现代通信技术基础(蒋青主编)第5章.ppt

第五章光纤传输网技术 5 1光纤通信5 2SDH光传输网5 3光纤通信新技术 随着社会的进步 科学技术的发展 人类已进入信息化时代 信息化时代通信系统的主要特征无疑是它运载信息的能力 通信系统运载信息的能力与其带宽成正比 而带宽与载体的频率成正比 光纤通信系统的信息载体采用光 所有可用信号中具有最高频率的载体 它具有最高的运载信息能力 一根同轴电缆能够支持13000个信道 陆地上的微波链路最多可以支持20000个信道 而一根光纤通信链 路 例如跨大西洋的电缆TAT 13 能够同时支持300000个双向语音信道 另一方面 因特网通信量的飞速增长要求得到更高质量的网络信息服务能力 光纤传输网能够提供这样的能力 从而成为现代通信的主干网 5 1光纤通信5 1 1基本概念 光导纤维简称光纤 所谓光通信就是利用光波来载送信息 实现通信的目的 光纤通信是以光波为载波 以光导纤维为传输媒质的一种通信方式 由于光纤通信具有一系列优异的特性 近年来 光纤通信技术发展速度之快 应用面之广是通信史上罕见的 它 是世界新技术革命的重要标志 也是信息社会中各种信息网的主要传输工具 1 光纤通信的发展历程光波是人们最熟悉的电磁波 其波长在微米级 频率为数量级 由图5 1电磁波谱中可以看出 紫外线 可见光 红外线均属于光波的范畴 目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区内 即波长为 可分为短波长波段和长波长波段 短波长波段是指波长为 长波长波段是指和 这是目前所采用的三个通信窗口 图5 1电磁波谱 我国许多地方的烽火台就是最早光通信的历史见证 在这一古老而简单的光通信中 烽火是光源 传输介质是大气层 光接收器是人的眼睛 这种传输方式易受天气 地形的影响 抗干扰能力差 并且只能在可视距离内通信 与现在的光通信不可同日而语 虽然光远早 于电被人所知 但由于光源 光探测器 光传输介质等一切光通信中的关键问题难于解决 因而光通信的发展极其缓慢 1880年 贝尔在他发明电话的4年后 又发明了一种利用光波作为载波传递话音信息的 光电话 它证明了利用光波作为载波传递信息的可能性 是光通信历史上的第一步 贝尔 光电话 的实验之所以不实用 是由于光通信的源头 光源不理想 他使用的光源是可见光 可见光是复合光而 不是单色光 这样它的光束方向性差 光强不集中 不便于传输 1960年 美国科学家梅曼 Merryman 发明了第一个红宝石激光器 激光 LASER LightAmplificationbyStimulatedEmissiionofRadiation 与普通光相比 谱线很窄 方向性极好 是一种频率和相位都一致的相干光 特性与无线电波相似 是一种理想的光载波 因此 激光器的出现使光波通信进入了一个崭新的阶段 2 光纤通信的特点光纤通信与电通信方式的主要差异有两点 一是用光频作为载频传输信号 二是用光导纤维构成光缆作为传输线路 因此 在光纤通信中起主导作用的是产生光波的激光器和传输光波的光导纤维 光纤是一种介质光波导 具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构 它是由直径大约只有0 1mm的细玻璃丝构成 光纤通信之所以能够飞速发展 是由于它具有以下突出优点 1 传输频带很宽 通信容量大 随着科学技术的迅速发展 人们对通信的要求越来越多 为了扩大通信容量 有线通信从明线发展到电缆 无线通信从短波发展到微波和毫米波 它们都是通过提高 载波频率来扩容的 光纤中传输的光波要比无线通信使用的频率高得多 所以 其通信容量也就比无线通信大得多 如果像电缆那样把几十根或几百根光纤组成一根光缆 即空分复用 其外径比电缆小得多 传输容量却成百倍的增长 如果再使用波分复用技术 其传输容量就会大得惊人了 这样 就可以满足任何条件下信息传输的需要 