光纤通信期末复习 .doc

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1、第1章概述1、光纤通信的基本概念：利用光导纤维传输光波信号的通信方式。光纤通信工作波长在于近红外区：0.81.8m的波长区， 对应频率: 167375THz。对于SiO2光纤，在上述波长区内的三个低损耗窗口，是目前光纤通信的实用工作波长，即0.85m、1.31m及1.55m。2、光纤通信系统的基本组成：（P2图1-3）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。1）在点对点的光纤通信系统中，信号的传输过程：由电发射机输出的脉码调制信号送入光接收机，光接收机将电信号转换成光信号耦合进光纤，

2、光接收机将光纤送过来的光信号转换成电信号，然后经过对电信号的处理以后，使其恢复为原来的脉码调制信号送入电接收机，最后由信息宿恢复用户信息。2）光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源，目前主要采用半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管（LD)。3）光接收机中的重要部件是能够完成光-电转换的光电检测器，目前主要采用光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。特性参数：灵敏度 4）一般地，大容量、长距离光纤传输 : 单模光纤+半导体激光器LD小容量、短距离光纤传输 : 多模光纤+半导体发光二极管LED5）光纤线路系统：功能：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变和衰减传输到

3、光接收机。组成：光纤、光纤接头和光纤连接器要求：较小的损耗和色散参数3、光纤通信的特点：优点：（1），传输频带宽，通信容量大。（2）传输损耗小，中继距离长：石英光纤损耗低达0.19 dB/km，用光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多。（3）保密性能好：光波仅在光纤芯区传输，基本无泄露。（4）抗电磁干扰能力强：光纤由电绝缘的石英材料制成，不受电磁场干扰。（5）体积小、重量轻。（6）原材料来源丰富、价格低廉。缺点：1）不能远距离传输；2）传输过程易发生色散。4、（1）光纤通信在通信网中的未来发展趋势：GFP、ASON、全光网（ 波分复用技术（WDM） 相干光通信 超长波长光纤通信 光集成技术

4、光孤子通信） （2）相应技术手段：时分复用 TDM；波分复用 WDM；光时分复用 OTDM；光放大技术；色散补偿技术。（3）技术现状：PDH、SDH、WDM、光电收发器、EPON超高速度、超大容量以及超长距离传输的光纤通信一直是人们追求的目标，光纤到户和全光网是人们希望早日实现的梦想。目前1.6Tbit/s的WDM系统已经大量使用，随着技术和业务的不断发展，WDM技术正从长途传输领域向城域网领域扩展。未来的高速通信网是全光网。它是以光节点代替电节点，节点之间也是全光化，具有良好的透明性、开放性、兼容性以及可靠性，并且能够提供巨大的带宽，网络结构简单，组网非常灵活。要形成一个已WDM技术与光交换

5、技术为主的光网络层，建立起真正的全光网络，必须要解决的问题是消除电光瓶颈，而光纤到户FTTH是解决从Internet主干网到用户的“最后一公里”瓶颈现象的最好方案。第2章光导纤维1、光纤的结构：目前，通信用的光纤绝大多数用石英材料做成的横截面积很小的双层同心圆柱体。光纤由 涂覆层、纤芯、包层 组成。 折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为n1，直径为2a；折射率低的外围部分称为包层，其折射率为n2，直径为2b。 纤芯：纤芯位于光纤的中心部位（直径d1= 9 50m）。多模光纤的纤芯为50m，单模光纤的纤芯为910m。成份：高纯度的二氧化硅。还掺有极少量的掺杂剂（如二氧化锗，五氧化二磷）。作用：

6、适当提高纤芯对光的折射率(n1)，用于传输光信号。包层：位于纤芯的周围（直径d2= 125m），含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。作用：适当降低包层对光的折射率(n2)，使之略低于纤芯的折射率，即n1 n2，这是光纤结构的关键，它是使光信号封闭在纤芯中传输。涂敷层：由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成。 作用：增加光纤的机械强度与可弯曲性。2、光纤的分类：目前在通信中使用较为广泛的光纤有两种：紧套光纤与松套光纤 。1）、按照光纤横截面折射率分布不同来划分：阶跃型光纤：纤芯折射率n1沿半径方向保持一定，包层折射率n2沿半径方向也保持一定，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，称

