光纤通信第一章讲稿.ppt

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1、光纤通信第一章第一页，讲稿共五十二页哦11 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状1 2 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用1 3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 第第 1 章章 概概 论论返回主目录第二页，讲稿共五十二页哦第第 1 章章 概论概论 1.11.1光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状1.1.11.1.1探索时期的光通信探索时期的光通信原始形式的光通信原始形式的光通信中国古代中国古代-“-“烽火台烽火台”报警报警欧洲人欧洲人-旗语传送信息旗语传送信息 18801880年年，美美国国人人贝贝尔尔(Bell)(Bell)发发明明了了用用光光波波

2、作作载载波波传传送送话话音音的的“光光电电话话”。这这种种光光电电话话利利用用太太阳阳光光或或弧弧光光灯灯作作光光源源，通通过过透透镜镜把把光光束束聚聚焦焦在在送送话话器器前前的的振振动动镜镜片片上上，使使光光强强度度随随话话音音的的变变化化而而变变化化，实实现现话话音音对对光光强强度度的的调调制制。在在接接收收端端，用用抛抛物物面面反反射射镜镜把把从从大大气气传传来来的的光光束束反反射射到到硅硅光光电电池池上上，使使光光信信号号变变换换为为电电流流，传传送送到受话器。到受话器。第三页，讲稿共五十二页哦 因因为为缺缺乏乏理理想想的的光光源源和和传传输输介介质质，这这种种光光电电话话的的传传输输

3、距距离离很很短短，并并没没有有实实际际应应用用价价值值，然然而而，光光电电话话的的发发明明证证明明了了用用光光波波作作为为载载波波传送信息的可行性。因此，贝尔光电话是现代光通信的雏型。传送信息的可行性。因此，贝尔光电话是现代光通信的雏型。光源：光源：（1）1960年美国人梅曼年美国人梅曼(Maiman)发明了第一台发明了第一台红宝石激光器。红宝石激光器。（2）氦氦氖氖(He-Ne)激光器激光器（3）二氧化碳二氧化碳(CO2)激光器激光器激激光光具具有有波波谱谱宽宽度度窄窄，方方向向性性极极好好，亮亮度度极极高高，以以及及频频率率和和相相位位较较一一致致的的良良好好特特性性。是是一一种种理理想想

4、的的光光载载波波。激激光光器器的的发发明明和和应应用用，使使沉睡了沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。年的光通信进入一个崭新的阶段。第四页，讲稿共五十二页哦传输介质：传输介质：美美国国麻麻省省理理工工学学院院利利用用He He-NeNe激激光光器器和和COCO2 2激激光光器器进进行行了了大大气气激激光光通通信信试试验验。实实验验证证明明：通通过过大大气气的的传传播播承承载载信信息息的的光光波波，实实现现点点对对点点的的通通信信是是可可行行的的。但但是是通通信信的的距距离离和和稳稳定定性性都都受受到到极极大大的的限限制制，体体现现在在以以下两个方面：下两个方面：（1 1）通过大气，光波能量

5、衰减很大。通过大气，光波能量衰减很大。例如，雨能造成例如，雨能造成30 dB/km30 dB/km的衰减，浓雾衰减高达的衰减，浓雾衰减高达120 dB/km120 dB/km。（2 2）大大气气的的密密度度和和温温度度不不均均匀匀，造造成成折折射射率率的的变变化化，使使光光束束位位置置发发生生偏偏移。移。固固体体激激光光器器(例例如如“铷铷玻玻璃璃激激光光器器”和和“砷砷化化镓镓激激光光器器”)”)的的发发明明大大大大提提高高了了发发射射光光功功率率，延延长长了了传传输输距距离离，使使大大气气激激光光通通信信可可以以在在江江河河两两岸岸、海海岛岛之间和卫星与地面之间使用。之间和卫星与地面之间使

6、用。第五页，讲稿共五十二页哦 为为了了克克服服气气候候对对激激光光通通信信的的影影响响，人人们们自自然然想想到到把把激激光光束束限限制制在在特特定定的的空空间间内内传传输输。因因而而提提出出了了透透镜镜波波导导和和反反射射镜镜波波导导的的光光波波传传输输系系统统。透透镜镜波波导导是是在在金金属属管管内内每每隔隔一一定定距距离离安安装装一一个个透透镜镜，每每个个透透镜镜把把经经传传输输的的光光束束会会聚聚到到下下一一个个透透镜镜而而实实现现的的。反反射射镜镜波波导导和和透透镜镜波波导导相相似似，是是用用与与光光束束传传输输方方向向成成45角角的的二二个个平平行行反反射射镜镜代代替替透透镜镜而而构

