《现代传输技术》PPT课件.ppt
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1、第3章 现代传输技术,3.1 光纤通信3.2 移动通信3.3 数字微波通信3.4 卫星通信习题,3.1 光纤通信,3.1.1 光纤通信的特点光波是频率极高的电磁波,其频率位于0.3THz(1 THz=1012 Hz)到30 PHz(1PHz=1015Hz)之间,可细分为频率位于330 PHz之间的紫外光,频率位于0.33PHz之间的可见光和频率位于0.3300THz之间的红外光。目前,光纤通信使用的红外光波,其频率为1101441014 Hz。在讨论高频电磁波时利用波长这一单位比频率更方便,波长是电磁波在空间变化一周所经历的长度,波长取决于电磁波的频率和光速,即=C/f。其中,为电磁波的波长(
2、m),C为光速(C=3108 m/s,即3108 m/s),f为电磁波的频率(Hz)。对于光波,波长常用微米(m)或纳米(nm)来表示(1m=110-6 m,1 nm=110-9 m)。,利用光波来携带信息进行传输的通信方式称为光波通信,光波通信可分为无线光通信和有线光通信,无线光通信是利用光波在大气中直线传播的特点来传输信息的。这种方式无需任何线路,简单经济,但由于受到大气气温不均匀等因素的影响使得光线发生偏移,大雾时甚至全被吸收,因而通信质量不稳定。目前,这种方式主要应用于小容量、短距离的室内通信和户外的临时性的应急通信以及卫星之间的通信。有线光通信是利用光导纤维(玻璃纤维丝)等将光波汇聚
3、其中并进行传播的特点来传播信息的,这种方式光波的传播特性稳定因而通信稳定,目前的光波通信主要是指光纤通信,光纤通信优良的传输性能使其成为了长距离大容量信息传输的首选方案。,光纤通信与电通信相比,主要区别有两点,一是以很高频率(1014 Hz数量级)的光波作载波;二是用光纤作为传输介质。基于以上两点,光纤通信有以下的优点和缺点。优点:传输频带很宽,通信容量大;中继距离长;不怕电磁干扰;保密性好、无串话干扰;节约有色金属和原材料;线径细、重量轻;抗化学腐蚀、柔软可绕。缺点:强度不如金属线;连接比较困难;分路、耦合不方便;弯曲半径不宜太小。应该指出,光纤通信的三个缺点都已克服,不影响光纤通信的实用。
4、下面,我们着重介绍光纤通信的优越性和它的应用领域。,(1)传输频带很宽,通信容量大。随着科学技术的迅速发展,人们对通信的要求越来越多。为了扩大通信容量,有线通信从明线发展到电缆,无线通信从短波发展到微波和毫米波,它们都是通过提高载波频率来扩容的,光纤中传输的光波要比无线通信使用的频率高得多,所以,其通信容量也就比无线通信大得多。目前,光纤通信使用的频率一般位于3.51014 Hz(波长为1.05 m)附近,如果利用它带宽的一小部分,并假设一个话路占4 kHz的频带,那么一对光纤可以传送10亿路电话,它比我们今天所使用的所有通信系统的容量还大许多。然而实际上,由于光纤制造技术和光电器件特性的限制
5、,一对光纤要传送10亿路电话是有困难的。目前的实用水平为每对光纤传送30 000多话路(2.4 Gb/s)。,如果像电缆那样把几十根或几百根光纤组成一根光缆(即空分复用),其外径比电缆小得多,传输容量却成百倍的增长,如果再使用波分复用技术,其传输容量就会大得惊人了。这样,就可以满足任何条件下信息传输的需要,对各种宽频带信息的传输具有十分重要的意义。(2)中继距离长。我们知道,信号在传输线上传输,由于传输线的损耗会使信号不断的衰减,信号传输的距离越长,衰减就越严重,当信号衰减到一定程度以后,对方就接收不到信号了。为了长距离通信,往往需要在传输线路上设置许多中继器,将衰减了的信号放大后再继续传输。
