通信工程系列教程.doc

第一部分：光纤通信基础理论第一节：光纤通信发展简史光通信就是利用光波来载送信息，实现通信。光纤是一种传输媒体，它的传输类似于铜线，电缆的传输，不同的是，它所承载的是光信号。光纤通信，即是以光纤为传输媒介的通信方式。一般而言，传递信息由以下三个环节组成：获取信息、信息交换及信息传输。 光纤通信是其中的信息传输环节。 而信息传输有二个必要前提： a. 可靠的信号源 -在光纤通信中为激光器b. 良好的传输媒体 -在光纤通信中为光纤随着这两个必要的条件的相续出现，光纤通信开始了它的飞速发展，拉开了光纤通信这个通信行业中最为重要的传输手段之一的技术的序幕。容易想像，利用光在空气中直线传播的特点，进行大气传输光通信，不需要任何线路，简单、经济。1960年梅曼（T.H.Maiman）发明了红宝石激光器，产生了单色相干光，使高速的光调制成为可能。此后相续出现了各色各样的大气传输系统实验，但后来发现大气传输光通信存在许多严重的问题，不可实际使用。1966年，英籍华人高锟（C.K.Kao）和Hockham预见利用玻璃可以制成衰减为20dB/km的通信光导纤维（简称光纤）。而当时世界上最优良的光学玻璃的衰减达1000dB/km左右。1970年，美国康宁玻璃公司首先制出了衰减为20dB/km的光纤，取得了重大的突破。使得光纤通信成为可能。1974年，光纤衰减降低到了2dB/km。1980年，光纤衰减低达0.2dB/km（在1.55m长波长低衰减窗口），接近理论值。这样，使得长距离的光纤通信成为可能。并且，由于提纯工艺的不断改进，使光纤的传输窗口从0.85m的短波长窗口移到1.3m、1.55m的长波长低衰减窗口。在1976年后，各种实用的光纤通信系统陆续出现。在1980年，世界许多国家都研制成商用的光纤通信系统。从此，光纤通信大踏步地走入了商用时期。注：到了现在，激光器的使用寿命已在100,000小时以上，光纤的典型传输窗口与损耗为：1550nm窗口损耗0.18dB/KM 1310nm窗口损耗0.35dB/KM 在光纤通信中，我们常常会提到传输窗口的概念，大家知道，任何波长的光都可以在光纤中传输，而某几个波长的光在光纤中的传输损耗低于其它波长的光在光纤中的传输损耗，这几个特定的波长就是我们所说的传输窗口，目前最常用的传输窗口就是在上面所提到的850nm，1310nm以及1550nm。损耗的计算公式如下：损耗(dB)=10lg(输入/输出)。 损耗的单位dB为相对单位，代表一种倍率关系，而非绝对值概念。光纤通信中传输窗口的图示说明第二节：光纤通信的特点与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优缺点如下：（1） 优点：A) 传输频带极宽，通信容量很大。B) 传输衰减小，距离远。C) 信号串扰小，传输质量高。D) 抗电磁干扰，保密性好。E) 光纤尺寸小，重量轻，便于运输和敷设。F) 耐化学侵蚀，适用于特殊环境。G) 原料资源丰富。H) 节约有色金属。以上的这些优点处使了光纤通信面世以来的迅猛发展，在众多的优点当中，光纤通信最为主要的优点就是容量大、传输距离远。下面就比较形象、具体的说明一下这两个优点： 1）、容量大主要指它的频宽，我们可以把信息和频宽形象化。我们用公路来表示频宽，公路上行驶的车辆表示信息量大小。公路越宽，行驶的车辆越多，一般来说：电话线 - 乡间小路（频带：300HZ-3.4KHZ）语音信号 - 自行车双绞线，铜轴线 - 柏油马路（频带：几十-几百MHZ）一般数据信号 - 普通汽车光纤 - 高速公路（频带：几十GHZ）彩色图象信号 - 载重卡车由此可见，光纤的容量之大，所谓信息高速公路也就不难理解。尤其在主干线上必将以光纤作为通信媒体。从实验室里看，一根光纤已可传数十万路电话和几百路电视从实际运用看，一根光纤已可传3万路电话和几十路电视在光纤的数字传输系统中，有两种数字传输系列：PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy）“准同步数字系列”（较早运用）SDH（Synchronous Digital Hierarchy）“同步数字系列”（环网型，可自动愈合，为目前多见）具体传输速率如下：异步(PDH) 基 群：2.048Mbit/s 30路电话 二次群：8Mbit/s 120路电话 三次群：34Mbit/s 480路电话 四次群：144Mbit/s 1920路电话 五次群：576Mbit/s 7680路电话同步(SDH) 155Mbit/s，622Mbit/s，2.5Gbit/s 3万路电话2）、中继距离长中继：不通过中转站所能传输的最远距离。 