（高职）第6章 电话通信ppt课件.pptx

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1、第6章 电话通信第第6 6章章 光纤通信光纤通信通信技术专业教学资源库石家庄邮电职业技术学院通信概论课程目 录 光纤通信概述01 光纤02 数字光纤通信系统03 光纤通信传输技术04 全光网络05 6.1 光纤通信概述光纤通信概述v6.1.1 光纤通信的概念光纤通信的概念v6.1.2 光纤通信的特点光纤通信的特点v6.1.3 光纤通信的发展光纤通信的发展光信号可以用于传输信息吗？光信号可以用于传输信息吗？光通信具有什么样的特点？光通信具有什么样的特点？探探 讨讨 6.1.1 光纤通信的概念光纤通信的概念v光纤通信是以光纤为传输媒质，以光信号为信息载体的通光纤通信是以光纤为传输媒质，以光信号为信

2、息载体的通信方式信方式 。v目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区。目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区。v光纤通信使用的光波有三个工作窗口，分别是光纤通信使用的光波有三个工作窗口，分别是0.85m、1.31m和和1.55m。 6.1.2 光纤通信的特点光纤通信的特点-优点优点v传输频带宽，通信容量大传输频带宽，通信容量大v传输损耗小，中继距离长传输损耗小，中继距离长v抗电磁干扰，传输质量好抗电磁干扰，传输质量好v体积小、重量轻，便于施工体积小、重量轻，便于施工v原材料丰富、节约有色金属，有利于环保原材料丰富、节约有色金属，有利于环保 6.1.2 光纤通信的特点光纤通信的特点-缺点缺点v光纤

3、质地脆光纤质地脆v机械强度低机械强度低v切割和接续需特殊工具切割和接续需特殊工具v弯曲半径不能过小弯曲半径不能过小6.1.3 光纤通信的发展发展历史v1880年，贝尔发明光电话。v1960年，梅曼发明第一台红宝石激光器。v1966年，高锟博士提出SiO2光纤的可行性，被誉为 “世界光纤之父”v1970年，美国康宁公司研制出衰减为20dBkm的单模光纤。v19761977年，光纤损耗降低到4dB/km，半导体激光器的寿命达到106小时，各种通信系统出现。6.1.3 光纤通信的发展通信系统v（1）1976年，美国在亚特兰大（Atlanta）进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验，信息速率为4

4、5Mbit/s，中继距离为10km。v（2）1980年，140Mbit/s光纤通信系统投入商业应用。v（3）1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。v（4）由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋海底光缆通信系统于1988年建成。v（5）第一条横跨太平洋海底光缆通信系统于1989年建成。6.1.3 光纤通信的发展通信系统v（6）1990年，565Mbit/s的光纤通信系统进入商用化阶段，并开始进行波分复用（DWM）的现场实验，陆续制定同步数字系列（SDH）的技术标准。v（7）1993年，速率为622Mbit/s以下SDH产品开始商用化。1995年，速率为2.5G bit/s的SDH产品开始

5、商用化。v（8）1996年，10Gbit/s的SDH产品开始商用化。v（9）1997年，用于波分复用技术的20Gbit/s和40Gbit/s的SDH产品试验取得重大突破。6.1.3 光纤通信的发展通信系统v（10）近年来，密集型波分复用（DWDM）技术取得了较大的进展，美国AT&T实验室等机构已成功地研究了速率为Tbit/s数量级的传输系统。v（11）随着数据业务发展和IP技术的应用，光传输逐渐从干线传输普及到城域网、接入网中，并广泛应用。6.2 光纤光纤v6.2.1 光纤的结构v6.2.2 光纤的分类v6.2.3 光纤的传输原理v6.2.4 光纤的传输特性v6.2.5 光纤的标准6.2.1

