光纖通信技術(shù)課件

1、光纖通信技術(shù)光纖通信技術(shù) 主要參考書目及網(wǎng)址 www.foc- 中國(guó)光纖通信 www.c- 光纖在線 光電新聞網(wǎng) 學(xué)習(xí)意義學(xué)習(xí)意義 光纖通信技術(shù)在近30多年里得到了極大的發(fā)展， 目前它和移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信已經(jīng)成為電信領(lǐng)域 發(fā)展的基石。 掌握一些光纖通信技術(shù)有助于學(xué)習(xí)現(xiàn)代通信 技術(shù)和拓寬知識(shí)面,為以后的學(xué)習(xí)深造和工作做好 知識(shí)儲(chǔ)備。 從事管理、銷售工作； 從事技術(shù)開(kāi)發(fā)、設(shè)備制造、科研、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng) 及維護(hù)、工程施工及安裝等工作或考研。 先修課程先修課程 通信系統(tǒng)原理 模擬電路 電磁場(chǎng)與微波技術(shù) 目錄目錄 第一章第一章 通信基礎(chǔ)知識(shí)通信基礎(chǔ)知識(shí)1 第二章第二章 光纖光纖2 第三章第三章 光纜光纜3 第

2、四章第四章 光器件光器件4 第五章第五章 光纖傳輸系統(tǒng)光纖傳輸系統(tǒng)5 第六章光網(wǎng)絡(luò)第六章光網(wǎng)絡(luò)6 第一章第一章 通信基礎(chǔ)知識(shí)通信基礎(chǔ)知識(shí) 學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo) 1.了解通信技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史。 2.掌握通信基本概念 3.掌握業(yè)務(wù)傳輸技術(shù)特點(diǎn)。 4.理解通信系統(tǒng)組成、分類和系統(tǒng)性能。 5.掌握光纖通信系統(tǒng)及其組成的光網(wǎng)絡(luò)演進(jìn) 1.1 1.1 通信技術(shù)簡(jiǎn)史通信技術(shù)簡(jiǎn)史 1.1.1 科學(xué)技術(shù)發(fā)展科學(xué)技術(shù)發(fā)展 科學(xué)技術(shù)科學(xué)技術(shù)是利用“有關(guān)研究客觀事物存在及其相關(guān)規(guī)律的學(xué)說(shuō)”能為自己所用， 為大家所用的知識(shí)。 人類的科學(xué)技術(shù)發(fā)展史經(jīng)歷了古代、近代和現(xiàn)代古代、近代和現(xiàn)代三個(gè)階段。 古代科學(xué)技術(shù)古代科學(xué)技術(shù)的代表是材

3、料科學(xué)技術(shù) 它的本質(zhì)是利用物質(zhì)資源制造質(zhì)料工具，如鋤頭、鐮刀、弓箭、棍棒等，擴(kuò)展 人類的體質(zhì)能力。 近代科學(xué)技術(shù)近代科學(xué)技術(shù)的代表是能量（源）科學(xué)技術(shù) 它的本質(zhì)是使用能源或者動(dòng)力為資源創(chuàng)造動(dòng)力工具，如機(jī)車、汽車、輪船、飛 機(jī)等，擴(kuò)展人類的體力能力。 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)是建立在材料科學(xué)技術(shù)和能源科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上的信息科學(xué)技術(shù) 它的本質(zhì)是利用信息資源創(chuàng)造智能工具，如人工智能專家系統(tǒng)、智能機(jī)器人等， 拓展人類的智能能力。 表1-1給出了人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展歷程和本質(zhì)使命的簡(jiǎn)要總結(jié)。 1.1.2 通信技術(shù)簡(jiǎn)史通信技術(shù)簡(jiǎn)史 光纖通信光纖通信 電通信電通信 光通信光通信 光通信光通信可以上溯西周時(shí)期建立的

4、烽火臺(tái)作為軍事報(bào)警設(shè)施，下及 當(dāng)今指揮城市交通的信號(hào)燈和航海中使用的燈塔。 光通信光通信可以上溯西周時(shí)期建立的烽火臺(tái)作為軍事報(bào)警設(shè)施，下及 當(dāng)今指揮城市交通的信號(hào)燈和航海中使用的燈塔。 傳輸距離短 光通信的缺點(diǎn)光通信的缺點(diǎn) 傳遞信息量少 為了使光通信光通信延長(zhǎng)傳輸距離和增加傳遞信 息內(nèi)容，1792年，法國(guó)工程師Claude Chappe （卻柏）發(fā)明了采用機(jī)械臂編碼來(lái)傳輸信息的 光電報(bào)，利用中間接續(xù)站（現(xiàn)在通信術(shù)語(yǔ)稱為 中繼站）可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)100km的通信。 1794年，世界上第一個(gè)光電報(bào)在法國(guó)的兩個(gè)城市巴黎和里爾投入商用，從而實(shí)現(xiàn) 了相距200km的通信。圖1-1給出了Claude Chap

5、pe及其發(fā)明的光電報(bào)的示意圖。從 中可以看到這個(gè)光電報(bào)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械臂角度發(fā)出了一條由CH 、A、 P、 P 、E 5個(gè) 字母組成的消息。這個(gè)非常有趣的消息恰好就是光電報(bào)發(fā)明人的名字 Chappe。 自1794年到1830年為止，法國(guó)光電報(bào)系統(tǒng)從巴黎延伸到意大利、德國(guó)、比利時(shí)的邊 界。光電報(bào)系統(tǒng)是一種視距通信，其系統(tǒng)十分簡(jiǎn)單、傳輸距離和傳遞信息量少，而其系統(tǒng)十分簡(jiǎn)單、傳輸距離和傳遞信息量少，而 且保密性差。且保密性差。 1880年，美國(guó)人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電 話”,通話距離達(dá)到213米。 光電話原理圖光電話原理圖 光源 透鏡 送話器 反射鏡 震動(dòng)片 光敏電池 貝爾用

6、弧光燈或者太陽(yáng) 光作為光源，光束通過(guò)透鏡 聚焦在話筒的震動(dòng)片上。當(dāng) 人對(duì)著話筒講話時(shí)，震動(dòng)片 隨著話音震動(dòng)而使反射光的 強(qiáng)弱隨著話音的強(qiáng)弱作相應(yīng) 的變化，從而使話音信息 “承載”在光波上（這個(gè)過(guò) 程叫調(diào)制調(diào)制）。 在接收端，裝有一個(gè)拋 物面接收鏡，它把經(jīng)過(guò)大氣 傳送過(guò)來(lái)的載有話音信息的 光波反射到硅光電池上，硅 光電池將光能轉(zhuǎn)換成電流 （這個(gè)過(guò)程叫解調(diào)解調(diào)）。電流 送到聽(tīng)筒，就可以聽(tīng)到從發(fā) 送端送過(guò)來(lái)的聲音了。 接收鏡 貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型 1、為什么光通信傳輸?shù)木嚯x非常有限，這主要是因?yàn)?，這種傳輸方式里 面的傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)是“大氣”，損耗大，如果碰上雨、

7、雪甚至霧霾天氣， 信號(hào)甚至可能會(huì)中斷。 更深層次的原因，我們現(xiàn)代人都已經(jīng)知道了，是因?yàn)楣馐且环N“波”， 且波長(zhǎng)很短（0.40.7 m ），它很容易被大氣中的“塵埃粒子” 所阻擋。 2、另外，Bell的光電話是利用自然光（光源光源）作為載波，這種光的頻率 和相位雜亂無(wú)章，不能用于大容量的通信。 3、能否建立“光通道”如“波導(dǎo)管”式的東西以減少損失（損耗）呢？ 是否可以找到新型的光源呢？ 研究人員曾經(jīng)將研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)入到地下光波通信的實(shí)驗(yàn)， 先后出現(xiàn)過(guò)反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)等地下通信的實(shí)驗(yàn)，但 由于造價(jià)太高而出現(xiàn)了夭折，致使光通信發(fā)展一度出現(xiàn) 長(zhǎng)期的低迷狀態(tài)。 受英國(guó)物理學(xué)家John Tyndal l（

