第五章光纤通信系统课件

单击此处编辑母版标题样式,*,书目录,章目录,信息,书目录,章目录,信息,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,书目录,章目录,信息,书目录,章目录,信息,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,书目录,章目录,信息,书目录,章目录,信息,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,书目录,章目录,信息,书目录,章目录,信息,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,书目录,章目录,信息,书目录,章目录,信息,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,书目录,章目录,信息,书目录,章目录,信息,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,书目录,章目录,信息,书目录,章目录,信息,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,书目录,章目录,信息,书目录,章目录,信息,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,书目录,章目录,信息,书目录,章目录,信息,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,书目录,章目录,信息,书目录,章目录,信息,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,书目录,章目录,信息,书目录,章目录,信息,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,书目录,章目录,信息,书目录,章目录,信息,单击此处编辑母版标题样式,第五章 光纤通信系统,5.1,系统结构,5.1.1,点对点的光纤传输结构,5.1.2,光纤局域网结构,5.2,光纤数字通信系统的性能指标,误码率和抖动,5.2.1,误码性能,5.2.2,抖动性能,5.3,光纤通信系统的设计指标,5.3.1,衰减对中继距离影响的分析,5.3.2,色散对中继距离的影响的分析,5.3.3,最大中继距离的计算,5.4,传输系统的可靠性,5.4.1,可靠性的概念,5.4.2,可靠性的表示方法和指标,5.4.3,不同系统的可靠性分析,5.4.4,可靠性估算,返回,2,5.1,系统结构,5.1.1,点对点的光纤传输结构,所谓传输是指任何地方的两个用户以一定的终端设备连接方式进行信息交流的过程。实际上这种端与端的连接情况是相当复杂的，其中，点对点的信息传输方式是一种最简单的结构形式。,图,5-1,给出了以光电再生的方法作为光信号中继的点对点光传输示意图，从图中可以看出，该系统是由发射端机（电，光）、接收端机（光，电）、光中继器、监控系统、备用系统等组成。,3,图,5-1,强度调制,-,直接检波光纤通信系统原理方框图,5.1.1,点对点的光纤传输结构,4,光中继器,5.1.1,点对点的光纤传输结构,光脉冲信号从光发射机输出经光纤传输若干距离以后，由于光纤损耗和色散的影响，将使光脉冲信号的幅度受到衰减，波形出现失真，这样，就限制了光脉冲信号在光纤中作长距离的传输。为此就需在光波信号经过一定距离传输之后，要加一个光中继器，以放大衰减的信号，恢复失真的波形，是光脉冲得到再生。,根据光中继器的上述作用，一个功能最简单的中继器，硬是有一个设有码型变换的光接收机和设有均放和码型变换的光发射机相接而成，如,图,5-2,所示。,(1),中继器的构成方框图,5,根据光中继器的上述作用，一个功能最简单的中继器，硬是有一个设有码型变换的光接收机和设有均放和码型变换的光发射机相接而成，如,图,5-2,所示。,5.1.1,点对点的光纤传输结构,(1),中继器的构成方框图,图,5-2,最简单的光中继器原理方框图,前置放大器,主放大,均衡,判决,调制电路,光源,光电检测器,自动增益控制,时钟提取,自动功率控制,（,APC,）,光,电信号,光,（,AGC,）,6,显然，一个幅度受到衰减、波形发生畸变的信号，经过中继器的放大、再生之后就可挥发为原来的情况。,但是作为一个实用的光中继器，为了维护的需要，还应具有公务通信、监控、告警的功能，有的中继器还有区间通信的功能。另外，实际使用的中继器应由两套收发设备，一套是输出，一套是输入，故实际中的中继器方框图应如图,5-3,所示。,图,5-3,实用的中继器方框图,5.1.1,点对点的光纤传输结构,中继器的结构有的是机架式的，设在机房中，有的是箱式或罐式的，直埋在地下或在架空光缆中架在杆上，对于直埋或架空的中继器需要有良好的密封性能。,(2),中继器的结构形式,光接收部分,光接收部分,光发射部分,光发射部分,通信区间,告 警,通信公务,监 控,点 源,7,2.,监控系统,监控系统为监视、监测和控制系统的简称。它与其他的通信系统一样，在一个实用的光纤通信系统中，为保证通信的可靠，监控系统是必不可少的。,由于光纤通信是在近,20,年来发展起来的新的通信手段，故能在光纤通信的监控系统中，应用了许多先进的监控手段。如用计算机进行集中监控等方式。,5.1.1,点对点的光纤传输结构,8,监控的内容,监视的内容,当光纤通信系统中主用系统出现故障时，监控系统即由主控站发出倒换指令，遥控装置将被用系统接入，将主用系统退出工作。