1、现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.1第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.2本章内容：本章内容：4.1 光纤通信概述光纤通信概述4.2 光纤和光缆光纤和光缆4.3 光纤传输设备光纤传输设备4.4 光纤通信网络光纤通信网络4.5 光纤通信的新发展光纤通信的新发展现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.34.1 4.1 光纤通信概述光纤通信概述 我国古代使用的烽火台就是大气我国古代使用的烽火台就是大气光通信的最好例子。后来的手旗、灯光光通信的最好例子。后来的手旗、灯光
2、甚至交通红绿灯等均可划入光通信的范甚至交通红绿灯等均可划入光通信的范畴。望远镜的出现，又极大地延长了这畴。望远镜的出现，又极大地延长了这种目视光通信的距离。种目视光通信的距离。 现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.4 1880年，美国人贝尔年，美国人贝尔(Bell)发明了用光发明了用光波作载波传送话音的波作载波传送话音的“光电话光电话”。这种光。这种光电话利用太阳光或弧光灯作电话利用太阳光或弧光灯作光源光源，通过透，通过透镜把光束聚焦在送话器前的振动镜片上，镜把光束聚焦在送话器前的振动镜片上，使光强度随话音的变化而变化，实现话音使光强度随话音的变化而变化，实现话
3、音对光强度的调制对光强度的调制。在接收端，用抛物面反。在接收端，用抛物面反射镜把从大气传来的光束反射到硅光电池射镜把从大气传来的光束反射到硅光电池上，上，使光信号变换为电流使光信号变换为电流， 传送到受话器传送到受话器。 它证明了用光波作为载波传送信息的它证明了用光波作为载波传送信息的可行性。可行性。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.5贝尔电话系统贝尔电话系统现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.6 贝尔光电话和烽火报警一样，都是利贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道，这种光波传播易受气用大气作为光通道，这种光波传播易
4、受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离候的影响，在大雾天气，它的可见度距离很短，遇到下雨下雪天也有影响。很短，遇到下雨下雪天也有影响。 1966 1966年英籍华人高琨博士提出光导纤年英籍华人高琨博士提出光导纤维的概念在全世界范围内掀起了发展光纤维的概念在全世界范围内掀起了发展光纤通信的高潮。通信的高潮。 利用光导纤维作为光的传输媒介的光纤利用光导纤维作为光的传输媒介的光纤通信通信, , 其发展只有近四十年的历史。其发展只有近四十年的历史。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.7 随着技术的进步和大规模产业的形成，随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下
5、降，应用范围不断扩大：光纤价格不断下降，应用范围不断扩大： 从初期的市话局间中继到长途干线进一步从初期的市话局间中继到长途干线进一步延伸到用户接入网，从数字电话到有线电视延伸到用户接入网，从数字电话到有线电视(CATV)， 从单一类型信息的传输到多种业从单一类型信息的传输到多种业务的传输。务的传输。 目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。设施的支柱。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.8 光纤通信系统是以光导纤维和激光光纤通信系统是以光导纤维和激
6、光技术、光电集成技术为基础发展起来的技术、光电集成技术为基础发展起来的通信系统，它具有频带宽、重量轻、体通信系统，它具有频带宽、重量轻、体积小、节省能源，主要用于大容量国际、积小、节省能源，主要用于大容量国际、国内长途通信干线，也用于短局间中继。国内长途通信干线，也用于短局间中继。我国今后不再敷设新的长途电缆线路，我国今后不再敷设新的长途电缆线路，而全部采用光缆。而全部采用光缆。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.9光纤通信的发展可分为以下几代进程光纤通信的发展可分为以下几代进程: 第一代光纤通信系统，是以第一代光纤通信系统，是以19731976年的年的850
