光纖通信基本知識

第三章光纖通信基本知識一光纖通信二光纖光纜三光器件四光纖傳輸系統(tǒng)五 SDH1SJTU一光纖通信光纖通信是以光波為載波，以光纖（光導(dǎo)纖維）為傳輸媒體，將信號從某一點傳送到另一點的通信方式。具有傳輸距離遠(yuǎn)（傳輸損耗?。?、通信容量大（傳輸頻帶寬）、抗干擾性能好（不受電磁干擾）、保密性好（不產(chǎn)生光泄漏）、重量輕、體積小等優(yōu)點。2SJTU二 光纖光纜光纖是用石英玻璃、塑料或晶體等對某個波長范圍透明的材料制造的能傳輸光的纖維。由纖芯和包層組成，纖芯的折射率比包層的高。光纖的特征和性能：1.幾何和結(jié)構(gòu)參數(shù)：芯徑、外徑、數(shù)值孔徑、折射率分布等。2.光傳輸特性：工作波長、傳輸損耗和帶寬、色散、偏振特性等。3.環(huán)境特性：高低溫特性、抗微彎和彎曲特性、抗輻射特性、抗疲勞特性、機(jī)械篩選強(qiáng)度等。3SJTU光纖的分類按工作波長：短波長（850nm)長波長（1310nm、1550nm）按傳輸模式：多模光纖和單模光纖按折射率分布：階躍（突變）型(SI)和梯度（漸變）型(GI)按材料：石英光纖、塑料光纖等幾種新型光纖：色散位移光纖（DSF）、非零色散光纖（NZDF）、色散平坦光纖（DFF）、色散補(bǔ)償光纖（DCF）等4SJTU光纜含有光纖，符合現(xiàn)場實際使用要求的光、機(jī)械和環(huán)境規(guī)范的纜。由光纖、加強(qiáng)件和外護(hù)層等組成。光纜的分類：按芯數(shù)分為單芯、雙芯、多芯按結(jié)構(gòu)分為層絞式、骨架式、帶狀等按敷設(shè)場合分為架空、直埋、管道、移動、室內(nèi)、水下、海底等按用途分為通信用光纜和非通信用光纜5SJTU三 光器件（無源）光分路器/耦合器：1xN（樹型）、NxN（星型）波分復(fù)用器：合波器和分波器、濾波器光纖連接器：固定、活動（FC、ST、SC等）、適配器（直通）光開關(guān)光衰減器：固定、可變光隔離器：單方向傳輸光的器件極化器6SJTU有源光器件光源：發(fā)光二極管（LED）激光二極管（LD）光電檢測器： PIN光電管、PIN-FET組件雪崩光電二極管（APD）光纖放大器（EDFA）調(diào)制器7SJTU四 光纖傳輸系統(tǒng)第一代：0.85um多模光纖系統(tǒng)第二代：1.3um多模光纖系統(tǒng)第三代：1.3um單模光纖系統(tǒng)第四代：1.55um單模光纖系統(tǒng)三個過渡：短波長~長波長多模光纖~單模光纖AlGaAs/GaAs~InGaAsP/InP三項新技術(shù):波分復(fù)用(WDM)相干通信光電子集成(OEIC)8SJTU光纖傳輸系統(tǒng)框圖電端機(jī)驅(qū)動光源光檢測判決再生光源光檢測放大電端機(jī)發(fā)送光發(fā)送機(jī)光纖光纜光中繼器光接收機(jī)接收光纖光纜模擬通信：信噪比和諧波失真數(shù)字通信：誤碼率和相位抖動9SJTU光纖通信系統(tǒng)的新技術(shù)延長中繼距離的新技術(shù) 光放大器(EDFA) 外調(diào)制器(電光晶體LiNbO3) 色散補(bǔ)償(DCF、Bragg光纖光柵)提高通信容量的新技術(shù) 時分復(fù)用技術(shù)（TDM） 波分復(fù)用技術(shù)（WDM）10SJTU光波分復(fù)用用（WDM）在一根光纖纖中同時傳傳輸幾個不不同波長的的光信號。。復(fù)用器是是將若干干不同波波長的光光信號分分開或合合并的器器件，有有熔錐型型、棱鏡鏡色散型型、光柵柵色散型型、干涉涉濾光型型等。光纖復(fù)用器復(fù)用器11SJTU光頻分復(fù)復(fù)用（OFDM）當(dāng)波分復(fù)復(fù)用的光光載波間間隔變窄窄到小于于1nm時，就就是光頻頻分復(fù)用用；而間間隔大于于1nm時，稱稱為密集集波分復(fù)復(fù)用（DWDM）12SJTU副載波調(diào)制（（SCM）SCM是一種種采用兩級調(diào)調(diào)制的頻分復(fù)復(fù)用系統(tǒng)。