光纤通信WDM系统结构设计

目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章前言 2第二章光纤通信原理 3\o"CurrentDocument"2.1光发射机 3\o"CurrentDocument"2.2光接收机 3\o"CurrentDocument"2.3光中继/放大器 4\o"CurrentDocument"第三章WDM技术的主要特点及应用 5\o"CurrentDocument"WDM的特点 53.1.1传输容量超大 53.1.2传输距离超长 53.1.3节约光纤 53.1.4系统平滑升级扩容 53.1.5适合未来业务发展的需要 6\o"CurrentDocument"WDM系统的应用形式 6\o"CurrentDocument"第四章光纤通信WDM系统结构设计思想 8\o"CurrentDocument"第五章光纤通信WDM系统结构设计 10\o"CurrentDocument"5.1信道中心频率（波长） 1 0\o"CurrentDocument"5.2波分复用器件 1 2\o"CurrentDocument"5.3复用器 1 2\o"CurrentDocument"5.4光放大器（OA） 1 2\o"CurrentDocument"5.5光波长转换器（OTU） 1 3\o"CurrentDocument"5.6色散补偿模块（DCM） 1 4\o"CurrentDocument"5.7主光通道指标 1 5\o"CurrentDocument"第六章系统测试结果 17\o"CurrentDocument"6.1测试参考点配置 1 7\o"CurrentDocument"6.2测试项目 1 7参考文献 1 9致谢 2 0摘要：随着人类社会信息时代的到来，~对通信的需求呈现加速增长的趋势。为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络互性、灵活性的要求，产生了各种复用技术。WDM技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。本文主要运用光纤通信原理以及 WDM技术，设计一种光纤通信WDM系统结构，对结构各个部分进行了详细的设计，最后对系统进行测试。关键词：光纤通信；波分复用；光接收机；系统结构ABSTRACT:Withtheadventoftheinformationageofhumansociety,thedemandforcommunicationisincreasingrapidly.Inordertoadapttotheincreasingtransmissioncapacityofcommunicationnetworkandmeettherequirementsofnetworkinteroperabilityandflexibility,variousmultiplexingtechnologieshavebeendeveloped.WDMtechnologyisatechnologythattransmitsmulti-wavelengthopticalsignalsinoneopticalfiberatthesametime.Inthispaper,theprincipleofopticalfibercommunicationandWDMtechnologyareusedtodesignastructureofopticalfibercommunicationWDMsystem.Eachpartofthestructureisdesignedindetail.Finally,thesystemistested.KEYWORDS:Opticalfibercommunication;wavelengthdivisionmultiplexing;opticalreceiver;systemstructure第一章前言互联网的出现彻底改变了信息通信网络的基础结构。在 20世纪末至21世纪初，对带宽需求的增长推动了全球电信业的发展。