光纤通信第8章光复用技术.ppt

1,第八章,光复用技术,2,8.1 光复用技术的基本概念,8.2 光时分复用技术,8.3 密集波分复用技术,8.4 密集波分复用技术的非线性串扰,内容简介：,3,光纤通信单信道速率40Gbit/s，与光纤带宽潜力相比相差巨大，有潜力可挖。电复用技术实验室已到40Gbit/s，但受电子迁移速率限制，进一步提高速率已十分困难。克服电复用的这一“瓶颈”，进一步提高光纤频带的利用率，只有采用光复用技术，必须挖。,8.1 光复用技术的基本概念,4,8.1 光复用技术的基本概念,复用技术：为提高通信线路利用率，采用同一传输线路上同时传输多路不同信号而互不干扰的技术。（FDM，TDM，CDM，SCM）,把通信资源（带宽、时隙）固定分配给各个终端。一旦分配确定，这个终端是否通信，都占用这个频带或时隙，直到拆线为止。比如：电话,两种复用方式:,1.静态复用（同步复用）,8.1 光复用技术的基本概念,2.动态复用（统计复用）,全称“统计时分多路复用”(Statistical Time Division Multiplexing，STDM)，或称“异步时分多路复用”。,只把需要传送信息的终端接入公共信道，“动态地”按需分配其时隙。从而更有效提高了线路利用率。统计表明：统计复用比静态时分复用提高传输效率24倍。,比如：数据通信-Internet,5,6,8.1 光复用技术的基本概念,光波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)技术；光频分复用(Optical Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术；光时分复用(Optical Time Division Multiplexing，OTDM)技术；光副载波复用(Optical Subcarrier Multiplexing，OSCM)技术；光码分复用(Optical Code Division Multiplexing，OCDM)技术等。,与电复用技术相对应，光复用技术有：,7,8.1 光复用技术的基本概念,一芯光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。基本原理：在发送端将不同波长光信号组合，耦合到光缆同一根光纤中传输，在接收端将组合波长光信号分开，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。,特点：研究最多、发展最快、应用最为广泛。,1.光波分复用（WDM）,8.1 光复用技术的基本概念,2.光频分复用（OFDM）,与WDM没有本质上区别。V=f 相邻两光载波的间隔更小，一般认为：当相邻光载波的间隔小到0.1nm(10GHz)以下时，此时的复用称为光频分复用。在光载波间隔比较大时，用波长衡量比较方便，称之为波分复用。而当间隔比较小时，用波长来衡量就不方便，称为频分复用。,8,9,8.1 光复用技术的基本概念,用高速光开关把多路光信号在时域复用。,3.光时分复用（OTDM）,获得较高速率带宽比，可克服掺铒光纤放大器（EDFA)增益不平坦、四波混频(FWM)非线性效应等诸多因素限制，且可解决复用端口的竞争，增加全光网络的灵活性。,基本原理：在发送端同一载波波长，时间分割成周期性帧，每帧再分割成若干时隙，根据时隙分配原则，每信源在每帧内只能按指定时隙向信道发送信号。接收端在同步的条件下，分别在各个时隙中取回各自的信号而不混扰。,特点：,关键技术较复杂，实现这些技术器件特别昂贵，且由于偏振模色散对高速信号的限制，尚未得到很大发展和应用。,10,8.1 光复用技术的基本概念,4.光副载波复用（OSCM）,基带信号先调制到GHz副载波上（电域），其副载波调制再到THz的光载波上（光域）。,工作原理：每个信道具有不同副载波频率，占据光载波附近光谱不同部分，保证各信道上信号互不干扰。如下图。,副载波复用模拟电视光纤传输系统方框图,特点：,副载波信道复用和解复用在电域进行，副载波复用的几个信道能共用一个价格昂贵光器件，降低设备成本。