现代通信技术2(光纤通信).ppt

光纤通信技术 西安科技大学通信与信息工程学院韩晓冰教授 1 通信 1 1通信系统模型 信源 处理与编码 解码与处理 接收设备 传输媒质 发射设备 信宿 1 2通信网的基本构成 终端设备传输链路光纤传输系统卫星传输系统数字微波传输系统转接交换设备 1 3电话通信网的等级结构 一级交换中心C1二级交换中心C2长途网三级交换中心C3四级交换中心C4端局C5本地网T 国际国际局 2 传输系统 光纤传输系统卫星传输系统微波传输系统同轴传输系统明线传输系统载波传输系统 PCM电话通信系统示意图 发送端接收端话音PCM信号PCM信号话音信号信号模数变换信道模数变换 PulseCodeModulation PCM 3 光纤通信 3 1光纤通信简史 古代光通信3000年前的烽火台 17世纪中叶 发明了望远镜 1791年 法国人发明了信号灯 现代光通信 光话1880年贝尔发明 光话 他以日光为光源 大气为传输媒介 传输距离是200米 1881年贝尔发表了论文 关于利用光线进行声音的复制与产生 贝尔的光话始终没有实用化 1 没有可靠的 高强度的光源 2 没有稳定的 低损耗的传输媒介 1970年光纤通信元年1960年 第一台相干振荡光源 红宝石激光器问世 1962年 半导体激光器问世 1970年贝尔实验室制作出可以在常温下连续工作的铝镓砷 AlGaAs 半导体激光器 直到60年代中期 优质光学玻璃的损耗仍高达1000dB km 英国标准电信研究所的华裔科学家高锟博士于1966年发表了一篇论文 提出利用带有包层材料的石英玻璃光纤作为光通信媒介 1970年美国康宁 Corning 公司制成损耗为20dB km的低损耗石英光纤 1976年 发现光纤的衰减在长波长区有 1 31um和1 55um两个窗口1980年 产生了低衰减光纤 在1 55um的衰减系数为0 20dB km已接近理论值 ITU TG 652 常规单模光纤 在1 31um的零色散为零 ITU TG 653 色散位移单模光纤 低损耗和零色散均在1 55um 工作波长为1 55um ITU TG 655 非零色散位移单模光纤 在1 55um损耗小 色散小 非线性效应小 3 2光纤通信 以光波为载频 以光导纤维为传输介质的通信方式波长范围是近红外区 即0 8 1 6微米目前所采用的三个实用通信窗口短波波长段 波长为0 85微米长波波长段 1 31微米和1 55微米 光纤通讯的优点 具有传输频带宽 通信容量大传输衰减小 距离远信号串扰小 传输质量高抗电磁干扰 保密性好光纤尺寸小 质量轻便于运输和敷设耐化学腐蚀 适用于特殊环境原料资源丰富节约有色金属 4 光纤 4 1光纤传输基本原理 光纤通信所用的光波长范围在800 1600nm的近红外区光的传播是通过电场 磁场的状态随时间变化的规律表现出来的 光纤心线的剖面结构示意图 纤芯包层一次涂覆二次涂覆 套塑 2a2b 4 2光纤 光纤的传播模式在光纤的数值孔径角内 以某一角度射入光纤端面 并能在光纤的纤芯到包层界面上形成全反射的传播光线就可称为一个光的传输模式 高次模基模低次模 平面波的反射和折射 反射 1 1 折射 n1sin 1 n2sin 2全反射 sin 1 n2 n1 4 3光纤的传输特性 衰减色散偏振模色散光纤的非线性效应 衰减 衰减 表明光纤对光能的传输损耗 光在光纤中传播时 平均光功率沿光纤长度按照指数规律减少 P L P 0 10 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 L 10 L P L P 0 dB km 衰减谱 衰减系数与波长的函数关系 衰减起因 色散 光纤中的信号是由不同的频率成分和不同的模式成分来携带的 这些不同的频率成分和不同的模式成分的传输速度不同 从而引起 色散 脉冲展宽 T 光纤的非线性效应 散射影响受激布里渊散射 SBS 受激拉曼散射 SRS 光纤克尔 折射率引起 效应自相位调制 SPM 交叉相位调制 XPM 四波混频 FWM 4 4光纤的类型 多模光纤 纤芯直径为50 75微米在一定的工作波长下 有多个模式在光纤中传输单模光纤 纤芯直径很小 约4 10微米理论上只传输一种模式 阶跃型单模光纤的典型结构 梯度型单模光纤的典型结构 折射率呈梯度分布和更低的衰减 使其性能比阶跃性单模光纤要好得多 单模光纤 标准单模光纤 G 652光纤 色散位移单模光纤 G 653光纤 1550nm波长最低衰减光纤 G 654光纤 非零色散位移光纤 G 655光纤 色散补偿光纤 G 65X光纤 色散平坦光纤 4 5光缆结构与分类 结构 缆芯 加强件 护层 护套 光缆结构图 光缆型号表示方法 1 型号的组成型号由产品型式和规格两大部分组成 格式 型式规格型式 由以下五部分组成 分类代号GY 通信用室外光缆GJ 通信用室内光缆加强构件代号无符号 金属加强构件F 非金属加强构件结构特征代号无符号 层绞结构X 光缆中心管 被覆 结构T 油膏填充式结构C 自承式结构8 8 字型结构E 椭圆结构B 扁平形状Z 阻燃结构 护套代号Y 普通聚乙烯V 聚氯乙烯护套A 铝 聚乙烯粘结护套S 钢 聚乙烯粘结护套W 