第4章数字光纤通信系统.ppt
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1、2019/10/24,1,第4章 数字光纤通信系统,4.1 数字光纤通信系统概述 4.2 光纤和光器件 4.3 光端机 4.4 数字光纤系统的两种传输体制,2019/10/24,2,4.1 数字光纤通信系统概述,一、光纤通信发展史和现状 1、探索时期的光通信: 中国古代用“烽火台”报警,欧洲人用旗语传送信息, 这些都可以看作是原始形式的光通信。 1880年,美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。光电话证明了用光波作为载波传送信息的可行性。贝尔光电话是现代光通信的雏型。,2019/10/24,3,1960年,美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器, 给光通信带
2、来了新的希望。 激光具有波谱宽度窄,方向性极好, 亮度极高,以及频率和相位较一致的良好特性。 继红宝石激光器之后,氦氖(He - Ne)激光器、二氧化碳(CO2)激光器先后出现,并投入实际应用。 激光器的发明和应用, 使光通信进入一个崭新的阶段。,2019/10/24,4,2、现代光纤通信 1966年,英籍华裔学者高锟指出了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径,奠定了现代光通信光纤通信的基础。 1970 年,光纤研制取得了重大突破。美国康宁(Corning)公司就研制成功损耗20 dB/km的石英光纤。 1973 年,美国贝尔(Bell)实验室取得了更大成绩,光
3、纤损耗降低到2.5dB/km。 1976 年,日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2m)。,2019/10/24,5,3、光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段: 第一阶段(1966-1976年),这是从基础研究到商业应用的开发时期。实现了短波长(0.85m)低速率(45或34Mb/s)多模光纤通信系统。 第二阶段(1976-1986年),这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。 光纤从多模发展到单模,工作波长从短波长(0.85m)发展到长波长(1.31m和1.55m)。 第三阶段(1986-1996年),这是以超大容量超长距离为
4、目标、全面深入开展新技术研究的时期。在这个时期,实现了1.55m色散移位单模光纤通信系统。实验室可以达到更高水平。,2019/10/24,6,二、光纤通信的优点和应用 在光纤通信系统中,作为载波的光波频率比电波频率高得多,作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波导管的损耗低得多,因此相对于电缆通信或微波通信,光纤通信具有许多独特的优点。 1. 容许频带很宽,传输容量很大 单波长光纤通信系统的传输速率一般为2.5 Gb/s和10 Gb/s。波分复用(WDM)和光时分复用(TDM)更是极大地增加了传输容量, 见下表 。,2019/10/24,7,表 光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较,2019/10
5、/24,8,2. 损耗很小, 中继距离很长且误码率很小 石英光纤在1.31 m和1.55 m波长, 传输损耗分别为0.50 dB/km和0.20 dB/km,甚至更低。因此,用光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多,见表。 传输容量大、传输误码率低、中继距离长的优点,使光纤通信系统不仅适合于长途干线网而且适合于接入网的使用, 这也是降低每公里话路的系统造价的主要原因。,2019/10/24,9,3. 重量轻、 体积小 光纤重量很轻,直径很小。即使做成光缆,在芯数相同的条件下,其重量还是比电缆轻得多,体积也小得多。表给光缆和标准同轴电缆的重量和截面积的比较。,表 光缆和电缆的重量和截面积比较,
