现代通信概论第五章
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现代 第5章 交换技术
处理机之间事务处理信息的要求。 提供了可靠的差错控制手段，使信息按正确的顺序传送而又不致丢失或
重复，以保证接收到的消息无差错。
No.7信号系统能满足多种通信业务的要求，可用于电话网、智能网和 综合业务网等。还能作为一种可靠的传送系统，在交换局和特种服务中心 之间进行其它形式的信息传递（如管理和维护信息）。No.7信号系统是通 信网向综合化、智能化发展不可缺少的支撑系统。
统中使用的交叉接点大多是由大规模集成电路构成的交换矩阵，具有开 关速度快（微秒级）、体积小、功耗小、无机械磨损、寿命长等优点。 有M条入线和N条出线的阵列称为M×N矩阵。为了能把M条入线中的任 何一条接到N条出线中的任何一条，它需要M×N个交叉接点。这种能 使每一条入线皆可和每一条出线相接的交叉矩阵称为“全利用度”的交 叉矩阵，它要使用数量巨大的交叉接点，很不经济。 减少交叉接点数量的根本途径是使用多级交叉矩阵或采用数字交换。
第5.1节、交换的必要性
单单位位用用户户
家家庭庭用用户户
电电视视机机
同轴电缆
便便携携计计算算机机
网线 电话线
交换网
固固定定电电话话
无线信道
节节目目提提供供商商 内内容容提提供供商商 服服务务提提供供商商
移移动动终终端端
第5.1节、交换的必要性
通信网的目的是使一个用户能在任何时间、以任何方式、与任何地点的 任何人、实现任何形式的信息交流（5W）。显然，不可能把千百万用 户的通信终端都以直达通信电路一一连接起来，因为，N个用户彼此直 连需要N(N−1) / 2条电路，即使只有100个用户（N=100）的小单位， 彼此直连也需4950对线，何况用户可能还有移动通信的要求。
一般的用户可能并没有感受到交换网的存在，那么你拨打的电话是如 何找到对方并建立通话？你的计算机又是如何在Internet找到需要的内容？
重复，以保证接收到的消息无差错。
No.7信号系统能满足多种通信业务的要求，可用于电话网、智能网和 综合业务网等。还能作为一种可靠的传送系统，在交换局和特种服务中心 之间进行其它形式的信息传递（如管理和维护信息）。No.7信号系统是通 信网向综合化、智能化发展不可缺少的支撑系统。
统中使用的交叉接点大多是由大规模集成电路构成的交换矩阵，具有开 关速度快（微秒级）、体积小、功耗小、无机械磨损、寿命长等优点。 有M条入线和N条出线的阵列称为M×N矩阵。为了能把M条入线中的任 何一条接到N条出线中的任何一条，它需要M×N个交叉接点。这种能 使每一条入线皆可和每一条出线相接的交叉矩阵称为“全利用度”的交 叉矩阵，它要使用数量巨大的交叉接点，很不经济。 减少交叉接点数量的根本途径是使用多级交叉矩阵或采用数字交换。
第5.1节、交换的必要性
单单位位用用户户
家家庭庭用用户户
电电视视机机
同轴电缆
便便携携计计算算机机
网线 电话线
交换网
固固定定电电话话
无线信道
节节目目提提供供商商 内内容容提提供供商商 服服务务提提供供商商
移移动动终终端端
第5.1节、交换的必要性
通信网的目的是使一个用户能在任何时间、以任何方式、与任何地点的 任何人、实现任何形式的信息交流（5W）。显然，不可能把千百万用 户的通信终端都以直达通信电路一一连接起来，因为，N个用户彼此直 连需要N(N−1) / 2条电路，即使只有100个用户（N=100）的小单位， 彼此直连也需4950对线，何况用户可能还有移动通信的要求。
一般的用户可能并没有感受到交换网的存在，那么你拨打的电话是如 何找到对方并建立通话？你的计算机又是如何在Internet找到需要的内容？
现代通信技术概论-完整版
区分敌人的进攻方向
东
南
两个比特表示四个信息
西
北
n比特可表示的信息数为2n
可以传送２个消息
（０ １）
２1
可以传送４个消息
（００ ０１ １０ １１）
２2
２3
１０１ １１０ １１１）
可以传送８个消息
（０００ ００１ ０１０ １００ ０１１
可以传送１６个消息
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（3）ITU对电信的定义
国际电信联盟 (International Telecommunication Union -- ITU)
– 数字系统：每秒所传输的位数来计量(bit/s)
• ADSL上网的速率: 上行：0.54Mbit/s 下载： 8Mbit/s • 以太网上网的速率: 10Mbit/s 、100Mbit/s 到桌 面
宽带：2Mbit/s 作为划分点
1.2 电信技术的发展
电信技术的发展简史 我国电信的现状 电信的发展趋势
87第5章 移动通信 885.1 移动通信概述 885.1.1 什么是移动通信 895.1.2 无线通信系统的组成 895.1.3 移动通信的特点 915.1.4 移动通信的工作方式 925.1.5 移动通信中的多址方式 935.1.6 移动通信服务区体制 965.1.7 我国蜂窝移动通信系统的频率分配 985.2 GSM移动通信系统 995.2.1 GSM网络系统的组成 1015.2.2 GSM的网络结构 1035.2.3 移动电话的编号方式 1055.2.4 数字移动台的构成 1075.2.5 GSM无线接口信令 1105.3 CDMA移动通信系统 1115.3.1 码分多址技术的基本原理 1135.3.2 扩频通信的基本原理 1145.3.3 码分多址直接序列扩频通信系统 1165.3.4 CDMA系统的主要优势 1175.4 第三代移动通信系统 1175.4.1 3G发展概述 1185.4.2 3G标准 1195.4.3 3G标准比较 1205.4.4 3G通信业务应用 1215.5 其他移动通信系统简介 1215.5.1 无线寻呼系统 1215.5.2 集群调度系统 1225.5.3 小灵通系统简介 1235.5.4 大灵通系统简介 1245.6 实做项目及教学情境 124小结 126思考题与练习题
