現(xiàn)代通信技術(shù)2(光纖通信)

1、西安科技大學(xué)西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院通信與信息工程學(xué)院韓曉冰韓曉冰 副教授副教授1.1 通信系統(tǒng)模型信源處理與編碼解碼與處理接收設(shè)備傳輸媒質(zhì)發(fā)射設(shè)備信宿n終端設(shè)備n傳輸鏈路 光纖傳輸系統(tǒng)光纖傳輸系統(tǒng) 衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)衛(wèi)星傳輸系統(tǒng) 數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)n轉(zhuǎn)接交換設(shè)備 1.3 電話通信網(wǎng)的等級(jí)結(jié)構(gòu)電話通信網(wǎng)的等級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)交換中心C1二級(jí)交換中心C2長(zhǎng)途網(wǎng)三級(jí)交換中心C3四級(jí)交換中心C4端局C5本地網(wǎng)T 國(guó)際國(guó)際局n光纖傳輸系統(tǒng)光纖傳輸系統(tǒng)n衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)n微波傳輸系統(tǒng)微波傳輸系統(tǒng)n同軸傳輸系統(tǒng)n明線傳輸系統(tǒng)n載波傳輸系統(tǒng)PCM電話通信系統(tǒng)示意圖電話通信系統(tǒng)示意圖發(fā)送端 接收

2、端 話音 PCM信號(hào) PCM信號(hào) 話音信號(hào) 信號(hào) 模數(shù)變換 信道 模數(shù)變換 （Pulse Code Modulation-PCM）抽樣量化編碼再生中繼再生解碼低通3.1 光纖通信簡(jiǎn)史光纖通信簡(jiǎn)史古代光通信古代光通信n3000年前的烽火臺(tái)；n17世紀(jì)中葉，發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡；n1791年，法國(guó)人發(fā)明了信號(hào)燈。 現(xiàn)代光通信現(xiàn)代光通信-光話光話n1880年貝爾發(fā)明光話，他以日光為光源，大氣為傳輸媒介，傳輸距離是200米；n1881年貝爾發(fā)表了論文關(guān)于利用光線進(jìn)行聲音的復(fù)制與產(chǎn)生；n貝爾的光話始終沒(méi)有實(shí)用化： n1、沒(méi)有可靠的、高強(qiáng)度的光源； n2、沒(méi)有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒介。1970年光纖通信元年年光纖

3、通信元年n1960年，第一臺(tái)相干振蕩光源-紅寶石激光器問(wèn)世；1962年，半導(dǎo)體激光器問(wèn)世；n1970年貝爾實(shí)驗(yàn)室制作出可以在常溫下連續(xù)工作的鋁鎵砷（AlGaAs）半導(dǎo)體激光器。n直到60年代中期，優(yōu)質(zhì)光學(xué)玻璃的損耗仍高達(dá)1000dB/km；n英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電信研究所的華裔科學(xué)家高錕博士于1966年發(fā)表了一篇論文，提出利用帶有包層材料的石英玻璃光纖作為光通信媒介；n1970年美國(guó)康寧（Corning）公司制成損耗為20dB/km的低損耗石英光纖。n1976年，發(fā)現(xiàn)光纖的衰減在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)有：年，發(fā)現(xiàn)光纖的衰減在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)有：1.31um和和1.55um兩個(gè)窗口兩個(gè)窗口n1980年，產(chǎn)生了低衰減光纖，在年，產(chǎn)

4、生了低衰減光纖，在1.55um的衰減系數(shù)為的衰減系數(shù)為0.20dB/km已接近理論值已接近理論值 (ITU-T G.652)常規(guī)單模光纖,在1.31um的零色散為零 (ITU-T G.653)色散位移單模光纖,低損耗和零色散均在1.55um,工作波長(zhǎng)為 1.55um (ITU-T G.655)非零色散位移單模光纖,在1.55um損耗小,色散小,非線性效應(yīng) 小3.2 光纖通信光纖通信n以光波為載頻，以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)的通以光波為載頻，以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)的通信方式信方式n波長(zhǎng)范圍是近紅外區(qū)，即波長(zhǎng)范圍是近紅外區(qū)，即0.8-1.6微米微米n目前所采用的三個(gè)實(shí)用通信窗口目前所采用的三個(gè)實(shí)用通信窗口

