光纖通信技術西安科技大學通信與信息工程學院韓曉冰副教授1.通信1.1

通信系統模型信源處理與編碼解碼與處理接收設備傳輸媒質發射設備信宿1.2通信網的基本構成終端設備傳輸鏈路

光纖傳輸系統衛星傳輸系統數字微波傳輸系統轉接交換設備

1.3電話通信網的等級結構

一級交換中心C1

二級交換中心C2

長途網

三級交換中心C3

四級交換中心C4

端局C5

本地網

T

國際國際局2.傳輸系統光纖傳輸系統衛星傳輸系統微波傳輸系統同軸傳輸系統明線傳輸系統載波傳輸系統PCM電話通信系統示意圖

發送端

接收端

話音

PCM信號

PCM信號

話音信號

信號

模數變換

信道

模數變換

（PulseCodeModulation---PCM）抽樣量化編碼再生中繼再生解碼低通3.光纖通信3.1光纖通信簡史古代光通信3000年前的烽火臺；17世紀中葉，發明了望遠鏡；1791年，法國人發明了信號燈。現代光通信--光話1880年貝爾發明‘光話’，他以日光為光源，大氣為傳輸媒介，傳輸距離是200米；1881年貝爾發表了論文《關于利用光線進行聲音的復制與產生》；貝爾的光話始終沒有實用化：1、沒有可靠的、高強度的光源；2、沒有穩定的、低損耗的傳輸媒介。1970年光纖通信元年1960年，第一臺相干振蕩光源--紅寶石激光器問世；1962年，半導體激光器問世；1970年貝爾實驗室制作出可以在常溫下連續工作的鋁鎵砷（AlGaAs）半導體激光器。直到60年代中期，優質光學玻璃的損耗仍高達1000dB/km；英國標準電信研究所的華裔科學家高錕博士于1966年發表了一篇論文，提出利用帶有包層材料的石英玻璃光纖作為光通信媒介；1970年美國康寧（Corning）公司制成損耗為20dB/km的低損耗石英光纖。1976年，發現光纖的衰減在長波長區有：1.31um和1.55um兩個窗口1980年，產生了低衰減光纖，在1.55um的衰減系數為0.20dB/km已接近理論值

(ITU-TG.652)常規單模光纖,在1.31um的零色散為零(ITU-TG.653)色散位移單模光纖,低損耗和零色散均在1.55um,工作波長為1.55um(ITU-TG.655)非零色散位移單模光纖,在1.55um損耗小,色散小,非線性效應小3.2光纖通信以光波為載頻，以光導纖維為傳輸介質的通信方式波長范圍是近紅外區，即0.8-1.6微米目前所采用的三個實用通信窗口

短波波長段－－波長為0.85微米長波波長段－－1.31微米和1.55微米光纖通訊的優點具有傳輸頻帶寬、通信容量大傳輸衰減小，距離遠信號串擾小，傳輸質量高抗電磁干擾，保密性好光纖尺寸小，質量輕便于運輸和敷設耐化學腐蝕，適用于特殊環境原料資源豐富節約有色金屬4.光纖4.1光纖傳輸基本原理光纖通信所用的光波長范圍在800－1600nm的近紅外區光的傳播是通過電場、磁場的狀態隨時間變化的規律表現出來的。光纖心線的剖面結構示意圖纖芯

包層一次涂覆二次涂覆（套塑）2a2b

4.2光纖光纖的傳播模式在光纖的數值孔徑角內，以某一角度射入光纖端面，并能在光纖的纖芯到包層界面上形成全反射的傳播光線就可稱為一個光的傳輸模式。高次模基模低次模平面波的反射和折射反射： 1=1`折射： n1sin1=n2sin

2

全反射： sin1>=n2/n1n2n111`24.3光纖的傳輸特性衰減色散偏振模色散光纖的非線性效應

衰減衰減－－表明光纖對光能的傳輸損耗。光在光纖中傳播時，平均光功率沿光纖長度按照指數規律減少:P(L)=P(0)10(αL/10)

式中：P(0)－在L＝0處注入光纖的光功率

P(L)－傳輸到軸向距離L處的光功率衰減系數α（L）＝－(10/L)㏒[P(L)/P(0)]dB/km衰減譜衰減系數與波長的函數關系衰減起因損耗本征非本征吸收紫外吸收金屬離子紅外吸收OH離子、H2散射瑞利散射波導缺陷米氏散射受激布里淵散射受激拉曼散射

