第1章光纤通信系统.ppt

第1章光纤通信系统 本章阐述有关光纤通信的主要内容 探讨学习这些知识的方法 介绍所选择技术的优点 并讨论其典型应用 1 1历史回顾 1 2基本通信系统 1 3光的属性 1 4光纤的优点 1 5光纤通信的应用 1 6总结和讨论 1 1历史回顾 早期的光通信目视形式的光通信 太阳为光源 手的运动改变或调制光波 眼睛是检测装置使用烟作为信息载体的光波系统 对远距离传输十分有用1880年贝尔发明了 光电话 的光通信系统 1 1历史回顾 1960年激光器的发明 是实现大容量光通信的一个主要突破非导引的光通信系统的发展 为光纤通信提供了理论基础1970年 低损耗光纤的发明 使光纤通信得以实现 基本通信系统包括发送机 接收机和信道信道可分为 非导引信道和被导引信道 1 2基本通信系统 图1 1基本通信系统 被导引线路比大气信道成本更高但被导引信道有许多优点 1 2基本通信系统 图1 2部分导体传输线 1 2基本通信系统 图1 3一般的光纤通信系统 信源有多种物理形式 最常见的是将非电信号转化成电信号的变换器如麦克风 摄像头无论是在电通信还是光通信中 信息在传输之前都必定是电形态 1 2基本通信系统 1 2 1信源 调制器的功能将电信号转换成适合传输的形态将这种信号加载到由载波源产生的载波上调制格式模拟 数字 1 2基本通信系统 1 2 2调制器 1 2基本通信系统 1 2 2调制器 图1 4模拟调制 1 2基本通信系统 1 2 2调制器 图1 5数字调制 数据速率bps 比特每秒模数转换器可将模拟信息转换成数字序列在接收端将数字信号转换成模拟形态 1 2基本通信系统 1 2 3载波源 载波源射频通信系统 电振荡器产生光纤通信系统 光振荡器LD LED强度调制 IM 发送的信息包含在光功率的变化中信号电流有正 负部分 但光辐射输出始终为正 1 2基本通信系统 1 2 3载波源 图1 6光载波的模拟和数字调制 1 2基本通信系统 1 2 3载波源 半导体LD和LED的结构使其在一定的频段内辐射 在此频段上玻璃光纤的衰减应该很低 这样才能有可能实现光信号的有效传输 光源辐射频率和光纤低损耗区域的匹配是实现光纤通信的重要条件 1 2基本通信系统 1 2 4信道耦合器 耦合器的功能 将功率送进信道无线电或电视广播系统 天线电缆导引系统 连接器大气光通信系统 透镜光纤通信系统 光耦合器 1 2基本通信系统 1 2 4信道耦合器 图1 7将光波耦合进光纤 1 2基本通信系统 1 2 5信道 信道 发送机和接收机之间的传输路径光放大器 适用于模拟和数字信号中继器 再生器 只能用于数字系统 重建数字信号的幅度和波形传输信号的失真限制了脉冲的发送速率较大的接收角与低的信号失真是一对相互矛盾 1 2基本通信系统 1 2 5信道 图1 8光脉冲的展宽 1 2基本通信系统 1 2 5信道 大气电信系统 天线收集来自信道的信号 并将其传送到接收机光纤通信系统 输出耦合器将来自光纤的光对准到光检测器光的辐射方向与光纤的接收锥角相同 一般的光检测器有大的表面积及大的接收角 能实现有效耦合 1 2基本通信系统 1 2 5信道 图1 9由光纤到光检测器的高效率耦合 检测器可以接收到由光纤辐射出的绝大部分光波 1 2基本通信系统 1 2 6检测器 解调 从信道接收到的信息从其载波上分离出来光纤通信系统最常用的检测器 半导体光电二极管通过检测器转换得到的电流与输入光波的功率成比例检测得到的电流是驱动光源的电流的再现 1 2基本通信系统 1 2 