7、构成成的的。这这两两种种波波导导，从从理理论论上上讲讲是是可可行行的的，但但在在实实际际应应用用中中遇遇到到了了不不可可克克服服的的困困难难。首首先先，现现场场施施工工中中校校准准和和安安装装十十分分复复杂杂；其其次次，为为了了防防止止地地面面活活动动对对波波导的影响，必须把波导深埋或选择在人车稀少的地区使用。导的影响，必须把波导深埋或选择在人车稀少的地区使用。由由于于没没有有找找到到稳稳定定可可靠靠和和低低损损耗耗的的传传输输介介质质，对对光光通通信信的的研研究究曾曾一一度走入了低潮。度走入了低潮。第六页，讲稿共五十二页哦 1.1.21.1.2现代光纤通信现代光纤通信 19661966年年，

8、英英籍籍华华裔裔学学者者高高锟锟(C.K.Kao)(C.K.Kao)和和霍霍克克哈哈姆姆(C.A.Hockham)(C.A.Hockham)发发表表了了关关于于传传输输介介质质新新概概念念的的论论文文，指指出出了了利利用用光光纤纤(Optical(Optical Fiber)Fiber)进进行行信信息息传传输输的的可可能能性性和和技技术术途途径径，奠奠定定了了现现代代光光通通信信光光纤纤通通信信的的基础。基础。高高锟锟等等人人指指出出：当当时时石石英英纤纤维维的的损损耗耗高高达达1000 1000 dB/kmdB/km以以上上而而是是由由于于材材料料中中的的杂杂质质，例例如如过过渡渡金金属属(

9、Fe(Fe、CuCu等等)离离子子的的吸吸收收产产生生的的。如如果果把把材材料料中中金金属属离离子子含含量量的的比比重重降降低低到到1010-6-6以以下下，就就可可以以使使光光纤纤损损耗耗减减小小到到10 10 dB/kmdB/km。再再通通过过改改进进制制造造工工艺艺的的热热处处理理提提高高材材料料的的均均匀性，可以进一步把损耗减小到几匀性，可以进一步把损耗减小到几dB/kmdB/km。第七页，讲稿共五十二页哦一、光纤研制的发展一、光纤研制的发展（1 1）1970 1970 年年美美国国康康宁宁(Corning)(Corning)公公司司就就研研制制成成功功损损耗耗20 20 dB/kmd

10、B/km的的石石英英光光纤纤。使使光光纤纤通通信信可可以以和和同同轴轴电电缆缆通通信信竞竞争争，从从而而展展现现了了光光纤纤通通信信美美好好的的前景。前景。（2 2）19721972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km4 dB/km。（3 3）1973 1973 年，美国贝尔年，美国贝尔(Bell)(Bell)实验室光纤损耗降低到实验室光纤损耗降低到2.5dB/km2.5dB/km。（4 4）1974 1974 年降低到年降低到1.1dB/km1.1dB/km。（5 5）1976 1976 年年，日日本本电电报报电电话话(NTT)(NTT)

11、公公司司等等单单位位将将光光纤纤损损耗耗降降低低到到0.47 0.47 dB/kmdB/km(波长波长1.2m)1.2m)。（6 6）1979 1979 年年0.20 dB/km0.20 dB/km，19841984年年0.157 dB/km0.157 dB/km。（7 7）1986 1986 年年0.154 dB/km0.154 dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。，接近了光纤最低损耗的理论极限。第八页，讲稿共五十二页哦二、光源研制的发展二、光源研制的发展（1 1）1970 1970 年年，美美国国贝贝尔尔实实验验室室、日日本本电电气气公公司司(NEC)(NEC)和和前前苏苏联联先先后

12、后研研制制成成功功室室温温下下连连续续振振荡荡的的镓镓铝铝砷砷(GaAlAs)(GaAlAs)双双异异质质结结半半导导体体激激光器光器(短波长短波长)。寿命只有。寿命只有几个小时几个小时。（2 2）1973 1973 年，半导体激光器寿命达到年，半导体激光器寿命达到70007000小时小时。（3 3）1977 1977 年年，贝贝尔尔实实验验室室研研制制的的半半导导体体激激光光器器寿寿命命达达到到1010万万小小时时(约约11.411.4年年)，外推寿命达到，外推寿命达到100100万小时，完全满足实用化的要求。万小时，完全满足实用化的要求。（4 4）19761976年年日日本本电电报报电电话