当主用系统恢复正常后，监控系统应在发出指令，将系统由备用切换到主用中。,另外，当市电中断后，将控系统还要发出启动电机的指令。又如中继站温度过高，则应发出启动风扇或者空调的指令。同样，还可根据需要设置其他控制内容。,5.1.1,点对点的光纤传输结构,a.,在数字光纤通信系统中误码率是否满足指标要求,b.,各个光中继器是否工作正常,c.,接受光功率是否满足指标要求,d.,光源的寿命,e.,电源是否有故障,f.,环境的温度、湿度是否在要求的范围内,除上述内容外，还可根据需要设置其他监测内容,控制内容,9,监控系统根据功能不同大致有三种构成方式：在一个数字段内对光传输设备和,PCM,服用设备进行监控，这是一种基本的监控方式；在具有多个方向传输的终端站内，对多个方向进行监控，这是第二种方式；第三重视对跨越数字段的设备进行集中监控。上述钟后两种监控方式是建立在第一种方式之上的监控方式。,5.1.1,点对点的光纤传输结构,这种监控方式的组成方框图如图,5.4,所示。图中，主控站、副控站、被控站都装有微机，能迅速处理监控信息。主控站的功能为收集本站和被控站、副控站发来的监测信息，同时还可以向这些站发出指令，对这些站实行控制。,对一个数字段的控制,(2),监控系统的基本构成,10,副控站是辅助主控站工作的。他亦可收集本站和其他被控站的信息并转发给主控站。但副控站不能发控制指令。,这种监控系统的工作过程大致如下：,首先是由主控站的监控微机不断地向各被控站发出各种询问指令，被控站监控微机受到询问指令后就将本站设备运行的情况编成的数字信号不断地传向主控站。主控站微机受到各被控站发来的信息后，进行判别处理，然后显示在监视器屏幕上，并同时由打印机将信息打印出来，以上是监测过程。,主控站的监控设备可根据上述处理的信息，人工或自动发出控制指令。被控站受到指令后，有监控设备完成所需的控制动作。以上是控制过程。,如图,5.4,对一个数字段监控的组成方框图,5.1.1,点对点的光纤传输结构,端站设备,中继器,中继器,中继器,端站设备,端站监控微机,被控站微机,被控站微机,被控站微机,端站监控微机,主控站,被控站,被控站,被控站,副控站,光缆,光缆,光缆,11,对多方向进行监控系统组成的方框图如图,5-5,所示。途中之花除了监控设备，端站设备和中继器未画出来。其中，,T-SV(Terminal - Supervisory),为端站监控设备；,R-SV(Repeator - Supervisory),为中继器监控设备。,这众多方向监控系统的工作过程大体可以参照上述一个数字端监控系统来理解。,图,5-5,多方向进行监控的系统组成方框图,5.1.1,点对点的光纤传输结构,对多方向的控制,T-SV,T-SV,R-SV,R-SV,T-SV,T-SV,R-SV,R-SV,T-SV,T-SV,R-SV,R-SV,T-SV,T-SV,R-SV,R-SV,12,对跨越数字端的监控,这种监控系统的组成方框图如图,5-6,所示。,图,5-6,跨越数字段监控系统的组成方框图,5.1.1,点对点的光纤传输结构,T-SV,R-SV,R-SV,T-SV,T-SV,R-SV,R-SV,T-SV,T-SV,T-SV,R-SV,R-SV,R-SV,T-SV,数字段,数字段,13,5.1.1,点对点的光纤传输结构,(3),监控信号的传输,在上面讨论的光通信监控系统中，监控信号是怎样在主控站和被控站之间传输呢？从目前情况来看，有两类方式。一类是在光缆中加金属导线对来传输监控信号；另一类是由光缆来传输控制信号,在光缆中设专用金属线来传递监控信号。用这种方式传输监控信号的优点是：让主信号（光信号）“走”光纤；让监控信号“走”金属线。这样主信号和监控信号完全分开，互不影响，光系统的设备相对简单。这种方式类似于在同轴电缆中采用的方式,然而，在观览中假设金属导线对，将带来较多的缺点。由于金属线要受雷电和其他强电、磁场的干扰，从而影响传输的监控信号，是监控的可靠性要求难以满足。而且，一般来说，距离越长干扰越严重，因而是监控距离受到限制。鉴于以上原因，在观览中加金属线对传输监控信号不是发展方向，逐渐被淘汰,14,a.,频分复用传输方式。从对数字信号的频域分析来看，光前通信中的主信号（高速数字信号）的功率谱密度是处在高频端位置上，其低频分量很小，几乎为零，而监控信号（低速数字信号）的功率谱密度，则处在低频端位置，如图,5-7,所示。,这就为采用频分复用方式传输监控信号创造了一个可行的条件。采用频分方式可有不同的方法，下面介绍其中的一种信号,脉冲调顶方法。,脉冲调顶法的实施方案是：将主信号（即数字信号电脉冲）做“载波”，用监控电数字信号对这个主信号进行脉冲浅调幅，即使监控信号“载”在主信号脉冲的顶部，或者说对主信号脉冲“调顶”。最后，在讲这个被“调顶”的主信号对光源进行强度调制，变为光信号耦合进光纤。,5.1.1,点对点的光纤传输结构,图,5-7,频分复用方式传输监控信号的频谱示意图,用光纤传输监控信号。这种方式又可以分为如下两种方式,功率谱,主信号,监控信号,15,主信号被监控信号调顶后的波形示意图如图,5-8,所示,5.1.1,点对点的光纤传输结构,图,5-8,主信号被调顶后的波形示意图,0 0,辅助信号,1 1,1 1,主信号,16,在中继站的接收端，又光纤来的光信号经光电检测变为电信号后，在经前放、主放和均衡。由于主信号和监控信号的频率相差很大，因而，可以用高通滤波器将主信号滤出，经调制送入光纤继续向前传输。而监控信号由低通滤波器滤出，经判决再生电路恢复出形状规则的波形后送到微型计算机进行处理。具有调顶功能的中继毡房框图如图,5-9,所示。,目前这种方法在使用,5B6B,码型的机器上，用来传输监控信号，此外还可传输公务区间通信等信号。