第1部分第1章.docx

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第1部分第1章

第一部分光缆线路基本知识和相关理论

第一章光纤通信系统概述

本章对光纤通信系统的发展、特点、构成和分类进行简要介绍，同时对长途和本地网光通信网的概念、组成、结构和特点逐一进行介绍。

第一节光纤通信的发展概况

光纤通信是以光波为载频，以光纤为传输媒质的一种通信方式。

利用光导纤维作为光的传输介质的光纤通信发展只有二、三十年的历史。

它的发展是以1960年美国人Maiman发明的红宝石激光器，和1966年英籍华人高琨博士提出的利用SiO2石英玻璃可制成低损耗光纤的设想为基础的，这种设想到1970年美国康宁公司研制出损耗为20db/km的光纤，才使光纤进行远距离传输成为可能。

从此以后，光纤通信的研究载世界范围内展开并得到迅猛发展，在短短的一、二十年中，已经从0.85um短波长多模光纤发展到1.31um~1.55um的长波长单模光纤，同时开发出许多新型光电器件，激光器寿命已达数十万小时甚至百万小时，一些国家相继建成了很多条长距离光纤通信系统。

一、光波波谱

光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：

300μm～6×10−3μm。

可见光由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的连续光波组成，其中红光的波长最长，紫光的波长最短。

波长再短就是X射线、γ射线。

电磁波波谱图如图1-1所示。

图1－1

二、多模和单模光纤

根据光纤的物理特性，可将光纤分为多模和单模。

单模光纤只能传输某频段的激光，无中继传输的距离能达到数百公里，价格较高；多模光纤可传输某频段的激光和单色可见光，无中继传输的距离只有十多公里，价格较便宜。

1.单模光纤

纤芯直径很小（8-10μm），光信号以单一模式传输，避免了模态色散，使得传输频带宽，容量大，光信号损耗小，适用于大容量、长距离通信。

2.多模光纤

光信号以多个模式同时传输，其直径在50-200μm，比单模光纤传输性能差。

可分为多模突变型光纤和多模渐变型光纤，前者纤芯较大，传输模态较多，带宽窄，转输容量小。

第二节光纤通信的特点

光纤通信与电通信方式的主要差异有两点：

一是用光波作为载波传输信号，二是用光导纤维构成的光缆作为传输线路。

因此，在光纤通信中起主导作用的是产生光波的激光器、光检测器和传输光波的光纤。

一、优点

光纤通信之所以能够飞速发展，是由于它具有一下的突出优点而决定的。

1.频带宽、通信容量大

一根光纤的带宽在理论上能容纳107路4MHZ的视频或1010路的4KHZ音频，而同轴电缆带宽为60MHZ，能传输104路4KHZ音频，光纤带宽为同轴电缆的100万倍。

按话路计算一对光纤按目前的2.5G的通信系统计算，就可达到28800个话路。

加上密集波分后话路将非常可观。

2.损耗低，传输距离远

目前光纤采用的SiO2玻璃介质，纯净度极高，光纤损耗极低。

光纤平均损耗在0.2～0.4db/km，中继距离达几十、上百公里。

3.信号串扰小，保密性能好

由于光波具有良好的相干性，随着光器件的不断进步，不同光纤的光信号、同根光纤的不同波长间不会产生干扰，因此，光纤通信比传统的无线和其他有线通信具有更好的保密效果。

4.抗电磁干扰，传输质量佳

由于光纤是非金属的介质材料，且传输的是光信号，因此，它不受电磁干扰，传输质量较好。

5.尺寸小、重量轻，便于敷设和运输

由于光纤的外径仅125微米，经过表面涂覆后尺寸也小于1毫米，制成光缆后，直径一般为十几毫米，要比电缆线径细，重量轻，这样在长途干线或市内干线上，空间利率高，且便于制造多芯光缆。

6.材料来源丰富，环境适应性强

光纤的制造材料SiO2在自然界中的含量非常丰富，这与电缆制造中大量消耗铜这种有色金属有着天壤之别。

由于光纤是由石英玻璃制成，石英玻璃的熔点在2000度以上，而一般明火的温度在1000度左右，因此，光纤耐高温，化学稳定性好，抗腐蚀能力强，不怕潮湿，可在有害气体环境下工作。

