光纤通信讲座2-原荣

结论总之，由于通信用光纤都用石英玻璃和塑料制成，是极好的电绝缘体，而且光信号在光缆中传输时不产生泄漏，所以不存在电气危害、电磁干扰、接地、屏蔽和保密性差等问题。再加上传输特性好的优点，使光纤成为迄今为止最好的信息传输媒质。因此，在短短的三十几年中，获得了迅速的发展，不管是在干线网上，还是在接入网上。光发射机的作用是把电信号转变为光信号注入光纤传输。光接收机的作用是把经光纤传输后的微弱光信号转变为电信号，对其放大并解调出原基带信号。光中继器的作用是对经光纤传输衰减后的信号进行放大。光中继器有光-电-光中继器和全光中继器。1.1.3光纤通信系统单信道光纤通信系统构成光探测器光中继器或光放大器解调器光接收机光纤光纤调制器光发射机光源信息复用器信息解复用器光纤通信系统构成----光发射机作用光纤通信系统通常由光发射机、光纤、中继器和光接收机组成。光发射机的作用是把电信号转变为光信号注入光纤传输，它通常由复用器、调制器和光源组成。复用器的作用是把多路信息信号复用为时分复用（TDM）信号或频分复用（FDM）信号。调制器的作用是用复用信号直接调制（IM）激光器（LD）的光强，或通过外调制器调制LD的相位。光源是把电信号转换为光信号，以便在光纤中传输。光接收机和中继器光接收机的作用是把经光纤传输后的微弱光信号转变为电信号，对其放大并解调出原基带信号。光中继器的作用是对经光纤传输衰减后的信号进行放大。光中继器有光-电-光中继器和全光中继器。如需对业务进行分出和插入，可使用光-电-光中继器；如只要求对光信号进行放大，则可以使用光放大器。光纤通信系统随着多模光纤发展到单模光纤，多模激光器发展到单模激光器，从短波长系统发展到长波长系统，已经历了三代。图1.1.3系统速率与无中继距离关系无中继距离10(km)比特率(Gb/s)0.11.01000.010.0010.000111010010000.851.3单模光纤色散移位光纤同轴电缆渐变折射率多模光纤阶跃折射率多模光纤246204060200400600mmLED多模第一代第二代第三代单频LDLD1.55m单模光纤三代光纤通信系统的特点上世纪七十年代，第一代光纤通信系统是使用渐变多模光纤的短波长（0.85m）系统，光源采用发光二极管(LED)，速率为34Mb/s或45Mb/s，无中距传输距离仅为（10~20）km。上世纪八十年代，第二代光纤通信系统使用单模光纤的1.3m系统，工作波长已由短波长发展到长波长（1.31m和1.55m），光源使用多模激光器（LD），传输速率已提高到140Mb/s和565Mb/s，无中距传输距离已增加到（100~150）km。上世纪九十年代以来，第三代光纤通信系统使用1.55m的单模光纤，光源采用单频DFB激光器和外调制技术，单信道传输速率可达到2.5Gb/s和10Gb/s以上，采用色散补偿技术无中继传输距离已达到几百千米。光纤通信系统用来连接一些节点，这些节点通常可能是交换机、终端、计算机、工作站等。光纤通信系统可分为三类：点对点系统、一点对多点系统以及网络。在点对点系统中，可能是单向的，也可能是双向的。在一点对多点(设有N个工作站)的系统中，其中站1可发送信息到所有其他N1个站，也可以接收其它各站发送来的信息，但其他各站之间不能相互通信。该系统的一个特殊情况是广播网络，即一个站可发送信息到所有其他N1个站。点对点系统和一点对多点系统仅仅是网络的特例。在网络中，每个站可以与其他任一个站进行通信，而绝不仅仅是一个站只能与另外N1个站通信。有时候我们要指出它们之间的区别，有时候我们通称以上三种情形均为系统或者网络。光纤通信系统结构分类1213N2(b)一点对多点(a)点对点75123(c)网络6489网络分类传统上，以服务范围把网络分为三类:(1)局域网，服务范围2km，如以太网，信令环和信令总线;(2)城域网，服务范围100km，如电话本地交换网或者有线电视)分配系统;(3)广域网络，服务范围可达数千公里，如开放系统互连国际网络等。