光纤通信技术第一章概述.ppt
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1、光纤通信技术,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,知识要点,如果按照时代划分,通信技术经历了由光通信到电通信再到光纤通信的三大飞跃。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。光通信的缺点是其传输距离和传递信息量非常有限。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Claude Chappe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
2、)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。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。,1.1 通信技术简史,1966年7月,英籍华裔科学家高琨为了解决电通信中的传输介质铜线电缆存在传输容量随频率增加和距离延长而大幅度地降低、电磁干扰等问题,他提出可以利用石英玻璃光纤作为传输介质实现光纤通信的原创技术设想。1976年,美国贝尔实验室在美国的亚特兰大将世界上的第一个光纤通信系统投入商用。因此,全球通信界业一致公认,1976年是光纤通信的元年。,1978年,模拟蜂窝移动通信系
3、统投入使用。这标志着通信技术由固定通信向移动通信方向发展,以求实现“无处不在,处处在”的全球通。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。,顾名思义物联网(The Internet of things)就是物物相连的因特网。物联网具有两层含义:1.物联网是
4、在因特网基础上扩展的网络;2.物联网的用户终端任何物品,使得物品之间可以进行通信和信息交换。物联网的定义是,通过射频识别、红外线感应器、全球卫星定位系统、激光扫描仪等信息传感设备,按照约定的协议,使任何物品与因特网连接起来,进行通信和信息交换,以实现识别、定位、跟踪、监控和管理的智能化网络。物联网利用精确和动态的智能化管理方式,促进人与自然环境之间的和谐。例如,2005年,国际电信联盟的一份报告描述的物联网时代的景观是,当司机出现操作失误时,汽车会自动报警;公文包会提醒你忘记带了什么东西。,物联网,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。三网融合的目的是实
5、现三网互联互通、资源共享,为用户语音、数据和电视等多种业务,以促进信息产业、经济增长和文化事业健康发展。随着三网融合发展,一定会产生一个崭新的通信模式“统一通信”。统一通信的技术核心是: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。统一通信系统集语音、数据、图像和多媒体等所有信息类型为一体,从而为人们带来了业务选择的自由和经济效率的提高。,三网融合,1.2 通信基本概念,1.2.1 通信 在当今的信息时代,通信在我们的工作和生活中扮演着非常重要的作用。通信是信息的传输和交换。就通信技术的角度而语,通信是以语音、图像、数据为媒体,通过电信号或者
6、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。例如,你要与朋友通话,你首先需要思考与朋友分享什么。有关通话的内容是由图1-2所示的“处理层”完成。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。例如,计算机通信的数据处理是在处理层完成的,而物理层则承担着数据传输任务。,电信是利用有线、无线、光或者其他电磁系统传输、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。通信是按照约定传递信息;而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。因此,电磁系统广义泛指传输系统、复用设备和交换设备的串接。在这本本科生教
7、材中,主要讨论的是光信号的传输问题。“电磁系统”是狭义特指“光信号的传输系统”,而电磁系统广义则指“实现光信号的传输与交换的光网络”。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
8、取值有限个离散值连续的时间函数表示。,2.模/数变换 由于数字信号具有抗干扰、数字复接、便于加密和集成度高诸多的优点,故其在现代通信系统中得到广泛应用。然而许多信源输出的模拟信号,如原始语音信号是模拟信号,若其要在数字通信系统传输,首先必须将输入的模拟信号调制变换为数字信号,即“模/数”变换。模/数变换包括三个基本步骤:抽样、量化和编码。,抽样是模/数变换的基础。抽样是以规则的时间间隔,对连续的模拟信号进行离散的取值处理,使模拟信号可以变换为数字信号过程。抽样速率由模拟信号的带宽f决定。由抽样定理得知,只要抽样频率fs 满足奈奎特判据fs2f,完全可以用抽样值来表示一个带宽有限的模拟信号,而抽
9、样值不会引起任何信息损失。抽样定理为模拟信号变换为数字信号奠定了理论基础。,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(Pulse Code Modulation,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。为了便于读者理解,图1-5示出了模拟信号变换为数字信号的三个基本过程及其之间的密切关系。,3.信号特性 信号是通信系统
10、直接处理的对象,其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。正弦信号包围的频率范围,称为信号的带宽(频谱)。信号带宽是信号频谱范围的度量,其可以表示信号携带的信息量。带宽是衡量传输系统的一个重要指标。在光纤通信中,带宽与传输速率、传输距离、光纤色散等有着密切的关系。,1.2.3 光信号1.光的波/粒特性 在光纤通信系统中,所传输的信号是光信号。光信号具有波/粒二重性。光的波动模型可以用来释光的许多特性,如干涉、反射和偏振模色散等性能。光电效应表明,光并不总是连续的辐射,而是由非常小的颗粒(光
