光通讯基础知识

SJTU1第三章光纤通信基本知识一光纤通信二光纤光缆三光器件四光纤传输系统五SDHSJTU2一光纤通信光纤通信是以光波为载波，以光纤（光导纤维）为传输媒体，将信号从某一点传送到另一点的通信方式。具有传输距离远（传输损耗小）、通信容量大（传输频带宽）、抗干扰性能好（不受电磁干扰）、保密性好（不产生光泄漏）、重量轻、体积小等优点。SJTU3二光纤光缆光纤是用石英玻璃、塑料或晶体等对某个波长范围透明的材料制造的能传输光的纤维。由纤芯和包层组成，纤芯的折射率比包层的高。光纤的特征和性能：1.几何和结构参数：芯径、外径、数值孔径、折射率分布等。2.光传输特性：工作波长、传输损耗和带宽、色散、偏振特性等。3.环境特性：高低温特性、抗微弯和弯曲特性、抗辐射特性、抗疲劳特性、机械筛选强度等。SJTU4光纤的分类按工作波长：短波长（850nm)长波长（1310nm、1550nm）按传输模式：多模光纤和单模光纤按折射率分布：阶跃（突变）型(SI)和梯度（渐变）型(GI)按材料：石英光纤、塑料光纤等几种新型光纤：色散位移光纤（DSF）、非零色散光纤（NZDF）、色散平坦光纤（DFF）、色散补偿光纤（DCF）等SJTU5光缆含有光纤，符合现场实际使用要求的光、机械和环境规范的缆。由光纤、加强件和外护层等组成。光缆的分类：按芯数分为单芯、双芯、多芯按结构分为层绞式、骨架式、带状等按敷设场合分为架空、直埋、管道、移动、室内、水下、海底等按用途分为通信用光缆和非通信用光缆SJTU6三光器件（无源）光分路器/耦合器：1xN（树型）、NxN（星型）波分复用器：合波器和分波器、滤波器光纤连接器：固定、活动（FC、ST、SC等）、适配器（直通）光开关光衰减器：固定、可变光隔离器：单方向传输光的器件极化器SJTU7有源光器件光源：发光二极管（LED）激光二极管（LD）光电检测器：PIN光电管、PIN-FET组件雪崩光电二极管（APD）光纤放大器（EDFA）调制器SJTU8四光纤传输系统第一代：0.85um多模光纤系统第二代：1.3um多模光纤系统第三代：1.3um单模光纤系统第四代：1.55um单模光纤系统三个过渡：短波长~长波长多模光纤~单模光纤AlGaAs/GaAs~InGaAsP/InP三项新技术:波分复用(WDM)相干通信光电子集成(OEIC)SJTU9光纤传输系统框图电端机驱动光源光检测判决再生光源光检测放大电端机发送光发送机光纤光缆光中继器光接收机接收光纤光缆模拟通信：信噪比和谐波失真数字通信：误码率和相位抖动SJTU10光纤通信系统的新技术延长中继距离的新技术光放大器(EDFA)外调制器(电光晶体LiNbO3)色散补偿(DCF、Bragg光纤光栅)提高通信容量的新技术时分复用技术（TDM）波分复用技术（WDM）SJTU11光波分复用（WDM）在一根光纤中同时传输几个不同波长的光信号。复用器是将若干不同波长的光信号分开或合并的器件，有熔锥型、棱镜色散型、光栅色散型、干涉滤光型等。光纤复用器复用器SJTU12光频分复用（OFDM）当波分复用的光载波间隔变窄到小于1nm时，就是光频分复用；而间隔大于1nm时，称为密集波分复用（DWDM）SJTU13副载波调制（SCM）SCM是一种采用两级调制的频分复用系统。第一次电调制，由多路信号分别对多个副载频进行调制（AM/FM/PM）,然后，再将复合信号对光波进行强度调制。SJTU14相干光通信系统相干光通信系统又称为外差光纤通信系统。是一种采用单一频率的相干光做光载波，利用无线电技术中的外差接收方式，再配合ASK\FSK\PSK等调制方式的新型光纤通信方式。主要优点是光接收机灵敏度高，选择性好；既可扩大通信容量，又可增加再生中继距离。SJTU15光孤子（Soliton）通信在很强的光场作用下，光纤的各种特征参数随光场强弱呈非线性变化。