第7章光纖傳輸系統(tǒng)

1、第第7 7章章光纖傳輸系統(tǒng)p概述概述p光調制光調制p電復用光纖傳輸系統(tǒng)電復用光纖傳輸系統(tǒng)p光復用光纖傳輸系統(tǒng)光復用光纖傳輸系統(tǒng)p相干光波通信系統(tǒng)相干光波通信系統(tǒng)p光纖孤子實驗系統(tǒng)光纖孤子實驗系統(tǒng)p高速光纖傳輸系統(tǒng)高速光纖傳輸系統(tǒng)內容要求內容要求 7.1.1 調制v 調制是用數(shù)字或模擬信號改變載波的幅度、頻率或相位的過程。調制分相干調制是用數(shù)字或模擬信號改變載波的幅度、頻率或相位的過程。調制分相干調制和非相干調制；調制和非相干調制；v 非相干調制非相干調制-改變載波的幅度；改變載波的幅度；v 相干調制相干調制-改變載波的頻率或相位；改變載波的頻率或相位；v 光通信系統(tǒng)中非相干調制有直接調制和外調

2、制兩種；光通信系統(tǒng)中非相干調制有直接調制和外調制兩種；v 直接調制直接調制-信息直接調制光源的輸出光強；信息直接調制光源的輸出光強；v 外調制外調制-信息通過外調制器對連續(xù)輸出光進行調制；信息通過外調制器對連續(xù)輸出光進行調制；v 最常用的的光纖系統(tǒng)都是采用非相干的強度調制最常用的的光纖系統(tǒng)都是采用非相干的強度調制- -直接檢測直接檢測(IM/DD)(IM/DD)方式；方式；v 近來，采用偏振復用正交相移鍵控（近來，采用偏振復用正交相移鍵控（PM-QPSKPM-QPSK）調制，在接收端使用相干檢測，）調制，在接收端使用相干檢測，能夠實現(xiàn)在現(xiàn)有能夠實現(xiàn)在現(xiàn)有10 Gb/s10 Gb/s光纖線路上傳

3、輸光纖線路上傳輸40 Gb/s40 Gb/s信號，這種相干檢測受到重信號，這種相干檢測受到重視。視。PI曲線曲線IP-激激光光器器輸輸出出功功率率Ith驅動電流驅動電流輸輸入入電電脈脈沖沖輸出光脈沖輸出光脈沖tPthIM/DD方式v 在發(fā)送端，電信號直接調在發(fā)送端，電信號直接調制（制（IMIM）光載波的強度；）光載波的強度；v 在接收端，光信號被光電在接收端，光信號被光電二極管直接探測（二極管直接探測（DDDD），），從而恢復發(fā)射端的電信號。從而恢復發(fā)射端的電信號。圖7.1.1 光通信采用的調制方式副載波調制模擬強度調制(AM)調幅(FM)調頻(PM)調相數(shù)字強度調制(ASK)(PSK)(FS

4、K)幅移鍵控頻移鍵控相移鍵控外調制非相干調制調制(直接強度調制)直接調制IM/DD相干調制(頻率或相位調制)(ASK)(PSK)(FSK)幅移鍵控頻移鍵控相移鍵控電光調制器聲光調制器電吸收波導調制器正交相位鍵控（QPSK）電電信信號號驅驅動動LD低低頻頻電電信信號號調調制制后后的的光光波波調調制制光光低低頻頻電電信信號號高高速速驅驅動動高高頻頻載載波波LD調調制制光光低低頻頻電電信信號號調調制制后后的的高高頻頻載載波波調調制制后后的的光光波波外外調調制制器器放放大大器器 電電信信號號調調制制光光電電信信號號調調制制后后的的光光波波LD直直接接調調制制S SC CM M調調制制外外調調制制圖7.

5、1.2 IM/DD方式實現(xiàn)圖解圖7.1.3 頻率調制以增加調制帶寬換取信噪比的降低10203040506010206070均方信噪比304050基帶信號頻率調制信號頻率()SNRb()CNRcfcfbfcf/dB載頻/MHz圖7.1.4 模擬副載波調制調制方式使用的調制器解調器調幅fc+-+-帶通( )fb2X ( ) t( )S tfc載波( )S tX ( ) ttX( )S tX ( ) tt包絡檢波( )S tX ( ) ttX帶通( )fb同步檢測2cos( )ct(AM DSB)時間函數(shù)頻譜曲線( )fb0ffc相位變化( )fb0ffc(AM VSB)VSBAMDSB或調制濾波f

6、c( )S tX ( ) t包絡檢波或同步檢測相位變化( )fb0ffc調頻(FM)微分包絡檢波微分包絡檢波+-( )S tX ( ) t低通VCO鎖相環(huán)X ( ) t( )S t0ffcX ( ) t壓控振蕩器OSCffc+-( )S t(PM)差分編碼頻率解調器( )S tX ( ) t0ffcVCOX ( ) t差分編碼ds/dt( )S t(AM)雙邊帶調幅殘留邊帶調幅調相圖7.1.5 ASK、PSK 和 FSK 調制方式比較(c)FSK12Ac22=E2Ts平均信號功率=TTTAc22=ETs平均信號功率=二進制信號(a)(b)0101+Ac0ASKTTTfcfc-( )fbfc+(

7、 )fbfPcfc( )fbfPcf( )fb2( )fc=( )fb2( )fc=+f2(d) PSKTTTAc22=ETs平均信號功率=fcfPc( )fb2( )fc240Ac+Ac0-Ac+Ac0-Ac+Ac0-例題7.1.1 脈沖信號對光強度調制用脈沖信號對光強度調制用脈沖信號對光強度調制，使用波長為使用波長為 0.82 m 的的LED，請問當脈沖寬度，請問當脈沖寬度 1ns 時，在時，在“1”碼時有多少個”碼時有多少個光振蕩？光振蕩？解解 ： 已知： 已知82. 0 m ， 所 以光 頻是， 所 以光 頻是Hz106585. 314cf，光波的周期是，光波的周期是s017334.

