波分复用光纤传输系统地结构设计及性能研究

word通信工程专业综合实践 课程名称： 专业综合实践 设计题目：波分复用光纤传输系统的结构设计与性能研究 学 院： 电气信息学院 专业年级： 通信工程2011级 指导教师： 姓 名： 学 号： 时 间： 摘要在当今的时代光纤通信系统的开展速度越来越快。很多光纤系统应运而出，这些系统通常有很多个信号的通道以与不同种类的拓扑结构，另外这些系统的非线性器件和非高斯噪声源也是有许多的不同，所以这就需要大量人员去对这些系统进展设计和分析。 WDM作为现在光通信的主流技术，对它的研究有重要的现实意义。在本论文将对WDM光传输系统的调制方式、EDFA和WDM光传输系统进展设计仿真，并得到一些有参考价值的结论。论文的主要工作与成果是对掺饵光纤放大器(EDFA)进展设计仿真，用opticalsystem仿真软件对WDM光传输系统进展仿真，验证2路信道下的系统性能，并提出一个方案，达到系统性能与传输速率的平衡。关键字：WDM 光纤放大器EDFA 掺饵光纤 WDM光传输系统目录摘要-2目录-3第一章 绪论-41.1 研究背景与意义-41.2 光纤通信技术的开展-4 1.3 波分复用技术的开展-5 1.4 TDM FDM WDM的特点与应用场合-5 1.5 仿真软件OptiSystem的使用-6第二章 波分复用技术-62.1 WDM技术简介-62.2 波分复用技术的特点-8 2.3 波分复用在光纤中的应用-8第3章 WDM的结构设计-93.1 WDM系统的根本形式-93.2 WDM系统的根本结构-103.3 光波分复用器和解复用器-103.4 WDM技术目前存在的问题-11第四章 WDM光传输系统的性能研究与仿真-11 4.1 点到点2信道WDM光传输系统仿真系统图-11 4.2 点到点2信道WDM光传输系统仿真结果图-12 4.3 点到点2信道在频率为120,100,80下的输入频谱图-15 4.4 点到点2信道在频率为120,100,80下的输出频谱图-17第五章 系统仿真结果分析-18参考文献-19第一章 绪论 1.1 研究背景与意义我国在1970年的时候，在光纤通信技术上有了一个重大的突破，例如光纤性能的损耗，半导体激光器的各项性能等，也就是这个时候，宣告了我国正式开始了光纤通信的实际应用阶段，此后的30多年里，我国对半导体激光发射器又有了进一步的研究，只在光线的技术也十分成熟了，从原来的10公里、44兆比特每秒的低速率近距离传输开展到如今数十到百G比特每秒、数千公里的高速率、远距离传输。如今光纤通信飞速的开展使人们应接不暇，远远超越了人们的预期，光纤通信技术已成为当今社会的一个必不可少的存在，回想过去80年代后期的PDH系统，到90年代中期的SDH系统，再到如今的WDM光纤通信网络系统，无一不证明着光纤通信的飞速开展，以与其在未来通信技术里的地位。 随着Internet 的迅猛开展， 因特网业务和其它新型数据通信业务在整个世界X围内得到了极大应用，这就对整个通信骨干网的传送带宽提出了很大的要求，并出现了光纤耗尽现象和对带宽的无限渴求。WDM光传输系统能解决传送网面临着巨大带宽需求和网络业务调度等压力，能更好地利用光纤的带宽资源，能提供更多的带宽，减低中继本钱，同时支持业务的灵活调度。所以该门技术可以应用的方面十分的广阔。WDM技术的研究现状十分可观，不仅长途干线传输网中有其技术的支持，在城域网中该门技术也有着十分重要的地位。如今WDM光通信系统应经在实际的网络生活中有了大量的应用，成为了整个骨干光纤通信网络的首选的重要技术。1.2 光纤通信技术的开展光纤通信是以信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。光纤通信技术是近30年迅猛开展起来的高新技术，给世界通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了巨大变革。光纤通信的开展可以分为以下几个进程：第一代光纤通信系统，是以1973-1976年的850nm波长的多模光纤通信系统为代表。