工程硕士光纤课件第七章

第七章第七章 光纤通信中的复用技术光纤通信中的复用技术v在光纤通信系统中除了大家熟知的时分复用(TDM)技术外，还出现了其他的复用技术，例如光时分复用(OTDM)、光波分复用(WDM)、光频分复用(OFDM)以及副载波复用(SCM)技术。v1995年开始，WDM技术的发展进入了快车道，特别是基于掺饵光纤放大器EDFA的1550nm窗口密集波分复用（DWDM）系统,目前试验室目前已达Tb/s速率，WDM系统在全球范围内有了较广泛的应用。7.1.1 WDM技术原理技术原理v在光纤通信系统中采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量，在接收端采用解复用器（等效于光带通滤波器）将各信号光载波分开。7.1.1 WDM技术原理技术原理下面列出了几种传输技术实现方式：v.明线技术，FDM模拟技术，每路电话4kHz；v小同轴电缆60路FDM模拟技术，每路电话4kHz；v中同轴电缆1800路FDM模拟技术，每路电话4kHz；v光纤通信140Mb/s PDH系统，TDM数字技术，每路电话64kb/；v光纤通信2.5Gb/s SDH系统，TDM数字技术，每路电话64kb/s；v光纤通信N2.5Gb/s WDM系统，TDM数字技术+光频域FDM模拟技术，每路电话64kb/s。7.1.1 WDM技术原理技术原理vWDM本质上是光域上的频分复用FDM技术，每个波长通路通过频域的分割实现，每个波长通路占用一段光纤的带宽，与过去同轴电缆FDM技术不同的是：v（1）传输媒质不同，WDM系统是光信号上的频率分割，同轴系统是电信号上的频率分割利用。v（2）在每个通路上，同轴电缆系统传输的是模拟信号4kHz语音信号，而WDM系统目前每个波长通路上是数字信号SDH 2.5Gb/s或更高速率的数字系统。7.1.1 WDM技术原理技术原理7.1.1 WDM技术原理技术原理v7.1.2 WDM技术的主要特点技术的主要特点v1.可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍。v2.使N个波长复用起来在单模光纤中传输，在大容量长途传输时可以大量节约光纤。v3.由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立 7.1.1 WDM技术原理技术原理v4.波分复用通道对数据格式是透明的，即与信号速率及电调制方式无关。v5.在网络扩充和发展中，是理想的扩容手段，也是引入宽带新业务（例如CATV、HDTV和B-ISDN等）的方便手段。v6.利用WDM技术选路来实现网络交换和恢复，从而可能实现未来透明的、具有高度生存性的光网络。v7.在国家骨干网的传输时，EDFA的应用可以大大减少长途干线系统SDH中继器的数目。7.1.3 WDM和和DWDMvWDM和DWDM应用的是同一种技术，它们是在不同发展时期对WDM系统的称呼。v所谓密集，是指相临波长间隔而言。过去WDM系统是几十nm的波长间隔，现在的波长间隔小多了，只有（0.82）nm，甚至0.8nm。密集波分复用技术其实是波分复用的一种具体表现形式。7.1.3 WDM和和DWDM7.1.4 WDM的技术规范v1.集成式系统和开放式系统v集成式系统就是SDH终端设备具有满足G.692的光接口 波 分 复 用 器SDHSDHOAOAOA 解波分复用器SDHSDHS1S2S3SnR1R2R3Rn集成式WDM系统7.1.4 WDM的技术规范v 开放式系统就是在波分复用器前加入OTU（波长转换器），将SDH非规范的波长转换为标准波长。开放是指在同一WDM系统中，可以接入多家的SDH系统。波 分 复 用 器SDHOTUOAOA 解波分复用器SDHSDHS1S2S3SnR1R2R3RnOTUSDHOTUOTUG.957G.957G.957G.957注:接收端的OUT是可选项开放式WDM系统 7.1.4 WDM的技术规范v下图是一个波长转换器OTU。