光通信基础

内容提要第一部分:光通信基础光通信发展回顾光纤通信系统概述光纤与光缆光源器件与光发射机光检测器件与光接收机光通信发展回顾1966年，华裔学者高锟博士（K.C.Kao）在PIEE杂志上发表了著名文章:《用于光频的光纤表面波导》，该文从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性。1970年美国康宁公司根据高锟文章的设想，制造出当时世界上第一根超低耗光纤。2041.10.50.20.140510152025197019721974197619791990衰减系数：dBm/km光通信发展回顾1976:美国开通了世界上第一个实用化光纤通信系统。码率为45Mb/s，中继距离为10km1993:SDH产品开始商用化（622Mb/s以下）1995:2.5Gb/s的SDH产品进入商用化阶段1996:10Gb/s的SDH产品进入商用化阶段1997:采用波分复用技术（WDM）的20Gb/s和40Gb/s的SDH产品试验取得重大突破0.0450.140.6222.51040051015202530354045197619801993199519961997传输速率（Gb/s）光纤通信系统概述:基本构成发送端的电端机把信息（如话音）进行模/数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件，发出携带信息的光波。光波经低衰耗光纤传输后到达接收端。在接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机再进行数/模转换，恢复原来的信息。光纤通信系统概述:技术优势通信容量大理论上一根光纤可承载100亿话路，实验室水品已达50万话路。中继距离长波分系统可实现无电再生中继传输600公里以上保密性好、抗干扰能力强光信号在纤芯中传输，“无泄漏”抗电磁干扰系统灵活，维护方便光缆敷设方式多样设备集成度高，技术成熟光纤构造纤芯主要成分:高纯度二氧化硅:折射率n1纤芯掺有少量掺杂剂（如二氧化锗、五氧化二磷）的目的是适当提高纤芯的光折射率包层主要成分:高纯度二氧化硅:折射率n2n1包层掺杂剂（如三氧化二硼）的作用则是适当降低包层的光折射率涂敷层涂敷层由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成，是光纤的最外层，增加光纤的机械强度与可弯曲性光纤的导光原理全反射定律:n1sinθ1=n2sinθ2θ290°时发生全反射现象光在光纤中发生全反射现象时，光线基本上全部在纤芯区传播反射光入射光折射光θ2θ1纤芯n1包层n2θ1光信号在光纤中的传播当纤芯的几何尺寸远大于光波波长时，光纤中会存在着几十种乃至几百种传播模式。不同的传播模式会具有不同的传播速度与相位。多模光纤芯径50微米左右当纤芯的几何尺寸可以与光波长相比拟时，光纤只允许一种模式在其中传播。单模光纤芯径在5～8微米光纤的基本特性衰耗系数:每公里光纤对光功率信号的衰减值，单位:dB/km吸收衰耗：本征吸收与杂质吸收散射衰耗：线性散射衰耗（瑞利散射），非线性散射衰耗（布里渊散射与拉曼散射是典型的非线性散射）其它衰耗：微弯曲衰耗与连接衰耗等光纤的基本特性当一个光脉冲从光纤输入，经过一段长度的光纤传输之后，其输出端的光脉冲会变宽，甚至有了明显的失真。偏振模色散（PMD）横截面畸变、外应力使光纤各向异性。色度色散光纤制造材料固有色散系数，可通过色散系数为负值的特种光纤进行补偿。