但是这种方法也有一些缺点，如这种调制方式将造成主信号和监控信号之间有微弱的串扰,5.1.1,点对点的光纤传输结构,如图,5-9,具有调顶功能的中继站方框图,高通滤波器,主信号再生,高通滤波器,主信号再生,光电检测,前放,主放,均衡,调制,光源,微机,17,b.,时分复用方式,时分复用方式。这种方式就是在电的主信号码流中插入冗余（多余）的比特，用这个冗余的比特来传输监控等信号。这就是说，将主信号和监控信号等信号的码元在时间上分开传输，达到复用的目的。具体实施方法有：如将主信号码流中每,m,个码元之后插入一个码元，一般称为,H,码（意思是混合码），这种不断插入的,H,码就可以传输监控、区间通信、公务联络、数据等信号。这种插入的方式就是将要在后面要讨论的,mB1H,编码方式，这里不再仔细讨论了,5.1.1,点对点的光纤传输结构,18,3.,脉冲插入与脉冲分离,在一个使用的光纤通信系统中，除了要传输从电端机送来的多路信号之外，为了使整个系统完善的工作，还需传送监控信号、公务联络信号、区间通信信号以及其他信号。,脉冲复届时将监控信号、公务联络信号、区间通信信号等汇接后在读脉冲的作用下，将上述信号插入信码流经编码后多余的时隙下，然后再光纤中传输。,在光纤通信系统的接收端设有脉冲分离电路。它的作用于脉冲插入电路相反，将插入的监控信号、公务联络信号、区间通信信号分离出来，送之相应的单元中,5.1.1,点对点的光纤传输结构,19,4.,保护倒换系统,5.1.1,点对点的光纤传输结构,对于通信系统要求其具有高可靠性。光纤数字通信系统的各个组成部分的可靠性是技术、材料、元器件、工艺和使用维护等诸多因素的总和，根据统计资料分析，传输故障主要来自于光缆线路，且多位人为故障，因而需要设置另外一套光端机、光中继器以及光缆线路，工艺各国多个主用系统共同备用。当某一个主用系统出现故障，则可以通过倒换装置，启用该备用系统，以保证信息的正常传输,20,(1),保护方式,实际系统中，主要采用,m,：,n,的主备比方式，胳臂产和也有采用,1 + 1,的保护方式。,m,：,n,主备用方式中，以,1,：,1,位最大备用方式，是采用的设备利用率低，投资过大，但从可靠性的角度来观察，该方式可靠程度相当高。为了进一步提高设备利用率，往往采用多主一备，即,N,：,1,的保护方式。在正常工作状态下，一些公务信息以及不被保护的数据信息均可以利用备用信道进行传输，一旦主用信道出现告警故障，则启动倒换设备，奖杯用信道中传送的信号切断，同时将主用信道中所传送的信息改由备用系统传送。这样，一方面提高了设备的利用率，同时又降低了投资成本；但若主备比过大，则会造成倒换设备的复杂程度增机，投资成本加大，因而主备比不宜过大。,1 + 1,保护方式是指系统中同时存在一个主用信道和一个备用信道，而且信息是同时在主用河北用信道中传输。正常情况下，接受端是提取主用信道信号作为接受信号，只有主用信道出现故障时才启用倒换设备，这样接受端便从备用信道中提取接受信号。从上述分析可以看出，由于是采用了主备信道同时传输有效信息的双重保险方式，因而其可靠程度要高于,1 + 1,保护方式，但其使用效率却略低一些。,无论是,1,：,1,还是,1 + 1,的保护方式，其中最重要的是他们的倒换系统，当然不同的保护方式，其使用的倒换系统的具体操作也会有所区别，在此分别进行说明,5.1.1,点对点的光纤传输结构,21,(2)1:1,保护系统,1,：,1,保护系统结构如图,5-10,所示。当主用通道出现故障时，则启用备用通道将其自动取代，以保证通信的畅通，这中间的倒换功能是自动完成的，那么在什么情况下才能启动倒换程序呢？,图,5-10 1:1,自动倒换系统示意图,5.1.1,点对点的光纤传输结构,电发射机,PCM,输入分配单元,输入接口,输入接口,主用发射,备用发射,主用接受,备用接受,输出接口,输出接口,PCM,输出倒换单元,电接受机,光纤,光纤,22,倒换命令发出的条件,当主用信道出现无光、收失步或较大误码，而被用系统正常时；或者当主用信道出现收告警显示信号（,AIS,）情况下，光纤通信系统的保护装置将自动发出倒换控制命令，然后启动自动倒换装置，进行主备系统的倒换，以保证系统的正常工作,倒换操作,当下游方向主收端或主发端存在故障时，引起主手段的接收盘产生即时告警，该告警信号向本端的倒换控制盘送倒换请求信号。当倒换控制盘收到倒换请求后，现检查本端备用系统工作是否正常，同时通过上游方向的通道，将联络信号发往上游站点，当上有站点收到该信号后，一方向产生一个应答信号，法网下游站点；另一方向，经过若干的延迟后，在向下游站点发送“倒发控制信号”，同时实现上游站点处得主用系统和备用系统的倒换。下游站电在接受到应答信号后，向接受倒换盘发送“倒收控制信号”，使接受盘完成换盘工作，完成主备系统的倒换。由于要求手法两端尽量同时进行倒换，一面码流的丢失，因此上游站点延迟发送“倒发控制信号”的时间应该等于“应答”信号的传输和处理的时间,5.1.1,点对点的光纤传输结构,23,(3) 1 + 1,保护系统,5.1.1,点对点的光纤传输结构,1 + 1,保护系统是指在发射端主备系统同时发送信息，只是在接受端选择其中的一路信号送到复用设备，故倒换设备是在接受端进行的,24,5.,光路中的无源器件,(1),光纤连接器,5.1.1,点对点的光纤传输结构,光纤连接器又称光纤活动连接器，俗称活动接头。它用于设备（如光端机、光测试仪表等）与光纤之间的连接、光纤与光纤之间的连接火光纤与其它无元器件的连接。他是组成光纤通信和测量系统不可缺少的一种无源器件。,光纤连接器的作用是将需要连接起来的单根或多根光纤芯线的端面对准、贴近并能多次使用。