過程監(jiān)控08光纖通信0420

1、光纖通信光纖通信的概念光纖通信的優(yōu)點(diǎn)光纖通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)光纜光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)光纖通信的傳輸體制SDH自愈網(wǎng)1光纖通信光波的波長在微米級，頻率約10141015Hz，比微波頻率更高。光通信比微波通信更有前途2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)光波的頻率高，頻帶寬光纖的損耗低，傳輸距離長抗電磁干擾能力強(qiáng)光纖內(nèi)的光能幾乎不向外輻射，難以被竊聽在運(yùn)用頻率內(nèi)，光纖對每一頻率成分的損耗幾乎是一樣的。簡化了中繼站和接收站的設(shè)計(jì)。光纖是電的絕緣體。沒有電位差和接地的問題光纖的材料是石英，來源豐富。光纖材料抗腐蝕性好，化學(xué)性能穩(wěn)定，壽命長光纖的尺寸小，重量輕3多模光纖和5類雙絞線的衰減與頻率關(guān)系如圖所示，當(dāng)傳輸頻率

2、超過100MHz時(shí)，5類雙絞線隨著頻率的增加衰減愈來愈大；而光纖在300MHz以內(nèi)，衰減基本不變。 光纖與電纜頻率與衰減關(guān)系圖光纖的頻率-衰耗特性 4光纖通信系統(tǒng)的組成5光纖的結(jié)構(gòu)光纖為光導(dǎo)纖維的簡稱，由直徑大約為0.1mm的細(xì)玻璃絲構(gòu)成。它透明、纖細(xì)，具有把光封閉在其中并沿軸向進(jìn)行傳播的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，它由折射較高的纖芯和折射率較低的包層組成。纖芯區(qū)域完成光信號的傳輸；包層則是將光封閉在纖芯內(nèi)，并保護(hù)纖芯，增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度。其中纖芯的芯徑一般為50或62.5m，包層直徑一般為125m。通常為了保護(hù)光纖，包層外還往往覆蓋一層塑料外套加以保護(hù)。6光波的傳輸-1目前，通信光纖的纖芯和包層的主體材料都是

3、石英玻璃，但兩區(qū)域中摻雜情況不同，因而折射率也不同。纖芯的折射率一般是1.4631.467（根據(jù)光纖的種類而異），包層的折射率是1.451.46左右。也就是說，纖芯的折射率比包層的折射率稍微大一些。這就滿足了全反射的一個(gè)條件。當(dāng)纖芯內(nèi)的光線入射到纖芯與包層的交界面時(shí)，只要其入射角大于臨界角，就會在纖芯內(nèi)發(fā)生全反射，光就會全部由交界面偏向中心。當(dāng)碰到對面交界面時(shí)，又全反射回來。光纖中的光就是這樣在芯包交界面上，不斷地來回全反射，傳向遠(yuǎn)方，而不會漏射到包層中去。7光波的傳輸-2當(dāng)光纖拐彎時(shí)，如圖（b）所示，只要彎曲不十分厲害，光也不會折射到包層中去，仍然會全反射回來，只是來回反射的次數(shù)增多了。8光

4、纖的傳播模式當(dāng)光纖芯直徑很小時(shí)，光纖只允許與光纖軸方向一致的光線通過，即只允許通過一個(gè)基模。這種只允許傳輸一個(gè)基模的光纖就稱為單模光纖。當(dāng)光纖芯直徑較大時(shí)，則在光纖的受光角內(nèi)，可允許光波以多個(gè)特定的角度射入光纖端面，并在光纖中傳播，此時(shí)，就稱光纖中有多個(gè)模式。這種能傳輸多個(gè)模式的光纖就稱為多模光纖。 9單模光纖單模光纖(Single Mode Fiber)的纖芯直徑為8.3m，包層外直徑125m。光纖的工作波長有短波長0.85m、長波長1.31m和1.55m。80年代起，傾向于多用單模光纖，而且先用長波長1.31m。單模光纖的中心玻璃芯很細(xì)，只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用于遠(yuǎn)程

5、通訊，但還存在著材料色散和波導(dǎo)色散，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。 后來發(fā)現(xiàn)在1.31m波長處，單模光纖的材料色散和波導(dǎo)色散一為正、一為負(fù)，大小也正好相等。這就是說在1.31m波長處，單模光纖的總色散為零。從光纖的損耗特性來看，1.31m處正好是光纖的一個(gè)低損耗窗口。這樣，1.31m波長區(qū)就成了光纖通信的一個(gè)很理想的工作窗口，也是現(xiàn)在實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的主要工作波段。 1.31m常規(guī)單模光纖的主要參數(shù)是由國際電信聯(lián)盟ITUT在G652建議中確定的，因此這種光纖又稱G.652光纖。10多模光纖多模光纖(Multi Mode Fiber)的纖芯直徑為5062.

