（通信与信息系统专业论文）dwdm系统光监控信道的实现技术.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a 酗t l 镶l n i sp r o j e c t ，1 6 ( 3 2 ) 1 0 g b ss d h - w d ms y s t 锄，w a s0 n eo ft l i em o s ti m p o n a n t p r o j 础s 纽t h cp a n 斌抽e r c o 琏燃黼i 嘲i o n t e c 妇越o g yo f 聩擀n a 6 咖a l “8 6 3 ”p l 姐。a 丑d 搬 也i sp 溺e c t ，lf e s p o 斌醯砸t b e 聪s e a r c hw 嘛o ft l l eo s cb o a 砖ht l l i st h 舔s ，t h er c s e 甜穗， d e s i 舻a n di m p l e m e n t a t i o nm e 舢do f0 s c 执w d m h a db e e nd i s s s e d b a s e do nt h c d 馓黼do f u - tr e c 0 锄铋d a t i o n ，也ef e a l i z 锚o v c r h e a dt e 煳j n a t i o rp a s st h r o u 驰 p 筠c e s s i 矗g 。fd 戳漾，d l x 瓣，嚣l ，e 2 ，f l ，n m cb y l e si sp c r 嘲e d 壕e0 s c 酌羽，熊 w e l la st i l ea p r p m c c s s i n g f i 埘l y ，t h i s t l l e s i si n n o d u 刚t h ef i l n c 6 0 n so fo s cb o a r di l ld w d ms y s t e m s d l y ，遮t 毯s 氐蠡s ，氇搴翻l g 酩o f 娃撼缸越es 钠髓掘疆冁蛀臻疆u 嚣 r e m m e n d a t i o nq 7 0 4 扭dh o wt h e0 v e r h e a db ”e sw e d i s 删b u t e dt ot l l et i m es l o t s a o c o r d i n gt ot h e i rh i t 强t ew 0 辩i n t r o d u c e d a tt h es a m et i m e ，t 1 1 ed i f f e r e n t i 砒i o no ft h e & n 嬲。舳l o 凼黼sd 髓l 稚诚攮穗酝琏s ，矬s 黼珏a s & 濂疼锄髓饿潍m c l 烈i n h a r d w a f ea n ds o f h v 盯e 强dt h ec ：h o i c e s o f 曲印s 硼l 甜e 触t o ，m ef e 斌i z c so v e f h c a d t e 黼j n a 廿0 no rp a s st h r o u g hp r 0 s s i n g 粕dt h ea p r p r o c e s s i n ga r cp e 哟黼e di nf p g a bl h ep c bd e s i 鼢c ， 叟骸魏睁捎何鳌跣枉螅一骥翟鬻；覆露羹錾婆鬟茨蓊孽潼鬻窭黧 萋蕊留；篙锎溪弱司翟圆蓊鞲型翥篙谧羹式魏骚蠢笥爵! 蒲醺堑嚣骚韵西鞲蓊彗嚣 斧鞠射琶裁剐觚型蕊礤鏊螋。熬翳髂蕊奏薹蓊螽淘蠹饕囊荔燮嚣鹜萎i羹冀jj强鞠篆嚣蓊磊嚣霞颡霪蜓t h es i g n 穰l s 辩端v 燃yi m p o r t a n tt o 壤es t a b i 珏童yo f 也eb ( 瑚瞳。s o 攮i s 穗e s 主s 盛s csse哇壤e p 矗n c i p j e s f 缸t h el a y o u l o fm ep c b ，t h el a y i n g o f t r a 瞄s 粕d t h ei m p c d a n c c matchingotll e 俐i s e ，t h i st h e s i s d 主s c u s s e dl h ei m p 王e m e n l a t i o n melhodo ff h m e s y n c h r o n 主z a t 溉m e 黜xa n d d e m u x o ft h e臻a l 溉s o v 啦e 赫剃氇e 艚r 辨c e s s 堍 珏& 隧l s 融薛泣e l 妇抽幽g 主纛s yn c h m n i z a t i o nc i 舭i t i sv e r y i m p o r t 锄tf o rt i l es t a b n i t y o ft h e boafd，tilis t h c s i s d i s c u s s e d m ei s s l i c so ft h eo p t 妇i z a t i o n d鼯i弘tcclllliquesi nf p g ad e s i 弘e i nt h j s m c s i s ，t | 醅聃髓b 建o f 矗e 鼬瑚耋瑾毫璐g o 臻e 霸li 糙疼懿le臻|藤by硅豳g氇e抽a撼e强|ml t瘀le翘d攮enetworkmanagementsof时aremadebyffbefhomeisin虹oducedl弱tlype柏mancetestsanden百necringapplicatio眦havebeenimmduced，aufunctions柚dtechnical 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1绪论 八十年代以来，以信息技术、生物技术、新材料等高技术为代表新技术革命浪 潮有力地冲击着全球，它对生产力的发展、人类创造力的发挥、产生了巨大的影响， 引起了经济、社会、文化、政治、军事等方面的深刻变革。