第7章光纤传输系统

1、第第7 7章章光纤传输系统p概述概述p光调制光调制p电复用光纤传输系统电复用光纤传输系统p光复用光纤传输系统光复用光纤传输系统p相干光波通信系统相干光波通信系统p光纤孤子实验系统光纤孤子实验系统p高速光纤传输系统高速光纤传输系统内容要求内容要求 7.1.1 调制v 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；调制和非相干调制；v 非相干调制非相干调制-改变载波的幅度；改变载波的幅度；v 相干调制相干调制-改变载波的频率或相位；改变载波的频率或相位；v 光通信系统中非相干调制有直接调制和外调

2、制两种；光通信系统中非相干调制有直接调制和外调制两种；v 直接调制直接调制-信息直接调制光源的输出光强；信息直接调制光源的输出光强；v 外调制外调制-信息通过外调制器对连续输出光进行调制；信息通过外调制器对连续输出光进行调制；v 最常用的的光纤系统都是采用非相干的强度调制最常用的的光纤系统都是采用非相干的强度调制- -直接检测直接检测(IM/DD)(IM/DD)方式；方式；v 近来，采用偏振复用正交相移键控（近来，采用偏振复用正交相移键控（PM-QPSKPM-QPSK）调制，在接收端使用相干检测，）调制，在接收端使用相干检测，能够实现在现有能够实现在现有10 Gb/s10 Gb/s光纤线路上传

3、输光纤线路上传输40 Gb/s40 Gb/s信号，这种相干检测受到重信号，这种相干检测受到重视。视。PI曲线曲线IP-激激光光器器输输出出功功率率Ith驱动电流驱动电流输输入入电电脉脉冲冲输出光脉冲输出光脉冲tPthIM/DD方式v 在发送端，电信号直接调在发送端，电信号直接调制（制（IMIM）光载波的强度；）光载波的强度；v 在接收端，光信号被光电在接收端，光信号被光电二极管直接探测（二极管直接探测（DDDD），），从而恢复发射端的电信号。从而恢复发射端的电信号。图7.1.1 光通信采用的调制方式副载波调制模拟强度调制(AM)调幅(FM)调频(PM)调相数字强度调制(ASK)(PSK)(FS

4、K)幅移键控频移键控相移键控外调制非相干调制调制(直接强度调制)直接调制IM/DD相干调制(频率或相位调制)(ASK)(PSK)(FSK)幅移键控频移键控相移键控电光调制器声光调制器电吸收波导调制器正交相位键控（QPSK）电电信信号号驱驱动动LD低低频频电电信信号号调调制制后后的的光光波波调调制制光光低低频频电电信信号号高高速速驱驱动动高高频频载载波波LD调调制制光光低低频频电电信信号号调调制制后后的的高高频频载载波波调调制制后后的的光光波波外外调调制制器器放放大大器器 电电信信号号调调制制光光电电信信号号调调制制后后的的光光波波LD直直接接调调制制S SC CM M调调制制外外调调制制图7.

5、1.2 IM/DD方式实现图解图7.1.3 频率调制以增加调制带宽换取信噪比的降低10203040506010206070均方信噪比304050基带信号频率调制信号频率()SNRb()CNRcfcfbfcf/dB载频/MHz图7.1.4 模拟副载波调制调制方式使用的调制器解调器调幅fc+-+-带通( )fb2X ( ) t( )S tfc载波( )S tX ( ) ttX( )S tX ( ) tt包络检波( )S tX ( ) ttX带通( )fb同步检测2cos( )ct(AM DSB)时间函数频谱曲线( )fb0ffc相位变化( )fb0ffc(AM VSB)VSBAMDSB或调制滤波f

6、c( )S tX ( ) t包络检波或同步检测相位变化( )fb0ffc调频(FM)微分包络检波微分包络检波+-( )S tX ( ) t低通VCO锁相环X ( ) t( )S t0ffcX ( ) t压控振荡器OSCffc+-( )S t(PM)差分编码频率解调器( )S tX ( ) t0ffcVCOX ( ) t差分编码ds/dt( )S t(AM)双边带调幅残留边带调幅调相图7.1.5 ASK、PSK 和 FSK 调制方式比较(c)FSK12Ac22=E2Ts平均信号功率=TTTAc22=ETs平均信号功率=二进制信号(a)(b)0101+Ac0ASKTTTfcfc-( )fbfc+(

