光纖通信基本知識

2024/12/15光纖通信(ɡuānɡxiāntōnɡxìn)基本知識第一頁，共36頁。一光纖通信(ɡuānɡxiāntōnɡxìn)光纖通信是以光波為載波，以光纖（光導纖維）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（傳輸損耗?。?、通信容量(róngliàng)大（傳輸頻帶寬）、抗干擾性能好（不受電磁干擾）、保密性好（不產生光泄漏）、重量輕、體積小等優(yōu)點。2SJTU第二頁，共36頁。二 光纖光纜(ɡuānɡlǎn)光纖是用石英玻璃、塑料(sùliào)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.幾何和結構參數(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、機械篩選強度等。3SJTU第三頁，共36頁。光纖的分類(fēnlèi)按工作波長：短波長（850nm)長波長（1310nm、1550nm）按傳輸模式(móshì)：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）、色散補償光纖（DCF）等4SJTU第四頁，共36頁。光纜(ɡuānɡlǎn)含有光纖，符合現(xiàn)場實際使用要求的光、機械和環(huán)境規(guī)范的纜。由光纖、加強(jiāqiáng)件和外護層等組成。光纜的分類：按芯數(shù)分為單芯、雙芯、多芯按結構分為層絞式、骨架式、帶狀等按敷設場合分為架空、直埋、管道、移動、室內、水下、海底等按用途分為通信用光纜和非通信用光纜5SJTU第五頁，共36頁。三 光器件(qìjiàn)（無源）光分路器/耦合器：1xN（樹型）、NxN（星型）波分復用器：合波器和分波器、濾波器光纖連接器：固定(gùdìng)、活動（FC、ST、SC等）、適配器（直通）光開關光衰減器：固定(gùdìng)、可變光隔離器：單方向傳輸光的器件極化器6SJTU第六頁，共36頁。有源光器件(qìjiàn)光源：發(fā)光(fāɡuānɡ)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）調制器7SJTU第七頁，共36頁。四 光纖傳輸(chuánshū)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:波分復用(WDM)相干(xiānggān)通信光電子集成(OEIC)8SJTU第八頁，共36頁。光纖傳輸(chuánshū)系統(tǒng)框圖電端機驅動光源光檢測判決再生光源光檢測放大電端機發(fā)送光發(fā)送機光纖光纜(ɡuānɡlǎn)光中繼器光接收機接收光纖光纜(ɡuānɡlǎn)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第九頁，共36頁。光纖通信(ɡuānɡxiāntōnɡxìn)系統(tǒng)的新技術延長中繼距離的新技術(jìshù) 光放大器(EDFA) 外調制器(電光晶體LiNbO3) 色散補償(DCF、Bragg光纖光柵)提高通信容量的新技術(jìshù) 時分復用技術(jìshù)（TDM） 波分復用技術(jìshù)（WDM）10SJTU第十頁，共36頁。光波(guāngbō)分復用（WDM）在一根光纖中同時傳輸幾個不同波長的光信號(xìnhào)。復用器是將若干不同波長的光信號(xìnhào)分開或合并的器件，有熔錐型、棱鏡色散型、光柵色散型、干涉濾光型等。光纖復用器復用器11SJTU第十一頁，共36頁。光頻分復用(fùyònɡ)（OFDM）當波分復用(fùyònɡ)的光載波間隔變窄到小于1nm時，就是光頻分復用(fùyònɡ)；而間隔大于1nm時，稱為密集波分復用(fùyònɡ)（DWDM）12SJTU第十二頁，共36頁。副載波(zàibō)調制（SCM）SCM是一種采用兩級調制的頻分復用系統(tǒng)。