光纖通信技術(shù)課件PPT

1、光纖通信技術(shù)光纖通信技術(shù)docin/sundae_meng學(xué)習(xí)意義學(xué)習(xí)意義 光纖通信技術(shù)在近30多年里得到了極大的發(fā)展，目前它和移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信已經(jīng)成為電信領(lǐng)域發(fā)展的基石。 掌握一些光纖通信技術(shù)有助于學(xué)習(xí)現(xiàn)代通信技術(shù)和拓寬知識(shí)面,為以后的學(xué)習(xí)深造和工作做好知識(shí)儲(chǔ)備。 從事管理、銷售工作； 從事技術(shù)開發(fā)、設(shè)備制造、科研、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)及維護(hù)、工程施工及安裝等工作或考研。 docin/sundae_meng先修課程先修課程 通信系統(tǒng)原理模擬電路電磁場(chǎng)與微波技術(shù) docin/sundae_meng目錄目錄第一章第一章 通信基礎(chǔ)知識(shí)通信基礎(chǔ)知識(shí)1第二章第二章 光纖光纖2第三章第三章 光纜光纜3第四章第四章

2、 光器件光器件4第五章第五章 光纖傳輸系統(tǒng)光纖傳輸系統(tǒng)5第六章光網(wǎng)絡(luò)第六章光網(wǎng)絡(luò)6docin/sundae_meng第一章第一章 通信基礎(chǔ)知識(shí)通信基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解通信技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史。2.掌握通信基本概念3.掌握業(yè)務(wù)傳輸技術(shù)特點(diǎn)。4.理解通信系統(tǒng)組成、分類和系統(tǒng)性能。5.掌握光纖通信系統(tǒng)及其組成的光網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)docin/sundae_meng1.1 1.1 通信技術(shù)簡(jiǎn)史通信技術(shù)簡(jiǎn)史1.1.1 科學(xué)技術(shù)發(fā)展科學(xué)技術(shù)發(fā)展 科學(xué)技術(shù)科學(xué)技術(shù)是利用“有關(guān)研究客觀事物存在及其相關(guān)規(guī)律的學(xué)說”能為自己所用，為大家所用的知識(shí)。 人類的科學(xué)技術(shù)發(fā)展史經(jīng)歷了古代、近代和現(xiàn)代古代、近代和現(xiàn)代三個(gè)階段。

3、古代科學(xué)技術(shù)古代科學(xué)技術(shù)的代表是材料科學(xué)技術(shù) 它的本質(zhì)是利用物質(zhì)資源制造質(zhì)料工具，如鋤頭、鐮刀、弓箭、棍棒等，擴(kuò)展人類的體質(zhì)能力。 近代科學(xué)技術(shù)近代科學(xué)技術(shù)的代表是能量（源）科學(xué)技術(shù) 它的本質(zhì)是使用能源或者動(dòng)力為資源創(chuàng)造動(dòng)力工具，如機(jī)車、汽車、輪船、飛機(jī)等，擴(kuò)展人類的體力能力。 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)是建立在材料科學(xué)技術(shù)和能源科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上的信息科學(xué)技術(shù) 它的本質(zhì)是利用信息資源創(chuàng)造智能工具，如人工智能專家系統(tǒng)、智能機(jī)器人等，拓展人類的智能能力。 docin/sundae_meng 表1-1給出了人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展歷程和本質(zhì)使命的簡(jiǎn)要總結(jié)。docin/sundae_meng1.1.2 通信技術(shù)簡(jiǎn)

4、史通信技術(shù)簡(jiǎn)史 光纖通信光纖通信電通信電通信光通信光通信docin/sundae_meng 光通信光通信可以上溯西周時(shí)期建立的烽火臺(tái)作為軍事報(bào)警設(shè)施，下及當(dāng)今指揮城市交通的信號(hào)燈和航海中使用的燈塔。 docin/sundae_meng 光通信光通信可以上溯西周時(shí)期建立的烽火臺(tái)作為軍事報(bào)警設(shè)施，下及當(dāng)今指揮城市交通的信號(hào)燈和航海中使用的燈塔。 docin/sundae_meng 傳輸距離短光通信的缺點(diǎn)光通信的缺點(diǎn)傳遞信息量少docin/sundae_meng 為了使光通信光通信延長(zhǎng)傳輸距離和增加傳遞信息內(nèi)容，1792年，法國(guó)工程師claude chappe（卻柏）發(fā)明了采用機(jī)械臂編碼來(lái)傳輸信息的

5、光電報(bào)，利用中間接續(xù)站（現(xiàn)在通信術(shù)語(yǔ)稱為中繼站）可以實(shí)現(xiàn)超過100km的通信。 docin/sundae_meng 1794年，世界上第一個(gè)光電報(bào)在法國(guó)的兩個(gè)城市巴黎和里爾投入商用，從而實(shí)現(xiàn)了相距200km的通信。圖1-1給出了claude chappe及其發(fā)明的光電報(bào)的示意圖。從中可以看到這個(gè)光電報(bào)通過轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械臂角度發(fā)出了一條由ch 、a、 p、 p 、e 5個(gè)字母組成的消息。這個(gè)非常有趣的消息恰好就是光電報(bào)發(fā)明人的名字 chappe。自1794年到1830年為止，法國(guó)光電報(bào)系統(tǒng)從巴黎延伸到意大利、德國(guó)、比利時(shí)的邊界。光電報(bào)系統(tǒng)是一種視距通信，其系統(tǒng)十分簡(jiǎn)單、傳輸距離和傳遞信息量少，而其系統(tǒng)

6、十分簡(jiǎn)單、傳輸距離和傳遞信息量少，而且保密性差。且保密性差。docin/sundae_meng1880年，美國(guó)人貝爾(bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”,通話距離達(dá)到213米。docin/sundae_meng光電話原理圖光電話原理圖光源 透鏡送話器反射鏡震動(dòng)片光敏電池 貝爾用弧光燈或者太陽(yáng)光作為光源，光束通過透鏡聚焦在話筒的震動(dòng)片上。當(dāng)人對(duì)著話筒講話時(shí)，震動(dòng)片隨著話音震動(dòng)而使反射光的強(qiáng)弱隨著話音的強(qiáng)弱作相應(yīng)的變化，從而使話音信息“承載”在光波上（這個(gè)過程叫調(diào)制調(diào)制）。 在接收端，裝有一個(gè)拋物面接收鏡，它把經(jīng)過大氣傳送過來(lái)的載有話音信息的光波反射到硅光電池上，硅光電池將光能轉(zhuǎn)換成

7、電流（這個(gè)過程叫解調(diào)解調(diào)）。電流送到聽筒，就可以聽到從發(fā)送端送過來(lái)的聲音了。 接收鏡貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型docin/sundae_meng1、為什么光通信傳輸?shù)木嚯x非常有限，這主要是因?yàn)椋@種傳輸方式里面的傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)是“大氣”，損耗大，如果碰上雨、雪甚至霧霾天氣，信號(hào)甚至可能會(huì)中斷。 更深層次的原因，我們現(xiàn)代人都已經(jīng)知道了，是因?yàn)楣馐且环N“波”，且波長(zhǎng)很短（0.40.7 m ），它很容易被大氣中的“塵埃粒子”所阻擋。2、另外，bell的光電話是利用自然光（光源光源）作為載波，這種光的頻率和相位雜亂無(wú)章，不能用于大容量的通信。3、能否建立“光通道”如“波

