《通信工程学科导论》PPT课件.ppt

第6章 光纤通信 本章内容 l光纤通信概述 l光纤与光缆 l光纤通信系统 光纤通信 n指利用光导纤维(简称光 纤)传输光波信号的一种通信 方式。 n电磁波：长波、中波、 微波、红外线、可见光 、紫外线。 n使用光(激光器)信号， 使用光缆作为传输介质。 波长是 0.81.8m 衰减的单位 ndB(分贝)：描述功率相对比值的单位 ndB = 10 log10 ( Pout / Pin ) nPout：输出功率；Pin：输入 功率 ndBm(分贝毫瓦)：描述功率绝对值的 单位 ndBm = 10 log10 ( P / 1mw) n1mw=0 dBm n20mw=13 dBm n40mw=16 dBm 6.1 光纤通信概述 n发展史 n光电话：1880年贝尔(通信距 离213m) n光源：激光器 梅曼(1960) n美国贝尔公司(1970) 半导体激 光器 n传光介质：光纤 高锟(1966) n美国康宁公司(1970) 低损耗光 纤 n工作波长 n0.85m、1.31m和1.55m 光纤通信特点 n通信容量大 n光载波频率在10141015Hz n传输距离长 n20dB/km，即可实现通信 n目前损耗0.2dB/km n抗电磁干扰 n体积小、重量轻 n机械强度低 商用的光纤通信系统 n1977年在美国芝加哥和圣塔摩尼卡之间首 次建成商用的光纤通信系统。 n两根(直径0.1mm左右)光纤，同时 开通8000路电话！ n到1990年，光纤系统发展了几代(通信业务 40%) n由多模光纤(70年代)过渡到单模光 纤(80年代) n由短波长(0.85m)过渡到长波长 (1.31m) n信息传输的容量和速率大大提高。 n90年代：传输速率10000Mbit/s ，同时开通 1250000 路电话。 6.2 光纤与光缆 1.光纤的结 构 n石 英玻璃、 塑料或晶 体 n纤 芯(折射率 大)和包层 n全 反射 光纤直径 纤芯 (Core) 62.5 5 mm 125 mm 包层(Clad) Core 8 mm 125 mm Clad 85m 多模 单模 人的头发 光纤的分类 n按工作波长： n短波长(850nm)和长波长 (1310nm、1550nm) n按传输模式： n多模光纤和单模光纤 n按折射率分布： n阶跃(突变)型(SI)、渐变(梯度)型 (GI)和W型 n按材料： n石英光纤、塑料光纤等 n几种新型光纤： n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 ITU-T建议的光纤分类 nG.651光纤：计算机局域网或接入网 nG.652光纤：应用最广的单模光纤 nG.653光纤：较少采用 nG.654光纤：弯曲性能好 nG.655光纤：适用于高速、大容量、 高密集波分复用系统 2.光缆 n按芯数分为单芯、 双芯、多芯 n按结构分为层绞式 、骨架式、带状等 n按敷设场合分为架 空、直埋、管道、移动、 室内、水下、海底等 n按用途分为通信用 光缆和非通信用光缆 加强 元件 加强 元件 加强 元件 加强 元件 加强 元件 光纤 3.光传播的基本知识 n1 n2 n1 n2 n1 n2 临界角 900 临界角 n1 n2 全反射 入射角=反射角 1 2 产生全反射的条件：n1n2 90临界角 光纤的传光原理(全反射) 阶越型光纤性能参数 n相对折射指数差 ： n数值孔径(NA)： 接收锥 4.多模光纤 n62.5/125 m 的光纤在保安行业中 应用最普遍 n典型距离达5英里 n用于： nCCTV n门禁控制系统 n内部通讯 多模多模 MMFMMF 5.单模光纤 n无限带宽 n810 m n典型距离超过5英里 n用于： n长途电信 n长途电视监控及多路切换 n共用天线电视系统 单模单模 SMFSMF 单模光纤和多模光纤比较 项目单模光纤多模光纤 距离长短 数据传输率高低 光源激光发光二极管 信号衰减小大 端接较难较易 造价高低 光纤的主要损耗 n损耗 n吸收损耗：OH-和金属离子 n散射损耗： n其他损耗：光纤连接、弯曲 光损耗与波长 n光损耗单位： dB/km n与波长有关 n单模损耗小 n波长又称为窗 口 n波谱的红外部 分起作用 光纤损耗主要存在的地方 n光纤本身：与长度和类型有关 n1310 nm：0.35 0.5 dB/Km n1550 nm：0.2 0.3dB/Km n850 nm：2.3 3.4 dB/Km n光纤连接点：0.2dB/点2Km n设备处：3dB 光纤的衰减 光纤的衰减图 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 nm OH- OH- OH- 第一窗口 第二窗口 第三窗口 衰减(dB/km) 水峰值 6 5 4 3 2 1 近 端 远 端 信号传播 光纤色散(Dispersion) n光脉冲沿着光纤行进一段距离后 造成的频宽变粗。