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1、第6章 光纤通信本章内容l 光纤通信概述l 光纤与光缆l 光纤通信系统光纤通信v指利用光导纤维(简称光纤)传输光波信号的一种通信方式。v电磁波：长波、中波、微波、红外线、可见光、紫外线。v使用光(激光器)信号，使用光缆作为传输介质。波长是0.81.8m衰减的单位vvdB(分贝)：描述功率相对比值的单位dB=10 log10(Pout/Pin)Pout：输出功率；Pin：输入功率vvdBm(分贝毫瓦)：描述功率绝对值的单位dBm=10 log10(P/1mw)1mw=0 1mw=0 dBmdBm20mw=13 20mw=13 dBmdBm40mw=16 40mw=16 dBmdBm6.1 光纤通
2、信概述v发展史光电话：1880年贝尔(通信距离213m)光源：激光器 梅曼(1960)v美国贝尔公司(1970)半导体激光器传光介质：光纤 高锟(1966)v美国康宁公司(1970)低损耗光纤v工作波长 0.85m、1.31m和1.55m光纤通信特点v通信容量大光载波频率在10141015Hz v传输距离长20dB/km，即可实现通信目前损耗0.2dB/km v抗电磁干扰v体积小、重量轻v机械强度低商用的光纤通信系统v1977年在美国芝加哥和圣塔摩尼卡之间首次建成商用的光纤通信系统。两根(直径0.1mm左右)光纤，同时开通8000路电话！v到1990年，光纤系统发展了几代(通信业务通信业务40
3、%)由多模光纤(70年代)过渡到单模光纤(80年代)由短波长(0.85m)过渡到长波长(1.31m)v信息传输的容量和速率大大提高。90年代：传输速率10000Mbit/s，同时开通 1250000 路电话。6.2 光纤与光缆 1.光纤的结构石英玻璃、塑料或晶体纤芯(折射率大)和包层全反射光纤直径纤芯(Core)62.5 5 mm125 mm包层(Clad)Core8 mm125 mmClad85m 多模单模人的头发光纤的分类v按工作波长：短波长(850nm)和长波长(1310nm、1550nm)v按传输模式：多模光纤和单模光纤v按折射率分布：阶跃(突变)型(SI)、渐变(梯度)型(GI)和W
4、型v按材料：石英光纤、塑料光纤等v几种新型光纤：色散位移光纤(DSF)、非零色散光纤(NZDF)、色散平坦光纤(DFF)、色散补偿光纤(DCF)等ITU-T建议的光纤分类 vG.651光纤：计算机局域网或接入网vG.652光纤：应用最广的单模光纤 vG.653光纤：较少采用vG.654光纤：弯曲性能好 vG.655光纤：适用于高速、大容量、高密集波分复用系统 2.光缆v按芯数分为单芯、双芯、多芯v按结构分为层绞式、骨架式、带状等v按敷设场合分为架空、直埋、管道、移动、室内、水下、海底等v按用途分为通信用光缆和非通信用光缆加强加强元件元件加强加强元件元件加强加强元件元件加强加强元件元件加强加强元
5、件元件光纤光纤3.光传播的基本知识n n1 1n n2 2n n1 1 n n2 2n n1 1n n2 2临界角临界角90900 0临界角临界角n n1 1n n2 2全反射全反射入射角入射角=反射角反射角1 12 2产生全反射的条件：n1n2 90临界角光纤的传光原理(全反射)阶越型光纤性能参数v相对折射指数差：v数值孔径(NA)：接收锥接收锥4.多模光纤v62.5/125 m 的光纤在保安行业中应用最普遍v典型距离达5英里v用于：CCTV门禁控制系统内部通讯 多模多模多模多模 MMFMMFMMFMMF 5.单模光纤v无限带宽v810 mv典型距离超过5英里v用于：长途电信长途电视监控及多