5、 短波波長(zhǎng)段波長(zhǎng)為0.85微米 長(zhǎng)波波長(zhǎng)段1.31微米和1.55微米光纖通訊的優(yōu)點(diǎn)光纖通訊的優(yōu)點(diǎn)n具有傳輸頻帶寬、通信容量大具有傳輸頻帶寬、通信容量大n傳輸衰減小，距離遠(yuǎn)傳輸衰減小，距離遠(yuǎn)n信號(hào)串?dāng)_小，傳輸質(zhì)量高信號(hào)串?dāng)_小，傳輸質(zhì)量高n抗電磁干擾，保密性好抗電磁干擾，保密性好n光纖尺寸小，質(zhì)量輕便于運(yùn)輸和敷設(shè)光纖尺寸小，質(zhì)量輕便于運(yùn)輸和敷設(shè)n耐化學(xué)腐蝕，適用于特殊環(huán)境耐化學(xué)腐蝕，適用于特殊環(huán)境n原料資源豐富原料資源豐富n節(jié)約有色金屬節(jié)約有色金屬4.1 光纖傳輸基本原理光纖傳輸基本原理n光纖通信所用的光波長(zhǎng)范圍在光纖通信所用的光波長(zhǎng)范圍在8008001600nm1600nm的近紅外區(qū)的近紅外區(qū)n

6、光的傳播是通過(guò)電場(chǎng)、磁場(chǎng)的狀態(tài)隨時(shí)間變化的規(guī)律表現(xiàn)出來(lái)的。光的傳播是通過(guò)電場(chǎng)、磁場(chǎng)的狀態(tài)隨時(shí)間變化的規(guī)律表現(xiàn)出來(lái)的。光纖心線的剖面結(jié)構(gòu)示意圖光纖心線的剖面結(jié)構(gòu)示意圖纖芯包層一次涂覆二次涂覆（套塑）2a2b 4.2 光光 纖纖光纖的傳播模式光纖的傳播模式n在光纖的數(shù)值 孔徑角內(nèi)，以某一角度射入光纖端面，并能在光纖的纖芯到包層界面上形成全反射的傳播光線就可稱為一個(gè)光的傳輸模式。高次?；５痛文Ｆ矫娌ǖ姆瓷浜驼凵淦矫娌ǖ姆瓷浜驼凵鋘反射：1=1 n折射：n 1 sin 1 =n 2 sin 2n 全反射： sin 1 = n 2 / n 1n2n1112n衰減n色散n偏振模色散n光纖的非線性效應(yīng) 衰

7、減表明光纖對(duì)光能的傳輸損耗衰減表明光纖對(duì)光能的傳輸損耗。 光在光纖中傳播時(shí)，平均光功率沿光纖長(zhǎng)度按照指數(shù)規(guī)律減少:P(L)=P(0)10( L/10) 式中： P(0)在L0處注入光纖的光功率 P(L)傳輸?shù)捷S向距離L處的光功率 衰減系數(shù)（L） (10/L)P(L)/P(0) dB/km衰減系數(shù)與波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系衰減系數(shù)與波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系損耗損耗本征本征非本征非本征吸收吸收紫外吸收金屬離子紅外吸收OH離子、H2散射散射瑞利散射波導(dǎo)缺陷米氏散射受激布里淵散射受激拉曼散射n光纖中的信號(hào)是由不同的頻率成分和不同的模式成分來(lái)攜帶的，這些不同的頻率成分和不同的模式成分的傳輸速度不同，從而引起色散脈沖展寬脈沖

