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第七章光纤传输系统 概述 光调制 电复用光纤传输系统 光复用光纤传输系统 相干光波通信系统 光纤孤子实验系统 第七章光纤传输系统 7 1概述 7 1 1调制7 1 2编码7 1 3复用 7 1 1调制 调制是用数字或模拟信号改变载波的幅度 频率或相位的过程 调制分相干调制和非相干调制 非相干调制 改变载波的幅度 相干调制 改变载波的频率或相位 7 1 1调制 光通信系统中非相干调制有直接调制和外调制两种 直接调制 信息直接调制光源的输出光强 外调制 信息通过外调制器对连续输出光进行调制 迄今为止 所有实用化的光纤系统都是采用非相干的强度调制 直接检测 IM DD 方式 这类系统成熟 简单 成本低 性能优良 巳经在电信网中获得广泛的应用 并仍将继续扮演主要的角色 IM DD方式 IntensityModulationwithDirectDetection 在发送端 电信号直接调制 IM 光载波的强度在接收端 光信号被光电二极管直接探测 DD 从而恢复发射端的电信号 IM DD方式 IntensityModulationwithDirectDetection IM DD方式 副载波调制 SCM SubcarrierModulation 用输入信号对相对于光载波的副载波 高频电磁波 进行调制 然后再用该副载波对光波进行二次调制 副载波调制 SCM 1 模拟副载波调制 副载波调制 2 数字副载波调制 7 1 2编码 对数字信号进行编码的理由是 1 为了使接收再生电路把相位或频率锁定到信号定时上 2 因为光接收机采用电容耦合 接收机不能对直流和低频分量响应 使长连零信号的幅度逐渐下降 经判决电路后会产生误码 如图7 1 3所示 光接收机电容耦合使长连 1 信号幅度下降导致判决产生误码 编码的目的 使输出的二进制码不要产生长连 1 或长连 0 而是使 1 码和 0 码尽量相间排列 这样既有利于时钟提取 也不会产生因长连零信号幅度下降使判决产生误码 7 1 3复用 信道复用是为了便于光纤传输 把多个低容量信道以及开销信息 复用到一个大容量传输信道的过程 在电域内 信号复用可分为时分复用 TDM 频分复用 FDM 和码分复用 CDM 在光域内 信号复用有光时分复用 OTDM 光频 波 分复用 OFDM WDM 和光码分复用 OCDM 光纤通信系统为了充分发挥其宽带的优点 允许复用多个信道到一根光纤上 因此 复用后的多个信道共享光源的光功率和光纤的传输带宽 7 2光调制 普遍采用的光调制方法是直接强度调制 IM 它是用电信号控制光源的驱动电流 使输出光强 光幅度 随输入信号电压变化 除强度调制外 还有脉冲位置调制和脉冲宽度调制 这两种调制方式是使光载波包络的脉冲位置和宽度在时间上随输入电信号的幅度变化 这种调制方法通常用于低成本 单信道和短距离模拟遥测和控制系统 模拟强度调制选在P I特性的线性区 而数字调制选在阈值点 模拟强度调制数字强度调制 7 3电复用光纤传输系统 7 3 1电频分复用 FDM 光纤传输系统 7 3 2微波副载波复用 SCM 光纤传输系统 7 3 3SDH光纤传输系统 电时分复用的典型应用 7 3 1电频分复用 FDM 光纤传输系统 电频分复用是在频率上把基带带宽分别是 f 1 f 2 f N的多个信道 堆积 在一起 以便形成一个合成的电信号 然后用这一信号以某种调制方式去调制光载波 经光纤信道传输后 在接收端进行解调 再进一步借助带通滤波器与各信道的频率选择器 将各基带信息分离和重现出来 限定最高基带频率 上边频 1 工作原理 对FDM光纤传输系统分析时 必须考虑 1 要求的传输带宽与信道数N 每个信道的已调信号的频谱宽度以及载波信道间的频率空隙 f g 隔离带宽 有关 对FDM光纤传输系统分析时 必须考虑 2 