了解光通信

2015-01-17 23:53:00
admin
原創
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使用光網絡將每個人發送的信息,傳播到世界各地。接下來介紹可以一次性快速傳輸海量信息的技術。



什么是光通信


什么是光通信?
光通信就是使用光,向對方傳輸信息的技術。



光通信的基本結構
我們身邊的電腦和手機,通過電信號“0和1”發送信息。光通信是由將電信號轉換成光信號的“發送機”、將光信號轉換成電信號的“接收機”,以及傳輸光的回路“光纖”構成。


光通信的優點
1.傳輸距離長,經濟節能
2.一次性傳輸海量信息
3.通信速度快

1)傳輸距離長,經濟節能
假設1秒鐘內要傳輸10Gb的信息(100億個信號),如果使用電通信的話,每隔100米就要調整一次信號。與此相比,使用光通信的話,需要調整間隔可為100千米以上。調整信號的次數越少,所使用的機器數量也越少,因此具有經濟節能的效果。

比如說,現在和國外的朋友通話或上網聊天時,感覺與在國內通話沒什么兩樣。不像以前那樣聲音會滯后。在只有電通信的時代,一次能傳輸的距離短而且傳輸的信息量少,國際間的通信主要通過人造衛星作為中繼傳輸。但是,使用光通信的話,一次性傳輸的距離長而且傳輸的信息量多,因此,通過使用鋪設在海底的光纖光纜,就能實現與海外自然暢通的通信。(電波和光的速度相同。但是,由于經由衛星的話傳輸路徑會變長,信號到達較慢。海底電纜的距離短很多,所以信號會更快達到。)



2)一次性傳輸海量信息
大量用戶可以同時接收需要的信息(電影或新聞等)。在1秒鐘內,電通信最多只能傳輸10Gb(100億個0和1信號)的信息,與此相比,光通信最多可以傳輸1Tb(1萬億個0和1信號)的信息。



3)通信速度快
電通信會因電噪聲出現錯誤,導致通信速度下降。但是,光通信不會受到噪聲的影響,因此可快速傳輸信號。



光通信用在什么地方

光通信存在于身邊乃至世界
互聯網、手機、IP電話等使用網絡的設備,將每個人與其所在地區、與整個國家聯系起來,甚至連接至全球通信網。比如說,電腦和手機發出的信號聚集在本地通信運營商的基站和網絡供應商,再通過海底光纜中的光纖傳輸至世界各地。


連接網絡的各種設備
我們平常所使用的各種設備都能聯網。網絡的出現,讓我們的生活變得更加舒適便捷。



為什么需要光通信技術

通信量
我們的通信量每年都在增加。我們平時使用手機、短信、接收圖像、網絡(虛擬)商店時進行信息交流。設備性能逐年改善,使用方法也隨之改變。我們可以想象,今后的通信量還會不斷增大。光通信技術就運用于信息交流中。

傳輸量
隨著整個社會通信量的增加,不斷出現了只需1根光纖就能傳輸更多信息的技術。
表示傳輸量的單位
單位是bps。即bit per second的簡稱,表示1秒鐘內可以傳輸的比特數。比如說,1bps表示的則是1秒鐘內可以傳輸1比特的數據。

光通信中所使用的裝置(光傳輸裝置)
光傳輸裝置是做什么的呢
光通信網的關鍵部位裝有光傳輸裝置。這個裝置發揮著許多作用。
1.信號轉換(發送信號):將電信號轉換成光信號。
2.信號復用:將多個窄的信號匯聚成一個寬的信號。
3.信號中繼:遠距離傳輸,中途中繼信號。
4.信號轉向:轉換信號的傳輸方向。
5.信號解復用:將復用的信號分解成原來的單獨信號。
6.信號轉換(接收信號):將光信號轉換成電信號。


光傳輸裝置
裝置中安裝了各種部件。

1.轉換(發送信號)
將接收的電信號轉換成光信號。



2.復用
復用多個信號同時發送。



3.中繼
傳輸過程中,信號的波形和強度發生劣化,因此需要將波形復原到原信號那樣整齊的波形,加大光強。如果波形劣化嚴重,就需要暫時將光信號轉換成電信號,波形錯誤修正后,重新轉換成光信號進行傳輸。



4.轉向
根據信號的去向,光開關切換光信號的傳輸方向。



5.解復用
將復用的信號分解成原來的單獨信號。



6.轉換(接收信號)
將接收的光信號轉換成電信號。



通信方式(現在與將來)

