光纤通信基础知识Word格式.docx
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二、通信系统的一般结构
实际通信系统的一般结构如图1-2。
图中的话机、移动台等是用户终端设备。
它的作用是将话音信号转换成电信号，或者进行反变换。
交换设备的作用除了实现局内用户间的信号交换，还能同其它局的用户实现连接或转接。
多路复用设备的作用是实现多路信号的汇接（复用），可采用频分、时分、码分多址形式的复用，用以提高信道的传输容量。
传输终端设备（如地球站、微波设备、终端增音设备等）的主要作用是将待传输的信号转换成适合信道传输的信号，或进行反变换等。
电缆、光缆、微波、卫星是不同形式的传输媒质或信号载体。
当通信系统采用电缆作传输媒质时，此时传输终端设备为电缆传输终端设备，相应的通信系统为电缆通信系统。
若采用光缆作传输媒质时，此时的传输终端设备就为光端机，相应的通信系统就称为光纤通信系统，或称为光缆传输系统。
若采用微波作载体，用微波中继站作信号转接，此时传输终端设备就是微波端站，相应的通信系统就称为微波通信系统。
若仍采用微波作载体，用卫星作中继站，此时传输终端设备是卫星地面站（地球站），相应的通信系统就称为卫星通信系统。
图1-2实际通信系统的一般结构
由此可见，无论是电缆通信系统、光纤（缆）通信系统，还是微波通信系统、卫星通信系统，它们的基本结构形式都很类似。
不同通信系统之间的差异仅在于电信号载体、传输媒质和传输终端设备不同。
三、通信网的构成和分类
通信网是由一定数量的节点（Node）和连接节点的传输链路（Link）组成，以实现两个或多个规定点之间信息传输的通信体系。
1.通信网的构成
一个完整的通信网包括硬件和软件。
通信网的硬件通常是由用户终端设备、传输系统、交换系统三大部分组成。
如图1-3所示。
为了使全网协调合理地工作，还要有各种规定，如信令方案、各种协议、网路结构、路由方案、编号方案、资费制度与质量标准等，这些均属于软件。
图1-3通信网构成示意图
2.通信网的分类
按电信业务的种类分为：
电话网、数据通信网、图像通信网、有线电视网等。
按服务区域范围分为：
本地电信网、长途电信网、移动通信网、国际电信网等。
按传输媒介种类分为：
架空明线网、电缆通信网、光缆通信网、卫星通信网、用户光纤网、等。
按交换方式分为：
电路交换网、分组交换网等。
按结构形式分为：
网状网、星形网、环形网、栅格网、总线网等。
按信息信号形式分为：
模拟通信网、数字通信网、数字/模拟混合网等。
按信息传递方式分为：
同步转移模式（STM）的综合业务数字网（ISDN）和异步转移模式（ATM）的宽带综合业务数字网（B-ISDN）等。
四、通信网的基本拓扑结构
通信网的基本拓扑结构，有的称物理结构，基本可分为三类：
星形、总线形和环形。
如图1-4所示。
1.星型网其形状似星因此而得名，也可以看作是中心向四周辐射，又称辐射形。
中心局（站）到四周各局（站）都有直达路由，电路利用率高，但周围各局（站）之间没有直达路，必须经过中心站转接，若中心站故障，有可能引起整个网通信中断。
同时业务量大时，无法迅速疏导。
2.总线形网各局（站）都挂在中心局发出的总线上，这种结构的网便于管理适于广播式的分配业务，中心局之外的各站间通信比较困难。
3.环形网中心局与各站串成环形，这种网的传输线路最短，生存能力强，但在各局业务量大时，需要的线路传输带宽（或传输速率）比星形网高得多。
总线形和环形网在计算机通信中应用较多，在这种网中一般传输速率较高。
它要求各节点和总线终端节点有较强的信息识别和处理能力。
除了图1－4的基本拓扑结构外，还有链形拓扑和栅格拓扑等，如图1－5所示。
在不同的应用条件下将选择合适的拓扑结构，并在上述拓扑结构的基础上组合、演变成新的拓扑结构。
图1-4通信网的基本拓扑结构
图1-5通信网的其它拓扑结构
五、现代通信网的构成及发展
传统通信系统由传输、交换、终端三大部分组成。
其中传输与交换部分组成通信网络，传输部分为网络的链路（ｌｉｎｋ），交换部分为网络的节点（ｎｏｄｅ）。
随着通信技术的发展与用户需求日益多样化，现代通信网正处在变革与发展之中，网络类型及所提供的业务种类不断增加和更新，形成了复杂的通信网络体系。
为了更清晰地描述现代通信网络结构，在此引入了网络分层的概念，现代通信网可以分为3层。
第一层：
通信基础网
第二层：
业务网
第三层：
应用层