6、5m，包層外直徑125m。多模光纖可傳多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數(shù)字信號的頻率，而且隨距離的增加會更加嚴(yán)重。例如：600MB/KM的光纖在2KM時(shí)則只有300MB的帶寬了。因此，多模光纖傳輸?shù)木嚯x就比較近，一般只有幾公里。 G.651多模光纖（50/125 m ）主要應(yīng)用于局域網(wǎng),不適用于長距離傳輸,但在300至500米的范圍內(nèi),G.651是成本較低的多模傳輸光纖。 11單模和多模光纖實(shí)物圖單模光纖為黃色，多模光纖為橙色12光纜（見課本134頁）13光源在光纖通信中，所用的光源有三種：半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體發(fā)光二極管和非半導(dǎo)體激光器。在實(shí)際的光纖通信系統(tǒng)中，通常選用前兩種。非

7、半導(dǎo)體激光器，如氣體激光器、固體激光器等，雖然它們是最早制成的相干光源，但由于其體積太大，不適宜與體積小的光纖配合使用，只用于一些特殊場所。 14半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器即為激光二極管，記作LD。它是前蘇聯(lián)科學(xué)家H.巴索夫于1960年發(fā)明的。半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)通常由P層、N層和形成雙異質(zhì)結(jié)的有源層構(gòu)成。半導(dǎo)體激光器的發(fā)光是利用光的受激輻射原理。處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的大多數(shù)電子在受到外來入射光子激勵(lì)時(shí)，會同步發(fā)射光子，受激輻射的光子和入射光子不僅波長相同，而且相位、方向也相同。這樣由弱的入射光激勵(lì)而得到了強(qiáng)的發(fā)射光，起到了光放大作用。但是僅僅有光放大功能還不能形成光振蕩。正如電子電路中的振蕩器

8、那樣，只有放大功能不能產(chǎn)生電振蕩，還必須設(shè)計(jì)正反饋電路，使電路中所損失的功率由放大的功率得以補(bǔ)償。同樣，在激光器中也是借用電子電路的反饋概念，把放大了的光反饋一部分回來進(jìn)一步放大，產(chǎn)生振蕩，發(fā)出激光。這種用于實(shí)現(xiàn)光的放大反饋的儀器稱為光學(xué)諧振腔。半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn)：尺寸小，耦合效率高，響應(yīng)速度快，波長和尺寸與光纖尺寸適配，可直接調(diào)制，相干性好。15半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器類似，也是一個(gè)PN結(jié)，也是利用外電源向PN結(jié)注入電子來發(fā)光的。半導(dǎo)體發(fā)光二極管記作LED，是由P型半導(dǎo)體形成的P層和N型半導(dǎo)體形成的N層，以及中間的由雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的有源層組成。有源層是發(fā)光區(qū)，其厚度為0.

9、10.2m左右。半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)公差沒有激光器那么嚴(yán)格，而且無諧振腔。所以，所發(fā)出的光不是激光，而是熒光。LED是外加正向電壓工作的器件。在正向偏壓作用下，N區(qū)的電子將向正方向擴(kuò)散，進(jìn)入有源層，P區(qū)的空穴也將向負(fù)方向擴(kuò)散，進(jìn)入有源層。進(jìn)入有源層的電子和空穴由于異質(zhì)結(jié)勢壘的作用，而被封閉在有源層內(nèi)，就形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。這些在有源層內(nèi)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的電子，經(jīng)躍遷與空穴復(fù)合時(shí)，將產(chǎn)生自發(fā)輻射光。半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)簡單，體積小，工作電流小，使用方便，成本低，所以在光電系統(tǒng)中的應(yīng)用極為普遍。16光檢測器 光信號經(jīng)過光纖傳輸?shù)竭_(dá)接收端后，在接收端有一個(gè)接收光信號的元件。但是由于目前我們對光的

