作者：方志豪,朱秋萍,等
出版社：电子工业出版社
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光纤通信原理与应用(第2版)试读：
前言
光纤通信以其独特的优越性，已经成为现代通信发展的主流方向，现在世界上绝大部分的通信业务都是采用光纤通信方式传送的。特别是，以光纤作为主要传输介质的互联网已遍布全球各地，没有光纤通信，就没有今天因特网（Internet）的巨大规模，现代信息社会的发展也就不可能这样快速。
本书第1版（2008年7月，电子工业出版社）是在作者多年从事光纤通信教学和科研实践经验的基础上编著出版的。几年来，本书被国内许多高等院校选用作为教材，承蒙这些院校同行教师们的支持和肯定，给本书第2版的修订注入了动力，使修订的方向进一步明确。
本书第2版修订的主要内容是：补充新的技术内容和新的技术指标；合理调整部分章节的结构；对文句进行精益求精的修改。其中，改动较多的是2.2.3节、2.3.5节、3.2.2节、3.2.7节（新增）、5.2节、5.3.6（移自8.2.3节），其余大多数章节也有程度不等的修改。本书在修订过程中注重反映光纤通信领域的新成果，以满足光纤通信课程的教学需要，使教学内容尽可能贴近实际、贴近新技术、贴近新应用。本书此次修订后，除继续保持第1版所具有的特色外，在内容准确性、论述精练性和文句可读性方面有望跨上一个新台阶，使本书更臻完美。
本书的主要特色如下：
1.一个抓住，即抓住主干内容
光纤通信的主干内容是光纤、光端机、WDM（波分复用）和SDH（同步数字系列）。缺少这四个内容中的任何一个，就谈不上是真实的光纤通信。所以，本书用6章的篇幅来阐述这四个主干内容，力求讲清楚、讲透彻。这是本书不同于一些同类书籍的最主要特点。
2.三个突出，即突出实用性、系统性和先进性
● 实用性 本书中光端机以国内主流产品为依据来进行阐述，使读者掌握实用的知识与技术，从而在面对实际问题时不会生疏无策；在光纤和传输规范等内容中较多介绍了ITU-T等标准，以增进读者的标准化意识；对重要而复杂的数学推导舍弃了繁难的推导过程，但给出清晰的推导步骤，让读者掌握重要的物理概念和有用的结论。
● 系统性 本书对光纤通信四个主干内容相互之间的关联、以及对每一个主干内容自身的机理都做了详细的阐述，真实地反映了现代光纤通信系统的特点，使读者能够掌握光纤通信完整的知识。
● 先进性 本书注重介绍新型光纤和光器件技术的发展成果，同时较详细地介绍了近几年推出的光纤通信的热门新技术，如A/BPON、EPON和GPON接入技术、MSTP传送技术、MPLS和MPλ/LS交换技术等，这些新技术有很好的开发应用前景。读者从本书深入浅出的介绍中容易了解这些新技术，体验到光纤通信的飞速发展。
本书共8章，系统地阐述了光纤通信的原理、特性、组成及应用。
第1章简要阐述光纤通信的基本概念，使读者从阅读本书一开始就对光纤通信系统有一个明晰的认识，为学习后面各章节奠定基础。
第2章清晰地介绍光纤的基本结构、传光原理和特性参数，使读者掌握光纤的基本理论和各种实用知识。其中，光纤导波模式的理论分析，论述有序，概念清晰，具有新意。
第3章和第4章系统地介绍光端机（光发送设备和光接收设备）的基本构成及其实现方式，使读者掌握端到端信息传输的过程及码元的具体形式，熟悉光端机与电端机和光纤之间的连接特点，从而对光纤通信形成一个有机的、整体性的认识，而不是零散的、局部的认识。
第5章和第6章介绍WDM光纤数字通信系统的实现、光纤数字通信系统的SDH制式等。本书SDH内容精练但不失完整性，而且分析与举例结合，易读好懂，读者从中容易学到从一般资料中难于得到的有用知识。
第7章和第8章介绍光纤接入网、光纤局域网、光纤城域网、光纤广域网、光传送网和全光网。读者从中可以清楚了解到光纤通信的许多新技术。
以上8章构成本书的统一体，但各章又有一定的独立性，读者可以根据需要选学或调换顺序学习。
本教材的建议授课学时数为54～72学时。为方便教学，本教材为任课教师提供免费电子教学课件，可登录华信教育资源网（http：//www.huaxin.edu.cn）注册下载或发送电子邮件至davidzhu＠phei.com.cn索取，欢迎任课教师及时反馈授课心得和建议。
本书第2版由方志豪和朱秋萍统稿。在修订过程中，作者参阅了许多新的文献资料，得到了武汉大学和武汉东湖学院的大力支持，同时得助于电子工业出版社竺南直编辑认真高效和耐心细致的工作，在此一并表示衷心的感谢！
由于作者水平有限，本书若有不妥之处，敬请读者不吝指正。联系方式：qpzhu＠whu.edu.cn。
作者
2012年12月
第1章 概述
1.1 光纤通信的基本概念
1.1.1 光纤通信的定义光纤通信是以光波作为传输信息的载波、以光纤作为传输介质的一种通信。图1-1是光纤通信的简单示意图。其中，用户通过电缆或双绞线与发送端和接收端相连，发送端将用户输入的信息（语音、文字、图形、图像等）经过处理后调制在光波上，然后入射到光纤内传送到接收端，接收端对收到的光波进行处理，还原出发送用户的信息并输送给接收用户。
根据光纤通信的以上特点，可以看出光纤通信归属于光通信和有线通信的范畴。图1-1 光纤通信的简单示意图1.1.2 光纤通信发展过程
了解光纤通信的发展过程，可以帮助我们初步了解光纤通信的关键技术及其主要指标，为以后深入学习打下基础。
大体说来，光纤通信的发展经历了以下四个阶段。
