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第6章 光纖通信新技術(shù)1本章內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)本章內(nèi)容DWDM技術(shù)的概念及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。光接入網(wǎng)的概念及相關(guān)的接入技術(shù)。相干光通信技術(shù)。光孤子通信技術(shù)。全光通信網(wǎng)。本章重點(diǎn)和難點(diǎn)DWDM技術(shù)。光接入技術(shù)。全光通信網(wǎng)。第6章 光纖通信新技術(shù)2學(xué)習(xí)本章目的和要求掌握DWDM技術(shù)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。了解光接入的原理,掌握光接入網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)。了解相干光通信及光孤子通信的基本概念。了解全光網(wǎng)的概念。第6章 光纖通信新技術(shù)36.1DWDM技術(shù)介紹:DWDM的原理DWDM關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方式傳輸媒質(zhì)(也就是光纖)的種類和特性DWDM系統(tǒng)組網(wǎng)46.1.1DWDM概述
1.DWDM技術(shù)產(chǎn)生背景
盡管目前光纖通信單信道實(shí)用化系統(tǒng)的傳輸速率發(fā)展到了10Gbit/s,線路的利用率有了很大提高,但與光纖巨大的帶寬潛力相比還微不足道。本章將介紹光空分復(fù)用、光時(shí)分復(fù)用、光頻分復(fù)用、光碼分復(fù)用、光副載波復(fù)用和波分復(fù)用等常用的幾種光復(fù)用技術(shù)。
復(fù)用技術(shù)是為了提高通信線路的利用率,而采用的在同一傳輸線路上同時(shí)傳輸多路不同信號(hào)而互不干擾的技術(shù)。(1)光時(shí)分復(fù)用(OTDM)光時(shí)分復(fù)用(OTDM)技術(shù)指利用高速光開關(guān)把多路光信號(hào)在時(shí)域里復(fù)用到一路上的技術(shù)。即將多個(gè)高速電調(diào)制信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為等速率的光信號(hào),然后在光層上利用超窄光脈沖進(jìn)行時(shí)域復(fù)用。56.1.1DWDM概述(2)空分復(fù)用(SDM)空分復(fù)用就是利用空間分割,根據(jù)需要構(gòu)成不同的信道進(jìn)行光復(fù)用的一種復(fù)用技術(shù)。(3)光副載波復(fù)用(OSCM)光副載波復(fù)用(OSCM)技術(shù)是將基帶信號(hào)首先調(diào)制到GHz的副載波上,再把副載波調(diào)制到THz的光載波上。(4)光碼分復(fù)用(OCDM)光碼分復(fù)用(OCDM)技術(shù)是CDM(CodeDivisionMultiplexing)技術(shù)和光纖通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,在這種復(fù)用技術(shù)中,每個(gè)信道不是占用一個(gè)給定的波長、頻率或者時(shí)隙,而是以一個(gè)特有的編碼脈沖序列方式來傳送其比特信息。在該通信系統(tǒng)中,每個(gè)用戶都擁有一個(gè)惟一的地址碼,該碼是一組光正交碼中的一個(gè)。66.1.1DWDM概述
光波分復(fù)用、光時(shí)分復(fù)用、光副載波復(fù)用和光碼分復(fù)用都是正在使用和研究的光纖復(fù)用技術(shù),這些技術(shù)的使用能增加線路容量,提高線路利用率。傳統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容方法采用空分多路復(fù)用(SDM)和時(shí)分多路復(fù)用(TDM)兩種方式。(1)SDM靠增加光纖數(shù)量的方式線性增加傳輸系統(tǒng)的容量,傳輸設(shè)備也線性增加。空分多路復(fù)用的擴(kuò)容方式十分受限。(2)TDM是比較常用的擴(kuò)容方式,從PDH的一次群至四次群的復(fù)用,到SDH的STM-1、STM-4、STM-16至STM-64的復(fù)用。但達(dá)到一定的速率等級(jí)時(shí),會(huì)受到器件和線路等特性的限制。DWDM技術(shù)不僅大幅度地增加了網(wǎng)絡(luò)的容量,而且還充分利用了光纖的寬帶資源,減少了網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。76.1.1DWDM概述光纖通信經(jīng)過30多年的發(fā)展,單信道實(shí)用化系統(tǒng)的傳輸速率從1976年的45Mbit/s發(fā)展到了40Gbit/s,線路的利用率得到了很大提高(但與光纖巨大的帶寬潛力相比這點(diǎn)帶寬還微不足道)。(5)光波分復(fù)用(WDM)光波分復(fù)用(WDM)技術(shù)是在一芯光纖中同時(shí)傳輸多波長光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù)。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長的光信號(hào)組合起來,并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸,在接收端將組合波長的光信號(hào)分開,并作進(jìn)一步處理,恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端。為了進(jìn)一步提高光纖帶寬利用率,相鄰兩光載波的間隔將越來越小,用波長來衡量其間隔就很不方便,一般認(rèn)為:當(dāng)相鄰光載波的間隔小到0.1nm(10GHz)以下時(shí),此時(shí)的復(fù)用習(xí)慣稱為光頻分復(fù)用。86.1.1DWDM概述
2.DWDM原理概述
波分復(fù)用系統(tǒng)的工作波長可以從0.8μs到1.7μs,由此可見,它可以適用于光纖所有低衰減、低色散窗口.WDM技術(shù)是利用單模光纖的帶寬以及低損耗的特性,采用多個(gè)波長作為載波,允許各載波信道在一條光纖內(nèi)同時(shí)傳輸。
DWDM和CWDM技術(shù)實(shí)際上它們是同一種技術(shù),只是通道間隔不同。WDM系統(tǒng)的通道間隔為幾十納米以上,例如最早的1310/1550nm兩波長系統(tǒng),它們之間的波長間隔達(dá)兩百多納米,這是在當(dāng)時(shí)技術(shù)條件下所能實(shí)現(xiàn)的WDM系統(tǒng)。
隨著技術(shù)的發(fā)展,特別是EDFA(摻鉺光纖放大器)的商用化,使WDM系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)期。
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WDM系統(tǒng)的頻譜分布圖6.1.1DWDM概述106.1.1DWDM概述
DWDM是密集波分復(fù)用的英文縮寫。DWDM系統(tǒng)是一種波長間隔更緊密的WDM系統(tǒng)。現(xiàn)在的通道間隔則更小,只有0.8-2nm,甚至小于0.8nm,所謂密集是針對(duì)波長間隔而言的.
CWDM技術(shù)是為了滿足接入網(wǎng)應(yīng)用的要求,是一種近來流行的被稱為粗波分復(fù)用的技術(shù)CWDM系統(tǒng)是在1530-1560nm的頻譜范圍內(nèi)每隔10nm分配一個(gè)波長,此時(shí)可以使用頻譜較寬的、對(duì)中心波長精確度要求低的、比較便宜的激光器,通常為了節(jié)約投資成本不使用放大器.1550nm窗口的工作波長區(qū)為1530-1565nm.