光纤的种类特种光纤：色散补偿光纤（DCF）、掺铒光纤…型号名称用途G.651折射率渐变型多模光纤850nm和1310nm两个波长区域的模拟或数字信号传输G.652常规光纤广泛应用于高速数字信号传输G.653色散位移光纤适合传输单波长、大容量的SDH信号G.654衰减最小光纤主要应用于需要中继距离很长的海底光纤通信G.655非零色散位移光纤衰减和色散特性适应波分复用技术要求光纤的色散系数光缆结构标准光缆色谱全介质自承式光缆常见光跳线和连接器FC尾纤/连接器SC尾纤/连接器LC尾纤/连接器光源器件和光发射机:发光二极管LEDLED的优点线性度好，发光功率基本与工作电流成正比关系温度特性好价格低、寿命长LED的缺点谱线较宽，难以实现大容量信号传输与光纤的耦合效率低LED的应用范围广泛应用在较小容量，较短距离的光纤通信之中光源器件和光发射机:激光二极管LDLD的优点发光谱线窄，适用于大容量的光纤通信与光纤的耦合效率高阈值器件，响应速度快LD的缺点温度特性较差，需加温控线性度较差LD的应用范围广泛应用在大容量、长距离的数字光纤通信之中光源器件和光发射机:对光源器件的要求工作波长适宜：光器件工作波长与光纤特性匹配发射光功率大：可实现长距、超长距传输温度特性好：在高温\低温下其性能容易劣化光信号谱线宽度窄：抑制色散工作寿命长、体积小：一般可达30万小时以上光源器件和光发射机:光发送机主要技术指标平均发送光功率在“0”“1”码等概率调制的情况下，光发送机输出的光功率值，单位为dBm谱线宽度（单纵模激光器）自中心波长的最大幅度下降20dB时两点间的宽度δλnm光功率P0－20光检测模块和光接收机:PIN光二极管特性附加噪声低使用方便，工作电压低寿命长、价格便宜没有倍增效应，光接收机的灵敏度不高应用范围用于较短距离的光纤通信系统光检测模块和光接收机:APD光二极管特性反向偏压高于一定值，光电子在高场强电场作用下出现”碰撞电离“现象（倍增效应），产成较大光电流倍增噪声也会降低光接收机的灵敏度应用范围可用于长距光纤通信系统光检测模块和光接收机:对光检测器件的要求响应度高：从微弱的光信中检测出通信信息，光检测器必须具有很高的响应度。噪声低：附加噪声如暗电流噪声、倍增噪声等,降低了光接收机的灵敏度。体积小、寿命长光接收机主要技术指标接收灵敏度在保证规定的误码率条件下,光接收机所需要的最小光功率值。过载光功率在保证一定误码率要求的条件下，光接收机所允许的最大光功率值。小结光发送机作用：把电信号码流转换成光脉冲码流，并输入到光纤中进行传输要求：发光功率大、谱线窄光纤作用:传输光信号的媒质。要求：损耗系数小、色散系数低光接收机作用：是把光脉冲码流转换成电信号码流要求：高灵敏度内容提要第二部分:SDH技术技术起源技术特点SDH帧结构、开销和指针复用和映射技术组网及应用SDH网元基本类型SDH系统基本拓扑结构SDH系统自愈功能介绍同步网介绍网管系统技术起源：PDH技术缺陷无统一的光、电接口规范采用异步复用方式，无法直接分/插低速信号，组网成本高开销字节不多，要通过增加冗余编码来完成线路性能监控功能SDH技术的发展美国贝尔通信研究所首先提出了用一整套分等级的标准数字传递结构组成的同步网络体制（SONET），CCITT于1988年接受了SONET概念，并重命名为同步数字体系（SynchronousDigitalHierarchy），使其成为不仅适用于光纤传输，也适用于微波和卫星传输的通用技术体制。SDH（同步数字传输体系）：规范了数字信号的帧结构、复用方式、传输速率等级，接口码型等特性。SDH技术概述电口、光口速率等级、帧结构、复用等标准规范，容易实现多厂家设备互连采用了同步复用方式和灵活的映射结构，可以从STM-N信号中直接分/插出低速支路信号帧结构中安排有丰富的开销字节，网络监控强大，便于维护等级速率（Mb/s）含2M数量STM-1155.52063STM-4622.080252STM-162488.3201008STM-649953.2804032SDH帧结构ITU-T规定对于任何级别的STM等级，帧频是8000帧/秒净负荷（PAYLOAD）：包括了通道指针（POH）和信息码块再生段开销（RSOH）：监控STM-N整体的传输性能复用段开销（MSOH）：监控每一个STM-1信号的传输性能管理单元指针（AU-PTR）：用来指示净负荷的第一个字节在STM-N帧内的准确位置的指示符1234567899×270×N字节RSOHSTM-N净负荷(含POH)传输方向9×N261×N270×N列MSOHAUPTRT=