7、为：均匀光纤。 渐变型光纤：如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为：非均匀光纤。 2）按照纤芯中传输模式的数量划分：多模光纤：在一定的工作波下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可采用渐变折射率分布多模光纤的纤芯直径约为50m。模式色散，仅适用于低速率、短距离通信 单模光纤：光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤单模光纤的纤芯直径较小，约为410m。适用于大容量、长距离的光纤通信。 3）按照传输波长分类：（1）短波长光纤：0.85m（0.80.9m) 作用：用于短距离市话中继线路或专用通信网等线路.

8、（2）长波长光纤：1.31.6m（主要1.3m和1.55m两个窗口） 作用：用于干线传输。4）按照使用材料的不同来分：玻璃光纤、全塑光纤、石英系列光纤。3、阶跃型光纤的导光原理 1）相对折射指数差： 弱导波光纤： 2）导波：携带信息的光波在光纤的纤芯中，由纤芯和包层的界面引导前进，这种波称为导波。形成导波的条件：能在纤芯界面上产生全反射的子午线才能在纤芯中形成导波，即子午射线只有满足: 才能在纤芯中形成导波（即满足全反射条件 ）。 3）数值孔径NA：表示光纤捕捉入射光线的能力。4）阶跃型光纤中的光射线种类 子午射线 ：子午线在端面上的投影是一条直线斜射线：是不经过光纤轴线的空间折线。4、渐变型

9、光纤的导光原理 1）渐变型的子午线不是直线，而是曲线。在轴线处折射指数最大；在纤芯和包层的交界面处折射指数最小为n2,即n2=n(a).2）得到最佳折射指数分布的前提条件：（1）均匀的激励；（2）恒定的光中心波长；（3）相同传输损耗的模式；最佳折射指数分布：这种在最大程度上减少模式色散的 n(r) 分布，称为渐变型光纤的最佳折射指数分布。双曲正割型和平方律型3）渐变型（平方律）光纤的最佳折射指数分布表达为：4）渐变型光纤的本地数值孔径 NA 渐变型光纤纤芯折射指数 n1 随半径r变化。因此，数值孔径NA 是纤芯端面上位置的函数。故，渐变型光纤纤芯在某一点的数值孔径可表示为： 比较：阶跃型光纤的

10、数值孔径渐变型光纤的数值孔径 NA 表征的意义： 当折射指数越大时，本地数值孔径也越大，表示光纤捕捉射线的能力就越强。轴线处的折射指数最大，捕捉射线的能力最强。例题：已知：渐变型光纤的折射指数分布为： 试求：该光纤的本地数值孔径。解：5、用波动理论法分析光纤的导光原理 （1）阶跃型光纤的标量近似解法 归一化频率：P26 导波的数量：P32单模传输条件： 0V2.40483 （2）渐变型光纤的标量近似解法 归一化频率：P26 最大导波数量：P37截止条件VVc；远离截止：V例题：已知：渐变光纤纤芯的折射指数为n1=1.5，相对折射指数差=0.01、纤芯半径a=25m。若0 =1m，求：该光纤的归

11、一化频率值及其中传播的模数量。解：代入数据可得归一化频率为： 最大传播模式数量 = 261 例题：已知：阶跃型光纤，若n1=1.5，0=1.31m， （1）若 =0.01，当保证单模传输时，纤芯半径a应取多大？ （2）若纤芯半径a=5m，应怎样选择才能保证单模传输？解：（1）单模传输的条件 0V2.404832）若纤芯半径a=5m 0 2* 1.5 * * 5 能够产生激光的工作物质 泵浦源：使粒子数反转分布（N1 能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。工作物质在泵浦源的作用下发生粒子数发转分布，成为激活物质，从而有光的放大作用。激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。3、半导体激光器

