（通信与信息系统专业论文）cwdm光纤多路数字传输系统的研究与设计.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本文以实现微小型水下机器人多路数据传输为目的，设计出了一套光纤 通信系统。该系统利用c w d m ( 粗波分复用) 技术在一根光纤中对多路数据 进行对传，从而来实现水下机器人和岸基之间的通信。文中对系统的软件编 程以及硬件实现进行了完整的叙述。 系统主要采用了c p l d ( 大规模可编程逻辑器件) 和专用的编解码芯片运 用时分复用技术实现多路数据传输，依靠同步标志实现系统的同步功能。本 文对光收发器、编译码原理及实现和c p l d 的开发都进行了详细的论述。另 外，对于系统与外部的接口设计了良好的隔离电路，提高了系统的安全性和 可靠性。 后期由于某些原因方案发生了一些变动，使得系统在硬件上也要做相应 的改动，本文对硬件上改动的依据以及实现方法作了阐明。 最后通过对系统的调试证明了系统的有效性和可行性，从而达到了设计 要求并最终运用到实际中。 关键词： 光纤通信；多路数据传输；c w d m ；c p l d 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei sr e g a r d e dt or e a l i z em u r i p l e xd i g i t a ls i g n a l st r a n s m i s s i o no f t h e s m a l lu n d e r w a t e rr o b o ta n dh a sd e s i g n e das e to ff i b e ro p t i cc o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h ep r o j e c tc a np e r m i tm u l t i p l e xd i g i t a ls i g n a l st r a n s m i ti ns i n g l ef i b e r u s i n gc w d m ( c o a r s ew a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) ，a n d r e a l i z e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eu n d e r w a t e rr o b o ta n dt h eb a n k t h i sa r t i c l e i n t r o d u c e s t h es o f t w a r ep r o g r a m m i n ga n dh a r d w a r ed e v i s i n g t h es y s t e mu s e sc p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ，s p e c i a l a p p l i c a t i o ne n c o d e ra n dd e c o d e rt or e a l i z et d mo fm u l t i p l e xd i g i t a ls i g n a l s t r a n s m i s s i o na n dr e l i e so nt h e s y m b o lo fs y n c h r o n i z a t i o nt or e a l i z e t h e s y n c h r o n i z a t i o no f t h es y s t e m t h ea r t i c l em a d ed e t a i l e dd i s c u s s i o nf o rt r a n s m i t t e r , r e c e i v e r , t h e o r yo fe n c o d e r d e c o d e ra n dt h ee x p l o i t a t i o no fc p l d i na d d i t i o n ，i t h a sd e s i g n e di s o l a t e dc i r c u i ti n t e r f a c i n gt h ee x t e r i o rd a t a , w h i c hc o u l di m p r o v e t h es y s t e mi ns e c u r i t y a tt h ep e r i o ds u b s e q u e n t ，t h e r ew e r es o m ec h a n g e si nt h ep r o j e c t t h e r e f o r e ， id i ds o m er e l e v a n tc h a n g e si nc i r c u i tb o a r d a tl a s t , t h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g ni sv a l i d a t e dt h r o u g ht e s t i n g t h ep r o j e c t h a sa c h i e v ei t sg o a l sa n db e e n a p p l i e dt op r a c t i c e k e yw o r d s ： f i b e ro p t i cc o m m u n i c a t i o n ；m u l t i p l e xd i g i t a l s i g n a l s ；c w d m ； c p l d 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：i ! 