光纤通信技术课件.ppt
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光纤通信技术,主要参考书目及网址,光通信原理与应用朱宗玖等编著清华大学出版社光纤通信技术孙学康等著人民邮电出版社www.foc-中国光纤通信www.c-光纤在线光电新闻网,学习意义,光纤通信技术在近30多年里得到了极大的发展，目前它和移动通信、卫星通信已经成为电信领域发展的基石。
掌握一些光纤通信技术有助于学习现代通信技术和拓宽知识面,为以后的学习深造和工作做好知识储备。
从事管理、销售工作；从事技术开发、设备制造、科研、网络运营及维护、工程施工及安装等工作或考研。
先修课程通信系统原理模拟电路电磁场与微波技术,目录,第一章通信基础知识,学习目标1.了解通信技术发展简史。
2.掌握通信基本概念3.掌握业务传输技术特点。
4.理解通信系统组成、分类和系统性能。
5.掌握光纤通信系统及其组成的光网络演进,1.1通信技术简史,1.1.1科学技术发展科学技术是利用“有关研究客观事物存在及其相关规律的学说”能为自己所用，为大家所用的知识。
人类的科学技术发展史经历了古代、近代和现代三个阶段。
古代科学技术的代表是材料科学技术它的本质是利用物质资源制造质料工具，如锄头、镰刀、弓箭、棍棒等，扩展人类的体质能力。
近代科学技术的代表是能量（源）科学技术它的本质是使用能源或者动力为资源创造动力工具，如机车、汽车、轮船、飞机等，扩展人类的体力能力。
现代科学技术是建立在材料科学技术和能源科学技术基础上的信息科学技术它的本质是利用信息资源创造智能工具，如人工智能专家系统、智能机器人等，拓展人类的智能能力。
表1-1给出了人类科学技术发展历程和本质使命的简要总结。
1.1.2通信技术简史,按时代划分，通信技术经历了三大飞跃,光通信可以上溯西周时期建立的烽火台作为军事报警设施，下及当今指挥城市交通的信号灯和航海中使用的灯塔。
光通信可以上溯西周时期建立的烽火台作为军事报警设施，下及当今指挥城市交通的信号灯和航海中使用的灯塔。
传输距离短,光通信的缺点,传递信息量少,为了使光通信延长传输距离和增加传递信息内容，1792年，法国工程师ClaudeChappe（却柏）发明了采用机械臂编码来传输信息的光电报，利用中间接续站（现在通信术语称为中继站）可以实现超过100km的通信。
1794年，世界上第一个光电报在法国的两个城市巴黎和里尔投入商用，从而实现了相距200km的通信。
图1-1给出了ClaudeChappe及其发明的光电报的示意图。
从中可以看到这个光电报通过转动机械臂角度发出了一条由CH、A、P、P、E5个字母组成的消息。
这个非常有趣的消息恰好就是光电报发明人的名字Chappe。
自1794年到1830年为止，法国光电报系统从巴黎延伸到意大利、德国、比利时的边界。
光电报系统是一种视距通信，其系统十分简单、传输距离和传递信息量少，而且保密性差。
1880年，美国人贝尔（Bell）发明了用光波作载波传送话音的“光电话”,通话距离达到213米。
光电话原理图,贝尔用弧光灯或者太阳光作为光源，光束通过透镜聚焦在话筒的震动片上。
当人对着话筒讲话时，震动片随着话音震动而使反射光的强弱随着话音的强弱作相应的变化，从而使话音信息“承载”在光波上（这个过程叫调制）。
在接收端，装有一个抛物面接收镜，它把经过大气传送过来的载有话音信息的光波反射到硅光电池上，硅光电池将光能转换成电流（这个过程叫解调）。
电流送到听筒，就可以听到从发送端送过来的声音了。
接收镜,贝尔光电话是现代光通信的雏型,1、为什么光通信传输的距离非常有限，这主要是因为，这种传输方式里面的传输介质是“大气”，损耗大，如果碰上雨、雪甚至雾霾天气，信号甚至可能会中断。
更深层次的原因，我们现代人都已经知道了，是因为光是一种“波”，且波长很短（0.40.7m），它很容易被大气中的“尘埃粒子”所阻挡。
2、另外，Bell的光电话是利用自然光（光源）作为载波，这种光的频率和相位杂乱无章，不能用于大容量的通信。
3、能否建立“光通道”如“波导管”式的东西以减少损失（损耗）呢？
是否可以找到新型的光源呢？
研究人员曾经将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验，但由于造价太高而出现了夭折，致使光通信发展一度出现长期的低迷状态。
受英国物理学家JohnTyndall（约翰）在1870年做的”光可以在水流柱里传输”的影响，在1920-1950期间,人们发现在纤细的、有柔韧性的玻璃中和塑料光纤可以用于导光。
终于在1950年，有人采用“玻璃纤维”传输光，但损耗达到了1000dB/Km，即在1Km的长度上传输，损耗达到10100倍，这个数值显然是太大了。
真正的奇迹是在1966年才出现。
1966年，英籍华裔学者高锟（C.K.Kao）及其同事霍克哈姆（C.A.Hockham）在其发表的研究论文中指出，“玻璃纤维”的严重损耗是由其里面所含杂质（如铜、铁、铬等金属离子）太多及石英玻璃拉制工艺的不均匀性产生的。
论文介质纤维表面光频波导明确提出：
1、如果能将光纤中过渡金属离子减少到最低限度，并改进制造工艺，有可能使光纤损耗降到最低（预见可减小到20dB/km以下）；2、光纤可以实现高速通信；3、给出了光纤原始结构。
高锟（C.K.Kao）博士上述发现的重要意义在于：