尽管随后的“互联网泡沫”在资本投资市场遭到了破灭，但是互联网流量仍获得了快速增长。随着诸如云计算(CloudComputing)、流媒体(streamingvideo),IP(InternetProtocol)电视等新应用的出现，其再次推动了全球互联网对带宽的需求。思科公司于2014年6月发布的最新网络流量预测白皮书表明，到 2018年全球互联网流量将等于2005年全球互联网流量的64倍，过去五年中全球IP流量己增长了5倍以上，并将在接下来的5年内继续增长3倍。如图1-1所示，到2016年底，年度全球互联网IP流量将突破皆字节(1000艾字节)大关，到2018年，全球总体IP流量将从2013年的每月51艾字节增长到每月132艾字节。图1-1全球互联网总体IP流量增长预测示意图为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络互性、灵活性的要求， 产生了各种复用技术。波分复用(WDM)技术的基本原理是在同一根光纤中形成具有不同调制方式的多个信道，同时传输有不同波长的多个信号。通常以GHz或nm这两种计量单位来表示任何两个信道的波长间隔，如200GHz或1.6nm,100GHz或0.8nm等。当波长的间隔小于等于100GHz或0.8nm时，WDM就被称为密集波分复用(DWDM)技术。使用WDM技术就可以在原有传输速率的基础上，成倍地扩大光纤的传输能力。波分复用 WDM系统的主要优点是：可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使传输容量迅速扩大几倍至上百倍；在大容量长途传输时可以节约大量光纤和再生器，大大降低传输成本；与信号速率及电调制方式无关，是引入宽带新业务的方便手段；利用WDM选路实现网络交换和恢复可望实现未来透明的、具有高度生存性的光层传送联网。潍坊学院本科毕业设计（论文）

第二章光纤通信原理光纤通信系统的主要工作流程如图 2-1。图2-1光纤通信系统2.1光发射机在光纤通信系统中光发射机的主要作用是完成电一光转换， 并用利用耦合技术有效地把光信号送入传输光纤。光源是一个非常关键的发射机组件。目前，光纤通信系统均采用半导体激光器LD和发光二极管LED作为光源，它是实现电信号变换到光信号的器件，在光纤通信中具有重要地位。光纤通信可靠工作的关键需要有性能好、寿命长、使用方便的光源来保证。光纤通信对半导体发光器件的发光波长、工作时间、藕合效率及线谱宽度均有要求。光发射机的关键技术指标包括平均输出光功率、调制特性、温度特性、消光比以及应答速度。平均输出光功率通常是指光源尾纤的平均输出光功率， 因此又称其为平均发送光功率。光电器件生产商通常会提供一段带有藕合光纤又称为尾纤的光源组件以方便用户使用。在光纤通信网络中，可通信的距离和光源送入光纤的光功率成正比，这就必要求光源的输出光功率既不能过大也不能过小，合适最好。但是，理论上如果光源送入光纤的光功率太大，光纤将可能工作在非线性状态。非线性状态下光纤的各种特征参数会随输入的光强形成非线性的变化，光纤因此便成了一种非线性器件，这种非线性器件会产生很强的频率转换作用和其他效应。显然，这对光纤的正常工作会有不利影响。2.2光接收机光接收机的作用是把光发射机发送的携带有信息的光信号转化成相应的电信号并放大、再生恢复为原传输的信号，在整个光通信系统中起着非常重要的作用。光检测器又称为光探测器或光检波器，它位于光接收机的最前端，是光接收机中最重要的部分之一，具有光探测能力，能将光信号转化为电信号供后续系统模块进行处理，其性能好坏直接影响整个光接收机性能。由于经过长距离传输后，光接收机需要用光检测器来放大微弱的光信号。因此，这个部件需要能够做到以下实现：（1）能够灵敏的将较小入射光功率输出为较大光电流；（2）能够快速响应，能够避免因速度差异带来的系统速度瓶颈问题 ；（3）能够尽可能降低的噪声，以降低器件自身噪音对信号的影响 ；（4）具有良好的线性特性，以保证转换过程中信号能维持原来的频率、相位或幅度，即检测器输出的电信号能不失真地反应出所接收到的光信号 ；（5）稳定的性能，高可靠性，低功耗，具有较小的体积、较长的工作寿命等。