圭：塑 日期：年月日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题来源于哈尔滨工程大学船舶工程学院的微小型水下机器人项目， 此项目属国家“十五”重点科研项目。微小型水下机器人设计是为了对水下 情况进行侦察，然后把采集到的数据通过一根光纤传到岸上以便岸上对数据 进行处理，我们课题组主要负责微小型机器人和岸基的通信。 1 2 课题研究的意义及应用 随着科学技术的不断发展，通信在人们的工作、生活中变得越发的重要， 光纤通信是通信中的一个重要分支，以其传输频带宽、通信容量大、损耗低、 受干扰小等特点被广泛应用于各种场合。特别是在现在的工业领域中运用光 纤通信技术进行数据采集和控制也越来越多。 本课题设计应用于微小型水下机器人与岸基之间的通信，由于是对多路 信号进行传输，如果用传统的电缆进行通信，电缆会很粗，很笨重，机器人 在水中运行起来水动力特性也会受到很大的影响。所以本课题采用c w d m ( 粗波分复用) 技术，用一根直径2 m m 的零浮力光缆对机器人进行多路信 号的传输，这样对机器人的水动力特性影响较小，而且节省了能源消耗。整 个系统包括三部分信号的传输，数据信号、视频信号、网络信号。其中数据 信号主要是水下声纳与岸基之间的通信，还有就是岸基给机器人发送的控制 信号；视频信号的传输主要是指机器人运用摄像头把从水中采集的图像信息 传到岸上；网络信号的传输是指水下某些设备把采集到的信息处理后通过网 络传给岸上的计算机，同时计算机也可以把要发给机器人的命令通过网络传 送到水下。本课题主要是对数据信号传输部分的设计与研究。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 数据通信基本理论 1 3 1 数据通信的概念 随着人类社会的不断进步、经济的迅猛发展以及计算机的广泛应用，人 们对信息的需求越来越大，数据通信得到长足发展。 那么什么是数据通信昵? 简单地讲，数据通信指通过某种类型的传输介 质在两地之间传输数据( 即字母、数字与其他符号) 二迸制单位的过程。若 信源本身发出的就是数字信号，无论采用什么传输方式，都称为数据通信， 如电报通信、计算机通信等。 但是与其他通信方式不同，在过去5 0 年中，数据通信只是近期才发展到 现代化阶段。现代意义上的数据通信与计算机的应用密不可分，所以通常也 可以把数据通信称为计算机通信。数据通信是人与计算机或计算机与计算机 之间的信息交换过程，通信的双方至少有一方是计算机。典型的数据通信系 统不仅是单纯的信息交换，更重要的是利用计算机进行数据处理，即使单就 传输过程而言，也含有相当复杂的处理。数据通信的研究内容与传输数据的 格式和传输数据的方法有关。 数据通信包括两方面的内容：数据传输和数据传输前后的数据处理。数 据传输指的是通过某种方式建立一个数据传输通道将数据信号在其中传输， 它是数据通信的基础；数据处理的目的是为了使数据更有效、可靠地传输， 它包括数据集中、数据交换、差错控制、传输规程等。 1 3 2 数据与数据通信 通信的目的是双方信息的互知，是信息的远距离传送。随着社会的进步， 传统的电话、电报通信方式已远远不能满足大信息量的需要，以数据作为信 息载体的通信手段已成为人们的迫切要求。用数据表示信息的内容是十分广 泛的，如电子邮件、各种文本文件、电子表格、数据库文件、图形和二进制 可执行程序等。但“数据”还没有统一严格的定义，一般可以这样认为：数 据是预先约定的具有某种含义的数字、字母或符号的组合。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 计算机出现以后，为了实现远距离的资源共享，很快就与通信技术相结 合，产生了数据通信，所以说数据通信是为了实现计算机与计算机或终端与 计算机之间信息交互而产生的一种通信技术，是计算机与通信相结合的产物。 与传统的电话通信相比，它有以下特点： ( 1 ) 话音通信的终端发送和接收的都是模拟的电压信号，它的传输是利 用现有的公用电话交换网。而数据终端发出的数据一般是离散的数字信号， 例如是不同极性的电压、电流或脉冲。其传输可以利用现有的公用电话交换 网，也可以利用数据网。如何在传输信道( 通信线路) 上正确地传输这些离 散数字信号，以便在接收端再恢复出原始发送的数据信息，就是数据通信要 解决的基本问题。 ( 2 ) 数据通信是计算机与计算机以及人与计算机之间的通信，而电话通 信是人与人之间的通信。计算机不具有人脑的思维和应变能力，计算机之间 的通信过程需要按照事先约定好的规程或通信协议来进行，而电话通信不必 如此复杂。 ( 3 ) 数据传输的可靠性要求高。