8、約翰）在1870年做的”光可 以在水流柱里傳輸”的影響， 在1920-1950期間,人們發(fā)現(xiàn)在 纖細(xì)的、有柔韌性的玻璃中和 塑料光纖可以用于導(dǎo)光。 終于在1950年，有人采用“玻 璃纖維”傳輸光，但損耗達(dá)到 了1000dB/Km，即在1Km的長(zhǎng)度 上傳輸，損耗達(dá)到10100倍，這 個(gè)數(shù)值顯然是太大了。 真正的奇跡是在1966年才出現(xiàn)。 1966年，英籍華裔學(xué)者高錕高錕(C.K.Kao)(C.K.Kao)及 其同事霍克哈姆(C.A.Hockham)在其發(fā)表的研究 論文中指出，“玻璃纖維”的嚴(yán)重?fù)p耗是由其 里面所含雜質(zhì)（如銅、鐵、鉻等金屬離子）太 多及石英玻璃拉制工藝的不均勻性產(chǎn)生的。論 文介質(zhì)纖

9、維表面光頻波導(dǎo)明確提出： 1、如果能將光纖中過(guò)渡金屬離子減少到最低限 度，并改進(jìn)制造工藝，有可能使光纖損耗降到 最低（預(yù)見(jiàn)可減小到20dB/km以下）； 2、光纖可以實(shí)現(xiàn)高速通信； 3、給出了光纖原始結(jié)構(gòu)。 高錕(C.K.Kao)博士上述發(fā)現(xiàn)的重要意義在 于：指出了光纖高損耗的真正來(lái)源以及研制通 信光纖的正確方向。這一發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致了在其 后數(shù)年內(nèi)通信光纖制造領(lǐng)域所發(fā)生的質(zhì)的飛躍， 以及光纖通信產(chǎn)業(yè)的迅速興起。 光纖通信發(fā)明家高錕(左) 1998年在英國(guó)接受IEE授予的獎(jiǎng)?wù)?；并?009年， 獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 19701970年，光纖研制取得了重大突破年，光纖研制取得了重

10、大突破 美國(guó)康寧玻璃公司1970年首 先研制出衰耗20dB/km的光纖。光 纖通信正式開(kāi)始！ 據(jù)說(shuō)康寧公司花費(fèi)3000萬(wàn)美 元，得到30米光纖樣品，認(rèn)為非 常值得。這一突破，引起整個(gè)通 信界的震動(dòng)，世界發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始 投入巨大力量研究光纖通信。 1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/km4dB/km。 1973年，美國(guó)貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室的光纖損耗降低到2.5dB/km2.5dB/km。 1974 年降低到1.1dB/km1.1dB/km。 1976年，日本電報(bào)電話（NTT）公司將光纖損耗降低到0.47dB/Km0.47dB/Km （波長(zhǎng)1.2 m ）。 在以后的 10 年中，

11、波長(zhǎng)為1.55 m的光纖損耗： 1979 年是0.20 dB/km0.20 dB/km， 1984年是0.157 dB/km0.157 dB/km， 1986 年是0.154 dB/km0.154 dB/km， 接近了光纖最低損耗的理論極限光纖最低損耗的理論極限。 19701970年開(kāi)始，光纖研制取得了重大突破年開(kāi)始，光纖研制取得了重大突破 1960年，美國(guó)人梅曼(T. H. Maiman)發(fā) 明了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器。梅曼利用 紅寶石晶體做發(fā)光材料，用發(fā)光度很高的脈 沖氙燈做激發(fā)光源，獲得了人類有史以來(lái)的 第一束激光。 1965年，第一臺(tái)可產(chǎn)生大功率激光的器 件-二氧化碳激光器誕生。 1

12、967年，第一臺(tái)射線激光器研制成功。 激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了8080年的年的 光通信進(jìn)入到了一個(gè)嶄新的階段。光通信進(jìn)入到了一個(gè)嶄新的階段。 在光纖突飛猛進(jìn)的同時(shí)，光源光源的研究工作也有了起色 1970年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)先后研制成 功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長(zhǎng) 0.850m)。雖然壽命只有幾個(gè)小時(shí)，但它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠 定了基礎(chǔ)。 1973 年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到7000小時(shí)。 1976年，日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.3m的銦鎵砷磷 (InGaAsP)激光器。 1977 年

13、，貝爾研究所和日本電報(bào)電話公司幾乎同時(shí)研制成功壽命達(dá) 100萬(wàn)小時(shí)（實(shí)用中10年左右）的半導(dǎo)體激光器。 1979年美國(guó)電報(bào)電話(AT&T)公司和日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射 波長(zhǎng)為1.55m的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。 由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使19701970年成為年成為 光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。 1970年，光纖通信用光源光源取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展 實(shí)用實(shí)用光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)的前期發(fā)展的前期發(fā)展 1976年，美國(guó)在亞特蘭大（Atlanta）進(jìn)行了世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng) 的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（GaALAs LD、多模

14、光纖、10Km、44.7Mbps）。 1980年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化FT-3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用。 1976年和1978年，日本先后進(jìn)行了速率為34Mbps的突變型多模光纖通信系 統(tǒng)，以及速率為100Mbps的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗(yàn)。 1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長(zhǎng)途干線。 隨后，由美、日、英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋TAT-8海底光纜通信系統(tǒng)于 1988年建成。 第一條橫跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光纜通信系統(tǒng)于1989年建成。從此，海 底光纜通信系統(tǒng)的建設(shè)得到了全面展開(kāi)，促進(jìn)了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。 因此，全球通信界業(yè)一直公認(rèn)，因此，全球通信界業(yè)一直公認(rèn)，1976年是光纖通信的元

15、年。年是光纖通信的元年。 1978年，模擬蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)投入使用（未商用）。 1980年，有線電視和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字業(yè)務(wù)。 1988年，寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)。 1991年，全球移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)入商用。 1995年，美籍華裔科學(xué)家歷鼎毅倡導(dǎo)利用波分復(fù)用技術(shù)，即利用簡(jiǎn)單的 光器件就可以在單根光纖中實(shí)現(xiàn)了大容量的傳輸，進(jìn)而大大地降低了 傳輸系統(tǒng)的成本。 1998年，美國(guó)開(kāi)通了數(shù)字電視業(yè)務(wù)，進(jìn)一步提高電視業(yè)務(wù)清晰度和服務(wù) 質(zhì)量。 1999年，具有寬帶綜合業(yè)務(wù)能力的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)投入應(yīng)用。 2010年1月13日，在國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議上提出了電信網(wǎng)電信網(wǎng)、 電視網(wǎng)電視網(wǎng)和因特網(wǎng)三網(wǎng)融合因特網(wǎng)三網(wǎng)融合。 統(tǒng)一通信

16、統(tǒng)一通信概念： 使任何人在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都可以通過(guò)任何設(shè)備、 任何網(wǎng)絡(luò)，與任何人進(jìn)行語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和圖像的自由通信。 個(gè)人化個(gè)人化 數(shù)字化數(shù)字化 綜合化綜合化 移動(dòng)化移動(dòng)化 寬帶化寬帶化 統(tǒng)一通信統(tǒng)一通信 未來(lái)通信發(fā)展趨勢(shì)未來(lái)通信發(fā)展趨勢(shì) 1.2 1.2 通信基本概念通信基本概念 1.2.1 通信通信 什么是“通信通信”? “通”就是傳輸和交換； “信”就是信息（話音、 圖像、數(shù)據(jù)） 通信通信就是信息的傳輸和交換，通過(guò)電信號(hào)或者 光信號(hào)形式將信息由一方傳輸?shù)搅硪环健?圖1-2給出了一個(gè)最簡(jiǎn)單的通信系統(tǒng)的模型。 在這個(gè)過(guò)程中，通話的內(nèi)容是由圖中的“處理層”完成的。 信息的傳輸是由圖中的“物理層”

