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1、从计算机网络角度从计算机网络角度看电信传输系统看电信传输系统引子引子 电信系统电信系统l一、电信系统一、电信系统l所谓电信系统是指为完成通信工作的各种协调工作的电信设备的集合。电信系统模型组成电信系统模型组成l1.发信终端设备及收信终端设备l2.传输信道l3.交换设备l4.噪声l5.信源和信宿噪声交换设备发信终端收信终端信宿信源第一部分第一部分 传输系统传输系统l第一节传输基本概念及技术第一节传输基本概念及技术l第二节第二节电信传输标准第一节传输基本概念及技术l传输系统：信源提供的语声、数据、图像等待传递信息由用户终端设备变换成电信号，经传输终端设备进行调制，将其频谱搬移到对应传输媒质的传输频
2、段内，通过媒质传输至对方后，再经解调等逆变换，恢复成信宿适用的信息形式，这一全过程信息所通过的通信设备的总和称传输系统。l凡连接两个终端设备的传输系统称信道，凡连接网络节点上两个交换设备的传输系统称链路。 1.模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号图 模拟信号与数字信号 (a) 模拟信号 (b) 数字信号 2.数字通信系统数字通信系统l无论信源产生的是模拟数据还是数字数据, 在传输过程中都要变成适合信道传输的信号形式。 在模拟信道中传输的是模拟信号, 在数字信道中传输的是数字信号。 如果信源产生的是模拟数据并且以模拟信道传输则叫做模拟通信 如果信源发出的是模拟数据而以数字信号的形式进行传输, 那
3、么这种通信方式叫数字通信。数字通信系统模型图 数字通信系统模型 3.数字信号的频谱和信道带宽数字信号的频谱和信道带宽l1. 傅立叶分析 l 任何周期信号都是由一个基波信号和各种高次谐波信号合成的, 按照傅立叶分析法可以把一个周期为T的复杂函数g(t)表示为无限个正弦和余弦函数之和: l其中a0是常数, 代表直流分量, 且为基频, an, bn分别是n次谐波振幅的正弦和余弦分量:l l2. 周期矩形脉冲信号的频谱l所谓频谱是指组成周期信号的各次谐波的振幅按频率的分布图, 这样的频谱图以频率f为横坐标, 相应的各种谐波分量的振幅u为纵坐标, 如图所示。 信号带宽信号带宽图中谐波的最高频率fh与最低
4、频率fl之差(fh-fl)叫做信号的频带宽度, 简称带宽。信道带宽信道带宽 图 信道带宽 4.数字信道的特性数字信道的特性1. 波特率和信道容量 早在1924年, 贝尔实验室的研究员亨利尼奎斯特(Harry Nyquist)就推导出了有限带宽无噪声信道的极限波特率, 称为尼奎斯特定理。 若信道带宽为W, 则尼奎斯特定理指出最大码元速率为l香农(Shannon)的研究表明,有噪声信道的极限数据速率可由下面的公式计算:5.脉冲编码调制脉冲编码调制l模拟数据通过数字信道传输有效率高、 失真小的优点, 而且可以开发新的通信业务, 例如, 数字电话系统可提供语音信箱的功能。 把模拟数据转化成数字信号,
5、要使用一种叫编码解码器(Codec)的设备。l常用的数字化技术就是所谓的脉冲编码调制技术PCM(Pulse Code Modulation), 简称脉码调制。lPCM的原理如下:l(1) 取样。 每隔一定时间间隔, 取模拟信号的当前值作为样本。尼奎斯特(Nyquist)取样定理告诉我们: 如果取样速率大于模拟信号最高频率的二倍, 则可以用得到的样本空间恢复原来的模拟信号。l(2) 量化。 取样后得到的样本是连续值, 这些样本必须量化为离散值, 离散值的个数决定了量化的精度。 图2.15中我们把量化的等级分为16级。 每个样本都量化为它附近的等级值(图2.15(a)。 l(3) 编码。 把量化后
6、的样本值变成相应的二进制代码。 按照图2.15(b)的编码方案, 我们得到相应的二进制代码序列, 其中每个二进制代码都可用一个脉冲串(4位)来表示。 这4位一组的脉冲序列就代表了经PCM编码的原模拟信号6.多路复用技术多路复用技术l多路复用技术是把多个低速信道组合成一个高速信道的技术。 图 多路复用 频分多路复用频分多路复用(FDM)lFDM(Frequency Division Multiplexing)是在一条传输介质上使用多个频率不同的模拟载波信号进行多路传输, 这些载波可以进行任何方式的调制: ASK, FSK, PSK以及它们的组合。 每一个载波信号形成了一个子信道, 各条子信道的中