6、2019/10/24,10,4. 抗电磁干扰性能好 光纤由电绝缘的石英材料制成,光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。 5. 泄漏小, 保密性能好 在光纤中传输的光泄漏非常微弱,即使在弯曲地段也无法窃听。因此信息在光纤中传输非常安全。 6. 节约金属材料, 有利于资源合理使用。,2019/10/24,11,总之,光纤通信不仅在技术上具有很大的优越性,由图可见,随着传输容量的增加,由于采用了新的传输媒质, 使得相对造价直线下降。,图 各种通信系统相对造价与传输容量的比较,2019/10/24,12,光纤可以传输数字信号,也可以传输模拟信号。光纤通信的各种应用可概括如下: 通信网,包括
7、全球通信网、各国的公共电信网、各种专用通信网、特殊通信手段。 构成因特网的计算机局域网和广域网,如光纤以太网、 路由器之间的光纤高速传输链路。 有线电视网的干线和分配网;工业电视系统,如工厂、 银行、商场、交通和公安部的监控。 综合业务光纤接入网,分为有源接入网和无源接入网, 可实现电话、数据、视频(会议电视、可视电话等)及多媒体业务综合接入核心网,提供各种各样的社区服务。,2019/10/24,13,三、光纤通信系统的基本组成 1、发射和接收 下图示出单向传输的光纤通信系统,包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。 ,图 光纤通信系统的基本组成,光纤通信系统组成演示,2019/10/
8、24,14,信息源:把用户信息转换为原始电信号,这种信号称为基带信号。 电发射机:把基带信号转换为适合信道传输的信号,这个转换如果需要调制, 则其输出信号称为已调信号。 光发射机:输入到光发射机带有信息的电信号,通过调制转换为光信号。 光接收机:光载波经过光纤线路传输到接收端,再由光接收机把光信号转换为电信号。 电接收机:功能和电发射机的功能相反。,2019/10/24,15,2、基本光纤传输系统 基本光纤传输系统作为独立的“光信道”单元。 有线通信系统或无线通信系统的发射与接收之间 加入光发射机、光纤线路和光接收机,再配置适当的 光器件, 可以组成传输能力更强、功能更完善的光 纤通信系统。
9、下面简要介绍基本光纤传输系统的三个组成部分。,2019/10/24,16,光发射机: 光发射机的功能:把输入电信号转换为光信号,并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。 光发射机组成:由光源、 驱动器和调制器组成。 光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本上取决于光源的特性。 光源种类:半导体发光二极管(LED)、半导体激光二极管(或称激光器)(LD), 单纵模分布反馈(DFB)激光器。,2019/10/24,17,光纤线路: 光纤线路功能:是把来自光发射机的光信号,以尽可能小的失真和衰减传输到光接收机。 光纤线路组成:由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。 光纤基本要求:损耗和色散这两个传输
10、特性参数都尽可能地小, 有足够好的机械特性和环境特性。 石英光纤分类:多模光纤和单模光纤。 单模光纤的传输特性比多模光纤好,价格比多模光纤便宜,因而得到更广泛的应用。 单模光纤适合大容量长距离光纤传输系统,小容量短距离系统用多模光纤配合半导体发光二极管更加合适。,2019/10/24,18,光接收机: 光接收机的功能:是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号,并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。 光接收机组成:由光检测器、 放大器和相关电路组成 光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求是响应度高、 噪声低和响应速度快。 光检测器种类: 光电二极管(PIN - PD)、雪崩
11、光电二极管(APD)。 ,光发射机与光接收机组成演示,2019/10/24,19,光接收机最重要的特性参数是灵敏度。 灵敏度是衡量光接收机质量的综合指标,它反映接收机调整到最佳状态时, 接收微弱光信号的能力。 灵敏度主要取决于组成光接收机的光电二极管和放大器的噪声,并受传输速率、光发射机的参数和光纤线路的色散的影响,还与系统要求的误码率或信噪比有密切关系。 所以灵敏度也是反映光纤通信系统质量的重要指标。 ,2019/10/24,20,4.2 光纤和光器件,一、光纤 1、光纤 光纤就是导光的玻璃纤维的简称, 是石英玻璃丝, 它的直径只有0.1 mm,它和原来传送电话的明线、电缆一样,是一种新型的