该器件的主要作用在于把非标准的波长转换为ITU-T所规范的标准波长，以满足系统的波长兼容性。TxG.957O/E/O S(G.957)Sn(G.962)OTU符合G.957的发射机 与波长转换器(OTU)合并使用的示意图 7.1.4 WDM的技术规范v2.工作波长区的选择dB1520 1530 15401550156016波 长区波长(mm)16波长区的选择7.1.4 WDM的技术规范v3.光接口分类 对于长途WDM系统的应用，我们规定了3种光接口：即822dB，333dB和530dB系统。O M UO M UBA LA LA LA PA 80km 80km 80km 80kmBA:光功率放大器 LA:光线路放大器 PA:预置光放大器 822dB系统构成7.1.4 WDM的技术规范v4.光接口参数v5.性能要求v6.光监控通路（OSC）要求 监控通路的接口参数:监控波长监控波长 1510nm 监控速率监控速率 2Mb/s 信号码型信号码型 CMI 信号发送功率信号发送功率 （07dBm）光源类型光谱特性光源类型光谱特性 MLM LD待研究待研究 最小接收灵敏度最小接收灵敏度 -48dBm7.1.4 WDM的技术规范v7.WDM系统的保护vWDM系统线路保护主要有两种保护方式：v一种是基于单个波长、在SDH层实施的11或1：n的保护；v一种是基于光复用段上保护OMSP，在光路上同时对合路信号进行保护。7.1.4 WDM的技术规范v（1）对于单个波长，在SDH层实施的11保护v这种保护系统机制与SDH系统的1+1MSP类似，所有的系统设备都需要有备份。LALAWDM系统工作系统Tx1WTx1PTx2WTx2PTxnWTxnP复用器复用器解复用器解复用器Rx1WRx1PRx2WRx2PRxnWRxnPWDM系统保护系统注：该 处 的 SDH设 备 为ADM图7-10 基于单个波长，在SDH层实施的1+1保护7.1.4 WDM的技术规范v（2）光复用段（OMSP）保护v这种技术是只在光路上进行1+1保护，而不对终端设备进行保护。Tx1Tx2TxnRx1Rx2Rxn复用器解复用器1,2光分路器12光开关LALA工作系统保护系统WDM线路1WDM线路2 光复用段(OMSP)保护7.1.4 WDM的技术规范v8.安全要求（1）光“浪涌”的产生 （2）光浪涌的防止（Optical surge prevention）v9.单纤双向传输 与单纤单向WDM相比，单纤双向WDM系统可以减少光纤和线路放大器的数量。7.2 光频分复用系统v光频分复用OFDM(Optlical Freguency Division Multiplexing)与光波分复用非常相似，如下图：激光器1激光器2激光器N信道1信道2信道N 耦合器混频检测本振中频滤波信道1信道2信道Nif1if2ifn光频分复用系统组成 7.3 光时分复用系统vOTDM传输系统的关键技术包括：1.超短光脉冲发生技术 2.全光时分复用/去复用技术 3.超高速定时提取技术v最关键技术是短脉冲生成技术，即生成Transformlimited光脉冲。v脉冲的生成方法主要有以下四种：采用半导体激光器用增益开关法。采用CW界限吸收型调制器，通过门脉冲泵浦法解决 7.3 光时分复用系统 采用冲突脉冲模同步半导体激光器得到所需要的脉冲。模同步光纤环型激光器法 复用电路主要有光学克尔开关、四波混合（FWM）开关、交叉相位调制（XPM）开关及非线性光学环路镜（NOLM）等几种结构。光定时提取技术主要采用了两种方案，一是利用行波半导体激光放大器的光波混合的锁相环电路，另一种是利用行波导体激光放大器内增益调制的锁相环电路。7.4 光空分复用系统v光空分复用（OSDM：Optical Spatial Division Multiplexing）是一种新型技术。