,25,由于光纤的芯径很细（微米级），因此，对其加工工艺和精度都有比较高的要求。为此，光纤连接器必须满足如下的条件：,5.1.1,点对点的光纤传输结构,连接损耗小 连接损耗时评价光纤连接器的主要指标。目前各种不同结构的单模光纤连接器的插入损耗为,0.5dB,左右,装、拆方便,.,体积小，成本低,稳定性好 连接后，插入损耗随时间、环境的改变应变化不大,重复性好 一般要求重复使用次数大于,1000,次,互换性好 要求同一种型号的活动连接器可以互换,26,对于光纤连接器，最重要的是如何使需要连接的两根光纤的轴心对准，因为两根光纤轴心的偏离或两根光纤的断面之间有家教等等都会引起连接损耗。,简单地说，光纤连接器是由两个插头、一个插座三部分组成。如图,5-11,所示。其关键是：光纤的纤芯中心要与插头、插座的中心完全一致,图,5-11,光纤活动连接器结构示意图,5.1.1,点对点的光纤传输结构,27,目前常用的光纤连接器是以端面直接耦合为基础的端面对接连接器。如：单模光纤连接器即属于这一种。,单模光纤连接器的结构如图,5-12,所示。在套管和插头之间有小球轴承，能够比较精确的校准两插头成一直线。这种连接器的连接损耗时,0.46dB.,5.1.1,点对点的光纤传输结构,图,5-12,单模光纤连接器,28,(2),光定向耦合器,光定向耦合器的结构和工作原理,在光纤通信系统或光纤测试中，经常要遇到需要从光纤的主传输通道中取出一部分光，作为检测、控制用，也有时需要把两个不同方向的光信号和起来送入一根光纤中传输，在上述情况下，都需要光定向耦合器来完成。,光定向耦合器按期结构不同可分为棱镜式和光纤式两类，如图,5-13,所示。,其中，光纤使定向耦合器体积小，工作稳定可靠，光纤连接比较的方便，是目前较长使用的一种。下面简单介绍其工作原理,图,5-13,棱镜式和光纤式定向耦合器,5.1.1,点对点的光纤传输结构,棱镜,分光膜,1,2,4,3,29,光纤定向耦合器，是有两根紧密耦合的光纤，通过光纤界面的晒前场互相重叠而是像光的耦合的一种器件。一般有四个端口，从端口,1,输入的光信号（图中实线所示）向端口,2,方向传输，可有端口,3,耦合出一部分光信号，端口,4,无光信号输出。从端口,3,输入的光信号（图中虚线所示）向端口,4,方向传输，可有端口,1,耦合出一部分光信号，而端口,2,无光信号输出。另外，有端口,1,和端口,4,输入的光信号，可合并为一种光信号，有端口,2,和,3,输出，或反之。,工作原理,5.1.1,点对点的光纤传输结构,30,光纤使定向耦合器的主要参数,a.,隔离度,A,有端口,1,输入的光功率,P1,应从端口,2,和端口,3,输出，端口,4,理论上应无输出。但是实际上端口,4,还是有少量功率光功率的输出（,P4,）,其打下就表示了,1 4,两个端口的隔离程度。各力度用英文字母,A,表示，则,1 4,端口间的隔离度为,dB,(5-1),一般情况下，要求,A 20dB,b.,出入损耗,L,它表示了定向耦合器损耗的大小。如由端口,1,输入光功率,P1,，应有端口,2,和端口,3,输出光功率,P2,和,P3,，则插入损耗等于光功率之和与输入功率之比的分贝值，用字母,L,表示，则为,dB,(5-2),5.1.1,点对点的光纤传输结构,c.,分光比,T,它等于两个输出端口的光功率之比，如从端口,1,输入光功率，则分光比为,一般情况下，定向耦合器的分光比为,1:11:10,，由需要决定,31,（,3,）光衰减器,光衰减器的作用和原理,当输入光功率超过一定范围时，为了使光接受机不产生失真，或为了满足光线路中某种测试的需要，就必须对输入光信号进行一定程度的衰减。因此，光衰减器时光纤通信线路或测试技术中不可缺少的无源光器件。,目前常用的光衰减器主要采用金属蒸发膜来吸收光能，实现光的衰减，故衰减量的大小与膜的厚度成正比,5.1.1,点对点的光纤传输结构,32,光衰减器的分离和基本结构,光衰减器可分为固定衰减器和可变衰减器两种，结构如图,5-14,所示,a.,固定衰减器 它的衰减量是一定的，用于调节传输线路中某一区间的损耗。要求体积小、重量轻。具体规格有,3dB,，,6dB,，,10dB,，,20dB,，,30dB,，,40dB,的标准衰减量。要求衰减量误差, 10%,5.1.1,点对点的光纤传输结构,图,5-14,光衰减器的基本结构,(a),光固定衰减器,33,这种衰减器可分为连续可变和分档可变两种。前者的衰减范围可达,60dB,以上，商检量误差小于,10%,。通常将这两种可变衰减器组合起来作用,b.,可变衰减器,图,5-14,光衰减器的基本结构,(b),光可变衰减器,5.1.1,点对点的光纤传输结构,34,(4),光隔离器,它是保证光信号只能正向传输的器件，避免线路中由于各种因素而产生的反射光再次进入激光器，而影响激光器的工作稳定性,光隔离器的基本原理和结构,光隔离器的基本原理是法拉第旋转效应，如图,5-15,所时，其主要有两个偏振器和一个法拉第旋转器组成如图,5-15,（,a,）所示,当光入射到某一光学器件时，其输出光为某一种形式的偏振光（如线偏振光），则这种光学器件就成为偏振器（如线偏振器）。在光隔离器中使用的是线偏振器。线偏振其中有一头光轴，当光的偏振方向与透光轴完全一致时，则光全部通过。如图,5-15,（,a,）中入射光经过偏振器,1,后，为虚线所示的光,图,5-15,（,a,）光隔离器的工作原理图,5.1.1,点对点的光纤传输结构,(a),偏振器,1,偏振器,2,法拉第旋转器,B,11,隔离器,1,=0,o,1,=45,o,(,法拉第角,),2,=45,o,0,o,45,o,35,法拉第旋转器由某种旋光材料制成。