1.20世纪60年代的研究探索阶段
1966年英籍华人科学家高锟（Charles Kao）发表了名为“用于光频率的介质纤维表面波导”的论文，提出了用石英光纤做光波导进行光纤通信的新概念。该论文对石英光纤的损耗机理进行了理论分析，指出消除石英玻璃中的杂质才能做出低损耗光纤，并通过实验预言了只有当光纤中的光损耗小于20 dB/km时，光纤在通信中的实际使用才有可能开始。该论文实验中的石英玻璃的光损耗为1000 dB/km，这是当时石英玻璃的损耗水平。该论文是打开现代光纤通信技术大门的钥匙，具有重要的指向性意义。鉴于高锟理论对于光纤通信的里程碑意义，2009年高锟获得了诺贝尔物理学奖。
2.20世纪70年代的技术起步阶段
这个阶段是光纤通信能否问世的决定性阶段。这个阶段的主要工作如下。（1）研制出低损耗光纤
1970年美国康宁（Corning）公司依据高锟理论率先制成20 dB/km损耗的光纤。
1972年美国康宁公司制成4 dB/km损耗的光纤。
1973年美国贝尔（Bell）实验室制成1 dB/km损耗的光纤。
1976年日本电报电话公司（NTT）和富士通（Fujitsu）公司制成0.5 dB/km低损耗的光纤。
1979年日本NTT和富士通公司制成0.2 dB/km低损耗的光纤。
现在，光纤损耗已低于0.4 dB/km（1.31 μm波长窗口）和0.2 dB/km（1.55 μm波长窗口）。（2）研制出小型高效的光源和低噪声的光检测器件
这一时期，各种新型长寿命的半导体激光器件（LD）和光检测器件（PD）陆续研制成功。（3）研制出光纤通信实验系统
1976—1979年美国、日本相继进行了0.85 μm波长、速率为几十Mb/s的多模光纤通信系统的现场试验。
3.20世纪80年代进入商用阶段
这一阶段，发达国家已在长途通信网中广泛采用光纤通信方式，并大力发展洲际海底光缆通信，如横跨太平洋的海底光缆、横跨大西洋的海底光缆等。在此阶段，光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85 μm发展到1.31 μm和1.55 μm，通信速率达到几百Mb/s。
我国于1987年前在市话中继线路上应用光纤通信，1987年开始在长途干线上应用光纤通信，铺设了多条省内二级光缆干线，连通省内一些城市。从1988年起，我国的光纤通信系统由多模向单模发展。
4.20世纪90年代进入提高阶段
这一阶段，许多国家为满足迅速增长的带宽需求，一方面继续铺设更多的光缆，如1994年10月世界最长的海底光缆（全长1.89万千米，连接东南亚、中东和西欧的13个国家）在新加坡正式启用。另一方面，一些国家还不断努力研制新器件和开发新技术，用来提高光纤的信息运载量。1993年和1995年先后实现了2.5 Gb/s和10 Gb/s的单波长光纤通信系统，随后推出的密集波分复用技术可使光纤传输速率提高到几百Gb/s。
20世纪90年代也是我国光纤通信的大发展时期。1998年12月，贯穿全国的“八纵八横”光纤干线骨干通信网建成，网络覆盖全国省会以上城市和70%的地市，全国长途光缆达到20万千米。至此，我国初步形成以光缆为主、卫星和数字微波为辅的长途骨干网络，我国电信网的技术装备水平已进入世界先进行列，综合通信能力发生了质的飞跃，为国家的信息化建设提供了坚实的网络基础。1.1.3 光纤通信的优点
1.速率高，传输信息量大
光纤自身的频带宽度很大，研究指出单模光纤可利用的带宽已达12到30 THz（1 THz=10 Hz）。按照粗略的估计，一对单模光纤应能传送几亿路数字电话（若按码率的一半简单折算，一路数字电话的带宽为32 kHz）或几十亿路模拟电话（一路模拟电话的带宽为4 kHz）。目前的实用水平已达到几百万路数字电话。
2.损耗低，传输距离远
光纤传输损耗已低达0.2 dB/km（单模1.55 μm）和0.35 dB/km（单模1.31 μm），而且在相当宽的频带范围内损耗不变化。中继距离可达50～100 km。而市话电缆的损耗为20 dB/km（4 MHz），同轴电缆的损耗为19 dB/km（60 MHz），中继距离仅几千米。可见，光纤比同轴电缆的中继距离要大十几到几十倍。
3.抗干扰能力强，保密性能好
构成光纤的石英（SiO）玻璃是绝缘介质材料，不怕电磁场（强2电、雷电、核辐射）干扰，也没有地回路干扰，并且外泄光能很少，光纤之间不串话。
4.耐腐蚀、耐高温、防爆，可在恶劣环境中工作
石英玻璃耐腐蚀，且熔点在2000℃以上。光纤接头处不产生放电，没有电火花。
5.重量轻、体积小，便于线路施工
石英玻璃的主要成分硅（Si）的比重为2.2，小于铜的比重8.9。所以，相同话路容量的光缆重量为电缆重量的1/30～1/10（注：根据国际和我国有关标准规定，基本物理量中没有重量、只有质量，在工商经贸和日常生活中重量只是质量的习惯用语）。此外，一根光纤外径约为0.1 mm，6～18芯光缆外径约为12～20 mm，是相同话路容量的电缆外径的1/4～1/3。
1.2 光纤通信系统的构成及分类
1.2.1 光纤通信系统的基本构成图1-2是光纤通信系统的基本构成框图，其主要组成部分包括光纤、光发送器、光接收器、光中继器和适当的接口设备等。其中，光发送器的功能是将来自用户端的电信号转换成为光信号，然后入射到光纤内传输。光接收器的功能是将光纤传送过来的光信号转换成为电信号，然后送往用户端。光中继器用来增大光的传输距离，它将经过光纤传输后有较大衰减和畸变的光信号变成没有衰减和畸变的光信号，再继续输入光纤内传输。实际中，光发送器和光接收器安放在同一机架中，合称为光纤传输终端设备，简称光端机。图1-2 光纤通信系统的基本构成框图1.2.2 光纤通信系统分类