指出了光纤高损耗的真正来源以及研制通信光纤的正确方向。
这一发现直接导致了在其后数年内通信光纤制造领域所发生的质的飞跃，以及光纤通信产业的迅速兴起。
光纤通信发明家高锟（左）1998年在英国接受IEE授予的奖章；并于2009年，获得诺贝尔物理学奖。
1970年，光纤研制取得了重大突破,美国康宁玻璃公司1970年首先研制出衰耗20dB/km的光纤。
光纤通信正式开始！
据说康宁公司花费3000万美元，得到30米光纤样品，认为非常值得。
这一突破，引起整个通信界的震动，世界发达国家开始投入巨大力量研究光纤通信。
1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km。
1973年，美国贝尔（Bell）实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。
1974年降低到1.1dB/km。
1976年，日本电报电话（NTT）公司将光纤损耗降低到0.47dB/Km（波长1.2m）。
在以后的10年中，波长为1.55m的光纤损耗：
1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。
1970年开始，光纤研制取得了重大突破,1960年，美国人梅曼（T.H.Maiman）发明了世界上第一台红宝石激光器。
梅曼利用红宝石晶体做发光材料，用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源，获得了人类有史以来的第一束激光。
1965年，第一台可产生大功率激光的器件-二氧化碳激光器诞生。
1967年，第一台射线激光器研制成功。
激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信进入到了一个崭新的阶段。
在光纤突飞猛进的同时，光源的研究工作也有了起色,1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司（NEC）和前苏联先后研制成功室温下连续振荡的镓铝砷（GaAlAs）双异质结半导体激光器（短波长0.850m）。
虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。
1973年，半导体激光器寿命达到7000小时。
1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3m的铟镓砷磷（InGaAsP）激光器。
1977年，贝尔研究所和日本电报电话公司几乎同时研制成功寿命达100万小时（实用中10年左右）的半导体激光器。
1979年美国电报电话（AT&T）公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55m的连续振荡半导体激光器。
由于光纤和半导体激光器的技术进步，使1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。
1970年，光纤通信用光源取得了实质性的进展,实用光纤通信系统的前期发展,1976年，美国在亚特兰大（Atlanta）进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验（GaALAsLD、多模光纤、10Km、44.7Mbps）。
1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。
1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mbps的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100Mbps的渐变型多模光纤通信系统的试验。
1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。
随后，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。
第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统于1989年建成。
从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。
因此，全球通信界业一直公认，1976年是光纤通信的元年。
1978年，模拟蜂窝移动通信系统投入使用（未商用）。
1980年，有线电视和综合业务数字业务。
1988年，宽带综合业务数字网。
1991年，全球移动通信系统进入商用。
1995年，美籍华裔科学家历鼎毅倡导利用波分复用技术，即利用简单的光器件就可以在单根光纤中实现了大容量的传输，进而大大地降低了传输系统的成本。
1998年，美国开通了数字电视业务，进一步提高电视业务清晰度和服务质量。
1999年，具有宽带综合业务能力的第三代移动通信系统投入应用。
2010年1月13日，在国务院常务会议上提出了电信网、电视网和因特网三网融合。
统一通信概念：
使任何人在任何时间、任何地点都可以通过任何设备、任何网络，与任何人进行语音、数据和图像的自由通信。
1.2通信基本概念,1.2.1通信什么是“通信”?
