第九章-光纤通信复用技术

9.1光纤通信复用技术的概念9.2光波分复用技术9.3密集光波分复用(DWDM)技术9.4光波分复用系统的应用举例第9章光纤通信复用技术1.光时分复用(OTDM)2.光码分复用(OCDM)3.光波分复用(WDM)4.光频分复用(OFDM)5.光空分复用(OSDM)6.光副载波复用(OSCM)9.1光纤通信复用技术的概念9.1.1光时分复用(OTDM)技术定义：OTDM是用多路电信号调制具有同一个光频的不同光通道（时隙），经复用后在同一根光纤中传输的技术，它在系统发送端对多个低速率数据流在光域进行复用，在接收端用光学方法进行解复用。…光域复用光域解复用E/O信道1信道2信道n信道速率nBE/OE/O…O/EO/EO/E信道1信道2信道n信道速率B信道速率B电TDM和光TDM系统的比较电时分复用光时分复用复用解复用E/OO/E信道速率nB瓶颈瓶颈…信道1信道2信道n…信道1信道2信道n信道速率B信道速率B…光域复用光域解复用E/O信道1信道2信道n信道速率nBE/OE/O…O/EO/EO/E信道1信道2信道n信道速率B信道速率BOTDM技术是电时分复用技术在光学领域的延伸和扩展，使用高速光电器件代替了电子器件，完全在光域上实现从低速率到高速率的复用，克服了电TDM所固有的电子瓶颈问题。比特间插分组间插tⅠⅡⅢⅣ帧同步信号比特交错光时分复用器1111111110000000ⅠⅡⅢⅣtttttⅠⅡⅣⅢ分组交错光时分复用器1111111110000000ⅠⅡⅢⅣttttOTDM可分为比特间插OTDM和分组间插OTDM比特间插OTDM主要用于电路交换业务。分组间插OTDM主要用于分组交换业务。比特间插OTDM的实现如下：锁模激光器分路器调制器组合器或星型耦合器支路时延i1n锁模激光器分路器调制器合路器i时延i1n1110011100ii数据复用解复用复用信号分路器或星型耦合器门限判与门延迟j复用信号分路器或星型耦合器门限判决器分路器延迟j延迟j门限值门限值逻辑与逻辑与光时分复用的特点：（1）各光网络单元是在不同时隙依次进入光功率分配器，并合成一路光信号，其信号按时间既紧凑又不重叠地排列着，与各光网络单元的输入信号相比，提高了传输速率；（2）OTDM系统采用的归零码完全适合于比特级的全光信号处理，从而使超高速帧头处理成为可能；（3）光时分复用只利用一个光载波就可传送多路光脉冲信号，因此，可大幅度提高系统容量，如与DWM相结合，即利用多个光载波来实现时分多路光脉冲信号的传送，可成倍地提高系统容量；（4）采用光时分复用技术比较容易实现信道的按需分配。9.1.2光码分复用(OCDM)技术光码分复用OCDM的工作原理与电码分复用相似，都是利用地址码调制和扩展频谱的原理来实现多址通信。…光复用光解复用编码器数据1数据2数据n…数据1数据2数据n编码器编码器解码器解码器解码器OCDM系统给每个信道分配一个唯一的光正交码作为该信道的地址码，对要传输的数据信息用该地址码进行光编码，将多路光编码信号调制在同一光波上在光纤信道中传输，实现多信道复用，接收端用与发送端相应的地址码进行光解码，即可恢复出原信道的信号。OCDM系统与传统的电域CDMA系统比较OCDM系统采用单极性正交码作为地址码，它与传统的电域CDMA系统所采用的扩频序列有着本质区别。传统的扩频序列为双极性扩频码，取值为（+1，-1，具有良好的自相关和互相关特性。而这种双极性扩频序列不能应用于现有的强度调制直接检测光纤通信中，这种双极性扩频码在二值域（1，0）上取值，其互相关峰很大，对系统的性能有致命影响。OCDM系统所采用的单极性正交码是在二值域（1，0）上取值，具有尖锐的自相关峰和弱的互相关性。OCDM系统的编解码方式：时域编码，时域编码利用时域的光序列进行编码，也称为扩频编码；频域编码，它对光脉冲的光谱进行编码，又称为光谱编码；空域编码，是利用空间光纤进行编码。