17、完成的。 在現(xiàn)代通信中，通信一般包括：信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸和接收信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸和接收三個(gè)過(guò)程。 什么是“電信電信”？ 電信電信是利用有線、無(wú)線、光或者其它電磁系統(tǒng)電磁系統(tǒng)傳 輸、發(fā)送或者接收代表符號(hào)、書寫、影像和聲音 或者其他任何性質(zhì)情報(bào)的信號(hào)。 通信和電信的區(qū)別：通信和電信的區(qū)別： 通信通信是按照約定傳遞信息； 電信電信是利用電磁系統(tǒng)（廣義泛指）傳遞代表媒體的信號(hào)，電磁系統(tǒng)完 成信號(hào)傳遞功能。 通信通信是一個(gè)廣義的概念，而電信電信則是一個(gè)狹義的概念。 圖1-3揭示了通信涵蓋了電信之間的關(guān)系。 1.2.2 信號(hào)信號(hào) 1. 信號(hào)及其分類信號(hào)及其分類 信號(hào)信號(hào)是消息的物理載體。 消息則是信息的物理表

18、現(xiàn)形式，如語(yǔ)音、文字、符號(hào)、 數(shù)據(jù)和圖像等。 信息、消息和信號(hào)信息、消息和信號(hào)三者存在著十分緊密的關(guān)系。 信息信息是通過(guò)消息消息來(lái)表達(dá)，消息消息通過(guò)信號(hào)信號(hào)來(lái)傳輸。 在科學(xué)研究中，通常是將“信號(hào)信號(hào)”做為研究對(duì)象。 信號(hào)具有強(qiáng)度、頻率、相位、能量等基本特征，信號(hào)可以表 示為時(shí)間的函數(shù)。 按照信號(hào)在時(shí)間坐標(biāo)呈現(xiàn)連續(xù)變化或者階躍變化，信號(hào)可以 分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。 模擬信號(hào)模擬信號(hào)是幅度連續(xù)時(shí)變的信號(hào)。模擬信號(hào)又稱為連續(xù)信號(hào)連續(xù)信號(hào)， 如圖1-4（a）所示連續(xù)信號(hào)的取值可用連續(xù)的時(shí)間函數(shù)表示。 數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)是幅度階躍時(shí)變信號(hào)。數(shù)字信號(hào)又稱為離散信號(hào)離散信號(hào)， 如圖1-4（

19、b）所示離散信號(hào)可用取值有限個(gè)離散值連續(xù)的時(shí)間函 數(shù)表示。 需要強(qiáng)調(diào)的是，判斷信號(hào)是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)的準(zhǔn)則為， 看信號(hào)取值是連續(xù)的還是離散的，而不是看時(shí)間是連續(xù)的還是離 散的。 2. 模模/數(shù)變換數(shù)變換 將模擬信號(hào)調(diào)制變換為數(shù)字信號(hào)， 叫“模/數(shù)”變換。它包括三個(gè)基本步 驟：抽樣、量化和編碼。抽樣、量化和編碼。 抽樣定理：抽樣定理： 只要抽樣頻率fs 滿足奈奎特判據(jù) fs2f（模擬信號(hào)的帶寬），就可 以用抽樣值來(lái)表示一個(gè)帶寬有限 的模擬信號(hào)，而抽樣值不會(huì)引起 任何信息損失。 量化：量化： 是利用預(yù)先規(guī)定的有限個(gè)電平來(lái) 表示模擬信號(hào)抽樣值的過(guò)程。量 化過(guò)程是對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行離散處 理。 編碼：

20、編碼： 是將量化后的信號(hào)電平數(shù) 值變換成二進(jìn)制碼組的過(guò)程。 編碼的逆過(guò)程稱為解碼或譯碼。 編碼的目的是提高信號(hào)的傳輸 可靠性。 在光纖通信中，最常用的 編/解碼是模/數(shù)變換方法脈沖脈沖 編碼調(diào)制編碼調(diào)制（Pulse Code Modulation，PCMPCM）方法。PCM 以二進(jìn)制編碼為基礎(chǔ)，將模擬 信號(hào)的量化后的每個(gè)抽樣值變 換為0和1比特?cái)?shù)字串。 3. 信號(hào)特性信號(hào)特性 通信中的信號(hào)基本特性可以用它們的時(shí)間特性時(shí)間特性和頻率頻率 特性特性來(lái)表示。 時(shí)間特性時(shí)間特性表示信號(hào)電壓或電流隨時(shí)間的變化關(guān)系。 頻率特性頻率特性指信號(hào)可以表示為許多不同頻率正弦信號(hào)的線 性組合。 通信系統(tǒng)中最常用的信

21、號(hào)有正弦信號(hào)正弦信號(hào)、方波信號(hào)方波信號(hào)和周期沖周期沖 激串信號(hào)激串信號(hào)。 正弦信號(hào)正弦信號(hào)作為無(wú)線通信的載波； 方波信號(hào)方波信號(hào)是數(shù)字通信所用的信號(hào)波形； 周期沖激串信號(hào)周期沖激串信號(hào)則可以用作抽樣信號(hào)。 信號(hào)頻域特性主要包括頻譜、能量譜密度和功率譜密度頻譜、能量譜密度和功率譜密度。 信號(hào)頻域特性信號(hào)頻域特性與信號(hào)的占用頻率帶寬、信號(hào)抗干擾能力等 存在密切的關(guān)系。 信號(hào)時(shí)域特性信號(hào)時(shí)域特性與信號(hào)的相關(guān)特性有關(guān)系。 1.2.3 光信號(hào)光信號(hào) 1. 光的波光的波/粒特性粒特性 2.波長(zhǎng)波長(zhǎng) 3.頻率頻率 在光纖通信中，常用的頻率單位有： 千赫（1KHz=103Hz） 兆赫（1MHz=106Hz）

22、吉赫（1GHz=109Hz） 太赫（1THz=1012Hz） 傳輸?shù)念l率越高，可傳信號(hào)的頻帶寬度 就越大，其攜帶業(yè)務(wù)（信息）就越多。 對(duì)于甚高頻，頻率為48.5MHz 300MHz,其帶寬約為250MHz,只能傳輸27 套電視節(jié)目 。 可見(jiàn)光的頻率100000GHz（1014Hz）， 比甚高頻高出一百多萬(wàn)倍。 1.2.4 信號(hào)調(diào)制信號(hào)調(diào)制 1.調(diào)制作用調(diào)制作用 為什么要進(jìn)行調(diào)制？ 調(diào)制的作用就是要將傳輸?shù)男盘?hào)變換成適合信道傳輸 的信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）。 如何進(jìn)行調(diào)制？ 載波載波是一種用來(lái)承載輸入信號(hào)的高頻周期信 號(hào)，它本身不包含任何有用信息。在編碼之前，載 波可以用式（1-4）所示的形式： 式中，

23、E 為電磁場(chǎng)矢量， e 是單位矢量極化， A 為載波振幅， 是載波頻率，為載波相位。 2.調(diào)制方法調(diào)制方法 由式（1-4）得知，可以選擇的調(diào)制方法有： 調(diào)制幅度調(diào)制幅度A A、調(diào)制載波頻率、調(diào)制載波頻率、調(diào)制相位、調(diào)制相位。 按照調(diào)制的信號(hào)形式可以分為模擬調(diào)制模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制。 模擬調(diào)制對(duì)應(yīng)的三種調(diào)制方法分別被稱為： 幅度調(diào)制幅度調(diào)制（Amplitude Modulation，AMAM） 頻率調(diào)制頻率調(diào)制（Frequency Modulation，F(xiàn)MFM，） 相位調(diào)制相位調(diào)制（Phase Modulation，PMPM，） 在數(shù)字調(diào)制中，對(duì)應(yīng)三種調(diào)制方法分別為： 幅移鍵控幅移鍵控（

