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1、课题二 数字光纤通信系统课题二 数字光纤通信系统课题二 数字光纤通信系统一、光纤一、光纤二、光缆二、光缆三、光纤通信系统的基本组成三、光纤通信系统的基本组成四、光波分复用（四、光波分复用（WDM）系统）系统课题二课题二 数字光纤通信系统数字光纤通信系统课题二 数字光纤通信系统瑞典皇家科学院宣布，将年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及两位美国科学家。高锟获奖，是因为他在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”做出了突破性成就。 课题二 数字光纤通信系统一、 光纤的发明及发展（课外拓展知识）1、 高琨：光纤之父2009年诺贝尔物理学奖得主，拥有英国和美国双重国籍的物理学家、北京邮电大学名誉
2、教授。1）国内历程：高锟1933年生于上海。他父亲是律师，家住在当时的法租界，小学时代是在上海度过的。童年的高锟对化学最感兴趣，他曾经自己制造过灭火筒、焰火?烟花和晒相纸。最危险的一次是自制炸弹?后来?他又迷上了无线电，小小年纪就曾成功地装了一部有五六个真空管的收音机。2) 香港及英国历程：1948年，他们举家迁往香港。高锟先是入读圣约瑟书院，后来曾考入香港大学。但当时的高锟已立志攻读电机工程，而港大没有这个专业，于是他辗转就读了伦敦大学。毕业后，他加入英国国际电话电报公司?ITT任工程师，因表现出色被聘为研究实验室的研究员，同时攻读伦敦大学的博士学位，1967年毕业。课题二 数字光纤通信系统
3、3）发明石英玻璃，制造光纤：1966年，高锟提出了用玻璃代替铜线的大胆设想：利用玻璃清澈、透明的性质，使用光来传送信号。他当时的出发点是想改善传统的通讯系统，使它传输的信息量更多、速度更快。对这个设想，许多人都认为匪夷所思，甚至认为高锟神经有问题。但高锟经过理论研究，充分论证了光导纤维的可行性。不过，他为寻找那种“没有杂质的玻璃”也费尽周折。为此，他去了许多玻璃工厂，到过美国的贝尔实验室及日本、德国，跟人们讨论玻璃的制法。那段时间，他遭受到许多人的嘲笑，说世界上并不存在没有杂质的玻璃。但高锟的信心并没有丝毫的动摇。他说：所有的科学家都应该固执，都要觉得自己是对的，否则不会成功。后来，他发明了石
4、英玻璃，制造出世界上第一根光导纤维，使科学界大为震惊。4）贡献：高锟的发明使信息高速公路在全球迅猛发展，这是他始料不及的。他因此获得了巨大的世界性声誉，被冠以“光纤之父”的称号。美国耶鲁大学校长在授予他“荣誉科学博士学位”的仪式上说：“你的发明改变了世界通讯模式，为信息高速公路奠下基石。把光与玻璃结合后，影像传送、电话和电脑有了极大的发展”高锟此后几乎每年都获得国际性大奖，但由于专利权是属于雇用他的英国公司的，他并没有从中得到很多的财富。中国传统文化影响极深的高辊 ，以一种近乎老庄哲学的态度说：“我的发明确有成就，是我的运气，我应该心满意足了。”课题二 数字光纤通信系统2、光纤通信发展历程：1
5、）国外的发展状况：A、1880年，美国人贝尔发明了用光波做载波传送语音的“光电话”，该光电话就是现代光通信的雏形。B、1960年，美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器，给光通信技术带来了新的希望，正是激光器的发明及应用，才使得沉睡了80年的光通信技术进入一个崭新的阶段。但是由于找不到稳定可靠和低损耗的传输介质，对于光通信的研究再次走入低潮。C、1966年，英籍华人高锟和霍克哈姆共同发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信即光纤通信技术的基础。20 世纪70年代，光纤的研制取得了重大的突破：D、1970年，美国康宁公司研制成功损耗为20dB/k
6、m的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。 课题二 数字光纤通信系统E、1972年，康定公司又研制成功高纯石英多模光纤，将损耗降之4dB/km。1974年，美国贝尔实验室的光纤损耗降低到1.1dB/km。F、1976年，日本电报电话公司将光纤损耗降到0.47dB/km。十年以后，光纤损耗更是达到了0.154dB/km 的惊人数值，该数值已经十分接近光纤最低损耗的理论极限。G、1976 年，光纤通信系统进入实质性实验阶段。H、1989年，第一条横跨太平洋的海底光缆通信系统建成，自此，光纤通信系统的建设于全世界范围内全面展开。课题二 数字光纤通信系统一一. 光纤光纤光纤通信：以光波为载波，
7、以光纤为传输媒介的通信技术。 1. 光纤光纤光纤：光导纤维，是一种能导光的、直径很细的透明玻璃丝，是一种新的传输介质。2. 光纤的导光原理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,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。课题二 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,
8、其折射率分别为n0,n1而且n1n0,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,折射角为1折射光线与YY夹角，由图可见，10。课题二 数字光纤通信系统图5.3光的折射示意图课题二 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
9、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。课题二 数字光纤通信系统图5.4临界角和光线的全反射课题二 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