第二代光纤通信系统，是70年代末，80年代初的多模和单模光纤通信系统。第三代光纤通信系统，是80年代中期以后的长波长单模光纤通信系统。第四代光纤通信系统，是指进入90年代以后的同步数字体系光纤传输网络。1966年，英籍华人高锟预见利用玻璃可以制成衰减为20db/km的通信光导纤维。当时，世界上最优秀的光学玻璃衰减达1000db/km左右。1970年，美国康宁公司首先研制成衰减为20db/km的光纤。同一年贝尔实验室研制成功室温下可以连续工作的半导体激光器，其体积小、重量轻、功耗低、效率高，是光纤通信的理想光源。从此，光纤就进入了实用化的开展阶段，世界各国纷纷开展光纤通信的研究。 1.3 波分复用技术的开展两波长WDM(1310/1550nm)80年代在AT&T网中使用。90年代中期，开展缓慢，从155M 622M 2.5G10G TDM，技术的相对简单性和波分复用器件的开展还没有完全成熟，到1995年开始高速开展。我国光通信的先行者某某邮电科学研究院研制的波分复用技术，为光网络传输提供了实现“高速信息公路的可能。1997年，某某邮电科学研究院承当了具有国际领先水平的波分复用光网络技术的研究与开发。1999年，国产首条密集波分复用系统工程在某某投入实际运行，明确我国光通信产业在该领域中已取得了重大的突破，并一跃成为世界上少数能够开发、生产这一设备的国家之一。目前，我国已能够自行提供从集成式，半开放式到全开放式整个系列的密集波分复用系统。该系统将覆盖国家干线网，本地网、教育网。 1.4 TDM FDM WDM的特点与应用场合频分复用(FDM，Frequency Division Multiplexing)就是将用于传输信道的总带宽划分成假如干个子频带(或称子信道)，每一个子信道传输1路信号。频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和，同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立隔离带，这样就保证了各路信号互不干扰(条件之一)。频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延，因而频分复用技术取得了非常广泛的应用。频分复用技术除传统意义上的频分 复用(FDM)外，还有一种是正交频分复用(OFDM)。波分复用(WDM， Wavelength Division Multiplexing)其本质上是频分复用而已。WDM是在1根光纤上承载多个波长(信道)系统，将1根光纤转换为多条“虚拟纤，当然每条虚拟纤独立工作在不同波长上，这样极大地提高了光纤的传输容量。由于WDM系统技术的经济性与有效性，使之成为当前光纤通信网络扩容的主要手段。波分复用技术作为一种系统概念，通常有3种复用方式，即1 310 nm和1 550 nm波长的波分复用、粗波分复用(CWDM，Coarse Wavelength Division Multiplexing)和密集波分复用(DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing)。时分复用(TDM，Time Division Multiplexing)就是将提供应整个信道传输信息的时间划分成假如干时间片(简称时隙)，并将这些时隙分配给每一个信号源使用，每一路信号在自己的时隙内独占信道进展数据传输。时分复用技术的特点是时隙事先规划分配好且固定不变，所以有时也叫同步时分复用。其优点是时隙分配固定，便于调节控制，适于数字信息的传输；缺点是当某信号源没有数据传输时，它所对应的信道会出现空闲，而其他繁忙的信道无法占用这个空闲的信道，因此会降低线路的利用率。时分复用技术与频分复用技术一样，有着非常广泛的应用， 就是其中最经典的例子，此外时分复用技术在广电也同样取得了广泛地应用，如SDH，ATM，IP和 HFC网络中CM与CMTS的通信都是利用了时分复用的技术。 