24、Amplitude Shift Keying ，ASK） 頻移鍵控頻移鍵控（Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK） 相移鍵控相移鍵控（Phase Shift Keying ，PSK） 3.調(diào)制格式調(diào)制格式 圖1-7所示的是可供產(chǎn)生光比特流選擇的調(diào)制格式： 主要分為歸零格式和非歸零格式。 1.2.5 信號(hào)復(fù)用信號(hào)復(fù)用 1.信道信道 什么是“信道”？ 信道信道就是信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ馈?按照所用的傳輸介質(zhì)不同，信道可以分為有線信道和無(wú)線有線信道和無(wú)線 信道信道。 有線信道有線信道需要利用具體的傳輸介質(zhì)，如銅對(duì)絞線、光纖等 傳輸信號(hào)。 無(wú)線信道無(wú)線信道則是利用電磁波在空中傳播的方式傳輸信號(hào)

25、。 通信質(zhì)量的好壞，主要取決于信道信道（傳輸介質(zhì)）的特性。 表1-2比較了五種不同傳輸介質(zhì)的特點(diǎn)。 2.信號(hào)復(fù)用信號(hào)復(fù)用 所謂復(fù)用復(fù)用就是將若干路彼此獨(dú)立的信號(hào)在同一信道中 傳輸?shù)募夹g(shù)。 復(fù)用的目的復(fù)用的目的是使同一站點(diǎn)的多個(gè)用戶共用一個(gè)信道傳輸信 息，以提高信道的傳輸效率，進(jìn)而降低通信系統(tǒng)的成本。 常用的復(fù)用方法有： 頻分復(fù)用頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用+波分復(fù)用波分復(fù)用等。 （1）頻分復(fù)用）頻分復(fù)用（Frequency Division Multiplexing ，F(xiàn)DM） 頻分復(fù)用頻分復(fù)用是指將在頻域上劃分的多個(gè)信道進(jìn)行復(fù)用的技術(shù)。 （2）時(shí)分復(fù)用）時(shí)分

26、復(fù)用（Time Division Multiplexing ，TDM） 時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用就是在時(shí)域上對(duì)不同傳輸信道的信號(hào)進(jìn)行間插 組合處理，即利用幾個(gè)低速比特流來(lái)構(gòu)建一個(gè)高速比特流， 以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)信道傳輸多路信號(hào)。 （3）波分復(fù)用）波分復(fù)用（Wave Division Multiplexing， WDM） 波分復(fù)用波分復(fù)用就是在一根光纖中實(shí)現(xiàn)同時(shí)傳輸幾十乃至 上百個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)的復(fù)用技術(shù)。波分復(fù)用技術(shù)的原理， 如圖1-10 所示。 （4）時(shí)分復(fù)用）時(shí)分復(fù)用+波分復(fù)用波分復(fù)用 更能滿足光網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容和靈活組網(wǎng)的要求。 當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)中常用時(shí)分復(fù)用+波分復(fù)用雙重復(fù) 用的擴(kuò)容原理。 1.3 1.3 通

27、信及其業(yè)務(wù)通信及其業(yè)務(wù) 1.3.1 通信任務(wù)通信任務(wù) 通信的任務(wù)通信的任務(wù)是及時(shí)準(zhǔn)確安全地完成信息在空間的傳遞。 通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)是由用戶終端、傳輸介質(zhì)、傳輸設(shè)備組成的。 基本通信系統(tǒng)只能完成點(diǎn)到點(diǎn)通信，只有通信網(wǎng)上才能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)到 多點(diǎn)的通信。 通信網(wǎng)通信網(wǎng)則是由用戶終端、傳輸介質(zhì)、傳輸和交換設(shè)備組成的拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)。 根據(jù)通信網(wǎng)的功能不同，通信網(wǎng)可以分為：業(yè)務(wù)網(wǎng)、傳送網(wǎng)和業(yè)務(wù)網(wǎng)、傳送網(wǎng)和 支撐網(wǎng)。支撐網(wǎng)。 業(yè)務(wù)網(wǎng)業(yè)務(wù)網(wǎng)是指面向公眾提供電信業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)。例如，固定電話網(wǎng)、 移動(dòng)電話網(wǎng)、電視網(wǎng)、因特網(wǎng)等。 傳送網(wǎng)傳送網(wǎng)是完成各種通信業(yè)務(wù)的數(shù)字信號(hào)傳送的網(wǎng)絡(luò)。例如，由 長(zhǎng)途干線光網(wǎng)絡(luò)、城域光網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)

28、。 支撐網(wǎng)支撐網(wǎng)則是承擔(dān)確保通信網(wǎng)正常工作支持作用的網(wǎng)絡(luò)。 1.3.2 通信業(yè)務(wù)通信業(yè)務(wù) 1. 電話業(yè)務(wù)電話業(yè)務(wù) （1 1）固定電話）固定電話 電話網(wǎng)電話網(wǎng)是由一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)（終端節(jié)點(diǎn)、交換節(jié)點(diǎn)） 構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，其可以通過(guò)“電路交換”實(shí)現(xiàn)任意用戶之間 進(jìn)行語(yǔ)音交流語(yǔ)音交流。 （2）移動(dòng)電話）移動(dòng)電話 移動(dòng)電話業(yè)務(wù)移動(dòng)電話業(yè)務(wù)是通信的一方或者雙方可以在移動(dòng)狀態(tài)中進(jìn)行電話 通信。 第一代模擬移動(dòng)通信（第一代模擬移動(dòng)通信（1G1G） 第二代數(shù)字移動(dòng)通信（第二代數(shù)字移動(dòng)通信（2G2G） 第三代多媒體移動(dòng)通信（第三代多媒體移動(dòng)通信（3G3G） 3G 有 CDMA CDMA（中國(guó)電信）（中國(guó)電信） WCDM

29、A WCDMA（中國(guó)聯(lián)通）（中國(guó)聯(lián)通） TD-SCDMA TD-SCDMA（中國(guó)移動(dòng)）（中國(guó)移動(dòng)）三種制式。（書中有個(gè)小錯(cuò)誤） 4G 4G運(yùn)營(yíng)牌照有望于今年下半年發(fā)放。運(yùn)營(yíng)牌照有望于今年下半年發(fā)放。 4G的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在： 1、高速寬帶 20-100Mbit/s20-100Mbit/s； 2、良好的兼容性，可以與3G的三種制式實(shí)現(xiàn)互連互通。 3、業(yè)務(wù)多樣化 2. 2. 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) ISDNISDN （ Integrated Service Digital Network ）是由數(shù)字傳輸、 數(shù)字復(fù)接和數(shù)字交換結(jié)合而成的數(shù)字化電信網(wǎng)。 ISDN ISDN可以分為窄帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（Narro

30、wband-Integrated Service Digital Network , N-ISDNN-ISDN）和寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng) （Broadband-Integrated Service Digital Network , B-ISDNB-ISDN）。 N-ISDNN-ISDN有兩種標(biāo)準(zhǔn)接口： 1、基本速率接口 2B+D，B的速率是64kbit/s，而D的速率 16kbit/s，2B+D可以提供的總帶寬為144 kbit/s。 2、基群速率接口 30B+D，B的速率是64kbit/s，D的的速率為 64kbit/s，30B+D可以提供的總帶寬為2048 kbit/s。 B-ISDN B-

31、ISDN可以提供2048 kbit/s、155Mbit/s、 622Mbit/s速率的傳 輸通道，能夠支持從窄帶遙控遙測(cè)到寬帶高清晰數(shù)字電視等所有的業(yè) 務(wù)。因此，B-ISDN是一種“全能”電信網(wǎng)絡(luò)。 3. 廣播電視業(yè)務(wù)廣播電視業(yè)務(wù) 有線電視網(wǎng)普遍采用光纖和同軸電纜混合（Hybrid Fiber Coax，HFCHFC）網(wǎng)絡(luò)。 光纖主要被用在（干線）傳輸， 同軸電纜主要被用在接入網(wǎng)。 HFC是一種能夠支持電話、ISDN 、廣播模擬電視、 數(shù)字電視、互動(dòng)視頻和高速全雙工數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)的傳輸技 術(shù)。 圖1-15所示的是一個(gè)典型的采用HFC技術(shù)的有線電視網(wǎng)的 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一般從端局（前端）到配線網(wǎng)的光節(jié)點(diǎn)采

