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光纤通信复用技术的研究资料,毕业设计
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1 光纤通信的复用技术的研究 摘 要 在光纤通信中，复用技术被认为是扩展现存光纤网络工程容量的主要手段。复用技术主要包括时分复用 TDM（ Time Division Multiplexing）技术、空分复用 SDM（ Space Division Multiplexing）技术、波分复用 WDM（ WaveLength Division Multiplexing）技术和频分复用 FDM（ Frequency Division Multiplexing）技术。但是，因为 FDM和 WDM 一般认为并没有本质上的区别，所以可以认为波分复用是粗分，而频分复用是细分，从而把两者归入一类。 关键词 波分复用（ WDM） 空分复用（ SDM） 时分复用（ TDM） 频分复用（ FDM） The fiber optic correspond by letter of reply with the technical research Hu caiju Abstract In fiber-optic correspondence, reply with it is main means that expands the existing fiber-optic network engineering capacity that technique is think.Reply to the mainly include the with the technique reply the to use the TDM (Time Division Multiplexing) the technique separately, the empty reply the separately to the reply to the use the WDM ( WaveLength Division Multiplexing) technique and Frequency the s to the reply to the use the FDM (Frequency Division Multiplexing) technique the separately with the SDM (Space Division Multiplexing) technique, the a cent .But, the Frequency replies separately the use is “ that a the to subdivide ” the FDM and WDM think to have no essential differentiation generally, so can think it is “ that a cent replies to use thick cent ”, thus return both into together. Key words WDM（ WaveLength Division Multiplexing） SDM（ Space Division Multiplexing） TDM（ Time Division Multiplexing） FDM（ Frequency Division Multiplexing） 一、引言 通信中的复用技术是一种能够充分利用传输线信道容量的多维通信手段，它是先把来自多个信息源的消息进行合并，然后将这一合成的消息群，经由单一的传输设备进行传输，在接收端再将这一消息群进行分离，并分别重现，因此，复用实质上是一 种起着多通道作用的信息传输方式。 在目前实用的光纤通信系统中，还延用传统的强度调制 -直接检波（ IM/DD）的系统方式，即电 /光转换和光 /电转换的信号传输方式，虽然随着大规模集成电路的不断发展，系统容量也得到了不断提高，但电子器件处理信息的速率还远远低于光纤所能提供的巨大负荷量，为了进一步满足各种宽带业务对网络容量的需求，进一步挖掘光纤的频带资源，开发和使用新型光纤通信系统将成为未来的的趋势，其中采用多信道复用技术，便是行之有效的方式之一。 nts 2 光纤通信复用技术主要分为：光波复用和光信号复用两大类。光波复 用分为按波长分割的波分复用（ WDM）和按空间分割的空分复用（ SDM），而光信号复用又分为按时间分割的时分复用（ TDM）和按频率分割的频分复用（ FDM），此外还有光码复用（ OCDM）、副载波复用（ SCM）技术。不难看出，光信号复用是延用无线电通信中的相应复用技术。而光波复用技术则是光纤通信所特有的，它是人们根据光波的特点发展出来的一种新颖的复用通信技术。 二、光纤数字网的复接体制 数字复用是采用数字 复接的方法来实现的，又称数字复接技术。 数字复接体系 (digital multiplex hierarchy)： 按照数字率来分级的一系列数字复接器。