1.5 仿真软件OptiSystem的使用OptiSystem这个通讯系统模拟软件是一个功能强大且十分好入门操作的一款软件，应用该门软件可以实现对各种与光纤通信技术系统有关各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接的设计、测试和优化。如你想做一个和距离通讯系统到MANS和LANS有关的，你也可以用这个强大的软件，OptiSystem有很多其独特优点，例如选用的各类器件均是真实的器件，你可以自己对系统进展分级定义，运用其强大的模拟环境进展仿真。如果没有你想要的期间怎么办，不用怕，你可以根据你想要器件的参数进展附加的用户器件库扩展，其完整的操作界面让你永远不会觉得自己建立器件库这是一个很艰巨的任务。OptiSystem仿真软件自带了许多光通信系统的器件模型，你可以以这些模型为参考根底，运用图形用户界面控制光子器件进展进一步的设计、升级和仿真演示。令你意想不到的丰富的有源无源器件库可以让你眼前一亮，这些器件均包括了默认的实际应用的、波长相关的参数，不经如此你还可以自我调节这些参数，已达到你最想要的结果。以上这些条件可以让你的思路进展无限的拓展，你可以制作你自己想要的任何光通信系统，不管是参数的优化扫描，还是研究某些特定的器件技术参数对系统性能的各种影响。optisystem软件的开发研究其实就是为了满足各类人员例如研究开发人员、光纤通信技术方面的学者、工程师等人群。所以OptiSystem软件是一个非常符合当今社会光纤通信飞速开展趋势而有易于上手使用的光纤系统设计开发工具,而且运用该软件进展虚拟模拟可以更加快速、廉价的进展大规模的光通信系统设计与研究，同时还可以让你对于整个系统有一个更加进一步的认识。通过optisystem仿真软件你可以扫描、测量并优化任何你想要的参数例如Q因子、色散系数等等。本次毕设运用OptiSystem软件成功模拟出了完整的WDM点到点8信道的光传输系统。并对WDM光传输系统进展仿真，重点是研究在WDM光传输系统中，光纤的损耗、色散、非线性效应对光信号的影响。第二章 波分复用技术2.1 WDM技术简介波分复用WDM：Wavelength Division Multiplexing技术是一根在光纤中同时传输多个光波信号的一项技术。其根本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来复用，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进展传输，在接收端又将组合波长的光信号分开解复用，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波分分割复用，简称光波分复用技术。既是在一定的带宽上将输入的光信号调制在特定的频率上，然后将调制后的信号复用在一根光纤上，完成此调制的关键是波长复用器的应用。复用后的信号经传送后到达的远端，在经过别离或解复用出不同的波长，然后由不同的检测器将各自的光信号转换成电信号，或者直接获取各自的波长信号，并且将它们连接到其他的WDM线路上。WDM系统通过使用不同的波长在1550nm附近来承载多个通路的信号，其中可包含大量的2.5Gbit/s和10Gbit/s信号。在实验室中，已成功地实现了在120KM长的光纤上传送2.6Tbit/s既复用132波，每波20Gbit/s信号的实验。WDM的优势在于：复用多个光业务到一根光纤上，允许灵活地扩展带宽，降低复用本钱，重复利用现存的光信号。特别是在光放大器引入后，光放大器不需要经过光电转换、电光转换和信号再生等复杂过程，可直接对信号进展全光放大。WDM光联网实现的关键是光分插复用器OADM和光交叉连接器OXC的引入，组成这些元素的根本模块式空分交换模块，建立输入和输出端口之间的信道联接。所有这些，将使电信网络通道的组织、调配、安全保护等更趋灵活。WDM传送网分为三层结构：电路层、通道层和传输媒质层。其中光通道(OP)技术是关键技术，能够同时提高线路传送容量和节点的吞吐量，而且在宽带宽、终端到终端的通信中，能够显著降低传送网的本钱。 