数字光纤通信系统 225页解析

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1、第5章 数字光纤通信系统 6.1 数字光纤通信系统概述 6.2 PDH数字光纤传输系统 6.3 SDH光同步数字传输系统 6.4 SDH传送网 6.5 SDH系统同步与定时 6.6 光波分复用系统 6.7 全光通信系统 第 六 章 数字光纤通信系统 返回主目录 第5章 数字光纤通信系统 第6章 数字光纤通信系统 6.1 数字光纤通信系统概述 6.1.1 光纤通信基本概念 数字光纤通信, 是以光波运载数字信号, 以光导纤维为传 输媒介的一种通信方式。1996年，英籍华人“光通信之父”高 锟(C.K.Kilo)博士根据介质波导理论提出了光纤通信的概念。 光纤通信有如下的显著特点。 1. 线径细,

2、重量轻 由于光纤的直径小, 只有0.1 mm左右, 所以制成光缆后与 电缆比要细得多, 因而重量轻, 有利于长途和市话干线布放, 而 且便于制造多芯光缆。 第5章 数字光纤通信系统 2. 损耗极低 由于技术的发展, 现在制造出的光纤介质纯度很高, 因而损 耗极低。现已制出的在光波导 1.55 mm窗口的衰耗低于 0.18 dB/km。 由于损耗极低, 所以传输的距离可以很长, 这就大大减 少了数字传输系统中中继站的数目, 既可降低成本, 也可提高通 信质量。 3. 传输的频带宽、 信息容量大 由于光波频率高, 因此用光来携带信号则信息量大。现在 已经发展到几十千兆比特/秒的光纤通信系统, 它可

3、传输几十万 路电话和几千路彩色电视节目。 第5章 数字光纤通信系统 4. 不受电磁干扰、 防腐和不会锈蚀 因光纤是非金属材料, 它不会受到电磁干扰, 也不会发生 锈蚀, 具有防腐的能力。 5. 不怕高温, 防爆、 防火性能强 因光纤是石英玻璃材料, 熔点高达2000以上, 所以不怕高 温, 有防火的性能。因而可用于矿井下、军火仓库、石油、 化 工等易燃易爆的环境中。 6. 光纤通信保密性好 由于光纤在传输光信号时向外泄漏小, 不会产生串话等干 扰, 因而光纤通信保密性好。 第5章 数字光纤通信系统 由于光纤通信具有一系列的突出优点, 随着科学技术的进 步, 光纤通信技术近年来发展速度之快、应用

4、范围之广, 出乎人 们的预料, 它是世界信息革命的一个重要标志, 是现代通信技术 的重要组成部分。可以说有了光纤通信, 就为构筑信息高速公 路打下了基础, 光纤通信成为通向信息社会的桥梁。 第5章 数字光纤通信系统 6.1.2 数字光纤通信系统的组成 数字光纤通信系统与一般通信系统一样, 它由发送设备、 传输信道和接收设备三大部分构成。 现在普遍采用的数字光纤通信系统, 是采用数字编码信号 经强度调制-直接检波的数字通信系统。这里的强度是指光强 度, 即单位面积上的光功率。强度调制是利用数字信号直接调 制光源的光强度, 使之与信号电流成线性变化。直接检波, 是指 信号在光接收机的光频上检测出数

5、字脉冲信号。光纤通信系统 组成原理方框图如图 5.1 所示。 第5章 数字光纤通信系统 图 5.1 光纤通信系统组成原理方框图 第5章 数字光纤通信系统 在发送设备中, 有源器件把数字脉冲电信号转换为光信号 (E/O变换), 送到光纤中进行传输。在接收设备中, 设有光检测 器件, 将接收到的光信号转换为数字脉冲信号(O/E变换)。 在其传输的路途中, 当距离较远时, 采用光中继设备, 把信 号经过中继再生处理后传输。 实用系统是双方向的, 其结构图如图 5.2 所示。 图中, 数字端机主要是把用户各种数字信号, 包括数字程控 交换机和数字接口, 通过复用设备组成一定的数字传输结构(帧 结构),

6、 不同速率等级的数字信号流送至光端机, 光端机把数字 端机送来的数字信号进行处理, 变成光脉冲送入光纤进行传输, 接收端进行相反的变换。 第5章 数字光纤通信系统 图 5.2 数字光纤通信传输系统结构方框图 第5章 数字光纤通信系统 光端机主要由光发送、光接收、信号处理及辅助电路组 成。在光发送部分完成电/光变换, 在光接收部分主要完成光/ 电变换。信号处理, 主要指把数字端机送来的数字脉冲信号再 处理, 以及各种码型变换, 使之适应光传输及其他目的。辅助 电路主要包括告警、公务、监控及区间通信等等。 光中继机的作用, 主要是将光纤长距离传输后, 受到的衰 耗及色散畸变的光脉冲信号, 转换为电

7、信号后经放大整形、定 时、再生还原为规则的数字脉冲信号。经过再调制光源, 变为 光脉冲信号送入光纤继续传输, 达到延长传输距离的目的。 第5章 数字光纤通信系统 6.1.3 光纤和光缆 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, 如同人的头发丝粗细。在通信中, 它和原来传 送电话的明线、电缆一样, 是一种新型的信息传输介质, 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。 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? 这要研究其传 输理论, 但其传输理论涉及的数学、 物理知识面相当广

