現(xiàn)代通信技術(shù)2(光纖通信)

光纖通信技術(shù)西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院韓曉冰副教授1.通信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1.2通信網(wǎng)的基本構(gòu)成終端設(shè)備傳輸鏈路

光纖傳輸系統(tǒng)衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)轉(zhuǎn)接交換設(shè)備

1.3電話通信網(wǎng)的等級結(jié)構(gòu)

一級交換中心C1

二級交換中心C2

長途網(wǎng)

三級交換中心C3

四級交換中心C4

端局C5

本地網(wǎng)

T

國際國際局2.傳輸系統(tǒng)光纖傳輸系統(tǒng)衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)微波傳輸系統(tǒng)同軸傳輸系統(tǒng)明線傳輸系統(tǒng)載波傳輸系統(tǒng)PCM電話通信系統(tǒng)示意圖

發(fā)送端

接收端

話音

PCM信號

PCM信號

話音信號

信號

模數(shù)變換

信道

模數(shù)變換

（PulseCodeModulation---PCM）抽樣量化編碼再生中繼再生解碼低通3.光纖通信3.1光纖通信簡史古代光通信3000年前的烽火臺(tái)；17世紀(jì)中葉，發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡；1791年，法國人發(fā)明了信號燈。現(xiàn)代光通信--光話1880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；1881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》；貝爾的光話始終沒有實(shí)用化：1、沒有可靠的、高強(qiáng)度的光源；2、沒有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒介。1970年光纖通信元年1960年，第一臺(tái)相干振蕩光源--紅寶石激光器問世；1962年，半導(dǎo)體激光器問世；1970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。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；英國標(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；1970年美國康寧（Corning）公司制成損耗為20dB/km的低損耗石英光纖。1976年，發(fā)現(xiàn)光纖的衰減在長波長區(qū)有：1.31um和1.55um兩個(gè)窗口1980年，產(chǎn)生了低衰減光纖，在1.55um的衰減系數(shù)為0.20dB/km已接近理論值

(ITU-TG.652)常規(guī)單模光纖,在1.31um的零色散為零(ITU-TG.653)色散位移單模光纖,低損耗和零色散均在1.55um,工作波長為1.55um(ITU-TG.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光纖通信以光波為載頻，以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)的通信方式波長范圍是近紅外區(qū)，即0.8-1.6微米目前所采用的三個(gè)實(shí)用通信窗口

短波波長段－－波長為0.85微米長波波長段－－1.31微米和1.55微米光纖通訊的優(yōu)點(diǎn)具有傳輸頻帶寬、通信容量大傳輸衰減小，距離遠(yuǎn)信號串?dāng)_小，傳輸質(zhì)量高抗電磁干擾，保密性好光纖尺寸小，質(zhì)量輕便于運(yùn)輸和敷設(shè)耐化學(xué)腐蝕，適用于特殊環(huán)境原料資源豐富節(jié)約有色金屬4.光纖4.1光纖傳輸基本原理光纖通信所用的光波長范圍在800－1600nm的近紅外區(qū)光的傳播是通過電場、磁場的狀態(tài)隨時(shí)間變化的規(guī)律表現(xiàn)出來的。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光纖光纖的傳播模式在光纖的數(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姆瓷浜驼凵浞瓷洌? 1=1`折射： n1sin1=n2sin

2

全反射： sin1>=n2/n1n2n111`24.3光纖的傳輸特性衰減色散偏振模色散光纖的非線性效應(yīng)

衰減衰減－－表明光纖對光能的傳輸損耗。光在光纖中傳播時(shí)，平均光功率沿光纖長度按照指數(shù)規(guī)律減少:P(L)=P(0)10(αL/10)

式中：P(0)－在L＝0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)α（L）＝－(10/L)㏒[P(L)/P(0)]dB/km衰減譜衰減系數(shù)與波長的函數(shù)關(guān)系衰減起因損耗本征非本征吸收紫外吸收金屬離子紅外吸收OH離子、H2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

色散光纖中的信號是由不同的頻率成分和不同的模式成分來攜帶的，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T光纖的非線性效應(yīng)散射影響受激布里淵散射（SBS）受激拉曼散射（SRS）光纖克爾(折射率引起)效應(yīng)自相位調(diào)制（SPM）交叉相位調(diào)制（XPM）四波混頻（FWM）4.4光纖的類型多模光纖：纖芯直徑為50-75微米在一定的工作波長下，有多個(gè)模式在光纖中傳輸單模光纖：纖芯直徑很小，約4-10微米理論上只傳輸一種模式階躍型單模光纖的典型結(jié)構(gòu)涂覆層包層芯n2n1梯度型單模光纖的典型結(jié)構(gòu)涂覆層包層芯n2n1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！單模光纖標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（G.652光纖）色散位移單模光纖（G.653光纖）1550nm波長最低衰減光纖（G.654光纖）非零色散位移光纖（G.655光纖）色散補(bǔ)償光纖（G.65X光纖）色散平坦光纖4.5光纜結(jié)構(gòu)與分類結(jié)構(gòu)：

纜芯、加強(qiáng)件、護(hù)層（護(hù)套）。光纜結(jié)構(gòu)圖光纜型號表示方法1、型號的組成

型號由產(chǎn)品型式和規(guī)格兩大部分組成。

格

式：

型式

規(guī)格

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)層分類代號GY──通信用室外光纜GJ──通信用室內(nèi)光纜加強(qiáng)構(gòu)件代號無符號──金屬加強(qiáng)構(gòu)件

F──非金屬加強(qiáng)構(gòu)件結(jié)構(gòu)特征代號

無符號──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)