色散光纖中的信號是由不同的頻率成分和不同的模式成分來攜帶的，這些不同的頻率成分和不同的模式成分的傳輸速度不同，從而引起－－色散脈沖展寬T光纖的非線性效應散射影響受激布里淵散射（SBS）受激拉曼散射（SRS）光纖克爾(折射率引起)效應自相位調制（SPM）交叉相位調制（XPM）四波混頻（FWM）4.4光纖的類型多模光纖：纖芯直徑為50-75微米在一定的工作波長下，有多個模式在光纖中傳輸單模光纖：纖芯直徑很小，約4-10微米理論上只傳輸一種模式階躍型單模光纖的典型結構涂覆層包層芯n2n1梯度型單模光纖的典型結構涂覆層包層芯n2n1折射率呈梯度分布和更低的衰減，使其性能比階躍性單模光纖要好得多！單模光纖標準單模光纖（G.652光纖）色散位移單模光纖（G.653光纖）1550nm波長最低衰減光纖（G.654光纖）非零色散位移光纖（G.655光纖）色散補償光纖（G.65X光纖）色散平坦光纖4.5光纜結構與分類結構：

纜芯、加強件、護層（護套）。光纜結構圖光纜型號表示方法1、型號的組成

型號由產品型式和規格兩大部分組成。

格

式：

型式

規格

型

式──由以下五部分組成：分類加強構件結構特征護套外護層分類代號GY──通信用室外光纜GJ──通信用室內光纜加強構件代號無符號──金屬加強構件

F──非金屬加強構件結構特征代號

無符號──層絞結構

X──光纜中心管（被覆）結構

T──油膏填充式結構

C──自承式結構8──“8”字型結構

E──橢圓結構

B──扁平形狀

Z──阻燃結構

護套代號

Y──普通聚乙烯

V──聚氯乙烯護套

A──鋁-聚乙烯粘結護套

S──鋼-聚乙烯粘結護套

W──夾帶平行鋼絲的鋼-聚乙烯粘結護套（簡稱W護套）

AT──耐電痕聚乙烯護套外護層代號

23──雙層繞包鋼帶鎧裝聚乙外護套33──單層細圓鋼絲鎧裝聚乙外護套333──雙層細圓鋼絲鎧裝聚乙外護套53──縱包皺紋鋼帶鎧裝聚乙外護套

光纜實例GYSTAGYSTA53GYSTSGYXTWGYXTY光纜應用類型介紹5

光器件5.1光源LED:功率小、譜線寬。LD：功率大、譜線窄。5.2檢測器PIN：APD：5.3EDFA-摻鉺光纖放大器原理：光隔離器摻鉺光纖應用中間放大、前置放大6

WDM-波分復用6.1原理6.2器件7光纖通信系統7.1光纖通信系統的發展第一代光纖通信系統：1973年～1976年，采用短波長（0.85μm）多模光纖，其傳輸速率為50-100Mb/s，中繼距離為10km；第二代光纖通信系統：1976年～1982年，采用長波長（1.3μm）多模和單模光纖，其傳輸速率為140Mb/s，中繼距離為20-50km；第三代光纖通信系統：1982年～1988年，采用波長（1.31μm）單模光纖，其傳輸信號為PDH的各次群信號，傳輸距離為50km左右；第四代光纖通信系統：1988年至今，采用波長（1.55μm）單模光纖，其傳輸信號為SDH的各次群信號，傳輸速率達2.5Gb/s，中繼距離為80km左右，并開始采用光纖放大器（EDFA）、波分復用（WDM）等技術我國光纖通信技術進展一、初級研究階段（1974-1980）研制出了階躍多模光纖、室溫下的連續工作的GaAlAs半導體激光器和8Mb/s光端機等。二、實用化研究階段（1981-1985）解決了市話中繼多模光纖傳輸系統。三、長途通信研究階段（1986-1990）單模光纖長途干線系統的成套技術，包括光纖、器件、系統、測試、儀表等。四、光同步數字傳送同研究階段（1991-1996）這一階段的主要任務是鞏固和發展PDH研究已取得的多項成果，引進、開發或自制SDH產品。7.2光纖通信系統的基本構成以電話傳輸系統為例SPCOLTSPCOLT7.3光纖通信系統的制式PDH-準同步數字系列SDH-同步數字系列SDH的定義

