06197现代通信技术（第2版）魏东兴冯锡钰光纤章节5章

第五章 光通纤信系统及新技术,本章内容： 51 系统结构与类型 52 数字光纤通信系统 53 光同步数字传输网 54 光纤通信系统的设计 55 模拟光纤通信系统 56 光纤接入网 57 光放大技术 58 光波分复用技术 59 相干光通信技术 510 光孤子通信 511 全光通信网 512 光时分复用技术,5.1 系统结构与类型,5.1.1 系统结构,1. 点对点传输,2.光纤分配网,3. 局域网（LAN）,利用光纤将相对位置较近（10km）的终端连接起来,5.1.2 光纤通信系统的类型,1.按传输信号分类,数字系统: 优点:抗干扰能力强、传输质量好，可以采用再生中继、传输距离长，适用各种业务的传输、灵活性大，容易实现高强度的保密通信，数字电路易于集成、减少设备体积和功耗、增强设备可靠性、便于与计算机结合。 缺点:是占用频带较宽 应用：公用通信网中的长途干线和市内局间中继线路,2.按光纤传输特性对系统限制分类,损耗限制系统：光纤的带宽足够宽，经过较长距离传输以后，光脉冲的畸变并不严重。在这种情况下，传输距离L主要受光纤损耗限制。 0.85m波段上，由于光纤损耗较高（典型值为2.5dB/km），根据码速率的不同，中继距离通常被限制在1030km。 长波长1.3m和l.55m波段上（光纤在1.3m处损耗值为0.5dB/km，1.55m处为0.25dB/km），中继距离可以达到100200km。,模拟系统: 频带较窄，电路简单、价格便宜 应用：CATV系统,色散限制系统 ：当光纤的损耗很小，而系统的码速率又足够高时，中继距离取决于光纤的总色散 1.3m波长的单模光纤通信系统，在B1Gbps以下为损耗限制系统，码速率在1Gbps以上时可能成为色散限制系统。 1.55m波长处光纤具有最小的损耗，1.55m波长的光纤通信系统主要受限于光纤的色散,5.2 数字光纤通信系统,数字系统各部分的作用,1. 发射端机 2光中继器 3接收端机 4备用系统与辅助系统,5.2.1、数字光纤通信系统的组成,5.2.2 系统的性能,1误码性能 产生原因：噪声、码间干扰等 BER10-6，则语音十分清晰，感觉不到噪声和干扰； BER达到10-5，则在低声讲话时就会感觉到干扰存在，听到个别的“喀喀”声； BER高达10-3，则不仅感到严重的干扰，而且可懂度也会受到影响。,2抖动性能 定义是：数字信号在各有效瞬时对标准时间位置的偏差。 产生原因：电路的质量、输入信号的状态和输入码流中的连“0”码数目 后果：信号失真、误码率增大,5.3 光同步数字传输网(SDHSynchronous Digital Hierarchy ),5.3.1 SDH的产生原因PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy ）的问题 PDH两种制式： 北美各国和日本：以1.544Mb/s为第一级（一次群，或称基群）的系列。 西欧各国和中国：以2.048Mb/s为第一级（一次群或基群）的系列 PDH体系构成,PDH的缺点 （1）北美、西欧和亚洲所采用的三种数字系列互不兼容，没有世界统一的标准光接口，使得国际电信网的建立及网络的营运、管理和维护变得十分复杂和困难。 （2）各种复用系列都有其相应的帧结构，没有足够的开销比特，使网络设计缺乏灵活性，不能适应电信网络不断扩大、技术不断更新的要求。 （3）由于是异步复接，低速率信号插入到高速率信号，或从高速率信号分出，都必须逐级进行，不能直接分插，因而复接/分接设备结构复杂，上下话路价格昂贵。,5.3.2 SDH的特点,1.完全基于光通信的标准，采用世界上统一的标准传输速率等级，STM-1（155.520Mbps ）、STM-4（622.080Mbps）、STM-16 （2488.320Mbps ） 2. SDH各网络单元的光接口有严格的标准规范。 开放型接口 、不同厂家的产品可以互通 3. 