大学现代通信技术概论复习资料
第一章1. 通信的发展分为3个阶段：语言和文字通信阶段；电通信阶段；电子信息时代。
2. 通信系统的模型：信源，发送设备，信道，接收设备，信宿，噪声源。
3. 通信系统的分类：按通信内容：语音通信、数据通信、图像通信、多媒体通信。
按信号特征：模拟通信系统、数字通信系统。
按传输介质分：有线通信（双绞线、同轴电缆、光纤通信）、无线通信（短波、微波、卫星）。
4. 信息是人们在人类社会和自然界中需要传递、交换、存储和提取的抽象内容。
5. 信号的分类：确知信号和随机信号；周期信号和非周期信号；数字信号和模拟信号。
6. 最简单的数字信号是二元码或二进制码。
从信号电压是否占满整个符号持续期分为归零码和不归零码。
7. 信息处理的主要目的有：提高有效性；提高抗干扰性；改善主观感觉效果；对信息进行识别和分类；分离和选择信息。
8. 信息处理需要进行以下几方面：信源编码；加密；信道编码。
9. 信道是指以介质传输为基础的信号通路。
10.噪声的分类：按照来源分：人为噪声和自然噪声。
按性质来分：脉冲噪声、窄带噪声、起伏噪声。
11.信道的分类：传输介质：明线、双绞线、同轴电缆、光纤、微波通信、卫星通信；通信方式：单工通信、半双工通信、全双工通信；传输方式：串行传输、并行传输；同步方式：异步传输、同步传输；复用方式：频分复用、时分复用、码分复用、波分复用。
12.通信系统的性能指标有两个：传输速率和差错率。
13.构成通信网组成的基本要素（硬件）是：终端设备、传输链路、转接交换设备。
14.通信网的拓扑结构：星形网、树形网、网状网、环形网、总线形网、复合形网。
15.传统通信网络由传输、交换、终端3大部分组成。
16.通信协议有以下三个要素：语义：需要发出何种控制信息、完成何种协议以及作出何种应答，通俗地说是“讲什么”。
语法：数据与控制信息的结构或格式等，“怎么讲”。
同步：规定事件实现顺序的详细说明，即确定通信状态的变化和过程。
17.协议分层的优点：①各层之间相互独立；②灵活性好，任何一层发生变化，只要接口关系保持不变，其他各层均不受影响；③结构上可以隔开，各层都可以采用最合适的技术来实现；④易于实现和维护。
现代通信技术概论-完整版
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153小结
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154思考题与练习题
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第7章 微波通信和卫星通信
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1577.1 微波通信
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1577.1.1 微波通信的概念和特点
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1597.1.2 数字微波通信系统
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1617.1.3 微波站设备
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1667.1.4 微波的传播特性与补偿技术
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1727.1.5 数字微波通信技术的发展及应用
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1366.2.4 光纤的传输特性
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1396.2.5 光缆
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1416.3 光纤通信系统
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1416.3.1 光源与光发送机
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1426.3.2 光电检测器与光纤数字接收机
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1436.3.3 中继器
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1446.3.4 光纤通信系统的码型
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1456.4 SDH
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1456.4.1 SDH的产生
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1476.4.2 SDH的帧格式和速率
47思考题与练习题
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49第4章 数据通信
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504.1 数据通信概述
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504.1.1 数据、信号与信息
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514.1.2 系统组成