为了支持各层网络的有效运行和管理，还需要有支撑网（信令网、同步网、电信管理网）的介入，这些支撑网可以为通信网的某一层或多层服务。
1.通信基础网又可称为传送网。
为简化描述，我们可将通信基础网简单看成是一个以光纤、微波接力，卫星传输为主的传输网络。
在这个传输网络的基础上，根据业务节点设备类型的不同，可以构建成不同类型的业务网。
通信基础网的带宽正在不断拓宽，将逐步成为未来信息高速公路的传输平台。
对通信基础网的描述同样引入了网络分层概念，通信基础网也可以分为3层：
传输媒介：
目前主要有电缆、微波、通信卫星、光纤等。
传输系统：
包括传输设备和传输复用设备。
携带信息的基带信号一般不能直接加到传输媒介上进行传输，需要有传输设备将它们转换为适合在传输媒介上进行传输的信号。
传送网节点设备：
网络节点设备主要为配线架和数字交叉连接设备（ＤＸＣ），其主要任务是实现基础网传输电路的电路调度、故障切换和分离业务。
２.业务网是向用户提供诸如电话、数据、图像等各种电信业务的网络。
业务网包括电话网、数据网、智能网、移动通信网等。
３.支撑网是使业务网正常运转，增强网络功能，提高全网服务质量，以满足用户需求的网络。
在各个支撑网中传送相应的控制、检测信号。
支撑网包括信令网、同步网和电信管理网
现代通信网的未来发展趋势可概括为“六化”，即通信技术数字化、通信业务综合化、网络互通融合化、通信网络宽带化、网络管理智能化和通信服务个人化。
六、现代通信传输技术
信息需要在一定的物理媒质中传播，我们将这种物理媒质称为传输媒质。
传输媒质是传递信号的通道，提供两地之间的传输通路。
传输从大的分类上来区分有两种，一种是电磁信号在自由空间中传输，这种传输方式叫做无线传输；
另一种是电磁信号在某种传输线上传输，这种传输方式叫做有线传输。
常用的传输媒质目前主要有：
1.微波微波通信技术问世已半个多世纪，它是在微波频段通过地面视距进行信息传播的一种无线通信手段。
最初的微波通信系统都是模拟制式的，它与当时的同轴电缆载波传输系统同为通信网长途传输干线的重要传输手段，例如我国城市间的电视节目传输主要依靠的就是微波传输。
微波通信的频率范围为300MHz～1000GHz。
微波按直线传播，若要进行远程通信，则需要在高山、铁塔或高层建筑物顶上安装微波转发设备进行中继通信。
微波中继通信是一种重要的传输手段，它具有通信频带宽、抗干扰性强、通信灵活性较大、设备体积小、经济可靠等优点。
其传输距离可达几千公里主要用于长途通信、移动通信系统基站（BS）与移动交换中心（MSC）之间的信号传输及特殊地形的传播。
2.卫星卫星通信是在微波中继通信的基础上发展起来的。
它是利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波，从而实现两个或多个地面站之间的通信。
卫星通信具有传输距离远、覆盖面积大、通信容量大、用途广、通信质量好、抗破坏能力强等优点。
一颗通信卫星总通信容量可实现上万路双向电话和十几路彩色电视的传输。
高轨道通信卫星是运行在赤道上空约36000km的同步卫星。
位于印度洋、大西洋、太平洋上空的三颗同步卫星，基本可覆盖全球。
低轨道通信卫星是运行在500～1500km上空的非同步卫星，一般采用多颗小型卫星组成一个星型网。
若能做到在世界上任何地方的上空都能看到其中一颗卫星，则通过星际通信可覆盖全球。
低轨道通信卫星主要用于移动通信和全球定位系统。
3.电缆通信电缆主要包括双绞线电缆（对称电缆）同轴电缆等。
对绞电缆（TwistedPairCable）是传统的话音通信媒质，使用最为广泛，是当前电信接入网的主体。
在全球范围内，对绞电缆接入比例高达94%，其通信业务正在向非话音业务方向发展。
利用高速Modem上网，其速率可达56kb/s，利用一线通ISDN方式上网，速率进一步上升到128kb/s，而利用更新的ADSL方式，其下行速率为1.5—8Mb/s，作为新一代家庭网络应用方式，利用电话双绞线的HomePAN速率也可达1—10Mb/s。
因此，目前利用对绞电缆已形成了种类繁杂的各种宽带接入新方式，并且日趋普遍。
公共电话网（PSTN）中实现话音通信的主要传输媒质就是通信电缆，电话通信线路广泛采用的是全塑通信电缆。
4.光纤光纤是光导纤维的简称。
光纤通信是以激光为载波，以光纤为传输媒质的一种通信方式。
光波的波长为微米级，紫外线、可见光、红外线属于光波范围。
目前光纤通信使用的波长多为近红外区内，即波长为850nm、1310nm和1550nm的三个传输窗口。
