光纤通信技术第一章概述.ppt

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1、光纤通信技术光纤通信技术目录第一章第一章 通信基础知识通信基础知识1第二章第二章 光纤光纤2第三章第三章 光缆光缆3第四章第四章 光器件光器件4第五章第五章 光纤传输系统光纤传输系统5第六章光网络第六章光网络6第一章第一章 通信基础知识通信基础知识学习目标学习目标1.了解通信技术发展简史。了解通信技术发展简史。2.掌握通信基本概念掌握通信基本概念3.掌握业务传输技术特点。掌握业务传输技术特点。4.理解通信系统组成、分类和系统性能。理解通信系统组成、分类和系统性能。5.掌握光纤通信系统及其组成的光网络演进掌握光纤通信系统及其组成的光网络演进知识要点 如果按照时代划分，通信技术经历了由光通信如果按

2、照时代划分，通信技术经历了由光通信到电通信再到光纤通信的三大飞跃。光通信可以上到电通信再到光纤通信的三大飞跃。光通信可以上溯西周时期建立的烽火台作为军事报警设施，下及溯西周时期建立的烽火台作为军事报警设施，下及当今指挥城市交通的信号灯和航海中使用的灯塔。当今指挥城市交通的信号灯和航海中使用的灯塔。光通信的缺点是其传输距离和传递信息量非常有限。光通信的缺点是其传输距离和传递信息量非常有限。为了使光通信延长传输距离和增加传递信息内容，为了使光通信延长传输距离和增加传递信息内容，1792年，法国工程师年，法国工程师Claude Chappe发明了采用机发明了采用机械臂编码来传输信息的光电报，利用中间

3、接续站械臂编码来传输信息的光电报，利用中间接续站（现在通信术语称为中继站）可以实现超过（现在通信术语称为中继站）可以实现超过100km的通信。的通信。1794年，世界上第一个光电报在法国的两个城年，世界上第一个光电报在法国的两个城市巴黎和里尔投入商用，从而实现了相距市巴黎和里尔投入商用，从而实现了相距200km的的通信。光电报系统是一种视距通信，其系统十分简通信。光电报系统是一种视距通信，其系统十分简单、传输距离和传递信息量少，而且保密性差。单、传输距离和传递信息量少，而且保密性差。1.1 通信技术简史通信技术简史 1966年年7月，英籍华裔科学家高琨为了解决电月，英籍华裔科学家高琨为了解决电

4、通信中的传输介质铜线电缆存在传输容量随频率通信中的传输介质铜线电缆存在传输容量随频率增加和距离延长而大幅度地降低、电磁干扰等问增加和距离延长而大幅度地降低、电磁干扰等问题，他提出可以利用石英玻璃光纤作为传输介质题，他提出可以利用石英玻璃光纤作为传输介质实现光纤通信的原创技术设想。实现光纤通信的原创技术设想。1976年，美国贝年，美国贝尔实验室在美国的亚特兰大将世界上的第一个光尔实验室在美国的亚特兰大将世界上的第一个光纤通信系统投入商用。因此，全球通信界业一致纤通信系统投入商用。因此，全球通信界业一致公认，公认，1976年是光纤通信的元年。年是光纤通信的元年。1978年，模拟蜂窝移动通信系统投入

5、使用。这年，模拟蜂窝移动通信系统投入使用。这标志着通信技术由固定通信向移动通信方向发展，标志着通信技术由固定通信向移动通信方向发展，以求实现以求实现“无处不在，处处在无处不在，处处在”的全球通。的全球通。1980年，有线电视和综合业务数字业务。年，有线电视和综合业务数字业务。1988年，宽年，宽带综合业务数字网。带综合业务数字网。1991年，全球移动通信系统年，全球移动通信系统进入商用。进入商用。1995年，美籍华裔科学家历鼎毅倡导年，美籍华裔科学家历鼎毅倡导利用波分复用技术，即利用简单的光器件就可以在利用波分复用技术，即利用简单的光器件就可以在单根光纤中实现了大容量的传输，进而大大地降低单根

6、光纤中实现了大容量的传输，进而大大地降低了传输系统的成本。了传输系统的成本。1998年，美国开通了数字电年，美国开通了数字电视业务，进一步提高电视业务清晰度和服务质量。视业务，进一步提高电视业务清晰度和服务质量。1999年，具有宽带综合业务能力的第三代移动通年，具有宽带综合业务能力的第三代移动通信系统投入应用信系统投入应用。顾名思义物联网（顾名思义物联网（The Internet of things）就是）就是物物相连的因特网。物物相连的因特网。物联网具有两层含义：物联网具有两层含义：1.物联网物联网是在因特网基础上扩展的网络；是在因特网基础上扩展的网络；2.物联网的用户终端物联网的用户终端任