副载波复用受限于电、光器件的可用带宽，而限制了最高副载波频率和数据率。若更多地利用光纤的带宽，副载波复用技术可与波分复用技术联合使用。,8.1 光复用技术的基本概念,11,副载波复用模拟电视光纤传输系统方框图,4.光副载波复用（OSCM）,12,8.1 光复用技术的基本概念,5.光码分复用（OCDM）,CDM技术和光纤通信技术相结台的产物。每信道不是占用一个给定波长、频率或者时隙，而是以一个特有编码脉冲序列方式传送比特信息。,OCDM复用示意图,13,8.1 光复用技术的基本概念,基本原理：不同信道信号用互成正交的不同码序列填充，经填充信道信号调制在同一光波长在光纤信道中传输，接收端用与相同码序列相关接收，即恢复出原信道信号。,5.光码分复用（OCDM）,14,特点：,8.1 光复用技术的基本概念,极大地改善网络性能，提高网络通信容量及系统信噪比，增强系统保密性，增加网络灵活性。但实用化还有一些障碍。如：非相干光CDM，由于正交码数量有限，码间干扰较大，限制用户数量；相干光CDM，存在激光源频率稳定度差，光纤极化态不稳定,发光脉冲相位难以控制等主要问题。,5.光码分复用（OCDM）,非相干光系统用光场的能量，信道编码为光强度调制方式，信号是功率叠加而不是振幅叠加，采用平方律检测光信号；相干光系统用光场的相位传输信号。,注意：,上述复用技术能增加线路容量，提高线路利用率。但相对于巨大的光纤带宽潜能，单独采用某一复用技术还只能是使用光纤的很小一部分带宽资源，为此，可以复合采用几种复用技术。例如：在每个时隙先采用码分复用，再采用时分复用，然后将时分复用以后的信号再调制在不同的波长上。,8.1 光复用技术的基本概念,15,16,8.1 光复用技术的基本概念,8.2 光时分复用技术,8.3 密集波分复用技术,8.4 密集波分复用技术的非线性串扰,内容简介：,8.2 光时分复用技术,电子器件的极限速率大约在40Gb/s左右，现在通过电时分复用(TDM)已经达到这个极限速率。光时分复用(OTDM)的原理与电时分复用相同，只不过电时分复用是在电域中完成，而光时分复用是在光域中进行，即将高速的光支路数据流(例如10Gbit/s，甚至40Gbit/s)直接复用进光域，产生极高比特率的合成光数据流。目前能查到的OTDM技术实现的单信道复用速率为640Gbit/s。,17,8.2 光时分复用技术,如今WDM技术研究非常热，有的技术已经成熟并实用化；而OTDM技术还处于实验研究阶段，许多关键技术还有待解决。超短光脉冲光源；超短光脉冲的长距离传输和色散抑制技术；帧同步及路序确定技术；光时钟提取技术；全光解复用技术。,18,19,8.2 光时分复用技术,根据每个支路每次复用的比特数的不同，分成：比特交错OTDM（一个比特）；分组交错OTDM（若干个比特）；,它们都需要利用帧脉冲信号（帧同步信号，帧头）区分不同的复用数据或分组。,8.2 光时分复用技术,1.比特交错OTDM：每个时隙对应一个待复用的支路信息(一个比特)，同时有一个帧脉冲信息，形成高速的OTDM信号。主要用于电路交换业务。,21,22,2.分组交错OTDM：每个时隙对应一个待复用支路的分组信息(若干个比特)，帧脉冲作为不同分组的界限。主要用于分组交换业务，分组变换业务可以和IP相结合，有广阔的前景。,8.2 光时分复用技术,8.2.1 比特交错OTDM,复用：（1）锁模激光器产生窄脉冲周期序列；（2）分路器把其分路为n+1路；（3）每路窄脉冲周期序列经外调制，调制后信号经过适当长度硅光纤延时i；,（1）,（2）,（3）,帧脉冲,比特交错时分复用原理图,23,8.2.1 比特交错OTDM,复用：（4）外调制器的各支路光脉冲流输出+帧脉冲流相结合=比特交错光时分复用数据流。,（1）,（2）,（3）,帧脉冲,比特交错时分复用原理图,（4）,24,25,8.2.1 比特交错OTDM,复用：窄的光脉冲（ps量级）要用锁模激光器来产生。同时为了克服光纤色散对脉冲的展宽，必须采用光孤子技术使之传输更长的距离。