13、话公公司司研研制制成成功功发发射射波波长长为为1.3 1.3 mm的的铟铟镓镓砷磷砷磷(InGaAsP)(InGaAsP)激光器激光器（5 5）19791979年年美美国国电电报报电电话话(AT&T)(AT&T)公公司司和和日日本本电电报报电电话话公公司司研研制成功发射波长为制成功发射波长为1.55 m1.55 m的连续振荡半导体激光器。的连续振荡半导体激光器。第九页，讲稿共五十二页哦 由由于于光光纤纤和和半半导导体体激激光光器器的的技技术术进进步步，使使 1970 年年成成为为光光纤纤通信发展的一个重要里程碑。通信发展的一个重要里程碑。（1）1976 年年，美美国国在在亚亚特特兰兰大大(At

14、lanta)进进行行了了世世界界上上第第一一个个实实用用光光纤纤通通信信系系统统的的现现场场试试验验，系系统统采采用用GaAlAs激激光光器器作作光光源源，多模光纤作传输介质，速率为多模光纤作传输介质，速率为44.7 Mb/s，传输距离约，传输距离约10 km。（2）1983年年敷敷设设了了纵纵贯贯日日本本南南北北的的光光缆缆长长途途干干线线，全全长长3400 km，初期传输速率为，初期传输速率为400 Mb/s，后来扩容到，后来扩容到1.6 Gb/s。（3）1989年建成第一条横跨太平洋年建成第一条横跨太平洋 的的TPC-3/HAW-4，全长，全长13200 km。第十页，讲稿共五十二页哦光

15、光纤纤通通信信从从研研究究到到应应用用，发发展展非非常常迅迅速速：技技术术上上不不断断更更新新换换代代，通通信信能能力力(传传输输速速率率和和中中继继距距离离)不不断断提提高高，应应用用范范围围不不断断扩扩大大。光光纤纤通通信信的的发展可以粗略地分为三个阶段：发展可以粗略地分为三个阶段：第第一一阶阶段段(19661976年年)，这这是是从从基基础础研研究究到到商商业业应应用用的的开开发发时时期期。在在这这个个时时期期，实实现现了了短短波波长长(0.85 m)低低速速率率(45或或34 Mb/s)多多模光纤通信系统，无中继传输距离约模光纤通信系统，无中继传输距离约10 km。第第二二阶阶段段(1

16、9761986年年)，这这是是以以提提高高传传输输速速率率和和增增加加传传输输距距离离为为研研究究目目标标和和大大力力推推广广应应用用的的大大发发展展时时期期。在在这这个个时时期期，光光纤纤从从多多模模发发展展到到单单模模，工工作作波波长长从从短短波波长长(0.85 m)发发展展到到长长波波长长(1.31 m和和1.55 m)，实实现现了了工工作作波波长长为为1.31 m、传传输输速速率率为为140565Mb/s 的的单单模模光光纤纤通通信信系统，无中继传输距离为系统，无中继传输距离为10050 km。第十一页，讲稿共五十二页哦 第第三三阶阶段段(19861996年年)，这这是是以以超超大大容

17、容量量超超长长距距离离为为目目标标、全全面面深深入入开开展展新新技技术术研研究究的的时时期期。在在这这个个时时期期，实实现现了了1.55 m色色散散移移位位单单模模光光纤纤通通信信系系统统。采采用用外外调调制制技技术术，传传输输速速率率可可达达2.510 Gb/s，无无中中继继传传输输距距离可达离可达150100 km。实验室可以达到更高水平。实验室可以达到更高水平。目目前前，正正在在开开展展研研究究光光纤纤通通信信新新技技术术，例例如如，光光纤纤放放大大器器，全全光光通通信信，超超大大容容量量的的波波分分复复用用(WDM)光光纤纤通通信信系系统统和和超超长长距距离离的的光光孤孤子子(Soli

18、ton)通信系统。通信系统。第十二页，讲稿共五十二页哦 1.1.3国内外光纤通信发展的现状国内外光纤通信发展的现状 1976年年美美国国在在亚亚特特兰兰大大进进行行的的现现场场试试验验，标标志志着着光光纤纤通通信信从从基基础础研研究究发发展展到到了了商商业业应应用用的的新新阶阶段段。现现在在发发展展的的状状况况为为（1）光光纤纤从从多多模模发展到单模。发展到单模。（2）工作波长从）工作波长从0.85 m发展到发展到1.31 m和和1.55 m。（3）传输速率从几十）传输速率从几十Mb/s发展到几十发展到几十Gb/s。（4）从初期的市话局间中继到长途干线进一步延伸到用户接入网。）从初期的市话局间