按照法拉第效应理论，当线偏振光经过它以后，光的偏振面按顺时针方向旋转一定角度（如,45,），如果正好与偏振器,2,中的透光轴方向一致，则正向光入射后，经过偏振器,1,、玄光器和偏振器,2,，正向光功率全部射出，如图,5-15,（,b,）所示；当反向光射入后，有一部分光经过偏振器,2,到达旋光器，被顺时针旋转,45,，正好和偏振器,1,种透光轴方向垂直，因此被全部隔离，如图,5-15,（,c,）所示。,5.1.1,点对点的光纤传输结构,如图,5-15 (b).(c),光隔离器的工作原理图,(b),(c),P,f,P,f,0,o,45,o,90,o,45,o,P,f,正向,反向（隔离）,36,光隔离器的主要参数和指标,由于光隔离器的主要作用是只允许正向光信号通过，阻止反向光返回。因此，对光隔离器的主要要求是：插入损耗低、隔离性能好,隔离衰减的大小用,i,表示，为,(5-4),式中，,P,r,-,隔离方向（即与传输方向相反的方向）上的入射光功率。,P,out,-,隔离方向上的输出光功率。,制作法拉第旋转器的旋光材料，在,0.85m,短波长波段，一般采用含稀土族离子的顺磁玻璃；在,1.3m,或,1.55m,的长波长波段，可采用钇铁石榴石（,YIG,）单晶。目前，用,YIG,单晶制作的晶体法拉第旋转器光隔离器，在,1.55m,波段隔离衰减可做到,40dB,5.1.1,点对点的光纤传输结构,37,5.1.2,光纤局域网结构,所谓光纤局域网是治理用光纤将较为靠近的许多用户连接起来的网络，这样网上的所有用户都可以通过该网络进行相互数据交流，因此在光纤局域网中要求用户都具有发送,/,接收数据的功能。并且在一个网络协议的规定下操作，不同的网络协议适合于不同的网络拓扑结构，不同的拓扑结构，适应于不同的场合,1.,光纤局部区域网的用途,光纤局域网可以用在大型工矿企业的公务电话、电视电话会议系统以及用于生产过程的闭路电视监控等，也可以用于城市管理系统（如道路交通管理），或用于计算机网的数据传输以及多个计算机终端公用一个高性能的专用处理器中，也可用在电力系统的电力调度网络上等等,38,2.,光纤局域网的类型,5.1.2,光纤局域网结构,总线型结构,总线型结构网络是一种非常典型的网络结构，它可以将多台计算机和终端设备进行连接,拓扑结构,在图,5-16,种给出了总线型结构的示意图，从中可以看出，每个分站都有光发射和光接受部分，每个终端站与光纤之间都由光分支耦合器相连，这样用户可以通过光分支耦合器将各终端所要传输的光信号耦合进入传输光纤，或实现由传输光纤中分取少量光信号的操作，从而在一个服务区域内通过一条光纤传输多路信号，完成各终端间的数据互通,图,5-16,总线形连接局域网构成示意图,光发射,光接收,光发射,u,光接收,u,光发射,u,光接收,u,光发射,u,光接收,u,光发射,u,光接收,u,光发射,光接收,光纤,T,型耦合器,39,光分支耦合器,光分支耦合器是将光信号进行分路或和路、插入、分配的一种器件。根据器件是否存在光放大作用，光分支耦合器又分为无源和有源两种形式,a.,无源光分支耦合器,无论是由源还是无源的光分支耦合器，实际上在分路和合路的功能上并无本质区别，两者只是光信号传输的方向不同，如图,5-17,所示。从图中,可以看出，由光纤,1,输入的光信号，就会再光纤,2,，,3,支路里有光信号输出，而且也可以做到等光功率分配，反之也是如此,b.,有源光分支耦合器,在有源光分支耦合器内部有光发射机和光接受机。当节点处接受到来自光纤,1,的光信号时，首先由光接受机将光信号转换成电信号，在经过均衡、放大、整形处理，恢复成标准的脉冲信号，然后启动相应支路的光发射机，完成电,/,光转换，实现各节点之间的光传输,图,5-17,无源光分支耦合器,5.1.2,光纤局域网结构,1,2,3,40,(2),星型结构,星型网络拓扑结构具有交换的功能，使只有别于总线型网络结构,拓扑结构,星型网络结构如图,5-18,所示，从图中可以看出，它是利用点对点的光纤传输，将所有节点与一个中心节点实现互连，这个节点通常是采用星型耦合器,图,5-18,星型网络结构示意图,5.1.2,光纤局域网结构,发,收,发,收,发,收,发,收,发,收,发,收,星型指令器,41,星型耦合器,根据中心节点处是否具有有源器件，网络又有有源星型网络和无源星型网络之分。通常在无源星型网络中心节点处，使用无源光星型耦合器，其结构如图,5-19,所示。这样来自光纤,1,的光信号在此中心节点处，利用该耦合器实现光信号分配，即光纤,2,、光纤,3,、光纤,4,传输该光信号，因为在无源光星型耦合器处进行的是无源光分配，既可以做到等光功率分配，那么分路数越多，则每支路分得的光功率越弱，因而为保证网络正常工作，对无源星型网络中的节点数目必须有所限制,图,5-19,星型耦合器,5.1.2,光纤局域网结构,1,2,3,4,星型耦合器,42,(3),环形结构,环形结构是一种附着于网络上的端系统或站点之间互联的方式。目前随着技术的不断进步，采用,1.31m,的多模光纤和标准的光纤分布数据接口（,FDDI,），工作于,100Mbit/s,速率的环形拓扑结构的光纤局域网得到了很大发展,拓扑结构,在环形结构中，是通过光纤将多个节点一次进行连接，从而构成单个封闭的环路，如图,5-20,所示。每个节点都是由转发器组成，其具有发送和接收数据的功能，这样数据可以沿着各转发器在环上一位位的串行传输,图,5-20,环形网络结构,5.1.2,光纤局域网结构,节点,4,3,2,1,N,N-1,43,转发器,a.,转发器的功能,要是一个封闭环路成为一个通信网络，则需要具有三个功能，即数据插入、数据接受和数据清除。