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534.1.3 数据通信网络互连
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574.1.4 通信协议
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604.2 数据传输
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604.2.1 传输方式
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644.2.2 数字数据编码
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664.2.3 数据通信系统的主要质量指标
– 1969年5月17日，决定5月17日定为“世界电信 日”。
• ITU对电信的定义
– 利用有线、无线的电磁系统或者光电系统，传输 、发射、接收或者处理语音、文字、数据、图像
现代通信-ch5公开课获奖课件
2024/9/30
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一、光纤通信概论
（三）优点及应用： ①、通信容量大 3*1014 Hz 语言4*103 Hz 750亿 ②、损耗低，传播距离长 ③、不受电磁干扰，通信质量高 ④、尺寸小、重量轻，便于施工 ⑤、原料为SiO2，很丰富 应用领域：公用电信网，计算机网络，广播电视以及电 力、石油、化工、机械等领域。
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LED旳调制特征如图5-11。一般LED最高调制频率为 20～60MHz。随驱动电流不同，调制速率也有所变化。一 般在电流密度大时调制速率也较高。
10Gb/s,1500km 频分复用,光放大器 第五代: 光孤子 2.5Gb/s 14000km
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3
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（二）光纤导光原理
光纤是一种介质波导，具有把光封闭在其中并沿轴向进 行传播旳导波构造，其直径大旳约只有0.1mm，它是由两 种折射率不同旳玻璃构成旳，如图5-1芯旳折射率为n1， 包层旳折射率为n2。取n1不小于n2，于是，按照几何光 学旳全反射原理，光线在光纤芯中传播，经过弯曲旳路由 也不会射出光纤之外。
b.光纤制造损耗：由不纯成份旳吸收和构造缺陷引起。
c.附加损耗：成纤之后出现旳损耗，如弯曲损耗。
下图为石英光纤几种损耗旳综合曲线，在1.31um和 1.55um处有两个低损耗谷，目前光纤通信系统主要工作在 这两个波段上，尤其是1.55um处损耗更小，传播频带也更 宽。
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衰减 (dB/km) 色散(ps/nm.km)
3.5
高
高
0.4
包层：多组分玻璃
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《现代无线通信》数学大纲
《现代无线通信》数学大纲一、课程名称:现代无线通信(Modern Wireless Communications)二、学时学分:"32学时，2学分三、授课对象电信系硕士研究生四、先修课程:通信电子线路、锁相技术、通信原理、现代通信网五、教学目的:使学生掌握现代无线通信的基本原理、基本技术，了解几种当前广泛应用的典型的无线通信系统。
六、主要内容、基本要求及学时分配:第一章概论(4学时)1. 主要内容•通信及无线通信的发展趋势、无线通信系统的分类•移动通信概述（移动通信的主要特点、移动通信系统的分类、移动通信的演进及未来发展趋势、移动通信系统举例）2. 基本要求•掌握无线通信的发展趋势及无线系统的分类•了解移动通信的主要特点、移动通信系统的分类、移动通信的演进及未来发展趋势第二章蜂窝移动通信系统设计基础（6学时）1. 主要内容•蜂窝覆盖系统介绍•六角形蜂窝覆盖几何学•同频道干扰及信干比•多信道共用及服务质量等级（GOS）•增加蜂窝系统容量的方法（小区分裂、扇区化）•信道分配策略及切换策略•蜂窝覆盖规划2. 基本要求•掌握蜂窝规划的计算方法•掌握多信道共用及服务质量等级的计算方法•了解增加蜂窝系统容量的方法•了解信道分配策略及切换策略第三章无线信道中的电波传播（6学时）1. 主要内容•无线信道的特征•信号经过无线信道传输后的特征•路径损耗定义及大尺度路径损耗模型（室外路径损耗模型、室内路径损耗模型、无线信号穿透建筑物的损耗）•无线信道的冲击响应模型(无线信道的等效复基带冲击响应,无线信道的多经及测量，无线信道的多普勒频移，无线信道的仿真)2. 基本要求•掌握无线信道的特征•掌握信号经过无线信道传输后的特征•掌握在不同情况下用大尺度路径损耗模型计算路径损耗•掌握无线信道的冲击响应模型的应用方法第四章无线通信中使用的一些技术（4学时）1. 主要内容•扩频调制•均衡•分集•Rake接收机•多址接入•OFDM调制2. 基本要求•了解扩频调制技术•了解均衡技术•了解分集技术•了解Rake接收机•了解多址接入技术•了解OFDM调制技术第五章无线网络（2学时）1. 主要内容•公用固定电话网络PSTN•无线本地环路•无线网络的发展•信令及智能网2. 基本要求•掌握PDH和SDH的复用中的接口数据传输速率•了解公用固定电话网络PSTN•了解无线本地环路•了解无线网络的发展•了解信令及智能网第五章 GSM数字蜂窝网（2学时）1. 主要内容•GSM及其业务介绍•GSM网络结构•GSM无线接口•GSM的安全机制•GSM的发展――GPRS•GSM的号码系统2. 基本要求•了解GSM网络结构•了解GSM无线接口•了解GSM的安全机制•了解GSM的发展――GPRS•了解GSM的号码系统第六章 CDMA数字蜂窝移动通信系统（2 学时）1. 主要内容•CDMA基本概念•CDMA的容量•IS-95的主要参数和信道结构2. 基本要求•了解CDMA基本原理及提高系统容量的机理•掌握CDMA容量的计算方法•了解IS－95CDMA的主要参数和信道结构。