8、展寬T光纖的非線性效應(yīng)光纖的非線性效應(yīng)n散射影響散射影響受激布里淵散射（受激布里淵散射（SBSSBS）受激拉曼散射受激拉曼散射 （SRSSRS）n光纖克爾光纖克爾( (折射率引起折射率引起) )效應(yīng)效應(yīng)自相位調(diào)制（自相位調(diào)制（SPMSPM）交叉相位調(diào)制（交叉相位調(diào)制（XPMXPM）四波混頻四波混頻（FWMFWM）4.4 光纖的類型光纖的類型n多模光纖多模光纖：纖芯直徑為50-75微米 在一定的工作波長(zhǎng)下，有多個(gè)模 式在光纖中傳輸n單模光纖單模光纖：纖芯直徑很小，約4-10微米 理論上只傳輸一種模式涂覆層涂覆層包層包層芯芯n2n1涂覆層涂覆層包層包層芯芯n2n1折射率呈梯度分布和更低的衰減，使其

9、性能比階折射率呈梯度分布和更低的衰減，使其性能比階躍性單模光纖要好得多！躍性單模光纖要好得多！n標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（G.652光纖）n色散位移單模光纖（G.653光纖）n1550nm波長(zhǎng)最低衰減光纖（G.654光纖）n非零色散位移光纖（G.655光纖）n色散補(bǔ)償光纖（G.65X光纖）n色散平坦光纖4.5 光纜結(jié)構(gòu)與分類光纜結(jié)構(gòu)與分類n結(jié)構(gòu)： 纜芯、 加強(qiáng)件、 護(hù)層（護(hù)套）。光纜結(jié)構(gòu)圖光纜結(jié)構(gòu)圖光纜型號(hào)表示方法n1、型號(hào)的組成型號(hào)由產(chǎn)品型式和規(guī)格兩大部分組成。n 格 式： 型式 規(guī)格 n 型 式由以下五部分組成：分類加強(qiáng)構(gòu)件結(jié)構(gòu)特征護(hù)套 外護(hù)層n分類代號(hào)GY通信用室外光纜G J通信用室內(nèi)光纜n加強(qiáng)構(gòu)件

10、代號(hào)無(wú)符號(hào)金屬加強(qiáng)構(gòu)件 F非金屬加強(qiáng)構(gòu)件n結(jié)構(gòu)特征代號(hào) 無(wú)符號(hào)層絞結(jié)構(gòu) X光纜中心管（被覆）結(jié)構(gòu) T油膏填充式結(jié)構(gòu) C自承式結(jié)構(gòu) 8“8”字型結(jié)構(gòu) E橢圓結(jié)構(gòu) B扁平形狀 Z阻燃結(jié)構(gòu) n護(hù)套代號(hào) Y普通聚乙烯 V聚氯乙烯護(hù)套 A鋁-聚乙烯粘結(jié)護(hù)套 S鋼-聚乙烯粘結(jié)護(hù)套n W夾帶平行鋼絲的鋼-聚乙烯粘結(jié)護(hù)套（簡(jiǎn)稱W護(hù)套） AT耐電痕聚乙烯護(hù)套n外護(hù)層代號(hào) 23雙層繞包鋼帶鎧裝聚乙外護(hù)套 33單層細(xì)圓鋼絲鎧裝聚乙外護(hù)套 333雙層細(xì)圓鋼絲鎧裝聚乙外護(hù)套 53縱包皺紋鋼帶鎧裝聚乙外護(hù)套 光纜光纜實(shí)例實(shí)例nGYSTAnGYSTA53nGYSTSnGYXTWnGYXTYn光纜應(yīng)用類型光纜應(yīng)用類型介紹5