12、的结构、工作原理及工作特性 1）光纤通信对半导体发光器件 LD/LED 的基本要求： a、光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口 b、能长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。 c、与光纤的耦合效率高。 d、光源的谱线宽度窄。 e、寿命长，工作稳定。2）LD的结构：从光振荡的形式上来看，激光器分为：布里-珀罗谐振腔（F-P腔）激光器和分布反馈型（DFB）激光器。常用的光纤通信激光器 铟镓砷磷（InGaAsP）双异质结条形激光器 。它的特点：注入电流小，发光强度大。3 ）比较 LD、LE：4、常用的半导体光电检测器： PIN光电二极管、APD雪崩光电二极管 1）APD工作特性：具有光/电

13、转换作用； 具有内部放大作用；（通过管子内部的雪崩倍增效应完成）2）APD的雪崩倍增效应： 光生载流子在P-N结强电场处加速后与晶格的原子发生碰撞后使价带的电子得到了能量；越过禁带到达导带，产生新的电子空穴对；电子空穴对在强电场再次被加速，再次碰撞；循环过程，能量倍增。5、光放大器分类： 半导体光放大器和光纤放大器 光纤放大器：非线性光纤放大器（如：拉曼放大器）和掺铒光纤放大器（EDFA）。1）EDFA的优点：工作波长接近于光纤低损耗窗口：1.531.56m 泵浦功率低，仅需几十毫瓦；高增益：40dB低噪声、噪声系数可低至34dB，大功率输出：1420dBm。连接损耗低：0.1dB。2）EDF

14、A的基本结构：由掺铒光纤、泵浦光源（主体部件）、光耦合器、光滤波器等组成。 3）EDFA的工作原理：在泵浦源的作用下，在掺铒光纤中出现了粒子数发转分布，产生了受激辐射，从而使光信号得到放大。6、无源光器件：光定向耦合器、光隔离器、光环行器、光滤波器、光开关、波长转换器、波分复用器。7、WDM波分复用：在一根光纤中能同时传输多波长光信号的技术，称为光波分复用技术（WDM）。1）光波分复用器是对光波波长进行合成与分离的光器件。有光波分复用器构成的光波分复用系统，从结构上来分，可分为单纤单向WDM系统和单纤双向WDM系统（基本应用方式）。单向的扩容效率高，具有升级效应，不要求对原有的光纤设施进行改动

15、；双向具有简化传输网络等方面的优点。2）优点：复用器结构简单、体积小、可靠性高；提高光纤的频带利用率；降低对器件的速率要求；提供透明的传送通道；可更灵活地进行光纤通信组网。缺点：存在插入损耗和串光等问题。3）WDM 对光源和光电检测器的要求对光源的要求： 激光器输出波长保持稳定 激光器应具有比较大的色散容纳值 采用外调制技术对光检测器的要求：具备多波长检测能力4）WDM监控和管理系统两个功能：对EDFA的监控与管理；对各波道工作状态的监控。5）分类：WDM、DWDM密集波分复用、CWDM粗波分复用根据波长间隔分类：WDM（约几十nm或者200nm）； CWDM（10nm）；DWDM（0.42n

16、m）。我国采用100GHz和200GHz作为通路间隔标准。6）WDM系统结构 光发射机 输入：SDH的光信号； 输出：WDM的光信号。 光接收机 输入：WDM的光信号； 输出：SDH的光信号。 光中继 可以使用EDFA，也可以使用RFA。增益选取适当，不能过大避免光纤处于非线性状态7） WDM 网络的关键设备OADM（光分插复用器）：与SDH的ADM功能类似： 波长上、下话路的功能； 具有波长转换功能； 具有光中继放大和功率平衡功能； 提供复用段和通道保护倒换功能，支持各种自愈环； 具有多业务接入功能，比如SDH、Gbit。 不同之处：OADM是在光域上完成； ADM是在电域上完成OXC（光数

