有线传输技术课件

第2章有线传输技术568372.5

光纤和光缆2.6

光端机2.7

光放大器·2.8

光波分复用技术返回上一页第2章有线传输技术568372.5光纤和光缆2.62.1传输介质传输介质是连接通信设备，并为通信设备之间提供信息传输的物理通道，是信息传输的实际载体。从本质上讲，有线通信与无线通信中的信号传输，都是电磁波在不同介质中的传播过程，在这一过程中对电磁波频谱的使用从根本上决定了通信过程的信息传输能力。理论上，任何频率的信号都可以用作通信，但实际上，我们仍然是根据业务要求、传播特性等因索来有选择地使用电磁波的频段。本章将介绍双绞线、同轴电缆、光纤、光缆等常见的有线传输技术。2.1.1传输介质的分类很多介质都可以作为通信中使用的传输介质，但这些介质本身有着不同的属性，适用于不同的环境条件。同时通信业务本身也会对传输介质的使用提出不同的要求。下一页返回2.1传输介质传输介质是连接通信设备，并为通信设备之间提供2.1传输介质因此，在实际环境中存在着多种多样的传输介质，以下是3类常见的传输介质。(1)有线电缆:通信中常见的有线电缆包括非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线和同轴电缆等。有线电缆的优点是成本低、安装简单;缺点是频谱有限，而且安装之后不便移动。电缆是有线通信中(例如接入网络中)最常见的传输介质。另外一方面，使用无线介质的显著优点是建网快捷且移动性、支持好，其缺点是频谱宽度还要低于电缆。此外，使用无线介质的成本有时要远高于使用有线介质。

(2)无线介质:无线介质在使用中可以划分为可见光、微波、紫外、红外等频段。上一页下一页返回2.1传输介质因此，在实际环境中存在着多种多样的传输介质，2.1传输介质虽然存在部分不授权就可以使用的频段，如340／433MHz,2.4GHz等，但大多数无线频段是需要经过授权甚至是购买之后才可以使用的。例如，在目前的第三代移动通信网络建设中，很多网络运营商花费了数百亿元来购买运营牌照，即是购买相应频段的使用权，而最终这些成本都是要由用户来承担的。

(3)光纤:光纤也是一种有线介质，它可以提供高达太赫兹级别的带宽，而且误码率非常低，但缺点是安装复杂，需要专业的人员和专业的设备。目前，光纤主要应用于骨干网络中。表2.1给出了不同通信技术对电磁波频谱的使用，以及不同电磁波频谱所对应的传输介质和典型应用。上一页下一页返回2.1传输介质虽然存在部分不授权就可以使用的频段，如3402.1传输介质

2.1.2传输介质与传输技术的设计传输介质只有被相应的传输技术所使用，才能够体现为可供上层业务所使用的信道，由于传输介质是与传输技术紧密结合的，因此，设计传输技术就必须考虑并充分利用传输介质本身固有的特点，传输介质的各种特征对设计传输技术会有不同的影响，以下分别说明。

(1)带宽:也就是可供使用的频谱宽度。高带宽的传输介质可以承载较高的比特率，例如光纤。如果传输介质的带宽会受到其他因素的影响而改变，那么还必须针对这些情况，设计不同的传输技术。

(2)误码率:高误码率的传输环境下，肯定会要求使用更为复杂、更为有效的检纠错技术。上一页下一页返回2.1传输介质2.1.2传输介质与传输技术的设计上一2.1传输介质

(3)信号的传输距离:不同的传输介质对信号传输具有不同的衰减，当有用信号的强度衰减至一定水平之下时，就必须以某种形式进行信号的再生与放大，以保证接收端的正常工作。光纤通信中的光中继器、微波通信中的中继站，都是为了完成这一目的而设立的。(4)安全:不同的传输介质有不同的安全等级，通信中的加密和认证都是必不可少的，但不同复杂度的加密与认证技术在传输代价、时间代价等方面有很大差异，因此必须为各种传输介质选用最为合适的安全保证技术。需要说明的是，以上几方面的影响不是独立存在的，它们经常互相作用。例如，更可靠的检纠错技术会占用更多的比特位，因此也就会减少可供有用信号使用的带宽。因此，在设计传输技术时必须综合考虑各种因索的影响，实用的传输技术常常是考虑各种因索影响的折中体现。上一页返回2.1传输介质(3)信号的传输距离:不同的传输介质对信号2.2双绞线概述2.2.1双绞线的结构双绞线是由一对带有绝缘层的铜线，以螺旋的方式缠绕在一起所构成的。通常的双绞线电缆是由一对或多对这样的双绞线对所组成的，如图2.1所示。绝缘材料使两根线中的金属导体不会因为互碰而导致电路短路。双绞线通常用于传输平衡信号，也就是说，在两条导线上同时传输信号，它们分别携带的信号的相位相差1800。外界的电磁干扰给两条导线带来的影响将相互抵消，从而使信号不至于迅速衰减。螺旋状的结构也有助于抵消电流流经导线过程中有可能增大的电容。而如果是两根平行的导线就会形成一副天线，不存在这种抵消效应。多对双绞线通常被捆扎起来，并外敷保护层。这样，成捆的电缆就可以被掩埋起来。下一页返回2.2双绞线概述2.2.1双绞线的结构下一页返回2.2双绞线概述与其他传输介质相比，双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定限制，但价格较为低廉。很长一段时间以来，双绞线一直被广泛用于电话通信以及局域网建设中，是综合布线工程中最常用的一种传输介质。虽然双绞线主要是用来传输模拟声b信息的，但同样适用于数字信号的传输，特}!1适用于较短距离的信息传输。但是在传输期间，信号的衰减比较大，并且产生波形畸变。采用双绞线的局域网的带宽取决于所用导线的质量及传输技术。2.2.2双绞线的特征对于各种类型双绞线，区分和评价的特征主要包括:导线直径、含铜量、导线单位长度绕数、屏蔽措施等。上一页下一页返回2.2双绞线概述与其他传输介质相比，双绞线在传输距离、信道2.2双绞线概述这些因索的综合作用决定了双绞线的传输速率和传输距离。

(1)导线直径:即铜导线的直径，一般直径越大，传输能力越强。

(2)含铜量:直观的表现就是导线的柔软程度，越柔软的导线含铜量越高，传输能力越强。(3)导线单位长度绕数:表示了导线螺旋缠绕的紧密程度，单位长度内的绕数越多，对干扰的抵消作用就越强。(4)屏蔽措施:屏蔽措施越好，抗干扰的能力就越强。根据双绞线是否带有金属封条的屏蔽层可以把双绞线分为非屏蔽双绞线(UTP)和屏蔽双绞线(STP)，如图2.2所示。上一页下一页返回2.2双绞线概述这些因索的综合作用决定了双绞线的传输速率和2.2双绞线概述理论上，屏蔽双绞线的传输性能更好，但在实际的使用中，屏蔽双绞线对于工程安装的要求较高，而且如果金属屏蔽层的接地不好，有些条件下其性能甚至还不如非屏蔽双绞线。因此，被广泛使用的实际上是非屏蔽双绞线。2.2.3双绞线的分类双绞线传输模拟信号的带宽可以达到250kHz，而传输数字信号的数据速率随距离的变化而不同。美国电子工业协会/美国电信工业协会(EIA/TIA)为双绞线电缆定义了不同的规格型号，根据双绞线所支持的传输速率，主要可以分为以下几类。(1)一类线:由两对双绞线组成的非屏蔽双绞线。其频谱范围窄，主要用于传输语音，而较少用于数据传输，最高只能支持20kb/s的数据速率。上一页下一页返回2.2双绞线概述理论上，屏蔽双绞线的传输性能更好，但在实际2.2双绞线概述(2)二类线:由四对双绞线组成的非屏蔽双绞线，主要用于语音传输和最高可达4Mb/s的数据传输。

