通信技術基礎主編：于寶明王鈞銘主審：宮錦文新世紀高職高專通信類課程規劃教材國家級精品課件配套教材大連理工大學出版社8.1衛星通信系統8.1.1基本概念衛星通信（satellitecommunication）是指利用通信衛星作為中繼站的中繼通信方式。靜止衛星或同步衛星的位置相對于地面站來說是靜止的。地球同步軌道位于赤道上空（0緯度）距地球表面35860km。在這個軌道上的物體繞地球一周的時間為24小時，每顆同步衛星的最大可通信覆蓋區域為直徑16970km（地球表面），三顆同步衛星按120間隔配置可以使整個地球除兩極外的所有地區都處于同步衛星的覆蓋區。移動衛星或非同步衛星的位置相對于地面站來說是在運動的。通信衛星運行HEOLEOGEO35860km1．衛星通信（satellitecommunication）是指利用通信衛星作為中繼站的中繼通信方式2．靜止衛星或同步衛星的位置相對于地面站來說是靜止的3．移動衛星或非同步衛星的位置相對于地面站來說是在運動的衛星覆蓋區域8.1.2衛星通信系統的組成衛星通信系統包括空間和地面兩大部分。空間部分主要是轉發器和天線，并且一顆通信衛星可以有多個轉發器，但通常這些轉發器會共用一部或少量幾部天線；地面部分也就是地球站的主體部分，主要是大功率的無線電發射機、高靈敏度接收機和高增益天線等，一顆衛星可以與多個地球站進行通信。衛星轉發器轉發器（Transponder）是通信衛星中直接起中繼作用的部分，是通信衛星的主體。它接收和放大來自各地面站的信號，經頻率變換后再發回地面，所以它實際上是一部高靈敏度、寬頻帶、大功率的接收與發射機。轉發器的工作方式是異頻全雙工，接收與發射的信號頻率不同，通常收發共用天線，由雙工器進行收發信號的分離。對衛星轉發器的基本要求是：以最小的附加噪聲和失真，并以足夠的工作頻帶和輸出功率來為各地面站有效而可靠地轉發無線電信號衛星地面發射站

衛星地面發射站的主要設備如圖所示。來自地面數字通信網的數據基帶信號，經過基帶處理后都加到調制器。對基帶信號的處理主要有加密、差錯控制編碼、擴頻編碼等。調制器

中頻放大器

上變頻器

自動功率

控制

發射波合成

低電平放大

激勵器

大功率放大器

饋線基帶（基群）信號地面站大功率發射系統組成框圖雙工器

饋線

至接收機調制方式早期的數字衛星通信系統主要采用2PSK調制方式，它的特點是在較低的信噪比條件下仍能保持較低的誤碼率，但主要的缺點是頻率利用率不高。隨著人們對通信容量需求的增加及衛星轉發器輸出功率的提高，提高頻率利用率成為選擇調制方式的主要目標，開始使用了多進制相移鍵控技術（MPSK）以及各種改進的調制方式如參差四進制相移鍵控SQPSK、最小頻移鍵控MSK等。目前這幾種調制方式都有應用的實例。地球站的天線

地球站選用方向性好、增益高的天線既可以在發射信號時將盡可能多的能量集中到衛星上，又可以在接收時從衛星方向獲得更多的信號能量，同時由于天線的方向性好，可以有效地抑制來自其它方向的干擾。因此天線是影響衛星地球站性能的重要設備。衛星地面接收機衛星地面接收機的作用是接收來自衛星轉發器的信號。地面站接收系統的靈敏度必須很高，才能從干擾和噪聲中把微弱信號提取出來，并加以放大和解調。饋電設備

低噪聲放大器

傳

輸放大器晶體管

放大器接收波分

離

下

變頻器中

頻放大器解調器

基帶轉換設備地面站接收系統組成方框圖饋線8.1.3衛星通信的工作頻段C波段（4/6GHz）和Ku（12/14GHz）波段下行頻率（從衛星到地面），頻率范圍為C波段3.7～4.2GHz，Ku波段11.7～12.2GHz，上行頻率（從地面到衛星），頻率范圍為C波段5.925～6.425GHz，Ku波段14.0～14.5GHz，衛星轉發器的總帶寬為500MHz。8.1.4多址聯接技術多址連接是衛星通信的顯著特點。所謂多址連接方式，簡單地說，就是許多個地面站通過共同的通信衛星實現覆蓋區域內相互聯接，同時建立各自的信道，而無需地面的中間轉接。多址連接方式有頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、空分多址（SDMA）和碼分多址（CDMA）方式。

長途電話局

多路復用設備

地面發射機

地面接收機

解復用設備

長途電話局

fA

fA’fB

fB’

地面站A地面站B

地面站C

地面站DfA

fB

fC

fD

fEfA’

fB’

fC’

fD’

fE’

轉發器帶寬（下行線）

轉發器帶寬（上行線）頻分多址方式時分多址方式

PCM編碼器

PCM譯碼器

線

路

終

端

裝

置

時分多址控制裝置PSK

調制器

PSK

解調器

發射機

接收機

PCM—TDM—PSK—TDMA方式空分多址方式衛星上有多個波束指向不同的區域。各區域之間相互不干擾，可以使用相同的頻率、時間進行工作，但區域內部仍要采用頻分或時分進行多址通信。碼分多址（CDMA）方式