SDH是一個將復接、線路傳輸、交叉連接及交換功能融為一體的，并由統一的網管系統進行管理的綜合業務傳送網絡7.4SDH-光同步傳輸系統SDH的發展背景（1）80年代光纖通信在電信網中獲得了大規模的應用。（2）1985年美國貝爾通信研究所提出了同步光纖網（SONET）的概念。（3）1988年CCITT正式命名SDH--同步數字體系。SDH的應用領域涉及領域：長途通信、交換、接入、移動等等。應用趨勢：逐步從長途通信、市話局間中繼通信轉向用戶網。SDH的特點SDH統一了世界上的三種數字體系。具有標準的光接口。上、下支路方便。用于網絡運行、管理、維護的開銷豐富。網絡具有自愈性。組網靈活。準同步數字系列(PDH)400Mb/s100Mb/s32Mb/s6.3Mb/s日本系列274Mb/s45Mb/s6.3Mb/s565Mb/s139Mb/s34Mb/s8Mb/s2Mb/s1.5Mb/s北美系列歐洲系列×4×4×4×4×4×4×3×5×6×7×41.5Mb/sSDH的速率等級SDH具有一套標準化的信息結構等級，稱為同步傳送模塊STM-1、STM-4和STM-16，并具有頁狀矩形幀結構。分插信號流程的比較

SDH的弱點1.頻點利用率不如傳統的PDH系統。2.采用指針調整機理增加了設備的復雜性。3.指針調整產生的相位躍變在低頻抖動和漂移性能上信號損傷較重。4.網管權限大，出現在網管上的錯誤可導致全網癱瘓。STM-N幀結構MSOHRSOH傳輸方向9×270×N字節1

3

4

5

99×N261×N傳輸方向270×NRSOHMSOHSTM-N信息凈負荷（含少量POH）STM-N信息凈負荷（含少量POH）AUPTRAUPTRRSOHMSOHSTM-1幀由9行、270列共2430個字節組成。傳送時按由左到右、由上至下的順序進行，直到整個幀傳送完畢。每秒傳送8000幀。因此其傳輸速率為：270×9×8×8000=155.520Mbit/s電路層網絡VC_12VC_4VC_3電路層低階通道層通道層高階通道層段層復用段層網絡再生段層網絡物理層網絡傳輸媒質層SDH傳送網的分層模型1.設備的設計和實現更加簡單2.使規范在一個長久的時期內保持穩定3.便于維護分層的好處SDHG.709復用映射結構虛容器STM-N×N×1140Mb/s45Mb/s34Mb/s6.3Mb/s2Mb/s1.5Mb/s×3×７×７×１×３C-11C-12C-2C-3C-4VC-11VC-2VC-3VC-3VC-4TU-11TU-12TU-2TU-3TUG-2TUG-3AUGAU-3AU-4VC-12×3×4×1容器支路單元管理單元支路單元組管理單元組同步傳送模塊定位校準復用映射我國采用的復用映射結構虛容器STM-N×N×1140Mb/s34Mb/s×７×１×３C-12C-3C-4VC-12VC-3VC-4TU-12TU-3TUG-2TUG-3AUGAU-4×3容器支路單元管理單元支路單元組管理單元組同步傳送模式定位校準復用2Mb/s映射

歐洲電信標準協會采用的復用映射結構是G.709建議的一部分，即高階虛容器中沒有VC-3，我國選用的是歐洲復用映射結構。STM-N信號容量STM-1（155M）STM-4（622M）1個VC-4（1×140M）3個VC-3（3×34M）63個VC-12（63×2M）4個VC-4（4×140M）12個VC-3（12×34M）252個VC-12（252×2M）通道1+1保護是以通道為基礎的，倒換與否按分出的每一通道信號質量的優劣而定。通常倒換時間不超過10ms。

通道1+1保護使用并發優收原則。插入時，通道業務信號同時饋入工作通路和保護通路；分出時，同時收到工作通路和保護通路兩個通道信號，按其信號的優劣來選擇一路作為分路信號。WP并發優收通道1+1保護OLOL復用段保護是以復用段為基礎的，倒換與否按每兩站間的復用段信號質量的優劣而定。當復用段出故障時，整個站間的業務信號都轉到保護通路，從而達到保護的目的。復用段1+1保護方式，業務信號發送時同時跨接在工作通路和保護通路。正常時從工作通路接收業務信號，復用段故障時，自動切換到保護通路接收業務信號。系統的復用段1+1保護為單向或雙向切換復原模式。TRCSOLOLTRCS復用段1+1保護CAACCAACWPPWABCDCAACCAACWPPWABCD倒換二纖單向通道倒換環的保護方式與通道1+1保護相同，也是基于并發優收的原則，以PATH－AIS為倒換的依據，不需要APS協議。a.正常工作時b