1.按传输信号划分（1）光纤模拟通信系统
特征：用模拟电信号对光源强度进行调制。
优点：设备简单，不需要模/数（A/D）、数/模（D/A）转换部件。
缺点：光电变换时噪声大，使用光中继器时噪声积累多。
适用范围：短距离通信，如传输广播电视节目、工业和交通监控电视等。（2）光纤数字通信系统
特征：用脉冲编码调制（PCM）电信号对光源强度进行调制。
优点：抗干扰性强，噪声积累少，与计算机连用方便。
缺点：设备较复杂。
适用范围：长距离通信，是目前广泛采用的光纤通信系统。
2.按光波长和光纤类型划分（1）短波长（0.85 μm）多模光纤通信系统
通信速率低于34 Mb/s，中继间距在10 km以内。（2）长波长光纤通信系统
① 1.31 μm多模光纤通信系统
通信速率为34 Mb/s和140 Mb/s，中继间距为20 km左右。
例如，建于1987年的武汉—荆州34 Mb/s（1.31 μm）多模光纤通信系统，全长240 km，设9个中继站，通信容量480路。
② 1.31 μm单模光纤通信系统
通信速率可达140 Mb/s和565 Mb/s，中继间距为30～50 km（140 Mb/s）。
例如，建于1991年的合肥—芜湖140 Mb/s（1.31 μm）单模光纤通信系统，全长146 km，设4个中继站，通信容量1920路。
③ 1.55 μm单模光纤通信系统
通信速率可达565 Mb/s以上，中继间距更长，可达70 km左右。
注：光包括可见光和不可见光，不可见光又分为紫外光和红外光。其中，可见光的波长范围为0.39～0.76 μm；紫外光的波长范围为0.006～0.39 μm，比可见光的波长要短；红外光的波长范围为0.76～300 μm，比可见光的波长要长，红外光又分为近红外光（0.76～2.5 μm）、中红外光（2.5～25 μm）和远红外光（25～300 μm）。光纤通信使用的波长0.85 μm，1.31 μm和1.55 μm属于近红外光。
3.按调制方式划分（1）直接强度调制光纤通信系统
该系统是将待传输的数字电信号直接在光源的发光过程中进行调制，使光源发出的光本身就是已调制光，又称为内调制光纤通信系统或直接调制光纤通信系统。该系统的优点是设备简便、价廉，调制效率较高，缺点是这类调制会使光谱有所增宽，对进一步提高速率有影响。目前实用的光纤通信系统均采用这类调制方式，其最高速率已达10 Gb/s。（2）外调制光纤通信系统
该系统是在光源发出光之后，在光的输出通路上加调制器（如电光晶体等）进行调制，又称为间接调制光纤通信系统。这类调制对光源谱线影响小，适合很高速率的通信，目前采用外调制的实验系统其速率可达20 Gb/s。（3）外差光纤通信系统
该系统又称为相干光通信系统。其原理是：发送端的本地光频振荡信号被电信号所调制（调幅、调频、调相等），然后输入到单模光纤内传输，光束传到接收端后再与接收端的本地光频振荡信号进行混频、解调，还原出电信号。
该系统的优点是接收灵敏度高，信道选择性好。但其外差系统的设备复杂，对激光光源的频率稳定度和单色性以及对单模光纤的保偏振性要求都很高，技术难度很大，正在研制中。
4.按传输速率划分（1）低速光纤通信系统
传输速率为2 Mb/s，8 Mb/s。（2）中速光纤通信系统
传输速率为34 Mb/s，140 Mb/s。（3）高速光纤通信系统
传输速率≥565 Mb/s。
5.按应用范围划分（1）公用光纤通信系统
如光纤市话中继通信系统、光纤长途通信系统和光纤用户接入系统等。（2）专用光纤通信系统
主要指非邮电部门经营的光纤通信系统，如光纤局域网等。
6.按数字复接类型（即速率转换制式）划分（1）准同步数字系列（PDH）光纤通信系统
目前565 Mb/s以下速率的光纤通信系统多属此类。（2）同步数字系列（SDH）光纤通信系统
该系统优点甚多，正在发展之中。目前，已经实用的SDH系统其单波长通信速率可达2.5 Gb/s，10 Gb/s和40 Gb/s。有关PDH和SDH的具体介绍见6.1节。
1.3 数字话路基础知识
1.3.1 语音信号的PCM数字化语音信号数字化方法目前有两种方式：脉冲编码调制（PCM）和增量调制（ΔM）。下面介绍最常用的PCM方式。
图1-3所示为语音信号的PCM数字化框图。其中，图1-3（a）表示发送端的PCM数字化过程，它由三个步骤来实现，即采样、量化和编码。其功能是将语音模拟信号变换成为PCM数字信号。所以，采样、量化和编码又合称为A/D变换（模/数变换）。
图1-3（b）表示接收端的PCM数字化逆过程，它由两个步骤来实现，即解码（译码）和滤波。其功能是将PCM数字信号还原成为原始的语音模拟信号。解码和滤波合称为D/A变换（数/模变换）。
图1-3（c）表示发送和接收的全过程。其中，A/D变换和D/A变换分别为图1-3（a）和图1-3（b）的整个过程；合路（又称为复接）用来将多路（即各支路）数字信号合为一路；码型变换用来将合路输出的单极性二元码序列转换成为适合电缆信道传输的码型；码型反变换用来将电缆信道传输过来的码型还原成为单极性二元码序列；分路（又称为分接）用来将合路信号分离成为各个支路信号。