2.3光中继/放大器由光纤的传输特性可知，光纤的损耗和色散影响着光纤通信距离。为了保证光纤长距离传输的性能指标，需要在信道的适当位置上设计中继站点，一种是光/电/光转换形式，另一种是直接对光进行放大的光放大器。为了达到延长传输距离的目的，可以通过使用光再生中继器，它的功能是是重新传输标准的数字光信号，这些信号往往是那些因长距离传输而受到损耗及色散畸变光脉冲信号转变而来的。数字光信号的再生中继方式主要有两种 ：“电中继”方式和“光信号放大+再生中继”的方式。较常用的是前者，它先将微弱变形的光信号线转换为电信号，经过放大整形后转换成标准数字电信号，最后调制成光信号，沿光纤信道继续传输。后者是按照“放大+整形”的进程转换微弱光信号为电信号，而后再进行一次上述过程。第三章WDM技术的主要特点及应用WDM，顾名思义，指的是通过波长的复用只需增加波长就可以实现系统的扩容，即为将几个或几十个不同波长的光通信信号复用， 通过一根光纤传输的技术。3.1WDM的特点WDM近年来一直是研究的热点，受到运行商和设备产商的青睐，主要是具有以下几个优点：3.1.1传输容量超大WDM系统能充分利用现在的TDM技术，现在TDM技术如lOGb/s己经非常成熟，而复用的光通路数量为40个、80个目前商用最多是160个，传输容量能达到1.6Tb/s,而且还有相当的潜力可以挖掘。3.1.2传输距离超长WDM系统的传输距离主要得益于放大器的使用。 EDFA具有高增益、宽带宽、低噪声等优点，通过放大器进行光中继放大，可以延长传输的距离。光纤喇曼放大器比EDFA噪声更低，传输距离能达2000km。3.1.3节约光纤目前的SDH系统以单波长为主，每个系统1对光纤，而WDM系统是几十个波长复用在一根光纤传输，1个WDM系统只需要1对光纤，比如80x10Gb/s系统，只需要2根光纤，而单波长的SDH系统需要160根，大大节约了光纤的投资。对于目前城市内管城区线资源紧张如上海南京路、淮海路及徐汇等商业圈的线路系统扩容也非常方便。3.1.4系统平滑升级扩容正如前面所说，WDM系统是充分利用目前使用的TDM技术的，只要增加复用光波长通路数和设备，就可以增加系统的传输容量扩容， 对原来的光通路基本无影响，因此系统升级平滑、方便。而且WDM系统的各复用信道是相互独立的，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。3.1.5适合未来业务发展的需要全光业务一直是光网络发展的方向， WDM技术用于网络中可以实现大容量的全光交换（光互连网络），增加了网络的灵活性，简化了网络结构。3.2WDM系统的应用形式WDM基本形式主要有双纤单向传输和单纤双向传输两种。单向传输指的是所有光通路同时在一根光纤上沿着同一方向传送。如图3-1发送信端将不同波长的信号通过复用器组合在一起在一根光纤传输。在接受端通过解复用将不同波长信号分开，完成多路光信号传输。反方向传输通过另外根光纤，原理相同。图3-1双纤单向传输图3-2单纤双向传输双向传输WDM系统指的是一根光纤同时向两个方向传输。 为了实现全双工通信，如上图3-2所示，必须将波长分开。双纤单向传输WDM系统在开发和应用上比较广泛。单纤双向传输WDM系统能减少光纤和放大器的使用，但要求更高，比如需要注意双向通道之间的间隔、串扰等问题，在以后会更加广泛应用。第四章光纤通信WDM系统结构设计思想本文系统方案设计的目的就是定义传输结构和传输参数， 使传送距离和光信噪比（OSNR）、误码率（BER）达到通信一的标准。WDM系统的发送端是将多个终端光发射机的光信号复用在一根光纤中进行传输， 在接收端将光信号解复用，并由多个终端光接收机来接收。因此， WDM系统是构建于单信道系统之上的。WDM系统的每个信道的性能都应与相应的单信道系统要求一致。如使用WDM系统承载SDH系统，则每个信道都应符合6.957光接口标准的要求。设计中考虑了目前能够实用的设备和器件水平， 使系统的性能和成本控制在合理的范围之内。