高技术及其产业化已成 为国与国之间竞争的主要手段。实践证明，掌握了高技术，抢占了科技的“制高点” 和前沿阵地，就可以在经济上更加繁荣，政治上更加独立，战略上更加主动。因此， 许多国家都把发展高技术列为国家发展战略的重要组成部分，不借花费巨额投资， 组织大量的人力与物力，实施一系列的高技术研究发展计划。 为了迎接世界高技术领域的挑战，提高我国的综合国力，改善我国高技术研究 和发展水平，国家于1 9 8 6 年制定并实施了为期1 5 年的“国家高技术研究发展计划 ( 8 6 3 计划) ”，通过不断开拓，自主创新，取得了大量世人瞩目的研究成果。8 6 3 计划为我国科技事业的发展，跟踪和赶超世界先进水平，构造我国技术创新体系， 发展具有自主知识产权的民族新兴产业体系奠定了基础，同时也将对我国综合国力 的提高及2 1 世纪的总体发展和整个现代化进程产生深远的影响。 信息产业部武汉邮电科学研究院是信息产业部直属的光纤通信技术综合型研究 开发单位。主要从事光通信技术领域的研究开发，围绕光传输系统、光纤光缆、光 电器件以及数据网络技术等方面开展研究、开发和产业化工作。1 9 9 8 年被国家科技 部批准为“国家光电子工艺中心( 武汉分部) ”，在科技部召开的8 6 3 计划工作会议 上被认定为首批1 6 家8 6 3 计划产业化基地之一。 武汉邮科院研究领域核心技术的形成离不开“8 6 3 ”计划的支持，如通信技术领域 的s d h l 5 5 m b s 、6 2 2 m b s 、2 5 g b s 及a d m 系统、1 0g b x 华中科技大学硕士学位论文 成批量生产规模，并已应用于各级通信干线的建设工程，有力地打破了豳外通信设 备供应商对我国通信市场的垄断，为我国光通信产业的健康成长创造了良好的条件， 实现了多个“黧内首先”，拯：蓠兔舞发出豹2 。5 g b 趣s 渊光通信系统应爝予海疆一三 亚光传狯系统建设工程，蓄先秀发凄楚2 ，5 盎a d m 鑫愈环系统痤焉予溺j e 鄂臻逶 信建设工稷，酋先开发出的8 2 5 g b s s d h w d m ( 波分复用) 系统应用予济南一青 岛光传输系统建设工程，首先开发的掺铒光纤放大器( e d f a ) 大量应用于包括海口 三亚工程、济南一青岛工程在内的国内许多光传榆系统建设工程，蒋先实现l o g 懿s 懿分复用实验系统疆髑并予约年8 是逶避狻浚，黠酸1 0 g 系绫必基懿夔 w d m 盼广泛成雳仓4 造了条件。 本课题即为“8 6 3 ”计划光纤通信技术分项重大课题，课题编号：8 6 3 3 1 7 0 2 0 1 9 9 1 6 ( 3 2 ) l o g b ss d h 波分复用系统。研究目标：2 0 0 0 年底前要求采用波分复用技 术完残一令爨有5 个光放大段懿l 蔽l 蝴波分笈溺系统。系统由2 2 个s d h l o g 酶终端笈褥器疆m ) 、4 个必线鼹放大器( e d e 茂) 秘一个露元管理系统缝成。要求 能支持5 个光放大段，总损耗为1 1 0 d b ( 5 2 2 d b ) ；脊在线监控能力，监控通路波长 1 5 1 0 i l m ，速帮2 删s ；光接口搬腰参数指标应符合刖，t 建议g 6 9 1 和q 6 9 2 ，波 长参考频率1 9 3 + l n z ( 1 5 5 2 5 2 船嘲) ， 波长间隔1 0 0 g 玩，等间隔安排，包数不低于 鞠举趣糙；功缝穗瞧符合强u 嚣建滚& 6 8 l 豹裁定。谚究蠹容：超囊遴复溺簿复 用技术；超高速瞄步技术；色散容纳技术f d 舢；超离遥光收发技术；怒离速系统的 电磁干扰和电磁屏蔽技术；1 6 1 0 c 耐s 系统测试技术；波分复用系统管理技术。本 人在课题中承担光监控信道盘的研制工作。 。2 谨d 酗技米熬发震 在过去2 0 年里，光纤通信的发展超乎了人们的恕缘，光通信网络也成为现代通 信网的基础平台。就我国长途传输阚而言，截止到1 9 9 8 年底，省际干线光缆长度已 接近2 0 万k m 。光绎通信系统缀魇了几个发展阶段，从黼年技耒的p d h 系统，9 0 年代中鬟的s 黔嚣系统，戳及逯采炎起云涌静w d 赫系统，走纤遥售系统蠡隽在浃逮 地更新换代。 2 华中科技大学硕士学位论文 波分复用技术【】从光纤通信出现伊始就出现了，两波长w d m ( 1 3 1 0 1 5 5 0 舯) 系统8 0 年代就在美国舡& t 网中使用，速率为2 1 7 g b s 。但是到9 0 年代中期， w d m 系统发展速度并不快，主要原因在于：1 t d m ( 时分复用) 技术的发展， 1 5 5 m b 佛6 2 2 m b 卜_ 2 5 g b ，s t d m 技术相对简单。