光纤通信第一单元课件

1、 光纤通信网与测试技术 主讲 李珊君 全书共分为全书共分为8 8章：章： 第第1 1章章 概述概述 第第2 2章章 光纤光纤 第第3 3章章 光发送设备光发送设备 第第4 4章章 光接收设备光接收设备 第第5 5章章 光纤数字通信系统光纤数字通信系统 第第6 6章章 光纤数字通信系统的传输规范光纤数字通信系统的传输规范 第第7 7章章 现代光纤网络现代光纤网络 第第8 8章章 未来的全光网络未来的全光网络第第1 1章章 概述概述 1.1 1.1 光纤通信的基本概念光纤通信的基本概念 1.2 1.2 光纤通信系统的构成及分类光纤通信系统的构成及分类 1.3 1.3 数字话路基础知识数字话路基础知

2、识 第第1 1章章 概概 述述 1.1 1.1 光纤通信的基本概念光纤通信的基本概念1.1.1 1.1.1 光纤通信的定义光纤通信的定义通信通信：从一地向另一地传输有用的信息。从一地向另一地传输有用的信息。 通信的三要素：通信的三要素：l载波载波 l传输媒质传输媒质 l光电转换接收光电转换接收光通信光通信：利用光波来载送有用信息，实现通信。：利用光波来载送有用信息，实现通信。光纤通信光纤通信 以光波作为传输信息的载波、以光纤作为传以光波作为传输信息的载波、以光纤作为传输介质的一种通信。输介质的一种通信。 光纤通信属于光通信和有线通信的范畴。光纤通信属于光通信和有线通信的范畴。 图图1-1 1-

3、1 光纤通信的简单示意图光纤通信的简单示意图1.1.2 1.1.2 光纤通信发展过程光纤通信发展过程 光纤通信的发展大体经历了三个阶段。光纤通信的发展大体经历了三个阶段。 （1 1）2020世纪世纪7070年代的起步阶段年代的起步阶段（a a）低损耗光纤）低损耗光纤 19661966年，预见年，预见20db/km20db/km的通信光导纤维的通信光导纤维 19701970年年, ,研制出研制出20db/km 20db/km 的光纤的光纤 19721972年年, , 4db/km ; 19734db/km ; 1973年，年，1db/km1db/km 19761976年年,0.5 db/km;1

4、979,0.5 db/km;1979年，年，0.2 db/km0.2 db/km（b b）小型高效的光源和低噪声的光检测器件）小型高效的光源和低噪声的光检测器件 19621962年，年， GaALAsGaALAs（镓铝砷）注入式半导体激（镓铝砷）注入式半导体激光器光器: :光波长光波长0.850.85m m ，不能在室温下工作，不能在室温下工作) )19701970年年,GaALAs ,GaALAs 双异质结注入式激光器：室温双异质结注入式激光器：室温下工作下工作19811981年年, GaALAs , GaALAs 发光二极管：寿命长，发光发光二极管：寿命长，发光二极管速率低，功率小，谱线宽

5、，非相干光源二极管速率低，功率小，谱线宽，非相干光源 GaALAsGaALAs激光器：短波长（激光器：短波长（0.850.85m)m) InGaAsPInGaAsP长波长激光器和发光二极管：长波长长波长激光器和发光二极管：长波长1.21.2m m ，1.311.31m m ，1.551.55m m（c c）光纤通信实验系统）光纤通信实验系统 1976-19791976-1979年，美国日本相继进行了年，美国日本相继进行了0.850.85m m、速速率为几十率为几十Mb/sMb/s的多模光纤通信系统的现场试验。的多模光纤通信系统的现场试验。 (2)20(2)20世纪世纪8080年代进入商用阶段年

6、代进入商用阶段 多模多模 单模单模 0.850.85m 1.31m 1.31m m，1.551.55m m通信速率达几百通信速率达几百Mb/sMb/s (3)20(3)20世纪世纪9090年代进入提高阶段年代进入提高阶段 19931993年实现年实现2.5Gb/s2.5Gb/s单波长光纤通信系统单波长光纤通信系统 19951995年年10Gb/s10Gb/s的单波长光纤通信系统的单波长光纤通信系统 密集波分复用技术密集波分复用技术使使传输速率提高到几百传输速率提高到几百Gb/sGb/s(4(4）我国发展状况）我国发展状况 1987 1987年前在市话中继线路上、年前在市话中继线路上、19871