7、何物品，使得物品之间可以进行通信和信息交换。任何物品，使得物品之间可以进行通信和信息交换。物联网的定义是，通过射频识别、红外线感应器、物联网的定义是，通过射频识别、红外线感应器、全球卫星定位系统、激光扫描仪等信息传感设备，按全球卫星定位系统、激光扫描仪等信息传感设备，按照约定的协议，使任何物品与因特网连接起来，进行照约定的协议，使任何物品与因特网连接起来，进行通信和信息交换，以实现识别、定位、跟踪、监控和通信和信息交换，以实现识别、定位、跟踪、监控和管理的智能化网络。管理的智能化网络。物联网利用精确和动态的智能化管理方式，促进物联网利用精确和动态的智能化管理方式，促进人与自然环境之间的和谐。例

8、如，人与自然环境之间的和谐。例如，2005年，国际电信年，国际电信联盟的一份报告描述的物联网时代的景观是，当司机联盟的一份报告描述的物联网时代的景观是，当司机出现操作失误时，汽车会自动报警；公文包会提醒你出现操作失误时，汽车会自动报警；公文包会提醒你忘记带了什么东西。忘记带了什么东西。物联网物联网 2010年年1月月13日，在国务院常务会议上提出了电日，在国务院常务会议上提出了电信网、电视网和因特网三网融合。三网融合的目的是信网、电视网和因特网三网融合。三网融合的目的是实现三网互联互通、资源共享，为用户语音、数据和实现三网互联互通、资源共享，为用户语音、数据和电视等多种业务，以促进信息产业、经

9、济增长和文化电视等多种业务，以促进信息产业、经济增长和文化事业健康发展。事业健康发展。随着三网融合发展，一定会产生一个崭新的通信随着三网融合发展，一定会产生一个崭新的通信模式模式“统一通信统一通信”。统一通信的技术核心是：使任何。统一通信的技术核心是：使任何人在任何时间、任何地点都可以通过任何设备、任何人在任何时间、任何地点都可以通过任何设备、任何网络，与任何人进行语音、数据和图像的自由通信。网络，与任何人进行语音、数据和图像的自由通信。统一通信系统集语音、数据、图像和多媒体等所有信统一通信系统集语音、数据、图像和多媒体等所有信息类型为一体，从而为人们带来了业务选择的自由和息类型为一体，从而为

10、人们带来了业务选择的自由和经济效率的提高。经济效率的提高。三网融合三网融合1.2 通信基本概念通信基本概念 1.2.1 通信通信 在当今的信息时代，通信在我们的工作和生活在当今的信息时代，通信在我们的工作和生活中扮演着非常重要的作用。中扮演着非常重要的作用。通信是信息的传输和通信是信息的传输和交换。交换。就通信技术的角度而语，通信是以语音、就通信技术的角度而语，通信是以语音、图像、数据为媒体，通过电信号或者光信号形式图像、数据为媒体，通过电信号或者光信号形式将信息由一方传输到另一方。图将信息由一方传输到另一方。图1-2给出了一个最给出了一个最简单的通信系统的模型。例如，你要与朋友通话，简单的通

11、信系统的模型。例如，你要与朋友通话，你首先需要思考与朋友分享什么。有关通话的内你首先需要思考与朋友分享什么。有关通话的内容是由图容是由图1-2所示的所示的“处理层处理层”完成。在现代通信完成。在现代通信中，通信一般包括：信号的产生、传输和接收三中，通信一般包括：信号的产生、传输和接收三个过程。例如，计算机通信的数据处理是在处理个过程。例如，计算机通信的数据处理是在处理层完成的，而物理层则承担着数据传输任务。层完成的，而物理层则承担着数据传输任务。电信是利用有线、无线、光或者其他电磁系统电信是利用有线、无线、光或者其他电磁系统传输、发送或者接收代表符号、书写、影像和声音传输、发送或者接收代表符号

12、、书写、影像和声音或者其他任何性质情报的信号。通信是按照约定传或者其他任何性质情报的信号。通信是按照约定传递信息；而电信是利用电磁系统（广义泛指）传递递信息；而电信是利用电磁系统（广义泛指）传递代表媒体的信号。电磁系统完成信号传递功能。因代表媒体的信号。电磁系统完成信号传递功能。因此，电磁系统广义泛指传输系统、复用设备和交换此，电磁系统广义泛指传输系统、复用设备和交换设备的串接。在这本本科生教材中，主要讨论的是设备的串接。在这本本科生教材中，主要讨论的是光信号的传输问题。光信号的传输问题。“电磁系统电磁系统”是狭义特指是狭义特指“光光信号的传输系统信号的传输系统”，而电磁系统广义则指，而电磁系

