電信傳輸系統(tǒng)ppt課件

1、.,從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)角度 看電信傳輸系統(tǒng),.,引子 電信系統(tǒng),一、電信系統(tǒng) 所謂電信系統(tǒng)是指為完成通信工作的各種協(xié)調(diào)工作的電信設(shè)備的集合。,.,電信系統(tǒng)模型組成,1.發(fā)信終端設(shè)備及收信終端設(shè)備 2.傳輸信道 3.交換設(shè)備 4.噪聲 5.信源和信宿,噪聲,交換設(shè)備,發(fā)信終端,收信終端,信宿,信源,.,第一部分 傳輸系統(tǒng),第一節(jié) 傳輸基本概念及技術(shù) 第二節(jié) 電信傳輸標(biāo)準(zhǔn),.,第一節(jié) 傳輸基本概念及技術(shù),傳輸系統(tǒng)：信源提供的語(yǔ)聲、數(shù)據(jù)、圖像等待傳遞信息由用戶(hù)終端設(shè)備變換成電信號(hào)，經(jīng)傳輸終端設(shè)備進(jìn)行調(diào)制，將其頻譜搬移到對(duì)應(yīng)傳輸媒質(zhì)的傳輸頻段內(nèi)，通過(guò)媒質(zhì)傳輸至對(duì)方后，再經(jīng)解調(diào)等逆變換，恢復(fù)成信宿適用的信息形

2、式，這一全過(guò)程信息所通過(guò)的通信設(shè)備的總和稱(chēng)傳輸系統(tǒng)。 凡連接兩個(gè)終端設(shè)備的傳輸系統(tǒng)稱(chēng)信道，凡連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上兩個(gè)交換設(shè)備的傳輸系統(tǒng)稱(chēng)鏈路。,.,1.模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào),圖 模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào) (a) 模擬信號(hào) (b) 數(shù)字信號(hào),.,2.數(shù)字通信系統(tǒng),無(wú)論信源產(chǎn)生的是模擬數(shù)據(jù)還是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù), 在傳輸過(guò)程中都要變成適合信道傳輸?shù)男盘?hào)形式。 在模擬信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào), 在數(shù)字信道中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)。 如果信源產(chǎn)生的是模擬數(shù)據(jù)并且以模擬信道傳輸則叫做模擬通信 如果信源發(fā)出的是模擬數(shù)據(jù)而以數(shù)字信號(hào)的形式進(jìn)行傳輸, 那么這種通信方式叫數(shù)字通信。,.,數(shù)字通信系統(tǒng)模型,圖 數(shù)字通信系統(tǒng)模型,.,3.數(shù)字信號(hào)

3、的頻譜和信道帶寬,1. 傅立葉分析 任何周期信號(hào)都是由一個(gè)基波信號(hào)和各種高次諧波信號(hào)合成的, 按照傅立葉分析法可以把一個(gè)周期為T(mén)的復(fù)雜函數(shù)g(t)表示為無(wú)限個(gè)正弦和余弦函數(shù)之和:,.,其中a0是常數(shù), 代表直流分量, 且為基頻, an, bn分別是n次諧波振幅的正弦和余弦分量:,.,2. 周期矩形脈沖信號(hào)的頻譜 所謂頻譜是指組成周期信號(hào)的各次諧波的振幅按頻率的分布圖, 這樣的頻譜圖以頻率f為橫坐標(biāo), 相應(yīng)的各種諧波分量的振幅u為縱坐標(biāo), 如圖所示。,.,信號(hào)帶寬,圖中諧波的最高頻率fh與最低頻率fl之差(fh-fl)叫做信號(hào)的頻帶寬度, 簡(jiǎn)稱(chēng)帶寬。,.,信道帶寬,圖 信道帶寬,.,4.數(shù)字信道

4、的特性,1. 波特率和信道容量 早在1924年, 貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究員亨利尼奎斯特(Harry Nyquist)就推導(dǎo)出了有限帶寬無(wú)噪聲信道的極限波特率, 稱(chēng)為尼奎斯特定理。 若信道帶寬為W, 則尼奎斯特定理指出最大碼元速率為,.,香農(nóng)(Shannon)的研究表明,有噪聲信道的極限數(shù)據(jù)速率可由下面的公式計(jì)算:,.,5.脈沖編碼調(diào)制,模擬數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)字信道傳輸有效率高、 失真小的優(yōu)點(diǎn), 而且可以開(kāi)發(fā)新的通信業(yè)務(wù), 例如, 數(shù)字電話(huà)系統(tǒng)可提供語(yǔ)音信箱的功能。 把模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào), 要使用一種叫編碼解碼器(Codec)的設(shè)備。 常用的數(shù)字化技術(shù)就是所謂的脈沖編碼調(diào)制技術(shù)PCM(Pulse Code