现代通信技术概论(崔健双工业出版社)
(b) 周期脉冲信号
18
信号的频域特性
信号的频域特性表达的是信号幅度和相位随频 率变化的规律。
F(f) A π 0 f1 f O an/a0
2π x
(a)周期正弦信号的频谱
(b)周期脉冲信号的频谱
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周期脉冲信号的频谱分析
根据傅立叶级数理论，任意周期函数u(t)均可分 解为直流分量和无限多个正弦及余弦分量之和。
2
第1章 绪论
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 通信发展简史 信号与通信 通信系统的模型与指标 通信系统的分类 通信系统的传输方式 通信信道 调制与解调
3
1.1 通信发展简史
现代通信源于西方科技的发展与进步，通信发 展史也是一部人类科技进步史。 我国通信事业经历了从早期非常落后到后来跨 越式发展的变化历程，目前已经处于世界先进国 家行列。 了解通信发展史将有助于我们更深入地认识过 去、把握现状、展望未来。
33
1.4.2 按照传输信号的特性分
模拟通信系统：优点是简单直观；缺点是抗干 扰能力弱，噪声积累无法彻底消除。 数字通信系统：
抗干扰能力强：可消除噪声累积现象，适于远 距离传输； 易加密：对数字信号加密容易处理； 便于集成化、智能化：采用计算机技术 占用较宽频带： 4kHz VS 64kHz 技术较复杂
未导致系统产生新的谐波频率的失真称为线性 失真，否则称为非线性失真。
26
噪声叠加导致信号幅度失真
信号
噪声
信号叠 加噪声
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1.3 通信系统的模型与指标
通信系统的一般模型：
噪声
信源 信宿
发送设备 接收设备 信道
接收设备 发送设备
信宿 信源
现代通信概论：卫星通信
可用带宽500MHz，可设12个转发器，40MHz/转发器，
卫星通信上下行通信频率
政府、军事：x频段的8／7GHz频段
上行频率为7.9GHz～8.4GHz 下行频率为7.25~7.75GHz。
这样，将民间卫星通信频段和政府部门、军事 部门卫星通信频段分开，可以避免相互之间的 干扰。
5.4.1概述
波通信系统。
5.4.1概述
卫星通信是地球上多个地球站（包括陆地、 水面和大气层）利用空中人造通信卫星作为 中述
2．卫星的轨道 卫星通信的轨道 （1）轨道形状 圆形：地球的中心处于圆形轨道的圆心 椭圆形：地球的中心应处于椭圆轨道一个焦点上 （2）卫星轨道倾角 赤道轨道：卫星轨道平面与地球赤道平面重合，
多颗静止卫星）
5.4.2卫星通信的发展及应用
1．卫星通信的发展 卫星通信概念的提出可以追溯到1945年，英
国空军雷达军官阿瑟．克拉克在《无线电世 界》上发表了“地球外的中继站”，最先提 出了利用静止卫星进行通信的设想，约20年 之后，人类就实现了这个设想。
下面分别介绍国际上卫星通信的发展和我国 的发展。
一是在国际卫星通信系统中，如果两个相距甚远，分别 位于两个卫星覆盖区内，而处于它们的“共视区”之外 的地球站之间的通信，必须采用双跳工作方式才能进行 卫星通信，参见图5-28(a)所示情况。
二是在被同一颗卫星所覆盖的、卫星通信“星形网络” 远、近地球站之间的通信，必须采用如图5-28 (b)所示 的双跳工作方式才能进行卫星通信。注意，图5-28 (b) 中的中央主站，就是星形网络的中心结点。
ku 频段的14／11GHz频段
上行频率为14～14.5GHz 下行频率为11.7～12.2GHz， 或为10.95～11.2GHz和11.45GHz～11.7GHz 并已用于卫星通信和卫星广播业务中。
卫星通信上下行通信频率
政府、军事：x频段的8／7GHz频段
上行频率为7.9GHz～8.4GHz 下行频率为7.25~7.75GHz。
这样，将民间卫星通信频段和政府部门、军事 部门卫星通信频段分开，可以避免相互之间的 干扰。
5.4.1概述
波通信系统。
5.4.1概述
卫星通信是地球上多个地球站（包括陆地、 水面和大气层）利用空中人造通信卫星作为 中述
2．卫星的轨道 卫星通信的轨道 （1）轨道形状 圆形：地球的中心处于圆形轨道的圆心 椭圆形：地球的中心应处于椭圆轨道一个焦点上 （2）卫星轨道倾角 赤道轨道：卫星轨道平面与地球赤道平面重合，
多颗静止卫星）
5.4.2卫星通信的发展及应用
1．卫星通信的发展 卫星通信概念的提出可以追溯到1945年，英
国空军雷达军官阿瑟．克拉克在《无线电世 界》上发表了“地球外的中继站”，最先提 出了利用静止卫星进行通信的设想，约20年 之后，人类就实现了这个设想。
下面分别介绍国际上卫星通信的发展和我国 的发展。
一是在国际卫星通信系统中，如果两个相距甚远，分别 位于两个卫星覆盖区内，而处于它们的“共视区”之外 的地球站之间的通信，必须采用双跳工作方式才能进行 卫星通信，参见图5-28(a)所示情况。
二是在被同一颗卫星所覆盖的、卫星通信“星形网络” 远、近地球站之间的通信，必须采用如图5-28 (b)所示 的双跳工作方式才能进行卫星通信。注意，图5-28 (b) 中的中央主站，就是星形网络的中心结点。
ku 频段的14／11GHz频段
上行频率为14～14.5GHz 下行频率为11.7～12.2GHz， 或为10.95～11.2GHz和11.45GHz～11.7GHz 并已用于卫星通信和卫星广播业务中。
《现代通信技术及应用(第3版)》通信概论第五章习题
