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§4.3 光纤通信

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§4.3 光纤通信. §4.3光纤通信 §4.3.1光纤通信原理及构成 §4.3.2光纤通信系统 §4.3.3 光纤网络系统. 中继器. 光发送机. 光接收机. 电发送机. 电接收机. §4.3.1 光纤通信原理及构成. §4.3.1 光纤通信原理及构成 光纤通信系统的基本组成如图 4.3.1-1 所示,主要由 3 部分构成:光发送机,光纤传输线及光接收机。 图 4.3.1-1 光纤通信系统的基本组成. 涂层. b. 包层. a. 纤芯. 一、光纤

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slide1
§4.3光纤通信
  • §4.3光纤通信

§4.3.1光纤通信原理及构成

§4.3.2光纤通信系统

§4.3.3光纤网络系统

第三章 光电信息转换

4 3 1

中继器

光发送机

光接收机

电发送机

电接收机

§4.3.1光纤通信原理及构成

§4.3.1 光纤通信原理及构成

光纤通信系统的基本组成如图4.3.1-1所示,主要由3部分构成:光发送机,光纤传输线及光接收机。

图4.3.1-1光纤通信系统的基本组成

第三章 光电信息转换

4 3 11

涂层

b

包层

a

纤芯

  • 一、光纤

光纤(Optical fiber)是由纯石英拉制而成的高度透明的玻璃丝。

图4.3.1-2为光纤的横截面示意图,光纤基本由3部分组成:1、折射率略高的纤芯;2、折射率略低的包层;3、表面涂层。

§4.3.1光纤通信原理及构成

第三章 光电信息转换

图4.3.1-2光纤的横截面示意图

4 3 12

n1

n1

n2

n2

2a

2a

2b

2b

n0

n0

r

r

根据纤芯折射率径向分布的不同,光纤可分为阶跃折射率分布光纤和渐变折射率分布光纤,如图4.3.1-3所示。

(a) 阶跃折射率分布光纤 (b) 渐变折射率分布光纤

图4.3.1-3纤芯折射率径向分布

§4.3.1光纤通信原理及构成

第三章 光电信息转换

4 3 13

n0

φ

θr

θi

n1

n2

光纤的导光原理可用射线理论与导波理论两种方法进行分析。这里,仅对阶跃折射率分布光纤的射线理论分析方法进行介绍。

图4.3.1-4表示光波在阶跃折射率分布光纤中的传播路径。

图4.3.1-4光波在阶跃折射率分布光纤中的传播路径

§4.3.1光纤通信原理及构成

第三章 光电信息转换

4 3 14

一束光线以与光纤轴线成的角度入射到芯区中心,在光纤——空气界面发生折射,折射光与光纤轴线的夹角由斯涅耳定律决定

4.3.1-1

折射光到达纤芯——包层界面时,若入射角大于临界角时,将发生全反射,若包层折射率为,则定义为

4.3.1-2

式中,和分别为空气和纤芯的折射率。

§4.3.1光纤通信原理及构成

第三章 光电信息转换

4 3 15

所有的光线都将被限制在光纤芯中,这就是光纤导光的基本原理。所有的光线都将被限制在光纤芯中,这就是光纤导光的基本原理。

为实现全反射,对光线的入射角有一个最大值限制,与有关系式成立,以替代,并利用式4.3.1-1和4.3.1-2可得

4.3.1-3

称为光纤的数值孔径(Numerical Aperture,NA),代表光纤的集光能力。

§4.3.1光纤通信原理及构成

第三章 光电信息转换

4 3 16

对于

,NA可近似为

NA 4.3.1-4

式中,为光纤的纤芯——包层相对折射率差。

利用导波理论可将光纤分为多模光纤与单模光纤。多模光纤的纤芯直径μm ,单模光纤的纤芯直径μm,包层直径均为50μm。在多模光纤中,可以激励起大量的传输模式,不同模式在横向的功率分布是不同的,入射的光功率按一定比例分配给这些模式进行传播,不同模式在轴向的传播常数不同。在单模光纤中,通常只能激励起一个模式,称为基模。

