光通讯基础知识

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光纤通信发展方向
1、传输速率达到Tb/s的系统设备 2、掺杂有关化学元素（如铒、镨等）的光纤
~40
~80
STM-1 I-1 S-1.1 S-1.2 L-1.1 L-1.2 L-1.3
STM等级 STM-4 I-4 S-4.1 S-4.2 L-4.1 L-4.2 L-4.3
STM-16 I-16 S-16.1 S-16.2 L-16.1 L-16.2 L-16.3
G.652:1310nm性能最佳的色散未移位单模光纤
2
SJTU
二 光纤光缆
光纤是用石英玻璃、塑料或晶体等对某个波长 范围透明的材料制造的能传输光的纤维。由纤 芯和包层组成，纤芯的折射率比包层的高。
光纤的特征和性能：
1.几何和结构参数：芯径、外径、数值孔径、折射率分 布等。
2.光传输特性：工作波长、传输损耗和带宽、色散、偏 振特性等。
3.环境特性：高低温特性、抗微弯和弯曲特性、抗辐射 特性、抗疲劳特性、机械筛选强度等。
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接收机在R点的特性
灵敏度：R点处为达到10-10的BER值所 需要的平均接收光功率的最小可接受值
过载功率：R点处达到10-10的BER值所 需要的平均接收光功率的最大可接受值
反射系数：R点处的反射光功率与入射 光功率之比
光通道功率代价：包括反射和由码间干 扰、模分配噪声、激光器声引起的总色 散代价
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SDH的复用结构
STM-N AUG AU4 VC4 x1
xN x3
x3
AU3 VC3
指针调整
加POH或SOH
映射 定位 复用
C4
TUG3 x1 TU3 VC3
x7
C3
x7 TUG2 TU2 VC2 C2 x1 x3 TU12 VC12 C12
x4 TU11 VC11 C11
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
SJTU
同步数字系列（SDH---Synchronous Digital Hierarchy） SDH是由一些网络单元(NE)组 成的、在光纤上进行同步信息传输、复用、分 插和交叉连接的网络
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SDH的特点
国际统一的数字传输标准STM-N 采用同步复用方式和灵活的复用映射结构,
具有广泛的适应性 丰富的开销比特,加强了网络的OAM能力 统一的标准光接口 采用软件进行网络配置和控制,便于扩展 具有完全的后向兼容性和前向兼容性
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光纤的分类
按工作波长： 短波长（850nm) 长波长（1310nm、1550nm）
按传输模式： 多模光纤和单模光纤
按折射率分布： 阶跃（突变）型(SI)和梯度（渐变）型(GI)
按材料： 石英光纤、塑料光纤等
几种ND新CZ型DF）F光）等纤、：色色散散平位坦移光光纤纤（（DDFSFF））、、色非散零补色偿散光光纤纤（（
光纤放大器（EDFA） 调制器
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四 光纤传输系统
第一代：0.85um多模光纤系统 第二代：1.3um多模光纤系统 第三代：1.3um单模光纤系统 第四代：1.55um单模光纤系统 三个过渡：
短波长~长波长 多模光纤~单模光纤 AlGaAs/GaAs~InGaAsP/InP
DXC（数字交叉连接设备） RST：再生段终端，网络单元为再生器
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SDH的光缆数字线路系统
同步光缆数字线路系统是指连接两个SDH设备 (TM,DXC或ADM)的光缆链路.由线路终端,光 缆段和再生器(如果配置的话)组成.分为局间链 路和局内链路两类.
局间链路又分为长距离(再生段距离为40km以 上)和短距离(再生段距离为15km左右).
