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光纤通信技术光纤通信技术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 教授教授1.通信通信 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通信网的基本构成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2.传传 输输 系系 统统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（PulseCodeModulation-PCM）抽样量化编码再生中继再生解码低通3.光纤通信光纤通信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和两个和两个窗口窗口n1980年，产生了低衰减光纤，在的衰减系数为已接近理论年，产生了低衰减光纤，在的衰减系数为已接近理论值值(ITU-TG.652)常规单模光纤,在的零色散为零(ITU-TG.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(ITU-TG.655)非零色散位移单模光纤,在损耗小,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，即微米波长范围是近红外区，即微米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短波波长段波长为微米长波波长段微米和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.光光 纤纤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=1n折射：n1sin1=n2sin2n全反射：sin1=n2/n1n2n11124.3 光纤的传输特性光纤的传输特性n衰减n色散n偏振模色散n光纤的非线性效应 衰衰 减减 衰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衰减谱衰减谱衰减系数与波长的函数关系衰减系数与波长的函数关系衰减起因衰减起因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 色色 散散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阶跃型单模光纤的典型结构阶跃型单模光纤的典型结构涂覆层涂覆层包层包层芯芯n2n1梯度型单模光纤的典型结构梯度型单模光纤的典型结构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！单模光纤单模光纤n标准单模光纤（光纤）n色散位移单模光纤（光纤）n1550nm波长最低衰减光纤（光纤）n非零色散位移光纤（光纤）n色散补偿光纤（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GJ通信用室内光缆n加强构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nW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 光器件光器件光源光源nLED:功率小、谱线宽。nLD：功率大、谱线窄。检测器检测器nPIN：nAPD：EDFA-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-波分复用波分复用原理6.2器件7 光纤通信系统光纤通信系统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（m）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（m）多模和单模光纤，其传输速率为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（m）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（m）单模光纤，其传输信号为SDH的各次群信号，传输速率达Gb/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8Mb/s光端机等。二、实用化研究阶段（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/sMb/s日本系列日本系列274Mb/s45Mb/sMb/s565Mb/s139Mb/s34Mb/s8Mb/s2Mb/s北美系列北美系列欧洲系列欧洲系列4444444444443355667744SDH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，并具有页状矩形帧结构，并具有页状矩形帧结构。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POH）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：270Mbit/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.便于维护分层的好处分层的好处复用映射结构复用映射结构虚容器STM-NN1140Mb/s45Mb/s34Mb/sMb/s2Mb/sMb/s3C-11C-12C-2C-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-N信号容量信号容量STM-1（155M）STM-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 ACCA ACCA 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 ACCA ACCA ACCA ACACDBCA ACCA ACCA ACCA ACACDB倒换有两根业务光纤(一收一发)和两根保护光纤(一收一发)。当BC节点间的光缆被切断时，利用APS协议，B和C节点中两根倒换开关执行环回功能，维持环回功能。a.a.正常工作时正常工作时 b.b.出现故障时出现故障时四四 纤纤 双双 向向 复复 用用 段段 倒倒 换换 环环CA ACCA ACCA ACCA ACW1/P2W1/P2W2/P1W2/P1W2/P1W2/P1W1/P2W1/P2ABCDCA ACCA ACCA ACCA ACABCD倒换只有两根光纤，运载的信号分别沿顺时针和逆时针方向传送。每根光纤上通路时隙的一半为工作通路，用于传送业务信号，另一半时隙留给保护信号。当切断BC间光缆时，B和C节点中的倒换开关将W1/P2光纤与W2/P1光纤相连，将W1/P2和W2/P1光纤上的业务信号时隙移到另一根光纤上的保护信号时隙，从而完成保护倒换功能。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 双双 向向 复复 用用 段段 倒倒 换换 环环W1/P2W1/P2W2/P1W2/P1W2/P1W2/P1W1/P2W1/P27.5 SDH设备设备nTM-终端复用设备nADM-分插复用设备nDXC-数字交叉连接设备TMADM2Mb/s140Mb/s2Mb/s140Mb/s7.6 SDH应用应用8光接入网9光缆CATV系统n我国光通信市场分析10 RPR-弹性分组环技术弹性分组环技术