§4.3.1光纤通信原理及构成

第三章 光电信息转换

4 3 17

光纤有两个重要的特性,一个是损耗特性,一个是色散特性,决定了光纤通信系统的容量。光纤有两个重要的特性,一个是损耗特性,一个是色散特性,决定了光纤通信系统的容量。

(1)光纤的损耗

用衰减系数表示光纤的衰减特性,定义为

4.3.1-5

dB/km

§4.3.1光纤通信原理及构成

第三章 光电信息转换

4 3 19

(2)光纤的色散

在多模光纤中,由不同模式携带的光的传播常数不同,即在光纤中的传播速度不同。这样,一个窄的脉冲经过一段光纤传输后,将被展宽,产生码间干扰,这种现象称为光纤的色散。

对于单模光纤,用色散参数来描述色散的程度,代表两个波长间隔1nm的光波在光纤中传输1km距离后的时迟差。

,光纤长度为

如果光源发射波长范围为

§4.3.1光纤通信原理及构成

第三章 光电信息转换

,则时迟差

4.3.1-6

4 3 110

色散对通信容量(比特率·距离积)的限制,可以利用不产生相邻脉冲重叠的准则估计。设发送信号的比特率为B,相应比特间隔为

,则应有

,对容量的限制为

4.3.1-7

二、光发送机

光发送机的功能是将来自电发送机的电脉冲信号变换成光脉冲信号,并以数字光纤通信系统传输性能所要求的光脉冲信号波形耦合到光源组件的尾纤中。

§4.3.1光纤通信原理及构成

第三章 光电信息转换

4 3 111

电信号输入

光信号输出

光源

线路

编码

调制

电路

输入

接口

控制电路

数字光发送机的组成框图如图4.3.1-6所示

  • 1、线路编码

在数字光纤通信系统中,普遍采用二进制二电平码,有光脉冲表示“1”码,无光脉冲表示“0”码。

图4.3.1-6 数字光发送机的组成框图

§4.3.1光纤通信原理及构成

第三章 光电信息转换

4 3 112

对来自电端机的信号进行线路编码,主要目的是:对来自电端机的信号进行线路编码,主要目的是:

(1) 限制信号带宽,减小功率谱中的高低频分量。

(2) 尽可能减少连“1”码和“0”码的数目,使“1”码和“0”码均匀分布,保证定时提取。

(3) 具有检错及纠错能力,则需要在编码中加入冗余码,但要占用一定的频带。

数字光纤通信系统常用的线路码型有扰码、mBnB码、插入码等,这里不再介绍。

§4.3.1光纤通信原理及构成

第三章 光电信息转换

4 3 113

2、光源与调制电路

目前的光纤通信系统采用半导体激光器(LD)作为光源,在低通信容量系统中,也可选用LED做光源。

电信号转换为光信号的调制方式有直接调制与间接调制。

在低速率系统中,可以采取直接调制方式,即用电信号直接调制半导体光源的驱动电流,如图4.3.1-7所示,输出光功率随驱动电流而变化。

§4.3.1光纤通信原理及构成

第三章 光电信息转换

4 3 114

P

输出光信号

P

输出光信号

I

Ith Ib

I

输入电信号

输入电信号

(a) LED数字调制

(b) LD数字调制

图4.3.1-7直接光强数字调制原理

在高速系统中,要采用专用的外调制器。

§4.3.1光纤通信原理及构成

第三章 光电信息转换

4 3 115

定时

提取

电信号

APD

前置

放大

主放大器

判决

再生

均衡器

1 0 1 0 1 1

光信号

高压直流变换器

峰值

检波

AGC

  • 三、光接收机

光接收机是光纤通信系统的重要组成部分,其作用是将来自光纤的光信号转换成电信号,恢复光载波所携带的原信号。

图4.3.1-8给出了数字光接收机的组成框图。

§4.3.1光纤通信原理及构成

第三章 光电信息转换

4 3 116

4、均衡器

均衡器的作用是对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整形,使之成为最有利于判决、码间干扰最小的波形,通常为升余弦波,其表达式为:

4.3.1-8

为滚降因子。

式中,t为时间变量,

为一个码元所占的时间—— 时隙,

§4.3.1光纤通信原理及构成

第三章 光电信息转换

4 3 117

该输出波形的特点是,在

时刻,输出值

,即输出最大。而在

,即均衡器输出为零。

§4.3.1光纤通信原理及构成

因此,如图4.3.1-9所示,当均衡器输出为升余弦波形时,发送机发送的基带数字脉冲信号,只要是按时隙

第三章 光电信息转换

发送码元,则在均衡器输出信号的波峰

处不会发生前后码元的干扰。

4 3 118

t

TB

图4.3.1-9波峰处码间干扰为零

  • 5、判决再生与定时提取

均衡器输出的由升余弦波所组成的数字脉冲信号送到判决再生电路进行“判决”和“再生”。

§4.3.1光纤通信原理及构成

第三章 光电信息转换

4 3 119

判决即是用一判决电平与均衡器输出信号进行比较,以确定某时隙码元为“1”还是为“0”,当在判决时刻输出的电压信号比判决电平高,则判断为“1”码,否则判断为“0”码。如判断为“1”码,则由再生电路重新产生一个矩形“1”脉冲,若判断为“0”码,则输出一个“0”。这样,可在判决再生电路的输出端得到一个由矩形脉冲组成的数字脉冲序列,它和发送端发出的数字脉冲信号基本是一致的。

§4.3.1光纤通信原理及构成

第三章 光电信息转换

4 3 120

6、峰值检波器与AGC放大器

AGC放大器是自动增益控制电路的一个组成部分。将由升余弦波组成的数字脉冲信号取出一部分送到峰值检波器进行检波,检波后的直流信号再送到AGC放大器进行比较放大,产生一个AGC电压。用该电压一方面去控制光电检测器(APD管)的反向偏置电压,另一方面送到主放大器去调整主放大器的工作点,以控制主放大器的增益,从而使均衡器输出幅度稳定的升余弦波,保证码元判决的正确性。

§4.3.1光纤通信原理及构成

第三章 光电信息转换

4 3 121

V1(t)

V(t)

V1s

Vd

V0(t)

V0(t)

V0s

t

TB1

TB2

TB3

  • 数字光接收机的指标:

1、误码率

误码率(bit error ratio,BER)是数字光接收机的性能标准,是指判决再生电路输出码元出现错误的概率。

图4.3.1-10码元的判决

§4.3.1光纤通信原理及构成

第三章 光电信息转换

4 3 122

对于PCM码流,通常认为“1”码与“0”码出现的概率P(1)、P(0)是相等的,如果将“0”码误判为“1”码的概率为P(1/0),将“1”码误判为“0”码的概率为P(0/1),则误码率为:

4.3.1-9

  • 2、灵敏度

灵敏度是数字光接收机最重要的指标,它直接决定光纤通信系统的中继距离和通信质量。数字光接收机的灵敏度定义为:在保证一定误码率的条件下,光接收机所需接收的最小光功率。

§4.3.1光纤通信原理及构成

第三章 光电信息转换

4 3 2
§4.3.2光纤通信系统

§4.3.2光纤通信系统

一、 时分复用系统

根据通信系统信道中所传送的信号是模拟信号还是数字信号,可将其分为模拟通信系统和数字通信系统。数字通信采用再生的方法,可以消除噪声累积,传输距离比较长。

取样、量化、编码的过程称为脉冲编码调制,简称PCM,由脉冲编码进行通信称为脉冲编码通信,这是目前数字通信的主要方式。

第三章 光电信息转换

4 3 21

光纤具有很宽的频带资源,可传送高速大容量信息,但传送音频信号仅需64kbit/s的速率,很不经济。可以通过复用的方法同时传送多路信号。在单根光纤中可以用3种复用方法方法提高通信容量,即时分复用、波分复用及频分复用。

时分复用(Time Division Multiplexing,TDM),是将不同信道的信号在时间上交替排列组合成复合比特流。

§4.3.2光纤通信系统

第三章 光电信息转换

4 3 22

15s

3s

振幅

1

1

1

2

2

2

3

3

3

4

4

4

5

5

5

t

图4.3.2-1 5个64kbit/s数字音频信道的时分复用

§4.3.2光纤通信系统

例如,对于64kbit/s的单音频信道,比特间隔为15s(125s/8),若将其他64kbit/s比特流延迟3s插入,就可插入5个这样的信道,图4.3.2-1显示了320 kbit/s的复合比特流。

