现代通信概论第三章讲解

《现代通信概论第三章讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代通信概论第三章讲解（109页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、计算机与通信工程学院 通信工程系 2.1 2.1 电话通信电话通信 2.2 2.2 光纤通信光纤通信 第2章 有线通信 光纤通信概述光纤通信概述 qq引言引言 qq光纤通信发展历史光纤通信发展历史 qq光纤通信的优点光纤通信的优点 光纤和光缆光纤和光缆 qq光纤的结构和类型光纤的结构和类型 qq光纤的传输原理光纤的传输原理 qq光纤的传输特性光纤的传输特性 qq光缆的类型和型号光缆的类型和型号 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成 qq简单的点对点光纤通信系统简单的点对点光纤通信系统 qq光波分复用系统光波分复用系统 光纤通信发展趋势（查找相关资料阅读）光纤通信发展趋势（查找相关资料阅读） 一

2、、引言 1、何谓光纤通信 用光波作为载波，以光导纤维作为传输介质的一种通信方式 。 2、光纤通信在通信网中的地位 专家预言，下一代网络，无论如何发展，一定将要达到三 个世界： 服务层面上的IP世界 接入层面上的无线世界 传输层面上的光的世界 2.2.1 2.2.1 光纤通信概述光纤通信概述 3、光纤通信的容量 香农公式 通信系统的传输容量(capacity)取决于载波调制的频带宽 度，即在某种程度上，载波频率越高，频带越宽，系统容 量越大。通信技术发展的历史，实际上是一个不断提高载 波频率和增加传输容量的历史。 一对光纤理论上每秒可传送25兆兆(1012)比特的信息。 2.2.1 2.2.1

3、光纤通信概述光纤通信概述 各种传输介质所能承载的载波大小：各种传输介质所能承载的载波大小： qq铜线铜线1MHz1MHz qq同轴电缆同轴电缆100MHz100MHz qq无线电无线电500kHz500kHz100MHz100MHz qq微波（包括卫星信道）微波（包括卫星信道）100GHz100GHz qq光纤光纤几百几百THzTHz qqNECNEC和和AlcatelAlcatel报道他们的传输容量分别达到报道他们的传输容量分别达到 10.92Tb/s10.92Tb/s和和10.02Tb/s10.02Tb/s。（。（采用波分复用技术采用波分复用技术 ） 2.2.1 2.2.1 光纤通信概述光

4、纤通信概述 4、光纤通信的载波 电磁波的一种近红外光 频率为几百THz 常用波长窗口： 0.85 m 、1.31 m 、1.55 m 2.2.1 2.2.1 光纤通信概述光纤通信概述 2.2.1 2.2.1 光纤通信概述光纤通信概述 1.原始的光通信方式 目视光通信阶段 q3千多年前，中国古代的烽火台 新疆呼图壁县境内的烽火台 二、光纤通信发展历史 2.2.1 2.2.1 光纤通信概述光纤通信概述 q欧洲人的旗语 q1650年，望远镜 q1791年，法国人发明了灯信号和“灯语” 目视光通信方式的共同点： q利用大气来传播可见光，由人眼来接收。 q真正强大的光通信应该是光纤通信，即单纯地依 靠光

5、纤作为媒质来传送信息的通信方式。 2.2.1 2.2.1 光纤通信概述光纤通信概述 2.光通信的发展历程 （1）贝尔的光电话 1880年，贝尔发明了光电话系统。 q利用太阳光作光源，用硒晶体作为光接收器件， 成功进行了光电话的实验 ，传输距离200多米。 说明了：利用光波作为载波传送信息是可行的。 2.2.1 2.2.1 光纤通信概述光纤通信概述 用光来通信，必须要解决两个最根本的问题： n必须有稳定的、低损耗的传输媒质； n必须要找到高强度的、可靠的光源。 可以说贝尔光电话是现代光通信的雏型。 2.2.1 2.2.1 光纤通信概述光纤通信概述 上次课内容回顾（1）： 什么是数字基带传输？ 数