19、中继到长途干线进一步延伸到用户接入网。（5）从数字电话到有线电视）从数字电话到有线电视(CATV)，（6）从单一类型信息的传输到多种业务的传输。从单一类型信息的传输到多种业务的传输。第十三页，讲稿共五十二页哦 在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位。根据资料，仅光缆产品一项(约占整个光纤通信产品的一半)，1995年在世界市场销售额达38亿美元。表表 1.1 世界成缆光纤市场销售量世界成缆光纤市场销售量 年份 1994 1995199619971998199920002001光纤销售总长度/104 km 18102300290034704070473055806570第十

20、四页，讲稿共五十二页哦表表 1.2 世界市场单模光纤平均价格世界市场单模光纤平均价格 年份 1994 1995199619971998199920002001价格/($km-1)6867726960524644表表 1.3 世界成缆单模光纤市场销售量世界成缆单模光纤市场销售量 年份 1998 19992000200120022003光纤销售总长度/104 km 411046005350623072008110第十五页，讲稿共五十二页哦1.2 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用1.2.1光通信与电通信光通信与电通信任何通信系统追求的最终技术目标：可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输距离。

21、载波频率越高（光波）频带宽度越宽 传输容量越大图 1.1 部分电磁波频谱第十六页，讲稿共五十二页哦光通信和电通信的主要差别：（1）电通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。光纤通信用的近红外光(波长约1m)的频率(约300 THz)比微波(波长为0.1m1 mm)的频率(3300 GHz)高3个数量级以上。光纤通信用的近红外光(波长为0.71.7m)频带宽度约为200THz，在常用的1.31 m和1.55 m两个波长窗口频带宽度也在20 THz以上。目前光纤通信用到的带宽一般只有20GHz，因此还有3个数量级以上的带宽潜力可以挖掘。第十七页，讲稿共五十二页哦二、电通信用电缆传输信号，光通信用光

22、纤传输信号 光缆具有比电缆更小的高频率传输损耗图 1.2 各种传输线路的损耗特性 第十八页，讲稿共五十二页哦 1.2.2光纤通信的优点光纤通信的优点 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，而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，传输容量很大容许频带很宽，传输容量很大 光纤通信系统的容许频带(带宽)取决于光源的调制特性、调制方式和光纤的色散特性。（1）在零色散波长窗口，单模光纤都具有几十GHz km的带宽。（2）可以采用多种复用技术来增加传输容量。（3）采用波分复用(WDM)或光频分复用(O

23、FDM)是增加光纤通信系统传输容量最有效的方法。（4）减小光源谱线宽度和采用外调制方式。第十九页，讲稿共五十二页哦表表1.4列列出出早早已已实实现现的的单单一一波波长长光光纤纤通通信信系系统统的的传传输输容容量量和和中中继继距距离离。目目前前，单单波波长长光光纤纤通通信信系系统统的的传传输输速速率率一一般般为为2.5 Gb/s和和10 Gb/s。采采用用外外调调制制技技术术，传传输输速速率率可可以以达达到到40 Gb/s。波波分分复复用用(WDM)和和光光时时分分复复用用(TDM)更更是是极极大大地地增增加加了了传传输输容容量量，见见表表 1.。WDM最最高高水水平平为为132个个信信道道，传

24、传输输容容量量为为20 Gb/s132=2640 Gb/s，相相当当于于120 km的的距距离离传传输输了了3.3108条话路。条话路。第二十页，讲稿共五十二页哦表表 1.4 光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较 通信手段 传输容量(话路)/条 中继距离/km 1000 km内中继器个数 微波无线电 960 5020小同轴 9604250中同轴 180061600光缆 19203033光缆 14000(1Gb/s)8411光缆 6000(445MB/S)1347第二十一页，讲稿共五十二页哦表表 1.5 WDM和和TDM光纤通信试验系统的传输能力光纤通信试

25、验系统的传输能力 复用技术 传输容量/Gbs-1 传输距离/km 跨距/km 研制单位 备注WDM 2017 20132 150 120 50 AT&T NEC TDM 160 20 20 200 103 106 50 140 NTT NTT 法Telcom 单通道 环测 第二十二页，讲稿共五十二页哦2.损耗很小，损耗很小，中继距离很长且误码率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1.4。目前，采用外调制技术，波长为1.55m的色散移位单模