利用自相關性非常強而互相關性比較低的周期性碼序列作為地址信息（稱為地址碼），對被用戶信息調制過的已調波進行再次調制使其頻譜大為展寬（稱為擴頻調制）；經衛星信道傳輸后，在接收端以本地產生的已知的地址碼為參考，根據相關性的差異對收到的所有信號進行鑒別，從中將地址碼與本地地址碼完全一致的寬帶信號還原為窄帶而選出，其它與本地地址碼無關的信號則仍保持或擴展為寬帶信號而濾去（稱為相關檢測或擴頻解調），這就是碼分多址的基本原理。

實現條件①要有數量足夠多、相關特性足夠好的地址碼，使系統中每個站都能分配到所需的地址碼。②必須用地址碼對待發信號進行擴頻調制，使傳輸信號所占頻帶極大地展寬（一般應達幾百倍以上）。③在碼分多址通信系統中的各接收端，必須有本地地址碼（簡稱本地碼）。特點①抗干擾能力強②較好的保密通信能力

③實現多址聯接較靈活方便。8.2GSM蜂窩移動通信系統GSM原意是“移動通信特別小組”（GroupSpecialMobile），但隨著設備的開發和數字蜂窩移動通信網的建立，GSM逐步成為歐洲數字蜂窩移動通信系統的代名詞。歐洲專家們將GSM搖身一變，重新命名為“GlobalSystemforMobileCommunications”變成了“全球移動通信系統”的簡稱。1982年歐洲郵電主管部門會議（CEPT）建立了移動通信特別組（GSM），著手進行泛歐蜂窩移動通信系統的標準工作。1985年提出了GSM系統的二項主要設計原則，也就是GSM系統的主要特點：話音和信令都采用數字信號傳輸；數字話音的傳輸速率降低到16kbit/s或更低；采用時分多址方式（TDMA）。

8.2.1GSM系統的主要參數①工作頻段：下行線（由基站發向移動用戶）935960MHz

上行線（由移動用戶發向基站）890915MHz②系統總帶寬：25MHz，每個頻分多址信道帶寬200kHz，信道總速率為270.83kbit/s，調制方式為GMSK，調制指數0.3。③信道分配：采用TDMA技術，在一個信道內每幀8個時隙，每個時隙信道比特率為22.8kbit/s，可傳送一路數字語音信號或數據，數據傳輸速率為9.6kbit/s。④通信方式：全雙工。8.2.1GSM系統的主要參數⑤話音編碼：采用規則脈沖激勵線性預測（RPE-LPT）編碼，每一路語音信號的編碼率為13kbit/s。⑥分集接收：跳頻217跳/s，交錯信道編碼，自適應均衡，判決反饋自適應均衡器（16S以上）。補充：GSM號碼移動用戶號碼（MSISDN）CC為國家碼，中國為86。NDC為國內目的碼，每個用戶有一個NDC。SN為移動用戶號碼。國內移動用戶的ISDN號為一個11位數字的等長號碼：其中是數字蜂窩移動業務接入號例如“中國電信”的移動業務接入號為135～139，“中國聯通”的移動業務接入號為130、131、133。HLR識別號，其中由主管部門統一規定，可由各省主管部門確定。SN由各HLR自行分配。國際移動用戶識別碼（IMSI）

是數字PLMN網中惟一地識別一個移動用戶的號碼，為一個16位數字的號碼。MCC移動國家碼，由3個數字組成。惟一地識別移動用戶所屬的國家。中國移動國家碼為460。MNC移動網號，最多由2個數字組成，識別移動用戶所歸屬的移動通信網（PLMN）。我國郵電部規定900MHzTDMA數字PLMN網號為00。MSIN移動用戶識別碼，惟一地識別某一移動通信網（PLMN）中的移動用戶。NMSI國家移動用戶識別碼，由MNC和MSIN兩部分組成。臨時移動用戶識別碼（TMSI）

為了對IMSI碼保密，VLR可給來訪的移動用戶分配一個臨時移動用戶識別碼（TMSI），它只限于在該訪問位置區使用，為一個4字節的BCD碼。IMSI和TMSI可按一定算法轉換，但它們之間沒有長期固定的聯系，僅在MS呼叫時臨時指定。臨時用戶識別碼（TMSI）的作用是保證用戶除了起始在網絡中登記時要使用的IMSI外，在后續的呼叫中，可以避免通過無線信道發送其IMSI，從而防止竊聽者檢測特定用戶的通信內容，或者盜用合法用戶的識別碼。

移動用戶漫游號碼（MSRN）

當移動用戶漫游到一個新的編號區時，由VLR給它分配一個臨時性的漫游號碼（MSRN），并通知該移動用戶的HLR，用于建立通信路由。一旦該移動用戶離開該編號區，此號碼即被收回，并可分配給其他移動臺使用。MSRN的組成與MSISDN相同，最大為15位數字。國際移動設備識別碼（IMEI）

惟一地識別一個移動臺設備，用于監控被竊或無效移動設備。它是一個15位的十進制數，其構成為：TAC（6位）+FAC（2位）+SNR（6位）+SP（1位）TAC：型號批準碼，由歐洲型號認證中心分配。FAC：最后裝配碼，表示生產廠或最后裝配所在地，由廠家進行編碼。SNR：序號碼，由廠家分配。

SP：備用。

8.2.2GSM的網絡結構8.2.3移動臺

MS包括物理設備，如無線電發收、顯示與數字信號處理及SIM智能卡。SIM卡提供了私人靈活性，這樣用戶可以接入預訂的業務而不必考慮終端位置和專用終端的的使用。只要將SIM卡插入另一個蜂窩電話機中，用戶就可以接收或撥打電話及其它預訂的業務。