13、统广义则指“实现光实现光信号的传输与交换的光网络信号的传输与交换的光网络”。通信是一个广义的。通信是一个广义的概念，而电信则是一个狭义的概念。图概念，而电信则是一个狭义的概念。图1-3揭示了揭示了通信涵盖了电信之间的关系。通信涵盖了电信之间的关系。1.2.2 信号信号 1.信号及其分类信号及其分类 信号具有强度、频率、相位、能量等基本特征。信号具有强度、频率、相位、能量等基本特征。信号可以表示为时间的函数。按照信号在时间坐标信号可以表示为时间的函数。按照信号在时间坐标呈现连续变化或者阶跃变化，信号可以分为模拟信呈现连续变化或者阶跃变化，信号可以分为模拟信号和数字信号。号和数字信号。模拟信号是幅

14、度连续时变的信号。模拟信号是幅度连续时变的信号。模拟信号又称为连续信号，如图模拟信号又称为连续信号，如图1-4（a）所示连续）所示连续信号的取值可用连续的时间函数表示。信号的取值可用连续的时间函数表示。数字信号是幅度阶跃时变信号。数字信号又称为数字信号是幅度阶跃时变信号。数字信号又称为离散信号，离散信号，如图如图1-4（b）所示离散信号可用取值）所示离散信号可用取值有限个离散值连续的时间函数表示。有限个离散值连续的时间函数表示。2.模模/数变换数变换 由于数字信号具有抗干扰、数字复接、便于由于数字信号具有抗干扰、数字复接、便于加密和集成度高诸多的优点，故其在现代通信系加密和集成度高诸多的优点，

15、故其在现代通信系统中得到广泛应用。然而许多信源输出的模拟信统中得到广泛应用。然而许多信源输出的模拟信号，如原始语音信号是模拟信号，若其要在数字号，如原始语音信号是模拟信号，若其要在数字通信系统传输，首先必须将输入的模拟信号调制通信系统传输，首先必须将输入的模拟信号调制变换为数字信号，即变换为数字信号，即“模模/数数”变换。模变换。模/数变换数变换包括三个基本步骤：抽样、量化和编码。包括三个基本步骤：抽样、量化和编码。抽样是模抽样是模/数变换的基础。抽样是以规数变换的基础。抽样是以规则的时间间隔，对连续的模拟信号进行离则的时间间隔，对连续的模拟信号进行离散的取值处理，使模拟信号可以变换为数散的取

16、值处理，使模拟信号可以变换为数字信号过程。抽样速率由模拟信号的带宽字信号过程。抽样速率由模拟信号的带宽f决定。由抽样定理得知，只要抽样频率决定。由抽样定理得知，只要抽样频率fs 满足奈奎特判据满足奈奎特判据fs2f，完全可以用抽，完全可以用抽样值来表示一个带宽有限的模拟信号，而样值来表示一个带宽有限的模拟信号，而抽样值不会引起任何信息损失。抽样定理抽样值不会引起任何信息损失。抽样定理为模拟信号变换为数字信号奠定了理论基为模拟信号变换为数字信号奠定了理论基础。础。量化是利用预先规定的有限个电平来表示模量化是利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程。量化过程是对信号幅度拟信号抽样值的过程

17、。量化过程是对信号幅度进行离散处理。进行离散处理。编码是将量化后的信号电平数值变换成二进编码是将量化后的信号电平数值变换成二进制码组的过程。编码的逆过程称为解码或译码。制码组的过程。编码的逆过程称为解码或译码。编码的目的是提高信号的传输可靠性。编码的目的是提高信号的传输可靠性。在光纤通信中，最常用的编在光纤通信中，最常用的编/解码是模解码是模/数变数变换方法脉冲编码调制（换方法脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）方法。）方法。PCM以二进制编码为基础，将以二进制编码为基础，将模拟信号的量化后的每个抽样值变换为模拟信号的量化后的每个抽样值变换为0和和1比特比特数字串

18、。为了便于读者理解，图数字串。为了便于读者理解，图1-5示出了模拟示出了模拟信号变换为数字信号的三个基本过程及其之间的信号变换为数字信号的三个基本过程及其之间的密切关系。密切关系。3.信号特性信号特性 信号是通信系统直接处理的对象，其基本特信号是通信系统直接处理的对象，其基本特性可以用它们的时间特性和频率特性来表示。时性可以用它们的时间特性和频率特性来表示。时间特性表示信号电压或电流随时间的变化关系。间特性表示信号电压或电流随时间的变化关系。频率特性指信号可以表示为许多不同频率正弦信频率特性指信号可以表示为许多不同频率正弦信号的线性组合。号的线性组合。正弦信号包围的频率范围，称为信号的带宽正弦