6、字频带传输常用调制方式有哪三种？ 数字信号和载波信号波形如下，画出2ASK 2FSK 2PSK波形。注：载波信号周期和数字信号码元周期相同 。 用于ASK的载波 用于FSK的载波 用于PSK的载波 上次课内容回顾（2）： 什么是光纤通信？ 光纤通信使用的是什么光？ 光纤通信常用三个低损耗窗口中心波长分别是？ 光电话实验是哪位科学家完成的？该实验的成功 说明了什么？ （2）光源的探索阶段 q1960年，美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器， 给光通信带来了新的希望 q研究现代化光通信的时代也从此开始 认识一下激光 q 激光的最初中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是 它的英文名称LASER的音译，是取自

7、英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写词。 q意思是“受激辐射的光放大”。 2.2.1 2.2.1 光纤通信概述光纤通信概述 什么叫做“受激辐射”？ q在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子 ）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种 光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上， 这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在 某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象 。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。 q1950年，波尔多一所中学的教师阿尔弗雷德卡 斯特勒同让布罗

8、塞尔发明了“光泵激”技术。这一 发明后来被用来发射激光. 2.2.1 2.2.1 光纤通信概述光纤通信概述 pp19511951年，美国哥伦比亚大学的一位教授查尔斯年，美国哥伦比亚大学的一位教授查尔斯 汤斯（汤斯（TownesTownes）对微波的放大进行了研究，经对微波的放大进行了研究，经 过三年的努力，他成功地制造出了世界上第一个过三年的努力，他成功地制造出了世界上第一个 “微波激射器微波激射器”，即，即“受激辐射的微波放大受激辐射的微波放大”的的 理论。理论。 19581958年，汤斯和肖洛在年，汤斯和肖洛在物理评论物理评论杂志上发表杂志上发表 了他们的了他们的“发明发明”关于关于“受激

9、辐射的光放大受激辐射的光放大 ”（即（即LASERLASER）的论文。的论文。 2.2.1 2.2.1 光纤通信概述光纤通信概述 p1960年7月，梅曼进行了人造激光的第一次试验，这束 仅持续了3亿分之一秒的红色激光标志着人类文明史上 一个新时刻的来临。 p1970年，贝尔研究所的林严雄等人研制出能在室温下 连续工作的半导体激光器 和普通光源相比，激光的优点和普通光源相比，激光的优点 q单色性好 q相干性高 q方向性强 2.2.1 2.2.1 光纤通信概述光纤通信概述 （3）传输光路的探索 q第一种方式:使激光在大气中传输 q通信能力和质量受周围大气环境的影响很大，如 雨可造成30dB/km的

10、损耗，浓雾衰减可达120dB/km q 10dB/km的损耗意味着输入的信号传送1 公里后只剩下十分之一 q20dB/km的损耗意味着输入的信号传送1公 里后只剩下百分之 q 30dB/km的损耗意味着输入的信号传送1 公里后只剩下千分之一 2.2.1 2.2.1 光纤通信概述光纤通信概述 第二种方式：把光束限制在特定空间 q透镜波导：在金属管内每隔一定距离安装一个透 镜，每个透镜把经传输的光束聚到下一个透镜而实现 2.2.1 2.2.1 光纤通信概述光纤通信概述 反射镜波导：用与光束传输方向成45度角的两个平行反 射镜代替透镜而构成 q首先：现场施工中校准和安装十分复杂； q其次：地面活动对

11、波导影响很大 2.2.1 2.2.1 光纤通信概述光纤通信概述 光纤波导： q光纤即玻璃纤维，人们用它制造了医疗上用的内 窥镜，如做成胃镜，可以观察到距离体内1米左右的情 况。 q但是它的衰减损耗特别大，只能传输很短的距离 。直到20世纪60年代，最好的光纤的损耗仍在 1000dB/km以上。(亿百分之一)这是不能用于通信的。 1970年，第一根低损耗光纤20dB/km研制成功。 1970年被称为光纤通信元年 2.2.1 2.2.1 光纤通信概述光纤通信概述 附：光纤的发展 q1966年7月，英籍华裔学者高锟大胆预言：只要能设法降低玻 璃纤维的杂质，就有可能使光纤的损耗从1000dB/km降低