在某一用户的话音信号 (发与收 )采用二线制传输 ， 但端机的发送与接收支路是分开的，即发与收是采用四线制传输。因此，用户的话音信号需经 2/4线变换，也就是通过差动变量器 （ 差动变量器12端发送与 4 1端接收的传输衰减越小越好，而 4 2端的衰减要越大越好，以防止通路振鸣）12端送入 PCM端机的发送端，经放大 (调节话音电平 )、低通滤波 (限制话音频带、防止 折叠噪声 )、抽样、合路和编码，编码后的 PCM码、帧同步码、信令码、数据信号码在汇总电 路里按 PCM30/32系统帧结构排列 ，最后经码型变换成适宜于信道传输的码型送往信道。接收端首先将接收到信号进行整形、再生，然后经过码型反变换，恢复成原来的码型，再由分离电路将 PCM码、信令码、帧同步码、数据信号码分离，分离出的话路信码经解码、分路门恢复出每一路的 PCM信号，然后经低通平滑，恢复成每一路的话音模拟信号，最后经放大、差动变量器 41端送至用户。再生电路所提取时钟，除了用于抽样判决，识别每一个码元外 ， 还由它来控制收端定时系统产生收端所需的各种脉冲信号。 数字复接系统由数字复接器和数字分接器组成。 (如图 2-1) 数字复接器是把两个或两个以上的支路 (低次群 )，按时分复用方式合并成一个单一的高次群数字信号设备，它由定时 、 码速调整和复接单元等组成。数字分接器的功能是把已合路的高次群数字信号，分解成原来的低次群数字信号，它由帧同步、定时、数字分接和码速恢复等单元组成。 图 2-1 数字复接系统方框图 异步复接 nts 3 要完成数字复接，各低速数字支路必须彼此同步，有两种方法可以保证这一点：建立同步网络和 采用异步复接。同步复接是用一个高稳定的主时钟来控制被复接的几个低次群，使这几个低次群的码速统一在主时钟的频率上，这样就达到系统同步的目的。这种同步方法的缺点是主时钟一旦出现故障 ， 相关的通信系统将全部中断。它只限于在局部区域内使用。不论同步复接或异步复接，都需要码速变换。虽然同步复接时各低次群的数码率完全一致 ，但复接后的码序列中还要加入帧同步码、对端告警码等码元，这样数码率就要增加，因此需要码速变换。在准同步网络中，各群次独立定时，因此高次群复接都采用以比特为单位的异步复接。 异步复接是各低次群使用各自的时钟 。这样，各低次群的时钟速率就不一定相等，因而在复界时要先进行码速调整，使各低次群同步后再复界。所以 异步复接实际上是通过两个步骤实现的：先用码速调整将各支路信息码流调 整到速率、相位都一致，然后进行同步复接。一般采用正码速调速 （如图 2-2） ，这样在发端就要插入一些码速调整比特，一路低速信号往往要经过多次码速调整，使得在高速信号中很难直接识别和提取低速支路信号，要上下话路，只能采用一系列背靠背的复接器，将高次群信号一步步地解复用到所要解出的低次群上，上下路后，再重新一步步地复用到高次群上 (如图 2-3)。 显然， 这种异步复用方式结构复杂，成本高，设备利用率低，硬件所占的成分大，因此很 不灵活。 图 2-2正码调速方框图 nts 4 图 2-3 异步复接系统上下路方法 目前世界上有三种异步复接体制 (表 2 1)，三者互不兼容，国际互联时必须进行转换。 表 2 1 三种异步复接体制 次群 以 1 5Mbps为基础的系列 以 2Mbps为基础的系列 日本体制 北美体制 欧洲体制 0次群 64 64 64 1次群 1554 1554 2048 2次群 6312 6312 448 3次群 32064 44736 34368 光纤同步网络 SONET和 SDH 美国贝尔公司首先提出了同步光网络 (SONET)，美国国家标准协会 (ANSI)于 20世纪 80年代制 定了有关 SONET的国家标准。当时的 CCITT采纳了 SONET的概念，进行了一些修改和扩充，重新命名为同步数字体系 (SDH)，并制定了一系列的国际标准。 SDH和 SONET的基本原理完全相同，标准也兼容，但还是略有差别 (表 2 2)。 nts 5 表 2 2 SONET、 SDH比较 SDH SONET 等级 速率 (Mbps) 速率(Mbps) 等级 51.840 STM 1 OC-1 STM 1 155.520 155.520 STM 3 OC-3 466.560 STM 9 OC-9 STM 4 622.080 622.080 STM 12 OC-12 933.120 STM 18 OC-18 1244.160 STM 24 OC-24 1866.240 STM 36 OC-36 STM 16 2488.320 2488.320 STM 48 OC-48 STM 64 9953.280 9953.280 STM 192 OC-192 SONET的电信号称同步传递信号 STS(Synchronous Transport Signal)，光信号称光载体OC(Optical Carrier Level)，它的基本比特率是 51.840Mbps； SDH的基本速率为 155.520Mbps，其速率分级名称为同步传递模块 STM(Synchronous Transport Module)。我国采用 SDH标准，因此下面的叙述都按 SDH分级方式。 SDH的特点 SDH网的主要特点是同步复用、标准光接口和强大的网管功能，这三点在后面都要详细明。