(3)三类线:由四对双绞线组成的非屏蔽双绞线，主要用于语音传输和最高可达10Mb/的数据传输。10base-T的以太网，即是采用三类线。(4)四类线:由四对双绞线组成的非屏蔽双绞线，用于语音传输和最高可达16Mb/s的数据传输。(5)五类线:由四对双绞线组成的非屏蔽双绞线。该类电缆增加了绕线密度，用于语音传输和高于100Mb/s的数据传输。它主要用于百兆以太网，如用在100base-T的以太网中。上一页下一页返回2.2双绞线概述(2)二类线:由四对双绞线组成的非屏蔽双绞2.2双绞线概述(6)超五类线:由四对双绞线组成的非屏蔽双绞线。与五类线相比，超五类线所使用的铜导线质量更高、单位长度绕数也更多，因而衰减更小、信号串扰更小，具有更小的时延误差，在使用四对双绞线同时用于传输的情况下，可以用于1000base-T的千兆以太网。

(7)六类线、七类线:作为传输能力更强的双绞线，它们的标准还处于进一步的发展之中。以最常见的三类线和五类线为例，它们之所以具有不同的传输能力，差别主要在于导线单位长度绕数和屏蔽材料。与三类线相比，五类线的单位长度绕数更多，同时也采用了更好的屏蔽材料。上一页下一页返回2.2双绞线概述(6)超五类线:由四对双绞线组成的非屏蔽双2.2双绞线概述2.2.4双绞线的特点双绞线具有以下的优点:(1)低成本，易于安装。相对于各种同轴电缆，双绞线是比较容易制作的，它的材料成本与安装成本也都比较低，这使得双绞线得到了广泛的应用。(2)应用广泛。目前在世界范围内已经安装了大量的双绞线，绝大多数以太网线和用户电话线都是双绞线，这对于接入网的建设产生了巨大的影响，因为短时间内全部替换这些双绞线的可能性几乎是不存在的。同时双绞线还具有很多的缺点:(1)带宽有限。由于材料与本身结构的特点，双绞线的频带宽度是有限的。例如，在千兆以太网中就不得不使用四对导线同时进行传输，此时单对导线已无法满足要求。上一页下一页返回2.2双绞线概述2.2.4双绞线的特点上一页下一页返回2.2双绞线概述(2)信号传输距离短。双绞线的传输距离只能达到1000m左右，这对于很多应用场合的布线存在着比较大的限制，而且传输距离的增长往往伴随着传输性能的下降。

(3)抗干扰能力不强。双绞线对于外部干扰很敏感，特}!1是外来的电磁干扰，而且湿气、腐蚀以及相邻的其他电缆等这些环境因索都会对双绞线产生干扰。在实际的布线中双绞线一般不应与电源线平行布置，否则就会引人干扰;而且对于需要埋人建筑物的双绞线，还应套人其他防腐防潮的管材中，以消除湿气的影响。2.2.5双绞线的应用(1)ISDN。窄带ISDN中的基本速率接口(YRI)和基群速率接口(PRI)常使用双绞线作为传输介质。上一页下一页返回2.2双绞线概述(2)信号传输距离短。双绞线的传输距离只能2.2双绞线概述BRI:提供2B+D(2X64kb/s+16kb/s)共122kb/s的接入速率;PRI:提供3013+D(30X64kb/s+16kb/s)共约2Mb/s的接入速率。ISDN用于接入网时常采用YRI接口，此时就可以直接利用原先的电话线路作为接入线路。(2)xDSL。基于数字用户线路(DSL)技术存在着多种接入网的解决方案，如ADSL,SDSL,VDSL等，它们共同的特点是通过使用调制和编码技术在双绞线上实现了数字传输，达到了较高的接入速率。但这些DSL技术又在通信距离、是否对称传输、最高速率、使用双绞线对数等很多方面存在着不同。根据本地网络状况、带宽需求、用户使用习惯等不同，它们有着不同的应用场合。上一页下一页返回2.2双绞线概述BRI:提供2B+D(2X64kb有线传输技术课件2.2双绞线概述目前在我国，非对称数字用户线路(ADSL)技术被大规模地用于接入网络建设中。在我国的电话网络中，特别是公共电话网络用户线路的布线中还存在着大量的平行线，在电话通信中使用平行线代替双绞线的影响不大，但当利用这样的接入线路作ADSL接入时，就会产生较大的影响。ADSL下行的最大速率可以达到8Mb/s，而采用平行线替代双绞线一般只能达到数百千比特每秒的下行速率。(3)以太网。目前十兆/百兆/千兆以太网的主要传输介质都是双绞线，其中，十兆或百兆以太网使用了2对双绞线，千兆以太网使用了生对双绞线，一般的以太网线都包含生对双绞线。部分以太网线也采用平行线或同轴电缆作为传输介质。上一页返回2.2双绞线概述目前在我国，非对称数字用户线路(ADSL)2.3同轴电缆的概述2.3.1同轴电缆的概述同轴电缆由中心的铜质或铝质的导体、中间的绝缘塑料层、金属屏蔽层以及主要起保护作用的外套层组成，如图2.3所示。其中，同轴电缆的铜导体要比双绞线中的铜导体更粗，而接地的金属屏蔽层则可以有效地提高抗干扰性能。因此，同轴电缆具有比双绞线更高的传输带宽。同轴电缆中的屏蔽层可以是铜质网状的，也可以是铝质薄膜状的，它的另外一个作用是防止寻找食物的啮齿类动物破坏裸线。绝缘塑料层和外套层均可以有不同的形状、结构和强度，这一般取决于电缆使用时的安装条件和使用环境等因素。例如，应用于室外环境的架空电缆由于会工作于强风以及雨雪等恶劣环境，因此需要强度较高的外套层。下一页返回2.3同轴电缆的概述2.3.1同轴电缆的概述下一页返回2.3同轴电缆的概述同轴电缆的传输特性优于双绞线，这主要是缘于同轴电缆使用更粗的铜导体和更好的屏蔽层。更粗的铜导体可以提供更宽的频谱，一般可达数百兆赫兹。另外信号传输时的衰减更小，也可以提供更长的传输距离。普通的非屏蔽双绞线是没有接地屏蔽的，因此同轴电缆的误码率大大优于双绞线，可以达到10-的水平。同轴电缆的这种结构，使它具有高带宽和极好的噪声抑制特性。实际应用中，同轴电缆的可用带宽取决于电缆长度。1km的电缆最高可以达到1~2Gb/s的数据传输速率。也可以使用更长的电缆，但是传输速率就要降低或需要使用信号放大器。常见的同轴电缆有两种:一种是50Ω阻抗的同轴电缆，用于数字传输，由于多用于基带传输，也叫基带同轴电缆;另一种是75Ω阻抗的同轴电缆，用于模拟传输，也被称为宽带同轴电缆。上一页下一页返回2.3同轴电缆的概述同轴电缆的传输特性优于双绞线，这主要是2.3同轴电缆的概述宽带同轴电缆在使用中其带宽可以被划分成几个范围。通常每一个频率范围都携带着各自的编码信息，这样就可以在一根电缆上同时复用地传输多个数据流。同轴电缆的常见规格如表2.2所示。2.3.2同轴电缆的特点(1)可用频带宽。同轴电缆可供传输的频谱宽度最高可达吉赫兹，比双绞线更适于提供视频或是宽带接入业务，也可以采用调制和复用技术来支持多信道传输。