光接收机带宽必须比传输带宽大些 3 可用的光功率Pt要在N各信道间平均分配 4 必须考虑谐波干扰和信道间的交叉调制失真将增加的额外噪声成分 2 FDM对传输带宽的要求 7 3 1电频分复用 FDM 光纤传输系统 3 FDM系统功率代价 7 3 1电频分复用 FDM 光纤传输系统 FDM传输引起的功率代价有一下几个原因 1 可用光功率在信道间的分配 2 由于传输线路带宽的限制 高频信道载波频率功率将减小 3 对于晶体管噪声占支配地位的双极性晶体管和场效应管接收机 噪声功率密度随频率而增加 7 3 2微波副载波复用 SCM 光纤传输系统 微波副载波复用 SCM SubcarrierMultiplexing 是一种新的 结合现有微波和光通信技术的通信系统 众所周知 微波通信是使用多个微波载波经同轴电缆或自由空间传输多个信道 电频分复用 的技术 使用同轴电缆传输多信道微波信号时 总带宽限制在1GHz以下 然而 若使用光纤传输 信号带宽则可以超过10GHz SCM信号用光波传输 微波载波对光载波而言只扮演着副载波的作用 7 3 2微波副载波复用 SCM 光纤传输系统 SCM光纤传输系统的特点 1 由于微波只作为光传输的副载波 因而信号不再经空中传播 而是经一个封闭的 稳定的光纤信道传输 从而避免了与其他微波互相干扰的问题 不发送微波信号到空间 也避免了日益拥塞的微波频道资源分配和批准问题 2 由于一个光通道可以承载多个微波副载波信道 每个副载波又可以分别传送各种不同类型的业务信号 彼此互相独立 因而易于实现模拟与数字信号的混合传输和各种不同业务的综合和分离 3 SCM系统可以充分利用现有的微波和卫星通信的成熟技术和设备 但又比现有微波传输容量大得多 SCM光纤传输系统的特点 4 与TDM相比 SCM系统只接收本载波频带内的信号和噪声 因而灵敏度高 也无需复杂的定时同步技术 就传送电视节目而言 采用TDM方式 一个光载波可以传输的典型节目数是16 32个 而采用FM方式的SCM至少可以传送60 120个节目 而且成本很低 因而SCM系统在电视分配网中很有竞争力 然而 模拟SCM方式光功率余度较小 如不使用EDFA 在维持端到端性能方面有一定困难 也不适应电信网的数字化趋势 因而不是长远的主流发展方向 而是中近期比较经济的解决方案 7 3 2微波副载波复用 SCM 光纤传输系统 1 模拟SCM光纤传输系统 大多数光纤通信系统都是数字系统 但用于电视分配的SCM系统例外 现有的CATV网络 使用残留边带幅度调制 AM VSB 的模拟技术 分配多路信号到多个用户 其理由是它对带宽的要求低 中国制式为6MHz带宽和8MHz信道间距即可 模拟SCM系统要求 1 系统载噪比 CNR 高 2 光源和通信信道的线性度要好 1 模拟SCM光纤传输系统 AM VSB 复合信号 2 载躁比 CNR 7 3 2微波副载波复用 SCM 光纤传输系统 在SCM系统中 用载躁比 CNR Carrier to NoiseRatio 而不是信躁比描述系统性能 CNR定义为光电检测器输出的均方载波功率与均方噪声功率之比 LD强度噪声 互调失真 IMD 在SCM系统对CNR的要求取决于调制方式 AM VSB方式要求CNR大于50dB 以满足性能的要求 3 影响CNR的因素 7 3 2微波副载波复用 SCM 光纤传输系统 1 互调失真 IMD InterModulationDistortion 3 影响CNR的因素 7 3 2微波副载波复用 SCM 光纤传输系统 2 强度噪声 信号在光纤中传输时 激光器的相对强度噪声RIN增强了 光纤的色散也会引强度噪声增大 3 调制深度 4 提高模拟SCM系统性能的方法 7 3 2微波副载波复用 SCM 光纤传输系统 调幅模拟SCM系统要求大CNR 将导致功率代价增加 传输距离缩短和服务用户减少 解决方法之一是使用在线光放大器以增强信号功率 