,帧脉冲(1),信息,延迟的信息脉冲(3),延迟的窄脉冲(2),比特交错数据流(4),=T/(n+1),26,8.2.1 比特交错光时分复用,解复用：（1）接收到的复用信号脉冲流经分路器分成两路，一路本身，一路延迟j的脉冲数据流；（2）延迟的数据流进行门限判决，得到延迟了j的帧脉冲；,帧同步脉冲,复用信息(0),（3）,比特交错时分解复用原理图,复用信息(2),延迟的复用信息(1),8.2.1 比特交错光时分复用,解复用：(3)帧脉冲数据流与复用脉冲数据流逻辑与，与门的输出是提取的第j路数据流。,复用信息(0),帧同步脉冲(3),第j路信息,比特交错时分解复用原理图,27,复用信息(2),延迟的复用信息(1),8.2.1 比特交错光时分复用,解复用：门限的高度为复帧信号中数据脉冲的高度。,复用信息(0),复用信息(2),延迟的复用信息(1),延迟的帧脉冲(3),第j路信息(4),28,29,8.2.2 分组交错光时分复用,假定序列n路，每路的分组为n比特,n=8；脉冲间的距离，信息比特间距离T。一帧数据发送时间：Tn；一路数据发送时间：nT。为减小脉冲间隔实现分组交错复用，每支路调制后光数据流需经过一个多级压缩器进行压缩，使脉冲间距离压缩到。,复用:,8.2.2 分组交错光时分复用,复用:（1）与比特交错光复用一样，首先锁模激光器产生窄脉冲周期序列，经分路器分成n路，每路经一路支路数据流外调制。,分组交错光时分复用的调制波形图,（1）,30,（1）,8.2.2 分组交错光时分复用,复用：（2）为了减小脉冲的间隔以便实现分组交错复用，每支路调制后的光数据流需经过一个多级压缩器进行压缩。若每分组信息比特数为n，压缩级数k=log2n（n=8，k=3）。,（1）,（2）,31,第一级压缩后，第1、3、5、7比特被延迟(T-)时间；,第二级压缩后，第(1、2)、(5、6)、(9、10)比特被延迟2(T-)时间；,第三级压缩后，第(1、2、3、4)、(9、10、1l、12)比特被延迟4(T-)时间。,8.2.2 分组交错光时分复用,复用：（3）经过不同的延迟n路信号+帧同步脉冲=分组交错光时分复用数据流。,32,33,8.2.2 分组交错光时分复用,压缩器原理：,半导体放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)具有高电平驱动时透光，低电平驱动时吸光的特性。即驱动时钟为高电平时，脉冲通过；低电平时，脉冲通不过。,耦合器：分路和合路作用。,8.2.2 分组交错光时分复用,压缩器原理：以二级压缩为例（j=2，时钟是信息速率两倍）,（1）输入脉冲经过耦合器分成两路；,34,（2）第1，2比特经上面SOA，延迟2(T-)，经耦合器输出；（上面驱动时钟为高）,（3）第3，4比特经过下面SOA，直接经耦合器输出（下面驱动时钟为高）,8.2.2 分组交错光时分复用,压缩器原理：以二级压缩为例,压缩前：（1,2）（间隔）与（3,4）（间隔）间隔2T（3,4）（间隔）与（5,6）（间隔）间隔2T。,35,压缩后：（1,2,3,4）（间隔）（5,6,7,8）（间隔）。（1,2,3,4）与（5,6,7,8）间隔4T（5,6,7,8）与（9,10,11,12）间隔4T。,36,8.2.2 分组交错光时分复用,解复用:采用与门堆；将输入的高速串行的复用数据流变换为低速的并行数据流，然后再进行处理。,8.2.2 分组交错光时分复用,采用的方法与分解4个比特交错数据流一样。,第一与门信息包中1、5、9。比特；第二与门2、6、10。比特等,（2）每路与相隔4倍的控制数据流相与。,（1）待分解数据流经分路器分成4路；,38,8.1 光复用技术的基本概念,8.2 光时分复用技术,8.3 密集波分复用技术,8.4 密集波分复用技术的非线性串扰,内容简介：,39,8.3 密集波分复用技术,光波分复用(WDM)技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。基本原理：在发送端将不同波长的光信号组合起来(复用)，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开(解复用)，恢复出原信号后送入不同的终端。因此称为光波长分割复用技术，简称光波分复用技术。