对各种宽频带信息的传输具有十分重要的意义 2 中继距离长 我们知道 信号在传输线上传输 由于传输线的损耗会使信号不断的衰减 信号传输的距离越长 衰减就越严重 当信号衰减到一定程度以后 对方就接收不到信号了 为了长距离通信 往往需要在传输线路上设置许多中继器 将衰减了的信号放大后再继续传输 中继器越多 传输线路的成本就越高 维护也就越不方便 若某一中继器出现故障 就会影响全线的通信 因此 人们希望传输线路的中继器越少越好 最好是不要中继器 减小传输线路的损耗是实现长中继距离的首要条件 因为光纤的损耗很低 所以能实现很长的中继距离 目前 实用石英光纤的损耗可低于0 2dB km 这比目前其他任何传输介质的损耗都低 由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达200km还多 而现有的电通信中 同轴电缆系统最大中继距离为6km 最长的微波中继距离也只有50km左右 如果将来采用非石英系极低损耗光纤 其理论分析损耗可下降到 则中继距离可达数千米甚至数 万千米 这样 在任何情况下 通信线路都可以不设中继器了 它对降低海底通信的成本 提高可靠性和稳定性具有特别重要的意义 3 抗电磁干扰 任何信息传输系统都应具有一定的抗干扰能力 否则就无实用意义了 而当代世界对通信的各种干扰源比比皆是 有天然干扰源 如雷电干扰 电离层的变化和太阳的黑子活动等 有工业干扰源 如电动马达和高压电力线 不能满意地解决以上各种干扰的影响 惟有光纤通信不受以上各种电磁干扰的影响 这将从根本上解决电通信系统多年来困扰人们的干扰问题 4 保密性好 无串话干扰 对通信系统的另一个重要要求是保密性好 然而无线电通信很容易被人窃听 随着科学技术的发展 就是我们以前所讲的保密性好的有线电通信也不那么保密了 人们只要在明线或电缆附近设置一个特别的接收装置 就可以窃听明线或电缆中传输的信息 因此 现有的电通信都面临着一个怎样保密的问题 光纤通信与电通信不同 光波在光纤中传输是不会跑出光纤之外的 即使在转弯处 弯曲半径很小时 漏出的光波也十分微弱 如果在光纤或光缆的表面涂上一层消光剂 光纤中的光就完全不能跑出光纤 这样 用什么方法也无法在光纤外面窃听光纤中传输的信息了 此外 由于光纤中的光不会跑出来 我们在电缆通信中常见的串话现象 在光纤通信中也就不存在了 同时 它也不会干扰其他通信设备或测试设备 5 节约有色金属和原材料 现有的电话线或电缆是由铜 铝 铅等金属材料制成的 但从目前的地质调查情况来看 世界上铜的储藏量不多 有人估计 按现在的开采速度只能再开采50年左右 而光纤的材料主要是石英 二氧化硅 地球上是取之不尽用之不竭的 并且很少的原 材料就可拉制出很长的光纤 例如 40克高纯度的石英玻璃可拉制1km的光纤 而制造1km八管中同轴电缆需要耗铜120kg 铅500kg 光纤通信技术的推广应用将节约大量的金属材料 具有合理使用地球资源的战略意义 6 线径细 重量轻 通信设备体积的大小和重量的轻重对许多领域具有特殊重要的意义 特别是在军事 航空和宇宙飞船等方面 光纤的芯径很细 它只有单管同轴电缆的百分之一 光缆直径也很 小 8芯光缆横截面直径约为1mm 而标准同轴电缆为47mm 线径细对减小通信系统所占的空间具有重要意义 目前 利用光纤通信的这个特点 在市话中继线路中成功地解决了地下管道拥挤的问题 节约了地下管道的建设投资 光缆的重量比电缆要轻得多 例如 18管同轴电缆1m的重量为11kg 而同等容量的光缆lm的重量只有90g 近年来 许多国家在飞机上使用光纤通信设备 或将原来的电缆通信改为光纤通信 获得了 很好的效果 它不但降低了通信设备的成本 飞机制造的成本 而且还提高了通信系统的抗干扰能力和飞机设计的灵活性 例如 美国在A7飞机上用光纤通信取代原有的电缆通信后 它使飞机减轻重量27磅 据飞机设计人员统计 高性能的飞机每增加一磅的重量 成本费用要增加一万美元 