“通”就是传输和交换；“信”就是信息（话音、图像、数据）通信就是信息的传输和交换，通过电信号或者光信号形式将信息由一方传输到另一方。
图1-2给出了一个最简单的通信系统的模型。
在这个过程中，通话的内容是由图中的“处理层”完成的。
信息的传输是由图中的“物理层”完成的。
在现代通信中，通信一般包括：
信号的产生、传输和接收三个过程。
什么是“电信”？
电信是利用有线、无线、光或者其它电磁系统传输、发送或者接收代表符号、书写、影像和声音或者其他任何性质情报的信号。
通信和电信的区别：
通信是按照约定传递信息；电信是利用电磁系统（广义泛指）传递代表媒体的信号，电磁系统完成信号传递功能。
通信是一个广义的概念，而电信则是一个狭义的概念。
图1-3揭示了通信涵盖了电信之间的关系。
1.2.2信号1.信号及其分类信号是消息的物理载体。
消息则是信息的物理表现形式，如语音、文字、符号、数据和图像等。
信息、消息和信号三者存在着十分紧密的关系。
信息是通过消息来表达，消息通过信号来传输。
在科学研究中，通常是将“信号”做为研究对象。
信号具有强度、频率、相位、能量等基本特征，信号可以表示为时间的函数。
按照信号在时间坐标呈现连续变化或者阶跃变化，信号可以分为模拟信号和数字信号。
模拟信号是幅度连续时变的信号。
模拟信号又称为连续信号，如图1-4（a）所示连续信号的取值可用连续的时间函数表示。
数字信号是幅度阶跃时变信号。
数字信号又称为离散信号，如图1-4（b）所示离散信号可用取值有限个离散值连续的时间函数表示。
需要强调的是，判断信号是模拟信号还是数字信号的准则为，看信号取值是连续的还是离散的，而不是看时间是连续的还是离散的。
2.模/数变换将模拟信号调制变换为数字信号，叫“模/数”变换。
它包括三个基本步骤：
抽样、量化和编码。
抽样定理：
只要抽样频率fs满足奈奎特判据fs2f（模拟信号的带宽），就可以用抽样值来表示一个带宽有限的模拟信号，而抽样值不会引起任何信息损失。
量化：
是利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程。
量化过程是对信号幅度进行离散处理。
编码：
是将量化后的信号电平数值变换成二进制码组的过程。
编码的逆过程称为解码或译码。
编码的目的是提高信号的传输可靠性。
在光纤通信中，最常用的编/解码是模/数变换方法脉冲编码调制（PulseCodeModulation，PCM）方法。
PCM以二进制编码为基础，将模拟信号的量化后的每个抽样值变换为0和1比特数字串。
3.信号特性通信中的信号基本特性可以用它们的时间特性和频率特性来表示。
时间特性表示信号电压或电流随时间的变化关系。
频率特性指信号可以表示为许多不同频率正弦信号的线性组合。
通信系统中最常用的信号有正弦信号、方波信号和周期冲激串信号。
正弦信号作为无线通信的载波；方波信号是数字通信所用的信号波形；周期冲激串信号则可以用作抽样信号。
信号频域特性主要包括频谱、能量谱密度和功率谱密度。
信号频域特性与信号的占用频率带宽、信号抗干扰能力等存在密切的关系。
信号时域特性与信号的相关特性有关系。
1.2.3光信号1.光的波/粒特性,2.波长,3.频率在光纤通信中，常用的频率单位有：
千赫（1KHz=103Hz）兆赫（1MHz=106Hz）吉赫（1GHz=109Hz）太赫（1THz=1012Hz）,传输的频率越高，可传信号的频带宽度就越大，其携带业务（信息）就越多。
对于甚高频，频率为48.5MHz300MHz,其带宽约为250MHz,只能传输27套电视节目。
可见光的频率100000GHz（1014Hz），比甚高频高出一百多万倍。
1.2.4信号调制1.调制作用为什么要进行调制？