7、 )fbfPcfc( )fbfPcf( )fb2( )fc=( )fb2( )fc=+f2(d) PSKTTTAc22=ETs平均信号功率=fcfPc( )fb2( )fc240Ac+Ac0-Ac+Ac0-Ac+Ac0-例题7.1.1 脉冲信号对光强度调制用脉冲信号对光强度调制用脉冲信号对光强度调制，使用波长为使用波长为 0.82 m 的的LED，请问当脉冲宽度，请问当脉冲宽度 1ns 时，在时，在“1”码时有多少个”码时有多少个光振荡？光振荡？解解 ： 已知： 已知82. 0 m ， 所 以光 频是， 所 以光 频是Hz106585. 314cf，光波的周期是，光波的周期是s017334.

8、2115fT。 已 知 脉 冲 宽 度。 已 知 脉 冲 宽 度Tele=1ns（s109），所以在该脉冲宽度内的光周期数是），所以在该脉冲宽度内的光周期数是853 365017334. 2/10159eleTTN7.1.2 编码对数字信号进行编码的理由是：对数字信号进行编码的理由是：(1)(1)为了使接收再生电路把相位或频率锁定到信号定时上；为了使接收再生电路把相位或频率锁定到信号定时上；(2)(2)因为光接收机采用电容耦合，接收机不能对直流和低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

9、生误码，如图电路后会产生误码，如图7.1.37.1.3所示。所示。图7.1.3 光接收机电容耦合使长连零信号幅度下降导致判决产生误码AA判决判决电路电路输出输出(A)(B)(C)01011tT T+V01 0 0 0* *3个误码3个误码(a)(a)(b)01011tT T+V01111点波形点波形(A)01011tT T+V01111判决门限判决门限Vref判决前 判决前 点波形 点波形(B) 点输出 点输出产生误码产生误码的波形的波形(C) 电容耦合放大判决电路电容耦合放大判决电路电容耦合放大判决电路各点波形电容耦合放大判决电路各点波形refVVb光光输输入入编码的目的v 使输出的二进制码

10、不要产生长连使输出的二进制码不要产生长连 “ “1” 1” 或长连或长连 “ “0”0”，而是使而是使 “ “1” 1” 码和码和 “ “0” 0” 码尽量相间排列。码尽量相间排列。v 这样既有利于时钟提取，也不会产生因长连零信号幅度下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。降使判决产生误码。图7.1.4 两种二进制编码波形波形频谱图频谱图101010TT2T3T4T5+Vt101010TT2T3T4T5+Vtf0V2TT1T21T2f0V2TT1T21T216码型码型二进制码：二进制码：（NRZ）非归零码非归零码（RZ）归零码归零码(a)(b)双二进制编码（DB）

11、技术 v 双二进制编码（双二进制编码（DBDB，Duo BinaryDuo Binary）技术能使）技术能使“0”0”和和“1”1”的数字信号，经低通滤波后变换为具有的数字信号，经低通滤波后变换为具有3 3个值个值“1”1”、“0”0”和和“ 1”1”的信号。的信号。v 这种技术与一般的幅度调制技术比较，信号谱宽减小一半，这种技术与一般的幅度调制技术比较，信号谱宽减小一半，这就使相邻信道的波长间距减小，可扩大信道容量，近来这就使相邻信道的波长间距减小，可扩大信道容量，近来受到人们的高度重视。受到人们的高度重视。图7.1.7 各种二进制编码波形频谱图101010TT2T3T4T5+Vt10101

12、0TT2T3T4T5+Vt101010TT2T3T4T5tV/2+V/20TT2T3T4T5t+V0o90o0o0o90o0TT2T3T4T5t101010TT2T3T4T5+Vt101010TT2T3T4T5tV/2+V/2f0V2TT1T21T2f0V2TT1T21T2f0t1pf0t1pVTtpf0T1T21f0T1T0.74T2f0T116滤波器冲激响应码型二进制码：（NRZ）非归零码（RZ）归零码脉冲位置编码NRZ变换编码双二进制码Manchester编码双极码HDB3(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)单极性码双极性码V+DB101010TT2T3T4T5+Vt二二进进制制码

