光纤通信基本知识

2024/12/15光纤通信(ɡuānɡxiāntōnɡxìn)基本知识第一页，共36页。一光纤通信(ɡuānɡxiāntōnɡxìn)光纤通信是以光波为载波，以光纤（光导纤维）为传输媒体，将信号从某一点传送到另一点的通信方式。具有传输距离远（传输损耗小）、通信容量(róngliàng)大（传输频带宽）、抗干扰性能好（不受电磁干扰）、保密性好（不产生光泄漏）、重量轻、体积小等优点。2SJTU第二页，共36页。二 光纤光缆(ɡuānɡlǎn)光纤是用石英玻璃、塑料(sùliào)或晶体等对某个波长范围透明的材料制造的能传输光的纤维。由纤芯和包层组成，纤芯的折射率比包层的高。光纤的特征和性能：1.几何和结构参数：芯径、外径、数值孔径、折射率分布等。2.光传输特性：工作波长、传输损耗和带宽、色散、偏振特性等。3.环境特性：高低温特性、抗微弯和弯曲特性、抗辐射特性、抗疲劳特性、机械筛选强度等。3SJTU第三页，共36页。光纤的分类(fēnlèi)按工作波长：短波长（850nm)长波长（1310nm、1550nm）按传输模式(móshì)：多模光纤和单模光纤按折射率分布：阶跃（突变）型(SI)和梯度（渐变）型(GI)按材料：石英光纤、塑料光纤等几种新型光纤：色散位移光纤（DSF）、非零色散光纤（NZDF）、色散平坦光纤（DFF）、色散补偿光纤（DCF）等4SJTU第四页，共36页。光缆(ɡuānɡlǎn)含有光纤，符合现场实际使用要求的光、机械和环境规范的缆。由光纤、加强(jiāqiáng)件和外护层等组成。光缆的分类：按芯数分为单芯、双芯、多芯按结构分为层绞式、骨架式、带状等按敷设场合分为架空、直埋、管道、移动、室内、水下、海底等按用途分为通信用光缆和非通信用光缆5SJTU第五页，共36页。三 光器件(qìjiàn)（无源）光分路器/耦合器：1xN（树型）、NxN（星型）波分复用器：合波器和分波器、滤波器光纤连接器：固定(gùdìng)、活动（FC、ST、SC等）、适配器（直通）光开关光衰减器：固定(gùdìng)、可变光隔离器：单方向传输光的器件极化器6SJTU第六页，共36页。有源光器件(qìjiàn)光源：发光(fāɡuānɡ)二极管（LED）激光二极管（LD）光电检测器： PIN光电管、PIN-FET组件雪崩光电二极管（APD）光纤放大器（EDFA）调制器7SJTU第七页，共36页。四 光纤传输(chuánshū)系统第一代：0.85um多模光纤系统第二代：1.3um多模光纤系统第三代：1.3um单模光纤系统第四代：1.55um单模光纤系统三个过渡：短波长~长波长多模光纤~单模光纤AlGaAs/GaAs~InGaAsP/InP三项新技术:波分复用(WDM)相干(xiānggān)通信光电子集成(OEIC)8SJTU第八页，共36页。光纤传输(chuánshū)系统框图电端机驱动光源光检测判决再生光源光检测放大电端机发送光发送机光纤光缆(ɡuānɡlǎn)光中继器光接收机接收光纤光缆(ɡuānɡlǎn)模拟通信：信噪比和谐波失真数字通信：误码率和相位抖动9SJTU第九页，共36页。光纤通信(ɡuānɡxiāntōnɡxìn)系统的新技术延长中继距离的新技术(jìshù) 光放大器(EDFA) 外调制器(电光晶体LiNbO3) 色散补偿(DCF、Bragg光纤光栅)提高通信容量的新技术(jìshù) 时分复用技术(jìshù)（TDM） 波分复用技术(jìshù)（WDM）10SJTU第十页，共36页。光波(guāngbō)分复用（WDM）在一根光纤中同时传输几个不同波长的光信号(xìnhào)。复用器是将若干不同波长的光信号(xìnhào)分开或合并的器件，有熔锥型、棱镜色散型、光栅色散型、干涉滤光型等。光纤复用器复用器11SJTU第十一页，共36页。