二、缺点

在光纤通信中，也存在以下几个特殊问题。

1.光纤性质脆，需要适当地涂覆加以保护。

此外，为了保证能承受一定地敷设张力，在光纤结构上需要多加考虑。

2.对切断和连接光纤时，需要高精度技术和仪表器具。

3.分路耦合不方便。

4.光纤不能输送中继器所需要的电能。

5.弯曲半径不宜太小。

尽管存在上述问题，但是从目前技术上来说，都可以克服的，不影响光纤的广泛应用。

第三节光纤通信系统的基本构成

光纤通信是以光波为载体，以光缆为传输媒质的通信方式。

光纤通信系统，普遍采用的是数字编码、强度调制的载波通信系统。

它由常规的电端机、光端机、光中继器及光缆传输线路所组成。

该系统分为三大部分：

光发送、光传输和光接收。

光发送部分，由光发送机完成电光转换任务；光传输部分是通过光缆和中继器把光信号从发送端传到接收端；光接收部分，由光接收机完成光电转换任务。

光纤通信过程：

光发送端机将已调制的光波送入光导纤维，经光导纤维传送至光接收端机。

光接收端机是将信号变换成电信号的光接收机。

光信号经过光纤传输到达接收端，首先经光电二极管（PLN）或雪崩光电二极管（APD）检波变为电脉冲，然后经放大、均衡、判断等适当处理，恢复为送入发送端时的电信号，再送至接收电端机。

它与一般通信过程所不同的主要两点：

一是传输光信号；二是利用光纤作为媒质传输手段。

.光源采用的是半导体激光器（LD）或半导体发光二极管（LED）。

.光电检测器是把光纤输出的光信号转换为电信号的光电子器件，是光接收机的关键元件。

.电端机包括PCM基群设备和高次群复用设备。

PCM基群设备就是将模拟的话音信号通过脉冲编码调制，即PCM（PulsrCodeModulation），变成数字信号，再通过数字复接技术，将多路PCM信号变成一路基群（2.048Mbit/s）信号进行传送，以及将收到的PCM基群信号通过相反的处理还原成模拟话音信号的一种设备。

.光端机主要由输入电路、输出电路、光发射机和光接收机组成。

.输入电路将接口码型变成普通二进制码，将被连接线衰减和畸变的波形进行均衡放大。

.输出电路将线路码型变换为普通二进制码信号后，再经输出接口还原成原始电信号送入电端机。

.光发射机将要传输的电信号转化为光信号，进行调制送入光纤，经光导纤维传送至光接收机。

.光接收机是将光信号转换为电信号的设备。

光信号经过光纤传输到达接收端，首先经光电二极管（PIN）或雪崩光电二极管（APD）检波变为电脉冲，然后经放大、均衡、判决等处理，恢复为发送光端机的电信号，再送至接收电端机。

.光中继器是起接力作用的装置，将来自光纤线路的微弱光数字信号由光电检测器转化为数字信号，经放大、均衡、定时判决、整形后又输入到光发送机的驱动电路推动光源发出很强的光数字信号，再送入光缆线路，向前方传输。

第四节光纤通信系统的分类

光纤通信系统可以分为各种不同的类型主要分类有以下几种：

一、按波长分类

1.短波长光纤通信系统，工作波长在0.8－0.9微米范围，典型值为0.85um。

这种系统的中继间距离较短，目前使用较少。

2.长波长光纤通信系统，工作波长1.0－1.6微米范围，通常采用1.3um-1.5um两种波长。

这类系统的中继距离较长，尤其是采用1.5um零色散位移单模光纤时，155Mbit/s系统的中继距离可达100km.

