光纖通信課件：第10章 光纖傳輸系統(tǒng)

第10章

調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)概述光調(diào)制電復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)光復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)相干光波通信系統(tǒng)光纖孤子實驗系統(tǒng)高速光纖傳輸系統(tǒng)內(nèi)容要求

調(diào)制調(diào)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(diào)制分相干調(diào)制和非相干調(diào)制；非相干調(diào)制---改變載波的幅度；相干調(diào)制---改變載波的頻率或相位；光通信系統(tǒng)中非相干調(diào)制有直接調(diào)制和外調(diào)制兩種；直接調(diào)制---信息直接調(diào)制光源的輸出光強(qiáng)；外調(diào)制---信息通過外調(diào)制器對連續(xù)輸出光進(jìn)行調(diào)制；最常用的的光纖系統(tǒng)都是采用非相干的強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(IM/DD)方式；近來，采用偏振復(fù)用正交相移鍵控（PM-QPSK）調(diào)制，在接收端使用相干檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)在現(xiàn)有10Gb/s光纖線路上傳輸40Gb/s信號，這種相干檢測受到重視。IM/DD方式在發(fā)送端，電信號直接調(diào)制（IM）光載波的強(qiáng)度；在接收端，光信號被光電二極管直接探測（DD），從而恢復(fù)發(fā)射端的電信號。圖7.1.1光通信采用的調(diào)制方式IM/DD方式實現(xiàn)圖解

頻率調(diào)制以增加調(diào)制帶寬換取信噪比的降低圖7.1.4模擬副載波調(diào)制ASK、PSK和FSK調(diào)制方式比較例題

脈沖信號對光強(qiáng)度調(diào)制編碼

對數(shù)字信號進(jìn)行編碼的理由是：(1)為了使接收再生電路把相位或頻率鎖定到信號定時上；(2)因為光接收機(jī)采用電容耦合，接收機(jī)不能對直流和低頻分量響應(yīng)，使長連零信號的幅度逐漸下降，經(jīng)判決電路后會產(chǎn)生誤碼，如圖所示。

光接收機(jī)電容耦合使長連零信號幅度下降導(dǎo)致判決產(chǎn)生誤碼編碼的目的使輸出的二進(jìn)制碼不要產(chǎn)生長連“1”

或長連“0”，而是使“1”

碼和“0”

碼盡量相間排列。這樣既有利于時鐘提取，也不會產(chǎn)生因長連零信號幅度下降使判決產(chǎn)生誤碼。

兩種二進(jìn)制編碼雙二進(jìn)制編碼（DB）技術(shù)雙二進(jìn)制編碼（DB，DuoBinary）技術(shù)能使“0”和“1”的數(shù)字信號，經(jīng)低通濾波后變換為具有3個值“1”、“0”和“1”的信號。這種技術(shù)與一般的幅度調(diào)制技術(shù)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(kuò)大信道容量，近來受到人們的高度重視。各種二進(jìn)制編碼SDH干線采用擾碼的NRZ碼大多數(shù)高性能干線系統(tǒng)使用擾碼的NRZ碼，如SDH干線。這種碼型最簡單，帶寬窄，SNR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(yīng)用。調(diào)制和編碼前后信道信噪比的關(guān)系復(fù)用信道復(fù)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(fù)用到一個大容量傳輸信道的過程。在電域內(nèi)，信號復(fù)用可分為時分復(fù)用（TDM）、頻分復(fù)用（FDM）和碼分復(fù)用(CDM)；在光域內(nèi)，信號復(fù)用有光時分復(fù)用（OTDM）、光頻（波）分復(fù)用（OFDM，WDM）和光碼分復(fù)用(OCDM)。光纖通信系統(tǒng)為了充分發(fā)揮其寬帶的優(yōu)點，允許復(fù)用多個信道到一根光纖上。因此，復(fù)用后的多個信道共享光源的光功率和光纖的傳輸帶寬。副載波調(diào)制（SCM）副載波調(diào)制是首先用信息信號調(diào)制一個比基帶信號最高頻率高幾倍的載波然后用該載波信號再去調(diào)制光波。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(shù)就稱為副載波調(diào)制（SCM，Subcarriermodulation）。SCM分類模擬調(diào)制

用輸入模擬信號調(diào)制高頻正弦波的過程叫模擬調(diào)制。在接收端基帶信號的恢復(fù)是通過低通濾波器，濾除所有的高頻成分而得到的。頻率調(diào)制

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)。相位調(diào)制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(diào)制信號為輸入信號電壓的函數(shù)。光調(diào)制模擬強(qiáng)度光調(diào)制數(shù)字強(qiáng)度光調(diào)制當(dāng)調(diào)制信號是數(shù)字信號時，調(diào)制原理與模擬強(qiáng)度調(diào)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(qiáng)度調(diào)制選在P-I特性的線性區(qū)；而數(shù)字調(diào)制選在閾值點。模擬強(qiáng)度調(diào)制 數(shù)字強(qiáng)度調(diào)制