它使所传的光脉冲变窄，正好补偿了由于色散使脉冲展宽的影响。光孤子是一种特殊形状的超短脉冲（几个uus），它在光纤的传输过程中将不产生畸变，可实现高速、长距离通信。SJTU16光放大器为了进行长距离传输，可以采用光/电/光转换形式的光中继器，也可以采用直接对光信号进行放大的光放大器。光放大器可分为半导体光放大器（SOA）和光纤放大器（FA）。光纤放大器又可分为非线性光纤放大器（喇曼光纤放大器）和掺铒光纤放大器（EDFA）SJTU17掺铒光纤放大器（EDFA）将稀土元素铒（Er）注入到纤芯中，即是掺铒光纤。它在泵浦光的作用下可直接对某一波长的光信号进行放大，这就是掺铒光纤放大器。EDFA的主要优点是：1、工作波长在1530~1560nm范围；2、激励的泵浦功率低（几十mW）;3、增益高（40dB）,噪声低（3~4dB）,输出功率大（14~20dB）;4、连接损耗低（0.1dB）;SJTU18EDFA的结构光耦合器光隔离器光隔离器光滤波器泵浦光源输入光信号输出光信号掺铒光纤光耦合器光隔离器光隔离器光滤波器泵浦光源输入光信号输出光信号掺铒光纤同向泵浦结构反向泵浦结构双向泵浦结构（略）SJTU19EDFA的应用用作光接收机的前置放大器，可提高接收机灵敏度10~20dB;用作光发射机的功率放大器，增加入纤光功率，延长传输距离；用作光中继器，可实现全光通信；SJTU20五同步数字系列（SDH）准同步数字系列(PDH---PlesiochronousDigitalHierarchy):只有地区性(北美,日本,欧洲)的数字信号速率和帧结构标准,没有统一的国际标准;没有国际标准的光接口规范;采用异步复接,复用结构复杂,灵活性差;网络运行,管理,维护(OAM)困难.同步数字系列（SDH---SynchronousDigitalHierarchy）SDH是由一些网络单元(NE)组成的、在光纤上进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的网络SJTU21SDH的特点国际统一的数字传输标准STM-N采用同步复用方式和灵活的复用映射结构,具有广泛的适应性丰富的开销比特,加强了网络的OAM能力统一的标准光接口采用软件进行网络配置和控制,便于扩展具有完全的后向兼容性和前向兼容性SJTU22SDH的比特率等级速率（Mb/s）STM-1155.520STM-4622.080STM-162488.320STM-649953.280SJTU23SDH的帧结构STM-1的帧结构125us9x270=2430个字节第1行23456789RSOHAUPTRMSOH9列261列净荷（含POH）SJTU24SDH开销字节的分层分支分支------分支组装分支取出POH插入POH提取通道层MSOHMSOH插入提取复用层RSOHRSOHRSOH插入提取/插入提取再生层光接口光接口光接口物理层终端再生器终端POHMSOHRSOHRSOH载波载波物理线路物理线路SJTU25SDH的复用结构STM-NAUGAU4VC4C4xNx1x3x3TUG3x1TU3VC3AU3VC3x7C3x7TUG2TU2VC2C2x1x3TU12VC12C12x4TU11VC11C11指针调整加POH或SOH映射定位复用SJTU26SDH的复用过程映射:把PDH的各种速率及ATM信元与SDH的容器进行适配的过程定位:用指针指示净荷的第一个字节在帧内的位置复用:按单字节间插方法，将N个TU变成TUG，N个AU复接成AUG，N个AUG复用进STM-N的过程SJTU27SDH传送网的分层模型电路层网络电路层VC-11VC-12VC-2VC-3低阶通道层VC-3VC-4高阶SDH传送层复用段层网络段层再生段层网络传输媒质层物理层网络SJTU28SDH的承载业务WDMSDHATMFRPPP/HDLCLAPSSDLIPTCP/UDPApplicationL5~7L4L3L2L1L0FR:FrameRelayPPP:PointtoPointProtocolLAPS:LinkAccessProcedure-SDHSDL:SimpleDataLinkSJTU29SDH的系统组成PTMSTRSTRSTMSTPT再生段再生段再生段复用段通道PT：通道终端，网络单元为TM（终端复用器）MST：复用段终端，网络单元为ADM（分插复用器）或DXC（数字交叉连接设备）RST：再生段终端，网络单元为再生器SJTU30SDH的光缆数字线路系统同步光缆数字线路系统是指连接两个SDH设备(TM,DXC或ADM)的光缆链路.由线路终端,光缆段和再生器(如果配置的话)组成.分为局间链路和局内链路两类.局间链路又分为长距离(再生段距离为40km以上)和短距离(再生段距离为15km左右).局内链路可用光纤(传输距离不超过2km),也可用同轴电缆(传输距离不超过70m).SJTU31SDH的光接口分类局内局间通信通信短距离长距离光源标称波长(nm)13101310155013101550G.652G.654传输距离(km)~2~15~40~80STM-1I-1S-1.1S-1.2L-1.1L-1.2L-1.3STM等级STM-4I-4S-4.1S-4.2L-4.1L-4.2L-4.3STM-16I-16S-16.1S-16.2L-16.1L-16.2L-16.3应用光纤类型G.652G.653G.652:1310nm性能最佳的色散未移位单模光纤G.653:1550nm性能最佳的色散移位单模光纤G.654:1550nm损耗最小的单模光纤G.655:1550nm非零色散光纤SJTU32SDH的光接口位置发送SR接收CtxCrx光缆设施TX:发送机Ctx,Crx:活动连接器S,R:参考点RX:接收机SJTU33发送机在S点的特性光源类型：LED、MLM、SLM光谱特性：最大均方根宽度、最大-20dB宽度、最小边模抑制比平均发送功率：当发送机发送伪随机序列信号时在S点所测得的平均光功率消光比：在最坏反射条件时，全调制条件下传号与空号的平均光功率的比值眼图模板：限制发送光脉冲形状的方法SJTU34S-R点之间光通道的特性衰减范围最大色散值：1dB功率代价所对应的光通道色散值反射：由光通道折射率不连续引起的，包括光纤本身的折射率不均匀所造成的散射和光纤接头产生的反射SJTU35光通道的损耗允许的光通道损耗Psr为:Psr=Pt-Pr-Pp实际的S-R点允许损耗为:Psr=(Af+As/Lf+Mc)L+2Ac实际可达的再生段距离L为:L=(Pt-Pr-2Ac-Pp)/(Af+As/Lf+Mc)Pt:发送光功率Pr:接收机灵敏度Pp:光通道功率代价Af:光纤损耗(dB/km)Lf:单盘光缆的长度(km)As:固定接头损耗(dB)Ac:活动连接器损耗(dB)Mc:光缆富余度(dB/km)SJTU36接收机在R点的特性灵敏度：R点处为达到10-10的BER值所需要的平均接收光功率的最小可接受值过载功率：R点处达到10-10的BER值所需要的平均接收光功率的最大可接受值反射系数：R点处的反射光功率与入射光功率之比光通道功率代价：包括反射和由码间干扰、模分配噪声、激光器声引起的总色散代价SJTU37光纤通信发展方向1、传输速率达到Tb/s的系统设备2、掺杂有关化学元素（如铒、镨等）的光纤放大器3、光交换机4、密集波分复用（DWDM）设备5、适用于长距离、高速率、能承受较高光功率密度的新型光纤（如非零色散位移光纤-G.655光纤、无水吸收峰光纤-全波光纤等）6、集成光学器件及其它光通信元器件7、能兼容不同速率、协议和制式的全光网络技术等