12、到20dB/km ，甚至更低，从而可以用于通信。 q1970年，美国康宁公司成功制成了20dB/km的石英光纤 q1972年，康宁公司 4dB/km q1973年，美国Bell实验室 2.5dB/km q1974年，美国Bell实验室 1.1dB/km q1976年，NTT 0.47 2.5dB/km q1979年，0.2dB/km q1984年，0.157dB/km q1986年，0.154dB/km 接近了光纤最低损耗的理论极限 2.2.1 2.2.1 光纤通信概述光纤通信概述 三、光纤通信的优点 1、汗牛充栋允许频带宽，传输容量大 q90年代，光纤的传输速率已经达到了每秒T比特级（101

13、2 ） q在通信中，信道的带宽和信道的容量遵循香农公式 2.2.1 2.2.1 光纤通信概述光纤通信概述 2、特快列车损耗小，中继距离长 q目前常用光纤损耗为0.2dB/km，甚至更低， q光传送15公里，其强度还有原来一半。 3、瘦身专家体积小，重量轻 q美国在军用飞机上用光纤代替电缆，在A7飞机上 ，重量减轻了12.25公斤，节省了约27万美元 4、百毒不侵抗干扰能力强，保密性好 q光纤是由非金属材料石英制成的，是绝缘体 q光纤所传输的是高频电磁波，而各种干扰的频率 一般都很低 2.2.1 2.2.1 光纤通信概述光纤通信概述 5、随处可见原材料来源丰富 q SiO2，就是随处可见的沙子

14、q1公斤高存度石英玻璃可以制成上万公里光纤 q制造1公里18管的同轴电缆需120公斤的铜，或 500公斤的铅。 q34Mb/s以上光纤通信系统的价格比同轴电缆便宜 30%以上。所以采用光纤通信系统在经济上有重大意 义。 白玉微瑕：质地脆、机械强度低、需要比较好 的切割及连接技术、分路耦合比较麻烦。 2.2.1 2.2.1 光纤通信概述光纤通信概述 一、光纤的结构和类型 光纤光纤(optical fiber)(optical fiber)： qq光导纤维的简称，光导纤维的简称， qq是一种介质圆柱光波导，能够是一种介质圆柱光波导，能够约束并引导光波约束并引导光波在在 其内部或表面附近其内部或表面

15、附近沿其轴线方向沿其轴线方向向前传播，向前传播， qq能够导光的通信介质。能够导光的通信介质。 2.2.2 2.2.2 光纤和光缆光纤和光缆 1.1.光纤的结构光纤的结构 纤芯：高折射率玻璃芯纤芯：高折射率玻璃芯 qq折射率折射率n n 1 1 一般为一般为1.4631.467 1.4631.467 qq直径为直径为10m10m、50 m50 m、62.5 m62.5 m qq完成光信号的传输完成光信号的传输 包层：低折射率玻璃芯包层：低折射率玻璃芯 qq折射率折射率n n 2 2 一般为一般为1.451.46 1.451.46 qq直径为直径为125m125m qq 将光信号封闭在纤芯中并保

16、护纤芯将光信号封闭在纤芯中并保护纤芯 护层：主要起保护作用，一般是塑料材料护层：主要起保护作用，一般是塑料材料 2.2.2 2.2.2 光纤和光缆光纤和光缆 2.光纤的类型 a.按折射率分布情况分 阶跃型光纤 -纤芯和包层的折射率都是常数，折射率在纤芯和 包层分界面上发生突变 -特点：成本低、模间色散高、传输频带低、信号 畸变大 2.2.2 2.2.2 光纤和光缆光纤和光缆 渐变型光纤 -纤芯的折射率随着半径的增加按一定的曲线规 律变化，至界面处纤芯折射率等于包层折射率 -特点：成本高、模间色散低、传输频带宽、信 号畸变小 2.2.2 2.2.2 光纤和光缆光纤和光缆 b.按光在光纤的传输模式分 q模式：电磁场的分布形式 q沿光纤轴传播的叫作基模，相继还有一次模、二次模 等。 q多模 q单模（基模） 2.2.2 2.2.2 光纤和光缆光纤和光缆 单模光纤