13、码：（NRZ）非非归归零零码码SDH干线采用扰码的NRZ码v 大多数高性能干线系统使用扰码的大多数高性能干线系统使用扰码的NRZNRZ码，如码，如 SDH SDH 干线。干线。v 这种码型最简单，带宽窄，这种码型最简单，带宽窄，SNR SNR 高，线路速率不增加，没有光功率代高，线路速率不增加，没有光功率代价，无需编码，只要一个扰码器即可，使其最适合长距离系统应用。价，无需编码，只要一个扰码器即可，使其最适合长距离系统应用。图7.1.8 调制和编码前后信道信噪比的关系f( )fbPin噪声Pin噪声PinSNR噪声Pin噪声接收机模拟强度调制模拟数字数字强度调制副载波调制( )fb在 内用均方

14、根基带信号功率度量( )fc在 内用未调制载波功率与 噪声之比度量( )fc在 内用平均调制载波功率与 噪声之比度量( )frec在 内用峰值信号功率与 噪声之比度量ASKPSKFSKAMPMFM单极信号双极信号边触发信号解调解调再生脉冲格式变换解码PCM0 1 0 1msSNR（ ）bBER（ ）cBER（ ）cBER（ ）bENb0IsT01 1 11RZ0 1 0 1NRZT T T TT T T TNRZin接收机输入功率比特误码率基带信噪比载波信噪比0 1 0 1NRZT T T T非归零码接收机接收机接收机NRZ变换编码NRZ变换编码SNR（ ）b=SNR（ ）bSNR（ ）cSN

15、R（ ）bSNR（ ）cSNR（ ）cSNR（ ）cRMSRMSRMSRMS7.1.3 复 用v 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，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。复用到一个大容量传输信道的过程。v 在电域内，信号复用可分为时分复用（在电域内，信号复用可分为时分复用（TDMTDM）、频分复用（）、频分复用（FDMFDM）和）和码分复用码分复用(CDM)(CDM)；v 在光域内，信号复用有光时分复用（在光域内，信号复用有光时分复用（OTDMOTDM）、光频（波）分复用）、光频（波）分复用（OFDMOFDM，WDMW

16、DM）和光码分复用）和光码分复用(OCDM)(OCDM)。v 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。输带宽。低频低频电信号电信号高速驱动高速驱动高频载波高频载波LD调制光调制光低频电信号低频电信号调制后的高频载波调制后的高频载波调制后的光波调制后的光波副载波调制（SCM）v副载波调制是首先用信息信号调制一个比基带信号最高频率高几倍的载波副载波调制是首先用信息信号调制一个比基带信号最高频率高几倍的

17、载波v然后用该载波信号再去调制光波。然后用该载波信号再去调制光波。v因为信号是用光波传输的，载波对光波而言只扮演着副载波的作用，所以这种技因为信号是用光波传输的，载波对光波而言只扮演着副载波的作用，所以这种技术就称为副载波调制（术就称为副载波调制（SCMSCM，Subcarrier modulationSubcarrier modulation）。）。 f AMPMFM解解调调msSCMSCM分类v 模拟调制模拟调制 用输入模拟信号调制高频正弦波的过程叫模拟调制。在接用输入模拟信号调制高频正弦波的过程叫模拟调制。在接收端基带信号的恢复是通过低通滤波器，滤除所有的高频成分而得到收端基带信号的恢复

18、是通过低通滤波器，滤除所有的高频成分而得到的。的。v 频率调制频率调制 它是保持正弦载波的幅度不变，改变它的频率，使其成为它是保持正弦载波的幅度不变，改变它的频率，使其成为输入信号电压的函数。输入信号电压的函数。v 相位调制相位调制 它是保持正弦载波的幅度和频率不变，改变它的相位，而它是保持正弦载波的幅度和频率不变，改变它的相位，而使其输出调制信号为输入信号电压的函数。使其输出调制信号为输入信号电压的函数。7.2 7.2 光调制光调制v7.2.1 模拟强度光调制v7.2.2 数字强度光调制v当调制信号是数字信号时，调制原理与模拟强度调制相同，只要用脉冲波取代正弦波当调制信号是数字信号时，调制原

