《传输系统基础知识》课件

传输系统基础知识

光纤介质特性及光通信原理

【工作原理】光纤通信：就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的。发端将电信号转为光信号、通过光纤传送，到接收端再将光信号转为电信号。1、光发射机：即发端光端机，主要作用是将来自于电端机的电信号转变为光信号，并将光信号送入到光纤中传输。2、光纤光缆：光纤是光纤通信的传输介质，是光导纤维的简称。光纤是以光脉冲的形式来传输信号。3、光接收机：即收端光端机，其主要作用是将光纤传送过来的光信号转变为电信号，然后经进一步的处理在送到接收端的电端机去。4、光中继器：光信号在光纤中传输一定距离后，由于受到光纤损耗和色散的影响，光信号的能量会衰减，波形也会产生失真，从而导致通信质量恶化。为此，在光信号传输一定距离后就要设置光中继器，其作用是对衰减了的光信号进行放大，恢复失真了的波形。光纤及光通信原理光纤重要参数

光纤介质特性及光通信原理

【结构】1、纤芯：折射率较高；2、包层：折射率较低；3、涂覆层：聚丙烯酸盐；【尺寸】1、纤芯：单模光纤内径9µm；多模光纤内径50µm/62.5µm;2、包层：：

125µm3、涂覆层：245µm【材料】1、目前通信用的光纤主要是石英系光纤，其主要成分是高纯度石英玻璃

。2、如果在石英中掺入折射率高于石英的掺杂剂，就可以制作光纤的纤芯。同样，如果在石英中掺入折射率低于石英的掺杂剂，就可以作为包层材料。光纤及光通信原理光纤重要参数

光纤介质特性及光通信原理

n1n2n1>n2全反射θn1n2临界角θn1n2【关键知识点】全反射当光线由光密介质射向光疏介质，并且入射角大于全反射时的临界角时，就会产生全反射，光纤就是利用光的全反射现象来导光的。①③②n2n1折射全反射包层纤芯护套光纤及光通信原理光纤重要参数

光纤介质特性及光通信原理

光纤的分类光纤通信用光纤非通信用光纤单模光纤（SM）多模光纤（MM）特种光纤光纤信号处理光纤传感光纤测量其它光学系统【关键知识点】1、单模光纤

(1)只允许一种传播模式

(2)避免了模间色散，带宽宽，适用于大容量、长距离2、多模光纤

(1)存在多种传播模式。

(2)带宽较窄，传输距离及容量有限。光纤及光通信原理光纤重要参数

光纤介质特性及光通信原理

影响光传输的四大要素衰减

色散光信噪比

WDM网络组网基本要素非线性效应光纤及光通信原理光纤重要参数

光纤介质特性及光通信原理

光纤的重要参数——衰减衰减：【定义】当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称为光纤的衰减，也称损耗。其包括吸收损耗、散射损耗、几何缺陷、弯曲损耗等。

【关键知识点】

损耗一般用损耗系数α表示，单位dB/km：如:@1310nm≤0.36dB/Km;@1550nm≤0.22dB/Km【影响】损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选择，使传输距离受限，影响光纤通信系统的成本。近端远端信号传播光纤及光通信原理光纤重要参数

光纤介质特性及光通信原理

衰减波长特性1、波长不同，损耗不同2、1380nm附近由于氢氧根粒子吸收，光纤损耗急剧加大，俗称水峰3、ITU-T将单模光纤在1260nm以上的频带划分了O、E、S、C、L、U几个波段.4、在这6个波段中，C波段和L波段损耗最小.【解决措施】通过光放大器的使用，可以补偿信号在光纤中的衰减，延长传输距离光纤及光通信原理光纤重要参数90013001400150016001700波长:nm损耗dB/km23141200多模光纤（850~900nm）O波段E波段SCLUOH-

光纤介质特性及光通信原理

光纤的重要参数——色散【定义】1、模间色散：在多模光纤中由于各传输模式的传输路径不同，各模式到达出射端的时间不同，从而引起光脉冲展宽；2、色度色散：光源光谱中不同波长的光在光纤中的群延时差所引起的光脉冲展宽现象，包括材料色散和波导色散。3、偏振模色散：光源光谱中实际存在偏振方向互相正交的两个基模，光脉冲在光纤中传输时，两个垂直的偏振模间的时延差。色散对传输信号的影响：色散会使在光纤中传输的数字脉冲展宽，引起码间干扰，降低信号质量，导致传输距离受限。模间色散色度色散偏振模色散光纤及光通信原理光纤重要参数