7、心频率不相重合, 子信道之间留有一定宽度的隔离频带时分多路复用时分多路复用(TDM)lTDM(Time Division Multiplexing)要求各个子通道按时间片轮流地占用整个带宽(图2.23)。 时间片的大小可以按一次传送一位, 一个字节或一个固定大小的数据块所需的时间来确定。图 时分多路复用 第三节电信传输标准第三节电信传输标准l在介绍脉码调制时(第2.7节)曾提到, 对4 kHz的话音信道按8 kHz的速率采样, 128级量化, 则每个话音信道的比特率是56 kb/s。 为每一个这样的低速信道敷设一条通信线路是太不划算了, 所以在实用中要利用多路复用技术建立更高效的通信线路。 在
8、北美和日本使用很广的一种通信标准是贝尔系统的T1载波T1载波原理图图 2.25 贝尔系统的T1载波 lT1载波也叫一次群, 它把24路话音信道按时分多路的原理复合在一条1.544 Mb/s的高速信道上。l CCITT有一个类似 1.544 Mb/s的标准。l CCITT还有一个2.048 Mb/s脉冲编码调制载波标准。l CCITT T1载波还可以多路复用到更高级的载波上。 图 2.26 多路复用 第二部分光通信基本理论第二部分光通信基本理论 l第一节光纤通信l第二节 光纤的传输特性一、光纤通信的概念、使用波长一、光纤通信的概念、使用波长及传输原理及传输原理l1、光纤通信的概念l光纤通信是指以
9、光波为载体，以光导纤维为传输介质的通信方式。 使用波长范围使用波长范围l光纤通信所用的光波长范围在8001600nm的近红外区。目前所采用的三个实用通信窗口为：l短波波长段：波长为0.85微米l长波波长段：波长为1.31微米l长波波长段：波长为1.55微米图图6.2 光纤的衰减谱光纤的衰减谱 传输原理传输原理l光的传播是通过电场、磁场的状态随时间变化的规律表现出来的。在光纤通信系统中，通信光纤利用光的全反射原理传导光信号。光纤的纤芯完成光信号的传输，光纤的包层负责将光封闭在纤芯内并保护纤芯，增加光纤的机械强度。二、光纤通信的特点二、光纤通信的特点l1、传输频带宽、通信容量大l光纤的码速容量比同
10、轴电缆大5个数量级，这一巨大的码速容量对于传输线来讲是非常重要的。l2、传输衰减小、传输距离远l这对长途通信是非常有利的。l3、抗电磁干扰、保密性好、传输质量高l由于是采用光波做传输载波，不易受到外界的电磁干扰。l4、光纤尺寸小、质量轻，便于运输和敷设l5、耐化学腐蚀、适于特殊环境l6、原料资源丰富、节约有色金属l由于光纤是采用SiO2玻璃这种极易得到的有机原料制成，与用铜质电缆作为传输媒质相比，节约了大量的有色金属“铜”。三、光纤的结构三、光纤的结构l光纤是由纤芯和包层组成的，其中纤芯的折射率n1略高于包层的折射率n2，因为这样才能实现光波在纤芯中传输时的全反射。第二节第二节 光纤的传输特性
11、光纤的传输特性l一、损耗特性一、损耗特性l光波在光纤中传输时，随着传输距离的增加光功率将逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。在光纤光缆中，存在着金属电缆所没有的特有损耗。产生光损耗的原因大致分为光纤固有的损耗和光纤制造后的附加损耗。l1、吸收损耗l光波通过光纤材料时，一部分光能转变成热能，造成光功率的损失。光纤中的OH-成分引起的吸收损耗最大。l2、散射损耗l所谓散射是指光通过密度或折射率等不均匀的物质时，除了在光的传播方向以外，在其他方向也可以看到光，这种现象叫光的散射。光的散射包括瑞利散射、米氏散射、受激布里渊散射、受激拉曼散射等。l由于光纤的材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传
12、导的光与微小粒子相碰撞发生散射，由此产生的损耗叫做散射损耗。l3、波导结构不完善而引起的损耗l实际的光纤纤芯与包层的交界面并非理想光滑的圆柱面，而存在着非常微小结构的凹凸现象。这种不均匀表面能将传输模转换成辐射模，使光纤损耗增加。这种损耗可随制造工艺的改善而减小。l4、微弯损耗l光纤侧面受到不均匀压力，轴向上发生微米级 弯曲，造成纤芯与包层界面微小凹凸，产生光辐射损耗。l5、弯曲损耗l光纤弯曲的曲率半径较小，光泄露到包层中，产生损耗。l6、接续损耗l光纤接续时，两纤芯间不完全吻合，致使一根光纤的出射光泄露到包层而辐射损耗掉。色散特性色散特性l1、模l在光纤的数值孔径角内，以某一角度射入光纤端面