SDH网络还是一个非常灵活的网络，这体现在以下几个方面。 支持多种业务 SDH的复用结构中定义了多种容器 C和虚容器 VC，各种业务只要装入虚容器就可作为一个独立的实体在 SDH网中进行传送。 C、 VC以及联和复帧结构的定义使 SDH可以灵活地支持多种电路 层业务，包括各种速率的异步数字系列、 DQDB、 FDDI、 ATM等，以及将来可能出现的新业务 。另外，段开销中大量的备用通道也增强了 SDH网的可扩展性。 SDH的 这种灵活性和可扩展性使它成为宽带综合业务数字网理所当然的基础传送网络。 迅速、灵活地更改路由，具有很强的生存性 PDH中改变网络连接要靠人工更改配线架的接线，耗时长、成本高且易出错。在 SDH网中，大规模采用软件控制，通过软件就可以控制网络中的所有交叉连接设备和复用设备，需要改变路由时 ， 通过软件更改交叉连接设备和分插复用器的连接，只要几秒钟就可灵活地重组网络 。 特别是 SDH的自愈环，在某条链路出现故障时，可以迅速地改变路由，从而大大提高了 SDH网的可靠性 。 定义了标准的网络接口和标准网络单元，提高了不同 厂商之间设备的兼容性，使组网时有更大的灵活性。 nts 6 三、光纤通信复用技术 波分复用（ WDM） 波分复用（ WDM）通信基本原理 目前， WDM（波分复用）技术发展十分迅速，已展现出巨大的生命力和光明的发展前景，我国的光缆干线和一些省内干线已开始采用 WDM系统，并且国内一些厂商也正在开发这项技术。 概述 在过去 20 年里，光纤通信的发展超乎了人们的想象，光通信网络也成为现代通信网的基础平台。就我国长途传输网而言，截止到 1998年底，省际干线光缆长度已接近 2O万 km。光纤通信系统经历了几个发展阶段，从 80 年代 末的 PDH系统， 90 年代中期的 SDH系统，以及近来风起云涌的 WDM系统，光纤通信系统自身在快速地更新换代。 波分复用技术从光纤通信出现伊始就出现了，两波长 WDM（ 1310 1550nm）系统 80年代就在美国 AT&T网中使用，速率为 21.7Gb s。但是到 90 年代中期， WDM系统发展速度并不快，主要原因在于：（ 1） TDM（时分复用）技术的发展， 155Mb s 622Mb s 2.5Gb s TDM技术相对简单。据统计，在 2.5Gb s系统以下（含 2.5Gb s系统），系统每升级一次，每比特的传输成本下降 3O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 TDM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 90 年代初才开始商用化。 1995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。 Lucent率先推出 82.5Gb s系统， Ciena推出了 162.5Gb s系统，试验室目前已达 Tb s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， WDM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 EDFA的成熟和商用化，使在光放大器（ 1530 1565nm）区域采用WDM技术成为可能。（ 2） TDM10Gb s面临着电子元器件的挑战，利用 TDM方式已日益接近硅和镓砷技术的极限， TDM已没有太多的潜力可控，并且传输设备的价格也很高。（ 3）已敷设 G.652光纤 1550nm窗口的高色散限制了 TDM10Gb 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，而 WDM技术是目前能够商用化最简单的光复用技术。 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。 80年代初期的多模光纤通信，所应用的是多模光纤的 850nm窗口； 80年代未、 90年代初期的 PDH系统，所应用的是单模光纤 1310nm窗口； 1993年开始的 SDH系统开始转向 1550nm窗口； WDM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 WDM系统是在 155Onm窗口实施的多波长复用技术，因而在深入讨论 WDM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。 如图 3-1所示。 光纤的基本特性 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 80 年代未起，我国在国家干线网上敷设的都是常规单模光纤。常规石英单模光纤同时具有1550nm和 1310nm两个窗口，最小衰减窗口位于 1550nm窗口。多数国际商用光纤在这两个窗口的典型数值为： 1310nm窗口的衰减在（ 0.3 0.4） dB km； 1550nm窗口的衰减在（ O.19 0.25） dB km。 nts 7 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）将各信号光载波分开。