数据传输过程中，由于信道的不理想和 噪声的影响，可能使数据信号产生差错，导致接收信息完全不同。特别是对 军事或银行业务系统，这些差错可能会引起严重后果。因此要采取一些措旌 对差错进行纠正或控制。 ( 4 ) 数据通信的用户是各种各样的计算机和终端设备，它们在通信速率、 编码格式、同步方式和通信规程等反面都会有很大的差异，为了使它们之间 能够相互通信，数据通信网必须提供足够灵活的接口能力。 ( 5 ) 数据通信的通信量呈突发性，即数据通信速率的平均值和高峰值差 异比较大，如瞬时高峰速率可能高出平均速率上百倍。这就要求网络设计折 中考虑平均速率和峰值速率的要求，在保证一定传输时延的条件下，又能够 充分利用网络的资源。 ( 6 ) 数据通信每次呼叫平均持续时间短。 另外相对于计算机通信而言，数据通信着重于“数据”的传输，而不涉 及数据所表示的原始信息，而计算机通信则着重于信息的交互“1 。 堕玺鎏三壅盔堂堡圭主垡迨塞 1 3 3 数据通信系统的构成 通常，一个数据通信系统至少应当包括4 个部分：数据、数据终端设备 ( d t e ) 、数据电路终接设备( d c e ) 和通信链路，这些设备相互配合实现数据 终端之间的数据通信。由于数据通信传输的是数据，所以一台或多台计算机 及与计算机有关的设备将是数据通信系统的一部分。 1 数据( d a t a ) 从数据通信内部过程的角度来看，数据可以定义为计算机可识别的任何 类别的信息，这些信息的类别可以是文字文本、图形、电子表格、数据库文 件、音频或视频文件、电子邮件和二进制可执行文件等。数据通信技术十分 注重数据的格式和传输方式，因为它们在很大程度上决定了通信的成功与否。 2 数据终端设备( d t e ) 数据终端设备，简称d t e ，通常指计算机或终端，主要是计算机，它是 数据通信的源或目的地，即数据通信的起点或终点。 3 数据电路终接设备( d c e ) 数据电路终接设备，简称d c e ，它是d t e 和网络传输线路之间的一种转 换连接设备，也可以认为它是d t e 与通信子网的接口设备。在模拟信道中， d c e 就是调制解调器( m o d e m ) ；在数字信道中，d c e 包括数据服务单元 ( d s u ) 和信道服务单元( s c u ) 两部分内容。 4 通信链路 在数据通信中，通信双方( 源d t e 和目的d t e ) 之间必须建立一条物理 的或逻辑的数据通道。用以传输数据，这条数据通道称为通信链路。常用的 通信链路有：无调制解调器电缆；公用电话网( p s t n ) ；分组交换网( p s n ) ； 数字数据网( d d n ) ；局域网( l a n ) ；综合业务数字网( i s d n ) 。 1 3 4 数据传输方式 数据传输方式是指数据在信道上传送所采取的方式。如按数据代码传输 的顺序可分为并行传输和串行传输 按数据传输的同步方式可分为同步传输 和异步传输；如按数据的流向和时间关系可分为单工、半双工和全双工数据 传输。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 并行传输与串行传输 并行传输( p a r a l l dt r a n s m i s s i o n ) 并行传输指的是数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输。 常用的是将构成一个字符的几位二进制码同时分别在几个并行的信道上传 输。另外加一条控制信号即“选通”脉冲，它在数据信号发出之后传送，用 以通知接收设备所有的位已经发送完毕，可对各条信道上的信号进行取样了。 因此收、发双方不存在字符同步的问题，不需要额外的措施来实现收发双方 的字符同步，这是并行传输的主要优点。但是并行传输必须有多条并行信道， 成本比较高，不适宜远距离传输，因此一般较少使用。 串行传输( s e r i a l t r a n s m i s s i o n ) 串行传输指的是组成字符的若干位二进制码排列成数据流以串行的方式 在条信道上传输。通常传输顺序为由高位到低位，传完这个字符再传下一 个字符，因此收、发双方必须保持字符同步，以使接收方能够从接收的数据 比特流中正确区分出与发送方相同的一个一个的字符。这是串行传输必须解 决的问题。串行传输只需要一条传输信道，易于实现，是目前主要采用的一 种传输方式。 2 异步传输和同步传输 同步在数据通信中占有非常重要的位置。在串行传输时，接收端如何从 串行数据码流中正确的划分出发送的一个一个字符所采取的措施称为字符同 步。根据实现字符同步方式的不同，数据传输有异步传输和同步传输两种方 式。 异步传输( a s y n c h r o n o u st r a n s m i s s i o n ) 异步传输方式一般以字符为单位传输，不论字符所采用的代码为多少位， 在发送每一个字符代码时，都要在前面加上一个起始位，长度为一个码元长 度，极性为“0 ”，表示一个字符的开始；后面加上一个终止位，长度为1 ， 1 5 或2 个码元长度，极性为“1 ”，表示一个字符的结束。字符可以连续发送， 也可以单独发送；当不发送字符时，保持“l ”状态。因此每个字符的起始时 刻可以是任意的，但在同一字符内部各码元长度是相同的。