如果考虑在宇宙飞船和人造卫星上使用光纤通信 其意义就更大了 由于光纤通信上述的许多优点 除了在公用通信和专用通信中广泛使用之外 它还在其他许多领域 如测量 传感 自动控制和医疗卫生等得到了十分广泛的应用 当然 光纤本身也有缺点 如光纤质地脆 机械强度低 要求比较好的切断 连接技术 分路 耦合比较麻烦等 但这些问题随着技术的不断发展 都是可以克服的 3 数字光纤通信系统的组成数字光纤通信系统与一般通信系统相似 它由发送设备 传输信道和接收设备三大部分构成 5 1 2光纤的导光原理有关光纤的导光原理一般可以采用射线理论 几何光学 和波动理论来解释 本小节只从射线理论角度论述光纤的导光原理 5 1 3光纤的传输特性损耗特性和色散特性是光纤的两个主要传输特性 下面分别进行讨论 1 光纤的损耗光波在光纤中传输 随着传输距离的增加而光功率逐渐下降 这就是光纤的传输损耗 光纤每单位长度的损耗 直接关系到光纤通信系统传输距离的长短 光纤自身的损耗大致包括两类 吸收损耗和散射损耗 吸收损耗是光波通过光纤材料时 有一部分光能变成热能 造成光功率的损失 所谓散射 是指光通过密度或折射率等不均匀的物质时 除了在光的传播方向以外 在其它方向也可以看到光 这种现象称为光的散射 散射损耗是由于光纤的材料 形状 折射率分布等的缺陷或不均匀 使光纤中传导的光发生散射 由此产生的损耗为散射损耗 形成光纤损耗的原因很多 除了光纤自身的损耗之外 光纤与光源的耦合损耗以及光纤之间的连接损耗也是引入光纤传输损耗的因素 2 光纤的色散光纤色散是光纤通信的另一个重要特性 简单地说 光纤的色散就是由于光纤中光信号中的不同频率成分或不同的模式 在光纤中传输时 由于速度的不同而使得传播时间不同 因此造成光信号中不同频率成分或不同模式到达光纤终端有先有后 从而产生波形畸变的一种现象 5 1 4光端机光发射机 光缆和光接收机构成了光纤通信系统的三大主要部分 光端机指光发射机和光接收机 下面主要介绍其基本组成结构及作用 1 光发射机 1 光源光发射机的核心是产生激光或荧光的光源 它是组成光纤通信系统的重要器件 它的作用是将电信号转换成光信号 光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器 LD 和半导体发光二极管 LED 两种 半导体激光器 LD 自从20世纪70年代发展起来后 现在已被广泛应用于CD播放机中 随着商用光纤的出现 这种半导体激光器 LD 的辐射特性如亮度 brightness 定向性 directivity 窄光谱宽度 narrowspectralwidth 以及相干性 coherence 特性等使其成为长距离光纤链路的最佳光源 在过去这些年中 随着对于长距离通信系统可靠性 要求的不断提高 对半导体激光器 LD 的质量要求也相应提高 作为回应 具有量子阱 quantum well 分试反馈 distributed feedback 及极窄光谱宽度 大概在十几分之一纳米数量级上 特性的半导体激光器 LD 已经被研制出来了 这些二极管现在已经成为长距离发送器的最常用光源 垂直腔面发射激光器 vertical cavitysurface emittinglasers VCSEL 就是光源技术的最新成果之一 半导体发光二极管 LED 的发展已经有超过30年的历史了 它们被广泛应用于几乎所有电子按设备中 电视机 录像机 电话 汽车仪表以及许多其他产品 它们之所以被用于光纤通信中 主要是由于它们较小的尺寸和较长的使用寿命 然而 与半导体激光二极管相比 它们较低的光亮度 糟糕的定向性 偏低的调制带宽以及不连贯的辐射性决定了它们只可能被应用于通信技术的某些特定部分 相对较短距离和较低带宽的网络 局域网是 基于发光二极管的发送器的最主要的应用领域 光纤局域网在今天正处于一个急速发展的时期 所以发光二极得到了广泛的应用 下面分别讨论半导体激光器 LD 和半导体发光二极管 