7、nm波长的多模光纤通信系统为代表。波长的多模光纤通信系统为代表。 第二代光纤通信系统，是第二代光纤通信系统，是20世纪世纪70年代末年代末, 80年代初的多模和单模光纤通信系统。年代初的多模和单模光纤通信系统。第三代光纤通信系统，是第三代光纤通信系统，是20世纪世纪80年代中期年代中期以后的长波长单模光纤通信系统。以后的长波长单模光纤通信系统。第四代光纤通信系统，是指进入第四代光纤通信系统，是指进入20世纪世纪90年年代以后的同步数字体系光纤传输网络。代以后的同步数字体系光纤传输网络。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.10从通信网的发展来看从通信网的发展来看
8、第一代为纯电信网第一代为纯电信网 第二代通信网仅仅是用光纤代替铜线，使通第二代通信网仅仅是用光纤代替铜线，使通信网的性能得到了某种改善，而网络的拓扑信网的性能得到了某种改善，而网络的拓扑骨架基本上是之前的模式，光波通信的潜力骨架基本上是之前的模式，光波通信的潜力尚未完全发挥。尚未完全发挥。 第三代通信网为全光通信网。第三代通信网为全光通信网。1990年后，随年后，随着光纤与光波电子技术的发展，新颖光纤与着光纤与光波电子技术的发展，新颖光纤与半导体功能光器件相继问世，掀起了发展全半导体功能光器件相继问世，掀起了发展全光通信网的潮流。这种通信网中，不仅用光光通信网的潮流。这种通信网中，不仅用光波系
9、统波系统传输传输信号，信号，交换交换、复用复用、控制控制与与路由路由选择选择等亦全部在光域完成，由此构建真正的等亦全部在光域完成，由此构建真正的光波通信网。光波通信网。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.115.1.1 光纤通信的基本概念 光纤通信光纤通信是是以光波为载频以光波为载频，以光导纤以光导纤维为传输媒介维为传输媒介的通信方式。即的通信方式。即利用光导纤利用光导纤维传输维传输携带信息的携带信息的光波信号光波信号的通信方式。的通信方式。 现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.12 光纤通信系统由光发送机、光纤、光纤通信系统由光
10、发送机、光纤、光中继器和光接收机组成。光中继器和光接收机组成。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.13 光纤通信首先要在信源将欲传送的电话、光纤通信首先要在信源将欲传送的电话、电报、图像和数据等信号进行电报、图像和数据等信号进行电电/ /光转换光转换，即把电信号先变成光信号。将电信号送至光即把电信号先变成光信号。将电信号送至光发送机，对光源的光载波进行调制。再经由发送机，对光源的光载波进行调制。再经由光纤（包括在本地进行光交换）传输到信宿，光纤（包括在本地进行光交换）传输到信宿，信宿必须将接收到的光信号作与发信端相反信宿必须将接收到的光信号作与发信端相反的变换，
11、即进行的变换，即进行光光/ /电转换电转换变成电信号，从变成电信号，从而完成一次光纤通信的全过程。而完成一次光纤通信的全过程。 现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.14 电信号光缆光信号光信号光缆光信号电信号光传输设备电端机光发送设备光中继器光中继器光接收设备电端机光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成对于长距离的光纤通对于长距离的光纤通信系统，每隔一定距信系统，每隔一定距离需要接入光中继器。离需要接入光中继器。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.15 实用的光纤通信系统一般都是双向实用的光纤通信系统一般都是双向的，每一端都有的，每
12、一端都有光发送机、光发送机、光接收机和光接收机和电电发送机、发送机、电接收机并且每一端的光发电接收机并且每一端的光发送机和光接收机做在一起，称为光端机，送机和光接收机做在一起，称为光端机，电电发送机和发送机和电接收机组合起来称为电端电接收机组合起来称为电端机。同样，中继器也有正反两个方向。机。同样，中继器也有正反两个方向。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.16 光纤通信也可分为模拟通信和数字光纤通信也可分为模拟通信和数字通信两种。通信两种。模拟光通信模拟光通信中的光信号强度随电信号的变中的光信号强度随电信号的变化而线性变化，通俗地讲，就是光线有化而线性变化，通
13、俗地讲，就是光线有“明明”“”“暗暗”之分。之分。数字光通信数字光通信中的光信号与数字电信号相似，中的光信号与数字电信号相似，只有两种状态：只有两种状态：“亮亮”和和“灭灭”。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.17 在实际应用中，作为一个完整的光纤在实际应用中，作为一个完整的光纤通信系统，还应包括光中继器、监控系统、通信系统，还应包括光中继器、监控系统、脉冲复接和脉冲分离系统、告警系统以及脉冲复接和脉冲分离系统、告警系统以及电源系统等。还需使用光连接器、光衰减电源系统等。还需使用光连接器、光衰减器、光分路器、光耦合器、光分波器、光器、光分路器、光耦合器、光分波