19、信号包围的频率范围，称为信号的带宽（频谱）。信号带宽是信号频谱范围的度量，其（频谱）。信号带宽是信号频谱范围的度量，其可以表示信号携带的信息量。带宽是衡量传输系可以表示信号携带的信息量。带宽是衡量传输系统的一个重要指标。在光纤通信中，带宽与传输统的一个重要指标。在光纤通信中，带宽与传输速率、传输距离、光纤色散等有着密切的关系。速率、传输距离、光纤色散等有着密切的关系。1.2.3 光信号光信号1.光的波光的波/粒特性粒特性 在光纤通信系统中，所传输的信号是光信号。光信在光纤通信系统中，所传输的信号是光信号。光信号具有波号具有波/粒二重性。光的波动模型可以用来释光的粒二重性。光的波动模型可以用来释

20、光的许多特性，如干涉、反射和偏振模色散等性能。光许多特性，如干涉、反射和偏振模色散等性能。光电效应表明，光并不总是连续的辐射，而是由非常电效应表明，光并不总是连续的辐射，而是由非常小的颗粒（光子）组成。这此是基本量子不可以再小的颗粒（光子）组成。这此是基本量子不可以再分的粒子。光子能量可以用式（分的粒子。光子能量可以用式（1-1）表示，前可由）表示，前可由式（式（1-1）求出光的频率：）求出光的频率：2.波长波长在光纤通信中，在讨论光信号经过波分复用在光纤通信中，在讨论光信号经过波分复用后进行传输时，我们一定要涉及到光信号的后进行传输时，我们一定要涉及到光信号的波长和频率的关系。通常，光信号和

21、频率的波长和频率的关系。通常，光信号和频率的关系如下式所示：关系如下式所示：c为真空中的光速，为真空中的光速，f是光信号频率，是光信号频率，为光光信号波信号波长。3.频率频率 频率与光速和波长之比成反比。在光纤通频率与光速和波长之比成反比。在光纤通信中，所用的常用的频率单位有：兆赫、吉赫、信中，所用的常用的频率单位有：兆赫、吉赫、太赫。图太赫。图1-6给出了频率、传输模式（介质）给出了频率、传输模式（介质）和应用各个波长所承载通信业务。传输信号的和应用各个波长所承载通信业务。传输信号的频率越高，其携带的业务（信息）就越多。石频率越高，其携带的业务（信息）就越多。石英玻璃光纤具有巨大的可用带宽资

22、源，其的工英玻璃光纤具有巨大的可用带宽资源，其的工作波长在近红外范围作波长在近红外范围850-1675nm之间。在光之间。在光纤通信系统中，通过采用波分复用技术可以在纤通信系统中，通过采用波分复用技术可以在一根光纤中同时传送更多的光波长，既可以实一根光纤中同时传送更多的光波长，既可以实现同时多业务传输，降低传输成本；又可以为现同时多业务传输，降低传输成本；又可以为光网络的动态灵活组网创造了良好的条件。光网络的动态灵活组网创造了良好的条件。1.2.4 信号调制信号调制 1.调制作用调制作用 在通信系统中，任何特定的通信信道（传输介质）在通信系统中，任何特定的通信信道（传输介质）都有一个与其相关的

23、频率范围。如果要传输的信号的都有一个与其相关的频率范围。如果要传输的信号的频率不在其传输范围内，那么就需要将信号频率调制频率不在其传输范围内，那么就需要将信号频率调制到信道的频率范围内。信号经过传输一定的距离，它到信道的频率范围内。信号经过传输一定的距离，它们也可以用其他的物理参数，如幅度、相位、频率等们也可以用其他的物理参数，如幅度、相位、频率等来表示。这些参数的变化被称为调制。所谓调制就是来表示。这些参数的变化被称为调制。所谓调制就是按照原始消息信号的变化规律去改变载波的某些参数按照原始消息信号的变化规律去改变载波的某些参数的变化过程。在编码之前，载波可以用式（的变化过程。在编码之前，载波

24、可以用式（1-4）所示）所示的形式：的形式：2.调制方法调制方法 调制就是将某个载有信息的信号嵌入另一种信调制就是将某个载有信息的信号嵌入另一种信号的处理过程，而其反过程则为解调。通信中之号的处理过程，而其反过程则为解调。通信中之所以要对信号进行调制，其目的是要实现信号的所以要对信号进行调制，其目的是要实现信号的远距离和大容量传输。远距离和大容量传输。因此，调制履行的两大职因此，调制履行的两大职责是：责是：1.低频（基带）信号向高频率（载波）信低频（基带）信号向高频率（载波）信号；号；2.多路信号复用。多路信号复用。调制是按照调制的信号形式可以分为模拟调制调制是按照调制的信号形式可以分为模拟调