125sSTM-N的帧结构开销字节(STM-1)A1A1A1A2A2A2J0B1E1F1D1D2D3AU-PTR(管理单元指针)B2B2B2K1K2D4D5D6D7D8D9D10D11D12S1M1E2RSOHMSOH9行传输方向T=125s国内使用字节传输媒质指示字节空格：国际使用字节再生段开销再生段开销RSOHA1、A2—帧定位字节J0—再生段跟踪字节B1—再生段奇偶校验字节（BIP-8）E1—公务联络字节F1—使用者通路字节D1～D3—数据通信通道字节（DCC）再生段部分再生段TMREGADMTM再生段复用段复用段通道复用段开销复用段开销MSOHB2—复用段奇偶校验字节（BIP-24N）K1、K2—自动保护倒换字节（APS）D4～D12—数据通信通道字节（DCC）复用段部分S1—同步状态字节M1—复用段远端差错指示（MS-REI）E2—公务联络字节再生段TMREGADMTM再生段复用段复用段通道AU-4PTR的作用净负荷位置指示速率调整若VC-4的帧速率与AU-4的帧速率不相等，则需要对VC-4的速率进行调整。此时，一方面管理单元指针AU-4PTR的指针值要作相应的增加或减少新数据标识(NDF)净负荷的变化使指针值作相应的变化高阶通道开销VC-4/VC-3J1B3C2G1F2H4F3K3N1J1：通道踪迹字节B3：通道误码校验C2：信号标记字节G1：通道状态字节F2、F3：使用者通路字节H4：TU位置指示字节K3：通道自动保护倒换字节N1：网络运营者字节低阶通道开销V5—通道状态与信号标记字节J2—通道跟踪字节N2—网络操作者字节K4—通道自动保护倒换字节V5VC-12J2VC-12VC-12N2K4VC-12复用和映射技术概述映射：信号打包是一种在SDH网络边界处，将支路信号适配进虚容器的过程，有异步、比特同步、字节同步三种映射方法与浮动VC和锁定TU两种模式。定位：指针调整通过指针调整，使指针的值时刻指向低阶VC帧的起点在TU净负荷中或高阶VC帧的起点在AU净负荷中的具体位置。复用：字节间插复用一种使多个低阶通道层的信号适配进高阶通道层，或把多个高阶通道层信号适配进复用层的过程。其逆过程称为解复用SDH复用映射结构×1×1×1C4-64c×3AUG-4×4AUG-1×1AUG-16AUG-64×1STM-1STM-4STM-16STM-64×4×4×1×1AU4AU4-4cAU4-16CAU4-64cTUG2VC3C3VC4VC4-4cVC-16cVC4-64cC4-4cC4-16c×1×7×3VC12TU12C12TU3TUG3×1映射指针调整复用C4复用/映射处理单元信息容器（C）对低速信号进行适配虚容器（VC）由信息容器出来的数字流加上通道开销。支路单元（TU）由低阶VC与TU-PTR组成。TU-PTR用来指明低阶VC在TU帧内的位置，允许VC在TU帧内的位置浮动，但TU-PTR本身位置固定。支路单元组（TUG）由一个或多个位置固定的TU组成支路单元组。9行261列POHVC-4复用/映射处理单元管理单元（AU）由高阶VC与AU-PTR组成。AU-PTR用来指明高阶VC在STM-N帧内的位置，允许高阶VC在STM-N帧内的位置浮动，但AU-PTR本身的位置固定。管理单元组（AUG）一个或多个在STM帧中占有固定位置的AU组成管理单元组261列AU-PTRVC-49行9列映射与复用映射方法同步帧结构浮动VC模式锁定TU模式异步映射无限制无限制支持不支持比特同步映射网同步无限制支持支持字节同步映射网同步固定支持支持映射模式浮动VC模式：VC净负荷在TU内的位置不固定锁定TU模式：信息净负荷与网同步并处于TU帧内的固定位置2Mb/s信号的映射异步映射：最经常采用的方式字节同步映射：可直接提取或接入64kb/s信号34/140Mb/s信号的映射只能采用异步映射字节间插复用各支路信号按字节顺序进行间插排列以形成更高速率的信号；各支路信号在帧中的位置固定，可直接提取/接入。AUG-1#4AUG-1#2AUG-1#112…412…4…4×VC-