14、器、光滤波器、光开关等。滤波器、光开关等。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.18 纵观影响当今电信业的主要技术，纵观影响当今电信业的主要技术，很少有像光纤和光波传输系统那样能引很少有像光纤和光波传输系统那样能引发如此剧烈的变革。在光纤通信中，作发如此剧烈的变革。在光纤通信中，作为载波的光波频率比电波频率高得多，为载波的光波频率比电波频率高得多，而作为传输介质光纤又比铜轴电缆或波而作为传输介质光纤又比铜轴电缆或波导管的损耗低很多，因此相对电缆通信导管的损耗低很多，因此相对电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多独特的或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点。优点。现代
15、通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.194.1.2 4.1.2 光纤通信的特点光纤通信的特点1.传输频带宽，通信容量大传输频带宽，通信容量大 采用波分复用采用波分复用(WDM)或光频分复用或光频分复用(OFDM)是增加光纤通信系统传输容量最是增加光纤通信系统传输容量最有效的方法。有效的方法。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.202. 损耗很小，中继距离长损耗很小，中继距离长 用做光纤的二氧化硅玻璃介质的纯用做光纤的二氧化硅玻璃介质的纯净度增高，光纤的损耗降低。因此，中净度增高，光纤的损耗降低。因此，中继距离可以很长，这样可在通信线路
16、中继距离可以很长，这样可在通信线路中减少中继站的数量，以降低成本并提高减少中继站的数量，以降低成本并提高通信质量。通信质量。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.213.抗电磁干扰能力强抗电磁干扰能力强 光纤是由纯度较高的电绝缘玻璃材光纤是由纯度较高的电绝缘玻璃材料（二氧化硅）制成的，是不导电和无料（二氧化硅）制成的，是不导电和无电感的，在有强烈电磁干扰的地区和场电感的，在有强烈电磁干扰的地区和场合中使用，光纤也不会产生感应电压、合中使用，光纤也不会产生感应电压、电流，光纤通信线路不受各种电磁场的电流，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。干扰和闪电雷
17、击的损坏。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.224.不产生串话、保密性强不产生串话、保密性强 光在光纤中传播时，几乎不向外辐光在光纤中传播时，几乎不向外辐射。光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段射。光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。因此在同一光缆中，数根也无法窃听。因此在同一光缆中，数根光纤之间不会相互干扰，即不会产生串光纤之间不会相互干扰，即不会产生串话，也难以窃听，所以光纤通信和其它话，也难以窃听，所以光纤通信和其它通信方式相比有更好的保密性。通信方式相比有更好的保密性。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.235.线径细、
18、重量轻线径细、重量轻 光纤的直径很小，只有光纤的直径很小，只有125 m左右，左右，因此制成光缆后，直径要比相同容量的电因此制成光缆后，直径要比相同容量的电缆小得多，而且重量也轻。缆小得多，而且重量也轻。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.246.资源丰富、节约有色金属和原材料资源丰富、节约有色金属和原材料 电缆是由铜、铝、铅等金属材料制电缆是由铜、铝、铅等金属材料制成的，而成的，而光纤的原材料是石英光纤的原材料是石英，在地球，在地球上资源丰富，而且用很少的原材料就可上资源丰富，而且用很少的原材料就可以拉制很长的光纤。以拉制很长的光纤。现代通信系统现代通信系统
19、第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.257.容易均衡容易均衡 在电通信中，信号的各频率成分的幅在电通信中，信号的各频率成分的幅度变化是不相等的，频率越低，幅度的变度变化是不相等的，频率越低，幅度的变化越小；频率越高，其幅度变化则越大。化越小；频率越高，其幅度变化则越大。这对信号的接收极为不利，为使各频率成这对信号的接收极为不利，为使各频率成分都受到相同幅度的放大处理，就必须采分都受到相同幅度的放大处理，就必须采用幅度均衡。对光纤通信系统则不同，用幅度均衡。对光纤通信系统则不同，在在光纤通信的运用频带内，光纤对每一频率光纤通信的运用频带内，光纤对每一频率的损耗是相等的的损耗是相等的，一般情