6、光纤的结构光纤的结构v光纤由纤芯、包层、涂覆层和套层组成。 涂覆层 纤芯 包层 套层涂覆层 包层 纤芯 套层v纤芯位于光纤中心，作用是传输光波v设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，纤芯折射率n1比包层折射率n2大6.2.1 光纤的结构光纤的结构v包层位于纤芯外层，作用是将光波限制在纤芯中。v纤芯和包层都是硅材料，但是折射率不同，一般用掺杂的办法来调整两者的折射率。v只有纤芯和包层的光纤称为裸光纤。6.2.1 光纤的结构光纤的结构v由于石英玻璃质地脆、易断裂，为保护光纤不受损害，提高抗拉度，一般需要在裸光纤外面经过两次涂覆。v经过涂敷后的裸光纤称为光纤芯线。v最外边套层一般为塑料或有机材料的包

7、覆层。v光纤的分类标准有1按照光纤的制造材料分类2按照光纤的传输模式分类3按照光纤的折射率分布分类4按工作波长分类6.2.2 光纤的分类光纤的分类1按照光纤的制造材料分类v按照光纤的制造材料的不同，光纤可分为玻璃（石英）光纤、塑料光纤和液体（如：氟化物）光纤。通信工程中常用的为石英光纤塑料光纤具有纤芯粗，制造成本低，与光源耦合效率高等优点，但同时具有传输损耗大，接续困难等缺点，适用于短距离低速率通信、照明、景观等液体光纤是一种特殊的光纤形式。2按照光纤的传输模式分类v根据光纤传输模式的数量，光纤可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯很细（一般为10m），只传一种模式的光，用于大容量长距离通信

8、。多模光纤的纤芯较粗（例如50或62.5m），可传多种模式的光，传输的距离比较近。3按照光纤的折射率分布分类v按照光纤剖面折射率分布的不同，光纤可分为阶跃型光纤和渐变型光纤。阶跃型光纤的纤芯和包层的折射率呈均匀分布，包层的折射率稍低一些，光纤纤芯到包层的折射率是突变的，有一个台阶，所以称为阶跃型折射率光纤，简称阶跃光纤，也称突变光纤，如图（a）所示。 渐变型光纤纤芯折射率呈非均匀分布，在纤芯轴心处最大，而在光纤横截面内沿半径方向逐渐减小，在纤芯与包层的交界面上降至包层折射率n2，渐变光纤的包层折射率分布与阶跃光纤一样，为均匀的，如图（b）所示。渐变型光纤具有如同透镜那样的“自聚焦”作用。4.

9、按工作波长分类v按光纤的工作波长可分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。短波长光纤是指0.80.9m的光纤长波长光纤是指1.01.7m的光纤超长波长光纤则是指2m以上的光纤 6.2.3 光纤的传输原理光纤的传输原理v1阶跃型光纤的传输原理阶跃型光纤的传输原理v2渐变型光纤的传输原理渐变型光纤的传输原理1阶跃型光纤的传输原理v发生反射时，反射角等于入射角，3v发生折射时，nsin=nsinv当光从光密物质照射到光疏物质时，且入射角大于临界角c时，会发生全反射现象 1阶跃型光纤的传输原理v若光线以某一角度（）从空气入射到光纤端面时，光线折射进纤芯。v当光线到达纤芯与包层的交界面时，发生全反射，

10、将光波限制在纤芯中以“之”字形向前传播。 1阶跃型光纤的传输原理阶跃型光纤的传输原理v设空气的折射率为n0，因为光线要在纤芯和包层的交界面上发生全反射，所以需要入射角c，那么光线从空气到光纤端面的入射角就有一个最大值maxv由空气入射到光纤端面的角小于max的光线进入纤芯内才能在纤芯中传输 v为表示光纤的捕捉光线能力的大小，定义了数值孔径（NA） 2212NAnn光纤的数值孔径与光纤的几何尺寸无关，只与纤芯和包层两者的折射率差有关 2渐变型光纤的传输原理渐变型光纤的传输原理v为了分析渐变型光纤中光的传播，将纤芯划分成若干同轴的薄层，假设各层内折射率均匀分布，而每层折射率从里到外逐渐减小，即有n