8、導(dǎo)管”式的東西以減少損失（損耗）呢？是否可以找到新型的光源呢？docin/sundae_meng 研究人員曾經(jīng)將研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)入到地下光波通信的實(shí)驗(yàn)，先后出現(xiàn)過反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)等地下通信的實(shí)驗(yàn)，但由于造價(jià)太高而出現(xiàn)了夭折，致使光通信發(fā)展一度出現(xiàn)長(zhǎng)期的低迷狀態(tài)。docin/sundae_meng 受英國(guó)物理學(xué)家john tyndall（約翰）在1870年做的”光可以在水流柱里傳輸”的影響，在1920-1950期間,人們發(fā)現(xiàn)在纖細(xì)的、有柔韌性的玻璃中和塑料光纖可以用于導(dǎo)光。 終于在1950年，有人采用“玻璃纖維”傳輸光，但損耗達(dá)到了1000db/km，即在1km的長(zhǎng)度上傳輸，損耗達(dá)到10100倍，

9、這個(gè)數(shù)值顯然是太大了。 真正的奇跡是在1966年才出現(xiàn)。docin/sundae_meng 1966年，英籍華裔學(xué)者高錕高錕(c.k.kao)(c.k.kao)及其同事霍克哈姆(c.a.hockham)在其發(fā)表的研究論文中指出，“玻璃纖維”的嚴(yán)重?fù)p耗是由其里面所含雜質(zhì)（如銅、鐵、鉻等金屬離子）太多及石英玻璃拉制工藝的不均勻性產(chǎn)生的。論文介質(zhì)纖維表面光頻波導(dǎo)明確提出：1、如果能將光纖中過渡金屬離子減少到最低限度，并改進(jìn)制造工藝，有可能使光纖損耗降到最低（預(yù)見可減小到20db/km以下）；2、光纖可以實(shí)現(xiàn)高速通信；3、給出了光纖原始結(jié)構(gòu)。 高錕(c.k.kao)博士上述發(fā)現(xiàn)的重要意義在于：指出了光

10、纖高損耗的真正來(lái)源以及研制通信光纖的正確方向。這一發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致了在其后數(shù)年內(nèi)通信光纖制造領(lǐng)域所發(fā)生的質(zhì)的飛躍，以及光纖通信產(chǎn)業(yè)的迅速興起。docin/sundae_meng光纖通信發(fā)明家高錕(左)2019年在英國(guó)接受iee授予的獎(jiǎng)?wù)拢徊⒂?009年，獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。docin/sundae_meng19701970年，光纖研制取得了重大突破年，光纖研制取得了重大突破 美國(guó)康寧玻璃公司1970年首先研制出衰耗20db/km的光纖。光纖通信正式開始！ 據(jù)說康寧公司花費(fèi)3000萬(wàn)美元，得到30米光纖樣品，認(rèn)為非常值得。這一突破，引起整個(gè)通信界的震動(dòng)，世界發(fā)達(dá)國(guó)家開始投入巨大力

11、量研究光纖通信。docin/sundae_mengdocin/sundae_meng1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4db/km4db/km。1973年，美國(guó)貝爾(bell)實(shí)驗(yàn)室的光纖損耗降低到2.5db/km2.5db/km。1974 年降低到1.1db/km1.1db/km。1976年，日本電報(bào)電話（ntt）公司將光纖損耗降低到0.47db/km0.47db/km（波長(zhǎng)1.2 m ）。在以后的 10 年中，波長(zhǎng)為1.55 m的光纖損耗： 1979 年是0.20 db/km0.20 db/km， 1984年是0.157 db/km0.157 db/km， 1986 年是0.1

12、54 db/km0.154 db/km， 接近了光纖最低損耗的理論極限光纖最低損耗的理論極限。 19701970年開始，光纖研制取得了重大突破年開始，光纖研制取得了重大突破docin/sundae_meng 1960年，美國(guó)人梅曼(t. h. maiman)發(fā)明了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器。梅曼利用紅寶石晶體做發(fā)光材料，用發(fā)光度很高的脈沖氙燈做激發(fā)光源，獲得了人類有史以來(lái)的第一束激光。 1965年，第一臺(tái)可產(chǎn)生大功率激光的器件-二氧化碳激光器誕生。 1967年，第一臺(tái)射線激光器研制成功。 激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了8080年的年的光通信進(jìn)入到了一個(gè)嶄新的階段。光通信

13、進(jìn)入到了一個(gè)嶄新的階段。 在光纖突飛猛進(jìn)的同時(shí)，光源光源的研究工作也有了起色docin/sundae_meng1970年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(nec)和前蘇聯(lián)先后研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(gaalas)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長(zhǎng)0.850m)。雖然壽命只有幾個(gè)小時(shí)，但它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 1973 年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到7000小時(shí)。 1976年，日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.3m的銦鎵砷磷(ingaasp)激光器。1977 年，貝爾研究所和日本電報(bào)電話公司幾乎同時(shí)研制成功壽命達(dá)100萬(wàn)小時(shí)（實(shí)用中10年左右）的半導(dǎo)體激光器。1979年美國(guó)電報(bào)電話(a

14、t&t)公司和日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.55m的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。 由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使19701970年成為年成為光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。1970年，光纖通信用光源光源取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展docin/sundae_meng實(shí)用實(shí)用光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)的前期發(fā)展的前期發(fā)展 1976年，美國(guó)在亞特蘭大（atlanta）進(jìn)行了世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（gaalas ld、多模光纖、10km、44.7mbps）。 1980年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化ft-3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用。 1

15、976年和1978年，日本先后進(jìn)行了速率為34mbps的突變型多模光纖通信系統(tǒng)，以及速率為100mbps的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗(yàn)。 1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長(zhǎng)途干線。 隨后，由美、日、英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋tat-8海底光纜通信系統(tǒng)于1988年建成。 第一條橫跨太平洋tpc-3/haw-4海底光纜通信系統(tǒng)于1989年建成。從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設(shè)得到了全面展開，促進(jìn)了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。 因此，全球通信界業(yè)一直公認(rèn)，因此，全球通信界業(yè)一直公認(rèn)，1976年是光纖通信的元年。年是光纖通信的元年。docin/sundae_meng1978年，模擬蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)投入使用（未商

16、用）。 1980年，有線電視和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字業(yè)務(wù)。1988年，寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)。1991年，全球移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)入商用。2019年，美籍華裔科學(xué)家歷鼎毅倡導(dǎo)利用波分復(fù)用技術(shù)，即利用簡(jiǎn)單的光器件就可以在單根光纖中實(shí)現(xiàn)了大容量的傳輸，進(jìn)而大大地降低了傳輸系統(tǒng)的成本。2019年，美國(guó)開通了數(shù)字電視業(yè)務(wù)，進(jìn)一步提高電視業(yè)務(wù)清晰度和服務(wù)質(zhì)量。2019年，具有寬帶綜合業(yè)務(wù)能力的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)投入應(yīng)用。 docin/sundae_meng 2019年1月13日，在國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議上提出了電信網(wǎng)電信網(wǎng)、電視網(wǎng)電視網(wǎng)和因特網(wǎng)三網(wǎng)融合因特網(wǎng)三網(wǎng)融合。 統(tǒng)一通信統(tǒng)一通信概念： 使任何人在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都可以通過