20、况下，不需要在，一般情况下，不需要在中继站和接收端采取幅度均衡措施。中继站和接收端采取幅度均衡措施。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.268.抗化学腐蚀、使用寿命长抗化学腐蚀、使用寿命长 石英材料具有一定的抗化学腐蚀能力。石英材料具有一定的抗化学腐蚀能力。比由铜或铝组成的电缆抗腐蚀和氧化能力比由铜或铝组成的电缆抗腐蚀和氧化能力强，绝缘性能好，适用于强电系统，使用强，绝缘性能好，适用于强电系统，使用寿命长，一般认为光缆的寿命为寿命长，一般认为光缆的寿命为2030年。年。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.279.光纤接头不放电、不
21、产生电火花光纤接头不放电、不产生电火花 进水和受潮对金属导线意味着接地进水和受潮对金属导线意味着接地和短路。光纤是由玻璃制成，光纤不产和短路。光纤是由玻璃制成，光纤不产生放电，也不存在发生火花的危险，所生放电，也不存在发生火花的危险，所以安全性好。它适用于矿井下、军火仓以安全性好。它适用于矿井下、军火仓库、石油化工等易燃易爆的环境中，它库、石油化工等易燃易爆的环境中，它是比较理想的防爆型传输线路。是比较理想的防爆型传输线路。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.28光纤通信存在一些光纤通信存在一些缺点缺点，如：，如： 需要光需要光/ /电和电电和电/ /光变换部分
22、；光直接放光变换部分；光直接放大难；电力传输困难；光纤质地脆、机大难；电力传输困难；光纤质地脆、机械强度低，弯曲半径不宜太小；要求比械强度低，弯曲半径不宜太小；要求比较好的切断、连接技术；分路、耦合比较好的切断、连接技术；分路、耦合比较麻烦等。较麻烦等。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.294.2 4.2 光纤通信中采用的传输媒介是光纤光纤通信中采用的传输媒介是光纤（Optical Fiber，OF） 。光纤是通信的光纤是通信的物理基础，是一种能够导光的透明玻璃物理基础，是一种能够导光的透明玻璃丝。丝。光纤与加强元件、外护层等组合而光纤与加强元件、外护层等组合
23、而成光缆。成光缆。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.304.2.1 4.2.1 光纤结构和类型光纤结构和类型1.光纤的结构光纤的结构 光纤就是用来导光的透明介质纤维，光纤就是用来导光的透明介质纤维，光纤是由中心的纤芯光纤是由中心的纤芯(折射率折射率n1)和外围的包和外围的包层层(折射率折射率n2)同轴组成的圆柱形细丝。同轴组成的圆柱形细丝。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.31 实用的光纤结构为自内向外为实用的光纤结构为自内向外为纤芯纤芯、包层包层及及涂覆层涂覆层。纤芯和包层纤芯和包层合起来构成裸光纤，光纤的光合起来构成裸光纤
24、，光纤的光学及传输特性主要由它决定。学及传输特性主要由它决定。涂覆层涂覆层包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层，覆层，作用是作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机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。可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.32光纤的结构光纤的结构现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.33现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.34 纤芯的折射率比包
25、层稍高纤芯的折射率比包层稍高，损耗比，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，包层为光的传输提供反射面和光隔离， 并起一定的机械保护作用。并起一定的机械保护作用。 设纤芯和包层的折射率分别为设纤芯和包层的折射率分别为n1和和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.35光纤结构光纤结构现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.362. 光纤的分类光纤的分类v按按光纤剖面折射率光纤剖面折射率分布分类：分