(2)抗干扰能力强。误码率低，但这会受到屏蔽层接地质量的影响。上一页下一页返回2.3同轴电缆的概述宽带同轴电缆在使用中其带宽可以被划分成2.3同轴电缆的概述(3)性能价格比高。虽然同轴电缆的成本要高于双绞线，但是它也有着明显优于双绞线的传输性能，而且绝对成本并不很高，因此其性能价格比还是比较理想的。

(4)安装较复杂。同轴电缆和双绞线一样，线缆都是制作好的，我们使用时需要的是截取相应的长度并与相应的连接件相连。在这一环节中，由于同轴电缆的铜导体较粗，因此一般需要通过焊接与连接件相连。其安装比双绞线更为复杂。2.3.3同轴电缆的应用同轴电缆以其良好的性能在很多方面得到了应用。上一页下一页返回2.3同轴电缆的概述(3)性能价格比高。虽然同轴电缆的成本2.3同轴电缆的概述(1)局域网。目前仍有相当数量的以太网采用同轴电缆作为传输介质，当用于10Mb/、以太网时，传输距离可以达到1000m。很多生产年份较旱的网卡均同时提供连接同轴电缆和双绞线的两种接口。(2)局间中继线路。同轴电缆也被广泛地用于电话通信网中局端设备之间的连接，特别是作为PCMEI链路的传输介质。(3)有线电视(CATV)系统的信号线。直接与用户电视机相连的电视电缆多是采用同轴电缆。这一电缆一般既可以用于模拟传输，也可以用于数字传输。在传输电视信号时一般是利用调制和频分复用技术将声音和视频信号在不同的信道上分别传送。上一页下一页返回2.3同轴电缆的概述(1)局域网。目前仍有相当数量的以太网2.3同轴电缆的概述(2)射频信号线。同轴电缆也经常在通信设备中被用作射频信号线，例如基站设备中功率放大器与天线之间的连接线。相对于用作基带信号传输的同轴电缆(如以太网线)，用于射频信号传输的同轴电缆对于屏蔽层接地的要求更为严格。上一页返回2.3同轴电缆的概述(2)射频信号线。同轴电缆也经常在通信2.4光纤通信系统概述从本节开始，系统介绍光纤通信技术方面的基本概念、原理及系统。主要包括光纤通信的基本模型及其特点、光纤的传输特性、常用的光器件、光放大器、光纤通信系统、WDM,SDH传输网络等。通过学习相关章节的内容，读者对光纤通信的发展和现状、基本原理、特性、组成以及今后的发展方向有一个较为全面的认识。2.4.1光波的波段划分光波是电磁波，其波长在微米级，频率为1012~1016GHz数量级。光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为300~6X10-3μm。可见光由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的连续光波组成，其中红光的波长最长，紫光的波长最短。波长再短就是X射线、γ射线了。下一页返回2.4光纤通信系统概述从本节开始，系统介绍光纤通信技术方面2.4光纤通信系统概述光纤通信的波谱在1.67X1014~3.75X1014Hz范围内，即波长在0.8~1.8μm范围内，属于红外波段，将0.8~0.9μm称为短波长，1.0~1.8μm称为长波长，2.0μm以上称为超长波长，其在电磁波波谱中的位置如图2.4所示。目前光纤通信使用的波长选择在两个波段的低损耗点，即短波长波段的0.85pm，长波长波段的1.31μm和1.55μm，这是目前所采用的3个通信窗口。2.4.2光纤通信的发展和现状早期的光通信，如用烽火台的狼烟传递简短的消息，如图2.5所示，贝尔的光电话利用光来传递语音信号，如图2.6所示。它们只能传送简单的信息，且距离短、可靠性低，究其原因是没有低损耗的传输介质和高质量的通信光源。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述光纤通信的波谱在1.67X1014~有线传输技术课件2.4光纤通信系统概述1966年英籍华人高馄博士发表了一篇划时代性的论文，他提出利用带有包层材料的石英玻璃光学纤维，作为通信媒质。从此，开创了光纤通信领域的研究工作。1977年美国在芝加哥相距7000米的两电话局之间，首次用多模光纤成功地进行了光纤通信试验。使用0.85微米波段的多模光纤的通信系统为第一代光纤通信系统。1981年又实现了两电话局间使用1.3微米多模光纤的通信系统，为第二代光纤通信系统。1982年实现了使用1.3微米单模光纤的通信系统，即第三代光纤通信系统。20世纪80年代中后期又实现了1.55微米单模光纤通信系统，即第四代光纤通信系统。用光波分复用提高速率、用光波放大增长传输距离的系统，为第五代光纤通信系统。新系统中，相干光纤通信系统，已达现场实验水平，已经得到应用。图2.7中左边为高馄先生。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述1966年英籍华人高馄博士发表了一篇2.4光纤通信系统概述光纤通信是以光波为载体，以光纤为传输介质的一种通信方式。光纤通信系统首先要在发射端将需传送的电话、电报、图像和数据等信号进行电光转换，即将电信号变成光信号，再经光纤传输到接收端，接收端将接收到的光信号转变成电信号，最后还原成消息。由于光纤通信具有传输频带宽、通信容量大、损耗低、不受电磁干扰等一系列优点，光纤通信技术近年来发展速度之快、应用范围之广是通信史上罕见的Al一以说光纤通信技术是世界新技术革命的重要标志，是末来信息社会中各种信息网的主要传输工具。光纤通信以其独特的优越性，已经成为现代通信发展的主流方向之一，现在世界上大部分的通信业务都是采用光纤通信方式传送的。光纤通信所能实现的功能旱已大大超过基于铜缆传输的系统。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述光纤通信是以光波为载体，以光纤为传2.4光纤通信系统概述光纤通信与尚存的铜线应用以及正在快速增长的无线通信系统共同组成了信息传输基础架构。可以这样说，没有光纤通信，就没有因特网的规模化发展，现代信息社会的发展更不可能这样快速。信息论认为，波长越短，载波频率越高，通信容量就越大。现在，各种通信方式所用的电磁波频谱的分布情况为:无线电通信使用的电磁波频率范围是3kHz-300MHz，微波通信使用的电磁波频率范围是3~300GHz，光纤通信使用的电磁波频率范围是1~50000THz。因此，仅就所用的电磁波频率而言，光纤的通信容量是最大的。光纤通信的发展可以粗略地分为以下3个阶段。第一阶段(1966-1976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期:上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述光纤通信与尚存的铜线应用以及正在快速2.4光纤通信系统概述1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器;1970年，实现室温下连续运行的GaAs半导体激光器和光纤损耗降低至20dB/km,促进了光纤通信系统的大力发展。第二阶段(1976-1986年)，这是以提高传输速率和增加传输距离为主要研究目标和大力推广应用的大发展时期:1978年，第一代光通信系统投入使用，0.8μm波段，速率达100Mb/s，中继距离为10km;1987年，第三代单模光纤系统商用化，1.3μm波段，速率达1.7Gb/s，中继距离为50km;1985年，实验室实现第四代光通信系统，1.55μm波段，速率达2.4Gb/s，中继距离为100km。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述1960年，美国人梅曼(Maiman2.4光纤通信系统概述第三阶段(1986-1996年)，这是以超大容量超长距离为目标、全面深人开展新技术研究的时期:1990年，第五代光纤通信系统以频分复用倍增速率和使用光放大器增加中继距离为标志，实现在2.5Gb/s上传输4500km和10Gb/s传输1500km。当前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统已成为国家信息基础设施的支柱。在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占据重要地位。由于目前使用光纤在1.55μm波长其损耗值已接近SiO2光纤的理论极限值，要想进一步降低损耗，必须选择合适的光纤材料，因此氟化物光纤的研制得到普遍重视，在光波长超过2μm时，其损耗值可降到0.001dB/km，中继距离可延长至上千千米。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述第三阶段(1986-1996年)，这2.4光纤通信系统概述2.4.3光纤通信系统的基本组成由于光纤具有价格低廉、带宽资源丰富等特点，光纤通信系统作为传输网优势明显，在通信网中得到了广泛的应用。目前，骨干网、城域网均采用光纤通信技术，其应用面已进入接入网，从光纤到小区(FTTC)，光纤到路边(FTTR)，已开始光纤到家(FTTH)，构造真正意义上的宽带通信网络。与一般通信系统一样，光纤通信系统由发送设备、传输信道和接收设备三大部分构成。在发送设备中，有源器件把数字脉冲电信号转换为光信号(E/O变换)送到光纤中进行传输;在接收设备中，光检测器件将接收到的光信号转换为数字脉冲信号(O/E变换);上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述2.4.3光纤通信系统的基本组成2.4光纤通信系统概述在其传输过程中，当距离较远时，需采用光中继设备，把信号经过中继再生处理后传输。实用系统是双方向的，其结构图如图2.8所示。下面简要介绍基本光纤传输系统的3个组成部分。1.光发射机光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号，并用藕合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。光发射机由光源、驱动器和调制器组成，光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本上取决于光源的特性，对光源的要求是输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。目前广泛使用的光源有半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管或称激光器(CLD)，以及谱线宽度很小的动态单纵模分布反馈(DFB)激光器。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述在其传输过程中，当距离较远时，需采用2.4光纤通信系统概述有些场合也使用固体激光器，例如大功率的掺钦记铝石榴石(YAG)激光器。目前有直接调制和间接调制(或称外调制)两种调制方案，如图2.9所示。直接调制是用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光强度随电信号变化而变化。这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。间接调制是把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。目前有多种调制器可供选择，最常用的是电光调制器，这种调制器是利用电信号改变电光晶体的折射率，使通过调制器的光参数随电信号变化而实现调制的。间接调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂、成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述有些场合也使用固体激光器，例如大功率有线传输技术课件2.4光纤通信系统概述对光参数的调制，原理上可以是光强(功率)、幅度、频率或相位调制，但实际上目前大多数光纤通信系统都采用直接光强调制。因为幅度、频率或相位调制，需要幅度和频率非常稳定、相位和偏振方向可以控制、谱线宽度很窄的单模激光源，并采用外调制方案，所以这些调制方式只在新技术系统中使用。2.光纤线路光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。实际工程中使用的是容纳许多根光纤的光缆。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述对光参数的调制，原理上可以是光强(功2.4光纤通信系统概述光纤线路的性能主要由缆内光纤的传输特性决定。要求光纤的损耗和色散这两个传输特性参数都尽可能地小，而且有足够好的机械特性和环境特性。例如，在不可避免的应力作用下和环境温度改变时，保持传输特性稳定。目前使用的石英光纤有多模光纤和单模光纤，单模光纤的传输特性比多模光纤好，价格比多模光纤便宜，因而得到更广泛的应用。单模光纤配合半导体激光器，适合大容量长距离光纤传输系统，而小容量短距离系统用多模光纤配合半导体发光二极管更加合适。为适应不同通信系统的需要，已经设计了多种结构不同、特性优良的单模光纤，并成功地投入实际应用。作为光源的激光器的发射波长和作为光检测器的光电二极管的波长响应，都要和光纤的三个波长窗口相一致。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述光纤线路的性能主要由缆内光纤的传输特2.4光纤通信系统概述