7、987年开始长途干年开始长途干线应用光纤通信，线应用光纤通信，19881988年多模向单模发展，年多模向单模发展，2020世纪世纪9090年代大力发展年代大力发展，主要变化体现在，主要变化体现在：（a a）制式：）制式：9595年以前年以前PDHPDH为主，现为主，现SDHSDH占绝对优势占绝对优势（b b）光波模式：单模取代多模。）光波模式：单模取代多模。（c c）通道：单通道为主发展到多通道，即）通道：单通道为主发展到多通道，即DWDMDWDM系统为系统为主。主。（d)d)速率：经历了速率：经历了34Mb/s34Mb/s、140Mb/s140Mb/s、565Mb/s565Mb/s到到622

8、Mb/s622Mb/s和和2.5Gb/s2.5Gb/s的升级，目前长途网逐步演变为的升级，目前长途网逐步演变为以以10 Gb/s10 Gb/s为基础的为基础的DWDMDWDM系统占主导地位。系统占主导地位。（e e）网络结构：简单的点对点链形到环形结构，再演网络结构：简单的点对点链形到环形结构，再演变为格网形，现在变为格网形，现在是是比较完善的网状网。比较完善的网状网。 我国发展状况概述我国发展状况概述（a a）已敷设光缆的总长度超过了）已敷设光缆的总长度超过了4.054.05* *10106 6KmKm，约约7.5827.582* *10107 7芯公里。微波线路芯公里。微波线路2 2* *

9、10105 5KmKm。（b b）光纤通信是我国信息传送的主要手段，我）光纤通信是我国信息传送的主要手段，我国信息容量国信息容量90%90%以上是通过光缆线路传送。以上是通过光缆线路传送。（c c）长途网逐步演变以）长途网逐步演变以10Gbit10Gbit为基础的为基础的DWDM DWDM 系系统占主导地位。统占主导地位。10Gbit/s10Gbit/s以太网进入商用，以太网进入商用，40Gbit/s40Gbit/s以太网也已出现。研究以太网也已出现。研究80GE80GE、100GE100GE，探讨探讨160Gbit/s160Gbit/s发展的可能性。发展的可能性。（d d）核心网从）核心网从

10、10Gbit/s10Gbit/s为基础的网络向为基础的网络向40Gbit/s40Gbit/s为基础的网络发展。为基础的网络发展。已掌握已掌握40Gbit/s SDH40Gbit/s SDH光通信设备和系统的基本光通信设备和系统的基本技术，在技术，在G.655G.655和和G.652G.652光纤上的无再生传送距光纤上的无再生传送距离均达到离均达到560km560km。传送网中容量最大的系统是传送网中容量最大的系统是160160* *10Gbit/s,10Gbit/s,无无再生距离达再生距离达3040km3040km。已掌握已掌握8080* *40Gbit/sDWDM40Gbit/sDWDM系统

11、的基本技术系统的基本技术, ,无再无再生距离达生距离达800km800km。 已掌握已掌握40Gbit/s SDH40Gbit/s SDH的的ASONASON技术技术, ,发展方向是发展方向是基于基于OTNOTN的的ASON,ASON,向全光网靠近。向全光网靠近。(e(e）光器件和光电器件）光器件和光电器件:EDFA:EDFA，40Gbit/s40Gbit/s发射模发射模块中的激光调制驱动器和块中的激光调制驱动器和PIN/TIAPIN/TIA组件、光收组件、光收发模块、高速啁啾光纤光栅色散补偿器等发模块、高速啁啾光纤光栅色散补偿器等. .(f(f）城域网：基于）城域网：基于SDHSDH的的MS