PCM方式下语音数字通信的基本过程可以归纳为：语音模拟信号在发送端经过采样、量化、编码及合路后变成单极性二元码序列，再经过码型变换变成适合电缆信道传输的码型；该码型脉冲序列经过电缆信道传输后，在接收端通过放大再生处理，然后进行码型反变换，再经过解码、滤波及分路，就可以将数字信号还原成为语音模拟信号。
实际中，发、收两端的上述过程是由PCM终端设备来实现的。
下面简要说明采样、量化和编码的基本特点。图1-3 语音信号的PCM数字化框图
1.采样（Sample）
一个连续信号可以用间隔时间为Δt的一系列离散瞬时值来代替，称之为采样。条件是式中，f为连续信号的最高频率成分；Δt称为max采样周期。此即奈奎斯特（Nyguist）采样定理，f=2f的采样频率Smax称为奈奎斯特频率。
对语音信号而言，其频率在300～3400 Hz之间。按照采样定理，f取3400 Hz×2=6800 Hz就可以了。实际应用时，为了降低接收S端低通滤波器的实现难度，往往将采样频率取得更高些。在ITU-T（国际电信联盟电信标准部，原为CCITT即国际电话电报咨询委员会）建议中，规定语音信号的采样频率f统一取为8000 Hz，即语音S信号采样周期Δt=1/f=125μs。S
2.量化（Quantization）
在最大采样幅值范围内用一组有间距的电平（称为量化电平）来分层，各个采样幅值的真实值就用最靠近的量化电平来近似表示，称之为量化。
量化中的近似处理所引起的误差称为量化噪声。研究得知，量化后小信号引入的量化噪声要比大信号的更大些。因此，在量化过程中可设法增多小信号的量化等级而减少大信号的量化等级。这就是非均匀量化法的基本原理。采用非均匀量化法，可以使总的量化噪声减小，而总的量化等级数目却保持不变。
在实用化设备中，为实现非均匀量化，实际上是首先对输入信号进行非线性处理，然后再进行均匀量化，而保持总的效果与非均匀量化相同。具体而言，就是首先在发送端对输入信号用对数函数进行幅度的非线性压缩，然后再进行均匀量化；在接收端，信号经译码处理后，再用指数函数对信号进行非线性扩张，从而恢复出原信号。
对于语音信号，国际标准中规定了两种非均匀量化标准，通常称为μ律（用于 PCM 24路制式）和A律（用于PCM 30路制式），国际通信时以A律制式为标准，μ律制式应转换为A律制式。我国采用的是A律标准。语音信号的A律量化等级即量化电平数为256。
3.编码（Code）
将量化电平用一定位数的二进制代码来表示，称之为编码。这些二进制代码又称为量化代码。量化代码和量化电平之间的替代是一一对应的。实际应用中，采样、量化和编码是在同一块集成电路芯片中实现的。
对于语音信号，每一个量化电平用8位二进制代码来表示，称为8一个码组（Code Block，CB），正好能够表示2=256个量化电平。其8位二进制构成的码组是这样安排的：第1位为符号位，表示量化电平的正、负符号，正极性时置“1”，负极性时置“0”；第2～4位表示非均匀量化的8个段位；第5～8位表示每个段位中的16个量化电平。
完成以上编码后，再将偶数位进行翻转，变成ADI码（数字交替翻转码），以便减少长连“0”。1.3.2 话路的时分复用（TDM）
时分复用的目的是，在一条信道上串行传输多路信号，用以扩大数字通信系统的传输容量。其原理方法是：将传输时间按照采样周期Δt进行分割，每一个分割段称为一帧（Frame）；将每一帧再等分成若干互不重叠的时隙（Time Slot，TS），每路信号在一帧时间内只能占用一个时隙。在发送端，多路信号顺序地占用各自的时隙，合路（复接）构成复用信号，然后送到一条信道中传输。在接收端，将收到的复用信号按照与发送端同样的时间顺序分开每一路信号，实现分路（分接）。
语音信号的TDM过程如下：将30路模拟语音信号分别进行PCM数字化后，按照一定的时间格式进行合路复用，在一个信道中传输。该合路复用信号称为PCM基群或一次群。在接收端，依据相同的时间格式，从收到的基群信号中分接出30路PCM数字语音信号，然后分别对各路语音信号进行PCM解码，还原出30路模拟语音信号。实现以上过程的设备，称为PCM基群终端设备，或简称PCM基群设备。
由于复用后的编码数字信号是一个无头无尾的数字码流，尽管其中含有大量的信息，提高了信道使用效率，但若不能分辨出各个采样码组，仍将无法实现通信。因此，在TDM复用过程中，还要插入一定的开销比特作为同步识别信号，以保证发端的正确插入和收端各路信号的正确分离。这就要求合路的复用信号按一定的帧格式组成码流。
我国采用的PCM基群的帧结构如图1-4所示。图1-4 PCM基群的帧结构图
在上述PCM基群的帧结构中，一帧的周期为125μs（1/8000 Hz）。每帧内含32个时隙，以TS（i=0，1，2，…，31）表示。每个时隙为i125μs/32≈3.9μs，占8比特（8个码元），称为1个码字，正好放入1个采样码组。每个码元的时宽为3.9μs/8≈0.488μs。
PCM基群对一帧中的32个时隙做了如下规定。（1）每路语音在一帧中只占用1个时隙
使用TS～TS，TS～TS共30个时隙（称为话路时隙）分别1151731依次传输30路PCM语音信号。具体言之，第0帧的TS～TS，TS11517～TS分别放入第1～30路语音在各自第1时刻的采样码组，第1帧的31TS～TS，TS～TS分别放入第1～30路语音在各自第2时刻的采1151731样码组，其余类推。所以，每一路的传输速率为1个码组/125μs=8 b/125μs=64 kb/s。基群（32路）传输速率为64 kb/s×32=2.048 Mb/s。（2）TS是同步时隙0