第五章移动通信一、填空题1、移动通信面状服务区采用的基站区形状是。
2、GPRS的中文含义是。
3、3G的四大技术标准包括____________、____________、_____________和____________。
4、公用陆地移动通信系统根据用户接入的多址方式，可以分为________多址、________多址和_________多址。
5、移动通信采用的工作方式是________________方式。
6、GSM系统的双工方式为____________，多址方式为____________。
7、CDMA中文含义是。
8、移动通信的覆盖区域结构一般包括小区、_________、_________、移动业务交换区、________和系统区六个区域。
9、WiMAX 的中文含义是。
10、移动通信的网络结构分为_____________、____________和本地网三级结构。
11、GSM900MHz系统的双工间隔是____________、DCS1800MHz系统的双工间隔是___________。
12、移动台包括__________和_____________。
13、当移动台达到一定速度时，基站接收到的载波频率将随运动速度的不同，产生不同的频移，这种现象称为______________。
14、常见的切换方式有硬切换和___________。
15、GSM系统包括移动台、__________子系统、__________子系统和__________子系统。
16、由于移动频率资源的稀缺性及覆盖范围的有限性，为实现大范围内的移动覆盖，采用移动频率重复利用的技术称为。
17、IMT-2000室内环境支持__________bit/s，步行支持__________bit/s，车速环境支持__________bit/s。
18、WCDMA的中文译名是____________。
19、TD-SCDMA的中文译名是____________。
复习-Ch1 通信网络概述
1.2 通信基本概念
1．模拟信号
模拟信号是指幅值连续、时间上也是连续的信号。其 特点是幅度连续 （连续的含义是在某一取值范围内可以取 无限多个数值）。
2. 数字信号
数字信号是指幅值和时间两个方面都离散的信号。其 特点是幅值离散（离散的含义是在某一取值范围内可以取 有限多个数值）。如常见的脉冲信号。
1.2 通信基本概念
在具体介绍PCM 30/32路系统前先了解几个基本概念： 1.时隙： 很小的时间片断，在PCM 30/32路系统中每个时隙 长度为3.9微秒，每个时隙中可以传输8个bit。 2. 帧： 由若干个时隙所组成的结构，在PCM 30/32路系统 中每个帧的时间长度是125微秒，每帧中有32个时隙。 3. 抽样频率： 在PCM中每秒抽样次数。在PCM 30/32路系统中抽 样频率为8000次/S，每次抽样间隔为125微秒。
1.2 通信基本概念
1.2 通信基本概念
七. 通信模型
具体通信系统中涉及大量具体设备，但所有通信系统可 以抽象为一个通信模型，其涵盖了所有通信系统的特征。
噪声源
信源
变换器
信道
反变换器
信宿
1.2 通信基本概念
八. 通信网络结构
1. 通信网的组成 通信网是由若干用户终端A，B，C，…，并通过传输 系统链接起来。用户终端之间通过一个或多个节点链接， 在节点处提供交换、处理网络管理等功能。
三. 多路复用技术
多路复用技术是通信系统常用的技术，通常在有线通 信中使用。 1. 概念 为了提高信道利用率，使多路信号沿同一信道传输而 互不干扰，称多路复用。 最常用的多路复用技术是 频分多路复用和时分多路复用 另外还有统计时分多路复用和波分多路复用技术。
1.2 通信基本概念
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现代通信概论
电子信息工程学院
霍炎 yhuo@
第5章 光纤通信系统
5.1 光纤通信概述 5.2 光纤与光缆 5.3 光纤通信系统 5.4 光纤通信新技术
2
5.1 光纤通信概述
光纤通信是以光波作为载体，以光导纤维作为传输媒介 的一种通信技术。光纤通信以其宽带、大容量、低损耗、 长中继、抗电磁干扰、体积小、重量轻、便于敷设等优 点，成为当代长途通信最主要手段。
θ折2 θ入 θ反
包层n2 纤芯n1
光 锥
θ θ
θ1
纤芯n1 包层n2
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5.2.3 光纤的传输特性
光纤的传输特性
传输损耗
色散
非线性效应
13
1. 传输损耗
光纤传输损耗表现为随着传输距离的增加光功率 逐渐下降，主要原因是吸收和散射造成再加光纤 结构不完善导致。
Po 10 ( ) log( ) L Pi dB/km
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5.4.2 相干光通信
• 本振光源的频率与相位与发送光源要严格匹配， 否则会产生中频误差，导致判断出错。
数字信号 调制器 单模光 纤 fs 光混频 器 fL 发送端 光源 本振光 源 接收端 光电检 测 中放滤 波 数字信号 解调
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5.4.3 光孤子通信
• 光孤子是一种能在光纤中传输，并且长时间保 持形态、幅度和速度不变的光脉冲。因为它很 窄，所以可使邻近光脉冲间隔很小而不至于发 生重叠干扰，从而实现超长距离、超大容量光 通信。
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5.4 光纤通信新技术
• 超大容量、超长距离、超高速传输一直光纤通信新技术 的发展目标。
• 拓展光纤可用“窗口”的波长范围可以提高光纤带宽；
• 降低损耗系数() 可以增加光纤中继距离； • 光波分复用或光时分复用可以增大系统容量； • 相干光通信和光孤子通信也是研发热点。
