码信号经强度调制-直接检波的数字通信系统。这里的强度是指光强度,即单位面积上的光功率。强度调制是利用数字信号直接调制光源的光强度,使之与信号电流成线性变化。直接检波,是指信号在光接收机的光频上检测出数字脉冲信号。光纤通信系统组成原理方框图如图5.1所示。第5章数字光纤通信系统图5.1光纤通信系统组成原理方框图电信号光发送机E/O变换光源光中继机光缆O/E变换O/E变换光接收机电信号光检测器光纤连结器E/O变换第5章数字光纤通信系统在发送设备中,有源器件把数字脉冲电信号转换为光信号(E/O变换),送到光纤中进行传输。在接收设备中,设有光检测器件,将接收到的光信号转换为数字脉冲信号(O/E变换)。在其传输的路途中,当距离较远时,采用光中继设备,把信号经过中继再生处理后传输。实用系统是双方向的,其结构图如图5.2所示。图中,数字端机主要是把用户各种数字信号,包括数字程控交换机和数字接口,通过复用设备组成一定的数字传输结构(帧结构),不同速率等级的数字信号流送至光端机,光端机把数字端机送来的数字信号进行处理,变成光脉冲送入光纤进行传输,接收端进行相反的变换。第5章数字光纤通信系统图5.2数字光纤通信传输系统结构方框图PCM电端机发送接收发送接收接收发送接收发送PCM电端机模拟信号数字信号光端机光信号光端机数字信号模拟信号监控台光中继机光信号第5章数字光纤通信系统光端机主要由光发送、光接收、信号处理及辅助电路组成。在光发送部分完成电/光变换,在光接收部分主要完成光/电变换。信号处理,主要指把数字端机送来的数字脉冲信号再处理,以及各种码型变换,使之适应光传输及其他目的。辅助电路主要包括告警、公务、监控及区间通信等等。光中继机的作用,主要是将光纤长距离传输后,受到的衰耗及色散畸变的光脉冲信号,转换为电信号后经放大整形、定时、再生还原为规则的数字脉冲信号。经过再调制光源,变为光脉冲信号送入光纤继续传输,达到延长传输距离的目的。第5章数字光纤通信系统插入光纤通信（第5.2章）第5章数字光纤通信系统5.1.3光纤和光缆(讲第二、三章)内容1.光纤就是导光的玻璃纤维的简称,是石英玻璃丝,它的直径只有0.1mm,如同人的头发丝粗细。在通信中,它和原来传送电话的明线、电缆一样,是一种新型的信息传输介质,但它比以上两种方式传送的信息量要高出成千上万倍,可达到上百千兆比特/秒,而且衰耗极低。2.光纤为什么能够导光,能传送大量信息呢?这要研究其传输理论,但其传输理论涉及的数学、物理知识面相当广,它要用到微分方程、场论等等高等数学知识及物理的微电子学、光学等高深理论。这里我们用简单的比喻,从物理概念上来说明,以加深对光纤传输信息的理解。第5章数字光纤通信系统光纤是利用光的全反射特性来导光的。在物理中学习过光从一种介质向另一种介质传播,由于它们在不同介质中传输速率不一样,因此,当通过两个不同的介质交界面就会发生折射。若现在有两种不同介质,其折射率分别为n0,n1而且n1＞n0,设界面为XX′,折射率小的称光疏媒质,折射率大的称光密媒质。假定光线从光疏媒质射向光密媒质,其折射情况如图5.3所示。图中，入射角为θ0——入射光线与法线YY′夹角,折射角为θ1——折射光线与YY′夹角，由图可见，θ1＜θ0。第5章数字光纤通信系统图5.3光的折射示意图YXA′Y′光疏媒质光密媒质AB′B01X′第5章数字光纤通信系统若使光束从光密媒质射向光疏媒质时,则折射角大于入射角，如图5.4所示。如果不断增大θ0可使折射角θ1达到90°,这时的θ1称为临界角。如果继续增大θ1,则折射角会大于临界角,使光线全部返回光密媒质中,这种现象称为光的全反射当光线从光密媒质射向光疏媒质,且入射角大于临界角时,就会产生全反射现象,光纤就是利用这种全反射来传输光信号的。根据这一原理,在制造光纤时,使光纤芯的折射率高,在外面涂上一包屏层,可使折射率低,当选择一定的角度θ0时，射入纤芯的光束将会全部返回纤芯中。这就要制造一种像水管一样的光导管,在光导管壁及光纤芯包的边界使之形成光束的全反射,从而达到将光束都集中在光纤芯部传输而不向外泄漏,就似水管中的水流那样,使之永远在水管中流动。第5章数字光纤通信系统图5.4临界角和光线的全反射光疏媒质光密媒质①②③①②③cn0第5章数字光纤通信系统要做成这样的光导管,除了对光纤芯部的折射率有要求以外,还要使靠近纤芯与包层的边沿具有极小的光损耗,使能量都集中在光芯中传播。当然,这就对光纤材料提出了很高的要求。由于石英玻璃质地脆、易断裂,为了保护光纤表面,提高抗拉强度，以便于实用,一般都在裸光纤外面进行两次涂覆而构成光纤芯线。光纤芯线结构如图5.5所示。光纤的芯线由纤芯、包层、涂覆层、套塑四部分组成。包层的外面涂覆一层很薄的涂覆层,涂覆的材料为硅铜树脂或聚氨基甲醚乙脂,涂覆层的外面套塑,套塑的原料大都采用尼龙、聚乙烯或聚本烯等塑料。