第一种是光纤技术逐渐从骨干网向广域网和城域络发展，最后也将渗透到本地环,最后FTTH；第二种是以太网技术逐渐从局域网向MAN和广域网络发展，最后在骨干网上也将可能传送的是国际互连网协议(IP)数据包。这两种技术的结合，将有可能导致最终广泛采用综合了最好的光纤技术和以太网技术的光IP以太网（如IPoverWDM）。它将是在一个平台上提供数据视频和语音业务的主要工具。两种发展趋向由于通信技术的飞速发展，出现了两种发展趋向:光纤技术逐渐将渗透到局域网；以太网技术逐渐从LAN向骨干网发展。这两种技术的结合，将有可能导致最终广泛采用综合了最好的光纤技术和以太网技术的光IP以太网（如IPoverWDM）。它将是在一个平台上提供数据﹑视频和语音业务的主要工具。IPoverWDMLANMANWANIPoverDWDM骨干网WAN光纤技术IP技术MANMANMANLANLANLANLANLANLANLAN全电网络，第一代网络，节点用电缆互连在一起，电缆是一种窄带线路，它的容量有限；电光网络，第二代网络，用一段段光纤取代电缆后构成的网络，现在正被广泛使用，因节点内仍是对电信号进行交换，所以称为电光网络全光网络，第三代网络，所有节点被不间断的光缆连接起来，节点内只对光信号进行交换，这就是未来的第三代网络。1.1.4光纤通信网络-----三代网络技术比较网络举例第一代网络是电缆传输的低速以太网、信令环和信令总线；第二代网络是光纤传输的SDH网；第三代网络就是未来的全光网络。WDM技术加全光节点技术才是全光网络。全光网络全光网络是光在传输、放大、中继、上下话路、交换、光存储、复用和解复用过程中完全是在光频范围内进行处理的网络。WDM技术加全光节点技术才是全光网络。表1.1.4三代网络比较第一代网络全电网络第二代网络电光网络第三代网络全光网络网络举例低速以太网低速信令环低速信令总线SDH网ATM网MONET（美）MWTN、OPEN、PHOTON（欧洲）WP/VWP、FRONTIER（日本）物理媒质电缆光缆节点处理的信号电信号光电变换后，对电信号进行处理光信号节点特性节点是转发站存在电子瓶颈本节点为其它节点传输和处理信号服务电分插复用（ADM）、电交叉连接、电信号存储不是转发站不存在电子瓶颈本节点只处理与本节点有关的信息不为其它节点传输和处理信号服务光分插复用（ADM）、光交叉连接、光信号存储、光波长转换节点具有最少量的O/E、E/O变换结构特性不灵活电子瓶颈的限制，不能随时增加一些新节点非常灵活随时可以增加一些新节点透明度不透明完全透明同时兼容不同速率、协议、调制制式的信号全光网络全光网络最重要的优点是它的开放性。全光网络本质上是完全透明的，即对不同速率、协议、调制频率和制式的信号同时兼容，并允许几代设备（PDH/SDH/ATM）共存，并共同使用同一个光纤基础设施。全光网络结构上非常灵活，因此可以随时增加一些新节点，包括增加一些无源分路/合路器和短光纤，而不必安装另外的切换节点或者长光缆。全光网络与电光网络的显著不同之处在于它具有最少量的电/光和光/电转换。最重要的是没有一个节点为其他节点传输和处理信息服务。光传送网由于技术上的原因，也不可能完全是全光节点，在多级全光中继放大后，也需要电中继放大级；即使在全光节点内，也一时离不开电子电路控制，数字包封是在电域内完成。所以ITU-T称下一代网络为光传送网(OTN)。IPoverOptical或IP/ATMoverWDM称为光传送网。光传送网的优点提供了以高速传输数据为中心的传输解决方案；带宽大，利用率高，可靠性高，功能强，如虚拟专用网和MPLS(多协议标记交换)大大降低了时分复用(TDM)传输的成本，需要操作和管理的设备少，运营成本低，易于维护，且维护成本低；提高了带宽的使用效率。