10、、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线。光纤芯线结构如图5.5所示。3.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。课题二 数字光纤通信系统图5.5光纤芯线的剖面构造课题二 数字光纤通信系统4. 单模光纤及特性参数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
11、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(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。课题二 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410m,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。课题二 数字光纤通信系统图5.6
12、裸光纤结构示意图(a)阶跃型多模光纤(SI);(b)梯度型多模光纤(GI);(c)单模光纤课题二 数字光纤通信系统二、光缆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。1、根据不同的用途和条件,制成的光缆种类很多,但其基本结构是相同的。光缆主要由缆芯、护层和加强构件组成。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。课题二 数字光纤通信系统课题二 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
13、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、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。课题二 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课题二 数字光纤通信系统2)加强构件由于光纤的材料比
14、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。加强构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。光缆的护层又分内护层和外护层,内护层一般采用聚乙烯或聚氦乙烯等,外护层可根据敷设条件而定,要采用由钻带和聚乙烯组成的LAP外护套加钢丝铠装等。课题二 数字光纤通信系统2、光缆的种类在公用通信网中用的光缆结构如表5.2所示。下面介绍几种有代表性的光缆结构形式。(1)层绞式光缆。它是将若
15、干根光纤芯线以强度元件为中心绞合在一起的一种结构,如图5.9(a)所示。特点是成本低,芯线数不超过10根。(2)单位式光缆。它是将几根至十几根光纤芯线集合成一个单位,再由数个单位以强度元件为中心绞合成缆,如图5.9(b)所示,其芯线数一般适用于几十芯。课题二 数字光纤通信系统(3)骨架式光缆。这种结构是将单根或多根光纤放入骨架的螺旋槽内,骨架中心是强度元件,骨架上的沟槽可以是V型、U型或凹型,如图5.9(c)所示。由于光纤在骨架沟槽内具有较大空间,因此当光纤受到张力时,可在槽内作一定的位移,从而减少了光纤芯线的应力应变和微变,这种光纤具有耐侧压、抗弯曲、抗拉的特点。(4)带状式光缆。它是将41
16、2根光纤芯线排列成行,构成带状光纤单元,再将多个带状单元按一定方式排列成缆,如图5.9(d)所示。这种光缆的结构紧凑,采用此种结构可做成上千芯的高密度用户光缆。课题二 数字光纤通信系统课题二 数字光纤通信系统图5.9光缆的基本结构(a)层绞式；(b)单位式；(c)骨架式；(d)带状课题二 数字光纤通信系统3、光纤的连接：1）永久连接：类似于电线电缆中的焊接（采用播放连接视频讲授）2）活动连接：类似于插座与插头的连接。课题二 数字光纤通信系统三、数字光纤通信系统的组成三、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,它由光发射机、光纤和光接收机三大基本部分构成。现在普遍采用的数字光纤
17、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字脉冲信号。光纤通信系统组成原理方框图如图5.1所示。课题二 数字光纤通信系统图5.1光纤通信系统组成原理方框图课题二 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
18、。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),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。课题二 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课题二 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
19、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。课题二 数字光纤通信系统33四、光波分复用的基本概念 1.光波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）技术指在一根光纤上能同时传送多波在一根光纤上能同时传送多波长光信号的一项技术。长光信号的一项技术。它是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开（解复用）并作进一步处理，恢复出原信号送入不同的终端。因此，此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用（WDM）技术。课题二 数字光纤通信系统2、传输原理：1）把信号通过光源变成不同波长的光波信号。2）通过光波分复用设备耦合在一根光纤中传播。3）接收端把光耦合信号解复用，通过光检测器取得多波长光信号。