3.超长波长光纤通信系统，采用非石英系光纤。

二、按光纤的模式分类

1.多模光纤通信系统，采用石英多模梯度光纤为传输线，因传输频率受到限制，一般应用于155Mbit/s以下的系统。

2.单模光纤通信系统，采用石英单模光纤作为传输线，传输容量大，距离长，目前多采用这种类型。

三、按传输信号的类型分类

1.光纤模拟通信系统，它是用模拟信号直接对光源进行强度调制的系统。

2.光纤数字通信系统，它用数字电信号直接对光源进行强度调制的系统。

其通信距离长，传输质量高，是被广为采用的系统。

四、按传输的速率分类

1.PDH通信系统，一般传输速率为2、8、34、140Mbit/s。

2.SDH同步光通信系统，它的传输速率为155、622Mbit/s和2.5Gbit/s

3.DWDM密集波分通信系统，一般传输速率为8×2.5Gbit/s等。

第五节长途与本地网的线路组成结构和特点

本节重点：

1、了解通信网的基本概念和结构组成

2、熟悉长途光纤网的特点

3、熟悉本地光纤网的特点

一、概述

1.通信网的基本概念

通信网是为许多用户之间提供通信的途径。

本章所述的通信网是指电信网，由于电信网是最主要的通信网，因此在非特指情况下，仍将电信网称作通信网。

通信网又可分为公用通信网和专用通信网。

公用通信网是向全社会用户提供服务的通信网，如我国的邮电通信网。

专用通信网是为某些部门或某些特定用户提供服务的通信网，例如铁道通信网、电力通信网、石油通信网、军事通信网等。

公用通信网又可分为公用交换通信网PSTN（PublicswitchedTelephoneNetwoek）和公用交换分组数据网PSPDN（PublicswitchedPacketDataNetwork）。

随着电信业务及数字通信技术的发展，在现有的通信网上也开放了图象、传真、计算机通信等多种业务，但网上的主要业务仍然是通信。

通信网通常由用户终端设备、传输系统和交换系统三大部分（图5．1所示）组成。

用户终端设备有各种机、传真机、电传机、图象终端、图文终端等等，通信网的用户终端机。

交换设备有人工交换机、机电式自动交换机、程控交换机、分组交换设备等。

传输系统有载波传输系统、微波传输系统、光纤传输系统、卫星传输系统等，可见光纤传输系统是通信网中传输系统的一种。

由于光纤传输系统用于通信网中传送通信信号，所以有时也称为光纤通信系统。

图5.1通信网构成示意图

由于通信网还可以按其传送信号的种类分为模拟通信网和数字通信网，因此相应的光纤通信系统也可以分为光纤模拟通信系统和光纤数字通信系统，目前使用以光纤数字通信系统为主。

2．通信网的结构

通信网的结构可以从两个方面来讨论，一是拓扑结构，另一是制式结构。

通信网的拓扑结构，有的称为物理结构，基本上可分为三种：

星形、总线形和环形，如图5．2所示。

星形拓扑如图5．2中（a）图所示，其形状似星，因此而得名，也可看作是中心向四周辐射，亦可称为辐射形。

中心局（站）到四周各局（站）都有直达路由；电路利用率高，但四周各局间无直达路由，必须经中心局转接，若中心局故障，有可能引起整个网通信中断。

同时，当业务量大时，无法迅速疏导。

为克服这些缺点，在星形拓扑的周围各局间增加直达路由成为复合网或网状网，如图5。

3（a）、（b）所示。

总线拓扑如图5．2（b）图所示。

各局（站）都“挂”在中心局发出的总线上，因其形状似树，故又称为树形结构。

这种结构的网较便于管理，适于广播式的分配业务，中心局之外的各站间通信比较困难。

图5.2网的基本拓扑结构

环形拓扑如图5．2中（c）图所示，中心局与各站“串”接成环状。

这种网的传输线路最短，网的生存能力强，但在各局业务量大时，需要的线路传输带宽（或传输速率）比星形网高得多。

除图5．2的基本拓扑结构外，还有链形拓扑、栅格拓扑等，如图5·3（c）、（d）所示。

在不同的应用条件下将选择合适的拓扑结构，并可在上述拓扑结构的基础上组合、演变成新的拓扑结构。

通信网的体制结构或者说制式结构、逻辑结构分为传统结构和现行结构。

传统的通信网结构包括市内通信网、长途通信网、国际通信网和农村通信网。

随着电信网的发展和城市建设的发展，我国现行通信网的结构与传统网的结构有所不同，分为国际通信网、长途通信网和本地通信网。

图5.3网的其它拓扑结构

国际通信网是为不同国家间的用户服务的，根据ITU—T建议，国际通信网由三级交换中心和相应的传输线路构成，其结格如图5·4所示。

图中CT1、CT2、CT3。

分别为一级、二级、三级交换中心，也可标为ISC1-3。

凡国际都由国内网经CT3。

进入国际网，因此CT3也相当于各国国际的进、出口局。

每一个国家要有。

一个或数个CT3。

如我国北京、上海、广州就设有这种国际局。

CT2、CT1只转接国际电路，CT1的数量很少，在很大范围内设一个CT1以疏通话务量，如纽约、伦敦、莫斯科、新德里、东京、悉尼、新加坡等地设有CT1，在他们的汇集区内一些话务量大的国家设有CT2。

