光纤通信第一单元课件

光纤通信网与测试技术主讲李珊君全书共分为8章：第1章概述第2章光纤第3章光发送设备第4章光接收设备第5章光纤数字通信系统第6章光纤数字通信系统的传输规范第7章现代光纤网络第8章未来的全光网络第1章概述1.1光纤通信的基本概念1.2光纤通信系统的构成及分类1.3数字话路基础知识第1章概述1.1光纤通信的基本概念1.1.1光纤通信的定义通信：从一地向另一地传输有用的信息。通信的三要素：载波传输媒质光电转换接收光通信：利用光波来载送有用信息，实现通信。光纤通信以光波作为传输信息的载波、以光纤作为传输介质的一种通信。光纤通信属于光通信和有线通信的范畴。图1-1光纤通信的简单示意图1.1.2光纤通信发展过程光纤通信的发展大体经历了三个阶段。（1）20世纪70年代的起步阶段（a）低损耗光纤1966年，预见20db/km的通信光导纤维1970年,研制出20db/km的光纤1972年,4db/km;1973年，1db/km1976年,0.5db/km;1979年，0.2db/km（b）小型高效的光源和低噪声的光检测器件1962年，GaALAs（镓铝砷）注入式半导体激光器:光波长0.85μm，不能在室温下工作)1970年,GaALAs双异质结注入式激光器：室温下工作1981年,GaALAs发光二极管：寿命长，发光二极管速率低，功率小，谱线宽，非相干光源GaALAs激光器：短波长（0.85μm)InGaAsP长波长激光器和发光二极管：长波长1.2μm，1.31μm，1.55μm（c）光纤通信实验系统1976-1979年，美国日本相继进行了0.85μm、速率为几十Mb/s的多模光纤通信系统的现场试验。(2)20世纪80年代进入商用阶段多模单模0.85μm1.31μm，1.55μm通信速率达几百Mb/s(3)20世纪90年代进入提高阶段1993年实现2.5Gb/s单波长光纤通信系统1995年10Gb/s的单波长光纤通信系统密集波分复用技术使传输速率提高到几百Gb/s(4）我国发展状况1987年前在市话中继线路上、1987年开始长途干线应用光纤通信，1988年多模向单模发展，20世纪90年代大力发展，主要变化体现在：（a）制式：95年以前PDH为主，现SDH占绝对优势（b）光波模式：单模取代多模。（c）通道：单通道为主发展到多通道，即DWDM系统为主。（d)速率：经历了34Mb/s、140Mb/s、565Mb/s到622Mb/s和2.5Gb/s的升级，目前长途网逐步演变为以10Gb/s为基础的DWDM系统占主导地位。（e）网络结构：简单的点对点链形到环形结构，再演变为格网形，现在是比较完善的网状网。我国发展状况概述（a）已敷设光缆的总长度超过了4.05*106Km，约7.582*107芯公里。微波线路2*105Km。（b）光纤通信是我国信息传送的主要手段，我国信息容量90%以上是通过光缆线路传送。（c）长途网逐步演变以10Gbit为基础的DWDM系统占主导地位。10Gbit/s以太网进入商用，40Gbit/s以太网也已出现。研究80GE、100GE，探讨160Gbit/s发展的可能性。（d）核心网从10Gbit/s为基础的网络向40Gbit/s为基础的网络发展。已掌握40Gbit/sSDH光通信设备和系统的基本技术，在G.655和G.652光纤上的无再生传送距离均达到560km。传送网中容量最大的系统是160*10Gbit/s,无再生距离达3040km。已掌握80*40Gbit/sDWDM系统的基本技术,无再生距离达800km。已掌握40Gbit/sSDH的ASON技术,发展方向是基于OTN的ASON,向全光网靠近。(e）光器件和光电器件:EDFA，40Gbit/s发射模块中的激光调制驱动器和PIN/TIA组件、光收发模块、高速啁啾光纤光栅色散补偿器等.(f）城域网：基于SDH的MSTP向基于WDM的MSTP发展。（~基于DWDM的MSTP与OTN的ASON衔接更容易）。