第5章数字光纤通信系统图5.5光纤芯线的剖面构造2b2a包层一次涂覆(涂覆层)二次涂覆(套塑)纤芯第5章数字光纤通信系统3.单模光纤及特性参数根据波导传输波动理论分析,光纤的传播模式可分为多模光纤和单模光纤。1)多模光纤多模光纤即能承受多个模式的光纤,如图5.6(a)、(b)所示。这种光纤结构简单、易于实现,接头连接要求不高,用起来方便,也较便宜。因而在早期的数字光纤通信系统(PDH系列)中采用但这种光纤传输带宽窄、衰耗大、时延差大,因而已逐步被单模光纤代替。第5章数字光纤通信系统2)单模光纤即只能传送单一基模的光纤,如图5.6(c)所示。这种光纤从时域看不存在时延差,从频域看,传输信号的带宽比多模光纤宽得多,有利于高码率信息长距离传输。单模光纤的纤芯直径一般为4~10μm,包层即外层直径一般为125μm,比多模光纤小得多。3)光纤的特性参数及定义相当复杂。在一般数字光纤工程中，单模光纤所需的主要参数有:模场直径、衰减系数和工作波长或截止波长等。第5章数字光纤通信系统图5.6(a)阶跃型多模光纤(SI);(b)梯度型多模光纤(GI);(c)单模光纤包层包层(n2)芯(n1)DCBA2b2a折射率折射率包层包层CBA芯A包层芯折射率(a)(b)(c)第5章数字光纤通信系统(1)截止波长λ。截止波长通常是判断光纤是否在单模工作的一个重要参数,只有当工作波长大于截止波长时才能保证光纤在单模工作。(2)模场直径d。模场直径是单模光纤的一个重要参数。到目前为止,模场直径的确切定义还没有明确规定。从物理概念上我们可理解为,对于单模光纤,基模场强在光纤横截面近似为高斯分布,如图5.7所示。通常将纤芯中场分布曲线最大值1/e处所对应的宽度定义为模场直径,用d表示。第5章数字光纤通信系统dmE(r)图5.7基模场强分布曲线第5章数字光纤通信系统(3)衰减系数α。衰减系数是在工程上设计光纤通信系统时,必须要用到的一个重要参数。它是指沿光纤传播方向光信号的损耗,它是决定光纤中继段长度的重要因素。衰减量的大小通常用衰减系数α来表示,单位是dB/km,其定义为OipPLalg10式中,Pi为输入光纤的光功率；Po为光纤输出的光功率;L为光纤的长度(单位为km)。第5章数字光纤通信系统4.为了使光纤能在工程中实用化,能承受工程中拉伸、侧压和各种外力作用,还要具有一定的机械强度才能使性能稳定。因此,将光纤制成不同结构、不同形状和不同种类的光缆以适应光纤通信的需要。根据不同的用途和条件,制成的光缆种类很多,但其基本结构是相同的。光缆主要由缆芯、护套和加强元件组成。1)缆芯是由光纤芯组成的,它可分为单芯和多芯两种。单芯型缆芯和多芯型缆芯结构的比例如表5.1所示。第5章数字光纤通信系统第5章数字光纤通信系统单芯型由单根二次涂覆处理后的光纤组成。多芯型由多根经二次涂覆处理后的光纤组成,它又分为带状结构和单位式结构。目前国内外对二次涂覆主要采用下列两种保护结构:(1)紧套结构。如图5.8(a)所示,在光纤与套管之间有一个缓冲层,其目的是为了减少外面应力对光纤的作用。缓冲层一般采用硅树脂,二次被覆用尼龙口。这种光纤的优点是:结构简单、使用方便。(2)松套结构。如图5.8(b)所示,将一次涂覆后的光纤放在一个管子中,管中充油膏,形成松套结构。这种光纤的优点是:机械性能好,防水性好,便于成缆。第5章数字光纤通信系统图5.8(a)紧套光纤结构示意图；(b)松套光纤结构示意图0.1250.40.9光纤一次涂覆二次被涂覆层缓冲层(a)光纤一次涂覆油膏松套管(b)单位：mm第5章数字光纤通信系统2)由于光纤的材料比较脆,容易断裂,为了使光缆便于承受敷设安装时所加的外力等,在光缆内中心或四周要加一根或多根加强元件。加强元件的材料可用钢丝或非金属的纤维——增强塑料(FRP)等。3)光缆的护层主要是对已形成的光纤芯线起保护作用,避免受外部机械力和环境损坏。因此,要求护层具有耐压力、防潮、湿度特性好、重量轻、耐化学侵蚀、阻燃等特点。光缆的护层又分内护层和外护层,内护层一般采用聚乙烯或聚氦乙烯等,外护层可根据敷设条件而定,要采用由钻带和聚乙烯组成的LAP外护套加钢丝铠装等。第5章数字光纤通信系统4)在公用通信网中用的光缆结构如表5.2所示。下面介绍几种有代表性的光缆结构形式。(1)层绞式光缆。它是将若干根光纤芯线以强度元件为中心绞合在一起的一种结构,如图5.9(a)所示。特点是成本低,芯线数不超过10根。(2)单位式光缆。它是将几根至十几根光纤芯线集合成一个单位,再由数个单位以强度元件为中心绞合成缆,如图5.9(b)所示,其芯线数一般适用于几十芯。第5章数字光纤通信系统第5章数字光纤通信系统(3)骨架式光缆。这种结构是将单根或多根光纤放入骨架的螺旋槽内,骨架中心是强度元件,骨架上的沟槽可以是V型、U型或凹型,如图5.9(c)所示。由于光纤在骨架沟槽内具有较大空间,因此当光纤受到张力时,可在槽内作一定的位移,从而减少了光纤芯线的应力应变