11、11n12n13n14。v若光以一定的入射角从轴心处第一层射向与第二层的交界面时，折射角大于入射角，光线将折射进第二层，射向与第三层的交界面，再次发生折射进入第三层，依次递推，从光密介质射向光疏介质，入射角将随折射次数增大。 2渐变型光纤的传输原理渐变型光纤的传输原理v当在某一交界面处，入射角大于临界角，将出现全反射，方向不再朝向包层而是朝向轴心。v光线是从光疏介质射向光密介质，入射角逐渐减小，直至穿过轴心后，光线又出现从光密介质射向光疏介质，重复上述折射过程。v当纤芯分层数无限多，其厚度趋于零时，渐变型光纤纤芯折射率呈连续变化，光线是一条近似于正弦型的曲线。6.2.4 光纤的传输特性光纤的传

12、输特性v1. 光纤的损耗特性光纤的损耗特性v2. 光纤的光纤的色散色散特性特性v光信号在光纤内传播，随着距离的增大，能量会越来越弱，其中一部分能量在光纤内部被吸收，一部分可能突破光纤纤芯的束缚，辐射到了光纤外部，这叫做光纤的传输损耗（或传输衰减）v光纤传输总损耗v光纤的损耗系数1.光纤的损耗特性光纤的损耗特性)()()(lg10)(21dBPPA12( )( )10( )lg(dB/km)( )PALLP 1.光纤的损耗特性v光纤损耗大致可以分为吸收损耗、散射损耗和其他损耗v光纤损耗的大小与波长有密切的关系 v=1.55m 时损耗最低2.光纤的色散特性v光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输

13、距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。2.光纤的色散特性v主要包括模式色散、材料色散、波导色散和偏振模色散。（1）模式色散：是指即使同一波长的光，若其模式不同，则传播速率也不同，从而引起色散，又称为模间色散，只存在于多模光纤中。2.光纤的色散特性v主要包括模式色散、材料色散、波导色散和偏振模色散。（2）材料色散：是由于光纤的折射率随波长变化而使模式内不同波长的光时延不同而产生的色散。材料色散是由光纤材料自身特性造成的色散。严格地说，石英玻璃的折射率，并不是固定的，对不同的传输波长有不同的折射率当光在折射率为n的媒质中传播时，其速度v与真空中的光速c之间的关系为v=c/

14、n。当把具有一定光谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤内传输时，光的传输速度将随光波长的不同而改变，到达终端时将产生时延差，从而引起脉冲波形展宽。2.光纤的色散特性v主要包括模式色散、材料色散、波导色散和偏振模色散。（3）波导色散是由于光纤中的光波导结构参数与波长有关而引起的色散。因为光纤的纤芯与包层的折射率相差很小，因此在交界面产生全反射时，就可能有一部分光进入包层之内。这部分光在包层内传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传输。把有一定波谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤后，由于不同波长的光传输路径不完全相同，所以到达终点的时间也不相同，从而出现脉冲展宽。2.光纤的色散特性v主要包括模式色散、材料

15、色散、波导色散和偏振模色散。v对于多模光纤，主要是模式色散v对于单模光纤，不存在模式色散，主要影响的是材料色散v对于单模光纤来说，在某一波长附近，材料色散和波导色散相互抵消零色散波长，大约是1.31 mvITU-T划分的光纤标准有（1）G.651多模光纤（2）G.652常规单模光纤（3）G.653色散位移单模光纤（4）G.654截止波长位移单模光纤（5）G.655非零色散位移单模光纤（6）G.656宽带传输非零色散位移单模光纤（7）G.657弯曲损耗不敏感单模光纤6.2.5 光纤的标准光纤的标准vG.651光纤为渐变多模光纤v工作波长为1.31m和1.55mv在1.31m处光纤有最小色散v在1