6检测器 图1 10模拟系统中不同参考点处的信号 1 2基本通信系统 1 2 7信号处理器 模拟传输 信号处理器包括放大和滤波滤除直流成分 同时阻止其他的频率成分 允许传输信息所含有的频率成分通过信噪比 SNR 数字系统 放大器 滤波器 判决器误码率 BER 1 2基本通信系统 1 2 9一些数据 表1 3 字首太 吉 兆 千 分 毫 微 纳 皮 飞光波长量级 微米表1 4 常用的模拟系统的带宽 1 2基本通信系统 1 2 9一些数据 模拟信号采用数字传输时 其比特率取决于模拟信号的抽样定理及编码体系 图抽样概念示意图 1 2基本通信系统 1 2 9一些数据 图信号抽样编码及传输原理 1 2基本通信系统 1 2 9一些数据 抽样定理示意图 Ys 的波形是由一连串的F 波形组成 在 s 2 H的前提下 输出样值信号的频谱Ys 就不会发生重叠现象 从理论上讲 就可以通过一个截止频率为 H的理想低通滤波器将Ys 中的第一个F 滤出来 恢复出原始信号f t 1 2基本通信系统 1 2 9一些数据 若不满足 s 2 H的条件 则Ys 中的F 就会出现重叠 见上图 以致于无法用滤波器提取出一个干净的F 1 2基本通信系统 1 2 9一些数据 标准的单个数字电话的速率是64kbps音频带宽4kHz信息速率 每秒抽样8000次 每个抽样幅度值用8比特代表编码 即为64kbps时分复用技术在发送端 通过间插数据比特 可将不同信息复用成单路较高速率的数据流解复用 1 2基本通信系统 1 2 9一些数据 时分复用技术的应用 表1 5美国电话系统的数字传输速率基本信息块T1 最低级别传输 系统 传送24路话音信息T2级别由4个T1系统组合形成 传送4 24 96路话音信息复用后高级别的信息块包括了同步脉冲和信令脉冲 需要额外的比特率 1 2基本通信系统 1 2 9一些数据 光纤的传输容量单根光纤可达2 5Gbps 10Gbps 甚至40Gbps一个更新的传输标准 同步光网络SONET基本传输速率是OC 1更高级别的SONET参考表1 6数字电视广播模拟电视带宽6MHz 每个抽样值用8比特编码 数据速率为2 6 8 96Mbps 1 2基本通信系统 1 2 9一些数据 为了传输尽可能多的数字化图像 需要降低数据速率压缩数字图像技术 可以将普通图像的数据速率从接近100Mbps降低到5Mbps数字化高清晰度电视 HDTV 信号一般需要1Gbps的传输速率 经过压缩后大约只需要20Mbps的传输速率 1 2基本通信系统 1 2 9一些数据 各类信息与带宽之间的关系以太局域网 运行速率为10Mbps 可用同轴电缆或光纤传输线实现高速数据传输 光纤分布式数据接口 FDDI 的标称运行速率为100Mbps更快的局域网 如高性能并行接口 HPPI 运行速率为800Mbps 1 2基本通信系统 1 2 9一些数据 带宽与速率是信息本身的特征 并不取决于所用的传输类型 对于相同的待传输信息 光通信系统和射频通信系统需要相同的传输带宽和数据速率 1 2基本通信系统 1 2 9一些数据 信号传输的质量模拟线路 用信噪比 SNR 表示数字系统 用误码率 BER 表示标准数字电话允许的误码率指标是多少 1 2基本通信系统 1 2 10以分贝表示功率 分别 dB 是表示通信系统中相对功率电平的一个十分方便的量若P1是输入 P2是输出 P2 P1是两点间的传输效率分贝值为负说明存在损耗 分贝值为正数说明两点间有放大器P2可由P1求得 1 2基本通信系统 1 2 10以分贝表示功率 