《现代通信网络技术》课件第6章.pptx
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1、第6章 光纤通信技术第6章 光纤通信技术6.1光纤通信系统简介光纤通信系统简介6.2光纤通信传输技术简介光纤通信传输技术简介6.3全光网络全光网络本章小结本章小结习题习题第6章 光纤通信技术光通信,顾名思义就是利用光进行信息传输的一种通信方式。光通信技术是当代通信技术发展的最新成就,已经成为现代通信的基石。目前广泛使用的光通信方式是利用光导纤维传输光波信号,这种通信方式称为光纤通信。目前,光纤通信技术已成为现代通信非常重要的支柱。作为全球新一代信息技术革命的重要标志之一,光纤通信技术已经变为当今信息社会中各种多样且复杂的信息的主要传输媒介,并深刻、广泛地改变了信息网架构的整体面貌,以现代信息社
2、会最坚实的通信基础的身份,向世人展现了其无限美好的发展前景。第6章 光纤通信技术6.1 光光纤通信系统简介纤通信系统简介目前,采用比较多的系统形式是强度调制/直接检波(IM/DD)的光纤数字通信系统。该系统主要由光发射机、光纤、光接收机以及长途干线上必须设置的光中继器组成,如图6-1所示。第6章 光纤通信技术图6-1 光纤数字通信系统示意图第6章 光纤通信技术在点对点的光纤通信系统中,信号的传输过程如下:电端机的作用是对来自信源的信号进行处理,例如A/D转换、多路复用等处理。光发射机的功能是把电发射机输入的电信号转换为光信号,并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。光发射机的核心设备是光源
3、,目前广泛使用的光源有半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管(或称激光器,LD),以及谱线宽度很小的动态单纵模分布反馈(DFB)激光器。有些场合也使用固体激光器。第6章 光纤通信技术光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号,以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤是光纤线路的主体,接头和连接器是不可缺少的器件。实际工程中,户外使用的是容纳许多根光纤的光缆。光接收机的功能是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号,并经放大和处理后恢复成发射前的电信号,并送入电接收机。光接收机的核心设备是光电检测器,目前广泛使用的光检测器有两
4、种类型:在半导体PN结中加入本征层的PIN光电二极管(PIN-PD)和雪崩光电二极管(APD)。第6章 光纤通信技术对于长距离的光纤通信系统,还必须设有光中继器。它的作用是放大衰减的信号,恢复失真的波形,使光脉冲得到再生。光纤通信中光中继器的形式主要有两种,一种是光-电-光转换形式的中继器;另一种是在光信号上直接放大的光放大器。第6章 光纤通信技术相相对于电缆通信或微波通信,光纤通信具有许多优点:对于电缆通信或微波通信,光纤通信具有许多优点:(1)传输频带宽,通信容量大。一个话路的频带为4KHz,光纤通信的工作频率为10121016Hz,从理论上讲,一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时传输10 亿
5、个话路。它比传统的同轴电缆、微波等要高出几千乃至几十万倍以上。一根光纤的传输容量如此巨大,而一根光缆中可以包括几十根直至上千根光纤。第6章 光纤通信技术2)光纤衰减小,传输距离远。由于光纤具有极低的衰减系数(目前已达0.2dB/km 以下),若配以适当的光发射、光接收设备以及光放大器,可使其中继距离达数百公里以上甚至数千公里。(3)光纤抗电磁干扰的能力强,保密性好。光纤是绝缘体材料,它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰,也不受电气化铁路馈电线和高压设备等工业电器的干扰。光波在光缆中传输,很难从光纤中泄漏出来,即使在转弯处,弯曲半径很小时,漏出的光波也十分微弱,即使光缆内光纤