OP模式分为两种结构：波长通道(WP)和虚波长通道(VWP)。WP在整个路由分配唯一一个波长，而VWP在每个链路上分配一个波长：WP具有全局意义，而VWP只具有局部意义。这两种结构各具特点：采用VWP技术，波长利用率和路由选择的自由度将高于WP技术，对于同一物理网络结构和同样数目的波长，VWP可以容纳更多的光通道：从波长的管理角度出发，WP方案要求对全网进展集中控制，而VWP采取链路到链路的分布式控制；在WP方案中，假如不能分配一个从源节点到目的节点波长一致的光通道，就会发生波长阻塞，而VWP只存在由于没有空闲的波长通道造成的容量阻塞。光通道交叉连接(OPXC)提供了VWP方案所要求的波长转换能力。OPXC通过传送-耦合型矩阵开关(DC-SW)的应用，为VWP提供高性能的调制和升级能力。 WDM光联网已由最初的线形点到点式传送结构，逐步转变为环型结构、网型结构。现在的WDM系统与SDH在结构上非常相似，WDM光联网是在SDH的根底上，应用OADM和OXC设备建立起来的。与后者相比，其网络容量不断提高，保护能力也日益增强。2.2 波分复用技术的特点受用户业务多样化要求和网络开展的驱动，特别是由于接入层IP业务带宽的显著增长和长途网DWDM容量的急剧扩大，在城域网特别是其核心层，波分复用技术得到了初步的应用。波分复用在城域网中的应用与其自身的技术特点有着很大的关系：1. 支持多协议多业务，具有光的透明性 WDM技术属于OSI七层协议的最底层物理层。它提供了独立于业务类型的传送结构，其表现形式是对上层业务透明，能在波长级别支持现有与未来新的数据格式。 2 . 网络可扩展性好，拓扑灵活WDM系统既可满足点到点的组网需求，也可以根据业务拓朴的需要满足星形、环形、格状等组网模式，非常适合城域网新业务的开拓与业务频繁调整的现实情况。3 . 快速与时的带宽配置，业务扩展性能好 WDM系统能够快速地进展波长配置，随着技术的演进，今后还能提供便捷的端到端的连接。一个连接可以提供的带宽可以从几十Mb到波长级别，甚至可以扩大到整根光纤。另外，对于城域网未来衍生出的新类型业务，如按需带宽业务、波长批发、波长出租、带宽交易、光层虚拟专用网VPN等，城域波分系统今后也可以很好地支持。由于WDM系统的开展方向是全光网络和ASON，在光网络的根底上引入了控制平面的概念，管理平台可以更加灵活方便地对业务进展管理和调度。4. 多种生存性要求，多种业务保护机制共存对于系统上运行的波长信号，点对点的WDM系统OMT提供光层的通道和复用段保护机制，以确保承载业务的可靠性传输。5. 提供大容量的带宽需求波分复用系统提供的高带宽利用，是任何其它组网形态所无法比拟的。它在很大程度上弥补了城域网络中光纤数量不足的缺憾。目前商用的波分复用系统的带宽可以达到320G。利用长波长区L-Band或降低波长间隔可以方便地开发出更高的带宽通道，解决实际需要。 2.3 波分复用在光纤中的应用近几年随着多媒体通信的开展和计算机技术的广泛应用，信息交流的领域X围不断扩大，网络通信容量急剧增加，因而不断增加电信网络容量变得越来越重要。采用密集波分复用DWDM技术可在不投入大量资金的情况下，在原有单模光纤上提供更多的传输通道，且DWDM系统的建设周期短，能更好地实现信息传输的多元化，以较短的时间实现对光缆通信传输网的扩容，充分满足社会各界对各种带宽业务的需求。开发式的密集波分复用DWDM网络不仅采用光技术进展传输，而且通过光波长选择器件将不同波长的不同光信号合并和别离，在节点处实现光复用和光去复用，突破了电路的处理速度，为实现全光网络奠定了根底。 第3章 WDM的结构设计3.1 WDM系统的根本形式光波分复用器和解复用器是ADM技术的关键部件，将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件称为复用器也叫合波器。反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解波分复用器也叫分波器。从原理上讲，这种器件是互易的双向可逆，即只要将解复用器的输出和输入端反过来使用，就是复用器。