12、TPMSTP向基于向基于WDMWDM的的MSTPMSTP发展。（发展。（ 基于基于DWDMDWDM的的MSTPMSTP与与OTNOTN的的ASONASON衔接更衔接更容易）。容易）。（g g）光纤接入网：研究开发和生产起步较早，）光纤接入网：研究开发和生产起步较早，P2PP2P和和xPONxPON用的器件成熟，且有大量出口。用的器件成熟，且有大量出口。1.1.3 1.1.3 光纤通信的优点光纤通信的优点 (1)1)速率高，传输信息量大速率高，传输信息量大 光纤光纤 明线载波线路明线载波线路 微波通信微波通信 如采用空分复用、波分复用、电复用，容量更大如采用空分复用、波分复用、电复用，容量更大。

13、143.5 10104HzKHz亿路143.510104H zK H z亿 路(2)(2)损耗低、传输距离远损耗低、传输距离远在传输时由于存在损耗，信号不断衰减，为了在传输时由于存在损耗，信号不断衰减，为了将衰减了的信号放大后再继续传输，设立中继将衰减了的信号放大后再继续传输，设立中继站，存在问题：站，存在问题：（a a）成本高）成本高（b b）可靠性降低）可靠性降低（c c）维护不方便）维护不方便最大中继距离：最大中继距离： -中同轴电缆系统中同轴电缆系统 ：6KM6KM - -微波微波 ：50KM50KM - -石英光纤石英光纤 ：161KM161KM(3)(3)抗干扰能力强，保密性能好抗

14、干扰能力强，保密性能好 有强电干扰和电磁辐射的环境中，解决了有强电干扰和电磁辐射的环境中，解决了电通信系统多年来困扰人们的干扰问题。电通信系统多年来困扰人们的干扰问题。 明线、电缆附近装设特别接收装置可窃听。明线、电缆附近装设特别接收装置可窃听。 光缆（消光剂）光跑不出来，在光纤外面光缆（消光剂）光跑不出来，在光纤外面窃听不到信息，也无串音。窃听不到信息，也无串音。( () )质量轻、体积小，便于线路施工质量轻、体积小，便于线路施工 民用：经济，减少通信系统所占的空间，解决民用：经济，减少通信系统所占的空间，解决地下管道拥挤。地下管道拥挤。 军用：安装于飞机、火箭、导弹、潜艇内，可军用：安装于

15、飞机、火箭、导弹、潜艇内，可减少燃料，提高速度。减少燃料，提高速度。 比较：比较：（a a）1M1M的线缆的线缆 ：1818管同轴电缆管同轴电缆11kg11kg， 同等容同等容量的光纤量的光纤90g90g。（b b）光纤的芯径很细，只有单管同轴电缆）光纤的芯径很细，只有单管同轴电缆1/1001/100，光缆光缆8 8芯横截面直径约芯横截面直径约10mm10mm，标准同轴电缆，标准同轴电缆47mm47mm。( () )耐腐蚀、耐高温、防爆，可在恶劣环境耐腐蚀、耐高温、防爆，可在恶劣环境中工作中工作 石英玻璃耐腐蚀，且熔点在石英玻璃耐腐蚀，且熔点在20002000。C C以上，光纤以上，光纤接头处

16、不产生放电，没有电火花接头处不产生放电，没有电火花(6)(6)节约有色金属和原材料节约有色金属和原材料地球上含量丰富，蕴藏丰富，制造地球上含量丰富，蕴藏丰富，制造1km1km光纤，光纤，4040克高纯度石英克高纯度石英1km1km，八管中同轴电缆耗铜，八管中同轴电缆耗铜120kg120kg，铅，铅500kg. 500kg. 1.2 1.2 光纤通信系统的构成及分类光纤通信系统的构成及分类 1.2.1 1.2.1 光纤通信系统的基本构成光纤通信系统的基本构成 主要组成部分包括光纤、光发送器、光主要组成部分包括光纤、光发送器、光接收器、光中继器和适当的接口设备等。实接收器、光中继器和适当的接口设备

