光通訊基礎(chǔ)知識(shí)

1、第三章光纖通信基本知識(shí),一 光纖通信,光纖通信是以光波為載波，以光纖（光導(dǎo)纖維）為傳輸媒體，將信號(hào)從某一點(diǎn)傳送到另一點(diǎn)的通信方式。具有傳輸距離遠(yuǎn)（傳輸損耗?。?、通信容量大（傳輸頻帶寬）、抗干擾性能好（不受電磁干擾）、保密性好（不產(chǎn)生光泄漏）、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn),二光纖光纜,光纖是用石英玻璃、塑料或晶體等對(duì)某個(gè)波長(zhǎng)范圍透明的材料制造的能傳輸光的纖維。由纖芯和包層組成，纖芯的折射率比包層的高。 光纖的特征和性能： 1.幾何和結(jié)構(gòu)參數(shù)：芯徑、外徑、數(shù)值孔徑、折射率分布等。 2.光傳輸特性：工作波長(zhǎng)、傳輸損耗和帶寬、色散、偏振特性等。 3.環(huán)境特性：高低溫特性、抗微彎和彎曲特性、抗輻射特性、抗疲勞特

2、性、機(jī)械篩選強(qiáng)度等,光纖的分類,按工作波長(zhǎng)： 短波長(zhǎng)（850nm) 長(zhǎng)波長(zhǎng)（1310nm、1550nm） 按傳輸模式： 多模光纖和單模光纖 按折射率分布： 階躍（突變）型(SI)和梯度（漸變）型(GI) 按材料： 石英光纖、塑料光纖等 幾種新型光纖：色散位移光纖（DSF）、非零色散光纖（NZDF）、色散平坦光纖（DFF）、色散補(bǔ)償光纖（DCF）等,光纜,含有光纖，符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用要求的光、機(jī)械和環(huán)境規(guī)范的纜。由光纖、加強(qiáng)件和外護(hù)層等組成。 光纜的分類： 按芯數(shù)分為單芯、雙芯、多芯 按結(jié)構(gòu)分為層絞式、骨架式、帶狀等 按敷設(shè)場(chǎng)合分為架空、直埋、管道、移動(dòng)、室內(nèi)、水下、海底等 按用途分為通信用光纜和

3、非通信用光纜,三光器件（無源,光分路器/耦合器：1xN（樹型）、NxN（星型） 波分復(fù)用器：合波器和分波器、濾波器 光纖連接器：固定、活動(dòng)（FC、ST、SC等）、適配器（直通） 光開關(guān) 光衰減器：固定、可變 光隔離器：?jiǎn)畏较騻鬏敼獾钠骷?極化器,有源光器件,光源：發(fā)光二極管（LED） 激光二極管（LD） 光電檢測(cè)器：PIN光電管、PIN-FET組件 雪崩光電二極管（APD） 光纖放大器（EDFA） 調(diào)制器,四光纖傳輸系統(tǒng),第一代：0.85um多模光纖系統(tǒng) 第二代：1.3um多模光纖系統(tǒng) 第三代：1.3um單模光纖系統(tǒng) 第四代：1.55um單模光纖系統(tǒng) 三個(gè)過渡： 短波長(zhǎng)長(zhǎng)波長(zhǎng) 多模光纖單模光纖

4、 AlGaAs/GaAsInGaAsP/InP 三項(xiàng)新技術(shù): 波分復(fù)用(WDM) 相干通信 光電子集成(OEIC,光纖傳輸系統(tǒng)框圖,電 端 機(jī),驅(qū) 動(dòng),光 源,光 檢 測(cè),判 決 再 生,光 源,光 檢 測(cè),放 大,電 端 機(jī),發(fā) 送,光 發(fā) 送 機(jī),光纖 光纜,光 中 繼 器,光 接 收 機(jī),接 收,光纖 光纜,模擬通信：信噪比和諧波失真 數(shù)字通信：誤碼率和相位抖動(dòng),光纖通信系統(tǒng)的新技術(shù),延長(zhǎng)中繼距離的新技術(shù) 光放大器(EDFA) 外調(diào)制器(電光晶體LiNbO3) 色散補(bǔ)償(DCF、Bragg光纖光柵) 提高通信容量的新技術(shù) 時(shí)分復(fù)用技術(shù)（TDM） 波分復(fù)用技術(shù)（WDM,光波分復(fù)用（WDM,

5、在一根光纖中同時(shí)傳輸幾個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)。 復(fù)用器是將若干不同波長(zhǎng)的光信號(hào)分開或合并的器件，有熔錐型、棱鏡色散型、光柵色散型、干涉濾光型等,光纖,復(fù) 用 器,復(fù) 用 器,光頻分復(fù)用（OFDM,當(dāng)波分復(fù)用的光載波間隔變窄到小于1nm時(shí)，就是光頻分復(fù)用；而間隔大于1nm時(shí)，稱為密集波分復(fù)用（DWDM,副載波調(diào)制（SCM,SCM是一種采用兩級(jí)調(diào)制的頻分復(fù)用系統(tǒng)。第一次電調(diào)制，由多路信號(hào)分別對(duì)多個(gè)副載頻進(jìn)行調(diào)制（AM/FM/PM）,然后，再將復(fù)合信號(hào)對(duì)光波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制,相干光通信系統(tǒng),相干光通信系統(tǒng)又稱為外差光纖通信系統(tǒng)。是一種采用單一頻率的相干光做光載波，利用無線電技術(shù)中的外差接收方式，再配合ASK