第第一次電調(diào)制制，由多路信信號分別對多多個副載頻進(jìn)進(jìn)行調(diào)制（AM/FM/PM）,然然后，再將復(fù)復(fù)合信號對光光波進(jìn)行強(qiáng)度度調(diào)制。13SJTU相干光通信系系統(tǒng)相干光通信系系統(tǒng)又稱為外外差光纖通信信系統(tǒng)。是一一種采用單一一頻率的相干干光做光載波波，利用無線線電技術(shù)中的的外差接收方方式，再配合合ASK\FSK\PSK等調(diào)制方方式的新型光光纖通信方式式。主要優(yōu)點點是光接收機(jī)機(jī)靈敏度高，，選擇性好；；既可擴(kuò)大通通信容量，又又可增加再生生中繼距離。。14SJTU光孤子（Soliton）通信在很強(qiáng)的光場場作用下，光光纖的各種特特征參數(shù)隨光光場強(qiáng)弱呈非非線性變化。。它使所傳的的光脈沖變窄窄，正好補(bǔ)償償了由于色散散使脈沖展寬寬的影響。光光孤子是一種種特殊形狀的的超短脈沖（（幾個uus），它在光光纖的傳輸過過程中將不產(chǎn)產(chǎn)生畸變，可可實現(xiàn)高速、、長距離通信信。15SJTU光放放大大器器為了了進(jìn)進(jìn)行行長長距距離離傳傳輸輸，，可可以以采采用用光光/電電/光光轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換形形式式的的光光中中繼繼器器，，也也可可以以采采用用直直接接對對光光信信號號進(jìn)進(jìn)行行放放大大的的光光放放大大器器。。光放放大大器器可可分分為為半半導(dǎo)導(dǎo)體體光光放放大大器器（（SOA））和和光光纖纖放放大大器器（（FA））。。光纖纖放放大大器器又又可可分分為為非非線線性性光光纖纖放放大大器器（（喇喇曼曼光光纖纖放放大大器器））和和摻摻鉺鉺光光纖纖放放大大器器（（EDFA））16SJTU摻鉺鉺光光纖纖放放大大器器（（EDFA））將稀稀土土元元素素鉺鉺（（Er））注注入入到到纖纖芯芯中中，，即即是是摻摻鉺鉺光光纖纖。。它它在在泵泵浦浦光光的的作作用用下下可可直直接接對對某某一一波波長長的的光光信信號號進(jìn)進(jìn)行行放放大大，，這這就就是是摻摻鉺鉺光光纖纖放放大大器器。。EDFA的的主主要要優(yōu)優(yōu)點點是是：：1、、工工作作波波長長在在1530~1560nm范范圍圍；；2、、激激勵勵的的泵泵浦浦功功率率低低（（幾幾十十mW））;3、、增增益益高高（（40dB））,噪噪聲聲低低（（3~4dB））,輸輸出出功功率率大大（（14~20dB））;4、、連連接接損損耗耗低低（（0.1dB））;17SJTUEDFA的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)光耦耦合器器光隔隔離器器光隔隔離器器光濾濾波器器泵浦浦光源源輸入入光信信號號輸出出光信信號號摻鉺鉺光光纖纖光耦耦合器器光隔隔離器器光隔隔離器器光濾濾波器器泵浦浦光源源輸入入光信信號號輸出出光信信號號摻鉺鉺光光纖纖同向向泵泵浦浦結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)反向向泵泵浦浦結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)雙向向泵泵浦浦結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)（（略略））18SJTUEDFA的的應(yīng)應(yīng)用用用作作光光接接收收機(jī)機(jī)的的前前置置放放大大器器，，可可提提高高接接收收機(jī)機(jī)靈靈敏敏度度10~20dB;用作作光光發(fā)發(fā)射射機(jī)機(jī)的的功功率率放放大大器器，，增增加加入入纖纖光光功功率率，，延延長長傳傳輸輸距距離離；；用作光中繼繼