護(hù)套代號

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

W──夾帶平行鋼絲的鋼-聚乙烯粘結(jié)護(hù)套（簡稱W護(hù)套）

AT──耐電痕聚乙烯護(hù)套外護(hù)層代號

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

光纜實(shí)例GYSTAGYSTA53GYSTSGYXTWGYXTY光纜應(yīng)用類型介紹5

光器件5.1光源LED:功率小、譜線寬。LD：功率大、譜線窄。5.2檢測器PIN：APD：5.3EDFA-摻鉺光纖放大器原理：光隔離器摻鉺光纖應(yīng)用中間放大、前置放大6

WDM-波分復(fù)用6.1原理6.2器件7光纖通信系統(tǒng)7.1光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展第一代光纖通信系統(tǒng)：1973年～1976年，采用短波長（0.85μm）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)：1976年～1982年，采用長波長（1.3μm）多模和單模光纖，其傳輸速率為140Mb/s，中繼距離為20-50km；第三代光纖通信系統(tǒng)：1982年～1988年，采用波長（1.31μm）單模光纖，其傳輸信號為PDH的各次群信號，傳輸距離為50km左右；第四代光纖通信系統(tǒng)：1988年至今，采用波長（1.55μm）單模光纖，其傳輸信號為SDH的各次群信號，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)我國光纖通信技術(shù)進(jìn)展一、初級研究階段（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8Mb/s光端機(jī)等。二、實(shí)用化研究階段（1981-1985）解決了市話中繼多模光纖傳輸系統(tǒng)。三、長途通信研究階段（1986-1990）單模光纖長途干線系統(tǒng)的成套技術(shù)，包括光纖、器件、系統(tǒng)、測試、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)成以電話傳輸系統(tǒng)為例SPCOLTSPCOLT7.3光纖通信系統(tǒng)的制式PDH-準(zhǔn)同步數(shù)字系列SDH-同步數(shù)字系列SDH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)行管理的綜合業(yè)務(wù)傳送網(wǎng)絡(luò)7.4SDH-光同步傳輸系統(tǒng)SDH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)域涉及領(lǐng)域：長途通信、交換、接入、移動(dòng)等等。應(yīng)用趨勢：逐步從長途通信、市話局間中繼通信轉(zhuǎn)向用戶網(wǎng)。SDH的特點(diǎn)SDH統(tǒng)一了世界上的三種數(shù)字體系。具有標(biāo)準(zhǔn)的光接口。上、下支路方便。用于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、管理、維護(hù)的開銷豐富。網(wǎng)絡(luò)具有自愈性。組網(wǎng)靈活。準(zhǔn)同步數(shù)字系列(PDH)400Mb/s100Mb/s32Mb/s6.3Mb/s日本系列274Mb/s45Mb/s6.3Mb/s565Mb/s139Mb/s34Mb/s8Mb/s2Mb/s1.5Mb/s北美系列歐洲系列×4×4×4×4×4×4×3×5×6×7×41.5Mb/sSDH的速率等級SDH具有一套標(biāo)準(zhǔn)化的信息結(jié)構(gòu)等級，稱為同步傳送模塊STM-1、STM-4和STM-16，并具有頁狀矩形幀結(jié)構(gòu)。分插信號流程的比較

SDH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)生的相位躍變在低頻抖動(dòng)和漂移性能上信號損傷較重。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)MSOHRSOH傳輸方向9×270×N字節(jié)1

3

4

5

99×N261×N傳輸方向270×NRSOHMSOHSTM-N信息凈負(fù)荷（含少量POH）STM-N信息凈負(fù)荷（含少量POH）AUPTRAUPTRRSOHMSOHSTM-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：270×9×8×8000=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1.設(shè)備的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更加簡單2.使規(guī)范在一個(gè)長久的時(shí)期內(nèi)保持穩(wěn)定3.便于維護(hù)分層的好處SDHG.709復(fù)用映射結(jié)構(gòu)虛容器STM-N×N×1140Mb/s45Mb/s34Mb/s6.3Mb/s2Mb/s1.5Mb/s×3×７×７×１×３C-11C-12C-2C-3C-4VC-11VC-2VC-3VC-3VC-4TU-11TU-12TU-2TU-3TUG-2TUG-3AUGAU-3AU-4VC-12×3×4×1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)用映射我國采用的復(fù)用映射結(jié)構(gòu)虛容器STM-N×N×1140Mb/s34Mb/s×７×１×３C-12C-3C-4VC-12VC-3VC-4TU-12TU-3TUG-2TUG-3AUGAU-4×3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，即高階虛容器中沒有VC-3，我國選用的是歐洲復(fù)用映射結(jié)構(gòu)。STM-N信號容量STM-1（155M）STM-4（622M）1個(gè)VC-4（1×140M）3個(gè)VC-3（3×34M）63個(gè)VC-12（63×2M）4個(gè)VC-4（4×140M）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質(zhì)量的優(yōu)劣而定。通常倒換時(shí)間不超過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，按其信號的優(yōu)劣來選擇一路作為分路信號。WP并發(fā)優(yōu)收通道1+1保護(hù)OLOL復(fù)用段保護(hù)是以復(fù)用段為基礎(chǔ)的，倒換與否按每兩站間的復(fù)用段信號質(zhì)量的優(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，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。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。TRCSOLOLTRCS復(fù)用段1+1保護(hù)CAACCAACWPPWABCDCAACCAACWPPWABCD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PATH－AIS為倒換的依據(jù)，不需要APS協(xié)議。a.正常工作時(shí)b