光纤介质特性及光通信原理

衰耗+色散对光传输信号的影响【影响】1、光在光纤中传输一段距离后，在衰耗和色散的双重作用下，光脉冲信号逐渐变矮变宽。2、传输L1距离后，信号变宽产生交叠，但还能区分“0”“1”信号；3、传输L2距离后，信号畸变严重，难以区分“0”“1”，导致误码，影响传输质量。时间功率初始光脉冲信号传送L1(km)传送L2(km)光纤传输对信号的影响示意图传送L1距离后的光脉冲信号传送L2距离后的光脉冲信号t0光纤及光通信原理光纤重要参数

光纤介质特性及光通信原理

【解决措施】色度色散补偿目前降低色度色散的影响主要是采用色散补偿模块对光纤中的色散累积进行补偿,主要方式为使用DCF（色散补偿光纤）。色散补偿光纤与普通传输光纤的不同之处是它在1550nm处具有负的色散系数，DCF补偿法实际上就是利用这种负色散的光纤，抵消G.652/G.655光纤中的正色散。色散模块本身具有一定插损，会导致系统光功率下降光纤及光通信原理光纤重要参数Page11色散系数G.652普通色散补偿光纤DSCF:色散斜率补偿光纤波长

光纤介质特性及光通信原理

常用的几种光纤特性1、G652非色散位移光纤：该类光纤在1310波段同时拥有低的损耗和色散系数（零），因而在1310波段上兼有低损耗和大通信容量的特点；2、G.653色散位移光纤：针对衰减和零色散不在同一工作波长上的特点，20世纪80年代中期，人们开发成功了一种把零色散波长从1310nm移到1550nm的色散位移光纤；3、G654截止波长位移光纤：纤芯为纯二氧化硅来降低光纤衰减（1550nm窗口衰减可降至0.185dB/km），包层通过参F来得到所需的结构参数，主要用于超长距离传输（海缆）；4、G655非零色散位移光纤：相对于色散位移光纤在1550nm处色散不为零（用以平衡四波混频等非线性效应），在1550波段上兼有低的损耗和色散系数；5、G656未来导向光纤：相对于G655光纤拥有更宽的工作波长和更优化的色散值，其实也是非零色散位移光纤；6、G657弯曲不敏感光纤：弯曲损耗低，尤其适合于室内综合布线。G657又按照是否可同G652对接分为A、B两类，其中A类可与G652光纤兼容。光纤及光通信原理光纤重要参数

光纤介质特性及光通信原理

几种光纤的色散波长特性G652光纤：最佳工作波长为1310nm的单模光纤，色散值20ps/（nm.km）：G655光纤：在1550nm窗口给定波长区间内色散不为零的色散位移单模光纤，称为非零色散位移光纤。1550nm窗口色散典型值色散系数约为3.5ps/（nm.km）光纤及光通信原理光纤重要参数

光纤介质特性及光通信原理

光信噪比【定义】光信噪比，即OSNR（OpticalSignal

to

NoiseRatio），是衡量DWDM系统性能最重要的指标。光信噪比是指传输链路中的信号光功率与噪声光功率的比值。

根据ITU-T的定义：计算光信噪比时所采用信号功率为0.8nm带宽内的信号总功率（40波系统），噪声功率为0.1nm带宽内的噪声总功率。光纤及光通信原理光纤重要参数

光纤介质特性及光通信原理

光信噪比续【影响】对于多个级联线路光放大器的DWDM系统，采用光放大器对线路损耗进行功率补偿，会引入放大器辐射噪声，而噪声的光功率主要来自放大器的自发辐射噪声的累积，进而引起光信噪比降低，传输性能劣化，使传输距离受限【解决措施】线路中不能无限级联光放大器，必要时，可使用电中继。OSNR(dB)距离(km)M40M40OAOAOAOAM40D40OAOAOTUOTUOTUOTUOTS1OTS2OTS3OTS4OTS5距离(km)光功率(dBm)P信号P噪声（ASE）光纤及光通信原理光纤重要参数

光纤介质特性及光通信原理

Page16非线性效应

光纤及光通信原理光纤重要参数【定义】非线性效应是指强光作用下由于介质的非线性极化而产生的效应，从本质上讲，所有介质都是非线性的，只是一般情况下非线性特征很小，难以表现出来。当光纤的入纤功率不大时，光纤呈现线性特征，当光放大器和高功率激光器在光纤通信系统中使用后，光纤的非线性特征愈来愈显著。【影响】光纤中的非线性效应可能引起信道间串话（crosstalk），即一个信道的光强和相位将受到其他相邻信道的影响，形成非线性串话。【解决措施】