显然这些功能均由转发器完成。这样环形网络上的各转发器，除了作为有源元素之外，还起到数据接受、数据插入设备的连接点作用。,在此完成数据插入和数据接受的转发器的功能与有源星型网络中的星型耦合器功能基本相似，但就有源星型网络而言，由星型耦合器插入线路的信号传播到末端，是由末端接收器所吸收，从而实现数据清除功能。然而环形网络的路由是闭合路径，如不进行数据清除，则数据将永远在环路上流通，因而一般是由信源转发器在该分组数据环路上流动一周后进行清除工作。,5.1.2,光纤局域网结构,由此可见，转发器主要具有如下功能,1.,将所接受的所有数据向下传输,2.,提供接受和发送数据的能力,44,b.,转发器的工作状态,综合以上转发器的功能，可以归纳出来，转发器基本处于监听状态、发送状态和接受状态,1.,监听状态,在监听状态下，要求转发器在一个很短的延时之后，将每收到的位重新发送出去，一般这个掩饰的理想时间是一位的时间（即转发器发送一个完整的位到线上的时间），在此时间中，转发器要对比特流进行扫描，看是否存在与所连设备的地址或地址族一致的地址，由则进行数据接受，否则仍处于监听状态,2.,接受状态,如果转发器识别了此地址，就将这个分组的余下的内容拷贝下来，并将器发送给相应的站点，与此同时仍由转发器将收到的每一位重新发送到通路上，保证数据流在环上的传输,3.,发送状态,当与转发器相连的站点需要进行数据发送时，转发器则要在某种控制模式下，具有发送权时，才能启动光发射机，将从相连的站点接受的数据发送到环路上,5.1.2,光纤局域网结构,45,4.,网络协议,不同的网络结构，用于数据传输的控制协议有所不同，通常按照媒体访问控制技术定义为：载波监听多路访问,/,冲突检测（,CSMA/CD,）、令牌总线和令牌环网,(1),载波监听多路访问,/,冲突检测,载波监听多路访问,/,冲突检测方式，多数应用于总线型和星型拓朴网络中，称为,IEEE802.3,标准。在,CSMA/CD,机制下，通常各站点均处于监听状态之下，随时对传输媒体进行扫描，观察是否有与本站点地址相同的,.,需要接受的数据信号，如果有则进入接受状态，同时向传输站点发送确认信号，否则仍处于监听状态。若本站点需要进行数据传送，那么通过对传输媒体的监视，寻找媒体空闲时刻，将所传送的数据送入传输媒体，但经常会遇到有两个站点或多个站点同时发送数据到传输媒体上，这样转传输媒体上会发生数据冲突，造成双方数据发生相互干扰，使得目的站点无法进行地址识别与数据接收。当然在一定等待时间之内传输站点也无法接受到确认信号，因此传输站点认为在传输站点上发生冲突，数据需重发,5.1.2,光纤局域网结构,46,(2),令牌总线,令牌总线方式又称为,IEEE802.4,标准，它不仅是为办公环境而设计的。而且还适用于工厂和其他军事环境之中，该标准通常运用于总线和星型的拓扑结构中间,令牌逻辑环总线中的逻辑位置,在令牌总线中，网络中所有的站点都依次分配一个固定的逻辑地址，而且每个站点都具有识别其前和其后站点地址的能力，那么其中第一个站点和最后一个站点最为特殊，如果排列是按降序排列，则如图,5,21,所示。,图,5,21,令牌总线配置,5.1.2,光纤局域网结构,10,10,10,20,10,30,10,40,10,50,10,60,总线,数据流,逻辑排序,47,为了表示清楚，图中按物理地址排列画出，但在实际标准中并没有如此规定，从中可以观察到，第一个战点,【10】,的后一个站点为最后一个站点,【60】,，最后一个站点,【60】,的前一个站点是第一个站点,【10】,，这样网络上的所有站点构成了一个逻辑环，使其物理上的位置与其逻辑地址无关。为了提高其传输效率，通常逻辑环上接入的站点数是动态决定的，如图,5,21,所示，即在一给定时刻，逻辑环是按降序的站,60,。站,50.,。站,10,的次序排列，最后又由站,10,回到站,60,，以此实现逻辑环访问,5.1.2,光纤局域网结构,图,5,21,令牌总线配置,10,10,10,20,10,30,10,40,10,50,10,60,总线,数据流,逻辑排序,48,令牌传输及数据传送,各站点的访问权是由一个称之为令牌的控制帧来规定，在令牌中包含了一个目的地址，只有拥有该令牌的站点才有权在一定时间内发送数据帧,.,探询其它站和相应等项工作。当该站点完成自己的工作，或是时间用完，它便将令牌交给其逻辑位置上紧接其后的那个站点，使之有权访问媒体，其转输过程如图,5,22,所示,图,5,22,令牌传输过程,5.1.2,光纤局域网结构,10,10,10,20,10,30,10,40,10,50,10,60,令牌,60,10,10,10,20,10,30,10,40,10,50,10,60,令牌,60,t,0,t,1,49,图,5,23,数据传送过程,5.1.2,光纤局域网结构,例如，在,t0,时刻，站,10,产生令牌，根据图中的显示，该令牌传输的目的地址是,60,，这样按图,5,21,所示的数据流流动的次序，站点,10,的后续站点为,60,，虽然网络上所有站点都能检测此令牌，但只有站,60,的地址与之相符，一旦站,60,获得令牌，便可以自由地发送数据帧，所传输的数据可以仅一个帧，也可以包含多个帧，若站,60,向战,20,发出一个数据帧，如图,5,23,所示。虽然站,20,并不是逻辑环上的成员，但作为逻辑环以外的成员，尽管它无法传送数据，却可以接受数据帧，而战,60,在完成数据传送之后，便将令牌传递给后续站,50,10,10,10,20,10,30,10,40,10,50,10,60,数据,20,t,2,50,令牌总线的维护功能,由于逻辑环中的站点的次序是动态决定的。