8、2115fT。 已 知 脈 沖 寬 度。 已 知 脈 沖 寬 度Tele=1ns（s109），所以在該脈沖寬度內的光周期數(shù)是），所以在該脈沖寬度內的光周期數(shù)是853 365017334. 2/10159eleTTN7.1.2 編碼對數(shù)字信號進行編碼的理由是：對數(shù)字信號進行編碼的理由是：(1)(1)為了使接收再生電路把相位或頻率鎖定到信號定時上；為了使接收再生電路把相位或頻率鎖定到信號定時上；(2)(2)因為光接收機采用電容耦合，接收機不能對直流和低因為光接收機采用電容耦合，接收機不能對直流和低頻分量響應，使長連零信號的幅度逐漸下降，經(jīng)判決頻分量響應，使長連零信號的幅度逐漸下降，經(jīng)判決電路后會產

9、生誤碼，如圖電路后會產生誤碼，如圖7.1.37.1.3所示。所示。圖7.1.3 光接收機電容耦合使長連零信號幅度下降導致判決產生誤碼AA判決判決電路電路輸出輸出(A)(B)(C)01011tT T+V01 0 0 0* *3個誤碼3個誤碼(a)(a)(b)01011tT T+V01111點波形點波形(A)01011tT T+V01111判決門限判決門限Vref判決前 判決前 點波形 點波形(B) 點輸出 點輸出產生誤碼產生誤碼的波形的波形(C) 電容耦合放大判決電路電容耦合放大判決電路電容耦合放大判決電路各點波形電容耦合放大判決電路各點波形refVVb光光輸輸入入編碼的目的v 使輸出的二進制碼

10、不要產生長連使輸出的二進制碼不要產生長連 “ “1” 1” 或長連或長連 “ “0”0”，而是使而是使 “ “1” 1” 碼和碼和 “ “0” 0” 碼盡量相間排列。碼盡量相間排列。v 這樣既有利于時鐘提取，也不會產生因長連零信號幅度下這樣既有利于時鐘提取，也不會產生因長連零信號幅度下降使判決產生誤碼。降使判決產生誤碼。圖7.1.4 兩種二進制編碼波形波形頻譜圖頻譜圖101010TT2T3T4T5+Vt101010TT2T3T4T5+Vtf0V2TT1T21T2f0V2TT1T21T216碼型碼型二進制碼：二進制碼：（NRZ）非歸零碼非歸零碼（RZ）歸零碼歸零碼(a)(b)雙二進制編碼（DB）

11、技術 v 雙二進制編碼（雙二進制編碼（DBDB，Duo BinaryDuo Binary）技術能使）技術能使“0”0”和和“1”1”的數(shù)字信號，經(jīng)低通濾波后變換為具有的數(shù)字信號，經(jīng)低通濾波后變換為具有3 3個值個值“1”1”、“0”0”和和“ 1”1”的信號。的信號。v 這種技術與一般的幅度調制技術比較，信號譜寬減小一半，這種技術與一般的幅度調制技術比較，信號譜寬減小一半，這就使相鄰信道的波長間距減小，可擴大信道容量，近來這就使相鄰信道的波長間距減小，可擴大信道容量，近來受到人們的高度重視。受到人們的高度重視。圖7.1.7 各種二進制編碼波形頻譜圖101010TT2T3T4T5+Vt10101

12、0TT2T3T4T5+Vt101010TT2T3T4T5tV/2+V/20TT2T3T4T5t+V0o90o0o0o90o0TT2T3T4T5t101010TT2T3T4T5+Vt101010TT2T3T4T5tV/2+V/2f0V2TT1T21T2f0V2TT1T21T2f0t1pf0t1pVTtpf0T1T21f0T1T0.74T2f0T116濾波器沖激響應碼型二進制碼：（NRZ）非歸零碼（RZ）歸零碼脈沖位置編碼NRZ變換編碼雙二進制碼Manchester編碼雙極碼HDB3(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)單極性碼雙極性碼V+DB101010TT2T3T4T5+Vt二二進進制制碼

13、碼：（NRZ）非非歸歸零零碼碼SDH干線采用擾碼的NRZ碼v 大多數(shù)高性能干線系統(tǒng)使用擾碼的大多數(shù)高性能干線系統(tǒng)使用擾碼的NRZNRZ碼，如碼，如 SDH SDH 干線。干線。v 這種碼型最簡單，帶寬窄，這種碼型最簡單，帶寬窄，SNR SNR 高，線路速率不增加，沒有光功率代高，線路速率不增加，沒有光功率代價，無需編碼，只要一個擾碼器即可，使其最適合長距離系統(tǒng)應用。價，無需編碼，只要一個擾碼器即可，使其最適合長距離系統(tǒng)應用。圖7.1.8 調制和編碼前后信道信噪比的關系f( )fbPin噪聲Pin噪聲PinSNR噪聲Pin噪聲接收機模擬強度調制模擬數(shù)字數(shù)字強度調制副載波調制( )fb在 內用均方

