1、第五章 数字光纤通信系统第五章第五章 数字光纤通信系统数字光纤通信系统第五章 数字光纤通信系统5.1 数字光纤通信系统概述5.1.1 数字光纤通信的基本概念数字光纤通信，是以光波运载数字信号，以光导纤维为传输媒介的一种通信方式。有如下的显著特点:1.线径细,重量轻 由于光纤的直径小，制成光缆后与电缆比要细得多，有利于长途和市话干线布放，便于制造多芯光缆。2.损耗极低 由于技术的发展，现在制造出的光纤介质纯度很高，因而损耗极低。3.传输的频带宽，信息容量大 由于光波频率高，因此用光来携带信号则信息量大。现在已经发展到几十千兆比特秒 光纤通信系统.4.不受电磁干扰，防腐和不会锈蚀 因光纤是非金属材
2、料它不会受到电磁干扰，也不会发生锈蚀，具有防腐的能力。5.不怕高温，防爆、防火性能强 因光纤是石英玻璃材料，所以不怕高温，有防火的性能。因而可用于易燃易爆的环境中。6.光纤通信保密性好 由于光纤在传输光信号时向外世漏小，不会产生串话等干扰，因而光纤通信保密性好。第五章 数字光纤通信系统5.1.2 数字光纤通信系统的组成 数字光纤通信系统与一般通信系统一样，它由发送设备、传输信道和接收设备三大部分构成。现在普遍采用的数字光纤通信系统，是采用数字编码信号经强度调制一直接检波的数字通信系统。这里的强度是指光强度，即单位面积上的光功率。强度调制是利用数字信号 直接调制光源的光强度，使之与信号电流成线性
3、变化。直接检肢，是指信号在光接收机的 光频上检测出数字脉冲信号。光纤通信系统组成原理方框图如图5.1所示。图5.1 光纤通信系统组成原理方框图第五章 数字光纤通信系统 在发送设备中，有源器件把数字脉冲电信号转换为光信号(E/O变换），送到光纤中进行传输。在接收设备中，设有光检测器件，将接收到的光信号转换为数字脉冲信号(O/E变换）。在其传输的路途中，当距离较远时，采用光中继设备，把信号经过中继再生处理后传输。实用系统是双方向的，其结构图如图5.2所示。图5.2 数字光纤通信传输系统结构方框图第五章 数字光纤通信系统 图中，数字端机主要是把用户各种数字信号，包括数字程控交换机和数字接口，通过复用
4、设备组成一定的数字传输结构（帧结构），不同速率等级的数字信号流送至光端机，光端机把数字端机送来的数字信号进行处理，变成光脉冲送人光纤进行传输，接收端进行相反的变换。光端机主要由光发送、光接收、信号处理及辅助电路组成。在光发送部分完成电光变换，在光接收部分主要完成光电变换。信号处理，主要指把数字端机送来的数字脉冲信号 再处理，以及各种码型变换，使之适应光传输及其他目的。辅助电路主要包括告警、公务、监控及区间通信等等。光中继机的作用，主要是将光纤长距离传输后，受到的衰耗及色散畸变的光脉冲信 号，转换为电信号后经放大整形、定时、再生还原为规则的数字脉冲信号。经过再调制光源，变为光脉冲信号送入光纤继续
5、传输，达到延长传输距离的目的。第五章 数字光纤通信系统5.1.3 光纤和光缆 1.光纤 光纤就是导光的政璃纤维的简称，是石英玻璃丝，它的直径只有0.1 mm，如同人的头发丝粗细。在通信中，它和原来传送电话的明线、电缆一样，是一种新型的信息传输介质，但它比以上两种方式传送的信息量要高出成千上万倍，可达到上百千兆比特秒，而且衰 耗极低。2.光纤的导光原理 光纤为什么能够导光，能传送大量信息呢？这要研究其传输理论，但其传输理论涉及的数学、物理知识面相当广，它要用到微分方程、场论等等高等数学知识及物理的微电子学、光学等高深理论。这里我们用简单的比喻，从物理概念上来说明，以加深对光纤传输信息的理解。第五
6、章 数字光纤通信系统 光纤是利用光的全反射特性来导光的。在物理中学习过光从一种介质向另一种介质传播，由于它们在不同介质中传输速率不一样，因此，当通过两个不同的介质交界面就会发生折射。若现在有两种不同介质，其折射率分别n0、n1，而且n1n0，设界面为xx，折射率小的称光疏媒质，折射率大的称光密媒质。假定光线从光疏媒质射向光密媒质，其折射情况如图5.3所示。图中，入射角为，入射光线与法线yy夹角，折射角为 1一一一 折射光线与yy夹角，由图可见，1 0 若使光束从光密媒质射向光疏媒质时，则折射角大于入射角，如图5.4所示。图5.3 光的折射示意图图5.4 临界角和光线的全反射第五章 数字光纤通信
