單元二話音在光纖通信系統(tǒng)中的傳輸任務(wù)3認(rèn)識光通信器件教課件

1、單元二話音在光纖通信系統(tǒng)中的傳輸任務(wù)3認(rèn)識光通信器件教2022/7/161第4章 數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 2022/7/162本章重點(diǎn)內(nèi)容是：1. 光纖通信的特點(diǎn)；2光纖通信系統(tǒng)的差不多組成；3光纖的結(jié)構(gòu)和分類、光纖的導(dǎo)光原理及要緊工作特性；4光源、光檢測器、光無源器件的工作原理和工作特性5光端機(jī)的差不多組成及各部分的要緊作用；6SDH的差不多特點(diǎn)；7SDH的標(biāo)準(zhǔn)速率與幀結(jié)構(gòu)；8我國SDH的復(fù)用結(jié)構(gòu)；9SDH網(wǎng)中的復(fù)用設(shè)備和數(shù)字交叉連接器；10SDH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。4.1 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)概述2022/7/1634.1.1光纖通信發(fā)展史和現(xiàn)狀1、探索時期的光通信: 中國古代用“烽火臺”報警，歐洲人用旗語傳

2、送信息， 這些都能夠看作是原始形式的光通信。 1880年，美國人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。光電話證明了用光波作為載波傳送信息的可行性。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。 2022/7/164 1960年，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺紅寶石激光器， 給光通信帶來了新的希望。 激光具有波譜寬度窄，方向性極好， 亮度極高，以及頻率和相位較一致的良好特性。 繼紅寶石激光器之后，氦氖(He - Ne)激光器、二氧化碳(CO2)激光器先后出現(xiàn)，并投入實際應(yīng)用。 激光器的發(fā)明和應(yīng)用， 使光通信進(jìn)入一個嶄新的階段。 2022/7/1652、現(xiàn)代光纖通信 1966年，英籍華裔

3、學(xué)者高錕指出了利用光纖(Optical Fiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信光纖通信的基礎(chǔ)。 1970 年，光纖研制取得了重大突破。美國康寧(Corning)公司就研制成功損耗20 dB/km的石英光纖。 1973 年，美國貝爾(Bell)實驗室取得了更大成績，光纖損耗降低到2.5dB/km。 1976 年，日本電報電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47 dB/km(波長1.2m)。2022/7/1663、光纖通信的發(fā)展能夠粗略地分為三個階段： 第一階段(1966-1976年)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時期。實現(xiàn)了短波長(0.85m)低速率(45或34Mb/s

4、)多模光纖通信系統(tǒng)。 第二階段(1976-1986年)，這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時期。 光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長從短波長(0.85m)發(fā)展到長波長(1.31m和1.55m)。 第三階段(1986-1996年)，這是以超大容量超長距離為目標(biāo)、全面深入開展新技術(shù)研究的時期。在這個時期，實現(xiàn)了1.55m色散移位單模光纖通信系統(tǒng)。實驗室可以達(dá)到更高水平。2022/7/1674.1.2 光纖通信的特點(diǎn)和應(yīng)用 在光纖通信系統(tǒng)中，作為載波的光波頻率比電波頻率高得多，作為傳輸介質(zhì)的光纖又比同軸電纜或波導(dǎo)管的損耗低得多，因此相關(guān)于電纜通信或微波通信，光纖通信具有許多

5、獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。 1. 容許頻帶很寬，傳輸容量很大 單波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率一般為2.5 Gb/s和10 Gb/s。波分復(fù)用(WDM)和光時分復(fù)用(TDM)更是極大地增加了傳輸容量， 見下表 。2022/7/168通信手段 傳輸容量(話路)/條 中繼距離/km 1000 km內(nèi)中繼器個數(shù) 微波無線電 960 5020小同軸 9604250中同軸 180061600光纜 19203033光纜 14000(1Gb/s)8411光纜 6000(445MB/S)1347表 光纖通信與電纜或微波通信傳輸能力的比較 2022/7/169 2. 損耗很小， 中繼距離很長且誤碼率很小 石英光纖在1.31 m和