（g）光纤接入网：研究开发和生产起步较早，P2P和xPON用的器件成熟，且有大量出口。1.1.3光纤通信的优点(1)速率高，传输信息量大光纤明线载波线路微波通信如采用空分复用、波分复用、电复用，容量更大。143.510104HzKHz亿路143.510104HzKHz亿路(2)损耗低、传输距离远在传输时由于存在损耗，信号不断衰减，为了将衰减了的信号放大后再继续传输，设立中继站，存在问题：（a）成本高（b）可靠性降低（c）维护不方便最大中继距离：---中同轴电缆系统：6KM---微波：50KM---石英光纤：161KM(3)抗干扰能力强，保密性能好有强电干扰和电磁辐射的环境中，解决了电通信系统多年来困扰人们的干扰问题。明线、电缆附近装设特别接收装置可窃听。光缆（消光剂）光跑不出来，在光纤外面窃听不到信息，也无串音。(４)质量轻、体积小，便于线路施工民用：经济，减少通信系统所占的空间，解决地下管道拥挤。军用：安装于飞机、火箭、导弹、潜艇内，可减少燃料，提高速度。比较：（a）1M的线缆：18管同轴电缆11kg，同等容量的光纤90g。（b）光纤的芯径很细，只有单管同轴电缆1/100，光缆8芯横截面直径约10mm，标准同轴电缆47mm。(５)耐腐蚀、耐高温、防爆，可在恶劣环境中工作石英玻璃耐腐蚀，且熔点在2000。C以上，光纤接头处不产生放电，没有电火花(6)节约有色金属和原材料地球上含量丰富，蕴藏丰富，制造1km光纤，40克高纯度石英1km，八管中同轴电缆耗铜120kg，铅500kg.1.2光纤通信系统的构成及分类1.2.1光纤通信系统的基本构成主要组成部分包括光纤、光发送器、光接收器、光中继器和适当的接口设备等。实际中，光发送器和光接收器安放在同一机架中，合称为光纤传输终端设备，简称光端机。图1-2光纤通信系统的基本构成框图将电端机传来的电信号转换为光信号，并将光信号耦合到光纤或光缆中传输，由驱动电路和光源组成（发光管LED或激光管LD）。（1）光发射机将经光纤或光缆传输后的幅度被衰减、波形被展宽的微弱光信号转变为电信号，并放大处理恢复为原来的信号。检测器：短波长：Si-APD。长波长：Ｇe－APD、InGaAsP-APD以及PIN。为提高灵敏度，使用PIN-FET。（2）光接收机（３）光纤和光缆：将由发射机端光源发出的光信号，经远距离传输后耦合到接收机端的检测器，完成信息传输任务。（４）中继机：也称中继站，补偿光的衰减，对波形失真的脉冲进行整形。（５）光纤连接器、耦合器等无源器件：包括光纤连接器、光缆连接器、光隔离器、光开关、光分路耦合器、光衰减器和调制器等。1.2.2光纤通信系统分类(1)按传输信号划分光纤模拟通信系统特征：用模拟电信号对光源强度进行调制优点：设备简单，不需要模数数模转换部件缺点：光电变换时噪声大，使用光中继器时噪声积累多适用范围：短距离通信，如传输广播电视节目、工业和交通监控电视等光纤数字通信系统特征：用PCM电信号对光源强度进行调制。优点：抗干扰性强，噪声积累少，与计算机连用方便缺点：设备较为复杂适用范围：长距离通信，应用广泛1.2.2光纤通信系统分类(2)按光波长和光纤类型划分短波长（0.85µm左右）多模光纤通信系统通信速率低于34Mb/s，中继距离在10km以内。长波长光纤通信系统①1.31µm多模光纤通信系统通信速率为34Mb/s和140Mb/s，中继间距为20km左右。②1.31µm单模光纤通信系统通信速率可达140Mb/s和565Mb/s，中继间距为30～50km（140Mb/s）。③1.55µm单模光纤通信系统通信速率可达565Mb/s以上，中继间距更长，可达70km左右。(3)按调制方式划分直接强度调制光纤通信系统将待传输的数字电信号直接在光源的发光过程中进行调制，使光源发出的光本身就是已调制光，又称为内调制光纤通信系统。优点：设备渐变、价廉，调制效率较高.缺点：光谱有所增宽，对进一步提高速率有影响。