17、任何設(shè)備、任何網(wǎng)絡(luò)，與任何人進(jìn)行語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和圖像的自由通信。 docin/sundae_meng個(gè)人化個(gè)人化數(shù)字化數(shù)字化綜合化綜合化移動(dòng)化移動(dòng)化寬帶化寬帶化統(tǒng)一通信統(tǒng)一通信未來(lái)通信發(fā)展趨勢(shì)未來(lái)通信發(fā)展趨勢(shì)docin/sundae_meng1.2 1.2 通信基本概念通信基本概念1.2.1 通信通信 什么是“通信通信”? “通”就是傳輸和交換； “信”就是信息（話音、圖像、數(shù)據(jù)） 通信通信就是信息的傳輸和交換，通過電信號(hào)或者光信號(hào)形式將信息由一方傳輸?shù)搅硪环?。docin/sundae_meng 圖1-2給出了一個(gè)最簡(jiǎn)單的通信系統(tǒng)的模型。 在這個(gè)過程中，通話的內(nèi)容是由圖中的“處理層”完成的。 信息

18、的傳輸是由圖中的“物理層”完成的。 在現(xiàn)代通信中，通信一般包括：信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸和接收信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸和接收三個(gè)過程。 docin/sundae_meng什么是“電信電信”？ 電信電信是利用有線、無(wú)線、光或者其它電磁系統(tǒng)電磁系統(tǒng)傳輸、發(fā)送或者接收代表符號(hào)、書寫、影像和聲音或者其他任何性質(zhì)情報(bào)的信號(hào)。 docin/sundae_meng 通信和電信的區(qū)別：通信和電信的區(qū)別： 通信通信是按照約定傳遞信息； 電信電信是利用電磁系統(tǒng)（廣義泛指）傳遞代表媒體的信號(hào)，電磁系統(tǒng)完成信號(hào)傳遞功能。 通信通信是一個(gè)廣義的概念，而電信電信則是一個(gè)狹義的概念。 圖1-3揭示了通信涵蓋了電信之間的關(guān)系。docin/s

19、undae_meng1.2.2 信號(hào)信號(hào) 1. 信號(hào)及其分類信號(hào)及其分類 信號(hào)信號(hào)是消息的物理載體。 消息則是信息的物理表現(xiàn)形式，如語(yǔ)音、文字、符號(hào)、數(shù)據(jù)和圖像等。 信息、消息和信號(hào)信息、消息和信號(hào)三者存在著十分緊密的關(guān)系。 信息信息是通過消息消息來(lái)表達(dá)，消息消息通過信號(hào)信號(hào)來(lái)傳輸。 在科學(xué)研究中，通常是將“信號(hào)信號(hào)”做為研究對(duì)象。 docin/sundae_meng 信號(hào)具有強(qiáng)度、頻率、相位、能量等基本特征，信號(hào)可以表示為時(shí)間的函數(shù)。 按照信號(hào)在時(shí)間坐標(biāo)呈現(xiàn)連續(xù)變化或者階躍變化，信號(hào)可以分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。 模擬信號(hào)模擬信號(hào)是幅度連續(xù)時(shí)變的信號(hào)。模擬信號(hào)又稱為連續(xù)信號(hào)連

20、續(xù)信號(hào)，如圖1-4（a）所示連續(xù)信號(hào)的取值可用連續(xù)的時(shí)間函數(shù)表示。 docin/sundae_meng 數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)是幅度階躍時(shí)變信號(hào)。數(shù)字信號(hào)又稱為離散信號(hào)離散信號(hào)， 如圖1-4（b）所示離散信號(hào)可用取值有限個(gè)離散值連續(xù)的時(shí)間函數(shù)表示。 需要強(qiáng)調(diào)的是，判斷信號(hào)是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)的準(zhǔn)則為，看信號(hào)取值是連續(xù)的還是離散的，而不是看時(shí)間是連續(xù)的還是離散的。docin/sundae_meng2. 模模/數(shù)變換數(shù)變換 將模擬信號(hào)調(diào)制變換為數(shù)字信號(hào)，叫“模/數(shù)”變換。它包括三個(gè)基本步驟：抽樣、量化和編碼。抽樣、量化和編碼。抽樣定理：抽樣定理： 只要抽樣頻率fs 滿足奈奎特判據(jù)fs2f（模擬信號(hào)的帶

21、寬），就可以用抽樣值來(lái)表示一個(gè)帶寬有限的模擬信號(hào)，而抽樣值不會(huì)引起任何信息損失。量化：量化： 是利用預(yù)先規(guī)定的有限個(gè)電平來(lái)表示模擬信號(hào)抽樣值的過程。量化過程是對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行離散處理。 docin/sundae_meng編碼：編碼： 是將量化后的信號(hào)電平數(shù)值變換成二進(jìn)制碼組的過程。編碼的逆過程稱為解碼或譯碼。編碼的目的是提高信號(hào)的傳輸可靠性。 在光纖通信中，最常用的編/解碼是模/數(shù)變換方法脈沖脈沖編碼調(diào)制編碼調(diào)制（pulse code modulation，pcmpcm）方法。pcm以二進(jìn)制編碼為基礎(chǔ)，將模擬信號(hào)的量化后的每個(gè)抽樣值變換為0和1比特?cái)?shù)字串。docin/sundae_meng3.

22、信號(hào)特性信號(hào)特性 通信中的信號(hào)基本特性可以用它們的時(shí)間特性時(shí)間特性和頻率頻率特性特性來(lái)表示。 時(shí)間特性時(shí)間特性表示信號(hào)電壓或電流隨時(shí)間的變化關(guān)系。 頻率特性頻率特性指信號(hào)可以表示為許多不同頻率正弦信號(hào)的線性組合。 docin/sundae_meng 通信系統(tǒng)中最常用的信號(hào)有正弦信號(hào)正弦信號(hào)、方波信號(hào)方波信號(hào)和周期沖周期沖激串信號(hào)激串信號(hào)。 正弦信號(hào)正弦信號(hào)作為無(wú)線通信的載波； 方波信號(hào)方波信號(hào)是數(shù)字通信所用的信號(hào)波形； 周期沖激串信號(hào)周期沖激串信號(hào)則可以用作抽樣信號(hào)。 docin/sundae_meng 信號(hào)頻域特性主要包括頻譜、能量譜密度和功率譜密度頻譜、能量譜密度和功率譜密度。 信號(hào)頻域特

23、性信號(hào)頻域特性與信號(hào)的占用頻率帶寬、信號(hào)抗干擾能力等存在密切的關(guān)系。 信號(hào)時(shí)域特性信號(hào)時(shí)域特性與信號(hào)的相關(guān)特性有關(guān)系。docin/sundae_meng1.2.3 光信號(hào)光信號(hào)1. 光的波光的波/粒特性粒特性docin/sundae_meng2.波長(zhǎng)波長(zhǎng) docin/sundae_meng 3.頻率頻率在光纖通信中，常用的頻率單位有： 千赫（1khz=103hz） 兆赫（1mhz=106hz） 吉赫（1ghz=109hz） 太赫（1thz=1012hz） docin/sundae_mengdocin/sundae_meng 傳輸?shù)念l率越高，可傳信號(hào)的頻帶寬度就越大，其攜帶業(yè)務(wù)（信息）就越多。