DWDM系統(tǒng)的構(gòu)成及光譜示意如圖6-1所示。116.1.1DWDM概述圖6-1DWDM系統(tǒng)的構(gòu)成及頻譜示意圖126.1.1DWDM概述3.DWDM工作方式
WDM系統(tǒng)從不同的角度可以分為不同的類型,常見的分類方法有:從傳輸方向分,可以分為雙纖單向波分復(fù)用系統(tǒng)和單纖雙向波分復(fù)用系統(tǒng);從光接口類型分,可以分為集成式波分復(fù)用系統(tǒng)和開放式波分復(fù)用系統(tǒng)。
開放式DWDM系統(tǒng)采用波長轉(zhuǎn)換技術(shù),將復(fù)用終端的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合ITU-T建議的波長,然后進(jìn)行合波。集成式DWDM系統(tǒng)沒有采用波長轉(zhuǎn)換技術(shù),它要求復(fù)用終端的光信號(hào)符合ITU-T建議的波長,然后進(jìn)行合波。136.1.1DWDM概述
(1)雙纖單向傳輸雙纖單向傳輸指一根光纖只完成一個(gè)方向光信號(hào)的傳輸,反向光信號(hào)的傳輸由另一根光纖來完成。如圖6-2所示,圖6-2雙纖單向傳輸?shù)腄WDM系統(tǒng)146.1.1DWDM概述(2)單纖雙向傳輸單纖雙向傳輸指在一根光纖中實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向光信號(hào)的同時(shí)傳輸,兩個(gè)方向的光信號(hào)應(yīng)安排在不同波長上。圖6-3單纖雙向傳輸?shù)腄WDM系統(tǒng)156.1.1DWDM概述(3)集成式波分復(fù)用系統(tǒng)
考慮到各波長之間的影響最小和更多廠家的設(shè)備能互通工作,WDM使用的激光器發(fā)出的光的中心波長、波長間隔、中心頻率偏移等均有嚴(yán)格的規(guī)定,必需符合ITU-TG.692建議。(4)開放式波分復(fù)用系統(tǒng)
開放式系統(tǒng)就是在波分復(fù)用器前加入波長轉(zhuǎn)換器(OpticalTransitionUnit,OTU),將SDH非規(guī)范的波長轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)波長,如下圖所示。
開放式WDM系統(tǒng)166.1.1DWDM概述(5)光信號(hào)的分出和插入通過光分插復(fù)用器(OADM)可以實(shí)現(xiàn)各波長的光信號(hào)在中間站的分出與插入,即完成上/下光路,利用這種方式可以完成DWDM系統(tǒng)的環(huán)形組網(wǎng)。圖6-4光信號(hào)的分出和插入傳輸176.1.1DWDM概述
4.DWDM的優(yōu)越性(1)超大容量。可以充分利用光纖的巨大帶寬潛力,使一根光纖上的傳輸容量比單波長傳輸增加幾十至上萬倍。(2)N個(gè)波長復(fù)用以后在一根光纖中傳輸,在大容量長途傳輸時(shí)可以節(jié)約大量的光纖。(3)對(duì)數(shù)據(jù)“透明”。波分復(fù)用通道對(duì)傳輸信號(hào)是完全透明的,即對(duì)傳輸碼率、數(shù)據(jù)格式及調(diào)制方式均具有透明性,可同時(shí)提供多種協(xié)議的業(yè)務(wù),不受限制地提供端到端業(yè)務(wù)。(4)可擴(kuò)展性好,兼容全光交換。(5)降低器件的超高速要求。(6)高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性,系統(tǒng)升級(jí)時(shí)能最大限度地保護(hù)已有投資。186.1.1DWDM概述
5.影響波分復(fù)用系統(tǒng)性能的因素(1)制作技術(shù)和成本限制(2)串?dāng)_影響(3)穩(wěn)頻(4)阻塞特性196.1.1DWDM概述6.WDM對(duì)光源和光電檢測(cè)器的要求
(1)對(duì)光源的要求①激光器輸出波長保持穩(wěn)定②激光器應(yīng)具有比較大的色散容納值③采用外調(diào)制技術(shù)(2)對(duì)光檢測(cè)器的要求
光檢測(cè)器應(yīng)具有多波長檢測(cè)能力。206.1.2DWDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.DWDM器件DWDM器件分為合波器和分波器兩種,如圖6-5所示。合波器的主要作用是將多個(gè)信號(hào)波長合在一根光纖中傳輸。分波器的主要作用是將在一根光纖中傳輸?shù)亩鄠€(gè)波長信號(hào)分離。圖6-5DWDM器件21DWDM的工作原理:一般來說,DWDM系統(tǒng)主要由以下五部分組成:光發(fā)射機(jī)、光中繼放大、光接收機(jī)、光監(jiān)控信道和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。(1)光發(fā)射機(jī)是DWDM系統(tǒng)的核心,除了對(duì)DWDM系統(tǒng)中發(fā)射激光器的中心波長有特殊的要求外,還需要根據(jù)DWDM系統(tǒng)的不同應(yīng)用(主要是傳輸光纖的類型和無電中繼傳輸?shù)木嚯x)來選擇具有一定色度色散容限的發(fā)射機(jī)。
(2)光中繼放大經(jīng)過長距離光纖傳輸后(80~120km),需要對(duì)光信號(hào)進(jìn)行光中繼放大。在接收端,光前置放大器(PA)放大經(jīng)傳輸而衰減的主信道光信號(hào)后,利用分波器從主信道光信號(hào)中分出特定波長的光信號(hào)送往各終端設(shè)備。6.1.2DWDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)22
(3)光監(jiān)控信道
隨著EDFA的商用化進(jìn)程的發(fā)展,在DWDM系統(tǒng)中通常使用EDFA作為中繼器,這樣使無電中繼距離大大提高,因而在DWDM系統(tǒng)中的監(jiān)控內(nèi)容增加了對(duì)EDFA的監(jiān)控與管理的內(nèi)容。在DWDM系統(tǒng)中是通過增加一個(gè)新的波長來對(duì)EDFA的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。除監(jiān)控線路中的EDFA之外,DWDM系統(tǒng)中的監(jiān)控系統(tǒng)還應(yīng)完成對(duì)各波道工作狀態(tài)的監(jiān)控。監(jiān)控信號(hào)所傳信息包括幀同步字節(jié)、公務(wù)字節(jié)和網(wǎng)管所用的開銷字節(jié)等。
6.1.2DWDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)236.1.2DWDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.DWDM的幾種網(wǎng)絡(luò)單元類型DWDM設(shè)備可分為光終端復(fù)用器(OTM)、光線路放大器(OLA)、光分插復(fù)用器(OADM)和電中繼器(REG)幾種類型。以華為公司的波分320G設(shè)備為例講述各種網(wǎng)單元的作用。(1)光終端復(fù)用器(OTM)在發(fā)送方向,OTM把波長為λ1~λ16(或λ32)的STM-16信號(hào)經(jīng)合波器復(fù)用成DWDM主信道,然后對(duì)其進(jìn)行光放大,并附加上波長為λs的光監(jiān)控信道。在接收方向,OTM先把光監(jiān)控信道取出,然后對(duì)DWDM主信道進(jìn)行光放大,經(jīng)分波器解復(fù)用成16(或32)個(gè)波長的STM-16信號(hào)。OTM的信號(hào)流向如圖6-6所示。246.1.2DWDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖6-6OTM信號(hào)流向圖256.1.2DWDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(2)光放大器(OLA)每個(gè)傳輸方向的OLA先取出光監(jiān)控信道(OSC)并進(jìn)行處理,再將主信道進(jìn)行放大,然后將主信道與OSC合路并送入光纖。如圖6-7所示。圖6-7OLA信號(hào)流向圖266.1.2DWDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