本节将对其中的一些内容进行概要介绍。
本章首先对光纤通信的发展历史做出回顾，然后对光纤 通信的特点进行说明，重点阐述光纤的结构、分类、光 波传输机理以及光纤通信系统各组成部分的工作原理。 最后，简要介绍了一些光纤通信新技术。
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5.1.1 光纤通信发展简史
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1955年英国的卡帕尼博士，发明了用玻璃制做的光导纤维，应用 在医学上。 1960年，美国加州休斯实验室第一台固体红宝石激光器 1961年，美国贝尔实验室氦-氢气体激光器 1966年，高锟提出带有包层材料的石英玻璃光纤 1970年，美国康宁玻璃公司首次制成了损耗仅为20dB/km的低损 耗光纤 1970年，美国贝尔实验室砷化镓铝半导体激光器 1974年，美国贝尔实验室制造出1dB/km损耗的低损耗光纤。至 此制约光纤通信的两个关键问题，光源和传输媒介问题完全得到 解决。光纤通信的普及和推广获得了高速发展的基本条件。 1977年美国芝加哥率先开通了第一条45Mb/s的商用光纤通信系统。 目前，国际国内长途通信传输网的光纤化比例已经超过90%。
可以分别从不同的角度来描述光纤色散的程度。
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光纤色散的类型
• 模式色散：在多模光纤中，因同一波长分量的各种传 导模式的相位不同、群速度不同而导致光脉冲展宽的 现象，称为模式色散（或模间色散）。 材料色散：由光纤材料自身特性造成的。 波导色散：由光纤中的光波导结构引起的。 多模光纤主要考虑模式色散，单模光纤主要考虑材料 色散和波导色散。
5
5.2 光纤与光缆
• • • 光纤的结构 光纤的分类 光纤的折射率径向分布图
•
光纤的导光原理
6
5.2.1 光纤的结构
光纤是多层同轴圆柱体，自内向外为纤芯、包层、涂覆层，称为裸纤。 包层外面涂覆一层硅酮树脂或聚氨基甲酸乙酯，然后增加保护套加以保 护。 纤芯和包层是高纯度石英材料，包层折射率略低于纤芯，与纤芯一起 形成光的全反射通道，使光波的传输局限于纤芯内。
按光缆中有无金属 有金属光缆、无金属光缆
按维护方式
充油光缆、充气光缆
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几种光缆的结构
裸光纤 裸光纤 套管填充 缆芯填充 涂敷层 紧套被覆层 芳纶纱加强元件 外护套 聚乙烯内护套 阻水材料 涂塑钢带 聚乙烯外护套 中心加强芯 填充绳 (a)室内单芯软光缆 被覆光纤 中心加强芯 薄膜绕包防水层 外护层 外护层 (b) 多芯地下直埋光缆 光缆缆芯 钢丝铠甲抗拉件 耐压层
把输入/输出的光路接通或断开
把波长转换为波长’
37
5.4.5 全光通信网
• 全光通信网简称全光网，是指信号在网络传输 和交换的过程中始终以光的形式出现的一种通 信网，消除“电光瓶颈”现象。 • 全光网络具有良好的透明性、开放性、兼容性、 可靠性和可扩展性，并能提供巨大的带宽、超 大容量、极高的处理速度、较低的误码率，网 络结构简单，组网非常灵活，可以随时增加新 节点而不需要电交换和处理设备。
10
1.光的反射与折射定律
当 折 >90时，折射光线会反射回到纤芯进行传 播，这种现象称为全反射。
入=反
sin 入 n2 sin 折 n1
包层 n2 纤芯 n1 入射光
θ折
折射光
θ入
θ反
反射光
11
2.光纤中的全反射传输
调整入射角 ，使得折2>90度而发生全反射：
空气n0 θ折1
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5.4.1 光波分复用与光时分复用
• 在不增加线路投资的情况下，扩大系统容量 • 光波分复用（WDM） • 光时分复用（OTDM）
28
1. 光波分复用
光波分复用：利用不同波长的光信号作为载波来 传输多路光信号。
λ1 λ2 λ1+λ2…+λn 合波器 光纤 分波器
λ1 λ2
……
λn
λn
……
29
外腔调制（相干光调制）：把激光送入到外腔 调制器，然后用电数字信号控制调制器，适用于 高速激光器（LD）调制。外腔调制可选择调制光 波的频率或相位。
23
4. 光中继器
光-电-光中继方式正在被光放大器取代，例如，
掺 铒 光 纤 放 大 器 （ EDFA: Erbium-Doped Fiber
Amplifier）可以放大1.55m波长附近的光信号，
• 密集波分复用（DWDM）：波长间隔1~10nm
• 稀疏波分复用（CWDM）：波长间隔<1nm（未获实用）
31
3. 光时分复用
• 类似电脉冲信号的时分复用，光时分复用是把 低速的光脉冲信号复合在一起，形成超高速光 脉冲信号的一种技术。实现OTDM的基本技术 主要包括超短光脉冲（10ps以下）发生技术、 全光时分复用/去复用技术、超高速光定时提取 技术等。
阶跃型光纤、渐变型光纤
按照传输模式
单模光纤、多模光纤
按照工作波长
短波长光纤、长波长光纤、超长波长光纤
按照ITU-T建议
G.651渐变多模光纤、G.652标准单模光纤、G.653色散位移单模光纤 、G.654最佳性能单模光纤、G.655非零色散位移单模光纤、全波光纤
5.2.3 光纤的折射率径向分布图
(c) 中心强度结构无金属光缆
(d) 深海专用光缆
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5.3光纤通信系统
• 光纤通信系统是以光为载波，以光导纤维为传 输媒介来传输消息的通信系统。光纤通信系统 主要由电端机、光端机、光中继器和光缆组成。
光缆 光发送端 机 光 源 中继器 光缆 中继器 光 检 测 电接收端 机 信宿 光缆 光接收端 机
式中是光波波长，L是光纤长度（km），Po 与Pi分别是光纤输出和输入端的光功率.
