1、第五章 光纤通信系统与通信网,目的和要求: 了解光纤网络及其功能器件； 掌握光纤通信系统组成、系统性能测试及网络结构； 了解目前光纤通信网络中的各种器件及其特性，光纤通信网络的发展趋势。 主要内容: 5.1 无源光器件和WDM技术 5.2 光放大器 5.3 数字光纤通信系统 5.4 光同步数字传输网 5.5光纤通信系统的总体设计,5.1 无源光器件和WDM技术 5.1.1光无源器件,何为光无源器件？在光网络中不需要外部电源，而使用输入信号光的能量来工作的器件称为光无源器件。本节来讨论它们的构造和应用。,1.光纤连接器ITU将光纤连接器定义为“用以稳定地但并不是永久地连接两根或多根光纤的无源器件
2、”是实现光纤与光纤之间以及光纤与终端设备之间活动的连接器件。 连接损耗低回波损耗大 光纤连接器的要求重复性好适应能力好,各种光纤连接器实物照片,1）连接损耗低光纤中的损耗主要是连接损耗，对于固定接头其连接损耗最大不能高于0.1dB，而活动连接器的连接损耗最大不能高于0.2dB。连接损耗的计算式子如下：（dB）其中 是指连接器的输出功率， 是指连接器的输入功率。,影响光纤的连接损耗有多种，主要包括以下2个方面： (1)光纤结构参数失配引起的连接损耗，主要包括光纤芯径尺寸失配、数值孔径失配以及折射率分布失配等3个方面。 光纤芯径尺寸失配（主要在单模光纤中考虑） 数值孔径失配（多模光纤中起作用） 折
3、射率分布失配（多模光纤中起作用）,（2）两光纤相对位置偏离引起的连接损耗两根光纤相对位置偏离引起的连接损耗主要包括横向错位引起的损耗、倾斜损耗以及间隙损耗。 横向错位引起的损耗 纵向间隙引起的损耗 角度偏移引起的损耗,2）回波损耗大。回波损耗是指在光纤连接处，后向反射光功率Pr相对输入光功率Pi比的分贝值。回波（绝对值）越大越好，以减小反射光对光源和系统的影响，其典型值应不小于45dB。 3）重复性好。是指连接器被重复使用时，其损耗值不应有明显的变化。该指标可以考核连接器结构设计和加工工艺的合理性，也是表明连接器实用化的重要标志。一般应小于0.1dB。 4）适应能力强。光纤连接器必须能够承受周
4、围环境温度的变化、潮湿和化学侵蚀以及一定外力的影响。,按照连接器的构成方式可分为固定接头和活动连 接器。固定接头实现光纤与光纤之间的永久性连接，主要用于光纤线路的构成，一般在工程现场制作完成。制作的方法:热熔法: 接头平均损耗达到0.05dB/个，V型槽法: 接头损耗较大，0.15dB/个,光纤活动连接器在光纤通信系统、光信息处理系统、光学仪器仪表中被广泛地使用。它通常用来完成光源到光纤、光纤到光纤以及光纤与深测器、终端设备之间的连接。是一种可拆卸重复使用的用量很大的一种光无源器件。不管何种连接器，都必须具备损耗低、体积小、重量轻、可靠性高、便于操作、重复性和互换性好以及价格低廉等优点。,光纤
5、连接器的基本结构图5.2 光纤连接器的基本结构,目前比较常见的光纤连接器有以下几种： 1)FC型光纤连接器（即螺纹连接式） 2)SC型光纤连接器（即矩型插拔式） 3)ST型光纤连接器（即圆形卡口式） 4) LC型连接器 5) MU型连接器,2）光纤耦合/分离器,耦合器是从几根光纤中组合光的设备； 分离器是分离光到几根光纤的设备。这些器件对光网络是绝对必要的。,1、熔锥形耦合器（FBT）工作原理：当加热拉伸光纤时，光纤直径不断变小，在耦合区内，因为光纤靠得非常近，光就会从一个纤芯耦合到另一个纤芯，多少输入光耦合到第二根光纤，依赖于耦合区两根光纤之间的距离、两根光纤的直径和工作波长。,耦合比：进入