光纤具有传输容量大、传输损耗低、抗电磁干扰能力强、易于敷设和资源丰富等众多优点，可广泛用于越洋通信、长途干线通信、市话通信和计算机网络等许多需要传输的场合。
第二节光纤通信的特点
光纤通信与电通信方式的主要差异有两点：
一是用光波作为载波传输信号，即传输的是光信号；
二是用光导纤维构成的光缆作为传输线路，即以光纤作为媒质传输手段。
因此，在光纤通信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。
半导体激光器的发光面积很小，它输出稳定而且方向性极好的激光，激光可以运载巨大的信息量。
光纤是一种介质光波导，具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。
它是由直径大约只有0.1mm的细玻璃丝构成。
光纤通信之所以能够飞速发展和受到人们的极大重视，这是因为和其它通信手段相比，具有无以伦比的优越性而决定的。
1.传输频带宽、通信容量大
理论讲，载波频率越高通信容量越大，因目前使用的光波频率比微波频率高103~104倍，所以通信容量约可增加103~104倍。
一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时传输1000亿个话路。
虽然目前远远未达到如此高的传输容量，但用一根光纤同时传输24万个话路的试验已经取得成功，它比传统的明线、同轴电缆、微波等要高出几十乃至上千倍以上。
2.传输损耗低
目前实用的光纤均为sio2（石英）系光纤，要减小光纤损耗，主要是靠提高玻璃纤维的纯度来达到，由于目前制成的sio2玻璃介质的纯净度极高，所以光纤的损耗极低。
在光波长λ=1.55μm附近，衰减有最低点，可低至0.2dB/km，已接近理论极限值。
3.不受电磁干扰
光纤由电绝缘的石英材料制成，绝缘性能好，不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。
无金属光缆非常适合于存在强电磁场干扰的高压电力线路周围和油田、煤矿等易燃易爆环境中使用。
因此，光纤通信不受电磁的干扰，这是电通信所不能比拟的。
4.中继距离长
由于光纤具有极低的衰耗系数（目前商用化石英光纤已达0.19dB/km以下），这是传统的电缆（1.5km）微波（50km）等根本无法与之相比拟的。
因此光纤通信特别适用于长途一、二级干线通信，在不久的将来实现全球无中继的光纤通信也是完全可能的。
5.线径细、重量轻
由于光纤的直径很小，只有0.1mm左右，因此制成光缆后，直径要比电缆细，如8芯光缆的横截面直径约10mm，而标准同轴电缆为47mm。
这样在长途干线或市内干线上，空间利用率高，节约了地下管道的建设投资；
而且重量也轻，便于制造多芯光缆。
6.资源丰富
光纤的材料主要是石英（二氧化硅），在地球上是取之不尽用之不竭的，并且很少的原材料就可拉制出很长的光纤。
例如，40克高纯度的石英玻璃，可拉制1km的光纤。
7.挠性好
光纤经过表面涂敷后，弯曲直径为3mm不会折断。
因此，用光纤制成的光缆与铜线制成的电缆有同样好的挠性。
8.不怕潮湿，耐高压，抗腐蚀
光纤是玻璃制成的，不怕潮湿，不会锈蚀，石英玻璃的熔点在2000℃以上，而一般明火的温度在1000℃左右。
因此，光纤耐高温，光纤的化学稳定性好，抗腐蚀能力强，可以在具有有害气体环境下工作。
9.安全保密
在传输过程中，光波在光纤中传输是不会跑出光纤之外的，即使在转弯处，弯曲半径很小时，漏出的光波也十分微弱。
如果在光纤的表面涂上一层消光剂，光纤中的光就完全不能跑出光纤。
这样，用什么方法也无法在光纤外面窃听光纤中传输的信息了。
此外，由于光纤中的光不会跑出来，在电通信中常见的串音现象就不存在了。
同时，它也不会干扰其它通信设备或测试设备。
当然，在光纤通信中，同样也存在着很多不足。
1.光纤性质脆，需要适当地涂敷加以保护。
此外，为了保证能承受一定的敷设张力，在光纤结构上也需要多加考虑。
2.切断和连接光纤时，需要高精度的切断接续技术，这在电缆连接时是没有的。
3.分路耦合不方便。
4.光纤不能输送中继器所需要的电能。
5.弯曲半径不宜太小。
光纤通信尽管存在上述问题，但是随着技术的不断发展都是可以克服的，不影响光纤的广泛应用。
第三节光纤的基本知识
光纤是光导玻璃纤维的简称，就是用来导光的透明介质纤维，它是一种新型的光波导。
光纤外径一般为125~140μm，芯径一般为3~100μm。
一、光纤的结构
一根实用化的光纤是由多层透明介质构成的，一般为同心圆柱形细丝，为轴对称结构，一般可以分为三部分：
