光纤通信基础知识20110731

通信的使命无论繁华的现代都市，还是经济高速发展的沿海地区；无论人潮如织的祖国内地，还是边陲口岸、广袤戈壁；无论春夏秋冬，还是风霜雨雪：“信息通信技术为全人类服务：帮助人们跨越数字鸿沟”！内容提要通信的概念光纤传输系统光纤与光缆光缆线路工程通信的概念通信是指信息的传递和交换。即将各种语言、声音、文字、数据、图形、图像、视像等媒体变换成电信号并且能在任何两地间的任何两个人或两个通信终端设备之间，按照预先约定的规则（或称“协议”）进行传输和交换。通信的分类分类邮政通信•函、包、汇、发•特快专递•储蓄等电信通信•电报通信•电话通信•传真通信•移动通信•数据通信•图像通信等（按业务分类）电信通信（按传输方式分）有线通信无线通信•明线（铁线、铝线、铜线）•电缆（对称电缆、同轴电缆（小、中）•光缆•微波（模拟、数字）•卫星通信通信的分类（续）电信通信（按传输信号分）模拟通信数字通信通信系统的概念通信系统：指用电信号(或光信号)传递信息的系统，也叫电信系统。通信系统的基本任务:克服时间、空间的障碍，有效而可靠地传递信息。通信系统的组成：实际应用中存在各种类型的通信系统，它们在具体的功能和结构上各不相同，然而都可以抽象成为一个通用的通信系统模型，其基本组成包括：信源、变换器、信道、反变换器和信宿五部分。通信系统的模型信源变换器信道反变换器信宿噪声源信息电信号电信号信息信源：信息的来源，是由人或机器产生的声音、文字、数据和图象。变换器：把消息变成电信号，传得远、速度快、易处理。信道：传送信息的通道，有线信道（电缆/光纤）和无线信道（自由空间）。反变换器：把电信号还原成人或机器能识别的信息。信宿：信息接收者。噪声源：无用信号对有用信号的干扰，有元器件内部的噪声和外部电磁场的干扰。数据通信系统的模型传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机模拟信号与数字信号0V(t)t0V(t)t模拟信号波型数字信号波型数据传输类型－模拟通信系统计算机模拟信道计算机发送模拟信号接收模拟信号信道带宽D/A转换A/D转换数据传输类型－数字通信系统计算机数字信道计算机发送数字信号接收数字信号信道带宽编/解码器编/解码器模拟数据和数字数据都转换为模拟信号和数字信号，在相应的信道上传输，有4种组合，每一种相应地需要进行不同的编码处理。数据：模拟数据、数字数据信号：模拟信号、数字信号信道：模拟信道、数字信道数据编码技术模拟的和数字的数据、信号模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号数字发送器几种最基本的调制方法调制就是进行波形变换（频谱变换）。最基本的二元制调制方法有以下几种：调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。对基带数字信号的几种调制方法010011100基带信号调幅调频调相基带(baseband)信号和宽带(broadband)信号基带信号就是将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。数字数据编码方法基带传输在基本不改变数字数据信号频带（即波形）的情况下直接传输数字信号，可以达到很高的数据传输速率与系统效率;在基带传输数字数据信号的编码方式主要有：非归零码NRZ；曼彻斯特（manchester）编码；差分曼彻斯特（differencemanchester）编码。通信方式单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。数据通信方式发送接收单向通道双向通道双向通道(a)(b)(c)发送接收发送接收接收发送接收发送数据通信方式发送端接收端串行通信信道(a)发送端b0b1b2b3b4b5b6b7b7b6b5b4b3b2b1b0接收端b0b1b2b3b4b5b6b7并行通信信道(b)数据传输同步方式终止位(逻辑“0”)起始位(逻辑“1”)tb0b1b2b3b4b5b6字节5字节4字节3字节2字节1SYNSYN......一个或多个SYN字符控制字符数据字符控制字符位同步（外、内）字符同步（同步式、异步式）同步传输模式和异步传输模式MUX异步传输模式系统IP包/ATM信元IP/异步传输模式（ATM）基于标签的复用复用同步传输模式系统时隙同步传输模式（STM）基于位置的复用信道复用技术频分复用、时分复用和统计时分复用频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。频分复用频率时间频率1频率2频率3频率4频率5时分复用频率时间BCDBCDBCDBCDAAAA在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间CDCDCDAAAABBBBCD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间BDBDBDAAAABCCCCD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间BCBCBCAAAABCDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用可能会造成线路资源的浪费ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户统计时分复用STDM用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm波分复用WDM波分复用就是光的频分复用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