3.光接收机光接收机的功能是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成。光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。目前广泛使用的光检测器有两种类型:在半导体PN结中加入本征层的PIN光电二极管(PIN-PD)和雪崩光电二极管(APD)。光接收机把光信号转换为电信号的过程(常简称为光/电或O/E转换)，是通过光检测器的检测实现的。检测方式有直接检测和外差检测两种。直接检测是用检测器直接把光信号转换为电信号。这种检测方式设备简单、经济实用，是当前光纤通信系统普遍采用的方式。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述3.光接收机上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述外差检测要设置一个本地振荡器和一个光混频器，使本地振荡光和光纤输出的信号光在混频器中产生差拍而输出中频光信号，再由光检测器把中频光信号转换为电信号。外差检测方式的难点是需要频率非常稳定、相位和偏振方向可控制、谱线宽度很窄的单模激光源;优点是有很高的接收灵敏度。目前，实用光纤通信系统普遍采用直接调制一直接检测方式。外调制一外差检测方式虽然技术复杂，但是传输速率和接收灵敏度很高，是主干光纤通信网采用且很有发展前途的通信方式。光接收机最重要的特性参数是灵敏度和动态范围。灵敏度是衡量光接收机质量的综合指标，它反映接收机调整到最佳状态时，接收微弱光信号的能力。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述外差检测要设置一个本地振荡器和一个2.4光纤通信系统概述灵敏度主要取决于组成光接收机的光电二极管和放大器的噪声，并受传输速率、光发射机的参数和光纤线路的色散的影响，还与系统要求的误码率或信噪比有密切关系。所以灵敏度也是反映光纤通信系统质量的重要指标。光接收机的动态范围用D表示，是在保证系统的误码率指标要求下，接收机的最低输入光功率(用dBm来描述)和最大允许输入光功率(用dBm来描述)之差((dB)。基本光纤传输系统作为独立的“光信道”单元，若配置适当的接口设备，则可以加入到现有的数字通信系统或模拟通信系统，以及有线通信系统或无线通信系统的发射与接收之间。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述灵敏度主要取决于组成光接收机的光电二有线传输技术课件2.4光纤通信系统概述光发射机、光纤线路和光接收机，若配置适当的光器件，可以组成传输能力更强、功能更完善的光纤通信系统。例如，在光纤线路中插入光纤放大器组成光中继长途系统，配置波分复用器和解复用器组成大容量波分复用系统，使用藕合器或光开关组成无源光网络等。2.4.4光纤通信系统的传输码型在光纤通信系统中，传输码型是必须考虑的。由数字光纤通信系统的基本组成可知，首先要将PCM多路复用设备送出的电信号，转化为光信号然后再进行传输。在数字通信中，传输码型的选择是一个必须考虑的问题。在数字光纤通信系统中，因为使用的信号源是光源，传输手段是光导纤维，由此带来的新问题就是，光纤通信系统中传输哪种码型最合适。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述光发射机、光纤线路和光接收机，若配置2.4光纤通信系统概述对于数字端机的接口码型，一般采用双极性码，因为对电脉冲信号，以0伏为中心，无论产生正脉冲还是负脉冲都是比较容易的。目前常用的双极性码有HDB3码和CMI码。HDB3码适用于2~34Mb/s(1~3次群)的数字信号接口，而CMI码适用于140Mb/s数字信号接口。另一种是CMI—传号反转码，它是一种两电平不归零码，这种码型的特点，即将原来二进制码的“0"，编为01;将原来二进制的“1"，编为00或11。若前一次用00，则后一次用11，即00和11是交替出现的，从而使“0""1”在码流中是平衡的，并且10不准出现，作为禁字使用。因此，一旦码流中出现10就知道前面产生了误码，因而具有误码监测功能。在PCM中所采用的数字信号并不适于在光纤中传输，其原因是如下。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述对于数字端机的接口码型，一般采用双极2.4光纤通信系统概述(1)CCITT建议，PCM通信系统与光纤通信系统的接口码型是HDB3码或CMI码。HDB3码有+1,0和-1三种状态，光纤通信系统中，光源只有发光和不发光两种状态，没有发负光的状态，HDB3码不适于在光纤通信系统中传输，必须将HDB3码变换为单极性0,1码，要保证解码后的码型仍具有误码检测等能力必须重新编码。