因此复用器和解复用器是一样的除非有特殊的要求。 WDM系统的根本构成主要有以下两种形式： 1双线单相传输。单向WDM传输是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送。在发送端将在有各种信息的、具有不同波长的已调光信号 1，2, ，n,通过光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输。由于各种信号是通过不同光波长携带的，因此彼此之间不会混淆。在承受端通过光解复用器将不同波长的信号分开，完成多路光信号传输的任务。反方向通过另一根光纤传输的原理与此一样。2单线双向传输。双向WDM传输使之光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输。所用波长相互分开，以实现双向全双工的通信。双向WDM系统在设计和应用时必要考虑几个关键的系统因素，如为了抑制多通道干扰MPT,必须注意到光反射的影响、双向通路之间的隔离、串扰的类型和数值、两个方向传输的功率电平值和相互间的依赖性、光监控信道OSC传输和自动功率关断等问题，同时要使用双向光纤放大器。所以双向WDM系统的开发和应用相对说来要求较高，但与单向WDM系统相比，双向WDM系统可以减少使用光纤和线路放大器的数量。 另外，通过在中间设置光分插复用器OADM或光交插连接器OXC，可使各波长光信号进展合流与分流，实现波长的上下路Add/Drop和路由分配，这样就可以根据光纤通信和光网的业务量分布情况，合理地安排插入或分出信号。3.2 WDM系统的根本结构WDM系统由5大局部组成，分别为：光发射机、光接收机、光中继放大器、光监控信道和网络管理系统。以下主要介绍各个器件的功能。 1.光发射机 光发射机在WDM系统中属于一个十分关键的核心器件，它不仅对WDM系统的激光发射器中的中心波长有一定的要求，而且还要根据传输光纤类型与传输的远近来选择最适合的具有一定色度色散容量的发射机，在发送端首要任务是把光信号输出设备输出的光信号运用光转换器来把不稳定的非特性波长的光信号转换为稳定的特定波长信号，最后通过合波器合成转换为多路光信号，再通过光功率放大器放大后输出。 2.光接收机光接收机的作用其实就是把在传输过程中由于各种原因而导致信号强度衰减的信号进展一个检测、放大、整形、再重新生成原传输信号，也就是把一个复用信号重新复原为原来的各种特定波长的信号。光接收机自身也要满足很多条件，例如对光信号的灵敏度，各类参数是否正确，还要有抗光噪声信号的能力以与较高的电带宽的性能。 3.光中继放大器由于信号经过很长距离的传输，必有一些原因使信号强度有所衰弱，所以就需要对这个衰弱了的信号进展放大处理，以保证不失真，不影响传输性能。如今WDM系统使用的光纤放大器一般都是掺铒光纤放大器。用该放大器来对衰弱了的信号进展放大增益。 4.光监控信道光监控信道的主要功能就是起到一个对系统内各个信道传输状况进展监控的作用，反映出每个信道当前是否有异常状况发生，易于人们对每个传输信道进展修正和管理。 5.网络管理系统网络管理系统可以通过光监控信道内传送的字节来对整个WDM系统进展安全性能的管理、故障问题的管理以与资源配置的管理等等。3.3 光波分复用器和解复用器光波分复用器和光波分解复用器在整个WDM系统中占据着十分重要的地位，如果它们的性能有问题将会给整个WDM系统的传输性能带来致命性的打击，所以光波分复用器和光波分解复用器在整个WDM光传输系统对于传输质量来说有决定性的作用。光波分复用器光波分复用器的作用其实就是把多个不同规格的信号全都合并起来再同一根光纤上来传输，而光波分解复用器就是起到一个与光波分复用器相反的作用，即将复用在一起同一根光纤上传输的多个规格的信号拆分开来成为单一规格波长的信号在分别输出，这了两个器件也是一种可以互相转换的存在。把复用器的输入端和输出端反过来使用就变成了解复用器，同理把解复用器的输入端和输出端反过来使用就变成了复用器。