现代通讯系统课件第五章 光纤通信系统

C-A A-C S1 P1 D P1 S1 A B C D P1 S1 A B C C-A A-C S1 P1
C-A A-C
C-A A-C
倒换
(a)
图2-25 光纤单向复用段倒换环
(b)
5.4光波分复用（WDM）
• • • •
5.4.1 WDM的产生 5.4.2 WDM的概念 5.4.3 WDM的特点 5.4.4WDM系统的基本应用形式
5.1光纤通信概述
5.1.1 光纤通信发展简史 光通信的发展主要是光源与光传输媒介两个方面 。 • 光源方面的发展情况如下： • 1960年发明了新光源——固体红宝石激光器； • 1961年发明了‍ 氦-氢气体‍ 激光器； • 1970年研制成功可以在室温下连续振荡半导体激光器； • 目前在通信领域中开发出许多新型光电器件。
5.5.4 MSTP的关键技术 • • • • • (1) GFP (2) VCat (3) LCAS (4) RPR (5) MPLS
5.5.5 MSTP 技术的应用 • • • • 第一代MSTP 第二代MSTP 第三代MSTP MSTP应用案例介绍
5.6 自动交换光网络（ASON）
• • • • • • 5.6.1 ASON的概念及技术特点 （1）快速智能的业务配置，满足紧急的业务需求。 （2）强大而灵活的传送和交换能力。 （3）分布式的控制能力。 （4）开放的网络管理。 （5）强大的恢复功能。
• 光的传播介质方面的主要发展阶段为： • （1）最初是光在大气中传播； • （2）第二阶段是光通过一系列透镜在管道 中传播 ； • （3）第三阶段是利用玻璃纤维传输光 ；

5.1.2 光纤通信的特点 • (1)高带宽，大容量。
• (2)低损耗，长中继。 • (3)具有抗电磁干扰能力。 • (4)细线径，轻重量。

低损耗，耐水压，耐张力
高密度，多芯和低、中损耗
2~20
重量轻，线径细，可挠性好
数字光纤通信系统
下面介绍几种有代表性的光缆结构形式。
(1）层绞式光缆。它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5. 9(a）所示。特点是成本低，芯线数不超过10根。 (2）单位式光缆。它是将几根至十几根光纤芯线集合成一个单位，再由数个单位以强 度 元件为中心绞合成缆，如图5.9(b）所示，其芯线数一般适用于几十芯。 (3）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型、U型或凹型，如图5. 9(c）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，可在槽内做一定的位移，从而减少了光纤芯 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。 (4）带状式光缆。它是将4～12根光纤芯线排列成行，构成带状光纤单元，再将多个 带 状单元按一定方式排列成缆，如图5. 9(d）所示。这种光缆的结构紧凑，采用此种结构可 做成上千芯的高密度用户光缆。
若使光束从光密媒质射向光疏媒质时，则折射角大于入射角，如图5. 4所示。
图5. 3 光的折射示意图
图5. 4 临界角和光线的全反射
数字光纤通信系统
如果不断增大θ 0可使折射角达到90°，这时的θ 1称为临界角。如果继续增大 队，则折射角会大于临界角，使光线全部返回光密媒质中，这种现象称为光的全反 射。
因光纤是石英玻璃材料，所以不怕高温，有防火的性能。因而可用于易燃易爆的环境中。 6.光纤通信保密性好
由于光纤在传输光信号时向外世漏小，不会产生串话等干扰，因而光纤通信保密性好。
5. 1.数2字数光纤字通光信系纤统通信系统的组成