7、系统 如果不断增大 0可使折射角达到90，这时的 1称为临界角。如果继续增大队，则折射角会大于临界角，使光线全部返回光密媒质中，这种现象称为光的全反射。当光线从光密媒质射向光疏媒质且入射角大于临界角时，就会产生全反射现象，光纤就是利用这种全反射来传输光信号的。根据这一原理，在制造光纤时，使光纤芯的折射率高，在外面涂上一包屏层，可使折射率低，当选择一定的角度时，射入纤芯的光束将会全部返回纤芯中。这就要制造一种像水管一样的光导管，在光导管壁及光纤芯包的边界使之形成光束的全反射，从而达到将 光束都集中在光纤芯部传输而不向外泄漏，就似水管中的水流那样，使之永远在水管中流动。要做成这样的光导管，除了对光
8、纤芯部的折射率有要求以外，还要使靠近纤芯与包层 的边沿具有极小的光损耗，使能量都集中在光芯中传播。第五章 数字光纤通信系统 当然，这就对光纤材料提出了很高的要求。由于石英玻璃质地脆、易断裂，为了保护 光纤表面，提高抗拉强度，以便于实用，一般都在裸光纤外面进行两次涂覆而构成光纤芯线。光纤芯线结构如图5.5所示。光纤的芯线由纤芯、包层、涂覆层、套塑四部分组成。包层的外面涂覆一层很薄的涂 覆层，涂覆的材料为硅铜树脂或聚氨基甲酷乙醋，涂覆层的外面套塑，套塑的原料大都采用尼龙、聚乙烯或聚苯烯等塑料。图5.5 光纤芯线的剖面构造图 第五章 数字光纤通信系统3.单模光纤及特性参数 根据波导传输波动理论分析，
9、光纤的传播模式可分为多模光纤和单模光纤。1)多模光纤 多模光纤即能承受多个模式的光纤，如图5.6（a）、（b）所示。这种光纤结构简单、易于 实现，接头连接要求不高，用起来方便，也较便宜。因而在早期的数字光纤通信系统（PDH 系列）中采用。但这种光纤传输带宽窄、衰耗大、时延差大，因而已逐步被单模光纤代替。2）单模光纤 即只能传送单一基模的光纤，如图5.6(c）所示。这种光纤从时域看不存在时 延差，从频域看，传输信号的带宽比多模光纤宽得多，有利于高码率信息长距离传输。单 模光纤的纤芯直径一般为410 m，包层即外层直径一般为125 m，比多模光纤小得多。图5.5 单模光纤结构示意图 第五章 数字光
10、纤通信系统3）单模光纤的主要特性 光纤的特性参数及定义相当复杂。在一般数字光纤工程中，单模光纤所需的主要参数有：工作波长或截止波长、模场直径和衰减系数等。(1）截止波长A。截止波长通常是判断光纤是否在单模工作的一个重要参数，只有当工作波长大 于截止波长时才能保证光纤在单模工作。(2）模场直径d。模场直径是单模光纤的一个重要参数。至目前为止，模场直径的确切定义还没有明确规定。从物理概念上我们可理解为，对于单模光纤，基模场强在光纤横截面近似为高斯分布。如图5.7所示。通常将纤芯中场分布曲线最大值1/e处所对应的宽度定义为模场直径用d表示。(3）衰减系数。衰减系数是在工程上设计光纤通信系统时，必须要
11、用到的一个重要参数。它是指沿光纤传播方向光信号的损耗，它是决定光纤中继段长度的重要因素。衰减量的大小通常用衰减系数来表示单位是dB/km，其定义为 式中，Pi为光纤输入的光功率；P0为光纤输出的光功率；L为光纤的长度（单位为km)。图5.7 基模场强分布曲线第五章 数字光纤通信系统 为了使光纤能在工程中实用化，要求其能承受工程中拉伸、侧压和各种外力作用，还要具有一定的机械强度才能使性能稳定。因此，将光纤制成不同结构、不同形状和不同种 类的光缆以适应光纤通信的需要。根据不同的用途和条件，制成的光缆种类很多，但其基本结构是相同的。光缆主要由缆芯、加强元件和护层组成。4.光缆 1）缆芯 缆芯是由光纤
12、芯组成的，它可分为单芯和多芯两种。单芯型缆芯和多芯型缆芯结构的比较如表5.1所示第五章 数字光纤通信系统 单芯型由单根二次涂覆处理后的光纤组成。多芯型由多根经二次涂覆处理后的光纤组成，它又分为带状结构和单位式结构。目前国内外对二次涂覆主要采用下列两种保护结构：(l）紧套结构。如图5.8(a）所示，在光纤与套管之间有二个缓冲层，其目的是为了减 少外面应力对光纤的作用。缓冲层一般采用硅树脂，二次被覆用尼龙口。这种光纤的优点是：结构简单，使用方便。(2）松套结构。如图5.8(b）所示，将一次涂覆后的光纤放在一根管子中，管中充油膏形成松套结构。这种光纤的优点是：机械性能好，防水性好，便于成缆。图5.8
13、 紧套和松套光纤结构示意图第五章 数字光纤通信系统2）加强元件 由于光纤的材料比较脆，容易断裂，为了使光缆便于承受敷设安装时所加的外力等，在光缆内中心或四周要加一根或多根加强元件。加强元件的材料可用钢丝或非金属的纤 维一一一增强塑料（FRP）等。3）护层 光缆的护层主要是对已形成的光纤芯线起保护作用，避免受外部机械力和环境损坏。因此，要求护层具有耐压力、防潮、湿度特性好、重量轻、耐化学侵蚀、阻燃等特点。光缆的护层又分内护层和外护层，内护层一般采用聚乙烯或聚氨乙烯等，外护层可根 据敷设条件而定，如采用由钻带和聚乙烯组成的LAP外护套加钢丝铠装等。的光缆的种类。在公用通信网中用的光缆结构如表5.2