6、到第二根光纤的光的能量的多少。比如，50：50耦合器及1：99耦合器等。制作FBT的主要方法：抛光法加热拉伸法FBT耦合器的优点：低损耗,耦合器的端口配置,耦合器的特性参数 以一个4端口（2X2）耦合器来介绍耦合器的特性参数。 （1）极端损耗（Pex） 输出功率之和与输入功率的比值。 典型值在0.06到0.15变化。,（2）耦合器的插入损耗（IL） 定义为：在一个特定波长，输出与输入光功率之比。,（3）耦合比（CR） 定义：注意：IL=CR+Pex,（4）不均匀性是用来描述相等耦合比的耦合器的特性，比如一个50：50的耦合器，不相等的原因是在制作中引入对不同耦合的插入损耗。希望不均匀性越小越好
7、。 定义：,（5）偏振稳定性（PDL） 是由于输入光线偏振变化引起的插入损耗最大变化的度量。一般不超过0.15dB。,（6）方向性(D)或近端串音 表明输入功率的多少出现在不希望的输出端。有时定义为近端串音的测量，此时定义为：要求器件要有高的方向性，意味着不希望输入功率传输到不希望的方向。,（7）耦合器的反射或回波损耗（RL）,3）隔离器、环行器和衰减器 1、隔离器 在光纤通信系统中，有光反馈的存在（包括菲涅尔反射和散射等）。 光反馈会使系统降低信噪比，增加误码率。 需要用隔离器来阻止反馈光的器件的回射传播。,工作原理,输入偏振器,输出偏振器,法拉第旋光器,前向光,回射光,隔离器的工作原理,法
8、拉第旋光器的材料由BIG光透明晶体和磁铁构成。,2、环行器 环行器的种类 环行器为一种非可逆装置，它仅在一个方向上引导一个端口的光到另一个顺序的端口。 商业上有3、4和6端口环行器。 环行器是构造功能性网络模块的必要元件。,2,从图中可见，从任何端口进入的光都能被定向到任何其它的端口，但必须按顺序通过。 环行器的主要参数： 隔离度： 插入损耗： 偏振相关损耗： 工作波长：,3、衰减器 衰减器是在控制状态下减少传输光功率的装置。 衰减器在光网络中最重要的应用包括： 防止接收器达到饱和（保证输入功率在接收器的动态范围内）。 在WDM系统中的多路复用前和EDFA放大前的波长平衡（信道功率均衡）。 在
9、多光纤分布网络，例如，CATV，节点间功率均衡。 组成EDFA的比特误码率测试、功率计、系统损耗模拟、接收机灵敏度和一般实验室评测。,分类： 固定衰减器和可变衰减器。 固定衰减器：引入一个预定的损耗值，如5dB和10dB等。 优点：尺寸小、价格低。 主要特性参数： 衰减容差：典型值： 5dB0.5dB, 10dB1dB等。 回波损耗： 衰减固定波长：如1550nm25nm等。 热稳定性,可变衰减器：在一个范围内调谐损耗的器件。 分类：有移动部件衰减器和无移动部件衰减器。 特性参数： 在固定衰减器基础上，其主要特性参数如下： 衰减范围： 衰减精度（分辨率）：指能被精细调节衰减器的准确性。如0.5
10、dB、0.1dB或0.01。 最大光功率：,6）波分多路复用器和多路解复用器 耦合器/分离器大多在一个波长做光的组合和分离，而波分复用器/分解器在不同波长上做这种工作。 它们作为网络构造部件对WDM网络很关键。 1、WDM MUX/DEMUX耦合器,2、分类1)宽带WDM(BWDM):如,1310nm和1550nm信道的 组合和分离 2)窄带WDM(NWDM):组合、分离中心到中心间隔大于200GHZ。 3)密集WDM(DWDM)：组合、分离中心到中心间隔小于200GHZ。,3、特性参数 在耦合器/分离器基础上，又增加了新的特性参数。 1）信道数:描述装置能多路复用/解复用的波长信道路数。典型