第三章 光电信息转换

4 3 23

TDM 的概念可以扩展到形成不同的群路等级,国际电信联盟(ITU)曾作过规定,将多路编码数字电话按两种标准组成各种群路。

为了便于在接收端将复合信号分开,在复合比特流中插入了额外的控制位。因此,复合比特率略大于64kbit/s与复用信道数的乘积。将4个基群通过TDM复合成6.312Mbit/s和8.448Mbit/s的二次群,继续这种复用可获得更高的群路等级。

§4.3.2光纤通信系统

第三章 光电信息转换

4 3 24

群路

等级

标准话路数

比特率/Mbit/s

北美

欧洲

日本

北美

欧洲

日本

基群

24

30

24

1.544

2.048

1.544

二次群

96

120

96

6.312

8.448

6.312

三次群

672

480

480

44.736

34.368

32.046

四次群

1334

1920

1440

90

139.246

97.728

§4.3.2光纤通信系统
  • 表4.3.2-1即为按此复合方法合成的群路等级体系中4个不同群路的比特率。

表4.3.2-1数字通信系统群路等级及其标准比特率

第三章 光电信息转换

4 3 25

二、波分复用系统

如图4.3.1-5所示,单模光纤具有非常宽的带宽。在1.3μm (1.25~1.35μm)波段和1.55μm(1.50~1.60μm)波段,都具有高达100nm的低损耗传输范围。另一方面,作为光源的半导体激光器的线宽已小于0.1nm,因此,在一根单模光纤中,可同时传输多个不同波长的信号。

波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)技术正是基于这种思想,通过在一根单模光纤中传输多个信道信号,来大幅度增加通信容量的。

§4.3.2光纤通信系统

第三章 光电信息转换

4 3 26

λ1

λ1

λ1

光纤

光接收机1

光发送机n

光发送机2

光发送机1

λ2

λ2

光接收机2

光放大器

λ1 λ2…λn

λn

λn

光接收机n

图4.3.2-2为一单向传输的WDM系统原理框图

§4.3.2光纤通信系统

图4.3.2-2为一单向传输的WDM系统原理框图。

第三章 光电信息转换

4 3 27

随着1.55μm波段掺铒光纤放大器(EDFA)的商用化,可以利用EDFA对传送的光信号进行放大,实现超长距离无电再生中继传输,WDM系统得到了极其广泛的应用。在1.55μm波段传送多路信道信号,这些信道波长间隔非常窄,且共享一个EDFA,将这种信道密集的WDM系统称为密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)系统。ITU-T G.692建议,DWDM系统的光波绝对参考频率为193.1THz(对应的波长为1552.52nm),不同信道的频率间隔应为100GHz(波长间隔约为0.8nm)的整数倍。

§4.3.2光纤通信系统

第三章 光电信息转换

4 3 28

透镜

闪烁光栅

光纤

λ1

λ2

λ3

λ4

λ1λ2λ3λ4

  • 在DWDM系统中,复用器/解复用器和光放大器是两个关键的组成单元,下面进行简单介绍。

1、复用器/解复用器

波分复用系统的核心部件是波分复用器件,即复用器和解复用器(也称合波器与分波器)。这里介绍闪烁光栅波分复用器。

图4.3.2-3 闪烁光栅波分复用器

§4.3.2光纤通信系统

第三章 光电信息转换

4 3 29

如图4.3.2-3所示,当不同波长的入射光从同一角度照射到光栅上后,由于光栅的色散作用,不同波长的光将以不同的角度反射,然后经透镜会聚到不同的输出光纤,实现解复用的功能;反过来,可以完成光波的复用功能。闪烁光栅波分复用器具有优良的波长选择性,波长的间隔可以小于1nm,复用信道数已达120路。其隔离度也较好,当波长间隔为 1nm时可以达到 55dB。缺点是插入损耗较大,通常为3~8dB。

