光纤通信系统的原理与分析.docx

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光纤通信系统的原理与分析

光纤通信论文

光纤通信系统工程设计

摘要

根据课堂所学内容的原理，这次我们设计的任务是34MB/S光纤通信系统工程,具体设计是从实训楼D339到数学A楼弱电间之间开通一套34MB光纤系统。

要求设计当中要选择合适的路线，并计算总长度以及光纤的长度、光纤的使用芯数，而且要选择合适的光纤、光缆和光端机。

并写出具体的实施及方案、工程造价、光通路保护、光端机安装后的系统调测，并说明如何对工程施工质量进行控制。

前言…………………………………………………………………………………1第1章概论………………………………………………………………………2

1.1光纤通信发展的历史……………………………………………………………………2

1.2光纤通信发展的现状……………………………………………………………………2

1.3光纤通信的发展趁势……………………………………………………………………3

第2章光通信系统………………………………………………………………5

2.1 光纤的介绍……………………………………………………………………………5

2.1.1光纤概念……………………………………………………………………………5

2.1.2光纤传输原理分析…………………………………………………………………5

2.1.3光纤的传输特性……………………………………………………………………5

2.1.4光纤的型号介绍……………………………………………………………………7

2.2光缆的介绍…………………………………………………………………8

2.2.1光缆历史…………………………………………………………………………8

2.2.2光缆的种类………………………………………………………………………8

2.2.3光缆网是信息高速路的基石……………………………………………………9

2.3光端机的介绍……………………………………………………………………………9

2.3.1模拟光端机………………………………………………………………………10

2.3.2数字光端机………………………………………………………………………10

2.4光纤通信的介绍………………………………………………………………………11

2.5光纤通信技术与产业发展中几个值得思考的问题…………………………………11

2.5.1积极创新开发具有自主知识产权的新技术……………………………………12

2.5.2开发具有先进技术水平、与使用环境、施工技术相配套的新产品…………… 12

第3章材料选择…………………………………………………………………13

3.1距离测量………………………………………………………………………………13

3.2光纤、光缆选择…………………………………………………………………………13

3.3光端机选择……………………………………………………………………………14

第4章具体的实施及方案………………………………………………………17

4.1光缆线路的施工程序…………………………………………………………………17

4.2光缆的直埋敷设………………………………………………………………………18

4.3用光纤将发送与接收连接…………………………………………………………18

第5章光通路保护………………………………………………………………19

第6章光端机安装后的系统调测………………………………………………21

6.1光发送机参数测试……………………………………………………………………21

6.1.1平均发送光功率测量……………………………………………………………21

6.1.2消光比的测试……………………………………………………………………21

6.2光接收机参数测试……………………………………………………………………21

6.2.1动态范围的测试…………………………………………………………………21

6.2.2灵敏度的测试……………………………………………………………………21

6.3抖动测试………………………………………………………………………………22

6.4误码性能测试…………………………………………………………………………22

6.5警报系统的测试………………………………………………………………………22

第7章整个工程的造价…………………………………………………………23

第8章结束语……………………………………………………………………24

参考文献…………………………………………………………………………25

致谢……………………………………………………………………………26