链路有元器件级联时 使用对数计算很方便 如图用分贝表示相应的损耗为即以分贝为单位 总的效率是单个级联部分的效率之和 1 2基本通信系统 1 2 10以分贝表示功率 图1 13分贝计算 1 2基本通信系统 1 2 10以分贝表示功率 图1 14放大的分贝尺度 1 2基本通信系统 1 2 10以分贝表示功率 例题1 1假设图1 12所示的三个级联部分的损耗分别为 11dB 6dB 3dB 计算此系统的总损耗 如果输入功率为5mW 试计算输出功率 1 2基本通信系统 1 2 10以分贝表示功率 用分贝可以表示相对功率电平 也可以表示绝对功率 相对于1mW用分贝表示的功率值用dBm表示 则有利用图1 13 图1 14同样可以进行dBm运算P2以mW为单位 代替图中P2 P1 纵坐标的刻度值就是dBm 1 2基本通信系统 1 2 10以分贝表示功率 例题1 3假设一个发光二极管的辐射功率为2mW 计算与此辐射功率相对应的dBm值 此功率通过一组元件后有23dB的损耗 计算输出功率 1 2基本通信系统 1 2 10以分贝表示功率 微瓦是另外一个常用的参考电平 相对于1 W用分贝表示的功率值用dB 表示 则有 1 3光的属性 1 3 1光的波动性 光 这一术语指的是频谱中的红外光 可见光 紫外光部分的电磁波 这样划分是因为这些频段范围内应用的许多分析方法 技术和器件都相同 可见光的波长范围0 4 m 蓝光 到0 7 m 红光 可见光频段 紫外线 在石英玻璃光纤中的衰减较大 红外区域 0 85 m附近 1 26 m 1 75 m之间为光纤的传输窗口 1 3光的属性 1 3 1光的波动性 1 3光的属性 1 3 1光的波动性 1 3光的属性 1 3 1光的波动性 光波的频率比射频电磁波高得多 但两者都遵循相同的规律 由于光波长很短 在光纤通信系统中的大部分器件的线度都要比波长大得多 但低频器件的尺寸可能在一个波长左右或更小 1 3光的属性 1 3 2光的粒子性 单个光子的能量是例1 4如果光功率是1 W 波长是0 8 m 计算1s内投射到检测器上的光子数 电子伏特 eV 由一个电子在1V的电势差中加速得到的动能来定义 即0 8 m光子的能量用电子伏特表示为 1 3光的属性 1 3 2光的粒子性 图1 17光子能量 光的粒子理论可以解释LED 激光器和半导体激光器等光源的发光机理 也可以用来解释将光辐射转换成电流的光检测过程 1 4光纤的优点 玻璃光纤的基础材料二氧化硅取之不尽 光缆传输比金属电缆传输更为便宜 铺设更为容易 光纤和光缆机械强度高 柔韧性好 光纤可以获得很低的损耗 图1 181km长的同轴线和玻璃光纤的等效衰减 光纤的3 dB带宽是500MHz 对于高频应用 与光纤系统相比 电缆传输系统的线路长度和放大器之间的间隔距离要小得多 1 4光纤的优点 光纤具有巨大的传输能力 对于模拟传输 单根光纤可以传输调制带宽达数百兆赫兹甚至更高的信息 在数字系统中 光信号的失真限制了传输速率 图1 18信号随调制频率变化的典型曲线当调制频率较低时 传输1km时光纤有4dB的损耗 当频率提高到500MHz时 传输损耗会增加3dB 称光纤在这个长度上有500Mhz的3 dB带宽 用f3 dB表示 高于这个调制频率 衰减会进一步增加 高频衰减不是因为诸如光纤吸收这样的功率损耗引起的 实际上无论调制频率多高 光纤的传输损耗仍然是4dB 对于高频调制出现的问题 图1 19给出了解释 图1 19对于不同的调制频率 光缆输出口的光功率 3 dB带宽用f3 