技术上最成熟的是时域编码。OCDM系统时域编码的原理光源扩频编码相关解码光接收阈值检测恢复数据数据光纤地址码1001010111001010111001010111001010111011ttt地址码二进制数据编码后光信号•光纤延迟线编解码器是一种实现时域编解码的基本器件，利用短脉冲激励不同长度的光纤可获得不同的延迟。可调光延时线1可调光延时线2可调光延时线N1×N光分路器延时控制器N×1光合路器第i个用户的地址码数据光脉冲输出光正交码i1τi2τ…iNτ固定光纤延迟线编解码器可调光纤延迟线编码器定义：为支持较多的用户同时接入，必须增加地址码的码长，这样光纤延迟线的数目、长度会相应增加，编解码器的结构比较复杂。为此，可采用跳频OCDM系统,它采用二维的光正交码，即每个地址码序列同时在时域和频域上扩展。跳频OCDM系统t0t1t2t3t4t5t6t7时间频率f7f6f5f4f3f2f1f0OCDM技术具有如下优势：能实现光信号的直接复用与交换；实现点到点、点到多点的通信，并且一个节点的故障不影响系统中的其他节点；具有很高的保密性、安全性；光信号处理简单，大大降低了收发设备的成本。9.1.3光波分复用(WDM)技术定义：在一根光纤中传输多个波长信道的技术就是波分复用（WDM）技术，又称为光波长分割复用。特点：大量不同的波长信道可以同时在一芯光纤中传输，使通信容量成倍或数十倍、数百倍地增长。光发射机…光发射机合波器分波器光接收机……nn11光接收机光纤放大器1n波分复用分类根据相邻信道波长之间的间隔不同粗波分复用（CWDM）,相邻信道中心波长的间隔为50-100nm密集波分复用（DWDM）,相邻信道中心波长的间隔为1-10nm9.1.4光频分复用(OFDM)技术定义：光频分复用是指光频率的细分，当多个光信道在光频域内排列非常密集时，不适于用波长来表征而更适于用频率来衡量，这时称之为光频分复用。一般将相邻光载波间隔小于1nm的系统，称为OFDM系统。9.1.5光空分复用(OSDM)技术定义：空分复用（SDM）是指利用空间的分割实现复用的一种方式，将多根光纤组合成束实现空分复用，或者在同一根光纤中实现空分复用。空分复用包括光纤复用和波面分割复用。光纤复用是指将多根光纤组合成束，组成多个信道，相互独立传输。波面分割复用是指在同一根光纤中的纤芯区域光束沿空间进行波面分割复用。9.1.6光副载波复用(OSCM)技术光副载波复用（OSCM）技术是多路信号经不同的载波调制后，经由同一光波长在光纤上传输的一种复用方式。信号1信号n…副载波调制副载波调制f1fn微波合成器光发射机光电检测器信号1信号n…副载波解调副载波解调f1fnSCM系统具有以下特点：实现较为简单，成本较低；可以传输模拟信号，也可以传输数字信号，还可以同时传输；接收灵敏度较高；信道之间相互独立，不需要复杂的定时同步技术。9.1光纤通信复用技术的概念9.2光波分复用技术9.3密集光波分复用(DWDM)技术9.4光波分复用系统的应用举例第9章光纤通信复用技术光波分复用原理光波分复用技术的主要特点WDM系统的分类9.2光波分复用技术9.2.1光波分复用原理在发送端采用复用器（合波器）将不同波长的光信号进行合并，在接收端利用解复用器（分波器）将合并的光信号分开并送入不同的终端。光发射机…光发射机合波器分波器光接收机……nn11光接收机光纤放大器1n9.2.2光波分复用技术的主要特点超大容量传输。传输多种不同类型信号。多种网络应用形式。扩充网络容量、减少投资。组网灵活可靠。实用高效、性能优良、业务透明。降低器件的超高速要求。光波分复用器结构简单、体积小、可靠性高。