25、制和数字调制。根据载波不同则有连续波调制和脉和数字调制。根据载波不同则有连续波调制和脉冲调制。依据控制的参数的不同幅度调制、频率冲调制。依据控制的参数的不同幅度调制、频率调制和相位调制。在实际通信工程中，可以将几调制和相位调制。在实际通信工程中，可以将几种调制组合使用，以求获得更好的传输效果。种调制组合使用，以求获得更好的传输效果。在模拟调制中，采用的是连续波调制，其控在模拟调制中，采用的是连续波调制，其控制的参数是载波的幅度、频率和相位。模拟调制制的参数是载波的幅度、频率和相位。模拟调制对应的三种调制方法分别被称为：幅度调制对应的三种调制方法分别被称为：幅度调制（Amplitude Modu

26、lation，AM）、频率调制）、频率调制（Frequency Modulation，FM，）、相位调制，）、相位调制（Phase Modulation，PM，）。与模拟调制相，）。与模拟调制相同，数字调制所调制的同样为载波的幅度、频率同，数字调制所调制的同样为载波的幅度、频率和相位，所不同的是原始信号为二进制数字信号和相位，所不同的是原始信号为二进制数字信号0和和1或多进制数字信号。或多进制数字信号。在数字调制中，采用的也是连续波调制，其对在数字调制中，采用的也是连续波调制，其对应三种调制方法分别被称为：幅移键控应三种调制方法分别被称为：幅移键控（Amplitude Shift Keying

27、，ASK）、频移键控）、频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）、相移键控）、相移键控（Phase Shift Keying，PSK）。所谓）。所谓“键控键控”是指一种如同是指一种如同“开关开关”的通的通-断控制的调制方式。断控制的调制方式。调制过程如同用调制信号来控制一个开关，从两调制过程如同用调制信号来控制一个开关，从两个具有不同参量的载波中选择相应的载波输出，个具有不同参量的载波中选择相应的载波输出，从而形成已调制信号。从而形成已调制信号。3.调制格式调制格式 在光纤通信系统调制方法的设计中，第一步在光纤通信系统调制方法的设计中，第一步是确定怎样将电信号转换为光比

28、特流。通常的做是确定怎样将电信号转换为光比特流。通常的做法是，利用电信号直接调制或使用外调制器调制法是，利用电信号直接调制或使用外调制器调制光源（半导体激光器）的输出光信号。图光源（半导体激光器）的输出光信号。图1-7所所示的是可供产生光比特流选择的调制格式：归零示的是可供产生光比特流选择的调制格式：归零格式和非归零格式。格式和非归零格式。1.2.5 信号复用信号复用1.信道信道 信道是信号传输的通道。信道是信号传输的通道。按照所用的传输介质按照所用的传输介质不同，信道可以分为有线信道和无线信道。不同，信道可以分为有线信道和无线信道。信道除了指信号的传输介质之外，还包括连接信道除了指信号的传输

29、介质之外，还包括连接发送端和接收端的设备，以保证信号能够从发送发送端和接收端的设备，以保证信号能够从发送端顺利地传输到接收端。就信号传输而言，传输端顺利地传输到接收端。就信号传输而言，传输介质是信道的主要组成部分。通信质量的好坏，介质是信道的主要组成部分。通信质量的好坏，主要取决于传输介质（信道）的特性。为了使读主要取决于传输介质（信道）的特性。为了使读者真正理解信道对通信质量的影响，表者真正理解信道对通信质量的影响，表1-2比较了比较了五种不同传输介质的特点。五种不同传输介质的特点。2 信号复用信号复用 所谓复用就是信道复用技术。复用技术将若干所谓复用就是信道复用技术。复用技术将若干路彼此独

30、立的信号在同一信道中传输的技术。路彼此独立的信号在同一信道中传输的技术。复复用的目的是使同一站点的多个用户共用一个信道用的目的是使同一站点的多个用户共用一个信道传输信息，以提高信道的传输效率，进而降低通传输信息，以提高信道的传输效率，进而降低通信系统的成本。信系统的成本。复用基本原理是，在理论上正交的多个信号，复用基本原理是，在理论上正交的多个信号，在同一信道上传输到接收端后，利用正交性完全在同一信道上传输到接收端后，利用正交性完全区分开。现在，通信系统中常用的复用方法有：区分开。现在，通信系统中常用的复用方法有：频分复用、时分复用、波分复用和时分复用频分复用、时分复用、波分复用和时分复用+波

31、分波分复用等。复用等。（1）频分复用）频分复用 频分复用是指将在频域上划分的多个信道进行复频分复用是指将在频域上划分的多个信道进行复用的技术。频分复用（用的技术。频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）的实质是，各个信道在频域）的实质是，各个信道在频域上分割成若干个相互不重叠的子频带，每个信道占上分割成若干个相互不重叠的子频带，每个信道占用其中的一个子频带。图用其中的一个子频带。图1-8所示为三个模拟信号的所示为三个模拟信号的FDM情况。每个子频带具有其自己的载波。情况。每个子频带具有其自己的载波。FDM至至所以可以在同一个信道中传输多个子频带（路），