6、1.55 m波長， 傳輸損耗分別為0.50 dB/km和0.20 dB/km，甚至更低。因此，用光纖比用同軸電纜或波導(dǎo)管的中繼距離長得多，見表。 傳輸容量大、傳輸誤碼率低、中繼距離長的優(yōu)點(diǎn)，使光纖通信系統(tǒng)不僅適合于長途干線網(wǎng)而且適合于接入網(wǎng)的使用， 這也是降低每公里話路的系統(tǒng)造價的要緊緣故。項目 8 芯 18 芯 光纜 電纜 光纜 電纜 重量/(kgm-1) 重量比 0.42 16.3150.4211126直徑/mm 截面積比 211475211659.62022/7/16103. 重量輕、 體積小 光纖重量很輕，直徑很小。即使做成光纜，在芯數(shù)相同的條件下，其重量依然比電纜輕得多，體積也小得多

7、。表給光纜和標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜的重量和截面積的比較。 表 光纜和電纜的重量和截面積比較 2022/7/1611 4. 抗電磁干擾性能好 光纖由電絕緣的石英材料制成，光纖通信線路不受各種電磁場的干擾和閃電雷擊的損壞。 5. 泄漏小， 保密性能好 在光纖中傳輸?shù)墓庑孤┨貏e微弱，即使在彎曲地段也無法竊聽。因此信息在光纖中傳輸特別安全。 6. 節(jié)約金屬材料， 有利于資源合理使用。2022/7/1612 總之，光纖通信不僅在技術(shù)上具有很大的優(yōu)越性，由圖可見，隨著傳輸容量的增加，由于采用了新的傳輸媒質(zhì)， 使得相對造價直線下降。圖 各種通信系統(tǒng)相對造價與傳輸容量的比較 2022/7/1613 光纖能夠傳輸數(shù)字信號

8、，也能夠傳輸模擬信號。光纖通信的各種應(yīng)用可概括如下： 通信網(wǎng)，包括全球通信網(wǎng)、各國的公共電信網(wǎng)、各種專用通信網(wǎng)、特殊通信手段。 構(gòu)成因特網(wǎng)的計算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，如光纖以太網(wǎng)、 路由器之間的光纖高速傳輸鏈路。 有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)；工業(yè)電視系統(tǒng)，如工廠、 銀行、商場、交通和公安部的監(jiān)控。 綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)，分為有源接入網(wǎng)和無源接入網(wǎng)， 可實現(xiàn)電話、數(shù)據(jù)、視頻(會議電視、可視電話等)及多媒體業(yè)務(wù)綜合接入核心網(wǎng)，提供各種各樣的社區(qū)服務(wù)。 2022/7/16144.1.3 光纖通信系統(tǒng)的差不多組成 1、發(fā)射和接收 下圖示出單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)，包括發(fā)射、接收和作為廣義信道的基本光纖傳輸系統(tǒng)。

9、 圖 光纖通信系統(tǒng)的差不多組成光纖通信系統(tǒng)組成演示2022/7/1615信息源：把用戶信息轉(zhuǎn)換為原始電信號，這種信號稱為基帶信號。電發(fā)射機(jī)：把基帶信號轉(zhuǎn)換為適合信道傳輸?shù)男盘?，那個轉(zhuǎn)換假如需要調(diào)制， 那么其輸出信號稱為已調(diào)信號。光發(fā)射機(jī)：輸入到光發(fā)射機(jī)帶有信息的電信號，通過調(diào)制轉(zhuǎn)換為光信號。光接收機(jī)：光載波通過光纖線路傳輸?shù)浇邮斩?，再由光接收機(jī)把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。 電接收機(jī)：功能和電發(fā)射機(jī)的功能相反。2022/7/1616 2、差不多光纖傳輸系統(tǒng) 差不多光纖傳輸系統(tǒng)作為獨(dú)立的“光信道”單元。 有線通信系統(tǒng)或無線通信系統(tǒng)的發(fā)射與接收之間 加入光發(fā)射機(jī)、光纖線路和光接收機(jī)，再配置適當(dāng)?shù)?光器件，

10、 能夠組成傳輸能力更強(qiáng)、功能更完善的光 纖通信系統(tǒng)。 下面簡要介紹基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個組成部分。2022/7/1617光發(fā)射機(jī)： 光發(fā)射機(jī)的功能：把輸入電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并用耦合技術(shù)把光信號最大限度地注入光纖線路。 光發(fā)射機(jī)組成：由光源、 驅(qū)動器和調(diào)制器組成。 光源是光發(fā)射機(jī)的核心。光發(fā)射機(jī)的性能差不多上取決于光源的特性。 光源種類：半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)、半導(dǎo)體激光二極管(或稱激光器)(LD)， 單縱模分布反饋(DFB)激光器。2022/7/1618光纖線路： 光纖線路功能：是把來自光發(fā)射機(jī)的光信號，以盡可能小的失真和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)。 光纖線路組成：由光纖、光纖接頭和光纖連接器組