LED 的特性 1 半导体激光器 LD 的特性半导体激光器属于半导体二极管的范畴 除具有二极管的一般特性以外 如伏安特性 还应具有特殊的光频特性 阈值特性对于半导体激光器 当外加正向电流达到某一值时 输出光功率将急剧增加 这时将产生激光振荡 该电流值称为阈值电流 用表示 当时 激光器发出的是荧光 当时 激光器才发出激光 如图5 7所示曲线即是半导体激光器的输出特性曲线 为了使光纤通信系统稳定可靠地工作 希望阈值电流越小越好 图5 7激光器输出特性曲线 光谱特性半导体激光器的光谱 随着激励电流变化而变化 当时 发出的是荧光 因此 光谱很宽 如图5 8 a 所示 其宽度常达数百埃 当后 发射光谱突然变窄 谱线中心强度急剧增加 表明发出激光 如图5 8 b 所示 图5 8GaAs激光器的光谱 温度特性激光器的阈值电流和光输出功率随温度变化的特性称为温度特性 阈值电流随温度的升高而加大 其变化情况如图5 9所示 图5 9激光器阈值电流随温度的变化 由图5 9可以看出 温度对激光器的阈值电流影响很大 所以 为了使光纤通信系统稳定 可靠地工作 一般都要采用各种自动温度控制电路 来稳定激光器的阈值电流和输出光功率 另外 激光器的阈值电流也和使用的时间有关 随着激光管使用时间的增加 阈值电流也会逐渐加大 2 半导体发光二极管 LED 的特性LED与LD的差别是它没有光学谐振腔 不能产生激光 它是无阈值器件 靠自发辐射发光 产生的是荧光 故LED谱线宽度要比LD宽得多 在这一点上对于高速率信号的传输是不利的 但由于LED是无阈值器件 其P I曲线具有较好的线性特性 如图5 10所示 这使它具有较好的温度特性 使用中可以不加温控电路 此外 LED比LD价格低 使用寿命长 所以LED在中 低速率短距离光纤数字通信系统中得到广泛的应用 图5 11为光源实例图 图5 10发光二极管的P I特性 2 光发射机的组成光发射机的组成 由于生产厂家的不同而不尽相同 这里仅从介绍光发射机的基本组成这个角度出发 给出光发射机的原理方框图 如图5 12所示 图5 12光发射机的原理方框图 2 光接收机光接收机中实现将光信号转换为电信号的器件称为光电检测器 光电检测器是利用材料的光电效应来实现光电转换的 首先介绍光电效应 1 半导体的光电效应半导体材料的光电效应是指如下这种情况 光照射到半导体的P N结上 若光子能量足够大 则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量 从价带越过禁带到达导带 在导带中出现光电子 在价带中出现 光空穴 即产生光电子一空穴对 总起来称光生载流子 光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下 在外电路中出现光电流 这样 就实现了输出电压跟随输入光信号变化的光电转换作用 所谓负偏压是指PN结的P接负 N接正 2 光电检测器光电检测器的作用是利用光电二极管将由发射光端机经光纤传输过来的光信号转变为电信号 目前数字光纤通信中常用的光检测器主要有PIN光电二极管和雪崩光电二极管 APD 3 光接收机的组成光接收机是光纤通信系统中的一个重要组成部分 目前实用的光纤通信系统 在绝大多数情况下 所传的是数字信号 少数情况传模拟信号 如传电视信号的系统 下面将介绍当前广泛使用的强度调制 直接检波系统中数字光接收机的组成框图 5 2SDH光传输网目前 传输网的技术体制主要有采用时分复用方式的准同步数字系列 PDH 和同步数字系列 SDH 3 4节已经指出 随着通信网的发展和用户的需求 基于点对点传输的准同步PDH系统暴露出一些固有的 难以克服的弱点 已经不能满足大容量高速传输的要求 为了适应现代通信网的发展 产生了高速大容量光纤技术和智能网 技术相结合的新体制 同步数字系列 SDH SDH它是一个将复接 线路传输及交换功能融为一体的 并由统一网管系统操作的综合信息传送网络 