26、光纤通信系统，若其传输速率为2.5 Gb/s，则中继距离可达150 km；若其传输速率为10 Gb/s，则中继距离可达100 km。第二十三页，讲稿共五十二页哦3.重量轻、重量轻、体积小体积小表表1.6给给出出了了铝铝/聚聚乙乙烯烯粘粘结结护护套套(LAP)单单元元结结构构光光缆缆和和标标准准同同轴轴电电缆缆的重量和截面积的比较。的重量和截面积的比较。项目 8 芯 18 芯 光缆 电缆 光缆 电缆 重量/(kgm-1)重量比 0.42 16.3150.4211126直径/mm 截面积比 211475211659.6表表 1.6 光缆和电缆的重量和截面积比较光缆和电缆的重量和截面积比较 第二十四

27、页，讲稿共五十二页哦例例:在在美美国国A-7飞飞机机上上，用用光光纤纤通通信信代代替替电电缆缆通通信信，使使飞飞机机重重量量减减轻轻27磅磅(约约12.247 kg)，相相当当于于飞飞机机制制造成本减少造成本减少27万美元。万美元。从从北北京京到到上上海海的的相相同同容容量量的的同同轴轴电电缆缆跟跟光光纤纤相相比比。用用电电缆缆需需铜铜866966kg，铝铝2916290kg。若若改改用用光光纤纤，则只需纯石英则只需纯石英10kg。第二十五页，讲稿共五十二页哦 4.抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好 光光纤纤由由电电绝绝缘缘的的石石英英材材料料制制成成，光光纤纤通通信信线线路路不不受受各各种种电

28、电磁磁场场的的干干扰扰和和闪闪电电雷雷击击的的损损坏坏。无无金金属属光光缆缆非非常常适适合合于于存存在在强强电电磁磁场场干干扰扰的的高高压压电电力力线线路路周周围围和和油油田田、煤煤矿矿等等易易燃燃易易爆爆环环境境中中使使用用。光光纤纤(复复合合)架架空空地地线线(Optical Fiber Overhead Ground Wire,OPGW)是是光光纤纤与与电电力力输输送送系系统统的的地线组合而成的通信光缆，已在电力系统的通信中发挥重要作用。地线组合而成的通信光缆，已在电力系统的通信中发挥重要作用。第二十六页，讲稿共五十二页哦 5.泄漏小，泄漏小，保密性能好保密性能好 在在光光纤纤中中传传输

29、输的的光光泄泄漏漏非非常常微微弱弱，即即使使在在弯弯曲曲地地段段也也无无法法窃窃听听。没没有有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤中传输非常安全。专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤中传输非常安全。第二十七页，讲稿共五十二页哦 6.节约金属材料，节约金属材料，有利于资源合理使用有利于资源合理使用 制制造造同同轴轴电电缆缆和和波波导导管管的的铜铜、铝铝、铅铅等等金金属属材材料料，在在地地球球上上的的储储存存量量是是有有限限的的；而而制制造造光光纤纤的的石石英英(SiO2)在在地地球球上上基基本本上上是是取取之之不不尽尽的的材材料料。制制造造8km管管中中同同轴轴电电缆缆，1km需

30、需要要120 kg铜铜和和500kg铝铝；而而制制造造8km光光纤纤只只需需320 g石英。所以，推广光纤通信，有利于地球资源的合理使用。石英。所以，推广光纤通信，有利于地球资源的合理使用。第二十八页，讲稿共五十二页哦图 1.3 各种通信系统相对造价与传输容量的比较 随随着着传传输输容容量量的的增增加加，由由于于采采用用了了新新的的传传输输媒媒质质，使得相对造价直线下降。使得相对造价直线下降。第二十九页，讲稿共五十二页哦 1.2.3光纤通信的应用光纤通信的应用 光光纤纤可可以以传传输输数数字字信信号号，也也可可以以传传输输模模拟拟信信号号。光光纤纤应应用用广广泛泛如如：通通信信网网、广广播播电

31、电视视网网、与与计计算算机机网网以以及及在在其其它它数数据据传传输输系系统统中中。光光纤纤宽宽带带干干线线传传送送网网和和接接入入网网发发展展迅迅速速，是是当当前前研研究究开开发发应应用用的的主主要要目目标标。光纤通信的各种应用可概括如下：光纤通信的各种应用可概括如下：通通信信网网，包包括括全全球球通通信信网网(如如横横跨跨大大西西洋洋和和太太平平洋洋的的海海底底光光缆缆和和跨跨越越欧欧亚亚大大陆陆的的洲洲际际光光缆缆干干线线)、各各国国的的公公共共电电信信网网(如如我我国国的的国国家家一一级级干干线线、各各省省二二级级干干线线和和县县以以下下的的支支线线)、各各种种专专用用通通信信网网(如如