32、所以可以在同一个信道中传输多个子频带（路），其原因是各个子频带传输载波频率不同的信号，各其原因是各个子频带传输载波频率不同的信号，各个信号的频谱相互不重叠，在接收端可以用中心频个信号的频谱相互不重叠，在接收端可以用中心频率不同的滤波器，将各路信号分开。为了防止信道率不同的滤波器，将各路信号分开。为了防止信道频谱的重叠，在各路信号之间应该留一定的保护频频谱的重叠，在各路信号之间应该留一定的保护频带，载波频率应略大于信道带宽。带，载波频率应略大于信道带宽。（2）时分复用）时分复用 时分复用（时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）是将不同信道的低速比特流变换为高速比

33、）是将不同信道的低速比特流变换为高速比特流的信号复用技术。更为具体地讲，时分复用特流的信号复用技术。更为具体地讲，时分复用就是在时域上对不同传输信道的信号进行间插组就是在时域上对不同传输信道的信号进行间插组合处理，即利用几个低速比特流来构建一个高速合处理，即利用几个低速比特流来构建一个高速比特流，以实现在一个信道传输多路信号，以达比特流，以实现在一个信道传输多路信号，以达到提高通信系统效率和降低传输成本的目的。例到提高通信系统效率和降低传输成本的目的。例如，在光纤通信中，可以将如，在光纤通信中，可以将4个个2.5Gbit/s的信号的信号（信号（信号A、信号、信号B、信号、信号C、信号、信号D）

34、复用成一个）复用成一个10Gbit/s的信号（时分复用信号），以提高通信的信号（时分复用信号），以提高通信系统的传输效率，进而降低通信系统的成本。图系统的传输效率，进而降低通信系统的成本。图1-9给出了数字信号时分复用的工作原理。给出了数字信号时分复用的工作原理。（3）波分复用）波分复用 在光纤通信中，波分复用（在光纤通信中，波分复用（Wave Division Multiplexing，WDM）是一种建立在低水峰光）是一种建立在低水峰光纤具有的巨大带宽资源的基础上简单易行的扩容纤具有的巨大带宽资源的基础上简单易行的扩容技术。波分复用就是在一根光纤中实现同时传输技术。波分复用就是在一根光纤中实

35、现同时传输几十乃至上百个波长光信号的复用技术。几十乃至上百个波长光信号的复用技术。图图1-11给出了利用波分复用技术在一根光纤给出了利用波分复用技术在一根光纤中同时传输中同时传输4个波长提高传输容量的实例。个波长提高传输容量的实例。WDM技术实际意义是，以充分利用光纤所存在技术实际意义是，以充分利用光纤所存在的巨大带宽资源，在一根光纤上同时传输多个波的巨大带宽资源，在一根光纤上同时传输多个波长的方式，扩大通信系统传输容量，降低系统设长的方式，扩大通信系统传输容量，降低系统设备成本。备成本。（4）时分复用）时分复用+波分复用波分复用 光纤通信系统常用的时分复用光纤通信系统常用的时分复用+波分复用

36、双重波分复用双重复用的扩容方法。究其原因是，时分复用是在电复用的扩容方法。究其原因是，时分复用是在电域上通过比特间插入方式实现复用的。每当传输域上通过比特间插入方式实现复用的。每当传输速率提高速率提高4倍，传输每比特的成本下降倍，传输每比特的成本下降30%-40%。因此，采用高速度（比特）传输可以使通信系统因此，采用高速度（比特）传输可以使通信系统的经济效益呈现指数规律增长。的经济效益呈现指数规律增长。1.3 通信及其业务通信及其业务1.3.1 通信任务通信任务 通信的任务是及时准确安全地完成信息在空通信的任务是及时准确安全地完成信息在空间的传递。通信系统是由用户终端、传输介质、间的传递。通信

37、系统是由用户终端、传输介质、传输设备组成的。通信系统是实现各种通信业务传输设备组成的。通信系统是实现各种通信业务（信号）传递功能的设施。基本通信系统只能完（信号）传递功能的设施。基本通信系统只能完成点到点通信。我们只有通信网上才能实现多点成点到点通信。我们只有通信网上才能实现多点到多点的通信。到多点的通信。通信网则是由用户终端、传输介质、传输和交通信网则是由用户终端、传输介质、传输和交换设备组成的拓扑结构。通信网是支持在用户之换设备组成的拓扑结构。通信网是支持在用户之间提供通信业务功能的网络。根据通信网的功能间提供通信业务功能的网络。根据通信网的功能不同，通信网可以细分为：业务网、传送网和支不