光纤通信系统中文教材
第一章 绪 论
通信系统将信息从一个地方传送到另一个地方，距离可能是几米，也可能是几万公里。要 传送的信息通常被电磁波携带，其频率在几兆赫兹到几百太（1012）赫兹。光通信系统采用电磁 波谱中可见光或近红外区域的高频电磁波（约 100THz），为了与载波频率在 1GHz 量级的微波通 信系统相区分，通常称其为光波通信系统。光纤通信系统就是利用光纤进行光传输的通信系统， 自 1980 年以来在世界上得到广泛应用，使电信技术发生了根本变革。光波技术与微电子技术一 起并称为信息时代的基石。本讲义将全面阐述光纤通信系统，重点讲解光纤通信系统的理论基础， 工程技术方面的问题也作了简要讨论。本章将介绍光纤通信的发展史以及一些基本概念和背景知 识。1.1 节介绍光纤通信的发展史，1.2 节介绍了光纤通信系统的基本组成及其优缺点，1.3 节介 绍了模拟和数字信号、信道复用、调制格式、同步数字体系和异步转移模式等一些基本概念。
为 8×2.5Gbit/s 速率的实用化 OADM 和 4×4 的实用化 OXC，于 2000 年完成这些开发工作并连成 试验网，检验自愈环和保护恢复功能。IP over WDM 帧结构和试验平台的研究工作也已经开始， 为二十一世纪光纤通信研发工作打基础的 4×2.5Gbit/sOTDM 实验模型的研究工作也同时进行。 以宽带光纤传送网为目标的下一代光网络的研究已全面展开。
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率的 SDH 系统技术，民族电信企业开发的 SDH 产品销售额已超过 10 亿元，初步形成了具有自 主知识产权的 SDH 产品。
波分复用系统的开发可以说是我国光纤通信系统开发的第三个阶段，研究工作是从 1993 年 开始的，863 计划立项支持北大、清华进行 4x622Mbit/sWDM 系统的研制研究成果用于广州—— 深圳 WDM 工程上，构成一个 4x2.5Gbit/s 系统。在 863 计划的继续支持下，武汉邮科院与邮电 五所分别与高校合作，于 1998 年完成了 8X2.5Gbit/sWDM 系统的开发，并先后应用在济南—— 青岛和广州——汕头干线工程中，目前正在安排开发 16X10Gbit/s 系统。与 WDM 系统一道开发 的还有合波器、分波器、色散补偿用光纤光栅、符合 DWDM 波长标准的激光器、掺饵光纤放大 器、非零色散位移光纤等，上述开发工作的完成，为我国 WDM 产业打下基础。在安排开发更大 容量 WDM 系统的同时，863 计划又安排了开发基于波分复用的光分插复用器 OADM 和光叉连 接设备 OXC，在 1998 年 OADM 与 OXC 实验模型成果的基础上，着手开发具有 6 端口每一端口

光接收机
将光信号转换为电信号，实现 信息的接收。
数字信号处理单元
对电信号进行调制和解调处理 ，以及实现信号的编解码等功
能。
02
数字光纤通信系统关键 技术
调制技术
调相技术
调频技术
通过改变光载波的相位信息承载信号，常 见有二进制相位移位键控（BPSK）和四进 制相位移位键控（QPSK）。
利用光载波的频率变化携带信息，常见有 最小频移键控（MSK）和偏移四相相位移 位键控（OQPSK）。
05
数字光纤通信系统发展 趋势与挑战
超高速率与超长距离传
总结词
随着数据需求的爆炸式增长，超高速率和超长距离传输成为数字光纤通信系统的 重要发展方向。
详细描述
目前，商用数字光纤通信系统的传输速率已经达到Tbps级别，同时，超长距离传 输技术也在不断发展，以满足大规模数据中心和跨国网络之间的连接需求。
传输距离
总结词
传输距离是数字光纤通信系统覆盖范围的直接体现，它决定了系统的服务范围和应用场景。
详细描述
传输距离是指数字光纤通信系统在保证一定通信质量的前提下，光信号能够传输的最大距离。传输距离受到光纤 损耗、光信号衰减、中继器性能等多种因素的影响。长传输距离的系统可以提供更广泛的网络覆盖，满足不同地 区和领域的通信需求。
误码率与Q因子
要点一
总结词
误码率与Q因子是衡量数字光纤通信系统传输质量的指标 ，它们反映了系统传输二进制位错误的概率。
要点二
详细描述
误码率是指数字光纤通信系统在传输过程中，接收端接收 到的二进制位中出现错误的概率，是评估系统传输质量的 重要参数。Q因子是另一种衡量系统传输质量的参数，它 综合考虑了系统的误码率和信号质量，能够更全面地反映 系统的性能。低误码率和高的Q因子意味着系统传输质量 更高，信息传递更准确。