32、电电力力、铁铁道道、国国防防等等部部门门通通信信、指指挥挥、调调度度、监监控控的的光光缆缆系系统统)、特特殊殊通通信信手手段段(如如石石油油、化化工工、煤煤矿矿等等部部门门易易燃燃易易爆爆环环境境下下使使用用的的光光缆缆，以以及及飞飞机机、军军舰舰、潜潜艇艇、导弹和宇宙飞船内部的光缆系统导弹和宇宙飞船内部的光缆系统)。第三十页，讲稿共五十二页哦 构构成成因因特特网网的的计计算算机机局局域域网网和和广广域域网网，如如光光纤纤以以太太网网、路路由由器器之间的光纤高速传输链路。之间的光纤高速传输链路。有有线线电电视视网网的的干干线线和和分分配配网网；工工业业电电视视系系统统，如如工工厂厂、银银行行、

33、商商场场、交交通通和和公公安安部部门门的的监监控控；自自动动控控制制系系统统的的数数据据传传输输。综综合合业业务务光光纤纤接接入入网网，分分为为有有源源接接入入网网和和无无源源接接入入网网，可可实实现现电电话话、数数据据、视视频频(会会议议电电视视、可可视视电电话话等等)及及多多媒媒体体业业务务综综合合接入核心网，提供各种各样的社区服务。接入核心网，提供各种各样的社区服务。第三十一页，讲稿共五十二页哦1.3光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 光纤通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。可以传输话音、图像、数据或多媒体信息。图 1.4 光纤通信系统的基本组成(单向传输)第三十二页

34、，讲稿共五十二页哦Point-to-Point Communication Link 第三十三页，讲稿共五十二页哦 1.3.1发射和接收发射和接收一、发射一、发射数字信号：数字信号：电发射机：把基带信号转换为适合信道传输的电信号电发射机：把基带信号转换为适合信道传输的电信号(脉冲编码调制脉冲编码调制)光发射机：把电信号转换成适合在光纤中传输的光信号（编码、调制）光发射机：把电信号转换成适合在光纤中传输的光信号（编码、调制）对对于于模模拟拟电电视视传传输输，则则用用摄摄像像机机把把图图像像转转换换为为6 MHz的的模模拟拟基基带带信信号，直接输入光发射机。号，直接输入光发射机。二、接收二、接收

35、与发射过程相反与发射过程相反第三十四页，讲稿共五十二页哦模拟信号传输的复用：模拟信号传输的复用：为为提提高高传传输输质质量量，通通常常把把这这种种模模拟拟基基带带信信号号转转换换为为频频率率调调制制(FM)、脉脉冲冲频频率率调调制制(PFM)或或脉脉冲冲宽宽度度调调制制(PWM)信信号号，最最后后把把这这种种已已调调信信号号输输入入光光发发射射机机。还还可可以以采采用用频频分分复复用用(FDM)技技术术，用用来来自自不不同同信信息息源源的的视视频频模模拟拟基基带带信信号号(或或数数字字基基带带信信号号)分分别别调调制制指指定定的的不不同同频频率率的的射射频频(RF)电电波波，然然后后把把多多个

36、个这这种种带带有有信信息息的的RF信信号号组组合合成成多多路路宽宽带带信信号号，最最后后输输入入光光发发射射机机，由由光光载载波波进进行行传传输输。在在这这个个过过程程中中，受受调调制制的的RF电电波波称称为为副副载载波波，这这种种采采用用频频分分复复用用的的多多路路电电视视传传输输技技术术，称称为为副副载载波波复复用用(SCM)。第三十五页，讲稿共五十二页哦 1.3.2基本光纤传输系统基本光纤传输系统 基基本本光光纤纤传传输输系系统统作作为为独独立立的的“光光信信道道”单单元元，可可以以和和其其它它设备相结合，构成结构更复杂，功能更强大的通信系统。设备相结合，构成结构更复杂，功能更强大的通信

37、系统。基本光纤传输系统由光发射机、光纤线路和光接收机三个部分组基本光纤传输系统由光发射机、光纤线路和光接收机三个部分组成。成。第三十六页，讲稿共五十二页哦 1.光发射机光发射机 功功能能：是是把把输输入入电电信信号号转转换换为为光光信信号号，并并用用耦耦合合技技术术把把光光信信号号最最大大限限度地注入光纤线路。度地注入光纤线路。核核心心：光光源源。要要求求光光源源输输出出光光功功率率足足够够大大，调调制制频频率率足足够够高高，谱谱线线宽宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。目目前前广广泛泛使使用用的的光光源源有有半半导

