第三章 光纤通信系统精选文档.ppt
第三章第三章 光纤通信系光纤通信系统统本讲稿第一页，共六十九页3.1.1 光纤通信的发展历史利用光导纤维作为光的传输媒介的光纤通信,其发展只有二三十年的历史。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19731976年的850 nm波长的多模光纤通信系统为代表。第二代光纤通信系统,是20世纪70年代末,80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20世纪80年代中期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20世纪90年代以后的同步数字体系光纤传输网络。3.1 概述概述本讲稿第二页，共六十九页3.1.2 光纤通信的特点光纤通信是一种高速率、高保真、大容量的先进现代化通信手段。光纤具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、抗辐射性、保密性好等特点。光纤通信之所以能够飞速发展,是由于它具有如下突出优点而决定的。1.通信容量大2.损耗低3.抗电磁干扰能力强 4.保密性强 5.资源丰富,节约金属 6.线径细、重量轻 本讲稿第三页，共六十九页 3.1.3 光纤通信的基本组成最基本的光纤通信系统由数据源、光发射机、光学信道和光接收机组成。中继器也有正反两个方向,如图3-1所示。图3-1所示的系统框图对模拟或数字信号都适用。本讲稿第四页，共六十九页图 3-1 光纤通信系统的基本组成本讲稿第五页，共六十九页3.2 3.2 光纤与光缆光纤与光缆3.2.1 光纤导光的原理 如图3-2所示。n1为包层的折射率,n2为芯线的折射率,且n1 n2。本讲稿第六页，共六十九页图3-2 光纤导光原理本讲稿第七页，共六十九页 3.2.2 光纤的种类与结构光纤透明、纤细,虽比头发丝还细,却具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构,它由折射率较高的纤芯和折射率较低的包层组成,通常为了保护光纤,包层外还往往覆盖一层塑料加以保护,其中纤芯的芯径一般为50 m或62.5 m,包层直径一般为125 m。光纤通信就是因为光纤的这种神奇结构而发展起来的,以光波为载频,光导纤维为传输介质的一种通信方式。光纤是由纤芯和包层组成的,其结构如图3-3所示。本讲稿第八页，共六十九页图3-3 光纤的结构图本讲稿第九页，共六十九页按传输光波的模式不同,又可分为多模光纤和单模光纤两类。1.多模光纤2.单模光纤图3-4画出了阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤、单模光纤的结构、传输方式以及光脉冲扩散的情况。光纤的分类以及主要性能特点归纳于表3-1中。本讲稿第十页，共六十九页 图 3-4 光纤的传输模式(a)阶跃型多模光纤;(b)渐变型多模光纤;(c)单模光纤本讲稿第十一页，共六十九页表 3-1 光纤的分类及主要性能 本讲稿第十二页，共六十九页CCITTT G.651、G.652建议分别对渐变型多模光纤和1.31 m单模光纤的主要参数作了规定,见表3-2和表3-3。本讲稿第十三页，共六十九页表3-2 渐变型多模光纤的主要参数(G.651建议)本讲稿第十四页，共六十九页表3-3 1.31m单模光纤的主要参数(G.652 建议)本讲稿第十五页，共六十九页 3.2.3 光纤的损耗特性 光纤本身损耗的原因,大致包括吸收损耗和色散损耗两类。1.吸收损耗2.色散损耗 3.2.4 光纤的色散特性从光纤色散产生的机理来看,色散有模式色散、材料色散和波导色散三种。1.材料色散2.模式色散3.波导色散 本讲稿第十六页，共六十九页 3.2.5 光缆的结构和种类光导纤维电缆由一捆光纤组成,简称为光缆。光缆是数据传输中最有效的一种传输介质。