,40,8.3 密集波分复用技术,光纤的带宽有多宽？光纤两个低损耗传输窗口：波长为1.31 m(1.251.35m)的窗口，相应的带宽(|f|=|-c/2|,和分别为中心波长和相应的波段宽度，c为真空中光速)为17700 GHz；波长为1.55 m(1.501.60 m)的窗口，相应的带宽为12500 GHz。,两个窗口合一起，总带宽超过30THz。如果信道频率间隔为10 GHz，理想情况下，一根光纤可容纳3000个信道。称作全波光纤。,8.3 密集波分复用技术,一些光器件与技术还不十分成熟，光频分复用(OFDM)困难（0.1nm）。在这种情况下，信道间隔较小称为密集波分复用(DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing)（1.6、0.8nm或更低）。在1550 nm波长区段内，同时用8，16或更多个波长在一对光纤上(也可采用单光纤)构成的光通信系统，对应于200 GHz,100 GHz或更窄的带宽。,41,WDM、DWDM和OFDM在本质上没有多大区别 以往技术人员习惯采用WDM 和DWDM来区分是1310/1550 nm 简单复用还是在1550 nm波长区段内密集复用，但目前在电信界应用时，都采用DWDM技术。,8.3 密集波分复用技术,42,早期，没有合适的光放大器，WDM只具有1310nm和1550nm两个通道。,8.3 密集波分复用技术,1310nm/1550nm窗口的波分复用(WDM)：仍用于接入网，但很少用于长距离传输 1550nm窗口的密集波分复用(DWDM)：可广泛用于长距离传输，用于建设全光网络,由于1310/1550 nm的复用超出了EDFA的增益范围，只在一些专门场合应用，所以经常用WDM这个更广义的名称来代替DWDM。,43,44,8.3 密集波分复用技术,WDM技术的主要特点 1.充分利用光纤的巨大带宽资源 单光纤，WDM传输容量是单波长几倍、几十倍、几百倍，2000年，加拿大LMGR，一根光纤传输65536个波长信号。2.节省大量光纤 3.信号透明传输 各波长的信道相互独立，可传输特性和速率完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合传输，如PDH信号和SDH信号，数字信号和模拟信号，多种业务(音频、视频、数据等)的混合传输等。,8.3 密集波分复用技术,WDM技术的主要特点 4.高度的组网灵活性、经济性和可靠性 很多应用形式，如长途干线网、广播分配网、多路多址局域网。可以利用WDM技术选择路由，实现网络交换和故障恢复，从而实现未来的透明、灵活、经济且具有高度生存性的光网络。5.降低器件的超高速要求 随着传输速率的不断提高，许多光电器件的响应速度已明显不足，使用WDM技术可降低对一些器件在性能上的极高要求，同时又可实现大容量传输。,45,46,WDM技术对网络升级、发展宽带业务(如CATV，HDTV 和IP over WDM等)、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超高速光纤通信等具有十分重要意义，尤其是WDM加上EDFA更是对现代信息网络具有强大的吸引力。“掺铒光纤放大器(EDFA)+密集波分复用(WDM)+非零色散光纤(NZDSF，即G.655光纤)+光子集成(PIC)”正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。,8.3 密集波分复用技术,47,8.3.1 WDM系统基本类型,WDM系统从不同角度可分为不同类型，常分为：,（1）从传输方向，可分为：双纤单向波分复用系统；单纤双向波分复用系统；（2）从光接口类型，可分为：集成式波分复用系统；开放式波分复用系统。,8.3.1 WDM系统基本类型-传输方向,1.双纤单向传输,单向WDM是指所有光路同时在一根光纤上沿同一方向传送，如下图。,双纤单向传输示意图,48,原理上，复用器和解复用器互易的(双向可逆)，相同的（除非特殊要求）,49,8.3.1 WDM系统基本类型-传输方向,2.