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。 所谓 WDM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 16波长系统，这取决于所允许的光载波波长的间隔大小，图 3-2给出了其系统组成。 图 3-2 波分复用系统原理 WDM本质上是光域上的频分复用 （ FDM）技术。要想深刻理解 WDM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 FDM-TDM-TDM+FDM的路线。开始的明线、中同轴电缆采用的都是 FDM模拟技术，即电域上的频分复用技术，每路话音的带宽为 4kHz，每路话音占据传输媒质（如同轴电缆）一段带宽； PDH、 SDH系统则是在光纤上传输的TDM基带数字信号，每路话音速率为 64kb s；而 WDM技术是光纤上频分复用技术， 16（ 8） 2.5Gb s的 WDM系统则是光域上的 FDM模拟技术和电域上 TDM数字技术的结合。 下面列出了几种传输技术实现方式： nts 8 .明线技术， FDM模拟技术，每路电话 4kHz； .小同轴电缆 6O路 FDM模拟技术，每路电话 4kHz； .中同轴电缆 1800路 FDM模拟技术，每路电话 4kHz； .光纤通信 140Mb s PDH系统， TDM数字技术，每路电话 64kb； .光纤通信 2.5Gb s SDH系统， TDM数字技术，每路电话 64kb s； .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。 WDM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，如图 3-3所示。每个波长通路占用一段光纤的带宽，与过去同轴电缆 FDM技术不同的是：（ 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。（ 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。 图 3-3 WDM频谱分布图 WDM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，完成各种电信业务信号的综合和分离，包括数字信号和模拟信号，以及 PDH信号和 SDH信号的综合与分离。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。一个 WDM系统可以承载多种格式的 “ 业务 ” 信号， ATM、 IP 或者将来有可能出现的信号。 WDM系统完成的是透明传输，对于 “ 业务 ” 层信号来说， WDM的每个波长就像 “ 虚拟 ” 的光纤一样。 、 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，增加一个附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量。 nts 9 、 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。 、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，从而减少成本。距离越长，节省成本就越多 WDM和 DWDM人们在谈论 WDM系统时，有时会谈到 DWDM（密集波分复用系统）。 WDM和 DWDM是同一回事吗？它们之间到底有那些差别呢？其实， WDM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，它们与 WDM技术的发展史 有着紧密的关系。 在 80年代初，光纤通信兴起之初，人们想到并首先采用的是在光纤的两个低损耗窗口1310nm和 1550nm窗口各传送 1路光波长信号，也就是 131Onm 155Onm两波分的 WDM系统，这种系统在我国也有实际的应用。该系统比较简单，一般采用熔融的波分复用器件，插入损耗小；没有光放大器，在每个中继站上，两个波长都进行解复用和光电光再生中继，然后再复用在一起传向下一站。很长一段时间内在人们的理解中， WDM系统就是指波长间隔为数十 nm的系统，例如 1310nm 1550nm两波长系统（间隔达 200多 nm）。因为在当时的条件下，实现几个 nm 波长间隔是不大可能的。 随着 1550nm窗口 EDFA的商用化， WDM系统的应用进入了一个新时期。人们不再利用 1310nm窗口，而只在 1550nm窗口传 送多路光载波信号。由于这些 WDM系统的相邻波长间隔比较窄（一般（ 1.6nm），且工作在一个窗口内共享 EDFA光放大器，为了区别于传统的 WDM系统，人们称这种波长间隔更紧密的 WDM系统为密集波分复用系统。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（ 0.8 2） 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。