12、信息传输介质,但它比以上两种方式传送的信息量要高出成千上万倍, 可达到上百千兆比特/秒,而且衰耗极低。,2019/10/24,21,2. 光纤的导光原理 光纤为什么能够导光, 能传送大量信息呢? 这里我们用简单的比喻, 从物理概念上来说明,以加深对光纤传输信息的理解。 光纤是利用光的全反射特性来导光的。在物理中学习过光从一种介质向另一种介质传播,由于它们在不同介质中传输速率不一样,因此,当通过两个不同的介质交界面就会发生折射。,2019/10/24,22,若有两种不同介质, 其折射率分别为n0, n1,而且n1n0, 设界面为XX; 折射率小的称光疏媒质, 折射率大的称光密媒质; 假定光线从光
13、疏媒质射向光密媒质, 其折射情况如图所示。 图中,入射角为0为入射光线与法线YY夹角, 折射角为1为折射光线与YY夹角; 由图可见,10。,图 光的折射示意图,2019/10/24,23,若使光束从光密媒质射向光疏媒质时, 则折射角大于入射角,如图所示。 如果不断增大0可使折射角1达到90, 这时的1称为临界角。 当光线从光密媒质射向光疏媒质, 且入射角大于临界角时, 就会产生全反射现象。 光纤就是利用这种全反射来传输光信号的。,图 临界角和光线的全反射,2019/10/24,24,以上了解了光的全反射原理之后,下面画出光在阶跃光纤中的传播轨迹,即按“之”之形传播及沿纤芯与包层的分界面掠过,如
14、图 所示。,2019/10/24,25,在制造光纤时, 使光纤芯的折射率高,在外面涂上一包屏层,可使折射率低; 当选择一定的角度0时,射入纤芯的光束将会全部返回纤芯中。 光纤芯线结构如图所示。 光纤的芯线由纤芯、包层、涂覆层、套塑四部分组成。 ,2019/10/24,26,图 光纤芯线的剖面构造,2019/10/24,27,纤芯: 纤芯位于光纤的中心部位(直径d1 约950 微米),其成份是高纯度的二氧化硅。 包层: 包层位于纤芯的周围(其直径d2 约125 微米),其成份也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。 涂敷层: 光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的涂敷层,其作用是增加光纤的机
15、械强度与可弯曲性。,2019/10/24,28,3. 光纤的分类 根据波导传输波动理论分析,光纤的传播模式可分为多模光纤和单模光纤。 1) 多模光纤 多模光纤即能承受多个模式的光纤。这种光纤结构简单、易于实现, 接头连接要求不高, 用起来方便, 也较便宜。因而在早期的数字光纤通信系统(PDH系列)中采用,但这种光纤传输带宽窄、衰耗大、时延差大, 因而已逐步被单模光纤代替。 ,2019/10/24,29,2) 单模光纤 单模光纤即只能传送单一基模的光纤, 如图。 这种光纤从时域看不存在时延差,从频域看, 传输信号的带宽比多模光纤宽得多, 有利于高码率信息长距离传输。,2019/10/24,30,
16、图 裸光纤结构示意图 (a) 阶跃型多模光纤; (b) 梯度型多模光纤; (c) 单模光纤,2019/10/24,31,二、光缆 为了使光纤能在工程中实用化,能承受工程中拉伸、 侧压和各种外力作用, 还要具有一定的机械强度才能使性能稳定。 因此, 将光纤制成不同结构、不同形状和不同种类的光缆以适应光纤通信的需要。 光缆主要由缆芯、护套和加强元件组成。,2019/10/24,32,缆芯 缆芯是由光纤芯组成的, 它可分为单芯和多芯两种。单芯型缆芯和多芯型缆芯结构的比例如表 。 单芯型由单根二次涂覆处理后的光纤组成。 多芯型由多根经二次涂覆处理后的光纤组成, 它又分为带状结构和单位式结构。 强度元件
17、 由于光纤的材料比较脆, 容易断裂, 在光缆内中心或四周要加一根或多根加强元件。 护层 光缆的护层主要是对已形成的光纤芯线起保护作用, 避免受外部机械力和环境损坏。,2019/10/24,33,2019/10/24,34,光缆的种类 在公用通信网中用的光缆结构如表所示。,2019/10/24,35,下面介绍几种有代表性的光缆结构形式。 (1) 层绞式光缆。 它是将若干根光纤芯线以强度元件为中心绞合在一起的一种结构, 如图(a)所示。特点是成本低, 芯线数不超过10根。 (2) 单位式光缆。 它是将几根至十几根光纤芯线集合成一个单位, 再由数个单位以强度元件为中心绞合成缆, 如图(b)所示, 其