CT1之间互相都有直达电路，保证全球范围的通话畅通，CT1→CT2→CT3采用双星形结构，在各级CT之间视业务量情况还可增设直达电路，如图5．4中虚线所示。

图5·4国际通信网的基本结构

长途通信网是为国内不同城市间的用户服务的。

传统结构的长话网是由四级长途交换中心构成的，现行的长话网仍是这一体制，这可以从图5．5的通信网的网络等级结构图看出。

一级交换中心以C1表示，相当于大区交换中心，主要疏通这一交换中心服务区域内的长途话务。

二级交换中心以C2表示，相当于省交换中心，它转接通过一级交换中心的话务及疏通省内的长途话务。

三级交换中心以C3表示，相当于地区交换中心，转接通过二级、一级交换中心的话务，疏通本地区的长途话务。

四级交换中心以C4表示，类似于县长途交换中心，是长途交换网的长途终端局，疏通其服务区域内用户的长途终端话务。

图5．5通信网的网络等级结构

除图中所示的基干路由（实线）外，各级交换中心之间还可根据话务需要直接连接或跨级连接，如图中虚线所示。

本地通信网是指在同一长途编号区的服务区域内，由端局和汇接局两个等级的交换中心构成的网络。

如图5．5中所示，端局以C5表示，为本地服务，也可通过长市中继与相应的各级长途交换中心连接以疏通长话业务。

汇接局以Tm表示，它汇接本汇接区的本地话务，也可疏通汇接区内的长途话务。

本地通信网可分为三种类型：

大、中城市本地网，市内网和农村网。

原有的通信网是模拟网，七十年代以来，随着数字通信技术的发展，特别是光纤数字通信的发展，网由模拟网逐渐向数字网过渡，模拟交换向数字交换过渡，模拟传输向数字传输过渡，有的城市已实现了交换与传输的数字化，有的地区已实现了传输数字化，今后通信网还要向综合业务数字网（ISDN）和宽带综合业务数字网（B-ISDN）发展。

从网络的分层模型来看，可以把网络从上到下分成若干层，这也可与上述等级结构相结合来理解，每一层相当于一个等级，每一层又自可划分为若干子网，这就相当于同一等级的各个交换中心及其传输系统构成的网，子网还可以进一步划分为若干小的子网。