14、根基帶信號功率度量( )fc在 內用未調制載波功率與 噪聲之比度量( )fc在 內用平均調制載波功率與 噪聲之比度量( )frec在 內用峰值信號功率與 噪聲之比度量ASKPSKFSKAMPMFM單極信號雙極信號邊觸發(fā)信號解調解調再生脈沖格式變換解碼PCM0 1 0 1msSNR（ ）bBER（ ）cBER（ ）cBER（ ）bENb0IsT01 1 11RZ0 1 0 1NRZT T T TT T T TNRZin接收機輸入功率比特誤碼率基帶信噪比載波信噪比0 1 0 1NRZT T T T非歸零碼接收機接收機接收機NRZ變換編碼NRZ變換編碼SNR（ ）b=SNR（ ）bSNR（ ）cSN

15、R（ ）bSNR（ ）cSNR（ ）cSNR（ ）cRMSRMSRMSRMS7.1.3 復 用v 信道復用是為了便于光纖傳輸，把多個低容量信道以及開銷信息，信道復用是為了便于光纖傳輸，把多個低容量信道以及開銷信息，復用到一個大容量傳輸信道的過程。復用到一個大容量傳輸信道的過程。v 在電域內，信號復用可分為時分復用（在電域內，信號復用可分為時分復用（TDMTDM）、頻分復用（）、頻分復用（FDMFDM）和）和碼分復用碼分復用(CDM)(CDM)；v 在光域內，信號復用有光時分復用（在光域內，信號復用有光時分復用（OTDMOTDM）、光頻（波）分復用）、光頻（波）分復用（OFDMOFDM，WDMW

16、DM）和光碼分復用）和光碼分復用(OCDM)(OCDM)。v 光纖通信系統(tǒng)為了充分發(fā)揮其寬帶的優(yōu)點，允許復用多個信道到一光纖通信系統(tǒng)為了充分發(fā)揮其寬帶的優(yōu)點，允許復用多個信道到一根光纖上。因此，復用后的多個信道共享光源的光功率和光纖的傳根光纖上。因此，復用后的多個信道共享光源的光功率和光纖的傳輸帶寬。輸帶寬。低頻低頻電信號電信號高速驅動高速驅動高頻載波高頻載波LD調制光調制光低頻電信號低頻電信號調制后的高頻載波調制后的高頻載波調制后的光波調制后的光波副載波調制（SCM）v副載波調制是首先用信息信號調制一個比基帶信號最高頻率高幾倍的載波副載波調制是首先用信息信號調制一個比基帶信號最高頻率高幾倍的

17、載波v然后用該載波信號再去調制光波。然后用該載波信號再去調制光波。v因為信號是用光波傳輸?shù)?，載波對光波而言只扮演著副載波的作用，所以這種技因為信號是用光波傳輸?shù)模d波對光波而言只扮演著副載波的作用，所以這種技術就稱為副載波調制（術就稱為副載波調制（SCMSCM，Subcarrier modulationSubcarrier modulation）。）。 f AMPMFM解解調調msSCMSCM分類v 模擬調制模擬調制 用輸入模擬信號調制高頻正弦波的過程叫模擬調制。在接用輸入模擬信號調制高頻正弦波的過程叫模擬調制。在接收端基帶信號的恢復是通過低通濾波器，濾除所有的高頻成分而得到收端基帶信號的恢復

18、是通過低通濾波器，濾除所有的高頻成分而得到的。的。v 頻率調制頻率調制 它是保持正弦載波的幅度不變，改變它的頻率，使其成為它是保持正弦載波的幅度不變，改變它的頻率，使其成為輸入信號電壓的函數(shù)。輸入信號電壓的函數(shù)。v 相位調制相位調制 它是保持正弦載波的幅度和頻率不變，改變它的相位，而它是保持正弦載波的幅度和頻率不變，改變它的相位，而使其輸出調制信號為輸入信號電壓的函數(shù)。使其輸出調制信號為輸入信號電壓的函數(shù)。7.2 7.2 光調制光調制v7.2.1 模擬強度光調制v7.2.2 數(shù)字強度光調制v當調制信號是數(shù)字信號時，調制原理與模擬強度調制相同，只要用脈沖波取代正弦波當調制信號是數(shù)字信號時，調制原

19、理與模擬強度調制相同，只要用脈沖波取代正弦波即可。但是工作點的選擇不同，模擬強度調制選在即可。但是工作點的選擇不同，模擬強度調制選在 P- I P- I 特性的線性區(qū)；而數(shù)字調制特性的線性區(qū)；而數(shù)字調制選在閾值點。選在閾值點。模擬強度調制數(shù)字強度調制P激激光光器器輸輸出出功功率率IthI輸輸入入電電信信號號曲曲線線IP-IbPb輸輸出出光光信信號號驅驅動動電電流流ttPI曲曲線線IP-激激光光器器輸輸出出功功率率Ith驅驅動動電電流流輸輸入入電電脈脈沖沖輸輸出出光光脈脈沖沖tPth7.3 電復用光纖傳輸系統(tǒng)v7.3.1 7.3.1 頻分復用光纖傳輸系統(tǒng)頻分復用光纖傳輸系統(tǒng)v7.3.2 7.3.