前言

人类社会的一切活动都离不开资讯的传递——通信,它像人的神经系统一样重要。

通信是人与人之间通过某种媒体进行的信息交流与传递。

从广义上说，无论采用何种方法，使用何种媒质，只要将信息从一地传送到另一地，均可称为通信。

古代的通信方式有烽火台、击鼓、驿站快马接力、信鸽、旗语等。

古代的通信对远距离来说，最快也要几天的时间，而现代通信以电信方式，如电报电话、快信、短信、E-MAIL等，实现了即时通信

在目前人类的一切通信方式中，电话通信是应用最广泛的一种。

电话通信的目的是达成人们在任意两地之间的通话。

因此，必须要解决三个问题：

第一是语音信号的发送和接收；第二是语音信号的传输；第三是语音信号的交换。

第一个问题由使用者的终端设备——电话机来解决。

第二个问题由各种类型的电话传输设备从最简单的音频传输线到多路载波设备，数位微波，卫星通信线路设备等等来解决。

第三个问题，则由各种类型的电话交换设备来解决。

这三个部分只要有系统地结合起来，就能构成一个完整的电话通信系统。

而电话交换设备，是整个电话通信网路中的枢纽，有着相当重要的作用。

20世纪90年代中期以前的光线通信系统事以电时分复用为基础的单波长系统。

在新一代超高速光线通信系统中，最具代表性的成就事指在2000年，光波分复用系统使用波分复用技术在一根光纤上实现了3.28Tb/s的传输速率。

光波分复用的突出优点是可有效地利用单模光纤地损耗区所带来的巨大带宽资源，明显提高系统的传输容量，同时将相应增加的成本降到很低的程度。

目前，“掺铒光纤放大器+密集波分复用+非零色散光纤+光子集成”正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。

同时，光交叉链接设备和光分插复用设备以及基于波长选路的密集波分复用全光网正在大力研究和试验。

此外，新型的光器件，新兴的技术和新型的系统也都层出不穷，并获得迅速发展。

第一章概论

1.1光纤通信发展的历史

伴随社会的进步与发展，以及人们日益增长的物质与文化需求，通信向大容量、长距离的方向发展已经是必然趋势。

由于光波具有极高的频率，也就是说是具有极高的宽带从而可以容纳巨大的通信信息，所以用光波作为载体来进行通信是人们几百年来追求的目标。

1966年，英籍华裔学者高锟博士在PIEE杂志上发飙了一篇十分著名的文章——《用于高频的光纤表面波导》，该文从理论上分析和证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可靠性，并设计了通信用光纤的波导结。

1970年，美国康宁玻璃公司根据高锟文章的设想，用改进型化学汽相沉积法制造出当时世界上第一根超低损耗光纤，成为使光纤通信爆炸性竞相发展的导火索。

虽然当时康宁玻璃公司制造出的光纤只有几米长，衰耗约20dB/km，而且几个小时之后便损坏了。

但它证明了用当时的科学技术与工艺方法制造通信用的超低损耗光纤是完全有可能的。

1970年以后，世界各发达国家对光纤通信的研究倾注了大量的人力与物力，其来势之凶、规模之大、速度之快远远超出了人们的意料，使光纤通信技术取得了及其惊人的进展。

从光纤的损耗来看，1970年是20dB/km，1972年是4dB/km，1974年是1.1dB/km，1976年是0.5dB/km，1979年是0.2dB/km，1990年是0.14dB/km，已经接近石英光纤的理论衰耗极限值0.1dB/km。

从光器件看，1970年，美国贝尔公司研制出世界上第一只在室温下连续波工作的的砷化镓铝半导体激光器，为光纤通信找到了合适的光源器件。

后来逐渐发展到性能更好、寿命达几万小时的异质结条形激光器和现在的分布反馈式单纵模激光器以及多量子阱激光器。

光接收器件也从简单的硅PIN光二极管发展到量子效率达90%的雪崩光二极管APD。

从光纤通信系统看，正是光纤制造技术和光电器件制造技术的飞速发展，以及大规模、超大规模集成电路技术和微处理机技术的发展，带动了光纤通信系统从小容量刀大容量、从短距离刀长距离、从低水平到高水平、从旧体制刀新体制的迅猛发展。

1.2光纤通信发展的现状

1976年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信基础研究发展到了商业应用的新阶段。

此后，光纤通信技术不断创新；光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85um发展到1.31um和1.55um，传输速率从几十兆特每秒发展到几十吉比特每秒。

另一方面，随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大；从初期的单一类型信息的传输到多种业务的传输。