24、對(duì)于甚高頻，頻率為48.5mhz300mhz,其帶寬約為250mhz,只能傳輸27套電視節(jié)目 。 可見光的頻率100000ghz（1014hz），比甚高頻高出一百多萬(wàn)倍。 docin/sundae_mengdocin/sundae_meng1.2.4 信號(hào)調(diào)制信號(hào)調(diào)制1.調(diào)制作用調(diào)制作用 為什么要進(jìn)行調(diào)制？ 調(diào)制的作用就是要將傳輸?shù)男盘?hào)變換成適合信道傳輸?shù)男盘?hào)（調(diào)制信號(hào)）。 docin/sundae_meng 如何進(jìn)行調(diào)制？ 載波載波是一種用來(lái)承載輸入信號(hào)的高頻周期信號(hào)，它本身不包含任何有用信息。在編碼之前，載波可以用式（1-4）所示的形式： 式中，e 為電磁場(chǎng)矢量， e 是單位矢量極化， a

25、 為載波振幅， 是載波頻率，為載波相位。docin/sundae_meng2.調(diào)制方法調(diào)制方法 由式（1-4）得知，可以選擇的調(diào)制方法有： 調(diào)制幅度調(diào)制幅度a a、調(diào)制載波頻率、調(diào)制載波頻率、調(diào)制相位、調(diào)制相位。 按照調(diào)制的信號(hào)形式可以分為模擬調(diào)制模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制。 模擬調(diào)制對(duì)應(yīng)的三種調(diào)制方法分別被稱為： 幅度調(diào)制幅度調(diào)制（amplitude modulation，amam） 頻率調(diào)制頻率調(diào)制（frequency modulation，fmfm，） 相位調(diào)制相位調(diào)制（phase modulation，pmpm，）docin/sundae_meng 在數(shù)字調(diào)制中，對(duì)應(yīng)三種調(diào)制方法分別為

26、： 幅移鍵控幅移鍵控（amplitude shift keying ，ask） 頻移鍵控頻移鍵控（frequency shift keying，fsk） 相移鍵控相移鍵控（phase shift keying ，psk）docin/sundae_meng3.調(diào)制格式調(diào)制格式 圖1-7所示的是可供產(chǎn)生光比特流選擇的調(diào)制格式：主要分為歸零格式和非歸零格式。 docin/sundae_meng1.2.5 信號(hào)復(fù)用信號(hào)復(fù)用 1.信道信道 什么是“信道”？ 信道信道就是信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ馈?按照所用的傳輸介質(zhì)不同，信道可以分為有線信道和無(wú)線有線信道和無(wú)線信道信道。 有線信道有線信道需要利用具體的傳輸介質(zhì)，如

27、銅對(duì)絞線、光纖等傳輸信號(hào)。 無(wú)線信道無(wú)線信道則是利用電磁波在空中傳播的方式傳輸信號(hào)。 docin/sundae_meng 通信質(zhì)量的好壞，主要取決于信道信道（傳輸介質(zhì)）的特性。 表1-2比較了五種不同傳輸介質(zhì)的特點(diǎn)。docin/sundae_meng 2.信號(hào)復(fù)用信號(hào)復(fù)用 所謂復(fù)用復(fù)用就是將若干路彼此獨(dú)立的信號(hào)在同一信道中傳輸?shù)募夹g(shù)。 復(fù)用的目的復(fù)用的目的是使同一站點(diǎn)的多個(gè)用戶共用一個(gè)信道傳輸信息，以提高信道的傳輸效率，進(jìn)而降低通信系統(tǒng)的成本。常用的復(fù)用方法有： 頻分復(fù)用頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用+波分復(fù)用波分復(fù)用等。 docin/sundae_meng （

28、1）頻分復(fù)用）頻分復(fù)用（frequency division multiplexing ，fdm） 頻分復(fù)用頻分復(fù)用是指將在頻域上劃分的多個(gè)信道進(jìn)行復(fù)用的技術(shù)。 docin/sundae_meng（2）時(shí)分復(fù)用）時(shí)分復(fù)用（time division multiplexing ，tdm） 時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用就是在時(shí)域上對(duì)不同傳輸信道的信號(hào)進(jìn)行間插組合處理，即利用幾個(gè)低速比特流來(lái)構(gòu)建一個(gè)高速比特流，以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)信道傳輸多路信號(hào)。 docin/sundae_mengdocin/sundae_meng（3）波分復(fù)用）波分復(fù)用（wave division multiplexing， wdm） 波分復(fù)用波分

29、復(fù)用就是在一根光纖中實(shí)現(xiàn)同時(shí)傳輸幾十乃至上百個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)的復(fù)用技術(shù)。波分復(fù)用技術(shù)的原理，如圖1-10 所示。 docin/sundae_meng（4）時(shí)分復(fù)用）時(shí)分復(fù)用+波分復(fù)用波分復(fù)用 更能滿足光網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容和靈活組網(wǎng)的要求。 當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)中常用時(shí)分復(fù)用+波分復(fù)用雙重復(fù)用的擴(kuò)容原理。 docin/sundae_meng1.3 1.3 通信及其業(yè)務(wù)通信及其業(yè)務(wù)1.3.1 通信任務(wù)通信任務(wù) 通信的任務(wù)通信的任務(wù)是及時(shí)準(zhǔn)確安全地完成信息在空間的傳遞。 通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)是由用戶終端、傳輸介質(zhì)、傳輸設(shè)備組成的。 基本通信系統(tǒng)只能完成點(diǎn)到點(diǎn)通信，只有通信網(wǎng)上才能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)到多點(diǎn)的通信。 通信網(wǎng)通信網(wǎng)則是

30、由用戶終端、傳輸介質(zhì)、傳輸和交換設(shè)備組成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。docin/sundae_meng 根據(jù)通信網(wǎng)的功能不同，通信網(wǎng)可以分為：業(yè)務(wù)網(wǎng)、傳送網(wǎng)和業(yè)務(wù)網(wǎng)、傳送網(wǎng)和支撐網(wǎng)。支撐網(wǎng)。 業(yè)務(wù)網(wǎng)業(yè)務(wù)網(wǎng)是指面向公眾提供電信業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)。例如，固定電話網(wǎng)、移動(dòng)電話網(wǎng)、電視網(wǎng)、因特網(wǎng)等。 傳送網(wǎng)傳送網(wǎng)是完成各種通信業(yè)務(wù)的數(shù)字信號(hào)傳送的網(wǎng)絡(luò)。例如，由長(zhǎng)途干線光網(wǎng)絡(luò)、城域光網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)。 支撐網(wǎng)支撐網(wǎng)則是承擔(dān)確保通信網(wǎng)正常工作支持作用的網(wǎng)絡(luò)。 docin/sundae_meng1.3.2 通信業(yè)務(wù)通信業(yè)務(wù)1. 電話業(yè)務(wù)電話業(yè)務(wù)（1 1）固定電話）固定電話 電話網(wǎng)電話網(wǎng)是由一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)（終端節(jié)點(diǎn)、交換節(jié)點(diǎn)）構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)