6、中继器越多,传输线路的成本就越高,维护也就越不方便,若某一中继器出现故障,就会影响全线的通信。因此,人们希望传输线路的中继器越少越好,最好是不要中继器。,减小传输线路的损耗是实现长中继距离的首要条件。因为光纤的损耗很低,所以能实现很长的中继距离。目前,实用石英光纤的损耗可低于0.2 dB/km,这比目前其他任何传输介质的损耗都低。由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达200 km还多。而现有的电通信中,同轴电缆系统最大中继距离为6 km,最长的微波中继距离也只有50 km左右。如果将来采用非石英系极低损耗光纤,其理论分析损耗可下降到10-9 dB/km,则中继距离可达数千米甚至数万千米。
7、这样,在任何情况下,通信线路都可以不设中继器了,它对降低海底通信的成本、提高可靠性和稳定性具有特别重要的意义。,(3)抗电磁干扰。任何信息传输系统都应具有一定的抗干扰能力,否则就无实用意义了。而当代世界对通信的各种干扰源比比皆是,有天然干扰源,如雷电干扰、电离层的变化和太阳的黑子活动等;有工业干扰源,如电动马达和高压电力线;还有无线电通信的相互干扰等,这都是现代通信必须认真对待的问题。一般说来,现有的电通信尽管采取了各种措施,但都不能满意地解决以上各种干扰的影响,惟有光纤通信不受以上各种电磁干扰的影响,这将从根本上解决电通信系统多年来困扰人们的干扰问题。,(4)保密性好,无串话干扰。对通信系统
8、的另一个重要要求是保密性好,然而无线电通信很容易被人窃听,随着科学技术的发展,就是我们以前所讲的保密性好的有线电通信也不那么保密了。人们只要在明线或电缆附近设置一个特别的接收装置,就可以窃听明线或电缆中传输的信息,因此,现有的电通信都面临着一个怎样保密的问题。,光纤通信与电通信不同,光波在光纤中传输是不会跑出光纤之外的,即使在转弯处,弯曲半径很小时,漏出的光波也十分微弱,如果在光纤或光缆的表面涂上一层消光剂,光纤中的光就完全不能跑出光纤。这样,用什么方法也无法在光纤外面窃听光纤中传输的信息了。此外,由于光纤中的光不会跑出来,我们在电缆通信中常见的串话现象,在光纤通信中也就不存在了。同时,它也不
9、会干扰其他通信设备或测试设备。,(5)节约有色金属和原材料。现有的电话线或电缆是由铜、铝、铅等金属材料制成的,但从目前的地质调查情况来看,世界上铜的储藏量不多,有人估计,按现在的开采速度只能再开采50年左右。而光纤的材料主要是石英(二氧化硅),地球上是取之不尽用之不竭的,并且很少的原材料就可拉制出很长的光纤。例如,40克高纯度的石英玻璃可拉制1 km的光纤,而制造1 km八管中同轴电缆需要耗铜120 kg,铅500 kg。光纤通信技术的推广应用将节约大量的金属材料,具有合理使用地球资源的战略意义。,(6)线径细,重量轻。通信设备体积的大小和重量的轻重对许多领域具有特殊重要的意义,特别是在军事、
10、航空和宇宙飞船等方面。光纤的芯径很细,它只有单管同轴电缆的百分之一,光缆直径也很小,8芯光缆横截面直径约为l mm,而标准同轴电缆为47 mm。线径细对减小通信系统所占的空间具有重要意义。目前,利用光纤通信的这个特点,在市话继线路中成功地解决了地下管道拥挤的问题,节约了地下管道的建设投资。,光缆的重量比电缆要轻得多。例如,18管同轴电缆1 m的重量为11 kg,而同等容量的光缆1 m重只有90 g。近年来,许多国家在飞机上使用光纤通信设备,或将原来的电缆通信改为光纤通信,获得了很好的效果,它不但降低了通信设备的成本,飞机制造的成本,而且还提高了通信系统的抗干扰能力和飞机设计的灵活性。例如,美国