14、所示第五章 数字光纤通信系统种种类结构构光光纤芯芯线数数必要条件必要条件长途光缆 层绞式10低损耗，宽频带，可用单盘盘长的光缆来铺设，骨架式有利于防侧压力 单位式10200骨架式10海底光缆层绞式40100低损耗，耐水压，耐张力 单位式40100用户光缆单位式200局内光缆软线式220重量轻，线径细，可挠性好 带状式单位式表5.2 公用通信网中的光缆结构 第五章 数字光纤通信系统下面介绍几种有代表性的光缆结构形式。(1）层绞式光缆。它是将若干根光纤芯线以强度元件为中心绞合在一起的一种结构，如图5.9(a）所示。特点是成本低，芯线数不超过10根。(2）单位式光缆。它是将几根至十几根光纤芯线集合成
15、一个单位，再由数个单位以强 度元件为中心绞合成缆，如图5.9(b）所示，其芯线数一般适用于几十芯。(3）骨架式光缆。这种结构是将单根或多根光纤放入骨架的螺旋槽内，骨架中心是强 度元件，骨架上的沟槽可以是V型、U型或凹型，如图5.9(c）所示。由于光纤在骨架沟槽 内具有较大空间，因此当光纤受到张力时，可在槽内做一定的位移，从而减少了光纤芯线 的应力应变和微变，这种光纤具有耐侧压、抗弯曲、抗拉的特点。(4）带状式光缆。它是将412根光纤芯线排列成行，构成带状光纤单元，再将多个 带状单元按一定方式排列成缆，如图5.9(d）所示。这种光缆的结构紧凑，采用此种结构可 做成上千芯的高密度用户光缆。第五章
16、数字光纤通信系统图5.9 光缆的基本结构(a）层绞式；（b）单位式；（c）骨架式；（d）带状式第五章 数字光纤通信系统5.2 PDH数字光纤传输系统 在第4章，对PDH系列的帧结构组成已经讲述，这里主要讲述PDH数字系列的光纤传输系统及其网络接口。PDH数字光纤通信传输系统方框图结构如图5.2所示。系统终端设备由数字端机和光端机组成，对其PDH系列来说，主要是指在方框图中的电端机的PCM一、二、三、四 次群（PCM高次群）。它是根据系统业务容量来确定PCM高次群的等级的。正如第4章中 所讲述的，它是以PCM30/32路基群即2 Mb/s速率接口为基础，采用按码位异步复接方 式按一定帧结构进行逐
17、级复接而成。在发端为复接，在接收端为分接，从高次群中分接 出低次群数字信号。随着数字集成技术的发展，PDH系统设备已把数字端机、光端机集成 在一个物理体中，体积很小（窄架）这些设备根据不同用户、不同用途，把复接的数字码 进行PDH系列光传输码型的变换（线路编码），组成如4BlH、lBlH等不同帧结构系统的 传输设备。随着光通信技术的发展啕按国家组网的有关规定近年来.PDH系列设备只在 公网中用作市话网的中继传输系统，但是，在许多专用信息传输系统中它也得到广泛应 用。在我国公用电话网及数据网中.PDH系列的数字结构，主要用于数字网络接口标准，特别是2 Mb/s 速率的接口，在数据、卫星、移动通信
18、系统中普遍采用。第五章 数字光纤通信系统1.PDH系统电接口主要参数 CCITT在G.703协议中，对以2.048 Mbs为基础的PDH系列规定了接口特性、速率、码型。如表5.3所示。表5.3 PDH系列规定的电接口主要参数接口速率接口速率（Mb/s）2.0488.44834.368139.264接口码型HDB3HDB3HDB3CMI光线衰减/db080802012G921规定的标称比特容差如表5.4所示表5.4 G.921规定的标称比特容差标称比特速率称比特速率（Mb/s）2.0488.44834.368139.264容差/第五章 数字光纤通信系统2.PDH系统光接口主要参数系统发光功率如表
19、5.5所示。表5.5 系统发光功率光源光源类型型S点平均点平均发送光功率送光功率/dBmLD-9、（-6）、（-3）LED-30系统光接收灵敏度当BER=l 时所需的最低接收光功率如表5.6所示。表5.6 系统光接收灵敏度标称述率（Mb/s)标称波长nm 光检测器PIN 接收灵敏度S/dBm 8.448 1310 PIN-FET-50(46)34.368 1310 PIN-FET-42 139.264 1310 PIN-FET-38 第五章 数字光纤通信系统5.3 SDH光同步数字传输系统5.3.1 SDH光同步数字传输系统的基本概念和特点1.SDH系统的基本概念 随着通信网的发展和用户的需求
