光纤通信与无线通信.ppt

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1、1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信1.1.传输介质传输介质1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信1.传输介质传输介质通信分为有线通信和无线通信通信分为有线通信和无线通信通信中使用的传输介质有通信中使用的传输介质有3 3类：类：一类为金属导体一类为金属导体 它利用电流传输信息；它利用电流传输信息；另一类是光导纤维另一类是光导纤维 它通过光波来传输信息；它通过光波来传输信息；第三类是空间第三类是空间 不需要物理连接，而是使用电磁波来传输信息不需要物理连接，而是使用电磁波来传输信息。无线通信中使用电磁波来传递信息无线通信中使用电磁波来传递信息1.传输介质传输介质1.1.金属导

2、体金属导体同轴电缆同轴电缆同轴电缆以硬铜线为芯，外包一层绝缘材料。这层绝缘材料同轴电缆以硬铜线为芯，外包一层绝缘材料。这层绝缘材料用密织的网状导体环绕，网外又覆盖一层保护性材料。用密织的网状导体环绕，网外又覆盖一层保护性材料。同轴电缆种类：同轴电缆种类：基带同轴电缆和宽带同轴电缆基带同轴电缆和宽带同轴电缆 基带同轴电缆（基带同轴电缆（50）：传输数字信号）：传输数字信号最大传输距离距离约为最大传输距离距离约为200500m，传输速率传输速率 取决于电缆长度，取决于电缆长度，可达可达50Mb/s特点：特点：良好的传输特性和屏蔽特性，良好的传输特性和屏蔽特性，可以构成大容量的载波通信系可以构成大容

3、量的载波通信系 统。用于主要传输干线统。用于主要传输干线。一对小同轴管可提供数千个话路，一对小同轴管可提供数千个话路，一对中同轴管可提供上万个话路，一对中同轴管可提供上万个话路，多管同轴电缆电路则能提供相当大的传输容量。多管同轴电缆电路则能提供相当大的传输容量。1.传输介质传输介质1.1.金属导体金属导体同轴电缆同轴电缆铜芯铜芯绝缘层绝缘层屏蔽层屏蔽层保护套保护套宽带同轴电缆宽带同轴电缆（75）：传输模拟信号）：传输模拟信号常用的有线电视电缆，带宽可达常用的有线电视电缆，带宽可达300400MHz，主主要要用用于于传传输输模模拟拟电电视视信信号号，最最大大传传输输距距离离可可达达几几公公里里甚

4、甚至至几几十公里。十公里。计计算算机机网网络络中中，“宽宽带带电电缆缆”指指任任何何使使用用模模拟拟信信号号进进行行传传输输的的电缆网。电缆网。同轴电缆特点：同轴电缆特点：良好的传输特性和屏蔽特性，良好的传输特性和屏蔽特性，可以构成大容量的载波通信系可以构成大容量的载波通信系 统。用于主要传输干线统。用于主要传输干线。一对小同轴管可提供数千个话路，一对小同轴管可提供数千个话路，一对中同轴管可提供上万个话路，一对中同轴管可提供上万个话路，多管同轴电缆电路则能提供相当大的传输容量。多管同轴电缆电路则能提供相当大的传输容量。光纤通信光纤通信1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信 传输介质：

5、传输介质：光纤（光缆）光纤（光缆）传输的信号：传输的信号：光信号（数字信号，有光脉冲相当于光信号（数字信号，有光脉冲相当于1，无光脉冲相当于无光脉冲相当于0）传输速率：传输速率：1 Gb/s 以上以上2.光纤通信 (1)光纤结构与分类光纤结构与分类 1m=101m=10-6-6 m m光纤光纤(光导纤维光导纤维)通信通信 是利用光纤传导光信号来进行通信的一种技术是利用光纤传导光信号来进行通信的一种技术。材材料料：光光纤纤由由直直径径大大约约为为1010100100mm的的细细石石英英玻玻璃璃丝丝构构成成，透透明明、纤纤细细，纤芯的芯径一般为纤芯的芯径一般为5050mmmm（多模多模）和）和mm

6、（单模单模）；）；性质：具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。性质：具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。结构：光纤由折射较高的纤芯和折射率较低的包层组成，通常为了保护结构：光纤由折射较高的纤芯和折射率较低的包层组成，通常为了保护 光光 纤纤，包包 层层 外外 还还 往往 往往 覆覆 盖盖 一一 层层 塑塑 料料 加加 以以 保保 护护。即即 使使 形形 状状 发发 生生 弯弯 曲，光线也能很好地在其中传播。曲，光线也能很好地在其中传播。1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信光纤种类光纤种类多模光纤和单模光纤多模光纤和单模光纤单模单模：纤芯直径为：纤芯直径为 810