1.对光缆结构的要求 光缆的结构繁多,制造工艺也相当复杂。为了满足通信的要求,任何一种通信光缆都必须满足下列性能和质量要求:(1)保证光纤传输特性的优良、稳定、可靠;(2)保证光缆具有足够的机械强度和环境温度性能;(3)确保光缆的防潮能力,使光缆具有足够的使用寿命;(4)有利于降低生产成本,使光缆的价格低廉。本讲稿第十七页，共六十九页2.光缆的基本结构根据不同的用途和不同的环境条件,光缆的种类很多。不论光缆的具体结构形式如何,都是由缆芯、护套和加强元件组成的。缆芯由光纤芯线组成,可分为单芯和多芯两种。(1)单芯型。由单根经二次涂覆处理后的光纤组成的光缆。(2)多芯型。由多根经二次涂覆处理后的光纤组成,可分为带状结构和单位式结构,如图3-5所示。本讲稿第十八页，共六十九页图3-5 缆芯的结构本讲稿第十九页，共六十九页目前,国内外对二次涂覆主要采用下列两种保护结构。一种是紧套结构,如图3-6(a)所示,在光纤与护套之间有一个缓冲层,其目的是为了减少外面应力对光纤的作用。缓冲层一般采用硅树脂,二次涂覆用尼龙。这种光纤的优点是结构简单,使用方便。另一种是松套结构,如图3-6(b)所示,将一次涂覆后的光纤放在一个管子里,管中填充油膏,形成松套结构。这种光纤的优点是机械性能好,防水性能好,便于成缆。本讲稿第二十页，共六十九页 图 3-6 紧套与松套光纤结构示意图(a)紧套光纤结构图;(b)松套光纤结构图本讲稿第二十一页，共六十九页3.光缆的种类公用通信网中的光缆结构如表3-4所示。本讲稿第二十二页，共六十九页表3-4 公用通信网中的光缆结构 本讲稿第二十三页，共六十九页(1)层绞式光缆。这种光缆机械性能好,具备优异的抗机械损伤能力,特别适用于架空敷设方式，如图3-7(a)所示。(2)单位式光缆。它是将几根至十几根光缆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3-7(b)所示。(3)骨架式光缆。在铝带与阻水带之间放置撕裂绳以便于护套开剥，如图3-7(c)所示。(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3-7(d)所示。本讲稿第二十四页，共六十九页 图 3-7 光缆的基本结构(a)层绞式;(b)单位式;(c)骨架式;(d)带状本讲稿第二十五页，共六十九页 3.2.6 光纤与光缆的制造方法光缆的制造过程大致如图3-8所示。本讲稿第二十六页，共六十九页图3-8 光纤及光缆的制造过程本讲稿第二十七页，共六十九页1.光纤的简单制造过程2.光纤的成缆 3.2.7 光纤的连接与光缆的敷设1.光纤的连接光纤的连接方法主要有永久性连接、应急连接和活动连接。(1)永久性光纤连接(又叫热熔)。(2)应急连接(又叫)冷熔。(3)活动连接。本讲稿第二十八页，共六十九页 造成连接损耗增加的主要原因是:光纤端面之间有空隙而造成菲涅尔折射,见图3-9(a);光纤端面之间的角偏差,见图3-9(b);发射芯线的直径与接收芯线的直径不等,见图3-9(c);两根光纤的轴线不重合,见图3-9(d);端面不平整或受到污染等。本讲稿第二十九页，共六十九页图3-9 光纤连接不当的原因本讲稿第三十页，共六十九页 2.光缆的敷设(1)管道敷设方式。(2)水底敷设方式。(3)架空敷设方式。(4)直埋敷设方式。本讲稿第三十一页，共六十九页3.3 3.3 光端机的组成光端机的组成 3.3.1 光发射机光发射机的作用是将电信号变成光信号,然后送入光纤中传输出去。光发射机主要由光源、光源驱动与调制以及信道编码电路三部分组成,如图3-10所示。本讲稿第三十二页，共六十九页图3-10 光发射机组成方框图本讲稿第三十三页，共六十九页1.光源发射器光发射部分的核心是产生激光或荧光的光源发射器,它是组成光纤通信系统的重要器件。2.信道编码电路(1)均衡器。(2)码型变换。(3)扰码。(4)时钟提取。(5)编码。