调制的作用就是要将传输的信号变换成适合信道传输的信号（调制信号）。
如何进行调制？
载波是一种用来承载输入信号的高频周期信号，它本身不包含任何有用信息。
在编码之前，载波可以用式（1-4）所示的形式：
式中，E为电磁场矢量，e是单位矢量极化，A为载波振幅，是载波频率，为载波相位。
2.调制方法由式（1-4）得知，可以选择的调制方法有：
调制幅度A、调制载波频率、调制相位。
按照调制的信号形式可以分为模拟调制和数字调制。
模拟调制对应的三种调制方法分别被称为：
幅度调制（AmplitudeModulation，AM）频率调制（FrequencyModulation，FM，）相位调制（PhaseModulation，PM，）,在数字调制中，对应三种调制方法分别为：
幅移键控（AmplitudeShiftKeying，ASK）频移键控（FrequencyShiftKeying，FSK）相移键控（PhaseShiftKeying，PSK）,3.调制格式图1-7所示的是可供产生光比特流选择的调制格式：
主要分为归零格式和非归零格式。
1.2.5信号复用1.信道什么是“信道”？
信道就是信号传输的通道。
按照所用的传输介质不同，信道可以分为有线信道和无线信道。
有线信道需要利用具体的传输介质，如铜对绞线、光纤等传输信号。
无线信道则是利用电磁波在空中传播的方式传输信号。
通信质量的好坏，主要取决于信道（传输介质）的特性。
表1-2比较了五种不同传输介质的特点。
2.信号复用所谓复用就是将若干路彼此独立的信号在同一信道中传输的技术。
复用的目的是使同一站点的多个用户共用一个信道传输信息，以提高信道的传输效率，进而降低通信系统的成本。
常用的复用方法有：
频分复用、时分复用、波分复用和时分复用+波分复用等。
（1）频分复用（FrequencyDivisionMultiplexing，FDM）频分复用是指将在频域上划分的多个信道进行复用的技术。
（2）时分复用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）时分复用就是在时域上对不同传输信道的信号进行间插组合处理，即利用几个低速比特流来构建一个高速比特流，以实现在一个信道传输多路信号。
（3）波分复用（WaveDivisionMultiplexing，WDM）波分复用就是在一根光纤中实现同时传输几十乃至上百个波长光信号的复用技术。
波分复用技术的原理，如图1-10所示。
（4）时分复用+波分复用更能满足光网络的扩容和灵活组网的要求。
当前光纤通信系统中常用时分复用+波分复用双重复用的扩容原理。
1.3通信及其业务,1.3.1通信任务通信的任务是及时准确安全地完成信息在空间的传递。
通信系统是由用户终端、传输介质、传输设备组成的。
基本通信系统只能完成点到点通信，只有通信网上才能实现多点到多点的通信。
通信网则是由用户终端、传输介质、传输和交换设备组成的拓扑结构。
根据通信网的功能不同，通信网可以分为：
业务网、传送网和支撑网。
业务网是指面向公众提供电信业务的网络。
例如，固定电话网、移动电话网、电视网、因特网等。
传送网是完成各种通信业务的数字信号传送的网络。
例如，由长途干线光网络、城域光网络和接入网。
支撑网则是承担确保通信网正常工作支持作用的网络。
1.3.2通信业务1.电话业务
（1）固定电话电话网是由一定数量的节点（终端节点、交换节点）构建的网络，其可以通过“电路交换”实现任意用户之间进行语音交流。
（2）移动电话移动电话业务是通信的一方或者双方可以在移动状态中进行电话通信。
