现代光纤通信技术

第一章通信网技术概述1.1概述1.2通信设备构成通信网的最基本的设备是用户端设备、传输链路设备和转接交换设备。1.3广域网分类1.4通信协议1.4.1协议通常将网络分层结构以及各层协议的集合称为网络体系结构。比较著名的网络体系结构有国际标准化组织ISO(InternationalforStandardization)提出的开放系统体系结构OSI(OpenSystemInterconnection);美国国防部提出的传输控制协议TCP/IP；国际电信联盟提出的公共数据网X系列协议；IBM公司提出的系统网络体系结构SNA等。1.4.2标准化组织1.国际标准化组织ISO2.国际电信联盟-电信标准化部ITU-T(InternationalTelecommunicationUnion)一直负责制定电信网的标准系列。3.因特网工程任务组IETF(InternetEngineeringTaskForce)负责研究因特网的体系结构以及新一代因特网标准规范的研究和制定第二章数字通信技术第三章光纤通信技术3.1光纤通信3.1.1光纤通信的发展3.1.2光纤通信的特点1.传输频带宽，通信容量大。由信息理论知道，载波频率越高，通信容量就越大。2.损耗低。目前实用的光纤均为石英系光纤，要减小损耗，主要是靠提高玻璃纤维的纯度。3.在运用频带内，光线对每一频率成分的损耗几乎一样。因此，系统中才去的均衡措施比传统的电信系统简单，甚至可以不必采用。4.光纤内传播的光能几乎不辐射，因此很难被窃听，也不会造成统一光缆中各光纤之间串扰5.不受电磁干扰。因为光纤是非金属的介质材料。6.线径细、重量轻，便于敷设。7.资源丰富。制作玻璃光纤的原料是适应，其来源十分丰富。3.1.3通信系统中主要技术指标1.分贝dB分贝dB是以常用对数表示的两个电压或两个功率之比的一种计量单位。以0p作为基准功率，那么在某一点的功率1p的测试点上的功率电平为D=10lg01pp(dB)光纤放大器的功率增益为功率增益G=10lg输入光功率输出光功率(dB)若损耗沿光纤是均匀的，光纤的损耗常用衰减常数A表示衰减常数A=-L10lg输入光功率输出光功率(dB/km)光纤连接器反射损耗系数为反射损耗系数R=-10lg输入光功率率反射回到输入端的光功(dB)2.绝对功率dBmdB表示相对于某一据准功率的相对功率电平数。dBm则表示相对于1mW参考功率的电平数，成为绝对功率电平数。符号dBm中的dB表示分贝，m表示毫瓦。D=10lg1p=10lgp(dBm)3.信道的传输速率和频带利用率数字通信网络的运载信息能力用数据传输速率表示，数据传输速率的单位是比特/秒（b/s）,所以数据传输速率也称比特率。在比较不同的数字通信系统时，但看他们的信息传输速率是不够的，还要看传输这种信息所占用的信道的频带宽度。所以采用频带利用率，即单位频带内的传输速率作为衡量数字通信系统传输速率（有效性）的指标：频带宽度信息传输速率频带利用率（b·11Hzs）4.带宽BW信道带宽（BandWidth）是通信系统的宝贵资源。带宽是描述用于模拟传输的通信信道的运载能力的特性。带宽是一个频率范围，信号在这个频率范围内传输不会产生重大的畸变，带宽用赫兹（Hz）作为单位。制造商经常用带宽和光纤长度的乘积来标明带宽的质量数字通信网络的运载信息能力也常用带宽来表示。比特率和带宽都是表示运载信息能力的。他们的关系在不同情况有不同的规定，最简单的办法（也是不太确切的办法）就是假设每秒的比特数b/s与每秒周期数相同。限制比特率的最重要因素是光纤的衰减和光纤的色散。色散和光源频宽使脉冲展宽，在超声速和超长距离通信系统中色散将是限制比特率最重要因素之一。5.误码率BER衡量数字通信系统可靠性的主要指标是误码率BER(BitErrorRate).在传输过程中发生误码的码元个数与传输的总码元素之比，成为误码率。BER是多次统计结果的平均值，实际上是平均误码率。