光频分复用(fùyònɡ)（OFDM）当波分复用(fùyònɡ)的光载波间隔变窄到小于1nm时，就是光频分复用(fùyònɡ)；而间隔大于1nm时，称为密集波分复用(fùyònɡ)（DWDM）12SJTU第十二页，共36页。副载波(zàibō)调制（SCM）SCM是一种采用两级调制的频分复用系统。第一次电调制，由多路信号分别对多个副载频(zǎipín)进行调制（AM/FM/PM）,然后，再将复合信号对光波进行强度调制。13SJTU第十三页，共36页。相干光通信(tōngxìn)系统相干光通信系统又称为外差光纤通信系统。是一种采用单一频率的相干光做光载波，利用(lìyòng)无线电技术中的外差接收方式，再配合ASK\FSK\PSK等调制方式的新型光纤通信方式。主要优点是光接收机灵敏度高，选择性好；既可扩大通信容量，又可增加再生中继距离。14SJTU第十四页，共36页。光孤子(gūzǐ)（Soliton）通信在很强的光场作用下，光纤的各种特征参数随光场强弱呈非线性变化。它使所传的光脉冲变窄，正好补偿(bǔcháng)了由于色散使脉冲展宽的影响。光孤子是一种特殊形状的超短脉冲（几个uus），它在光纤的传输过程中将不产生畸变，可实现高速、长距离通信。15SJTU第十五页，共36页。光放大器为了进行长距离传输，可以采用光/电/光转换形式的光中继器，也可以采用直接对光信号(xìnhào)进行放大的光放大器。光放大器可分为半导体光放大器（SOA）和光纤放大器（FA）。光纤放大器又可分为非线性光纤放大器（喇曼光纤放大器）和掺铒光纤放大器（EDFA）16SJTU第十六页，共36页。掺铒光纤放大器（EDFA）将稀土元素铒（Er）注入到纤芯中，即是掺铒光纤。它在泵浦光的作用下可直接对某一波长的光信号进行放大，这就是掺铒光纤放大器。EDFA的主要优点(yōudiǎn)是：1、工作波长在1530~1560nm范围；2、激励的泵浦功率低（几十mW）;3、增益高（40dB）,噪声低（3~4dB）,输出功率大（14~20dB）;4、连接损耗低（0.1dB）;17SJTU第十七页，共36页。EDFA的结构(jiégòu)光耦合器光隔离器光隔离器光滤波器泵浦光源(guāngyuán)输入(shūrù)光信号输出光信号掺铒光纤光耦合器光隔离器光隔离器光滤波器泵浦光源输入光信号输出光信号掺铒光纤同向泵浦结构反向泵浦结构双向泵浦结构（略）18SJTU第十八页，共36页。EDFA的应用(yìngyòng)用作光接收机的前置放大器，可提高接收机灵敏度10~20dB;用作光发射机的功率放大器，增加入纤光功率，延长(yáncháng)传输距离；用作光中继器，可实现全光通信；19SJTU第十九页，共36页。五同步(tóngbù)数字系列（SDH）准同步数字系列(PDH---PlesiochronousDigitalHierarchy):只有地区性(北美,日本(rìběn),欧洲)的数字信号速率和帧结构标准,没有统一的国际标准;没有国际标准的光接口规范;采用异步复接,复用结构复杂,灵活性差;网络运行,管理,维护(OAM)困难.同步数字系列（SDH---SynchronousDigitalHierarchy）SDH是由一些网络单元(NE)组成的、在光纤上进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的网络20SJTU第二十页，共36页。SDH的特点(tèdiǎn)国际统一的数字传输标准STM-N采用同步复用方式和灵活的复用映射结构,具有广泛的适应性丰富的开销比特,加强了网络的OAM能力(nénglì)统一的标准光接口采用软件进行网络配置和控制,便于扩展具有完全的后向兼容性和前向兼容性21SJTU第二十一页，共36页。SDH的比特率等级(děngjí)速率（Mb/s）STM-1155.520STM-4622.080STM-162488.320STM-649953.28022SJTU第二十二页，共36页。