偶序号帧的TS的第2～8比特为帧同步码“0011011”；第1比特0（×）供国际通信使用，不用时置“1”。奇序号帧的TS的第3比特0（A）是帧失步告警码（向对端告警），同步为“0”，失步为“1”；1第2比特固定为“1”，以避免奇序号帧的TS的第2～8比特出现0“0011011”而被接收端误判为帧同步码；第1比特（×）供国际通信使用，不用时置“1”；奇序号帧的TS的第4～8比特（×）供国内通0信使用，不用时均置“1”。（3）TS是信令时隙16
第0帧的TS的第1～4比特为复帧同步码“0000”；第6比特16（A）是复帧失步告警码，同步为“0”，失步为“1”；第5，7，8比2特（×）备用，不用时置“1”。第1～15帧的TS的前4比特（abcd）16传送第1～15路的信令信息（如拨号、挂机、占用等），后4比特（a′b′c′d′）传送第16～30路的信令信息，即每帧内的TS时隙只能传送两16条话路的信令。
在PCM基群中，每16帧称为一个复帧，正好完成30个话路信令的传输（由第1～15帧的TS实现）与同步分离（由第0帧的TS实1616现）。复帧比特数为256 b×16=4.096 kb，复帧周期为125μs×16=2 ms。1.3.3 数字复接系列
数字复接系列是TDM方式下分路及合路信号码速之间的转换关系。我国和欧洲采用CCITT建议的30路制式，其标准为
● 每一个话路速率为64 kb/s；
● 30个话路组成1个基本群，称为基群（或一次群），其速率为2.048 Mb/s；
● 4个基群组成1个二次群，其速率为8.448 Mb/s；
● 4个二次群组成1个三次群，其速率为34.368 Mb/s；
● 4个三次群组成1个四次群，其速率为139.264 Mb/s；
● 4个四次群组成1个五次群，其速率为564.992 Mb/s。
可见：
以上关系可以概括为合路速率＞分路总速率。因此，相应的分路必须填充一定数量的码元，才能使合路速率等于分路总速率。这些填充码元（见表1-1）正好用于同步、监控等。表1-1 用于合路的填充码元数
实际中，数字复接和分接（即数字信号的合路和分路）是用数字复用设备（Digital Multiplex Equipment，DME）来实现的。其中，一次群数字复接和分接是由PCM基群终端设备来实现的。高次群（二至五次群）数字复接和分接是用PCM高次群复用设备来实现的。PCM基群终端设备和高次群复用设备，统称为电端机。【例1-1】基群光纤通信系统如图1-5所示。
基群电端机又称为PCM基群终端机，它包含PCM方式的A/D变换（采样、量化和编码）和D/A变换（解码和滤波），以及基群复接和分接、码型变换和反变换等功能。图1-5 基群光纤通信系统
由图1-5可见，30个话路的语音信号按照TDM方式输入到基群电端机进行处理，变成速率为2.048 Mb/s的数字电信号，然后进入基群光端机变成数字光信号，经光纤传输到对方基群光端机，还原成2.048 Mb/s的数字电信号，再由对方基群电端机还原成30路语音信号，分别送往各个用户。所以，30对用户可以同时使用这个系统进行通话。【例1-2】二次群光纤通信系统、四次群光纤通信系统分别如图1-6和图1-7所示。
两图中的基群终端机的功能同例1-1，二至四次群复用设备的功能分别包含二至四次群复接和分接以及码型变换和反变换等功能。图1-6 二次群光纤通信系统图1-7 四次群光纤通信系统
由图1-6可见，120路语音信号分成四组，每组30路语音信号进入PCM基群终端机变成速率为2.048 Mb/s的数字电信号，一共有四组2.048 Mb/s的数字电信号进入二次群复接器合路成速率为8.448 Mb/s的数字电信号，然后进入二次群光端机变成数字光信号，经光纤传输到对方二次群光端机，还原成8.448 Mb/s的数字电信号，再经对方二次群分接器分路成四个2.048 Mb/s的数字电信号，再分别进入对方四个PCM基群终端机还原出120路语音信号。所以，120对用户可以同时使用这个系统进行通话。
图1-7所示的复用过程与上面的过程类似，这里不再赘述。图1-7中使用了光中继器来增大光纤通信距离。
习题1
1.1 何所谓光纤通信?
1.2 光纤通信从什么年代开始发展起来，在什么年代开始进入商用阶段?光纤通信起步发展阶段解决了哪些关键技术?
1.3 光纤通信为什么能够成为一种主要的通信方式?
1.4 目前实用的光纤通信系统使用何种调制方式?
1.5 光纤通信系统的基本组成是怎样的?试画出简图予以说明。
1.6 何谓光端机?
1.7 试述PCM方式下语音数字通信的基本过程是怎样的?
1.8 何谓非均匀量化?为何采用非均匀量化?
1.9 何谓TDM?为何使用TDM?
1.10 何谓电端机?电端机在光纤通信系统中的功能是什么?
1.11 信道比特率BR（Bit Rate）与信道带宽BW（Band Width）的物理意义是什么?试利用奈奎斯特采样定理证明BR≈BW（半占空归零码）和BR≈2BW（非归零码）。（注：半占空归零码τ=T/2，非归零b码τ=T，其中τ为码元宽度，T为码元周期）bb
1.12 现有光纤通信使用的光波长有哪几种?对应的频率是多少?它们在整个电磁波谱中处在什么位置?