6、总数很多,也可实现无串音干扰,在光缆外面,也无法窃听到光纤中传输的信息。第6章 光纤通信技术(4)光纤尺寸小,重量轻,便于传输和铺设。光缆的敷设方式方便灵活,既可以直埋、管道敷设,又可以水底或架空敷设。(5)光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富,并节约了大量有色金属。制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅即砂子,地球上有取之不尽用之不竭的原材料,而电缆的主要材料是铜,用光纤取代电缆,则可节约大量的金属材料。光纤通信除具有以上突出的优点外,还具有耐腐蚀力强、抗核辐射、能源消耗小等优点。第6章 光纤通信技术6.1.1 光端机光端机光发送机与光接收机统称为光端机。图6-2所示为数字光发送机的基本组成
7、,包括均衡放大、码型变换、复用、扰码、时钟提取、光源、光源的调制电路、光源的控制电路(ATC和APC)及光源的监测和保护电路等。第6章 光纤通信技术图6-2 数字光发送机原理方框图第6章 光纤通信技术(1)均衡放大。由PCM端机送来的电信号,首先要进行均衡放大,用以补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变,保证电、光端机间信号的幅度、阻抗适配,以便正确译码。(2)码型变换。由PCM端机送来的电信号的线路码型是HDB3码或CMI码,前者是双极性归零码(即+1、0、-1),后者归零码。这两种码型都不适合在光纤通信系统中传输,因为在光纤通信系统中,是用有光和无光分别对应“1”和“0”码,无法与+1、0、-1
8、相对应,需要通过码型变换电路将HDB3码或CMI码变换成NRZ码,以适应光发送机的要求。第6章 光纤通信技术(3)复用。复用是指将多路低速信号互不干扰地合成为一路高速信号的过程。(4)扰码。为了保证所提取时钟的频率以及相位与光发射机中的时钟信号一致,必须避免所传信号码流中出现长“0”或长“1”的现象。光纤通信中解决这一问题通常采用扰码的方法。(5)时钟提取。由于码型变换和扰码过程都需要以时钟信号为依据。故均衡放大之后,由时钟提取电路提取PCM中的时钟信号供给码型变换电路和扰码电路使用。第6章 光纤通信技术(6)调制(驱动)电路。光源驱动电路又称调制电路,经过扰码后的数字信号通过调制电路对光源进
9、行调制,让光源发出的光信号强度跟随信号码流的变化,形成相应的光脉冲送入光纤,完成电/光变换任务。(7)光源。光源的作用是产生作为光载波的光信号,是实现电/光转换的关键器件。光源在很大程度上决定了数字光发送机的性能。(8)自动温度控制电路(ATC)。一般光源随着温度的变化,其输出功率会发生变化。因此,都设有自动温度控制电路(ATC),控制发光器件的环境温度在一定范围内。第6章 光纤通信技术(9)自动功率控制电路(APC)。采用自动(光)功率控制电路是直接控制光源的输出光功率大小的一种有效措施。(10)其他保护、监测电路。光发送机除有上述各部分电路之外,还有一些辅助电路。如光源过流保护电路、无光告
10、警电路、LD偏流(寿命)告警等。第6章 光纤通信技术强度调制直接检波(IM-DD)的光接收机方框图如图6-3所示,主要包括光电检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟恢复电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路等。第6章 光纤通信技术图6-3 数字光接收机方框图第6章 光纤通信技术(1)光电检测器。光电检测器是把光信号变换为电信号的关键器件,由于从光纤传输过来的光信号一般是非常微弱且产生了畸变的信号,(2)前置放大器。光接收机的放大器包括前置放大器和主放大器两部分。放大器在放大的过程中,其本身电阻会引入热噪声,其晶体管会引入散弹噪声。不仅如此,在一个多级放大器中,后一级放大器将会把前一