据统计，在2 5 g b s 系统以下( 含 2 5 g b s 系统) ，系统每升级一次，每比特的传输成本下降3 0 左右。正由于此，在 过去的系统升级中，人们首先想到并采用的是t d m 技术。2 波分复用器件还没有完 全成熟，波分复用器解复用器和光放大器在9 0 年代初才开始商用化。 1 9 9 5 年开始，w d m 技术的发展迸入了快车道，特别是基于掺饵光纤放大器 e d e a 的1 5 5 0 l l m 窗口密集波分复用( d w d m ) 系统。l u c e n t 率先推出8 2 5 g b s 系 统，a e 皿推出了1 6 2 5 g b s 系统，试验室目前已达1 r b 临速率，世界上各大设备生 产厂商和运营公司都对这一技术的商用化表现出极大的兴趣，w d m 系统在全球范围 内有了较广泛的应用。发展迅速的主要原因在于：1 光电器件的迅速发展，特别是 e d f a 的成熟和商用化，使在光放大器( 1 5 3 0 1 5 6 5 n m ) 区域采用w d m 技术成为 可能。2 t d m l 0 g b ，s 面临着电子元器件的挑战，利用 m 方式已日益接近硅和镓砷 技术的极限，t d m 已没有太多的潜力可挖，并且传输设备的价格也很高。3 已敷设 g 6 5 2 光纤1 5 5 i m 窗口的高色散限制了t d m l o g b s 系统的传输，光纤色度色散和 极化模色散的影响日益加重。人们正越来越多地把兴趣从电复用转移到光复用，即 从光域上用各种复用方式来改进传输效率，提高复用速率，丽w d m 技术是目前能 够商用化最简单的光复用技术。 1 3 光监控信道研制的目的和意义 d w d m 技术的应用极大地推动了通信网络拽术和容量的快速发胺，由于它承载 的业务激大，传输的通路多，对传输的质量和研耀性要求高，因此发生网络故障对 于d w d m 网络来说是灾难燃的，进藤对d w d m 兜传送网络的管理麟鼹得 常的必 要，目辩穗提凄了更高戆篓求，d w d m 光辘竣镣送溺豹譬瑾菝术也裁袋为决定溺络 结构、技术走向的关键因索【4 删。 目前d w d m 系统对业努信号采用透明的传输方式，d w d m 管璁维护开销普遍 3 华中科技大学硕士学位论文 采用光传送层的开销处理和检测；而对系统传输的质量的管理，一方顽是通过检测 d w d m 系统必器 孛和接口的貔理量，主要包括输入、输出光功率、巍傣嗓比、激光 器镶嚣嘏潮温度等，勇一方灏是逶遘翻瞰对s 粉h 售号再生段开镂瓣姓理( b l 误褥 和j o 踪字节检狈) 保证c 0 s 。同时从d w d m 管联范围看，d w d m 网络是其它客户 信号的传送平台，对于实际撩行的系统，它既可以承载标准的s d h 信号，也可以承 载衄 m 戏潜是其它任何不受限的数字和模拟信母。因而d 、d m 的网管系统也应该 与其转送鹣绩号嗣管努褰，羹少是在鼹元屡要镪魔分开。鉴予鞋土壤溅，d w d m 系 统在域阶段至少应设置独意的弼元管理功糍( 嚣m ) 层，应具有在一个平台上至少管 理e d f a 、波分复用器、波长转换器( 0 1 叫) 、靛控通道性能的功能，能够对设备进 行性能、故障和配置等方西的管理。 在矜w d m 传送网中，不阉的霹络单元之阍交换信息驻及与管壤系统酶连接都嚣 要信令嵇惑。s 懿稹结构、绷静谙元帮l p 叙结稳中包含了专门孺子管理功戆 的开销字节，可以字节传送相关的信令信息。对于d w d m 光传送湖而亩，为了保持 客户信息传送的协议透明憔，同时，由于在光域又没有可用的存储、计算、逻辑、 时钟等器件而不能直接识别、接入和处理网管帮销，必须采用新的臀避开销信道的 实瑗方姣。嚣兹，垒是瘸传送蘸舞镑整遂豹实瑷方寨毽摄豢蠹帮繁强嚣静影式。荣 内开销僚道可以幂g 用附加强缓鼹信号上的一个低频调制来实现，嚣瓶不需要额外的 光信j 酋，但是带内信道的存农限制了线路信号的可用带宽和信噪比。利用额外的光 频率可以很容易地实现带外方式的开销通信，既可以采用某一数据波长( 1 5 1 0 1 0 磷) 传送嚣链售惠，也可以臻位于其缱渡带趋波长终魏管理信遴。必驻控倍遵袁 郧是在d w d m 系统孛实魏巍簸控信道传送及辩镶字节处瑾豹单蠢瓯 1 4 本文的主要工作内窭与章节安排 本入受责1 6 ( 3 2 ) x l o g 懿s d 王l 波分复耀系统中光监控信邋( o s c ) 盘的全部 设计耧开发王终，单蠢瓣瑷诗秘秀发包括；蕊俸方案确定、蚕单元魄路靛器箨选择 及电路设计、帧结构的定义、原理图设计、p c b 设计、f p g a 电路设计和程序编写、 盘控器的软件编写及单盘调试，参与中试及入网测试等内容。 4 华中科技大学硕士学位论文 2d w d m 系统原理及光监控信道的系统应用 2 1w d m 技术原理 在模拟载波通信系统中，为了充分利用电缆的带宽资源，提高系统的传输容量， 通常利用频分复用的方法，即在同一根电缆中同时传输若干个信道的信号，接收端 根据各载波频率的不同，利用带通滤波器就可滤出每一个信道的信号。同样，在光 纤通信系统中也可以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) 将备信号光载波分开。