补偿广播网络的分配损耗 解决方法之二是用调频取代调幅 5 模拟SCM系统的基本限制 模拟SCM系统的基本限制是半导体激光器本身的P I曲线 7 3 3SDH光纤传输系统 电时分复用的典型应用 时分复用 TDM 有电时分复用和光时分复用两种 1 时分复用工作原理 时分复用 TDM Time DivisionMultiplexing 是采用交错排列多路低速模拟或数字信道到一个高速信道上传输的技术 为实现TDM传输 把传输时间分成若干个时隙 在每个时隙传输一路信号的1个字节 或者说把若干个原始信号的脉冲调制信号在时间上进行交错排列 从而形成复合脉冲串 经光纤信道传输到达接收端 在接收端 采用一个与发送端同步的类似于旋转式开关的器件 完成TDM多路脉冲流的分离 24个信道 T1 复用原理图 N个信道复用后的帧结构 T1的速率是1544kb s 帧开销 FOH FramOverhead 填充比特 同步比特 误码检测和开销比特 PCM通信制式的基础速率E1 话音信号的频带为 300 4000 Hz 取上限频率为4000Hz 按取样定理则取样频率为fs 8kHz 即每秒取样8000次 取样时间间隔T 1 fs 1 8k 125 s 在125 s时间间隔内要传输8个二进制代码 比特 每个代码所占时间为Tb 125 8 s 所以每路数字电话的传输速率为B 1 Tb 64kb s 如果传输32路PCM电话 则传输速率为64kb s 32 2048kb s 也就是8bit 每个取样值 32个取样值 每次 8000帧 每秒 这一速率就是我国PCM通信制式的基础速率 24个信道 T1 复用原理图 7 3 3电时分复用光纤传输系统 2 时分复用传输帧效率 时分复用对光纤线路设计的影响有以下三个方面 1 传输数据速率与复用信道数有关 2 由于缓存 再定时以及比特填充 改变了对抖动的要求 3 复用器信号编码的结果使传输参数发生了改变 在复用器输出端 每单位时间的误码数 即每个信道误码之和 可能增加 但是 从理论上讲比特误码率不会改变 因为误码率是单位时间产生的误码数与传输的总比特数的比 在忽略帧编码影响时 传输比特误码率与每个信道比特误码率相等 即 BER t BER c 7 3 3电时分复用光纤传输系统 2 时分复用传输帧效率 传输系统带宽与每个信道数据率Bc 信道复用数N以及每帧中开销比特数有关 在一帧中 N个信道的总比特数与传输总比特之比称做复用帧效率 FET FramEfficiency 即 每个信道比特 帧开销 7 3 3电时分复用光纤传输系统 3 SDH传输系统 TDM的典型应用 1 SDH帧结构和传输速率 在SDH传输网中 信息采用标准化的模块结构 即同步传送模块STM N N 1 4 16和64 其中N 1是基本的标准模块信号 SDH的帧结构是块状帧 STM N帧结构 块状帧由横向270 N列和纵向9行字节 1字节为8比特 组成 因而全帧由2430个字节 相当于19440个比特组成 帧重复周期仍为125 s 因此对于STM 1而言 N 1 每秒传送速率为 8bit 字节 9 270字节 帧 8000帧 s 155 52Mb s 对于STM 16而言 N 16 每秒传送速率为8 9 270 16 8000 2480 32Mb s STM N帧结构 段开销是指STM帧结构中为了保证信息正常灵活传送所必需的附加字节 主要是些维护管理字节 信号净荷域是用于存放各种信息业务容量的地方 在净荷中还包含有通道开销字节 它用于信道性能监视 控制 维护和管理的开销比特 管理指针域是一种指示符 主要用来指示净荷的第一个字节在STM N帧中的准确位置 以便接收端正确地分解 3 SDH传输系统 TDM的典型应用 2 复用映射结构为了得到标准的STM N传送模块 必须采取有效的方法将各种支路信号装入SDH帧结构的净荷域内 为此 需要经过映射 定位校准和复用三个步骤 