11、级放大器送出的信号和噪声同时放大。基于此,前置放大器的噪声对整个电信号的放大影响甚大,因此对前置放大器要求是低噪声、高增益。第6章 光纤通信技术(3)主放大器。主放大器一般是多级放大器,它的功能主要是提供足够高的增益,把来自前置放大器的输出信号放大到判决电路所需的信号电平。它还是一个增益可以调节的放大器,当光电检测器输出的电信号出现起伏时,通过自动增益控制(AGC)对主放大器的增益进行调节,以使输入光信号在一定范围内变化时,输出电信号应保持恒定输出。一般主放大器的峰-峰值输出是几伏数量级。(4)自动增益控制(AGC)。AGC是用反馈环路来控制主放大器的增益,增加了光接收机的动态范围。当光信号功
12、率输入较大时,则通过反馈环路降低放大器的增益;当光信号功率输入较小时,则通过反馈环路提高放大器的增益,使输出信号的幅度达到恒定,以便于判决。第6章 光纤通信技术(5)均衡器。均衡器的作用是对经过光纤线路传输、光/电转换和放大后已产生已畸变(失真)和有码间干扰的电信号进行均衡补偿,使其变为码间干扰尽可能小的信号,使输出信号波形有利于判决再生电路的工作,减小误码率。(6)再生电路。再生电路的任务是把放大器输出的升余弦波形恢复成数字信号,它由判决器和时钟恢复电路组成。为了判定信号首先要确定判决的时刻,这需要从均衡后的升余弦中提取准确的时钟信号。时钟信号经过适当相移后,在最佳时刻对升余弦波形进行取样,
13、然后将取样幅度与判决门限进行比较,以判定码元是“1”或“0”,从而把升余弦波形恢复成传输的数字波形。第6章 光纤通信技术6.1.2 光纤光缆光纤光缆1.光纤的基本结构和分类光纤的基本结构和分类目前,通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的横截面很小的双层同心圆柱体,外层的折射率比内层低。折射率高的中心部分叫做纤芯,其折射率为n1,直径为2a(450 mm);包层位于纤芯的周围。直径d2=125m。n1n2,这样做可使得光信号封闭在纤芯中传输。第6章 光纤通信技术光纤的最外层为涂覆层,包括一次涂覆层,缓冲层和二次涂覆层。一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料;缓冲层一般为性能良好的填充油膏
14、;二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤,同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性,起着延长光纤寿命的作用。光纤的结构如图6-4所示。第6章 光纤通信技术图6-4 光纤的结构第6章 光纤通信技术目前光纤的种类繁多,主要注意两种类型的分类,即按光纤剖面折射率分布分类、按传播模式分类。1)按光纤剖面折射率分布分类阶跃型光纤与渐变型光纤 (1)阶跃型光纤:是指在纤芯与包层区域内,其折射率分布分别是均匀的,其值分别为n1与n2,而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤,又称为均匀光纤。阶跃光纤的折射率分布如图6-5所示。第6章 光纤通信技术
15、图6-5 阶跃光纤的折射率分布第6章 光纤通信技术(2)渐变型光纤:是指光纤轴心处的折射率最大(n1),而沿剖面径向的增加而逐渐变小,其变化规律一般符合抛物线规律,到了纤芯与包层的分界处,正好降到与包层区域的折射率n2相等的数值;在包层区域中其折射率的分布是均匀的,即为n2,这种光纤又称为非均匀光纤。渐变光纤的折射率分布如图6-6所示。第6章 光纤通信技术图6-6 渐变光纤的折射率分布第6章 光纤通信技术至于渐变光纤的剖面折射率为何做如此分布,其主要原因是为了降低多模光纤的模式色散,增加光纤的传输容量。2)按传播模式分类多模光纤与单模光纤。光是一种频率极高的电磁波,当它在光纤中传播时,根据波动