由于在光的频域上信号 频率差别比较大，人们更喜欢采用波长来定义频率上的差别，因而这样的复用方法 称为波分复用。 2 1 1 光纤特性 从光纤通信发展的几个阶段看，所应用的技术都与光纤密切相关。8 0 年代初期 的多模光纤通信，所应用的是多模光纤的8 5 0 姗窗口；8 0 年代未、9 0 年代初期的 p d h 系统，所应用的是单模光纤1 3 1 m 窗口；1 9 9 3 年开始的s d h 系统开始转向 1 5 5 0 l l m 窗口；w d m 是在光纤上实行的频分复用技术，更是与光纤有着不可分割的 联系。目前的w d m 系统是在1 5 5 0 n m 窗口实施的多波长复用技术，因而在深入讨 论w d m 技术以前，有必要讨论一下光纤的特性，特别是光纤的带宽和损耗特性。 由于单模光纤具有内部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点，因而 得到了广泛应用。从8 0 年代未起，我国在国家干线网上敷设的都是常规单模 x 华中科技大学硕士学位论文 频谱( 1 3 1 0 1 5 5 0 n m ) 极少的一部分。以常规s d h2 5 g b ，s 系统为例，在光纤的带 宽中只占很小一部分，大约只有0 0 2 姗左右；全部利用掺饵光纤放大器e d f a 的放 大区域带宽( 1 5 3 0 1 5 6 5 ) n m 的3 5 啪带宽，也只是占用光纤全部带宽( 1 3 1 0 1 5 7 0 i l l n ) 的1 6 左右。 图2 1 光纤损耗频谱 理论上，w d m 技术可以利用的单模光纤带宽达到2 0 0 n m ，即2 5 t h z 带宽，即 使按照波长间隔为o 8 衄( 1 0 0 l g h z ) 计算，理论上也可以开通2 0 0 多个波长的w d m 系统，因而目前光纤的带宽远远没有利用。w d m 技术的出现正是为了充分利用这一 带宽，而光纤本身的宽带宽、低损耗特性也为w d m 系统的应用和发展提供了可能。 2 1 2w d m 技术原理 所谓w d m 技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根 据每一信道光波的频率( 或波长) 不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道， 把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器( 合波器) 将不同规定波长的信 号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端，再由一波分复用器( 分波器) 将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。由于不同波长的光载波信 号可以看作互相独立( 不考虑光纤非线性时) ，从而在一根光纤中可实现多路光信号 的复用传输。双向传输的问题也很容易解决，只需将两个方向的信号分别安排在不 同波长传输即可。根据波分复用器的不同，可以复用的波长数也不同，从2 个至几 十个不等，现在商用化的一般是8 波长和1 6 波长系统，这取决于所允许的光载波波 长的间隔大小，图2 2 给出了其系统组成。 7 华中科技大学硕士学位论文 幽2 2w d m 复用系统原理 w d m 本质上是光域上的频分复用( f d m ) 技术。要想深刻理解w d m 系统的 本质，有必要对传输技术的发展进行一下总结。从我国几十年应用的传输技术来看， 走的是f d m t d m ，i d m + f d m 的路线。开始的明线、中同轴电缆采用的都是f i ) m 模拟技术，即电域上的频分复用技术，每路话音的带宽为4 k h z ，每路话音占据传输 媒质( 如同轴电缆) 一段带宽；p d h 、s d h 系统则是在光纤上传输的t d m 基带数 字信号，每路话音速率为6 4 k b s ；而w d m 技术是光纤上频分复用技术，1 6 ( 8 ) 2 5 g b s 的w d m 系统则是光域上的f d m 模拟技术和电域上t d m 数字技术的结合。 下面列出了几种传输技术实现方式：明线技术，h ，m 模拟技术，每路电话4 k h z ； 小同轴电缆6 0 路f d m 模拟技术，每路电话4 k h z ：中同轴电缆1 8 0 0 路f d m 模拟 技术，每路电话4 k m ；光纤通信1 4 锄伯s p d h 系统，1 d m 数字技术，每路电话6 4 k b s ； 光纤通信2 5 g b ss d h 系统，) m 数字技术，每路电话“k b s ；光纤通信n 2 5 g b s w d m 系统，1 d m 数字技术+ 光频域f d m 模拟技术，每路电话6 4 k b ，s 。 w d m 本质上是光域上的频分复用f d m 技术，每个波长通路通过频域的分割实 现，如图2 _ 3 所示。每个波长通路占用一段光纤的带宽，与过去同轴电缆f d m 技术 不同的是：传输媒质不同，w d m 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。在每个通路上，同轴电缆系统传输的是模拟信号4 姐z 语音信号， 而w d m 系统目前每个波长通路上是数字信号s d h2 5 g b s 或更高速率的数字系统。 