8、, 它要 用到微分方程、场论等等高等数学知识及物理的微电子学、 光学等高深理论。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。 第5章 数字光纤通信系统 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。 若现在有两种不同介质, 其折射率分别为n0, n1而且n1 n 0, 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。假定光线从光疏媒质射向光密媒质, 其折射情况如图5.3 所示。图中，入射角为0入射光线与法线YY夹角, 折射角

9、 为1折射光线与YY夹角，由图可见，10。 第5章 数字光纤通信系统 图 5.3 光的折射示意图 第5章 数字光纤通信系统 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5.4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。如果继续增大1, 则折射角会大于临界角, 使 光线全部返回光密媒质中, 这种现象称为光的全反射当光线从 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。 根 据这一原理, 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

10、的 光束将会全部返回纤芯中。这就要制造一种像水管一样的光 导管, 在光导管壁及光纤芯包的边界使之形成光束的全反射, 从而达到将光束都集中在光纤芯部传输而不向外泄漏, 就似水 管中的水流那样, 使之永远在水管中流动。 第5章 数字光纤通信系统 图5.4 临界角和光线的全反射 第5章 数字光纤通信系统 要做成这样的光导管, 除了对光纤芯部的折射率有要求以 外, 还要使靠近纤芯与包层的边沿具有极小的光损耗, 使能量都 集中在光芯中传播。 当然, 这就对光纤材料提出了很高的要求。由于石英玻璃质 地脆、易断裂, 为了保护光纤表面, 提高抗拉强度，以便于实用 , 一般都在裸光纤外面进行两次涂覆而构成光纤芯

11、线。光纤芯 线结构如图5.5所示。 光纤的芯线由纤芯、包层、涂覆层、套塑四部分组成。 包 层的外面涂覆一层很薄的涂覆层, 涂覆的材料为硅铜树脂或聚 氨基甲醚乙脂, 涂覆层的外面套塑, 套塑的原料大都采用尼龙、 聚乙烯或聚本烯等塑料。 第5章 数字光纤通信系统 图5.5 光纤芯线的剖面构造 第5章 数字光纤通信系统 3. 单模光纤及特性参数 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, 如图5.6(a)、(b)所示。 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(

12、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。 第5章 数字光纤通信系统 2) 单模光纤 单模光纤即只能传送单一基模的光纤, 如图5.6(c)所示。 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。单模光 纤的纤芯直径一般为410 m, 包层即外层直径一般为125m, 比多模光纤小得多。 3) 单模光纤的主要特性 光纤的特性参数及定义相当复杂。在一般数字光纤工程中 ， 单模光纤所需的主要参数有: 模场直径、衰减系数和工作波 长或截止波长等。 第5章 数字光纤通信系统 图 5.6 裸光纤结构示

13、意图 (a) 阶跃型多模光纤(SI); (b) 梯度型多模光纤(GI); (c) 单模光纤 第5章 数字光纤通信系统 (1) 截止波长。 截止波长通常是判断光纤是否在单模工作的一个重要参数 , 只有当工作波长大于截止波长时才能保证光纤在单模工作。 (2) 模场直径d。 模场直径是单模光纤的一个重要参数。到目前为止, 模场 直径的确切定义还没有明确规定。从物理概念上我们可理解为 , 对于单模光纤, 基模场强在光纤横截面近似为高斯分布, 如图 5.7所示。通常将纤芯中场分布曲线最大值 1/e 处所对应的宽度 定义为模场直径, 用d表示。 第5章 数字光纤通信系统 图5.7 基模场强分布曲线 第5章

14、 数字光纤通信系统 (3) 衰减系数。 衰减系数是在工程上设计光纤通信系统时, 必须要用到的 一个重要参数。它是指沿光纤传播方向光信号的损耗, 它是决 定光纤中继段长度的重要因素。衰减量的大小通常用衰减系数 来表示, 单位是dB/km, 其定义为 式中, Pi为输入光纤的光功率；Po为光纤输出的光功率; L 为光纤的长度(单位为km)。 第5章 数字光纤通信系统 4. 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。 根据不同的用途和条件, 制成的

15、光缆种类很多, 但其基本结 构是相同的。光缆主要由缆芯、护套和加强元件组成。 1) 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 5.1 所示。 第5章 数字光纤通信系统 第5章 数字光纤通信系统 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。目前国内外对二次涂覆主要采用下列两 种保护结构: (1) 紧套结构。 如图 5.8(a)所示, 在光纤与套管之间有一个缓冲层, 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, 二次被覆用尼龙口。这种光纤的优点是: 结构简单、

16、使用方便 。 (2) 松套结构。 如图5.8(b)所示, 将一次涂覆后的光纤放在一个管子中, 管 中充油膏, 形成松套结构。这种光纤的优点是: 机械性能好, 防 水性好, 便于成缆。 第5章 数字光纤通信系统 图 5.8 紧套和松套光纤结构示意图 (a) 紧套光纤结构示意图； (b) 松套光纤结构示意图 第5章 数字光纤通信系统 2) 强度元件 由于光纤的材料比较脆, 容易断裂, 为了使光缆便于承受敷 设安装时所加的外力等, 在光缆内中心或四周要加一根或多根 加强元件。加强元件的材料可用钢丝或非金属的纤维增强 塑料(FRP)等。 3) 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。因此, 要求护层具有耐压力、防潮 、 湿度特性好、重量轻、耐化学侵蚀、阻燃等特点。光缆的 护层又分内