可实现诸如网络的有效管理 开通业务时的性能监视 动态网络维护 不同供应厂商之间的互通等多项功能 它大大提高了网络资源利用率 并显著降低管理和维护费用 实现了灵活 可靠和高效的网络运行与维护 因而在现代信息传输网络中占据重要地位 5 2 1SDH的基本概念和特点1 SDH的基本概念SDH是由一些基本网络单元 NE 组成 在信道上进行同步信息传输 复用和交叉连接的网络 目前实际应用的基本网络单元有四种 即终端复用器 TM 分插复用器 ADM 再生中继器 REG 和SDH数字交叉连接设备 SDXC 1 终端复用器 TM 终端复用器用在网络的终端站上 例如一条链的两个端点上 它是一个双端口器件 如图5 16所示 图5 16终端复用器 终端复用器的作用是将支路端口的低速信号复用到线路端口的高速信号STM N中 或从STM N的信号中分出低速支路信号 请注意它的线路端口输入 输出一路STM N信号 而支路端口却可以输出 输入多路低速支路信号 2 分插复用器 ADM 分插复用器用于SDH传输网络的转接站点处 例如链的中间节点或环上节点 是SDH网上使用最多 最重要的一种网元 它是一个三端口的器件 如图5 17所示 图5 17分插复用器 ADM有两个线路端口和一个支路端口 两个线路端口各接一侧的光缆 每侧收 发共两根光纤 为了描述方便我们将其分为西 W 向 东向 E 两个线路端口 ADM的作用是将低速支路信号交叉复用进东或西向线路上去 或从东或西侧线路端口收到的线路信号中拆分出低速支路信号 ADM是SDH最重要的一种网元 通过它可等效成其它网元 即能完成其它网元的功能 例如 一个ADM可等效成两个TM 3 再生中继器 REG 再生中继器 REG 是光中继器 它是双端口器件 只有两个线路端口W和E 如图5 18所示 其作用是将光纤长距离传输后受到较大衰减及色散畸变的光脉冲信号转变成电信号后进行放大整形 再定时 再生为规划的电脉冲信号 再调制光源变换为光脉冲信号送入光纤继续传输 以延长传输距离 图5 18再生中继器 值得注意的是 REG与ADM相比仅少了支路端口 所以ADM若本地不上 下话路 支路不上 下信号 时完全可以等效一个REG 4 SDH数字交叉连接设备 SDXC 数字交叉连接设备主要完成STM N信号的交叉连接功能 它是一个多端口器件 它实际上相当于一个交叉矩阵 完成各个信号间的交叉连接 如图5 19所示 图5 19数字交叉连接设备功能图 SDXC可将输入的m路STM N信号交叉连接到输出的n路STM N信号上 图5 19表示有m条入光纤和n条出光纤 通常用SDXCm n来表示一个SDXC的类型和性能 注m n m表示可接入SDXC的最高速率等级 n表示在交叉矩阵中能够进行交叉连接的最低速率级别 m越大表示SDXC的承载容量越大 n越小表示SDXC的交叉灵活性越大 m和n的相应数值的含义见表5 2 1 表5 2 1m n数值与速率对应表 由上述四种网络单元构成的SDH系统如图5 20所示 图中示出了再生段 复用段和通道的划分 图5 21为SDH设备实例图 图5 22为SDH机房实例图 图5 20SDH系统 除上述设备以外 SDH还包括网络转换设备 TFE 它的主要功能是实现北美和欧洲两种不同体制网络之间的转换连接 2 SDH的特点SDH的特点主要体现在以下几个方面 1 有全世界统一的网络节点接口 NNI 包括统一的数字速率等级 帧结构 复接方法 线路接口 监控管理等等 实现了数字传输体制上的世界标准及多厂家设备的横向兼容 2 采用标准化的信息结构等级 其基本模块是速率为155 520Mbit s的同步传输模块第一级 记作STM 1 更高速率的同步数字信号 如STM 4 STM 16 STM 64可简单地将STM 1进行字节间插同步复接而成 大大简化了复接和分接 3 SDH的帧结构中安排了丰富的开销比特 使网络的管理和维护 OAM 功能大大加强 而且适应将来B ISDN的要求 