第一次電調制，由多路信號分別對多個副載頻(zǎipín)進行調制（AM/FM/PM）,然后，再將復合信號對光波進行強度調制。13SJTU第十三頁，共36頁。相干光通信(tōngxìn)系統(tǒng)相干光通信系統(tǒng)又稱為外差光纖通信系統(tǒng)。是一種采用單一頻率的相干光做光載波，利用(lìyòng)無線電技術中的外差接收方式，再配合ASK\FSK\PSK等調制方式的新型光纖通信方式。主要優(yōu)點是光接收機靈敏度高，選擇性好；既可擴大通信容量，又可增加再生中繼距離。14SJTU第十四頁，共36頁。光孤子(gūzǐ)（Soliton）通信在很強的光場作用下，光纖的各種特征參數(shù)隨光場強弱呈非線性變化。它使所傳的光脈沖變窄，正好補償(bǔcháng)了由于色散使脈沖展寬的影響。光孤子是一種特殊形狀的超短脈沖（幾個uus），它在光纖的傳輸過程中將不產生畸變，可實現(xiàn)高速、長距離通信。15SJTU第十五頁，共36頁。光放大器為了進行長距離傳輸，可以采用光/電/光轉換形式的光中繼器，也可以采用直接對光信號(xìnhào)進行放大的光放大器。光放大器可分為半導體光放大器（SOA）和光纖放大器（FA）。光纖放大器又可分為非線性光纖放大器（喇曼光纖放大器）和摻鉺光纖放大器（EDFA）16SJTU第十六頁，共36頁。摻鉺光纖放大器（EDFA）將稀土元素鉺（Er）注入到纖芯中，即是摻鉺光纖。它在泵浦光的作用下可直接對某一波長的光信號進行放大，這就是摻鉺光纖放大器。EDFA的主要優(yōu)點(yōudiǎn)是：1、工作波長在1530~1560nm范圍；2、激勵的泵浦功率低（幾十mW）;3、增益高（40dB）,噪聲低（3~4dB）,輸出功率大（14~20dB）;4、連接損耗低（0.1dB）;17SJTU第十七頁，共36頁。EDFA的結構(jiégòu)光耦合器光隔離器光隔離器光濾波器泵浦光源(guāngyuán)輸入(shūrù)光信號輸出光信號摻鉺光纖光耦合器光隔離器光隔離器光濾波器泵浦光源輸入光信號輸出光信號摻鉺光纖同向泵浦結構反向泵浦結構雙向泵浦結構（略）18SJTU第十八頁，共36頁。EDFA的應用(yìngyòng)用作光接收機的前置放大器，可提高接收機靈敏度10~20dB;用作光發(fā)射機的功率放大器，增加入纖光功率，延長(yáncháng)傳輸距離；用作光中繼器，可實現(xiàn)全光通信；19SJTU第十九頁，共36頁。五同步(tóngbù)數(shù)字系列（SDH）準同步數(shù)字系列(PDH---PlesiochronousDigitalHierarchy):只有地區(qū)性(北美,日本(rìběn),歐洲)的數(shù)字信號速率和幀結構標準,沒有統(tǒng)一的國際標準;沒有國際標準的光接口規(guī)范;采用異步復接,復用結構復雜,靈活性差;網(wǎng)絡運行,管理,維護(OAM)困難.同步數(shù)字系列（SDH---SynchronousDigitalHierarchy）SDH是由一些網(wǎng)絡單元(NE)組成的、在光纖上進行同步信息傳輸、復用、分插和交叉連接的網(wǎng)絡20SJTU第二十頁，共36頁。SDH的特點(tèdiǎn)國際統(tǒng)一的數(shù)字傳輸標準STM-N采用同步復用方式和靈活的復用映射結構,具有廣泛的適應性豐富的開銷比特,加強了網(wǎng)絡的OAM能力(nénglì)統(tǒng)一的標準光接口采用軟件進行網(wǎng)絡配置和控制,便于擴展具有完全的后向兼容性和前向兼容性21SJTU第二十一頁，共36頁。SDH的比特率等級(děngjí)速率（Mb/s）STM-1155.520STM-4622.080STM-162488.320STM-649953.28022SJTU第二十二頁，共36頁。