由于 DWDM光载波的间隔很密，因而必须采用高分辨率波分复用器件来选取，例如平面波导型或光纤光栅型等新型光器件，而不能再利用熔融的 波分复用器件。 在 DWDM长途光缆系统中，波长间隔较小的多路光信号可以共用 EDFA光放大器。在两个波分复用终端之间，采用一个 EDFA代替多个传统的电再生中继器，同时放大多路光信号，延长光传输距离。在 DWDM系统中， EDFA光放大器和普通的光电光再生中继器将共同存在， EDFA用来补偿光纤的损耗，而常规的光电光再生中继器用来补偿色散、噪声积累带来的信号失真。 现在，人们都喜欢用 WDM来称呼 DWDM系统。从本质上讲， DWDM只是 WDM的一种形式， WDM更具有普遍性， DWDM缺乏明确和准确 的定义，而且随着技术的发展，原来认为所谓密集的波长间隔，在技术实现上也越来越容易，已经变得不那么 “ 密集 ” 了。一般情况下，如果不特指 1310nm 1550nm的两波分 WDM系统，人们谈论的 WDM系统就是 DWDM系统。 nts 10 总 结 过去无论 PDH的 34Mb s-140Mb s-565Mb s，还是 SDH的 155Mb s-622Mb s-2.4Gb s，其扩容升级方法都是采用电的 TDM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）。 WDM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）的方式提干个时隙，将 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， WDM技术的应用标志着光通信时代的 “ 真正 ” 到来。 空分复用（ SDM） 所谓空分复用就是利用空间分割，根据需要构成不同的信道进行光复用的一种复用技术。例如，一根光缆中的两根光纤可以构成不同的信道，也可以构成不同传输方向（一根去向，一根来向）的一 个系统，这是目前普遍使用的最为简单的复用方式。 随着技术的不断提高，人们对空间分割的理解更加深刻，使用复用向着多路空分复用通信方式发展。例如，对于一幅由若干象素的信息，这样通过利用多芯光纤可使传输图象的传输率成数量级的提高，同时仍保持其良好的色保持特性和透光性。这是空分复用的一个发展方向 . 时分复用（ TDM） TDM技术在电子学通信中已经是很成熟的复用技术。这种技术就是将传输时间分割成若需要传输的多路信号按一定规律插入相应时隙，从而实现多路信号的复用传输。但是，这种技术在电子学通信使用中，由于受到电 子速度、容量和空间兼容性诸多方面的限制，使得电子时分复用速率不能太高。例如， PDH 信号仅达到 0.5Gbps，尽管 SDH 体制信号采用同步交错复接方法己达到 10Gbps（ STM-64）的速率，但是，达到 20Gbps却是相当困难的。另一方面，在光纤中，对于光信号产生的损耗（ Attnuation）、反射（ Reflectance）、颜色色散（ Chromatic Dispersion）以及偏振模式色散 PMD（ Polarization Mode Dispersion）都将严重影响高速率调制信号的传输。当信号达到 STM-64或者更高速率时， PMD的脉冲扩展效应，就会造成信号模糊，引起接收机对于信号的错误判断从而产生误码。这是由于不同模式的偏振光在光纤运行中会产生轻微的时间差，因而一般要求 PMD系数必须在 0.1ps/km以下。综上所述，电时分复用技术的局限性，将电子学通信的传输速率限制在 10 20Gbps以下。 .时分多路复用 TDM 技术原理 nts 11 若媒体能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率，可采用时分多路复用 TDM技术，即将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。每一时间片由复用的一个 信号占用，这样，利用每个信号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。 时分多路复用 TDM 不仅局限于传输数字信号，也可同时交叉传输模拟信号 。 时分多路复用通信，是各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信。由前述的抽样理 论可知，抽样的一个重要作用，是将时间上连续的信号变成时间上离散的信号，其在信道上占用时间的有限性，为多路信号沿同一信道传输提供了条件。具体说，就是把时间分成一些 均匀的时间间隙，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隙，以达到互相分开，互不干扰的目的。时分多路复用，各路 信号经低通滤波器将频带限制在 3400Hz以下，然后加到快速电子旋转开关 (称分配器 ) 开关不断重复地作匀速旋转，每旋转一周的时间等于一个抽样周期 T，这样就做到对每一路信号每隔周期 T时间抽样一次。由此可见，发端分配器不仅起到抽样的作用，同时还起到复用合路的作用。合路后的抽样信号送到 PCM编码器进行量化和编码，然后将数字信码送往信道 。