20、2 微波副載波復用（微波副載波復用（SCMSCM）光纖傳輸系統(tǒng)）光纖傳輸系統(tǒng)v7.3.3 7.3.3 電時分復用的典型應用電時分復用的典型應用SDHSDH光纖傳輸系統(tǒng)光纖傳輸系統(tǒng)圖7.3.1 電頻分復用光纖傳輸系統(tǒng)原理圖Tx光發(fā)射機 調制器f1. 調制器f2 調制器fNRx光接收機 頻率分配器.低通濾波低通濾波帶通濾波低通濾波E/OO/E帶通濾波帶通濾波f2fN低通濾波f1本振頻率低通濾波本振頻率低通濾波本振頻率基帶信號合頻器光纖本振頻率電相干檢測復原基帶信號復用信號頻譜圖f1f2fNf信道帶通濾波器特性()fc1()fc2()fcN()f1()f2()fN()fc1()fc2()fcN()f

21、1()f2()fN變換變換7.3.2 微波副載波復用(SCM)光纖傳輸系統(tǒng)v SCM SCM （Subcarrier MultiplexingSubcarrier Multiplexing）是一種新的、結合現(xiàn)有微波和）是一種新的、結合現(xiàn)有微波和光通信技術的通信系統(tǒng)。光通信技術的通信系統(tǒng)。v 眾所周知，微波通信是使用多個微波載波經(jīng)同軸電纜或自由空間傳眾所周知，微波通信是使用多個微波載波經(jīng)同軸電纜或自由空間傳輸多個信道（電頻分復用）的技術。使用同軸電纜傳輸多信道微波輸多個信道（電頻分復用）的技術。使用同軸電纜傳輸多信道微波信號時，總帶寬限制在信號時，總帶寬限制在 1 GHz1 GHz以下。以下。v

22、 然而，若使用光纖傳輸，信號帶寬則可以超過然而，若使用光纖傳輸，信號帶寬則可以超過10 GHz10 GHz。v SCM SCM 信號用光波傳輸，微波載波對光載波而言只扮演著副載波的作信號用光波傳輸，微波載波對光載波而言只扮演著副載波的作用，所以這種技術就稱為微波副載波復用用，所以這種技術就稱為微波副載波復用 （ SCM SCM ）。）。SCM 原理低頻低頻電信號電信號高速高速驅動驅動高頻高頻載波載波LD調制光調制光低頻電信號低頻電信號調制后的高頻載波調制后的高頻載波調制后的光波調制后的光波微波副載波復用系統(tǒng)構成微微波波信信號號合合成成器器光發(fā)光發(fā)射機射機光纖光纖光探光探測器測器微波接收機微波接

23、收機帶通帶通濾波濾波功放功放基帶基帶信號信號調制器調制器本振1本振1基帶基帶信號信號調制器調制器基帶基帶信號信號調制器調制器本振本振寬帶寬帶放大放大混頻混頻解調解調濾波濾波可調可調本振本振基帶基帶信號信號微波發(fā)射機微波發(fā)射機Nf1scf2scfnsc帶通帶通濾波濾波功放功放帶通帶通濾波濾波功放功放副載波副載波f1scf2scfnscf1dataf2datafndataf1dataf2datafndata+ + + +模擬或數(shù)字基帶信號調制各自的副載波模擬或數(shù)字基帶信號調制各自的副載波 混頻復合電信號再調制光載波混頻復合電信號再調制光載波f1scf2 sc.fn sc, , , ,v 使用使用A

24、M-VSBAM-VSB技術，基帶信號調制各自的微波副載波，微波功率混合器將所有已技術，基帶信號調制各自的微波副載波，微波功率混合器將所有已調副載波信號復合。該復合信號直接加在激光器的偏流上調制半導體激光器的調副載波信號復合。該復合信號直接加在激光器的偏流上調制半導體激光器的輸出光強，輸出光強， 副載波復用的特點v (1) (1) 由于微波只作為光傳輸?shù)母陛d波，因而信號不再經(jīng)空中傳播，由于微波只作為光傳輸?shù)母陛d波，因而信號不再經(jīng)空中傳播，而是經(jīng)一個封閉的、穩(wěn)定的光纖信道傳輸，從而避免了與其他微而是經(jīng)一個封閉的、穩(wěn)定的光纖信道傳輸，從而避免了與其他微波互相干擾的問題。不發(fā)送微波信號到空間，也避免了

25、日益擁塞波互相干擾的問題。不發(fā)送微波信號到空間，也避免了日益擁塞的微波頻道資源分配和批準問題。的微波頻道資源分配和批準問題。v (2) (2) 由于一個光通道可以承載多個微波副載波信道，每個副載波由于一個光通道可以承載多個微波副載波信道，每個副載波又可以分別傳送各種不同類型的業(yè)務信號，彼此互相獨立，因而又可以分別傳送各種不同類型的業(yè)務信號，彼此互相獨立，因而易于實現(xiàn)模擬與數(shù)字信號的混合傳輸和各種不同業(yè)務的綜合和分易于實現(xiàn)模擬與數(shù)字信號的混合傳輸和各種不同業(yè)務的綜合和分離。離。副載波復用的特點v (3) SCM (3) SCM 系統(tǒng)可以充分利用現(xiàn)有的微波和衛(wèi)星通信的成熟技術和設備，但系統(tǒng)可以充分