折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层，其外形如图1-6所示，其结构如图1-7所示。
图1-6光纤外形示意图
图1-7光纤的结构示意图
光纤的结构一般是双层或多层的同心圆柱体，如图1-7所示。
中心部分是纤芯，纤芯以外的部分称为包层。
纤芯的作用是传导光波，包层的作用是将光波封闭在光纤中传播。
为了达到传波的目的，需要使光纤材料的折射率n1，大于包层材料的折射率n2。
为了实现纤芯和包层的折射率差，必须使纤芯和包层材料有所不同。
目前实用的光纤主要是石英。
如果在石英中掺入折射率高于石英的掺杂剂，则就可作为纤芯材料。
同样如果在石英中掺入折射率比石英低的掺杂剂，则就可以作为包层材料，经过这样掺杂后，上述的目的就可达到了。
也就是说，光纤是由两种不同折射率的玻璃材料拉制而成的。
（1）纤芯位于光纤的中心部位，是光波的主要传输通道。
直径d1=4μm～50μm，单模光纤的纤芯为4μm～10μm，多模光纤的纤芯为50μm。
纤芯的成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂（如GeO2，P2O5），作用是提高纤芯对光的折射率（n1），以传输光信号。
（2）包层位于纤芯的周围。
直径d2=125μm，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。
而掺杂剂（如B2O3）的作用则是适当降低包层对光的折射率（n2），使之略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信号封闭在纤芯中传输。
（3）涂覆层光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。
一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料；
缓冲层一般为性能良好的填充油膏；
二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。
涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。
涂覆后的光纤其外径约1.5mm。
通常所说的光纤为此种光纤。
实用的光纤不是如图1-8a所示的裸露的玻璃丝，而是要在它的外表附加几层塑料涂层。
目前，在通信中使用较为广泛的光纤有两种：
紧套光纤与松套光纤，如图1-8b。
紧套光纤就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。
松套光纤，就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可以在套管中自由活动。
图1-8套塑光纤结构
二、光纤的分类
光纤的分类方法很多，可以按材料性质、折射率分布、套塑方式及按照ITU-T建议分类等进行分类。
下面介绍通信光纤的分类。
既可以按照光纤截面折射率分布来分类，又可以按照光纤中传输模式数的多少、光纤使用的材料或传输的工作波长来分类。
根据不同的分类方法和标准，同一根光纤将会有不同的名称。
常用的分类方法有：
（1）按光纤的制造材料分类按照光纤制造材料的不同，光纤可分为玻璃（石英）光纤和塑料光纤。
玻璃光纤一般是指由掺杂石英芯和掺杂石英包层构成的光纤。
这种光纤有很低的传输损耗和中等程度的传输色散。
目前通信用光纤绝大多数为玻璃光纤。
塑料光纤是一种通信用新型光纤，尚处于研制、试用阶段。
塑料光纤具有传输损耗大、纤芯粗（直径100~600µ
m）数值孔径（NA）大（一般为0.3~0.5，可与光斑较大的光源耦合使用）及制造成本低等优点。
目前，塑料光纤适用于短距离使用，如计算机联网和船舶内通信等。
（2）按传输模数量及折射率分布分类
按传输模的数量可分为多模光纤和单模光纤。
按折射率分布状况分类，多模光纤可分为阶跃型（突变型）光纤和梯度型（渐变型、自聚焦型）光纤，单模光纤则分为阶跃型光纤。
它们的结构及光传输情况。
这三类光纤芯径、折射率差系数、带宽、连接难易的比较，见表1-1。
表1-1
光纤类型
芯径
（μm）
折射率差系数（%）
损耗
带宽
（MHz·
km）
连接难易
多模
阶跃型
50
0.8~3
视波长
10~50
容易（1μm精度）
梯度型
0.8~1.5
几百至数GMHz·
km
单模
9~10
0.1~0.3