26、布分类：(1)阶跃光纤（又称为均匀光纤）阶跃光纤（又称为均匀光纤） 纤芯和包层的折射率在边界处呈纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型阶梯型变化的光纤。变化的光纤。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.37(2)渐变型光纤（又称为非均匀光纤）渐变型光纤（又称为非均匀光纤） 纤芯折射率纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，随着半径加大而逐渐减小，折射率分布曲线为折射率分布曲线为抛物线抛物线。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.38(3)三角形光纤三角形光纤 纤芯折射纤芯折射率分布曲线为率分布曲线为三角形三角形。现代通信系统现代通信系统 第
27、第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.39光纤折射率分布曲线光纤折射率分布曲线现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.40v按传导模的数目分类：按传导模的数目分类： 传导模传导模指能够在光纤中远距离传输的传指能够在光纤中远距离传输的传播模式。播模式。(1)多模光纤多模光纤 当纤芯的几何尺寸（直径一般为当纤芯的几何尺寸（直径一般为50m）远大于光波波长远大于光波波长(如如1.55m)时时，光纤剖面折光纤剖面折射率分布为渐变型，外径射率分布为渐变型，外径125m。光纤传输光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，称为多模光
28、纤。式，称为多模光纤。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.41(2)单模光纤单模光纤 当纤芯的几何尺寸较小（一般为当纤芯的几何尺寸较小（一般为8m10m），与光波长在同一数量级，与光波长在同一数量级，这时，光纤只允许一种模式（基模）在这时，光纤只允许一种模式（基模）在其中传播，其余的高次模全部截止，这其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤称为样的光纤称为单模光纤单模光纤。 单模光纤的折射率分布多呈阶跃性。单模光纤的折射率分布多呈阶跃性。 现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.42多模光纤多模光纤单模光纤单模光纤现代通信系统现代通
29、信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.43光在阶跃折射率多模光纤中的传播光在阶跃折射率多模光纤中的传播光在渐变折射率多模光纤中的传播光在渐变折射率多模光纤中的传播现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.44v按光纤套塑结构分类按光纤套塑结构分类(1)紧套光纤紧套光纤 就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，光纤在上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。套管内不能自由活动。 (2)松套光纤松套光纤 就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可以在套管中自
30、由活动。料套管，光纤可以在套管中自由活动。 若一根管内有多根光纤，称为松套光纤束。若一根管内有多根光纤，称为松套光纤束。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.45 紧套光纤紧套光纤 松套光纤松套光纤现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.46现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.47现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.48套塑光纤结构套塑光纤结构现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.49v按传输波长分类按传输波长分类(1)短波长光纤短波长光纤 波
31、长为波长为0.85m（0.8m0.9m）(2)长波长光纤长波长光纤 波长为波长为1.3m1.6m，主要有主要有1.31m、 1.55m。还有超长波长光纤。还有超长波长光纤。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.50v按光纤材料不同按光纤材料不同(1)(1)石英光纤石英光纤 (2)(2)氟化物光纤氟化物光纤 (3)(3)全塑光纤全塑光纤现在实用的石英光纤通常有以下三种：现在实用的石英光纤通常有以下三种： 阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤。跃型单模光纤。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.