32、用光 纖傳輸，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以采用環(huán)形、星形和樹(shù)形。 4. 寬帶接入業(yè)務(wù)寬帶接入業(yè)務(wù) 傳統(tǒng)銅線技術(shù)受到了哪些挑戰(zhàn)？傳統(tǒng)銅線技術(shù)受到了哪些挑戰(zhàn)？ 速率受限。滿足不了日益增長(zhǎng)的需求。 驅(qū)動(dòng)寬帶接入業(yè)務(wù)不斷發(fā)展的動(dòng)力是用戶日益增長(zhǎng)的需求用戶日益增長(zhǎng)的需求。 城市企業(yè)事業(yè)單位未來(lái)需求的帶寬為100M 1000M； 家庭未來(lái)需求的帶寬為50 M100 M。 寬帶接入方案寬帶接入方案光纖接入技術(shù)光纖接入技術(shù) PONPON（Passive Optical Network）技術(shù)具有點(diǎn)到多點(diǎn)、能夠提供巨巨 大帶寬大帶寬、傳輸質(zhì)量好傳輸質(zhì)量好、接入可靠性高接入可靠性高、建設(shè)和維護(hù)成本低建設(shè)和維護(hù)成本低等一系列

33、優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為世界各國(guó)城市接入網(wǎng)發(fā)展的首選技術(shù)。是真正的 FTTHFTTH（Fiber To The Home）。 圖1-16所表示的是一個(gè)典型的光纖接入技術(shù)方案。一個(gè)家庭用戶可以通過(guò)無(wú) 源光網(wǎng)絡(luò)將電話、電視和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入家庭，實(shí)現(xiàn)寬帶綜合接入。 舉例：盈通培訓(xùn)資料P11 5. 多媒體通信業(yè)務(wù)多媒體通信業(yè)務(wù) 什么是媒體媒體？ 媒體媒體是指信息傳遞和存取的基本技術(shù)和手段。 分類：感覺(jué)媒體、表示媒體、顯示媒體、存儲(chǔ)媒體和傳輸媒體。 多媒體多媒體可以就是上述多種媒體的組合。 隨著三網(wǎng)融合的步伐加快，多媒體通信會(huì)越來(lái)越被人們所重視。 1.4 1.4 通信系統(tǒng)通信系統(tǒng) 1.4.1 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 通信

34、系統(tǒng)通信系統(tǒng)是由實(shí)現(xiàn)消息傳輸所需要的一切設(shè)備和傳輸介質(zhì)構(gòu)成。傳統(tǒng)的 點(diǎn)到點(diǎn)通信系統(tǒng)一般模型，可用圖1-17的框圖表示。 信源信源作用是將聲音、文字、數(shù)據(jù)、圖像等消息轉(zhuǎn)變成原始電信號(hào)，即 完成非電量到電量的變換。 發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備的功能一是放大，二是變換。 信道信道就是傳輸信號(hào)的通道。 它可以分為有線信道和無(wú)線信道。有線信道包括銅線電纜、光纖等。 無(wú)線信道可以是自由空間、真空等。 噪聲源噪聲源是通信系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備、信道中的噪聲與干擾的集中表示。 接收設(shè)備接收設(shè)備的功能主要是恢復(fù)出原始信號(hào)。 信宿信宿是信息傳輸?shù)慕K點(diǎn)。其作用與信源作用完成相反，完成電量到非電量的 變換。 1.4.2 系統(tǒng)分類系統(tǒng)分

35、類 1.分類分類 通信系統(tǒng)分類方法很多，但是最常用的分類方法是按照信道中所傳 輸?shù)男盘?hào)的特征不同，將通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)。 （1）模擬通信系統(tǒng)）模擬通信系統(tǒng) 模擬通信系統(tǒng)是指信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)的通信系統(tǒng)。模擬信號(hào) 的通信系統(tǒng)的模型，如圖1-18所示。 經(jīng)過(guò)調(diào)制后的信號(hào)被稱為已調(diào)信號(hào)已調(diào)信號(hào)。 已調(diào)信號(hào)具有三個(gè)基本特征： 一是攜帶有信息； 二是適合在信道中傳輸； 三是信號(hào)的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠(yuǎn)離零率。 （2）數(shù)字通信系統(tǒng)）數(shù)字通信系統(tǒng) 數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)則指的是信道中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)的通信系統(tǒng)。 數(shù)字通信系統(tǒng)可以概括為圖1-19所示的數(shù)

36、字通信系統(tǒng)的模型。 信源編碼信源編碼的兩個(gè)功能：一是數(shù)/模轉(zhuǎn)換，二是數(shù)據(jù)壓縮。 信道編碼信道編碼是在經(jīng)過(guò)信源編碼的信號(hào)中增加一些多余的字 符，以求自動(dòng)發(fā)現(xiàn)或糾正傳輸中發(fā)生的錯(cuò)誤。 因此，信道編碼的目的就是提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?解調(diào)、信道解碼、信源解碼解調(diào)、信道解碼、信源解碼是調(diào)制、信道編碼、信源編碼的逆過(guò)程。 2.對(duì)比對(duì)比 與模擬通信系統(tǒng)相比，數(shù)字通信系統(tǒng)具有下述的一些顯著的優(yōu)點(diǎn)顯著的優(yōu)點(diǎn)： 數(shù)字信號(hào)本身具有較強(qiáng)的抗干擾能力較強(qiáng)的抗干擾能力，采用再生中繼器、糾錯(cuò)編碼等措施， 可以進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸； 采用信道編碼技術(shù)，可以降低傳輸錯(cuò)誤碼率； 數(shù)字信號(hào)的復(fù)用和壓縮容易； 適應(yīng)的業(yè)務(wù)種類多，如可實(shí)現(xiàn)

37、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和圖像等綜合傳輸； 便于與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的智能化； 數(shù)字硬件實(shí)現(xiàn)靈活、集成度高、設(shè)備體積小、系統(tǒng)成本低； 系統(tǒng)升級(jí)擴(kuò)容方便，便于保護(hù)運(yùn)營(yíng)商的投資等。 同時(shí)，數(shù)字通信系統(tǒng)也存在兩個(gè)缺點(diǎn)兩個(gè)缺點(diǎn)： 在相同的容量下，數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸所需要的帶寬需要的帶寬比模擬通信系統(tǒng)要大大； 同步要求高同步要求高（需要位同步、幀同步等），從而需要復(fù)雜的同步系統(tǒng)。 1.4.3 系統(tǒng)性能系統(tǒng)性能 1.通信系統(tǒng)通信系統(tǒng) 如何評(píng)價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)的優(yōu)劣？ 通過(guò)性能指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)，包括有效性有效性、可靠性可靠性、經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)維的方 便性等。 人們最關(guān)心的通信系統(tǒng)性能是有效性和可靠性。 有效性有效性描述的是通信系統(tǒng)

38、的消息傳輸速度傳輸速度問(wèn)題； 可靠性可靠性反映的是通信系統(tǒng)的消息傳輸質(zhì)量傳輸質(zhì)量問(wèn)題。 2.主要性能主要性能 有效性有效性通常用傳輸速率、帶寬、頻帶利用率傳輸速率、帶寬、頻帶利用率來(lái)描述。 可靠性可靠性通常用誤碼率誤碼率來(lái)表示。 （1）傳輸速率）傳輸速率 傳輸速率傳輸速率B被定義為每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，可用bit/s來(lái)表示。 B的簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)表達(dá)公式，如式（1-6）所示。同時(shí)，圖1-20 給出了數(shù)字信號(hào)中的傳輸速率與比特周期呈反比關(guān)系。 （2）帶寬）帶寬 信號(hào)帶寬信號(hào)帶寬W指的是傳送信號(hào)的頻率寬度， 即傳送信號(hào)的最高頻率與最低頻率之差。 信道帶寬越大，其允許的傳輸容量和傳輸 速率就越大。 （3）頻帶