9.2.3WDM系统的分类集成式WDM系统要求复用终端的光信号的波长符合系统的规范开放式WDM系统复用终端光接口没有特别的要求9.1光纤通信复用技术的概念9.2光波分复用技术9.3密集光波分复用(DWDM)技术9.4光波分复用系统的应用举例第9章光纤通信复用技术9.3密集光波分复用(DWDM)技术DWDM系统构成DWDM系统的关键技术DWDM复用器光波长转换器（OTU）9.3.1DWDM系统构成DWDM系统主要由六部分组成，即光发射机、光中继放大器、光接收机、光监控信道、网络管理系统和光纤，其基本结构和工作原理如下图。光转发器1光转发器nBALAPA光接收机1光接收机n光发射机光中继放大光接收机光监控信道发送机光监控信道接收机光监控信道接收/发送网络管理系统光转发器(OTU)n光合波器BA前置放大LA线路放大PA功率放大光分波器/信道1信道n信道1信道n光转发器(OTU)1光转发器(OTU)1光转发器(OTU)n光纤光纤n1n1ssss在发送端，光发射机将来自终端设备符合G.957协议的非特定波长的光信号经光波转发器（OTU）转换为G.692定义的稳定的特定波长的光信号，然后利用光合波器将多个不同波长的光信号合成多通路光信号，再通过光功率放大器放大后送入光纤信道。光中继放大器把单根光纤中多个波长的光信号同时放大以补偿线路损耗，从而延长通信距离。目前一般使用EDFA，对不同波长增益平坦。在接收端，经传输而衰减的主信道光信号由光前置放大器放大后，利用分波器从主信道光信号中分出各个特定波长的光信号，再经OTU转换成原终端设备所具有的非特定波长的光信号。光监控信道主要用以监控系统内各信道的传输情况，在发送端插入本节点产生的波长为λs（1510nm）的光监控信号，与主信道的光信号合波输出；在接收端，从接收到的光信号中分离出光监控信号。帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节等都能通过光监控信道传输。由于光监控信号是利用EDFA工作波段以外的波长，所以光监控信号不能通过EDFA，只能在EDFA后面插入，在EDFA前面取出。网络管理系统通过光监控信道传送开销字节到其他节点或者接收其他节点的开销字节对DWDM系统进行管理，实现配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等功能，并与上层管理系统（如TMN）相连。DWDM系统的基本构成主要有三种基本形式双纤单向传输单纤双向传输光分路插入传输双纤单向DWDM传输如图所示。信号1信号n信号1信号n光发射机…光发射机复用器解复用器光接收机……nn11光接收机光纤放大器信号1'信号n'信号1'信号n'光发射机…光发射机解复用器复用器光接收机……n1光接收机光纤放大器1n单纤双向DWDM传输如图所示。光发射机…光发射机复用╱解复用器光接收机……nn11光接收机光纤放大器复用╱解复用器信号1信号n信号1'信号n'光发射机…光发射机信号1信号n信号1'信号n'光接收机…光接收机…2nn+1n+12n光分路插入传输结构如下图所示11MDMDR1T3R2T422243334DWDM系统中的主要设备DWDM激光器光波复用器光接收器光放大器DWDM激光器几乎所有的DWDM系统都工作在1550nm的低耗波长区。光传输功耗小，能保证尽可能大的传输距离和更好的信号完整性。光波复用器光复用器是双向可逆的，将一个光复用器的输入和输出调换过来，就是解复用器。光接收器负责检测进入的光波信号，并将它转换为一种适当的电信号，以便接收设备处理。光放大器用来提升光信号，补偿由于长距离传输而导致光信号的功耗和衰减。9.3.2DWDM系统的关键技术DWDM系统需要很多与其功能相适应的高新技术和器件，DWDM的关键技术包括三个方面光源技术光滤波技术光放大技术（1）光源技术DWDM系统中光源的突出特点是：有比较大的色散容纳值和标准而稳定的波长。DWDM系统中常用的光源主要有分布反馈激光器（DFB）量子阱（QW）半导体激光器掺铒光纤激光器波长可调谐激光器分布反馈激光器（DFB）是一种典型的单纵模激光器（SLM），其产生单纵模的机制是利用布喇格反射原理。布喇格反射是指光