第一代模拟移动通信（1G）第二代数字移动通信（2G）第三代多媒体移动通信（3G）3G有CDMA（中国电信）WCDMA（中国联通）TD-SCDMA（中国移动）三种制式。
（书中有个小错误）,4G运营牌照有望于今年下半年发放。
4G的主要特点体现在：
1、高速宽带20-100Mbit/s；2、良好的兼容性，可以与3G的三种制式实现互连互通。
3、业务多样化,2.数据业务ISDN（IntegratedServiceDigitalNetwork）是由数字传输、数字复接和数字交换结合而成的数字化电信网。
ISDN可以分为窄带综合业务数字网（Narrowband-IntegratedServiceDigitalNetwork,N-ISDN）和宽带综合业务数字网（Broadband-IntegratedServiceDigitalNetwork,B-ISDN）。
N-ISDN有两种标准接口：
1、基本速率接口2B+D，B的速率是64kbit/s，而D的速率16kbit/s，2B+D可以提供的总带宽为144kbit/s。
2、基群速率接口30B+D，B的速率是64kbit/s，D的的速率为64kbit/s，30B+D可以提供的总带宽为2048kbit/s。
B-ISDN可以提供2048kbit/s、155Mbit/s、622Mbit/s速率的传输通道，能够支持从窄带遥控遥测到宽带高清晰数字电视等所有的业务。
因此，B-ISDN是一种“全能”电信网络。
3.广播电视业务有线电视网普遍采用光纤和同轴电缆混合（HybridFiberCoax，HFC）网络。
光纤主要被用在（干线）传输，同轴电缆主要被用在接入网。
HFC是一种能够支持电话、ISDN、广播模拟电视、数字电视、互动视频和高速全双工数据等业务的传输技术。
图1-15所示的是一个典型的采用HFC技术的有线电视网的网络结构。
一般从端局（前端）到配线网的光节点采用光纤传输，其网络拓扑结构可以采用环形、星形和树形。
4.宽带接入业务传统铜线技术受到了哪些挑战？
速率受限。
满足不了日益增长的需求。
驱动宽带接入业务不断发展的动力是用户日益增长的需求。
城市企业事业单位未来需求的带宽为100M1000M；家庭未来需求的带宽为50M100M。
宽带接入方案光纤接入技术PON（PassiveOpticalNetwork）技术具有点到多点、能够提供巨大带宽、传输质量好、接入可靠性高、建设和维护成本低等一系列优点，已经成为世界各国城市接入网发展的首选技术。
是真正的FTTH（FiberToTheHome）。
图1-16所表示的是一个典型的光纤接入技术方案。
一个家庭用户可以通过无源光网络将电话、电视和数据业务接入家庭，实现宽带综合接入。
举例：
盈通培训资料P11,5.多媒体通信业务什么是媒体？
媒体是指信息传递和存取的基本技术和手段。
分类：
感觉媒体、表示媒体、显示媒体、存储媒体和传输媒体。
多媒体可以就是上述多种媒体的组合。
随着三网融合的步伐加快，多媒体通信会越来越被人们所重视。
1.4通信系统,1.4.1系统组成通信系统是由实现消息传输所需要的一切设备和传输介质构成。
传统的点到点通信系统一般模型，可用图1-17的框图表示。
信源作用是将声音、文字、数据、图像等消息转变成原始电信号，即完成非电量到电量的变换。
发送设备的功能一是放大，二是变换。
信道就是传输信号的通道。
它可以分为有线信道和无线信道。
有线信道包括铜线电缆、光纤等。
无线信道可以是自由空间、真空等。
噪声源是通信系统中各个设备、信道中的噪声与干扰的集中表示。
接收设备的功能主要是恢复出原始信号。
信宿是信息传输的终点。
其作用与信源作用完成相反，完成电量到非电量的变换。