各种设备配置以及参数确定是系统实现的依据， 但在实际构建中可以根据情况做出某些调整。但总的原则是在实现设计要求的前提下，使性能更加优化，成本更低。WDM系统的功能框图如图4-1所示。系统使用的是单纤单向结构，用两根光纤实现双向通信。为保证系统的设备兼容性，采用开放式的设计，用光波长转换器（OTU）实现与终端设备的连接。图4-1WDM系统传输功能框图图中，子路径指线路中两个设备之间的光纤路径；主光路径是从发送端波分复用器到接收端波分复用器之间的光纤路径。这里，接收设备可以是中继设备或解复用器。主光路径也称为光再生段。中继设备将光信号解复用，通过具有再生电路的光波长转换器（ OTU）进行信号的整形、抑制噪声、提高功率，然后再用波长复用器把各波长信号复用在一起转发出去。从中继设备发送的光信号要恢复到最初发送时的状态。接收端的波分复用器的作用是将复用信道分开，通过各自的光波长转换器（0丁。）送入终端设备，完成信号的传输。光信号经过一个光再生段以后，又恢复为初始状态。因此，主光路径是最小的功能完整单元。WDM传输系统由一个或多个主光路径组成，通过设计主光路径，就可以完成整个WDM系统的设计。在下面的方案设计中，将只考虑单个再生段的情况，在需要长距离传输的时候，只要加入中继设备即可延长WDM系统的传输距离。第五章光纤通信WDM系统结构设计在长距离WDM系统的实验研究中，往往采用色散补偿光纤 DCF作为色散管理的主要手段。对新敷设的传输系统来说，在光信号的传输的同时又实现了色散补偿，是一个比较好的方法。但是要对已有的系统进行 WDM改造，DCF的加入就有许多困难，比较合理的方法是在每个中继站点加入色散补偿模块DCM。图5-1是WDM传输系统的总体设计框图。图5-132X10Gbit/s480kmWDM系统总体设计图系统设计的性能指标为：在最坏情况下，系统的位误码率(BER)不大于10-12。系统参数主要包括：信道中心频率(波长)、波分复用器件、光放大器(OA)、光波长转换器(OTU)、色散补偿模块(DCM)等设备的主要设计参数。5.1信道中心频率(波长)对于常规G.652光纤，ITU-TG.692共给出了以193.1THz为绝对参考频率，间隔为100GHz(0.8nm)的41个标准波长(192.1THz~196.1THz)，即1528.77nm~1560.61nm。根据信息产业部于2001年11月1日开始实施的WDM系统技术要求(32X10Gbit/s部分)，选用其中频率在192.1THz~195.2THz之间的32个波长为系统传输的中心波长，如表3.2所示。在这个波长区间，EDFA的增益相对平坦，其增益差在1.5dB以内，而且增益较高，可充分利用EDFA的高增益区。在多级级联的WDM系统中，容易实现各通路的增益均衡。

表3.1系统中心频率（波长）序号中心频率（THz）波长（nm）1192.11560.612192.21559.793192.31558.984192.41558.175192.51557.366192.61556.557192.71555.758192.81554.949192.91554.1310193.01553.3311193.11552.5212193.21551.7213193.31550.9214193.41550.1215193.51549.3216193.61548.5117193.71547.7218193.81546.9219193.91546.1220194.01545.3221194.11544.5322194.21543.7323194.31542.9424194.41542.1425194.51541.3526194.61540.5627194.71539.7728194.81538.9829194.91538.1930195.01537.4031195.11536.6132195.21535.825.2波分复用器件波分复用器件是WDM系统的核心器件之一，基本要求是：插入损耗小、隔离度大、带内平坦、带外插入损耗变化陡峭、温度稳定性好、复用通路数目多、尺寸小等等。波分复用器件分为两种：复用器和解复用器，它们的主要指标有:插入损耗、反射系数、工作波长范围、偏振相关损耗、相邻通路隔离度等。