光波分复用器和光波分解复用器的主要性能指标是接入损耗和串扰，如果你要选择一个光波分复用器或者光波分解复用器，它的频偏与接入损耗要尽可能的小，因为这两个因素满足了，不同波长信号间影响就小了同时信道间的串扰也就变小了，对隔离度也会变大。当今社会WDM系统中所采用的光波分复用器主要有两种，一个是介质薄膜型光波分复用器，一个是光栅型光波分复用器。3.4WDM技术目前存在的问题以WDM技术为根底的具有分插复用和交叉连接功能的光传输网具有易于重构、良好的扩展性等优势，已成为未来高速传输网的开展方向，很好的解决如下问题有利于其实用化。1WDM是一项新的技术，其行业标准制定较粗，因此不同商家的WDM产品互通性极差，特别是在上层的网络管理方面。为了保证WDM系统在网络中的大规模实施，需保证WDM系统间的互操性以与WDM系统与传统系统间互连、互通，因此应加强光接口设备的研究。2WDM系统的网络管理，特别是具有复杂上/下通路需求的WDM网络管理不是很成熟。在网络中大规模采用需要对WDM系统进展有效网络管理，例如在故障管理方面，由于WDM系统可以在光通道上支持不同类型的业务信号，一旦WDM系统发生故障，操作系统应能与时自动发现，并找出故障原因；目前为止相关的运行维护软件仍不成熟，在性能管理方面，WDM系统使用模拟方式复用与放大光信号，因此常用的比特误码率并不适用于衡量WDM的业务质量，必须寻找一个新的参数来准确衡量网络向用户提供的服务质量等。3一些重要光器件的不成熟将直接限制光传输网的开展，如可调谐激光器等。通常光网络中需要采用46个能在整个网络中进展调谐的激光器，但目前这种可调谐激光器还很难商用化。第四章 WDM光传输系统的性能研究与仿真4.1 点到点2信道WDM光传输系统仿真系统图传输速率10GBits/s图1 点到点2信道WDM光传输系统4.2 点到点2信道WDM光传输系统仿真结果图图2 点到点2信道Q因子图图3 点到点2信道BER误码率图图4 点到点2信道眼图图5 点到点2信道发送光谱图图6 点到点2信道接收光谱图图7 点到点2信道WDM分析仪结果图4.3 点到点2信道在频率为120,100,80下的输入频谱图 改变输入频率为120HZ图8 点到点2信道120HZ的输入频谱图 改变输入频率为100HZ图9 点到点2信道100HZ的输入频谱图 改变输入频率为80HZ图10 点到点2信道80HZ的输入频谱图 4.4 点到点2信道在频率为120,100,80下的输出频谱图改变输入频率为120HZ图11 点到点2信道120HZ的输出频谱图 改变输入频率为100HZ图12 点到点2信道100HZ的输出频谱图 改变输入频率为80HZ 图13 点到点2信道120HZ的输出频谱图第五章 系统仿真结果分析WDM光传输系统应测量的根本参数主要为波分复用、波分解复用光谱图、系统眼图和Q因子等参数，信号经光载波调制复用后的光谱图。根据眼图反映出的码间串扰和噪声对系统性能的影响就能确定出基带传输系统性能的好坏。眼图越清晰，开口越大，基带传输系统性能就越好。WDM光传输系统中，衡量光传输系统性能好坏的重要指标是BER，一般情况，信号的质量取决于Q因子和品质因数，并用Q因子来表征系统的误码率BER。Q因子越大，BER误码率越小，说明信号质量越高，基带传输系统性能也就越好，在接收端复合信号经解复用器解复用， 再经过解调器恢复出原通信信号，别离出的一路信号光谱图。可见各路信号别离后未出现混频现象，说明WDM系统有着极大的可靠性。将输入频率依次改变为120HZ,100HZ,80HZ,通过对它们的输入,输出频谱图的分析可以得到结论:载波间隔越大，信号传输质量应该越好！所以120GHz的波形，从理论上应该越好！这样有利于我们以后在工程实践中,对最优点的寻找,从而做出最优秀的工程实践工作！参考文献1 X宝富. 现代光纤通信与网络教程M. 人民邮电. 2002.7.2 马声全. 高速光纤通信ITU-T规X与系统设计M. 邮电大学. 2001.1.3 顾婉怡. 光纤通信系统M. 邮电大学. 1999.4 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