電復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)頻分復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)微波副載波復(fù)用（SCM）光纖傳輸系統(tǒng)電時分復(fù)用的典型應(yīng)用—SDH光纖傳輸系統(tǒng)電頻分復(fù)用

光纖傳輸系統(tǒng)原理圖微波副載波復(fù)用(SCM)光纖傳輸系統(tǒng)SCM（SubcarrierMultiplexing）是一種新的、結(jié)合現(xiàn)有微波和光通信技術(shù)的通信系統(tǒng)。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(fù)用）的技術(shù)。使用同軸電纜傳輸多信道微波信號時，總帶寬限制在1GHz以下。然而，若使用光纖傳輸，信號帶寬則可以超過10GHz。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用，所以這種技術(shù)就稱為微波副載波復(fù)用（SCM）。SCM原理微波副載波復(fù)用系統(tǒng)構(gòu)成使用AM-VSB技術(shù)，基帶信號調(diào)制各自的微波副載波，微波功率混合器將所有已調(diào)副載波信號復(fù)合。該復(fù)合信號直接加在激光器的偏流上調(diào)制半導(dǎo)體激光器的輸出光強(qiáng)，副載波復(fù)用的特點(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，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，也避免了日益擁塞的微波頻道資源分配和批準(zhǔn)問題。(2)由于一個光通道可以承載多個微波副載波信道，每個副載波又可以分別傳送各種不同類型的業(yè)務(wù)信號，彼此互相獨(dú)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(wù)的綜合和分離。副載波復(fù)用的特點(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(shù)和設(shè)備，但又比現(xiàn)有微波傳輸容量大得多。(4)與TDM相比，SCM系統(tǒng)只接收本載波頻帶內(nèi)的信號和噪聲，因而靈敏度高，也無需復(fù)雜的定時同步技術(shù)。就傳送電視節(jié)目而言，采用TDM方式，一個光載波可以傳輸?shù)牡湫凸?jié)目數(shù)是16~32個,而采用FM方式的SCM至少可以傳送60~120個節(jié)目，而且成本很低,因而SCM系統(tǒng)在電視分配網(wǎng)中很有競爭力。然而，模擬SCM方式光功率余度較小，如不使用EDFA，在維持端到端性能方面有一定困難，也不適應(yīng)電信網(wǎng)的數(shù)字化趨勢，因而不是長遠(yuǎn)的主流發(fā)展方向，而是中近期比較經(jīng)濟(jì)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，所以模擬SCM系統(tǒng)要求:系統(tǒng)載噪比（CNR）高；光源和通信信道的線性度要好； 如果半導(dǎo)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輸出光波形的畸變并影響系統(tǒng)的性能。LD的模擬調(diào)制P-I曲線非線性引起輸出光波形的畸變電時分復(fù)用的典型應(yīng)用—SDH光纖傳輸系統(tǒng)

時分復(fù)用（TDM）有；電時分復(fù)用 電時分復(fù)用在PCM通信中已得到廣泛的應(yīng)用，本節(jié)主要討論這種TDM。光時分復(fù)用（OTDM）電時分復(fù)用工作原理時分復(fù)用（TDM,Time-DivisionMultiplexing）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?shù)募夹g(shù)。時分復(fù)用系統(tǒng)的輸入可以是模擬信號，也可以是數(shù)字信號。數(shù)字輸入時分復(fù)用原理圖應(yīng)用：PCMSDHAPONEPON

數(shù)字輸入時分復(fù)用原理圖為實現(xiàn)TDM傳輸，把傳輸時間分成若干個時隙；在每個時隙傳輸一路信號，從而形成復(fù)合脈沖串；在接收端，采用一個與發(fā)送端同步的類似于旋轉(zhuǎn)式開關(guān)的器件，完成TDM多路脈沖流的分離；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。在幀頭，插入一些定時、誤碼檢測和開銷比特(FOH,FramOverhead)，其目的是為使解復(fù)用器與復(fù)用器同步，并進(jìn)行誤碼檢測。數(shù)字輸入時分復(fù)用原理圖PCM通信制式的基礎(chǔ)速率E1話音信號的頻帶為（300~3400）Hz，取上限頻率為4000Hz，按取樣定理則取樣頻率為fs=8kHz（即每秒取樣8000次），取樣時間間隔T=1/fs=1/8k=125s，在125s時間間隔內(nèi)要傳輸8個二進(jìn)制代碼（比特），每個代碼所占時間為Tb=125/8(s)，所以每路數(shù)字電話的傳輸速率為B=1/Tb=64kb/s（或者8b/每次取樣