接收方可以根据 字符之间从终止到起始的跳变即由“1 ”一“0 ”的下降沿来识别一个字符的 开始，然后从下降沿以后t 2 秒( t 为接收方本地时钟周期) 开始每隔丁秒 哈尔滨工程大学硕士学位论文 进行取样，直到取样完整个字符，从而正确地区分_ 个个字符，这种字符同 步方法又称为起止式同步。异步传输方式的优点是实现字符同步比较简单， 收发双方的时钟信号不需要严格同步。缺点是对每个字符都需要加入起始位 和终止位，因而传输效率低。异步传输方式常用于1 2 0 0 b i t s 及其以下的低速 数据传输。图1 1 表示异步传输的情况。 图1 1 异步传输 同步传输是以固定时钟节拍来发送数据信号的。在串行数据码流中，各 信号码元之间的相对位置都是固定的。接收端要从收到的数据马流中正确区 分发送的字符，必须建立位定时同步和帧同步。位定时同步又叫比特同步， 其作用是使数据电路终接设备接收端的位定时时钟信号和d c e 收到的输入 信号同步，以便d c e 从接收的信息流中正确识别一个个信号码元，产生接收 数据序列。所以，在同步传输中，数据的发送是以一帧为单位，如图l + 2 所 示。其中一帧的开头和结束加上预先规定的起始序列和终止序列作为标志。 这些特殊序列的形式决定于所采用的传输控制规程。在a s c i i 代码中用s y n ( 码型为“0 1 1 0 1 0 0 ”) 作为“同步字符”，通知接收设备表示一帧的开始：用 e o t ( 码型为“0 0 1 0 0 0 0 ”) 作为“传输结束字符”，以表示一帧的结束。与异 步传输相比，同步传输在技术上要复杂，但它不需要对每一个字符单独加起、 止码元作为识别字符的标志，只是一串字符的前后加上标志序列，因此传输 效率较高。通常用于速率为2 4 0 0 b i t s 及以上的数据传输。 辫惴 ， ：i iiiiij ；iiii 二 卜喘+ 蹴+ 蝴+ 一一i 卜嘞一 图1 2 同步传输 3 单- 1 - 、半双工和全双工传输 在串行通信中，数据传输有三种方式：单7 - 方式、半双工方式和全双工 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 方式。如图1 3 所示。 数据 数据数据 臣 _ 习匝k 爿习臣 二 习 发射器 接收器 发射器接收器 发射器接收器 ( a ) ( b )( c ) 图1 3 单工、半双工和全双工传输 ( 1 ) 单工方式( s i m p l e xm o d e ) 在这种方式中，只允许数据按一个固定的方向传输，如图1 3 ( a ) 所示，图 中a 只能发送，称为发射器( t r a n s f e r ) ，b 只能接收，叫做接收器( r e c e i v e r ) ， 而不能从b 传向a 。 ( 2 ) 半双工方式( h a l f - d u p l e xm o d e ) 半双工方式的示意图如图1 3 ( b ) 所示，在这种方式下，数据既可以从a 传向b ，也可以从b 传向a ，因此，a 方、b 方即可作为发射器，又可作为 接收器，通常称为收发器( t r a n s c e i v e r ) 。从这个意义上讲，这种方式似乎为 双向工作方式，但是，由于a 、b 之间只有一根传输线，所以信号只能分时 传输，即在同一时刻，只能进行一种传输，不能同时双向传输，因此，将其 称为“半双工”方式。在这种工作方式下，要么a 发送，b 接收；要么b 发 送，a 接收。当不工作时，令a 、b 均处于接收方式，以便随时响应对方的 呼叫。 ( 3 ) 全双工方式( f u l l - d u p l e xm o d e ) 虽然半双工方式比单工方式灵活，但它的效率依然比较低，主要原因是 从发送方式切换到接收方式需要一定的时间，大约为数毫秒。重复线路切换 所引起的延迟积累，是相当可观的。另一方面，也是更重要的，就是在同一 时刻只能工作在一种方式下，这是半双工效率不高的根本原因所在。解决的 方法是增加一条线，使a 、b 两端均可以同时工作在收发方式，如图1 3 ( c ) 所示。图中有两条传输线用不着收发切换，因而传输速率可成倍增长。 值得说明的是，全双工与半双工方式比较，虽然信号传输速度大增，但 它的线路也要增加一条，因此系统成本将增加。在实际应用中，特别是在异 步通信中，大多数情况都采用半双工方式，虽然发射效率较低，但线路简单、 实用，而且一般系统也基本够用。 堕叠鎏三壁丕堂堡主堂垡坠塞 1 3 5 数据通信系统的主要质量指标 1 传输速率 ( 1 ) 数据传输速率。数据传输速率是单位时间传送的数据量，数据量的 单位可以是比特、字符码等，时间单位可以是秒、分等，通常用字符分为单 位。 ( 2 ) 调制速率。调制是将基带数字脉冲信号变换为适合在线路上传输的 某一频率载波信号的过程。调制过程中，单位时间内调制波形的变换次数( 即 单位时间内能进行的调制次数) 叫做调制速率( 亦称波特率) 。如果单位调制 信号波的时间长度为t ( 秒) ，则调制速率为 见= i t( 波特) ( 1 1 ) ( 3 ) 数据信号速率。数据信号速率表示单位时间内通过信道的信息量， 单位是比特秒( b s ) ，它是用来表示传输速率常用的单位，简称比特率。在 串行通信中数据信号速率定义为 咒= l 0 9 2 m = l t l 0 9 2 m ( 比特秒) ( 1 - 2 ) 式中，r 。为波特率，m 为调制信号波的状态数，r 为单位调制信号波的时间 长度。