16、光学理论和电磁场理论,当光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时,光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播。第6章 光纤通信技术在工作波长一定的情况下,光纤中存在有多个传输模式,这种光纤就称为多模光纤。多模光纤可以采用阶跃折射率分布,也可以采用渐变折射率分布。在工作波长一定的情况下,光纤中只有一种传输模式的光纤,这种光纤就称为单模光纤。单模光纤只能传输基模(最低阶模),不存在模间的传输时延差,具有比多模光纤大得多的带宽,这对于高速传输是非常重要的。第6章 光纤通信技术2.光纤的传输特性光纤的传输特性光信号经过一定距离的光纤传输后要产生衰减和畸变,因而使输入的光信号脉冲和输出的光信号脉冲不同,其
17、表现为光脉冲的幅度衰减和波形的展宽。产生该现象的原因是光纤中存在损耗和色散。损耗和色散是描述光纤传输特性的最主要参数,它们限制了系统的传输距离和传输容量。光纤的损耗会引发光信号能量的衰减,从而限制了光信号的传播距离,光纤的损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗三种损耗。第6章 光纤通信技术(1)吸收损耗。光纤的吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的,包括紫外吸收 红外吸收和杂质吸收。(2)散射损耗。散射损耗通常是由于光纤材料密度的微观变化,以及所含材料成分的浓度不均匀,使得光纤中出现一些折射率分布不均匀的局部区域,从而引起光的散射,将一部分光功率散射到光纤外部引起损耗;或者在制造光纤的过程中,
18、在纤芯和包层交界面上出现某些缺陷、残留一些气泡和气痕等。这些结构上有缺陷的几何尺寸远大于光波,引起与波长无关的散射损耗。第6章 光纤通信技术(3)弯曲损耗。光纤的弯曲会引起辐射损耗。实际中,光纤可能出现两种情况的弯曲:一种是曲率半径比光纤直径大得多的弯曲,例如:在敷设光缆时可能出现这种弯曲;一种是微弯曲,产生微弯曲的原因很多:光纤和光缆的生产过程中限于工艺条件,都可能产生微弯曲,不同曲率半径的微弯曲沿光纤随机分布。光纤的弯曲损耗不可避免。第6章 光纤通信技术描述光纤损耗的主要参数是衰减系数。光纤的衰减系数是指光在单位长度光纤中传输时的衰耗量,单位一般用dB/km。(6-1)衰减系数是光纤重要的
19、特性参数之一。在很大程度上它决定了光纤通信的传输距离。第6章 光纤通信技术光纤的色散指光纤中携带信号能量的各种模式成分或信号自身的不同频率成分因群速度不同,在传播过程中互相散开,从而引起信号失真的物理现象。一般光纤存在三种色散。模式色散:光纤中携带同一个频率信号能量的各种模式成分,在传输过程中由于不同模式的时间延迟不同而引起的色散。材料色散:由于光纤纤芯材料的折射率随频率变化,使得光纤中不同频率的信号分量具有不同的传播速度而引起的色散。波导色散:光纤中具有同一个模式但携带不同频率的信号,因为不同的传播群速度而引起的色散。第6章 光纤通信技术由于单模光纤中只有基模传输,因此不存在模式色散,只有材
20、料色散和波导色散。当波长约在1.31m附近时,材料色散和波导色散相互抵消,使光纤中总色散为零,因此称其为零色散波长。在多模光纤中,一般模式色散占主要地位。模式色散的大小,一般是以光纤中传输的最高模式与最低模式之间的时延差来表示的。第6章 光纤通信技术3.光缆的结构与种类光缆的结构与种类1)结构通信光缆的结构是依据其传输用途、运行环境、敷设方式等诸多因素决定的。从大的方面讲,常用通信光缆分为室内光缆和室外光缆两大类,这里主要为大家介绍室外光缆。室外光缆的基本结构有如下几种:层绞式、中心管式、骨架式。每种基本结构中既可放置分离光纤,亦可放置带状光纤。其特点分述如下:第6章 光纤通信技术(1)层绞式