19、理与模拟强度调制相同，只要用脉冲波取代正弦波即可。但是工作点的选择不同，模拟强度调制选在即可。但是工作点的选择不同，模拟强度调制选在 P- I P- I 特性的线性区；而数字调制特性的线性区；而数字调制选在阈值点。选在阈值点。模拟强度调制数字强度调制P激激光光器器输输出出功功率率IthI输输入入电电信信号号曲曲线线IP-IbPb输输出出光光信信号号驱驱动动电电流流ttPI曲曲线线IP-激激光光器器输输出出功功率率Ith驱驱动动电电流流输输入入电电脉脉冲冲输输出出光光脉脉冲冲tPth7.3 电复用光纤传输系统v7.3.1 7.3.1 频分复用光纤传输系统频分复用光纤传输系统v7.3.2 7.3.

20、2 微波副载波复用（微波副载波复用（SCMSCM）光纤传输系统）光纤传输系统v7.3.3 7.3.3 电时分复用的典型应用电时分复用的典型应用SDHSDH光纤传输系统光纤传输系统图7.3.1 电频分复用光纤传输系统原理图Tx光发射机 调制器f1. 调制器f2 调制器fNRx光接收机 频率分配器.低通滤波低通滤波带通滤波低通滤波E/OO/E带通滤波带通滤波f2fN低通滤波f1本振频率低通滤波本振频率低通滤波本振频率基带信号合频器光纤本振频率电相干检测复原基带信号复用信号频谱图f1f2fNf信道带通滤波器特性()fc1()fc2()fcN()f1()f2()fN()fc1()fc2()fcN()f

21、1()f2()fN变换变换7.3.2 微波副载波复用(SCM)光纤传输系统v SCM SCM （Subcarrier MultiplexingSubcarrier Multiplexing）是一种新的、结合现有微波和）是一种新的、结合现有微波和光通信技术的通信系统。光通信技术的通信系统。v 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，总带宽限制在信号时，总带宽限制在 1 GHz1 GHz以下。以下。v

22、 然而，若使用光纤传输，信号带宽则可以超过然而，若使用光纤传输，信号带宽则可以超过10 GHz10 GHz。v SCM 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，所以这种技术就称为微波副载波复用用，所以这种技术就称为微波副载波复用 （ SCM SCM ）。）。SCM 原理低频低频电信号电信号高速高速驱动驱动高频高频载波载波LD调制光调制光低频电信号低频电信号调制后的高频载波调制后的高频载波调制后的光波调制后的光波微波副载波复用系统构成微微波波信信号号合合成成器器光发光发射机射机光纤光纤光探光探测器测器微波接收机微波接

23、收机带通带通滤波滤波功放功放基带基带信号信号调制器调制器本振1本振1基带基带信号信号调制器调制器基带基带信号信号调制器调制器本振本振宽带宽带放大放大混频混频解调解调滤波滤波可调可调本振本振基带基带信号信号微波发射机微波发射机Nf1scf2scfnsc带通带通滤波滤波功放功放带通带通滤波滤波功放功放副载波副载波f1scf2scfnscf1dataf2datafndataf1dataf2datafndata+ + + +模拟或数字基带信号调制各自的副载波模拟或数字基带信号调制各自的副载波 混频复合电信号再调制光载波混频复合电信号再调制光载波f1scf2 sc.fn sc, , , ,v 使用使用A

24、M-VSBAM-VSB技术，基带信号调制各自的微波副载波，微波功率混合器将所有已技术，基带信号调制各自的微波副载波，微波功率混合器将所有已调副载波信号复合。该复合信号直接加在激光器的偏流上调制半导体激光器的调副载波信号复合。该复合信号直接加在激光器的偏流上调制半导体激光器的输出光强，输出光强， 副载波复用的特点v (1) (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，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

25、日益拥塞波互相干扰的问题。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。的微波频道资源分配和批准问题。v (2) (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。离。副载波复用的特点v (3) SCM (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，但系统可以充分

26、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。又比现有微波传输容量大得多。v (4) (4) 与与 TDM TDM 相比，相比，SCM SCM 系统只接收本载波频带内的信号和噪声，因而灵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TDMTDM方式，方式，一个光载波可以传输的典型节目数是一个光载波可以传输的典型节目数是 16321632个个, , 而采用而采用FMFM方式的方式的 SCM SCM 至至少可以传送少可以传送 60120 60120 个节目，而且