夹带平行钢丝的钢 聚乙烯粘结护套 简称W护套 AT 耐电痕聚乙烯护套外护层代号23 双层绕包钢带铠装聚乙外护套33 单层细圆钢丝铠装聚乙外护套333 双层细圆钢丝铠装聚乙外护套53 纵包皱纹钢带铠装聚乙外护套 光缆实例 GYSTAGYSTA53GYSTSGYXTWGYXTY光缆应用类型介绍 5光器件 5 1光源 LED 功率小 谱线宽 LD 功率大 谱线窄 5 2检测器 PIN APD 5 3EDFA 掺铒光纤放大器 原理 应用中间放大 前置放大 6WDM 波分复用 6 1原理 6 2器件 7光纤通信系统 7 1光纤通信系统的发展 第一代光纤通信系统 1973年 1976年 采用短波长 0 85 m 多模光纤 其传输速率为50 100Mb s 中继距离为10km 第二代光纤通信系统 1976年 1982年 采用长波长 1 3 m 多模和单模光纤 其传输速率为140Mb s 中继距离为20 50km 第三代光纤通信系统 1982年 1988年 采用波长 1 31 m 单模光纤 其传输信号为PDH的各次群信号 传输距离为50km左右 第四代光纤通信系统 1988年至今 采用波长 1 55 m 单模光纤 其传输信号为SDH的各次群信号 传输速率达2 5Gb s 中继距离为80km左右 并开始采用光纤放大器 EDFA 波分复用 WDM 等技术 我国光纤通信技术进展 一 初级研究阶段 1974 1980 研制出了阶跃多模光纤 室温下的连续工作的GaAlAs半导体激光器和8Mb s光端机等 二 实用化研究阶段 1981 1985 解决了市话中继多模光纤传输系统 三 长途通信研究阶段 1986 1990 单模光纤长途干线系统的成套技术 包括光纤 器件 系统 测试 仪表等 四 光同步数字传送同研究阶段 1991 1996 这一阶段的主要任务是巩固和发展PDH研究已取得的多项成果 引进 开发或自制SDH产品 7 2光纤通信系统的基本构成 以电话传输系统为例 7 3光纤通信系统的制式 PDH 准同步数字系列SDH 同步数字系列 SDH的定义SDH是一个将复接 线路传输 交叉连接及交换功能融为一体的 并由统一的网管系统进行管理的综合业务传送网络 7 4SDH 光同步传输系统 SDH的发展背景 1 80年代光纤通信在电信网中获得了大规模的应用 2 1985年美国贝尔通信研究所提出了同步光纤网 SONET 的概念 3 1988年CCITT正式命名SDH 同步数字体系 SDH的应用领域 涉及领域 长途通信 交换 接入 移动等等 应用趋势 逐步从长途通信 市话局间中继通信转向用户网 SDH的特点 SDH统一了世界上的三种数字体系 具有标准的光接口 上 下支路方便 用于网络运行 管理 维护的开销丰富 网络具有自愈性 组网灵活 准同步数字系列 PDH 400Mb s 100Mb s 32Mb s 6 3Mb s 日本系列 274Mb s 45Mb s 6 3Mb s 565Mb s 139Mb s 34Mb s 8Mb s 2Mb s 1 5Mb s 北美系列 欧洲系列 4 4 4 4 4 4 3 5 6 7 4 1 5Mb s SDH的速率等级 SDH具有一套标准化的信息结构等级 称为同步传送模块STM 1 STM 4和STM 16 并具有页状矩形帧结构 SDH的弱点 1 频点利用率不如传统的PDH系统 2 采用指针调整机理增加了设备的复杂性 3 指针调整产生的相位跃变在低频抖动和漂移性能上信号损伤较重 4 网管权限大 出现在网管上的错误可导致全网瘫痪 STM N帧结构 MSOH RSOH 传输方向 9 270 N字节 13459 9 N 261 N 传输方向 270 N STM N信息净负荷 含少量POH STM N信息净负荷 含少量POH AUPTR AUPTR RSOH MSOH STM 1帧由9行 270列共2430个字节组成 传送时按由左到右 由上至下的顺序进行 直到整个帧传送完毕 每秒传送8000帧 因此其传输速率为 270 9 8 8000 155 520Mbit s SDH传送网的分层模型 1 设备的设计和实现更加简单2 使规范在一个长久的时期内保持稳定3 便于维护 分层的好处 SDHG 709复用映射结构 虚容器 STM N N 1 140Mb s 45Mb s34Mb s 6 3Mb s 2Mb s 1 5Mb s 3 C 11 C 12 C 2 C 3 C 4 VC 11 VC 2 VC 3 VC 3 VC 4 TU 11 TU 12 TU 2 TU 3 TUG 2 TUG 3 AUG AU 3 AU 4 VC 12 3 4 1 容器 支路单元 管理单元 支路单元组 管理单元组 同步传送模块 定位校准 复用 映射 我国采用的复用映射结构 虚容器 STM N N 1 140Mb s 34Mb s C 12 C 3 C 4 VC 12 VC 3 VC 4 TU 12 TU 3 TUG 2 TUG 3 AUG AU 4 3 容器 支路单元 管理单元 支路单元组 管理单元组 同步传送模式 定位校准 复用 2Mb s 映射 欧洲电信标准协会采用的复用映射结构是G 709建议的一部分 即高阶虚容器中没有VC 3