21、光缆端面如图6-7和图6-8所示。层绞式光缆结构是由多根二次被覆光纤松套管(或部分填充绳)绕中心金属加强件绞合成圆形的缆芯,缆芯外先纵包复合铝带并挤上聚乙烯内护套,再纵包阻水带和双面覆膜皱纹钢(铝)带再加上一层聚乙烯外护层组成。层绞式光缆的结构特点是:光缆中容纳的光纤数量多,光缆中光纤余长易控制,光缆的机械、环境性能好,它适宜于直埋、管道敷设,也可用于架空敷设。第6章 光纤通信技术(a)层绞式带状光缆(b)层绞式分离状光缆图6-7 层绞式光缆端面第6章 光纤通信技术(a)层绞式分离状光缆(b)层绞式带状光缆图6-8 层绞式光缆实物图第6章 光纤通信技术(2)中心管式光缆如图6-9和图6-10所
22、示,是由一根二次光纤松套管或螺旋形光纤松套管,无绞合直接放在缆的中心位置,纵包阻水带和双面涂塑钢(铝)带,两根平行加强圆磷化碳钢丝或玻璃钢圆棒位于聚乙烯护层中组成的。按松套管中放入的是分离光纤、光纤束还是光纤带,中心管式光缆分为分离光纤的中心管式光缆或光纤带中心管式光缆等。第6章 光纤通信技术图6-9 中心管式光缆端面结构(GYXTW53)第6章 光纤通信技术图6-10 中心管式光缆实物图第6章 光纤通信技术中心管式光缆的优点是:光缆结构简单、制造工艺简捷,光缆截面小、重量轻,很适宜架空敷设,也可用于管道或直埋敷设;中心管式光缆的缺点是:缆中光纤芯数不宜过多(如分离光纤为12芯、光纤束为36芯
23、、光纤带为216芯),松套管挤塑工艺中松套管冷却不够,成品光缆中松套管会出现后缩,光缆中光纤余长不易控制等。第6章 光纤通信技术(3)骨架式光缆在国内仅限于干式光纤带光缆,即将光纤带以矩阵形式置于U型螺旋骨架槽或SZ螺旋骨架槽中,阻水带以绕包方式缠绕在骨架上,使骨架与阻水带形成一个封闭的腔体(见图6-11和图6-12)。当阻水带遇水后,吸水膨胀产生一种阻水凝胶屏障。阻水带外再纵包双面覆塑钢带,钢带外挤上聚乙烯外护层。骨架式光纤带光缆的优点是:结构紧凑、缆径小、纤芯密度大(上千芯至数千芯),接续时无需清除阻水油膏、接续效率高。缺点是:制造设备复杂(需要专用的骨架生产线)、工艺环节多、生产技术难度
24、大等。第6章 光纤通信技术图6-11 骨架式光缆端面结构第6章 光纤通信技术 图 6-12 骨架式光缆(GYDGTS)实物图第6章 光纤通信技术2)型号一根光缆的型号一般由型式和规格两大部分组成,如图6-13所示。图6-13 型号组成的格式第6章 光纤通信技术型式由5部分构成,各部分均用代号表示,如图6-14所示。其中结构特征指缆芯结构和光缆派生结构。图6-14 光缆型式的构成第6章 光纤通信技术(1)分类的代号如下:GY通信用室(野)外光缆GM通信用移动式光缆GJ通信用室(局)内光缆GS通信用设备内光缆GH通信用海底光缆GT通信用特殊光缆第6章 光纤通信技术(2)加强件的代号:加强构件指护套
25、以内或嵌入护套中用于增强光缆抗拉力的构件。(无符号)金属加强构件:F非金属加强构件(3)缆芯和光缆的派生结构特征的代号:光缆结构特征应表示出缆芯的主要类型和光缆的派生结构。当光缆型式有几个结构特征需要注明时,可用组合代号表示,其组合代号按下列相应的各代号自上而下的顺序排列。第6章 光纤通信技术D光纤带结构(无符号)光纤松套被覆结构J光纤紧套被覆结构(无符号)层绞结构G骨架槽结构X缆中心管(被覆)结构T油膏填充式结构(无符号)干式阻水结构R充气式结构C自承式结构B扁平形状E椭圆形状Z阻燃第6章 光纤通信技术4)护套的代号:Y聚乙烯护套V聚氯乙烯护套U聚氨酯护套A铝-聚乙烯粘结护套(简称A护套)S
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