5.3复用器目前32信道的波长复用器通常采用集成光波导或介质薄膜滤波器等技术制作，相关参数如表3.2所示。表3.2复用器的参数指标项目数值插入损耗<12dB光反射系数>40dB工作波长范围1530nm~1561nm偏振相关损耗<0.5dB相邻信道隔离度>22dB各信道插入损耗的最大差异<3dB5.4光放大器(OA)在WDM系统中，光放大器有三种应用形式：功率放大器(BA)、线路放大器(LA)、前置放大器(PA)。这三种应用都可以用EDFA光放大器来实现。作为光放大器，不仅要求增益平坦，而且还必须有自动增益控制功能：当32路信号中的某些信号失去的时候，应不影响其它信道的正常工作，没有突发误码产生；在极限情况下，如果同时失去31路信号，剩余的一个信道应在10ms内恢复正常无误码工作；即使发生光纤断开的情况，EDFA光放大器应能够自动关闭泵浦源。当逐路增加承载的信道数量的时候，不影响其它信道的性能 ；当同时增加多个信道时，系统也应当不受影响：如果在运行时增加或减少承载的信道数量，EDFA各项参数可以自动调整。光功率放大器(BA)光功率放大器(BoostAmplifier)用在复用器输出端的后面，用于提高系统的发送光功率，BA的参数要求如表3.3所示。

表3.3光功率放大器的参数要求项目数值噪声系数<7dB光反射系数>40dB偏振相关损耗0.5dB最大总输出功率+20dBm信道增益20〜25dB增益平坦度土1dB增益斜率<2dB/dB信道增加/移除增益响应时间<10ms2.光线路放大器(LA)光线路放大器(LineAmplifier)用在无源光纤段之间以补充光纤损耗，延长中继长度，LA的参数要求如表3.4所示。表3.4光线路放大器的参数要求项目数值噪声系数<5.5dB光反射系数>40dB偏振相关损耗0.5dB最大总输出功率+15dBm信道增益20〜25dB增益平坦度土1dB增益斜率<2dB/dB信道增加/移除增益响应时间<10ms5.5光波长转换器(OTU)系统设计采用开放式WDM结构，采用光波长转换器(OTU)作为WDM系统与终端设备之间的接口设备。在中继设备里使用的 OTU，还具有信号再生电路，以实现信号的3R中继功能。发送端OUT的作用是将终端设备的光信号转换为符合6.692规范的标准波长，其接口要求如表3.5所示。表3.5发送端OTU接口要求项目数值输入端S点接收灵敏度-14dBm接收机反射>27dB接收过载功率0dBm

输入信号波长范围1280nm~1565nm输出端Sn点光源类型单纵模(SLM)LD最大-20dB谱宽0.3nm最小边模抑制比35dB平均反射功率-5dBm~-1dBm最大中心频率偏差土12.5GHz最小消光比+10dB2.接收端OTU发送端OUT的作用是将解复用器输出的光信号转换终端设备要求的光信号，其接口要求如表3.6所示。表3.6接收端OTU接口要求项目数值输入端Rn点接收机类型PIN/APD接收灵敏度-14dBm(PIN)/-21dBm(APD)接收机反射>27dB接收过载功率0dBm(PIN)/-9(APD)输入信号波长范围1280nm~1565nm输出端R点平均发送功率-10dBm~0dBm(远距离光接口)-2dBm~+2dBm平均发送功率10dB5.6色散补偿模块(DCM)由于G.652光纤的色散值为正，因此系统使用负色散DCM来进行色散补偿。DCM应当置于光放大器的中间级(MSA)，即两级泵浦源之间。因为两级放大器本来就需要一定的线路损耗，这样， DCM模块不额外增加线路损耗，对系统光信噪比的影响降至最小。 DCM的补偿原则根据光功率预算的结果而定，并综合考虑非线性效应的影响。DCM的参数要求如表3.7所示。表3.7DCM参数要求项目数值插入损耗<9.SdB工作色散-1240pslnm~1420ps/nm损耗系数<1dB/km最大总输出功率+15dBm光反射-27dB工作波长范围1525nm~1565nm