目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。

总之，从1970年刀现在虽然只有短短30多年的时间，但光纤通信技术却取得了及其惊人的进展。

用带宽极其惊人的进展。

用带宽极其宽的光波作为传送信息的载体以实现通信，这一百年来人们梦寐以求的幻想在今天已成为活生生的现实。

然而就目前的光纤通信而言，其实际应用的仅是其潜在能力的2%左右，尚有巨大的潜力等待人们去开发和利用。

因此，光纤通信技术并未停滞不前，而是向高水平、更高阶段方向发展。

1.3光纤通信的发展趁势

光纤通信从1970年真正起步，乃今为止仅有30多年的时间，但光纤通信的技术无论是光纤制造技术还是光电器件的制造技术，以及光纤通行系统的水平都取得了极其惊人的进展，它以成为现代通信最主要的传输手段。

光纤通信的潜力是巨大的，目前的光纤通信应用水平据分析仅仅是其能力的1%~2%左右。

光纤通信作为现代通信的主要支柱，在现代通信网中起着重要的作用。

光纤通信具有以下几个发展趁势：

1.波分复用技术

所谓波分复用，就是用一根光纤同时传输几种不同波长的光波，已达到扩大通信容量的

目的。

在系统的发送端，由各个分系统分别发出不同波长的光波，并由合波器合成一束光波进入光纤进行传输，而在接收端用光波分离开，分别输入刀各个系统的光接收机。

2.相干光通信

乃今为止，已应用的光纤通信都是采用强度调制与直接检波的工作方式，它只相当于原始的无线通信所使用的调制与解调技术。

在此方式下，光波元器件的调制速率、光接收机的灵敏度受到局限而难以再提高，适用不了超大容量、超长距离通信的要求。

所谓相干光通信，就是在发端由激光器发出谱线较窄，频率稳定、相位恒定的相干光，并用先进的调制方法对之进行调制。

在收端，把由光纤传输来的相干光载波与本振光源发出的相干光，经光耦合器后加到光混合器上进行混频与差额，然后把差额后的中频光信号进行放大、检波。

3.超大波长光纤通信

为了实现越来越大的信息容量和超长距离传输，必须适用低损耗和低色散的单模光纤。

目前石英光纤的损耗已接近理论极限值，再无多大潜力可挖。

4.光集成技术

它和电子技术中的集成电路相类似，是把许多微型光学元件，如光源器件、光检测器，光透镜、光滤波器、光栅等集成在一块很小的芯片上，构成具有复杂性能的光器件；还可以和集成电路等电子元件集成在一起形成功能更复杂的光电部件，如光发送机与光接收机等。

