《通信技术基础》第7章

本章学习目标
理解光传输的基本概念、了解光传输系统及其技术 发展 了解光传输原理、光传输系统组成及其性能 了解传送网概念及体系结构，了解SDH原理、设备 与SDH光传送网技术 了解光波分复用技术的概念 了解光传输网络应用现状，了解光信息网络的发展
7.1 光传输概述
光波属于电磁波范畴，其中，紫外线、可见 光、红外线都属于光波 光传输是以光波为载波，以光导纤维为传输 介质的信息传输过程或方式 光传输与电传输的主要区别： 以高频率光波作为载波传输信号 用光缆作为传输介质
7.2 光传输系统
光传输系统可归结为“电−光−电”的简单模型 所传输的信号必须先变成电信号，然后转换成光信 号在光纤内传输，再将光信号变成电信号 整个过程中，光纤部分只起到传输作用，对于信号 的生成和处理，仍由电系统来完成。
7.2.1 光传输原理 1. 光传输过程
数字光传输系统组成： PCM终端设备 数字复用设备 光端机（双向） 光纤 光中继设备（双向） 电端机 备用系统 辅助系统
光传输系统的主要性能指标
【例】光纤数字通信系统的抖动容限测量 在测量输入抖动容限时，常使用低频信号发生器在 100 ~ 300 Hz 范围内选若干频率点，对伪随机码发 生器进行调制，同时检测系统的误码情况；然后逐 步加大低频信号发生器的输出幅度直到出现误码， 此时从脉冲编码调制（PCM）系统分析仪上可测出 相应频率点上的输入抖动容限
7.2.2 光传输系统的组成 数字光传输系统的基本组成
光传输系统的组成 光端机和电端机
光端机和电端机在系统中的作用
光传输系统的组成
光发送机：将PCM设备所送电信号进行电／光变换， 并处理成为满足一定要求的光信号后送光纤传输 光接收机：把经光纤传输后脉冲幅度被衰减、宽度 被展宽的微弱光信号转变为电信号，并放大、再生， 恢复出原来的信号 电端机：把模拟信号转换为数字信号，完成PCM编 码，并按时分复用的方式把多路信号复接、合群， 从而输出高比特率的数字信号；电接收端机则完成 与发射端机的相反变换。电端机包括PCM基群终端 机和高次群复接（或分接）设备
光传输系统的主要性能指标 2. 抖动特性
抖动是数字信号传输过程中的瞬时不稳定现象。抖 动严重时将使接收机因脉冲移位而引起误码。传输 速率越高，抖动的影响越大 产生抖动的主要原因：随机噪声、时钟恢复电路的 谐振频率偏移、接收机的码间干扰及数字复接系统 的复接分接过程、光缆的老化等。多中继长途通信 方式中的抖动具有累计性 抖动应限制在一定范围内，即抖动容限，包括输入 抖动容限和输出抖动容限
光传输系统及其技术发展
（4）按系统工作方式划分 相干光传输系统：接收机灵敏度高，通信容量大， 设备复杂 全光通信系统：不要求光电变换，通信质量高 波分复用系统：通信容量大，扩容方便，成本较低
光传输系统及其技术发展 2. 光传输技术的发展
第1阶段：短波长低速率多模光传输 第2阶段：光纤从多模发展到单模（提高传输速率和 增加传输距离） 第3阶段：长波长单模光传输（超大容量超长距离） 第4阶段：采用1.55 μm低损耗窗口；SDH同步传输 网络（可达2.5 Gbit/s），中继距离为80 ~ 120 km 第5阶段：采用密集波分复用技术，基于IP的光信息 网络不断发展
光传输原理
光传输基本过程
光传输原理 2. 光调制
光传输也可分为模拟通信和数字通信两种： 模拟光传输：光信号强度随电信号的变化而线性变 化（即有“明”、“暗”之分） 数字光传输：光信号与数字电信号相似，只有两种 状态“1”和“0”（即“亮”和“灭”）
光传输原理
（1）直接调制方法 光传输系统普遍采用 “数字编码−强度调制−直接检 测”（IM／DD）方法 直接调制是一种光强度调制（IM）的方法。强度是 指单位面积上的光功率。强度调制就是在发送端用 电信号通过调制器控制光源的发光强度，使光强随 着信号电流线性变化，从而将电信号转变成相应的 已调光信号送入光纤进行传输
光传输的特点 1. 光传输的优势