SDH的幀結構(jiégòu)STM-1的幀結構(jiégòu)125us9x270=2430個字節(jié)(zìjié)第1行23456789RSOHAUPTRMSOH9列261列凈荷（含POH）23SJTU第二十三頁，共36頁。SDH開銷(kāixiāo)字節(jié)的分層分支分支------分支組裝分支取出POH插入POH提取通道層MSOHMSOH插入提取復用層RSOHRSOHRSOH插入提取/插入提取再生(zàishēng)層光接口光接口光接口物理層終端再生(zàishēng)器終端POHMSOHRSOHRSOH載波(zàibō)載波物理線路物理線路24SJTU第二十四頁，共36頁。SDH的復用(fùyònɡ)結構STM-NAUGAU4VC4C4xNx1x3x3TUG3x1TU3VC3AU3VC3x7C3x7TUG2TU2VC2C2x1x3TU12VC12C12x4TU11VC11C11指針(zhǐzhēn)調整加POH或SOH映射(yìngshè)定位復用25SJTU第二十五頁，共36頁。SDH的復用(fùyònɡ)過程映射:把PDH的各種速率及ATM信元與SDH的容器進行適配的過程(guòchéng)定位:用指針指示凈荷的第一個字節(jié)在幀內的位置復用:按單字節(jié)間插方法，將N個TU變成TUG，N個AU復接成AUG，N個AUG復用進STM-N的過程(guòchéng)26SJTU第二十六頁，共36頁。SDH傳送(chuánsònɡ)網(wǎng)的分層模型電路層網(wǎng)絡電路層VC-11VC-12VC-2VC-3低階通道層VC-3VC-4高階SDH傳送層復用段層網(wǎng)絡段層再生(zàishēng)段層網(wǎng)絡傳輸媒質層物理層網(wǎng)絡27SJTU第二十七頁，共36頁。SDH的承載(chéngzài)業(yè)務WDMSDHATMFRPPP/HDLCLAPSSDLIPTCP/UDPApplicationL5~7L4L3L2L1L0FR:FrameRelayPPP:PointtoPointProtocolLAPS:LinkAccessProcedure-SDHSDL:SimpleDataLink28SJTU第二十八頁，共36頁。SDH的系統(tǒng)(xìtǒng)組成PTMSTRSTRSTMSTPT再生段再生段再生段復用段通道PT：通道終端，網(wǎng)絡單元為TM（終端復用器）MST：復用段終端，網(wǎng)絡單元為ADM（分插復用器）或DXC（數(shù)字交叉連接設備）RST：再生段終端，網(wǎng)絡單元為再生器29SJTU第二十九頁，共36頁。SDH的光纜數(shù)字(shùzì)線路系統(tǒng)同步光纜數(shù)字線路系統(tǒng)是指連接兩個SDH設備(TM,DXC或ADM)的光纜鏈路.由線路終端(zhōnɡduān),光纜段和再生器(如果配置的話)組成.分為局間鏈路和局內鏈路兩類.局間鏈路又分為長距離(再生段距離為40km以上)和短距離(再生段距離為15km左右).局內鏈路可用光纖(傳輸距離不超過2km),也可用同軸電纜(傳輸距離不超過70m).30SJTU第三十頁，共36頁。SDH的光接口(jiēkǒu)分類局內局間通信通信短距離長距離光源標稱波長(bōcháng)(nm)13101310155013101550G.652G.654傳輸距離(km)~2~15~40~80STM-1I-1S-1.1S-1.2L-1.1L-1.2L-1.3STM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應用(yìngyòng)光纖類型G.652G.653G.652:1310nm性能最佳的色散未移位單模光纖G.653:1550nm性能最佳的色散移位單模光纖G.654:1550nm損耗最小的單模光纖G.655:1550nm非零色散光纖31SJTU第三十一頁，共36頁。SDH的光接口(jiēkǒu)位置發(fā)送SR接收CtxCrx光纜(ɡuānɡlǎn)設施TX:發(fā)送機Ctx,Crx:活動(huódòng