在收端将这些从发送端送来的各路信码依次解码，还原后的 PAM信号，由收端分配器旋转开关 K2依次接通每一路信号，再经低通平滑，重建成话音信号。由此可见收端的分配器起到时分复用的分路作用，所以收端分配器又叫分路门。 当采用单片集成 PCM编解码器时，其时分复用方式是先将各路信号分别抽样、编码、再经时分复用分配器合路后送入信道，接收端先分路，然后各路分别解码和重建信号。要注意的是：为保证正常通信，收、发端旋转开关 必须同频同相。同频是指 的旋转速度要完全相同，同相指的是发端旋转开关 连接第一路信号时，收端旋转开关 K2也 必须连接第一路，否则收端将收不到本路信号，为此要求收、发双方必须保持严格的同步。 频分多路复用 FDM 技术原理 在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同 (或略宽 )的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用。 多路原始信号在步分复用前，先要通过频谱搬移技术将各路信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上，使各信号的带宽不相互重叠，然后用不同的频率调制每一个信号，每个信号要一个样以它的载波频率为中心的一定带宽的通道。为了防止互 相干扰，使用保护带来隔离每一个通道。 FDM 是将在光纤中传输的光波按其频率进行分割成若干光波频道，使其每个频道作为信息的独立载体。从而实现在一条光纤中的多频道复用传输。 FDM 技术可以与 WDM 技术联合使用，使复用路数成倍提高，即首先将光波波道按波长进行粗分，若每个波道宽度为 ，则在每个宽度为 波道内，再载入几个频道 (f1、 f2、 、 fn)，每个频道还可以独立荷载信息。由于相干光通信提供了极好的选择性，因此 FDM 技术与其相结合，为采用 FDM 技术的光纤网络实用化创造了条件。光 FDM 复用技术设备复杂，对于光器件 性能的要求高，因此进入实用工程阶段还需要不少努力。 四、 全光波分复用网络技术 近几年来，全世界计算机及通信技术得到了长足的发展，由于网络构筑所依赖的以电为基本传输介质的物理层已到了其极限，使得现有的网络在多方面已不能适应需求：带宽匮乏、灵活性nts 12 差、速度慢。 解决的唯一出路就是全光网络。全光网络不仅以光纤作为基本传输介质，而且在节点处采用光交换。即数据从源节点到目的节点的传输过程始终在光域内。这样的全光通信网络具有优良的品质： 通信频带宽； 线路误码率低； 协议透明度高； 线路可靠性强。 现有的基于时分 复用方式工作的光纤网络由于受到电子器件的极限工作速率的限制，网络综合带宽难以突破 10Gbit/s的量级。为充分利用光纤提供的巨大通信带宽，在网络中采用并行访问方式是必然的选择。目前，在全光通信网络中有 3种并行访问方式： 光空分传输和交换； 光码分多址； 波分复用（ WDM,Wavelength Division Multiplexing）。其中波分复用是目前研究的前沿和热点之一。它将单模光纤的可用带宽划分成多个独立的波长，每个波长是一个通道，各信道的速率在目前技术所能实现的范围内（如 100Mbit/s 10Gbit/s）任意选择。网络中不同用户的不同业务可在不同逻辑通道上传送，这样多个信道速率的总和就构成了网络的速率，增加波分复用的信道数，就可进一步挖掘光纤的带宽资源；而多个独立非重叠信道可以同时传送不同类型的服务，这样也实现了网络综合业务的功能。现在一根光纤上可用的光波长为 2、 4、 8、 16、 32、64，最多为 132个，因此光波长数是有限的。 全光波分复用网络的两种网络形式 光路交换和光分组交换 全光波分复用网络有两种交换方式：光路交换（ Circuit-switching）和光分组交换（ Packet- switching），由此形成了两种全光波分复用网络的网络形式，即光路交换 WDM（ Circuit-switched WDM Network）和分组交换 WDM网（ Packet-switched WDM Network）。 光路交换 WDM网 光路交换 WDM网是目前研究得最多，也是最接近实用化的一种网络。在美国、日本以及欧洲的一些国家已经建立了基于光交换的 WDM实验网络，如： London Fiber Network，欧洲的 RACE II Multiwavelength Transport Network(MWTN)，等等。 从拓扑结构上看光交换的全光 WDM网络有两种主要的形式： 广播和选择网络（ the broadcast and select network），也就是常说的星型结构的网络； 波长寻径网络。 广播和选择网络 广播和选择网络中各个节点通过光纤和无源星型耦合器连接，每个节点被分给不同的波长。各节点以自己特写的波长发出的信息经耦合器汇集，分流后到达各节点的收信端，每个节点利用可调谐接收器选择接收。图中各节点的发射器是固定频率的，接收器是可调谐的（实际上也可以有相反的情况）。注意，此处接收节点要 想接受某发送节点的信息，必须利用调谐接收器把接受波长调到与发送信息的波长一致，这就要用到某种介质访问控制协议（ MAC协议）。