传输频带宽、通信容量大 损耗低，中继距离长 电磁兼容性和环境兼容性优良 体积小、质量轻、可挠性好 资源丰富，节约有色金属
光传输的特点 2. 数字光传输系统的技术特点
易与程控交换机相连接 采用了专用超大规模集成电路、混合集成电路以及 表面安装技术，使设备的可靠性大大提高 采用PCM技术，便于利用终端设备上的计算机，实 现全系统的检测与监控 扩容方便。波分复用技术使得光传输（在不增加光 纤芯数时）的容量大幅度提高
7.1.1 光传输的基本概念 1. 光纤及其分类
光纤基本结构：由纤芯和包层构成的同心圆柱体 光缆：若干根光纤按一定方式组合起来，外面再包 上护套，在包层外面还有涂覆层，可保护光纤表面 并提高光纤抗拉强度 光纤是一种介质波导，具有把光封闭在其中并沿轴 向传播的波导结构，纤芯和包层的折射率不同。纤 芯完成光信号的传输，包层将光信号封闭在纤芯中 并保护纤芯，纤芯的折射率大于包层的折射率
光传输的基本概念
实际通信线路中，将光纤制成不同结构、不同形式 和不同种类的光缆，使其具备一定的机械强度，能 承受工程中拉伸、侧压和各种外力作用，并能在各 种环境条件下使用，保证传输性能的稳定和可靠
光传输的基本概念
光纤结构示意图
光传输的基本概念 2. 光纤的传输特性
（1）损耗 光波在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功 率会不断下降 光纤对光波产生的衰减作用称为损耗。光纤的损耗 特性用衰减系数（损耗系数）衡量，用于评价光纤 质量和确定光传输系统的中继距离。 光纤自身的损耗：吸收损耗和散射损耗等
光传输系统的组成
光中继器：补偿光能量的损耗，恢复信号脉冲形状， 延长光信号传输距离 。光−电−光中继器由完成光／ 电变换的光接收端机（无码型变换）及完成电／光 变换的发送端机（无功放与码型变换）组成 掺铒光纤放大器（EDFA）：具有高增益、低噪声、 对偏振不敏感、放大带宽较宽、易于与光传输系统 连接等优点。EDFA 可直接接入光纤传输链路，作 为在线放大器（或作为光中继器）取代光−电−光中 继器，实现光−光放大 辅助系统和备用系统
现代通信技术基础
Introduction to Modern Communication Technology
课程提要
通信网基础技术 电信交换 数据通信
无线通信
移动通信
光传输网
宽带网络通信
第7章 光传输网
移动通信概述 移动通信关键技术
A B C
GSM移动通信系统
CDMA移动通信系统
D
E
第三代移动通信系统
光传输的基本概念
（3）按套塑层的不同而分类 紧套光纤：光纤各层之间紧贴，光纤由套管紧箍； 光纤与套管间有一缓冲层，可减小外部应力对光纤 的作用；其结构简单，使用和测试较为方便 · 松套光纤：护套为松套管，光纤能在其中松动；其 机械性能、防水性能较好，便于成缆；若一根管内 放入2 ~ 20根光纤，可制成光纤束（称松套光纤束）
光传输的基本概念
（2）按折射率分布不同而分类 阶跃光纤：即阶跃折射率分布光纤，结构简单，是 光纤研究的早期产品 渐变光纤：即渐变折射率分布光纤。渐变型多模光 纤介于单模光纤的较高带宽与阶跃型多模光纤之间， 其芯线直径大，对接头和活动连接器的要求都不高， 比单模光纤使用方便，故对低次群系统较为实用， 现仍大量用于局域网中
光传输系统及其技术发展
（2）按光纤传输模式划分 多模光传输系统：石英多模光纤，传输容量较小， 一般在140 Mbit/s以下 单模光传输系统：石英单模光纤，传输容量大，一 般在140 Mbit/s以上
光传输系统及其技术发展
（3）按传输信号形式划分 光纤数字通信系统：传输数字信号，抗干扰能力强， 通信质量高 光纤模拟通信系统：传输模拟信号，适用于短距离 传输，成本较低
光传输的基本概念 3. 光传输的波长
光传输系统工作在近红外区，波长为 0.8 ~ 1.71μm， 相应的频率段为 176~375 THz 。光纤的损耗系数随 着波长而变化 光传输的工作波长范围和低损耗特性实用窗口： 短波长波段：0.8 ~ 1.0 μm 实用工作波长为0.85 μm 长波长波段：1.0 ~ 1.8 μm 实用工作波长为1.31 μm 和1.55 μm