32、51现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.524.2.2 4.2.2 光纤的导光原理光纤的导光原理 光在均匀介质中是沿直线传播的，其光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为传播速度为 v=c/n式中：式中：c2.997105km/s，是光在真空中的传播是光在真空中的传播速度；速度；n是介质的折射率是介质的折射率(空气的折射率为空气的折射率为1.00027，近似为近似为1；玻璃的折射率为；玻璃的折射率为1.5左右左右)。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.53 引用几何光学中的折射和引用几何光学中的折射和反射原理解反射原理解释光在光
33、纤中的传播现象。释光在光纤中的传播现象。1.光的折射和光的折射和全反射全反射 当一条光线照射到两种介质相接的当一条光线照射到两种介质相接的边界边界时，入射光线分成两束：时，入射光线分成两束： 反射光线反射光线 折射光线。折射光线。 并服从光的反射和折射定律。并服从光的反射和折射定律。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.54反射定律反射定律：反射光线位于入射光线和法线所：反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和入射光线处于决定的平面内，反射光线和入射光线处于法线的两侧，并且法线的两侧，并且反射角等于入射角反射角等于入射角，即：，即：31。折射定律折射定
34、律 ：折射光线位于入射光线和法线所：折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，且满足：法线的两侧，且满足： n1 sin1= n2 sin2 可见，当可见，当n1n2时，折射角大于入射时，折射角大于入射角角21 。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.55现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.56 当入射角当入射角1增大到某一值增大到某一值c时，可使时，可使折射角折射角2 =90 ，这时的入射角称为这时的入射角称为临界临界角角。如果入射角大于临界角，光线将全部。如果
35、入射角大于临界角，光线将全部反射回光密媒介，成为全反射。光纤就是反射回光密媒介，成为全反射。光纤就是利用光的这种全反射特性导光的。利用光的这种全反射特性导光的。 全反射是一种重要的物理现象，当光全反射是一种重要的物理现象，当光波从光密介质射入光疏介质，且入射角波从光密介质射入光疏介质，且入射角 1大于临界角大于临界角 c ，光线将全部反射回去，光线将全部反射回去，产，产生全反射生全反射 。即即全反射必须满足：全反射必须满足：n1n2，c190。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.57现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.58全反射全
36、反射是光信号在光纤中传播的是光信号在光纤中传播的必要条件必要条件 。入射光反射光折射光MN0入射光反射光折射光MN0入射光反射光折射光MN0入射光反射光MN0n1n21MN11NMn1n2NMNM1(a)(b)(c)(d)n1n2n1n2全反射过程全反射过程现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.592.光纤的导光原理光纤的导光原理(1)(1)阶跃型光纤的导光原理阶跃型光纤的导光原理 光线入射在纤芯与包层界面上会发光线入射在纤芯与包层界面上会发生全反射，当全反射的光线再次入射到生全反射，当全反射的光线再次入射到纤芯与包层的分界面时，它被再次全反纤芯与包层的分界面时，
37、它被再次全反射回纤芯中，这样所有满足射回纤芯中，这样所有满足1c的光线的光线都会被限制在纤芯中而向前传输，这就都会被限制在纤芯中而向前传输，这就是光纤传光的基本原理。是光纤传光的基本原理。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.60光的折射和光的反射光的折射和光的反射现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.61 从几何光学角度看，并不是所有从几何光学角度看，并不是所有从空从空气射向光纤端面气射向光纤端面的光都能在光纤中满足全的光都能在光纤中满足全反射条件而传播。只有位于入射光线与光反射条件而传播。只有位于入射光线与光纤轴线夹角为纤轴线夹角