11、值为：4，8，16，32和48。进一步增加信道数是当今网络通信系统的发展趋势。 2）这些信道的中心波长(频率):由ITU基准给出。 3）信道间隔:表示能处理的信道之间最小距离。 4）带宽(信道宽度或通带宽度):是特定波长信道的谱线宽度。,4、WDM、MUX/DEMUX应用增/删和路由器 增/删和路由器是用来增加网络信号流和删去一个波长信道的功能器件。,输入,删去,加入,通过,增/删多路复用器/解复用器功能,波长路由器：用来引导输入波长到希望的通路（光纤）。是光纤通信网络中的关键器件。 功能：进入装置的波长被重新分布，并被导向不同的输出端口。,7）滤波器 滤波器:只允许一个波长通过，而且阻止所有
12、其它波长的器件称为光滤波器. 分类: 固定滤波器：允许一个固定的预先确定的波长通过。 可调滤波器：可以动态地选择可通过波长。,特性参数： 中心波长：ITUTT表规定。 通带宽度（BW）：插入损耗为某值时的信道宽度。 阻带宽度：最大插入损耗为20dB处的谱线宽度。 隔离度：表示多少从不要的信道来的功率出现在给出的输出信道。 波动：是在信道宽度内的插入损耗的峰到峰的变化量。 带宽利用因子：是在一定损耗水平上被传输光谱线宽度和被反射光谱线宽度的比。,1、固定滤波器 薄膜干涉滤波器 腔型滤波器,2、可调谐滤波器 它具有动态地改变所选择波长的能力。,可调谐滤波器主要的应用： 在接收机前端过滤波长信道。
13、构造复杂的光纤交换（动态）网络。 可调谐激光器及测量仪器。,主要参数： 动态调谐范围，用 表示。 带宽或通带： 可分辨信道数：信道范围与最小信道间隔的比值。 调谐速度：调谐滤波器到指定波长的时间。 插入损耗： 偏振相关损耗： 边瓣压制比：第一边峰的最大功率与主峰功率的比。 分辨率：滤波器能检测到的最小波长偏移。,5.2 光放大器光放大器是对光信号直接放大的器件。 光放大器的功能是提供光信号增益，以补偿光信号在信道中的传输衰减。光放大器的种类： 半导体光放大器（SOA） 激光喇曼光纤放大器（FRA） 掺杂光纤放大器（以掺铒光纤放大器EDFA为主）,EDFA的主要优点： 工作波长处于1530-15
14、60nm范围，与光纤最小损耗窗口一致； 对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫瓦，而喇曼放大器需要1W以上； 增益高、噪声低、输出功率大。增益可达40dB，噪声系数可低至3-4dB，输出功率可达14-20dBm； 连接损耗低，与光纤连接损耗可低至0.1dB； 对各种类型、速率与格式的信号传输透明。,一、EDFA的基本结构 光耦合器：一般采用WDM器，将泵浦光与信号光耦合到一起的器件。 光隔离器：防止反射光影响光放大器的稳定性，保证光沿一个方向传输。 EDF：一般长10-100米。 泵浦光源：为半导体激光器，输出光功率为10-100瓦，工作波长为980nm或1480nm。 光滤波器：滤除光放
15、大器的噪声、降低噪声对系统的影响，提高系统的信噪比。,按照泵浦方式的不同EDFA可分为： 同向泵浦结构 输入光信号与泵浦光源输出的光波同方向传播。如上图。 反向泵浦结构 输入光信号与泵浦光源输出的光波反方向传播。 双向泵浦结构 有两个泵浦源输出光波，一个从反向一个从正向注入EDF中。,EDFA模块的元件,1、掺铒光纤 2、泵浦光二极管 3、光纤耦合器 4、隔离器 5、滤波器（泵浦光滤波器+噪声滤波器+增益平坦滤波器）,二、EDFA工作原理 在泵浦作用下 使工作物质处于粒子数反转分布状态 产生受激辐射 放大光信号。,三、EDFA的增益谱,EDFA的增益和噪声,1.增益 定义：增益是输出光功率与输
