现代通信技术2(光纤通信)

1、西安科技大学西安科技大学通信与信息工程学院通信与信息工程学院韩晓冰韩晓冰 副教授副教授1.1 通信系统模型信源处理与编码解码与处理接收设备传输媒质发射设备信宿n终端设备n传输链路 光纤传输系统光纤传输系统 卫星传输系统卫星传输系统 数字微波传输系统数字微波传输系统n转接交换设备 1.3 电话通信网的等级结构电话通信网的等级结构一级交换中心C1二级交换中心C2长途网三级交换中心C3四级交换中心C4端局C5本地网T 国际国际局n光纤传输系统光纤传输系统n卫星传输系统卫星传输系统n微波传输系统微波传输系统n同轴传输系统n明线传输系统n载波传输系统PCM电话通信系统示意图电话通信系统示意图发送端 接收

2、端 话音 PCM信号 PCM信号 话音信号 信号 模数变换 信道 模数变换 （Pulse Code Modulation-PCM）抽样量化编码再生中继再生解码低通3.1 光纤通信简史光纤通信简史古代光通信古代光通信n3000年前的烽火台；n17世纪中叶，发明了望远镜；n1791年，法国人发明了信号灯。 现代光通信现代光通信-光话光话n1880年贝尔发明光话，他以日光为光源，大气为传输媒介，传输距离是200米；n1881年贝尔发表了论文关于利用光线进行声音的复制与产生；n贝尔的光话始终没有实用化： n1、没有可靠的、高强度的光源； n2、没有稳定的、低损耗的传输媒介。1970年光纤通信元年年光纤

3、通信元年n1960年，第一台相干振荡光源-红宝石激光器问世；1962年，半导体激光器问世；n1970年贝尔实验室制作出可以在常温下连续工作的铝镓砷（AlGaAs）半导体激光器。n直到60年代中期，优质光学玻璃的损耗仍高达1000dB/km；n英国标准电信研究所的华裔科学家高锟博士于1966年发表了一篇论文，提出利用带有包层材料的石英玻璃光纤作为光通信媒介；n1970年美国康宁（Corning）公司制成损耗为20dB/km的低损耗石英光纤。n1976年，发现光纤的衰减在长波长区有：年，发现光纤的衰减在长波长区有：1.31um和和1.55um两个窗口两个窗口n1980年，产生了低衰减光纤，在年，产

4、生了低衰减光纤，在1.55um的衰减系数为的衰减系数为0.20dB/km已接近理论值已接近理论值 (ITU-T G.652)常规单模光纤,在1.31um的零色散为零 (ITU-T G.653)色散位移单模光纤,低损耗和零色散均在1.55um,工作波长为 1.55um (ITU-T G.655)非零色散位移单模光纤,在1.55um损耗小,色散小,非线性效应 小3.2 光纤通信光纤通信n以光波为载频，以光导纤维为传输介质的通以光波为载频，以光导纤维为传输介质的通信方式信方式n波长范围是近红外区，即波长范围是近红外区，即0.8-1.6微米微米n目前所采用的三个实用通信窗口目前所采用的三个实用通信窗口

5、 短波波长段波长为0.85微米 长波波长段1.31微米和1.55微米光纤通讯的优点光纤通讯的优点n具有传输频带宽、通信容量大具有传输频带宽、通信容量大n传输衰减小，距离远传输衰减小，距离远n信号串扰小，传输质量高信号串扰小，传输质量高n抗电磁干扰，保密性好抗电磁干扰，保密性好n光纤尺寸小，质量轻便于运输和敷设光纤尺寸小，质量轻便于运输和敷设n耐化学腐蚀，适用于特殊环境耐化学腐蚀，适用于特殊环境n原料资源丰富原料资源丰富n节约有色金属节约有色金属4.1 光纤传输基本原理光纤传输基本原理n光纤通信所用的光波长范围在光纤通信所用的光波长范围在8008001600nm1600nm的近红外区的近红外区n