20、，基于点对点传输的准同步(PDH）系统暴露出一些固有的、难以克院的弱点，已经不能满足大容量高速传输的要求。为了适应现代通信网的发 展，产生了高速大容量光纤技术和智能网技术相结合的新体制同步数字系列（SDH）。SDH是一个将复接、线路传输及交换功能融为一体的、并由统一网管系统操作的综合信息传送场地，可实现诸如网络的有效管理、开通业务时的性能监视、动态网络维护、不 同供应厂商之间的互通等多项功能。它大大提高了网络资源利用率，并显著降低了管理和维护费用，实现了灵活、可靠和高效的网络运行与维护，因而在现代信息传输网络中占据重要地位。第五章 数字光纤通信系统2.SDH系统的特点 SDH系统的核心理念是要
21、从统一的国家电信网和国际互通的高度来组建数字通信网，它是构成综合业务数字网(ISDN），特别是宽带综合业务数字网CB-ISDN）的重要组成部分。SDH系统的优势主要体现在以下几个方面：(l）有全世界统一的网络节点接口（NNI)，包括统一的数字速率等级、帧结构、复接 方法、线路接口、监控管理等，实现了数字传输体制上的世界标准及多厂家设备的横向 兼容。(2）采用标准化的信息结构等级，其基本模块是速率为155.520 Mb凡的同步传输模 块第一级（记作STM-1）。更高速率的同步数字信号（如STM 4,STM-16,STM 64)可简单地将STM一1进行字节间插同步复接而成，大大简化了复接和分接。(
22、3)SDH的帧结构中安排了丰富的开销比特，使网络的管理和维护功能大大加强，而 且适应将来B-ISDN的要求。(4)SDH采用同步复用方式和灵活的复用映射结构，利用设置指针的办法，可以在任 意时刻在总的复接码流中确定任意支路字节的位置，从而可以从高速信号一次直接插入 或取出低速支路信号，使上下业务十分容易。第五章 数字光纤通信系统(5)SDH确定了统新型的网络部件，这些部件有TM、ADM、REG以及DXC，这 些部件都有世界统一的标准。此外，由于用一个光接口代替大量的电接口，可以直接经光 撞口通过中间节点，省去了大量电路单元。(6)SDH对网管设备的接口进行了规范，使不同厂家的网管系统互联成为可
23、能。这种 网管不仅简单而且几乎是实时的因此降低了网管费用提高了网络的效率、灵活性和可 靠性。(7)SDH与现有PDH完全兼容，体现了后向兼容性。同时SDH还能容纳各种新的业务信号，如高速局域网的光纤分布式数据接口（FDDI）信号、异步传递模式（ATM）信元等，体现了完全的前向兼容性。SDH体系并非完美无缺，其缺陷主要表现在三个方面：即频带利用率低、指针调整机 理复杂、软件的大量使用使系统容易受到计算机病毒的侵害。第五章 数字光纤通信系统5.3.2 SDH的速率与帧结构1.SDH的速率 SDH具有统一规范的速率。SDH信号以同步传输模块（STM）的形式传送。SDH信号最基本的同步传输模块是STM
24、-1，其速率为155.520 Mb/s。更高等级的STM-N信号 是将STM-1经字节间同步复接而成。其中.N是正整数。目前SDH仅支持N=1,4,16,64。ITU-T G.707建议规范的SDH标准速率如表5-7所示。表5.7 SDH标准速率等等级STM-1STM-4STM-16STM-64速率（Mb/s）155.520622.0802488.3209953.2802.SDH帧结构 SDH帧结构已在4.3.3节中作过介绍，在此不再赘述。第五章 数字光纤通信系统5.3.3 SDH的基本网络单元 SDH传输网是由不同类型的网元设备通过光缆线路的连接组成的，通过不同的网元完成SDH网络的传送功能
25、.SDH常见的网元设备类型有终端复用器（TM）、分插复用器(ADM）、再生中继器（REG）和数字交叉连接设备CDXC）等。1.终端复用器（TM)TM终端复用器如图5.10所示，用在网络的终端站点上，例如一条链的两个端点，它是具有两个端口的设备。将PDH支路信号复用进SDH信号中，或将较低等级的SDH 信号复用进高等级STM N 信号中，以及完成上述过程的逆过程。图5.10 终端复用器第五章 数字光纤通信系统2.分插复用器（ADM)ADM分插复用器如图5.11所示，用于SDH 传输网络的转接站点处，例如链的中间节点或环上节点，是SDH网上使用最多、最重要的一种网元设备，它是一种具有三个端口的设备