17、等。实际中，光发送器和光接收器安放在同一机架际中，光发送器和光接收器安放在同一机架中，合称为光纤传输终端设备，简称光端机中，合称为光纤传输终端设备，简称光端机。图图1-21-2光纤通信系统的基本构成框图光纤通信系统的基本构成框图 将电端机传来的电信号转换为光信号，并将光将电端机传来的电信号转换为光信号，并将光信号耦合到光纤或光缆中传输，由驱动电路和信号耦合到光纤或光缆中传输，由驱动电路和光源组成（发光管光源组成（发光管LEDLED或激光管或激光管LDLD）。（1 1）光发射机）光发射机 将经光纤或光缆传输后的幅度被衰减、将经光纤或光缆传输后的幅度被衰减、波形被展宽的微弱光信号转变为电信号，并波

18、形被展宽的微弱光信号转变为电信号，并放大处理恢复为原来的信号。放大处理恢复为原来的信号。检测器：检测器： 短波长：短波长：Si-APDSi-APD。 长波长：长波长： e eAPDAPD、InGaAsP-APDInGaAsP-APD以及以及 PINPIN。 为提高灵敏度，使用为提高灵敏度，使用PIN-FETPIN-FET。（2 2）光接收机光接收机 （）（）光纤和光缆光纤和光缆：将由发射机端光源发出的光：将由发射机端光源发出的光信号，经远距离传输后耦合到接收机端的检测信号，经远距离传输后耦合到接收机端的检测器，完成信息传输任务。器，完成信息传输任务。（）（）中继机中继机：也称中继站，补偿光的衰

19、减，对：也称中继站，补偿光的衰减，对波形失真的脉冲进行整形。波形失真的脉冲进行整形。（）（）光纤连接器、耦合器等无源器件光纤连接器、耦合器等无源器件：包括光：包括光纤连接器、光缆连接器、光隔离器、光开关、纤连接器、光缆连接器、光隔离器、光开关、光分路耦合器、光衰减器和调制器等。光分路耦合器、光衰减器和调制器等。1.2.2 1.2.2 光纤通信系统分类光纤通信系统分类(1) (1) 按传输信号划分按传输信号划分光纤模拟通信系统光纤模拟通信系统特征：用模拟电信号对光源强度进行调制特征：用模拟电信号对光源强度进行调制优点：设备简单，不需要模数数模转换部件优点：设备简单，不需要模数数模转换部件缺点：光

20、电变换时噪声大，使用光中继器时噪声积缺点：光电变换时噪声大，使用光中继器时噪声积累多累多适用范围：短距离通信，如传输广播电视节目、工适用范围：短距离通信，如传输广播电视节目、工业和交通监控电视等业和交通监控电视等 光纤数字通信系统光纤数字通信系统特征：用特征：用PCMPCM电信号对光源强度进行调制。电信号对光源强度进行调制。优点：抗干扰性强，噪声积累少，与计算机连用方便优点：抗干扰性强，噪声积累少，与计算机连用方便缺点：设备较为复杂缺点：设备较为复杂适用范围：长距离通信，应用广泛适用范围：长距离通信，应用广泛 1.2.2 1.2.2 光纤通信系统分类光纤通信系统分类 (2) (2) 按光波长和

21、光纤类型划分按光波长和光纤类型划分 短波长（短波长（0.85 m0.85 m左右）多模光纤通信系统左右）多模光纤通信系统 通信速率低于通信速率低于34 Mb/s34 Mb/s，中继距离在，中继距离在10 km10 km以内。以内。 长波长光纤通信系统长波长光纤通信系统 1.31 m 1.31 m多模光纤通信系统多模光纤通信系统 通信速率为通信速率为34 Mb/s34 Mb/s和和140 Mb/s140 Mb/s，中继间距为，中继间距为20 km20 km左左右。右。 1.31 m 1.31 m 单模光纤通信系统单模光纤通信系统 通信速率可达通信速率可达140 Mb/s140 Mb/s和和565

22、 Mb/s565 Mb/s，中继间距为，中继间距为303050 km50 km（140 Mb/s140 Mb/s）。）。 1.55 m 1.55 m 单模光纤通信系统单模光纤通信系统 通信速率可达通信速率可达565 Mb/s565 Mb/s以上，中继间距更长，可达以上，中继间距更长，可达70km70km左右。左右。 (3) (3) 按调制方式划分按调制方式划分 直接强度调制光纤通信系统直接强度调制光纤通信系统 将待传输的数字电信号直接在光源的发光过程将待传输的数字电信号直接在光源的发光过程中进行调制，使光源发出的光本身就是已调制光，中进行调制，使光源发出的光本身就是已调制光，又称为内调制光纤通