使用大有效面积光纤作为传输媒质控制信号光功率良好的色散管理先进的光源技术SRSXPMFWM…SPM

…

波分原理

光传送网络的发展PDH：准同步数字传输系统；SDH：同步数字传输系统；MSTP：多业务传送平台DWDM：密集波分复用系统；ASON：自动交换光网络（智能光网络）【关键知识点】1.不断提升光纤的带宽利用率2.技术演进使得设备更加智能化3.波分是提高带宽最好的技术

容量增加/业务多样化196680年代94年99年90年代初98年1976DWDM

开始建设SDH标准完善PDH仍为主力实用化产品出现SDH逐步成为传输主力设备PDH产品开始规模使用高锟提出光传输理论DWDM规模建设，全光网试验MSTP/ASON02年OTN/PTN/RTN21世纪粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念

波分原理

如何增加网络容量？系统扩容解决方案SDM铺设新光缆时间与成本TDM更高的比特速率STM-16→STM-64成本与复杂度WDM经济快速成熟SDM空分复用是靠增加光纤数量的方式线性增加传输的容量，传输设备也线性增加。TDM时分复用增加了线路比特速率，如STM-16到STM-64。对于更高速率的时分复用设备，成本较高，性价比差。WDM波分复用是将不同波长的光混合在一起进行传输，这些不同波长的光信号所承载的数字信号可以是相同速率、相同数据格式，也可以是不同速率、不同数据格式。粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念

波分原理

WDM系统概念引入这里可以将一根光纤看作是一个“多车道”的公用道路，传统的TDM系统只不过利用了这条道路的一条车道，提高比特率相当于在该车道上加快行驶速度来增加单位时间内的运输量。而使用DWDM技术，类似利用公用道路上尚未使用的车道，以获取光纤中未开发的巨大传输能力。Page19粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念1.高速公路:光纤

2.巡逻车:监控信号3.加油站:光中继（放大）站4.灰色汽车:不同的客户侧业务5.彩色汽车:不同通道（波长）内的承载业务

6.车道:光波长。高速公路加油站巡逻车

波分原理

WDM概念【工作原理】把不同波长的光信号复用到同一根光纤中进行传送，这种方式我们把它叫做波分复用（WavelengthDivisionMultiplexing）【优点】长距离、大容量DWDM技术是利用单模光纤的带宽以及低损耗的特性，采用多个波长作为载波，允许各载波信道在光纤内同时进行长距离传输。与通用的单信道系统相比，密集WDM（DWDM）不仅极大地提高了网络系统的通信容量，充分利用了光纤的带宽，而且它具有扩容简单和性能可靠等诸多优点，特别是它可以直接接入多种业务更使得它的应用前景十分光明。粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念IPSDHATMIPSDHATMλ1λ2λn

波分原理

波分系统结构【关键知识点】四大组成部分光波长转换单元（OTU）：由支路单元和线路单元构成，将非标准的波长转换为ITU-T所规范的标准波长，系统中应用光/电/光（O/E/O）的变换。光复用单元与解复用单元（OMU/ODU）：光复用器用于发送端，其每一个输入端口输入一个预选波长的光信号，输入的不同波长的光波由同一输出端口输出。光解复用器用于传输系统的接收端，正好与光合波器相反，它具有一个输入端口和多个输出端口，将多个不同波长信号分类开来光放大单元（OA）：可以对光信号进行直接放大，作为前置放大器、线路放大器、功率放大器使用。光监控信道（OSC)：是为WDM的光传输系统的监控而设立的，必须在EDFA之前下光路，而在EDFA之后上光路。粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念OTUOTUOTUOMUODUOTUOTUOTUOSCOSCOSCOAOAOA

波分原理

传输模式MUXDMUXM40M40OTUOTU【关键知识点】传输模式与应用场景单纤单向：单纤单向波分复用系统采用两根光纤，一根光纤只完成一个方向光信号的传输，反向光信号的传输由另一根光纤来完成。应用场景：现网波分主流方式单纤双向：只用一根光纤，在一根光纤中实现两个方向光信号的同时传输，两个方向光信号应安排在不同波长上。应用场景：PON，无线前传波分网络（节省光纤资源）等M40M40MUX/DMUXDMUX/MUXOTUOTU粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念

波分原理

粗细波分对比【定义】CWDM：稀疏波分复用（粗波分）DWDM：密集波分复用（细波分）【对比】1、传输距离：CWDM一般应用于距离相对较短的城域网，DWDM可用于国干、省干、地市等各级网络2、波长或频率间隔：CWDM为20nm，DWDM一般为50GHz或100GHz3、波道数量：CWDM一般使用8波，DWDM一般使用40波或80波4、带宽利用率：CWDM相对DWDM而言较低5、系统结构：CWDM相对DWDM而言较简单粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念扩展C波段192个波长,通道间隔25GHz196.075THz192.100THzC波段160个波长192.075THz扩展32个波长191.300THzITU-TG.694.1