26、。图5.11 分插复用器 分拍复用器将同步复用和数字交叉连接功能综合于一体，利用内部的交叉连接矩阵，不仅实现了低速率的支路信号可灵活地插入分出到高速的STM N中的任何位置，而且可以在群路接口之间灵活地对通道进行交叉连接。ADM是SDH最重要的一种网元设备，它可等效成其他网元，即能完成其他网元设备的功能（例如，一个ADM可等效成两个TM 设备）。第五章 数字光纤通信系统3.再生中继器（REG)REG再生中继器如图5.12所示，其最大特点是不上下（分插）电路业务，只放大或再生光信号。REG的功能就是接收经过长途传输后衰减了的、有畸变的STM-N信号，对它进行放大、均衡、再生后发送出去。实际上，R
27、EG与ADM相比仅少了支路端口的侧面，所以ADM若不上下本地业务电路时，完全可以等效一个REG。图5.12 再生中继器第五章 数字光纤通信系统 4.数字交叉连接设备（DXC)DXC数字交叉连接设备如图5.13所示，具有一个或多个PDH或SDH信号接口，可 以在任何接口之间对信号及其子速率信号进行可控连接和再连接的设备。DXC的核心部 件是高性能的交叉连接矩阵，其基本结构与ADM相似，只是DXC的交叉连接矩阵容量比较大，接口比较多，具有一定的智能恢复功能，常用于网状网节点。DXC可将输入的m路 STM-N信号交叉连接到输出的n路STM-N信号上，图5.13表示有m条输入光纤和n 条输出光纤。图5
28、.13 数字交叉连接设备DXC第五章 数字光纤通信系统5.3.4 SDH光传输系统中的光缆和中继长度计算1.传输系统用的光纤 在SDH光同步传输系统中主要采用光缆，在短距离如一些局域网、校园网、企业内部 网络还采用了多模光纤而在公用网中已普遍采用单模光纤。目前的光纤通信中广泛采用 的是G.652、G.653、G.654、G.655。G.652光纤目前称为1310 nm波长性能最佳单模光 纤，适用于1310 nm和1530 nm以下的单通路中；G.653光纤是在1550 nm波长性能最佳 的单模光纤，此光纤零色散从1310 nm移至1530 nm工作股长，所以又称为色散移位光 纤，也主要用在SD
29、H系统中；G.604光纤，称为截止波长移位的单模光纤，主要用于海底光纤通信。第五章 数字光纤通信系统2.SDH光传输系统的中继长度估算 在设计光纤传输再生中继段距离长度时，通常采用的方法是最坏值设计法，此方法是 将所有参数值都按最坏值选取。这种设计方法不存在先期失效问题。在排除人为和自然界破坏因素后，按最坏值设计的系统，在其寿命终结，富余度用完，且处于极端温度条件下 仍能100%地保证系统性能要求。光纤传输中继距离的长短是由光纤衰减和色散等因素决定的。不同的系统，由于各种 因素的影响程度不同，中继距离的设计方式也不同。在实际的工程应用中，设计方式分为 两种情况：第一种情况是衰减受限系统，即中继
30、距离根据S和R点之间的光通道衰减决 定；第二种情况是色散受限系统，即中继距离根据S和R点之间的光纤色散决定。光缆线路工程施工范围示意图如图5.14所示。图5.14 光缆线路工程施工范围示意图第五章 数字光纤通信系统1）衰减受限系统 L：衰减受限中继段长度（km);Ps：S点发送光功率（dBm):P,:R点接收灵敏度(dBm);Pp：光通道功率代价（dB)，因反射、码间干扰、模分配噪声和激光器明瞅而产生 的总退化，光通道功率代价不超过l dB;Mc：光缆富余度（dB)，在一个中继段内，光缆富 余度不应超过5 dB，设计中按35 dB取值；Me：设备富余度CdB），通常取3 dB:I:A,:表示S
31、和R点之间所有活动连接器损耗（dB）之和，如ODF架上的短接光纤连接设备连接 器衰减.FC型连接器平均0.8 dB个，PC型平均0.5 dB个；A表示每个活动连接器损耗 第五章 数字光纤通信系统2）色散受限系统根据ITU-T建议，色散受限系统中继段距离可用下式估算：式中，L：色散受限中继段长度（km);E：当光源为多纵模激光器时取0.115，单纵模激光 器时取0.306;B：线路信号比特率C（Mbit/s);t.;.：光源的谱宽（nm);D：光纤色散系数(ps/nm/km）。这里需要说明的是低速率线路信号，在单模光纤传输时，一般可不考虑色散 受限中继段距离。第五章 数字光纤通信系统5.4 光波