1.13 PCM 30路制式的速率等级是怎样的?试求各等级中的开销速率。
1.14 PCM基群的帧周期、时隙宽度和码元宽度是怎样计算的?PCM基群的复帧是怎样定义的?复帧周期有多大?
1.15 对10路话音信号进行PCM时分复用传输，已知采样速率为8 kHz，采样后的信号使用M级电平量化，采用二进制编码，传输信号的波形为半占空归零矩形脉冲。试求：当M=8和256时，传输10路PCM时分复用信号所需要的带宽。
第2章 光纤
2.1 光纤的基本概念
2.1.1 光纤基本结构光纤是由纤芯、包层、涂覆层和护套构成的一种同心圆柱体结构，如图2-1所示。其中，纤芯（Fiber Core）位于圆柱体的最内层，是传光的基本通道。纤芯外面是包层（Cladding），用来将光波约束在纤芯内传播。包层的外表面上有一个黑色涂覆层（Coating），用来吸收外泄的光能。护套（Sheath）则在涂覆层之外构成圆柱体的最外层，起保护作用。图2-1 光纤结构示意图
纤芯和包层是由透明介质材料构成的，其折射率分别为n和n。12为了使纤芯能够远距离传光，构成光纤的首要条件是n＞n，其具体12理由将在后面叙述。
根据光学理论，介质折射率n被定义为光在真空中的速度c与光在该介质中的速度v之比值，即88
式中，c=2.997 924 58×10m/s≈3×10m/s。所以，纤芯和包层内的光速分别为v=c/n和v=c/n。可见，v＜v。1122122.1.2 光纤分类
1.按纤芯和包层材料划分
按照纤芯和包层材料的不同，光纤可分为石英光纤和塑料光纤，其基本特点如下。
石英光纤：由透明的石英材料制成纤芯和包层，具有损耗小、成本高的特点，适合长距离通信，目前已广泛用于光纤通信系统中。
塑料光纤：由透明的塑料制成纤芯和包层，具有损耗大、成本低的特点，只能很短距离传光，目前在光纤传感方面有某些应用。
2.按光纤折射率分布特点划分
按照光纤折射率分布特点的不同，光纤主要分为阶跃光纤和渐变光纤，其基本特点如下。
阶跃光纤（Step Index Fiber，SIF）：其纤芯和包层的折射率分别为不同的常数n和n，并且n＞n，在纤芯和包层的交界面上折射1212率有一个台阶型突变。如图2-2的中间图所示。
渐变光纤（Graded Index Fiber，GIF）：又称为梯度光纤，其纤芯折射率n（r）随纤芯半径变化的关系是渐变分布的曲线形状。具1体来说，在纤芯轴心处折射率n（0）最大，随着纤芯半径增大折射1率逐渐减小，即n（0）＞n（r≠0），一直到纤芯与包层的交界处折11射率达到最小；然后从交界处开始，包层折射率保持这个最小值不变。如图2-2的右图所示。图2-2 阶跃光纤和渐变光纤的折射率分布图（光纤横截面）
3.按光波模式（即电磁波类型）划分
按照纤芯内光波模式的不同，光纤可分为多模光纤和单模光纤，其基本特点如下。
多模光纤（Multi Mode Fiber，MMF）：纤芯内传输多个模式的光波，纤芯直径较大（50μm或62.5μm），适用于中容量、中距离通信。
单模光纤（Single Mode Fiber，SMF）：纤芯内只传输一个最低模式的光波，纤芯直径很小（9微米左右），适用于大容量、长距离通信。2.1.3 光纤制造简述
通信用光纤大多数是由石英玻璃材料构成的。光纤的制造要经历材料提纯、熔炼、拉丝、套塑等具体的工艺步骤。制造光纤的主体原料是四氯化硅（SiC1），掺杂原料有四氯化锗（GeC1）、三氯化硼44（BC1）、氟利昂（CFC1）等，参与反应的有高纯氧（O），此外3222还有氦气（He）和氯气（C1）。下面简要介绍光纤制造的四个工艺2步骤。
1.提纯工艺
提纯的目的是去掉上述原料中的有害杂质，一般要求有害杂质的-6含量不得大于10。对于液体原料中的有害杂质，通常利用原料和有害杂质沸点的不同，采用反复蒸馏的方法进行提纯。对于气体原料中的有害杂质，则采用多级分子筛的方法进行提纯。
2.熔炼工艺
熔炼的目的是将超纯的原料经过高温化学反应，合成具有一定折射率分布的预制棒。预制棒制造技术普遍采用气相沉积工艺，如管外气相沉积（OVD，1972年Corning公司开发）、轴向气相沉积（VAD，1977年NTT和Fujitsu公司开发）、改进的化学气相沉积（MCVD，1974年Bell实验室开发）、等离子体化学气相沉积（PCVD，1975年Philips公司开发）等工艺。其中，OVD和VAD都属于管外法，两者的差别在于OVD是环绕轴心线先沉积纤芯、后沉积包层，而VAD是沿轴心线方向同时沉积纤芯和包层；MCVD和PCVD都属于管内法，两者的差别在于MCVD以氢氧焰或天然气火焰作为热源，而PCVD以微波作为热源。管外法的特点是全部化学反应的空间不受限制，因而可以沉积较粗的预制棒，但对工作环境条件有很高的要求。管内法的特点是全部化学反应都在高纯石英衬底管内进行，在石英管的内壁先后沉积包层和纤芯，由于受反应空间的限制，故该方法只适宜沉积较细的预制棒，但对外部环境条件的要求不是很高。
3.拉丝工艺
拉丝的目的是将已制作好的预制棒拉成高质量的光纤。拉丝过程是：利用精密的馈送机构将预制棒缓慢送进2000℃的高温炉内，再利用受控的拉丝机构将加热软化后的预制棒拉成细长的光纤丝。为了保证光纤直径的精度，使用He-Ne激光测径仪对光纤丝进行监控，以便自动及时地调节炉温和拉丝速度，使光纤直径得到控制。为了保护光纤表面和改善传光特性，在拉丝过程中要对定形后的光纤丝进行一次涂覆（又称为预涂覆，常用涂覆材料有硅橡胶和丙烯酸脂Acrylate等）和固化。