31、，其可以通過“電路交換”實(shí)現(xiàn)任意用戶之間進(jìn)行語(yǔ)音交流語(yǔ)音交流。 docin/sundae_meng（2）移動(dòng)電話）移動(dòng)電話 移動(dòng)電話業(yè)務(wù)移動(dòng)電話業(yè)務(wù)是通信的一方或者雙方可以在移動(dòng)狀態(tài)中進(jìn)行電話通信。 第一代模擬移動(dòng)通信（第一代模擬移動(dòng)通信（1g1g） 第二代數(shù)字移動(dòng)通信（第二代數(shù)字移動(dòng)通信（2g2g） 第三代多媒體移動(dòng)通信（第三代多媒體移動(dòng)通信（3g3g） 3g 有 cdmacdma（中國(guó)電信）（中國(guó)電信） wcdmawcdma（中國(guó)聯(lián)通）（中國(guó)聯(lián)通） td-scdmatd-scdma（中國(guó)移動(dòng)）（中國(guó)移動(dòng)）三種制式。（書中有個(gè)小錯(cuò)誤） docin/sundae_meng 4g4g運(yùn)營(yíng)牌照有望

32、于今年下半年發(fā)放。運(yùn)營(yíng)牌照有望于今年下半年發(fā)放。 4g的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在：1、高速寬帶 20-100mbit/s20-100mbit/s；2、良好的兼容性，可以與3g的三種制式實(shí)現(xiàn)互連互通。3、業(yè)務(wù)多樣化 docin/sundae_meng2. 2. 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) isdnisdn （ integrated service digital network ）是由數(shù)字傳輸、數(shù)字復(fù)接和數(shù)字交換結(jié)合而成的數(shù)字化電信網(wǎng)。 isdnisdn可以分為窄帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（narrowband-integrated service digital network , n-isdnn-isdn）和寬帶綜合業(yè)務(wù)

33、數(shù)字網(wǎng)（broadband-integrated service digital network , b-isdnb-isdn）。 n-isdnn-isdn有兩種標(biāo)準(zhǔn)接口： 1、基本速率接口 2b+d，b的速率是64kbit/s，而d的速率16kbit/s，2b+d可以提供的總帶寬為144 kbit/s。 2、基群速率接口 30b+d，b的速率是64kbit/s，d的的速率為64kbit/s，30b+d可以提供的總帶寬為2048 kbit/s。 b-isdnb-isdn可以提供2048 kbit/s、155mbit/s、 622mbit/s速率的傳輸通道，能夠支持從窄帶遙控遙測(cè)到寬帶高清晰數(shù)字

34、電視等所有的業(yè)務(wù)。因此，b-isdn是一種“全能”電信網(wǎng)絡(luò)。 docin/sundae_meng3. 廣播電視業(yè)務(wù)廣播電視業(yè)務(wù) 有線電視網(wǎng)普遍采用光纖和同軸電纜混合（hybrid fiber coax，hfchfc）網(wǎng)絡(luò)。 光纖主要被用在（干線）傳輸， 同軸電纜主要被用在接入網(wǎng)。 hfc是一種能夠支持電話、isdn 、廣播模擬電視、數(shù)字電視、互動(dòng)視頻和高速全雙工數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)的傳輸技術(shù)。 docin/sundae_meng圖1-15所示的是一個(gè)典型的采用hfc技術(shù)的有線電視網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一般從端局（前端）到配線網(wǎng)的光節(jié)點(diǎn)采用光纖傳輸，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以采用環(huán)形、星形和樹形。docin/sundae

35、_meng4. 寬帶接入業(yè)務(wù)寬帶接入業(yè)務(wù) 傳統(tǒng)銅線技術(shù)受到了哪些挑戰(zhàn)？傳統(tǒng)銅線技術(shù)受到了哪些挑戰(zhàn)？ 速率受限。滿足不了日益增長(zhǎng)的需求。 驅(qū)動(dòng)寬帶接入業(yè)務(wù)不斷發(fā)展的動(dòng)力是用戶日益增長(zhǎng)的需求用戶日益增長(zhǎng)的需求。 城市企業(yè)事業(yè)單位未來(lái)需求的帶寬為100m 1000m； 家庭未來(lái)需求的帶寬為50 m100 m。 寬帶接入方案寬帶接入方案光纖接入技術(shù)光纖接入技術(shù) ponpon（passive optical network）技術(shù)具有點(diǎn)到多點(diǎn)、能夠提供巨巨大帶寬大帶寬、傳輸質(zhì)量好傳輸質(zhì)量好、接入可靠性高接入可靠性高、建設(shè)和維護(hù)成本低建設(shè)和維護(hù)成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為世界各國(guó)城市接入網(wǎng)發(fā)展的首選技術(shù)。是

36、真正的ftthftth（fiber to the home）。 docin/sundae_meng 圖1-16所表示的是一個(gè)典型的光纖接入技術(shù)方案。一個(gè)家庭用戶可以通過無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)將電話、電視和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入家庭，實(shí)現(xiàn)寬帶綜合接入。 docin/sundae_meng 舉例：盈通培訓(xùn)資料p11docin/sundae_meng5. 多媒體通信業(yè)務(wù)多媒體通信業(yè)務(wù) 什么是媒體媒體？ 媒體媒體是指信息傳遞和存取的基本技術(shù)和手段。 分類：感覺媒體、表示媒體、顯示媒體、存儲(chǔ)媒體和傳輸媒體。 多媒體多媒體可以就是上述多種媒體的組合。 隨著三網(wǎng)融合的步伐加快，多媒體通信會(huì)越來(lái)越被人們所重視。 docin/sun

37、dae_meng1.4 1.4 通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)1.4.1 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)是由實(shí)現(xiàn)消息傳輸所需要的一切設(shè)備和傳輸介質(zhì)構(gòu)成。傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)通信系統(tǒng)一般模型，可用圖1-17的框圖表示。 docin/sundae_meng 信源信源作用是將聲音、文字、數(shù)據(jù)、圖像等消息轉(zhuǎn)變成原始電信號(hào)，即完成非電量到電量的變換。 發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備的功能一是放大，二是變換。 信道信道就是傳輸信號(hào)的通道。 它可以分為有線信道和無(wú)線信道。有線信道包括銅線電纜、光纖等。無(wú)線信道可以是自由空間、真空等。 docin/sundae_meng 噪聲源噪聲源是通信系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備、信道中的噪聲與干擾的集中表示。 接收

38、設(shè)備接收設(shè)備的功能主要是恢復(fù)出原始信號(hào)。 信宿信宿是信息傳輸?shù)慕K點(diǎn)。其作用與信源作用完成相反，完成電量到非電量的變換。 docin/sundae_meng1.4.2 系統(tǒng)分類系統(tǒng)分類1.分類分類 通信系統(tǒng)分類方法很多，但是最常用的分類方法是按照信道中所傳輸?shù)男盘?hào)的特征不同，將通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)。（1）模擬通信系統(tǒng)）模擬通信系統(tǒng) 模擬通信系統(tǒng)是指信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)的通信系統(tǒng)。模擬信號(hào)的通信系統(tǒng)的模型，如圖1-18所示。 docin/sundae_meng 經(jīng)過調(diào)制后的信號(hào)被稱為已調(diào)信號(hào)已調(diào)信號(hào)。 已調(diào)信號(hào)具有三個(gè)基本特征： 一是攜帶有信息； 二是適