32、分复用系统5.4.1 光波分重用系统组成 光波分复用系统的组成如图5.15所示。首先，在光终端设备中通过波长转换，将传输信号标准波长转换为波分复用系统使用的系列工作波长，然后，多路光信号通过光复用器捐合到一根光纤上，经放大后在光纤线路中传输。图5.15 光波分复用系统组成 在一定距离后设置光纤放大器，对衰减后的光信号进行光中继放大。当到达接收端后，将放大的光搞合信号解复用为多路光信号，然后通过波长转换，将每路的光信号的工作波长再转换为标准波长。第五章 数字光纤通信系统2.光波分复用传输原理 光波分复用传输系统WDM传输原理图如图5.16所示。图5.16(a）中是在一根光纤中同时单向传输几个不同
33、波长的光波信号。首先，把信号通过光源变为不同波长的光波信号；然后，通过光波分复用WDM合到一根光纤中传输，如图中的1，2.n；最后，当光信号到达收端时，把光搞合信号解复用，通过光检 测器取得多波长光信号。图5.16(b）所示为双向传输光波分复用原理图，其过程与单向传输相同。图5.16 WDM传输原理图(a）单向WDM传输原理图；（b）双向WDM传输原理图第五章 数字光纤通信系统3.光波分复用波长区通路划分 光波分复用系统中，是以波场来表述其通路的，如1 8即为8通路，有8个波长，称为标称中心波长或标称中心频率。各通路间的频率间隔一般有50 GHz、100 GHz、200 GHz等。随着间隔的不
34、同，标称中心频率和标称中心波长也不同。通路间隔：主要是指在光波分复用系统中两相邻通路间的标称波长（频率）之差。通路间隔可以均匀相等，也可以不等，我们这里讲的是均匀等间隔的系统。标称中心波长：在光波分复用系统中，每个信号通路所对应的中心波长称为标称中心 波长，或称为标称中心频率。目前国际上一般以193.1 THz为参考频率，标称波长为 1552.52 nm。目前所开发的光纤在1310 nm和1550 nm窗口，世界上研究的NZ DSF非零色散移位光纤，其工作波长可移至1520 nm或1570 nm。在实验室实验的2.64 Tb/s的光波分复用系统总带宽这15291564 nm。第五章 数字光纤通
35、信系统 实用的光波分复用系统，至少应提供16波长的通路，根据需要也可以是8通路、4通路等。下面列出16通路和8通路中心频率和中心波长，如表5.8所示。表5.8 16通路和8通路WDM系统中心波长（频率）波长序号 中心频率/THz 波长nm 波长序号 中心频率THz 波长nm 1 192.10 1560.619 192.90 1554.132 192.20 1559.79 10 193.00 1553.33 3 192.30 1558.9811 193.10 1552.524 192.40 1558.17 12 193.20 1551.72 5 192.50 1557.3613 193.30 1
36、550.926 192.60 1556.55 14 193.10 1550.12 7 192.70 1555.7515 193.50 1549.328 192.80 1554.94 16 193.60 1548.51 第五章 数字光纤通信系统5.4.2 光波分复用系统的结构光波分复用系统（WDM）主要由光发射机、光接收机、光中继放大、光纤（光缆）、光监 控信道和网络管理系统6大部分组成。其结构示意图如图5.17所示。图5.17 WDM系统结构示意图 第五章 数字光纤通信系统 如图5.17所示，光波分复用系统的简单工作过程为：首先把终端SDH端机的光信号送到光发射端，经光转发器（OTU）把符合I
37、TU-IG.957协议的非特定波长的光信号转换成具有特定波长的光信号，再利用合搜器合成多通路的光信号，经功率放大器（EA）放大 后，送入光纤信道传输，同时插入光监控信号。经过一段距离（可达上万里）需要对光纤信 号进行光信号放大。现在，一般使用掺饵光放大器（EDFA），由于是多波长工作，因此要使 EDFA对不同波长光信号具有相同的放大增益（采用放大增益平担技术），还要考虑多光信 道同时工作情况，保证多光信道增益竞争不会影响传输性能。放大后的光信号经过光纤（光缆）传输到接收端，经长途传输后衰减的主信道弱光信号经PA放大后，利用分波器从 主信道光信号中分出特定波长的光信号。对主接收机的主要要求为：(
38、1）要满足光信号接收的灵敏度；(2）要符合过载功率的要求；(3）能承受一定的光噪声信号；(4）有足够0/E的电带宽特性。第五章 数字光纤通信系统 光监控部分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(1510 nm）光监测信号（其中包含有光波分复用的帧同步用字节、公务字节和网管所用的 开销字节等），与光信道的光信号合波输出。在接收端要从光合波信号中分出光监控信号(1550 nm）和业务光信道信号。光波分复用系统管理：主要经过光监控信道传送的开销字节及其他节点的开销字节对 WDM系统进行管理。第五章 数字光纤通信系统5.4.3 WDM系统的功能描述 对于一个完整的WDM