6、光的传播是通过电场、磁场的状态随时间变化的规律表现出来的。光的传播是通过电场、磁场的状态随时间变化的规律表现出来的。光纤心线的剖面结构示意图光纤心线的剖面结构示意图纤芯包层一次涂覆二次涂覆（套塑）2a2b 4.2 光光 纤纤光纤的传播模式光纤的传播模式n在光纤的数值 孔径角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤的纤芯到包层界面上形成全反射的传播光线就可称为一个光的传输模式。高次模基模低次模平面波的反射和折射平面波的反射和折射n反射：1=1 n折射：n 1 sin 1 =n 2 sin 2n 全反射： sin 1 = n 2 / n 1n2n1112n衰减n色散n偏振模色散n光纤的非线性效应 衰

7、减表明光纤对光能的传输损耗衰减表明光纤对光能的传输损耗。 光在光纤中传播时，平均光功率沿光纤长度按照指数规律减少:P(L)=P(0)10( L/10) 式中： P(0)在L0处注入光纤的光功率 P(L)传输到轴向距离L处的光功率 衰减系数（L） (10/L)P(L)/P(0) dB/km衰减系数与波长的函数关系衰减系数与波长的函数关系损耗损耗本征本征非本征非本征吸收吸收紫外吸收金属离子红外吸收OH离子、H2散射散射瑞利散射波导缺陷米氏散射受激布里渊散射受激拉曼散射n光纤中的信号是由不同的频率成分和不同的模式成分来携带的，这些不同的频率成分和不同的模式成分的传输速度不同，从而引起色散脉冲展宽脉冲

8、展宽T光纤的非线性效应光纤的非线性效应n散射影响散射影响受激布里渊散射（受激布里渊散射（SBSSBS）受激拉曼散射受激拉曼散射 （SRSSRS）n光纤克尔光纤克尔( (折射率引起折射率引起) )效应效应自相位调制（自相位调制（SPMSPM）交叉相位调制（交叉相位调制（XPMXPM）四波混频（四波混频（FWMFWM）4.4 光纤的类型光纤的类型n多模光纤多模光纤：纤芯直径为50-75微米 在一定的工作波长下，有多个模 式在光纤中传输n单模光纤单模光纤：纤芯直径很小，约4-10微米 理论上只传输一种模式涂覆层涂覆层包层包层芯芯n2n1涂覆层涂覆层包层包层芯芯n2n1折射率呈梯度分布和更低的衰减，使

9、其性能比阶折射率呈梯度分布和更低的衰减，使其性能比阶跃性单模光纤要好得多！跃性单模光纤要好得多！n标准单模光纤（G.652光纤）n色散位移单模光纤（G.653光纤）n1550nm波长最低衰减光纤（G.654光纤）n非零色散位移光纤（G.655光纤）n色散补偿光纤（G.65X光纤）n色散平坦光纤4.5 光缆结构与分类光缆结构与分类n结构： 缆芯、 加强件、 护层（护套）。光缆结构图光缆结构图光缆型号表示方法n1、型号的组成型号由产品型式和规格两大部分组成。n 格 式： 型式 规格 n 型 式由以下五部分组成：分类加强构件结构特征护套 外护层n分类代号GY通信用室外光缆G J通信用室内光缆n加强构

10、件代号无符号金属加强构件 F非金属加强构件n结构特征代号 无符号层绞结构 X光缆中心管（被覆）结构 T油膏填充式结构 C自承式结构 8“8”字型结构 E椭圆结构 B扁平形状 Z阻燃结构 n护套代号 Y普通聚乙烯 V聚氯乙烯护套 A铝-聚乙烯粘结护套 S钢-聚乙烯粘结护套n W夹带平行钢丝的钢-聚乙烯粘结护套（简称W护套） AT耐电痕聚乙烯护套n外护层代号 23双层绕包钢带铠装聚乙外护套 33单层细圆钢丝铠装聚乙外护套 333双层细圆钢丝铠装聚乙外护套 53纵包皱纹钢带铠装聚乙外护套 光缆实例光缆实例nGYSTAnGYSTA53nGYSTSnGYXTWnGYXTYn光缆应用类型光缆应用类型介绍5