39、合在信道中傳輸； 三是信號(hào)的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠(yuǎn)離零率。docin/sundae_meng（2）數(shù)字通信系統(tǒng)）數(shù)字通信系統(tǒng) 數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)則指的是信道中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)的通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)可以概括為圖1-19所示的數(shù)字通信系統(tǒng)的模型。 docin/sundae_meng 信源編碼信源編碼的兩個(gè)功能：一是數(shù)/模轉(zhuǎn)換，二是數(shù)據(jù)壓縮。 信道編碼信道編碼是在經(jīng)過信源編碼的信號(hào)中增加一些多余的字符，以求自動(dòng)發(fā)現(xiàn)或糾正傳輸中發(fā)生的錯(cuò)誤。 因此，信道編碼的目的就是提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?docin/sundae_meng 解調(diào)、信道解碼、信源解碼解調(diào)、信道解碼、信源解碼是調(diào)制、信道編碼

40、、信源編碼的逆過程。docin/sundae_meng 2.對(duì)比對(duì)比 與模擬通信系統(tǒng)相比，數(shù)字通信系統(tǒng)具有下述的一些顯著的優(yōu)點(diǎn)顯著的優(yōu)點(diǎn)： 數(shù)字信號(hào)本身具有較強(qiáng)的抗干擾能力較強(qiáng)的抗干擾能力，采用再生中繼器、糾錯(cuò)編碼等措施，可以進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸； 采用信道編碼技術(shù)，可以降低傳輸錯(cuò)誤碼率； 數(shù)字信號(hào)的復(fù)用和壓縮容易； 適應(yīng)的業(yè)務(wù)種類多，如可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和圖像等綜合傳輸； 便于與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的智能化； 數(shù)字硬件實(shí)現(xiàn)靈活、集成度高、設(shè)備體積小、系統(tǒng)成本低； 系統(tǒng)升級(jí)擴(kuò)容方便，便于保護(hù)運(yùn)營(yíng)商的投資等。 同時(shí)，數(shù)字通信系統(tǒng)也存在兩個(gè)缺點(diǎn)兩個(gè)缺點(diǎn)： 在相同的容量下，數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸所需要的帶寬

41、需要的帶寬比模擬通信系統(tǒng)要大大； 同步要求高同步要求高（需要位同步、幀同步等），從而需要復(fù)雜的同步系統(tǒng)。 docin/sundae_meng1.4.3 系統(tǒng)性能系統(tǒng)性能 1.通信系統(tǒng)通信系統(tǒng) 如何評(píng)價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)的優(yōu)劣？ 通過性能指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)，包括有效性有效性、可靠性可靠性、經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)維的方便性等。 人們最關(guān)心的通信系統(tǒng)性能是有效性和可靠性。 有效性有效性描述的是通信系統(tǒng)的消息傳輸速度傳輸速度問題； 可靠性可靠性反映的是通信系統(tǒng)的消息傳輸質(zhì)量傳輸質(zhì)量問題。 docin/sundae_meng 2.主要性能主要性能 有效性有效性通常用傳輸速率、帶寬、頻帶利用率傳輸速率、帶寬、頻帶利用率來(lái)描述。 可

42、靠性可靠性通常用誤碼率誤碼率來(lái)表示。 docin/sundae_meng（1）傳輸速率）傳輸速率 傳輸速率傳輸速率b被定義為每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，可用bit/s來(lái)表示。 b的簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)表達(dá)公式，如式（1-6）所示。同時(shí)，圖1-20給出了數(shù)字信號(hào)中的傳輸速率與比特周期呈反比關(guān)系。docin/sundae_meng（2）帶寬）帶寬 信號(hào)帶寬信號(hào)帶寬w指的是傳送信號(hào)的頻率寬度，即傳送信號(hào)的最高頻率與最低頻率之差。 信道帶寬越大，其允許的傳輸容量和傳輸速率就越大。 docin/sundae_meng （3）頻帶利用率）頻帶利用率 頻帶利用率（帶寬效率）頻帶利用率（帶寬效率）的定義是單位頻率帶w內(nèi)的傳輸速率

43、b，其數(shù)學(xué)公式如式（1-7）所示。其單位是每赫茲每秒的比特?cái)?shù)，常用（b/s.hz）表示。 docin/sundae_meng（4）誤碼率）誤碼率 誤碼率誤碼率的定義如式（1-8）所示： docin/sundae_meng1.5 1.5 光纖通信網(wǎng)絡(luò)光纖通信網(wǎng)絡(luò)1.5.1 光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng) 1.基本組成基本組成 圖1-21所示的是最簡(jiǎn)單的光纖通信系統(tǒng)組成的框圖。 docin/sundae_meng2.各個(gè)組件作用各個(gè)組件作用 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)包括光源和光調(diào)制器。 它主要是提供沿著光纖傳輸信息所需要的光能量。 它的光源既可以是發(fā)光管也可以是激光器。 光調(diào)制器的功能是調(diào)制帶有串行序列數(shù)據(jù)的光

44、。 docin/sundae_meng 光接收機(jī)光接收機(jī)里一個(gè)非常重要的器件是光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器 它的作用就是將調(diào)制的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。 docin/sundae_meng1.5.2 光纖通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)光纖通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1. 作用作用 光網(wǎng)絡(luò)光網(wǎng)絡(luò)是由宿端設(shè)備、光纖和組網(wǎng)光電元件等組成。 它的作用有兩個(gè)： 一是利用傳輸介質(zhì)光纖實(shí)現(xiàn)大容量、長(zhǎng)距離大容量、長(zhǎng)距離、高可靠高可靠性性鏈路傳輸； 二是利用相關(guān)光電元件，引入了控制和管理機(jī)制控制和管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了多節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)網(wǎng)，以及針對(duì)資源與業(yè)務(wù)的靈活配置。 docin/sundae_meng 2. 結(jié)構(gòu)演進(jìn)結(jié)構(gòu)演進(jìn) 光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了一個(gè)由簡(jiǎn)單

45、的點(diǎn)到點(diǎn)點(diǎn)到點(diǎn)、鏈形鏈形結(jié)構(gòu)、環(huán)形環(huán)形結(jié)構(gòu)向復(fù)雜的網(wǎng)狀網(wǎng)網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程。它充分反映了通信容量大、網(wǎng)絡(luò)可靠性增強(qiáng)、系統(tǒng)成本降低的通信技術(shù)進(jìn)步。 docin/sundae_meng盈通dwdm省骨干網(wǎng)絡(luò)圖茂名粵西環(huán)粵東環(huán)珠三角環(huán)廣州東莞 深圳珠海中山順德惠州梅州湛江陽(yáng)江江門dwdm容量珠三角環(huán)：40通道粵西環(huán)：16通道粵東環(huán)：16通道粵北環(huán)：16通道dwdm 網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣東所有地市河源汕尾韶關(guān)清遠(yuǎn)汕頭潮州揭陽(yáng)佛山肇慶云浮粵北環(huán)docin/sundae_meng光傳送網(wǎng)光傳送網(wǎng)（optical transport network,otnotn）是指在中間節(jié)點(diǎn)具有交叉連接能力交叉連接能力的wdm光