39、利用率）頻帶利用率 頻帶利用率（帶寬效率）頻帶利用率（帶寬效率）的定義是單位頻率帶W內(nèi)的傳輸速 率B，其數(shù)學(xué)公式如式（1-7）所示。其單位是每赫茲每秒的比特?cái)?shù)， 常用（b/s.Hz）表示。 （4）誤碼率）誤碼率 誤碼率誤碼率的定義如式（1-8）所示： 1.5 1.5 光纖通信網(wǎng)絡(luò)光纖通信網(wǎng)絡(luò) 1.5.1 光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng) 1.基本組成基本組成 圖1-21所示的是最簡(jiǎn)單的光纖通信系統(tǒng)組成的框圖。 2.各個(gè)組件作用各個(gè)組件作用 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)包括光源和光調(diào)制器。 它主要是提供沿著光纖傳輸信息所需要的光能量。 它的光源既可以是發(fā)光管也可以是激光器。 光調(diào)制器的功能是調(diào)制帶有串行序列數(shù)據(jù)的光

40、。 光接收機(jī)光接收機(jī)里一個(gè)非常重要的器件是光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器 它的作用就是將調(diào)制的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。 1.5.2 光纖通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)光纖通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 1. 作用作用 光網(wǎng)絡(luò)光網(wǎng)絡(luò)是由宿端設(shè)備、光纖和組網(wǎng)光電元件等組成。 它的作用有兩個(gè)： 一是利用傳輸介質(zhì)光纖實(shí)現(xiàn)大容量、長(zhǎng)距離大容量、長(zhǎng)距離、高可靠高可靠 性性鏈路傳輸； 二是利用相關(guān)光電元件，引入了控制和管理機(jī)制控制和管理機(jī)制，實(shí) 現(xiàn)了多節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)網(wǎng)，以及針對(duì)資源與業(yè)務(wù)的靈活配置。 2. 結(jié)構(gòu)演進(jìn)結(jié)構(gòu)演進(jìn) 光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了一個(gè)由簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)點(diǎn)到點(diǎn)、鏈形鏈形結(jié)構(gòu)、環(huán)形環(huán)形結(jié)構(gòu)向 復(fù)雜的網(wǎng)狀網(wǎng)網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展過(guò)程。它充分反映了通信容量

41、大、網(wǎng)絡(luò)可靠 性增強(qiáng)、系統(tǒng)成本降低的通信技術(shù)進(jìn)步。 盈通DWDM省骨干網(wǎng)絡(luò)圖 茂名 粵西環(huán)粵東環(huán) 珠三角環(huán) 廣州 東莞 深圳 珠海 中山 順德 惠州 梅州 湛江 陽(yáng)江 江門 DWDM容量 珠三角環(huán)：40通道 粵西環(huán)：16通道 粵東環(huán)：16通道 粵北環(huán)：16通道 DWDM 網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣東所有地市 河源 汕尾 韶關(guān) 清遠(yuǎn) 汕頭 潮州 揭陽(yáng) 佛山 肇慶云浮粵北環(huán) 光傳送網(wǎng)光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network,OTNOTN）是指在中 間節(jié)點(diǎn)具有交叉連接能力交叉連接能力的WDM光網(wǎng)絡(luò)。 OTN主要是針對(duì)干線向著Tbit/sTbit/s方向發(fā)展的需求而研 制出的光傳送網(wǎng)。 OTN主要

42、應(yīng)用不僅適合DWDM長(zhǎng)途核心網(wǎng)長(zhǎng)途核心網(wǎng)，而且可以應(yīng) 用于WDM城域光網(wǎng)絡(luò)城域光網(wǎng)絡(luò)和光纖接入網(wǎng)光纖接入網(wǎng)。 從光網(wǎng)絡(luò)的管理角度看，光網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了由SDHSDH、 DWDMDWDM和 OTNOTN。 目前正在向著自動(dòng)光交換網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)光交換網(wǎng)絡(luò)（Automatically Switched Optical Network,ASON）發(fā)展。 第2章 光纖 學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo) 1.了解光纖基本結(jié)構(gòu)。 2.掌握光波導(dǎo)理論研究意義。 3.了解光纖制造方法特點(diǎn)。 4.掌握研究光纖傳輸特性實(shí)際意義。 5.掌握各種通信光纖性能特點(diǎn)和適用場(chǎng)所 2.1 2.1 光纖的基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)光纖的基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 2.1.1 2.

43、1.1 光纖基本結(jié)構(gòu)光纖基本結(jié)構(gòu) 通信光纖通信光纖是由石英玻石英玻 璃璃或塑料塑料或其它導(dǎo)光材料其它導(dǎo)光材料 組成的圓柱形線性的導(dǎo)光 纖維（簡(jiǎn)稱光纖）。 光纖的剖面結(jié)構(gòu)，如 圖2-1所示。 通常，光纖是由兩個(gè) 同心均勻介質(zhì)所組成（纖纖 芯和包層芯和包層）。 纖芯纖芯 1) 位置：光纖的中心部位 2) 尺寸：直徑2a = 8（10）m mm 50（62.5） m mm（歐洲（歐洲/美國(guó)美國(guó) 標(biāo)準(zhǔn)）標(biāo)準(zhǔn)） 3) 材料：纖芯的主要成分是石英（二氧化硅石英（二氧化硅SiO2 ），），摻有極 少量的摻雜劑(二氧化鍺GeO2，五氧化二磷P2O5)，作用是 提高纖芯對(duì)光的折射率(n1)，以傳輸光信號(hào) 纖芯

44、包層 包層包層 位置：位于纖芯的周圍 尺寸：直徑2b = 125 m mm 材料：其成分也是含有極少量摻雜劑的高純度二氧化硅 SiO2。而摻雜劑五氧化二硼B(yǎng)2O3的作用則是適當(dāng)降低包 層對(duì)光的折射率(n2)，使之略低于纖芯的折射率，即即n1 n2，它使得光信號(hào)能約束在纖芯中傳輸，它使得光信號(hào)能約束在纖芯中傳輸 涂覆層涂覆層 1) 位置：位于光纖的最外層 2) 尺寸：涂覆后的光纖外徑約為1.5 mm1.5 mm 3) 結(jié)構(gòu)和材料：包括一次涂覆層，緩沖層和二次涂覆層 a) 一次涂覆層一般使用丙烯酸酯、有機(jī)硅或硅橡膠材料 b) 緩沖層一般為性能良好的填充油膏 (防水) c) 二次涂覆層一般多用聚丙烯

45、或尼龍等高聚物 4) 作用：保護(hù)光纖不受水汽侵蝕和機(jī)械擦傷保護(hù)光纖不受水汽侵蝕和機(jī)械擦傷，同時(shí)又增加了 光纖的機(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性光纖的機(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性，起著延長(zhǎng)光纖壽命的作用 引入一個(gè)物理量相對(duì)折射率差相對(duì)折射率差。 它的表達(dá)式如（2-1）式 在實(shí)際應(yīng)用中，纖芯與包層的折射率數(shù)值相差無(wú)幾。 單模光纖單模光纖的相對(duì)折射率差大約為0.2%； 多模光纖多模光纖的相對(duì)折射率差大約是1%。 2.1.2 2.1.2 光纖的特點(diǎn)光纖的特點(diǎn) 在光纖通信中，光纖光纖的作用是傳輸介質(zhì)，真正的 載波是激光載波是激光。 1、巨大的工作帶寬 光纖通信使用的電磁波頻率范圍是1014Hz。 2、優(yōu)異的傳輸性能 光纖的損耗