10、認(rèn)識還沒有達(dá)到對電的認(rèn)識的程度，所以我們并不能通過對光信號的直接還原而獲得原來的信號。在他們之間還存在著一個(gè)將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，然后再由電子線路進(jìn)行放大的過程，最后再還原成原來的信號。這一接收轉(zhuǎn)換元件稱作光檢測器，或者光電檢測器，簡稱檢測器，又叫光電檢波器或者光電二極管。常見的光檢測器包括：PIN光電二極管、雪雪崩光電二極管（APD）等。17常見的光檢測器常見的光檢測器包括：PIN光電二極管、雪崩光電二極管（APD） 、PIN-FET集成組件。（見課本141頁）18光發(fā)送機(jī)（見課本143頁）19光接收機(jī)（見課本141頁）20光纖通信的傳輸體制光纖數(shù)字傳輸目前都采用同步分時(shí)復(fù)用（TDM）技術(shù)，

11、先后有兩種傳輸體制：（1）準(zhǔn)同步數(shù)字體系（PDH，Plesiochronous Digital Hierarchy ）（2）同步數(shù)字體系（SDH，Synchronous Data Hierarchy）21光纖通信傳輸體制的發(fā)展歷程1972 年ITU-T前身CCITT提出第一批PDH建議1976和1988年又提出兩批建議-形成完整的PDH體系1984年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室開始同步信號光傳輸體系的研究1985年美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ANSI)根據(jù)貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的全同步網(wǎng)的構(gòu)想,委托T1X1委員會起草光同步網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),并命名為SONET(Synchronous Optical Network)1986年CCITT

12、開始以SONET為基礎(chǔ)制訂SDH1988年通過了第一批SDH建議1990以后,SDH已成為光纖通信基本傳輸方式；目前,SDH不僅是一套新的國際標(biāo)準(zhǔn),又是一個(gè)組網(wǎng)原則,也是一種復(fù)用方法。22PDH的概念準(zhǔn)同步：是指各級的比特率相對于其標(biāo)準(zhǔn)值有一個(gè)規(guī)定的容量偏差，而且定時(shí)用的時(shí)鐘信號并不是由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘發(fā)出來的（異源），通常采用正碼速調(diào)整法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)同步復(fù)用。PDH有兩種基礎(chǔ)速率：一種以1.544Mb/s為第一等級基礎(chǔ)速率，采用的國家有北美各國和日本；另一種以2.048Mb/s為第一等級基礎(chǔ)速率，采用的國家有西歐各國和中國。PDH適合中/低速率的點(diǎn)對點(diǎn)傳輸。23PDH的缺點(diǎn)隨著數(shù)字交換的引入，由光通信

13、技術(shù)的發(fā)展帶動的長距離大容量數(shù)字電路的建設(shè)，以及網(wǎng)絡(luò)控制和寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（B-ISDN）的發(fā)展需要，暴露了現(xiàn)有的PDH存在的一些弱點(diǎn)。主要是：北美、日本、歐洲三種數(shù)字體制互不兼容，沒有世界性的標(biāo)準(zhǔn)光接口規(guī)范，在光路上無法互通和調(diào)配；各種復(fù)用系列都有其相應(yīng)的幀結(jié)構(gòu)，沒有足夠的開銷比特，缺乏靈活性；低/高速率信號的插入/分出，都必須逐級進(jìn)行，不能直接分插，所以復(fù)接/分接設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上下話路價(jià)格昂貴24SDH的誕生隨著光纖通信技術(shù)和大規(guī)模集成電路的高速發(fā)展，1985年美國提出了一種以光纖通信為基礎(chǔ)的同步光纖網(wǎng)（SONET）概念，作為現(xiàn)代化通信網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)。1988年ITU-T對SONET概念進(jìn)

14、行了修改，重新命名為同步數(shù)字序列，簡稱SDH，使之成為不僅適用于光纖通信，也適合于微波和衛(wèi)星傳輸?shù)捏w制?，F(xiàn)在SDH已經(jīng)成為國際上公認(rèn)的新一代的理想傳輸網(wǎng)體制。在電信網(wǎng)中所運(yùn)載的種類繁多的信息首先必須規(guī)范化，然后再納入數(shù)字序列的某一級的一種速率信號之中，即成為電信網(wǎng)所傳輸?shù)漠惒交蛲綌?shù)字序列信號的內(nèi)容。SDH的最低分級是155.520Mb/s，稱為基本傳送模塊，用STM-1表示；STM-N則表示速率為N155.520Mb/s的傳送模塊，其中N一般取1、4、16、64、256。25SDH的優(yōu)點(diǎn)SDH不僅適合點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，而且適合多點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸SDH采用世界統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率等級，可以承載現(xiàn)有的P