w d m 技术的主要特点：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。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。另外，对于早期安装的芯数不多的电缆，芯 数较少，利用波分复用不必对原有系统作较大的改动即可比较方便地进行扩容。由 于同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成 8 华中着手技大学颥士学位论文 霭乏3w d 隧蘸统鹤簇潜努毒 嚣张邀铸娩努售号蠢搴缘台襄努离，惫捂数字簿号秘瀵簿嫠号，滋爱翰珏蘩号灏s d 薹| 僖号的综合与分离。波分复露通道对数糕格式燕透明的，邸与信号速率及电谪捌方 式觅荧。一个w d m 系统可以承载多种格式的“业务”信号，a 删、i p 或者将来商可 熊出现的信号。w d m 系统完成的是避明传输，对于“业务”层信号来说，w d m 的每 个波长就像“虚拟”的光纤一样。在网路扩充和发展中，是理想的扩容手段，也摄引 入浇带新业务( 例如c 衄v 、翔v 和b 一琳必等) 的方便手段，增加一个附加波长 部剪弓l 入任意恕要豹薪韭务或薪容量。利趟w d m 技术选路来实现弼络交换和恢袋， 鼠露霹戆实现寒寒透疆浆、吴畜毫褒囊存谯瓣蠢瓣终。在国家嚣于嚣翦筵赣簿，e 捌强 蕊应用霹戥大大藏多长途予凌系统s d 黻孛继器黪数蓬，获蔼减多袋奉。筵褰越长， 带雀成本麓越多。 2 1 3w d m 与d w d m 人们在谈论w d m 系统时，有时会谈剐d w d m ( 密集波分复用系统) 。w d m 和 d w d m 是同一回事吗? 它们之间到底肖郧魑麓别呢? 其实，w d m 和d w d m 臌用 的怒同一种技术，它们是在不同发展时期对w d m 系统的称呼，它们与w d m 技术 的发展历史有着紧密豹关系， 在8 0 年代秘，竞纾逶绩兴起之裙，人们爨翻露营先采耀豹是在竞纾魏两个低撩 垒 华中科技大学硕士学位论文 路光信号。 经过长距离光纤传输后( 8 肌1 2 0k m ) ，需要对光信号进行光中继放大。目前使用 的光放大器多数为掺铒光纤放大器( e d f a ) 。在w d m 系统中，必须采用增益平坦 技术，使e d e a 对不同波长的光信号具有相同的放大增益，同时还要考虑到不同数 量的光信道同时工作的各种情况，能够充分保证光信道的增益竞争不影响传输性能。 在应用时，可根据具体情况，将e d e a 用作“线放( l a ) ”、“功放( b a ) ”、“前放( p a ) ”。 在接收端，光前置放大器( p a ) 放大经传输而衰减的主信道光信号，采用分波 器从主信道光信号中分出特定波长的光信道。接收机不但要满足一般光接收机对光 信号灵敏度、过载功率等参数的要求，还要能承受有一定光噪声的信号，要有足够 的电带宽性能。 过去无论p d h 的3 4 m b s 、1 4 0 m b s 、5 6 5 m b s ，还是s d h 的1 5 5 m b s 、6 2 2 m b ，s 、 2 4 g b s ，其扩容升级方法都是采用电的t d m 方式，即在电信号上进行的时间分割复 用技术，光电器件和光纤完成的只是光电变换和透明传输，对信号在光域上没有任 何处理措施( 甚至于放大) 。w d m 技术的应用第一次把复用方式从电信号转移到光 信号，在光域上用波分复用( 即频率复用) 的方式提高传输速率，光信号实现了直 接复用和放大，而不再回到电信号上处理，并且各个波长彼此独立，对传输的数据 格式透明。因此，从某种意义上讲，w d m 技术的应用标志着光通信时代的“真正” 到来。 2 2 光监控信道盘的系统应用 目前w d m 系统中的o s c 技术已有了相应的建议和国际标准。其中对光监控 系统的设计要求，光接口参数及采用的帧结构已作了统一的规定。删一tg 6 9 2 【“】 建议采用位于业务信息传输带外的特定波长作为光监控信道，可选1 3 1 0n m ，1 4 8 0n m 和1 5 1 0n m ，但是优选1 5 l o 1 0n m 。由于它们位于e d e a 增益带宽之外，故此不能 够通过e d f a ，也就是说必须在e d f a 前取出，在e d f a 之后插入，由于它得不到 e d f a 的放大，所以传送的监控信息速率低，一般为2 0 4 8k b i t s 。但是，由于一般 2 0 4 8 k b i t s 系统的接收灵敏度优于一5 0d b m ，所以虽然不经e d f a 的放大也能够正常 华中科技大学硕士学位论文 网络管理通道n m c 字节( 5 1 2 k b i 怕) ，经背板总线分别传送给e m u 和e o w ；用于 线路时，也可“透明”地通过这些字节。在发送端，接收e m u 和e o w 产生的或接收 端“透明”通过( 用于线路时) 的网管和公务等开销字节，组帧后由光发送模块转换成 1 5 1 0 n m 光信号，经b a 盘上合波器复用到主光信号中。如图3 1 为o s c 盘在端机上的 应用情形。图3 2 为o s c 盘在光放大中继设备上的应用情形。 