km广域网中的数据交换技术广域网中的数据交换技术电路交换（circuitexchanging）存储转发（store-and-forwardexchanging）交换存储转发交换技术报文交换（messageexchanging）分组交换（packetexchanging）物理层下面的传输媒体传输媒体的主要类型传输媒体有线介质无线介质双绞线同轴电缆光纤UTPSTP细缆线粗缆线单模光纤多模光纤微波激光红外线通信卫星有线传输媒体双绞线屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)同轴电缆50同轴电缆75同轴电缆光缆非屏蔽双绞线(UTP)加上用金属丝编织成的屏蔽层，以减少干扰和串音3类、5类双绞线外没有任何附加屏蔽屏蔽双绞线(STP)双绞线双绞线的结构铜线铜线聚氯乙烯套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层非屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP基带一条电缆只用于一个信道，50，用于数字传输宽带一条电缆同时传输不同频率的几路模拟信号（频分复用），75，用于模拟传输同轴电缆铜芯导体绝缘层网状导体屏蔽塑料外层粗缆细缆外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体光缆剖面示意图芯封套外套光纤外护套加强芯光纤束光纤通信用光导纤维传递光脉冲光纤传输电信号过程电光转换▽光电转换▽光纤光信号发送端接收端输入输出发光二级管半导体激光器光电二级管检波器光线在光纤中的折射折射角入射角包层（低折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体）包层纤芯光纤的工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤微波通信微波使用的波段为100M~10GHz通过抛物状的天线把能量集中一束，沿直线传播微波中继站：扩展传输距离地球地面站之间的直视线路微波传送塔卫星优点，无距离限制，但传播延时较长：270ms利用地球同步卫星为中继转发微波信号转发器上行信道、下行信道地球地面站地面站C波段4~6GHz上行5.925-6.425GHz下行3.7-4.2GHzKU波段12~14GHz上行14-14.5GHz下行11.7-12.2GHzKa波段17~30GHz上行17.7-21.7GHz下行27.5-30.5GHz电信领域使用的电磁波的频谱无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波调幅无线电调频无线电海事无线电光纤电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移动无线电通信系统与通信网的关系通信系统只是一个点到点的通信模型，要实现多用户间的通信，则需要一个合理的拓扑结构将多个用户有机地连接在一起，并定义标准的通信协议，以使它们能协同工作，这样就形成了一个通信网。通信网要解决的是任意两个用户间的通信问题，由于用户数目众多、地理位置分散，并且需要将采用不同技术体制的各类网络互连在一起，因此通信网必然涉及到寻址、选路、控制、管理、接口标准、网络成本、可扩充性、服务质量保证等一系列在点到点模型系统中原本不是问题的问题，这些因素增加了设计一个实际可用的网络的复杂度。通信网的拓扑结构FullMeshStarBusRingLineTreeMeshHybrid交换式网络点到点的网络:每一对用户之间都需要独占一个永久的通信线路，通信线路使用的物理媒介可以是铜线、光纤或无线信道。然而该方法并不适用于构建大型广域通信网。交换式网络：在交换式网络中，用户终端都通过用户线与交换节点相连，交换节点之间通过中继线相连，任何两个用户之间的通信都要通过交换节点进行转接交换。在网络中，交换节点负责用户的接入、业务量的集中、用户通信连接的创建、信道资源的分配、用户信息的转发，以及必要的网络管理与控制功能的实现。交换机(a)(b)交换机共享连接“交换”概念的思想让网络根据用户实际的需求为其分配通信所需的网络资源，即用户有通信需求时，网络为其分配资源，通信结束后，网络再回收分配给用户的资源，让其他用户使用，从而达到网络资源共享，降低通信成本的目的。其中，网络负责管理和分配的最重要资源就是通信线路上的带宽资源，而网络为此付出的代价是，需要一套复杂的控制机制来实现这种“按需分配”。因此从资源分配的角度来看，不同的网络技术之间的差异，主要体现在分配、管理网络资源策略上的差异，它们直接决定了网络中交换、传输、控制等具体技术的实现方式。一般来讲，简单的控制策略，通常资源利用率不高，若要提高资源利用率，则需要以提高网络控制复杂度为代价。现有的各类交换技术，都根据实际业务的需求，在资源利用率和控制复杂度之间做了某种程度的折衷。交换存储交换交换技术是现代网络最基本的要素交换技术是一个网络的核心技术交换技术的革命直接导致了网络的革命现代网络技术的演进过程就是现代交换技术的演进过程连接模型面向无连接交换用户信息之前不建立连接信息的不同部分可以走不同的路径，因此质量保障低面向连接交换用户信息之前已经建立连接同一连接中所有信息都是通过同样的路径传送更好的通信质量物理电路物理线路或者物理时隙虚拟电路没有物理线路或者时隙的逻辑连接ABAB共享介质接入方式－多址接入FDMATDMACDMAWCDMA随机多址接入光纤传输系统单信道光传输系统光纤数字通信系统的技术指标：（1）误码指标：平均误码率BER误码秒ES严重误码秒SES误码块EB误块秒比ESR（2）抖动与漂移性能（3