SDH的帧结构(jiégòu)STM-1的帧结构(jiégòu)125us9x270=2430个字节(zìjié)第1行23456789RSOHAUPTRMSOH9列261列净荷（含POH）23SJTU第二十三页，共36页。SDH开销(kāixiāo)字节的分层分支分支------分支组装分支取出POH插入POH提取通道层MSOHMSOH插入提取复用层RSOHRSOHRSOH插入提取/插入提取再生(zàishēng)层光接口光接口光接口物理层终端再生(zàishēng)器终端POHMSOHRSOHRSOH载波(zàibō)载波物理线路物理线路24SJTU第二十四页，共36页。SDH的复用(fùyònɡ)结构STM-NAUGAU4VC4C4xNx1x3x3TUG3x1TU3VC3AU3VC3x7C3x7TUG2TU2VC2C2x1x3TU12VC12C12x4TU11VC11C11指针(zhǐzhēn)调整加POH或SOH映射(yìngshè)定位复用25SJTU第二十五页，共36页。SDH的复用(fùyònɡ)过程映射:把PDH的各种速率及ATM信元与SDH的容器进行适配的过程(guòchéng)定位:用指针指示净荷的第一个字节在帧内的位置复用:按单字节间插方法，将N个TU变成TUG，N个AU复接成AUG，N个AUG复用进STM-N的过程(guòchéng)26SJTU第二十六页，共36页。SDH传送(chuánsònɡ)网的分层模型电路层网络电路层VC-11VC-12VC-2VC-3低阶通道层VC-3VC-4高阶SDH传送层复用段层网络段层再生(zàishēng)段层网络传输媒质层物理层网络27SJTU第二十七页，共36页。SDH的承载(chéngzài)业务WDMSDHATMFRPPP/HDLCLAPSSDLIPTCP/UDPApplicationL5~7L4L3L2L1L0FR:FrameRelayPPP:PointtoPointProtocolLAPS:LinkAccessProcedure-SDHSDL:SimpleDataLink28SJTU第二十八页，共36页。SDH的系统(xìtǒng)组成PTMSTRSTRSTMSTPT再生段再生段再生段复用段通道PT：通道终端，网络单元为TM（终端复用器）MST：复用段终端，网络单元为ADM（分插复用器）或DXC（数字交叉连接设备）RST：再生段终端，网络单元为再生器29SJTU第二十九页，共36页。SDH的光缆数字(shùzì)线路系统同步光缆数字线路系统是指连接两个SDH设备(TM,DXC或ADM)的光缆链路.由线路终端(zhōnɡduān),光缆段和再生器(如果配置的话)组成.分为局间链路和局内链路两类.局间链路又分为长距离(再生段距离为40km以上)和短距离(再生段距离为15km左右).局内链路可用光纤(传输距离不超过2km),也可用同轴电缆(传输距离不超过70m).30SJTU第三十页，共36页。SDH的光接口(jiēkǒu)分类局内局间通信通信短距离长距离光源标称波长(bōcháng)(nm)13101310155013101550G.652G.654传输距离(km)~2~15~40~80STM-1I-1S-1.1S-1.2L-1.1L-1.2L-1.3STM等级STM-4I-4S-4.1S-4.2L-4.1L-4.2L-4.3STM-16I-16S-16.1S-16.2L-16.1L-16.2L-16.3应用(yìngyòng)光纤类型G.652G.653G.652:1310nm性能最佳的色散未移位单模光纤G.653:1550nm性能最佳的色散移位单模光纤G.654:1550nm损耗最小的单模光纤G.655:1550nm非零色散光纤31SJTU第三十一页，共36页。SDH的光接口(jiēkǒu)位置发送SR接收CtxCrx光缆(ɡuānɡlǎn)设施TX:发送机Ctx,Crx:活动(huódòng