采用光集成技术，不仅是设备的体积、重量大大减少、而且提高了稳定性与可靠性。

5.光弧子通信

通信容量越大，要求光脉冲越窄。

窄光脉冲经光纤传输后，因光纤的色散作用出现脉冲展宽一直是制约大容量、长距离传输的关键因素。

经研究发现，当注入光强密度足够大时，会引起光脉冲变窄的奇特现象，其光脉冲宽度可抵达几个皮秒，即所谓光弧子脉冲。

因此用弧子脉冲可以实现超大容量的光纤通信。

第二章光通信系统

2.1 光纤的介绍

2.1.1光纤概念

光纤，是由纤芯和包层两部分组成的。

纤芯区域完成光信号的传输,包层则是将光封闭在纤芯内，并保护纤芯,增加光纤的机械强度。

目前，通信光纤的纤芯和包层的主体材料都是石英玻璃，但两区域中掺杂情况不同，因而折射率也不同。

纤芯的折射率一般是1.463～1.467，包层的折射率是1.45～1.46左右。

也就是说，纤芯的折射率比包层的折射率稍微大一些。

这就满足了全反射的一个条件。

当纤芯内的光线入射到纤芯与包层的交界面时，只要其入射角大于临界角，就会在纤芯内发生全反射，光就会全部由交界面偏向中心。

当碰到对面交界面时，又全反射回来，光纤中的光就是这样在芯包交界面上，不断地来回全反射，传向远方，而不会漏射到包层中去。

2.1.2光纤传输原理分析

光独立传播定律认为，从不同光源发出的光线，以不同的方向通过介质某点时，各光线彼此互不影响，好象其他光线不存在似的。

光的直线传播和折射、反射定律认为，光在各向同性的均匀介质（折射率n不变）中，光线按直线传播。

光在传播中遇到两种不同介质的光滑界面时，光发生反射和折射现象。

光在均匀介质中的传播速度为：

V=c/n。

（式中c是光在真空中的传播速度,n是介质的折射率）

反射定律为反射线位于入射线和法线所决定的平面内，反射线和入射线处于法线的两侧，反射角等于入射角。

折射定律为折射线位于入射线和法线所决定的平面内，折射线和入射线位于法线的两侧。

光在传播过程中，若从一种介质传播到另一种介质的交界面时，因两种介质的折射率不等，将会在交界面上发生反射和折射现象。

一般将折射率较大的介质称为光密媒质，折射率小的称为光疏媒质。

为了保证光信号在光纤中能进行远距离传输，一定要使光信号在光纤中反复进行全反射，才能保证衰减最小，色散最小，到达远端。

实现全反射的两个条件为:

一定要使光纤纤芯的折射率n1大于光纤包层的折射率n2;光入光纤的光线向纤芯一包层界面入射时，入射角应大于临界角。

2.1.3光纤的传输特性

（1）损耗特性

由于损耗的存在，在光纤中传输的光信号不管是模拟信号还是脉冲信号，其幅度都要减小。

衰减是光纤的一个重要的传输参数。

它表明了光纤对光能的传愉损耗、光纤每单位长度的损耗，直接关系到光纤通信系统传翰距离的长短，对光纤质量的评定和对光纤通信系统的中继距离的确定都起着十分重要的作用。

形成光纤损耗的原因很多，既有来自光纤本身的损耗，也有光纤与光源的藕合损耗以及光纤之间的连接损耗。

光纤本身损耗的原因主要有吸收损耗和散射损耗两类。

吸收损耗是光波通过光纤的材料时，有一部分光能变成热能，从而造成光功率的损失。

造成吸收损耗的原因很多，主要有本征吸收和杂质吸收。

本征吸收是指光纤基本材料固有的吸收。

本征吸收是不可避免的，所以本征吸收基本上确定了任何特定材料的吸收下限。

对于石英光纤，本征吸收有两个吸收带;一个是紫外吸收带，一个是红外吸收带。

光纤中的杂质吸收有铁、铬、铜等过渡金属离子和氢氧根离子吸收。

目前过渡金属离子含量可以降低到0.4ppb以下，1ppb表示质量的十亿分之一，吸收峰损耗也可降低到1dB/km以下。

由氢氧根离子产生吸收峰出现在950mm、1240mm和1390mm波和附近。

其中以1390mm的吸收峰影响最为严重。

一般氢氧根离子的含量可降低到l0.5dB/km以下。

目前采用特殊的生产工艺几乎可以完全消除光纤内部的氢氧根离子，从而可以制成一个无水峰光纤，也称全波光纤。

散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生散射而产生的损耗。

（2）色散特性

光纤色散是光纤通信的最重要的传输特性之一。

在光纤中由于不同成分的光信号有不同的传输速度。

因而有不同的时间延时而产生的一种物理效应。

在光纤中，不同速率的信号传过同样的距离需要不同的时间，从而产生时延差.时延差越大，色散越严重，因此可用时延差表示色散的程度。

由干光纤中色散的存在，将直接导致光信号在光纤传愉过程中的畸变，会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰.增加误码率，从而限制了通信容量和传愉距离。