11、成。 光纖差不多要求：損耗和色散這兩個傳輸特性參數(shù)都盡可能地小， 有足夠好的機(jī)械特性和環(huán)境特性。 石英光纖分類：多模光纖和單模光纖。 單模光纖的傳輸特性比多模光纖好，價格比多模光纖便宜，因而得到更廣泛的應(yīng)用。 單模光纖適合大容量長距離光纖傳輸系統(tǒng)，小容量短距離系統(tǒng)用多模光纖配合半導(dǎo)體發(fā)光二極管更加合適。2022/7/1619光接收機(jī)： 光接收機(jī)的功能：是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號。 光接收機(jī)組成：由光檢測器、 放大器和相關(guān)電路組成 光檢測器是光接收機(jī)的核心。對光檢測器的要求是響應(yīng)度高、 噪聲低和響應(yīng)速度快。 光檢測器種類： 光

12、電二極管(PIN - PD)、雪崩光電二極管(APD)。 光發(fā)射機(jī)與光接收機(jī)組成演示 光接收機(jī)最重要的特性參數(shù)是靈敏度。 靈敏度是衡量光接收機(jī)質(zhì)量的綜合指標(biāo)，它反映接收機(jī)調(diào)整到最正確狀態(tài)時， 接收微弱光信號的能力。 靈敏度要緊取決于組成光接收機(jī)的光電二極管和放大器的噪聲，并受傳輸速率、光發(fā)射機(jī)的參數(shù)和光纖線路的色散的影響，還與系統(tǒng)要求的誤碼率或信噪比有密切關(guān)系。 所以靈敏度也是反映光纖通信系統(tǒng)質(zhì)量的重要指標(biāo)。 2022/7/16202022/7/16214.2 光纜 為了使光纖能在工程中實用化，能承受工程中拉伸、 側(cè)壓和各種外力作用, 還要具有一定的機(jī)械強(qiáng)度才能使性能穩(wěn)定。 因此, 將光纖制成

13、不同結(jié)構(gòu)、不同形狀和不同種類的光纜以適應(yīng)光纖通信的需要。 光纜要緊由纜芯、護(hù)套和加強(qiáng)元件組成。2022/7/1622 纜芯 纜芯是由光纖芯組成的, 它可分為單芯和多芯兩種。單芯型纜芯和多芯型纜芯結(jié)構(gòu)的比例如表 。 單芯型由單根二次涂覆處理后的光纖組成。 多芯型由多根經(jīng)二次涂覆處理后的光纖組成, 它又分為帶狀結(jié)構(gòu)和單位式結(jié)構(gòu)。 強(qiáng)度元件 由于光纖的材料比較脆, 容易斷裂, 在光纜內(nèi)中心或四周要加一根或多根加強(qiáng)元件。 護(hù)層 光纜的護(hù)層要緊是對已形成的光纖芯線起保護(hù)作用, 避免受外部機(jī)械力和環(huán)境損壞。2022/7/1623 2022/7/1624 光纜的種類 在公用通信網(wǎng)中用的光纜結(jié)構(gòu)如表所示。 下

14、面介紹幾種有代表性的光纜結(jié)構(gòu)形式。 (1) 層絞式光纜。 它是將假設(shè)干根光纖芯線以強(qiáng)度元件為中心絞合在一起的一種結(jié)構(gòu), 如圖(a)所示。特點(diǎn)是成本低, 芯線數(shù)不超過10根。 (2) 單位式光纜。 它是將幾根至十幾根光纖芯線集合成一個單位, 再由數(shù)個單位以強(qiáng)度元件為中心絞合成纜, 如圖(b)所示, 其芯線數(shù)一般適用于幾十芯。 2022/7/16252022/7/1626(3) 骨架式光纜。 這種結(jié)構(gòu)是將單根或多根光纖放入骨架的螺旋槽內(nèi), 骨架中心是強(qiáng)度元件, 骨架上的溝槽能夠是V型、U型或凹型, 如圖(c)所示。光纖具有耐側(cè)壓、抗彎曲、抗拉的特點(diǎn)。 (4) 帶狀式光纜。 它是將412根光纖芯線排