5、 Modulation), 簡(jiǎn)稱(chēng)脈碼調(diào)制。,.,PCM的原理如下: (1) 取樣。 每隔一定時(shí)間間隔, 取模擬信號(hào)的當(dāng)前值作為樣本。尼奎斯特(Nyquist)取樣定理告訴我們: 如果取樣速率大于模擬信號(hào)最高頻率的二倍, 則可以用得到的樣本空間恢復(fù)原來(lái)的模擬信號(hào)。 (2) 量化。 取樣后得到的樣本是連續(xù)值, 這些樣本必須量化為離散值, 離散值的個(gè)數(shù)決定了量化的精度。 圖2.15中我們把量化的等級(jí)分為16級(jí)。 每個(gè)樣本都量化為它附近的等級(jí)值(圖2.15(a)。 (3) 編碼。 把量化后的樣本值變成相應(yīng)的二進(jìn)制代碼。 按照?qǐng)D2.15(b)的編碼方案, 我們得到相應(yīng)的二進(jìn)制代碼序列, 其中每個(gè)二進(jìn)制代

6、碼都可用一個(gè)脈沖串(4位)來(lái)表示。 這4位一組的脈沖序列就代表了經(jīng)PCM編碼的原模擬信號(hào),.,6.多路復(fù)用技術(shù),多路復(fù)用技術(shù)是把多個(gè)低速信道組合成一個(gè)高速信道的技術(shù)。,.,圖 多路復(fù)用,.,頻分多路復(fù)用(FDM),FDM(Frequency Division Multiplexing)是在一條傳輸介質(zhì)上使用多個(gè)頻率不同的模擬載波信號(hào)進(jìn)行多路傳輸, 這些載波可以進(jìn)行任何方式的調(diào)制: ASK, FSK, PSK以及它們的組合。 每一個(gè)載波信號(hào)形成了一個(gè)子信道, 各條子信道的中心頻率不相重合, 子信道之間留有一定寬度的隔離頻帶,.,.,時(shí)分多路復(fù)用(TDM),TDM(Time Division Mu

7、ltiplexing)要求各個(gè)子通道按時(shí)間片輪流地占用整個(gè)帶寬(圖2.23)。 時(shí)間片的大小可以按一次傳送一位, 一個(gè)字節(jié)或一個(gè)固定大小的數(shù)據(jù)塊所需的時(shí)間來(lái)確定。,.,圖 時(shí)分多路復(fù)用,.,第三節(jié) 電信傳輸標(biāo)準(zhǔn),在介紹脈碼調(diào)制時(shí)(第2.7節(jié))曾提到, 對(duì)4 kHz的話(huà)音信道按8 kHz的速率采樣, 128級(jí)量化, 則每個(gè)話(huà)音信道的比特率是56 kb/s。 為每一個(gè)這樣的低速信道敷設(shè)一條通信線(xiàn)路是太不劃算了, 所以在實(shí)用中要利用多路復(fù)用技術(shù)建立更高效的通信線(xiàn)路。 在北美和日本使用很廣的一種通信標(biāo)準(zhǔn)是貝爾系統(tǒng)的T1載波,.,T1載波原理圖,圖 2.25 貝爾系統(tǒng)的T1載波,.,T1載波也叫一次群,

8、 它把24路話(huà)音信道按時(shí)分多路的原理復(fù)合在一條1.544 Mb/s的高速信道上。 CCITT有一個(gè)類(lèi)似 1.544 Mb/s的標(biāo)準(zhǔn)。 CCITT還有一個(gè)2.048 Mb/s脈沖編碼調(diào)制載波標(biāo)準(zhǔn)。 CCITT T1載波還可以多路復(fù)用到更高級(jí)的載波上。,.,圖 2.26 多路復(fù)用,.,第二部分 光通信基本理論,第一節(jié) 光纖通信 第二節(jié) 光纖的傳輸特性,.,一、光纖通信的概念、使用波長(zhǎng)及傳輸原理,1、光纖通信的概念 光纖通信是指以光波為載體，以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)的通信方式。,., 使用波長(zhǎng)范圍,光纖通信所用的光波長(zhǎng)范圍在8001600nm的近紅外區(qū)。目前所采用的三個(gè)實(shí)用通信窗口為： 短波波長(zhǎng)段：波長(zhǎng)