STM和sSTM复用映射结构 SDH复用 首先几个低比特率信号复用成STM 0信号 接着3个STM 0信号复用成STM 1信号 然后4个STM 1信号再复用成STM 4信号 最后4个STM 4信号形成STM 16信号 在实际上也可以将STM 1信号直接复用成STM 16信号 几个低比特率信号也可以直接复用成STM 1信号 4 TDM和FDM的比较 当信道信息是数字信号时 TDM传输总是比FDM传输好 在一定条件下 当信道信息虽是模拟信号 PCM编码的TDM传输通常也比FDM好 这是因为 1 FDM对光源的线性度和SNR要求较高 2 在超长距离传输时 TDM可以使用多个中继器 3 FDM对光纤或接收机的带宽要求高 4 FDM对接收机动态范围或线路功率余量要求大 5 TDM所要求的编码和复用设备有标准设备可供使用且价格合理 7 4光复用光纤传输系统 通过电的频分复用可以扩大传输容量 同样通过光的频分复用也可以扩大传输容量 在一根光纤上传输多个信道 是一种利用极大光纤容量的简单途径 就像电频分复用那样 在发射端多个信道调制各自的光载波 在接收端使用光频选择器件对信道解复用 就可以取出所需的信道 使用这种制式的光波系统称做波分复用 WDM 通信系统 当比特率超过10G s时 采用单个光载波携带多个电时分复用 TDM 信道的方式实现起来非常困难 解决方法是用多个电信道调制具有速率 B 相同 但在时间上相互错开的统一光频的不同光信道 然后进行光复用 以便构成比特率为NB的复合光信号 这就是光的时分复用 OTDM 除OTDM和OFDM外 另一种引起注意的复用方式是光码分复用 OCDM OpticalCode DivisionMultiplexing 在CDM发送端 每个信道采用比它的基带频谱宽得多的编码方式 在接收端对每个信道得编码进行反变换 就可以把该信道信号取出来 7 4光复用光纤传输系统 在点对点得系统中 信道的接入称为复用 而在局域网中则称为多址接入 Access 所以对应的波分复用称为波分多址接入 WDMA 对应的光时分复用称为光时分多址接入 OTDMA 对应的光码分复用则称为光码分多址接入 OCDMA 7 4 1波分复用 WDM 光纤传输系统 WDM和OFDM波分复用包括光频分复用 OFDM 和光波分复用 WDM 两者技术无明显区别 因为光波是电磁波的一部分 光的频率与波长具有单一对应关系 通常也可以这样理解 光频分复用指光频率的细分 光信道非常密集 如频率间隔10GHz 光波分复用指光频率的粗分 光倍道相隔较远 甚至处于光纤不同窗口 由于目前一些光器件与技术还不十分成熟 因此要实现光信道十分密集的光频分复用 OFDM 还较为困难 波分复用 WDM 1310nm 1550nm窗口的波分复用仍用于接入网 但很少用于长距离传输1550nm窗口的波分复用在1550nm波长区段内 同时用8 16或更多个波长在一对光纤上 也可采用单光纤 构成的光通信系统 按照ITU T的规定 波分复用又分为密集波分复用 DWDM 粗波分复用 CWDM 和宽波分复用 WWDM 其波长间隔分别为小于8nm 小于50nm和大于50nm 波分复用 WDM 2 64Tb s高密集WDM传输实验 7 4 2光时分复用 OTDM 光纤传输系统 光时分复用 OTDM OpticalTimeDivisionMultiplexing 是一种构成高比特率传输很有效的技术 它在系统发送端光学复用几个低比特数据流 在接收端用光学方法把它解复用出来 这种方法避开使用高速电子器件而改用宽带光电器件 7 4 2光时分复用 OTDM 光纤传输系统 1 光时分复用和解复用原理 电时分复用和光时分复用系统比较 复用方法 分别读取脉冲位置 复用器时钟控制 复用方法 光纤耦合器脉冲位置 光学方法调整 1 光时分复用和解复用原理 光时分复用几个低速的基带信道变为高速信道的过程可以划分为三个步骤 