WDM已經(jīng)成為光纖通信的主要發(fā)展方向,因而光分插復(fù)用器(OADM)和光數(shù)字交叉連接器OXC將成為光傳送網(wǎng)中的關(guān)鍵器件,其性能直接對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的性能構(gòu)成影響。
(3)光分插復(fù)用器(OADM)OADM設(shè)備接收線路的光信號(hào)后,先提取監(jiān)控信道,再用WPA將主光通道預(yù)放大,通過MR2單元把含有16或32路STM-16的光信號(hào)按波長取下一定數(shù)量后送出設(shè)備,要插入的波長經(jīng)MR2單元直接插入主信道,再經(jīng)功率放大后插入本地光監(jiān)控信道,向遠(yuǎn)端傳輸。以MR2為例,其信號(hào)流向如圖6-8所示。276.1.2DWDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖6-8靜態(tài)OADM(32/2)信號(hào)流向圖28
OADM的功能波長上、下話路的功能。具有波長轉(zhuǎn)換功能。具有光中繼放大和功率平衡功能。提供復(fù)用段和通道保護(hù)倒換功能,支持各種自愈環(huán)。具有多業(yè)務(wù)接入功能。(4)OXC的結(jié)構(gòu)和功能
OXC是一種光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備,它可以在光層上進(jìn)行交叉連接和靈活的上下話路操作,同時(shí)還提供網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和管理功能,它是實(shí)現(xiàn)可靠的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)與恢復(fù)以及自動(dòng)配線和監(jiān)控的重要手段.6.1.2DWDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)29
OXC的功能與SDH網(wǎng)絡(luò)中的DXC設(shè)備的功能相比,它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)中的地位和作用相同,但功能上存在下列區(qū)別。
OXC是在光域完成交叉連接功能的,而DXC是在電層上進(jìn)行交叉連接。
OXC可以對(duì)不同速率和采用任何傳輸格式的信號(hào)進(jìn)行交叉連接操作;DXC設(shè)備針對(duì)不同傳輸格式和不同傳輸速率的信號(hào)的處理方式不同。
DXC受電子速率的限制,交叉連接速率較低;OXC無論在交叉連接速率、接入速率以及總?cè)萘康确矫?,都?yōu)于DXC。
OXC中無需進(jìn)行時(shí)鐘信號(hào)同步與開銷處理,便于網(wǎng)絡(luò)升級(jí)(無需更換設(shè)備),而DXC必須進(jìn)行時(shí)鐘信號(hào)同步與開銷處理,在網(wǎng)絡(luò)升級(jí)時(shí)必須更換設(shè)備。6.1.2DWDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)306.1.2DWDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
(5)兩個(gè)OTM背靠背組成的光分插復(fù)用器用兩個(gè)OTM背靠背的方式組成一個(gè)可上/下波長的OADM,如圖6-9所示。圖6-9兩個(gè)OTM背靠背組成的OADM信號(hào)流向圖316.1.2DWDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
(6)電中繼器(REG)以STM-16信號(hào)的中繼為例,其的信號(hào)流向如圖6-10所示。圖6-10電中繼器(REG)的信號(hào)流向圖326.1.2DWDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3.DWDM網(wǎng)絡(luò)的一般組成(1)點(diǎn)到點(diǎn)組網(wǎng)DWDM的點(diǎn)到點(diǎn)組網(wǎng)示意圖如圖6-11所示。(2)鏈形組網(wǎng)DWDM的鏈形組網(wǎng)示意圖如圖6-12所示。(3)環(huán)形組網(wǎng)DWDM環(huán)形組網(wǎng)示意圖如圖6-13所示。圖6-11DWDM的點(diǎn)到點(diǎn)組網(wǎng)示意圖
336.1.2DWDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖6-13DWDM的環(huán)形組網(wǎng)示意圖圖6-12DWDM的鏈形組網(wǎng)示意圖346.1.2DWDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.DWDM網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)點(diǎn)到點(diǎn)線路保護(hù)主要有兩種保護(hù)方式一種是基于單個(gè)波長、在SDH層實(shí)施的1+1或1︰N的保護(hù);另一種是基于光復(fù)用段上的保護(hù),在光路上同時(shí)對(duì)合路信號(hào)進(jìn)行保護(hù),這種保護(hù)也稱光復(fù)用段保護(hù)(OMSP)。另外還有基于環(huán)網(wǎng)的保護(hù)。35下圖為采用分路器和光開光復(fù)用段保護(hù)(OMSP)
6.1.2DWDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)366.2光接入技術(shù)
電信網(wǎng)包含了為在不同地方的用戶提供各種電信業(yè)務(wù)的所有傳輸及復(fù)用設(shè)備、交換設(shè)備及各種線路設(shè)施等。接入網(wǎng)是電信網(wǎng)的重要組成部分,負(fù)責(zé)將電信業(yè)務(wù)透明地傳送到用戶。接入網(wǎng)由業(yè)務(wù)結(jié)點(diǎn)接口(SNI)和用戶網(wǎng)絡(luò)接口(UNI)之間的一系列傳送實(shí)體(如線路設(shè)施和傳輸設(shè)施)組成,為供給電信業(yè)務(wù)而提供所需的傳送承載能力,可經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)管理接口(Q3)配置和管理。原則上對(duì)接入網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)的UNI和SNI的類型和數(shù)目沒有限制。接入網(wǎng)不解釋信令。以前的接入網(wǎng)主要是銅纜網(wǎng),攜帶的業(yè)務(wù)主要是電話業(yè)務(wù)。銅纜網(wǎng)的故障率很高,維護(hù)運(yùn)行成本也很高,為了減少銅纜網(wǎng)的維護(hù)運(yùn)行費(fèi)用和故障率,光接入網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。37