39、系统，可用如图5.18所示的WDM系统功能结构图来描述。根据光信号传送的距离远近，WDM系统可分为两类：其一为无线路光放大器的传输系统，其二为有线路光放大器的传输系统。图5.18 WDM系统功能结构图第五章 数字光纤通信系统 在光波分复用系统中的传输线路，特别是在要下载SDH信号和再上SDH信号的情况下，要用电再生器。因此，在WDM系统中应有此功能，在需要时就设立电再生器，否则不加。功能结构中有、无线路光放大器的WDM系统的参考配置应有所差异，如图5.19、图 5.20所示。图5.19 无线路光放大器的WDM系统图5.20 有线路光放大器的WDM系统第五章 数字光纤通信系统 以上两种线路配置图
40、中，Tx1Txn为不同波长的光发射器；Rx1Rxn为不同波长的光接收器；OM/OA为光合波器与光放大器的集成；OA/OD为光前置放大器与光分波器的集成；OA为光放大器。图中所示各参考点的定义如表5.9所示。表5.9 备参考点的定义 参考点定义S1，Sn 通道ln在发射机不同波长的光输出连接器的光纤参考点 RM1，RMn通道1n在OM/OA的光输入连接器的光纤参考点 MPI S OM；OA在光输出连接器后面光纤上的参考点 R 线路光放大器的光输入连接器前面光纤上的参考点 S 线路光放大器的光输出连接器后面光纤上的参考点 MPI-R 在OA/OD的光输入连接器前面光纤上的参考点 Sd1，Sdn,通
41、道In光接收机输出连接器处光纤上的参考点 R1，Rn通道ln光接收器输入连接器处光纤上的参考点 第五章 数字光纤通信系统 在无线路光放大器的WDM系统中，标称距离与通路波长数目有关，分三种距离区 段：其一为长距离，目标距离为80 km；其二为很长距离，目标距离为120 km；其三为超长距离,目标距离为160 km。在有线路光放大器的WDM系统中，放大器设置情况与通路的波长数目有关，分两种情况：一种为长距离区段，其目标距离一般为80 km；另一种为很长距离区段，其目标距离 一般为120 km。第五章 数字光纤通信系统5.4.4 光波分复用系统的主要设备 前面我们已经讲了光波分复用系统的主要结构。
42、如图5.17所示。该系统的主要设备有：光转发器（OTU）、光合波器分波器、光纤放大器，这里主要介绍这几种关键的设备 器件。1.光转发器 在光波分复用系统中，首先要把从客户来的光信号，转换成标准波长光信号后，再送 入合波器。对于开放式的WDM系统，允许不同厂商的SDH光接口的非标准波长进入，如图5.19中的S1，Sn波长光信号然后通过光转发器转换为标准波长。光转发器（OTU）即为波长转换器其功能是实现把非标准的波长转换为ITU-T所 规范的标准设长，即要符合G.692要求的光接口。目前，商用的仍然是光电光(O/E/0）的转换方式，此种方式技术上较成熟，易于实 现，由于在转换中进行了电再生处理，信
43、号质量得到了改善。从发展来看，采用光光（OO）变换极其有利于集成，这种波长转换器日前尚无商用介绍，但是在研制中的却不少。在研制中的技术主要有基于半导体光放大器的交叉增益调制(XCM）、交叉相位调制（XPM）、四波混频调制(FWM）以及布拉格反射器和双稳型LD等方法构成的全光波长变换器等。第五章 数字光纤通信系统 当转发器（OTU）在发送端使用时，其作用是使SDH设备的光信号与波分复用的光信号之间完成接口转换。在接收端使用时主要实现其反变换句把波分复用的光信号恢复为开放的SDH系列的光信号。在有再生中继器的WDM系统中也同样要经OTU转换。这几 种OHU，随着在系统中应用场合情况不同，其主要参数
44、要求也不相同，如表5.10所示。第五章 数字光纤通信系统 光波分复用器和解复用器如图s.20中的合波器和分波器。能将不同光滑、波长的光信号合在一起，经一根光纤输出传输的器件叫合波器，又称复用器；反之，将经一根光纤送来的多波长光信号分解为不同波长分别输出的器件叫分波器，又称解复用器。从原理上讲，此器件是互易的（双向可逆）。因而，复用器和解复用器是相同的，复用器的输出端反过来就是解复用器。光波分复用器和解复用器对系统传输质量起着决定性影响。对它们的主要要求是:(1）损耗及其偏差要小；(2）信道间的干扰要小；(3）通道损耗要平坦；(4）偏振的相关性要低。2.光波分复用器和解复用器 第五章 数字光纤通