使得整个数字网能有效地为通信服务。

3.光纤通信网的分类

从上述可知，光纤数字通信网是通信网中的数字传输网的一部分（因为数字传输网中还有如数字微波、数字移动通信、卫星通信等其它数字传输方式）。

从整体来看，传输网主要分为两大类，即连接交换局与交换局之间的传输网及连接交换局（或汇接局）与用户之间的传输网。

因此光纤通信网亦可分为局与局之间的光纤通信网及局与用户之间的光纤通信网。

局与局之间的光纤通信网因其连接交换局的类型不同又可分为两类：

连接长途交换局之间的长途光纤通信网与连接市话局之间的光纤市话中继网。

习惯上，长途光纤通信网中，又把连接C1之间或C1和C2之间及C2之间的称为长途一级干线光纤通信网，把连接C2、C3、C4。

之间的称为省内干线光纤通信网。

也可以把本地通信网中的光纤传输网称为本地光纤通信网，本地光纤通信网因而可分为市话中继网、农话网和用户环路网三类。

光用户环路网就是用光纤传输网来连接用户终端和市话交换局的部分，下面各节将较详细地讨论各类光纤通信网的组成及特点。

二、光纤通信网

主要从功能特点、网络结构等三方面来讨论光纤通信网。

1．一级干线长途光纤通信网

一级干线长途光纤通信网是连接C1之间，C1、C2之间，C2之间的传输网络，其终端和转接的都是大话务量业务。

用传输系统的术语来说，就是传输高比特率信号。

因此，一级干线长途光纤通信网是数字传输网中的骨干网。

除了传输速率高的特点外，还有传送距离长，

传输质量高等特点。

由于C1、C2所在城市相互之间的距离都比较远，因此各站之间的传输距离长，中间必然有多个中继站，从传输的业务来看，主要是在C1、C2：

终端和转送（接）的信号，因此在中继站不分路，从数字网的角度来说，各结点上都是终端／转接站，所以数字段的长度比较长。

一级干线长途光纤通信网的拓扑结构在网络中心以网状网为主，在边缘处以星形或链形网为主，如图5．6所示。

网的建设以基干网建设为主，根据传输能力及信号流向统计，在可能的情况下，建设直达路由。

鉴于一级干线的重要性，在其建设时要考虑各种保护措施，除了光纤通信本身的几主一备保护倒换外，必要时要采用不同迂回路由的互相保护及不同传输方式（如光纤传输与微波传输）的互相保护。

图5．6一级干线长途光纤通信网结构示意图

一级干线长途光纤通信网必须具有完善的监控系统，实际上是在通信网上迭加上一个监控网。

在全国监控中心之下，设大区监控中心（如设在C1局）和省级监控中心（如设在C2局）。

便于全网的统一监控。

利用监控系统发现降质的设备，以便采取予防性的措旋避免其进一步恶化。

在发生故障时迅速进行故障定位，并采取措旋施行保护、调度迂回路由等以迅速恢复中断的电路。

进一步而言，随着对光纤通信网以至整个通信网操作、维护和管理要求的提高，已不只限于对其监控，而是进行管理，即在通信网上设置一个电信管理网（TMN）。

一级干线长途光纤通信网的性能应按ITU-T建议中的高级电路来要求。

即误码性能应满足表5．1的要求。

表5．1

数字段长度

（km）

性能指标

严重误码秒

误码秒

420

≤0.00067％

≤0.054％

抖动和飘动性能应满足ITU-TG.921、G.823的要求。

关于64kbit／s电路交换连接类型的可用性指标，ITU—TI.355建议中给出了在最坏情况下的指标，如表5．2所示。

表中A表示可用性，M0表示两次连接中断之间的平均时间。

表5．2

参数

区段类型

国内区段

国际区段

A％

99.5

99.5

M0（小时）

1200

1600

按国标GBl3167—91《长途光缆通信系统进网要求》，在具有倒换设备的情况下，5000km假设参考数字链路光缆数字通信系统双向全程每年允许四次全阻故障，即系统的故障间隔平均时间（MTBF）为一季度，即2190小时。

在假定平均故障修理时间（MTTR）为4小时的条件下，系统双向全程的可用性约为99．8％。

对于420km假设参考数字段，可用性为99．983％。

2．省内干线长途光纤通信网

省内干线有时又称为二级干线，采用光纤传输的省内干线网为省内干线长途光纤通信网。

是连接C2、C3、C4间的传输网络。

一般来说，省内干线光纤网上传输的信号速率比一级干线低，但在一些经济发达的地区，其业务量需求大，希望能建设高速率的光纤通信系统。

不过对于多数省内干线，传输容量不会在短时间内发展到这种水平。

从传输距离来看，大多数省内干线光纤通信系统的传输距离比一级干线短（一些边远省除外）。

省内干线长途光纤通信网的结构多为星形和树形的复合形，如图5．7所示。

当网络进一步发展时，C4到C3、相近的C4之间及C3之间均可建立直达路由，这样，网的结构可能演进为栅状网或网状网（和一级干线结构一样）。

图5．7省内干线长途光纤通信网结构示意

省内干线长途光纤通信网，在选择光缆线路的敷设方式时，相对于一级干线长途光纤通信网要灵活些。

一般来说，一级干线光缆以直埋敷设方式为主，而省内干线光缆敷设须因地制宜，不少省内干线，特别在水网、稻田地区、及农田水利、城乡建设比较活跃的区，宁肯采用架空敷设方式，而避免直埋敷设时经常被挖断且故障寻找困难。