宽度、最小边模抑制比 平均发送功率：当发送机发送伪随机序列
信号时在S点所测得的平均光功率 消光比：在最坏反射条件时，全调制条件
下传号与空号的平均光功率的比值 眼图模板：限制发送光脉冲形状的方法
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S-R点之间光通道的特性
衰减范围 最大色散值：1dB功率代价所对应的光通道色
散值 反射：由光通道折射率不连续引起的，包括光
器
复用器是将若干不同波长的光信号分开 或合并的器件，有熔锥型、棱镜色散型 、光栅色散型、干涉滤光型等。
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光频分复用（OFDM）
当波分复用的光载波间隔变窄到小于 1nm时，就是光频分复用；而间隔大于 1nm时，称为密集波分复用（DWDM ）
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副载波调制（SCM）
SCM是一种采用两级调制的频分复用系 统。第一次电调制，由多路信号分别对 多个副载频进行调制（AM/FM/PM）, 然后，再将复合信号对光波进行强度调 制。
LAPS: Link Access Procedure-SDH
SDL: Simple Data Link 28
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SDH的系统组成
PT MST RST
RST MST PT
再生段 再生段 再生段
复用段
通道
PT：通道终端，网络单元为TM（终端复用器） MST：复用段终端，网络单元为ADM（分插复用器）或
MSOH
8
9
23
9列
261列
SJTU
SDH开销字节的分层
分支
分支
--分支组装
POH
--分支取出
POH插入 MSOH
MSOH
POH提取 MSOH
插入
提取
RSOH RSOH RSOH RSOH RSOH
插入
提取/插入
提取
载波
载波
光接口
光接口
光接口
物理线路
物理线路
终端
再生器
终端
通道层 复用层 再生层 物理层
三项新技术:
波分复用(WDM) 相干通信 光电子集成(OEIC)
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光纤传输系统框图
电 端 机
驱光 动源
光判 检决 测再
光 源
生
光 检 测
放 大
电 端 机
发 光 光纤 光 光纤 光 接
送 发 光缆 中 光缆 接 收
送
继
收
机
器
机
模拟通信：信噪比和谐波失真 数字通信：误码率和相位抖动
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G.653:1550nm性能最佳的色散移位单模光纤
G.654:1550nm损耗最小的单模光纤
31 G.655:1550nm非零色散光纤
SJTU
SDH的光接口位置
Ctx 光缆设施
Crx
发
S
R
接
送
收
TX:发送机 Ctx,Crx:活动连接器 S,R:参考点 RX:接收机
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SJTU
发送机在S点的特性
光源类型：LED、MLM、SLM 光谱特性：最大均方根宽度、最大-20dB
光放大器可分为半导体光放大器（SOA ）和光纤放大器（FA）。
光纤放大器又可分为非线性光纤放大器 （喇曼光纤放大器）和掺铒光纤放大器 （EDFA）
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掺铒光纤放大器（EDFA）
将稀土元素铒（Er）注入到纤芯中，即 是掺铒光纤。它在泵浦光的作用下可直 接对某一波长的光信号进行放大，这就 是掺铒光纤放大器。
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SJTU
光缆
含有光纤，符合现场实际使用要求的光、 机械和环境规范的缆。由光纤、加强件和 外护层等组成。
光缆的分类：
按芯数分为单芯、双芯、多芯 按结构分为层绞式、骨架式、带状等 按敷设场合分为架空、直埋、管道、移动、
室内、水下、海底等 按用途分为通信用光缆和非通信用光缆
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SJTU
三 光器件（无源）
在很强的光场作用下，光纤的各种特征 参数随光场强弱呈非线性变化。它使所 传的光脉冲变窄，正好补偿了由于色散 使脉冲展宽的影响。光孤子是一种特殊 形状的超短脉冲（几个uus），它在光 纤的传输过程中将不产生畸变，可实现 高速、长距离通信。
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SJTU
光放大器
为了进行长距离传输，可以采用光/电/ 光转换形式的光中继器，也可以采用直 接对光信号进行放大的光放大器。
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SJTU
SDH的比特率
等级 STM-1
速率（Mb/s） 155.520
STM-4
622.080
STM-16 2488.320
STM-64 9953.280
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SJTU
SDH的帧结构
STM-1的帧结构
125us 9x270=2430个字节
第1行
2
RSOH
3
4 AU PTR
5
净荷（含POH）
6
7
输出 光信号
泵浦 光源
同向泵浦结构
输入 光信号
光耦 合器
光隔
光隔
离器 掺铒光纤 离器
光滤 波器
反向泵浦结构 泵浦 光源 双向泵浦结构（略） 18
输出 光信号
SJTU
EDFA的应用
用作光接收机的前置放大器，可提高接 收机灵敏度10~20dB;
用作光发射机的功率放大器，增加入纤 光功率，延长传输距离；
光分路器/耦合器：1xN（树型）、NxN （星型）
波分复用器：合波器和分波器、滤波器 光纤连接器：固定、活动（FC、ST、
SC等）、适配器（直通） 光开关 光衰减器：固定、可变 光隔离器：单方向传输光的器件 极化器
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有源光器件
光源：发光二极管（LED） 激光二极管（LD）
光电检测器： PIN光电管、PIN-FET组件 雪崩光电二极管（APD）
SDH的复用过程
映射: 把PDH的各种速率及ATM信元与 SDH的容器进行适配的过程
定位: 用指针指示净荷的第一个字节在 帧内的位置
复用: 按单字节间插方法，将N个TU变 成TUG，N个AU复接成AUG，N个 AUG复用进STM-N的过程
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SJTU
SDH传送网的分层模型
电路层网络
VC-11 VC-12 VC-2 VC-3
局内链路可用光纤(传输距离不超过2km), 也 可用同轴电缆(传输距离不超过70m).