17、字交叉连接器）：用于完成光域上光信号的交叉连接OXC实现的三种方式： 光纤交叉连接（FXC）：以一根光纤所传输的总容量为基础进行交叉连接。 优点：交叉容量大。 缺点：缺乏灵活性。 波长交叉连接（WSXC）：能够转换从输入光纤到输出光纤的一个子集的波长信道。 优点：比FXC灵活，可提供波长业务等。缺点：无波长转换，会遇到波长缺乏的情况。 波长转换连接（WIXC）：任意输入波长经转换到任意输出波长。优点：任意波长转换，最灵活8） 采用光波分复用技术的高速光纤通信线路 影响波分复用系统性能的因素： (1)制作技术和成本限制：光器件制作成本高于电子器件，而且很多理论上没问题，实际部件难以实现。 (2)

18、串扰影响：信道之间的串扰，引起误码。 (3)稳频：激光器的发射频率。 (4)阻塞特性：对OXC要求无阻塞特性。9）与WDM系统设计有关的因素 最小光功率：光放输入端，要求到达最后一个光放至少需要多少功率。 最大光功率：光放输出端，以不出现SRS非线性效应为目标，控制功率输出。信噪比、通道间隔、总通道数对传输距离的影响。第4章 光纤通信系统1、掌握IM/DD光纤通信中的线路码型：交换机（内部，电信号，PCM，采用NRZ码）传输系统脉冲编码调制(PCM)通信系统中的接口码型: HDB3码、CMI码PCM系统中的码型并不都适于在数字光纤通信系统中传输。2、了解IM/DD光纤通信系统： 将光发、光中继

19、、光收、备用系统、监控系统、电源（供电系统）结合起来就形成一个完整的光纤通信系统。备用系统：采用主备用、负荷分担等形式防止主系统故障。电源：大多数通信机房电源采用-48V。监控系统：监视系统的运行状态，比如：系统的温度、光功率等指标是否正常；控制系统的某些动作，比如：主备用系统切换指令等。3、掌握直接调制和间接调制1）直接调制：用电信号直接调制LED或LD的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现。它的特点是：成本低，易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限。2）间接调制：把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。它的特点是：调制速率高，但技术复杂，成本较高。只用在大容量的

20、波分复用和相干光通信系统中。4、低速的光纤通信系统：采用IM/DD技术 新型光纤通信系统：采用多信道复用技术第5章 SDH&WDM1、SDH网由基本网络单元组成：终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）、再生中继器（REG）、数字交叉连接设备等。1）四种网元的区别：TM只是简单的复用。ADM可以实现自由灵活地上下话路功能。DXC具有ADM所有功能，还具有交叉连接，实现电路群的调度，成本较ADM高。REG只起放大信号的作用。2）终端复用器（TM）：提供由G.703（即 PDH接口）接口到STM-1输出的简单复用功能；提供由若干STM-N复用到STM-M（MN）的复用功能；3）分插复用器（ADM）

21、：利用分接功能将输入信号所承载的信息分成两部分：一部分直接转发，另一部分卸下给本地用户，然后信息又通过复接功能将转发部分和本地上送的部分合成输出。主要用于SDH网络的转接站点处4）数字交叉连接器（DXC）：完成STMN信号的交叉连接功能，多端口器件。相当于交叉矩阵，完成各个信号间的交叉连接。可将输入的m路信号交叉连接到输出的n路信号上5） 再生中继器：光传输网的再生中继器有两种：一种是纯光的再生中继器，主要进行光功率放大以延长光传输距离；一种是用于脉冲再生整形的电再生中继器，主要通过光/电变换，电信号抽样、判决、再生整形、电/光变换，以达到不积累线路噪声，保证线路上传送信号波形的完好性。2、S