27、成本很低个节目，而且成本很低, , 因而因而 SCMSCM系统在电视分配网系统在电视分配网中很有竞争力。中很有竞争力。v 然而，模拟然而，模拟 SCM SCM 方式光功率余度较小，如不使用方式光功率余度较小，如不使用EDFAEDFA，在维持端到端性，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。发展方向，而是中近期比较经济的解决方案。模拟SCM光波系统因为模拟信号波形在传输过程中必须保持不变，因为模拟信号波形在传输过程中必须保持不变，所以模拟所以模拟 SCM

28、SCM 系统要求系统要求: :v 系统载噪比（系统载噪比（CNRCNR）高；）高；v 光源和通信信道的线性度要好；光源和通信信道的线性度要好；如果半导体激光器线性特性好，输入电信号就可以变如果半导体激光器线性特性好，输入电信号就可以变成不失真的输出光信号。显然，任何非线性都要引起成不失真的输出光信号。显然，任何非线性都要引起输出光波形的畸变并影响系统的性能。输出光波形的畸变并影响系统的性能。图7.3.5 LD的模拟调制PI输输入入电电信信号号曲曲线线IP-激激光光器器输输出出功功率率IbIthPb输输出出光光信信号号电电流流图7.3.6 P-I 曲线非线性引起输出光波形的畸变PtItI输输入入

29、电电信信号号时时间间驱驱动动电电流流光光源源 曲曲线线IP-实实际际理理想想IbPtt调调制制失失真真输输出出时时域域图图失失真真基基波波二二次次谐谐波波三三次次谐谐波波理理想想基基波波fs32fsfs0fis调调制制失失真真输输出出频频域域图图频频率率激激光光器器输输出出功功率率PbIb7.3.3 电时分复用的典型应用SDH光纤传输系统时分复用（时分复用（TDMTDM）有；）有；v 电时分复用电时分复用电时分复用在电时分复用在 PCM PCM 通信中已得到广泛的应用，本节主通信中已得到广泛的应用，本节主要讨论这种要讨论这种 TDMTDM。v 光时分复用（光时分复用（OTDMOTDM）电时分复

30、用工作原理v 时分复用（时分复用（TDM, Time-Division MultiplexingTDM, Time-Division Multiplexing）是采用）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。的技术。v 时分复用系统的输入可以是模拟信号，也可以是数字信号。时分复用系统的输入可以是模拟信号，也可以是数字信号。图7.3.7 数字输入时分复用原理图信道信道光纤光纤帧和开帧和开销比特销比特开销信道开销信道取样取样同步同步取样取样同步同步取样取样同步同步信道1信道1信道2信道2信道N信道N定时定时发送端发送端帧同步

31、帧同步控制控制信道1信道1信道2信道2信道N信道N解同步解同步解同步解同步解同步解同步开销信道开销信道定时定时恢复恢复接收端接收端输入输入缓存缓存输入输入缓存缓存输入输入缓存缓存输出输出缓存缓存输出输出缓存缓存输出输出缓存缓存N帧帧开开销销 1 2 3N帧帧开开销销 1 2 3N帧帧开开销销 1 2 3N帧帧开开销销 1 2 3时时间间1 1帧帧信信道道数数时时隙隙tTs1 1帧帧1 1帧帧个个信信道道的的帧帧结结构构N应用：应用：PCM PCM SDHSDHAPONAPONEPONEPON 数字输入时分复用原理图光光纤纤信信道道帧帧和和开开销销比比特特开开销销信信道道取取样样同同步步取取样样

32、同同步步取取样样同同步步信信道道信信道道信信道道定定时时发发送送端端输输入入缓缓存存输输入入缓缓存存输输入入缓缓存存24210 110 1011fs旋旋转转速速度度8 000帧帧同同步步控控制制信信道道信信道道信信道道解解同同步步解解同同步步解解同同步步开开销销信信道道定定时时恢恢复复接接收收端端输输出出缓缓存存输输出出缓缓存存输输出出缓缓存存12240 110 1011fs旋旋转转速速度度8 000帧帧开开销销1帧帧开开销销123N帧帧开开销销帧帧开开销销时时间间时时隙隙Ts1 1帧帧1 1帧帧1 1帧帧.帧帧长长125 微微秒秒帧帧比比特特t21信信道道信信道道信信道道24个个字字节节1=