6、FSKPSK等調(diào)制方式的新型光纖通信方式。主要優(yōu)點(diǎn)是光接收機(jī)靈敏度高，選擇性好；既可擴(kuò)大通信容量，又可增加再生中繼距離,光孤子（Soliton）通信,在很強(qiáng)的光場(chǎng)作用下，光纖的各種特征參數(shù)隨光場(chǎng)強(qiáng)弱呈非線性變化。它使所傳的光脈沖變窄，正好補(bǔ)償了由于色散使脈沖展寬的影響。光孤子是一種特殊形狀的超短脈沖（幾個(gè)uus），它在光纖的傳輸過程中將不產(chǎn)生畸變，可實(shí)現(xiàn)高速、長(zhǎng)距離通信,光放大器,為了進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，可以采用光/電/光轉(zhuǎn)換形式的光中繼器，也可以采用直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大的光放大器。 光放大器可分為半導(dǎo)體光放大器（SOA）和光纖放大器（FA）。 光纖放大器又可分為非線性光纖放大器（喇曼光纖放大器）

7、和摻鉺光纖放大器（EDFA,摻鉺光纖放大器（EDFA,將稀土元素鉺（Er）注入到纖芯中，即是摻鉺光纖。它在泵浦光的作用下可直接對(duì)某一波長(zhǎng)的光信號(hào)進(jìn)行放大，這就是摻鉺光纖放大器。 EDFA的主要優(yōu)點(diǎn)是： 1、工作波長(zhǎng)在15301560nm范圍； 2、激勵(lì)的泵浦功率低（幾十mW）; 3、增益高（40dB）,噪聲低（34dB）,輸出功率大（1420dB）; 4、連接損耗低（0.1dB,EDFA的結(jié)構(gòu),光耦 合器,光隔 離器,光隔 離器,光濾 波器,泵浦 光源,輸入 光信號(hào),輸出 光信號(hào),摻鉺光纖,光耦 合器,光隔 離器,光隔 離器,光濾 波器,泵浦 光源,輸入 光信號(hào),輸出 光信號(hào),摻鉺光纖,同向泵

8、浦結(jié)構(gòu),反向泵浦結(jié)構(gòu),雙向泵浦結(jié)構(gòu)（略,EDFA的應(yīng)用,用作光接收機(jī)的前置放大器，可提高接收機(jī)靈敏度1020dB; 用作光發(fā)射機(jī)的功率放大器，增加入纖光功率，延長(zhǎng)傳輸距離； 用作光中繼器，可實(shí)現(xiàn)全光通信,五 同步數(shù)字系列（SDH,準(zhǔn)同步數(shù)字系列(PDH-Plesiochronous Digital Hierarchy):只有地區(qū)性(北美,日本,歐洲)的數(shù)字信號(hào)速率和幀結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn),沒有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn);沒有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的光接口規(guī)范;采用異步復(fù)接,復(fù)用結(jié)構(gòu)復(fù)雜,靈活性差;網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行,管理,維護(hù)(OAM)困難. 同步數(shù)字系列（SDH-Synchronous Digital Hierarchy） SDH是由一些

9、網(wǎng)絡(luò)單元(NE)組成的、在光纖上進(jìn)行同步信息傳輸、復(fù)用、分插和交叉連接的網(wǎng)絡(luò),SDH的特點(diǎn),國(guó)際統(tǒng)一的數(shù)字傳輸標(biāo)準(zhǔn)STM-N 采用同步復(fù)用方式和靈活的復(fù)用映射結(jié)構(gòu),具有廣泛的適應(yīng)性 豐富的開銷比特,加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的OAM能力 統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)光接口 采用軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置和控制,便于擴(kuò)展 具有完全的后向兼容性和前向兼容性,SDH的比特率,等級(jí) 速率（Mb/s,STM-1 155.520 STM-4 622.080 STM-16 2488.320 STM-64 9953.280,SDH的幀結(jié)構(gòu),STM-1的幀結(jié)構(gòu),125us,9x270=2430個(gè)字節(jié),第1行 2 3 4 5 6 7 8 9,RSOH,AU

10、 PTR,MSOH,9列,261列,凈荷（含POH,SDH開銷字節(jié)的分層,分支 分支 - - 分支組裝 分支取出 POH插入 POH提取 通道層 MSOH MSOH 插入 提取 復(fù)用層 RSOH RSOH RSOH 插入 提取/插入 提取 再生層 光接口 光接口 光接口 物理層 終端 再生器 終端,POH MSOH RSOH,RSOH,載波,載波,物理線路,物理線路,SDH的復(fù)用結(jié)構(gòu),STM-N AUG AU4 VC4 C4,xN,x1,x3,x3 TUG3 x1 TU3 VC3,AU3 VC3 x7 C3,x7 TUG2 TU2 VC2 C2,x1,x3 TU12 VC12 C12,x4 T