因而逻辑环必须周期地给予没有加入环的站点以机会，可以将它们加入环中的适当位置；同时某些逻辑环上的。已经完成其传送任务的站点又能从环中删除；另外对于由于传输错误或站点故障而将令牌丢失时，要求系统具有自动恢复功能,5.1.2,光纤局域网结构,51,(3),令牌环网,令牌环网的媒体控制方式又称为,IEEE802.5,标准，它同样可以应用于办公楼,.,工厂,.,军事环境，但它主要采用环形拓扑结构,媒体访问控制协议,在令牌环网控制技术中，使用了称为令牌的帧结构，当环形网上所有站点均无数据需要发送和接收时，各站点均处于空闲状态之下，则令牌就不停地在环形网上各站点之间循环。,当某站点有数据需要传输时，首先必须等待，直至令牌经过本站点，则令令牌中的一位进行改动，使之成为一个数据帧的开始符，然后进行站点填写（包括源地址和目的地址），最后将数据装入数据帧相应位置，从而构成一个完整的数据帧，启动发射机，使之在环网中传输,5.1.2,光纤局域网结构,52,图,5,24,是令牌环网的数据传输操作示意图，从图中可以看出数据帧由,A,站点发送经,D,站到达,C,站点，由于该数据帧的目的地址与,C,站点的地址相同，故,C,站点对该数据帧进行拷贝，同时数据帧继续前行经过,B,站点回到,A,站点，由于,A,站点为该数据帧的源地址，故在此将数据帧清除，然后向环上插入一新的令牌,当一个站点在得到令牌并开始发送数据帧时，环上便不存在令牌，这样环网上所有想传输数据的站点都必须等待，直到该数据帧在环上转一周又被发送站点吸收，同时产生一个新令牌插入环中，此时下游有数据需要传送的站点，才可以获得令牌，即传输数据的权利,图,5,24,令牌环网操作示意图,5.1.2,光纤局域网结构,53,(4)CSMA/CD,令牌总线和令牌环网的比较,5.1.2,光纤局域网结构,在总线,.,星型网络中,媒体访问技术可以采用,CSMA/CD,方式,也可以采用令牌总线方式,而在环形网中主要采用令牌环网的媒体访问技术方式,当然不同的访问方式,各有优缺点,下面就其作一简短的讨论,CSMA/CD,载波监听多路访问,/,冲突检测方式,具有算法简单,.,应用范围广,.,可靠性较好的特点,同时协议给每个站点提供了公平的访问机会,但,CSMA/CD,最大的问题还是冲突的问题,.,当两个站点同时传送数据时,则在传送媒体上会发生数据碰撞,造成相互干扰,为了检测冲突,则要求各站点发出的信号强度相同,然而对一个实际系统来说,是很难做到的,因而检测设备很难区分是由冲突还是由噪声和失误所造成的错误,.,另外,CSMA/CD,还要求最小的帧长度,因而当传送许多短消息时,便造成了带宽的浪费,特别是一定的传输速率和帧长度下,当负载较重时,会出现性能下降的问题,.,54,令牌总线,因为每个逻辑环中的站点,在一定的时间之内都会拥有令牌,所以等待的时间是有限的,故令牌总线的最大优点就在与其确定性,而,CSMA/,藏的重的时延只能统计规律来描述,即有可能导致某一站点很长时间被排斥在外,.,而在令牌总线方式中,是不可能出现的,它为所有站点提供更为公平的访问,短不能否认,其复杂程度相对,CAMA/CD,来讲要高,.,由于传输过程总会存在令牌丢失的可能性,从而导致系统故障,令牌环网,令牌环网的最大优点就是它提供了对媒体访问的灵活控制及公平性,所有的站点都具有访问的权力,然而在轻负载的情况下,因传输前需等待令牌,从而造成效率低,但在重负载情况下,该协议则具有高效公平的特点,但它最大问题仍在令牌上,一旦出现令牌丢失,则环网无法正常操作,而双重令牌又会严重搅乱网络的运行规律,因而必须将一个站设置为控制站点,该站点除具有普通站点所具有的数据接受和发送功能之外,还具有监控功能,;,当检测到令牌丢失,则由该控制站向环上插入自由令牌,:,如出现双重令牌情况,则要负责将其中之一清除,以保证环上只有一个令牌,故环网必须具备很强的令牌维护功能,.,5.1.2,光纤局域网结构,55,综合以上所述,可以把各种拓扑结构的性能比较结果列于表,5 -1,中,比较内容,总线形,星 形,环 形,成本投资,（光缆与电子器件）,低,最高,低,维护与运行,测试很困难,清除故障所需时间长,较好,安全性能,很安全,安全,很安全,可靠性,比较好,最差,很好,用户规模,适于中等规模,适于大规模,适合于有选择性用户,新业务要求,容易提供,容易提供,向每个用户提供较困难,带宽能力,高速数据,基群接入视频,基群接入,表,5 1,各种拓扑结构的性能比较,56,5.2,光纤数字通信系统的性能指标,误码率和抖动,5.2.1,误码性能,1.,定义,光纤数字传输系统的误码性能用误码率来描述,.,误码率,BER,定义为,(5-5),2.,误码性能的评定方,误码性能的评定方法可从以下两个方面来考虑,.,一方面是,光纤数字通信系统传输的信息种类可以是电话,亦可以是电话,亦可为数据等,.,传输电话时根据人和语言的特点,并非一定要用每秒误码这种标准来衡量,仅需用每分钟误码的数码率来描述即可,.,但是,对传输数据来讲,最关心的是在传输数据码组这个时刻有无误码产生,.,57,另一方面,误码发生的特点,不仅是随机的,.,单个地出现,.,而且还有突发地,.,成群的出现,.,在考虑了这个因素之后,ITU-T,建议在,27500KM,假设参考连接情况下,误码率指标如表,5-2,所示,性能分类,定义,门限值,要求达到的指标,每次观测的时间,劣化分（,DM,）,每分钟的误码率劣于门限值,1,10,-6,平均时间百分数少于,10%,1,分钟（,min,）,严重误码秒,（,SES,）,Is,内的误码率劣于门限值,1,10,-3,时间百分数少于,0.2%,1,秒钟（,s,）,误码秒,（,ES,）,每一个观测秒内，出现