16、.55m处光纤有最小损耗（1）G.651多模光纤多模光纤vG.652光纤为常规单模光纤，也称为非色散位移光纤v是第一代常规单模光纤v零色散波长为1.31mv在1.55m处有最小损耗v传输距离受损耗限制（2）G.652 常规单模光纤vG.653光纤为色散位移单模光纤v可以对色散进行补偿，使光纤的零色散点从1.31m处移到1.55m附近v是第二代单模光纤v在1.55m处实现最低损耗与零色散波长一致，但由于在1.55m处存在四波混频等非线性效应，阻碍了其应用（3） G.653色散位移单模光纤vG.654光纤为性能最佳的单模光纤v在1.55m处具有极低损耗（大约0.18dB/km）v1.31m处色散为

17、零v弯曲性能好v最佳工作波长范围为15001600nmv制造困难，价格昂贵（4） G.654截止波长位移单模光纤vG.655光纤为非零色散位移单模光纤v是新一代的单模光纤vG.655光纤将光纤的零色散点由1.31m移到1.55m 附近，在1.55m波长区内仍保持很低的色散（5） G.655非零色散位移单模光纤vG.656光纤是宽带光传输用非零色散光纤，即在宽阔的工作波长14601625nm 内色散非零v实质上是一种宽带非零色散平坦光纤（6） G.656宽带传输非零色散位移单模光纤vG.657光纤是对弯曲损耗不敏感单模光纤，又称B6光纤v最主要的特性是具有优异的耐弯曲特性（7） G.657弯曲损

18、耗不敏感单模光纤6.2.5 光纤的标准vG.651光纤主要用于计算机局域网或接入网vG.652光纤适用于大容量传输，是目前应用最广的光纤vG.653光纤受四波混频影响没什么应用vG.654光纤主要用于海底光纤通信系统vG.655光纤适用于波分复用系统vG.656光纤适用于波分复用系统的新型光纤vG.657光纤主要用于制造皮线光缆，用于光纤到户工程 6.3 数字光纤通信系统数字光纤通信系统v数字光纤通信系统由光端机、光缆、中继器和电端机组成。光端机包括光发送机与光接收机两部分，光发送机实现电/光转换，光接收机实现光/电转换。电端机的作用是将低速支路电信号复用成高速信号，然后送往光端机中继器用来对

19、信号放大，增加光信号传输距离 6.3 数字光纤通信系统数字光纤通信系统v光纤通信的过程发送端的电端机将信号（如话音信号）进行模数转换数字信号经调制后，由光源（激光器）发送，发出的就是携带了信息的光波信号当数字信号为“1”时，则发送一个“传号”光脉冲，当数字信号为“0”时，则发送一个“空号” 光波经光纤传输后到达接收端，光接收机将数字信号从光波中检测出来 送给电端机，电端机再进行数模转换，恢复原始信息 至此完成了一次光纤通信过程6.3.1 光源与光发送机光源与光发送机v光源是光纤通信设备的核心，它的作用是将电信号转换为光信号，并将此光信号送入光纤线路中进行传输。v光纤通信中用到的光源有半导体激光

20、器（LD）和发光二极管（LED）两种发光二极管用于短距离、低速光纤通信系统光纤通信干线的光源均为半导体激光器。6.3.1 光源与光发送机光源与光发送机v光纤通信系统对通信用光源的要求是：（1）发光波长与光纤的低损耗窗口相符。（2）有足够的光输出功率。（3）可靠性高、寿命长。（4）温度特性好。（5）光谱宽度窄。（6）调制特性好。（7）与光纤的耦合效率高，体积小、重量轻等。6.3.2 光电检测器与光接收机光电检测器与光接收机v光纤传输过来的光信号，到达接收端遇到的第一个器件就是光电检测器，它的功能是实现光信号转换为电信号。v光电检测器是利用半导体材料的光电效应来实现光电转换的。6.3.2 光电检测

21、器与光接收机光电检测器与光接收机v光纤通信系统对光电检测器的基本要求是：（1）在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流。（2）具有足够快的响应度。（3）具有尽可能低的噪声。（4）具有良好的线性关系。（5）具有较小的体积、较长的工作寿命。6.3.2 光电检测器与光接收机光电检测器与光接收机v光接收机的主要作用是将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再生成与发送端相同的电信号。中继器中继器v传输一定距离后的光信号，幅度受到衰减，波形出现失真，加一个中继器，放大衰减信号，恢复失真的波形，使光脉冲得到再