§4.3.2光纤通信系统

第三章 光电信息转换

4 3 210

2、光放大器

宽带宽的光放大器可以对多信道信号同时放大,而不需要进行解复用,光放大器的问世推动了DWDM技术的快速发展。

目前应用最广泛的光放大器是掺铒光纤放大器(Er Doped Fiber Amplifier,EDFA),其特点是高增益、低噪声、能放大不同速率和调制方式的信号,而且带宽很宽,能在几十纳米范围内同时放大多波长信号。

§4.3.2光纤通信系统

第三章 光电信息转换

4 3 211

光隔

离器

光滤

波器

光隔

离器

掺铒

光纤

EDFA 主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔离器及光滤波器组成,结构如图4.3.2-4所示。

图4.3.2-4 掺铒光纤放大器结构

§4.3.2光纤通信系统

第三章 光电信息转换

4 3 212

光耦合器的作用是将信号光和泵浦光复合在一起,注入到掺铒光纤中,一般采用波分复用器来实现。

光隔离器是用来抑制光反射,防止光放大器自激,确保工作稳定。

当较弱的信号光与较强的泵浦光一起输入EDF时,泵浦光激活EDF中的铒离子,跃迁到高能级态;在信号光的诱导下,铒离子受激辐射,跃迁到基态,产生与信号光相同的光子,实现光放大。

须在输出端设置光滤波器,以降低自发辐射噪声。

§4.3.2光纤通信系统

第三章 光电信息转换

4 3 213

在EDFA的应用中,需要解决两个问题。

一是增益的平坦化,增益平坦是指放大器的增益谱要平坦,对需要放大的所有信道提供相同的增益。

二是增益的自动控制,当光纤中信道数由于故障等原因突然减少时,光放大器的增益会突然增加,形成“浪涌”,使信号强度突然提高,接收机码元判决时会出现错误。

EDFA可以提供10~30dB的增益,输出光功率可达10mW~100mW,带宽超过40nm,是DWDM系统理想的光放大器。

§4.3.2光纤通信系统

第三章 光电信息转换

4 3 3

1

2

2

2

3

1

1

3

N

4

5

§4.3.3光纤网络系统

§4.3.3光纤网络系统

从拓扑结构看,通信网可分为三类,即点到点、点到多点及网络,如图4.3.3-1所示,分别将结点连接起来传送信息。

(a) 点到点 (b) 点到多点 (c) 网络

图4.3.3-1 通信网的三种基本拓扑结构

第三章 光电信息转换

4 3 31

根据网络的规模,可将网络分为三类:

1、局域网,是在一个局部地理范围(如一所学校、一个机关)内将计算机、外部设备数据库等连接起来组成的网络,简称LAN .

2、城域网,是在一个城市范围内所建立的计算机通信网,简称MAN。 MAN的一个重要用途是作骨干网 .

3、广域网,是在一个广泛的地理范围内所建立的计算机通信网,简称WAN。WAN用于通信的传输装置,一般由公司或电信部门提供。互连主要采用公用网络和专用网络两种。

§4.3.3光纤网络系统

第三章 光电信息转换

4 3 32

定向耦合器

光传播方向

数据总线

T R

A

B

C

D

E

F

1、总线形网络

图4.3.3-2 总线形网络拓扑结构

可以看出,所有参加联网的通信结点,都通过光纤定向耦合器接在一条光纤数据总线上,构成总线形网络。发送信息时,由发送端(T)将光信号通过耦合器耦合到光纤总线中;在各接收端(R),通过耦合器将总线中的光信号功率耦合出一部分。

§4.3.3光纤网络系统

第三章 光电信息转换

4 3 33

在该网络中,如果结点A想将信息传送给结点B,它只须将信息输送到各通信结点共享的数据总线上,此时包括结点B在内的其他各结点均处于“监听”状态,监听总线上是否正在传送信息,如果发现正在传送信息,各结点都需判断该信息是否是传送给本结点的。如果B结点发现信息是传送给自己的,就将它接收下来,其他结点对该信息不予理睬。如果结点A向结点B传送信息的同时,结点C也将信息送到共享的数据总线上,欲传送给结点D,于是在总线上这两个信息将发生碰撞。为了避免发生碰撞,各结点在发送信息在该网络中,如果结点A想将信息传送给结点B,它只须将信息输送到各通信结点共享的数据总线上,此时包括结点B在内的其他各结点均处于“监听”状态,监听总线上是否正在传送信息,如果发现正在传送信息,各结点都需判断该信息是否是传送给本结点的。如果B结点发现信息是传送给自己的,就将它接收下来,其他结点对该信息不予理睬。如果结点A向结点B传送信息的同时,结点C也将信息送到共享的数据总线上,欲传送给结点D,于是在总线上这两个信息将发生碰撞。为了避免发生碰撞,各结点在发送信息