误码率的大小由传输系统特性和信道质量等因素决定，显然提高信道信噪比（信号功率/噪声功率）可使误码率减少；缩短中继段距离可提高信噪比，也即可使误码率减少。6.抖动性能抖动性能也是一种可靠性指标。抖动是较高传输系统中的不稳定现象，信号抖动是指数字信号的码位相对于标准位置的随即偏移，脉冲时间间隔上不再是等间隔的。信号抖动也是由传输特性和信道质量等因素决定的，他可能是有脉冲恢复电路产生的抖动，也可能是由噪声引起的抖动，也可能由设备和光源老化引起的抖动。误码率和信号抖动都直接反映了通信质量。3.2光导纤维3.2.1光导纤维的产生光导纤维是具有传输频带宽、通信容量大、损耗低、不受电磁干扰等优点的一种新型传输介质。3.2.2光纤结构和光传输的基本原理1.光的特性光具有波动性和粒子性(1)光的波动性光是一种横向电磁波TEM(TransverseElectromagnetic)，所谓横向是指光在真空三维空间中传播时，电场强度E和磁场强度H两个矢量都与光的传输方向垂直。在光波传输时，随着时间的变化，电场和磁场的空间方位受到周围环境和光纤质量的影响也发生变化，这种现象称为极化。这种电磁波的极化现象也成为偏振现象。光波与其他波长的电磁波一样，在真空中的传播速度为smc/1038根据光速=波长×频率的公式，有)(1038mffc光的中心频率大约为：Hzf14106光的中心波长大约为：m6105.0光既然是电磁波，就会有电磁辐射，会产生反射、折射、干涉、偏振和损耗等现象。紫外光的波长范围为6nm～390nm；可见光的波长范围为390nm～760nm；红外光的波长范围为760nm～5103nm；光纤通信所使用的波长范围为800nm～1700nm，具体使用的波长为短波长850nm、长波长C波段1310nm和长波长L波段1550nm。(2)光的粒子性2.光纤的结构3.光纤的导光原理3.2.3多模光纤和单模光纤1.光纤的传输模式“模”来源于电磁场的概念这里所说的“模”，实际上是光场的模式。当光纤的纤芯较粗时，则可允许光波以多个特定的角度射入光纤端面，并在光纤中传播，此时称光纤中有多个模式。这种能传输多个模式的光纤称为多模光纤MMF(Multi-ModeFiber)；当光纤的芯径很小时，光纤只允许与光纤轴一致的光线通过，即只允许通过一个基膜，这种只允许传输一个基膜的光纤称为单模光纤SMF(Single-ModeFiber)。从光纤理论的分析，可以得到以下几个有关的结论：（1）并不是任何形式的光波都能在光纤中传输，每种光纤都只允许某些特定形式的光波通过，而其他形式的光波在光纤中无法存在。每一种允许在光纤中传输的特定形式的光波称为光纤的一种模式。（2）在同一光纤中传输的不同模式的光，其传播方向、传输速度和传输路径不同，光的衰减也不同。观察与光纤垂直的横截面就会看到不同模式的光波在横截面上的场强分布也不同，高次模的衰减大于低次模。（3）进入光纤的光，在光纤的纤芯和包层界面上的入射角小于临界角的光就有一部分进入包层被很快衰减掉。入射角大于临界角时，在交界面内发生全反射，传输损耗小，能远距离传输，称为导模（4）能满足全反射条件的光线也只有某些特定的角度射入光纤端面的部分才能在光纤中传输因此，不同模式的光的传输方向不是连续改变的，当通过同样一段光纤时，以不同角度在光纤中传输的光所走的路径也不同，沿光纤轴前进的光走的路径最短，而与轴线佼佼大的光所走的路经长2.单模光纤的主模和传输条件3.多模光纤多模光纤的芯径和外径分别为50m和125m。4.单模光纤单模光纤的外径也是125m，但他的芯径一般为4m～10m。单模光纤采用阶跃材质和高度集中的光源，使得发出的光纤限制在非常接近水平很小范围。光纤纤芯本身制造时采用比多模光纤小得多的直径，和极低的密度（折射系数）。密度的降低时的全反射角接近o90，从而使得传播的光线基本是水平的。在这种情况下，不同光线的传播几乎是相同的，从而可以忽略传播延迟。所有光线几乎同时抵达目的地并且可以无扭曲的重组为完整的信号。