上面式子描绘了调制速率( 波特率) 和数据信号速率( 比特率) 之间 的关系。 2 误码率 在接收端接收到数据的差错程度是数据通信质量的最重要指标，一般可 用误码率只表示( 见式1 - - 3 ) 。在数据通信中，为了控制差错，一般要求系 统的误码率只1 0 _ 8 。 误码率足= 雩雾善蕃- 。( 1 - - 3 ) 3 可靠性 可靠性通常用来表示系统在给定时间间隔内能正常工作的概率。影响系 统可靠性的因素很多，如系统设备的可靠性、信道的质量、操作人员的素质 与状态等。 可靠性p = 弓篓舌嬲，。 c ，一。， 堕玺堡三垂盔堂堡主堂焦鲨塞 4 衡量系统有效性指标 ( 1 ) 功率利用率。功率利用率用比特差错率小于某一规定值时所要求的 最低归一化信噪比( 每比特的信号能量和噪声单边功率谱密度的比值) 衡量。 所要求的信噪比越低，则功率利用率越高。 ( 2 ) 频带利用率。频带利用率是描述数据传输速率和带宽之间关系的指 标，也是衡量数据通信系统有效性的指标，它是单位频带内所能传输的信息 速率，其表达式是 叩。= 鲁= 吉1 0 9 2 m ( 1 5 ) 式中，曰是系统频带宽度，咒是系统的比特率，r 为单位调制信号波的时间 长度，m 是调制的状态数。在频带宽度相同的前提下，比特传输速率越高， 频带利用率就越高，反之则越低。 功率利用率和频带利用率这两项指标主要取决于调制解调方式，在选择 调制解调方式时需要作出折中选择。 5 通信建立时间 数据通信系统一般都要求在尽可能短的时间内建立通信，特别是断续方 式或突发性的通信更加注重此项指标。1 。 1 4 光纤通信系统的基本组成 光纤通信系统是以光波作载波、光纤为传输介质的通信方式。 终端、电终端、光纤三部分组成。基本组成框图如下： 旦宝! ! 卜叫ll a 端 主要由光 户b 1 户b 2 _ jp - 叫旦芝! ! 、j b 端 图1 4 光纤通信系统的基本组成框图 在a 端将各个从用户来的信息，包括电报、电话、传真、图表文字、图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 像、电椽j ，可视电话、数据等各种信息，以电信号的形式送到电终端，电终 ，端将所有这些电信号信息组合起来变成复合电信号。这种组合过程又称为复 用或复接( m u l t i p l e x i n g ) 。然后，这种复合电信号再送到光终端中去调制光 终端中的光源，使这些电信号变成光信号，以光信号的形式进入光纤进行传 送。由于光信号经过一定距离传输后不可避免地会受到各种衰减，光信号将 变得越来越弱；同时，由于传输路径上的各种干扰，还会引起信号失真。所 以在长距离传输时需要在中间加上中继器，它可对被衰减并产生失真的光信 号进行放大、整形，然后再进行传输。中继器就像加油站一样，使接力赛跑 的接力棒一次一次地往下传。当光信号传送到b 端以后，首先进入b 端的光 终端，在光终端中将光信号解调出来变成电信号，经过放大整形后再送到电 终端进行解复用( d e m u l t i p l e x i n g ) 同时还将对信号进行交换，使其正确无 误地到达指定的用户；反过来，信息由b 端传送到a 端，是完全类似的相反 的过程。当然，实际的光通信系统比这复杂得多，但基本组成是没有多大变 化的。 1 5 课题的具体任务和技术指标 本课题要求对多路数据信号双向单纤传输系统进行设计，其中包括一路 r s 2 3 2 信号，一路r s - 4 8 5 信号，6 路订l 信号。 系统技术指标如下： ( 1 ) 数据速率：o 1 1 5 2 k b p s ； ( 2 ) 传输误码率：1 0 。9 ： ( 3 ) 工作温度：一4 0 + 8 0 ： ( 4 ) 灵敏度：- - 3 0 d b m ； ( 5 ) 动态范围：2 5 d b ； ( 6 ) 电路板尺寸：l o o m m x1 3 0 m m ； ( 7 ) 光缆直径2 m m ，长度1 0 0 0 r n ，抗拉力 _ 5 0 k g 系统总体框图如下： 1 0 堕堡堡王里盔堂堡主堂垡堡塞 1 6 本章小结 图1 5 系统总体框图 本章介绍了课题的来源及意义，接着对数据通信原理、及其传输方式和 系统的基本构成进行了论述。并简单地对光纤通信的原理进行了说明，最后 提出本课题的设计任务和系统所要达到的技术指标。 啥尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章波分复用与0 w d m 2 1 光波分复用技术的产生 随着通信网对传输容量不断增长的需要以及网络交互性、灵活性的要求， 产生了各种复用技术，在数字光纤通信中除了大家熟知的时分复用( n ) m ) 方式外，还出现了其它的复用方式，包括光时分复用( o t d m ) 、波分复用 ( w d m ) 、频分复用( f d m ) 以及微波副载波复用( s c m ) 等方式，而这些 复用方式的出现，则使通信网的传输效率大大提高。 光波分复用是在光纤通信中引入的一种新的复用方式。由于采用了光波 分复用技术后可以使原来只能采用一个波长的光作为载波的单一光信道变为 数个不同波长的光信道同时在光纤中传输，因而使光纤通信的容量能够成倍 提高，此外利用光波分复用技术还可以实现单纤全双工传输( 双向) ，以及在 光纤用户网中增加组网的灵活性，基于这些优点，当光波分复用技术一提出 来，便受到普遍的重视，成为国际上在光纤通信高技术领域一个新的研究目 标。