当然直埋在总的方面讲更安全可靠，但费工、费时、投资大。

我国各省的省内杆路状况一般较好，大部分都已经整治过，只要再稍加整理加固，用以附挂省内干线的光缆，可以起到省工、省时、省投资的效果，使光纤通信系统尽快产生效益。

不过架空光缆也有一些问题存在，例如安全问题：

鸟枪打、雷击等；温度特性问题：

衰减常数受温度变化的影响，传输时延随温度变化影响等。

这使得在某些地理、气候环境下，选用架空方式敷设时应谨慎考虑，在工程设计时，对雷电、强电防护等问题应采取相应措施。

在条件不许可时，不要勉强选用架空敷设方案。

对省内干线长途光纤通信网的误码性能，一般按中级电路要求。

即数字段的误码性能应满足表5．3。

表5．3

数字段长度

（km）

性能指标

严重误码秒

误码秒

280

≤0.002％

≤0.16％

同样地，表5．3列出的是进网指标，对于设计、维护要求，抖动和飘移特性及可用性指标要求均与一级干线光纤通信网同样考虑，只是按GBl3167—91要求280km数字段的可用性应为99．989％。

省内干线光纤通信网中的每一条线路，或者说光缆数字线路系统，也应考虑备用系统，有条件时，配置不同路由互为备用或不同传输媒介互为备用。

由于省内干线由各省、市、地县直接维护，电路调度有更大灵活性，因此，为充分提高系统利用率，在没有条件建立多主

一备系统时，把一主一备系统变为无空闲备份使用。

即系统正常时，主、备系统均开通业务把优先等级高的电路安排在主用系统，一旦主用系统发生故障，就倒换到备用系统，原备用系统开通的业务中止。

有时，也作为两主系统运行，而采用电路备份方式。

省内干线光纤通信网也应有监控系统，一般在C2设省级监控中心，在必要的C3设监控站，形成省内监控网，可以监控网内所有光电设备。

在各转接站、中继站均可配置手持监控终端PCT，以便于系统维护。

3.本地光纤通信网

本地网中的光纤传输系统，构成本地光纤通信网。

其中连接各市话交换局的构成市话中继光纤通信网。

连接县城端局及农话端局的构成农话光纤通信网。

连接用户终端与交换局的构成用户光纤通信网或者简称光纤用户网。

（1）．市话中继光纤通信网

城市的市话交换局除了较小城市为单局制外，一般都采用多局制，这样可以尽量减少用户线长度，节省投资，而且可以使市话服务面积大，减少远距离用户，保证传输指标达到要求。

由于普及率在不断提高，因此交换局的装机容量日益扩大，局间中继线的数量猛增，采用原有的金属中继线，因管道拥挤、传输质量不高等原因远远不能适应发展的需要，因此采用光纤传输作为局间中继（包括长市中继）是必然趋势。

光纤传输的最早应用就是用于市话局间中继。

市话中继光纤通信网的结构一般都是网形网，如图5·3（b）所示，这样各市话交换局之间都可以有直达中继线连接。

即使在某两个局间的传输系统发生了故障，也可以通过其它局转接连通，而不致于使某个局向的全部中断。

有些城市距中心区较远的局，由于处于

网形之外，只好采用辐射形连接，一旦光缆线路受到伤害，这个局服务区域的用户市内及长途则完全中断，影响很大。

这种情况下，最好能有迂回路由。

市话中继光缆大多采用管道敷设方式，有时，也有隧道、槽道等敷设方式。

当采用管道敷设时，由于一般市话管道的管孔直径远大于光缆的外径，为了提高管孔利用率，可在管孔中再敷设子管道。

一般子管道为塑料硬管，子管道总外径不超过原管孔内径的85％，子管

道内径不小于光缆外径的1．5倍。

通常在每个管孔中可安放3～4根子管道，每根子管道中可穿放一根光缆。

一般来说，由于市话中继光纤通信系统大多为短距离的端到端系统，而且两端都在有人维护的市话交换局中，因此，不一定需要监控系统。

但随着电信管理网发展的需要，以及从提高维护、管理水平出发，市话中继光纤通信网仍然需要置于监控之下，纳入TMN之中。

在建设初期按实际情况考虑，为长