11、 光器件光器件5.1光源光源nLED: 功率小、谱线宽。nLD：功率大、谱线窄。5.2检测器检测器nPIN：nAPD：5.3EDFA-掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器n原理：光隔离器掺铒光纤掺铒光纤n应用n中间放大、前置放大6 WDM-波分复用波分复用6.1原理6.2 器件7 光纤通信系统光纤通信系统7.1光纤通信系统的发展光纤通信系统的发展第一代光纤通信系统第一代光纤通信系统：1973年1976年，采用短波长（0.85m）多 模光纤，其传输速率为50-100Mb/s，中继距离为10km；第二代光纤通信系统第二代光纤通信系统：1976年1982年，采用长波长（1.3m）多 模和单模光纤，其传输速率

12、为140Mb/s，中继距离为20-50km；第三代光纤通信系统：第三代光纤通信系统：1982年1988年，采用波长（1.31m）单模 光纤，其传输信号为PDH的各次群信号，传输距离为50km左右；第四代光纤通信系统：第四代光纤通信系统：1988年至今，采用波长（1.55m）单模光纤， 其传输信号为SDH 的各次群信号，传输速率达2.5Gb/s，中继距 离为80km左右，并开始采用光纤放大器（EDFA）、波分复用（WDM）等技术 我国光纤通信技术进展 一、初级研究阶段（1974-1980） 研制出了阶跃多模光纤、室温下的连续工作的GaAlAs半导体激光器 和8 Mb/s光端机等。 二、实用化研究

13、阶段（1981-1985） 解决了市话中继多模光纤传输系统。 三、长途通信研究阶段（1986-1990） 单模光纤长途干线系统的成套技术，包括光纤、器件、系统、测试、 仪表等。 四、光同步数字传送同研究阶段（1991-1996） 这一阶段的主要任务是巩固和发展PDH研究已取得的多项成果，引进、开发或自制SDH产品。7.2 光纤通信系统的基本构成n以电话传输系统为例SPCOLTSPCOLT7.3 光纤通信光纤通信系统的制式nPDH-准同步数字系列准同步数字系列nSDH-同步数字系列同步数字系列SDH的定义的定义 SDH是一个将复接、线路传输、交叉连接及交换功能融为一体的，并由统一的网管系统进行管

14、理的综合业务传送网络7.4 SDH-光同步传输系统光同步传输系统SDH的发展背景的发展背景（1）80年代光纤通信在电信网中获得了大规模的应用。（2）1985年美国贝尔通信研究所提出了同步光纤网（SONET）的概念。（3）1988年CCITT正式命名SDH-同步数字体系。SDH的应用领域的应用领域n涉及领域：长途通信、交换、接入、移动等等。n应用趋势：逐步从长途通信、市话局间中继通信转向用户网。SDH的特点的特点nSDHSDH统一了世界上的三种数字体系。统一了世界上的三种数字体系。n具有标准的光接口。具有标准的光接口。n上、下支路方便。上、下支路方便。n用于网络运行、管理、维护的开销丰富。用于网

15、络运行、管理、维护的开销丰富。n网络具有自愈性。网络具有自愈性。n组网灵活。组网灵活。准同步数字系列准同步数字系列(PDH)(PDH)400Mb/s100Mb/s32Mb/s6.3Mb/s日本系列日本系列274Mb/s45Mb/s6.3Mb/s565Mb/s139Mb/s34Mb/s8Mb/s2Mb/s1.5Mb/s北美系列北美系列欧洲系列欧洲系列4 44 44 44 44 44 43 35 56 67 74 41.5Mb/sSDH的速率等级的速率等级nSDH具有一套标准化的信息结构等级，称为具有一套标准化的信息结构等级，称为同步传送模块同步传送模块STM-1、STM-4和和STM-16，并具