11、子)组成。这此是基本量子不可以再分的粒子。光子能量可以用式(1-1)表示,前可由式(1-1)求出光的频率:,2.波长在光纤通信中,在讨论光信号经过波分复用后进行传输时,我们一定要涉及到光信号的波长和频率的关系。通常,光信号和频率的关系如下式所示:c为真空中的光速,f是光信号频率,为光信号波长。,3.频率 频率与光速和波长之比成反比。在光纤通信中,所用的常用的频率单位有:兆赫、吉赫、太赫。图1-6给出了频率、传输模式(介质)和应用各个波长所承载通信业务。传输信号的频率越高,其携带的业务(信息)就越多。石英玻璃光纤具有巨大的可用带宽资源,其的工作波长在近红外范围850-1675nm之间。在光纤通信
12、系统中,通过采用波分复用技术可以在一根光纤中同时传送更多的光波长,既可以实现同时多业务传输,降低传输成本;又可以为光网络的动态灵活组网创造了良好的条件。,1.2.4 信号调制 1.调制作用 在通信系统中,任何特定的通信信道(传输介质)都有一个与其相关的频率范围。如果要传输的信号的频率不在其传输范围内,那么就需要将信号频率调制到信道的频率范围内。信号经过传输一定的距离,它们也可以用其他的物理参数,如幅度、相位、频率等来表示。这些参数的变化被称为调制。所谓调制就是按照原始消息信号的变化规律去改变载波的某些参数的变化过程。在编码之前,载波可以用式(1-4)所示的形式:,2.调制方法 调制就是将某个载
13、有信息的信号嵌入另一种信号的处理过程,而其反过程则为解调。通信中之所以要对信号进行调制,其目的是要实现信号的远距离和大容量传输。因此,调制履行的两大职责是:1.低频(基带)信号向高频率(载波)信号;2.多路信号复用。调制是按照调制的信号形式可以分为模拟调制和数字调制。根据载波不同则有连续波调制和脉冲调制。依据控制的参数的不同幅度调制、频率调制和相位调制。在实际通信工程中,可以将几种调制组合使用,以求获得更好的传输效果。,在模拟调制中,采用的是连续波调制,其控制的参数是载波的幅度、频率和相位。模拟调制对应的三种调制方法分别被称为:幅度调制(Amplitude Modulation,AM)、频率调
14、制(Frequency Modulation,FM,)、相位调制(Phase Modulation,PM,)。与模拟调制相同,数字调制所调制的同样为载波的幅度、频率和相位,所不同的是原始信号为二进制数字信号0和1或多进制数字信号。,在数字调制中,采用的也是连续波调制,其对应三种调制方法分别被称为:幅移键控(Amplitude Shift Keying,ASK)、频移键控(Frequency Shift Keying,FSK)、相移键控(Phase Shift Keying,PSK)。所谓“键控”是指一种如同“开关”的通-断控制的调制方式。调制过程如同用调制信号来控制一个开关,从两个具有不同参量
15、的载波中选择相应的载波输出,从而形成已调制信号。,3.调制格式 在光纤通信系统调制方法的设计中,第一步是确定怎样将电信号转换为光比特流。通常的做法是,利用电信号直接调制或使用外调制器调制光源(半导体激光器)的输出光信号。图1-7所示的是可供产生光比特流选择的调制格式:归零格式和非归零格式。,1.2.5 信号复用1.信道 信道是信号传输的通道。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。信道除了指信号的传输介质之外,还包括连接发送端和接收端的设备,以保证信号能够从发送端顺利地传输到接收端。就信号传输而言,传输介质是信道的主要组成部分。通信质量的好坏,主要取决于传输介质(信道)的特性。
16、为了使读者真正理解信道对通信质量的影响,表1-2比较了五种不同传输介质的特点。,2 信号复用 所谓复用就是信道复用技术。复用技术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。复用基本原理是,在理论上正交的多个信号,在同一信道上传输到接收端后,利用正交性完全区分开。现在,通信系统中常用的复用方法有: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 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。频分复用(Frequency Division Multiplexing,FDM
17、)的实质是,各个信道在频域上分割成若干个相互不重叠的子频带,每个信道占用其中的一个子频带。图1-8所示为三个模拟信号的FDM情况。每个子频带具有其自己的载波。FDM至所以可以在同一个信道中传输多个子频带(路),其原因是各个子频带传输载波频率不同的信号,各个信号的频谱相互不重叠,在接收端可以用中心频率不同的滤波器,将各路信号分开。为了防止信道频谱的重叠,在各路信号之间应该留一定的保护频带,载波频率应略大于信道带宽。,(2)时分复用 时分复用(Time Division Multiplexing,TDM)是将不同信道的低速比特流变换为高速比特流的信号复用技术。更为具体地讲,时分复用就是在时域上对不
18、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,以达到提高通信系统效率和降低传输成本的目的。例如,在光纤通信中,可以将4个2.5Gbit/s的信号(信号A、信号B、信号C、信号D)复用成一个10Gbit/s的信号(时分复用信号),以提高通信系统的传输效率,进而降低通信系统的成本。图1-9给出了数字信号时分复用的工作原理。,(3)波分复用 在光纤通信中,波分复用(Wave Division Multiplexing,WDM)是一种建立在低水峰光纤具有的巨大带宽资源的基础上简单易行的扩容技术。波分复用就是在一根光纤中实现同时传输几十乃至上百
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