6、路切换共用天线电视系统单模单模单模单模 SMFSMFSMFSMF 单模光纤和多模光纤比较项目单模光纤多模光纤距离长短数据传输率高低光源激光发光二极管信号衰减小大端接较难较易造价高低光纤的主要损耗v损耗吸收损耗：OH-和金属离子散射损耗：其他损耗：光纤连接、弯曲光损耗与波长v光损耗单位：dB/kmv与波长有关v单模损耗小v波长又称为窗口v波谱的红外部分起作用光纤损耗主要存在的地点v光纤本身：与长度和类型有关1310 nm：0.35 0.5 dB/Km1550 nm：0.2 0.3dB/Km850 nm：2.3 3.4 dB/Kmv光纤连接点：0.2dB/点2Kmv设备处：3dB光纤的衰减光纤的衰
7、减图光纤的衰减图0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 nm OH-OH-OH-第一窗口第二窗口第三窗口衰减(dB/km)水峰值6 54321近近端端远远端端信号传播光纤色散(Dispersion)v光脉冲沿着光纤行进一段距离后造成的频宽变粗。它是限制传输速率的主要因素。模间色散材料色散波导色散散射v由于光线的基本结构不完美，引起的光能量损失，此时光的传输不再具有很好的方向性。光线光线缺陷缺陷6.3 光纤通信系统v发送单元：把电信号转换成光信号v传输单元：载送光信号的介质v接收单元：接收光信号并转换成电信号v连接器件：连接光纤到光源、光检测以及其它光纤光
8、纤系统方框图信号光发射机光源中继器检测器光接收机信号 E/O转换光纤O/E转换发送单元传输单元接收单元连接器件数字光通信系统框图v光端机v 由于光纤通信系统一般都是双向的，因此将光发射机和接收机做在一起并称为光端机。下面分别介绍光发射机和接收机。v 1.发射机v 光发射机的作用是将电信号变成光信号，然后送入光纤中传输出去。光发射机主要由光源、光源驱动与调制以及信道编码电路三部分组成，如图所示。光纤通信码型要求v必须是二电平码！v信号自带定时信息v提供一定的冗余传输光发射机框图 v (1)光源。v 光发射部分的核心是产生激光或荧光的光源，它是组成光纤通信系统的重要器件。目前，用于光纤通信的光源主
9、要是半导体激光器LD和半导体发光二极管LED，它们都属于半导体器件，共同特点是体积小、重量轻、耗电量小。LD和LED比较vLD和LED相比，其主要区别表现在，前者发出的是激光，而后者发出的是荧光。因此，LED的话线宽度较宽，调制速度较低，与光纤的耦合效率也较低。但是，LED也有许多优点：它的输出特性曲线线性好，使用寿命长，成本低，适合于短距离、小容量的传输系统。而LD一般适用于长距离、大容量的传输系统。信道编码电路用于对基带信号的波形和码型进行变换，使其适合作为光源的控制信号。它主要完成以下功能：v 均衡。由PCM端机送来的HDB3或CMI（又称传号反转码）码流，首先需要经过均衡器均衡，用于补
10、偿由电缆传输产生的衰减和畸变，以便正确译码。(2)信道编码电路v 码型变换。由均衡器输出的HDB3或CMI码，在数字电路中为了处理方便，需要通过码型变换电路，将其变换为非归零码（即NRZ码）。v 扰码。若信码流中出现长连“0”或长连“1”的情况，将会给时钟信号的提取带来困难。为了避免出现这种情况，加一扰码电路，它可以有规律地破坏长连“0”或长连“1”的码流，达到0、1等概率出现。扰码以后的信号再进行线路编码（信道编码）。v 时钟提取。由于码型变换和时钟提取过程都需要以时钟信号作为依据，因此，在均衡电路之后，由时钟提取电路提取时钟信号，供码型变换和扰码电路使用编码。经过扰码以后的码流，尽量使得1
11、、0的个数均等，这样便于接收端提取时钟信号。另外，为了便于不间断业务的误码监测、区间通信联络、监控及克服直流分量的波动，在实际的光纤通信系统中，都对经过扰码以后的信码流进行信道编码，以满足上述要求。经过编码以后，变为适合光纤线路传送的线路码型。v光源驱动与调制电路主要包含下面几个电路：光源驱动电路。它用经过编码以后的数字信号来调制发光器件的发光强度，完成电光变换任务。vAPC（自动光输出功率控制电路）：它的作用有三个，一是为了使光输出信号电平保持稳定；二是防止光源因电流过大而损坏；三是防止因光输出功率过大，而使光源的输出散弹噪声增加，系统的性能变差。(3)光源驱动与调制电路v ATC（自动温度