接入網(wǎng)的界定電信管理網(wǎng)(TMN)接入網(wǎng)(AN)業(yè)務(wù)結(jié)點(diǎn)接口(SNI)業(yè)務(wù)結(jié)點(diǎn)(SN)Q3接口Q3接口用戶網(wǎng)絡(luò)接口(UNI)6.2光接入技術(shù)386.2.1光接入網(wǎng)的基本概念1.光接入網(wǎng)基本概念及位置所謂接入網(wǎng)就是指端局到用戶環(huán)路之間的所有機(jī)線設(shè)備,通常又稱為用戶網(wǎng),如圖6-14所示。光接入網(wǎng)(OAN)是指本地交換機(jī)或遠(yuǎn)端交換模塊與用戶設(shè)備之間采用光傳輸或部分采用光傳輸?shù)南到y(tǒng)。圖6-14接入網(wǎng)在電信網(wǎng)中的位置396.2.1光接入網(wǎng)的基本概念2.OAN的優(yōu)點(diǎn)與功能(1)減少網(wǎng)路的維護(hù)運(yùn)行費(fèi)用,降低故障率。(2)利于開發(fā)新業(yè)務(wù),特別是寬帶多媒體業(yè)務(wù),加強(qiáng)競爭力,提高業(yè)務(wù)收入。(3)大大延長傳輸距離,擴(kuò)大交換機(jī)的覆蓋范圍。(4)引入OAN后,連接到用戶設(shè)備的雙絞線或同軸電纜段的長度很短,可實(shí)現(xiàn)寬帶傳輸,充分利用現(xiàn)有的巨大的網(wǎng)絡(luò)投資。功能:OAN可為企事業(yè)單位和居民住宅用戶服務(wù);OAN工作于多廠家、多類型交換機(jī)環(huán)境;OAN能提供所有原來銅纜網(wǎng)所提供的業(yè)務(wù)(主要是2Mbit/s以下速率的業(yè)務(wù)),并能升級(jí)提供圖像和數(shù)據(jù)等寬帶業(yè)務(wù)。406.2.1光接入網(wǎng)的基本概念
3.OAN的參考配置圖6-15所示的是OAN的參考配置??梢姡饨尤刖W(wǎng)又可定義為:共享同一網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口且由光接入傳輸系統(tǒng)支持的一系列接入鏈路,由光線路終端(OLT)、光分配網(wǎng)(ODN)、光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)及適配功能(AF)組成,可能包括若干與同一OLT相連的ODN。OLT的作用是為OAN提供網(wǎng)絡(luò)側(cè)與本地交換機(jī)之間的接口,完成電/光轉(zhuǎn)換,并經(jīng)一個(gè)或多個(gè)ODN與用戶側(cè)的ONU通信。ODN的功能是完成光信號(hào)功率的分配。ONU的作用是提供遠(yuǎn)端用戶側(cè)接口,完成光/電轉(zhuǎn)換。AF為ONU和用戶設(shè)備提供適配功能。416.2.1光接入網(wǎng)的基本概念圖6-15OAN的參考配置42
光接入網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)OLTONUONUONU單星形網(wǎng)OLTODNONUONUONU雙星形網(wǎng)OLTONUONUONUONUONU總線形網(wǎng)OLTONUONUONUONUONUONU環(huán)形網(wǎng)6.2.1光接入網(wǎng)的基本概念436.2.2無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)1.無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)的應(yīng)用類型與組網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)是指在交換局和用戶之間的光分配網(wǎng)絡(luò)中沒有任何有源電子設(shè)備,即在光分支點(diǎn)采用無源光分路器構(gòu)成的光接入網(wǎng)絡(luò),其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢允菢湫?、星形、總線形.
圖6-16PON基本應(yīng)用類型446.2.2無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)PON的優(yōu)勢(shì)主要有:PON具有成本低、便于維護(hù)、對(duì)各種業(yè)務(wù)透明等優(yōu)點(diǎn);室外設(shè)備是純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò),避免了有源設(shè)備的電磁干擾和雷電影響,減少了線路和外部設(shè)備的故障率,提高了系統(tǒng)的可靠性;擴(kuò)容比較簡單,不涉及硬件設(shè)備改造,只需軟件升級(jí),具有良好的擴(kuò)展性;對(duì)業(yè)務(wù)透明性較好,原則上可適用于任何制式和速率的信號(hào);能夠平滑地過渡到光纖到戶(FTTH),是目前FTTH的主要解決方案,因而具有廣闊的應(yīng)用前景.
456.2.2無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)應(yīng)用類型:按ONU所處的位置不同,可將PON分為3種基本的應(yīng)用類型,光纖到路邊(FTTC),光纖到大樓(FTTB),光纖到家(FTTH)和/或光纖到辦公室(FTTO)在FTTC結(jié)構(gòu)中,ONU設(shè)置在路邊的人孔或電線桿上的分線盒處,有時(shí)也可以設(shè)置在交接箱處。FTTC一般采用雙星形結(jié)構(gòu),從ONU到用戶之間采用雙絞線銅纜,若要傳送寬帶業(yè)務(wù)則要用高頻電纜或同軸電纜。
FTTB是將ONU直接放在大樓內(nèi)(如企業(yè)、事業(yè)單位辦公樓或居民住宅公寓內(nèi)),再由銅纜將業(yè)務(wù)分配到各個(gè)用戶。FTTB比FTTC的光纖化程度更進(jìn)一步,更適合高密度用戶區(qū),也更容易滿足未來寬帶業(yè)務(wù)傳輸?shù)男枰?66.2.2無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)
如果將FTTC結(jié)構(gòu)中設(shè)置在路邊的ONU換成無源光分路器,將ONU移到大企業(yè)事業(yè)單位(如公司、政府機(jī)關(guān)、大學(xué)或研究所)的辦公室內(nèi)就成了FTTO。將ONU移到用戶家里就成了FTTH。