11、在A7飞机上用光纤通信取代原有的电缆通信后,它使飞机减轻重量27磅。据飞机设计人员统计,高性能的飞机每增加一磅的重量,成本费用要增加一万美元。如果考虑在宇宙飞船和人造卫星上使用光纤通信,其意义就更大了。由于光纤通信上述的许多优点,除了在公用通信和专用通信中广泛使用之外,它还在其他许多领域,如测量,传感、自动控制和医疗卫生等得到了十分广泛的应用。,3.1.2 光纤及其传输特性从电磁波的传播角度来看,光纤实际上是一个圆柱形波导,具有传播高频电磁波的能力。波导结构,由具有高折射率的纤芯和具有低折射率的包层材料构成。具有高折射率的材料充当传播介质,类似于矩形金属波导中的空气介质,能够传导电磁波;具有低
12、折射率的材料充当波导的管壁将电磁波的能量限定在波导内。1.光纤的类型光纤的分类方法有很多,可以按制作光纤的材料、光纤的结构、传播光的波长、传播模式的多少以及用途等来分。这里主要介绍三种分类方法。,1)塑料光纤与石英光纤从本质上说,目前有三种可以使用的光纤,它们都由玻璃、塑料或二者结合制成。(1)塑料纤芯和塑料包层光纤,这种光纤也称为塑料光纤,主要应用于短距离的光电隔离、工业控制中的数据量较小的数据信号的传输和简单的光纤工艺品,如光纤装饰画等。(2)玻璃纤芯和塑料包层光纤(通常称为PCS光纤,即塑料包层的石英光纤),这种光纤也称为玻璃光纤。(3)玻璃纤芯和玻璃包层光纤(通常称为SCS光纤,即石英
13、包层的石英光纤),这就是通信中常用的光纤称为通信光纤,其性能最好价格也最贵。下面主要讨论通信光纤。,2)阶跃光纤和梯度光纤光纤的光学特性决定于它的折射率分布,因此光纤纤芯和包层折射率在制造阶段是沿径向加以控制的,用控制预制棒中掺杂剂的种类和数量的方法来使之产生一定形状的折射率分布。折射率分布的形状有:阶跃(突变)和渐变(高斯),如图3.1所示。,图3.1 光纤的折射率分布(a)阶跃分布;(b)高斯分布,根据光纤横截面上折射率分布的情况来分类,光纤可分为阶跃折射率型即阶跃光纤和渐变折射率型(也称为梯度折射率型)即渐变光纤。阶跃光纤,在纤芯中折射率分布是均匀的,在纤芯和包层的界面上折射率发生突变;
14、渐变光纤,在纤芯中折射率的分布是变化的,而包层中的折射率通常是常数。在渐变光纤中,包层中的折射率常数用n2表示,纤芯中折射率分布可用方幂律式表示。,渐变光纤的折射率分布可以表示为n1=,(3.1),式中,g是折射率变化的参数,a是纤芯半径,r是光纤中任意一点到中心径向的距离,n1是光纤纤芯中心位置对应的折射率,是渐变折射率光纤的相对折射率差,即,g=2,称为抛物线分布;g=时,即为阶跃光纤。,3)单模光纤和多模光纤光纤中的模式,简单也可理解为光在光纤中传播时特定的路径。如果光纤中只容许一种路径的光束沿光纤传播,则称为单模光纤,如图3.2(a)所示。如果光束的传播路径多于一条,则称为多模光纤,如
15、图3.2(b)所示。单模光纤的纤芯直径较之多模光纤小。,图3.2 三种光纤的纤芯和包层折射率分布,4)常用的三种通信光纤常用的三种光纤为单模阶跃光纤、多模阶跃光纤和多模渐变光纤,下面对它们分别作介绍。(1)单模阶跃光纤如图3.2(a)所示(图中n0、n1、n2分别为空气、纤芯和包层的折射率)。由于只容许光以一条路径沿光纤传播,因而纤芯是极小的,光束实际上是沿光纤轴线方向向前传播,进入光纤的光几乎是以相同的时间通过相同的距离。,(2)多模阶跃型光纤如图3.2(b)所示,除了纤芯比较粗外,其结构与单模光纤相同。这种光纤的数值孔径(光纤接收入射光线能力大小的物理量,具体概念下面介绍)较大,因此允许更