7、m 810 m（一个光波波长）（一个光波波长）光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导一光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导一样，可使得光线主要沿着轴心直接向前传输，而不会有多次样，可使得光线主要沿着轴心直接向前传输，而不会有多次反射，这样的光纤称为单模光纤反射，这样的光纤称为单模光纤 。衰耗小、能传输更长的距离和达到更高的数据速率衰耗小、能传输更长的距离和达到更高的数据速率(例如例如100km100km距离时速率可达距离时速率可达10Gbps10Gbps ）2.5 Gb/s2.5 Gb/s 的高速率下传输数十公里而不必采用中继器。的高速率下传输数十公里而不必采用中

8、继器。光源：光源：激光二极管激光二极管ILDILD发出的激光，波长：发出的激光，波长：1310nm1310nm1550nm1550nm带宽：带宽：为为2000MHz/Km2000MHz/Km，光线从光源进入光线从光源进入光纤光纤后有两种不同的传输方式后有两种不同的传输方式,光纤也就分为多光纤也就分为多模光纤和单模光纤模光纤和单模光纤1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信光纤种类光纤种类多模光纤多模光纤多模多模：纤芯直径为：纤芯直径为 50 50 或或 mm 光线沿着光纤以多种角度不断被包层反射而向前传播。光线沿着光纤以多种角度不断被包层反射而向前传播。（或者说可以存在许多条入射角不同

9、的光线在一条光纤中传递，（或者说可以存在许多条入射角不同的光线在一条光纤中传递，）这种光纤称为多模光纤。）这种光纤称为多模光纤。这里的多模意指反射角的多样性。这里的多模意指反射角的多样性。与单模光纤相比损耗较大、离散大、传输性能要差与单模光纤相比损耗较大、离散大、传输性能要差 在在10mbps10mbps及及100mbps100mbps的以太网中，多模光纤最长可支持的以太网中，多模光纤最长可支持20002000米的米的传输距离，传输距离，距离近、速度低距离近、速度低1km1km距离时速率可达距离时速率可达1Gbps1Gbps光源：光源：发光二极管发光二极管LEDLED发出的光发出的光,波长：波

10、长：850nm 850nm 或或 1300nm 1300nm带宽：带宽：为为50MHz50MHz500MHz/Km500MHz/Km1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信光波在纤芯中的传输原理光波在纤芯中的传输原理当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此如果折射角足够大时，就会出现全反射。即光线碰到包层时就会折射回纤芯。重复此过程，光就沿着光纤传播下去。1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信光传输系统光传输系统光缆：多模光纤、单模光纤光缆：多模光纤、单模光纤光源：发光二极管光源：发光二极管LED，发出的光的波长是，发出的光的波长是 850nm

11、或或 1300nm 激光发射二极管激光发射二极管ILD，发出的光的波长是，发出的光的波长是 1500nm检测器：光电二极管检测器：光电二极管1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信(2)光纤通信原理光纤通信原理 光也是一种电磁波，它可以像无线电波那样，作为一种载体来光也是一种电磁波，它可以像无线电波那样，作为一种载体来传递信息载有声音、图像以及各种数字信号的激光从光纤的传递信息载有声音、图像以及各种数字信号的激光从光纤的一端输入，就可以沿着光纤传到千里以外的另一端，实现光纤一端输入，就可以沿着光纤传到千里以外的另一端，实现光纤通信通信 使用光纤传输信息时使用光纤传输信息时在在发发信信端

12、端，由由需需要要传传输输的的数数字字信信号号(电电信信号号)去去驱驱动动一一个个光光源源(半半导导体体激激光光器器或发光二极管或发光二极管)，并对发出的光信号进行调制。，并对发出的光信号进行调制。调制后的光信号通过光纤传送到接收端调制后的光信号通过光纤传送到接收端信信号号经经放放大大后后由由光光检检测测器器(半半导导体体光光电电管管)进进行行检检测测、解解调调，转转换换成成电电信信号号之之后输出后输出 1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信(2)(2)光纤通信原理光纤通信原理 对于长距离的光纤通信系统还需中继器，其作用是将经过长距对于长距离的光纤通信系统还需中继器，其作用是将经过长距