26、利用現(xiàn)有的微波和衛(wèi)星通信的成熟技術和設備，但又比現(xiàn)有微波傳輸容量大得多。又比現(xiàn)有微波傳輸容量大得多。v (4) (4) 與與 TDM TDM 相比，相比，SCM SCM 系統(tǒng)只接收本載波頻帶內的信號和噪聲，因而靈系統(tǒng)只接收本載波頻帶內的信號和噪聲，因而靈敏度高，也無需復雜的定時同步技術。就傳送電視節(jié)目而言，采用敏度高，也無需復雜的定時同步技術。就傳送電視節(jié)目而言，采用TDMTDM方式，方式，一個光載波可以傳輸?shù)牡湫凸?jié)目數(shù)是一個光載波可以傳輸?shù)牡湫凸?jié)目數(shù)是 16321632個個, , 而采用而采用FMFM方式的方式的 SCM SCM 至至少可以傳送少可以傳送 60120 60120 個節(jié)目，而且

27、成本很低個節(jié)目，而且成本很低, , 因而因而 SCMSCM系統(tǒng)在電視分配網(wǎng)系統(tǒng)在電視分配網(wǎng)中很有競爭力。中很有競爭力。v 然而，模擬然而，模擬 SCM SCM 方式光功率余度較小，如不使用方式光功率余度較小，如不使用EDFAEDFA，在維持端到端性，在維持端到端性能方面有一定困難，也不適應電信網(wǎng)的數(shù)字化趨勢，因而不是長遠的主流能方面有一定困難，也不適應電信網(wǎng)的數(shù)字化趨勢，因而不是長遠的主流發(fā)展方向，而是中近期比較經(jīng)濟的解決方案。發(fā)展方向，而是中近期比較經(jīng)濟的解決方案。模擬SCM光波系統(tǒng)因為模擬信號波形在傳輸過程中必須保持不變，因為模擬信號波形在傳輸過程中必須保持不變，所以模擬所以模擬 SCM

28、SCM 系統(tǒng)要求系統(tǒng)要求: :v 系統(tǒng)載噪比（系統(tǒng)載噪比（CNRCNR）高；）高；v 光源和通信信道的線性度要好；光源和通信信道的線性度要好；如果半導體激光器線性特性好，輸入電信號就可以變如果半導體激光器線性特性好，輸入電信號就可以變成不失真的輸出光信號。顯然，任何非線性都要引起成不失真的輸出光信號。顯然，任何非線性都要引起輸出光波形的畸變并影響系統(tǒng)的性能。輸出光波形的畸變并影響系統(tǒng)的性能。圖7.3.5 LD的模擬調制PI輸輸入入電電信信號號曲曲線線IP-激激光光器器輸輸出出功功率率IbIthPb輸輸出出光光信信號號電電流流圖7.3.6 P-I 曲線非線性引起輸出光波形的畸變PtItI輸輸入入

29、電電信信號號時時間間驅驅動動電電流流光光源源 曲曲線線IP-實實際際理理想想IbPtt調調制制失失真真輸輸出出時時域域圖圖失失真真基基波波二二次次諧諧波波三三次次諧諧波波理理想想基基波波fs32fsfs0fis調調制制失失真真輸輸出出頻頻域域圖圖頻頻率率激激光光器器輸輸出出功功率率PbIb7.3.3 電時分復用的典型應用SDH光纖傳輸系統(tǒng)時分復用（時分復用（TDMTDM）有；）有；v 電時分復用電時分復用電時分復用在電時分復用在 PCM PCM 通信中已得到廣泛的應用，本節(jié)主通信中已得到廣泛的應用，本節(jié)主要討論這種要討論這種 TDMTDM。v 光時分復用（光時分復用（OTDMOTDM）電時分復

30、用工作原理v 時分復用（時分復用（TDM, Time-Division MultiplexingTDM, Time-Division Multiplexing）是采用）是采用交錯排列多路低速模擬或數(shù)字信道到一個高速信道上傳輸交錯排列多路低速模擬或數(shù)字信道到一個高速信道上傳輸?shù)募夹g。的技術。v 時分復用系統(tǒng)的輸入可以是模擬信號，也可以是數(shù)字信號。時分復用系統(tǒng)的輸入可以是模擬信號，也可以是數(shù)字信號。圖7.3.7 數(shù)字輸入時分復用原理圖信道信道光纖光纖幀和開幀和開銷比特銷比特開銷信道開銷信道取樣取樣同步同步取樣取樣同步同步取樣取樣同步同步信道1信道1信道2信道2信道N信道N定時定時發(fā)送端發(fā)送端幀同步

31、幀同步控制控制信道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開銷信道開銷信道定時定時恢復恢復接收端接收端輸入輸入緩存緩存輸入輸入緩存緩存輸入輸入緩存緩存輸出輸出緩存緩存輸出輸出緩存緩存輸出輸出緩存緩存N幀幀開開銷銷 1 2 3N幀幀開開銷銷 1 2 3N幀幀開開銷銷 1 2 3N幀幀開開銷銷 1 2 3時時間間1 1幀幀信信道道數(shù)數(shù)時時隙隙tTs1 1幀幀1 1幀幀個個信信道道的的幀幀結結構構N應用：應用：PCM PCM SDHSDHAPONAPONEPONEPON 數(shù)字輸入時分復用原理圖光光纖纖信信道道幀幀和和開開銷銷比比特特開開銷銷信信道道取取樣樣同同步步取取樣樣