时至今日，虽然光波分复用通信提出也不过十多年的时间，真正付诸通 信应用尚不到十年，但是不论从器件上还是从应用上都取得了很大的发展， 器件制造技术已日臻成熟，在多种通信应用上也日趋广泛，目前已经应用于 光纤长途干线通信的容量升级以及其它多种形式的光纤网络，使光纤通信发 展到一个更高水平。 2 2w d m 系统的基本形式 w d m 系统的基本构成主要有以下两种形式： 1 双纤单向传输 单向w d m 是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送。如图2 1 所示： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 门 l j 仃 l 门 l j 门 图2 1 双纤单向示意图 在发送端将载有各种信息的、具有不同波长的已调光信号 ，如， 无通过光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输，由于各信号是通过 不同光波长携带的，所以彼此之间不会混淆。在接收端通过光解复用器将不 同光波长的信号分开，完成多路信号传输的任务。反方向通过另一根光纤传 输，原理相同。 2 单纤双向传输 双向w d m 是指光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输，如图 2 2 所示。所用波长相互分开，以实现彼此双方全双工的通信联络。 1 力 1 ， j 力 图2 2 单纤双向传输示意图 单向w d m 系统在开发和应用方面都比较广泛。双向w d m 系统的开发 和应用相对来说要求更高，这是由于双向w d m 系统在设计和应用时必须要 考虑到几个关键的系统因素，如为了抑制多通道干扰( m p i ) ，必须注意到光 反射的影响、双向通路之间的隔离、串话的类型和数值、两个方向传输的功 率电平值和相互间的依赖性、o s c 传输和自动功率关断等问题，同时要使用 双向光纤放大器。但与单向w d m 系统相比，双向w d m 系统可以减少使用 l 口 r 刀 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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( 0 a d m ) 或光交叉连接器( 0 x c ) ， 可使各波长光信号进行合流与分流，实现光信息的上下通路与路由分配，这 样就可以根据光纤通信线路和光网的业务量分布情况，合理地安排插入或分 出信号。 2 3w d m 的工作原理及其技术特点 光波分复用是将两种或多种不同波长的光载波信号( 携带有各种类型的信 息) 。在发送端经复用器( 亦称合波器，m u l t i p l e x e r ) 把这些光载波信号汇合在 一起，并耦合到光线路中同一根光纤中进行传输；在接收端经分波器( 亦称解 复用器或去复用器，d e m u l t i p l e x e r ) 将各种波长的光载波进行分离，然后由光 接收机相应的进一步处理恢复信号。这种复用方式称为波分复用。可以是单 向传输，也可以是双向传输。 w d m 本质上是光域上的频分复用( f d m ) 技术，w d m 系统的每个信道通 过频域的分割来实现，每个信道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： ( 1 ) 输媒介不同，w d m 系统是光信号上的频率分割，而同轴系统是电 信号上的频率分割。 ( 2 ) 在每个通路上，同轴电缆系统传输的是模拟的4 k h z 语音信号，而 w d m 系统目前每个通路上传输的是数字信号s d h 2 5 0 b i t s 或更高速率的 数字信号。 w d m 技术之所以在近几年得到迅猛发展，是因为它具有下述优点： ( 1 ) 超大容量传输。由于w d m 系统的复用光通路速率可以为2 5 g b s 、 1 0 g b i t s 等，而复用光通路的数量可以是4 、8 、1 6 、3 2 ，甚至更多，因此系统 的传输容量可以达到3 0 0 4 0 0 g b i t s ，甚至更大。 ( 2 ) 节约光纤资源。对于单波长系统而言，1 个s d h 系统就需要一对光纤： 而对于w d m 系统来讲，不管有多少个s d h 分系统，整个复用系统只需要一对 光纤。例如，对于1 6 个2 5 g b 彬s 系统来说，单波长系统需要3 2 根光纤，而w d m 系统仅需要两根光纤。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 各信道透明传输，平滑升级、扩容。只要增加复用信道数量与设备就 可以增加系统的传输容量以实现扩容。w d m 系统的各复用信道是彼此相互独立 的，所以各信道可以分别透明地传送不同的业务信号，如语音、数据和图像 等，彼此互不干扰，这给使用者带来了极大的便利。 ( 4 ) 利用e d f a 实现超长距离传输。e d f a 具有高增益、宽带宽、低噪声 等优点，且其光放大范围为1 5 3 0 1 5 6 5 n m ，但其增益曲线比较平坦的部分是 1 5 4 0 1 5 6 0 n m 。它几乎可以覆盖w d m 系统的1 5 5 0 r i m 的工作波长范围。