(2)在光线路中，除传送主信号外，还需传送许多辅助信号，如监控信号、区间通信信号、公务通信信号、数据通信信号等，为此就要在原码速基础上提高码速，增加信息元余度。具体做法是在原有码流中插入脉冲，这也需要重新编码。在光纤通信中常用的线路码型很多，大体上可分为两类，即分组码和插入比特码。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述(1)CCITT建议，PCM通信系2.4光纤通信系统概述

1.分组码最典型的分组码为mBnB码，它是把输入码流中每m比特码分为一组，然后变换为n比特。m,n均为正整数，且n>m，一般n=m+1。这样，变换之后，码组的比特数比变换前大，即输入码字共有2种，输出码字可能组成2”种，使变换后的码流有了“富余”(少已余)。有了它，在码流中除了可以传输原来的信息外，还可以传输与误码检测等有关的信息。另外，经过适当的编码之后可以改善定时信号的提取和直流分量的起伏等问题。mBnB码型中有1B2B,2B3B,3B2B,5B6B等。其中，5B6B码被认为在编码复杂性和比特元余度之间是最合理的折中，因此使用较为普遍。5Y6Y的编码表如表2.3所示。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述1.分组码上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述编码的情况:5B6B码使码流中每5位码元分为一组，然后再将这5位码变换为6位码。按照数学排列组合的理论可知，由“0”“1”这两种二元信号组成的5位和6位码，有如下排列:5位码的排列数:25=32种

6位码的排列数:26=64种码流平衡情况的分析:(1)通过观察表2.3可发现，6位码中含有3个“1”和3个“0”的平衡码组共有20个。所谓平衡码是指在一个码组中，"0”和“1”的个数相等。显然，这样的码型有利于保持信码流中直流分量的稳定性。(2)而6位码组中，四个“1”和两个“0”或四个“0”和两个“1”的非平衡码组共有30个。我们只选用其中的12组。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述编码的情况:5B6B码使码流中每5位2.4光纤通信系统概述

(3)除上述两种码组外，还有14组。这14组6位码中，“0”和“1”的个数悬殊太大，不利于稳定码流中的直流分量，因此不选用。码组的选用:从上面的分析可以看出码组的选用原则如下。(1)首先选取码组中含有3个“0”和“1”的20个平衡码组。(2)再选含有4个“0”或4个“1”的30个非平衡码组中的24个。其中正模式中“1”的个数多，负模式中“1”的个数少。当信码流中出现上述某个模式后，随后的一组码应选用另一种模式。这样，正、负码交替使用，就保持了信码流中“0""1”出现的总概率相等。(3)对于“0""1”出现概率悬殊的14种码组不予选用，以保持信码流分量的稳定。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述(3)除上述两种码组外，还有14组有线传输技术课件2.4光纤通信系统概述

(4)综上所述，在5B6B的64个码组中，有20个码组未用。这样，接收端一旦收到这20个码组中的任意一个，必定是在传输中出现了误码。所以，可以用这种编码方式对系统进行误码检测。一般把这种不使用的码字称为禁字。(5)5B6B码的码速提高率为H，即:

5B6B码的辅助信息的传送主要有以下几种方法:(1)5B6B码传送辅助信号采用辅助信号对主信号调制的方式。辅助信号本身用基带传送或移频键控的方法。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述(4)综上所述，在5B6B的64个2.4光纤通信系统概述辅助信号的码率为64kb/s，调制以后其占用的频带在128kb/s以下，而主信号5B6B码的功率谱密度在128kHz点已降到最大值的2%。以下，因此相互干扰很小。

(2)5B6B码另一种传送辅助信号的方式是将输入码字经过5B6B码变换之后，再进行一次辅助信息比特的插入。这相当于进行了两次码型变换，提高了码速，同时破坏了5B6B码良好的传输性能。

(3)还有一种是利用5B6B码的冗余信息来承载辅助信号的方法。2.插入比特码这种码型是将信码流中每。比特划分为一组，然后在这组的末尾一位之后插入1个比特码。由于插入的比特码的功能不同，这种码型又可分为3种形式。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述辅助信号的码率为64kb/s，调制2.4光纤通信系统概述

(1)mB1P码。

mB1P码是将输入的二进制码每m比特分为一组，检查每组中传号(即“1”码)的奇偶性，根据校验的结果，在m比特之后插入一比特奇偶校正位(1P)，故称为mB1P码。若mB中的传号为奇数个，则1P为传号(“1”);若mB中的传号为偶数个，则1P为空号(+0。例如，8个码元为一组的码组为11011001;编为8B1P码时的码组为110110011。根据码格式的不同，mB1P码有多种派生情况，如间隔插入帧码的mB1P码(1FmB1P)、周期性插入传号和空号的mB1P码(PMSImB1P)等。但是单纯性mB1P码使用最普遍。常见的是7镇。镇17构成的码。在实际使用中，mB1P码往往和扰码结合在一起使用。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述(1)mB1P码。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述(2)mB1C码。这种码型是将信码流每m比特分为一组，然后在其末位之后再插入一个反码(又称补码)，即C码。C码的作用是:如果第m位码为“1”码，则反码为“0”，反之则为“1”。例如，8个码元为一组的码组为:11011001;编为8B1C码时的码组为:110110010。因此插入C码可进行误码检测，此外，还可减少连“0”或连“1”的不良影响。(3)mB1H码。这种码是将信码流中每刀，比特码分为一组，然后在其末位之后插入一个混合码，称为H码。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述(2)mB1C码。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述这种码型具有多种功能，除可完成mB1P和mB1C码的功能外，还可同时用来完成区间通信、公务联络、数据传输以及误码检测等功能。下面，以8B1H码为例说明插入混合码的功能，如图2.10所示。3.其他线路码型在光纤通信中，有时利用电缆传送数字信号。因此可用ITU一TG.703建议的物理/电气接口码型。如伪双极性码即CMI和I->MI码，其变换规则如表2.4所示。CMI码由于结构均匀，传输性能好可以用游动数字和的方法检测误码，因此误码检测性能好。由于它是一种电接口码型，因此139.262kb/s光纤传输系统就用CMI码作为光线路码型。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述这种码型具有多种功能，除可完成mB12.4光纤通信系统概述另外，它还不需重新变换，直接用四次群复用设备送来的CMI信号调制光源。接收端也可直接将再生还原的CMI码直接送给四次群复用设备，而不需线路码型的变换和反变换设备。CMI码的缺点是:码速提高率(等于100%)太大以及传送辅助信息的性能较差。2.4.5光纤通信系统的特点光纤通信与其他通信手段的主要区别有两点，一是光纤通信用光波作为载波传输信号;二是用光导纤维构成的光缆作为传输线路。其优势具体体现在以下几个方面。1.信道带宽极宽，传输容量大上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述另外，它还不需重新变换，直接用四次群2.4光纤通信系统概述随着社会信息化进程的发展，人们对通信的依赖程度越来越高，对通信系统运载信息能力的要求也日趋增强，有线通信从明线发展到电缆，无线通信从短波发展到微波和毫米波，都是试图通过提高载波频率来提高信道容量，而光纤中传输的光波是迄今为止使用频率最高的载波，其传输容量无疑是最高的。限于器件等技术因素的制约，目前光纤通信应有的通信能力并没有完全发挥出来。例如，理论上一根光纤可以同时传输近100亿路电话和1000万路电视节目，而现有的实用水平为每对光纤传输48万多路电话信号。在实际使用中，常使用组合光纤数不等的光缆，加之一些新技术的应用，如密集波分复用技术(DWDM)，其传输容量可以满足任何条件下信息传输的需要。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述随着社会信息化进程的发展，人们对通信有线传输技术课件2.4光纤通信系统概述