15、列成行, 構(gòu)成帶狀光纖單元, 再將多個帶狀單元按一定方式排列成纜, 如圖(d)所示。這種光纜的結(jié)構(gòu)緊湊, 采用此種結(jié)構(gòu)可做成上千芯的高密度用戶光纜。 2022/7/1627 圖 (a) 層絞式； (b) 單位式； (c) 骨架式； (d) 帶狀4.2.3 通信用光器件1.光源：光源器件是光纖通信設(shè)備的核心，它的作用是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號送入光纖。 光纖通信中常用的光源器件有半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管兩種。 半導(dǎo)體激光器（LD）要緊適用于長距離大容量的光纖通信系統(tǒng)。尤其是單縱模半導(dǎo)體激光器，在高速、大容量的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 發(fā)光二極管（LED）其制造工藝簡單、成本低、可靠性好

16、，適用于短距離、低碼速的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，或者是模擬光纖通信系統(tǒng)。2022/7/1628激光器的工作原理： 半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體P-N結(jié)注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩輸出激光。那么如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布及如何構(gòu)成具有正反饋的諧振腔。激光器的特性 ：1）激光器的P-I特性：激光器輸出光功率（P）和注入電流（I）的關(guān)系，即激光器的P-I曲線上。2）光譜特性：是指激光器輸出的光功率隨波長的變化情況，一般用光源譜線寬度來表示。 2022/7/16293）功率轉(zhuǎn)換效率 激光器的的輸出光功率與器件消耗的電功率之比 。半導(dǎo)體激光器的功率轉(zhuǎn)換效率約

17、為4050%。4）溫度特性 激光器的閾值電流和輸出光功率隨溫度變化的特性為溫度特性。激光器的閾值電流和使用時間也有關(guān)系。隨著激光器使用時間的增加，閾值電流也會逐漸加大。2022/7/16302022/7/16312光電檢測器 光電檢測器是光纖通信系統(tǒng)的另一個核心器件，要緊完成光信號到電信號的轉(zhuǎn)換功能，要具有靈敏度高、響應(yīng)時間短、噪聲小、功耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。 光電檢測器有兩種類型，一種是PIN光電二極管（PIN-PD)；另一種是雪崩光電二極管（APD）。PIN 光電二極管要緊應(yīng)用于短距離、小容量的光纖通信系統(tǒng)中；APD要緊應(yīng)用于長距離、大容量的光纖通信系統(tǒng)中。 2022/7/1632光電檢測

18、器的工作原理： 光電二極管PD由半導(dǎo)體P-N結(jié)組成，利用光電效應(yīng)原理完成光電轉(zhuǎn)換。光電檢測器特性： 響應(yīng)度：在一定波長的光照射下，光電檢測器的平均輸出電流與入射的平均光功率之比稱為響應(yīng)度。量子效率：響應(yīng)度是器件在外部電路中呈現(xiàn)的宏觀靈敏特性，量子效率是器件在內(nèi)部呈現(xiàn)的微觀靈敏度特性。 2022/7/1633響應(yīng)時間：速度是指半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的光電流跟隨入射光信號變化快慢的狀態(tài)。APD的倍增因子：APD的倍增因子實際上是電流增益系數(shù)，定義為有倍增時光電流的平均值與無倍增時光電流的平均值之比。 2022/7/16343、無源光器件 在光纖通信的傳輸系統(tǒng)中，在傳輸線路中還需要各種輔助器件以實現(xiàn)光纖與光纖之間或光纖與光端機(jī)之間的連接、耦合、合分路、線路倒換以及保護(hù)等多種功能。 要緊的無源器件有光纖連接器、光纜連接器、光纖耦合器、光開關(guān)、光復(fù)用器(合波器和分波器)、光分路器、光隔離器、光衰耗器、光濾波器等等 2022/7/1635（1）光纖連接器 光纖連接器又叫光纖活動連接器。這是用于連接兩根光纖或光纜形成連續(xù)光通路的能夠可拆卸重復(fù)使用的光“無源器件”，被廣泛應(yīng)用在光纖傳輸線路、光纖配線架和光纖測試儀器、儀表中，也是