46、網(wǎng)絡(luò)。 otn主要是針對(duì)干線向著tbit/stbit/s方向發(fā)展的需求而研制出的光傳送網(wǎng)。 otn主要應(yīng)用不僅適合dwdm長(zhǎng)途核心網(wǎng)長(zhǎng)途核心網(wǎng)，而且可以應(yīng)用于wdm城域光網(wǎng)絡(luò)城域光網(wǎng)絡(luò)和光纖接入網(wǎng)光纖接入網(wǎng)。 docin/sundae_meng 從光網(wǎng)絡(luò)的管理角度看，光網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了由sdhsdh、 dwdmdwdm和otnotn。 目前正在向著自動(dòng)光交換網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)光交換網(wǎng)絡(luò)（automatically switched optical network,ason）發(fā)展。 docin/sundae_meng第2章 光纖學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解光纖基本結(jié)構(gòu)。2.掌握光波導(dǎo)理論研究意義。3.了解光纖制造方

47、法特點(diǎn)。4.掌握研究光纖傳輸特性實(shí)際意義。5.掌握各種通信光纖性能特點(diǎn)和適用場(chǎng)所docin/sundae_meng2.1 2.1 光纖的基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)光纖的基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)2.1.1 2.1.1 光纖基本結(jié)構(gòu)光纖基本結(jié)構(gòu) 通信光纖通信光纖是由石英玻石英玻璃璃或塑料塑料或其它導(dǎo)光材料其它導(dǎo)光材料組成的圓柱形線性的導(dǎo)光纖維（簡(jiǎn)稱光纖）。 光纖的剖面結(jié)構(gòu)，如圖2-1所示。 通常，光纖是由兩個(gè)同心均勻介質(zhì)所組成（纖纖芯和包層芯和包層）。docin/sundae_mengdocin/sundae_meng纖芯纖芯1) 位置：光纖的中心部位2) 尺寸：直徑2a = 8（10）m mm 50（62.5） m

48、mm（歐洲（歐洲/美國(guó)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)）標(biāo)準(zhǔn)）3) 材料：纖芯的主要成分是石英（二氧化硅石英（二氧化硅sio2 ），），摻有極少量的摻雜劑(二氧化鍺geo2，五氧化二磷p2o5)，作用是提高纖芯對(duì)光的折射率(n1)，以傳輸光信號(hào)纖芯docin/sundae_meng包層包層包層1) 位置：位于纖芯的周圍2) 尺寸：直徑2b = 125 m mm3) 材料：其成分也是含有極少量摻雜劑的高純度二氧化硅sio2。而摻雜劑五氧化二硼b2o3的作用則是適當(dāng)降低包層對(duì)光的折射率(n2)，使之略低于纖芯的折射率，即即n1 n2，它使得光信號(hào)能約束在纖芯中傳輸，它使得光信號(hào)能約束在纖芯中傳輸docin/sundae_

49、meng涂覆層涂覆層1) 位置：位于光纖的最外層2) 尺寸：涂覆后的光纖外徑約為1.5 mm1.5 mm3) 結(jié)構(gòu)和材料：包括一次涂覆層，緩沖層和二次涂覆層 a) 一次涂覆層一般使用丙烯酸酯、有機(jī)硅或硅橡膠材料 b) 緩沖層一般為性能良好的填充油膏 (防水) c) 二次涂覆層一般多用聚丙烯或尼龍等高聚物4) 作用：保護(hù)光纖不受水汽侵蝕和機(jī)械擦傷保護(hù)光纖不受水汽侵蝕和機(jī)械擦傷，同時(shí)又增加了光纖的機(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性光纖的機(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性，起著延長(zhǎng)光纖壽命的作用docin/sundae_meng 引入一個(gè)物理量相對(duì)折射率差相對(duì)折射率差。 它的表達(dá)式如（2-1）式 在實(shí)際應(yīng)用中，纖芯與包層的折射率數(shù)

50、值相差無(wú)幾。 單模光纖單模光纖的相對(duì)折射率差大約為0.2%； 多模光纖多模光纖的相對(duì)折射率差大約是1%。 docin/sundae_meng2.1.2 2.1.2 光纖的特點(diǎn)光纖的特點(diǎn) 在光纖通信中，光纖光纖的作用是傳輸介質(zhì)，真正的載波是激光載波是激光。 1、巨大的工作帶寬 光纖通信使用的電磁波頻率范圍是1014hz。 2、優(yōu)異的傳輸性能 光纖的損耗可以達(dá)到0.15db/km，具有極好的傳輸質(zhì)量。docin/sundae_meng3、杰出的使用性能抗電磁干擾能力。 光纜的使用壽命長(zhǎng)（一般為20-30年）。4、豐富的原料來(lái)源目前，國(guó)際期貨市場(chǎng)銅、鋁等金屬材料價(jià)格不斷上漲。而石英的儲(chǔ)藏量非常豐富，

51、取之不盡、用之不竭。5、獨(dú)特的接繼技術(shù)常用的單模光纖的纖芯直徑僅為8-10m左右，為光纜線路的施工中的光纖對(duì)準(zhǔn)和熔接操作帶來(lái)了極大的困難。需要專用的儀器。 docin/sundae_meng2.2 2.2 光波導(dǎo)理論光波導(dǎo)理論2.2.1 2.2.1 幾何光學(xué)幾何光學(xué)1.1.全內(nèi)反射全內(nèi)反射 光（線）傳輸理論： 當(dāng)光線射到兩種介質(zhì)之間的界面上時(shí)，一部分光線被反射，形成反射光線反射光線，而一部分被折射，而形成折射光折射光線線，如圖2-2所示。 docin/sundae_meng 反射定律：反射定律： 1. 反射光線保持在由入射光線與法線所構(gòu)成的入射平面中；2. 相對(duì)于入射光線來(lái)說，反射光線位于法線

52、的相反側(cè)；3. 反射光線和入射光線分別與法線形成的夾角1=2。 docin/sundae_meng 折射定律：折射定律： 如果是在各向同性的介質(zhì)（如玻璃）中，則由式菲涅爾折射定律可得出： 光的入射角正弦sin與折射角正弦sin之比與其各自入射介質(zhì)的折射率n1與折射介質(zhì)的折射率n2成反比。即有如下關(guān)系式：docin/sundae_meng當(dāng)光線由光密介質(zhì)光密介質(zhì)n1n1入射到光疏介質(zhì)光疏介質(zhì)n2n2的界面時(shí)，折射角大于入射角。 當(dāng)= 900 時(shí)，光纖會(huì)沿著平行于兩介質(zhì)的界面?zhèn)鞑?，如圖2-3所示的光線。這時(shí)的入射角寫成0 ，我們 稱它為兩種介質(zhì)的臨界角臨界角，如式（2-3）所示。 即臨界角臨界角由