它在光网络中的作用如同分组交换在专用线路中的作用一样。vOSDM保留了基本的光传输系统的确定性特征并改善了对“突发性”数据分组业务的传输性能。vSDM的目标是在保持其固有性能的前提下，传输话音、TDM和其他的数据业务，同时大大地提高对突发性数据业务如ATM、帧中继、以太网和IP业务的传输效率。7.5 光码分复用系统v光码分多址（OCDMA）是一种全新的频率资源利用思路，它的信道占据的是同一个宽频带，从而原则上不需要光滤波器件，不同信道之间相互独立地发送与接收信号，从而不需要网际规模的时钟同步。7.5.1 基本原理v1.系统结构v光纤网有多种拓扑结构，如环形、总线形、星形等。其中OCDMA研究大部分考虑的是无源星形结构 7.5.1 基本原理v2.OCDMA系统的编解码v在OCDMA的研究中，编解码方式有两种基本类型：v扩频类型和非扩频类型：v扩频类型又进一步可分为扩时编码和扩频编码。v非扩频类型主要是以光学特征为码字的系统中的编码。7.5.1 基本原理v3.OCDMA的地址码v地址码的性能以码字个数（即码族的大小）、码字间平均干扰参数（AIP）和循环相关界限来衡量。在码字设计中，后两者常以自相关、循环自相关和互相关等参数来描述。v目前研究的光学码有光正交码以及它的变种、素数序列码及其变种、空间结构光学码、结合跳频的光学码等。7.5.2 典型的系统方案v1.扩频类型的OCDMA系统v(1)光纤延迟线编码系统v光纤延迟线编码系统采用的编码器是由并行的几束光纤和两个1P星形耦合器构成的，作用是将一个输入的短脉冲进行不同的延时，在输出端将得到由这些不同延时的短脉冲合成的脉冲序列如图 7.5.2 典型的系统方案v(2)相干光偏振调制系统 v本方法为时域扩频，调制参数为光信号的偏振态，这是电信号所不具备的，其中编码器是一个相位调制器，调制偏振光的相位，使之由单极偏振变成双极偏振。v(3)多比特传输系统v 而在多比特系统中，每个序列周期传输多个比特，在接收端的比特判断中使用最大相关值的方法。7.5.2 典型的系统方案v2.非扩频类型的OCDMA系统v相干光相关编码系统采用的编码器是一个带有时延元件和色散元件组成的马泽干涉仪。如图 所示：(t）为入射信号1（t）、2（t）为输出信号 其中1（t）耦合进光纤（t-）为延迟线响应 h（t）为色散元件的脉冲响应 7.5.2 典型的系统方案v(2)全息OCDMA v这是根据光信息处理中的相关理论发展起来的，是一种非扩频地址序列的方案。以一个二维分布的图形作为编码器，以其频谱的全息图作为解码器，对接收的信号作相关运算，匹配时出现亮点，否则没有亮点出现，这种码分多址技术的研究主要局限于传像光纤组成的网络，目前有待进一步的研究。7.5.3 最新解码器结构v在非相千时域扩频系统中，解码器端用硬件限幅器（HL）减小干扰已经得到深入的研究，分析表明，采用下图的结构，可以明显地改善系统的性能。vCATV即有线电视网或称电缆电视网，是由广电部门规划设计的用来传输电视信号的网络。目前它的覆盖范围比电信网还广，在许多地方已建成光缆和同轴电缆混合网。从用户数量看，我国已拥有世界上最大的有线电视网络。7.6 CATV和HFC接入技术7.6.1 CATV的网络结构7.6.2 CATV网的改进与未来 v 改造一：用光纤代替同轴电缆 v改造二：为了克服CATV网络单向的缺陷，采取在光缆和同轴电缆主干线放大器中插入模块的方法解决双向化问题，并在用户端安装一个调制解调器，给用户提供上行通道。v一个光纤节点覆盖的用户数 v如何在单向的CATV网上提供对称的、一致的、高质量的双向通信业务 v怎么处理用户端和网络设备的供电问题 7.6.3 有线电视和HFC的应用7.6.4 HFC的频谱 7.6.5 CATV HFC结构7.6.6 HFC系统原理7.6.7 HFC的优点7.6.8 CATV 与DATA/Telephony7.6.9 电缆调制解调器 （Cable Modem）Cable Modem应用结构