14
2.色散
• 理想光源应是频率单一的单色光，但现实光源信号不 纯，含有不同的波长成分，在折射率为n1的光纤介质
中传输速度不同，从而导致光信号分量产生不同延迟，
这种现象称为光纤的色散。 • 具体表现为当光脉冲沿着光纤传输一定距离后脉冲宽 度展宽，严重时前后脉冲相互重叠，难以分辨。 • 有三个参数色散系数、最大时延差、光纤带宽系数
1. 光波分复用
ZXWM-32光传输系统双向传输示意图
OTM 光终端
OLA 光线路
OADM 光分插
OTM 光终端
三种机架
•光终端机架OTM •光线路放大机架（OLA） •光分插复用（OADM）机架
两种子架 •OTU子架 •OA子架
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2. 光波分复用的类型
• 根据光波分复用时波长间隔的大小可以将波分复用系统 分为三种类型：
涂敷层 包层直径2b 包层 125μm 纤芯 5~10μm 包层 125μm 纤芯 50~70μm
2b
纤芯直径2a
2b
(a) 裸纤的结构
单模光纤 多模光纤 (b)光纤的尺寸
7
2a
2a
5.2.2 光纤的结构
按照材料的成分
全石英系列光纤、多组分玻璃纤维、塑料包层石英芯光纤、全塑料光 纤
按照折射率的分布
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5.4.4 光交换技术
• 光交换是指不经过任何光/电转换，把输入端光 信号直接交换到不同输出端。 • 采用光交换技术不但可以克服电子交换的容量 瓶颈问题，实现网络的高速率和协议透明性， 而且可以提高网络的重构灵活性和生存性，大 量节省建网和网络升级成本。
35
1. 光交换系统的组成
类似电交换，但交换的是光信号。
信源
电发送端 机
20
1. 电发送端机
• 把信源消息转换成电数字信号。
21
2. 光发送端机
光源的调制有直接调制或外腔调制两种方式：
电信号
线路编 码
驱动电 路
LED
光信号
电信号
线路编 码
驱动电 路
外腔调制 器
光信号
控制电路 LD
控制电 路
(a) 直接调制
(b) 外腔调制
电子信息工程学院
霍炎 yhuo@
第5章 光纤通信系统
5.1 光纤通信概述 5.2 光纤与光缆 5.3 光纤通信系统 5.4 光纤通信新技术
2
5.1 光纤通信概述
光纤通信是以光波作为载体，以光导纤维作为传输媒介 的一种通信技术。光纤通信以其宽带、大容量、低损耗、 长中继、抗电磁干扰、体积小、重量轻、便于敷设等优 点，成为当代长途通信最主要手段。
θ折2 θ入 θ反
包层n2 纤芯n1
光 锥
θ θ
θ1
纤芯n1 包层n2
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5.2.3 光纤的传输特性
光纤的传输特性
传输损耗
色散
非线性效应
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1. 传输损耗
光纤传输损耗表现为随着传输距离的增加光功率 逐渐下降，主要原因是吸收和散射造成再加光纤 结构不完善导致。
Po 10 ( ) log( ) L Pi dB/km
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5.4.2 相干光通信
• 本振光源的频率与相位与发送光源要严格匹配， 否则会产生中频误差，导致判断出错。
数字信号 调制器 单模光 纤 fs 光混频 器 fL 发送端 光源 本振光 源 接收端 光电检 测 中放滤 波 数字信号 解调
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5.4.3 光孤子通信
• 光孤子是一种能在光纤中传输，并且长时间保 持形态、幅度和速度不变的光脉冲。因为它很 窄，所以可使邻近光脉冲间隔很小而不至于发 生重叠干扰，从而实现超长距离、超大容量光 通信。
26
5.4 光纤通信新技术
• 超大容量、超长距离、超高速传输一直光纤通信新技术 的发展目标。
• 拓展光纤可用“窗口”的波长范围可以提高光纤带宽；
• 降低损耗系数() 可以增加光纤中继距离； • 光波分复用或光时分复用可以增大系统容量； • 相干光通信和光孤子通信也是研发热点。
本节将对其中的一些内容进行概要介绍。
本章首先对光纤通信的发展历史做出回顾，然后对光纤 通信的特点进行说明，重点阐述光纤的结构、分类、光 波传输机理以及光纤通信系统各组成部分的工作原理。 最后，简要介绍了一些光纤通信新技术。
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5.1.1 光纤通信发展简史
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1955年英国的卡帕尼博士，发明了用玻璃制做的光导纤维，应用 在医学上。 1960年，美国加州休斯实验室第一台固体红宝石激光器 1961年，美国贝尔实验室氦-氢气体激光器 1966年，高锟提出带有包层材料的石英玻璃光纤 1970年，美国康宁玻璃公司首次制成了损耗仅为20dB/km的低损 耗光纤 1970年，美国贝尔实验室砷化镓铝半导体激光器 1974年，美国贝尔实验室制造出1dB/km损耗的低损耗光纤。至 此制约光纤通信的两个关键问题，光源和传输媒介问题完全得到 解决。光纤通信的普及和推广获得了高速发展的基本条件。 1977年美国芝加哥率先开通了第一条45Mb/s的商用光纤通信系统。 目前，国际国内长途通信传输网的光纤化比例已经超过90%。
可以分别从不同的角度来描述光纤色散的程度。
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光纤色散的类型
• 模式色散：在多模光纤中，因同一波长分量的各种传 导模式的相位不同、群速度不同而导致光脉冲展宽的 现象，称为模式色散（或模间色散）。 材料色散：由光纤材料自身特性造成的。 波导色散：由光纤中的光波导结构引起的。 多模光纤主要考虑模式色散，单模光纤主要考虑材料 色散和波导色散。
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5.2 光纤与光缆
• • • 光纤的结构 光纤的分类 光纤的折射率径向分布图
•
光纤的导光原理
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5.2.1 光纤的结构
光纤是多层同轴圆柱体，自内向外为纤芯、包层、涂覆层，称为裸纤。 包层外面涂覆一层硅酮树脂或聚氨基甲酸乙酯，然后增加保护套加以保 护。 纤芯和包层是高纯度石英材料，包层折射率略低于纤芯，与纤芯一起 形成光的全反射通道，使光波的传输局限于纤芯内。
按光缆中有无金属 有金属光缆、无金属光缆
按维护方式
充油光缆、充气光缆