器，可實實現(xiàn)全光通通信；19SJTU五同步步數(shù)字系列列（SDH）準(zhǔn)同步數(shù)字字系列(PDH---PlesiochronousDigitalHierarchy):只只有地區(qū)性性(北美,日本,歐歐洲)的數(shù)數(shù)字信號速速率和幀結(jié)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn),沒有統(tǒng)一一的國際標(biāo)標(biāo)準(zhǔn);沒有有國際標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)的光接口口規(guī)范;采采用異步復(fù)復(fù)接,復(fù)用用結(jié)構(gòu)復(fù)雜雜,靈活性性差;網(wǎng)絡(luò)絡(luò)運行,管管理,維護(hù)護(hù)(OAM)困難.同步數(shù)字系系列（SDH---SynchronousDigitalHierarchy）SDH是由一一些網(wǎng)絡(luò)單單元(NE)組成的的、在光纖纖上進(jìn)行同同步信息傳傳輸、復(fù)用用、分插和和交叉連接接的網(wǎng)絡(luò)20SJTUSDH的特特點國際統(tǒng)一的的數(shù)字傳輸輸標(biāo)準(zhǔn)STM-N采用同步復(fù)復(fù)用方式和和靈活的復(fù)復(fù)用映射結(jié)結(jié)構(gòu),具有有廣泛的適適應(yīng)性豐富的開銷銷比特,加加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的OAM能力統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)光接口采用軟件進(jìn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配配置和控制制,便于擴(kuò)擴(kuò)展具有完全的的后向兼容容性和前向向兼容性21SJTUSDH的比比特率等級速速率（Mb/s）STM-1155.520STM-4622.080STM-162488.320STM-649953.28022SJTUSDH的幀幀結(jié)構(gòu)STM-1的幀結(jié)構(gòu)構(gòu)125us9x270=2430個字節(jié)節(jié)第1行23456789RSOHAUPTRMSOH9列261列凈荷（含POH）23SJTUSDH開銷銷字節(jié)的分分層分支分分支------分支組裝分分支取出POH插入入POH提提取通通道道層MSOHMSOH插入提提取復(fù)復(fù)用層RSOHRSOHRSOH插入提提取/插插入提提取再再生層光接口光光接接口光光接口口物物理層層終端再再生器器終終端POHMSOHRSOHRSOH載波載波物理線路物理線路24SJTUSDH的復(fù)復(fù)用結(jié)構(gòu)STM-NAUGAU4VC4C4xNx1x3x3TUG3x1TU3VC3AU3VC3x7C3x7TUG2TU2VC2C2x1x3TU12VC12C12x4TU11VC11C11指針調(diào)整加POH或或SOH映射定位復(fù)用25SJTUSDH的復(fù)復(fù)用過程映射:把把PDH的的各種速率率及ATM信元與SDH的容容器進(jìn)行適適配的過程程定位:用用指針指示示凈荷的第第一個字節(jié)節(jié)在幀內(nèi)的的位置復(fù)用:按按單字節(jié)間間插方法，，將N個TU變成TUG，N個AU復(fù)復(fù)接成AUG，N個個AUG復(fù)復(fù)用進(jìn)STM-N的的過程26SJTUSDH傳送送網(wǎng)的分層層模型電路層網(wǎng)絡(luò)絡(luò)電電路層層VC-11VC-12VC-2VC-3低低階通道層VC-3VC-4高高階SDH傳送層復(fù)用段層網