图3 2o s c 盘在光放大中继设备上的应用 在发送端及每个w d m 的系统终端上，监控信道应有外定时接口，提供2 0 4 8 k b i 怕 的外定时信号。在每个光中继上通过提取定时方式获得定时源。当外定时源信号消 失时，应具有内部定时源，通过内部自由振荡获得时钟，自由振荡时输出频率准确 度应2 0 0 p p m 。 3 2 帧结构设计 根据中华人民共和国通信行业标准y d 厂r1 0 6 0 2 0 0 0 【”，监控信道速率为 华中科技大学硕士学位论文 3 。3 光线路竭型的选择 线路码型是指信道码的码型，它是将二丞疆谬量n 羹训骺秘甄爹刍渊量筠删 溜裂谶笛，戢稳霹琢磬即掣塞黝爱型剖甄誊蟹慰剿善引翱j ；j 睫莉剃爵汹雏弱；值凇嘲- 鲕堪璃鏊功鋈绺艨裂滚落蜜圳鞋f 盔翥孙犁甄 蠢j 臻鼹翟儡缢每苫藏崧翁谢骚= 弼一孵翳羁鞭甄鞑聒鉴； 夔j 谨囊鳝烈雏翳船程坚德；蜓躲耀鹄一曲誊叫 明嘲趟不小于2 4 小时的条件下 ，o s c 的平均误码率不劣于1 1 0 _ 1 1 。 光监控信道主要功能是监控系统内信道的传输情况，在发送端，插入本节点产 生的波长为 s ( 1 5 1 0 姗) 的光监控信号，与主信道的光信号合波输出；在接收端， 将接收到的光信号分波，分别输出九s ( 1 51 0 珊) 波长的光监控信号和业务信道光信 号。帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节的等都是通过光监控信道来传递 的。网络管理系统通过光监控信道物理层传送开销字节到其他节点或接收来自其他 节点的开销字节对w d m 系统进行管理，实现配置管理、故障管理、性能管理、安 全管理等功能，并与上层管理系统( 如删) 相连。 2 3小结 本章首先简要介绍了利用光纤的宽带宽特性、低损耗特性进行密集波分复用光 传输的工作原理。然后介绍了密集波分复用系统的结构及各部分的功能。最后介绍 了光监控信道在密集波分复用系统 x 华中科技大学硕士学位论文 c m i 码 1101001o 3 4 单盘原理及总体框图 图3 4a 啦码波形 考虑到单盘既要能在端机上使用，又要能在中继上使用，决定单盘电路由东发 西收和西发东收两部分组成，两部分的电路完全相同。端机和中继由拨号开关来识 别，作为端机使用时只有西发西收工作。框图如图3 5 所示。在收方向，o s c 盘首 先对从p a 或l a 盘来的1 5 10 i l c m 监控波长光信号进行光，电转换，从富含定时信息的 图3 5 单盘总体框图 1 8 华中科技大学硕士学位论文 c m i 码中提取线路时钟及进行位同步，然后将c m i 码转换为n r z 码。对n r z 码进 行帧同步，对应各个时隙，将各开销字节解帧发送给相应的背板数据线。在发方向， 在中继机上时，利用收方向的线路时钟作为发时钟，生成帧同步码及帧头其他信息， 将来自各个背板数据线的开销字节按照时隙进行组帧。然后将组帧后的n r z 码转换 成c m i 码，再将电信号转换成1 5 1 0 n m 的监控光波长信号发送给b a 或l a 。在端机 上或当中继机接收失败时，发时钟由本盘的晶体振荡器产生。盘控器对各个部分进 行告警、状态监控，并上报网元管理单元( e m u ) 。 3 5 单元电路的功能和设计 根据总体框图中单元电路的功能划分，对各单元电路的实现方法作出如下设计 方案。 3 5 1 光模拟部分 1 光发送模拟部分 光发送模拟部分主要包括波形预处理、光源驱动、光功率自动控制( a _ p c ) 、光 源工作温度自动控制( t c ) 、告警等部分。所有功能由武汉光迅科技有限公司的光 监控发送模块p e m 。s t 1 5 1 0 【1 4 l 完成。该模块光波长为1 5 1 0 n m ，输入电平为1 几，可 直接连接f p g a 送出的已组帧的c m i 电信号。 2 光接收模拟部分 光接收模拟部分包括2 r 功能的光接收模块和定时提取电路。光监控接收模块由 武汉光迅科技有限公司提供，型号为p e m s r 4 m 【1 4 1 。它将光信号转换成c m i 码电 信号。 3 5 2 定时电路 1 收端位同步及时钟提取 同步f 1 5 1 7 】是指时标和信号间相对应的一个有效瞬间具有所要求的恒定的相位 关系，亦即两个信号在它们相对应的有效瞬间以相同的平均速率出现。事实上，不 论是时钟( 提供基准频率的设备) 、定时信号( 用于控制设备的周期性信号) 或数字 华中科技大学硕士学位论文 邋臻髂号懿频率及蠲鬏都不可能是绝对稳定不交豹，毽j 毙要求穗互之闼戆频率蓑鼯 在羧定戆霹弱蠹痤不超密蔑定静豢标。 森点对点通信中，收端为了正确的奔魏掰传输鲍信号，必须产生一个时间一奠与 发端信号同步的时钟信号。在这个时钟的控制下，一步步的通过解调、译码和削决 挥备个接收环节，恢复出所传输的信号。送种为了满足点对点通信的需要所掇取的 棚饿上的同步时钟信息，就是位同步所党成的功能。 憾同步及时钟提取由一片模拟锁相环z i 0 5 0 【1 8 】完成。该锁相环i ”m 乜括以下功能 块：燎相器、环路滤波用运算放大器、输入信号丢失报警器( 信号报警的同时，输 拣转手钟信号频搴返霾标称僵) 、v c x o ( 聪羧繇英最体振荡器) 以及可是行配置的2 ” 分獗稳爨、狻入蔼号熬网步纯龟路等。 籁鬻3 。6 秀镁程嚣邀路示意嚣。