8.2.3移動臺

移動設備由國際移動設備識別號（IMEI）唯一地識別。SIM卡包含了國際移動用戶識別號（IMSI）、識別用戶、用以鑒定的密匙，以及其它用戶信息。IMEI和IMSI是獨立的，從而有個人的靈活性。SIM卡可以通過口令或個人識別碼保護侵權。8.2.3基站子系統

基站子系統包括基站發送與接收設備（BTS）和基站控制器（BSC）兩部分，通過A接口進行通信且允許由不同供應商提供的組件之間進行。基站發送與接收設備覆蓋小區，執行與MS的無線連接協議。在大的市區，可能有大量的BTS使用。對BTS的要求是簡單、可靠、輕便和低成本。

8.2.3基站子系統

BSC管理一個或多個的無線電資源，它處理無線電信道的配置、頻率管理與切換。BSC是MS與MSC的連接點。BSC也進行無線連接的13kbps的語音信道與PSTN或ISDN的64kbps信道的轉換。8.2.3網絡子系統

MSC的作用類似于PSTN或ISDN的交換節點，附加提供移動用戶所需的各種功能如存儲、鑒定、位置更新、漫游用戶的路由選擇等。這些業務由幾個功能塊執行，它們的組合形成網絡子系統。MSC提供與PSTN或ISDN的連接，在功能塊間進行廣泛用于ISDN和其它現行公眾網的ITU-T7號信令系統的信令傳遞。8.2.3網絡子系統

本地用戶寄存器和外來用戶寄存器一起為MSC提供GSM的呼叫路由與漫游。HLR包含每個用戶在相關GSM網絡中存儲的所有管理信息。MS的當前位置以MSRN形式存入，MSRN稱為移動用戶漫游號，它是一個規則的ISDN數據，用于指向移動臺的當前的MSC位置。從邏輯上講一個GSM網絡中只有一個HLR，雖然可能是一個分布式的數據庫。8.2.3網絡子系統

VLR包含從HLR中選出的管理信息，必要的呼叫控制與分機業務的提供，因為每個位于當前地理區域的移動臺受VLR控制。雖然每個功能實體能夠獨立工作，大多數交換設備制造商采用一個MSC帶一個VLR，這樣地理區域的控制等于是由MSC進行，簡化了所需的信令過程。注意MSC沒有包含關于詳細的MS的信息--這個信息存于位置寄存器中。8.2.3網絡子系統

另兩個寄存器用于鑒定和安全目的。設備識別寄存器（EIR）是一個包含了一個網絡所有移動設備的表的數據庫，在這個數據庫中每個MS由IMEI識別。如果MS被竊或型號未被核準，它就不能獲得IMEI號。鑒權中心是一個保護數據庫，它貯存了存于每個用戶的SIM卡中的密匙的副本，用于鑒定和計算無線信道。8.2.3GSM的特殊技術越區切換：切換是指將行進中的呼叫轉換到另一個信道或小區的過程。GSM的四種切換方式：同一個小區內的不同信道（時隙）間傳送呼叫同一個基站控制器范圍內的小區（各基站收發信機）之間）傳送呼叫同一個移動交換中心下不同基站控制器間的呼叫轉移不同移動交換中心間的呼叫轉移

前兩種切換稱為內部切換，都在一個基站控制器內。為節省信令帶寬，它們都由基站控制器管理而不通過移動交換中心，除非要通報切換完成。后兩種切換稱為外部切換，要通過MSC進行。GSM并不指定切換所必需的算法。有兩種基本的算法都與功率控制有關。最小可接受性能算法:將功率控制優先于切換，所以當信號衰落至某一點時，移動臺的功率電平會增加，假如進一步的增加不能改善信號，才會考慮切換。這是簡單且很通常的方法，但可能會出現這樣的情況：當一個移動臺以峰值功率發送時其位置可能超出原來的小區而進入到另一個小區。功率預算方法:使用切換去維護或改善一個固定的信號質量水平在相同或更低的功率電平上。這樣它使切換優先于功率控制。它避免了“抹去”小區邊界的問題，減少了同信道干擾，但技術相當復雜。位置更新與呼叫路由選擇

MSC提供GSM移動網與公用固定網之間的接口。從固定網絡角度看，MSC正是另一個交換節點。然而，由于MSC必須知道現在移動臺漫游在什么地方--GSM系統中甚至會在另一個國家，因此移動網的交換會更復雜一些。GSM通過使用兩個位置寄存器來進行位置登記和呼叫路由選擇，一個是本地用戶寄存器（HLR），另一個是外來用戶寄存器（VLR）。

位置登記由移動臺開始。當它通過監視控制信道注意到位置區域廣播與原先儲存在移動臺中的位置信息不同時，它會向新的MSC發出一個更新請求，與IMSI或原先的（臨時移動用戶識別號（TMSI）一起送到新的VLR。新的VLR將一個MSRN分配給移動臺并送到移動臺入網登記地的HLR中（它總是保存著最新的位置信息）。HLR送回必要的呼叫控制參數，并且也送一個刪除信息到老的VLR，這樣原來的MSRN可以被再分配。最后，一個新的TMSI被分配并送給移動臺，以便將來的尋呼或呼叫請求。VLRHLRPSTN網關MSCMSC基站MSC詢問HLR

MSRN

將移動臺的漫游號轉換成TMSI

尋呼

鑒定與安全：KiKiA3A3RANDRANDRAND/SRESSRESSRES(SRES)Y/N=?SIMVLR/MSCAUC（移動臺）（系統）鑒權過程A5A5消息消息++++幀號（22比特）（64比特）（64比特）（22比特）S2（114比特）S2（114比特）（114比特）（114比特）S1S1幀號KcKc加密加密解密解密（加密后的消息）MSBTS加密解密過程8.2.4：GPRS業務