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)段層再生段層網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳傳輸媒質(zhì)層物理層網(wǎng)絡(luò)絡(luò)27SJTUSDH的承承載業(yè)務(wù)WDMSDHATMFRPPP/HDLCLAPSSDLIPTCP/UDPApplicationL5~7L4L3L2L1L0FR:FrameRelayPPP:PointtoPointProtocolLAPS:LinkAccessProcedure-SDHSDL:SimpleDataLink28SJTUSDH的的系統(tǒng)組組成PTMSTRSTRSTMSTPT再生段再生段再生段復(fù)用段通道PT：通道終端，網(wǎng)絡(luò)單元為TM（終端復(fù)用器）MST：復(fù)用段終端，網(wǎng)絡(luò)單元為ADM（分插復(fù)用器）或DXC（數(shù)字交叉連接設(shè)備）RST：再生段終端，網(wǎng)絡(luò)單元為再生器29SJTUSDH的的光纜數(shù)數(shù)字線路路系統(tǒng)同步光纜纜數(shù)字線線路系統(tǒng)統(tǒng)是指連連接兩個個SDH設(shè)備(TM,DXC或ADM)的的光纜鏈鏈路.由由線路終終端,光光纜段和和再生器器(如果果配置的的話)組組成.分分為局間間鏈路和和局內(nèi)鏈鏈路兩類類.局間鏈路路又分為為長距離離(再生生段距離離為40km以以上)和和短距離離(再生生段距離離為15km左左右).局內(nèi)鏈路路可用光光纖(傳傳輸距離離不超過過2km),也也可用同同軸電纜纜(傳輸輸距離不不超過70m).30SJTUSDH的的光接口口分類局內(nèi)局局間通信信通信短短距距離長長距離離光源標(biāo)稱稱波長(nm)13101310155013101550G.652G.654傳輸距離離(km)~2~15~40~80STM-1I-1S-1.1S-1.2L-1.1L-1.2L-1.3STM等等級STM-4I-4S-4.1S-4.2L-4.1L-4.2L-4.3STM-16I-16S-16.1S-16.2L-16.1L-16.2L-16.3應(yīng)用光纖類型型G.652G.653G.652:1310nm性性能最佳佳的色散散未移位位單模光光纖G.653:1550nm性性能最佳佳的色散散移位單單模光纖纖G.654:1550nm損損耗最小小的單模模光纖G.655:1550nm非非零色散散光纖31SJTUSDH的的光接口口位置發(fā)送SR接收CtxCrx光纜設(shè)施施TX:發(fā)發(fā)送機(jī)Ctx,Crx:活動動連接器器S,R:參考點點RX:接接收機(jī)32SJTU發(fā)送機(jī)在在S點的的特性光源類型型：LED、MLM、、SLM光譜特性性：最大大均方根根寬度、、最大-20dB寬度度、最小小邊模抑抑制比平均發(fā)送送功率：：當(dāng)發(fā)送送機(jī)發(fā)送送偽隨機(jī)機(jī)序列信信號時在在S點所所測得的的平均光光功率消光比：：在最壞壞反射條條件時，，全調(diào)制制條件下下傳號與與空號的的平均光光功率的的比值眼圖模板板：限制制發(fā)送光光脈沖形形狀的方方法33SJTUS-R點點之間光光通道的的特性衰減范圍圍最大色散散值：1dB功功率代價價所對應(yīng)應(yīng)的光通通道色散散值反射：由由光通道道折射率率不連續(xù)續(xù)引起的的，包括括光纖本本身的折折射率不不均勻所所造成的的散射和和光纖接接頭產(chǎn)生生的反射射34SJTU光通道的的損耗允許的光光通道損損耗Psr為:Psr=Pt-Pr-Pp實際的S-R點點允許損損耗為:Psr=(Af+As/Lf+Mc)L+2Ac實際可達(dá)達(dá)的再生生段距離離L為:L=(Pt-Pr-2Ac-Pp)/(Af+As/Lf+Mc)Pt:發(fā)發(fā)送光功功率Pr:接收收機(jī)靈敏敏