15、DH和各種新的數(shù)字信號（100Mb/s以太網(wǎng)信號等），有利于不同通信系統(tǒng)的互連SDH各網(wǎng)絡(luò)單元的光接口有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。因此，光接口成為開放型接口，不同廠家的產(chǎn)品可以互通。SDH幀結(jié)構(gòu)中，有豐富的開銷比特用于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行/維護(hù)和管理采用數(shù)字同步復(fù)用技術(shù)，簡化了復(fù)接分接設(shè)備，低/高速率信號的轉(zhuǎn)換不必逐級進(jìn)行采用數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC可以對各種端口速率進(jìn)行可控的連接配置，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動化的調(diào)度和管理26SDH自愈網(wǎng)-1SDH網(wǎng)的一個(gè)核心特點(diǎn)就是其自愈能力，即構(gòu)建自愈網(wǎng)的能力。所謂自愈網(wǎng)就是無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)就能在極短的時(shí)間內(nèi)從失效故障中自動恢復(fù)所攜帶的業(yè)務(wù)，使用戶感覺不到網(wǎng)絡(luò)已出了故障。其基本原理就

16、是使網(wǎng)絡(luò)具備替代傳輸路由并重新確立通信的能力。自愈網(wǎng)的概念只涉及重新確立通信，而不管具體失效元件的修復(fù)或更換，后者仍需人工干預(yù)才能完成。27SDH自愈網(wǎng)-2最簡單的自愈網(wǎng)形式就是傳統(tǒng)PDH系統(tǒng)采用的線路保護(hù)倒換方式。其工作原理是當(dāng)工作通道中斷或性能劣化到一定程度后，系統(tǒng)倒換設(shè)備將主信號自動轉(zhuǎn)換至備用光纖系統(tǒng)傳輸，從而使接受端仍能接受到正常的信號而感覺不出網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)出現(xiàn)故障。這種保護(hù)方式的業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間很快，可短于50ms，它對于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的光或電的元件失效故障都十分有效。但是當(dāng)光纜被切斷時(shí)，往往是同一纜芯內(nèi)的所有光纖（包括主用和備用）一起被切斷，因而上述保護(hù)方式就無能為力了。 28SDH自愈環(huán)SDH

17、傳輸網(wǎng)以環(huán)形結(jié)構(gòu)為多，可以形成智能的自愈環(huán)。目前自愈環(huán)的種類很多。如果按照一對節(jié)點(diǎn)所用光纖最小數(shù)量來區(qū)分，可以分為二纖環(huán)和四纖環(huán)；如果根據(jù)進(jìn)入環(huán)的支路信號與該支路信號返回的支路信號方向是否相同來區(qū)分，又可以將自愈環(huán)分為單向環(huán)和雙向環(huán)；如果根據(jù)環(huán)網(wǎng)的保護(hù)機(jī)理不同，自愈環(huán)又可分為通道保護(hù)和復(fù)用段保護(hù)兩種方式。 29二纖單向通道倒換環(huán)圖-130二纖單向通道倒換環(huán)圖-231二纖單向通道倒換環(huán)原理單向環(huán)通常由兩根光纖實(shí)現(xiàn)，一根光纖用于傳業(yè)務(wù)信號，稱S光纖，另一根用于保護(hù)，稱P光纖。單向通道倒換環(huán)使用“首端橋接，末端倒換”結(jié)構(gòu)，如圖(1)業(yè)務(wù)信號和保護(hù)信號分別由S1和P1攜帶。例如支路信號AC從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)C，信號同時(shí)饋入發(fā)送方向光纖S1和P1，即所謂雙饋方式（11保護(hù)）。其中S1光纖按順時(shí)針方向?qū)⑿盘査椭凉?jié)點(diǎn)C，P1按照逆時(shí)針將同樣的信號送往節(jié)點(diǎn)C。接受端C按照分路通道信號的優(yōu)劣決定選哪一個(gè)作為分路信號。正常情況下，以S1信號為主。當(dāng)BC節(jié)點(diǎn)間的電纜被切斷，如圖（2），在C點(diǎn)，由于經(jīng)S1光纖來的信號丟失，按通道選優(yōu)原則，倒換開關(guān)將由S1光纖轉(zhuǎn)向P1光纖，接收由A節(jié)點(diǎn)而來的AC信號，從而使AC間信號仍然維持，不會因故障而丟失。確保通信暢通。 32二纖單向復(fù)用段倒換環(huán)圖-133二纖單向復(fù)用段倒換環(huán)圖-234二