32、同同步步取取樣樣同同步步信信道道信信道道信信道道定定時時發(fā)發(fā)送送端端輸輸入入緩緩存存輸輸入入緩緩存存輸輸入入緩緩存存24210 110 1011fs旋旋轉轉速速度度8 000幀幀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開開銷銷信信道道定定時時恢恢復復接接收收端端輸輸出出緩緩存存輸輸出出緩緩存存輸輸出出緩緩存存12240 110 1011fs旋旋轉轉速速度度8 000幀幀開開銷銷1幀幀開開銷銷123N幀幀開開銷銷幀幀開開銷銷時時間間時時隙隙Ts1 1幀幀1 1幀幀1 1幀幀.幀幀長長125 微微秒秒幀幀比比特特t21信信道道信信道道信信道道24個個字字節(jié)節(jié)1=

33、 1/fsN = 241 1幀幀的的結結構構123N123N3N231N(a) 24個數(shù)字信道（T1）復用原理圖個個信信道道復復用用后后的的幀幀結結構構N(b)個個字字節(jié)節(jié)1個個字字節(jié)節(jié)1轉轉/ /秒秒轉轉/ /秒秒v 為實現(xiàn)為實現(xiàn) TDM TDM 傳輸，把傳輸時間分成若干個時隙；傳輸，把傳輸時間分成若干個時隙；v 在每個時隙傳輸一路信號，從而形成復合脈沖串；在每個時隙傳輸一路信號，從而形成復合脈沖串；v 在接收端，采用一個與發(fā)送端同步的類似于旋轉式開關的器件，完成在接收端，采用一個與發(fā)送端同步的類似于旋轉式開關的器件，完成 TDM TDM 多路脈沖流的分離；多路脈沖流的分離；v 為了速率適配

34、，沒用時隙用空隙字節(jié)填充，在接收端把它們分離出來，為了速率適配，沒用時隙用空隙字節(jié)填充，在接收端把它們分離出來，并丟棄它們。并丟棄它們。v 在幀頭，插入一些定時、誤碼檢測和開銷比特在幀頭，插入一些定時、誤碼檢測和開銷比特(FOH, Fram Overhead) (FOH, Fram Overhead) ，其目的是為使解復用器與復用器同步，并進行誤碼檢測。其目的是為使解復用器與復用器同步，并進行誤碼檢測。數(shù)字輸入時分復用原理圖PCM通信制式的基礎速率E1v 話音信號的頻帶為（話音信號的頻帶為（30034003003400）HzHz，取上限頻率為，取上限頻率為4000Hz4000Hz，按取樣定，按

35、取樣定理則取樣頻率為理則取樣頻率為 f fs s = 8kHz= 8kHz（即每秒取樣（即每秒取樣80008000次），取樣時間間隔次），取樣時間間隔T T =1/ =1/ f fs s = 1/8k = 125 = 1/8k = 125 s s，在，在125 125 s s時間間隔內要傳輸時間間隔內要傳輸 8 8 個二進制代個二進制代碼（比特），每個代碼所占時間為碼（比特），每個代碼所占時間為T Tb b= 125/8(= 125/8( s)s)，所以每路數(shù)字電話，所以每路數(shù)字電話的傳輸速率為的傳輸速率為B = B = 1/1/T Tb b = = 64 kb/s64 kb/s（或者（或者8

36、 b/8 b/每次取樣每次取樣 8 000 8 000次次/ /每每秒取樣）。如果傳輸秒取樣）。如果傳輸3232路路PCMPCM電話，則傳輸速率為電話，則傳輸速率為64 kb/s 64 kb/s 32 = 2048 32 = 2048 kb/skb/s（也就是（也就是8 b/8 b/每個取樣值每個取樣值 32 32個取樣值個取樣值/ /每次每次 8 000 8 000次次/ /每秒）。每秒）。這一速率就是我國這一速率就是我國PCMPCM通信制式的基礎速率。通信制式的基礎速率。圖7.3.10 SDH復用v 首先幾個低比特率信號復用成首先幾個低比特率信號復用成STM-0STM-0信號，接著信號，接

37、著3 3個個STM-0STM-0信號復用成信號復用成STMSTM 1 1信號，信號，然后然后4 4個個STMSTM 1 1信號再復用成信號再復用成STMSTM 4 4信號，最后信號，最后4 4個個STMSTM 4 4信號形成信號形成STMSTM 1616信號。信號。v 在實際上也可以將在實際上也可以將STMSTM 1 1信號直接復用成信號直接復用成STMSTM 1616信號，幾個低比特率信號也可信號，幾個低比特率信號也可以直接復用成以直接復用成STMSTM 1 1信號。信號。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字節(jié)字節(jié)間插間插同步同步復用復用等級等級復用復用等級等級復用復用開銷開銷插入插入STM-0ATMFDDIB-SDN.開銷開銷插入插入51.84 Mb/s2.048 Mb/s7.4 7.4 光復用光纖傳輸系統(tǒng)光復用光纖傳輸系統(tǒng)v7.4.1 波分復用（WDM）光纖傳輸系統(tǒng)v7.4.2 光時分復用（OTDMA）光纖傳輸系統(tǒng)v7.4.3 光碼分復用（OCDM）光纖傳輸系統(tǒng)7. 4 光復用光纖傳輸系統(tǒng)v必要性必要性光載波的頻率很高，光通信系統(tǒng)的信號帶寬可以超過光載波的頻率很高，光通信系統(tǒng)的信號帶寬可以超