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SJTU
SDH的光接口分类
应用
局内
局间通信
通信 短距离
长距离
光源标称波长(nm) 1310 1310 1550 1310
1550
光纤类型
G.652
传输距离(km) ~2 ~15
G.652 G.654 G.653
VC-3
VC-4
复用段层网络 再生段层网络 物理层网络
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电路层
低阶 高阶
通道层
SDH 传送层
段层 传输 媒质层
SJTU
SDH的承载业务
L5~7
Application
L4
TCP/UDP
L3
IP
L2 ATM FR PPP/HDLC LAPS SDL
L1
SDH
L0
WDM
FR: Frame Relay
PPP: Point to Point Protocol
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SJTU
相干光通信系统
相干光通信系统又称为外差光纤通信系 统。是一种采用单一频率的相干光做光 载波，利用无线电技术中的外差接收方 式，再配合ASK\FSK\PSK等调制方式 的新型光纤通信方式。主要优点是光接 收机灵敏度高，选择性好；既可扩大通 信容量，又可增加再生中继距离。
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SJTU
光孤子（Soliton）通信
纤本身的折射率不均匀所造成的散射和光纤接 头产生的反射
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光通道的损耗
允许的光通道损耗Psr为: Psr=Pt-Pr-Pp 实际的S-R点允许损耗为:
Psr=(Af+As/Lf+Mc)L+2Ac 实际可达的再生段距离L为:
L=(Pt-Pr-2Ac-Pp)/(Af+As/Lf+Mc)
Pt:发送光功率 Pr:接收机灵敏度 Pp:光通道功率代价 Af:光纤损耗(dB/km) Lf:单盘光缆的长度(km) As:固定接头损耗(dB) Ac:活动连接器损耗(dB) Mc:光缆富余度(dB/km)
第三章光纤通信基本知识
一 光纤通信 二 光纤光缆 三 光器件 四 光纤传输系统 五 SDH
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一 光纤通信
光纤通信是以光波为载波，以光纤（光 导纤维）为传输媒体，将信号从某一点 传送到另一点的通信方式。具有传输距 离远（传输损耗小）、通信容量大（传 输频带宽）、抗干扰性能好（不受电磁 干扰）、保密性好（不产生光泄漏）、 重量轻、体积小等优点。
用作光中继器，可实现全光通信；
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五 同步数字系列（SDH）
准同步数字系列(PDH---Plesiochronous Digital Hierarchy):只有地区性(北美,日本,欧洲)的数 字信号速率和帧结构标准,没有统一的国际标 准;没有国际标准的光接口规范;采用异步复接, 复用结构复杂,灵活性差;网络运行,管理,维护 (OAM)困难.
EDFA的主要优点是：
1、工作波长在1530~1560nm范围；
2、激励的泵浦功率低（几十mW）;
3、增益高（40dB）,噪声低（3~4dB）, 输出功率大（14~20dB）;
4、连接损耗低（0.1dB）;
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EDFA的结构
输入 光信号
光耦 合器
光隔
光隔
离器 掺铒光纤 离器
光滤 波器
光纤通信系统的新技术
延长中继距离的新技术 光放大器(EDFA) 外调制器(电光晶体LiNbO3) 色散补偿(DCF、Bragg光纤光栅)
提高通信容量的新技术 时分复用技术（TDM） 波分复用技术（WDM）
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光波分复用（WDM）
在一根光纤中同时传输几个不同波长的 光信号。
复
复
用
用
器
光纤