目前GSM系統遠不能滿足日益增長的移動數據業務的需求，因為數據通信和話音通信有著完全不同的特性和要求。首先，數據通信具有很強的突發性，即在短時間內會集中產生大量的信息，而很長一段時間內，又根本沒有信息需要傳送。其次，數據終端的形式多種多樣，各種終端對傳輸速率的要求相差很大，電路交換只能定義有限的幾種標準帶寬的電路，很難用有限類型的電路將不同類型和速率的數據終端有效連接起來。再則，GSM目前的計費方式是以通信時間來計算的，這很不適應數據業務的開展。基于GSM系統提出的GPRS方案，是迎合平滑過渡策略的主要方案。GPRS是“通用分組無線業務”GeneralPacketRadioService英文的縮寫，它充分利用了現有移動通信網的設備，在GSM網絡上增加一些硬件設備和軟件升級，形成一個新的網絡邏輯實體，它以分組交換技術為基礎，采用IP數據網絡協議，最高數據速率可達170kbit／s。每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以由多個用戶共享，資源被有效的利用。GPRS技術160Kbps的極速傳送幾乎能讓無線上網達到公網ISDN的效果，實現“隨身攜帶互聯網”。GPRS網絡結構

GPRS網絡是在GSM網絡的基礎上增加了三個關鍵組件構成的，即：SGSN（ServingGPRSSupportNode）稱為GPRS業務支持節點，主要功能是對移動終端進行鑒權和移動性管理，建立移動終端到GGSN的傳輸通道，接收從基站傳送來的移動終端分組數據，通過GPRS骨干網傳送給GGSN或者將分組發送到同一服務區內的移動終端。GGSN(GatewayGPRSSupportNode)稱為GPRS網關支持節點，是連接GPRS網絡與外部數據網絡的節點。PCU（PacketControlUnit）稱為分組控制單元，加于基站子系統的BSC處。因為BSS與SGSN連接的接口Gb采用幀中繼，原有BSC的電路交換設備無法使用，所以需增加PCU，用于分組數據的信道管理和信道接入控制。

另外，為了支持GPRS，原GSM系統的相應部件需要進行軟件升級。

8.2.5CDMA簡介GSM的多址方式是TDMA。TDMA系統的頻譜效率不高，信道容量有限；在話音質量上13kbit/s編碼也很難達到有線電話水平；TDMA系統的業務綜合能力較高，但終端接入速率有限(最高9.6kbit/s)；TDMA系統無軟切換功能，因而容易掉話，影響服務質量；TDMA系統的國際漫游協議還有待進一步的完善和開發。因而TDMA并不是現代蜂窩移動通信的最佳無線接人。CDMA多址技術完全適合現代移動通信網所要求的大容量、高質量、綜合業務、軟切換、國際漫游等。CDMA多址技術的原理是基于擴頻技術。CDMA蜂窩移動通信網的特點系統容量大：理論上CDMA移動網比模擬網大20倍。系統容量的靈活配置：在CDMA系統中，用戶數的增加相當于背景噪聲的增加，造成話音質量的下降。但對用戶數量并無限制，操作者可在容量和話音質量之間折衷考慮。另外，多小區之間可根據話務量和干擾情況自動均衡。系統性能質量更佳：這里指的是CDMA系統具有較高的話音質量，聲碼器可以動態地調整數據傳輸速率，并根據適當的門限值選擇不同的電平級發射。同時門限值根據背景噪聲的改變而變，這樣即使在背景噪聲較大的情況下，也可以得到較好的通話質量。另外，CDMA系統“掉話”的現象明顯減少，CDMA系統采用軟切換技術，“先連接再斷開”，這樣完全克服了硬切換容易掉話的缺點。頻率規劃簡單：用戶按不同的序列碼區分，所以不相同CDMA載波可在相鄰的小區內使用，網絡規劃靈活，擴展簡單。延長手機電池壽命：采用功率控制和可變速率聲碼器，手機電池使用壽命延長。建網成本下降。

CDMA的關鍵技術功率控制技術功率控制技術是CDMA系統的核心技術。CDMA系統是一個自擾系統，所有移動用戶都占用相同帶寬和頻率，“遠近效用”問題特別突出。CDMA功率控制的目的就是克服“遠近效用”，使系統既能維護高質量通信，又不對其他用戶產生干擾。功率控制分為前向功率控制和反向功率控制，反向功率控制又可分為僅由移動臺參與的開環功率控制和移動臺、基站同時參與的閉環功率控制。

反向開環功率控制：它是移動臺根據在小區中接受功率的變化，調節移動臺發射功率以達到所有移動臺發出的信號在基站時都有相同的功率。它主要是為了補償陰影、拐彎等效應，所以它有一個很大的動態范圍，根據IS—95標準，它至少應該達到正負32dB的動態范圍。反向閉環功率控制：閉環功率控制的設計目標是使基站對移動臺的開環功率估計迅速做出糾正，以使移動臺保持最理想的發射功率。前向功率控制：在前向功率控制中，基站根據測量結果調整每個移動臺的發射功率，其目的是對路徑衰落小的移動臺分派較小的前向鏈路功率，而對那些遠離基站的和誤碼率高的移動臺分派較大的前向鏈路功率。PN碼技術