讨论广播和选择网络中 MAC协议的论著很多，此处就来细述了。 由于星型耦合器和光纤链路都是无源的，所以这种网络很可靠，而且易于控制。但是广播和选择网络有两个很明显的不足之处。第一，这种网络非常浪费光能，因为每一个要传输信号的光能几乎都被平分分到网络中的所有节点上去了；第二，每一个节点都需要一个不同的传输波长，而目前光波波长数目有限，所以网络中的节点数目也就有限了。因此广播和选择网 较适合用作局域网。以上这些缺陷都能在下面将要介绍的波长寻径网络中得到解决。 波长寻径网络 nts 13 波长寻径网络中，特定波长上的信号被直接寻径到目的节点，而不是向全网广播。这样就减少了不必要的信号光能损失，同时又能使一个波长在网络的非重叠部分被多次使 用。 在最简单的情况下，路由是固定的，并不需要像光交换设备这样的可配置光器件。但是为了使网络有更大的灵活性和可扩展性，必须在网络中使用光路由设备，它可以动态重新配置路由以改变到达目的节点的光路。这样一来，网络中就需要用到一个或多个控制器来配置这些光路由设备。 为了使网络具有最大限度的可扩展性，则需要在波长寻径网络的光路由设备后面级联一个波长转换器，这样的话，连接就可以在不同光纤的不同波长信道中转换了。这将最大限度地重复利用有限的可用波长。但值得注意的是，全光波长转换器并没有完全研制出来。目前，要达到波长的转换还必须利用光电转换和再生。因此，在实用中，波长寻径网络并没有用波长转换器（在后面的内容中，将只针对无波长转换器的网络进行讨论）。由此不难看出波长寻径网较适合用作城域网或广域网。 全光网的互连 在实际的应用中，一个光路交换 WDM网总是由以上两种网络组合起来 的。广播和选择网通常总是作为局域网（ LAN），它们通过波长寻径网互连起来，形成一个分层结构。图中的小圆代表 LAN中的用户节点， LAN中节点之间的通信是通过广播方式完成的，它占用了一个固定的波长集合（此例中是波长 1）。在第二个层次，几个 LAN互连成一个组（ Group），同一个 Group不同 LAN中的用户要通信，则要使用波长 2,波长不在 LAN的固定波长集合中。以这种方式可以级联成多个层次。但是 ,由于固定波长集合的存在 ,限制了网络中用户数的扩展（可以通过使用波长转换器来解决）。 有鉴于光节点的能力和可用波 长的数目有限，因此有必要在全光网上加上一层常规的高速电子层，如 ATM。光层提供多个高速信道（如 SONET） “ 粗糙 ” 路由，电子层则提供较低速度的 “ 精细 ” 处理（如完成 ATM的信元交换）。这样的分层结构好处在于：光节点之间存在大容量、高速、透明的光路由，而光层的端节点完成常规的较低速、单信道、与协议有关的 “ 精细 ” 处理。光层与常规电子层构成的混合结构能够实现真正意义上的用户数目的可扩展性，而这是仅仅依靠 WDM全光网所不能实现的。 分组交换 WDM网 在数据通信中，我们需要一个具备分组交换能力的网络去支持像计算机通 信或基于 ATM通信等这样基于分组交换的大量现存应用。由于电处理的极限限制了数据速率的提高，所以，我们急需一个 “ 全光 ” 的解决方案来处理这些基于分组（ Packet）或信元（ Cell）的通信，在这个方案中，数据净荷除了在源和目的节点外不会遇到电处理。分组业务具有很大的突发性，如果用光路交换的方式处理将会造成资源的浪费。在这种情况下，一个全光的分组交换将是最为理想的选择，它将大大提高链路的利用率。要实现全光分组交换有许多问题需要解决。首先，需要建立一个新的路由机制。由于缺乏较好的光存储技术，光数据的寻径和交换必须不 停顿地进行，也即不用电处理不用存储转发，这就需要一个全新的分组交换体系结构和技术，新的结构必须考虑到光领域的特殊性（后面将对目前正在研究的全新的分组交换结构做简单的介绍）。其次是全光网交换和存储器件的实用性。这些全光器件都还在研制的过程中。最后则是一些基础研究，如光纤的非线性问题，窜扰（ crosstalk）问题等等。 在分组交换网络里，每个分组都必须包含自己的路由信息，通常是放在头部（ header）中。nts 14 交换机只需要根据头部信息就可以决定向何处转发，而其他的信息如净荷则不需要被交换机处理。光交换机通常 是分布存储式的交换机。 全光的分组交换一般有两种方法。最简单的一种是顺序比特分组交换法（ BSPS-Bit-Sequentail Packet-Swictching），这是由电分组交换直接演化而来的：一个二进制的序列头部数据告诉交换机向哪儿转发分组；另一种是并行比特分组交换法（ BPPS: Bit-Parallel Packet-Switching）。 研究热点和发展趋势 全光 WDM网络既是一个全新的技术，同时也与现存的技术有着千丝万缕的联系，它涉及的领域非常广泛。现在对全光 WDM网络的研究方兴未艾 ，并且形成了几大热点，同时也构成了今后的发展趋势。 全光网的路由选择和波长分配问题 全光 WDM网基础研究 全光网的路由选择和波长分配（ RAW）是重要的应用基础性研究问题，它解决怎样通过光交叉连接或其它设备构成运载信号的光通道，并合理地分配通道所使用的波长，使有限资源能提供尽量大的通信容量 3。 