构成通信网络的基础设施可用分层模型来描述。这种分层网络支持传统的电复用信号传输，也提供全光端对端透明连接。在光层中完成光分插复用（OADM）、光交叉连接（OXC）、信号存储以及业务调度等网络功能。电交换/复接层(SDH/ATM层)LANPOTSCATVOXCOXCOXC业务和应用层光传送/网络层光接入MSC视频网络管理OADMOADMOADM:OXC：光分插复用光交叉连接1.1.5通信网络分层结构将来网络的核心网为全光网，传统的起接入作用的路由器将被光接入路由器所取代，一个路由器的一端连接的是ATM、STM、IP等宽带设备，另一端则通过WDM技术直接与光传送网连接。该图表示具有自愈功能和抗毁能力的光传送网的结构。1.1.7光传送网结构IPATMSDHSDHATMPDHPDHIP光传送网光传送网ATMIPSDH其它光传送网ATMIPSDH其它光传送网MSC:OADMMSCMSCMSC几种可能的MSC信号传送技术ATM光传送网*光传送网*:具有SDH接口的光传送网光传送网*开放光接口ATM光传送网SDHSDHIPMSCMSCMSC信息网模型接入网用户驻地网电话机计算机电视机局域网核心骨干网WDMSDHHFCAPONEPONxDSL以太网信息网由核心骨干网、接入网和用户驻地网组成。接入网处于核心骨干网和用户驻地网之间，它是大量的用户驻地网进入核心骨干网的桥梁。目前，数据业务激烈增长，通信信道越来越拥挤，光通信是唯一的出路。今后5年内电信投资的50%将用于接入网建设。所以网络接入技术已成为电信研究部门和各大电信公司和运营部门关注的焦点。光缆/同轴电缆混合（HFC）CATV网络前端非广播业务：本地自办节目双向光放大或光中继器光缆干线光分配节点双向电放大器卫星或微波站本地分配小区小区小区话音、数字视频高速数据、电子商务IP话音/视频广播业务电缆支线CATV系统是一种电视接收系统，它是一个城市或地区所有电视接收机共用一套天线的系统。有了CATV系统，电视图象就不会因高山或高层建筑物的遮挡或反射，出现重影或雪花干扰。传统的CATV采用同轴电缆传输。电缆对信号的衰减基本上与信号频率的平方根成正比。干线越长，信号的衰减越大。随着环境温度的变化，电缆的衰减量也要变化。所以，电缆干线每传输几百米就需要放置一个放大器。多级放大器的级联除增加噪声积累外，还使交扰调制和相互调制失真增加。所以，目前干线长度超过10千米（有时甚至仅数千米）就采用光缆。这种信源前端到小区使用光缆，小区到用户使用电缆传输的网络叫光纤/同轴电缆混合网（HFC，HybridFiber/Coax）。但大多数HFC网络目前还不能提供双向业务。典型的HFC频谱安排图53042505507501000MHzf上行数字频道60路模拟频道CATV下行数字频道VODCATV或频道频道因特网的网络结构用户层信息源用户服务层核心层路由器拨号上网用户企事业单位用户IP(overATM)overSDHIPoverWDM路由器路由器三网融合示意图制造商融合行业网络终端融合网络融合在相当长一段时间内长期共存互相竞争统一网数据综合网电视综合网电信网计算机网技术融合业务融合市场融合行业融合电信综合网有线电视网为了使有限而宝贵的网络资源最大程度地实现共享，避免大量低水平的重复建设，打破行业垄断和部门分割，三网融合是信息网发展的必然趋势电接口：N2Mb/s,光接口：基于SDH的155Mb/s光接口：N155Mb/s,基于SDH的2.5Gb/s占用WDM的一个或几个波长信道光纤用于移动局到移动局或市话局的传输光发射机光接收机光纤移动业务交换中心（MSC）市话局或长途局1.2光波基础光具有两种特性：波动性粒子性下面分别加以介绍。1.光的波动性像无线电波和x射线一样，光是一种电磁波，具有反射、折射、衍射、干涉和衰减等特性。单频光称为单色光，在均匀介质中，可用麦克斯韦(Maxwell)波动方程的弱导近似形式描述22221tEE和