12、控制电路）。对激光二极管而言，结温高的时候光输出功率会下降，在APC的作用下控制电流就会自动增加，使结温进一步升高，造成恶性循环而导致激光二极管损坏。ATC电路用以进行光源的温度补偿。v 光监测。监测光电二极管用于检测激光器发出的光功率，经放大器放大后控制激光器的偏置电流，使其输出的平均功率保持恒定。v 有合适的输出光功率。光发射机的输出光功率，通常是指耦合进光纤的功率，亦称入纤功率。入纤功率越大；可通信的距离就越长，但光功率太大会使系统工作在非线性状态，对通信将产生不良影响。因此，要求光源应有合适的光功率输出，一般在0.015mW。与此同时，要求输出光功率保持恒定，在环境温度变化或器件老化的
13、过程中，稳定度要求在5%10%。(4)光发射机的指标v光信号接收电路主要有以下三个作用：v 低噪声放大。由于从光电检测器出来的电信号非常微弱，在对其进行放大时首先必须考虑的是抑制放大器的内部噪声。v 给光电二极管提供稳定的反向偏压。光电二极管只需58V的非临界电压，因此选择合适的偏压很重要，而且在设计过程中也比较困难，需要反复调试。(2)光信号接收电路v 自动增益控制。虽然光纤信道是恒参信道，但仍有可能因为整个系统中的光电器件的性能变化、控制电路的不稳定以及器件的更换等原因，使光接收电路所接收到的信号的电平发生波动，因此光接收机必须有自动增益控制的功能。v (3)信道解码电路。v 信道解码电路
14、是与发端的信道编码电路完全对应的电路，即包含解密电路、解扰电路和码型反变换电路。光接收灵敏度Sr指标是描述接收机被调整到最佳状态时，在满足给定的误码率指标条件下，接收机接收微弱信号的能力。v 工程上常用最低平均光功率来描述光接收机的灵敏度，即在满足给定的误码率指标条件下，最低接收平均光功率Pmin。v 光接收机灵敏度中的光功率在工程上习惯用对数值来描述，即(4)光接收机的指标v 式中,Sr光接收灵敏度，单位为dBm；v Pmin在满足给定的误码率条件下最低接收光功率，单位为mW。v 从物理概念上来看，上述这种灵敏度定义也是容易理解的：如果一部光接收机在满足给定的误码率指标条件下所需的平均光功率
15、低，说明这部接收机在微弱的输入光条件下就能正常工作，显然，这部接收机的性能是好的，是灵敏的。v 接收机的的动态范围D：在保证系统的误码率指标要求下，接收机的最低光功率和最大允许光功率之比，单位为dB，即v 之所以要求光接收机有一个动态范围，是因为当环境温度变化时，光纤的损耗将产生变化；随着时间的增长，光源输出光功率亦将变化。这样，原来按标准化设计的光接收机便可能失效。因此，要求光接收机有一个动态范围，低于这个动态范围的下限（即灵敏度），将会产生过大的误码；高于这个动态范围的上限，在判决时亦将造成过大的误码。显然，一台质量好的接收机应有较宽的动态范围。v在远距离光纤通信系统中，由于受发送光功率、
16、光接收机灵敏度、光纤的损耗和色散的影响，将使光脉冲信号的幅度受到衰落，波形出现失真。这样，就限制了光脉冲信号在光纤中长距离的传输。为了延长通信距离，需在光波信号传输一定距离以后，加一个光中继器，以放大信号，补偿光能的衰减，恢复波形。中继器v 光纤通信系统中的光中继器主要由光接收设备和光发送设备组成,如图176所示。此外，为了使光中继机正常工作，便于监控、维护，必须有电源、公务、告警、监控等设备。有的光中继器还有区间通信接口，以提供一定的区间通信能力。光中继器框图 v 监视控制系统简称监控系统。与其它的通信系统一样，在一个实用的光纤通信系统中，为了保证通信的可靠，监控系统是必不可少的。v 由于光