给出一组建立全光连接（光通路）的请求， RAW问题由两部分组成： 为每个源节点寻找到达目的节点的路径； 在这些路径上分配波长。因为波长数有限，不可能在每对节点间建立光通路。 RAW问题可分为动态 RAW和静 态 RAW。动态 RAW一般是考虑建立光连接的请求随机到达，静态RAW则是考虑在进行路由和波长分配前已知所有的希望建立的光连接。 在较早的研究中，假定网络中没有波长转换的光部件，这种情况下的 RAW问题已有较多的研究，但是还有探讨的必要。随着光部件的发展，网络中可以采用波长变换，在某些情况下，网络性能得到改善，这方面的研究很活跃。 全光 WDM网络的结构设计 全光 WDM网应用的前提 全光 WDM网的结构设计包含两层含义：一是物理拓扑结构的设计，一是逻辑拓扑结构的设计。这样一来，整个网络的设计问题就变成了 对这两个不同层的优化的问题。而对这两层的优化的过程中，必须考虑彼此之间的限制与支持。特别是逻辑拓扑结构的设计，既要考虑到下层 WDM光层的特性与物理拓扑结构的因素，也要考虑到上层所跑的应用业务特性的因素。物理拓扑结构一般在网络建立起来之前就设计好了，虽然它的设计也考虑了业务流量等因素，它具有固定性，一旦建立就不会改变。但是网络中所跑的业务是不固定的（即动态性），且不同的业务对网络的结构需求是不同的，因此设计逻辑拓扑结构就变得非常重要。 逻辑拓扑结构设计可分为两类，一种是将整个全光 WDM网络看成一个大的 传输通道所组成的网络，所见的只有各个通道上的业务流量（其传输特性），因此网络结构的设计主要考虑对流量矩阵的优化，如何平衡流量分布，降低拥塞率等。一种是将全光 WDM网看成一个分层结构的网络，每一层都有其特定的功能，相邻层之间的功能是相辅相成的，任何一层都将考虑和影响到相邻上下层。逻辑拓扑结构的设计也将考虑到其下层 物理拓扑结构和其上层 应用层的特性。因此设计逻辑拓扑结构时要考虑的已不再是业务流量这么简单了，对下：物理结构，波分复用技术所产生的波长数的限制，器件的限制 如无波长转换器，等等；对上：当应用类 型不同时要求网络所提供的性能指标的不同 有的对时延很敏感，有的需要可靠性较强，等等。这些都是需要考虑的问题。这两类研究方向都有一定的研究价值，只不过所看角度不同，出发点不一样。前nts 15 者更侧重于网络的传输特性，目前已有了一定的研究成果；而后者则更侧重于网络的应用特性，目前这方面的研究才开始进行，国外的研究也才刚起步，是一个很有研究潜力和价值的方向。 设计逻辑拓扑结构所涉及到的全网优化的指标有很多，如节点交换能力的利用率，网络的最大拥塞率，平均传输时延，波长复用因子等。现有的一些设计逻辑拓扑结构设计研究中 ，只考虑到其中的一项指标，忽略别的重要指标，特别是忽略所跑的上层应用对网络所提出的指标。因此，研究在全光网固有的一些限制条件下考虑多种优化指标的逻辑拓扑结构的设计具有很重要的意义。 全光 WDM网与现有网络技术（ ATM,IP等）的结合 全光 WDM网的前景所在 为支持数据、话音、图像等多种业务，采用分组方式进行传输和交换具有很多优点。特别是Internet的空前发展，使得人们必须研究 IP 分组怎样进入全光网的问题。但是，由于真正的光分组交换技术的不成熟，使得我们不能采取真正光的方式进行分组交换，只能采用在全 光网上加一层常规电子层（如 ATM， IP）方法来解决这个问题。以逻辑拓扑为基础的交换网络能充分发挥光技术和电技术的特长，让携带信息的分组在逻辑拓扑上以光的形式尽量向前传输；当分组必须由一条光通道转发到另一条光通道时，才引入电交换 2。 虽然 WDM如何与 IP 和 ATM结合的问题在过去研究得比较少，但是这方面的研究已经兴起，而且将是未来的研究热点。 网络自愈生存技术的研究 全光 WDM网络可靠运行的保证 全光网具有极高的传输速率，因此探索能在尽可能短的时间内为被中断的业务寻找新的传输路由和自愈方案是十 分必要的。网络生存性属于网络完整性的一部分。完整性包括通信质量、可靠性和生存性等，涉及通信系统多方面的技术。网络生存性泛指网络遭受各种故障仍能维持可接受的业务质量的能力。网络生存性策略包括恢复技术、控制管理技术等。恢复技术包括保护切换、重选路由、自愈等。通常将恢复技术统称为自愈技术，而自愈和网络生存性也混用。自愈技术的性能有：恢复率、恢复时间、冗余度（常指空闲容量率）、开销及复杂度等。全光网中有关电的问题 是一 个值得关注的问题 。 理想的全光网中，信号从源节点到目的节点均是在光的范畴内进行，但是由于现有器件技术的限制，使得全光网中各节点的处理能力有限，并不能完成光波转换及存储等功能，而这些功能对于全光网有效成熟地运行具有很重要的意义。因此人们从实用的角度出发提出了有限制地在节点上使用电处理的策略，即用电处理来完成现在光处理所不能完成的功能，从而使全光 WDM网的运行使用的能力和范围得到充分的扩展。这样就形成了现在已建成的全光实验网的实际运行情况，也构成了许多研究的前提。全光网上采用电处理后，有两个问题需要说明：第一，节点上有电处理，但是并非所有信号的传输都需要用它。例如，在没有波长转换器的全光网中，我们在节点上使用 电处理来进行波
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