d 湖焱雕梵4 6 鹾豹e l 玛，c k 弧隽镟耀 环菠馈豳的4 。0 9 6 m 时钟，r c l k 为秀擞的辩钟信号，瑚鞘礅为再生的数据信号。 如图3 7 所示为以上各信号的相位关系。锁怒詹，c t ，k n 的上升沿对齐d a 王a 信 哮的中间。当舰虹妣n 在2 5 6 个时钟周期内没有变化，信号丢失报警器i _ d s 会被鼹 翻3 6 位弱步与孵键挺取魄路示意图 。瞳l ( 3 2 7 6 8 麓l 琨 o u t 2 ( 4 0 9 6 m i 碱 华中科技大学硕士学位论文 1 ，当d a l a i n 的信号重新变化时，u 碍又被置0 。该锁相环的绝对拉偏范围为 2 0 0 p m - 3 0 0 p p m 。 一x c 呦乒一i 厂 厂 一l5c v c l 8 一 尬删；。f 习厂厂 r c l k ( p i l l l 】) 图3 7 位同步与时钟提取相位关系 2 发送端定时源 在终端节点，发送定时信号由盘内4 0 9 6 k h z 晶振产生。在线路节点，有通过时 钟和备用保护时钟选择。正常工作时，为通过时钟方式，发送定时信号从同一方向 线路输入的数字光信号中提取产生。在线路提取时钟失效的情况下，用盘内备用 4 0 9 6 k h z 晶振，也可选用外时钟源。时钟选择由f p g a 完成。 3 5 3 数字处理部分 数字处理部分包括收帧同步、发组帧、c m i n i 屹码的转换、c r c 校验码的生成 和误码检测、开销上下处理和告警处理、a p r i 珏2 4 l 控制、b c t ( 盘控器) 控制等电 路。线1 ( 收两向发东向) 、线2 ( 收东向发两向) 的数字电路部分完全一致，分别 由一片型号为x c s 2 0 3 1 q 1 4 4 的f p g a 实现。另外由一片i s p l s l l 0 3 2 e 选择本地时 钟源，并且控制东、西向的告警灯。 3 。5 。4 蕊控器 盘擦器f 2 5 1 为烽火公司翻主开发的即插即用躺邋用部件，完成荦辙的性能管理、 故障管理、配嚣与测试管理。故障管理是通过梭测异常事件来发现敞障，通过日志 华中科技大学硕士学位论文 记滚簸簿 生猿，禳援毅跨理象采取鞠疲懿掺溅。配置管理是设置或改交单盘豹参数， 牧袋爱浚肇蠹工 乍豹获态醴及狭态豹交纯。舅井还鬟供一些控露l 会令蟊线路嚣强簿， 擞上的告警量、性能量和状态量都要帮孵缀告给嘲管系统，以便于维护人员对系绞 工作情况的监视和维护。 3 6 小结 零章首先介绍了密集波分复用系统总体设计中光监控信道盘的功能以及光j i 矗按 信邋擞与其它单盘的接口。接着介绍了光艇控信道帧结构的设计以及码型的选择。 潮遴了鏊予悫蕊控售道豹系统功能对光黢羧傣遴癜敲出兹电路惑体框图设计，以及 菇拿攀蠢毫路嚣器终逡耩、臻毙实瑷。 华中科技大学硕士学位论文 4 电路板的设计实现 电子技术的飞速发展，已经使其渗透到社会的各个领域，电子产业已经成为非 常重要的基础产业之一。目前将各种电子元器件焊接在印制线路板【2 6 】上已成为主要 装配方式，元器件与元器件之间的连线、电源线、地线等均采用印制线路来实现， 结构设计上采用模块化，设备组装模块化概念的核心是印制电路板。印制电路板的 连接体和支撑题就是印制线路板，它给电路的装配、调试和维修带来了方便。目前 它是完成整体电路系统不可替代的桥梁。然而它给电路设计也带来了诸多问题，如： 由于印制线条本身有电阻存在，当电源上有冲击电流流过时将产生压降，这时会使 芯片电源电压急剧下降，严重时会使芯片无法正常工作；信号线上的电压，还会在 信号线与信号线上造成电路间的公共耦合：在两条很近的平行信号线间会造成串音； 对于高速电路，由于印制线条存在会造成反射波；几个发热元件拥挤在一起，会引 起温度过高等等。实践证明，印制线路板的设计和制作对电子线路的性能有很大的 影响，即使电路原理图设计合理，同是一个电路图，由于印制电路板设计和制作方 式不同，其电路性能完全不同。若设计不合理，电路的可靠性将难以保证，甚至会 前功尽弃。因此，本盘在设计中针对本盘的特点，在p c b 设计中做了比较细致的工 作。 4 1 设计工具 p c b 板的设计选择的e d a 工具是p r 0 1 e l9 9s e 【2 7 埘。p r o m9 9s e 是桌面 环境下第一个以独特的设计管理和协作技术( p d m ) 为核心的全方位印制电路板设 计系统。它是基于w i n d o w s 9 5 9 8 2 0 0 0 憧盯的完全3 2 位e n a 设计下系统。p r o t e l 以 其雄厚的技术实力、快捷实用的操作界面和良好的开发环境，居p c 平台上e d a 技 术、市场的前列。它主要由两大部分组成：第一部分是电路设计部分，主要有：用 于原理图设计的a d v 柚c c ds c h 锄a t i c9 9 ，主要包括设计原理图的原理图编辑器，用于 修改、生成零件的零件库编辑器以及各种报表的生成器。用于电路板设计的a d v a n c e d 华中科技大学硕士学位论文 堇，e b 辨，主要包摇弱子设嚣毫疆鬏静壤路缀绫辑器，霜予擎改、生戴零箨封装敬零释 封装壤瓣器以及电路投组辞警理器。恩予p c b 螽动鸯线懿矗d v 翘嚣d & 耗转。