第三章光纖通信系統(tǒng)

第三章光纖通信系統(tǒng)第1頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)光纖通信的發(fā)展概況

第二節(jié)光纖通信的特點

第三節(jié)光纖通信的基本組成

第四節(jié)光纖通信系統(tǒng)的分類

第五節(jié)光纖通信的發(fā)展方向

第2頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三主要內容

光纖通信作為現代通信的主要支柱之一，本章將概述國內外光纖通信技術發(fā)展的歷史、現狀和前景．

它是以光波為載頻，以光導纖維為傳輸媒質的一種通信方式．光纖與以往的銅導線相比，具有損耗低、頻帶寬、無電磁感應等傳輸特點．

本章對光的性質、光在光纖中的傳輸和光纖通信的特點等加以介紹．第3頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三

第一節(jié)

光纖通信的發(fā)展概況

光波的波長在微米級，頻率為10＾14HZ數量級．由電磁波譜中可以看出，紫外線、可見光、紅外線均屬于光波的范疇．

目前光纖通信使用的波長范圍是在近紅外區(qū)內，即波長為0．8～1．8um．可分為短波長和長波長波段，短波段是指波長為0．85um，長波長段是指1．31um和1．55um，這是目前所采用的三個通信窗口．第4頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)光纖通信的特點

光纖通信與電通信方式的主要差異有兩點：一是用光波作為載波傳輸信號，二是用光導纖維構成作為傳輸線路．因此，在光纖通信中起主導作用的是產生光波的激光器和傳輸光波的光導纖維．

光纖通信與電通信比較的優(yōu)缺點歸納如表２－１所示．

第5頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三表２－１光纖通信的優(yōu)缺點主要因素光纖通信的優(yōu)點光纖通信的缺點使用光引起的信息傳輸容量大無電磁干擾無短路引起的事故不發(fā)生火花接地設計容易需要光電交換部分光直接放大難使用光纖引起的傳輸損耗小傳輸頻帶寬無電磁感應障礙可忽略串音重量輕耐火．耐水有可撓性資源問題小電力傳輸困難彎曲半徑不易太小需要高級切斷接續(xù)技術分路耦合不方便使用光半導體元件引起的響應速度快方向性好光功率大第6頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)光纖通信的基本組成

光纖通信是以光波做載波，以光纜作為傳輸的通信系統(tǒng)．目前實用的光纖通信系統(tǒng)，普遍采用的是數字編碼、強度調制—直接檢波通信系統(tǒng)．它由常規(guī)的電端機、光端機、光中繼器及光纜傳輸線路組成，如圖2—2所示．該系統(tǒng)分為三大部分：光發(fā)送、光傳輸和光接收，光發(fā)送完成電光轉換任務，光傳輸部分的作用是把光信號從發(fā)送端傳到接收端，光接收完成光電轉換任務．第7頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三光發(fā)送部分傳輸部分光接收部分電端機光端機中繼器光纜光源光端機光纜電端機光檢測器光源光檢測器圖２－２光纖通信傳輸系統(tǒng)的基本組成第8頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三一、光源和光電檢測器1、光源38頁

在光纖通信系統(tǒng)中光源是光發(fā)送部分的“心臟”，是實現光纖通信的重要器件之一．對光源的要求是：壽命長；有足夠的輸出光功率；電光轉換效率應不低于當前半導體電子器件的轉換率（約10﹪）；發(fā)射波長必須在低損耗傳輸窗口附近；發(fā)光面積和光束的發(fā)散角要小，譜線寬度要狹窄．第9頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三二、目前廣泛使用的光源有半導體發(fā)光二極管和半導體激光器，半導體光源有如下特點：