3.2.4光纤的传输特性1.光纤的损耗特性衰减是光纤的一个重要的传输参数。他表明了光纤对光能的传输损耗，光纤每单位长度的损耗，直接关系到光纤通信系统传输距离的长短，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，也有光纤与光源的耦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。（1）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。（2）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。衰减系数，则定义为单位长度光纤引起的光功率衰减。当长度为L时，即)0()(lg10)(PLPL（dB/km）式中P(0)—在L=0处注入光纤的功率；P(L)—传输到轴向距离L处的光功率。α（λ）—在波长为λ处的shuaijianxishu与波长的函数关系，其数值与选择的光纤长度无关。2.光纤的色散特性在光纤中，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。由于光纤中色散的存在，将直接导致光信号在光纤传输过程中的畸变，会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生无码干扰，增加误码率，从而限制了通信容量和传输距离。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。（1）模式色散是指在多模光纤中，不同模式在同一频率下传输，由于在光纤中行进轨迹不同，当传输同样的光纤长度时，需要不同的时间，即模式之间存在时延差，这种色散成为模式色散。他取决与光纤的折射率分布。（2）材料色散是由于光纤材料本身的折射率随波长而变化，使信号各频率成分的群速不同所引起的色散。（3）波导色散是由于光纤的几何结构、形状等方面的不完善，使广播的一部分在纤芯中传输，另一部分在包层中传输。由于纤芯和包层的折射率不同，会造成脉冲展宽的现象，称为波导色散。（4）色度色散CD(ChromaticDispersion)指所有引起由于波长的脉冲扩展相关的现象，包括材料色散和波导色散。3.偏振色散PMD(PolarizationModeDispersion)偏振是单模光纤特有的问题。典型光线是无偏振的，也可以成为圆形偏振。也就是说，它的电场E和磁场H在所有垂直与传播方向上具有同样的强度，因而是圆形的。当光通过媒质传播时，它进入靠近原子和离子的场，会产生场的相互作用，对各个方向上光的电场强度和磁场强度发生影响，最终会形成椭圆或线性的场分布。实际上，单模光纤传输的基膜（01LP模）存在两个相互正交的偏振态xLP或yLP。在完善的光纤中，该两模式具有相同的传输特性，偏振态是完全简并的，它们不会对光纤中信号传输造成任何不良影响。但实际光纤总有某种程度的不完善，如光纤的芯子具有一定的椭圆度或者由于弯曲、侧压和光纤的残余应力等，这两种偏振态具有不同的传输特性，偏振模式色散PMD(PolarizationModeDispersion)将引起各种严重影响，如两模式的群速不同，因而引起偏振色散，外界条件的变化有可能引起光纤输出偏振态的不稳定。4.光纤的非线性效应通常，在广场较弱的情况下，可以认为光纤的各种特征参数随光场的强弱做线性变化。这时，光纤对光场来讲，是一种线性媒质。但是，若光场很强，则光纤的特征参数将随光场呈非线性变化。当光纤处于非线性工作状态时，光纤的非线性效应不仅引起信号的畸变，更重要的是它将导致新频率的产生和不同频率之间的相互作用，新频率的产生将损失信号光的功率。光纤中的几种非线性效应均可能在信号见构成串扰，具体来讲，就是一个信道的光强和相位将受到其他相邻信道的影响，从而形成串扰由于是光纤非线性效应引起的，故这种串扰便称之