它是限制传输速率 的主要因素。 n模间色散 n材料色散 n波导色散 散射 n由于光线的基本结构不完美，引起的 光能量损失，此时光的传输不再具有很好 的方向性。 光线 缺陷 6.3 光纤通信系统 n发送单元：把电信号转换成光信号 n传输单元：载送光信号的介质 n接收单元：接收光信号并转换成电信 号 n连接器件：连接光纤到光源、光检测 以及其它光纤 器件 n有源光器件 n光源、光电检测器、光纤放大器 和调制器。 n无源光器件 n光分路器/耦合器、波分复用器 、光纤连接器、光开关、光衰减器、光隔 离器和极化器。 1.激光器(光发送机) n半导体激光器和发光二极管 n半导体激光器 n阈值特性 n光谱特性 n温度特性 n转换效率 2.常用连接器类型 SC LC MT-RJ DSC VF-45 Opti-Jack 常用连接器类型 FC Type SC Type SC2 Type FDD Type 3.光纤熔接机 4.光电检测器(光接收机) nPIN和APD n响应时间 n暗电流 光纤系统方框图 信号 光发 射机 光源中继器 检测器 光接 收机 信号 E/O转换 光纤 O/E转换 发送单元传输单元接收单元 连接器件 光中继器 n作用：放大衰减了的光信号 n光-电-光转换 半导体光放大器 光纤通信码型要求 n必须是二电平码！ n信号自带定时信息 n提供一定的冗余传输 光通信技术发展 n延长中继距离 n光放大器(EDFA) n外调制器(电光晶体 LiNbO3) n色散补偿(DCF、Bragg 光纤光栅) n提高通信容量 n时分复用技术(TDM) n波分复用技术(WDM) n光频分复用(OFDM)：载波间 隔1nm 波分复用 光发射机1 光发射机2 光发射机N 合 波 器 光发射机1 光发射机2 光发射机N 光功率 放大 （BA） 光线路放大 （OA） 光线路放大 （OA） 分 波 器 光前置放大 （PA） 1 2 N 1 2 N 12N 发送端 接收端 量子超光速通信 n相对论和量子理论之间的矛盾 n幽灵式的超距作用，粒子间的心灵感应 。 n只有思维比光更快 n1994年，人脑之间存在量子超 光速影响！ 本章内容 l微波通信 l卫星通信 第7章 微波通信和卫星通信 1微波通信频段划分 n微波通信是把微波信号作为载波信号 ，用被传输的模拟信号或数字信号来调制 它，故微波通信是模拟传输。 微波波段 300MHz300GHz 2微波中继通信 n沿地球表面直线传播，一般只有50km 左右。但若采用100m高的天线塔，则距离 可增大到l00km。 短波电离层反射 n离地面60600 km的大气层为电离 层。当频率范围为330 MHz 的短波射 入电离层时，由于折射现象会使电波发生 反射，返回地面。 3微波通信的特点 n通信频段的频带宽，传输信息容量大 n通信稳定、可靠 n接力 n通信灵活性较大 n天线增益高、方向性强 n投资少、建设快 n数字化 7.1.2 数字微波通信系统的组成 终端站、 分路站、 枢纽站和 中继站 7.1.3 微波站设备 n微波收、发信设备 n工作频段：1.7GHz12GHz n发信：输出功率(1瓦左右)、频率 稳定度(10-5) n收信：通频带 n微波天线设备 n中继设备 n电源设备 n监测设备 7.1.4 微波传输 n损耗 n衰 减 n衰 落 n补偿技术 n均 衡 n分 集接收 7.2 卫星通信 n将微波中继站放在人造卫星上时，便 形成了卫星通信系统。 n利用35786.6km高的人造同 步地球卫星 7.2.1 卫星通信的特点 n通信覆盖面积大 n1颗卫星覆盖地球 表面42% n通信距离远 n卫星单跳最大通信 距离达1800km n传输容量大 n线路稳定可靠，质量高 n畅通率在99.8% 以上 n通信灵活 n传输延迟大 n往返传播延迟约为 0.54s 卫星通信系统的分类 n同步卫星通信系统(GEO) n非同步卫星通信系统 n中轨道卫星系统(ICO或MEO) n椭圆轨道卫星系统(HEO) n低轨道卫星系统(LEO) 1同步卫星 2铱星系统 n铱元素：银白色金属，原子序数77。 