16、有页状矩形帧结构并具有页状矩形帧结构。等等级级STM-1STM-4STM-16STM-64速速率率（Mbit/s）155.520622.0802488.3209953.280分插信号流程的比较分插信号流程的比较 SDH的弱点的弱点1.频点利用率不如传统的PDH系统。2.采用指针调整机理增加了设备的复杂性。3.指针调整产生的相位跃变在低频抖动和漂移性能上信号损伤较重。4.网管权限大，出现在网管上的错误可导致全网瘫痪。STM-N帧结构帧结构MSOHRSOH传输方向9270N字节134599N261N传输方向270NRSOHMSOHSTM-N信息净负荷（含少量POH）STM-N信息净负荷（含少量PO

17、H）AU PTRAU PTRRSOHMSOHSTM-1帧由9行、270列共2430个字节组成。传送时按由左到右、由上至下的顺序进行，直到整个帧传送完毕。每秒传送8000帧。因此其传输速率为： 270988000=155.520Mbit/s电 路 层 网 络VC_12VC_4VC_3电路层低阶通道层通道层高阶通道层段层复用段层网络再生段层网络物理层网络传输媒质层SDH传送网的分层模型传送网的分层模型1.设备的设计和实现更加简单2.使规范在一个长久的时期内保持稳定3.便于维护虚容器STM-NN1140Mb/s45Mb/s34Mb/s6.3Mb/s2Mb/s1.5Mb/s3C-11C-12C-2C-

18、3C-4VC-11VC-2VC-3VC-3VC-4TU-11TU-12TU-2TU-3TUG-2TUG-3AUGAU-3AU-4VC-12341容器支路单元管理单元支路单元组管理单元组同步传送模块定位校准复用映射我国采用的复用映射结构虚容器STM-NN1140Mb/s34Mb/sC-12C-3C-4VC-12VC-3VC-4TU-12TU-3TUG-2TUG-3AUGAU-43容器支路单元管理单元支路单元组管理单元组同步传送模式定位校准复用2Mb/s映射欧洲电信标准协会采用的复用映射结构是G.709建议的一部分，即高阶虚容器中没有VC-3，我国选用的是欧洲复用映射结构。STM-1（155M）S

19、TM-4（622M） 1个 VC-4（1140M） 3个VC-3（334M）63个VC-12（632M） 4个VC-4（4140M）12个VC-3（12 34M）252个VC-12（252 2M）通道1+1保护是以通道为基础的，倒换与否按分出的每一通道信号质量的优劣而定。通常倒换时间不超过10ms。通道1+1保护使用并发优收原则。插入时，通道业务信号同时馈入工作通路和保护通路；分出时，同时收到工作通路和保护通路两个通道信号，按其信号的优劣来选择一路作为分路信号。W WP P并发并发优收优收通道通道 1+1保护保护OLOLOLOL复用段保护是以复用段为基础的，倒换与否按每两站间的复用段信号质量的

20、优劣而定。当复用段出故障时，整个站间的业务信号都转到保护通路，从而达到保护的目的。复用段1+1保护方式，业务信号发送时同时跨接在工作通路和保护通路。正常时从工作通路接收业务信号，复用段故障时，自动切换到保护通路接收业务信号。系统的复用段1+1保护为单向或双向切换复原模式。 TRTRCSCSOLOLOLOLTRTRCSCS复用段复用段1+1保护保护CA CA ACACCA ACCA ACW W P PP PW WABCDCA ACCA ACCA ACCA ACW W P PP PW WABCD倒换倒换 二纤单向通道倒换环的保护方式与通道1+1保护相同，也是基于并发优收的原则，以PATHAIS为倒

21、换的依据，不需要APS协议。a. a. 正常工作时正常工作时 b. b. 出现故障时出现故障时二二 纤纤 单单 向向 通通 道道 倒倒 换换 环环CA ACCA ACCA ACCA ACW WP PP PW WABCDCA ACCA ACCA ACCA ACW WP PP PW WABCD倒换倒换每一节点在支路信号分插功能前的每一高速线路上都有一倒换开关当BC节点间的光缆故障时，节点B和C的保护倒换开关将利用APS协议执行环回功能。该环回倒换功能能保证在故障情况下仍维持环的连续性，使业务信号不产生中断。 a. a. 正常工作时正常工作时 b. b. 出现故障时出现故障时二二 纤纤 单单 向向 复复 用用 段段 倒倒 换换 环环CA A