dB表示 其意义是光功率的峰值变化降低到低频调制时的一半 1 4光纤的优点 典型的有线电缆电话系统和光缆系统之间的比较 典型金属电缆 900个线对 直径70mm 每个线对传输24个话音信道 可承载21600路呼叫 用于电话传输的光缆 直接12 7mm 144根光纤 假设每根传输672个信道 总容量为96768个呼叫 而其横截面要小30倍还多 如果光纤系统以更高的速率运行2 5Gbps 10Gbps 两者差别更大 1 4光纤的优点 光纤有极好的抗射频干扰和抗电磁干扰能力光纤是绝缘体 无论是自身发送的信号还是外部电磁辐射都不会在光纤中产生电流 光纤能很好地防护来自其他通信信道的干扰和耦合 无论是电还是光形式 不会接收或传播由核爆炸引起的电磁脉冲 光纤的绝缘特性还有许多其他的实际应用 光纤传输在一定程度上可以保证通信的安全性和私密性 1 5光纤通信的应用 声音 图像 数据 传感器等领域 在电话系统中的应用 成为传统铜绞线电缆的最有吸引力的替代品超过100km的连续无源 无中继器 是有可能实现的 主要用于构建一个城市以内的主干线路 使用中继器 可以将信息传送数千公里远 中继器间隔比同轴电缆线路大得多 可以设计跨越海洋的水下光纤线路 目前 所有的大洋和世界上绝大部分较小的海洋中都有光纤 形成了高速的通信桥梁 在 有线化城市 光纤化城市 中的应用高级交互式光信息系统 开拓了两个领域 减小了分辨率传输话音和图像的光纤通信类型 发展为家庭服务的范围更宽的通信业务 在光纤入户 FTTH 光纤到路边 FTTC 中的应用 在电气化线路和电力线路中的应用视频应用 广播电视 有线电视 远程监控和监视等 1 5光纤通信的应用 声音 图像 数据 传感器等领域 广播电视广播电视业界常用光纤实现短距离的信号传输 例如从工作室到发送机 从实况转播现场到设备车 或者到工作室 有线电视系统CATV系统收集和分配大量的彩色电视频道 所有这些信号源都可以通过光纤与分配中心 CATV头端 相连 通常使用20MHz带宽的调频图像 FM方式可以改善信噪比 可承受更大的失真 带宽从6MHz增加到20MHz是值得的 采用多根光纤 或频分复用同时传送多个电视频道 1 5光纤通信的应用 声音 图像 数据 传感器等领域 频分复用 FDM 光纤传输系统原理 1 5光纤通信的应用 声音 图像 数据 传感器等领域 在监视和远程控制系统领域 光纤图像传输与同轴电缆的竞争也同样获得成功 在这些应用中 抗电磁干扰和抗雷电危害的性能很重要 在数字传输和网络中的应用在军事上的应用通信 指挥 控制链路 卫星地球站之间的链路等光纤具有极强的抗腐蚀能力 光系统特别适合在舰船或海洋上使用 光纤制导 1 5光纤通信的应用 声音 图像 数据 传感器等领域 光纤传感光纤陀螺仪光纤水听器位置测量 温度测量 电磁场测量 1 5光纤通信的应用 声音 图像 数据 传感器等领域 图1 20光纤水听器 光纤通信系统的一般知识光纤通信是什么 光纤通信可以做什么 与电缆通信相比有什么优点 一些必须决策的项目1 采用光纤还是采用金属电缆 2 需要单工 半双工还是全双工的工作方式 3 采用何种调制格式 4 选择复用方式 5 选择工作波长 6 选择光源 7 光纤参数 8 光缆参数9 选择连接器和连接方式 10 选择检测器 1 6总结和讨论 需要单工 半双工还是全双工的工作方式 单向点到点通信只需要单工链路 在一根光纤中同时双向传输信息即可实现双路通信 即全双工 较简单 但可能更昂贵 的解决方法是使用同一光缆中的两根光纤 每根光纤只用于传输