所以 用一个带宽很宽的e d f a 就可以对w d m 系统的各复用光通路信号同时进行 放大，以实现系统的超长距离传输，并避免了每个光传输系统都需要一个光 放大器的情况。w d m 系统的超长传输距离可达数百公里同时节省大量中继设 备，降低成本。 ( 5 ) 提高系统的可靠性。由于w d m 系统大多数是光电器件，而光电器件 的可靠性很高，因此系统的可靠性也可以保证。 ( 6 ) 可组成全光网络。全光网络是未来光纤传送网的发展方向。在全光网 络中，各种业务的上下、交叉连接等都是在光路上通过对光信号进行调度来 实现的，从而消除了e o 转换中电子器件的瓶颈。w d m 系统可以与0 a d m 、 o x c 混合使用，以组成具有高度灵活性、高可靠性、高生存性的全光网络， 以适应带宽传送网的发展需要。 2 4 粗波分复用技术c w d m 随着信息时代的到来，全球通信业务量迅猛增长，网络业务类型日益多 样化，通信网络的发展面临着前所未有的机遇和挑战。 波分复用( w d m ) 是指利用光纤的巨大带宽，将多个波长( 波长之间有 一定的间隔) 的光信号混合在一起传输，丽这些波长承载的信号速率和格式 可相同也可不同，因而是一种高效灵活方便的系统扩容方式。按照通道间隔 的不同，w d m 可以细分为c w d m ( 稀疏波分复用) d w d m ( 密集波分复用) 单根光纤中传输波长的信道间隔不同是c w d m 和d w d m 的根本区别。 c w d m 系统的常用信道间隔和通带宽度分别为2 0 h m 和1 3 n m 。而d w d m 的 信道间隔很窄，一般有0 2 r i m 、0 4 n m 、o 8 n m 、1 6 r i m ，所以相对于d w d m ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c w d m 被称为粗波分复用技术。然而，c w d m 与d w d m 相比，最大的优 势就是其成本低，功耗低，集成度高。 d w d m 无疑是当今光纤应用领域的首选技术，凭借其带宽潜力和传输 数据透明性等优势，在长途骨干传输市场取得巨大成功。然而，对中短距离 应用而言，网络环境和市场需求截然不同。用户侧的网络成本主要取决于接 入设备而非传输线路，带宽支付能力也相对较低。d w d m 系统昂贵的价格 令许多经济拮据的运营商颇为踌躇，能否适应城域网和接入网传输市场仍值 得商榷。 相比而言，c w d m 技术是成本与性能折中的产物，专为中短距离的网络 应用而设计，具有较高的性能价格比，逐渐成为通信业界关注和竞争的热点。 c w d m 系统使用的信道间隔较宽，对波长窗口和器件的要求不严，也能够实 现传输网络的扩容升级目标4 1 。 2 、5 本章小结 本章介绍了波分复用技术的原理及发展趋势，波分复用分密集波分复用 和粗波分复用，然后重点论述了c w d m ( 粗波分复用) 的特点，粗波分复用 应用的场合及其实现。 1 6 堕签堕王堡盔堂堡主堂垡堡塞 第3 章系统硬件电路设计 3 1 光发送机与接收机 3 1 1 光发送机 光发送机是数字光纤通信系统中的三大组成部分( 光发送机，光纤光缆 和光接收机) 之一。其功能是将电脉冲信号变换成光脉冲信号，并以数字光 纤通信系统传输性能所要求的光脉冲信号波形从光源器件组件的尾纤发射出 去。 在数字光纤通信系统中，光源发出的光可以看作是光频载波，通过调制， 使其载荷信息，一般采用直接强度调制的方式。光发送机原理方框图见图3 1 ， 主要由整形或码型变换电路、光源驱动电路和发射光源组成。图中的其它部 分电路，如光检测放大、比较放大、功控与保护及温度控制电路，是为了实 现光发送机的各项技术指标，结合光源器件的应用特性而采取的相应的补偿 措施。该方框图适合采用激光器( l d ) 作光源的光发送机。对于采用发光二 极管( l e d ) 作光源的发送机，其中有些电路可以省去。 光发送机依靠光源器件激光器( l d ) 或发光二极管( l e d ) 将电脉 冲信号变换成光脉冲信号，因此光源器件是光发送机中的核心部分。光源器 件的性能直接影响着光发送机的主要性能指标。 光源驱动电路是光发送机的主要干电路，它将电脉冲信号通过电流强度 的调制方式调制半导体激光器或发光二极管发射出光脉冲信号。 一个性能十分完善的光发送机，一方面是需要能够适应数字光纤通信特 点的性能先进的光源器件，另一方面就是根据光源器件的应用特性采用先进 的电子线路技术进行恰到好处的控制与防范。这就是光发送机除了一定要有 整形或码型变换电路、光源驱动电路和发射光源以外，还可能要有自动光功 率控制( a p c ) 、自动温度控制( a t c ) 和各种保护电路的原因。因此，可以 哈尔滨工程大学硕士学位论文 说光发送机的本质含义就是根据光源器件的应用特性采取有针对性的电子线 路技术而使光源器件能有效和可靠地应用在数字光纤通信系统中。 s i c p i p o 图3 1 光发送机原理方框图 光源 光源是光纤通信系统的关键器件，它产生光纤通信系统所需要的光载波， 其特性好坏直接影响光纤通信系统的性能，实用光纤通信系统对光源有如下 要求： 1 合适的发光波长 光源的发光波长必须在石英光纤的三个低损耗窗口内，第一个窗口为 o 8 5 a m 左右；第二个窗1 2 1 为1 3 a m 左右；第三个窗1 ：3 为1 5 5 a m 左右。 