1 取样和光发射 该过程是激光器发出连续的窄光脉冲流 经外腔调制器 对输入的电基带数据流进行取样 识别每个输入比特 以便把电NRZ数据脉冲流转为光RZ脉冲流 1 光时分复用和解复用原理 1 取样和光发射 定时是为了确保复用信道上各信道信号间具有正确的时隙 2 定时 1 光时分复用和解复用原理 1 取样和光发射 复合的作用是组装取样后的基带光数据流 以便产生高比特率复合光数据流 2 定时 3 复合 1 光时分复用和解复用原理 4 解复用 解复用时OTDM系统最关键的器件 它的目的是分配复用比特流中的每个比特到指定的O E转换器 构成光解复用器的基本器件是1 2光开关 对于多信道系统 连接多个1 2光开关可以构成大容量的解复用交换网络 2 OTDM高比特率传输的关键技术 1 超窄光脉冲的产生与调制技术 2 全光时分复用 解复用技术 3 光定时提取技术 尽管OTDM是一种构成高比特率传输很有效的技术 但由于系统中需要的光器件较复杂 加之OTDM的带宽大 因而其色散影响较别的复用方式严重 因而在国外仍处于实验室研究阶段 离真正的实用化还有一定距离 7 4 3光码分复用 OCDM 光纤传输系统 为满足目前传输容量的剧烈膨胀 在DWDM中 随着波长间距的逐渐减小 它对光源和滤波器的要求也愈加苛刻 另外随着复用波长数的增加 光纤中的光强越来越大 光纤的非线性也越来越严重 所以未来的网络中波长资源可能出现匮乏 光码分复用 OCDM OpticalCode Division Multiplexing 系统采用同一波长的扩频序列 频谱资源利用率高 它与WDM结合 可以大大增加系统容量 7 4 3光码分复用 OCDM 光纤传输系统 WDMA或SCMA技术是不同的用户根据预先分配给的波长或微波副载波使用网络 其主要优点是用户间寻路简单 缺点是信道带宽使用不是很有效 这种缺点可通过随机多路接入技术 即在任意时间内允许用户随机地接入任一信道得到解决 基于频谱展开方法的码分复用就是这样的一种技术 CDM的信号频谱比它通常传输所需的最小带宽要宽得多 频谱展宽是靠与信号本身无关的一种编码来完成 称频谱展宽码为特征码或密钥 有时也称为地址码 7 4 3光码分复用 OCDM 光纤传输系统 在OCDM系统中 每个信道分配一个唯一的地址码 该信道就以该密钥作为信道的地址码 对要传输的数据信息进行编码 实现信道复用 接收机使用与发送端相同的编码规则进行反变换 即进行光解码 实现信道的解复用 对信号频谱压缩 恢复原来的数据信号 这种方法的优点是第三方很难干扰或截获信号 7 4 3光码分复用 OCDM 光纤传输系统 编 解码技术是光码分多址技术的关键技术 通常有直接编码 跳时编码和跳频编码 7 4 3光码分复用 OCDM 光纤传输系统 虽然CDM光波系统受到人们的严重关注 但是离实用化还相差很远 7 5相干光波通信系统 迄今为止 所用实用化的光纤系统都是采用非相干的强度调制 直接检测 IM DD 方式 这类系统成熟 简单 成本低 性能优良 已经在电信网中获得广泛的应用 并仍将继续扮演主要角色 然而 这种IM DD方式没有利用载波的相位和频率信息 无法像传统的无线通信那样实现外差检测 从而限制了其性能的进一步改进和提高 7 5相干光波通信系统 相干检测系统就像传统的无线电和微波通信一样 用调制光载波的频率或相位发送信息 在接收端 使用零差或外差检测技术恢复原始的数字信号 因为光载波相位在这种方式中扮演着重要角色 所以称为相干通信 基于这种技术的光纤通信系统称做相干通信系统 研究相干通信技术有两个 首先 接收机灵敏度与IM DD系统相比可以改进20dB 从而在相同发射机功率下 允许传输距离增加100km 其次 使用相干检测可以有效利用光纤带宽 7 51相干检测 1

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