11、光器件光器件5.1光源光源nLED: 功率小、譜線寬。nLD：功率大、譜線窄。5.2檢測(cè)器檢測(cè)器nPIN：nAPD：5.3EDFA-摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器n原理：光隔離器摻鉺光纖摻鉺光纖n應(yīng)用n中間放大、前置放大6 WDM-波分復(fù)用波分復(fù)用6.1原理6.2 器件7 光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)7.1光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展第一代光纖通信系統(tǒng)第一代光纖通信系統(tǒng)：1973年1976年，采用短波長(zhǎng)（0.85m）多 模光纖，其傳輸速率為50-100Mb/s，中繼距離為10km；第二代光纖通信系統(tǒng)第二代光纖通信系統(tǒng)：1976年1982年，采用長(zhǎng)波長(zhǎng)（1.3m）多 模和單模光纖，其傳輸速率為

12、140Mb/s，中繼距離為20-50km；第三代光纖通信系統(tǒng)：第三代光纖通信系統(tǒng)：1982年1988年，采用波長(zhǎng)（1.31m）單模 光纖，其傳輸信號(hào)為PDH的各次群信號(hào)，傳輸距離為50km左右；第四代光纖通信系統(tǒng)：第四代光纖通信系統(tǒng)：1988年至今，采用波長(zhǎng)（1.55m）單模光纖， 其傳輸信號(hào)為SDH 的各次群信號(hào)，傳輸速率達(dá)2.5Gb/s，中繼距 離為80km左右，并開始采用光纖放大器（EDFA）、波分復(fù)用（WDM）等技術(shù) 我國(guó)光纖通信技術(shù)進(jìn)展 一、初級(jí)研究階段（1974-1980） 研制出了階躍多模光纖、室溫下的連續(xù)工作的GaAlAs半導(dǎo)體激光器 和8 Mb/s光端機(jī)等。 二、實(shí)用化研究階

13、段（1981-1985） 解決了市話中繼多模光纖傳輸系統(tǒng)。 三、長(zhǎng)途通信研究階段（1986-1990） 單模光纖長(zhǎng)途干線系統(tǒng)的成套技術(shù)，包括光纖、器件、系統(tǒng)、測(cè)試、 儀表等。 四、光同步數(shù)字傳送同研究階段（1991-1996） 這一階段的主要任務(wù)是鞏固和發(fā)展PDH研究已取得的多項(xiàng)成果，引進(jìn)、開發(fā)或自制SDH產(chǎn)品。7.2 光纖通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成n以電話傳輸系統(tǒng)為例SPCOLTSPCOLT7.3 光纖通信光纖通信系統(tǒng)的制式nPDH-準(zhǔn)同步數(shù)字系列準(zhǔn)同步數(shù)字系列nSDH-同步數(shù)字系列同步數(shù)字系列SDH的定義的定義 SDH是一個(gè)將復(fù)接、線路傳輸、交叉連接及交換功能融為一體的，并由統(tǒng)一的網(wǎng)管系統(tǒng)進(jìn)行管理

14、的綜合業(yè)務(wù)傳送網(wǎng)絡(luò)7.4 SDH-光同步傳輸系統(tǒng)光同步傳輸系統(tǒng)SDH的發(fā)展背景的發(fā)展背景（1）80年代光纖通信在電信網(wǎng)中獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。（2）1985年美國(guó)貝爾通信研究所提出了同步光纖網(wǎng)（SONET）的概念。（3）1988年CCITT正式命名SDH-同步數(shù)字體系。SDH的應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用領(lǐng)域n涉及領(lǐng)域：長(zhǎng)途通信、交換、接入、移動(dòng)等等。n應(yīng)用趨勢(shì)：逐步從長(zhǎng)途通信、市話局間中繼通信轉(zhuǎn)向用戶網(wǎng)。SDH的特點(diǎn)的特點(diǎn)nSDHSDH統(tǒng)一了世界上的三種數(shù)字體系。統(tǒng)一了世界上的三種數(shù)字體系。n具有標(biāo)準(zhǔn)的光接口。具有標(biāo)準(zhǔn)的光接口。n上、下支路方便。上、下支路方便。n用于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、管理、維護(hù)的開銷豐富。用于網(wǎng)絡(luò)