38、导体体发发光光二二极极管管(LED)和和半半导导体体激激光光二二极管极管(或称激光器或称激光器)(LD)第三十七页，讲稿共五十二页哦LED(Light emitting diode)LD(laser diode)第三十八页，讲稿共五十二页哦 图图 1.5两种调制方案两种调制方案(a)直接调制；直接调制；(b)间接调制间接调制(外调制外调制)第三十九页，讲稿共五十二页哦 2.光纤线路光纤线路功功能能：把把来来自自光光发发射射机机的的光光信信号号，以以尽尽可可能能小小的的畸畸变变(失失真真)和和衰衰减减传传输输到到光接收机。光接收机。光纤线路由光纤线路由光纤光纤、光纤接头光纤接头和和光纤连接器光纤

39、连接器组成。组成。光光纤纤线线路路的的性性能能主主要要由由缆缆内内光光纤纤的的传传输输特特性性决决定定。对对光光纤纤的的基基本本要要求求是是损损耗耗和和色色散散这这两两个个传传输输特特性性参参数数都都尽尽可可能能地地小小，而而且且有有足足够够好好的机械特性和环境特性，的机械特性和环境特性，第四十页，讲稿共五十二页哦Connectors第四十一页，讲稿共五十二页哦 石石英英光光纤纤在在在在0.85 m、1.31 m和和1.55 m有有三三个个损损耗耗很很小小的的波波长长“窗窗口口”。在在这这三三个个波波长长窗窗口口损损耗耗分分别别小小于于2dB/km、0.4 dB/km和和0.2 dB/km。石

40、石英英光光纤纤在在波波长长1.31 m色色散散为为零零。作作为为光光源源的的激激光光器器的的发发射射波波长长和和作作为为光光检检测测器器的的光光电电二二极极管管的的波波长长响响应应，都都要要和和光光纤纤这这三三个波长窗口相一致。个波长窗口相一致。第四十二页，讲稿共五十二页哦3.光接收机光接收机功功能能：把把从从光光纤纤线线路路输输出出、产产生生畸畸变变和和衰衰减减的的微微弱弱光光信信号号转转换换为为电电信信号号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。核核心心：光光检检测测器器。对对光光检检测测器器的的要要求求是是响响应应度度高高、噪噪声声低低和和响响应应速

41、速度快。度快。第四十三页，讲稿共五十二页哦PIN(Positive Intrinsic Negative)APD(Avalanche photo diodes)目目前前广广泛泛使使用用的的光光检检测测器器有有两两种种类类型型：在在半半导导体体PN结结中中加加入入本本征征层层的的PIN光光电电二二极极管管(PIN-PD)和和雪雪崩崩光电二极管光电二极管(APD)。第四十四页，讲稿共五十二页哦 光光接接收收机机把把光光信信号号转转换换为为电电信信号号的的过过程程(常常简简称称为为光光/电电或或O/E转转换换)，是是通通过过光光检检测测器器的的检检测测实实现现的的。检检测测方方式式有有直直接接检检测

42、测和和外外差差检检测测两两种种。直直接接检检测测是是用用检检测测器器直直接接把把光光信信号号转转换换为为电电信信号号。这这种种检检测测方方式设备简单、式设备简单、经济实用，经济实用，是当前光纤通信系统普遍采用的方式。是当前光纤通信系统普遍采用的方式。外外差差检检测测要要设设置置一一个个本本地地振振荡荡器器和和一一个个光光混混频频器器，使使本本地地振振荡荡光光和和光光纤纤输输出出的的信信号号光光在在混混频频器器中中产产生生差差拍拍而而输输出出中中频频光光信信号号，再再由由光光检检测测器器把把中中频频光光信信号号转转换换为为电电信信号号。外外差差检检测测方方式式的的难难点点是是需需要要频频率率非非

43、常常稳稳定定，相相位位和和偏偏振振方方向向可可控控制制，谱谱线线宽宽度度很很窄窄的的单单模模激激光光源源；优优点是有很高的接收灵敏度。点是有很高的接收灵敏度。第四十五页，讲稿共五十二页哦 目前，实用光纤通信系统普遍采用直接调制直接检测方式。外调制外差检测方式虽然技术复杂，但是传输速率和接收灵敏度很高，是很有发展前途的通信方式。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