38、为0 （数值孔径角或叫临界接（数值孔径角或叫临界接收角）的圆锥体之内的那些光线，才能在收角）的圆锥体之内的那些光线，才能在光纤内满足全反射条件被光纤捕捉而形成光纤内满足全反射条件被光纤捕捉而形成传导模。位于这个圆锥体之外的光线，尽传导模。位于这个圆锥体之外的光线，尽管也能入射到光纤中，但不能在光纤中形管也能入射到光纤中，但不能在光纤中形成全反射而传播，只能折射到光纤的包层成全反射而传播，只能折射到光纤的包层形成辐射模，射入到空气中。形成辐射模，射入到空气中。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.62空气折射率空气折射率n0m，一般一般n=m+1。这样，变换这样，变
39、换之后，码组的比特数比变换前大，即输之后，码组的比特数比变换前大，即输入码字共有入码字共有2m种，输出码字可能组成种，输出码字可能组成2n种，使变换后的码流有了种，使变换后的码流有了“富余富余”（冗（冗余）。余）。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.212插入比特码插入比特码 将信码流中每将信码流中每m比特划分为一组，比特划分为一组，然后在这组的末尾一位之后插入然后在这组的末尾一位之后插入1个比特个比特码。码。 由于插入的比特码的功能不同，这由于插入的比特码的功能不同，这种码型又可分为：种码型又可分为： mB1P插入的是奇偶校验码插入的是奇偶校验码 mB1C插入
40、的是补码插入的是补码 mB1H插入的是混合码插入的是混合码现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.213常用的线路编码常用的线路编码码码 型型码型变换规则码型变换规则传输速率传输速率误码监测误码监测适用系统适用系统1B2B码码CMI“1”：11,00交替交替“0”：012fi按编码规则按编码规则检查检查PDH双相双相码码“1”：10 “0”：012fi同上同上DMI“1”：11,00交替交替“0”：01（前二个码为（前二个码为01，11时）时） 10（前二个码为（前二个码为10，00时）时）2fi同上同上分组码分组码mBnB在在nB码中选择不均等值小的码作公码中选择
41、不均等值小的码作公共码；正负模式交替共码；正负模式交替nfi /m（1）查禁用）查禁用码字码字（2）利用）利用DRS插入插入码码mB1P（1）P码满足奇校验规则码满足奇校验规则（2）P码满足偶校验规则码满足偶校验规则(m+1) fi /m奇偶校验奇偶校验mB1C(m+1)fi /m模模2和和=0mB1H加扰加扰NRZ给输入给输入NRZ序列加扰序列加扰fi无无SDH现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.2144.3.5 4.3.5 光中继机1.光中继机的作用光中继机的作用 光纤通信利用光纤传输信号。光信光纤通信利用光纤传输信号。光信号在传输过程会出现两个问题：号在传
42、输过程会出现两个问题：（1）光纤损耗使光信号的幅度衰减，限制）光纤损耗使光信号的幅度衰减，限制了光信号的传输距离；了光信号的传输距离；（2）光纤的色散特性使光信号波形失真，）光纤的色散特性使光信号波形失真，造成噪声和误码率增加。造成噪声和误码率增加。 这些不但限制了光信号的传输距离，这些不但限制了光信号的传输距离，也限制了光纤的传输容量。也限制了光纤的传输容量。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.215 为了增加光纤的通信距离和通信容量，为了增加光纤的通信距离和通信容量，就必须在光纤传输线路中每隔一定距离设就必须在光纤传输线路中每隔一定距离设置一个中继器。置一个
43、中继器。以补偿光信号的衰减和对以补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整形，然后继续向终端传送。畸变信号进行整形，然后继续向终端传送。中继器的功能中继器的功能主要有：主要有：（1）补偿衰减的光信号；）补偿衰减的光信号；（2）对失真的信号波形进行整形（）对失真的信号波形进行整形（恢复信恢复信号的原形）号的原形） 。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.216通常有两种中继方法：通常有两种中继方法： 一种是传统方法，采用光一种是传统方法，采用光- -电电- -光转换光转换方式，亦称光电光混合中继器，是间接方式，亦称光电光混合中继器，是间接光中继器；光中继器； 另一种采用光放
44、大器对光信号进行直另一种采用光放大器对光信号进行直接放大的中继器。接放大的中继器。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.2172. 光中继机的基本组成和工作原理光中继机的基本组成和工作原理 传统的光中继器不能对光信号直接进行传统的光中继器不能对光信号直接进行放大，而是采用光放大，而是采用光电电光的转换方式，光的转换方式， 即即先将从光纤线路传输的已衰减光信号用光电先将从光纤线路传输的已衰减光信号用光电检测器接收，经放大和再生恢复原来的数字检测器接收，经放大和再生恢复原来的数字电信号，再对光源进行驱动，产生光信号送电信号，再对光源进行驱动，产生光信号送入光纤。入光纤