PN碼的選擇直接影響到CDMA系統的容量、抗干擾能力、接入和切換速度等性能。CDMA信道的區分是靠PN碼來進行的，因而要求PN碼自相關性要好，互相關性要弱，實現和編碼方案簡單等。目前的CDMA系統就是采用一種基本的PN序列—m序列作為地址碼，利用它的不同相位來區分不同用戶。RAKE接收技術

移動通信信道是一種多徑衰落信道，RAKE接收技術就是分別接收每一路的信號進行解調，然后疊加輸出達到增強接收效果的目的，這里多徑信號不僅不是一個不利因素，而且在CDMA系統變成一個可供利用的有利因素。軟切換技術

先連接，再斷開稱之為軟切換。CDMA系統工作在相同的頻率和帶寬上，因而軟切換技術實現起來比TDMA系統要方便容易得多；話音編碼技術

目前CDMA系統的話音編碼主要有兩種，即碼激勵線性預測編碼(CELP)8kbit/s和13bit/s。8kbit/s的話音編碼達到GSM系統的13kbit/s的話音水平甚至更好。13kbit/s的話音編碼已達到有線長途話音水平。CELP采用與脈沖激勵線性預測編碼相同的原理，只是將脈沖位置和幅度用一個矢量碼表代替。8.3光纖通信系統光纖通信就是利用光導纖維（OpticalFiber)傳送光信號的通信方式。光纖通信的優點：光纖是電絕緣的，它可將發送端和接收端隔離；光纖不受電磁輻射的影響，它可以在充滿噪聲的環境中進行通信而不受電磁波干擾；一條光纜中的多根光纖之間的相互串音幾乎沒有；光的頻率極高，因此有很大的傳輸帶寬，如果能充分開發1.31.8m波段，則一根光纖將可能傳送幾億路數字電話。光纖通信的主要缺點:由于不導電，一些電設備不能直接接在光纖上;光纖的連接要比電線的連接復雜，而且費用也高。光發射機光接收機8.3.1光纖通信系統的基本構成光接收機（DCE）

光發射機（DCE）電信號電信號光信號光纖發終端（DTE）收終端（DTE）8.3.2光的傳播與光纖

光是一種電磁能，光的傳播速度與傳播光的介質密度有關，密度越高，傳播速度越慢，在真空中的傳播速度是300,000km/s。光在單一均勻的介質中以直線傳播。如果光從一種密度的媒介進入到另一種密度的媒介中，光的傳播速度發生變化，會引起光的傳播方向改變，這種現象稱為光的折射（refraction）。

光的性質

光的折射角度的大小與兩個傳播媒介的折射率及光入射角度有關。設媒介1和媒介2的折射率分別為n1和n2，且n1＜n2，入射角為θ2，折射角為θ1，則有：

n1sinθ1=n2sinθ2光信號在光導纖維中的傳播就是利用的光的全反射原理。光導纖維多模光纖多模光纖是一種傳輸多個光波模式的光纖。多模光纖適用于幾十Mbps到100Mbps的碼元速率，最大無中繼傳輸距離是10到100km左右。多模光纖可以按照從光纖截面的折射率變化分為階躍型多模光纖和漸變型多模光纖。

單模光纖單模光纖只能傳輸光的基模，不存在模間時延差，因而具有比多模光纖大得多的帶寬。單模光纖主要用于傳送距離很長的主干線及國際長途通信系統，速率為幾個Gbps。由于價格的下降以及對比特傳輸率的要求不斷提高，單模光纖也被用于原來使用多模光纖的系統。

由于光通過不同的路徑不能同時到達輸出端口，因此脈沖被展寬。

路徑的差異縮小，脈沖的寬度也減小。

光幾乎以相同的路徑傳輸，因此可同時到達輸出端口，脈沖很少展寬。光纜

前面所述的光纖稱為裸光纖，它由石英玻璃制成，比頭發絲還細，強度很差，不能滿足工程安裝的要求。因此在光纖的拉制生產過程中還需要經過預涂覆、套塑和成纜等工序最終形成光纜。預涂覆：用硅樹脂、聚氨基甲酸乙酯、環氧樹脂和丙稀酸樹脂等幾種材料對裸光纖表面進行預涂覆，一方面增加光纖的強度，另一方面防止光纖的漏光。有時為了加強對光纖的保護作用再涂上一層低密度的硅樹脂作為緩沖層，其厚度為100-150m。套塑：在有預涂覆的光纖上再套上一層塑料層，進一步保護光纖。套塑后的光纖稱為光纖心線。成纜：多根光纖心線組成光纜。光纜的結構必須能夠保護每一條光纖不會因為敷設、安裝而損壞。光纜的敷設光纜的敷設方式有管道、架空、直埋和水下等幾種。在任何情況下都不準超過設計的光纜的抗張負荷；光纜敷設時彎曲半徑不應小于光纜外徑的1.5倍，施工過程中不應小于15倍；布放光纜的牽引力應不超過光纜允許張力的80%，瞬間不得超過100%；牽引頭與牽引索之間應有轉環，以防牽引過程中扭傷光纜；光纜必須由纜盤上方放出，并保持松馳弧形；機械牽引時速度應在每分鐘20m左右，牽引張力可調，應能自動報警、停車；人工牽引時速度要均勻，以每分鐘10m為宜，嚴禁涌浪，牽引長度不宜過大；要組織嚴密，專人指揮。8.3.3光纖的連接光纖的連接有兩種情況，一種是永久性連接，類似于電線電纜中的焊接；另一種是活動連接，類似于插頭與插座的連接。光纖的連接必須滿足以下幾點要求：①插入損耗要小②接頭要保證有足夠的機械強度③密封④操作方便造成接頭插入損耗增加的主要原因發射芯線的直徑與接收芯線的直徑不等（a）；兩根光纖的軸線不重合（b）；光纖端面之間的空隙而造成的菲涅爾折射（c）；光纖端面之間的角偏差（d）以及端面不平整或受到污染等。永久連接坍陷套管連接法電弧熔接法活動連接活動光纖連接器通常由下述三部分組成：