16、多的光线进入光缆。入射角大于临界角的光线沿纤芯呈“之”字型传播,在纤芯与包层的界面上不断地发生全反射;入射角小于临界角的光线(图中未画出)则折射进入包层,即被衰减。可以看出,此时光纤中的光是沿着不同路径进行传播的,因而通过相同长度的光纤就需要不同的传输时间,(3)多模渐变型光纤如图3.2(c)所示,它的特点是纤芯的折射率呈现非均匀分布,中心最大,沿截面半径向外逐渐减小,光在其中通过折射传播。由于光线是以斜交叉穿入纤芯,光线在纤芯中不断地从光密介质到光疏介质或从光疏介质到光密界面中传播,因此总是在不停地发生折射,形成一条连续的曲线。进入光纤的光线有不同的初始入射角,在传输一段的距离后,入射角度变
17、大并且远离中心轴线的光线要比靠近中心轴线的光线所走的路程长。由于折射率随轴向距离的增大而减小,而速度与折射率成反比,故远离轴线处的光传播速度大于靠近轴线处的光传播速度,因此,全部光线会以几乎相同的轴向速度在光纤中传播。,2.光纤的数值孔径和截止波长1)光纤的数值孔径光源发出的光,其辐射角有大(如白织灯光源的辐射角约为360)有小(如日光灯的辐射角小于白织灯光源的辐射角),是不是光源发出的光能全部被光纤捕获即入射进光纤呢?显然是不可能的。那么如何来衡量光纤捕获或聚集光的能力呢?可用数值孔径NA这一性能参数来衡量。NA越大则光纤从光源接收的光能量就越大。从空气中入射到光纤纤芯端面上的光线被光纤捕获
18、成为束缚光线的最大入射角max为临界光锥的半角,如图3.3所示,称其为光纤的数值孔径(Numerical Aperture),记为NA,它与纤芯和包层的折射率分布有关,而与光纤的直径无关。,图3.3 光纤的数值孔径的概念,对于阶跃光纤,NA为,式中,是光纤纤芯和包层的相对折射率差。数值孔径NA是光纤的一个极为重要的参数,它反映光纤捕捉光线能力的大小。NA越大,光纤捕捉光线的能力就越强,光纤与光源之间的耦合效率就越高。公式(3.2)的推导可以根据入射光线在光纤端面上的折射定律和在光纤纤芯和包层界面上的全反射定律很容易求证。,2)光纤的截止波长与矩形波导类似,波导受限于最低频率称为截止频率,低于截
19、止频率的电磁波将不能在波导中传播。相反允许通过波导的最长波长称为截止波长,定义为可在波导内传播的最大波长。换句话说,只有工作频率对应的波长小于截止波长的电磁波才能在波导内传播。截止波长可按下式计算:,(3.3),其中:C为截止波长(m)。,3.光纤的传输特性从通信的角度来看,人们最关心的是一个数字光脉冲信号注入到光纤之后,经过长距离传输后所遭受到的信号损伤,如脉冲的幅度、宽度等的变化。实验表明:一个很好的方波信号,经过传输后其幅度会下降,宽度会展宽变成了一个类似高斯分布的光脉冲信号。分析其原因就是由于光纤中存在损耗,使光信号的能量随着距离的加大而减小,导致了光脉冲的幅度下降;另一方面光脉冲信号
20、中的不同频率成分的电磁信号传播时,之间由于存在时延,因而使得原来能量集中的光脉冲信号,经传输后能量发生了弥散,光脉冲的宽度变宽了。这里对它们的产生原因作一简单的分析。,1)光纤的损耗光纤的损耗限制了光纤最大无中继传输距离。损耗用损耗系数()表示,单位为dB/km,即单位长度km的光功率损耗dB(分贝)值。如果注入光纤的功率为p(z=0),光纤的长度为L,经长度L的光纤传输后光功率为p(z=L),由于光功率随长度是按指数规律衰减的,因此()为,(3.4),光纤的损耗系数与光纤的折射率波动产生的散射如瑞利散射、光缺陷、石英的本征吸收、杂质吸收(如OH根离子)等有关且是波长的函数,即,(3.5),式