4 SDH采用同步复用方式和灵活的复用映射结构 利用设置指针的办法 可以在任意时刻 在总的复接码流中确定任意支路字节的位置 从而可以从高速信号一次直接插入或取出低速支路信号 使上下业务十分容易 5 SDH确定了统一新型的网络部件 这些部件是TM ADM SDXC以及REG 这些部件都有世界统一的标准 此外 由于用一个光接口代替大量的电接口 可以直接经光接口通过中间节点 省去大量电路单元 6 SDH对网管设备的接口进行了规范 使不同厂家的网管系统互联成为可能 这种网管不仅简单而且几乎是实时的 因此降低了网管费用 提高了网络的效率 灵活性和可靠性 7 SDH与现有PDH完全兼容 体现了后向兼容性 同时SDH还能容纳各种新的业务信号 如高速局域网的光纤分布式数据接口 FDDI 信号 城域网的分布排队双总线 DQDB 信号 以及异步传递模式 ATM 信元 体现了完全的前向兼容性 5 2 2SDH的速率与帧结构要确立一个完整的数字体系 必须确立一个统一的网络节点接口 即要规范统一的接口速率和信号的帧结构 1 SDH的速率SDH具有统一规范的速率 SDH信号以同步传输模块 STM 的形式传送 SDH信号最基本的同步传输模块是STM 1 其速率为155 520Mbit s 更高等级的STM N信号是将STM 1经字节间插同步复接而成 其中 N是正整数 目前SDH仅支持N 1 4 16 64 ITU TG 707建议规范的SDH标准速率如表5 2 2所示 表5 2 2SDH标准速率 2 帧结构STM N信号帧结构的安排应尽可能使支路低速信号在一帧内均匀地 有规律的分布 这样便于实现支路信号的同步复用 交叉连接 DXC 分 插和交换 也即为了方便从高速信号中直接上 下低速支路信号 鉴于此 ITU T规定了STM N的帧是以字节 8bit 为单位的矩形块状的帧结构 如图5 24所示 图5 24SDH帧结构 从上图可以看出STM N的信号是9行 270 N列的帧结构 此处的N与STM N的N相一致 取值范围为1 4 16 64 表示此信号由N个STM 1信号通过字节间插复用而成 由此可知 STM 1信号的帧结构是9行 270列的块状帧 由上图可以看出 当N个STM 1信号通过字节间插复用成STM N信号时 仅仅是将STM 1信号的列按字节间插复用 行数恒定为9行 SDH信号帧传输的原则是 帧结构中的字节 8bit 从左到右 从上到下一个字节一个字节 一个比特一个比特 的传输 传完一行再传下一行 传完一帧再传下一帧 ITU T规定对于任何级别的STM等级 帧频是8000帧 秒 即每秒传送8000帧 也就是帧长或帧周期恒定为125 s 从图5 24可以看出 STM N的帧结构由3部分组成 段开销 SOH 包括 再生段开销 RSOH 和复用段开销 MSOH 管理单元指针 AU PTR 信息净负荷 payload 区域 下面讨论这三大部分的功能 1 信息净负荷 payload 区域信息净负荷区域是帧结构中存放各种信息负载的地方 信息净负荷区相当于STM N这辆运货车的车箱 车箱内装载的货物就是经过打包的低速信号 待运输的货物 为了实时监测货物 打包的低速信 号 在传输过程中是否有损坏 在将低速信号打包的过程中加入了监控开销字节 通道开销 POH 字节 POH作为净负荷的一部分与信息码块一起装载在STM N这辆货车上在SDH网中传送 它负责对打包的货物 低速信号 进行通道性能监视 管理和控制 需要注意的是 信息净负荷并不等于有效负荷 因为信息净负荷中存放的是经过打包的低速信号 即在低速信号中加上了相应的POH 2 段开销 SOH 段开销 SOH 是指STM N帧结构中为了保证信息净负荷正常 灵活传送所必须附加的供网络运行 管理和维护 OAM 使用的字节 例如段开销可进行对STM N这辆运货车中的所有货物在运输中是否有损坏进行监控 而POH的作用是当车上有货物损坏时 通过它来判定具体是哪一件货物出