15、運(yùn)行、管理、維護(hù)的開銷豐富。n網(wǎng)絡(luò)具有自愈性。網(wǎng)絡(luò)具有自愈性。n組網(wǎng)靈活。組網(wǎng)靈活。準(zhǔn)同步數(shù)字系列準(zhǔn)同步數(shù)字系列( (PDH)PDH)400Mb/s100Mb/s32Mb/s6.3Mb/s日本系列日本系列274Mb/s45Mb/s6.3Mb/s565Mb/s139Mb/s34Mb/s8Mb/s2Mb/s1.5Mb/s北美系列北美系列歐洲系列歐洲系列4 44 44 44 44 44 43 35 56 67 74 41.5Mb/sSDH的速率等級(jí)的速率等級(jí)nSDH具有一套標(biāo)準(zhǔn)化的信息結(jié)構(gòu)等級(jí)，稱為具有一套標(biāo)準(zhǔn)化的信息結(jié)構(gòu)等級(jí)，稱為同步傳送模塊同步傳送模塊STM-1、STM-4和和STM-16，并具

16、有頁(yè)狀矩形幀結(jié)構(gòu)并具有頁(yè)狀矩形幀結(jié)構(gòu)。等等級(jí)級(jí)STM-1STM-4STM-16STM-64速速率率（Mbit/s）155.520622.0802488.3209953.280分插信號(hào)流程的比較分插信號(hào)流程的比較 SDH的弱點(diǎn)的弱點(diǎn)1.頻點(diǎn)利用率不如傳統(tǒng)的PDH系統(tǒng)。2.采用指針調(diào)整機(jī)理增加了設(shè)備的復(fù)雜性。3.指針調(diào)整產(chǎn)生的相位躍變?cè)诘皖l抖動(dòng)和漂移性能上信號(hào)損傷較重。4.網(wǎng)管權(quán)限大，出現(xiàn)在網(wǎng)管上的錯(cuò)誤可導(dǎo)致全網(wǎng)癱瘓。STM-N幀結(jié)構(gòu)幀結(jié)構(gòu)MSOHRSOH傳輸方向9270N字節(jié)134599N261N傳輸方向270NRSOHMSOHSTM-N信息凈負(fù)荷（含少量POH）STM-N信息凈負(fù)荷（含少量PO

17、H）AU PTRAU PTRRSOHMSOHSTM-1幀由9行、270列共2430個(gè)字節(jié)組成。傳送時(shí)按由左到右、由上至下的順序進(jìn)行，直到整個(gè)幀傳送完畢。每秒傳送8000幀。因此其傳輸速率為： 270988000=155.520Mbit/s電 路 層 網(wǎng) 絡(luò)VC_12VC_4VC_3電路層低階通道層通道層高階通道層段層復(fù)用段層網(wǎng)絡(luò)再生段層網(wǎng)絡(luò)物理層網(wǎng)絡(luò)傳輸媒質(zhì)層SDH傳送網(wǎng)的分層模型傳送網(wǎng)的分層模型1.設(shè)備的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)單2.使規(guī)范在一個(gè)長(zhǎng)久的時(shí)期內(nèi)保持穩(wěn)定3.便于維護(hù)虛容器STM-NN1140Mb/s45Mb/s34Mb/s6.3Mb/s2Mb/s1.5Mb/s3C-11C-12C-2C-

18、3C-4VC-11VC-2VC-3VC-3VC-4TU-11TU-12TU-2TU-3TUG-2TUG-3AUGAU-3AU-4VC-12341容器支路單元管理單元支路單元組管理單元組同步傳送模塊定位校準(zhǔn)復(fù)用映射我國(guó)采用的復(fù)用映射結(jié)構(gòu)虛容器STM-NN1140Mb/s34Mb/sC-12C-3C-4VC-12VC-3VC-4TU-12TU-3TUG-2TUG-3AUGAU-43容器支路單元管理單元支路單元組管理單元組同步傳送模式定位校準(zhǔn)復(fù)用2Mb/s映射歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)采用的復(fù)用映射結(jié)構(gòu)是G.709建議的一部分，即高階虛容器中沒(méi)有VC-3，我國(guó)選用的是歐洲復(fù)用映射結(jié)構(gòu)。STM-1（155M）S