本讲稿第三十四页，共六十九页3.光源驱动与调制电路(1)光源驱动电路。(2)光输出功率自动控制电路(APC,Automatic Power Control)。(3)ATC(自动温度控制电路)。(4)光监测。本讲稿第三十五页，共六十九页4.光发射机的指标(1)有合适的输出光功率。(2)较好的消光比Ext。(3)调制特性要好。3.3.2 光接收机 光接收机的作用是接收经光纤传输衰减后的十分微弱的光信号,从中检测出传送的信息,放大到足够大后,供终端处理使用。它包括光电检测器、光信号接收电路和信道解码电路三部分,如图3-11所示。本讲稿第三十六页，共六十九页图3-11 光接收机组成方框图本讲稿第三十七页，共六十九页1.光电检测器光信号经过光纤传输到达接收端后,在接收端有一个接收光信号的元件。常见的光检测器包括:放大器、均衡器、判决器等。2.光信号接收电路光信号接收电路主要有以下三个作用。(1)低噪声放大。(2)给光电二极管提供稳定的反向偏压。(3)自动增益控制。本讲稿第三十八页，共六十九页3.信道解码电路 信道解码电路是与发端的信道编码电路完全对应的电路,即包含解密电路、解扰电路和码型反变换电路。4.光接收机的指标(1)光接收灵敏度。接收灵敏度一般用dB来表示,它是以1 mW光功率为基础的绝对功率,或写为(2)接收机的动态范围。本讲稿第三十九页，共六十九页3.4 3.4 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成 如图3-12所示,图中的光发射机和光接收机已在前面介绍过,这里主要介绍光中继器和监控系统。本讲稿第四十页，共六十九页图3-12 光纤通信系统原理方框图本讲稿第四十一页，共六十九页 3.4.1 光中继器1.光中继器的作用由于受发送光功率、接收机灵敏度、光纤线路损耗、甚至色散等因素的影响及限制,光端机之间的最大传输距离是有限的。为此,需在光波信号传输过一定距离以后,加一个光中继器,以放大信号,恢复失真的波形,使光脉冲得到再生。2.光中继器的构成方框图根据光中继器的上述作用,一个功能最简单的光中继器应由一个没有码型变换的光接收机和没有功放和码型变换的光发射机相接而成,如图3-13所示。本讲稿第四十二页，共六十九页图3-13 最简单的光中继器原理方框图本讲稿第四十三页，共六十九页作为一个实用的中继器,为了便于维护,显然还应具有公务通信、监控、告警的功能,有些功能更多的中继器还有区间通信的功能。另外,实际中使用的中继器应有两套收、发设备,一套是去,一套是来。故实际的中继器方框图应如图3-14所示。本讲稿第四十四页，共六十九页图3-14 实际的中继器方框图本讲稿第四十五页，共六十九页3.4.2 监控系统1.监控的内容下面将分别介绍监测和控制的内容。1)监测的内容(1)误码率是否满足指标要求;(2)各个中继器是否有故障;(3)接收光功率是否满足指标要求;(4)光源的寿命;(5)电源是否有故障;(6)环境的温度、湿度是否在要求的范围内。2)控制的内容 本讲稿第四十六页，共六十九页2.监控系统的基本组成 监控系统根据功能不同大致有三种组成方式：(1)在一个数字段内对光传输设备和PCM复用设备进行监控;(2)在具有多个方向传输的终端站内,对多个方向进行监控;(3)对跨越数字段的设备进行集中监控。3.监控信号的传输本讲稿第四十七页，共六十九页3.4.3 波分复用技术(WDM)所谓波分复用是指在一根光纤上,不只是传送一个光载波,而是同时传送多个波长不同的光载波。这样一来,原来在一根光纤上只能传送一个光载波的单一光信道变为可传送多个不同波长光载波的光信道,使得光纤的传输能力成倍增加。也可以利用不同波长沿不同方向传输来实现单根光纤的双向传输。波分复用技术(WDM,Wavelength Division Multiplexing)的工作原理一般可以分为无源波分复用器和有源波分复用器两类,每一类又可以分为若干种。