FTTH是一種全透明全光纖的光接入網(wǎng),適于引入新業(yè)務(wù),對(duì)傳輸制式、帶寬和波長等基本上沒有限制,并且ONU安裝在用戶處,供電、安裝維護(hù)等都比較方便。476.2.2無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)FTTH作為廣義的寬帶接入方式,可以適應(yīng)不同時(shí)期、不同用戶的多種接入需求,實(shí)現(xiàn)低成本、靈活的組網(wǎng)方案.對(duì)于帶寬需求不高的居民小區(qū)普通用戶,可以采取光纖到小區(qū),將ONU模塊放置在小區(qū),通過這里的中心交換機(jī)再接到各個(gè)樓的用戶;對(duì)于公司用戶,可以采用光纖到大樓,公司共享一個(gè)ONU模塊,根據(jù)公司的業(yè)務(wù)需求,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分配帶寬;對(duì)于特殊用戶,直接實(shí)現(xiàn)FTTH(或光纖到桌面),ONU/ONT模塊放置在用戶家中,為用戶提供傳統(tǒng)語音、CATV/HDTV和高速數(shù)據(jù)服務(wù),這就是今后要實(shí)現(xiàn)的真正意義上的FTTH;對(duì)于一些重要會(huì)議現(xiàn)場,經(jīng)常有大量媒體進(jìn)行現(xiàn)場報(bào)道,進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻、網(wǎng)絡(luò)視頻直播,對(duì)傳輸速率要求很高。這時(shí)可以采用光纖到桌面(FTTD),將光纖接到新聞現(xiàn)場,提供高速的接入服務(wù)486.2.2無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)
組網(wǎng):PON的組網(wǎng)有總線結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)、星形結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)。如圖6-17所示,圖中SP是光分支器,一個(gè)OLT一般能帶500個(gè)用戶,一個(gè)ONU可帶4、16、32、64個(gè)用戶。圖6-17無源光網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)496.2.2無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)2.PON的業(yè)務(wù)支持能力PON可支持2.048Mbit/s以下速率的窄帶業(yè)務(wù),基本業(yè)務(wù)有下面7種:普通電話業(yè)務(wù)(POTS)、租用線、分組數(shù)據(jù)、ISDN基本速率接入(BRA)、ISDN基群速率接入(PRA)、n×64kbit/s和2.048Mbit/s(成幀和不成幀)??芍С謱拵I(yè)務(wù),諸如單向廣播式業(yè)務(wù)(如CATV業(yè)務(wù))、雙向交互式業(yè)務(wù)(如VOD或數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù))和模擬廣播業(yè)務(wù)等。圖6-18所示是采用TDM+FDM+WDM方式傳送寬帶圖像業(yè)務(wù)的PON系統(tǒng)。506.2.2無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)圖6-18TDM+FDM+WDM的PON系統(tǒng)516.2.3數(shù)字環(huán)路載波(DLC)
1.?dāng)?shù)字環(huán)路載波系統(tǒng)構(gòu)成DLC是業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)(SN)和用戶終端設(shè)備之間的接入網(wǎng)設(shè)備,在SN與用戶所在地之間采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的有源光網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。DLC系統(tǒng)由局端機(jī)(COT)、遠(yuǎn)端機(jī)(RT)和光線路終端(OLT)三部分組成,如圖6-19所示。圖6-19DLC系統(tǒng)參考配置526.2.3數(shù)字環(huán)路載波(DLC)2.DLC系統(tǒng)的特點(diǎn)(1)COT和SN之間通過標(biāo)準(zhǔn)的2Mbit/s和n×2Mbit/s數(shù)字接口相接。(2)COT和RT之間使用光傳輸設(shè)備傳送信息,光傳輸設(shè)備既傳送用戶信息也用于傳送監(jiān)測(cè)信號(hào)、公務(wù)及其他數(shù)據(jù)信號(hào)的輔助信道。(3)RT與用戶終端設(shè)備之間采用標(biāo)準(zhǔn)化的用戶接口。536.2.3數(shù)字環(huán)路載波(DLC)3.DLC系統(tǒng)的功能(1)DLC系統(tǒng)不解釋信令,提供PSTN用戶口信令信息的雙向傳輸功能,提供ISDND通道信息的雙向傳輸功能。(2)DLC系統(tǒng)提供透明傳送ISDNB通道或PCM64kbit/s信道的雙向傳送功能。(3)DLC系統(tǒng)提供各部分的性能監(jiān)測(cè)、告警信號(hào)。提供每個(gè)用戶口的狀態(tài)信息。通過標(biāo)準(zhǔn)化的Q接口與TMN相連。(4)DLC系統(tǒng)的COT到RT之間可以采用各種標(biāo)準(zhǔn)化的SDH和PDH傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)傳輸功能。(5)DLC系統(tǒng)提供“公務(wù)”等輔助功能。利用內(nèi)嵌操作信道完成管理信息的傳送。546.2.3數(shù)字環(huán)路載波(DLC)
4.靈活數(shù)字環(huán)路系統(tǒng)(FDLC)為提高信道資源的利用率,可采用動(dòng)態(tài)分配時(shí)隙的方法,這種DLC系統(tǒng)稱為靈活數(shù)字環(huán)路系統(tǒng)(FDLC)。在DLC設(shè)備內(nèi)加入集線/壓縮功能,在相同的傳輸速率下可容納更多的用戶,如采用4∶1的集線比,可在2Mbit/s的傳輸速率下傳送120路電話(如圖6-20所示)。圖7-21所示的是另一種靈活分配時(shí)隙的例子,在2Mbit/s信道的30個(gè)時(shí)隙中,12個(gè)時(shí)隙留作租用線業(yè)務(wù),將108路電話以6∶1的集線比在余下的18個(gè)時(shí)隙中傳輸,在COT處恢復(fù)為4個(gè)2Mbit/s進(jìn)入交換機(jī)。556.2.3數(shù)字環(huán)路載波(DLC)圖7-204︰1集線的FDLC圖6-21另一種FDLC用法566.2.4混合光纖同軸網(wǎng)(HFC)
1.HFC的基本概念雙向HFC網(wǎng)絡(luò)能進(jìn)行交互式通信,它是在現(xiàn)有CATV的單向HFC網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上改造而成的,如圖6-22所示。
2.HFC的特點(diǎn)(1)HFC的優(yōu)點(diǎn)①頻帶寬②傳輸速率高③靈活性④經(jīng)濟(jì)性(2)需要解決的問題①頻譜相互間的干擾問題。②噪聲干擾的“漏斗效應(yīng)”問題。③共享帶寬,要解決好信道爭用的問題。④進(jìn)行交互式數(shù)據(jù)通信時(shí)要注意安全性和可靠性。576.2.4混合光纖同軸網(wǎng)(HFC)圖6-22雙向HFC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)586.2.4混合光纖同軸網(wǎng)(HFC)3.HFC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)雙向HFC網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖6-22所示,主要由以下部分組成。