单纤双向传输 同一光波分复用器既可合波器，又可分波器，具有方向可逆性，因此，可在同一根光纤上实现双向传输。所用波长互相分开，以便实现双向全双工通信。,单纤双向传输示意图,双纤单向开发和应用方面都比较广泛。单纤双向开发和应用相对来说要求更高，减少光纤和线路放大器的数量。,8.3.1 WDM系统基本类型-传输方向,50,类型比较：,51,8.3.1 WDM系统基本类型-光接口类型,考虑各波长之间影响最小和更多厂家设备互通，WDM使用激光器发出光中心波长、波长间隔、中心频率偏移等均有严格规定，需符合ITU-T G.692建议(见表8.1),1.集成式波分复用系统,集成式：光接口满足G.692建议-标准的光波长、满足长距离传输的光源。把标准的光波长和长色散受限距离的光源集成在SDH系统中。,52,2.开放式波分复用系统,开放式WDM系统,开放是指在同一WDM系统中，可以接入不同厂家的SDH系统。OTU对输人端信号波长没特殊要求，可兼容任意厂家信号。OTU输出端满足G.692的光接口。实现不同厂家的SDH系统工作在同一个WDM系统内。,在波分复用器前加入波长转换器(Optical Transition Unit，OTU)，将SDH非规范的波长转换为标准波长。,8.3.1 WDM系统基本类型-光接口类型,53,8.3.2 WDM系统基本结构与工作原理,一般来说，WDM系统主要由以下五部分组成：光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统。,8.3.2 WDM系统基本结构与工作原理,光发射机(1)将终端设备(如SDH端机)光信号-光转发器(OTU)；（ITU-T G.957非特定波长转换成ITU-T G.692特定波长光信号）,54,(2)合波器合成多路光信号；,(1),(3)光功率放大器(BA：Booster Amplifier)放大输出多路光信号。,8.3.2 WDM系统基本结构与工作原理,光中继放大：用掺铒光纤放大器(EDFA)对光信号中继放大。,55,线放(LA),功放(BA）,前放(PA),系统中，EDFA必须采用增益平坦技术不同波长的光信号具有接近相同的放大增益；还要考虑到不同数量的光信道同时工作的各种情况，保证光信道的增益竞争不影响传输性能。,56,8.3.2 WDM系统基本结构与工作原理,光接收机：在接收端，(1)光前置放大器(PA)放大衰减的主信道光信号;,(2)分波器从主信道光信号中分出特定波长光信号送往各终端,(1),(2),8.3.2 WDM系统基本结构与工作原理,光接收机：接收机要满足光信号灵敏度、过载功率等参数，还要能承受有一定光噪声的信号，要有足够的电带宽性能。,57,58,8.3.2 WDM系统基本结构与工作原理,光监控信道：监控系统内各信道传输情况。发送端，插入本节点产生波长s(1510nm)光监控信号，与主信道光信号合波输出；接收端，将接收光信号分波，输出s(1510nm)波长光监控信号和业务信道光信号。帧同步字节、公务字节和网管所用开销字节等都是通过光监控信道来传递。,59,8.3.2 WDM系统基本结构与工作原理,网络管理系统：光监控信道物理层传送开销字节到其他节点或接收来自其他节点的开销字节。对WDM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。并与上级管理系统相连。,8.3.2 WDM系统基本结构与工作原理,60,目前国际上已商用的系统有：42.5 Gb/s(10 Gb/s),82.5 Gb/s(20 Gb/s),162.5 Gb/s(40 Gb/s),402.5 Gb/s(100 Gb/s),3210 Gb/s(320 Gb/s),4010 Gb/s(400 Gb/s)。,实验室已实现了8240 Gb/s(3.28 Tb/s)的速率，传输距离达3100 km=300 km。