2 合适的输出功率 光纤通信系统要求光源有合适的输出功率，光源输出功率的大小影响中 继距离。光源输出功率越大，系统的中继距离越长，但是，应该指出，这个 结论是有条件的。如果光源输出功率太大，使光纤工作于非线性状态，这是 光纤通信系统不能容许的，因此，输入光纤的光功率必须适当。 3 可靠性高、寿命长 为了使光纤通信系统的工作稳定可靠，光源的绝对寿命应以1 0 1 0 0 万 1 8 堕玺迭兰垄盔堂堡主堂垡鲨窒 小时为目标，随着系统中继器的增加，对光源的寿命要求更高。 4 谱线宽度窄 光源的谱线展宽是影响光纤通信系统性能的重要因素，光源谱线越宽， 光纤色散越大，使光纤通信系统的传输码速显著降低。另一方面，光源谱线 宽，意味着噪声大，它将直接影响光接收机的灵敏度。因此，在码速较高的 光纤通信系统中，特别是外差光纤通信系统中，希望光源的谱线越窄越好 5 与光纤的耦合效率高 光源与光纤的耦合效率高，则入纤功率大，系统中继距离增加。 6 调制特性好 用电信号对光源进行直接强度调制时，要求光源调制效率高，其调制速 度也应适于系统码速的要求。同时，还要求不产生自脉动、张弛振荡或其他 调制噪声。 7 温度特性好 光源在温度变化时，其输出功率、阈值电流和中心波长都将发生变化， 它将对光纤通信系统的性能产生严重的影响。因此，要求光源有好的温度特 性，尽量减小温度变化的影响。在实际的发送机中，还要使用辅助电路，改 善光源的温度特性。 此外，光纤通信系统还要求光源体积小、重量轻，并在经济上符合推广 应用的要求“1 。 直接强度调制 在光纤数字通信系统中，因为对光源的线性要求不高，用激光器作光源 比较有利，它可以提高光源输出功率，因此，激光器的字节强度调制就是利 用p c m 脉冲码流对激光器的输出光功率进行调制，输出已调光脉冲码流， 调制特性如图3 2 所示。由图可见，直接调制时应给激光器加偏置电流，。， 以减小对信号电流幅度的要求。，。的大小一般悬在厶附近。从提高输出光功 率要求来看，希望，。稍大一些，但从减小多模光纤系统的模式噪声来看，希 望，。稍小一些。调制脉冲幅度要根据系统要求的输出功率和器件的具体参数 来确定。 1 9 堕堡鎏三焦盔堂堡主堂焦丝塞 i 电流) 图3 2 脉冲直接强度调制特性 目前，直接强度调制的码速可达数千兆比特秒，但在实际应用中往往出 现以下问题： 1 开通时延 开通时延是指激光器接通阶跃脉冲电流后，受激发光与所加电流之间的 延时，如图3 3 所示。延时岛与激光器谐振腔的载流子自发复合寿命f 。和偏 流厶有关。岛与t 成比例，t 一般为( 2 3 ) n s 。实际上，当调制码速超过 4 0 0 m b i t s 时，会因开通时延而引起光脉冲波形的失真。 流脉冲波形 脉冲波形 图3 3 开通时延和张弛振荡 2 张弛振荡 从图3 3 可见，当外加调制电流为阶跃脉冲时，输出光脉冲往往会出现 哈尔滨工程大学硕士学位论文 幅度逐渐衰减的振荡，称为张弛振荡，其振荡频率与外加电流的大小有关。 一般为o 5 2 g h z ，其振荡强度与激光器的特性有关。在实际应用中，当系 统码速为4 0 0 m b i f f s 以上，接近张弛振荡的频率时，若不采取相应的控制张 弛振荡的措旆，要得到良好的脉冲波形是困难的。控制方法一般可采用控制 网络或光注入的方法，后者是抑制张弛振荡最有效的方法。 3 自脉动现象 激光器的调制深度随偏置电流的增加而增加，当偏置电流大于阈值的百 分之几时，对某特定的激光器，输出光脉冲会出现持续等幅的高频振荡，这 种现象称为自脉动现象。其频率一般为几百兆赫，并随外加偏流而变化，低 的为1 0 0 m h z ，高的可达2 g h z 以上。由于自脉动对脉冲调制很深，可达8 0 ， 并且是叠加在有用信号上的固有振荡，外电路是无法抑制的，它将严重限制 激光器的高速调制。同时，在有自脉冲时，光源谱线严重展宽。 驱动电路 驱动器的作用是对光源提供驱动电流，它的性能应与半导体激光器或发 光二极管的特性相匹配，必须满足以下要求： 1 应是输出足够驱动电流的恒流源； 2 要有足够高的驱动速率； 3 使光源有稳定的输出特性。 大家都知道，半导体三极管的输出特性在放大区表现为恒流源，因此， 可以将l d 或l e d 接在三极管的集电极电路中，用三极管的集电极电流驱动 电源，使之发光。 辅助电路 在实用光发送机中，为了保证有稳定可靠的输出功率，以及使用、维护 方便，往往要求有各种辅助控制电路。如自动功率控制( a p c ) 、自动温度控 制( a t c ) 、限流保护电路、寿命告警、无光告警电路等等。由于篇幅所限， 这里就不一一介绍了m 。 3 1 2 光接收机 数字光接收机在数字光纤通信系统中的的作用是将经光纤光缆传输后衰 2 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 减变形的微弱光脉冲信号通过光一电转换成为电脉冲信号，并给予足够的放 大、均衡与定时再生还原成为标准的数字脉冲信号。 光纤数字通信系统接收机的组成方框图如图3 4 所示。 输出 图3 4 光接收机组成方框图 当从光纤中输出的微弱的光信号入射在光电检测器的光敏面上时，光电 检测器将其转变为电信号。前置放大器放大从光电检测器送来的微弱电信号， 它是光接收的关键部分，要求它有足够小的噪声、适当的带宽和一定的信号 增益。主放大器的作用是进一步放