53、兩種介質(zhì)的折射率n1和n2的比值決定的。 docin/sundae_meng 對(duì)于入射角大于臨界角0的所有光線，在光疏介質(zhì)中沒有對(duì)應(yīng)的折射光線存在，這些光線在界面上全部被反射回光密介質(zhì)中，這種現(xiàn)象稱為全內(nèi)反射全內(nèi)反射，如圖2-3所示的光線。 docin/sundae_meng 由此可知，全內(nèi)反射全內(nèi)反射只能發(fā)生在光由光密介質(zhì)光密介質(zhì)入射到與光疏介質(zhì)光疏介質(zhì)的界面上，對(duì)于圓柱形光波導(dǎo)（纖），如果使纖芯纖芯中心部分的折射率高于外包層包層的折射率，就有可能在纖芯纖芯和包層包層之間滿足全內(nèi)反射，從而使光線“限制限制”在芯層內(nèi)并以鋸齒形連續(xù)反射光纖形式在光纖中向前傳輸，直至傳播到信息終端。docin/s

54、undae_meng單模光纖和多模光纖單模光纖和多模光纖單模光纖單模光纖smf(signal mode fiber)：僅允許一個(gè)模式傳播的光纖多模光纖多模光纖mmf(multiple mode fiber)：同時(shí)允許多個(gè)模式進(jìn)行傳播在光纖的受光角內(nèi)，以某一角度射入光纖端面，并能在光纖纖芯纖芯- -包層包層交界面上產(chǎn)生全反射的傳播光線，就可以稱為入射光的一個(gè)傳播模式傳播模式docin/sundae_meng2. 2. 折射率分布折射率分布 為了設(shè)計(jì)出不同的光纖，可以使光纖剖面任意一點(diǎn)的折射率分布折射率分布n n 是其半徑r的函數(shù)n (r)。n隨著r的變化而變化。n (r)可以決定光纖的光傳輸性能

55、光傳輸性能。 可用數(shù)學(xué)公式（2-4）來(lái)表示： docin/sundae_meng式中，n1 為纖芯折射率； 是光纖相對(duì)折射率差相對(duì)折射率差； r 為離開纖軸心的距離； a是纖芯半徑； g為折射率分布指數(shù)折射率分布指數(shù)； n2是包層折射率。 docin/sundae_meng 公式（2-4）可以用圖2-4來(lái)反映，它直觀且形象地描述了不同光纖的折射率分布幾何形狀。 docin/sundae_meng 折射率分布指數(shù)折射率分布指數(shù)g的取值范圍在1-之間，通過改變g的取值大小就可以獲得不同的光纖折射率分布形狀。 例如，g=1纖芯折射率分布為三角形， g=2光纖芯折射率分布呈梯度（漸變）形梯度（漸變）形

56、， g= 纖芯折射率分布是階躍（突變）形階躍（突變）形。docin/sundae_meng 表2-1列出了g取值、纖芯折射率形狀與折射率變化特點(diǎn)的關(guān)系。docin/sundae_meng 從上圖中可以看出： 1.只有階躍光纖階躍光纖的纖芯和包層折射率是常數(shù)，而其他光纖的纖芯折射率分布是r 的函數(shù)n (r)變化形式 。 2.光纖設(shè)計(jì)就是選擇合理的纖纖/包折射率分布包折射率分布結(jié)構(gòu)，即通過調(diào)整調(diào)整g的數(shù)值，可以獲得不同傳輸性能的光纖。docin/sundae_meng3. 3. 相對(duì)折射率差相對(duì)折射率差 舉例：p36 例2-1單模玻璃光纖的相對(duì)折射率差是0.2%；多模玻璃光纖的相對(duì)折射率差是1%；

57、熟料光纖的相對(duì)折射率差是0.2212% docin/sundae_meng 但要注意：但要注意： 與數(shù)值孔徑和光纖的接受角也存在著一定與數(shù)值孔徑和光纖的接受角也存在著一定的數(shù)量關(guān)系。的數(shù)量關(guān)系。 docin/sundae_meng 表2-2列出了幾種不同光纖纖芯的折射率是1.50時(shí)，與數(shù)值孔與數(shù)值孔徑和光纖的接收角的關(guān)系。徑和光纖的接收角的關(guān)系。docin/sundae_meng4. 4. 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑 光在纖芯和包層之間纖芯和包層之間發(fā)生全反射的條件是，在他們之間的入射角必在他們之間的入射角必須大于臨界角須大于臨界角 0，就是說，只有小于（90-0）所有光線才會(huì)沿著纖芯中傳輸。docin

58、/sundae_meng在輸入端端面上，根據(jù)折射定律，有下面關(guān)系式（空氣折射率為1）：docin/sundae_meng 引入一個(gè)物理量數(shù)值孔直徑（數(shù)值孔直徑（na ，numerical aperture）： 為臨界角 0對(duì)應(yīng)的最大入射角最大入射角max的正弦值的正弦值。 na表示光纖的集光能力。表示光纖的集光能力。 只有小于只有小于max的光纖才能在纖芯中傳輸。的光纖才能在纖芯中傳輸。 docin/sundae_meng 下面通過兩個(gè)計(jì)算實(shí)例來(lái)說明折射率分布不同的光纖，它們的na就不同，集光能力各有差異。 p37、例2-2和例2-3 多模光纖比單模光纖的集光能力要好的多。多模光纖比單模光纖的

59、集光能力要好的多。 docin/sundae_meng2.2.2 2.2.2 研究目的研究目的 研究光纖導(dǎo)光理論的目的：研究光纖導(dǎo)光理論的目的： 在于了解光波在光纖中的傳輸機(jī)理傳輸機(jī)理、傳輸條件傳輸條件，建立傳輸特性與光纖折射率分布結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，以便于設(shè)計(jì)出能夠滿足通信系統(tǒng)所需要的傳輸特性的理想光纖。 光具有波粒二像性：光具有波粒二像性： 光既可以看成是光波，又可以看作是由光子組成的粒子流，在科學(xué)研究中對(duì)應(yīng)的方法分別是射線理論射線理論和波動(dòng)理波動(dòng)理論論。 docin/sundae_meng 光射線理論光射線理論光波動(dòng)理論光波動(dòng)理論適用條件l a（物體的幾何尺寸）l a研究對(duì)象光線模式基本

60、方程射線方程波導(dǎo)場(chǎng)方程研究方法折射/反射定理邊值問題主要特點(diǎn)約束光線模式docin/sundae_meng2.2.3 2.2.3 光射線理論光射線理論 按照折射率分布，多模光纖又可以分為兩大類型： 階躍折射率分布的多模光纖（簡(jiǎn)稱階躍多模光纖階躍多模光纖） 梯度折射率分布的多模光纖（簡(jiǎn)稱梯度多模光纖梯度多模光纖）。 docin/sundae_meng1 1、階躍多模光纖、階躍多模光纖 描述階躍多模光纖的折射率分布的數(shù)學(xué)公式，可用式（2-9）表示。docin/sundae_meng 由前所述可知： 式中：=（n1-n2）/n1的是纖芯-包層界面之間的相對(duì)折射率。 顯然，為了耦合更多的光進(jìn)入光纖，應(yīng)該盡可能