下面通過汽車和車道來說明通信方式。假設汽車代表占有車道的時間(1區間)、貨物代表每次搬運的信息量(比特數)、車道代表光的一個波長。


現在的通信速度:每波長傳輸10Gbps、40Gbps
?時分復用法(TDM: Time Division Multiplexing)
因為每次可以傳輸的信息有限,所以需要分時段傳輸。比如說,多個用戶同時發送信息時,搬運信息的車道只有一條,因此裝載不同信息包裹的貨車需要排成一列進行搬運。車道出現堵塞時,傳輸速度就會變慢。



?波分復用法(WDM: Wavelength Division Multiplexing)
一次能傳輸的信息量較多,通過改變波長,可同時傳輸多位用戶的信息。比如說,即使多位用戶同時發送信息,只要分布著多條車道就不易造成堵塞,能夠流暢地運送貨物(比特數),而且傳輸速度比較平穩。



?多級調制法 (MM:Multi-level Modulation)
在1波長的1個區間傳輸多個信號的方法。通過改變光的波形,在同一波長上傳輸多位用戶的信息。具有代表性的技術是四相差分相移鍵控調制法(DQPSK:Differential Quadrature Phase-Shift-Keying)。通常情況下,每輛貨車裝載的貨物是1比特,但是,使用“DQPSK”時,每輛貨車可裝載2比特貨物。



將來的通信速度:每波長傳輸100Gbps
100Gbps相當于約0.4秒傳輸一張DVD的速度。(假設換算成容量為4.7GB的DVD)
?偏振復用法(Polarization multiplexing)
光在振動的同時向前進。振動的方向叫做“偏波”,分成垂直振動前進的光(垂直偏波)和水平振動前進的光(水平偏波)兩種。偏波中包含的信息不會互相干擾,可傳輸大量信息。比如說,1條車道上同時行駛著2輛貨車,這2輛貨車在傳輸信息時不會發生碰撞。




神通廣大的光網絡(實例介紹)

光纖遍布全世界,我們在各種場合都能獲得高質量的服務。接下來介紹相關實例。





小故事(為什么天空是藍色的,夕陽是紅色的呢)
為什么天空是藍色的,夕陽是紅色的呢?
你有沒有想過,為什么天空看起來是藍色的呢? 天空呈現藍色是有原因的。光的波長不同,呈現的顏色也不盡相同。太陽光進入地球的空氣層(大氣層)后會與空氣中的灰塵(分子)發生碰撞,因此會改變光的朝向。也就是說,因為波長較短的光(比起紅光藍光波長更短)更容易與灰塵發生碰撞,所以光線容易到處擴散。天空之所以看起來是藍色,是因為波長較短的藍光擴散至整片天空。

太陽光的波長
太陽光看上去泛白,實際上因為混雜著從紅光到藍光的各色光。也就是說,太陽光中的光的波長各不相同。

天空呈現藍色的原因(太陽光與灰塵發生碰撞)

1)太陽光進入空氣層。空氣層中漂浮著許多灰塵。

2)波長較短的藍光容易與灰塵發生碰撞,光就向四周擴散。
另外,波長較長的紅光在灰塵間自由穿梭。

3)藍光擴散至整片天空,從遠處看,天空呈現藍色。
夕陽呈現紅色的原因
為什么藍色的天空在傍晚時分會呈現紅色呢?這與太陽光穿過空氣層的距離有關。太陽下山時,太陽的位置從我們的正上方向水平方向移動。于是,太陽光穿過空氣層的距離,比起在正上方時,水平方向時變得更長,之前從灰塵縫隙中穿過的波長較長的紅光開始與灰塵發生碰撞。而且,由于藍光的波長較短,無法到達遠處,只有被紅光覆蓋的天空映入我們的眼簾,因此,夕陽看上去是紅色。

如上圖所示,夕陽呈現紅色的原因是,波長較長的光即使穿過厚厚的大氣層后也不容易發生散射,具有能夠到達遠處的特性。光通信正是利用了這一原理,為了減少光纖中的散射,實現遠距離傳輸,使用的是波長稍長的光。

預備知識(什么是波長)
什么是波長
從字面上看,“波長”就是“波的長度”。“波”包括聲波、電波和光波等。波長是指一個波到下一個波之間的“一波”之長。

波長的差異隨處可見。比如說,顏色的差異和聲音高低的差異都取決于波長的“長短”。

波的伙伴
波長不同,種類各異。光通信中所使用的頻率是1.3微米或1.55微米,屬于紅外線的一種。




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