(1)局端設(shè)備:相當(dāng)CATV系統(tǒng)的前端設(shè)備,但功能擴(kuò)展了。①對(duì)各業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的接口功能。②各路射頻信號(hào)的混合。③光電轉(zhuǎn)換。④提供監(jiān)控接口功能。
(2)光纖饋線網(wǎng)與光節(jié)點(diǎn)
(3)同軸電纜信號(hào)傳輸與分配網(wǎng),含雙向放大器及分配器等。(4)綜合業(yè)務(wù)單元(ISU)ISU分單用戶(H-ISU)和多用戶(M-ISU)兩類。596.2.4混合光纖同軸網(wǎng)(HFC)4.HFC頻帶分配頻帶分配如表6-1所示。波
段頻
率
范
圍業(yè)
務(wù)R5.00~30.0(上行)電視及非廣播業(yè)務(wù)R130.0~42.0(上行)電信業(yè)務(wù)I48.5~92.0模擬廣播電視FM87.0~108.0調(diào)頻廣播A1111.0~167.0模擬廣播電視III167.0~223.0模擬廣播電視A2223.0~295.0模擬廣播電視B295.0~463.0模擬廣播電視IV470.0~582.0數(shù)字或模擬廣播電視V582.0~710.0電信業(yè)務(wù)(1)(VOD等)VI710.0~750.0電信業(yè)務(wù)(2)(電話、數(shù)據(jù))606.2.4混合光纖同軸網(wǎng)(HFC)
5.HFC的業(yè)務(wù)支持能力(1)基于數(shù)字傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)①普通電話業(yè)務(wù)(POTS)②p×64kbit/s租用線業(yè)務(wù)③E1(成幀與不成幀)業(yè)務(wù)④ISDN業(yè)務(wù):BRA和PRA⑤數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)⑥數(shù)字視頻業(yè)務(wù)(如VOD)⑦個(gè)人通信業(yè)務(wù)(PCS)(2)模擬業(yè)務(wù)①模擬廣播電視②調(diào)頻廣播616.2.4混合光纖同軸網(wǎng)(HFC)
6.HFC的用戶設(shè)備HFC的用戶設(shè)備由綜合業(yè)務(wù)單元(ISU)與電信業(yè)務(wù)終端和/或有線電視終端組成。ISU提供與電信業(yè)務(wù)終端和/或有線電視終端的接口功能。常見的ISU有電纜調(diào)制解調(diào)器(CM)和機(jī)頂盒(SetTopBox)。CM用于提供數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù),連接PC或局域網(wǎng)。CM具有標(biāo)準(zhǔn)以太接口,可以連接單臺(tái)PC,也可以接多臺(tái)PC或局域網(wǎng)。機(jī)頂盒用于配合電視機(jī)收看模擬的或數(shù)字的廣播電視節(jié)目。功能強(qiáng)的機(jī)頂盒可同時(shí)具有CM的功能,用戶可通過電視機(jī)上網(wǎng),同樣CM也可能兼有接收模擬和數(shù)字廣播電視的功能。626.2.5固定無線接入(FWA)
1.固定無線接入的基本概念和特點(diǎn)
(1)基本概念固定無線接入是指業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)到用戶終端間部分或全部采用了無線傳輸?shù)慕尤敕绞?。其終端不含或含有有限的移動(dòng)性。(2)無線本地環(huán)路的優(yōu)點(diǎn)①系統(tǒng)安裝快捷,維護(hù)方便,費(fèi)用低。②網(wǎng)絡(luò)靈活性高,擴(kuò)容方便,便于網(wǎng)絡(luò)重組和用戶變遷。③有有限的移動(dòng)性,方便用戶,享受到移動(dòng)通信的部分功能,且僅僅支付普通市話費(fèi)用即可。④免去干線建設(shè),提高了農(nóng)村電話網(wǎng)建設(shè)的速度和安全性。⑤頻譜利用率高,可以構(gòu)建高密度的室內(nèi)無線電話網(wǎng)。636.2.5固定無線接入(FWA)
2.固定無線接入的系統(tǒng)構(gòu)成典型的固定無線接入系統(tǒng)由下述單元組成,如圖6-23所示。圖6-23固定無線系統(tǒng)的參考配置646.2.5固定無線接入(FWA)(1)用戶單元是用戶攜帶的或固定在某一位置的無線收發(fā)信機(jī),分為固定式、移動(dòng)式和便攜式3種。它為用戶提供電話、傳真等終端的標(biāo)準(zhǔn)接口,也可與終端做成一體。(2)基站基站通過無線接口提供與用戶單元之間的無線信道。(3)基站控制器提供與基站、網(wǎng)絡(luò)和操作維護(hù)中心的接口,提供無線信道控制和基站監(jiān)測(cè)等功能,并完成與交換機(jī)的轉(zhuǎn)換。(4)網(wǎng)管中心網(wǎng)管中心管理整個(gè)固定無線接入系統(tǒng)。它的功能包括配置管理、故障管理、性能管理、安全管理和計(jì)費(fèi)管理。656.2.5固定無線接入(FWA)3.固定無線接入的分類按照服務(wù)對(duì)象和覆蓋范圍,固定無線接入可分成以下3類。
(1)宏區(qū):又稱大區(qū),覆蓋區(qū)半徑為5~55km,主要用于農(nóng)村、山區(qū)、沿海和沙漠地區(qū)。
(2)微區(qū):覆蓋區(qū)半徑為0.5~5km,主要用于城市、郊區(qū)和農(nóng)村。(3)微微區(qū):覆蓋區(qū)半徑為50~500m,主要用于大城市人口密集的區(qū)域。666.2.5固定無線接入(FWA)4.業(yè)務(wù)和功能支持電話、話帶數(shù)據(jù)和傳真等固定電話網(wǎng)提供的業(yè)務(wù)。(1)支持公網(wǎng)交換機(jī)所發(fā)出的撥號(hào)音、忙音等信號(hào)音。(2)支持DTMF信號(hào)和拍叉簧功能,及各項(xiàng)派生業(yè)務(wù)。(3)支持基本業(yè)務(wù)及補(bǔ)充業(yè)務(wù)的透明傳送。(4)具有用戶識(shí)別鑒權(quán)功能。(5)固定無線接入用戶的管理。(6)系統(tǒng)能提供對(duì)固定用戶終接設(shè)備的檢測(cè)監(jiān)視能力。(7)呼叫處理能力。676.2.5固定無線接入(FWA)
5.固定無線接入中采用的無線傳輸技術(shù)
(1)微波一點(diǎn)多址接入系統(tǒng)是一種利用無線傳輸?shù)膹V播性,實(shí)現(xiàn)多個(gè)分散點(diǎn)用戶業(yè)務(wù)的集中的通信系統(tǒng),又稱無線用戶集中器。(2)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)用于固定接入在移動(dòng)蜂窩系統(tǒng)的基礎(chǔ)上針對(duì)固定接入的特點(diǎn)進(jìn)行改造的,以降低成本,適合于本地環(huán)路環(huán)境。(3)專用的無線接入技術(shù)由廠商根據(jù)無線接入的特點(diǎn)自行制定標(biāo)準(zhǔn)專門為用于本地環(huán)路而開發(fā)的技術(shù),沒有統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)。(4)無繩通信系統(tǒng)用于固定接入:有CT2系統(tǒng)和DECT系統(tǒng)。686.2.5固定無線接入(FWA)圖6-24CT2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)①CT2系統(tǒng)主要用作公用電話網(wǎng)的接入手段,而不是獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò),結(jié)構(gòu)如圖6-24所示。696.2.5固定無線接入(FWA)