19、TM-4（622M） 1個(gè) VC-4（1140M） 3個(gè)VC-3（334M）63個(gè)VC-12（632M） 4個(gè)VC-4（4140M）12個(gè)VC-3（12 34M）252個(gè)VC-12（252 2M）通道1+1保護(hù)是以通道為基礎(chǔ)的，倒換與否按分出的每一通道信號(hào)質(zhì)量的優(yōu)劣而定。通常倒換時(shí)間不超過(guò)10ms。通道1+1保護(hù)使用并發(fā)優(yōu)收原則。插入時(shí)，通道業(yè)務(wù)信號(hào)同時(shí)饋入工作通路和保護(hù)通路；分出時(shí)，同時(shí)收到工作通路和保護(hù)通路兩個(gè)通道信號(hào)，按其信號(hào)的優(yōu)劣來(lái)選擇一路作為分路信號(hào)。W WP P并發(fā)并發(fā)優(yōu)收優(yōu)收通道通道 1+1保護(hù)保護(hù)OLOLOLOL復(fù)用段保護(hù)是以復(fù)用段為基礎(chǔ)的，倒換與否按每?jī)烧鹃g的復(fù)用段信號(hào)質(zhì)量的

20、優(yōu)劣而定。當(dāng)復(fù)用段出故障時(shí)，整個(gè)站間的業(yè)務(wù)信號(hào)都轉(zhuǎn)到保護(hù)通路，從而達(dá)到保護(hù)的目的。復(fù)用段1+1保護(hù)方式，業(yè)務(wù)信號(hào)發(fā)送時(shí)同時(shí)跨接在工作通路和保護(hù)通路。正常時(shí)從工作通路接收業(yè)務(wù)信號(hào)，復(fù)用段故障時(shí)，自動(dòng)切換到保護(hù)通路接收業(yè)務(wù)信號(hào)。系統(tǒng)的復(fù)用段1+1保護(hù)為單向或雙向切換復(fù)原模式。 TRTRCSCSOLOLOLOLTRTRCSCS復(fù)用段復(fù)用段1+1保護(hù)保護(hù)CA CA ACACCA ACCA ACW W P PP PW WABCDCA ACCA ACCA ACCA ACW W P PP PW WABCD倒換倒換 二纖單向通道倒換環(huán)的保護(hù)方式與通道1+1保護(hù)相同，也是基于并發(fā)優(yōu)收的原則，以PATHAIS為倒

21、換的依據(jù)，不需要APS協(xié)議。a. a. 正常工作時(shí)正常工作時(shí) b. b. 出現(xiàn)故障時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)二二 纖纖 單單 向向 通通 道道 倒倒 換換 環(huán)環(huán)CA ACCA ACCA ACCA ACW WP PP PW WABCDCA ACCA ACCA ACCA ACW WP PP PW WABCD倒換倒換每一節(jié)點(diǎn)在支路信號(hào)分插功能前的每一高速線路上都有一倒換開關(guān)當(dāng)BC節(jié)點(diǎn)間的光纜故障時(shí)，節(jié)點(diǎn)B和C的保護(hù)倒換開關(guān)將利用APS協(xié)議執(zhí)行環(huán)回功能。該環(huán)回倒換功能能保證在故障情況下仍維持環(huán)的連續(xù)性，使業(yè)務(wù)信號(hào)不產(chǎn)生中斷。 a. a. 正常工作時(shí)正常工作時(shí) b. b. 出現(xiàn)故障時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)二二 纖纖 單單 向向 復(fù)復(fù) 用用 段段 倒倒 換換 環(huán)環(huán)CA A