普遍采用，最高速率达10Gbit/s外调制光纤通信系统是在光源发出光之后，在光的输出通路上加调制器（如电光晶体等）进行调制，又称为间接调制光纤通信系统。特点：对光谱谱线影响小，适合很高速率的通信，速率20Gbit/s.外差光纤通信系统（相干光通信系统）原理：发送端的本地光频振荡信号被电信号所调制（调幅，调频，调相等），然后输入到单模光纤内传输，光束传到接收端后再与接收端的本地光频振荡信号进行混频、解调，还原出电信号。外差检波方式：光接收机产生一个本地振荡光波，与光纤输出的光波信号在光混频器中差拍产生中频信号，经光电检波器变换为中频电信号。它提高接收机的灵敏度，但设备复杂。对光源的频率稳定度和光谱宽度要求很高，(4)按传输速率划分低速光纤通信系统传输速率为2Mb/s，8Mb/s中速光纤通信系统传输速率为34Mb/s，140Mb/s高速光纤通信系统传输速率≥565Mb/s(5)按应用范围划分公用光纤通信系统如光纤市话中继系统、光纤长途通信系统和光纤用户接入系统。专用光纤通信系统主要指非邮电部门经营的光纤通信系统，如光纤局域网等。(6)按数字复接类型（即速率转换制式）划分准同步数字系列（PDH）光纤通信系统目前565Mb/s以下速率的光纤通信系统多属此类。同步数字系列（SDH）光纤通信系统目前，已经实用的SDH系统其单波长通信速率可达2.5Gbit/s,10Gbit/s和40Gbit/s。1.3数字话路基础知识1.3.1语音信号的PCM数字化图1-3语音信号的PCM数字化框图（a）发送端的数字化过程(模/数变换)功能：语音模拟信号变换为PCM数字信号。（b）接收端的PCM数字化逆过程(数/模变换)功能：将PCM数字信号还原成原始的语音模拟信号。（c）发送和接收的全过程合路：用来将多路（即各支路）数字信号合为一路。码型变换：合路输出的单极性二元码序列转换成适合电缆信道传输的码型。码型反变换：将电缆信道传输过来的码型还原成为单极性二元码序列。分路（分接）：将合路信号分离成为各个支路信号。(1)采样（Sample）一个连续信号可以用间隔时间为Δt的一系列离散瞬时值来代替，称之为采样，条件（奈奎斯特采样定理）是：Δt≤1/(2fmax)fmax连续信号的最高频率成分，Δt采样周期，fs=fmax的采样频率为奈奎斯特频率。语音300~3400Hz,采样频率6800Hz,CCITT建议8000Hz,采样周期125µs.(2)量化(Quantization)在最大采样幅值范围内用一组有间距的电平来分层，各个采样幅值的真实值用最靠近的量化电平来近似表示，称之为量化。量化噪声——非均匀量化法，即设法增多小信号的量化等级而减少大信号的量化等级，使总的量化噪声减小，而量化等级数目不变。两种非均匀量化标准：μ律(PCM24路制式)和A律(PCM30路制式)，我国A律，量化等级即量化电平数位256。(3)编码将量化电平用一定位数的二进制代码来表示，称之为编码。1.3.2话路的时分复用（TDM）(1)时分复用的目的在一条信道上串行传输多路信号，用于扩大数字通信系统的传输容量。(2)时分复用的原理方法将传输时间按照采样周期进行分割，每一个分割段称为一帧，每一帧再等分成若干互不重叠的时隙，每路信号在一帧中只能占用一个时隙。在发送端，多路信号顺序地占用各自的时隙，各路（复接）构成复用信号，然后送到一条信道上传输；在接收端，将收到的各路信号按照与发送端同样的时间顺序分开每一路信号，实现分路（分接）。(3)我国采用的PCM基群的帧结构图1-4PCM基群的帧结构图PCM基群对一帧中的32个时隙做了如下规定：（a）每路语音在一帧中只占用1个时隙TS1～TS15,TS17～TS31共30个时隙分别依次传输30路PCM语音信号。（b）TS0是同步时隙（c）TS16是信令时隙在PCM基群中，每16帧称为一个复帧，正好完成30个话路信令的传输（由第1～15帧的TS16实现）与同步分离（由第