波分原理

WDM中的关键技术光源技术光放大器技术监控技术关键技术光复用器与解复用器粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念

波分原理

【关键知识点】关于色散容限的说明：色散容限是光源对色散的容忍程度，光信号在光纤中传递时，实际色散值需在色散容限范围内，否则会影响信号质量。假设某10Gb/sOTU单板色散容限为800ps/nm，在G.652光纤中传输，其色散系数为20ps/nm.km（考虑到系统的色散冗余），其色散受限距离L=800/20=40km。也就是说：传输距离超过40km时就必须加入DCM进行补偿，所以色散容限越大越好。【功能描述】光源的作用是产生激光或荧光，它是组成光纤通信系统的重要器件【关键知识点】光源基本要求：1.输出标准且稳定的波长2.稳定的功率输出3.较大的色散容限粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念光源技术

波分原理

直接调制【工作原理】1、直接调制，又称为内调制，即直接对光源进行调制，通过控制半导体激光器的注入电流的大小来改变激光器输出光波的强弱。2、由于调制电流的变化将引起激光器发光谐振腔的长度发生变化，引起发射激光的波长随着调制电流线性变化，这种变化被称作调制啁啾，它实际上是一种直接调制光源无法克服的波长（频率）抖动。啁啾的存在展宽了激光器发射光谱的带宽，使光源的光谱特性变坏，限制了系统的传输速率和距离。【应用】在常规G.652光纤上使用时，传输距离≤100公里，传输速率≤2.5Gbit/s，常应用于CWDM系统中。粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念

波分原理

电吸收(EA)调制【工作原理】EA不直接调制光源，而是在光源的输出通路上外加调制器对光波进行调制，此调制器实际上起到一个开关的作用。恒定光源是一个连续发送固定波长和功率的高稳定光源，在发光的过程中，不受电调制信号的影响，因此不产生调制频率啁啾，光谱的谱线宽度维持在最小。光调制器对恒定光源发出的高稳定激光根据电调制信号以“允许”或者“禁止”通过的方式进行处理，而在调制的过程中，对光波的频谱特性不会产生任何影响，保证了光谱的质量。【应用】1、主要应用于传输速率2.5Gbit/s和10Gbit/s，传输距离超过300公里以上的系统；2、在使用光线路放大器的DWDM系统中，发射部分的激光器一般为EA调制方式的激光器。粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念

波分原理

PDM调制与相干接收【关键知识点】传统的波分调制采用的是对振幅的调制，PDM-QPSK调制方式是对相位的调制。【应用】PDM-QPSK调制，即偏振复用QPSK，是100G波分传送的最佳解决方案。【定义】1、PDM:PDM，把1个光信号分离成2个偏振方向，再把信号调制到这两个偏振方向上。2、QPSK:QPSK调制首先将两路28Gb/s的数字信号（2bit）转化成到光场的I-channel(实部)和Q-channel(虚部)两个分量，然后通过公式s(t)=I*Cosωt-Q*Sinωt=√2Cos(ωt+θ)转化成一个相位信号θ，这样一个相位信号θ就包含2比特的信息。θ的值为π/4，3π/4，5π/4和7π/4，分别代表00,01,11,10的信息。粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念IQ00011110映射关系转为图形(星座图)把信号矢量端点的分布图称为星座图。星座图完整、清晰的表达了数字调制的映射关系，数字调制也因此常被称为“星座调制”。θ3、相干光：两束满足相干条件的光称为相干光。在产生相干条件后，接收端可以比较方便的还原出经过“相位调制”的信号。相干条件(CoherentCondition)：这两束光在相遇区域：

①振动方向相同；

②振动频率相同；

③相位相同或相位差保持恒定。两束相干的光在相遇的区域内会产生干涉现象。

波分原理

PDM调制与相干接收【工作原理】第一步：在发送端，用偏振分束器，将激光分成x、y两个垂直的偏振方向。

x偏振方向已经经过QPSK调制的信号y偏振方向已经经过QPSK调制的信号粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念分离出y轴偏振信号b.经过偏振分束器a.