9、為0.85微米 長(zhǎng)波波長(zhǎng)段：波長(zhǎng)為1.31微米 長(zhǎng)波波長(zhǎng)段：波長(zhǎng)為1.55微米,.,圖6.2 光纖的衰減譜,., 傳輸原理,光的傳播是通過(guò)電場(chǎng)、磁場(chǎng)的狀態(tài)隨時(shí)間變化的規(guī)律表現(xiàn)出來(lái)的。在光纖通信系統(tǒng)中，通信光纖利用光的全反射原理傳導(dǎo)光信號(hào)。光纖的纖芯完成光信號(hào)的傳輸，光纖的包層負(fù)責(zé)將光封閉在纖芯內(nèi)并保護(hù)纖芯，增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度。,.,二、光纖通信的特點(diǎn),1、傳輸頻帶寬、通信容量大 光纖的碼速容量比同軸電纜大5個(gè)數(shù)量級(jí)，這一巨大的碼速容量對(duì)于傳輸線(xiàn)來(lái)講是非常重要的。 2、傳輸衰減小、傳輸距離遠(yuǎn) 這對(duì)長(zhǎng)途通信是非常有利的。 3、抗電磁干擾、保密性好、傳輸質(zhì)量高 由于是采用光波做傳輸載波，不易受到外界

10、的電磁干擾。,.,4、光纖尺寸小、質(zhì)量輕，便于運(yùn)輸和敷設(shè) 5、耐化學(xué)腐蝕、適于特殊環(huán)境 6、原料資源豐富、節(jié)約有色金屬 由于光纖是采用SiO2玻璃這種極易得到的有機(jī)原料制成，與用銅質(zhì)電纜作為傳輸媒質(zhì)相比，節(jié)約了大量的有色金屬“銅”。,.,三、光纖的結(jié)構(gòu),光纖是由纖芯和包層組成的，其中纖芯的折射率n1略高于包層的折射率n2，因?yàn)檫@樣才能實(shí)現(xiàn)光波在纖芯中傳輸時(shí)的全反射。,.,第二節(jié) 光纖的傳輸特性,一、損耗特性 光波在光纖中傳輸時(shí)，隨著傳輸距離的增加光功率將逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗。在光纖光纜中，存在著金屬電纜所沒(méi)有的特有損耗。產(chǎn)生光損耗的原因大致分為光纖固有的損耗和光纖制造后的附加損耗。,

11、.,1、吸收損耗 光波通過(guò)光纖材料時(shí)，一部分光能轉(zhuǎn)變成熱能，造成光功率的損失。光纖中的OH-成分引起的吸收損耗最大。 2、散射損耗 所謂散射是指光通過(guò)密度或折射率等不均勻的物質(zhì)時(shí)，除了在光的傳播方向以外，在其他方向也可以看到光，這種現(xiàn)象叫光的散射。光的散射包括瑞利散射、米氏散射、受激布里淵散射、受激拉曼散射等。 由于光纖的材料、形狀、折射率分布等的缺陷或不均勻，使光纖中傳導(dǎo)的光與微小粒子相碰撞發(fā)生散射，由此產(chǎn)生的損耗叫做散射損耗。,.,3、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不完善而引起的損耗 實(shí)際的光纖纖芯與包層的交界面并非理想光滑的圓柱面，而存在著非常微小結(jié)構(gòu)的凹凸現(xiàn)象。這種不均勻表面能將傳輸模轉(zhuǎn)換成輻射模，使光纖損

12、耗增加。這種損耗可隨制造工藝的改善而減小。,.,4、微彎損耗 光纖側(cè)面受到不均勻壓力，軸向上發(fā)生微米級(jí) 彎曲，造成纖芯與包層界面微小凹凸，產(chǎn)生光輻射損耗。 5、彎曲損耗 光纖彎曲的曲率半徑較小，光泄露到包層中，產(chǎn)生損耗。 6、接續(xù)損耗 光纖接續(xù)時(shí)，兩纖芯間不完全吻合，致使一根光纖的出射光泄露到包層而輻射損耗掉。,.,色散特性,1、模 在光纖的數(shù)值孔徑角內(nèi)，以某一角度射入光纖端面，并能在光纖的纖芯到包層界面上形成全反射的傳播光線(xiàn)就可稱(chēng)為一個(gè)光的傳輸模式。,.,單模光纖與多模光纖,光波在光纖中以什么模式傳播, 這與芯線(xiàn)和包層的相對(duì)折射率, 芯線(xiàn)的直徑, 以及工作波長(zhǎng)有關(guān)。 如果芯線(xiàn)的直徑小到光波波