39、過1THz1THz。然而，。然而，由于光纖色散或電子器件速度的限制，即使原則上比特速率可以由于光纖色散或電子器件速度的限制，即使原則上比特速率可以超過超過 1 Tb/s1 Tb/s，但實際上，常常被限制到，但實際上，常常被限制到 100 Gb/s 100 Gb/s 。v種類種類WDMWDMOTDMOTDMOCDMAOCDMA多址接入技術v 在點對點的系統(tǒng)中，信道的接入稱為復用；在點對點的系統(tǒng)中，信道的接入稱為復用；v 而在局域網(wǎng)中則稱為多址接入而在局域網(wǎng)中則稱為多址接入(Access)(Access)。所以對應的有。所以對應的有 WDMAWDMA、OTDMA OTDMA 和和 OCDMAOCD

40、MA1234N.tT 連連接接1234N.tT連連接接56712NtT連連接接.電電壓壓功功率率(a) 波波分分多多址址(WDMA)(b) 時時分分多多址址(TDMA)(c) 碼碼分分多多址址(CDMA)波分復用 就像電頻分復用一樣，在發(fā)射端多個信道調制各自的光載波就像電頻分復用一樣，在發(fā)射端多個信道調制各自的光載波, ,在接收端使用在接收端使用光頻選擇器件對復用信道解復用，就可以取出所需的信道。使用這種制式的光波光頻選擇器件對復用信道解復用，就可以取出所需的信道。使用這種制式的光波系統(tǒng)就稱作波分復用通信系統(tǒng)系統(tǒng)就稱作波分復用通信系統(tǒng)。01.02.0(dB/km)信道間隔信道間隔載波頻率載波頻

41、率1400波長波長80010001200160018003.04.0光纖光纖光發(fā)光發(fā)射機射機光復用器光復用器光發(fā)光發(fā)射機射機光發(fā)光發(fā)射機射機12N (nm)衰減衰減圖7.4.3 波分復用光纖傳輸系統(tǒng)原理圖 01.02.0(dB/km)信道間隔載波頻率1 400波長8001 000 1 2001 600 1 8003.04.0/nm衰減光纖光發(fā)射光復用12N光發(fā)射光發(fā)射光接收光解復用12N光接收光接收v 從實際的觀點看，當信道間距變得和比特速率接近時（密集的從實際的觀點看，當信道間距變得和比特速率接近時（密集的FDMFDM）就必）就必須使用相干檢測技術，而信道間距較大時（須使用相干檢測技術，而信

42、道間距較大時（100 GHz100 GHz）可以采用直接檢測）可以采用直接檢測技術技術 圖7.4.4 2.64 Tb/s高密集WDM傳輸實驗 1 3 5 131 2 4 6 132 D1 D1 D2 D2偶數(shù)信道 復用器20 Gb/s信道EDFA單模光纖120 km預放大器色散補償光纖 補 償放大器 低通濾波器調制器調制器 低通濾波器奇數(shù)信道復用器132信道66信道66WDM7.4.2 光時分復用(OTDMA)光纖傳輸系統(tǒng)v 光時分復用（光時分復用（OTDMOTDM）是一種構成高比特率傳輸很有效的技）是一種構成高比特率傳輸很有效的技術。術。v 它在系統(tǒng)發(fā)送端光學復用幾個低比特率數(shù)據(jù)流，在接收端

43、它在系統(tǒng)發(fā)送端光學復用幾個低比特率數(shù)據(jù)流，在接收端用光學方法把它解復用出來。用光學方法把它解復用出來。v 這種方法避開使用高速電子器件而改用寬帶光電器件。這種方法避開使用高速電子器件而改用寬帶光電器件。圖7.4.5 電時分復用和光時分復用系統(tǒng)比較 v電時分復用的基本原理是給每個基帶數(shù)據(jù)電時分復用的基本原理是給每個基帶數(shù)據(jù)流在復用信道上分配一列時隙。流在復用信道上分配一列時隙。v復用器把基帶數(shù)據(jù)流組裝成較高比特速率復用器把基帶數(shù)據(jù)流組裝成較高比特速率的比特流的比特流v解復用器把已復用的數(shù)據(jù)流拆分成原來的解復用器把已復用的數(shù)據(jù)流拆分成原來的低速比特流。低速比特流。v 該系統(tǒng)的該系統(tǒng)的E/OE/O和

44、和O/EO/E轉換器（即光發(fā)射轉換器（即光發(fā)射機和接收機）已變成基帶信號，與信機和接收機）已變成基帶信號，與信號處理有關的所有電子設備均工作在號處理有關的所有電子設備均工作在基帶比特速率下，不存在電子瓶頸問基帶比特速率下，不存在電子瓶頸問題。題。 NB電解復用信道電復用B瓶頸信道BE/OO/E瓶頸電信號路徑光信號路徑(a) 電時分復用112n2NB控制信號光復用O/EO/EO/E信道B光解復用(b) 光時分復用E/OE/OE/O信道12B12nNNv 圖圖7.4.6 7.4.6 光脈沖流通過調制光脈沖流通過調制器對輸入調制器的基帶數(shù)據(jù)流進器對輸入調制器的基帶數(shù)據(jù)流進行取樣編碼行取樣編碼 v 圖