16、入光功率之比，也就是， 增益=Pout/Pin 用分贝为单位的增益，定义为增益（dB）=10log10(Pout/Pin)考虑噪声时公式为： 增益=（Pout-PASE）/Pin 或 增益（dB）=10log10(Pout-PASE)/Pin,2.噪声 EDFA的光噪声被称为放大的自发辐射噪声（ASE）通常用PASE表示。 实际信号变坏来自于：噪声-噪声干扰和噪声-信号干扰产生的拍频信号。,四、EDFA的几种典型应用,作 业,1、某EDFA，假定输入光功率是300微瓦，输出光功率是60毫瓦，（1）请计算这个EDFA的增益为多少？（2）当我们考虑PASE为30微瓦时的增益又为多少呢？,5.3 数
17、字光纤通信系统,5.3.1光纤数字通信系统的组成 1、发射系统 2、光中继器 3、接收系统 4、备用系统 5、辅助系统,5.3.2 光纤数字通信系统的基本质量指标,1. 数字光纤通信系统性能 1）误码性能指标 评价误码性能的方法CCITT采用在总的可用时间内误码率（BER）超过规定阈值（BERth）的时间占总的可用时间的百分比来评价通信系统的误码性能。,评价误码性能的具体方法：,1、将较长观测时间（TI个月）连续划分为许多小的时间段(T01秒)，测量T0内每秒误码率。 2、根据每秒误码率，将T区分为可用（小于某误码率）和不可用（大于某误码率）时间。 3、根据T0内的平均误码率，计算总的可用时间
18、内超过BERth的全部T0之和与可用时间的百分比。,误码秒（ES）定义为：每秒钟误码个数取任意值的所有1秒钟时间总和，称为误码秒。 严重误码秒（SES）：每秒钟误码率大于10-3（30%）的所有1秒钟时间段的总和，称为严重误码秒。 显然，误码秒包含严重误码秒。（因为误码秒的阈值是0）,2）抖动 抖动的定义是：数字信号在各有效瞬时对标准时间位置的偏差。如图所示偏差包括输入脉冲信号在某一平均位置左右变化，和提取时钟信号在中心位置左右变化。,抖动的定义数字脉冲信号时间坐标位置相当于其标准位置的随机性变化，称为抖动（Jitter）。 抖动变化的最大时间范围，称为抖动幅度。 单位时间内抖动变化的快慢，称
19、为抖动频率。 抖动量的大小将影响数字通信系统的通信质量，因此要求抖动量越小越好。,几种定义抖动量的方法,（1）峰-峰抖动量JP-P，它表示数字脉冲信号的最大瞬时抖动幅度，即其中，t0为标准位置，t是瞬时抖动位置。 （2）均方根抖动量，它表示数字脉冲信号抖动幅度的均方根值，即其中E是对所有的瞬时t求平均。可见后者是一个统计量，而前者是一个非统计量。,3） 可靠性 可靠性的定义 通信系统无故障工作能力的大小，称为可靠性（Reliability）。 可靠性与给定的工作条件和工作时间有关。,通常用可靠性函数R(t)来量度可靠性，定义为 其中，t是规定的工作时间长度，tc是待测设备的无故障工作时间长度，
20、 tc随设备及其工作条件而变化，是一个随机变量。 P(tct)表示在规定的工作时间t 内无故障发生的概率。 R(t)随t的增大而减小， R(t)越接近1越好。,可靠性表示方法: 可靠性R和故障率。可靠性R通常用故障率表示。 如果通信系统由n个部件组成，且故障率是统计无关的， 则系统的可靠性 可表示为式中, 和 分别为系统第i个部件的可靠性和故障率。,2. 测试 1）SDH误码率和接收灵敏度测试SDH光接收机灵敏度的定义是在保证一定的误码率前提下所需要接收的最低平均光功率。 灵敏度的测试原理如图所示,2）SDH抖动性能的测试SDH抖动性能测试框图,5.4 同步数字传输网（SDH）,同步数字系列（