因此制造优质的、色散小的光纤，对于通信系统容量和加大传输距离是非常重要的。

从光纤色散产生的机理来看，它包括模式色散、材料色散和波导色散3种。

模式色散：

在多模光纤中由于各传输模式的传输路径不同，各模式到达出射端的时间不同，从而引起光脉冲展宽，由此产生的色散称为模式色散。

材料色散：

光纤材料石英玻璃的折射率对不同的传输光波长有不同的值，包含有许多波长的太阳光通过棱镜以后可分成7种不同颜色就是一个证明。

由于上述原因，材料折射率随光波长而变化从而引起脉冲展宽的现象称为材料色散。

波导色散：

由于光纤的纤芯与包层的折射率差别很小，因而在界面产生全反射现象时，有一部分光进入到包层之内。

由于出现在包层内的这部分光，大小与光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。

具有一定波谱线宽的光源所发出的光脉冲射入到光纤后，由于不同波长的光其传输路程不完全相同，所以到达光纤出射端的时间也不相同，从而使脉冲展宽。

具体说入射光的波长越长，进入到包层的光强比例就越大，传输路径距离越长。

由上述原因所形成的脉冲展宽现象叫做波导色散。

材料色散和波导色散都与光波长有关，所以又统称为波长色散。

模式色散仅在多模光纤中存在，在单模光纤中不产生模式色散，而只有材料色散和波导色散。

通常各种色散的大小顺序是模式色散>材料色散>波导色散，因此多模光纤的传输带宽几乎仅由模式色散所制约。

在单模光纤中由于没有模式色散，所以它具有非常宽的带宽。

色散的单位是指单位光源光谱宽度、单位光纤长度所对应的光脉冲的展宽。

2.1.4光纤的型号介绍

在这里主要介绍GYTA单模光纤。

GYTA光缆的结构是将250µm光纤套入高模量材料制成的松套管中，松套管内填充防水化合物。

缆芯的中心是一根金属加强芯，对于某些芯数的光缆来说，金属加强芯外还需挤上一层聚乙烯（PE）。

松套管围绕中心加强芯绞合成紧凑和圆形的缆芯，缆芯内的缝隙充以阻水填充物。

涂塑铝带（APL）纵包后挤制聚乙烯护套成缆。

8、12代表是8芯和12芯，B1代表G.652类是常规单模光纤。

通信光纤具体分为G.651、G.652、G.653、G.654、G.655和G.656六个大类和若干子类。

（1）G.651类是多模光纤，IEC和GB/T又进一步按它们的纤芯直径、包层直径、数值孔径的参数细分为A1a、A1b、A1c和A1d四个子类。

（2）G.652类是常规单模光纤，目前分为G.652A、G.652B、G.652C和G.652D四个子类,IEC和GB/T把G.652C命名为B1.3外，其余的则命名为B1.1。

（3）G.653光纤是色散位移单模光纤，IEC和GB/T把G.653光纤分类命名为B2型光纤。

（4）G.654光纤是截止波长位移单模光纤，也称为1550nm性能最佳光纤，IEC和GB/T把G.654光纤分类命名为B1.2型光纤。

（5）G.655类光纤是非零色色散位移单模光纤，目前分为G.655A、G.655B和G.655C三个子类，IEC和GB/T把G.655类光纤分类命名为B4类光纤。

2.2光缆的介绍

光缆（opticalfibercable）主要是由光导纤维（细如头发的玻璃丝）和塑料保护套管及塑料外皮构成，光缆内没有金、银、铜铝等金属，一般无回收价值。

光缆是一定数量的光纤按照一定方式组成缆心，外包有护套，有的还包覆外护层，用以实现光信号传输的一种通信线路。

即由光纤（光传输载体）经过一定的工艺而形成的线缆。

图2-1光缆

2.2.1光缆历史

1976年，美国贝尔研究所在亚特兰大建成第一条光纤通信实验系统，采用了西方电气公司制造的含有144根光纤的光缆。

1980年，由多模光纤制成的商用光缆开始在市内局间中继线和少数长途线路上采用。

单模光纤制成的商用光缆于1983年开始在长途线路上采用。

1988年，连接美国与英法之间的第一条横跨大西洋海底光缆敷设成功，不久又建成了第一条横跨太平洋的海底光缆。

中国于1978年自行研制出通信光缆，采用的是多模光纤，缆心结构为层绞式。

曾先后在上海、北京、武汉等地开展了现场试验。

后不久便在市内电话网内作为局间中继线试用，1984年以后，逐渐用于长途线路，并开始采用单模光纤。

通信光缆比铜线电缆具有更大的传输容量，中继段距离长、体积小，重量轻，无电磁干扰，自1976年以后已发展成长途干线、市内中继、近海及跨洋海底通信、以及局域网、专用网等的有线传输线路骨干，并开始向市内用户环路配线网的领域发展，为光纤到户、宽代综合业务数字网提供传输线路。