22、DH网模型架构SDH对模型的下列几个方面做了规定：（1）网络节点接口（2）同步数字体系的速率（3）帧结构。1）网络节点接口 传输设备：光缆传输系统设备；微波传输系统设备；卫星传输系统设备。 网络节点：只有复用功能（简单）；复用、交叉连接多种功能（复杂）。2）速率：同步传输模块：STM-N，N1、4、16等。 STM-1 155.520Mbit/s 155Mbit/s STM-4 622.080Mbit/s 622Mbit/s STM-16 2488.320Mbit/s 2.5Gbit/s STM-64 9953.280Mbit/s 10Gbit/s STM-256 39813.12Mbit/s

23、 40Gbit/s3）帧结构：SDH帧为块状帧结构，共有9行，270列，以字节为单位传输方向：从左到右，从上到下。传输时间（帧长）：Ts125s。STM-1速率获得：比特数：9270N8=927018=19440b 速率 ：19440b/Ts155.520Mb/s。STM-N速率同理3、STM-N帧包括三个部分：SOH、AU-PTR、PAYLOAD1）段开销SOH： RSOH，再生段开销：13行。MSOH，复用段开销：59行。区别：监管范围不同。如：若光纤上传输2.5G信号，RSOH监控STM-16整体的传输性能。MSOH监控每一个STM-1的传输性能。2）管理指针AU-PTR：指示净负荷PA

24、YLOAD中信息的起始字节位置，便于接收端从正确的位置分解出有效传输信息。3）信息净负荷PAYLOAD：存放有效信息，并由一部分POH组成。POH用于通道监视控制。4、SDH网的特点：（1）SDH由一系列网元构成（NE），可在光纤、微波、卫星等传输系统上进行同步信息传输、复用和交叉连接。（2）有统一接口NNI。（3）有统一信息格式STM-N。 （4）有丰富的管理比特，增加网络维护能力。（5）可以兼容PDH、ATM、B-ISDN等信号，具有广泛适应性。5、SDH的复用包括两种情况：（1）低阶的SDH信号复用成高阶SDH信号；（2）低速支路信号（例如PDH的2Mbit/s、34Mbit/s、140

25、Mbit/s）复用成SDH信号STM-N。三个步骤：映射（信号打包）；定位（指针调整）；复用（字节间插复用）。容器C：具有一定格式的帧结构，用来接收相应速率等级的PDH信号，并进行速率适配。虚容器VC：由容器C的帧信息加上相应的通道开销POH而构成。支路单元TU：由低阶VC和相应的支路单元指针TU PTR构成。支路单元组TUG：由1个TU直接构成，或由多个TU复用（按单字节交错间插）而构成。管理单元AU：由高阶VC（VC-4或在AU支路中的VC-3）和相应的管理单元指针AU PTR构成。管理单元组AUG：由3个AU-3复用（按单字节交错间插）而构成，亦可由1个AU-4直接构成AUG。6、SDH

26、光传输系统 在SDH网络中广泛应用的两种类型的系统：1） 点到点系统：具有复用和光接口的线路终端；中继器（可以用半导体放大器，也可以用光放大器）2） 环路系统：用户网：将各种业务接入环路ADM - DXC-汇接网ADM。汇接网：省内各地ADM成环路长距离干线网：全国各省ADM成环状。7、SDH的网同步：定义：网络的所有设备的时钟频率和相位的偏差都控制在容许的范围内，这样可以保证通信网内的数字信号的正常交换与传输。方式：主从同步方式（我国）、相互同步方式、准同步方式。8、SDH网络的自愈保护（1）自动线路保护倒换：1）11方式（两根光纤） 发端、收端永久和主用、备用信道相连接； STM-N可以同

27、时在主备用信道中传送；对两路信号同时监测，主用作为输出； 如果主用出现问题，MSP自动从备用信道接收信号。 MSA：复用段适配功能 MSP：复用段保护 MST：复用段终端（MSOH）RST ：再生段终端（RSOH）SPI ：SDH物理接口2）1：n 方式通过2SDH帧结构中的两个自动保护倒换字节K1、K2完成倒换保护操作（2）环路保护P166-168图 5-3841 类型划分：二纤单向通道倒换环；二纤单向复用段倒换环；二纤双向复用段倒换环；四纤双向复用段倒换环9、光传送网：1）分层结构：简单的划分为3层基本功能： 业务层：各种不同业务网络提供的业务。 电交换/复接层：提供业务服务，诸如交换等。