⑴光纖端接元件，保護和定位光纖端面；

⑵對準規，定位光纖端接元件對，使其耦合最佳；

⑶連接器外殼，保護光學接觸不受環境的影響，

將對準規和光纖端接元件固定在應有的位置，并端接光纜護套和應變元件。對接擴展光束法活動光纖連接器5.4.4無源光器件光連接器星型耦合器樹型耦合器光衰減器光衰減器是調節光強度不可缺少的器件。主要用于光貫徹執行通信系統指標測量、短距離通信系統的信號衰減以及系統試驗等。光衰減器一般使用金屬蒸發鍍膜濾光片作為衰減元件，依據鍍膜厚度來控制衰減量。它可分為固定衰減器和可變衰減器兩種，對光衰減器的要求是：體積小、重量經、衰減精度高、穩定可靠、使用方便等。可分為固定衰減器、可變衰減器。光隔離器光纖連接時由于端面的不匹配會造成光的反射，反射光進入到激光器后會使用激光器的工作不穩定，這時需要由光隔離器來阻止反射光的進入。光隔離器一般用兩個偏振器構成，分別稱為起偏器和檢偏器。每個偏振器對光進行45度的偏振旋轉，兩個偏振器互成45度，這樣對于前向光來說只經過每個偏振器一次，只受到很小的衰減（約為0.5dB），而對反射光則需經過兩次，會受到很大的衰減（約為25dB）。光開關光開關用于光在不同的傳輸線路中的轉換，它可以有選擇地將光信號送到某一根光纖中。光開關有兩種：一種是機械式，它是通過移動光纖本身或移動棱鏡、反射鏡和透鏡等中間物進行光的轉換，其移動方式是通過人工或電磁鐵的作用來完成的。另一種是非機械的，它是利用光電效應和聲光效應進行轉換的。光分路耦合器光分路耦合器是分路和耦合光信號的器件。光調制器為了實現數千Mbps以上的超高速調制，一般應使用光調制器。從原理上說，光調制器是通過電光效應（外加電場），或聲光準備應（彈性

）使折射率變化，利用磁場引起的法拉弟效應，使光的透過率發生變化來實現光調制。8.3.5光發射機均衡碼型變換擾碼編碼驅動光源APC光監測ATC信道編碼電路光源驅動與調制電路光纖數字基帶信號光源兩種半導體光源：一種是注入式激光器（LD），在短波長使用GaAs和GaAlAs雙異質結構激光二極管，在長波長段使用InGaAsP雙異質結條形激光二極管；另一種是發光二極管（LEDs）。這兩種器件的工作原理：當電子從導帶落到價帶時，它們就發射光子。激光器能產生受激發射，發光二極管是自發發射。二者的主要區別：激光器特別亮，可以將較大的光功率射入光纖，激光器的反應速度也很快，線寬（或工作波長范圍）比發光二極管窄，在光纖中傳輸時不易造成色散，因而能增大光纖的最大可用帶寬。發光二極管的輸出功率與調制電流的關系接近于光滑的直線，它比激光器更適合于線性系統。激光器是非線性的，適合于二進制信號。單橫模激光器在常用的波長范圍內線性度較好。光發射機電路調制：在信碼的作用下，控制激光二極管或發光二極管的電流，使其為零（不發光，相對于信碼0）或為預先規定的值（發光，相對于信碼1）。這個功能由光發射電路中的驅動電路（一種受控恒流源）完成；自動光輸出功率控制：一方面是為了使光輸出信號電平保持穩定，另一方面要防止光源因電流過大而損壞。另外，光輸出功率過大也會使光源的輸出散彈噪聲增加，系統的性能變差。這個功能由光發射電路中的APC電路完成；溫度控制：對激光二極管而言，結溫高時光輸出功率會下降，在APC的作用下控制電流就會自動增加，使結溫進一步升高，造成惡性循環而導致激光二極管損壞。光發射電路中的ATC電路用以進行光源的溫度控制。光放大器

受控恒流源

恒流源

光纖

激光器

光電二極管

調整平均功率

光源驅動與調制――平均功率反饋

信道編碼電路

信道編碼電路用于對基帶信號的波形和碼型進行轉換，使其適合于作為光源的控制信號。擾碼：擾碼是將輸入的二進制NRZ碼序列打亂重新排列，而后在接收機解擾碼，還原成原來的二進制序列。它改變了原來的碼系列“0”和“1”的分布，改善了碼流的一些特性。mBnB碼：又稱分組碼。它是把輸入信碼流中每m比特碼分為一組，然后變換為n比特，且n>m。插入碼：把輸入

原碼以m比特為一組，在每組的第m位之后插入一碼，組成m+1個碼一組的線路碼。8.3.6光接收機光電檢測器光電檢測器的作用:將來自于光纖的光信號轉換成電流。兩種半導體二極管：PIN管半導體雪崩光電二極管（APD）半導體材料在0.85m波段主要是用硅半導體材料做光電二極管;而在1.35m波段主要是用鍺半導體材料。光接收電路光接收電路的功能有三個：低噪聲放大給光電二極管提供穩定的反向偏壓自動增益控制