4.套塑工艺
套塑的目的是将带有涂覆层的光纤再套上一层热塑性材料，进一步增强光纤的强度。套塑的方式有两种：一种是紧套塑，即光纤及其涂覆层被套管紧紧箍住构成一个整体，因而光纤不能在套管内移动；另一种是松套塑，即光纤及其涂覆层没有被套管紧紧箍住，致使光纤可以在套管内移动。
经过以上步骤，单根光纤制造完毕。然而这样的光纤，其强度还不能应付外界的工作环境，在加工成光缆时，需要加上更为坚固的护套等，才能用在实际工程中。2.1.4 光缆结构及类型
1.光缆结构
光缆基本上由缆芯、加强构件、光缆护套、填料、铠装等部分构成，具体介绍如下。（1）缆芯
光缆中包含的光纤构成缆芯。缆芯可以放在光缆的中心或非中心部位，这由光缆类型而决定。（2）加强构件
在光缆中心或护套内加入钢丝或玻璃纤维增强塑料（Fiberglass-Reinforced Plastics，FRP），用来增强光缆的拉伸强度。（3）光缆护套
光缆从里到外加入一层或多层圆筒状护套，用来防止外界各种自然外力和人为外力的破坏。护套应具有防水防潮、抗弯抗扭、抗拉抗压、耐磨耐腐蚀等特点。
光缆护套常用材料有：聚乙烯（Polyethylene，PE）、聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC，用来阻燃）、聚氨酯（Polyurethane，PUR）和聚酰胺（Polyamide，PA，俗称尼龙）。此外，还有铝、钢、铅等密实的金属层用来防潮。（4）填料
在缆芯与护套之间填充防潮油胶，用来阻止外界水分和潮气侵入缆芯内。（5）铠装
用钢丝、钢带等坚硬金属材料做成光缆的铠装层，如同给光缆穿上金属铠甲，进一步提高光缆强度，用来防鼠、防虫、防火、防外力损坏。（6）其他
有些光缆内放入若干根铜导线，用做中继馈电线、监控信号线等。
2.光缆类型（1）按敷设方式分类
光缆可分为架空光缆、管道光缆、直埋光缆、水下光缆（海底光缆）、室内光缆等。（2）按缆芯分类
光纤束光缆：光纤与光纤之间不是固定黏结在一起的，每根光纤具有一定的位移自由。
光纤带光缆：光纤带是利用黏结材料将多根光纤（带有一次涂覆层）并行黏结在一起构成的一个平面排列。其中，所有光纤应当平行排列不得交叉，并且黏结材料应当紧密地与各光纤一次涂覆层黏结成一体。通常，一个光纤带可以包含4根、6根、8根、10根、12根、24根、36根或更多根的光纤。如果将多个光纤带一层层堆叠起来，则构成光纤带叠层，可称之为光纤带阵列。（3）按加强构件材料分类
金属加强构件光缆：使用金属材料作为加强构件。
无金属光缆：使用非金属加强构件和非金属护套，用来抗强电干扰、防雷击。（4）按加强构件位置分类
集中型加强构件：加强构件集中位于光缆的中心轴线上。又分为层绞式光缆、骨架式光缆。其中，层绞式光缆是将光纤束或光纤带围绕中心加强构件螺旋绞合成一层或多层的结构，骨架式光缆是将光纤束或光纤带放入骨架外槽中。
分布型加强构件：加强构件分布在光缆的护套内，又称为中心管式光缆。中心管式光缆将光纤束或光纤带直接放入中心管内。
结合上述按缆芯分类方式，则有层绞式光纤束光缆、骨架式光纤束光缆、中心管式光纤束光缆，以及层绞式光纤带光缆、骨架式光纤带光缆、中心管式光纤带光缆。（5）按有无铠装分类
简式光缆：不使用金属铠装外护套，质量轻，主要用于架空光缆、管道光缆。
铠装光缆：使用金属铠装外护套，主要用于长途干线直埋光缆。2.1.5 光缆（光纤）型号命名方法
光缆（光纤）型号的命名是采用一横列十三项参数来表示的，如图2-3的一排方格所示。其中，第一至第五项是光缆类型参数，第六至第十二项是光纤规格参数，第十三项是附加参数。这些参数中的第六、第八、第十、第十一项使用实际数值，其他项使用代码。图2-3 光缆型号命名方法
1.光缆类型参数的具体意义
光缆类型参数的具体意义如下：
● 第一项为光缆分类代号
● 第二项为加强构件代号
● 第三项为结构特征代号
● 第四项为护套代号
● 第五项为外护层代号
以上各项的具体代号如表2-1所示。表2-1 光缆类型参数续表
例如，外护层53表示皱纹钢带铠装+聚乙烯外护套，33表示单细圆钢丝铠装+聚乙烯外护套，333表示双细圆钢丝铠装+聚乙烯外护套。
注：①简式光缆使用第一至第四项代号，此时第四项也可称为外护套代号。铠装光缆使用第一至第五项代号，此时第四项则可称为内护套代号。②层绞式光缆和骨架式光缆可含中心金属加强构件（即无F代号）或中心非金属加强构件（即有F代号）。中心管式光缆则含非中心金属加强构件（即无F代号）。
2.光纤规格参数的具体意义
光纤规格参数的具体意义如下：
● 第六项光纤数量
使用光纤根数的实际值。
● 第七项光纤类别代号
D为石英单模光纤，J为石英多模光纤，X为石英芯、塑料包层光纤，S为全塑料光纤。
● 第八项光纤尺寸
多模光纤使用芯径（μm）/包层直径（μm）；
单模光纤使用模场直径（μm）/包层直径（μm）。
● 第九项工作波长代号“1”表示850 nm，“2”表示1310 nm，“3”表示1550 nm。
如果同一根光缆有两种或两种以上工作波长，则应同时列出对应工作波长的代号，并在各个代号之间用“/”隔开。例如，“1/2”表示850 nm/1310 nm。
● 第十项衰减常数