1.4.2系统分类1.分类通信系统分类方法很多，但是最常用的分类方法是按照信道中所传输的信号的特征不同，将通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。
（1）模拟通信系统模拟通信系统是指信道中传输的是模拟信号的通信系统。
模拟信号的通信系统的模型，如图1-18所示。
经过调制后的信号被称为已调信号。
已调信号具有三个基本特征：
一是携带有信息；二是适合在信道中传输；三是信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零率。
（2）数字通信系统数字通信系统则指的是信道中传输的是数字信号的通信系统。
数字通信系统可以概括为图1-19所示的数字通信系统的模型。
信源编码的两个功能：
一是数/模转换，二是数据压缩。
信道编码是在经过信源编码的信号中增加一些多余的字符，以求自动发现或纠正传输中发生的错误。
因此，信道编码的目的就是提高信号传输的可靠性。
解调、信道解码、信源解码是调制、信道编码、信源编码的逆过程。
2.对比与模拟通信系统相比，数字通信系统具有下述的一些显著的优点：
数字信号本身具有较强的抗干扰能力，采用再生中继器、纠错编码等措施，可以进行长距离传输；采用信道编码技术，可以降低传输错误码率；数字信号的复用和压缩容易；适应的业务种类多，如可实现语音、数据和图像等综合传输；便于与计算机相连，实现系统和网络的智能化；数字硬件实现灵活、集成度高、设备体积小、系统成本低；系统升级扩容方便，便于保护运营商的投资等。
同时，数字通信系统也存在两个缺点：
在相同的容量下，数字通信系统传输所需要的带宽比模拟通信系统要大；同步要求高（需要位同步、帧同步等），从而需要复杂的同步系统。
1.4.3系统性能1.通信系统如何评价一个通信系统的优劣？
通过性能指标来评价，包括有效性、可靠性、经济性和运维的方便性等。
人们最关心的通信系统性能是有效性和可靠性。
有效性描述的是通信系统的消息传输速度问题；可靠性反映的是通信系统的消息传输质量问题。
2.主要性能有效性通常用传输速率、带宽、频带利用率来描述。
可靠性通常用误码率来表示。
（1）传输速率传输速率B被定义为每秒传输的比特数，可用bit/s来表示。
B的简单的数学表达公式，如式（1-6）所示。
同时，图1-20给出了数字信号中的传输速率与比特周期呈反比关系。
（2）带宽信号带宽W指的是传送信号的频率宽度，即传送信号的最高频率与最低频率之差。
信道带宽越大，其允许的传输容量和传输速率就越大。
（3）频带利用率频带利用率（带宽效率）的定义是单位频率带W内的传输速率B，其数学公式如式（1-7）所示。
其单位是每赫兹每秒的比特数，常用（b/s.Hz）表示。
（4）误码率误码率的定义如式（1-8）所示：
1.5光纤通信网络,1.5.1光纤通信系统1.基本组成图1-21所示的是最简单的光纤通信系统组成的框图。
2.各个组件作用光发射机包括光源和光调制器。
它主要是提供沿着光纤传输信息所需要的光能量。
它的光源既可以是发光管也可以是激光器。
光调制器的功能是调制带有串行序列数据的光。
光接收机里一个非常重要的器件是光电检测器它的作用就是将调制的光信号转变成电信号。
1.5.2光纤通信网络结构1.作用光网络是由宿端设备、光纤和组网光电元件等组成。
它的作用有两个：
一是利用传输介质光纤实现大容量、长距离、高可靠性链路传输；二是利用相关光电元件，引入了控制和管理机制，实现了多节点之间的联网，以及针对资源与业务的灵活配置。
2.结构演进光网络结构经历了一个由简单的点到点、链形结构、环形结构向复杂的网状网结构的发展过程。
它充分反映了通信容
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