光传输的基本概念
（2）色散 光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成 分所携带，传输速度也不同，可能导致信号畸变 在数字光传输系统中，色散将使光脉冲产生时间上 的展宽。当色散严重时，会导致光脉冲前后相互重 叠，造成码间干扰，增加误码率。色散影响传输容 量，并限制了光传输系统的中继距离 光纤的色散通常以色散系数、最大时延差和光纤带 宽等不同方法表征
7.1.2 光传输的特点
光传输是是利用半导体激光器（LD）或发光二极管 （LED）作为光源，把电信号转换成光信号并将其 耦合进光纤中进行传输；在接收端使用光检测器， 如光电二极管或雪崩光电二极管等，将光信号再还 原成电信号的一种通信方式 在光传输中起主导作用的是产生光波的激光器和传 输光波的光导纤维
光传输的基本概念
（1）按传导模式数量而分类
传导模式：光波沿光纤远距离传输时的电磁波分布形式
单模光纤：在给定工作波长上只传输最低阶模式的 单一基模的光纤，不存在模式色散；传输带宽相当 宽，适用于长距离、大容量的光纤系统 多模光纤：光纤芯内传输多个模式的光波，其纤芯 直径较大；不同模式在同一频率下传输，各自相位 常数不同，群速率不同，模式间存在时延差；适用 于中距离（10~100 km）、中容量的光传输系统
7.2.3 光传输系统的主要性能指标 1. 误码特性
数字光传输系统的误码率（BER）定义 BER＝误判码元数／传输的总码元数 误码率是数字信息在传输过程中发生差错的概率。 传输电话时用每分钟误码的数量级表述；传输数据 码组时，关注传输数据时刻有无误码发生。实际测 量中指在一段时间间隔内，传输码流中出现错误的 码元数与传输总码元数之比
光传输的基本概念
由色散引起的光脉冲宽度展宽
光传输的基本概念
（3）非线性效应 在高强度电磁场中，任何电介质对光的响应都会变 成非线性；而在光传输中，激光器输出的高功率将 导致光纤的非线性效应 非线性效应对于光传输系统有两方面的作用： 一方面可引起传输信号的附加损耗、波分复用系统 中信道之间的串话、信号载波的移动等 另一方面又可被利用开发新型器件（如放大器、调 制器等）
光传输的特点 3. 光纤连接问题及技术发展
光纤的缺点：光纤质地脆、抗拉强度低、防水性能 差，要求有较好的切断和连接技术，分路与耦合较 费时等 工艺改进：光纤自动熔接机等
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7.1.3 光传输系统及其技术发展 1. 光传输系统的分类
（1）按光波长划分 短波长光传输系统：工作波长为0.8 ~ 0.9 μm，中继 距离短，一般在10 km以内 长波长光传输系统：工作波长为1.0 ~ 1.6 μm，中继 距离长，可达100 km以上 超长波长光传输系统：工作波长为2 μm以上，中继 距离长，可达1 000 km以内
传输不同信号时的抖动容限一般有所不同： 传输语言或数据信号，系统抖动容限应小于4%
光传输原理
（2）间接调制方法 间接调制：利用晶体的电光效应、磁光效应、声光 效应等性质，来实现对激光辐射的调制，适用于半 导体激光器和其他类型的激光器。其常用外调制的 方法，即在激光形成后加载调制信号 间接调制方法：在激光器谐振腔外的光路上放置调 制器，在调制器上加调制电压，使调制器某些物理 特性发生相应变化，当激光通过调制器时得到调制
光传输的基本概念 4. 光传输中的线路码型
光纤数字传输系统并不直接传输由电端机传输的 数字信号，而是经过编码，变换成码速率略高一些 的适用于光传输系统中的线路码 mBnB码（又称分组码）：使变换后的码流产生多余 比特，用来传送与误码检测相关的信息 插入比特码：把输入的信息码流按m比特分为一组， 再在每组的m位之后插入一个比特，组成线路码 加扰码：把已知二进制序列按一定方法加入到信息 码流中；在接收端用同样方法再恢复出原信息码流