比如无源波分复用器(POWDM)可以有棱镜型、熔锥型、光栅型、干涉滤波型等几类。单向传输的波分复用系统的主要构成如图3-15所示。本讲稿第四十八页，共六十九页图3-15 单向传输的波分复用系统示意图本讲稿第四十九页，共六十九页3.5 光纤的测量光纤的测量 3.5.1 光纤测量的概述 光纤和光缆的特性较多,本节主要介绍光纤特性的测量标准以及基本测量原理和方法。1.光纤测量系统的组成 简单的光纤测试装置由光源、耦合、探测、放大和显示五部分组成,如图3-16所示。本讲稿第五十页，共六十九页图3-16 光纤参数测试系统示意图本讲稿第五十一页，共六十九页2.光纤测量的内容和方法 光纤的参数很多,基本上可以分为几何尺寸、光学特性参数和传输特性参数三大类。对于每个光纤参数的测量方法除了CCITT规定的方法之外,我国还根据自己的实际情况制定了国标,凡是CCITT和国标认可的测试方法都是可行的。现将CCITT G.652建议中关于光纤主要参数测量方法列于表3-5。本讲稿第五十二页，共六十九页表 3-5 光纤参数测试方法 本讲稿第五十三页，共六十九页 3.5.2 单模光纤模场直径的测量测量单模光纤模场直径的方法有:横向位移法和传输功率法。下面介绍传输功率法。测量系统的原理方框示意如图3-17所示。本讲稿第五十四页，共六十九页图3-17 单模光纤模场直径的测量本讲稿第五十五页，共六十九页当光源所发的光通过被测光纤,在光纤末端得到远场辐射图时,用检测器沿极坐标作测量,即可测得输出光功率与扫描角度间的关系,P-线如图3-18所示。本讲稿第五十六页，共六十九页图3-18 模场直径的P-分布曲线本讲稿第五十七页，共六十九页 3.5.3 光纤损耗特性的测量若设P(z1)为zz1处的光功率,即输入光功率。若设P(z2)为z2处的光功率,即这段光纤的输出功率。因此,光纤的衰减系数定义为截断法是一种测量精度最好的办法,但是其缺点是要截断光纤。这种测量方法的测量方框图如图3-19所示。本讲稿第五十八页，共六十九页图3-19 截断法测量损耗的方框图本讲稿第五十九页，共六十九页3.5.4 光纤色散与带宽测量1.用时域法测量光脉冲的展宽(1)测量原理。首先为了使问题还不至于复杂,假设输入光纤和从光纤输出的光脉冲波形都近似为如图3-20所示的高斯分布。图3-20(b)是光纤输入光功率pin(t)的波形图,从最大值A降到A1/2时的宽度为1。图3-20(a)是光纤的输出光功率pout(t)的波形图,其幅度降为一半时的宽度为2,可以证明,脉冲通过光纤后的展宽与其输入、输出波形宽度1和2的关系为 =21-22本讲稿第六十页，共六十九页图3-20 光线的输入输出特性本讲稿第六十一页，共六十九页(2)测量方框图。用时域法测量光纤的脉冲展宽(进而计算出光纤带宽的方框图如图3-21 所示)。本讲稿第六十二页，共六十九页图3-21 用时域法测量光纤中光脉冲展宽的方框图本讲稿第六十三页，共六十九页2.用频域法测量光脉冲带宽设法测出光纤传输已调制光波的频率响应特性,如图3-22所示。本讲稿第六十四页，共六十九页图3-22 光纤的频率响应特性曲线本讲稿第六十五页，共六十九页用频域法测量光纤带宽的方框图如图3-23所示。本讲稿第六十六页，共六十九页图3-23 用频率法测量光脉冲带宽的原理方框图本讲稿第六十七页，共六十九页习习 题题 1.光纤通信系统与电通信方式相比具有哪些优点?2.光纤有哪几种类型?各有哪些特点?3.请说明光的全反射原理,并说明其是如何在光纤中传播的？4.什么是多模光纤?如何保证光纤中的单模传输?5.常用的光缆结构形式有哪几种,各有哪些优点?6.在光纤通信系统中、光发射电路与光接收电路的作用是什么?本讲稿第六十八页，共六十九页7.光电检测器在光接收机中的作用是什么?8.什么是光接收机的灵敏度?9.请简要说明光纤通信中的波分复用原理。10.请说明光纤测量系统主要由哪些单元构成？11.什么是光纤的损耗,造成光纤损耗的主要原因是什么?本讲稿第六十九页，共六十九页