误码数（与之对应的每个观测秒内未出现误码，则称之为无误码秒）,0,误码秒的时间百分数不得超过,8%,（与之对应的无误码秒的时间百分数不少于,92%,）,1,秒钟（,s,）,表,5-2,误码分类、定义和指标,5.2.1,误码性能,58,表中列出的时间百分数的含义是,为了有效地衡量和细致地描述率随时间的变化情况,人们在一段较长的时间,T,L,内观察误码的情况,.,这,T,L,时间并无特别的规定,可以从几天到一个月时间,.,然后在,T,0,时间内,(1min,或,1s),记录产生误码的个数并算出误码率,.,最后,计算在,T,L,时间内,T,0,时间间隔误码率超过某一门限值,m,的时间占总时间的百分数,.,即将图,5-25,中超过某门限值,m,的,T,0,积累时间,(,即斜线部分所占时间,),与,T,L,相比,.,图,5-25,计算误码率时间的变化,5.2.1,误码性能,59,5.2.2,抖动性能,1.,定义,一般来说抖动又称相位抖动,定时抖动,它是数字传输中的一种不稳定现象,即数字信号在传输过程中,脉冲在时间间隔上不再是等间隔的,而是随时间变化的一种现象,这种现象就称为抖动,.,例如在图,5-26,中,.,接受脉冲与发送脉冲之间出现了,t,1,. t,2,. t,3,.,的时间偏离,就是产生了抖动,图,5-26,产生抖动的示意图,发射信号,接收信号,t,1,t,2,t,3,t,4,60,2.,抖动的描述方法,抖动的程度原则可以用时间,.,相位,.,数字周期来表示,.,现在多数情况是用数字周期来表示,.,即一个码元的时隙为一个单位间隔,用符号,UI(Unit Interval),来表示,也就是一个,UI,就是一个比特传输信息所占的时间,.,显然,随着所传的码率的不同,1UI,的时间亦不同,例如表,5-3,码速率（,Mbit/s,）,1UI,的时间（,ns,）,2.408,488.00,8.448,118.00,34.363,29.10,139.261,7.18,表,5-3,不同码速率下,1UI,的时间,5.2.2,抖动性能,61,3.,抖动产生的原因,抖动产生的原因可以是以下几种,由于噪声引起的抖动,例如,在逻辑电路中,当输入信号阶跃时,由于信号叠加了噪声,如在图,5-27,中那样,输入信号提前超过了逻辑电路的门限电平,使跃变信号提前发生,从而引起了抖动,时钟恢复电路产生的抖动,如前所述,在时钟恢复电路中有谐振放大器,如果谐振回路元件老化,初始谐振不准等因数可引起谐振频率的变化,.,这样,这种输出信号经时钟恢复电路限幅整形恢复为时钟信号是就会出现抖动,其他原因引起的抖动,引起抖动还有其他的原因,如数字系统的复接,.,分接过程,光缆的老化等,5.2.2,抖动性能,62,4.,抖动容限,由前面的讨论知道,在数字通信系统中,抖动将引起系统误码率的增加,.,为了使光纤数字系统在有抖动的情况下,仍能保证系统的指标,那么抖动就应限制在一定范围之内,这就是所谓的抖动容限,.,抖动容限可分为输入抖动容限和输出抖动容限,.,输入抖动容限是指光纤数字通信系统允许输入脉冲产生抖动的范围,;,输出抖动容限则为输入信号无抖动的情况下,光纤数字通信系统输出信号的抖动范围,5.2.2,抖动性能,一般来说,传输不同的信号时,抖动的容限的指标是不相同的,.,例如传输语言,.,数据信号时,系统抖动的容限是小于获等于,4%UI;,传输彩色电视信号时,系统抖动的容限是小于获等于,2%UI,抖动信号往往是用峰,-,峰抖动,Jp-p,来描述的,它是指某个特定的抖动比特的时间位置,相对于该比特无抖动时的时间位置的最大部分偏离,.,测量输入抖动容限时,是用一个低频信号发生器,在,100300Hz,频率范围内,选几个频率点对伪随机码发生器进行调制,同时监测系统的误码情况,.,然后,逐渐加大低平信号发生器的输出幅度,直到出现误码,这是从,PCM,系统分析仪上测出相应的频率点上的输入抖动容限,63,5.3,光纤通信系统的设计指标,光纤数字通信系统的中继距离设计需要考虑两个独立的限制因素,即衰减限制和色散限制,.,后者直接与传输输率有关,在高数率传输情况下甚至成为决定因素,因此高比特率系统的设计过程中,必须对这两个因素的影响都予以考虑,5.3.1,衰减对中继距离影响的分析,一个中继段上的光传输衰减包括两部分的内容,其一是光纤本身固有衰减,再者就是光纤的连接损耗和微弯带来的附加损耗,.,关于光纤固有衰减的问题,在前面已经进行了详细的介绍,在此仅就连接衰减与传输距离的关系加以讨论,.,因为光纤的衰减大小直接制约着光纤通信系统的有效传输距离,所以要求光纤与光纤之间的连接损耗尽量的小,要解决这个问题,首先要分析一下连接损耗的原因有哪些,?,64,1.,影响连接损耗的因素,一类是固有损耗,它是有将由将要进行连接的两根光纤彼此特性上的不同或光纤本身的不完善造成的,.,这类损耗不能通过改善接续工艺和熔接设备来根除,因此在进行接续时,需要特别注意选择两特性基本相同的光纤进行连接,.,通常要考虑的因素有单模光纤的模场直径偏差,.,纤心与包层的同心度偏差以及不圆度等等,.,另一类是指由外部原因造成光纤连接损耗增大的现象,.,例如在接续时的横向错位,.,光纤间的间隙过大,.,断面倾斜等等,均属于人为的操作工艺不良和操作中的缺陷以及熔接设备精度不高等原因所致,5.3,光纤通信系统的设计指标,65,原因,接续图,单模,偏移,0.74dB(x=2,m,),倾斜,0.46dB(,=1,o,),端面切割倾斜,0.21dB(,=1,o,),芯径不一致,0.02dB,(2a,1,=10,m,2a,2,=8,m,),折射率差,不一致,0.03dB,(,1,=0.20%,2,=0.25%,),2.,