最大允许输入功率+20dBm偏振相关损耗<0.5dB由于目前DCM并不能补偿光纤的色散斜率。对于整个复用波段，对总的色散补偿量可以根据实际应用的情况采取欠补偿和完全补偿两种设计方法 ：欠补偿是以1546nm波长补偿到绝对色散量的92%为原则。这样，长波长区（1545nm以上）欠补偿更加厉害，而在短波长区（1540nm以下）为近似完全补偿；而完全补偿则对复用波段的色散平均值 （1545nm附近）进行完全补偿，这种补偿方法在蓝带出现过补偿，而在红带出现一定的欠补偿。5.7主光通道指标从发送端的复用器输出耦合器之后的 MPI-S点到接收端解复用器输入耦合器之前的MP1-P点，这段距离称为系统的主光通道。光信号在主光通道上的传输指标直接影响系统性能，表3.8给出了主光通道的指标要求，其中线路衰减指线路的损耗，没有考虑加入DCM的功率代价。表3.8WDM主光通道指标项目数值每信道输出功率（MPI-S和S’点）+2dB〜+6dB总发送功率（最大）+20dBmMPI-S点每信道信噪比>35dBMPI-S点的最大信道功率差22~24dB光通道代价（MPI-S〜MPI-R）-27dB子路径衰减范围（80km）24dB反射30ps最小回损9600ps/nm最大DGD1000ps/nm色散-22dB〜-16dB最大线路色散（补偿后）-2dB每信道输出功率（MPI-R和R，点）22dB平均总输入功率（最大）6dBMPI-R点每信道最小信噪比20dBMPI-R点的最大信道功率差数值光信号串音+2dB〜+6dB在每个EDFA光中继站和WDM系统终端站点上，主光通道配备不中断业务监测接口（可以接入监测仪表），允许在不中断传输业务的情况下，对波分复用终端站和线路放大器中继站的主光通道进行实时监测。第六章系统测试结果在项目实施的过程中，要对系统进行相关参数测试和性能指标测试，这是检验系统性能是否达到设计要求的重要手段。6.1测试参考点配置根据相关标准的规定，图6-1给出了一个单向WDM系统测试的参考点配置。图6-1系统测试参考点配置图6-1系统测试参考点配置S1、S2...Sn分别是信道1,2....n的发射端输出耦合器之后的光纤上的测试点。直接处于OTU的输出发射器(Tx)之后，用于测量光发射器的光输出参数。RM1,RM2......RMn分别为信道1、2...n在复用器(OM)的输入耦合器之前的光纤上的测试点。用于测量复用器的光输入参数。MPI-S为复用器输出耦合器之后的光纤上的测试点。 用于测量复用器的光输出参数。R'是线路放大器输出耦合器之前的光纤上的测试点。用于测量线路放大器(OA)的光输入参数。S’是线路放大器输出耦合器之后的光纤上的测试点。用于测量线路放大器(OA)的光输出参数。MPI-R为解复用器(。。)输入耦合器之前的光纤上的测试点。用于测量解复用器的光输入参数。SD1、SD2……SDn分别是解复用器信道1,2...n输出耦合器之后的光纤上的测试点。用于测量解复用器的光输出参数。R1,R2.....Rn分别是信道1、2...n的接收端输入耦合器的光纤上的测试点。直接处于OTU的光接收器(Rx)之前，用于测量光接收器的光输入参数。6.2测试项目系统性能测试项目包括各个信道波长及其稳定性、 光传输信噪比、各单元的输出光功率和各单元的接收光功率。6.2.1波长及其稳定性信道波长的准确性及稳定性是保证多个波长能够复用进入一根光纤并进行可靠传输的重要指标。因此，测试信道波长是否符合设计要求是至关重要的。这项测试包括在发射机的输出耦合器 Sn点测试各个信道的中心波长及波长漂移:在复用器的输出耦合器MPI-S点和光放大器的输出耦合器S’点测试各个信道的中心波长及信道间隔是否满足设计要求。6.2.2光信噪比对于速率为l0Gbids的系统，设计要求光信噪比在25dB以上。由于在系统中使用了多种光学器件，各种器件的插入损耗各不相同， 可能带来额外的功率损耗：同时，由于信道串扰、放大自发发射（ASE）等噪声的引入，也会降低系统的光信噪比。因此，有必要在各个光输入点上进行信噪比的测试。进行这项测试的参考点包括：光放大器输入耦合器R'点、光解复用器输入耦合器MPI-R点、接收端输入耦合器Rn点。6.2.3各单元的输出光功率各个单元的输出光功率是网络设计所需要的一项重要参数。 这项测试包