信道解碼器

信道解碼器是與發端的信道編碼器完全對應的電路，即包含了解密電路、解擾電路和碼型反變換電路。8.3.7中繼器與參鉺光纖放大器中繼器中繼器的作用是接收已衰減的光信號，將其轉換成等效的可以重新放大、整形、定時的電信號，然后再重新轉換成向光纖輸送的光信號。摻鉺光纖放大器

摻鉺光纖放大器是利用光纖的非線性效應制作的。當光纖輸入功率大到一定程度時，光纖對光的傳輸不再是線性關系。摻鉺光纖放大原理摻鉺光纖普通光纖普通光纖普通光纖信號光泵浦光8.3.8波分復用技術定義：在一根光纖中傳輸多個波長的光載波特點：類似于無線信道中的頻分多路復用目的：提高光纖線路的利用率λ1λ2λ3λ54λ5520Gbps信號解復用時鐘10Gbps接收Δλ=0.6nmPC單模光纖150km在線中繼器偏振控制色散補償光纖前置放大外調制器光放大器55波分傳輸系統8.4計算機網絡通信網絡（CommunicationNetwork)：就是將通信終端、轉接點和通信鏈路相互連接、實現兩個以上通信終端之間信號傳輸的通信體系，這是包括終端設備、傳輸設備、交換設備和網絡技術的綜合系統，旨在向用戶提供各種通信服務。

當前網絡正在經歷一場變革，逐步由支持單一的話音、數據、圖像的網絡轉變為多媒體網絡，并且網絡的規模與覆蓋范圍也在不斷擴大。各種網絡協議的產生使通信在更大的范圍內實現了標準化，典型的例子是TCP/IP協議為全球各類數據網的互聯提供了基礎平臺。8.4.1ISO/OSI模型8.4.1分層結構與分層協議

分層結構的概念

經理A郵政車

秘書收發員郵遞員經理B秘書收發員郵遞員郵遞員

OSI(開放式系統互連參考模型)是對怎樣在電訊網絡中任意兩個點之間傳輸信息的參考模型的一種標準描述。它的目的是指導產品實現者以便他們的產品能夠始終與其他的產品合作。現在此模型已成為一個主要的結構模型用于計算機之間和網絡間的通信。目前使用的大多數網絡通信協議都基于OSI模型的結構。OSI將其定義為七層，即將網絡計算機中有關活動信息的任務劃分為七個更小、更易于處理的任務組。一個任務或任務組被分配到一個OSI層。每一層都是獨自存在的，因此分配到各層的任務能夠獨立地執行。這樣使得由其中某層提供的解決方案能夠在不影響其他層的情況下被更新。“開放”這個詞表示：只要遵循OSI標準，一個系統可以和位于世界上任何地方的、也遵循OSI標準的其他任何系統進行連接

8.4.1OSI模型8.4.1ISO/OSI模型報文報文報文報文分組幀比特系統OSI七層參考模型應用層表示層會話層傳輸層網絡層鏈路層物理層協議數據單元7654321層次⑴物理層控制節點與信道的連接，提供物理通道和物理連接以及同步。實現比特信息的傳輸。物理層協議規定“0”和“1”的電平是幾伏，一個比特持續多長時間，數據終端設備（DTE）與數據傳輸設備（DCE）接口采用的接插件的形式等等。一個物理層協議的典型例子是RS232C。8.4.1ISO/OSI模型⑵數據鏈路層

是兩個通信實體之間一條點點式信道。包括數據傳輸設備和數據終端設備。數據鏈路層協議保證數據塊從數據鏈路的一端正確地傳送到另一端，使用差錯控制技術來糾正傳輸差錯。報文報文報文報文分組幀比特系統OSI七層參考模型應用層表示層會話層傳輸層網絡層鏈路層物理層協議數據單元7654321層次8.4.1ISO/OSI模型⑶網絡層

用于控制通信子網的運行，管理從發送節點到收信節點的虛電路。協議規定網絡節點和虛電路的一種標準接口，完成網絡連接的建立、拆除和通信管理，包括路由選擇、信息流控制、差錯控制以及多路復用等。報文報文報文報文分組幀比特系統OSI七層參考模型應用層表示層會話層傳輸層網絡層鏈路層物理層協議數據單元7654321層次⑷傳輸層

是主計算機-主計算機層，或者說端-端傳輸控制層。傳輸層的主要功能是建立、拆除和管理傳送連接。報文報文報文報文分組幀比特系統OSI七層參考模型應用層表示層會話層傳輸層網絡層鏈路層物理層協議數據單元7654321層次⑸會話層

是用戶進網的接口，著重解決面向用戶的功能，例如會話建立時，雙方必須核實對方是否有權參加會話，由哪一方支付通信費用，在各種選擇功能方面取得一致。報文報文報文報文分組幀比特系統OSI七層參考模型應用層表示層會話層傳輸層網絡層鏈路層物理層協議數據單元7654321層次⑹表示層

主要解決用戶信息的語法表示問題。表示層將數據從適合于某一用戶的語法，變換為適合于OSI系統內部使用的傳送語法。報文報文報文報文分組幀比特系統OSI七層參考模型應用層表示層會話層傳輸層網絡層鏈路層物理層協議數據單元7654321層次⑺應用層假定網絡上有很多不同形式的終端，各種終端的屏幕格式都不同，應用層就要設法轉換。報文報文報文報文分組幀比特系統OSI七層參考模型應用層表示層會話層傳輸層網絡層鏈路層物理層協議數據單元7654321層次處理數據格式提供應用程序間通信建立，維護和管理會話端到端的連接尋址和路由選擇介質訪問，鏈路管理比特流傳輸1物理層2數據鏈路層4傳輸層3網絡層5會話層7應用層6表示層應用層表示層會話層傳輸層網絡層鏈路層物理層通信媒介報文報文報文報文分組幀比特網絡層網絡層鏈路層物理層鏈路層物理層系統A系統BOSI模型下的文件傳輸應用層表示層會話層傳輸層網絡層鏈路層物理層協議數據單元7654321層次