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几种光缆的结构
裸光纤 裸光纤 套管填充 缆芯填充 涂敷层 紧套被覆层 芳纶纱加强元件 外护套 聚乙烯内护套 阻水材料 涂塑钢带 聚乙烯外护套 中心加强芯 填充绳 (a)室内单芯软光缆 被覆光纤 中心加强芯 薄膜绕包防水层 外护层 外护层 (b) 多芯地下直埋光缆 光缆缆芯 钢丝铠甲抗拉件 耐压层
把输入/输出的光路接通或断开
把波长转换为波长’
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5.4.5 全光通信网
• 全光通信网简称全光网，是指信号在网络传输 和交换的过程中始终以光的形式出现的一种通 信网，消除“电光瓶颈”现象。 • 全光网络具有良好的透明性、开放性、兼容性、 可靠性和可扩展性，并能提供巨大的带宽、超 大容量、极高的处理速度、较低的误码率，网 络结构简单，组网非常灵活，可以随时增加新 节点而不需要电交换和处理设备。
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1.光的反射与折射定律
当 折 >90时，折射光线会反射回到纤芯进行传 播，这种现象称为全反射。
入=反
sin 入 n2 sin 折 n1
包层 n2 纤芯 n1 入射光
θ折
折射光
θ入
θ反
反射光
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2.光纤中的全反射传输
调整入射角 ，使得折2>90度而发生全反射：
空气n0 θ折1
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5.4.1 光波分复用与光时分复用
• 在不增加线路投资的情况下，扩大系统容量 • 光波分复用（WDM） • 光时分复用（OTDM）
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1. 光波分复用
光波分复用：利用不同波长的光信号作为载波来 传输多路光信号。
λ1 λ2 λ1+λ2…+λn 合波器 光纤 分波器
λ1 λ2
……
λn
λn
……
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外腔调制（相干光调制）：把激光送入到外腔 调制器，然后用电数字信号控制调制器，适用于 高速激光器（LD）调制。外腔调制可选择调制光 波的频率或相位。
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4. 光中继器
光-电-光中继方式正在被光放大器取代，例如，
掺 铒 光 纤 放 大 器 （ EDFA: Erbium-Doped Fiber
Amplifier）可以放大1.55m波长附近的光信号，
• 密集波分复用（DWDM）：波长间隔1~10nm
• 稀疏波分复用（CWDM）：波长间隔<1nm（未获实用）
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3. 光时分复用
• 类似电脉冲信号的时分复用，光时分复用是把 低速的光脉冲信号复合在一起，形成超高速光 脉冲信号的一种技术。实现OTDM的基本技术 主要包括超短光脉冲（10ps以下）发生技术、 全光时分复用/去复用技术、超高速光定时提取 技术等。
阶跃型光纤、渐变型光纤
按照传输模式
单模光纤、多模光纤
按照工作波长
短波长光纤、长波长光纤、超长波长光纤
按照ITU-T建议
G.651渐变多模光纤、G.652标准单模光纤、G.653色散位移单模光纤 、G.654最佳性能单模光纤、G.655非零色散位移单模光纤、全波光纤
5.2.3 光纤的折射率径向分布图
(c) 中心强度结构无金属光缆
(d) 深海专用光缆
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5.3光纤通信系统
• 光纤通信系统是以光为载波，以光导纤维为传 输媒介来传输消息的通信系统。光纤通信系统 主要由电端机、光端机、光中继器和光缆组成。
光缆 光发送端 机 光 源 中继器 光缆 中继器 光 检 测 电接收端 机 信宿 光缆 光接收端 机
式中是光波波长，L是光纤长度（km），Po 与Pi分别是光纤输出和输入端的光功率.
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2.色散
• 理想光源应是频率单一的单色光，但现实光源信号不 纯，含有不同的波长成分，在折射率为n1的光纤介质
中传输速度不同，从而导致光信号分量产生不同延迟，
这种现象称为光纤的色散。 • 具体表现为当光脉冲沿着光纤传输一定距离后脉冲宽 度展宽，严重时前后脉冲相互重叠，难以分辨。 • 有三个参数色散系数、最大时延差、光纤带宽系数
1. 光波分复用
ZXWM-32光传输系统双向传输示意图
OTM 光终端
OLA 光线路
OADM 光分插
OTM 光终端
三种机架
•光终端机架OTM •光线路放大机架（OLA） •光分插复用（OADM）机架
两种子架 •OTU子架 •OA子架
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2. 光波分复用的类型
• 根据光波分复用时波长间隔的大小可以将波分复用系统 分为三种类型：
涂敷层 包层直径2b 包层 125μm 纤芯 5~10μm 包层 125μm 纤芯 50~70μm
2b
纤芯直径2a
2b
(a) 裸纤的结构
单模光纤 多模光纤 (b)光纤的尺寸
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2a
2a
5.2.2 光纤的结构
按照材料的成分
全石英系列光纤、多组分玻璃纤维、塑料包层石英芯光纤、全塑料光 纤
按照折射率的分布
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5.4.4 光交换技术
• 光交换是指不经过任何光/电转换，把输入端光 信号直接交换到不同输出端。 • 采用光交换技术不但可以克服电子交换的容量 瓶颈问题，实现网络的高速率和协议透明性， 而且可以提高网络的重构灵活性和生存性，大 量节省建网和网络升级成本。
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1. 光交换系统的组成
类似电交换，但交换的是光信号。
信源
电发送端 机
20
1. 电发送端机
• 把信源消息转换成电数字信号。
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2. 光发送端机
光源的调制有直接调制或外腔调制两种方式：
电信号
线路编 码
驱动电 路
LED
光信号
电信号
线路编 码
驱动电 路
外腔调制 器
光信号
控制电路 LD
控制电 路
(a) 直接调制
(b) 外腔调制