38、同，通信网可以细分为：业务网、传送网和支撑网。业务网是指面向公众提供电信业务的网络。撑网。业务网是指面向公众提供电信业务的网络。业务网、传送网和支撑网之间的关系，如图业务网、传送网和支撑网之间的关系，如图1-12所示。所示。1.3.2 通信业务通信业务1.电话业务电话业务（1）固定电话）固定电话 电话网是由一定数量的节点（终端节点、交换电话网是由一定数量的节点（终端节点、交换节点）构建的网络，其可以通过节点）构建的网络，其可以通过“电路交换电路交换”实实现任意用户之间进行语音交流。简而言之，一个现任意用户之间进行语音交流。简而言之，一个用户与另一个用户的通话需要在在整个网络上建用户与另一个用户

39、的通话需要在在整个网络上建立一个实效连接。这个实效连接一直要持续到双立一个实效连接。这个实效连接一直要持续到双方通话结束为止。方通话结束为止。（2）移动电话）移动电话 移动电话业务是通信的一方或者双方可以在移动移动电话业务是通信的一方或者双方可以在移动状态中进行电话通信。移动电话是传统固定电话的延状态中进行电话通信。移动电话是传统固定电话的延伸。在伸。在1979年到年到2010年的年的31年，移动电话技术经历年，移动电话技术经历第一代模拟移动通信、第二代数字移动通信、第三代第一代模拟移动通信、第二代数字移动通信、第三代多媒体移动通信和第四代宽带多媒体移动通信。第一多媒体移动通信和第四代宽带多媒

40、体移动通信。第一代模拟移动通信采用的是模拟蜂窝技术。第二代数字代模拟移动通信采用的是模拟蜂窝技术。第二代数字移动通信采用的是数字蜂窝技术，可以提供移动语音、移动通信采用的是数字蜂窝技术，可以提供移动语音、移动数据业务，可以实现省内外漫游，无法实现移动移动数据业务，可以实现省内外漫游，无法实现移动多媒体业务。第三代多媒体移动通信可以提供多媒体业务。第三代多媒体移动通信可以提供2Mbit/s的带宽，从而能够使移动终端实现宽带多媒的带宽，从而能够使移动终端实现宽带多媒体业务，如电视、上网游览、远程接入和利用手机和体业务，如电视、上网游览、远程接入和利用手机和移动网络实现家用电器的控制等。移动网络实现

41、家用电器的控制等。由于由于3G 存在存在CDMA2000、WCDMA 和和TD-SCDM三种制式，随着全球网络统一的呼声日益高长，三种制式，随着全球网络统一的呼声日益高长，人们开展了第四代宽带多媒体移动通信（简称为人们开展了第四代宽带多媒体移动通信（简称为4 G）技术的研究。）技术的研究。4 G的研究定位在能够满足用户随的研究定位在能够满足用户随时、随地与如何人进行无线宽带多媒体通信。时、随地与如何人进行无线宽带多媒体通信。4 G的的主要特点体现在：主要特点体现在：1.高速宽带高速宽带 20-100Mbit/s；2.良好良好的兼容性的兼容性 可以与可以与3G的三种制式实现互连互通。的三种制式实

42、现互连互通。3.业业务多样化务多样化 4 G可以满足非对称超过可以满足非对称超过2Mbit/s的数据业的数据业务传输、向全速移动用户提供务传输、向全速移动用户提供 150Mbit/s 的高质量视的高质量视频业务。频业务。4 G的宽带无线局域网能够与宽带综合数字的宽带无线局域网能够与宽带综合数字业务网和异步传递模式兼容，实现宽带多媒体通信。业务网和异步传递模式兼容，实现宽带多媒体通信。同时，同时，4 G还能够提供信息之外的定时、定位、数据还能够提供信息之外的定时、定位、数据采集、远程控制等综合功能。采集、远程控制等综合功能。2.数据业务数据业务 ISDN可以分为窄带综合业务数字网可以分为窄带综合

43、业务数字网（Narrowband-Integrated Service Digital Network,N-ISDN）和宽带综合业务数字网）和宽带综合业务数字网（Broadband-Integrated Service Digital Network,B-ISDN）。）。ISDN有两种标准接口：有两种标准接口：1.基本速率接口基本速率接口 2B+D，B的速率是的速率是64kbit/s，而，而D的速率的速率16kbit/s，2B+D可以提供的总带宽为可以提供的总带宽为144 kbit/s。2B+D技术为各种技术为各种数字用户线（数字用户线（x Digital Subs criber Link，D

44、SL）奠定了技术基础。奠定了技术基础。2.基群速率接口基群速率接口 30B+D，B的速的速率是率是64kbit/s，D的的速率为的的速率为64kbit/s，30B+D可可以提供的总带宽为以提供的总带宽为2048 kbit/s。图图1-14绘制出了利用绘制出了利用SDH构建的不同层次构建的不同层次的光传送网。的光传送网。SDH作为光传送网可以通过图中作为光传送网可以通过图中的交叉连接器（的交叉连接器（Cross Connect,XC）和分插）和分插复用器（复用器（Add-Drop Multipler，ADM）组成）组成环形网，网状网，实现各种业务的上下和交叉环形网，网状网，实现各种业务的上下和交