21、SDH:Synchronous Digital Hierarchy）是CCITT于1988年在美国贝尔实验室SONET基础上修改建立的，是高速光纤通信在全球迅速发展的必然产物。,5.4.1 SDH 帧结构,它采用矩形块状帧结构。纵9行，横270列字节。CCITT规定：STM-1每帧占用时间125s，传输速率8000帧/秒。每个字节的比特速率为80008bit/s=64kb/s。STM-1每一帧的比特速率为927064kb/s=155.52Mb/s,STM-1帧结构中各字段意义如下：,1、再生段开销（RSOH: Regenerator Section Overhead）:占有3行9列字节，对应比
22、特率为3964kb/s=1.728Mb/s。 供再生段维护管理如：帧定位、差错检验、公务电话、网络管理、专用维护等。 在中继站进行处理。,复用段开销（MSOH: Multiplexing Section Overhead）:占5行9列字节，对应比特率为2.88Mb/s。 供复用段维护管理如：差错检验、公务电话、网络管理、自动倒换、备用信道使用的附加字节。 在终端站进行处理。,STM-1净荷区（Payload）：占有9行261列，对应比特率150.336Mb/s，用来存放各种业务信息。 其少量字节供通道监控管理用，称为通道开销（POH：Path Overhead）, 又分为高阶POH和低阶POH
23、。 通道开销在虚容器中进行处理。,管理单元指针（AU PTR:Administration Unit Pointer）:占有1行9列字节，对应比特率为576kb/s， 用来指示STM-1净荷的起始字节在STM-1中的位置，以便接受端正确分解。,一般，STM-N帧结构为9行270N列字节。 N表示SDH的速率等级（N=0,1,4,16,64,256） STM-N每帧占有时间也是125s，即每秒8000帧。 每个字节的比特率为64kb/s, STM-N每帧的比特速率为155.52Mb/sN。 其再生段开销、复用段开销、净负荷和管理单元指针对于比特率都N。,5.4.2 SDH承载PDH的方式,SDH
24、复用及映射的基本结构,SDH对于155.52Mb/s以上速率的信号采用同步复用的方式， 对于155.52Mb/s以下速率的PDH信号采用固定位置映射和浮动位置处理的复用方式。,容器C (Container), 是具有一定格式的帧结构，用来接收相应等级的PDH信号，并进行速率适配。 C11和C12中的第一位1表示基群，第二位数字1，2分别表示PDH的T和E系列。 C2、C3和C4中的数字分别代表二、三和四次群。,虚容器VC ( Virtual Container ), 由容器C的帧信息加上相应的通道开销POH而构成，即 VC-n=C-n+VC-n POH (n=11,12,2,3,4),支路单元
25、TU (Tributary Unit), 由低阶VC和相应的支路单元指针 TU PTR(Tributary Unit Point)而构成，即 TU-n=VC-n+TU-n PTR (n=11,12,2,3) 支路单元组（TUG） 管理单元AU(Administration Unit) 管理单元组AUG,5.4.3 SDH 复用及交换的主要设备,主要包括 终端复用器（ TM: Termination Multiplexer） 分插复用器（ADM:Add Drop Multiplexer） 数字交叉连接设备（DXC: Digital Cross Connect Equipment）,一、终端复用器