18、芯线数一般适用于几十芯。 ,2019/10/24,36,(3) 骨架式光缆。 这种结构是将单根或多根光纤放入骨架的螺旋槽内, 骨架中心是强度元件, 骨架上的沟槽可以是V型、U型或凹型, 如图(c)所示。光纤具有耐侧压、抗弯曲、抗拉的特点。 (4) 带状式光缆。 它是将412根光纤芯线排列成行, 构成带状光纤单元, 再将多个带状单元按一定方式排列成缆, 如图(d)所示。这种光缆的结构紧凑, 采用此种结构可做成上千芯的高密度用户光缆。 ,2019/10/24,37,图 (a) 层绞式; (b) 单位式; (c) 骨架式; (d) 带状,2019/10/24,38,4.3 光端机,一、光发射机 1、
19、数字光发射机的功能: 电端机输出的数字基带电信号转换为光信号; 用耦合技术注入光纤线路; 用数字电信号对光源进行调制。 2、调制方式:直接调制和外调制。 受调制的光源特性参数有:功率、 幅度、频率和相位,广泛应用的是直接光强(功率)调制。,2019/10/24,39,当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时,输出光功率P和驱动 电流I基本上是线性关系。 输出光功率和输入电流成正比,输出光信号反映输入电信号。,2019/10/24,40,3、光发射机基本组成 数字光发射机的方框图如图所示,主要有光源和电路两部分。 光源是实现电/光转换的关键器件,在很大程度上决定着光发射机的性能。 电路的设计应以光
20、源为依据,使输出光信号准确反映输入电信号。,2019/10/24,41,1)光源 对通信用光源的要求如下 : 发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致,即中心波长应在0.85 m、 1.31 m和1.55 m附近。光谱单色性要好, 即谱线宽度要窄, 以减小光纤色散对带宽的限制。 电/光转换效率要高,即要求在足够低的驱动电流下, 有足够大而稳定的输出光功率,且线性良好。发射光束的方向性要好,以利于提高光源与光纤之间的耦合效率。 ,2019/10/24,42,允许的调制速率要高或响应速度要快, 以满足系统的大传输容量的要求。 器件应能在常温下以连续波方式工作, 要求温度 稳定性好, 可靠性高,寿命长
21、。 此外,要求器件体积小,重量轻,安装使用方 便,价格便宜。,2019/10/24,43,2) 调制电路和控制电路 直接光强调制的数字光发射机主要电路有:调制电路、控制电路和线路编码电路。,3)线路编码电路 电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码,而光源不能发射负脉冲, 要变换为适合于光纤传输的单极性码。,2019/10/24,44,二、光接收机 1、光接收机基本组成 直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于图。 主要包括: 光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、 时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。,2019/10/24,45,1) 光检测器 光检测器是
22、光接收机实现光/电转换的关键器件,其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。 对光检测器的要求如下: 波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85 m、 1.31m和1.55 m)兼容; 响应度要高, 在一定的接收光功率下, 能产生最大的光电流; 噪声要尽可能低, 能接收极微弱的光信号; 性能稳定, 可靠性高, 寿命长, 功耗体积小。 目前, 适合于光纤通信系统应用的光检测器有 PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。,2019/10/24,46,2)放大器 前置放大器应是低噪声放大器,它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。 前放的噪声取决于放大器的类型,目前有三种类型的前放可供选择。 主放
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