激光信号(电磁波)分离出x轴偏振信号光信号传播方向光子的偏振方向c.分离后的x、y信号分离出x轴偏振信号分离出y轴偏振信号第二步：用于发送端的激光被分成x、y两个偏振光后，x、y两个偏振光进行QPSK调制；调制后的信号，通过偏振合波器将x、y两个偏振方向上光信号合路到一根光纤上，然后进行合波与放大后上光缆传输。第三步：接收端将接收到的信号分离到x、y两个偏振方向上,利用相同频率的本振激光器与接收光信号进行相干，从接收信号中恢复幅度、相位及偏振状态信息。

波分原理

几种调制技术的对比类型直接调制电吸收调制相干调制色散容限(ps/nm)1200~40007200~1280040000成本适中贵昂贵波长稳定性好较好非常好应用场景2.5G波分10G40G波分40G100G波分粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念

波分原理

光放大器【功能描述】光放大器的工作不需要转换光信号到电信号，然后再转回光信号。这个特性导致光放大器比再生器有两大优势。1、光放大器支持任何比特率和信号格式，因为光放大器简单地放大所收到的信号。这种属性通常被描述为光放大器对任何比特率以及信号格式是透明的；2、光放大器不仅支持单个信号波长放大，而且支持一定波长范围的光信号放大。而且，只有光放大器能够支持多种比特率、各种调制格式和不同波长的时分复用和波分复用网络；3、目前现网中主流的光放大器为掺铒光纤放大器（EDFA）。粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念光放OA

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EDFA放大器的功能框图耦合器掺铒光纤隔离器泵浦源隔离器光电检测PINTAP信号输入TAP信号输出光电检测PIN粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念【EDFA特性】EDFA（ErbiumDopedFiberAmplifier）掺铒光纤放大器作为新一代光通信系统的关键部件，具有增益高、输出功率大、工作光学带宽较宽、与偏振无关、噪声指数较低、放大特性与系统比特率和数据格式无关等优点。它是大容量DWDM系统中必不可少的关键部件。【过程描述】1、输入光进入放大器后，由光电探测得到输入光功率值；2、隔离器隔离了掺铒光纤的自发辐射粒子，避免对输入信号产生干扰；3、信号光与泵浦源发出的泵浦光进过耦合器耦合后进入掺铒光纤放大；4、输出端隔离器隔离了输出端信号光的反射，避免反射对系统的影响；5、放大后的信号在输出端再次进行光电探测，得到输出端功率值。

波分原理

掺铒光纤放大器受激辐射Er3+离子能极图E2暂稳态E3激发态E1基态1550nm信号光子1550nm信号光子980nm泵浦光子【工作原理】掺铒光纤是光纤放大器的核心，它是一种内部掺有一定浓度Er3+的光纤。铒离子的外层电子具有三能级结构（图中E1、E2和E3），其中E1是基态能级，E2是亚稳态能级，E3是高能级。当用高能量的泵浦激光器来激励掺铒光纤时，可以使铒离子的束缚电子从基态能级大量激发到高能级E3上。高能级是不稳定的，因而铒离子很快会经历无辐射衰减（即不释放光子）落入亚稳态能级E2。E2能级是一个亚稳态的能带，在该能级上，粒子的存活寿命较长，受到泵浦光激励的粒子，以非辐射跃迁的形式不断地向该能级汇集，从而实现粒子数反转分布。由于掺铒光纤放大器的工作频率范围正好与1550nm窗口相匹配，当具有1550nm波长的光信号通过这段掺铒光纤时，亚稳态的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态，并产生出和入射信号光中的光子一模一样的光子，从而大大增加了信号光中的光子数量，即实现了信号光在掺饵光纤传输过程中的不断被放大的功能。粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念

波分原理

EDFA的特性工作波长与单模光纤的最小衰减窗口一致耦合效率高能量转换效率高增益高、噪声指数较低、输出功率大良好的增益稳定性…增益区间固定受限，只能在1550nm窗口。EDFA的增益带宽很宽，但EDFA本身的增益谱不平坦。光浪涌问题,采用EDFA可使输入光功率迅速增大，但由于EDFA的动态增益变化较慢，在输入信号能量跳变的瞬间，将产生光浪涌。…优点缺点粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念

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光放大单元参数【关键知识点】输入标称光功率①输出标称光功率②单波最大输出标称光功率③增益OAPout②Pin①Pout③放大器作为一种有源光器件，其作用起到放大输入光的用途。增益作为放大器的重要指标，其单位是分贝。粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念OA

波分原理

光复用器与解复用器【功能描述】波分复用系统的核心部件是波分复用器件，即光复用器和光解复用器（有时也称合波器和分波器），实际上均为光学滤波器，其性能好坏在很大程度上决定了整个系统的性能。1、合波器的主要作用是将多个信号波长合在一根光纤中传输；