②DECT系統(tǒng)DECT系統(tǒng)繼承了CT2的一些特點(diǎn),克服了一些缺點(diǎn),特點(diǎn)是DECT系統(tǒng)有良好的越區(qū)切換功能。DECT系統(tǒng)可利用多時(shí)隙組合支持較高速率的數(shù)據(jù)鏈路,用于144kbit/s的ISDN2B+D業(yè)務(wù)、G4傳真機(jī)業(yè)務(wù)等。DECT系統(tǒng)也采用32kbit/s的ADPCM語音壓縮編碼,語音質(zhì)量很好。DECT系統(tǒng)有很強(qiáng)的定位能力,可以自動(dòng)找到1000個(gè)用戶。DECT系統(tǒng)還具有較強(qiáng)的信令能力,呼叫建立快,通路變化迅速,既可呼出,也可呼入。706.2.5固定無線接入(FWA)
6.固定無線接入的應(yīng)用(1)人口稀疏的農(nóng)村、邊緣地區(qū)及庫區(qū)(2)城市新興商業(yè)區(qū)和居民區(qū)(3)在難于架設(shè)有線的地方(4)臨時(shí)應(yīng)用或緊急措施716.3相干光通信技術(shù)相干光——是由兩個(gè)激光器產(chǎn)生的具有空間疊加、相互干涉特性的激光。相干光通信——在發(fā)射端對(duì)光載波進(jìn)行幅度、頻率或相位調(diào)制,在接收端,則采用零差檢測(cè)或外差檢測(cè)等相干檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行信息接收的通信方式。相干光通信系統(tǒng)可以把光頻段劃分為許多頻道,從而使光頻段得到充分利用,即多信道光纖通信。與強(qiáng)度調(diào)制—直接檢測(cè)系統(tǒng)不同,相干光纖通信系統(tǒng)在光接收機(jī)中增加了外差或零差接收所需的本地振蕩光源,該光源輸出的光波與接收到的已調(diào)光波在滿足波前匹配和偏振匹配的條件下,進(jìn)行光電混頻。726.3相干光通信技術(shù)相干光通信系統(tǒng)與IM-DD系統(tǒng)比較,主要有以下優(yōu)點(diǎn)。(1)光接收機(jī)靈敏度高,中繼距離長(2)頻率選擇性好,通信容量大(3)具有多種調(diào)制方式1.相干光通信系統(tǒng)的基本原理與組成
光接收機(jī)接收的信號(hào)光和本地振蕩器產(chǎn)生的本振光經(jīng)混頻器作用后,光場發(fā)生干涉,由光檢測(cè)器輸出的光電流經(jīng)處理后以基帶信號(hào)形式輸出。由于混頻輸出光信號(hào)的中頻信號(hào)功率分量帶有信號(hào)光的幅度、頻率或相位信息,因此發(fā)端不管采用哪種調(diào)制方式,均可以在中頻功率分量反映出來,所以相干光接收方式適合于所有調(diào)制方式的通信。73
相干檢測(cè)原理方框圖光檢測(cè)器電信號(hào)處理本地光振蕩器信號(hào)光混頻器基帶信號(hào)ωsωL6.3相干光通信技術(shù)746.3相干光通信技術(shù)相干光通信系統(tǒng)由光發(fā)射機(jī)、光纖和光接收機(jī)組成。圖6-25相干光通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖756.3相干光通信技術(shù)如圖6-25所示,光源發(fā)出頻率為fs的光脈沖,通過調(diào)制器將已經(jīng)變成電信號(hào)的信號(hào)源調(diào)制到光脈沖包絡(luò)上,通過長距離線路傳輸后,到達(dá)接收端,接收端采用外差技術(shù),首先通過耦合器將光信號(hào)和本振光源信號(hào)同時(shí)送到光電檢測(cè)器接收,本振光源頻率為fs+fIF,信號(hào)光和本振光在滿足波前匹配和偏振匹配的條件下混頻,得到頻率為fIF的中頻信號(hào),該信號(hào)經(jīng)過放大后送到解調(diào)器解調(diào),最終到達(dá)接收電路完成通信過程。相干光通信系統(tǒng)靈敏度的提高主要是因?yàn)樗捎昧吮镜卣袷幍玫搅艘欢ǖ脑鲆妫鶕?jù)無線電知識(shí)中外差接收技術(shù)知識(shí)可以得到光電檢測(cè)器的電流:766.3相干光通信技術(shù)式中:η為光電檢測(cè)量子效率,h為普朗克常量,e為電子電量,f為光頻率,Ps為信號(hào)光功率,PL為本振光功率,m為調(diào)制系數(shù),(t-τg)為群延時(shí),ωs、ωL和φs、φL分別為信號(hào)光和本振光的角頻率和相位。相干檢測(cè)的方式(1)零差檢測(cè)選擇ωL=ωs,即ωIF=0。零差檢測(cè)接收光功率可以放大幾個(gè)數(shù)量級(jí),雖然噪聲也增大,但仍能使靈敏度大幅提高,但技術(shù)復(fù)雜,必須嚴(yán)格控制相位變化,使φs-φL保持不變,同時(shí)要求ωL=ωs。(2)外差檢測(cè)選擇ωL≠ωs,即ωIF=ωs-ωL>0。外差檢測(cè)也能提高靈敏度,信噪比改善比零差檢測(cè)低3dB,但因無需實(shí)現(xiàn)相位鎖定,接收機(jī)設(shè)計(jì)相對(duì)簡單。776.3相干光通信技術(shù)(1)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)的組成框圖如下圖所示。光發(fā)射機(jī)框圖786.3相干光通信技術(shù)①調(diào)制方式光發(fā)射機(jī)中的光調(diào)制器根據(jù)調(diào)制方式的不同,可分為ASK、FSK和PSK3種形式,這3種形式的已調(diào)光波圖如圖6-26所示。②調(diào)制方式的比較ASK方式最簡單,缺點(diǎn)是要損失一部分光源功率,通斷消光比不理想,耦合時(shí)所附加的插入損耗較大。FSK方式的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是無需外部調(diào)制器,可對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行直接注入電流調(diào)制,但這種方式對(duì)激光器要求較高。PSK方式的接收靈敏度最高可達(dá)20光子/比特,適用于長距離無中繼傳輸,但它對(duì)光源的線寬要求極高。796.3相干光通信技術(shù)圖6-26各種調(diào)制方式的波形806.3相干光通信技術(shù)(2)光纖單模光纖作為一種傳輸媒介,其作用是將已調(diào)光波從發(fā)送端傳送到接收端,傳送模式為基模。(3)光接收機(jī)光接收機(jī)的組成框圖如圖6-27所示。圖6-27光接收機(jī)框圖816.4光孤子通信技術(shù)