,8.3.2 WDM系统基本结构与工作原理,OFC2000(Optical Fiber Communication Conference)提供的情况有：Bell Labs:82路40 Gb/s=3.28 Tb/s在3100 km=300 km的True Wave(商标)光纤(即G.655光纤)上，利用C和L两个波带联合传输；日本NEC:16020 Gb/s=3.2 Tb/s，利用归零信号沿色散平坦光纤，经过增益宽度为64 nm的光纤放大器，传输距离达1500 km;日本富士通(Fujitsu):128路10.66 Gb/s，经过C和L波带注：C波带为15251565 nm，L波带为15701620 nm。，用分布喇曼放大(DRA:Distributed Raman Amplification),传输距离达6140 km=840 km;,61,8.3.2 WDM系统基本结构与工作原理,OFC2000(Optical Fiber Communication Conference)提供的情况有：日本NTT：30路42.7 Gb/s，利用归零信号，经过增益宽度为50 nm的光纤放大器，传输距离达3125 km376 km;美国Lucent Tech:100路10 Gb/s=1 Tb/s，各路波长的间隔缩小到25 GHz,利用L波带，沿NZDF光纤(G.655光纤)传输400 km;美国Mciworldcom和加拿大Nortel:100路10 Gb/s=1 Tb/s，沿NZDF光纤在C和L波带传输4段，约200 km;美国Qtera 和Qwest:两个波带4路10 Gb/s和2路10 Gb/s沿NZDF光纤传输23105 km=2415 km,这个试验虽然WDM路数不多，但在陆地光缆中却是最长距离。,62,63,8.1 光复用技术的基本概念,8.2 光时分复用技术,8.3 密集波分复用技术,8.4 密集波分复用技术的非线性串扰,内容简介：,64,8.4 密集波分复用系统的非线性串扰,在单信道的光纤通信系统中，对于光纤特性主要考虑的是衰耗和色散，它们限制着传输距离和传输容量。,色散：在光纤中，光信号的不同成分（如模式、频率）传播速度不同，经过传输产生时延差。,色散系数D：单位波长间隔内各频率成份通过单位长度光纤所产生的时延差。,8.4 密集波分复用系统的非线性串扰,单模光纤为例：目前使用较多的G.652光纤最小色散波长(0)为1310nm（衰减，色散位移光纤G.653的零色散波长(0)为1550nm(0.2-0.25db/km)。,65,单模光纤的色度色散主要是指光纤中传输的光信号的不同频率成分有不同的传输速率，从而引起时延差，使脉冲展宽的现象。脉冲展宽会引起码间干扰。,正色散区：红光(波长较长的光)传得较慢。负色散区：蓝光(波长较短的光)传得较慢。,8.4 密集波分复用系统的非线性串扰,衰耗的克服办法：高输出功率的激光器，高灵敏度的接收器，光放大器等。色散的克服办法：加色散补偿光纤，自相位调制技术，色散支持技术等。,67,WDM系统还存在非线性效应。每一波长都携带一定的光功率，再加上光纤放大器的应用，注入光纤的光功率较大(14-17dBm)，高的光功率引起的，主要包括：,8.4 密集波分复用系统的非线性串扰,受激喇曼散射；-大有效面积的光纤 受激布里渊散射；-大有效面积的光纤 自相位调制；-幅度调制、非相干解调 交叉相位调制；-幅度调制、非相干解调 四波混频效应。-非零色散光纤或光纤的非零色散窗口,小结,1、光复用技术的主要几种方式。WDM、DWDM和OFDM的关系副载波复用电域复用2、详细介绍了光时分复用技术中，比特交错和分组交错的复用和解复用的基本原理。3、简单介绍了光波分复用技术，双纤单向和单纤双向、集成式和开放式。,练习题,1、比特交错OTDM每路的数据速率2.5Gb/s，n=8。求帧同步脉冲频率；合路器输出脉冲频率；第5路光纤延时线的长度。2、密集波分系统中有两类光信号，一类是用来承载业务信号的，我们称为业务通道，一类是用来承载监控信号的，我们称为监控通道。业务通道的光信号使用的波长是在（1530-1625nm）的频带内，监控通道的光信号使用的波长是在（1510nm）的频带内。3、目前DWDM系统使用的业务波长主要集中在：(B)A.1310nm左右 B.1550nm左右 C.1410nm左右 D.1710nm左右,4、4个波分通道串连测试，试画出4波系统的误码串联检测方法。,