在SDH帧结构中，丰富的开销比特用于网络的运行、维护和管理便于实现性能检测、故障检测和定位、故障报告等管理功能。 4. 采用数字同步复用技术，其最小的复用单元为字节，不必进行码速调整，简化了复用分接的实现设备，由低速信号复接成高速信号，或从高速信号分出低速信号，不必逐级进行。 5. 采用数字交叉连接设备DXC可以对各种端口码速率进行可控的连接配置，对网络资源进行自动化的调度和管理，既提高了资源利用率，又增强了网络的抗毁性和可靠性。,5.3.3 SDH的帧结构,段开销（SOH） 信息载荷（Payload） 管理单元指针（AU-PTR）,5.3.4 SDH网络（见教材）,图中，TM：终端复用器；ADM：分插复用设备 DXC：数字交叉连接设备；,5.4 光纤通信系统的设计,工作波长的选择 0.85m、1.31m和1.55m 2. 预选光源光纤光检测器的组合 LED多模光纤PIN光电二极管； LED多模光纤APD； LD多模光纤PIN光电二极管； LD多模光纤APD； LD单模光纤APD。,5.4.1总体考虑,5.4.2 中继距离的计算,1功率预算，亦即损耗限制系统中继距离的计算 2色散计算，亦即色散（带宽）限制系统中继距离的计算 3系统的带宽,根据光发射机功率、接收机灵敏度、系统码速和误码率要求，来确定系统可能达到的传输距离 损耗限制系统 色散限制系统,5.5 模拟光纤通信系统,5.5.2 副载波复用（SCM）光纤传输系统,1系统的组成,5.5.1 调制方式 1. 模拟基带直接光强调制 模拟电视监控系统 2. 模拟间接光强调制 FM、PFM、SWFM 3. 频分复用光强调制 副载波复用（SCM）,SCM CATV系统,特性参数,信号失真 半导体激光器在电/光转换时的非线性效应 交调干扰 载噪比,5.6 光纤接入网,电信网：传输网、交换网和接入网,其中接入网的传送媒质已由单一的双绞线铜线发展为：铜线、光纤和无线等,其中光纤接入网：PON、AON、HFC 目前发展到FTTB、FTTC、FTTH、FTTO等,去5.6.5,5.6.1 接入网概述,5.6.3 无源光网络 PON,图（a）电视信号为模拟 图（b）中的电视信号为数字信号,PON中的多址技术,FDMA、TDMA、WDMA,5.6.4 有源光网络,ODT可以是一个有源复用设备,5.6.5光纤同轴电缆混合网 HFC Hybrid Fiber Coaxial 基于CATV的双向网络,2. HFC系统的频谱安排,540MHz为上行通道 50550MHz 传输模拟电视 60CH 550750MHz 传输数字电视 7501000MHz 用于各种双向通信业务， 其中695735MHz和9701000MHz用于个人通信业务,5.7 光放大技术（Optical-amplifier ）,主要应用于中继器 传统的是光电中继器,又称半导体光放大器SOA：Semicondutor Optical Amplifier 缺点：设备复杂、体积大、功耗大等缺点，尤其是在多信道复用和双向复用光纤通信系统中，用这种中继方式将变得系统复杂和成本上升,光放大器,半导体激光放大器 非线性光纤放大器 掺杂光纤放大器 最为成熟、应用最广的光放大器是掺Er3+光纤放大器EDFA-Erbium-Doped Fiber Amplifier,5.7.1 EDFA工作原理,铒离子在泵浦光作用下产生粒子数反转对入射光信号提供光增益 泵浦光源（光泵）1480nm的半导体激光器 波长为1.55m的信号光通过光耦合器与泵浦光同时耦合进入掺铒光纤，在泵浦光作用下，铒离子产生粒子数反转分布,5.7.2 EDFA的优点和应用,EDFA的主要优点有： (1)工作波长正好落在光纤通信最佳波段（15001600nm）；其主体是一段光纤（EDF），与传输光纤的耦合损耗很小，可达0.1dB。 (2)增益高，约为3040dB；饱和输出光功率大，增益特性与光偏振状态无关。 (3)噪声指数小，一般为47dB；用于多信道传输时，隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。 (4)频带宽，在1550nm窗口，频带宽度为2040nm，可进行多信道传输，有利于增加传输容量。 如果加上1310nm掺镨光纤放大器（PDFA），频带可以增加一倍。所以“波分复用光纤放大器”被认为是充分利用光纤带宽增加传输容量最有效的方法。,EDFA应用,中继放大器 前置放大器 后置放大器,5.8 光波分复用技术WDM (WDMA),WDM技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的技术,通信容量的需求、EDFA技术的成熟，低成本的利用现有的光纤线路扩容 长波长1.3m和1.55m波分复用 DWDM：040nm带宽内复用多个波长的信号 在1.55m波段对应100GHz频率间隔,5.8.2 WDM系统的构成及特点,系统的构成,5.8.1 概述,End of Ch5-1,5.8.3 光波分复用器与解复用器,无源、有源两种,其中无源主要包括：角度色散型、光滤波器型、光纤耦合器型,1.角度色散型,满足光栅方程,5.8.3 光波分复用器与解复用器（C1）,2.光滤波器型,（1）干涉膜滤波器型,（2）Mach-Zahnder滤波器型,5.8.3 光波分复用器与解复用器（C2）,2. 光滤波器型,（3）阵列波导光栅,3光纤耦合器型,5.9 相干光通信技术,5.9.1 系统的组成与工作原理,分为零差检测 与外差检测,5.9.2 相干光通信的优点和关键技术,关键技术： 1、光源的频率稳定性 ，不容易实现 2、接收信号光波和本振光波的偏振必须匹配,优点： 1、接收灵敏度高 2、很好的频率选择性 3、可用调幅、调频和调相等多种调制方式 缺点： 对光源、调制、传输、接收的要求比IMDD严格得多,电路框图,5.10 光孤子通信,解决的光纤的损耗和色散 定义：所谓光孤子是经过光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲（ps数量级）。,5.10.1 光孤子的形成,非线性效应（自相位调制SPM）和色散效应（群速度色散GVD）的相互抵消，产生光孤子。,引起光场的相位变化，即自相位调制（SPM） ：,折射率n将随光强而变化，即：,5.10 光孤子通信（C1）,5.10.2 光孤子通信系统,实验结果：对光纤线路直接实验系统，在传输速率为10Gbps时，传输距离达到1000km；在传输速率为20Gbps时，传输距离达到350km。 对循环光纤间接实验系统（如图5-52b所示），传输速率为2.4Gbps，传输距离达到12000km；改进实验系统，传输速率为10Gbps，传输距离达106km。,5.11 全光通信,5.11.1 光传送网的概念 电信号的信息处理及交换速率达到极限，“瓶颈”光传送网（OTN） OTN是一种以波分复用（WDM）与光信道技术为核心的新型通信网络传输体系，它由光分插复用（OADM）、光交叉连接（OXC）以及光放大（OA）等网元设备组成，具有超大传输容量、对承载信号透明性及在光层面上实现保护和路由选择（波长选路）功能。,5.11.2 光传送网的分层结构,5.11.3 光分插复用器,1、基于解复用/复用结构,2基于光纤马赫-泽德（Mach-Zahnder）干涉仪加上光纤布喇格光栅结构,3基于光纤耦合器加上光纤布喇格光栅结构,4基于光纤光栅加上光纤环行器结构,5基于介质膜滤波器加上光纤环行器结构,5.11.4 光交叉连接器,三类，即光纤交叉连接（FXC）、波长固定交叉连接（WSXC）和波长可变交叉连接（WIXC）,1光纤交叉连接,2波长固定交叉连接,3波长可变交叉连接,5.12 光时分复用技术 OTDM,OTDM关键技术有：超短光脉冲光源；超短光脉冲的长距离传输和色散抑制技术；帧同步及路序确定技术；光时钟提取技术；全光解复用技术。,光纤通信部分结束,