专题讲座光纤通信概述DOC.docx

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专题讲座

光纤通信概述

余振新

☆在我们谈及通信之前，明确一下天天都会接触到的一些名词术语：

消息：

表述某一已经发生的事件。

消息是需要载体的：

文字、符号、数据、图案------”离散消息”

语音、动画------------------------”连续消息“

信息：

是事物存在状态和方式的反映，是指消息中所包含的有意义的内容，能触及人们认识性的思维活动。

信号：

是消息的物质载体。

可以是声光电热机械形式的。

消息就寄托在信号的某种参量上（V,I,W,T）

信道：

信号传输的通道。

可以是铜线、光纤、大气、水底。

通信：

不同单元之间交换和传递消息的活动过程。

通信的本质是传递信息。

信号则是信息的载体。

通信的整个过程是依赖信号往返传递来实现的。

通信系统：

传递信息所需的一切技术设备的总和。

要明白：

光通信是建立在电通信基礎上的。

只是在通信过程中，把电信号转換成光信号，利用光纤网络传递出去，到了目的地后，再把光信号变換回电信号。

所以，在学习光通信之前，必须对电通信有足够的了解。

通信系统概述

通信系统有各种各样的分类方式：

诸如

按信号特征分类：

模拟通信系统；

按调制特征分类：

调幅、调频、调相、脉冲编码；

按物理特征分类：

语音通信、图像通信、数据通信；

按传输媒体分类：

有线、无线方式（最常用、最易被理解和接受）

有线通信系统——电缆（明线、同轴）；光纤光缆（单模、多模）；

无线通信系统——微波、卫星、移动通信。

电缆通信系统：

（1）基础语音通信---最简单、最基础、最经典的通话方式；

（2）高频（载波）通信系统----单路语音频带规定为0.3—3.4KHz。

载波线路采用调幅或调频；明线信道带宽限制f<200KHz.故频分复用上限只到150Hz。

（3）同轴电缆高频（载波）通信系统----

同轴电缆采用四种传输频谱：

①2.6MHz，由10个60路群组成，总复用话路为600路，线路传输频带为60—2540KHz；

②4MHz，由16个60路群组成，总复用话路为960路，线路传输频带为60—4000KHz；

③6MHz，由24个60路群组成，

④12MHz，由15个60路群和6个300路群组成，最大复用话路达2700路，线路传输频带为312—12388KHz；

（4）长途电信（铜）网

微波通信系统

微波通信是无线传输方式的一种

微波收发波段的配置

微波通信线路通常都是频分复用的：

1.同一微波站收、发信采用不同频段。

避免混叠干扰；

2.同一地区使用时，把频距拉开，避免互扰；通常微波站使用2频制或4频制:

光纤通信系统

电端机的功能：

发信----接收电信号，进行载波处理、模/数处理，随后以一定的电平送到光端机；收信----接收光端机传来的电信号，进行解调及模数转换处理，然后以一定电平输至显示器（话音、图像、打印）；

光端机的功能：

发信----由电端机传来的各类电信号，对LD或LED进行调制，转换成光信号，并以一定的光功率发射出去；收信----接收光信号并转换成电信号，传送到电端机进行解调处理；光纤光缆功能：

作为两地光端机之间的连接通道。

单根光纤传送单向光信号；收/发双方利用两根光纤作不同向传送。

如果采用单根光纤同时实现正\反向传送，则正\反向光信号的波长应严格分开。

光学信道——光纤\光缆

光纤结构分为三层：

中心高折射率玻璃芯（芯径一般为50或62.5μm），中间为低折射率硅玻璃包层（直径一般为125μm），最外是加强用的树脂涂层。

光纤的透明性：

光纤的芯料是高纯度的石英，对0.8μ---1.6μ波段的光极端透明；单纤直径：

Ф2μ---200μ；

柔性弯曲半径R>10—100mm;

光频通信容量：

由于光纤传输的可用波段在0.8μ---1.6μ；频率范围可达106—107GHz。

光频载波相当于微波载频（102GHz）的104倍，显然，光频通信的信道容量非常巨大！

遍布世界的光纤网络

现在,全世界的光纤总长度已经超过了10亿公里,足以绕地球25000圈,当前世界最大的商用线路是上海-杭州建成的光纤通信线路，速度3.2Tbps，可容纳5000万路电话。

现在验室光纤通信系统的速度达32Tbps（1T=1000G）。

光纤通信系统的发展

第一代光纤通信系统（1970--1980）：

采用λ～0.85μ波段的多模光纤；

数据传输率约50～100Mb/s;中继距离约10Km；

第二代光纤通信系统（1980--1990）：

采用λ～1.3μ单模光纤；

数据传输率约1～1.7Gb/s;中继距离约45Km；

第三代光纤通信系统（1990--1995）:

采用λ～1.5μ单模光纤；

数据传输率>2Gb/s;中继距离>200Km；

第四代光纤通信系统（1995---）：

实现了λ～1.55μ单模光纤通信系统并

使用了波分复用技术提高传输速率；

第五代光纤通信系统：

使用了光波放大器，大大地增长了传输距离。

当前正在不断发展的新系统中，相干光纤通信系统，已达现场实验水平，将得到应用。

光孤子通信系统可以获得极高的传输速率，21世纪上半叶可能达到实用化。

在该系统中加上光纤放大器有可能实现极高速率和极长距离的光纤通信。

光学纤维发展简史：

★很早就认识到：

一根透明的玻璃棒，借助于棒中的多次内反射而有传递光线的能力；

★O.Schriever在Ann.Phys.63,645（1920年）报道：

最早描述介质波导管实验；

★1926年英国Baid和1927年美国Hansell第一次在专利中提出了用一米玻璃纤维丝来传导图像的可能性；

★1930年，德国Lamm首次演示把光学纤维用于传像；

★1930—1950年的20年间，研究工作认识到：

必须使用涂膜的光学纤维来进行光学隔离。

★1954年荷兰人VanHell发表了关于纤维光学隔离的技术（《Nature》173,39（1954））;

★1954年，英国Hopkins等人发表了精确排列传像纤维束技术，但并未有重视利用低折射率涂层解决光学隔离问题；（《Nature》173,39-41（1954））

★直至1958年，美国BellLab，Cornning公司，日本的Hoya公司等纷纷投入光学纤维的研究。

★1966年，华人科学家高锟（CharlesKao）发表了论文：

《光频率介质纤维表面波导》开创性地提出光导纤维在通信上应用的基本原理，描述了长程及高信息量光通信所需绝缘性纤维的结构和材料特性。

核心的思想是：

只要解决好玻璃纯度和成分等问题，就能够利用玻璃制作光学纤维，从而高效地传输信息。

当时，仅仅追求让光在光纤中传输1千米后至少还剩下百分之一。

亦即：

传输损耗约<-20dB/Km.

★1966年，要求光纤对光能的损失为20[dB/Km]。

这是非常苛刻的.当时绝大多数人认为不可能做到。

因为当时世界上最好的玻璃是照相机镜头玻璃，其损失是700[dB/Km]；窗玻璃的损失是X10000[dB/Km]由于Corning公司与Hoya公司的努力,现实了石英光纤损耗g＜20dB/Km.随着第一个光纤系统于1981年成功问世，全世界掀起了一场光纤通信的革命。

高锟“光纤之父”的美誉传遍世界。

（准确地说应是“光纤通信之父”）

★1972年底，美国的康宁玻璃公司研制出光纤的样品，其损传输损耗小于20分贝/公里。

长20米，据说花了3000万美元。

★1970年,美国Cornning公司首先制造出了1千米长的光纤。

1988年,6000公里长的光缆铺设在美国和欧洲之间的大西洋海底。

2008年,全世界的光纤总长度已经超过了10亿公里,足以绕地球25000圈。

并仍在以每小时数千公里的速度增长。

这些光纤织成了互联网。

★与高锟当年想要达到的传输1千米后剩下1%的光相比,今天的光纤在传输1千米后还有95%的光存在。

要理觧光纤传输光时的损耗規律及其表述单位[dB]。

必须弄清光线穿过透明介质时的吸收或透过的规律：

通信系统传输常用单位--------分贝[dB]

描述一个通信元件、装置、系统的性能，经常用到“放大”、“增益”、“损耗”的大小来评比并且习惯以“分贝【dB】”为单位。

在我们日常生活和工作中大多采用自然计数法，但在一些自然科学和工程计算中，对物理量的描述往往采用对数计数法。

用对数形式描述物理量是因为它们符合人的心理感受特性：

在一定的刺激范围内，当物理刺激量呈指数变化时，人类的心理感受是呈线性变化的，——心理学上的韦伯定律和费希钠定律。

绝对功率用【dB】表示，不同的绝对功率值所对应的以一毫瓦为基准的功率电平值如下：

绝对功率【dB】绝对功率【dB】绝对功率【dB】

•1pW　　　-90　1mW 　　0　　1W　　　30

•10pW　　-80　2mW　　　3　　2W　　　33

•100pW　　-70　4mW     6   4W      36

•0.001μW -60　5mW     7   5W      37

•0.01μW　-50  8mW     9   8W      39

•0.1μW　-40  10mW   10   10W     40

•1.0μW  -30  20mW   13   100W    50

•2μW     -27  40mW   16   1000W   60

•4μW     -24  50mW   17   10kW    70

•5μW     -23  80mW   19   100kW  80

•8μW     -21 100mW   20   1000kW  90

•10μW    -20 200mW   23

•20μW    -17 400mW   26

•40μW    -14 500mW   27

•50μW    -13 800mW   29

•80μW    -11

•100μW   -10

•1000μW   0

光纤技术的发展，主要在两个方面：

（1）通信光纤;