13、离光纤衰减和畸变后的微弱光信号经放大、整形、再生成一定离光纤衰减和畸变后的微弱光信号经放大、整形、再生成一定强度的光信号，继续送向前方以保证良好的通信质量。强度的光信号，继续送向前方以保证良好的通信质量。目前的中继器多采用目前的中继器多采用光光-电电-光光形式，即将接收到的光信号用形式，即将接收到的光信号用光电检测器变换为电信号，经放大、整形、再生后再调制光源光电检测器变换为电信号，经放大、整形、再生后再调制光源将电信号变换成光信号重新发出，而不是直接放大光信号。将电信号变换成光信号重新发出，而不是直接放大光信号。光光波波的的频频率率为为1010141410101515HzHz，波波长长为为微

14、微米米级级，因因此此通通信信容容量量很很大大。目目前前一一束束光光能能携携带带几几十十个个G G的的二二进进位位信信号号，通通过过波波分分多多路复用路复用(WDM)(WDM)技术还可达到更大的通信容量技术还可达到更大的通信容量 1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信(2)光纤通信原理光纤通信原理 波分多路复用波分多路复用波分多路复用波分多路复用波波分分复复用用技技术术能能在在单单一一光光纤纤内内同同步步传传输输多多个个不不同同波波长长的的光光波波，让数据传输速度和容量获得倍增让数据传输速度和容量获得倍增其其原原理理如如图图122122所所示示。其其中中发发送送端端有有N N个个发发送

15、送单单元元，它它们们所所发发出出的的N N个个不不同同波波长长的的光光波波通通过过复复用用器器(称称为为合合波波器器)合合并并起起来来，进进入入同同一一根根光光纤纤进进行行传传输输。到到达达接接收收端端后后，通通过过分分路路器器(称称为为分分波波器器)将将它它们们分分开开，分分别别送送到到各各自自相相应应的的光光电电检检测测器器中中，恢恢复出原始的信号。复出原始的信号。1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信光纤通信的优点：光纤通信的优点：传输频带宽，传输频带宽，通信容量大通信容量大 抗雷电和电磁干干扰、抗辐射能力强抗雷电和电磁干干扰、抗辐射能力强保密性好，无串音干扰，不易被窃听或截取

16、数据保密性好，无串音干扰，不易被窃听或截取数据保密性好保密性好 便于运输和铺设便于运输和铺设 传输损耗小，通讯距离长传输损耗小，通讯距离长 数数据据速速率率为为420Mbps、距距离离为为119km、无无中中继继器器时时，误误码码率为率为10-8。无中继器。无中继器光纤通信的缺点：光纤通信的缺点：精确连接两根光纤比较困难精确连接两根光纤比较困难1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信(3)远程数字通信线路远程数字通信线路光纤传输网已经成为几乎所有现代通信的基础平台。光纤传输网已经成为几乎所有现代通信的基础平台。除除了了电电话话、有有线线电电视视等等使使用用光光纤纤进进行行传传输输之之外

17、外，电电信信部部门门还还在在光光纤纤传传输输网网的的基基础础上上建建设设了了帧帧中中继继网网、ATMATM网网等等公公用用数数据据通通信信网，为社会提供数据通信服务网，为社会提供数据通信服务 远程数字通信线路按照同步方式的不同分为两类：远程数字通信线路按照同步方式的不同分为两类：低速率的准同步数字系列低速率的准同步数字系列(PDH)(PDH)PDHPDH是是电电话话公公司司用用于于传传输输电电话话信信号号的的数数字字线线路路，计计算算机机用用 户为了实现与远程计算机户为了实现与远程计算机(或网络或网络)的连接的连接 高速率的同步数字系列高速率的同步数字系列(简称简称SDH)SDH)光光同同步步

18、数数字字传传输输网网SDHSDHSONETSONET可可以以非非常常灵灵活活地地支支持持各各种种数数字字传传输业务，包括各种类型的计算机网络。输业务，包括各种类型的计算机网络。1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信(4)全光网全光网 光光纤纤通通信信的的瓶瓶颈颈之之一一是是光光信信号号的的传传输输距距离离。焦焦点点在在“信信号号放放大大”。用用普普通通光光纤纤网网络络传传输输信信息息时时，每每隔隔200km500km需需将将光光信信号号还还原原成成电电信信号号进进行行放放大大，然然后后再再转转换换成成光光信信号号继继续续传传输输。昂昂贵贵的的光光/电电和和电电/光光转转换换抵抵消消了

19、了超超高高速速传传输输所所带带来来的的经经济济效效益益，增增加加成成本本；还还使使进进一一步步提提高高带带宽宽变变得越来越困难。得越来越困难。全光网全光网AON（All Optical Network）的概念的概念 全全光光网网是是指指光光信信息息流流在在通通信信网网络络中中的的传传输输及及交交换换时时始始终终以以光光的的形形式式存存在在，不需要经过光不需要经过光/电、电电、电/光转换。光转换。全光网技术是光纤通讯领域的前沿技术，是全光网技术是光纤通讯领域的前沿技术，是21世纪真正的高速公路。世纪真正的高速公路。1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信电磁波的种类与频率电磁波的种类与频