22、生。v中继器分为光-电-光中继器和光中继器两种。v目前使用的光中继器可分为半导体光中继器和光纤光中继器两种.常用的光纤光中继器是掺铒光纤放大器（EDFA）和喇曼光纤放大器。铒（Er）是一种稀土元素，将它注入到纤芯中，即形成了一种特殊光纤，它在泵浦光的作用下可直接对某一波长的光信号进行放大。 6.3.4 光纤通信系统的码型光纤通信系统的码型v对于线路传输码型的具体要求是：（1）要便于在不中断通信业务的条件下进行误码检测，这就要求码型有一定的规律性。（2）尽量减少码流中连“0”、连“1”码的个数，便于定时信号的提取。（3）码率增加要少。（4）要求码流中的“1”、“0”码分布均匀，否则不利于接收端的

23、再生判决。 6.3.4 光纤通信系统的码型光纤通信系统的码型v（1）分组码（mBnB码）把输入的二进制原始码流按m比特为一组进行分组，然后，把每个分组变换成一个n比特的二进制码，并在同样大小的时隙内输出。特点：码流中“1”、“0”码概率相等，连“1”或连“0”的数目减少，定时信息丰富；高低频分量少；码流中引入一定冗余度，便于在线误码检测。 6.3.4 光纤通信系统的码型光纤通信系统的码型v（2）插入码（mB1X码）把输入的二进制原始码流按m比特为一组进行分组，然后，在每个分组末尾按一定规律插入一个码，组成（m+1）位为一组的线路码流。mB1X码可分为mB1P码、mB1C码、mB1H码。mB1P

24、码中插入的“P”是奇偶校验位，mB1C码中插入的“C”是补码，mB1H码中插入的“H”是混合码。优点：码速提高不大；可实现在线误码监测、区间通信和辅助信息传送。缺点：码流的频谱特性不如mBnB码。6.4 光纤通信传输技术光纤通信传输技术v6.4.1 SDH传输技术v6.4.2 波分复用传输技术v6.4.3 OTNv6.4.4 PTNv6.4.5 IP RAN单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式6.4.1 SDH传输技术v同步数字系列（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）的研究工作始于1986年，其目的是建立光纤通信的通用标准，通过一组网络单元提供一个

25、经济、简单、灵活的网络应用。单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式6.4.1 SDH传输技术vSDH中的帧结构是9270N的同步传送模块（STM）vN取正整数1、4、16、64、256，对应的传输速率如表所示N的取值速率（bit/s）1155M4622M162.5G6410G25640G单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式6.4.1 SDH传输技术vSDH传输技术是利用了光纤的高速传输特性，采用SDH设备将低速数据复接成高速数据进行传输，以提高传输速率。单信道实用化系统的传输速率从1976年的45Mbit/s发展到了40Gbit/s 。6.4.2 波分复用传输技术v波分复

26、用（Wavelength Division Multiplexing ，WDM）技术是指在一芯光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端将组合波长的光信号分开，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。6.4.2 波分复用传输技术v人们通常把光信道间隔较大（甚至在光纤不同窗口上）的复用称为WDM，把在同一窗口中信道间隔较小的光波分复用称为密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing ，DWDM）。6.4.2 波分复用传输技术v目前波分复用光纤通信系统多

27、是在1550nm波长区段内，同时用8、16或更多个波长在一对光纤上（也可采用单光纤）构成光通信系统，其中各个波长之间的间隔为1.6nm、0.8nm或更低，约对应于200GHz，100GHz或更窄的带宽。6.4.2 波分复用传输技术v波分复用的特点（1）充分利用光纤的巨大带宽资源（2）同时传输多种不同类型的信号（3）节省线路投资（4）降低器件的超高速要求（5）高度的组网灵活性、 经济性和可靠性。6.4.3 OTNv在SDH和DWDM两种传送技术的基础上，提出了OTN（Optical Transport Network，光传送网技术体制。vOTN是基于波分复用技术，由一组通过光纤链路连接在一起的光