44、以灵敏度也是反映光纤通信系统质量的重要指标。第四十六页，讲稿共五十二页哦 1.3.3数字通信系统和模拟通信系统数字通信系统和模拟通信系统 数数字字光光纤纤通通信信系系统统比比模模拟拟光光纤纤通通信信系系统统具具有有更更多多的的优优点点，也也更更能适应社会对通信能力和通信质量越来越高的要求。能适应社会对通信能力和通信质量越来越高的要求。数数字字通通信信系系统统用用参参数数取取值值离离散散的的信信号号(如如脉脉冲冲的的有有和和无无、电电平平的的高高和和低等低等)代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系。代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系。模模拟拟通通信信系系统统则则用用参参数数取

45、取值值连连续续的的信信号号代代表表信信息息，强强调调的的是是变变换换过程中信号和信息之间的线性关系。过程中信号和信息之间的线性关系。第四十七页，讲稿共五十二页哦 抗抗干干扰扰能能力力强强，传传输输质质量量好好。在在模模拟拟通通信信系系统统中中，噪噪声声叠叠加加在在信信号号上上，两两者者很很难难分分开开，放放大大时时噪噪声声和和信信号号一一起起放放大大，不不能能改改善善因因传传输输而而劣劣化化的的信信噪噪比比。数数字字光光纤纤通通信信采采用用二二进进制制信信号号，信信息息不不包包含含在在脉脉冲冲波波形形中中，而而由由脉脉冲冲的的“有有”和和“无无”表表示示。因因此此，一一般般噪噪声声不不影影响响

46、传传输输质质量量，只只有有在在抽抽样样和和判判决决过过程程中中，当噪声超过一定阈值时，当噪声超过一定阈值时，才产生误码率。才产生误码率。可可以以用用再再生生中中继继，传传输输距距离离长长。数数字字通通信信系系统统可可以以用用不不同同方方式式再再生生传传输输信信号号，消消除除传传输输过过程程中中的的噪噪声声积积累累，恢恢复复原原信信号号，延延长长传传输距离。输距离。适适用用各各种种业业务务的的传传输输，灵灵活活性性大大。在在数数字字通通信信系系统统中中，话话音音、图图像像等等各各种种信信息息都都变变换换为为二二进进制制数数字字信信号号，可可以以把把传传输输技技术术和和交换技术结合起来，有利于实现

47、综合业务。交换技术结合起来，有利于实现综合业务。数字通信系统的优点如下：数字通信系统的优点如下：第四十八页，讲稿共五十二页哦 容易实现高强度的保密通信。容易实现高强度的保密通信。只只需需要要将将明明文文与与密密钥钥序序列列逐逐位位模模2相相加加，就就可可以以实实现现保保密密通通信信。只只要要精精心心设设计计加加密密方方案案和和密密钥钥序序列列并并经经常常更更换换密密钥钥，便便可可达达到到很很高高的的保保密密强强度度。数数字字通通信信系系统统大大量量采采用用数数字字电电路路，易易于于集集成成，从从而而实实现现小小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本。型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降

48、低成本。数数字字通通信信系系统统的的缺缺点点是是占占用用频频带带较较宽宽，系系统统的的频频带带利利用用率率不不高高注注：这这里里没没有有考考虑虑语语音音、视视频频压压缩缩编编码码和和多多元元制制数数字字调调制制的的作作用用。例例如如，一一路模拟电话只占用路模拟电话只占用4 kHz的带宽，而一路数字电话要占用的带宽，而一路数字电话要占用2064 kHz的带宽。的带宽。第四十九页，讲稿共五十二页哦 模拟通信系统除占用带宽较窄外，还有电路简单、价格便宜等优点。因此，目前的电视传输，广泛采用模拟通信系统。另一方面，由于电视的数字化传输，要求较复杂的技术，特别是当今社会对电视频道数目的要求日益增多，要传

49、输几十甚至上百路电视，需要极复杂的编码和解码技术，设备价格昂贵，因此目前还不能普遍使用。在这种情况下，副载波复用(SCM)模拟光纤通信系统得到很大重视和迅速发展。在这种SCM系统中，视频基带信号对射频副载波的调制，可以采用调频(FM)或调幅(AM)。目前，在卫星模拟电视传输中，视频信号对微波的调制采用的是调频(FM)，所以连接卫星地面站的干线光纤传输系统要采用FM/SCM方式。第五十页，讲稿共五十二页哦第一章知识点小结：第一章知识点小结：1.什么是光纤通信？什么是光纤通信？2.光纤通信和电通信的区别。光纤通信和电通信的区别。3.基本光纤通信系统的组成和各部分作用。基本光纤通信系统的组成和各部分作用。第五十一页，讲稿共五十二页哦红宝石激光器=694.3nm氦氖激光器=632.8nm二氧化碳激光器=10600nm第五十二页，讲稿共五十二页哦