2.2.2光缆的种类

光缆的种类很多，其分类的方法就更多，下面介绍一些习惯的分类：

（1）按敷设方式分有：

自承重架空光缆、管道光缆、铠装地埋光缆和海底光缆。

（2）按光缆结构分有：

束管式光缆、层绞式光缆、紧抱式光缆、带式光缆，非金属光缆和可分支光缆。

（3）按用途分有：

长途通讯用光缆、短途室外光缆、混合光缆和建筑物内用光缆。

2.2.3光缆网是信息高速路的基石

光缆是当今信息社会各种信息网的主要传输工具。

如果把“互联网”称作“信息高速公路”的话，那么，光缆网就是信息高速路的基石---光缆网是互联网的物理路由。

一旦某条光缆遭受破坏而阻断，该方向的“信息高速公路”即告破坏。

通过光缆传输的信息，除了通常的电话、电报、传真以外，现在大量传输的还有电视信号、银行汇款、股市行情等一刻也不能中断的信息。

目前，长途通信光缆的传输方式已由PDH向SDH发展，传输速率已由当初的140MB/S发展到2.5GB/S、4×2.5GB/S、16×2.5GB/S甚至更高。

也就是说，一对纤芯可开通3万条、12万条、48万条甚至向更多话路发展。

如此大的传输容量，光缆一旦阻断不但给电信部门造成巨大损失，而且由于通信不畅会给广大群众造成诸多不便，如计算机用户不能上网、股票行情不能知晓、银行汇兑无法进行、异地存取成为泡影、各种信息无法传输。

在边远山区，一旦光缆中断，就会使全县甚至光缆沿线几个县在通信上与世隔绝，成为孤岛。

给党政军机关和人民群众造成的损失是无法估量的。

2.3光端机的介绍

当今社会,光纤通信已成为通信的主要手段之一。

同时，光纤通讯技术也在飞速的发展，使得光纤传输系统以其众多的优点，赢得了大家的青睐。

光纤传输系统具有以下显著优点：

容量大、传输距离远、抗干扰能力强等。

光传输系统由光发送机、传输介质、光接收机三部分组成。

其中，光发送机与光接收机统称为光端机。

光端机是光纤通信系统中的光纤传输中断设备，它们位于电端机和光纤传输线路之间。

光端机就是将多个E1信号变成光信号并传输的设备，它的作用主要就是实现电-光和光-电转换。

光端机根据传输E1口数量的多少，价格也不同。

一般最小的光端机可以传输4个E1，目前最大的光端机可以传输4032个E1。

图2-2光端机

由于光纤传输的种种优点，光端机应用的场合非常广泛。

例如可以应用于企业内部部门之间长距离局域网络之间的数据通信、移动网络中无线基站间传输系统，公共交换电话网中远端线路单元，商业网中提供专线及PABX群路的网络终端，校园网中的点对点链路和接入网中用于通常的信号传输等等。

目前光端机应用最多的方面就是长距离视频和数据的传输。

在高速公路、银行、电力、电信等的监控领域都要求对视频信号进行远程的传输，目前主要的解决方法是利用光端机将视频信号转化为数字信号通过光纤进行传输。

此外光端机在远程视频会议、远程教学、远程医疗、通讯等诸多领域都有很广阔的用武之地，未来的光端机将向着数字化、网络化的方向发展。

下图是光端机的工作原理：

图2-3光端机工作原理