（第一窗口）850nm

（第二窗口）1310nm

（第三窗口）1550nm

（第四窗口）L波段

（第五窗口）S波段

进而发展全波光纤：

无水峰的全波窗口。

从1280nm到1625nm的广阔光频范围内都能实现低损耗、低色散传输。

使传输容量几百倍、几千倍甚至上万倍的增长。

（2）特种光纤

1．有源光纤：

掺铒（Er3+）、掺钕（Nb3+）、掺镨（Pr3+）、掺镱（Yb3+）、掺铥（Tm3+）等；不同掺杂的光纤放大器应用于不同的工作波段。

实现无中继器的百万公里的光孤子传输。

2.色散补偿光纤（DispersionCompensationFiber。

DCF）正负色散补偿，保证光码传输不变形。

3.光纤光栅（FiberGrating）利用光纤光栅可以制作成许多重要的光无源器件及光有源器件。

4.多芯单模光纤（Multi-Coremono-ModeFiber，MCF）提高成缆的集成密度。

目前光缆的含纤数量达千根以上，有力地保证了接入网的建设。

卫星通信系统

卫星通信频段：

300MHz；与微波通信相似，但只用一个中继站。

中国早期通信卫星使用上行频率为6GHz，下行频率为4GHz。

采用调频方式传输信号，卫星中继站收信后，放大、变频，再发往另一地面站。

卫星距地平均高度为200Km，需要多个卫星进行中转，才能实现全球远程通信。

数字移动通信系统

移动电话系统是藉著许多小功率发射机组成的正六边形蜂窝小区群构成无线联络的。

通信基站BS发射机功率约5—10W；覆盖面积半径约1—20Km，形成一个小区；若干个小区构成一个服务区。

手机（移动台）与小区发射机完成通信联系。

移动系统交换机MSC用于解决小区之间的联系及跨区连续通信的问题。

公共交换通信网PSTN解决更大范围的远程联络问题

由于小功率发射机的覆盖范围，只要能避开干扰，相同频率可重复使用。

把若干相邻小区组成一个群并使用一个频率分组；一个大区包括若干小区组群，重复使用多个频率组份。

当车载手机越区迅速移动时，移动台的工作频率和接续服务也要从一个小区快速切换到另一小区。

无线通信的“按址联接”

无线通信是一种广播信道：

一个用户发信，其他用户均可收到。

在网上要进行一对一的通信，必须要用“专有地址”方式，建立各用户间“按址连接”的办法。

利用电信号的时间T，频率F，波形C几个变量，区分出通道地址：

（a）“频分多址”----对信号采用不同的载波频率来划分;（FDMA）

（b）“时分多址”----对信号采用不同的时隔分配来划分；（TDMA）

（c）“码分多址”----对信号采用不同的码型来划分通道；（CDMA）

波分复用（WDM）光通信系统简介

电网上传统的扩容方法是采用“时分复用”（TDM），为了充分利用光波的带宽资源，采用更为有效的扩容办法：

“波分复用”

DWDM通信系统工作波长的规定

密集光波分复用DWDM

◎当前的商业水平是273个或更多的波长，

◎研究水平是1022个波长（能传输368亿路电话），

◎近期的潜在水平为几千个波长，

◎理论极限约为15000个波长（包括光的偏振模色散复用，OPDM）。

◎据1999年5月多伦多的LightManagementGroupIncofToronto演示报导：

在一根光纤中传送了65536个光波，把PC数字信号传送到200m的广告板上，并采用声光控制技术。

这说明了密集波分复用技术的潜在能力是巨大的。

光时分复用OTDM是指在一个光频率上，在不同的时刻传送不同的信道信息。

这种复用的传输速度已达到320Gb/s的水平。

若将DWDM与OTDM相结合，则会使复用的容量增加得更大。

国际光纤通信的发展极其迅速，至1991年底，全球已敷设光缆563万千米，到1995年已超过1100万千米。

光纤通信在单位时间内能传输的信息量大。

一对单模光纤可同时开通35000个电话，而且它还在飞速发展。

国内1973年，世界光纤通信尚未实用。

邮电部武汉邮电科学研究院（当时是武汉邮电学院）就开始研究光纤通信。

中国已建成“八纵八横”干线网，连通全国各省区市。

现在，中国已敷设光缆总长约250万公里。

光纤通信已成为中国通信的主要手段。

1999年中国生产的8×2.5Gb/sWDM系统首次在青岛至大连开通，随之沈阳至大连的32×2.5Gb/sWDM光纤通信系统开通。

2005年3.2Tbps超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通，是至今世界容量最大的实用线路。