上頁圖是兩臺計算機之間的通信過程。一個用戶以它的文字處理程序向A計算機的應用層發布文件傳送命令，應用層將其送到表示層，在這一層上對數據的格式進行修改，然后數據被送到會話層，在這里請求與目標進行連接，并將數據送到傳輸層。傳輸層為了便于數據的傳輸將整個文件分成若干個可管理的數據塊并送到網絡層。網絡層選擇數據的路由后數據被送到數據鏈路層。鏈路層要在數據上加一些額外的信息以便于接收端進行檢錯與糾錯。最后，這些數據被送到物理層，物理層形成數據波形，通過物理信道發向目標計算機。

OSI模型的優點和目的OSI是一個描述性的模型。它超越了具體的物理實體或軟件,從理論上講解決了不同計算機及外設，不同的計算機網絡中間的相互通信的問題，成為計算機網絡通信標準。OSI模型的優點可以概括為以下幾點:

●簡化相關的網絡操作

●提供即插既用的兼容性和不同廠商之間集成的標準化接口。

●使工程師們能專注于設計和優化不同的網絡互連設備的互操作性。

●防止一個區域的網絡變化影響另一個區域的網絡，因此，每一個區域的網絡都能單獨快速地升級。

●把復雜的網絡連接問題分解成小的簡單的問題，易于學習的操作

TCP/IP協議模型TCP/IP協議模型是一種簡單實用的網絡標準，它現在廣泛的應用于Internet中以及局域網中，一般的操作系統到支持這種協議。

TCP/IP協議可以把整個網絡分成四層。應用層物理層

數據鏈路層網絡層傳輸層會話層表示層OSI參考模型TCP/IP模型應用層

網絡接口層網絡層傳輸層TCP/IP協議的應用層應用層網絡接口層網絡層傳輸層超文本傳輸—HTTP文件傳輸—FTP電子郵件—SMTP遠程登錄—Telnet

網絡管理—SNMP域名管理—DNS應用層

對應于OSI的上三層，包含面向網絡用戶的大量協議實現8.4.2計算機局域網計算機網絡通俗地講就是由多臺計算機（或其它計算機網絡設備）通過傳輸介質和軟件物理（或邏輯）連接在一起組成的。計算機網絡的組成基本上包括：計算機網絡操作系統傳輸介質（可以是有形的，也可以是無形的，如無線網絡的傳輸介質就是空氣）應用軟件計算機網絡分類

從地理范圍劃分是一種大家都認可的通用網絡劃分標準。按這種標準可以把各種網絡類型劃分為局域網、城域網、廣域網和互聯網四種局域網（LAN，LocalAreaNetwork）在局部地區范圍內的網絡，它所覆蓋的地區范圍較小。特點是連接范圍窄、用戶數少、配置容易、連接速率高。地理距離上一般來說可以是幾米至10公里以內。LAN有“中心控制”和“分布式控制”這樣兩個不同形式的控制方式。中心控制需要一個單個的設備來控制整個網絡。

缺點：一旦控制器故障將會使整個網絡癱瘓。

現行大多數LAN都采用分布式控制，接入網絡的所有設備實際上管理著網絡，無須中心設備。優點：分布式控制的一個優點是在增加新的用戶時，只需安裝接口卡和軟件，并將PC機接到網絡中而無須向中心處理器或控制器說明，因此網絡的擴展很容易。缺點：分布式控制的主要缺點是如果一個設備故障，可能會導致整個網絡無序。城域網（MAN，MetropolitanAreaNetwork）

這種網絡一般來說是在一個城市，但不在同一地理小區范圍內的計算機互聯。這種網絡的連接距離可以在10￣100公里。

城域網多采用ATM技術做骨干網。ATM是一個用于數據、語音、視頻以及多媒體應用程序的高速網絡傳輸方法。ATM包括一個接口和一個協議，該協議能夠在一個常規的傳輸信道上，在比特率不變及變化的通信量之間進行切換。ATM也包括硬件、軟件以及與ATM協議標準一致的介質。ATM提供一個可伸縮的主干基礎設施，以便能夠適應不同規模、速度以及尋址技術的網絡。ATM的最大缺點就是成本太高。廣域網（WAN，WideAreaNetwork）

這種網絡也稱為遠程網，所覆蓋的范圍比城域網（MAN）更廣，它一般是在不同城市之間的LAN或者MAN網絡互聯，地理范圍可從幾百公里到幾千公里。因為距離較遠，信息衰減比較嚴重，所以這種網絡一般是要租用專線，通過IMP（接口信息處理）協議和線路連接起來，構成網狀結構，解決循徑問題。這種城域網因為所連接的用戶多，總出口帶寬有限，所以用戶的終端連接速率一般較低互聯網（Internet）

互聯網又因其英文單詞“Internet”的諧音，又稱為“英特網”。無論從地理范圍，還是從網絡規模來講它都是最大的一種網絡，就是我們常說的“Web”、“WWW”和“萬維網”等多種叫法。從地理范圍來說，它可以是全球計算機的互聯，這種網絡的最大的特點就是不定性，整個網絡