45、信系统 光波分复用器和解复用器主要有介质膜滤波器、各种光栅型和星型耦合器等多种结构形式。这里简单介绍一种光栅型光波分复用和解复用器，其结构示意图如图5.21所示。光栅型光波分复用器与棱镜分光作用一样。它是在一块能够投射或反射的平面上刻划 平行且等距的沟痕，形成许多具有相同间隔的狭缝，当含有多波长的光信号通过光栅时产 生衍射，不同成分的光信号将以不同的角度出射。图5.21 光栅型光波分复用器结构示意图 第五章 数字光纤通信系统 光栅型光波分复用器种类较多，图5.21为闪耀光栅型。它主要由透镜和光栅组成，一般用体积较小的自聚焦透镜，为使器件紧凑，将光栅直接刻划在透镜端面形成。当光纤阵列的光信号输入
46、光纤后，经透镜准直，以等根数的平行光束射向闪耀光栅，由于光栅的衍射作用，不同波长的光信号以方向略有差异的各种平行光束返回透镜传输，再经透镜聚焦后以一定规律分别注入输出光纤中。另外还有阵列波导光栅（AWG）型光波分复用器，它主要采用半导体加工工艺构筑光波导结构，如图5.22所示。图5.22为18波分复用器。它，与波长、间隔、材料等特性有关，采用半导体加工工艺制造出来的光波分复用器。这种结构可以实现数十个乃至上百个波长复用与解复用。AWG型光波分复用器具有波长间隔小，信道数多，通道平坦等优点，适合超高速、大容量的光波分复用系统使用，它是目前研制、开发和应用的重点。图5.22 18波分复用器第五章
47、数字光纤通信系统 在光波分复用系统中，光纤放大器是关键设备，它是将光波信号直接放大的一种器件。如光纤中掺饵（三阶稀土元素）而形成的掺饵光纤放大器件，还有掺锡、掺镱等元素的光纤放大器。现在已经实用化而且用得较多的是掺饵光纤放大器。1)掺饵光纤放大器（EDFA)在石英光纤的芯层中掺入饵（Er）三价稀土元素，形成一种特殊光纤，在泵浦光源的激励下可放大光信号，因此称为掺饵光纤放大器（EDFA）。其主要特点是高增益、高输出、宽频带、低噪声。其增益特性与偏振无关，对传输的数据比特率与格式透明。在波分复用中，利用光纤放大器技术，可以把该波段内的所有波长衰减的光信号同时放大。在WDM的发送端用光纤放大器作功率
48、放大器，提高进入光纤线路放大器的功率；在WDM的接收端解复用之前，设置光纤放大器作为前置放大，提高接收机灵敏度，这是原来再生中继器无能为力的。特别对于光纤接入网，更需要光纤放大器把信号放大后才能分支到各用户终端。由于有光纤放大器的应用，才使波分复用系统实用化，也使波分复用接入网技术成为可能。3.掺饵光纤放大（CEDFA)第五章 数字光纤通信系统2）掺饵光纤放大器（EDFA）基本结构及工作过程 掺饵光纤放大器（EDFA）主要由掺饵光纤、光泵浦源、光耦合器、光隔离器等组成，如图5.23所示。图5.23 EDFA的基本组成掺饵光纤：这里采用工作波长1550nm的光纤（掺饵元素），掺杂的液度根据光纤放
49、大器的光纤长度而定，长度越长，掺杂浓度越小。光泵浦源是一种能量较强的激励光源，在此光激励下才能增强光能，光泵浦源功率可用大功率半导体激光器提供。第五章 数字光纤通信系统 光耦合器的作用是将光信号和泵浦源合在一起，当较弱的信号光与较强的泵浦源进入 掺饵光纤时，泵浦光激活饵粒子。在信号光子的感应下，饵离子受激辐射产生能级跃迁。跃迁到基层，将一模一样的光子注入信号光中，完成放大作用。光隔离器的作用是抑制光反射，以确保光纤放大器工作稳定。要使隔离大于40 dB，一 般配置两个隔离器一个在输入端，以消除上段因放大的（白发）发射光信号反向传输可能 引起的干扰；另一个在输出端，保护器件免受下级的逆反射。光纤
50、放大器的特性主要有增益特性、输出功率和噪声特性。增益特性表明该放大器的 放大能力，同一般放大器增益定义一样，是输出与输入功率之比，通常为1540 dB。它的增益大小与许多因素有关。改变掺杂成分可改善EDFA的增益特性平坦度；采用隔离器吸收最大增益点峰值功率，可使增益均衡，扩大EDFA的带宽。还有其他类型的光纤放大器，如掺镨光纤放大器（PDFA）（它对改造现有光纤通信扩容 升级有现实意义），掺铅、掺锌、掺氟化物等光纤放大器，现在正开发并逐步得到应用的还 有半导体光纤放大器（SOA）。还有一些光纤放大器及其特性功能可参阅有关专著。第五章 数字光纤通信系统5.4.5 光波分复用线路光纤 1.G.65
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