n摩托罗拉 n“铱星”电话系统于1998年11月正式 投入运营的时候，被誉为科技的创举、通 信的先锋。 n历经11年、耗资50亿美元，由66颗 卫星组成。 7.2.3 通信卫星 7.2.4 地球站 7.2.5 卫星通信多址方式 n频分多址 n时分多址 n空分多址 n码分多址 无线电波传输示意图 第八章 接入网 l接入网的概念和特点 l接入网的业务需求及市场 lxDSL技术、光接入网技术、 HFC技术和无线接入网技术 8.1 接入网概述 n接入网(AN) nI TU-T建议 G.963 n接 口 用户线 n将用户终端设备连接到所属端局交换 机的线对，称为用户线路(或用户环路)。 n主干电缆、配线电缆、用户引 入线及附属设备 交换机 交接箱 分线盒 35Km500m1Km 10300m 馈线配线 引入线 用户线路 接入网的特点 n业务量密度低：利用率不到1% n相对成本高 n成本差异大 n成本与业务量无关 n运行环境恶劣 n技术变化慢 接入网的分类 接入网 核心网 有线接入 无线接入 卫星接入 高空平台 蜂窝接入 微波接入 FWA, WLL WLAN PAN 通信网 光纤接入 PON，APON FTTB/C/H/R 混合光纤同轴网 Cable Modem DSL (ADSL,HDSL) 接入网新技术 n有线接入 nxDSL接入、HomePNA、电 力线接入、光接入、以太网接入 n无线接入 n红外线、蓝牙、Wi-Fi、UWB 8.2 xDSL技术 nDSL(Digital Subscriber Line)是以 铜电话线为传输介质的点对点传输技术，它 包括HDSL、SDSL 、VDSL 、ADSL和 RADSL等。 n它们主要的区别就是体现在信号传输速 度和距离的不同以及上行速率和下行速率对 称性的不同这两个方面。 nADSL(非对称数字用户环路)是最具前 景及竞争力的一种。 ADSL技术 n它能够在普通电话线上提供高达8Mb/s的下行 速率和1Mb/s上行速率，传输距离达3km5km。 nADSL所支持的主要业务是： nInternet高速接入服务；多种宽带多媒 体服务；提供点对点的远地可视会议、远程医疗、 远程教学等服务。 8.3 光接入网 n光纤接入技术实际就是在接入网中全 部或部分采用光纤传输介质，构成光纤用 户环路(或称光纤接入网OAN)，实现用户 高性能宽带接入的一种方案。 n光纤到户(FTTH)、光纤到路边(FTTC) 、光纤到大楼(FTTB)、光纤到办公室 (FHHO)、光纤到楼层(FTTF)、光纤到小区 (FTTZ) 光纤接入技术 n光纤接入网分类 n无源光网络(PON：Passive Optical Network) n有源光网络(AON：Active Optical Network) n光纤接入网的特点 n带宽宽 n网络的可升级性能好 n双向传输 n接入简单、费用少 8.4 HFC技术 nCATV和HFC是一种电视电缆技术。 nHFC是对CATV的一种改造，在干线 部分用光纤代替同轴电缆作为传输介质。 nCATV和HFC的一个根本区别是： CATV只传送单向电视信号，而HFC提供双 向的宽带传输。 HFC技术特点 nHFC接入技术是以有线电视网为基础，采 用模拟频分复用技术，综合应用模拟和数字传输 技术、射频技术和计算机技术所产生的一种宽带 接入网技术。 n以这种方式接入Internet可以实现 10Mbps40Mbps的带宽，用户可享受的平均 速度是200kbps500kbps，最快可达 1500kbps，用它可以非常惬意地享受宽带多媒 体业务，并且可以绑定独立IP。 8.5 无线接入技术 n终端用户和交换端局间的接入网，全部或部 分采用无线传输方式，为用户提供固定或移动接入 服务的技术。 n无线接入技术类型 n蜂窝技术、数字无绳技术、点对 点微波技术、卫星技术、蓝牙技术。 n接入网技术种类繁多，千变万化，但总的归 纳起来基本上可分为有线、无线和有线与无线综合 三类。 n8.6 PAS（ PHS） n1PAS的特 点 nPAS即个人通信接入系统。人们爱称它为“ 小灵通”。它具有以下特点。 n（1）PAS的定位是固定电话的补充和延伸 。 n（2）PAS的最大特点是物美价廉。 n（3）PAS手持机具有体积小、重量 轻和通话时间长的特点。 n（4）PAS可以与家用电话或办公电 话共用一个电话号码，一方取机另一方可 以自动切断，防止窃听。 n（5）PAS手持机杂音小，音质清晰 ，完全可以和固定电话的音质相