17、纤通信是近年才发展起来的通信手段，故一般在光纤通信的监控系统中应用了许多先进监控手段，如用计算机进行集中监控等方式。监控系统v 对光纤通信进行监测和控制的主要内容有：v 1.监测的内容 (1)误码率是否满足指标要求；(2)各个中继器是否有故障；(3)接收光功率是否满足指标要求 (4)光源的寿命；(5)电源是否有故障；(6)环境的温度、湿度是否在要求的范围内，包括火灾告警等。v 2.控制的内容 监视控制系统能自动地对通信线路的传输质量和各个组成设备的工作状态进行监测，当光纤通信系统中的主用系统出现故障时，监控系统即由主控站发出自动倒换指令，遥控装置就将备用系统接入，将主用系统退出工作。当经过维护
18、值守人员维修主用系统恢复正常后，监控系统应再发出指令，将系统从备用倒换回主用系统。v 当市电中断后，监控系统还要发出启动油机发电的指令。又如当中继站温度过高，则发出启动风扇或空调的指令。同样，还可根据需要设置其它控制内容。监控系统根据功能不同大致有三种组成方式：v (1)在一个数字段内对光传输设备和PCM复用设备进行监控；v (2)在具有多个方向传输的终端站内,对多个方向进行监控；v (3)对跨越数字段的设备进行集中监控。v 监控系统中监控信号的传输有两种方式：一种是在光缆中加金属导线来传输监控信号；另一种是由光纤来传输监控信号。v 在实际应用中，第一种方法可使主信号和监控信号可以完全分开，互
19、不影响，光系统的设备相对简单。然而，光缆中加设金属导线，也将带来许多缺点：如由于金属线要受雷电和其它强电、磁场的干扰，影响所传输的监控信号，因此使监控的可靠性要求难以满足；将会逐渐淘汰，而采用光纤来传输监控信号的方法会越来越普及。v 利用光纤通信线路本身传送监控信息的方法也有两种：一种叫时分复用法，又称插入比特法，它是利用插入比特把监控信息按时分复用方式插入主信号码流进行传输。另一种是频分复用法，由于光纤通信的主信号速率很高，而监控、公务等辅助信号的速率低得多，两者在频谱上是分开的，因此可以利用频分复用进行传输。器件v有源光器件光源、光电检测器、光纤放大器和调制器。v无源光器件光分路器/耦合器
20、、波分复用器、光纤连接器、光开关、光衰减器、光隔离器和极化器。1.激光器(光发送机)v半导体激光器和发光二极管v半导体激光器阈值特性光谱特性温度特性转换效率2.常用连接器类型SC LC MT-RJ DSC VF-4 Opti-Jack常用连接器类型FC TypeSC TypeSC2 TypeFDD Type3.光纤熔接机4.光电检测器(光接收机)vPIN和APD响应时间暗电流半导体光放大器 光通信技术发展v延长中继距离光放大器(EDFA)外调制器(电光晶体LiNbO3)色散补偿(DCF、Bragg光纤光栅)v提高通信容量时分复用技术(TDM)波分复用技术(WDM)光频分复用(OFDM)：载波间
21、隔1nm波分复用光发射机1光发射机2光发射机N合 波 器光发射机1光发射机2光发射机N光功率放大（BA）光线路放大（OA）光线路放大（OA）分 波 器光前置放大（PA）12N12N12N.发送端接收端光波分复用线路光纤简介光波分复用线路光纤简介vG.652光纤目前称为1310 nm波长性能最佳单模光纤,适用于1310 nm和1530 nm以下的单通路中，每个波长（通道）的最大传输速率为2.5Gb/s；已广泛用于通信光传输系统中。v G.653光纤是在1550 nm波长性能最佳的单模光纤，此光纤零色散从1310 nm移至1530 nm工作波长,所以又称为色散移位光纤,也主要用在SDH系统中，此类光纤国内极少使用G.654、G.655光纤vG.654光纤,称为截止波长移位的单模光纤,主要用于海底光纤通信；目前不太常用。v G.655光纤称之为非零色散移位单模光纤,它使零色散技术不在1550 nm，而将移至1570 nm及15101520 nm附近,主要用于1530 nm 工作波长源,每个波长（通道）的最大传输速率为10Gb/s，在较长距离的波分复用系统中使用。