46、可以達(dá)到0.15dB/Km，具有極好的 傳輸質(zhì)量。 3、杰出的使用性能 抗電磁干擾能力。 光纜的使用壽命長(zhǎng)（一般為20-30年）。 4、豐富的原料來(lái)源 目前，國(guó)際期貨市場(chǎng)銅、鋁等金屬材料價(jià)格不斷上漲。而 石英的儲(chǔ)藏量非常豐富，取之不盡、用之不竭。 5、獨(dú)特的接繼技術(shù) 常用的單模光纖的纖芯直徑僅為8-10m左右，為光纜線 路的施工中的光纖對(duì)準(zhǔn)和熔接操作帶來(lái)了極大的困難。需 要專用的儀器。 2.2 2.2 光波導(dǎo)理論光波導(dǎo)理論 2.2.1 2.2.1 幾何光學(xué)幾何光學(xué) 1.1.全內(nèi)反射全內(nèi)反射 光（線）傳輸理論： 當(dāng)光線射到兩種介質(zhì)之間 的界面上時(shí)，一部分光線被 反射，形成反射光線反射光線，而一

47、部分被折射，而形成折射光折射光 線線，如圖2-2所示。 反射定律：反射定律： 1. 反射光線保持在由入射光線與 法線所構(gòu)成的入射平面中； 2. 相對(duì)于入射光線來(lái)說(shuō)，反射光 線位于法線的相反側(cè)； 3. 反射光線和入射光線分別與法 線形成的夾角1=2。 折射定律：折射定律： 如果是在各向同性的介質(zhì)（如 玻璃）中，則由式菲涅爾折射 定律可得出： 光的入射角正弦sin與折射角 正弦sin之比與其各自入射介 質(zhì)的折射率n1與折射介質(zhì)的折 射率n2成反比。即有如下關(guān)系 式： 當(dāng)光線由光密介質(zhì)光密介質(zhì)n1n1入射到 光疏介質(zhì)光疏介質(zhì)n2n2的界面時(shí)，折射 角大于入射角。 當(dāng)= 900 時(shí)，光纖會(huì)沿著平 行于

48、兩介質(zhì)的界面?zhèn)鞑ィ?圖2-3所示的光線。這時(shí)的 入射角寫成0 ，我們 稱它 為兩種介質(zhì)的臨界角臨界角，如式 （2-3）所示。 即臨界角臨界角由兩種介質(zhì)的折射 率n1和n2的比值決定的。 對(duì)于入射角大于臨界角0 的所有光線，在光疏介質(zhì)中 沒(méi)有對(duì)應(yīng)的折射光線存在， 這些光線在界面上全部被反 射回光密介質(zhì)中，這種現(xiàn)象 稱為全內(nèi)反射全內(nèi)反射，如圖2-3所示 的光線。 由此可知，全內(nèi)反射全內(nèi)反射只能發(fā)生在光由光密介質(zhì)光密介質(zhì)入射到與光疏介質(zhì)光疏介質(zhì)的 界面上，對(duì)于圓柱形光波導(dǎo)（纖），如果使纖芯纖芯中心部分的折射率 高于外包層包層的折射率，就有可能在纖芯纖芯和包層包層之間滿足全內(nèi)反射， 從而使光線“限制

49、限制”在芯層內(nèi)并以鋸齒形連續(xù)反射光纖形式在光纖 中向前傳輸，直至傳播到信息終端。 單模光纖和多模光纖單模光纖和多模光纖 單模光纖單模光纖SMF(Signal Mode Fiber)：僅允許一個(gè)模式傳播的光纖 多模光纖多模光纖MMF(Multiple Mode Fiber)：同時(shí)允許多個(gè)模式進(jìn)行傳播 在光纖的受光角內(nèi)，以某一角度射入光纖端面，并能在光纖 纖芯纖芯- -包層包層交界面上產(chǎn)生全反射的傳播光線，就可以稱為入射 光的一個(gè)傳播模式傳播模式 2. 2. 折射率分布折射率分布 為了設(shè)計(jì)出不同的光纖，可以使光纖剖面任意一點(diǎn)的 折射率分布折射率分布n n 是其半徑r的函數(shù)n (r)。n隨著r的變化

50、而變化。 n (r)可以決定光纖的光傳輸性能光傳輸性能。 可用數(shù)學(xué)公式（2-4）來(lái)表示： 式中，n1 為纖芯折射率； 是光纖相對(duì)折射率差相對(duì)折射率差； r 為離開(kāi)纖軸心的距離； a是纖芯半徑； g為折射率分布指數(shù)折射率分布指數(shù)； n2是包層折射率。 公式（2-4）可以用圖2-4來(lái)反映，它直觀且形象地描述了 不同光纖的折射率分布幾何形狀。 折射率分布指數(shù)折射率分布指數(shù)g的取值范圍在1-之間，通過(guò)改變g的取 值大小就可以獲得不同的光纖折射率分布形狀。 例如，g=1纖芯折射率分布為三角形， g=2光纖芯折射率分布呈梯度（漸變）形梯度（漸變）形， g= 纖芯折射率分布是階躍（突變）形階躍（突變）形。

51、表2-1列出了g取值、纖芯折射率形狀與折射率變化特點(diǎn)的關(guān)系。 從上圖中可以看出： 1.只有階躍光纖階躍光纖的纖芯和包層折射率是常數(shù)，而其他光纖的纖芯折射率 分布是r 的函數(shù)n (r)變化形式 。 2.光纖設(shè)計(jì)就是選擇合理的纖纖/包折射率分布包折射率分布結(jié)構(gòu)，即通過(guò)調(diào)整調(diào)整g的數(shù)值， 可以獲得不同傳輸性能的光纖。 3. 3. 相對(duì)折射率差相對(duì)折射率差 舉例：P36 例2-1 單模玻璃光纖的相對(duì)折射率差是0.2%； 多模玻璃光纖的相對(duì)折射率差是1%； 熟料光纖的相對(duì)折射率差是0.2212% 但要注意：但要注意： 與數(shù)值孔徑和光纖的接受角也存在著一定與數(shù)值孔徑和光纖的接受角也存在著一定 的數(shù)量關(guān)系。

52、的數(shù)量關(guān)系。 表2-2列出了幾種不同光纖纖芯的折射率是1.50時(shí)，與數(shù)值孔與數(shù)值孔 徑和光纖的接收角的關(guān)系。徑和光纖的接收角的關(guān)系。 4. 4. 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑 光在纖芯和包層之間纖芯和包層之間發(fā)生全反射的條件是，在他們之間的入射角必在他們之間的入射角必 須大于臨界角須大于臨界角 0，就是說(shuō)，只有小于（90-0）所有光線才會(huì)沿 著纖芯中傳輸。 在輸入端端面上，根據(jù)折射定律，有下面關(guān)系式（空氣折射率為1）： 引入一個(gè)物理量數(shù)值孔直徑（數(shù)值孔直徑（NA ，Numerical Aperture）： 為臨界角 0對(duì)應(yīng)的最大入射角最大入射角max的正弦值的正弦值。 NA表示光纖的集光能力。表示光纖的集

53、光能力。 只有小于只有小于max的光纖才能在纖芯中傳輸。的光纖才能在纖芯中傳輸。 下面通過(guò)兩個(gè)計(jì)算實(shí)例來(lái)說(shuō)明折射率分布不同 的光纖，它們的NA就不同，集光能力各有差異。 P37、例2-2和例2-3 多模光纖比單模光纖的集光能力要好的多。多模光纖比單模光纖的集光能力要好的多。 2.2.2 2.2.2 研究目的研究目的 研究光纖導(dǎo)光理論的目的：研究光纖導(dǎo)光理論的目的： 在于了解光波在光纖中的傳輸機(jī)理傳輸機(jī)理、傳輸條件傳輸條件，建立 傳輸特性與光纖折射率分布結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，以便于 設(shè)計(jì)出能夠滿足通信系統(tǒng)所需要的傳輸特性的理想光纖。 光具有波粒二像性：光具有波粒二像性： 光既可以看成是光波，又可以