26、（TM）,TM是将若干个PDH信号组合（分解）成一个STM-N信号或将若干个低速SDH信号组合（分解）成一个高速SDH信号的复用设备。,二、分插复用器（ADM）,ADM能够从高速率STM-N信号中直接分出低速率PDH信号，VC信号或STM-N(NN)信号。,三、数字交叉连接设备,DXC具有交换功能的智能化传输设备，它有多个PDH、SDH或ATM的输入和输出端口，可以在任意端口信号间进行交叉连接。 通常DXC连接端口数为16-1024个，连接速率为2-155 Mb/s。,5.5 光纤数字通信系统的基本设计 5. 5.1 系统设计的一般步骤设计的任务是，根据用户的要求和实地情况，按照ITU-T规范
27、和国内技术标准，尽可能结合中、远期扩容的可能性，进行线路规划和系统配置的设计。,系统设计的一般步骤,一、选定传输速率和传输体制 根据系统的通信容量（即话路总数）选择光纤线路的传输速率。 对于长途干线和大城市的市话系统，宜选用SDH体制，以STM-16(2.4Gb/s)、 STM-4(622Mb/s)为主； 对于农话系统，则可采用PDH体制，以3次群或4次群为主。,二、选定工作波长 根据通信距离选择工作波长。 目前，0.85m波长已经很少使用； 中、短距离系统可选用1.31 m波长； 长距离系统可选用1.55 m波长。,三、选定光源和光检测器件 根据工作波长及通信距离选择LED或LD。 通常，短
28、波长短距离系统选用LED,长波长系统选用LED或LD。 通常，低速率小容量系统采用LED-PIN组合； 高速率大容量系统可以采用LD-APD组合。,四、选定光纤光缆类型 根据工作波长及通信容量选择多模或单模光纤。 通常，低速率小容量系统选用多模光纤； 高速率大容量系统选用单模光纤。 根据线路类型和通信容量确定光缆芯数。 根据线路铺设方式确定光缆类型。,目前可选择的光纤类型有G.652光纤、G.653光纤、G.654光纤、G.655光纤及大有效面积光纤。 G.652光纤是目前已大量敷设、在1.3m波段性能最佳的单模光纤，该光纤设计简单、工艺成熟、成本低。但这种光纤工作在1.55m波段时，有+17
29、ps/(kmnm)左右的色散，限制了高速率系统的传输距离。 G.653光纤只适合于1.55m单信道传输系统，对WDM系统，四波混频效应严重。 适合于WDM系统的光纤选型是G.655和大有效面积的非零色散光纤。,五、选定路由、估算中继距离根据线路尽量短直、地段稳定可靠、与其它线路配合最佳、维护管理方便等原则确定路由。根据上下话路的需要确定中继距离，或者根据影响传输距离的主要因素来估算中继距离。,六、估算误码率根据误码秒ES和严重误码秒SES的上限指标，来估算误码率的大小。此外，还有光纤线路码型设计、供电设计等。,5. 5.2 中继距离估算 衰减限制系统中继距离估算衰减限制系统是指光纤线路的衰减较
30、大、传输距离主要受衰减影响的系统。如：2次群及以下的多模光纤通信系统、5次群及其以下的单模光纤通信系统都属于衰减限制系统。,设衰减限制系统的发送端平均输出光功率为PT(dBm)，接收端灵敏度为PR（dBm），则该系统的线路容许总衰减可以写为其中， 为光纤连接器插入损耗，单位dB。为光纤每公里平均连接损耗，单位dB/km,受光纤长度限制。为光纤衰减常数，单位dB/km。 为光缆富余度，单位dB/km。 为光端机富余度，单位dB。为中继段（RS: Repeater Section）长度。,又上式解得利用上式可以估算出中继距离来。 另外还有带宽限制系统的中继距离估算。 误码率对于系统距离的估算等。,第5章 复习题,1、光纤连接器的种类和用途 2、简要说明光纤耦合器与光纤波分复用器的区别 3、列举1中光纤无源器件，并说明其用途及性能参数 4、EDFA基本结构包括哪些，各部分的功能简要说明 5、论述数字光纤通信系统主要性能指标，及其测试方法 6、STM-1帧结构 7、论述光纤通信系统设计一般步骤,结束,