8000次/每秒取樣）。如果傳輸32路PCM電話，則傳輸速率為64kb/s32=2048kb/s（也就是8b/每個取樣值

32個取樣值/每次

8000次/每秒）。這一速率就是我國PCM通信制式的基礎(chǔ)速率。SDH復(fù)用首先幾個低比特率信號復(fù)用成STM-0信號，接著3個STM-0信號復(fù)用成STM1信號，然后4個STM1信號再復(fù)用成STM4信號，最后4個STM4信號形成STM16信號。在實際上也可以將STM1信號直接復(fù)用成STM16信號，幾個低比特率信號也可以直接復(fù)用成STM1信號。光復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)波分復(fù)用（WDM）光纖傳輸系統(tǒng)光時分復(fù)用（OTDMA）光纖傳輸系統(tǒng)光碼分復(fù)用（OCDM）光纖傳輸系統(tǒng)光復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)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1THz。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超過1Tb/s，但實際上，常常被限制到100Gb/s。種類

WDM OTDM OCDMA多址接入技術(shù)在點對點的系統(tǒng)中，信道的接入稱為復(fù)用；而在局域網(wǎng)中則稱為多址接入(Access)。所以對應(yīng)的有WDMA、OTDMA和OCDMA波分復(fù)用

就像電頻分復(fù)用一樣，在發(fā)射端多個信道調(diào)制各自的光載波,在接收端使用光頻選擇器件對復(fù)用信道解復(fù)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(fù)用通信系統(tǒng)。波分復(fù)用

光纖傳輸系統(tǒng)原理圖從實際的觀點看，當(dāng)信道間距變得和比特速率接近時（密集的FDM）就必須使用相干檢測技術(shù)，而信道間距較大時（>100GHz）可以采用直接檢測技術(shù)2.64Tb/s高密集

WDM傳輸實驗光時分復(fù)用(OTDMA)光纖傳輸系統(tǒng)光時分復(fù)用（OTDM）是一種構(gòu)成高比特率傳輸很有效的技術(shù)。它在系統(tǒng)發(fā)送端光學(xué)復(fù)用幾個低比特率數(shù)據(jù)流，在接收端用光學(xué)方法把它解復(fù)用出來。這種方法避開使用高速電子器件而改用寬帶光電器件。電時分復(fù)用和光時分復(fù)用系統(tǒng)比較電時分復(fù)用的基本原理是給每個基帶數(shù)據(jù)流在復(fù)用信道上分配一列時隙。復(fù)用器把基帶數(shù)據(jù)流組裝成較高比特速率的比特流解復(fù)用器把已復(fù)用的數(shù)據(jù)流拆分成原來的低速比特流。該系統(tǒng)的E/O和O/E轉(zhuǎn)換器（即光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)）已變成基帶信號，與信號處理有關(guān)的所有電子設(shè)備均工作在基帶比特速率下，不存在電子瓶頸問題。

光脈沖流通過調(diào)制器對輸入調(diào)制器的基帶數(shù)據(jù)流進(jìn)行取樣編碼4Gb/s光數(shù)據(jù)脈沖產(chǎn)生原理圖N信道光時分復(fù)用系統(tǒng)的定時原理圖N個入射到復(fù)合器的光信號是RZ脈沖流，該脈沖流周期為B，脈沖寬度為T。使用延遲線對輸入脈沖流在時間上進(jìn)行調(diào)整，使加于光復(fù)用器上的每個信道的脈沖流依次延遲一段時間TD。光時分復(fù)用（OTDM）

系統(tǒng)的復(fù)合過程表示一個電主時鐘發(fā)生器被n個光脈沖發(fā)生器共用,在電時鐘路徑上，使用電延遲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入脈沖流延時。四信道OTDM

解復(fù)用原理圖解復(fù)用器是OTDM系統(tǒng)最關(guān)鍵的器件。它的目的是分配復(fù)用比特流中的每個比特到指定的O/E轉(zhuǎn)換器。構(gòu)成光解復(fù)用器的基本器件是12光開關(guān)。對于多信道系統(tǒng)，連接多個12光開關(guān)可以構(gòu)成大容量的解復(fù)用交換網(wǎng)絡(luò)。光碼分復(fù)用（OCDM）光纖傳輸系統(tǒng)隨著WDM復(fù)用波長數(shù)的增加，光纖中的光強(qiáng)越來越大，光纖非線性也越來越嚴(yán)重;所以在未來的網(wǎng)絡(luò)中波長資源可能出現(xiàn)匱乏。光碼分復(fù)用（OCDM）系統(tǒng)采用同一波長的擴(kuò)頻序列，頻譜資源利用率高，它與WDM結(jié)合，可以大大增加系統(tǒng)容量。WDMA和OCDMA的區(qū)別WDMA是不同的用戶根據(jù)預(yù)先分配給的波長使用網(wǎng)絡(luò)，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。這種缺點可通過隨機(jī)多路接入技術(shù)，即在任意時間內(nèi)允許用戶隨機(jī)地接入任一信道得到解決?；陬l譜展寬方法的碼分復(fù)用就是這樣的一種技術(shù)。CDM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(guān)的一種編碼來完成的。稱頻譜展寬碼為特征碼或密鑰，有