20、率利利用用电电磁磁波波可可以以在在空空间间自自由由传传播播的的特特性性，通通过过模模拟拟信信号号或或数数字信号使用电磁波调制后进行传输，实现远距离传输信息字信号使用电磁波调制后进行传输，实现远距离传输信息电磁波的种类与频率范围电磁波的种类与频率范围 无线电波无线电波:10104 4 10 101111 (Hz)(Hz)中波：中波：0.3 0.3 3 (MHz)3 (MHz)短波：短波：3 3 30 (MHz)30 (MHz)超短波：超短波：30 30 300 (MHz)300 (MHz)微波：微波：0.3 0.3 300 (GHz)300 (GHz)红外线：红外线：10101111 10 10

21、1414 (Hz)(Hz)可见光：可见光：10101414 (Hz)(Hz)紫外线：紫外线：10 101414 10 101616 (Hz)(Hz)无线广播无线广播电视、通信电视、通信通信通信1041051061071081091010101110121013101410151016 Hz双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆AM广播广播FM广播和广播和TV卫星卫星地面微地面微波波光纤光纤紫外线紫外线红外线红外线可见光可见光微波微波无线电无线电波波超短波超短波中波中波短波短波1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信3 无线通信无线通信无线电波可以按频率（或波长）分无线电波可以按频率（或波长）分：

22、中中波波、短短波波、超超短短波波和和微微波波。由由于于不不同同波波段段电电磁磁波波的的传传播播特特性性各各异，因此可以应用于不同的通信系统。异，因此可以应用于不同的通信系统。中波中波沿地面传播，绕射能力强，适用于广播和海上通信。沿地面传播，绕射能力强，适用于广播和海上通信。短短波波地地表表电电波波会会被被地地球球吸吸收收,电电离离层层反反射射能能力力强强，适适用用于于环环 球通信。球通信。超超短短波波和和微微波波绕绕射射能能力力较较差差，在在空空间间主主要要是是直直线线传传播播,能能穿穿 透透电电离离层层而而进进入入宇宇宙宙空空间间,适适用用于于视视距距或或超超 视距中继通信。视距中继通信。无

23、线通信通过自由空间的电波去传递信息无线通信通过自由空间的电波去传递信息1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信无线通信常见形式无线通信常见形式 无线电通信（广播，电视）无线电通信（广播，电视）微波通信（移动电话，数字电视）微波通信（移动电话，数字电视）红外遥控（电视等）红外遥控（电视等）电磁频谱中电磁频谱中3000GHz3000GHz以下的部分称为无线电频谱。以下的部分称为无线电频谱。无线电频谱可无线电频谱可用来进行声音和图像广播、气象预报、导航、无线电通信、灾用来进行声音和图像广播、气象预报、导航、无线电通信、灾害预报、报时等业务害预报、报时等业务。根据无线电波传播及使用的特点，国际

24、上将其划分为根据无线电波传播及使用的特点，国际上将其划分为1212个频段，个频段，而通常的无线电通信只使用其中的第而通常的无线电通信只使用其中的第4 4到第到第1212个频段。个频段。1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信无线电波的划分无线电波的划分调调幅广播电台信号的频段与波段调调幅广播电台信号的频段与波段 MFMF（中频）中频）/中波中波 HFHF（高频）高频）/短波短波民用调频广播电台信号的频段与波段民用调频广播电台信号的频段与波段 VHFVHF（甚高频）中频率在甚高频）中频率在8888108 108 MHzMHz内内电电视信号的频段与波段电电视信号的频段与波段 VHF VHF

25、（甚高频）甚高频）/米波米波*1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信电磁波在空间的传播特点电磁波在空间的传播特点甚长波甚长波,长波，中波长波，中波能沿地球表面向不同方向传播（绕射能力强），容易穿过建筑能沿地球表面向不同方向传播（绕射能力强），容易穿过建筑物，适用于广播和海上通信。调幅广播使用中波波段。物，适用于广播和海上通信。调幅广播使用中波波段。短波短波,超短波超短波 地表电波被地球吸收，电波依靠电离层（距地球地表电波被地球吸收，电波依靠电离层（距地球100km 100km 500km 500km高度的带电粒子层）的反射传播，适用于环球通高度的带电粒子层）的反射传播，适用于环球通信