1、體積小，發(fā)光面積可以與光纖相比較，從而有較高的耦合效率；

2、發(fā)射波長適合在光纖中低損耗傳輸；可以用電流直接進行強度調制；

3、可以用電流直接進行強度調制，即只要將信號電流注入半導體激光器或發(fā)光二極管，就可以得到光信號輸出；4、可靠性較高．第10頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三ＬＤ和ＬＥＤ的比較1、激光器優(yōu)于發(fā)光二極管的方面是：1）激光器的響應速度快，可用于較高的調制速度；2）激光器的光譜較窄，應用于單模光纖時，光在光纖中的傳播引起的色散小，可用于大容量通信；3）耦合到光纖中的功率高，傳播的距離遠。LD不足于LED的方面是：1）溫度特性差；2）易損壞，壽命短；3）激光器的成本高，價格昂貴。發(fā)光二極管便宜；4）LD的調制線不如LED．所以大容量、遠距離光纖通信宜用激光管；小容量、近距離通信，用發(fā)光二極管．第11頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三3、光電檢測器在光纖通信系統(tǒng)中，光電檢測器是把光纖輸入的光信號轉為電信號的光電子器件．它是光接收機的關鍵元件，對光接收機的靈敏度和延長通信距離有著重要的影響。對光電檢測器的基本要求是：高效率，低躁聲，有足夠高的響應速度或足夠的帶寬，在工作波長上有足夠高的靈敏度，具有接收弱信號的能力；有良好的溫度特性和穩(wěn)定性；工作電壓盡量低，使用簡單；體積小，壽命長．光電檢測器通常采用光電二極管．光電二極管利用半導體接受光照之后激勵電子而形成電流的性質．只要有微弱的光，就能檢測很大的電流．光電檢測器如真空光管，光電倍增管，半導體光電檢測器等．半導體光電檢測器體積小，重量輕，價格便宜，使用方便，具有較好的性能．因此，目前光纖通信常用的是半導體光電檢測器，如PN結光電二極管，PIN光電二極管和APD血崩光電二極管等．第12頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三二、端機1、電端機

電端機，是數字終端設備的簡稱，是組成光纖通信系統(tǒng)不可少的部分．它包括PCM基群設備和高次群復用設備．PCM基群設備是將模擬的話音信號通過脈沖編碼調制，即PCM，變成數字信號．再通過數字復接技術，將多路PCM信號變成一路基群信號進行傳送，以及將收到的PCM基群信號通過相反的處理還原成模擬話音信號的一種設備．第13頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三2、光端機73頁光線路終端設備，簡稱光端機．光端機主要由光發(fā)送支路和光接收支路兩部分組成．它的主要作用是：在發(fā)端將電信號變換成光信號，將其注入光纖中；在收端將收到的信號變換為原電信號．光端機方框圖如圖2—3所示．1）輸入電路和輸出電路在接收端，輸出電路將光接收機輸出的單極性碼還原成雙極性碼送入PCM電端機．輸出電路包括線路碼型反變換和輸出接口兩大部分．碼型反變換是碼型變換的逆過程，它把線路碼型信號變換為普通的信號后，再經輸出接口還原成原始電信號送入電端機．因此，輸入電路是光端機的發(fā)送支路在調制電路的信號處理剖分．輸出電路是光端機接收支路定時再生之后的信號處理部分．第14頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三光端機方框圖輸入接口線路碼型變換光發(fā)送光纖輸出接口線路碼型交換光接收光纖輸出倒換輸入分配電源公務電話監(jiān)控告警輔助電路光發(fā)送支路光接收支路區(qū)間通信第15頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三2）光發(fā)送機

光發(fā)送機是把將要傳輸的電信號轉化為光信號，再經光纜傳輸至遠方的設備．它主要由光源和調制電路組成．光源采用半導體激光器和發(fā)光二極管．光發(fā)送器原理圖：第16頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三圖２－４光發(fā)機原理方框圖調制電路控制電路調制電路數字信號入光纖LD數字信號入光纖LED（b）光源為LED時（a)光源為LD時第17頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三3）光接收機81頁

第18頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三圖２－５光接收機原理方框圖光檢測放大均衡裁決自動增益控制時鐘提取接收電路裁決在生電路第19頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三