13、，并能在光纤的纤芯到包层界面上形成全反射的传播光线就可称为一个光的传输模式。单模光纤与多模光纤l光波在光纤中以什么模式传播, 这与芯线和包层的相对折射率, 芯线的直径, 以及工作波长有关。 如果芯线的直径小到光波波长大小, 则光纤就成为波导, 光在其中无反射地沿直线传播, 这种光纤叫单模光纤。 单模光纤比多模光纤更难制造, 因而价格更贵。单模光纤与多模光纤图示 (a) 多模光纤 (b) 单模光纤2、色散、色散l光纤中的信号是由不同的频率成分和不同的模式成分来携带的，这些不同的频率成分和不同的模式成分的传输速度不同，到达光纤终端有先有后，从而引起波形畸变的一种现象叫做色散。色散的大小由时延差表示
14、。单位：ps/km.nm。时延指信号传输单位长度时，所需要的时间。时延差是不同速度的信号在时延上的差别。l时延差越大，色散越严重。 l色散 示意图第三节第三节 光通信发展概况光通信发展概况l光通信发展概况l1966年，英籍华人高锟(C，KKAO)和Hockham从理论上证明了：用玻璃可以制成衰减为20dB/km的通信光导纤维，简称为光纤。1970年美国康宁玻璃公司首先制造出衰减为20dB/km的光纤。在各种材料制成的光纤中，石英光纤衰减小、性能稳定、强度大，因此被广泛使用。到1974年，人们已将光纤的衰减降低到2dB/km。在1980年，长波长窗口(1.55m)的衰减低达0.2dB/km,接近
15、理论值。l 1977年美国在芝加哥相距7km的两电话局间，首次使用波长为0.85m的多模光纤，成功地进行了码速为44.736Mbit/s的光纤通信系统现场试验。短波长(0.85m波段)多模光纤系统称为第一代光纤通信系统。l1981年实现了局间使用1.3m多模光纤的通信系统，这类系统称为第二代光纤通信系统。l1984年实现的1.3m单模光纤系统，称为第三代光纤通信系统，广泛应用于长途和跨洋通信中。l 80年代中后期又推出了1.55m单模光纤通信系统，即第四代光纤通信系统。 l很快。不管在陆地上还是在海底都建起了光纤传输网，全世界敷设的光缆总长超过了几千万公里。光传送网的技术体制从准同步数字体系(
16、PDH)发展到同步数字体系(SDH)，数字速率从几百兆比特每秒发展到吉比特每秒；但由于时分复用(TDM)的技术的限制，以SDH技术为基础的传送网吞吐量仍然十分有限，而各种语音、数据、图像等通信业务量猛增又要求传送网提供更大的带宽和容量，因此90年代中期波分复用(WDM)技术应运而生。lWDM能够在一根光纤上传送多路光信号，多路信道的间隔从大于25 nm发展到小于3.2nm，后者称为密集波分复用(DWDM)。单波长信道速率为2.5 Gbit/s或10 Gbit/s时，采用DWDM技术就可在单根光纤上实现太比特每秒数量级的超高速、超大容量传输。光传送网光传送网(OTN) l因特网的兴起，数据业务量
17、的爆炸性增长，推动了传输技术和传送网的发展。在光纤传输线路上加上光放大器，形成了更大容量、更长距离的传输系统，从而减少了线路中光/电、电/光转换的电中继再生器。l DWDM的技术发展和应用是组建光传送网(OTN)的关键。以波分复用器件和光网络单元，如光交叉连接器(OXC)、光分插复用器(OADM)等，组成不同的拓扑结构，提供以波长为单位的透明通道，在光域上实现光信号的传输、复用、路由、监控、保护等功能。这样的网络才称之为光传送网。l 光传送网和传统的传送网相比，具有如下优点：l (1)传输容量大(可适应未来B-ISDN对传输容量的要求)、成本低、便于网络扩展和升级；l (2)提供透明光平台，可
18、作为不同信号格式、比特率和调制方式的光信号的传输载体；l (3)具有灵活组网能力，能对波长通道重选路由改变网络的逻辑拓扑，提供网络故障恢复和监测；l (4)避免了光信号的光/电、电/光转换及其昂贵的转换设备，既提高了网络单元的吞吐量，又减少了设备投资。l光网络的这些优势使得光传送网的相关技术发展十分迅速。单纤的复用通道数从几路扩大到十几路、32路、64路、128路等等。单信道的传输速率也从几吉比特每秒发展到上百吉比特每秒，而且2.5 Gbit/s、10 Gbit/s传输速率的设备已经商用。EDFA和Raman光放大技术及器件将进一步提高传输距离和带宽，并降低系统成本。各种类型的光网络单元设备正在被研制，如可任选波长分插的16波长OADM，容量为32x10Gbit/s的OXC，可灵活配置不同的波道速率、具有不同容量(160x10Gbit/s、640x2.5 Gbit/s等)的OADM等。为了在光传送网上实现光通道层的自动交换，ITU-T提出了自动交换光网络（ASON）的概念,并对其进行了标准化，基于ASON的下一代光传送网络将成为一个更为灵活、可靠、可扩展的智能化光传送网络。谢谢！