11、U11 VC11 C11,指針調(diào)整,加POH或SOH,映射 定位 復(fù)用,SDH的復(fù)用過程,映射: 把PDH的各種速率及ATM信元與SDH的容器進(jìn)行適配的過程 定位: 用指針指示凈荷的第一個(gè)字節(jié)在幀內(nèi)的位置 復(fù)用: 按單字節(jié)間插方法，將N個(gè)TU變成TUG，N個(gè)AU復(fù)接成AUG，N個(gè)AUG復(fù)用進(jìn)STM-N的過程,SDH傳送網(wǎng)的分層模型,電路層網(wǎng)絡(luò) 電路層 VC-11 VC-12 VC-2 VC-3 低階 通道層 VC-3 VC-4 高階 SDH 傳送層 復(fù)用段層網(wǎng)絡(luò) 段層 再生段層網(wǎng)絡(luò) 傳輸 媒質(zhì)層 物理層網(wǎng)絡(luò),SDH的承載業(yè)務(wù),WDM,SDH,ATM FR PPP/HDLC LAPS SDL,I

12、P,TCP/UDP,Application,L57,L4,L3,L2,L1,L0,FR: Frame Relay PPP: Point to Point Protocol LAPS: Link Access Procedure-SDH SDL: Simple Data Link,SDH的系統(tǒng)組成,SDH的光纜數(shù)字線路系統(tǒng),同步光纜數(shù)字線路系統(tǒng)是指連接兩個(gè)SDH設(shè)備(TM,DXC或ADM)的光纜鏈路.由線路終端,光纜段和再生器(如果配置的話)組成.分為局間鏈路和局內(nèi)鏈路兩類. 局間鏈路又分為長(zhǎng)距離(再生段距離為40km以上)和短距離(再生段距離為15km左右). 局內(nèi)鏈路可用光纖(傳輸距離不超過

13、2km), 也可用同軸電纜(傳輸距離不超過70m,SDH的光接口分類,局內(nèi) 局間通信 通信 短距離 長(zhǎng)距離 光源標(biāo)稱波長(zhǎng)(nm) 1310 1310 1550 1310 1550 G.652 G.654 傳輸距離(km) 2 15 40 80 STM-1 I-1 S-1.1 S-1.2 L-1.1 L-1.2 L-1.3 STM等級(jí) STM-4 I-4 S-4.1 S-4.2 L-4.1 L-4.2 L-4.3 STM-16 I-16 S-16.1 S-16.2 L-16.1 L-16.2 L-16.3,應(yīng)用,光纖類型 G.652 G.653,G.652:1310nm性能最佳的色散未移位單模光

14、纖 G.653:1550nm性能最佳的色散移位單模光纖 G.654:1550nm損耗最小的單模光纖 G.655:1550nm非零色散光纖,SDH的光接口位置,發(fā) 送,S,R,接 收,Ctx Crx,光纜設(shè)施,TX:發(fā)送機(jī) Ctx,Crx:活動(dòng)連接器 S,R:參考點(diǎn) RX:接收機(jī),發(fā)送機(jī)在S點(diǎn)的特性,光源類型：LED、MLM、SLM 光譜特性：最大均方根寬度、最大-20dB寬度、最小邊模抑制比 平均發(fā)送功率：當(dāng)發(fā)送機(jī)發(fā)送偽隨機(jī)序列信號(hào)時(shí)在S點(diǎn)所測(cè)得的平均光功率 消光比：在最壞反射條件時(shí)，全調(diào)制條件下傳號(hào)與空號(hào)的平均光功率的比值 眼圖模板：限制發(fā)送光脈沖形狀的方法,S-R點(diǎn)之間光通道的特性,衰減范

15、圍 最大色散值：1dB功率代價(jià)所對(duì)應(yīng)的光通道色散值 反射：由光通道折射率不連續(xù)引起的，包括光纖本身的折射率不均勻所造成的散射和光纖接頭產(chǎn)生的反射,光通道的損耗,允許的光通道損耗Psr為: Psr=Pt-Pr-Pp 實(shí)際的S-R點(diǎn)允許損耗為: Psr=(Af+As/Lf+Mc)L+2Ac 實(shí)際可達(dá)的再生段距離L為: L=(Pt-Pr-2Ac-Pp)/(Af+As/Lf+Mc) Pt:發(fā)送光功率 Pr:接收機(jī)靈敏度 Pp:光通道功率代價(jià) Af:光纖損耗(dB/km) Lf:單盤光纜的長(zhǎng)度(km) As:固定接頭損耗(dB) Ac:活動(dòng)連接器損耗(dB) Mc:光纜富余度(dB/km,接收機(jī)在R點(diǎn)的特性,靈敏度：R點(diǎn)處為達(dá)到10-10的BER值所需要的平均接收光功率的最小可接受值 過載功率：R點(diǎn)處達(dá)到10-10的BER值所需要的平均接收光功率的最大可接受