輔助電路（光纜線路監(jiān)控）為了保證光端機的正常工作及便于操作維護等，還有一些輔助電路．輔助電路主要包括公務電話、告警、主備用倒換和檢測控制電路等，根據需要也可有各種各樣的其他功能．如區(qū)間通信、油機啟動等，統(tǒng)稱為輔助設備．三、光中繼器851、光線在生中繼器，簡稱光中繼器．工作原理：來自光纖線路的微弱光數字信號進入光中繼器的接收機的光電檢測器后轉化為數字信號，經過放大、均衡、定時判決、整形后又輸入到光發(fā)送機中的驅動電路推動光源，發(fā)出很強的光數字信號，再送入光纜線路，向前方傳輸．中繼器是起接力作用的裝置，目前多采用光—電----光的形式．2、摻鉺光纖放大器87第20頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三四、光纜

光纜是實現光信號傳輸的通信線路，他由一定數量的光纖按照一定方式組成纜心，外面包有護層，有的還包覆外護層．

光纜與電纜在結構上的主要不同點在于光纜必須設有加強構件，以承受機械拉伸負荷．光纜比電纜具有更大的傳輸容量，中繼段距離長，體積小，重量輕，無電磁，干擾．目前光纜已經發(fā)展成長途干線、市內中繼、近海及跨洋海底通信．以及局域網、專用網等的有線傳輸線路骨干，正在開始向市內用戶環(huán)路配線網的領域發(fā)展，并為光纖到戶、寬帶綜合業(yè)務數字網提供傳輸線路．第21頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三二、按光纖的模式分類1、多模光纖通信系統(tǒng)，采用石英多模梯度光纖作為傳輸線，因傳輸頻率受到限制，一般應用于140Mbit/s以下的系統(tǒng)．2、單模光纖通信系統(tǒng)，采用石英單模光纖作為傳輸線，傳輸容量大，距離長，目前建設的光纖通信系統(tǒng)都是這一類型的．三、按傳輸信號的類型分類1、光纖模擬通信系統(tǒng)，它是用模擬信號直接對光源進行強度調制的系統(tǒng)．2、光纖數字系統(tǒng)，它是用PCM數字電信號直接對光源進行強度調制的系統(tǒng)．其通信距離長，傳輸質量高，是被廣為采用的系統(tǒng)．第22頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三四、按傳輸的速率分類1、低速光纖通信系統(tǒng)，一般傳輸信號為2Mbit/s或8MBit/s．2、高速光纖通信系統(tǒng)，它的傳輸信號速率為34Mbit/s，140Mbit/s，以上的系統(tǒng)，有時把速率等于和高于140Mbit/s的系統(tǒng)才稱為高速光纖通信系統(tǒng)．五、按應用范圍分類1、公用光纖通信系統(tǒng)，郵電部門應用的光纖系統(tǒng)稱為公用光纖通信系統(tǒng)．它包括光纖市話中繼通信系統(tǒng)，光纖長途通信系統(tǒng)，光纖用戶環(huán)路系統(tǒng)．2、專用光纖通信系統(tǒng)，指郵電部門以外的各部門應用的光纖通信系統(tǒng)，例如電力、鐵路、石油、廣播電視，交通，軍事等的應用都稱為專用光纖通信系統(tǒng)．

第23頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三第五節(jié)

光纖通信的發(fā)展方向

光纖通信系統(tǒng)以它獨特的優(yōu)點被認為是通信史上一次革命性的變革，光纖通信將在長途通信網與市話通信網中代替現用的電纜通信網，這已為各國所公認．在未來的信息社會中，交換大量信息的信息網絡也將由光纖通信網絡來構成．目前，接入網工程已經在我國一些大城市開始興建和應用，大容量光纜和帶狀光纜為傳輸大容量的信息提供了足夠的信息通道，滿足了人們日益增長的信息交流的需要．

光纖通信作為一門新學科來講，其發(fā)展的速度與潛力在通信史上很少有其他技術可與之相比．目前，單模光纖的生產已經完全實用化，它的傳輸頻帶達幾十吉赫以上．在1．31um的損耗是0．5dB/skm，在1．55um的損耗是0．2—0．3d