33、 1/fsN = 241 1帧帧的的结结构构123N123N3N231N(a) 24个数字信道（T1）复用原理图个个信信道道复复用用后后的的帧帧结结构构N(b)个个字字节节1个个字字节节1转转/ /秒秒转转/ /秒秒v 为实现为实现 TDM TDM 传输，把传输时间分成若干个时隙；传输，把传输时间分成若干个时隙；v 在每个时隙传输一路信号，从而形成复合脉冲串；在每个时隙传输一路信号，从而形成复合脉冲串；v 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 TDM 多路脉冲流的分离；多路脉冲流的分离；v 为了速率适配

34、，没用时隙用空隙字节填充，在接收端把它们分离出来，为了速率适配，没用时隙用空隙字节填充，在接收端把它们分离出来，并丢弃它们。并丢弃它们。v 在帧头，插入一些定时、误码检测和开销比特在帧头，插入一些定时、误码检测和开销比特(FOH, Fram Overhead) (FOH, Fram Overhead) ，其目的是为使解复用器与复用器同步，并进行误码检测。其目的是为使解复用器与复用器同步，并进行误码检测。数字输入时分复用原理图PCM通信制式的基础速率E1v 话音信号的频带为（话音信号的频带为（30034003003400）HzHz，取上限频率为，取上限频率为4000Hz4000Hz，按取样定，按

35、取样定理则取样频率为理则取样频率为 f fs s = 8kHz= 8kHz（即每秒取样（即每秒取样80008000次），取样时间间隔次），取样时间间隔T T =1/ =1/ f fs s = 1/8k = 125 = 1/8k = 125 s s，在，在125 125 s s时间间隔内要传输时间间隔内要传输 8 8 个二进制代个二进制代码（比特），每个代码所占时间为码（比特），每个代码所占时间为T Tb b= 125/8(= 125/8( s)s)，所以每路数字电话，所以每路数字电话的传输速率为的传输速率为B = B = 1/1/T Tb b = = 64 kb/s64 kb/s（或者（或者8

36、 b/8 b/每次取样每次取样 8 000 8 000次次/ /每每秒取样）。如果传输秒取样）。如果传输3232路路PCMPCM电话，则传输速率为电话，则传输速率为64 kb/s 64 kb/s 32 = 2048 32 = 2048 kb/skb/s（也就是（也就是8 b/8 b/每个取样值每个取样值 32 32个取样值个取样值/ /每次每次 8 000 8 000次次/ /每秒）。每秒）。这一速率就是我国这一速率就是我国PCMPCM通信制式的基础速率。通信制式的基础速率。图7.3.10 SDH复用v 首先几个低比特率信号复用成首先几个低比特率信号复用成STM-0STM-0信号，接着信号，接

37、着3 3个个STM-0STM-0信号复用成信号复用成STMSTM 1 1信号，信号，然后然后4 4个个STMSTM 1 1信号再复用成信号再复用成STMSTM 4 4信号，最后信号，最后4 4个个STMSTM 4 4信号形成信号形成STMSTM 1616信号。信号。v 在实际上也可以将在实际上也可以将STMSTM 1 1信号直接复用成信号直接复用成STMSTM 1616信号，几个低比特率信号也可信号，几个低比特率信号也可以直接复用成以直接复用成STMSTM 1 1信号。信号。E-1E-1E-1.2.048 Mb/s2.048 Mb/sSTM-1STM-1STM-1STM-1155.52 Mb/

38、sSTM-4STM-4STM-4STM-4STM-16622.08 Mb/s2 448.32 Mb/s字节字节间插间插同步同步复用复用等级等级复用复用等级等级复用复用开销开销插入插入STM-0ATMFDDIB-SDN.开销开销插入插入51.84 Mb/s2.048 Mb/s7.4 7.4 光复用光纤传输系统光复用光纤传输系统v7.4.1 波分复用（WDM）光纤传输系统v7.4.2 光时分复用（OTDMA）光纤传输系统v7.4.3 光码分复用（OCDM）光纤传输系统7. 4 光复用光纤传输系统v必要性必要性光载波的频率很高，光通信系统的信号带宽可以超过光载波的频率很高，光通信系统的信号带宽可以超