23、信系统。又称为内调制光纤通信系统。 优点：设备渐变、价廉，调制效率较高优点：设备渐变、价廉，调制效率较高. . 缺点：光谱有所增宽，对进一步提高速率有影响。缺点：光谱有所增宽，对进一步提高速率有影响。 普遍采用，最高速率达普遍采用，最高速率达10Gbit/s10Gbit/s 外调制光纤通信系统外调制光纤通信系统 是在光源发出光之后，在光的输出通路上加调制器是在光源发出光之后，在光的输出通路上加调制器（如电光晶体等）进行调制，又称为间接调制光纤（如电光晶体等）进行调制，又称为间接调制光纤通信系统。通信系统。 特点：特点：对光谱谱线影响小，适合很高速率的通信，速对光谱谱线影响小，适合很高速率的通信

24、，速率率20Gbit/s.20Gbit/s. 外差光纤通信系统外差光纤通信系统（相干光通信系统）（相干光通信系统） 原理：发送端的本地光频振荡信号被电信号所调制原理：发送端的本地光频振荡信号被电信号所调制（调幅，调频，调相等），然后输入到单模光纤内（调幅，调频，调相等），然后输入到单模光纤内传输，光束传到接收端后再与接收端的本地光频振传输，光束传到接收端后再与接收端的本地光频振荡信号进行混频、解调，还原出电信号。荡信号进行混频、解调，还原出电信号。 外差检波方式：光接收机产生一个本地振荡光波，外差检波方式：光接收机产生一个本地振荡光波，与光纤输出的光波信号在光混频器中差拍产生中频与光纤输出的光

25、波信号在光混频器中差拍产生中频信号，经光电检波器变换为中频电信号。它提高接信号，经光电检波器变换为中频电信号。它提高接收机的灵敏度，但设备复杂。对光源的频率稳定度收机的灵敏度，但设备复杂。对光源的频率稳定度和光谱宽度要求很高，和光谱宽度要求很高， (4) (4) 按传输速率划分按传输速率划分 低速光纤通信系统低速光纤通信系统 传输速率为传输速率为2 Mb/s2 Mb/s，8Mb/s8Mb/s 中速光纤通信系统中速光纤通信系统 传输速率为传输速率为34 Mb/s34 Mb/s，140Mb/s140Mb/s 高速光纤通信系统高速光纤通信系统 传输速率传输速率565 Mb/s565 Mb/s (5)

26、 (5) 按应用范围划分按应用范围划分 公用光纤通信系统公用光纤通信系统 如光纤市话中继系统、光纤长途通信系统和如光纤市话中继系统、光纤长途通信系统和光纤用户接入系统。光纤用户接入系统。 专用光纤通信系统专用光纤通信系统 主要指非邮电部门经营的光纤通信系统，如光主要指非邮电部门经营的光纤通信系统，如光纤局域网等。纤局域网等。(6)(6)按数字复接类型（即速率转换制式）划分按数字复接类型（即速率转换制式）划分 准同步数字系列（准同步数字系列（PDHPDH）光纤通信系统）光纤通信系统 目前目前565 Mb/s565 Mb/s以下速率的光纤通信系统多属此以下速率的光纤通信系统多属此类。类。 同步数字

27、系列（同步数字系列（SDHSDH）光纤通信系统）光纤通信系统 目前，已经实用的目前，已经实用的SDHSDH系统其单波长通信速率可系统其单波长通信速率可达达2.5Gbit/s ,10Gbit/s2.5Gbit/s ,10Gbit/s 和和4 40Gbit/s0Gbit/s。 1.3 1.3 数字话路基础知识数字话路基础知识 1.3.1 1.3.1 语音信号的语音信号的PCMPCM数字化数字化图图1-3 1-3 语音信号的语音信号的PCMPCM数字化框图数字化框图 （a a）发送端的数字化过程）发送端的数字化过程( (模模/ /数变换数变换) )功能：语音模拟信号变换为功能：语音模拟信号变换为PC