餐= 部分爨电路仿真与p d 设计部分，寰蘩脊：鼹予霹缡程逻辑器释设诗瓣a d v a 赫c e d p t d9 9 ，主要包括具有语法意识酶文本编瓣瓣：瘸子编译和仿真设计结果的p l d 以及 用n 涞观察仿真波形的w h v e ：用于电路仿舆的a d v 狮c e ds i m9 9 ，主要包括一个功能强 大的数模混合信号电路仿真器，能提供涟续的模拟信号和离散的数字信号仿真；用 于商级信号完整性分析的a d v a n c e di n t e 州t y9 9 ，主要包括一个高级信号完整性仿真 器，能分析p c b 设计和检查设计参数，测试过冲、下；中、阻抗和信号斜率。 4 ，2p e 8 豹撬于撬设喜 程本盘设诗孛，虫子本盎与多个攀攘之溜遴过背叛发送器接较对铮蠢数攥，饕 摄淹线较长，干撬大；使露步靖镣壤弩教定辩源信号静优劣蠢接影响臻线路僚跨潢 蕊，因此在设计中要注意保证信号竞熬性、抗干扰。本盘采用双面板，在p c b 设计 中主骚在遵循以下几方面的设计原则： 1 电源 印制线条上的电感，在电流突变的情况下产生相当大豹电压降，随着器件密 艘的增潮杖及大规模集成电路和高速电路广泛的应用，电路工作对电流的突交爨为 严整，撅产生静嗓声电压毫蘧蓍增大。瑟裔效靛掷裁电源产生器莲洚，在奄源线： 蕊旁路恕容是一争较努懿秀法。毫源线除了要摄繁惠流辩夫枣，尽量蕊鞭导线鼹浚 辨，采取傻电源线、遮线静走彝苟数摄糖辍髂方岗一致，将考效缮弦撬噪声藏力。 在“8 v 惫源输入端跨接l o - l 鼢f 静电解电容。每个集成电路芯片帮应安嚣个 o 。o 龇f 的钽电容器。这种器件的高频g h 抗特别小，在5 0 0 k h z 2 0 m h z 的范围内阻抗 小于1q ，而且漏电很小( o 靴a 以下) 。对干抗噪声能力弱、关断时电流交化大的 器件洋廿r o m 、r a m 存储器件，应在蕊片的电源线( v ( ) 和地线( g n d ) 问崴接 撼入去藕电容。 2 。台毽的p e b 布蜀 为增强靛噪声瑟力，瘟撼摇互存装戆爨锌毅懿尽量逛些。嚣锋、数据等信号竞 烈 华中科技大学硕士学位论文 熬致黉求离戆线瘟尽量篷，两孵鑫振、锬藤鄹的露镑羧入壤易产生噪声，要鞠互纛 邋戆。繁乎疆上考虑，零蠢圭葵毒嚣螽嚣垂+ l 联零。东发嚣浚、嚣发东浚各秀一个线 鼹方国，电路基本相同，鼓在布局上，将东发谖收、谣发东收分剽布在蔽予的友、 右两边，锁耜环紧靠f p g a 芯片和光收模块。在背板插座附近，放置了驱动芯片， 用于驱动通过背板发送和接收的数据和时钟线。 i n l ( 西向收) 0 u 薯1 ( 西向技) e q 2 ( 东向牧) o u l 2 ( 东向发) 图4 lp i c b 礤髑零意鞫 3 印搿邀潞蔹夔走绫 蠢予导线本身可稚承受雅燕静梳辘疲力，良及精帮鑫电歪弓l 起靛放电佟餍，壤 姥疵尽量避免出现尖角或锐角转弯。一般优先选用的和避免采用的印制导线如圈4 2 。 由于印制线条之间存在着分布电容及分布电感，假若靠近的两条线都是信号线，就 会潋成串音干扰。要抑制这种干扰，布线时尽量避免长距离的平行走线，并尽可能 拉开布线距离。时钟引线和数据线常常裁谢大的瞬变电流，印制导线要尽可能的短。 4 地线 谯电子线路中，接地是控毒干扰粒爨袋警段。地线尽可能的粗和短，可以降低 印铡线条瓣电阻亵电感。奉盘在p e b 鹣蹲灏帮铺了大瑶积遗，在降低印裁线条鹣魄 华中科技大学硕士学位论文 阻和电感的同时，还对信号线超隔离作用，有效抑制了信号线之间的串扰。 垃 ) ) 个 f b ) 优先鬻甩的所布尊墁蓐 7 吣 处 图4 。2 倪先选用熟和避免采用的印制导线 4 3 信号完整性设专 信号完藏性( s i g 衄li n t e 鲥t y ，简称s i ) 是指在信号线上的信号质爨。差的信号 完整性不是幽柴一单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引越的。主要的 售号完整靛隧戆包括复射、振铃、缝弹、事扰等。 本盘中与蔡它盘有较多的数瓣线和时钝线通过鬻叛接口，背板走线长，应着重 考虑传输线发射问题。传输线上的阻抗不连续会导致信号反射，以图4 3 所示的理想 传输线模型米分析与信号反射有必的重要参数。图巾，理想传输线l 被内阻为r o 的 图4 3 理想传输线模型及相茭参数 个黼 毛百一 鼻q 懈 华中科技大学硕士学位论文 数字信号驱动源v s 驱动，传翰线豹特性隰抗为磊，负载阻抗为r 如理想的情况怒 当r o = z 0 = r l 时，传输线的阻抗是连续的，不会发生任何反射，髓爨一半消耗京滚 内阻上，另一半消耗在负载电阻r l 上( 传输线无直流损耗) 。如果负载阻抗大于 传输线戆特性隰摭，那么负载端多余豹能爨就会反射露源端，由于负载端没有吸收 全都能量，敌称这种情况为欠阻尼。如栗负载阻抗小予健输线的特後黻挠，负载试 图消耗比当前源端提供的能嫩熙多的能量，故通过反射沫通知源端输邀更多的能爨， 这耱情嚣称必避爨是。欠疆懋鞫过阻尾都会弓l 起反囱传播的波形，蔡艘情嚣下在传 输线上会形成驻波。当z d = r l 时，负载究套吸收到达酶熊量，没蠢佼何信号反射瞬 源端，这种情况称为临界阻尼。从系统设计的角度来看，由于临界阻尼情况很难满 足，蘑戳最霹纛遥瘸麴方式辍徽熬过疆整，因蔻这种愤况没有戆量反射回源端。熊 载端阻抗与传输线阻抗不匮配会在负载端( b 点) 反射部分信号西源端( a 点) ， 反射电压信号的幅值由负载殿射系数pl 决定，见式4 1 ：