39、过1THz1THz。然而，。然而，由于光纤色散或电子器件速度的限制，即使原则上比特速率可以由于光纤色散或电子器件速度的限制，即使原则上比特速率可以超过超过 1 Tb/s1 Tb/s，但实际上，常常被限制到，但实际上，常常被限制到 100 Gb/s 100 Gb/s 。v种类种类WDMWDMOTDMOTDMOCDMAOCDMA多址接入技术v 在点对点的系统中，信道的接入称为复用；在点对点的系统中，信道的接入称为复用；v 而在局域网中则称为多址接入而在局域网中则称为多址接入(Access)(Access)。所以对应的有。所以对应的有 WDMAWDMA、OTDMA OTDMA 和和 OCDMAOCD

40、MA1234N.tT 连连接接1234N.tT连连接接56712NtT连连接接.电电压压功功率率(a) 波波分分多多址址(WDMA)(b) 时时分分多多址址(TDMA)(c) 码码分分多多址址(CDMA)波分复用 就像电频分复用一样，在发射端多个信道调制各自的光载波就像电频分复用一样，在发射端多个信道调制各自的光载波, ,在接收端使用在接收端使用光频选择器件对复用信道解复用，就可以取出所需的信道。使用这种制式的光波光频选择器件对复用信道解复用，就可以取出所需的信道。使用这种制式的光波系统就称作波分复用通信系统系统就称作波分复用通信系统。01.02.0(dB/km)信道间隔信道间隔载波频率载波频

41、率1400波长波长80010001200160018003.04.0光纤光纤光发光发射机射机光复用器光复用器光发光发射机射机光发光发射机射机12N (nm)衰减衰减图7.4.3 波分复用光纤传输系统原理图 01.02.0(dB/km)信道间隔载波频率1 400波长8001 000 1 2001 600 1 8003.04.0/nm衰减光纤光发射光复用12N光发射光发射光接收光解复用12N光接收光接收v 从实际的观点看，当信道间距变得和比特速率接近时（密集的从实际的观点看，当信道间距变得和比特速率接近时（密集的FDMFDM）就必）就必须使用相干检测技术，而信道间距较大时（须使用相干检测技术，而信

42、道间距较大时（100 GHz100 GHz）可以采用直接检测）可以采用直接检测技术技术 图7.4.4 2.64 Tb/s高密集WDM传输实验 1 3 5 131 2 4 6 132 D1 D1 D2 D2偶数信道 复用器20 Gb/s信道EDFA单模光纤120 km预放大器色散补偿光纤 补 偿放大器 低通滤波器调制器调制器 低通滤波器奇数信道复用器132信道66信道66WDM7.4.2 光时分复用(OTDMA)光纤传输系统v 光时分复用（光时分复用（OTDMOTDM）是一种构成高比特率传输很有效的技）是一种构成高比特率传输很有效的技术。术。v 它在系统发送端光学复用几个低比特率数据流，在接收端

43、它在系统发送端光学复用几个低比特率数据流，在接收端用光学方法把它解复用出来。用光学方法把它解复用出来。v 这种方法避开使用高速电子器件而改用宽带光电器件。这种方法避开使用高速电子器件而改用宽带光电器件。图7.4.5 电时分复用和光时分复用系统比较 v电时分复用的基本原理是给每个基带数据电时分复用的基本原理是给每个基带数据流在复用信道上分配一列时隙。流在复用信道上分配一列时隙。v复用器把基带数据流组装成较高比特速率复用器把基带数据流组装成较高比特速率的比特流的比特流v解复用器把已复用的数据流拆分成原来的解复用器把已复用的数据流拆分成原来的低速比特流。低速比特流。v 该系统的该系统的E/OE/O和

44、和O/EO/E转换器（即光发射转换器（即光发射机和接收机）已变成基带信号，与信机和接收机）已变成基带信号，与信号处理有关的所有电子设备均工作在号处理有关的所有电子设备均工作在基带比特速率下，不存在电子瓶颈问基带比特速率下，不存在电子瓶颈问题。题。 NB电解复用信道电复用B瓶颈信道BE/OO/E瓶颈电信号路径光信号路径(a) 电时分复用112n2NB控制信号光复用O/EO/EO/E信道B光解复用(b) 光时分复用E/OE/OE/O信道12B12nNNv 图图7.4.6 7.4.6 光脉冲流通过调制光脉冲流通过调制器对输入调制器的基带数据流进器对输入调制器的基带数据流进行取样编码行取样编码 v 图

