1、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 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

2、 信號 信號 模數(shù)變換 信道 模數(shù)變換 （Pulse Code Modulation-PCM）,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； 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用化： 1、沒有可靠的、高強度的光源； 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

3、年貝爾實驗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-T G.652)常規(guī)單模光纖,在1.31um的零色散為零 (ITU-T G.653

4、)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-T G.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 目前所采用的三個實用通信窗口 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,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

5、纖傳輸基本原理,光纖通信所用的光波長范圍在8001600nm的近紅外區(qū) 光的傳播是通過電場、磁場的狀態(tài)隨時間變化的規(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） 2a 2b,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光的傳輸模式。,高次模 基模 低次模,平面波的反射和折射,反射：1=1 折射： n 1 sin 1 =n 2 sin 2 全反射： sin 1 = n 2 / n 1,4.3 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

6、明光纖對光能的傳輸損耗。 光在光纖中傳播時，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( L/10) 式中： P(0)在L0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)（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,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）

7、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),梯度型單模光纖的典型結(jié)構(gòu),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、 加強件、 護層（護套）。,光纜結(jié)構(gòu)圖,光纜型號表示

8、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：,分類代號 GY通信用室外光纜 G J通信用室內(nèi)光纜 加強構(gòu)件代號 無符號金屬加強構(gòu)件 F非金屬加強構(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),護套代號 Y普通聚乙烯 V聚氯乙烯護套 A鋁-聚乙烯粘結(jié)護套 S鋼-聚乙烯粘結(jié)護套 W夾帶平行鋼絲的鋼-聚乙烯粘結(jié)護套（簡稱W護套） AT耐電痕聚乙烯護套 外護層代號 23雙層繞包鋼帶鎧裝聚乙外護套 33單層細(xì)圓鋼絲鎧裝聚乙外護套 333雙層細(xì)圓鋼

9、絲鎧裝聚乙外護套 53縱包皺紋鋼帶鎧裝聚乙外護套,光纜實例,GYSTA GYSTA53 GYSTS GYXTW GYXTY 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：,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（0.85m）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

10、.3m）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（1.31m）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（1.55m）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8 Mb/s光端機等。 二、實用化研究

11、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,7.3 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),7.4 SDH-光同步傳輸系統(tǒng),SD

12、H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,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)運行、管理、維護的開銷豐富。 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/s,100Mb/s,32Mb/s,6.3Mb/s,日本系列,274Mb/s,45Mb/s

13、,6.3Mb/s,565Mb/s,139Mb/s,34Mb/s,8Mb/s,2 Mb/s,1.5Mb/s,北美系列,歐洲系列,4,4,4,4,4,4,3,5,6,7,4,1.5Mb/s,SDH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)。,SDH的弱點,1.頻點利用率不如傳統(tǒng)的PDH系統(tǒng)。 2.采用指針調(diào)整機理增加了設(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)管上的錯誤可導(dǎo)致全網(wǎng)癱瘓。,STM-N幀結(jié)構(gòu),MSOH,RSOH,傳輸方向,9270N字節(jié),1345

14、9,9 N,261 N,傳輸方向,270 N,STM-N信息凈負(fù)荷 （含少量POH）,STM-N信息凈負(fù)荷 （含少量POH）,AU PTR,AU PTR,RSOH,MSOH,STM-1幀由9行、270列共2430個字節(jié)組成。傳送時按由左到右、由上至下的順序進(jìn)行，直到整個幀傳送完畢。每秒傳送8000幀。因此其傳輸速率為： 270988000=155.520Mbit/s,SDH傳送網(wǎng)的分層模型,1.設(shè)備的設(shè)計和實現(xiàn)更加簡單 2.使規(guī)范在一個長久的時期內(nèi)保持穩(wěn)定 3.便于維護,分層的好處,SDH G.709復(fù)用映射結(jié)構(gòu),虛容器,STM-N, N, 1,140Mb/s,45Mb/s 34Mb/s,6.

15、3Mb/s,2Mb/s,1.5Mb/s,3,C-11,C-12,C-2,C-3,C-4,VC-11,VC-2,VC-3,VC-3,VC-4,TU-11,TU-12,TU-2,TU-3,TUG-2,TUG-3,AUG,AU-3,AU-4,VC-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, 1,140Mb/s,34Mb/s,C-12,C-3,C-4,VC-12,VC-3,VC-4,TU-12,TU-3,TUG-2,TUG-3,AUG,AU-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