45、圖7.4.7 4 Gb/s7.4.7 4 Gb/s光數(shù)據(jù)脈光數(shù)據(jù)脈沖產生原理圖沖產生原理圖 脈沖激光器光調制器NRZ光脈沖流 RZ模式鎖定 激光器4Gb/s RZ光調制器 4Gb/s NRZ4Gb/sRZTi:LiNbO3 碼形發(fā)生器4Gb/s 電比特流 光數(shù)據(jù)流光脈沖流 時鐘電比特流 光數(shù)據(jù)流圖7.4.8 N信道光時分復用系統(tǒng)的定時原理圖1/TTTTB信道信道信道信道1234復用后的信號DTDTDTvN N個入射到復合器的光信號是個入射到復合器的光信號是RZRZ脈沖流，該脈沖流周期為脈沖流，該脈沖流周期為B B，脈沖寬度為，脈沖寬度為T T。使。使用延遲線對輸入脈沖流在時間上進行調整，使加于

46、光復用器上的每個信道的用延遲線對輸入脈沖流在時間上進行調整，使加于光復用器上的每個信道的脈沖流依次延遲一段時間脈沖流依次延遲一段時間T TD D。圖7.4.9 光時分復用（OTDM）系統(tǒng)的復合過程表示一個電主時鐘發(fā)生器被表示一個電主時鐘發(fā)生器被n n個光脈沖發(fā)生個光脈沖發(fā)生器共用器共用, ,在電時鐘路徑上，使用電延遲在電時鐘路徑上，使用電延遲器件對輸入脈沖流延時器件對輸入脈沖流延時 。在光信號路徑上，使用光延遲器件對輸在光信號路徑上，使用光延遲器件對輸入脈沖流延時入脈沖流延時 。12n時鐘光延遲線光調制器光脈沖發(fā)生器光分配器合光器電數(shù)據(jù)流ODOD12n12nED時鐘電延遲線光脈沖發(fā)生器光調制器

47、合光器電數(shù)據(jù)流LDED（a）由多個光源構成的復用線路（b）由一個光源構成的復用線路圖7.4.10 四信道OTDM解復用原理圖頻率復用時鐘恢復接收機16Gb/s8Gb/s8Gb/s4Gb/s4Gb/sv 解復用器是解復用器是 OTDM OTDM 系統(tǒng)最關鍵的器件。系統(tǒng)最關鍵的器件。它的目的是分配復它的目的是分配復用比特流中的每個用比特流中的每個比特到指定的比特到指定的 O/E O/E 轉換器。轉換器。v 構成光解復用器的構成光解復用器的基本器件是基本器件是 1 1 2 2 光開關。光開關。v 對于多信道系統(tǒng)，對于多信道系統(tǒng)，連接多個連接多個 1 1 2 2 光光開關可以構成大容開關可以構成大容量

48、的解復用交換網(wǎng)量的解復用交換網(wǎng)絡。絡。7.4.3 光碼分復用（OCDM）光纖傳輸系統(tǒng)v 隨著隨著WDMWDM復用波長數(shù)的增加，光纖中的光強越來越大，光復用波長數(shù)的增加，光纖中的光強越來越大，光纖非線性也越來越嚴重纖非線性也越來越嚴重; ;v 所以在未來的網(wǎng)絡中波長資源可能出現(xiàn)匱乏。所以在未來的網(wǎng)絡中波長資源可能出現(xiàn)匱乏。v 光碼分復用（光碼分復用（OCDMOCDM）系統(tǒng)采用同一波長的擴頻序列，頻譜）系統(tǒng)采用同一波長的擴頻序列，頻譜資源利用率高，它與資源利用率高，它與WDMWDM結合，可以大大增加系統(tǒng)容量。結合，可以大大增加系統(tǒng)容量。WDMA和OCDMA的區(qū)別v WDMAWDMA是不同的用戶根據(jù)

49、預先分配給的波長使用網(wǎng)絡，其主要的優(yōu)點是用戶間尋是不同的用戶根據(jù)預先分配給的波長使用網(wǎng)絡，其主要的優(yōu)點是用戶間尋路簡單，缺點是信道帶寬使用不很有效。路簡單，缺點是信道帶寬使用不很有效。v 這種缺點可通過隨機多路接入技術，即在任意時間內允許用戶隨機地接入任一這種缺點可通過隨機多路接入技術，即在任意時間內允許用戶隨機地接入任一信道得到解決。基于頻譜展寬方法的碼分復用就是這樣的一種技術。信道得到解決?；陬l譜展寬方法的碼分復用就是這樣的一種技術。CDMCDM的信號的信號頻譜比它通常傳輸所需的最小帶寬要寬得多。頻譜展寬是靠與信號本身無關的頻譜比它通常傳輸所需的最小帶寬要寬得多。頻譜展寬是靠與信號本身無關的一種編碼來完成的。稱頻譜展寬碼為特征碼或密鑰，有時也稱為地址碼。一種編碼來完成的。稱頻譜展寬碼為特征碼或密鑰，有時也稱為地址碼。v 在在OCDMOCDM系統(tǒng)中，給每個信道分配一個唯一的地址碼，該信道就以該密鑰作為信系統(tǒng)中，給每個信道分配一個唯一的地址碼，該信道就以該密鑰作為信道的地址碼，對要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進行編碼，實現(xiàn)信道復用；接收機使用與發(fā)道的地址碼，對要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進行編碼，實現(xiàn)信道復用；接收機使用與發(fā)送端相同的編碼規(guī)則進行反變換，即進行光解碼，實現(xiàn)信道的解復用，對信號送端相同的編碼規(guī)則進行反變換，