在光纤通信中, 传输波长1310nm 中继距离为60KM 波长1550nm中继距离为90-110 KM。而同轴电缆（传图象信号）中继距离最长为3.2KM，每隔3.2KM就要进行放大。如果传送距离长就不合算，而且容易出问题。所以光纤通信的使用，节省了费用，而且减小维护，可靠性高。（2） 缺点：A) 光纤弯曲半径不宜过小。B) 光纤的切断和连接操作技术要求十分娴熟。C) 分路、耦合操作繁琐。应该指出，光纤通信的缺点，都已在不同程度上得以克服，它们不影响光纤通信的实用。以下表格分别列出光纤与几种电通信传输介质的比较及光纤通信的一些应用场所。光纤与其他几种电通信传输介质的特性比较传输介质带宽（MHz）衰减系数（dB/km）中继距离（km）敷设安装接续对称电缆同轴电缆微波波导光纤光缆640040120(MHz)10GHz.km20（4MHz）19（60MHz）20.23121.61050方便方便特殊方便方便较方便特殊特殊光纤的特点及其应用场合光纤特点应用场合低衰减、宽频带尺寸小、重量轻抗电磁干扰耐化学侵蚀公用通信，有线电视图像传输公用通信，计算机，飞机，导弹，船舰内通信控制电力及铁道通信，交通控制信号，核电站通信油田、炼油厂、矿井等区域的通信第三节：光纤通信系统1. 基本光纤通信系统 自古以来，人类主要关心的一个问题是，发明用来把某一个地方的信息传送到另一个遥远地方的通信系统。下图展示的是任何一个这样的通信系统的基本组成要素。最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成，这些组成要素包括位于一端的信息源，它把信息输入到一个发送机中。它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的信号；发送机则以信号（它必须与传输信道的传递特性相适配）的形式，将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号耦合到传输信道中去，先后用过的光波窗口有0.85、1.31和1.55。信息源信息终端接收机传输信道发送机通信系统的基本组成要素传输信道是把发送机与接收机之间的距离连接起来的介质。而光学信道包括最基本的光纤，还有中继放大器EDFA等；而光学接收机则接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。2. 数字光纤通信系统光纤传输系统是数字通信的理想通道。与模拟通信相比较，数字通信有很多的优点，灵敏度高、传输质量好。因此，大容量长距离的光纤通信系统大多采用数字传输方式。 在光端机中，电信号对光的调制有两种方法：直接调制和外调制。但是它们的调制的速率是有限的，一般是1020Gbit/s。如要充分利用和发挥光纤的超大容量的潜力，需要采用多路复用的光纤通信系统。多路复用技术包括：频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM）、波分多路复用（WDM）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）。如波分多路复用技术可在光纤中开发出100200个光频道，每频道可容纳1020Gbit/s信息传输。第四节：光纤通信展望从80年代开始，光纤通信的高速发展超乎了人们的想象，光通信网络逐渐成为现代通信网的基础平台。在此期间，光纤通信系统的发展经历了几个阶段，从80年代末的PDH系统，到90年代中期的SDH系统，直到现在的WDM系统，光纤通信系统自身在快速地更新换代。1995年开始，WDM技术的发展进入了快车道，特别是基于掺铒光纤放大器EDFA的1550nm窗口密集波分复用（DWDM）系统。发展迅速的主要原因在于：（1）光电器件的迅速发展，特别是EDFA的成熟和商用化，使在光放大器（15301565nm）区域采用WDM技术成为可能。