45、。 这种光纤通信系统中，光中继器作为一这种光纤通信系统中，光中继器作为一种系统的基本单元，除了没有接口码型转换种系统的基本单元，除了没有接口码型转换和控制部分外，在原理、组成元件与主要特和控制部分外，在原理、组成元件与主要特性方面与光接收机与光发射机相同。性方面与光接收机与光发射机相同。 现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.218数字光中继机数字光中继机现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.219光纤数字通信系统光纤数字通信系统发 送电 端 机光 端 机光 纤光 纤光 端 机电 端 机ABSRBA接 收发 送接 收中 继中 继RS发
46、 送接 收发 送接 收AB在光纤线路中，光信号的传输是双向的，中继在光纤线路中，光信号的传输是双向的，中继站对每个传输方向都必须有中继。在光中继机站对每个传输方向都必须有中继。在光中继机中有两套收、发设备。中有两套收、发设备。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.2204.3.6 4.3.6 监控系统监控系统监控系统的基本概念监控系统的基本概念 监控是对组成光纤通信线路的各监控是对组成光纤通信线路的各种设备进行种设备进行监视和控制监视和控制。 监控系统可以自动地对通信线路的监控系统可以自动地对通信线路的传输质量和各种组成设备的工作状态进行传输质量和各种组成设备的工
47、作状态进行监测，并通过打印设备告诉值守人员，当监测，并通过打印设备告诉值守人员，当有故障时能自动告警，自动地用备用设备有故障时能自动告警，自动地用备用设备进行倒换进行倒换(包括以备用系统替代有故障的主包括以备用系统替代有故障的主用系统用系统)。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.221输入接口发光射机光接收机输出接口倒换监测遥测遥控电源遥信告警业务通信PCM输入PCM输出光纤光发监控系统包括了监控系统包括了遥测遥测、 遥信遥信和和遥控遥控的内容。的内容。 这种系统对长这种系统对长距离干线通信、距离干线通信、 有较多中继站时尤为重要。有较多中继站时尤为重要。现代通
48、信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.222对光纤通信进行监测的主要内容有：对光纤通信进行监测的主要内容有：(1)误码率是否满足指标要求；误码率是否满足指标要求；(2)各个中继器是否有故障；各个中继器是否有故障；(3)接收光功率是否满足指标要求；接收光功率是否满足指标要求；(4)光源的寿命；光源的寿命；(5)电源是否有故障；电源是否有故障；(6)环境的温度、湿度是否在要求的范围内，环境的温度、湿度是否在要求的范围内，包括火灾告警等。包括火灾告警等。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.2232.监控系统的基本组成监控系统的基本组成 为了实现
49、自动监控的高效果，一般实为了实现自动监控的高效果，一般实行行集中监控集中监控。通常将某一。通常将某一通信中心通信中心的的端局端局称为称为主监控局主监控局，其它的一些端局可作为辅，其它的一些端局可作为辅监控局，而中间的若干个监控局，而中间的若干个中继站中继站称为称为被控被控站站。 主控局、辅控局和被控中继站均装有由主控局、辅控局和被控中继站均装有由微处理机组成的监控设备。微处理机组成的监控设备。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.224由主、辅监控站的监控微机与被控中继站的监由主、辅监控站的监控微机与被控中继站的监控微机组成的微机通信网。控微机组成的微机通信网。现
50、代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.225监控系统根据功能不同大致有三种组成方监控系统根据功能不同大致有三种组成方式：式：(1)在在一个数字段内一个数字段内对光传输设备和对光传输设备和PCM复复用设备进行监控；用设备进行监控；(2)在在具有多个方向传输具有多个方向传输的终端站内，对多的终端站内，对多个方向进行监控；个方向进行监控；(3)对对跨越数字段跨越数字段的设备进行的设备进行集中集中监控。监控。现代通信系统现代通信系统 第第4 4章章 光纤通信系统光纤通信系统.2263. 监控信息的传输方式监控信息的传输方式 各站的监控信息需要有一定的信道来各站的监控信息需要