54、看作是由光子組成的粒 子流，在科學(xué)研究中對(duì)應(yīng)的方法分別是射線理論射線理論和波動(dòng)理波動(dòng)理 論論。 光射線理論光射線理論光波動(dòng)理論光波動(dòng)理論 適用條件l a（物體的幾何尺寸）l a 研究對(duì)象光線模式 基本方程射線方程波導(dǎo)場(chǎng)方程 研究方法折射/反射定理邊值問(wèn)題 主要特點(diǎn)約束光線模式 2.2.3 2.2.3 光射線理論光射線理論 按照折射率分布，多模光纖又可以分為兩大類型： 階躍折射率分布的多模光纖（簡(jiǎn)稱階躍多模光纖階躍多模光纖） 梯度折射率分布的多模光纖（簡(jiǎn)稱梯度多模光纖梯度多模光纖）。 1 1、階躍多模光纖、階躍多模光纖 描述階躍多模光纖的折射率分布的數(shù)學(xué)公式，可用式（2-9）表示。 由前所述可知

55、： 式中：=（n1-n2）/n1的是纖芯-包層界面之間的相對(duì)折射率。 顯然，為了耦合更多的光進(jìn)入光纖，應(yīng)該盡可能將做大； 但是大光纖不適合用作光纖通信。 其原因是，大光纖中會(huì)產(chǎn)生大的時(shí)延時(shí)延。 時(shí)延時(shí)延 不同光線沿著不同路徑到達(dá)輸出端的時(shí)間是不一樣的。在 光纖通信中，這種時(shí)間上的先后就稱作“時(shí)延時(shí)延”。 由動(dòng)畫可以直觀地看出：由動(dòng)畫可以直觀地看出：在階躍多模光纖中，在階躍多模光纖中， 不同模式的光信號(hào)到達(dá)終點(diǎn)所需的時(shí)間不同模式的光信號(hào)到達(dá)終點(diǎn)所需的時(shí)間不不相等相等。 時(shí)延時(shí)延 時(shí)延時(shí)延產(chǎn)生的后果會(huì)使輸入脈沖信號(hào)發(fā)生“脈沖展寬脈沖展寬”， 產(chǎn)生多路徑色散多路徑色散或模間色散模間色散，在接收端信號(hào)

56、會(huì)產(chǎn)生碼間干碼間干 擾擾。 由于時(shí)延（模間色散）的原因，階躍多模光纖的工作階躍多模光纖的工作 帶寬帶寬會(huì)受到嚴(yán)重影響。 舉例：P39 最大時(shí)延公式 2.2.梯度多模光纖梯度多模光纖 梯度多模光纖的設(shè)計(jì)思想是利用光傳輸速率與光光傳輸速率與光 纖材料折射率成反比纖材料折射率成反比的原理，來(lái)解決多模光纖中所存在 的嚴(yán)重時(shí)延時(shí)延（模間色散）問(wèn)題。 光信號(hào)在梯度多模折射率光纖中的傳輸光信號(hào)在梯度多模折射率光纖中的傳輸 由動(dòng)畫可以直觀地看出：由動(dòng)畫可以直觀地看出：在梯度多模光纖中， 不同模式的光信號(hào)到達(dá)終點(diǎn)所需的時(shí)間基本相等。 原理分析： V=C/n 1、沿中心軸的傳播的路徑最短，但該位置的折射率 n也是

57、最大的，所以V也是最慢的； 2、越靠近軸心，折射率n越小，V會(huì)越快。 結(jié)論：結(jié)論： 在梯度多模光纖梯度多模光纖中，各個(gè)光纖均是以同樣的時(shí)間 到達(dá)光纖的輸出端，不會(huì)出現(xiàn)時(shí)延不會(huì)出現(xiàn)時(shí)延。 舉例：P41 經(jīng)計(jì)算（P41，公式2-17），梯度多模光纖的工作梯度多模光纖的工作 帶寬帶寬比階躍多模光纖的工作帶寬能提高3個(gè)數(shù)量級(jí)。 利用該方程 組，求解， 得出E（r, ）、H(r,) 在纖芯纖芯中的 表達(dá)式 理論依據(jù) ：MaxwellMaxwell 方程組方程組 利用邊界條 件，找出其 中的規(guī)律（ 傳輸特性傳輸特性） 一一二二三三 2.2.4 2.2.4 波動(dòng)理論波動(dòng)理論 2.2.4 2.2.4 波動(dòng)理論

58、波動(dòng)理論 1、麥克斯韋方程 在電磁場(chǎng)理論中，一般認(rèn)為，光纖是一種介質(zhì)光波導(dǎo)。這種光波 導(dǎo)的特點(diǎn)是： 1.無(wú)傳導(dǎo)電流； 2.無(wú)職業(yè)電荷； 3.線性各向同性。 描述在光波導(dǎo)（光纖）中傳播的電磁波所有的現(xiàn)象的麥克斯韋方 程的具體形式如下： 式中：E和和H分別是電場(chǎng)矢量電場(chǎng)矢量和磁場(chǎng)矢量磁場(chǎng)矢量， 而D和和B則分別是電通量密度電通量密度和磁通量密度磁通量密度。 電通量密度和磁通量密度與場(chǎng)矢量的關(guān)系： 式中：為材料磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率，在真空中為0，對(duì)于非磁性材料的光纖=0， 它是一個(gè)常數(shù)； 是材料的介電系數(shù)介電系數(shù)，在真空中為0，一般物體的是空間坐標(biāo)的 函數(shù)，即（x,y,z），（r,z）。 與n的關(guān)系如式（2

59、-22）所示。 2 2、波動(dòng)方程、波動(dòng)方程 利用數(shù)學(xué)的矢量關(guān)系式： 3 3、亥姆霍茲方程、亥姆霍茲方程 空坐標(biāo)分離：亥姆霍茲方程。如果光纖中傳播的是單色光波， 即電磁波具有確定的振蕩頻率f，角頻率=2f，我們可令： =(x,y,z)=(x,y,z)exp（ jt） (2-27) 式中，表示E 或者H的某一場(chǎng)分量。如果將公式（2-27）代 入標(biāo)量波動(dòng)方程，那么我們就可以得到亥姆霍茲方程。 式中，k是光纖中光波的波數(shù)光波的波數(shù) 式中，是光纖中的工作波長(zhǎng)， Vp為光波相速， k0 = 2/ 是真空中的光波的波數(shù)光波的波數(shù)。 4. 4. 模式分布模式分布 （1 1）模式的概念）模式的概念 1.數(shù)學(xué)上可以理解為滿足邊界條件的波動(dòng)方程的一個(gè)特解特解。 2.物理上一個(gè)模代表的是一種場(chǎng)圖場(chǎng)圖。 3.模式是離散離散的。 4.多個(gè)模式的線性組合構(gòu)成了光波導(dǎo)中的總的場(chǎng)分布總的場(chǎng)分布。 5.一個(gè)模式在光波導(dǎo)中傳輸依賴傳播常數(shù)傳播常數(shù)。 （2 2）傳導(dǎo)模特性）傳導(dǎo)模特性 光在光纖中遠(yuǎn)距離傳播， 纖芯區(qū)域纖芯區(qū)域的導(dǎo)波場(chǎng)應(yīng)該為振蕩場(chǎng)振蕩場(chǎng)； 包層區(qū)域包層區(qū)域的導(dǎo)波場(chǎng)則是衰減場(chǎng)衰減場(chǎng)。 幾個(gè)物理量U U、W W、V V和和b b 纖芯導(dǎo)波的歸一化相位常數(shù)纖芯導(dǎo)波的歸一化相位常數(shù)U U: 描述在纖芯中，導(dǎo)波沿徑向場(chǎng)的分布規(guī)律。 包層導(dǎo)波的歸一化衰減常數(shù)包層導(dǎo)波的歸一化衰減常數(shù)W W： 描述在包層中，場(chǎng)的衰減規(guī)律