2.中继距离长中继距离是指传输线路上不加放大器时信号所能传输的最大距离。当信号在传输线上传输时，由于传输线的损耗会使信号不断衰减，信号传输的距离越长，其衰减程度就越多，当信号衰减到一定程度后，对方就收不到信号。为了延长通信的距离往往要在传输线路上设置一些放大器，也称为中继器，将衰减了的信号放大后再继续传输以延长通信距离，显然，中继器越多，传输线的成本就越高，通信的可靠性也会降低，若某一中继器出现故障，就会影响整个线路的正常通信。在通信系统设计中，传输线路的损耗是要考虑的基本因素，光纤的传输损耗较之电缆要小得多，所以能实现长距离的无中继传输，在1550nm波长区，光纤的衰减系数可低至0.2dB/km，这对降低通信成本，提高通信的可靠性及稳定性具有特别重大的意义。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述2.中继距离长上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述目前，采用低损耗光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达200多千米，而同轴电缆系统的最大中继距离仅为6千米。

3.抗电磁干扰性能好干扰是影响通信质量的重要因素，干扰对通信系统的影响是通过干扰信号频谱落在通信系统工作频谱范围内产生的，对通信系统形成干扰的干扰源很多。有天然干扰源，如雷电、电离层的变化和太阳黑子活动等;有工业干扰源，如电动机和高压电力线;还有无线通信的相互干扰等。为了降低干扰的影响，人们采取了数字通信、差错控制编码等措施，但并不能完全消除干扰对通信指标的劣化。而光纤中传输的光信号具有特定的频率范围，使它不易受各种电磁干扰的影响。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述目前，采用低损耗光纤组成的光纤通信系2.4光纤通信系统概述同时光纤是由高纯度的二氧化硅材料制成的，不导电，也无电感效应，所以光纤通信系统可以从根本上解决多年来困扰人们的干扰问题。

4.保密性能好保密性好是通信系统又一重要要求。对信息的窃取通常有3个途径:一是直接接入式窃听;二是窃听计算机和终端设备辐射的电磁场;三是窃听电缆源辐射的电磁场。对于第一种窃听可以采取保密口令，信息加密等技术;对于第二种窃听可以采取加强电磁屏蔽等措施，但电缆系统的完全屏蔽通常是比较困难的，现代侦听技术已能做到在离同轴电缆几千米的地方窃听电缆中传输的信号。但光波在光纤中传输，几乎不产生泄漏，难于用传统的方法窃听其中的信息，同时，它也不会干扰其他通信设备的正常工作。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述同时光纤是由高纯度的二氧化硅材料制成2.4光纤通信系统概述5.节约有色金属，有利于资源合理使用光纤的主要原材料是来源丰富的二氧化硅。据测量，从天津至南京铺设一条电缆线路需要用铜800吨，铅300吨。如果用光纤代替铜、铅等有色金属。在保持相同的传输容量下，仅需要10千克石英。因此，光纤通信技术的推广将节约大量的金属材料，具有合理使用地球资源进行可持续发展的重要意义。6.寿命长尽管还没有得到证实，但可以断言，光纤通信系统远比金属设施的使用寿命长，因为光缆具有更强的适应环境变化和抗腐蚀的性能。上一页下一页返回2.4光纤通信系统概述5.节约有色金属，有利于资源合理使用2.4光纤通信系统概述除上述列举的优势外，光纤还具有线径细、重量轻等优点。光缆的直径很小，122芯光缆横截面直径不到18mm，而标准同轴电缆为27mm，利用光纤这个特点可以解决地下管道拥挤问题。由于光纤的重量轻，它被应用于飞机制造上，不但降低了通信设备的成本和飞机制造的成本，而且提高了通信系统的抗干扰能力和飞机设计的灵活性。由于光纤通信的诸多优点，除了在公用通信系统和专用通信系统中使用外，它还在其他许多领域，如测量、传感、自动控制及医疗卫生等方面得到了广泛的应用。光纤本身也存在一些缺陷。光纤在生产过程中光纤表面存在微裂纹，从而使光纤的抗拉强度低，光纤的连接必须使用专门的工具和仪表，光分路、祸合不是十分方便，光纤弯曲半径不能太小等，这些缺陷的影响在实际工程和维护工作中都可以采取相应措施避免或解决。上一页返回2.4光纤通信系统概述除上述列举的优势外，光纤还具有线径细2.5光纤和光缆2.5.1光纤的结构和类型1.光纤的结构光纤的结构和同轴电缆很相似，只是没有网状屏蔽层。纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，它质地脆，易断裂，因此需要外加一保护涂层。芯外面包围着一层折射率比纤芯低的玻璃封套，简称包层，以使光线保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套。光纤通常被扎成束，外面有护套保护。其结构如图2.11所示。下一页返回2.5光纤和光缆2.5.1光纤的结构和类型下一页返回2.5光纤和光缆现在，国际电信联盟ITU-T)和国际电工委员会(IEC)都对大多数单模光纤和多模光纤产品的几何尺寸、传输性能和测量方法做了详细的技术规范。例如，各种光纤的几何尺寸要求中所规定的光纤包层直径都是125μm，单模光纤纤芯的直径为8~10μm，而在多模光纤中，纤芯的直径是15~50μm，大致与人的头发的粗细相当。光纤主要是由二氧化硅(SiO2)或硅酸盐玻璃制造而成。现在经常用的光纤有石英光纤(SiO2),塑料光纤和肉化物光纤。(1)玻璃光纤。这种光纤的纤芯和包层是由高纯度的Si0:掺有适当的杂质制成的，例如GeO2.SiO2和P2O5.SiO2作芯子，用B2O3.SiO2作包层。目前，这种光纤的损耗最低、强度和可靠性最高、应用最广泛，但价格也较高。上一页下一页返回2.5光纤和光缆现在，国际电信联盟ITU-T)和国际电工2.5光纤和光缆(2)卤化物玻璃纤维。1975年Renees大学的研究人员发现氯化物玻璃在光波频谱的中段直到红外波段(0.2~8μm)有极低的传输损耗，其最低损耗窗口在2.55μm附近。氯化物玻璃是卤化物玻璃家族中的一员，卤化物中的负离子来自于元素周期表中的第VII组元素，例如氟、氯、嗅、碘。(3)塑料光纤。伴随着高速业务需求的日益增长，促使光纤研发人员去研发高带宽的用于用户接入的梯度折射率聚合物光纤(POF)。这类光纤的纤芯，既可以是有机玻璃，也可以是加氯的聚合物，这两类物质构成纤芯的光纤分别称为PMMAPOF和PFPPOF。尽管塑料光纤与玻璃光纤相比有更大的光信号衰减，但它们具有更好的韧性，更加耐用。上一页下一页返回2.5光纤和光缆(2)卤化物玻璃纤维。1975年Renee2.5光纤和光缆2.光的传播特性属电磁能量，在空气中的传播速度大约为3X108m/s。所有频率的光波在空气中的传播速率都是一样的。光在均匀介质中沿直线传播。光从光疏介质到光密介质传播时，电磁波速度会降低，光线向法线方向折射;相反，光从光密介质到光疏介质传播时，电磁波速度提高，光线偏离法线方向折射。发生在两种不同介质的光的折射程度可用折射率描述。简单地说，光的折射率就是光在空气中与给定介质中的传播速率的比值，数学上表示为:n=C/V(2.2)式中C—空气中光的传播速率，C=3X105km/s;