26、。信。调幅广播调幅广播使用短波波段使用短波波段,民用民用调频广播调频广播使用超短波波段。使用超短波波段。军方也使用这两个波段通信。军方也使用这两个波段通信。1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信1 微波通信微波通信微波微波：一种具有极高频率（一种具有极高频率（300MHz300MHz300GHz300GHz）的电磁波）的电磁波波长很短，通常为波长很短，通常为1 1米至米至1 1毫米。毫米。性质：性质：无绕射性无绕射性电离层穿透性电离层穿透性类光波性，直线传播，反射性类光波性，直线传播，反射性1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信1 微波通信微波通信微波微波 直线传播，不能沿

27、地球表面传播（无绕射性），直线传播，不能沿地球表面传播（无绕射性），适用于视距或超视距中继通信。需要隔一段距离设立适用于视距或超视距中继通信。需要隔一段距离设立一个中继站。一个中继站。可以从物体上得到反射可以从物体上得到反射不能被电离层反射而是穿透电离层不能被电离层反射而是穿透电离层1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信1 微波通信微波通信微波通信微波通信无无线线通通信信的的一一种种形形式式。广广泛泛用用于于长长途途电电话话、蜂蜂窝窝电电话话、全全数数字字高高清清晰晰度度电电视视（HDTVHDTV）等的信号传输等的信号传输。1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信微波通信方式

28、微波通信方式：地面微波接力通信地面微波接力通信 卫星通信卫星通信 对流层散射通信对流层散射通信通信卫星通信卫星对流层对流层不均匀体不均匀体GB1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信微波接力通信优点微波接力通信优点：容量大、可靠性高、建设费用低、抗灾能力强。容量大、可靠性高、建设费用低、抗灾能力强。容量大：容量大：采采用用模模拟拟调调频频传传输输技技术术时时，容容量量高高达达几几千千路路电电话话，还还可可同同时传输高质量的彩色电视。时传输高质量的彩色电视。采采用用数数字字微微波波传传输输技技术术后后，容容量量更更大大、可可靠靠性性更更高高，对对移移动通信，全数字动通信，全数字HDTVH

29、DTV传输等，起到了重要的作用。传输等，起到了重要的作用。1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信2 卫星通信卫星通信利用人造地球卫星作为中利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，实继站转发无线电信号，实现两个或多个地球站之间现两个或多个地球站之间的通信。的通信。是微波接力通信技术与空是微波接力通信技术与空间技术相结合的产物间技术相结合的产物。1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信2 卫星通信卫星通信通信卫星通信卫星地面站地面站1 1地面站地面站2 2地地 球球通信卫星工作原理通信卫星工作原理：从从地地面面站站1发发出出的的无无线线电电信信号号，被被卫卫星星通通信信天天线线

30、接接收收后后，首首先先在在通通信信转转发发器器中中进进行行放放大大、变变频频和和功功率率放放大大，然然后后由由卫卫星星的的通通信信天天线线把把放放大大后后的的信信号号重重新新发发向向地地面面站站2，从从而而实实现现两两个个地地面面站站或或多多个个地面站的远距离通信。地面站的远距离通信。1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信中低轨道卫星通信中低轨道卫星通信中低轨道低于同步轨道，在这种轨道上运行的卫星运行周期小于地球自转一圈的周期，因此相对于地面是（向前）运动的，卫星天线覆盖的区域也小，地面天线必须随时跟踪卫星。优点：高度仅是同步轨道的二十分之一至八十分之一，路径损耗低很多，传播时延时也

31、大大缩短，对于手持通信终端和话音通信非常有利。1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信同步轨道卫星通信同步轨道卫星通信卫星卫星卫星卫星卫星卫星地球地球3580035800公里公里同步轨道卫星通信 赤道上方高度为35800公里的地方为地球同步轨道，卫星的运行周期与地球自转一圈的周期相同，在地面上看这种卫星好似静止不动。同步轨道卫星覆盖约120的地球表面，这个覆盖面内的两个地面站可实现远距离通信。三三3 3颗颗同步定点轨道卫星同步定点轨道卫星就可以覆盖就可以覆盖地球的几乎全部面积，可以进行二十地球的几乎全部面积，可以进行二十四小时的全天候通信。四小时的全天候通信。天空中最多只能有天空中最多只能有180180颗颗地球同步通地球同步通信卫星。信卫星。1.3.3 光纤通信与无线通信光纤通信与无线通信通信卫星特点通信卫星特点：优点：优点：通信距离远、频带宽、容量大、干扰小、通信稳定通信距离远、频带宽、容量大、干扰小、通信稳定缺点：缺点：造价高、技术复杂、通信天线口径大、有延时、同步造价高、技术复杂、通信天线口径大、有延时、同步 轨道卫星数目有限轨道卫星数目有限