28、网元组成的网络，能够提供基于光通道的用户信号的传送、复用、路由、管理、监控以及保护。6.4.3 OTNv采用OTN终端复用设备可以组成线型拓扑，引入OTN交叉连接设备后可以组成线型、环型和格型等多种拓扑结构的网络。vOTN技术在长途网和本地/城域网中都可以应用。长途OTN网本地/城域OTN网长途OTN网本地/城域OTN网长途OTN网本地/城域OTN网6.4.3 OTNvOTN设备需要提供多种业务接口，包括SDH，OTN和以太网等客户接口。6.4.4 PTNv电信网络面临的是全业务运营商&业务承载IP化&分组交换核心，需要选择一种IP化业务承载网技术，PTN应运而生6.4.4 PTNv分组传送网

29、（PTN）是以分组传送为基础、以分组交换为核心，支持多业务承载，并具备完善的保护和OAM管理功能的面向连接端到端的传送技术。vPTN用于承载电信运营商的无线回传网络、以太网专线以及IPTV等多媒体数据业务。6.4.4 PTNvPTN网络保持核心层、汇聚层、接入层三层结构进行组建。vPTN网络定位为城域网传输。v核心、汇聚层宜采用10GE设备组网，接入层宜主要采用GE设备组网。6.4.4 PTN6.4.5 IP RANv为了满足终端用户不断提高的带宽需求，业务和终端IP化成为发展趋势。路由器广泛应用于宽带城域网，采用动态IP技术构建承载网络，承载IP业务，即路由器综合承载方案IP终端IP业务动态

30、IP网络综综合承合承载载6.4.5 IP RANvIP RAN（Internet Protocol Radio Access Network，无线接入网IP化）是基于IP/MPLS分组交换的无线接入网技术，是针对IP化基站回传应用场景进行优化定制的路由器/交换机整体解决方案。vIP RAN技术相比PTN技术增加了三层全连接自动选路功能，适用于规模不大的城域网。6.4.5 IP RANvIP RAN分为核心层、汇聚层与接入层三层。在城域汇聚/核心层采用IP/MPLS技术，接入层主要采用二层增强以太技术，或二层增强以太与三层IP/MPLS相结合的技术方案。核心汇聚节点采用支持IP/MPLS的路由器

31、设备，基站接入节点采用路由器或交换机。6.4.5 IP RANv核心层直接与BSC或IP骨干网相连，一般采用大容量路由器构建，具备高密度端口和大流量汇聚能力。v汇聚层由B类设备（IP RAN汇聚路由器）组成。v接入层由连接基站的A类设备（IP RAN接入路由器）组成6.4.5 IP RANv基于IP RAN的网络层次和现有网络的发展，基站回传逻辑组网方案如图所示。6.5 全光网络v6.5.1 全光网的基本概念v6.5.2 全光网络中的关键技术v6.5.3 全光网的特点6.5.1 全光网的基本概念v所谓全光网是指信号只在进出网络时才进行电/光和光/电转换，而在网络传输和交换的过程中信号始终以光的

32、形式存在。v在全光网络中，由于没有光电转换的障碍，所以允许存在各种不同的协议和编码形式，信息传输具有透明性，且无需面对电子器件处理信息速率难以提高的困难。6.5.2 全光网络中的关键技术v1. 光交换技术v2. 光交叉连接（OXC）技术v3. 光分插复用技术v4. 光放大技术6.5.3 全光网的特点v（1）省掉了大量电子器件。v（2）提供多种协议的业务。v（3）组网灵活性高。v（4）可靠性高。v讲课视频、课件、动画、习题等资源，请参见：讲课视频、课件、动画、习题等资源，请参见：智慧职教智慧职教-资源库资源库-通信概论通信概论课程课程智慧职教智慧职教-MOOC学院学院-通信概论通信概论课程课程爱课程爱课程-中国大学中国大学MOOC -通信概论通信概论课程课程章节网络资源章节网络资源