（2）TDM10Gbs面临着电子元器件的挑战，利用TDM方式已日益接近硅和镓砷技术的极限，TDM已没有太多的潜力可挖，并且传输设备的价格也很高。（3）已敷设G.652光纤1550nm窗口的高色散限制了TDM10Gbs系统的传输，光纤色度色散和极化模色散的影响日益加重。人们正越来越多地把兴趣从电复用转移到光复用，即从光域上用各种复用方式来改进传输效率，提高复用速率，而WDM技术是目前能够商用化的最简单的光复用技术。WDM是一种在光域上的复用技术，形成一个光层的网络既“全光网”，将是光通讯的最高阶段。建立一个以WDM和OXC(光交叉连接)为基础的光网络层，实现用户端到端的全光网连接，用一个纯粹的“全光网”消除光电转换的瓶颈，将是未来的趋势。现在WDM技术还是基于点到点的方式，但点到点的WDM技术做为全光网通讯的第一步，也是最重要的一步，它的应用和实践对于全光网的发展有举足轻重的影响。 光纤传输系统速率的提高也带来了一个新的问题。在这种高速传输的网络中，如果网络节点处仍以电信号处理信息的速度进行交换，就会受到所谓“电子瓶颈”（10Gbps）的限制，节点将变得庞大而复杂，超高速传输所带来的经济效益将被昂贵的光/电和电/光转换费用所抵消。为了解决这一问题，人们提出了全光网AON（All Optical Network）的概念。全光网，又称宽带高速光联网，它以波长路由光交换技术和波分复用传输技术为基础，在光域上实现信息的高速传输和交换，数据信号从源节点到目的节点的整个传输过程中始终使用光信号，在各节点处无光/电、电/光转换。全光网，从原理上讲就是网中直到端用户节点之间的信号通道仍然保持着光的形式，即端到端的全光路，中间没有光电转换器。这样，网内光信号的流动就没有光电转换的障碍，信息传递过程无需面对电子器件处理信息速率难以提高的困难。全光网技术是光纤通讯领域的前沿技术，是21世纪真正的高速公路。目前，许多国家都把全光网作为建设“信息高速公路”的基础，将其提升到战略地位的高度。第五节：专用术语解释1. 绝对功率（dBm）：以分贝表示的绝对功率, 用公式表示：m=10 lg(/1)dBm 其中：m代表功率电平。代表需要计量的功率值，单位为毫瓦，零电平功率为一毫瓦。dBm表示以一毫瓦为基准的功率电平的分贝值。2. 分贝（dB）：表示功率增益或衰耗值，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。用公式表示： 10lg（P2/P1）P2代表输出功率或接收功率。P1代表输入功率或发射功率。两者单位一致。3. 动态范围（dB）：初始背向散射电平与噪声低电平的dB差值被定义为OTDR的动态范围4. 盲区：我们将诸如活动连接器、机械接头等特征点产生反射引起的OTDR接收端饱和而带来的一系列“盲点”称为盲区。光纤中的盲区分为事件盲区和衰减盲区两种：由于介入活动连接器而引起反射峰，从反射峰的起始点到接收器饱和峰值之间的长度距离，被称为事件盲区；光纤中由于介入活动连接器引起反射峰，从反射峰的起始点到可识别其他事件点之间的距离，被称为衰减盲区。对于OTDR来说，盲区越小越好。5. 色散（ps/km.nm）：主要是指集中的光能，例如光脉冲经过光纤传输后在输出端发生能量分散，导致传 输信号畸变。6. 反射损耗（dB）：反射(回波)损耗由于瑞利散射和菲涅尔反射在光纤输入端检测到的反射(回波)信号的功率分贝数的变化方式：反射信号输入信号反射损耗RL10lg7. 误码：在数字通信系统中，当发送端发送“1”码时，接收端收到的却是“0”码；而当发送端发送“0”码时，接收端却接收到了“1”码，这种接收码与发送码不一致的情况就叫做误码。产生误码的主要原因是传输系统的噪声和脉冲抖动。在数字光纤通信系统中，误码性能用误比特率BER来衡量。BER错误比特数/传输总的比特数，对于数字光通信系统来说，一般要求系统的误比特率小于10-9。8. 抖动：又称为相位抖动，是指数字脉冲信号的相位摆动,或时间上的前后摆动。第六节：各类光纤介绍1. G.652光纤即常规光纤（SMF），有两个应用窗口，1310和1550nm，对应每公里典型损耗值分别为：0.34dB和0.2dB，它的色散系数比较高（1550nm为17ps/km.nm），不利于高比特率系统的波分复用。2. G.653光纤又称色散位移光纤（DSF），这种光纤是通过改变折射率的分布将1310nm附近的零点散点，位移到1550nm附