13、長(zhǎng)大小, 則光纖就成為波導(dǎo), 光在其中無(wú)反射地沿直線(xiàn)傳播, 這種光纖叫單模光纖。 單模光纖比多模光纖更難制造, 因而價(jià)格更貴。,.,單模光纖與多模光纖圖示 (a) 多模光纖 (b) 單模光纖,.,2、色散,光纖中的信號(hào)是由不同的頻率成分和不同的模式成分來(lái)攜帶的，這些不同的頻率成分和不同的模式成分的傳輸速度不同，到達(dá)光纖終端有先有后，從而引起波形畸變的一種現(xiàn)象叫做色散。色散的大小由時(shí)延差表示。單位：ps/km.nm。時(shí)延指信號(hào)傳輸單位長(zhǎng)度時(shí)，所需要的時(shí)間。時(shí)延差是不同速度的信號(hào)在時(shí)延上的差別。 時(shí)延差越大，色散越嚴(yán)重。,.,色散 示意圖,.,1977年美國(guó)在芝加哥相距7km的兩電話(huà)局間，首次使用

14、波長(zhǎng)為0.85m的多模光纖，成功地進(jìn)行了碼速為44.736Mbit/s的光纖通信系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。短波長(zhǎng)(0.85m波段)多模光纖系統(tǒng)稱(chēng)為第一代光纖通信系統(tǒng)。 1981年實(shí)現(xiàn)了局間使用1.3m多模光纖的通信系統(tǒng)，這類(lèi)系統(tǒng)稱(chēng)為第二代光纖通信系統(tǒng)。 1984年實(shí)現(xiàn)的1.3m單模光纖系統(tǒng)，稱(chēng)為第三代光纖通信系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)途和跨洋通信中。 80年代中后期又推出了1.55m單模光纖通信系統(tǒng)，即第四代光纖通信系統(tǒng)。,.,很快。不管在陸地上還是在海底都建起了光纖傳輸網(wǎng)，全世界敷設(shè)的光纜總長(zhǎng)超過(guò)了幾千萬(wàn)公里。光傳送網(wǎng)的技術(shù)體制從準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)發(fā)展到同步數(shù)字體系(SDH)，數(shù)字速率從幾百兆比特每秒發(fā)展

15、到吉比特每秒；但由于時(shí)分復(fù)用(TDM)的技術(shù)的限制，以SDH技術(shù)為基礎(chǔ)的傳送網(wǎng)吞吐量仍然十分有限，而各種語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像等通信業(yè)務(wù)量猛增又要求傳送網(wǎng)提供更大的帶寬和容量，因此90年代中期波分復(fù)用(WDM)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。,.,WDM能夠在一根光纖上傳送多路光信號(hào)，多路信道的間隔從大于25 nm發(fā)展到小于3.2nm，后者稱(chēng)為密集波分復(fù)用(DWDM)。單波長(zhǎng)信道速率為2.5 Gbit/s或10 Gbit/s時(shí)，采用DWDM技術(shù)就可在單根光纖上實(shí)現(xiàn)太比特每秒數(shù)量級(jí)的超高速、超大容量傳輸。,.,光傳送網(wǎng)(OTN),因特網(wǎng)的興起，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的爆炸性增長(zhǎng)，推動(dòng)了傳輸技術(shù)和傳送網(wǎng)的發(fā)展。在光纖傳輸線(xiàn)路上加上光放大器，形成了更大容量、更長(zhǎng)距離的傳輸系統(tǒng)，從而減少了線(xiàn)路中光/電、電/光轉(zhuǎn)換的電中繼再生器。 DWDM的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用是組建光傳送網(wǎng)(OTN)的關(guān)鍵。以波分復(fù)用器件和光網(wǎng)絡(luò)單元，如光交叉連接器(OXC)、光分插復(fù)用器(OADM)等，組成不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提供以波長(zhǎng)為單位的透明通道，在光域上實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的傳輸