§4.3.3光纤网络系统

第三章 光电信息转换

4 3 34
§4.3.3光纤网络系统

之前必须监听一下总线上是否有信息在传送。如果没有,则可以将信息送到总线上;如果总线上有信息正在传送,则必须等正在传送的信息传送完之后,方可传送,这个过程称为“载波监听(Carrier sense)”。

还有一种可能出现的情形是,当结点A正在向结点B传送信息,此时结点C与结点E分别想将信息传送给结点D与结点F,根据“载波监听”法,此时结点C与结点E都不能传送信息。一旦结点A信息传送完毕,结点

第三章 光电信息转换

4 3 35
§4.3.3光纤网络系统

C与结点E都可将信息输送到总线上,显然结点C与结点E的信息将发生碰撞。因此,结点C与结点E都必须一边传送,一边监听总线上有没有发生信息碰撞,这个方法称为“碰撞检测(Collision detection)”。

总线形网络的优点是:网络的控制设备简单,无须设置全网的控制中心系统;网络中任一通信结点发生故障,都不会影响整个网络的正常运行。

第三章 光电信息转换

4 3 36

终端机

A

光纤

B

F

光纤环路

C

E

间接中继器

D

2、环形网络

环形网络的拓扑结构如图4.3.3-3所示,它是目前用得较多的一种网络形式。其特点是网络中每个通信结点都有两个相邻的结点,每个结点都具有再生中继的功能,都要执行路由的任务。各结点用光纤。

§4.3.3光纤网络系统

线路连成环状,可以相互通信

第三章 光电信息转换

图4.3.3-3 环形网络拓扑结构

4 3 37

在环形网络中,信息是按照一个指定方向传输的,信息由一个结点传给下一个相邻的结点。当信息传送到某个结点时,该结点首先要判断一下,该信息是不是传送给本结点的。如果是,就将信息接收下来;如果不是,就将它再生后,由中继器传送给下一个结点。

为避免环路上发生碰撞,采用了令牌(token)传送方法。令牌按一个已定的方向沿环形网传送,由一个结点传送到下一个结点。只有当某一个结点有信息要传送时,该结点才接受令牌;令牌到达某一个结点时,才允许该结点发送信息。否则,不改变访问控制域

§4.3.3光纤网络系统

第三章 光电信息转换

4 3 38

内容而往下一个结点传送。如果某结点有数据要发送而且已接收到令牌时,该结点就修改访问控制域,而在其后插入数据。总之,在环形网络中的各结点上,首先传送令牌,而后传送信息,而后再传送令牌,以避免发生信息碰撞。

为提高可靠性,可以采用冗余技术,常用的方法是采用双环异向传送方式。网络中每一个结点有两套中继器,分别沿不同方向传送。采用这种冗余技术可以保证环路中有一个中继器或一段光纤出现故障时,在网管系统控制下,网络可迅速切换到另一个方向的环路工作。

§4.3.3光纤网络系统

第三章 光电信息转换

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终端机

A

B

F

中心结点

光纤

C

E

结点

D

3、星形网络

其特点是有一个中心结点。全网的监控系统就设在中心结点,用来调整整个网络中的信息传输和管理网络的运行情况。网络中任何一个通信结点必须经过中心结点,才可以将信息传输给其他结点。各结点通过一根双向传输的光纤线路或两根单向传输的光纤线路与中心结点相连。

星形网络可采用“载波监听多次访问/ 碰撞检测”方法,避免信号发生碰撞。

图4.3.3-4 星形网络拓扑结构

§4.3.3光纤网络系统

第三章 光电信息转换