21、中,c1为瑞利散射常数,c2为与缺陷有关的常数,A()为杂质引起的波吸收。()与波长的关系如图3.4所示,可见有三个低损耗窗口,其中心波长分别位于0.85 m、1.30 m和1.55 m。,图3.4 光纤损耗与波长的关系,2)光纤的色散模间延迟主要存在于多模光纤中,光能量在光纤中的传输是分配到光纤中存在的模式中去,然后由不同的模携带能量向前传播。由于不同的模速度不一样,因此到达目的地时不同的模之间存在时延差。对于多模光纤,其纤芯为50 m远远大于光的波长1.3 m,因而波动理论与几何光学分析的结论是一致的。可以将一个模式看成是光线在光纤中一种可能的行进路径,由于不同的路径其长度不同,因此对应的
22、不同的模式其速度也不同。,设有一光脉冲注入长为L的光纤中,可以用几何光学求出其最大的时延差,如图3.5所示。设一单色光波注入光纤中,其能量将由不同的模式携带,利用路程最短的模(速度最快)与中心轴线光线相对应,路径最长(速度最慢)的模与沿全反射路径的光线相对应,求出最大的时延差。,图3.5 模间时延差,光纤的色散利用的全反射定理有,(3.6),由于不同的光线在光纤中传输时间不同,因而输入一个光脉冲,其能量在时间上相对集中,经光纤传输后到达输出端;输出一个光脉冲,其能量在时间上相对弥散,这种现象称为模式色散。通过合理设计光纤,模式色散可以减小(如渐变光纤),甚至没有(如单模光纤)。,由于模间色散的
23、存在,展宽的光脉冲会达到某种程度使得前后光脉冲相互重叠,这是不希望的。一个粗略的判据是只要光脉冲在时间上的展宽不超过系统比特周期1/B的1/2即1/2B(B为系统的比特率),就可接受。则模式色散有如下的限制,(3.7),因而光纤通信系统由于受模式色散的影响,其比特速率距离积为,如=0.01,n1=1.5(n1n2),可得BL10(Mb/s)km。,3.1.3 光发送机光发送机原理框图如图3.6所示。在图3.6中,光源驱动电路是光发送机的主干电路,其中整形或码型变换、光源驱动电路和发射光源是光发送机的基本部分,而自动光功率控制(APC)、自动温度控制(ATC)和各种保护电路是光发送机的辅助部分。
24、在以LED为光源的光发送机中,将只有上面三个基本部分。因此,可以说光发送机的本质含义就是根据光源器件的应用特性采取针对性的措施使光源器件能有效和可靠地应用在光纤传输系统中。下文将分析光发送机的基本部分和辅助部分的作用。,图3.6 光发送机原理框图,1.光源光源是光发送电路的核心器件,主要完成电信号到光信号的转换。光纤通信系统的发光器通常有以下两种:发光二极管(LED)和激光二极管(LD)。这两种二极管是由半导体材料制成的,它们各自有不同的特点。光源的选择取决于系统成本及性能要求。激光二极管的价格高、性能好;普通发光二极管价廉、相应的性能也差。,1)发光二极管 发光二极管(LED)实质上就是PN
25、结二极管,一般由半导体材料,如砷镓铝(A1GaAs)或砷镓磷(PGaAs)制造而成。LED发射的光是电子与空穴复合自发产生的。当加在二极管两端的电压正向偏置时,注入的少数载流子通过PN结立即与多数载流子复合,释放的能量就以光的形式发射出来。这个过程原理上同平常使用的二极管是一样的,只是在选择半导体材料及杂质上有所不同。制造的材料要求具有辐射性,能够产生光子,光子以光速传播,但没有质量。而普通的二极管(如锗和硅)在工作过程中没有辐射性也不会产生光子。LED材料的禁带宽度(Energy Gap)决定所要发出的光是不是可见光以及可见光的颜色(波长)。,半导体发光二极管(LED)是由适当的P型材料或N
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