V—给定介质中光的传播速率。上一页下一页返回2.5光纤和光缆2.光的传播特性上一页下一页返回2.5光纤和光缆几种常见介质的折射率列于表2.5中。光在两种可透射，且具有不同折射率的介质界面发生折射的情况可用斯涅尔定律(Snell'slaw)表示。斯涅尔定律的关系式为:n1sinθ1=n2sinθ2(2.3)式中n1—介质1的折射率;

n2—介质2的折射率;

θ1—入射角;

θ2—折射角。在截面上入射光线发生折射，折射路径是向法线方向偏斜还是远离法线方向，取决于n1是小于还是大于n2。上一页下一页返回2.5光纤和光缆几种常见介质的折射率列于表2.5中。上一页有线传输技术课件2.5光纤和光缆图2.12表示的是当入射光线以某一角度射入而折射角正好等于90o，使折射光线与界面重合的情况。注意，此时光线是由光密介质向光疏介质传播的。由式(2.3)可知:当θ2=90。时，由n1sinθ1=n2sinθ2;则:

θc=θ1=sin-1(n2/n1)其中，θc就是临界角，是指当光由光密介质到光疏介质传播时，使折射光与界面重合，即折射角等于90o或者更大的最小入射角。当折射角大于或等于90o，光线就不会进入光疏介质，而在界面上发生全反射，反射角等于入射角。3.光线在光纤中的传播所谓光纤就是工作在光频的介质波导，光纤波导通常是做成圆柱形的。上一页下一页返回2.5光纤和光缆图2.12表示的是当入射光线以某一角度射2.5光纤和光缆光可按照反射和折射两种方式沿光纤波导传播，传播方式主要取决于光纤的传播和折射率分布。光纤可以约束光波的电磁能量位于波导表面以内，并引导电磁能量沿光纤轴方向传播。光波导的传播特性取决于它的结构参数，这些结构参数将决定光信号在光纤中传播时所受到的影响。光纤的结构基本确定了它的信息承载容量。光纤波导最常用的结构是单一固体电介质圆柱.如图2.13所示。这个介质圆柱就是通常所说的纤芯.折射率是n1纤芯周围是折射率为n2的电介质包层.而且n1<n2。从原理上分析.当光在纤芯中传播时.包层并不是必需的.之所以采用包层结构是基于以下几种考虑.首先包层可以减少散射损耗.而散射损耗则是由纤芯表面电介质的不连续性造成的;其次包层可以增加光纤的机械强度.还可以防止纤芯受污染。上一页下一页返回2.5光纤和光缆光可按照反射和折射两种方式沿光纤波导传播，2.5光纤和光缆低损耗和中损耗光纤一般使用玻璃作为纤芯材料.而包层则可以是另一种玻璃或是塑料。高损耗的塑料芯光纤其包层也为塑料.这种光纤同样有广泛的用途。另外.大多数光纤都密封在一层富有弹性、耐腐蚀的塑料护套中。这一层材料可以进一步增加光纤的强度.保护或减缓因小的几何不规则、变形和表面粗糙所造成的机械损伤。如果一种光纤的纤芯折射率是均匀的.在纤芯与包层的界面有一个折射率突变(或阶跃).此类光纤称为阶跃折射率光纤;如果纤芯折射率作为从光纤中心向外的径向距离的函数而渐变.这类光纤称为梯度折射率光纤。4.光纤的分类在光纤技术中.“模”的概念简单说就是“路径”。如果只有一条光径沿光缆传播.则称为单模;如果多于一条.则称为多模。上一页下一页返回2.5光纤和光缆低损耗和中损耗光纤一般使用玻璃作为纤芯材料2.5光纤和光缆无论是阶跃型还是梯度型折射率光纤.均可分为单模光纤和多模光纤两类。图2.14给出了单模光纤和多模光纤的几个典型尺寸。下面分别来讲述单模光纤和多模光纤的特点。(1)单模阶跃型光纤。①优点:·在这三种光纤中，单模阶跃型光纤色散最小。由于光线几乎沿同一路径传播，具有相同的轴向速度，因此系统消除了模间色散干扰，适用于高速率长距离系统。·接收端还原光信号的高精确度，使单模阶跃型光纤比其他光纤具有更宽的可用带宽和更高的传输速率。