28、 光传送层：信号传输。三层之间的关系：下层为上层提供支持手段。根据网元所起作用来划分：2）交换方式：光路交换：以波长为单位进行交换。分组交换：利用分组进行交换，属于同一数据流的分组分成若干个进行传输和交换，到达目的地以后再进行重组。光突发交换：也利用分组，但是数据信息和控制信息分组进行传送。数据信息称为突发。光分组流交换：也是利用分组进行交换，不同于光分组交换，分组流是将属于同一数据流的分组看成一个整体进行传输和交换。3）波长路由机制：波长通道（WP）：光通路的OXC没有波长转换功能。例：A-1-6-7-10-D始终用同一波长；此时，如有另外一个通道C-7-10-D则在7-10段产生冲突。虚波

29、长通道（VWP）：如果利用WDM，将上述例子中重复用到的7-10段，分别对不同通道的信号用不同的波长，则可解决波长冲突的问题。OXC需具备波长转换功能。第6章 城域光网络1、城域网：在地域上覆盖城市及其郊区范围、为城域多业务提供综合传送平台的网络，能实现语音、数据、图像、多媒体、IP等接入。 业务：文字、图像、多媒体等数据服务。 以后发展方向：实现语音、数据、多媒体均用IP承载。 采用可管理和可扩展的分层电信运营网络。 分为3层：核心层、汇聚层、接入层。2、核心层：1）基本功能：完成城域网内部信息的高速传送与交换，实现与其它网络的互连互通。2）拓扑结构：星型+负荷分担模式3）传输速度：网内传输

30、链路采用155M、2.5G、100M、1G混合组网。国家骨干采用2.5G高速传输。3、汇聚层：1）基本功能：完成信息的汇聚和分发任务，实现用户网络管理。2）拓扑结构：星型+负荷分担模式3）传输速度：155M、100M、1G混合组网。4、接入层：1）基本功能：为用户提供具体的接入手段。2）接入方式：有线接入、无线接入等。5、1）MAN传输至WAN采用的传输技术： IP over SDH、IP over WDM、GE、IP over ATM。2）MAN中各个交换、路由设备采用的传输技术： MSTP、FE 和GE所使用的光电收发。其中，MSTP传输距离远，可靠性高，但是带宽利用率低。FE和GE的光电

31、收发作为二层交换和汇聚常用方式6、 IP over ATM：有QoS保证；适应于多业务：呼叫处理能力较弱；封装开销 较高。 IP over SDH：保留因特网的无连接特性；简化网络体系结构；提高传输效率；符合Internet业务特点；具有自愈功能；仅对IP业务支持良好；缺乏QoS保证。 IP over WDM：简化层次；充分利用光纤的带宽资源；对传输码率、数据格式和调制方式透明。 GE：基于IP业务；提高网络的带宽利用率；无QoS保证。 MSTP：适应于多业务；可实现带宽管理；具有保护机制； 能够支持VLAN、流量控制等功能7、光接入网OAN：以光纤作为传输媒质来取代传统的双绞线接入网。作用范围：用户端通信设备 局端交换机设备 （电话、调制解调器、计算机） （语音交换机、数据交换机） 用户端设备将电信转成光信号，称ONU。 局端交换机必须要将电信号转成光信号，称OLT。 光接入网OAN = ONUOLT，实现双向业务传送。 拓扑结构：单星型、总线型、环形、双星型OLTONUONUONU单星形网OLTODNONUONUONU双星形网OLTONUONUONUONUONU总线形网OLTONUONUONUONUONUONU环形网8、ODN：用于无源光网络PON，用无源光器件实现； 优点：运营成本较低，对业务透明，便于升级。 缺点：有衰减，OLT和ONU距离受到限制。 ODT：用于