1.光孤子通信技術(shù)的起源孤子(Soliton)又稱孤立波,是經(jīng)光纖長距離傳輸之后,其幅度和波形寬度都不變的超短光脈沖(ps數(shù)量級(jí)),或者說是一種在傳播過程中形狀、幅度和速度都維持不變的脈沖狀行波。有人把孤子定義為:孤子與其他同類孤立波相遇后,能維持其幅度、形狀和速度不變。1834年英國海軍工程師ScottRussel觀察到河面上船過后隆起的水波可以保形傳輸,從此揭開了孤子理論的研究序幕。1973年,Hasegawa與Tappert一起從理論上證明了光孤子脈沖能在光纖中保形傳輸這一現(xiàn)象,這種發(fā)現(xiàn)誘發(fā)了人們將光孤子作為一種信息載體用于高速通信的遐想。光孤子通信——是利用光孤子作為載體的通信方式。826.4光孤子通信技術(shù)2.光孤子通信技術(shù)的基本原理光孤子(OpticalSoliton)就是一種具有雙曲正割形狀的光脈沖,這種脈沖在光纖中傳輸是利用光纖的群速度色散(GVD)和非線性作用中的自相位調(diào)制(SPM)兩種影響達(dá)到平衡的情況下,從而能保持原來的形狀傳輸。利用光孤子的這種特性,可以實(shí)現(xiàn)超長距離、超大容量的光通信。色散——使經(jīng)過光纖傳輸一定距離后的光信號(hào)出現(xiàn)波形展寬的現(xiàn)象。非線性效應(yīng)——在入射光功率較強(qiáng)的條件下,光纖折射率隨光強(qiáng)度變化的現(xiàn)象。83非線性效應(yīng)在強(qiáng)光作用下,光纖的n可以表示為這種折射率隨光強(qiáng)變化的特性稱為克爾效應(yīng)。設(shè)波長為λ,光強(qiáng)為的光脈沖在長度為L的光纖中傳輸,則光強(qiáng)感應(yīng)的折射率變化,由此引起的相位變化為這種使脈沖不同部位產(chǎn)生不同相移的特性,稱為自相位調(diào)制(SPM)。SPM引起脈沖載波頻率隨時(shí)間的變化為該頻移使脈沖頻率改變分布,在脈沖下降部分,頻率升高,在脈沖上升部分,頻率降低,這種現(xiàn)象即脈沖被線性調(diào)頻或稱為啁啾。6.4光孤子通信技術(shù)84設(shè)已調(diào)波的頻譜較窄,近似單色平面波,則由于克爾效應(yīng),其傳播常數(shù)β為式中P為光功率。Aeff為有效光纖截面積。將該式β0在和P=0附近級(jí)數(shù)展開,可得式中右邊第三項(xiàng)和第四項(xiàng)正好體現(xiàn)的是光纖的色散和非線性效應(yīng),因此,只要適當(dāng)選擇相關(guān)參數(shù),使這兩項(xiàng)的絕對(duì)值相等,則光纖色散和非線性效應(yīng)便相互抵消,使輸入脈沖寬度保持不變,形成穩(wěn)定的光孤子。6.4光孤子通信技術(shù)85
光孤子通信系統(tǒng)的構(gòu)成框圖孤子源調(diào)制脈沖源探測(cè)EDFAEDFAEDFAEDFA光纖傳輸系統(tǒng)隔離器6.4光孤子通信技術(shù)866.4光孤子通信技術(shù)
光孤子源產(chǎn)生一系列脈沖寬度很窄的光脈沖(即光孤子流),作為信息載體進(jìn)入光調(diào)制器,使信息對(duì)光孤子進(jìn)行調(diào)制。被調(diào)制的光孤子流經(jīng)摻鉺光纖放大器和光隔離器后,進(jìn)入光纖中傳輸。為克服光纖損耗帶來的光孤子減弱,在光纖線路上周期性地插入EDFA,向光孤子注入能量,以補(bǔ)償光纖傳輸而引起的能量損耗,確保光孤子穩(wěn)定傳輸。在接收端,通過光檢測(cè)器和解調(diào)裝置,恢復(fù)光孤子所承載的信息。
3.光孤子通信技術(shù)的新進(jìn)展
(1)理論研究進(jìn)展
首先,在理論方法方面,基于標(biāo)準(zhǔn)非線性薛定諤方程和逆散射理論,深入研究了理想孤子解的基本結(jié)構(gòu)和特征;基于光孤子通信系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)和擾動(dòng)非線性薛定諤方程,建立了研究光孤876.4光孤子通信技術(shù)子傳輸特性的各種擾動(dòng)理論方法,深入研究了光孤子的動(dòng)力學(xué)過程、動(dòng)態(tài)演化特性、穩(wěn)定性及穩(wěn)定傳輸?shù)臈l件和能力;基于光孤子的粒子性,建立了分析孤子相互作用的各種理論方法,揭示了光時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用系統(tǒng)中光孤子相互作用的機(jī)制和規(guī)律。其次,在光孤子通信系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)模型方面,基于不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行條件和性能要求,研究了光孤子傳輸方案和理論模型,建立了平均孤子或?qū)б行墓伦幽P图皠?dòng)態(tài)孤子和絕熱孤子傳輸方案,確立了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本模式。(2)色散管理孤子(DMS)
經(jīng)過十余年對(duì)孤子脈沖傳輸研究,探索了各種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,解決了許多關(guān)鍵技術(shù),脈沖在光纖中傳輸時(shí)所886.4光孤子通信技術(shù)產(chǎn)生的色散、損耗和非線性是公認(rèn)的三大影響孤子脈沖傳輸?shù)囊蛩?,摻鉺光纖放大器(EDFA)問世后,損耗問題已經(jīng)得到很好的解決,但是隨著孤子脈沖源脈寬的越來越窄,色散作用越來越影響孤子的傳輸,于是對(duì)色散進(jìn)行補(bǔ)償成為一個(gè)緊要的技術(shù),現(xiàn)在光孤子通信系統(tǒng)的色散補(bǔ)償大體有兩類技術(shù):一類是弱色散和局部色散補(bǔ)償;另一類是周期性全局強(qiáng)色散補(bǔ)償。DMS比普通孤子系統(tǒng)具有更長的光中繼距離,可達(dá)120~140km,而普通孤子系統(tǒng)僅為30~50km。896.4光孤子通信技術(shù)采用如圖6-28所示的實(shí)驗(yàn)裝置:增益開關(guān)DFB激光器產(chǎn)生5GHz脈沖串,啁啾參量C=?2.29,并采用普通單模光纖(SMF)和色散補(bǔ)償光纖(DCF)搭配進(jìn)行孤子脈沖傳輸,其中SMF長度為30km,D=17ps/nm·km,DCF的長度為8km,D=?62ps/nm·km,通過利用DCF補(bǔ)償色散,傳輸38km以后的孤子脈沖仍能保持原來的形狀,并且啁啾參量C=?1.57,也就是說經(jīng)過色散補(bǔ)償后的DMS改善了脈沖的傳輸質(zhì)量。圖6-285GHz,38km色散管理孤子傳輸試驗(yàn)圖906.4光孤子通信技術(shù)3.光孤子通信實(shí)用化研究進(jìn)程
歐共體各國協(xié)同組建了多項(xiàng)孤子發(fā)展項(xiàng)目,歐洲各相關(guān)光通信公司、研究所和大學(xué)基本上都參加了其項(xiàng)目研究,下表給出了其中三個(gè)項(xiàng)目的基本情況。916.4光孤子通信技術(shù)
4.光孤子通信實(shí)用化研究進(jìn)程20世紀(jì)90年代前,孤子技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室完成的.1995年后開始現(xiàn)場試驗(yàn)和實(shí)用化研究?,F(xiàn)已經(jīng)日趨成熟并已引起工業(yè)界和電信運(yùn)營商的高度重視,它將是下一代光纖通信的主流方式。926.5全光通信網(wǎng)1.全光網(wǎng)(All-OpticalNetworks,AON)的概念所謂全光通信網(wǎng)是指信號(hào)以光的形式穿過整個(gè)網(wǎng)絡(luò),直接在光域內(nèi)進(jìn)行信號(hào)的傳輸、再生、光交叉連接(OXC)、光分叉復(fù)用(OADM)和交換/選路,中間不需經(jīng)過光電、電光轉(zhuǎn)換,因此它不受檢測(cè)器、調(diào)制器等光電器件響應(yīng)速度的限制,對(duì)比特速率和調(diào)制方式透明,可以大大提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量和交換節(jié)點(diǎn)的吞吐量.
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