上一页下一页返回2.5光纤和光缆无论是阶跃型还是梯度型折射率光纤.均可分为2.5光纤和光缆

②缺点:·由于纤芯极细，使光进出光纤的耦合十分困难，耦合效率低，光源的入射孔径也最小。·同样由于纤芯极细，在使用单模阶跃型光纤时，对光源的要求较高。·造价高，制造相对困难。(2)多模阶跃型光纤。①优点:·造价低，制造相对容易。·有较大的射入孔径，光耦合容易。②缺点:上一页下一页返回2.5光纤和光缆②缺点:上一页下一页返回2.5光纤和光缆·由于光纤中接收端到达光有不同的传播路径，存在模间色散，对系统性能影响比较严重。·可用带宽和传输速率均低于其他的光纤。(3)多模渐变型光纤。多模渐变型光纤性能介于单模和多模阶跃型光纤之间。它比单模阶跃型光纤更易于光的藕合，但比多模阶跃型光纤困难;受多条传播路径的影响，其色散比单模阶跃型光纤大，但小于多模阶跃型光纤;比单模阶跃型光纤容易制造，但又难于多模阶跃型光纤。2.5.2光纤的损耗传输损耗是光纤的另一个重要性能指标，它会造成光能的减弱，引起系统带宽、传输速率、有效性以及整个系统通信能力的下降。上一页下一页返回2.5光纤和光缆·由于光纤中接收端到达光有不同的传播路径，2.5光纤和光缆主要损耗有:吸收损耗、瑞利散射、辐射损耗、连接器损耗。1.吸收损耗光纤中的吸收损耗与金属电缆的功率损耗相似.其中的杂质吸收光能并将它转换成热能。造成吸收损耗的因索主要有3个:紫外吸收、红外吸收和离子谐振吸收。图2.15表示了由紫外吸收、红外吸收和离子谐振吸收造成的典型的光纤损耗。(1)紫外吸收。紫外吸收是因制造光纤的硅材料中的价电子引起的。光将这些价电子电离.而电离作用本身在光学领域就相当于一种损耗.因而造成光纤传输的损耗。(2)红外吸收。红外吸收是因玻璃纤芯中的原子吸收光子引起的。被吸收的光子产生无规则的机械振动.通常这就是热能。上一页下一页返回2.5光纤和光缆主要损耗有:吸收损耗、瑞利散射、辐射损耗、2.5光纤和光缆(3)离子谐振吸收。离子谐振吸收是因光纤制造过程中含有OH-离子的水分子渗入光纤材料而引起的。此外.铁、铜、铬等金属离子也会造成离子吸收。2.瑞利散射(材料散射)损耗在光纤制造过程中.玻璃经过热压(拉伸成细长的光纤)处在一种可塑状态(既非液态也非固态).作用其上的拉力引起逐渐冷却的玻璃内部发生亚微观的形变.而且永久地固化在光纤中。当沿光纤传播的光遇到这些不规则的地方时.就会向不同的方向折射.发生散射。散射光有的继续沿光纤传播.但有的折射入包层.这就是光能的损失.即是通常所称的瑞利散射损耗。上一页下一页返回2.5光纤和光缆(3)离子谐振吸收。离子谐振吸收是因光纤制2.5光纤和光缆3.辐射损耗辐射损耗是因为光纤的微小弯曲和缺陷引起的。弯曲有两种形式:微弯曲和固定曲率半径弯曲。纤芯与包层材料之间热收缩率不同造成的弯曲称为微弯曲.它即是光纤中发生瑞利散射的间断点;固定曲率半径弯曲是光纤在成缆或安装过程中发生的弯曲。4.连接器损耗光纤的连接器损耗发生在这样几个光转接处:光源一光纤的连接、光纤一光纤的连接、光纤光电检波器的连接。连接没对准是造成连接损耗的主要原因一般有这样几种情况:横向位移、连接位移、连接间隙、倾斜位移、截面不平整.这些损耗如图2.16所示。上一页下一页返回2.5光纤和光缆3.辐射损耗上一页下一页返回2.5光纤和光缆2.5.3光纤的色散光的折射率与波长有关，如光源采用复色光，则不同波长的光有不同的光速。因此，由光源同时发出的光线经光纤传输后不会同时到达远端，接收到的信号会发生畸变，这种畸变就称为色度畸变，它可用单色光源来消除。光纤的色散可以分为材料色散、波导色散、模间色散和偏振模色散。1.材料色散材料色散的产生是因为折射率是光波长的函数。如图2.17所示为石英的折射率随波长变化的曲线。又因为模式的群速率Vg是折射率的函数，所以模式中不同频谱分量的传播速率也是波长的函数。上一页下一页返回2.5光纤和光缆2.5.3光纤的色散上一页下一页返回2.5光纤和光缆因此，材料色散作为一种模内色散，其影响对于单模波导和LED系统(因为LED的发射频谱比半波导体激光器宽得多)显得尤为突出。2.波导色散当一个光脉冲进入光纤后，它的能量被分散到许多种导波模上，这些不同的模式以各自的群时延在不同的时刻到达光纤的另一端，从而使光脉冲发生展宽。对于多模光纤，波导色散与材料色散相比要小得多，因而可以忽略。3.偏振模色散光信号中不同偏振状态的双折射现象是导致脉冲展宽的另一个因素。这种因素对于长途大容量的光纤链路(例如以10Gb/s的速率传输数十千米)的影响尤为严重。上一页下一页返回2.5光纤和光缆因此，材料色散作为一种模内色散，其影响对于2.5光纤和光缆这种链路系统一般工作在光纤的零色散波长附近。双折射的产生是因为光纤本身的缺陷.如纤芯的几何形状不规则、内部应力不均匀等。哪怕纤芯的非圆程度还不到1%.可在高速系统中的影响就很明显了。另外.外部的因索如弯曲、扭曲、挤压光纤时.也会导致双折射。在任何野外铺设的光纤中.上述这些影响都会不同程度地存在.所以在光纤线路上双折射的大小是不断变化的。光信号的一个基本特性是它的偏振状态。所谓偏振是指光信号中的电场矢量的取向.它会沿着光纤的长度显著变化。如图2.18所示.信号的能量在给定的波长处分解成两个正交的偏振模。由于沿着光纤方向的双折射程度不断变化.因此两个偏振模传播的速率稍有差别.而且偏振方向也会发生旋转。上一页下一页返回2.5光纤和光缆这种链路系统一般工作在光纤的零色散波长附近2.5光纤和光缆这两个正交的偏振模最终所产生的时延差就会导致脉冲的展宽.这就是所谓的偏振模色散(PMD)。4.模间色散最后一个导致信号劣化的原因是模间色散，它的产生是因为在同一频率点上不同模式具有不同的群时延。由图2.19中所示的阶跃折射率光纤的子午光线，我们可以得到很直观的印象:模式阶数越高，与光纤轴线之间的夹角越大，因而它的轴向群速率就越慢。模式之间的群速率差导致了群时延差，由此产生模间色散。这种色散对单模光纤没有影响，但对多模光纤却是至关重要的。上一页下一页返回2.5光纤和光缆这两个正交的偏振模最终所产生的时延差就会导2.5光纤和光缆2.5.4光缆简介1.光缆的结构为了使光纤能在工程中实用化，能承受工程中拉伸、侧压和各种外力作用，还要具有一定的机械强度才能使性能稳定，因此，将光纤制成不同结构、不同形状和不同种类的光缆以适应光纤通信的需要。根据不同的用途和条件，制成的光缆种类很多，但其基本结构是相同的，光缆主要由缆芯、加强元件和护层组成。(1)缆芯。缆芯是光缆结构中的主体，其作用主要是妥善地安置光纤的位置，使光纤在各种外力影响下仍能保持优良的传输性能。上一页下一页返回2.5光纤和光缆2.5.4光缆简介上一页下一页返回2.5光纤和光缆缆芯可以分为单芯和多芯两种。多芯光缆还要对光纤进行着色以便于识别。另外，为防止气体和水分子浸入，光纤中应具有各种防潮层并填充油膏。(2)强度元件。由于光纤的材料比较脆，容易断裂，为了使光缆便于承受敷设安装时所加的外力等，在光缆内中心或四周要加一根或多根加强元件，加强元件的材料可用钢丝或非金属的纤维—增强塑料(FRP)等。(3)护层。光缆的护层主要是对已形成的光纤芯线起保护作用，避免受外部机械力和环境损坏。上一页下一页返回2.5光纤和光缆缆芯可以分为单芯和多芯两种。多芯光缆还要对2.5光纤和光缆因此，要求护层具有耐压力、防潮、湿度特性好、重量轻、耐化学侵蚀、阻燃等特点。光缆的护层又分内护层和外护层:内护层一般采用聚乙烯或聚氯乙烯等;外护层可根据敷设条件而定，采用由钻带和聚乙烯组成的LA外护套加钢丝销装等。2.光缆的种类(1)层绞式光缆。层绞式光缆是将若干根光纤芯线以强度元件为中心绞合在一起的一种结构，如图2.20

(a)所示。特点是成本低，芯线数不超过10根。上一页下一页返回2.5光纤和光缆因此，要求护层具有耐压力、防潮、湿度特性好2.5光纤和光缆(2)骨架式光缆。这种结构是将单根或多根光纤放入骨架的螺旋槽内.骨架中心是强度元件.骨架上的沟槽可以是V形、U形或凹形.如图2.20(b)所示。由于光纤在骨架沟槽内具有较大空间.因此当光纤受到张力时.可在槽内作一定的位移从而减少了光纤c,线的应力应变和微变.这种光纤具有耐侧压、抗弯曲、抗拉的特点。(3)带状式光缆。带状式光缆是指将2~12根光纤芯线排列成行构成带状光纤单元.再将多个带单元按一定方式排列成缆.如图2.20(c)所示。这种光缆结构紧凑.采用此种结构可做成千毖的高密度用户光缆。上一页下一页返回2.5光纤和光缆(2)骨架式光缆。上一页下一页返回2.5光纤和光缆(2)束管式光缆。束管式光缆的特点是中心无加强元件.缆芯为一充油管一次涂覆的光纤浮在油中。加强件置于管外.既能作加强用.又能作为机械保护层。由于构成缆芯的束管是一个空腔.因此又称为空腔式光缆.如图2.20(d)所示。上一页返回2.5光纤和光缆(2)束管式光缆。上一页返回2.6光端机构成一个光纤通信系统.可分为三大部分.即光发射部分、传输部分及光接收部分。上面一节介绍了光传输部分.包括光纤的传光原理以及光缆.本节主要介绍光发射部分和光接收部分。光端机是光发射机和光接收机的总称.因为在双向通信系统中.每端都必须有光发射机和光接收机.故通称为光端机。光发射机的作用是在发射端将电信号转变成适合于在光纤中传输的光信号.光接收机的作用是在接收端将接收到的光信号转变成电信号.再经放大和处理。在光端机中实现电光和光电变换的主要部件是光电器件.即光发射机的光源、光接收机的光电检测器。在光纤通信中最常采用的是半导体光源和检测器.它们具有体积小、效率高、可靠性好、工作波长与光纤低损耗窗口相对应、便于与光纤藕合、调制(或响应)速率高等优点。下一页返回2.6光端