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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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（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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光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光“泄露”出去，因此其保密性能极好。
连接器件：连接光纤到光源、光检测以 渐变型光纤(Graded Index Fiber, GIF) ：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高模光按正弦形式传播；
模式色散
单模光纤（Single Mode Fiber， SMF）只能有一道光信号传输，使用单独模式的光信号，无光的信号色散，传输距离会更长，传输
光 的 色 散
结论：白光不是单色光，而是由各 种色光混合成的．
光 的 色
太阳光通过三棱镜后被分解成
七种色光,依次是红、橙、黄、 绿、蓝、靛、紫.
散
光纤色散(Dispersion)
光纤中的信号是由不同的频率成分或模式 成分构成的，它们是由不同的传播速度，
从而引起比较复杂的色散现象。它是限 制传输容量的主要因素。
90º>θ>临界角
1.光从空气中斜射入玻璃中时,
空气
折射光线向 靠近 法线方向偏
玻璃
折.(填“靠近”或“远离”)
2.一束光线斜射到一块玻璃三棱镜上(如下 图),画出光折射的情况.
光所以能在光纤中传输，主 要是纤芯和包层的共同作用。
4、突变型(突变型)光纤
突变型光纤(Step Index Fiber, SIF)
模式色散
色度色散(模内色散)
① 定义
同一个导波模式的不同光波长之间的色散
② 产生原因
光源光谱不纯;（材料色散）
光纤石英材料的折射率不是一个常数，而是随光 波长的增大而减小; （材料色散）
波导结构与折射率分布等参量有关，使得不同路 径光线之间的速度差是一个随传输路径变化的复
杂函数。（波导色散）

入交换网络。此时，在一条物理电路上顺
序传送着多路话音信号，每路信号占用一 个时隙。所以说，在数字交换网络中对话 音电路的交换实际上是对时隙的交换。
时隙交换
时隙交换的过程可以分成两步。 第一步是在一条电路的任意两个时隙 之间进行的交换，称为时分交换，由T型接 线器完成； 第二步是在两条电路上的相同时隙之 间进行的交换，称为空分交换，由S型接线 器完成。
2.1 数据通信基础
计算机的输入和输出都是数据信号，
因此数据通信是计算机和通信相结合而产
生的一种通信方式。
数据通信可定义为“用通信线路（包
括通信设备）将远地的数据终端设备与主
计算机连接起来进行信息处理”，以实现
硬件、软件和信息资源共享。
数据与话音的区别
• 通信对象不同
• 对可靠性的要求不同
• 通信的持续时间不同
络互联协议”（TCP/IP）。
路由器工作原理
用户A 网络2 203.0.5.0 路由器1 路由选择表 C 203.0.5.0 1 C 198.1.2.0 2 R 202.56.5.0 3.0.5.2 2
分组交换方式
• 数据报方式
• 虚电路方式
虚电路的连接
虚电路可以是永久连接,也可以是临时连接。
永久连接的称为“永久虚电路”,用户在向网络预
约了该项服务之后,就在两个用户之间建立起永久
的虚连接,用户之间的通信直接进入数据的传输阶
段,就好象具有一条专线一样,可随时传送数据。
临时连接的称为“交换虚电路”,用户终端在通信
R——振铃
S——监视
T——测试
用户电路的整体结构
用户机柜
用户电路一般
由两块专用集成电
路组件组成，一块

•本征吸收：是光纤基础材料(如SiO2)固有的吸收，不是 杂质或缺陷引起的，因此，本征吸收基本确定了某一种 材料吸收损耗的下限。 •杂质吸收：由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损 耗。
损耗起因（二）
散射损耗：由于光纤的材料、形状、折射率分布等
的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光与微小粒子相碰撞 发生散射，由此产生的损耗。
分类： 同质结半导体激光器：早期使用，阈值电流高 异质结半导体激光器：阈值电流小，发光强度高
工作特性： 阈值特性 光谱特性 温度特性 转换效率
半导体发光二极管(LED)
半导体发光二极管(LED)是无阈值器件，没有光学谐振腔， 发光只限于自发辐射，发出的是荧光。 半导体发光二极管(LED)工作特性：
模间色散
多模光纤中，各传输模式路径不同，到达出射端时间不同， 从而引起光脉冲展宽，产生的色散。
材料色散
由于光纤材料的折射率随光波长而变化，使得信号各频率 成分群速不同，引起脉冲展宽的色散现象。
波导色散
把具有一定波谱线宽的光源发出的光脉冲射入到光纤后， 由于不同波长的光传输路程不完全相同，所以到达光纤出 射端时间不同，从而使脉冲展宽的色散。
规率减少: P(L)=P(0)10(α L/10)
式中： P(0)－在L＝0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α（L） ＝－(10/L)㏒[P(L)/P(0)] dB/km
衰减谱
衰减系数与波长的函数关系
损耗起因（一）
吸收损耗：光波通过光纤材料时，一部分 光能变成热能，造成光功率的损失。
1550nm波长最低衰减光纤（G.654光纤）
选用纯SiO2芯来降低光纤的衰减 最大优点：在1550nm波长的最低衰减为0.18dB/km 制造困难，价格昂贵，适用于海底光缆。