28、MPCM数字信号。数字信号。（b b）接收端的接收端的PCMPCM数字化逆过程数字化逆过程( (数数/ /模变换模变换) )功能：将功能：将PCMPCM数字信号还原成原始的语音模拟信号。数字信号还原成原始的语音模拟信号。（c c）发送和接收的全过程发送和接收的全过程合路：用来将多路（即各支路）数字信号合为一合路：用来将多路（即各支路）数字信号合为一路路。码型变换：合路输出的单极性二元码序列转换成码型变换：合路输出的单极性二元码序列转换成适合电缆信道传输的码型适合电缆信道传输的码型。码型反变换：将电缆信道传输过来的码型还原成码型反变换：将电缆信道传输过来的码型还原成为单极性二元码序列为单极性二元

29、码序列。分路（分接）：将合路信号分离成为各个支路信分路（分接）：将合路信号分离成为各个支路信号号。(1)(1)采样（采样（SampleSample） 一个连续信号可以用间隔时间为一个连续信号可以用间隔时间为t t的一系列的一系列离散瞬时值来代替，称之为采样，条件（奈奎离散瞬时值来代替，称之为采样，条件（奈奎斯特采样定理）是：斯特采样定理）是：t t1/(2f1/(2fmaxmax) ) f fmaxmax连续信号的最高频率成分，连续信号的最高频率成分，t t采样周期，采样周期，f fs s=f=fmaxmax的采样频率为奈奎斯特频率。的采样频率为奈奎斯特频率。 语音语音3003400Hz,30

30、03400Hz,采样频率采样频率6800Hz,CCITT6800Hz,CCITT建议建议8000Hz,8000Hz,采样周期采样周期125s.125s.(2)(2)量化量化(Quantization)(Quantization)在最大采样幅值范围内用一组有间距的电平来分在最大采样幅值范围内用一组有间距的电平来分层，各个采样幅值的真实值用最靠近的量化电平层，各个采样幅值的真实值用最靠近的量化电平来近似表示，称之为量化。来近似表示，称之为量化。量化噪声量化噪声非均匀量化法，即设法增多小信号非均匀量化法，即设法增多小信号的量化等级而减少大信号的量化等级，使总的量的量化等级而减少大信号的量化等级，使总

31、的量化噪声减小，而量化等级数目不变。化噪声减小，而量化等级数目不变。两种非均匀量化标准：两种非均匀量化标准：律律(PCM24(PCM24路制式路制式) )和和A A律律(PCM30(PCM30路制式路制式) )，我国，我国A A律，量化等级即量化电平律，量化等级即量化电平数位数位256256。(3)(3)编码编码将量化电平用一定位数的二进制代码来表示，称之将量化电平用一定位数的二进制代码来表示，称之为编码。为编码。1.3.2 1.3.2 话路的时分复用（话路的时分复用（TDMTDM） (1)(1)时分复用的目的时分复用的目的 在一条信道上串行传输多路信号，用于扩大数字通信系在一条信道上串行传输

32、多路信号，用于扩大数字通信系统的传输容量。统的传输容量。 (2)(2)时分复用的原理方法时分复用的原理方法 将传输时间按照采样周期进行分割，每一个分割段称为将传输时间按照采样周期进行分割，每一个分割段称为一帧，每一帧再等分成若干互不重叠的时隙，每路信一帧，每一帧再等分成若干互不重叠的时隙，每路信号在一帧中只能占用一个时隙。在发送端，多路信号号在一帧中只能占用一个时隙。在发送端，多路信号顺序地占用各自的时隙，各路（复接）构成复用信号，顺序地占用各自的时隙，各路（复接）构成复用信号，然后送到一条信道上传输然后送到一条信道上传输；在接收端，将收到的各路在接收端，将收到的各路信号按照与发送端同样的时间顺序分开每一路信号，信号按照与发送端同样的时间顺序分开每一路信号，实现分路（分接）。实现分路（分接）。 (3) (3) 我国采用的我国采用的PCMPCM基群的帧结构基群的帧结构 图图1-4 PCM1-4 PCM基群的帧结构图基群的帧结构图 PCMPCM基群对一帧中的基群对一帧中的3232个时隙做了如下规