45、图7.4.7 4 Gb/s7.4.7 4 Gb/s光数据脉光数据脉冲产生原理图冲产生原理图 脉冲激光器光调制器NRZ光脉冲流 RZ模式锁定 激光器4Gb/s RZ光调制器 4Gb/s NRZ4Gb/sRZTi:LiNbO3 码形发生器4Gb/s 电比特流 光数据流光脉冲流 时钟电比特流 光数据流图7.4.8 N信道光时分复用系统的定时原理图1/TTTTB信道信道信道信道1234复用后的信号DTDTDTvN N个入射到复合器的光信号是个入射到复合器的光信号是RZRZ脉冲流，该脉冲流周期为脉冲流，该脉冲流周期为B B，脉冲宽度为，脉冲宽度为T T。使。使用延迟线对输入脉冲流在时间上进行调整，使加于

46、光复用器上的每个信道的用延迟线对输入脉冲流在时间上进行调整，使加于光复用器上的每个信道的脉冲流依次延迟一段时间脉冲流依次延迟一段时间T TD D。图7.4.9 光时分复用（OTDM）系统的复合过程表示一个电主时钟发生器被表示一个电主时钟发生器被n n个光脉冲发生个光脉冲发生器共用器共用, ,在电时钟路径上，使用电延迟在电时钟路径上，使用电延迟器件对输入脉冲流延时器件对输入脉冲流延时 。在光信号路径上，使用光延迟器件对输在光信号路径上，使用光延迟器件对输入脉冲流延时入脉冲流延时 。12n时钟光延迟线光调制器光脉冲发生器光分配器合光器电数据流ODOD12n12nED时钟电延迟线光脉冲发生器光调制器

47、合光器电数据流LDED（a）由多个光源构成的复用线路（b）由一个光源构成的复用线路图7.4.10 四信道OTDM解复用原理图频率复用时钟恢复接收机16Gb/s8Gb/s8Gb/s4Gb/s4Gb/sv 解复用器是解复用器是 OTDM OTDM 系统最关键的器件。系统最关键的器件。它的目的是分配复它的目的是分配复用比特流中的每个用比特流中的每个比特到指定的比特到指定的 O/E O/E 转换器。转换器。v 构成光解复用器的构成光解复用器的基本器件是基本器件是 1 1 2 2 光开关。光开关。v 对于多信道系统，对于多信道系统，连接多个连接多个 1 1 2 2 光光开关可以构成大容开关可以构成大容量

48、的解复用交换网量的解复用交换网络。络。7.4.3 光码分复用（OCDM）光纤传输系统v 随着随着WDMWDM复用波长数的增加，光纤中的光强越来越大，光复用波长数的增加，光纤中的光强越来越大，光纤非线性也越来越严重纤非线性也越来越严重; ;v 所以在未来的网络中波长资源可能出现匮乏。所以在未来的网络中波长资源可能出现匮乏。v 光码分复用（光码分复用（OCDMOCDM）系统采用同一波长的扩频序列，频谱）系统采用同一波长的扩频序列，频谱资源利用率高，它与资源利用率高，它与WDMWDM结合，可以大大增加系统容量。结合，可以大大增加系统容量。WDMA和OCDMA的区别v WDMAWDMA是不同的用户根据

49、预先分配给的波长使用网络，其主要的优点是用户间寻是不同的用户根据预先分配给的波长使用网络，其主要的优点是用户间寻路简单，缺点是信道带宽使用不很有效。路简单，缺点是信道带宽使用不很有效。v 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。基于频谱展宽方法的码分复用就是这样的一种技术。信道得到解决。基于频谱展宽方法的码分复用就是这样的一种技术。CDMCDM的信号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的。称频谱展宽码为特征码或密钥，有时也称为地址码。一种编码来完成的。称频谱展宽码为特征码或密钥，有时也称为地址码。v 在在OCDMOCDM系统中，给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系统中，给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，对信号送端相同的编码规则进行反变换，