45、叉连接。在连接。在SDH光传送网上还可以完成语言声音、光传送网上还可以完成语言声音、数据、图像和宽带业务的传输。数据、图像和宽带业务的传输。3.广播电视业务广播电视业务 今天，中国的有线电视网普遍采用光纤同轴今天，中国的有线电视网普遍采用光纤同轴电缆混合（电缆混合（Hybrid Fiber Coax，HFC）网络。）网络。HFC技术的关键所在是利用光纤和同轴电缆技术的关键所在是利用光纤和同轴电缆来提高传输带宽。来提高传输带宽。HFC系统的设计思想在于向系统的设计思想在于向用户提供全业务多媒体所需要的合适带宽，同时用户提供全业务多媒体所需要的合适带宽，同时在所用的光纤和同轴电缆之间寻找一个最经济

46、的在所用的光纤和同轴电缆之间寻找一个最经济的平衡点。简言之，平衡点。简言之，HFC是一种能够支持电话、是一种能够支持电话、ISDN、广播模拟电视、数字电视、互动视频和、广播模拟电视、数字电视、互动视频和高速全双工数据等业务的传输技术。高速全双工数据等业务的传输技术。4.宽带接入业务宽带接入业务 进入进入21世纪以来，人们对信息交换的依赖的日益增长。世纪以来，人们对信息交换的依赖的日益增长。现在，城市企业事业单位未来需求的带宽为现在，城市企业事业单位未来需求的带宽为100 M 1000M，家庭未来需求的带宽为，家庭未来需求的带宽为50 M100 M，以往的，以往的以铜线为传输介质的宽带接入已经无

47、法胜任。因此，人们以铜线为传输介质的宽带接入已经无法胜任。因此，人们又研究出了一种最理想的终端宽带接入方案又研究出了一种最理想的终端宽带接入方案光纤接入技光纤接入技术。通过对各种光纤接入技术综合比较后，点到多点的无术。通过对各种光纤接入技术综合比较后，点到多点的无源光网络（源光网络（Passive Optical Network,PON）技术具有）技术具有能够提供巨大带宽、传输质量好、接入可靠性高、建设和能够提供巨大带宽、传输质量好、接入可靠性高、建设和维护成本低等一系列优点，已经成为世界各国城市接入网维护成本低等一系列优点，已经成为世界各国城市接入网发展的首选技术。发展的首选技术。如果将如果

48、将HFC网络中的同轴电缆用光纤替换，那么就可网络中的同轴电缆用光纤替换，那么就可以构筑全光纤接入网（以构筑全光纤接入网（Fiber To The Home,FTTH）。）。FTTH将光纤直接接入用户家庭的传输技术。将光纤直接接入用户家庭的传输技术。FTTH对传对传输带宽、波长和传输技术没有任何限制，适用于接入各种输带宽、波长和传输技术没有任何限制，适用于接入各种通信业务，是最理想的业务透明网络，是接入网发展的最通信业务，是最理想的业务透明网络，是接入网发展的最终模式，是光纤通信技术发展的终端目标。终模式，是光纤通信技术发展的终端目标。5.多媒体通信业务多媒体通信业务 多媒体通信是多媒体技术与通

49、信技术相结合的多媒体通信是多媒体技术与通信技术相结合的产物。多媒体通信集计算机的交互性、多媒体的产物。多媒体通信集计算机的交互性、多媒体的复合性、通信网的分布性和广播电视的真实性为复合性、通信网的分布性和广播电视的真实性为一体，向用户提供综合的信息服务。多媒体通信一体，向用户提供综合的信息服务。多媒体通信技术之所以能够得到迅速发展，主要得力于图文技术之所以能够得到迅速发展，主要得力于图文并茂的信息需求、语音并茂的信息需求、语音/图像识别与处理技术、通图像识别与处理技术、通信网提供的物理支撑环境、大容量存储装置的物信网提供的物理支撑环境、大容量存储装置的物质基础、专用的芯片技术进步等。质基础、专

50、用的芯片技术进步等。多媒体通信旨在为用户提供语音、数据和广播多媒体通信旨在为用户提供语音、数据和广播电视等多种业务服务。电视等多种业务服务。1.4 通信系统1.4.1 系统组成系统组成 通信系统是由实现消息传输所需要的一切设通信系统是由实现消息传输所需要的一切设备和传输介质构成。传统的点到点通信系统一备和传输介质构成。传统的点到点通信系统一般模型，可用图般模型，可用图1-17的框图表示。下面简单介的框图表示。下面简单介绍图绍图1-18中的通信系统一般模型中的各个组成中的通信系统一般模型中的各个组成部分的功能。部分的功能。信源作用是将声音、文字、数据、图像等消息信源作用是将声音、文字、数据、图像