取衰减常数的个位和十分位两个数字（不带小数点）来表示，故真值应为该两位数×0.1 dB/km。
● 第十一项模式带宽
多模光纤有此项，单模光纤无此项。取多模光纤模式带宽的千位和百位两个数字来表示，故真值应为该两位数×100 MHz·km。
● 第十二项环境温度代号
A为-40～40℃（有的厂家取为-40～60℃），B为-30～50℃（有的厂家取为-30～60℃），C为-20～60℃，D为-5～60℃。
以上是光纤的规格参数，为了清楚起见，图2-4分别给出了多模光纤和单模光纤规格参数的具体表示。图2-4 多模光纤和单模光纤规格参数的具体表示
3.附加参数的具体意义
● 第十三项附加金属导线
其中，导线（导体）材料使用代号：L为铝导线，无符号为铜导线。导线线径（导体直径）的单位是mm。例如，3×2×0.6L表示3个导线组，每组内有2根线径为0.6 mm的铝导线。4×2.6/9.5表示4个同轴对，每一对的内、外铜导体直径分别为2.6 mm和9.5 mm。
4.举例（1）GYFGTY-4D9/125（205）B型骨架式光纤束光缆
其结构为中心非金属加强构件、骨架填充式、PE（聚乙烯）外护套，室外用架空光缆，内含4根石英单模光纤，其模场直径/包层直径为9μm/125μm、工作波长1310 nm时的衰减常数不大于0.5 dB/km，适用温度范围为-30～60℃。该型号光缆结构如图2-5所示。（2）GYTS型层绞式光纤束光缆
其结构为中心金属加强构件、松套层绞填充式、钢-塑（聚乙烯）黏接外护套，室外用架空或管道光缆。内含6根（或多于6根）松套管，管中放入具有合适余长的多根石英单模或多模光纤。所谓层绞式，是指6根松套管绕中心金属加强构件按照合适的节距绞合成螺旋形的缆芯。该型号光缆结构如图2-6所示。图2-5 GYFGTY-4D9/125（205）B型骨架式光纤束光缆结构图图2-6 GYTS型层绞式光纤束光缆结构图（3）GYXTW型中心管式光纤束光缆
其结构为松套中心管填充式、钢丝加强构件嵌入聚乙烯外护套，室外用架空或管道光缆。此类光缆的中心位置是一根松套管，松套管中放入具有合适余长的多根单模或多模光纤，而两根平行圆钢丝加强构件则位于PE护套内，故称为中心管式。该型号光缆结构如图2-7所示，其中阻水层与其外圈紧贴的双面覆膜皱纹钢带一起具有阻水防潮的功能，是一种干式阻水结构，其代号省略。（4）GYDXTW型中心管式光纤带光缆
其结构为松套中心管填充式、钢丝加强构件嵌入聚乙烯外护套，室外用架空或管道光缆。松套管中放入具有合适余长的光纤带阵列，每一列光纤带含有多根单模或多模光纤。该型号光缆结构如图2-8所示（注：图中LAP护套具有防潮功能，其代号省略；在LAP护套与松套管之间可加阻水层）。图2-7 GYXTW型中心管式光纤束光缆结构图图2-8 GYDXTW型中心管式光纤带光缆结构图（5）GYDTA53型层绞式光纤带铠装光缆
其结构为中心金属加强构件（磷化钢丝或钢绞线）、松套层绞填充式、LAP（铝-聚乙烯黏结）护套、轧纹钢带铠装+PE（聚乙烯）外护套，室外用直埋光缆。内含多根松套管，管中放入具有合适余长的光纤带阵列。该型号光缆结构如图2-9所示（注：在皱纹钢带铠装与PE内护套之间可加阻水层）。图2-9 GYDTA53 型层绞式光纤带铠装光缆结构图
通常，架空或管道光缆多使用LAP外护套（即铝带+PE外护套）、或钢带（钢丝）+PE外护套等（即简式光缆），直埋光缆多使用LAP内护套以及皱纹钢带或钢丝铠装+PE外护套等组合（即铠装光缆）。
2.2 光纤传光原理
2.2.1 光的射线理论及光纤传光分析1.光的射线理论（1）直线传播定律
光线在均匀介质中总是沿直线传播的，其传播速度为8
式中，c是真空中光速，近似等于3×10 m/s；n是均匀介质折射率（Refractive Index），例如真空n=1，空气n=1.000 27，石英玻璃n=1.45。所以，光在真空中的传播速度要大于光在其他介质中的传播速度。（2）反射定律和折射定律
光线经过两种不同介质的交界面时，会发生偏折。在同一种介质中的偏折称为反射，在不同介质中的偏折称为折射，如图2-10所示。其特点是入射光、反射光、折射光与交界面法线（图2-10中的虚线）四者共面，即反射光与折射光都在入射平面（即由入射光与交界面法线构成的平面）内；并且入射角θ与反射角和折射角θ之间分别12遵从以下关系式：
反射定律
折射定律
式中，n和n分别为交界面两边的介质折射率。12图2-10 光线的反射和折射（3）全反射定律
光线从光密介质n射向光疏介质n（即n＞n）时，若入射角θ12121满足以下关系：
则只有反射光，而无折射光，称为全反射。上式中的θ称为全反c射（Total Internal Reflection，TIR）临界角（Critical Angle）。
由图2-11可见，当n＞n时，则必有θ＜θ（因为1212nsinθ=nsinθ），因而随着θ的逐渐增大，θ将比θ先达到π/2，表1122121明此时没有折射光，如图2-11中带箭头的中粗实线所示，此时入射角用θ表示；若继续增大θ，则仍然没有折射光，如图2-11中带箭头的c1粗线所示，此时入射角大于θ。将θ=π/2代入折射律公式，便得到无c2折射光时的起始入射角为θ=θ≡arcsin（n/n）＜π/2。1c21
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]