10
较难（0.1μm精度）
图1-9三类光纤的结构及光传输情况
（3）按光纤的工作波长分类
石英光纤按波长分类，可分为短波长光纤的和长波长光纤。
短波长光纤的波长为0.85μm（0.8~0.9μm）,波长为0.85μm的多模光纤,主要用于短距离市话中继线路或专用通信网等线路。
长波长光纤的波长为1.3~1.6μm，具体波长有1.3μm和1.5μm两个窗口。
（4）按套塑结构分类
如图1-8（a）（b）所示的紧套光纤和松套光纤。
实际上，松套光纤是指图1-8（b）所示的光纤，其外边是套上一个较松的套管，光纤在中间可以松动。
通常，在松套管内都应充入半流质油剂，以增强防水性能和起缓冲作用。
松套管对光纤能起到抗压、抗拉的保护作用。
对于尾纤则采用紧套方式。
（5）按照ITU—T建议分类
为了使光纤具有统一的国际标准，国际电信联盟—电信小组（ITU—T）制订了统一的光纤标准（G标准）。
按照ITU—T关于光纤的建议，可以将光纤分为G.651光纤（又称为渐变型多模光纤）G.652光纤（又称为常规单模光纤或1．31μm性能最佳单模光纤）G.653光纤（又称为色散位移光纤—DSF）G.654光纤（又称为1550nm性能最佳单模光纤）G.655光纤（又称为非零色散位移光纤，主要包括非零色散位移光纤NZDSF和大有效面积光纤LEAF）等。
（1）渐变型多模光纤（G．651光纤）
渐变型多模光纤的工作波长有两种:
1.31μm和1.55μm在这两种工作波长上，光纤均处于多模工作状态。
这种光纤在1.31μm处具有最小的色散值，而在1.55μm处具有最小的衰减系数。
塑料光纤（POF）是渐变型多模光纤的一种，在国际电工委员会（IEC）中定为A4光纤，可用于光纤到办公桌（FTTD），采用全氟化聚合物CYTOP制造的GI光纤，其衰减可达1.5～2.5dB/100m，传输速率可达3Gbit/s，带宽大于200MHz.km，可用于短距离光通信和室内传输线（含家庭和办公自动化）当中，预计在解决全光纤化通信最后“一公里”的进程中，可能就是这类GI-POF光纤的主要用途,预计POF将是一个有增长潜力的领域。
（2）常规单模光纤（G.652光纤）
常规单模光纤也称为非色散位移光纤，于1983年开始商用。
其零色散波长在1310nm处，在波长为1550nm处衰减最小，但有较大的正色散，其色散系数约为18ps/（nm.km）。
工作波长既可选用1310nm，又可选用1550nm。
这种光纤是使用最为广泛的光纤，它在世界各地敷设数量已高达7000万千米之多，我国已敷设的光缆绝大多数采用这类光纤。
利用G.652光纤进行速率为10Gbit/s以上的信号长途传输时，必须引入色散补偿光纤进行色散补偿，并需引入更多的掺饵光纤放大器来补偿由于引入色散补偿光纤所产生的损耗。
1998年美国朗讯（现在OFS）公司推出了G.652C/D新型单模光纤即无水峰光纤（ZWPF），采用一种新的生产制造技术，尽可能地消除OH离子1383nm附近处的“水吸收峰”，使光纤损耗完全由玻璃的本征损耗决定，在1280～1625nm的全部波长范围内都可以用于光通信，而结构上和普通G.652单模光纤无异，是目前最先进的城域网用非色散位移光纤。
（3）色散位移光纤（G.653光纤）
G.653光纤又称为色散位移光纤，于1985年商用。
色散位移光纤通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状，来加大波导色散，从而将最小零色散点从1310nm位移到1550nm，实现1550nm处最低衰减和零色散一致，并且在掺饵光纤放大器工作波长区域内。
这种光纤非常适合于长距离、单信道、高速光纤通信系统，如可在这种光纤上直接开通20Gbit/s系统，而不需要采取任何色散补偿措施。
但是，这种光纤在通道进行波分复用信号传输时，在1550nm附近低色散区存在有害的四波混频等光纤非线性效应，阻碍光纤放大器在1550nm窗口的应用，正是这个原因，色散位移光纤正在被非零色散位移光纤所取代。
（4）1550nm性能最佳单模光纤（G.654光纤）
1550nm性能最佳单模光纤在1550nm波长工作窗口具有极小衰减（0.18dB/km）。
与G.652光纤比较，达种光纤的优点是在1550nm工作波长处衰减系数极小，其弯曲性能好。
另外，该光纤的最大特点是工作波长为1310nm的系统将处于多模工作状态。
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