光纖通信課件：第10章 光纖傳輸系統(tǒng)

第10章

調制光纖傳輸系統(tǒng)概述光調制電復用光纖傳輸系統(tǒng)光復用光纖傳輸系統(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)內容要求

調制調制是用數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；非相干調制---改變載波的幅度；相干調制---改變載波的頻率或相位；光通信系統(tǒng)中非相干調制有直接調制和外調制兩種；直接調制---信息直接調制光源的輸出光強；外調制---信息通過外調制器對連續(xù)輸出光進行調制；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(IM/DD)方式；近來，采用偏振復用正交相移鍵控（PM-QPSK）調制，在接收端使用相干檢測，能夠實現(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，電信號直接調制（IM）光載波的強度；在接收端，光信號被光電二極管直接探測（DD），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IM/DD方式實現(xiàn)圖解

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

脈沖信號對光強度調制編碼

對數字信號進行編碼的理由是：(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，經判決電路后會產生誤碼，如圖所示。

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編碼的目的使輸出的二進制碼不要產生長連“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，也不會產生因長連零信號幅度下降使判決產生誤碼。

兩種二進制編碼雙二進制編碼（DB）技術雙二進制編碼（DB，DuoBinary）技術能使“0”和“1”的數字信號，經低通濾波后變換為具有3個值“1”、“0”和“1”的信號。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，近來受到人們的高度重視。各種二進制編碼SDH干線采用擾碼的NRZ碼大多數高性能干線系統(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)應用。調制和編碼前后信道信噪比的關系復用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。在電域內，信號復用可分為時分復用（TDM）、頻分復用（FDM）和碼分復用(CDM)；在光域內，信號復用有光時分復用（OTDM）、光頻（波）分復用（OFDM，WDM）和光碼分復用(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輸帶寬。副載波調制（SCM）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然后用該載波信號再去調制光波。因為信號是用光波傳輸的，載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（SCM，Subcarriermodulation）。SCM分類模擬調制

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的。頻率調制

它是保持正弦載波的幅度不變，改變它的頻率，使其成為輸入信號電壓的函數。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，而使其輸出調制信號為輸入信號電壓的函數。光調制模擬強度光調制數字強度光調制當調制信號是數字信號時，調制原理與模擬強度調制相同，只要用脈沖波取代正弦波即可。但是工作點的選擇不同，模擬強度調制選在P-I特性的線性區(qū)；而數字調制選在閾值點。模擬強度調制 數字強度調制

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

光纖傳輸系統(tǒng)原理圖微波副載波復用(SCM)光纖傳輸系統(tǒng)SCM（SubcarrierMultiplexing）是一種新的、結合現(xiàn)有微波和光通信技術的通信系統(tǒng)。眾所周知，微波通信是使用多個微波載波經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，所以這種技術就稱為微波副載波復用（SCM）。SCM原理微波副載波復用系統(tǒng)構成使用AM-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，副載波復用的特點(1)由于微波只作為光傳輸的副載波，因而信號不再經空中傳播，而是經一個封閉的、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)務信號，彼此互相獨立，因而易于實現(xiàn)模擬與數字信號的混合傳輸和各種不同業(yè)務的綜合和分離。副載波復用的特點(3)SCM系統(tǒng)可以充分利用現(xiàn)有的微波和衛(wèi)星通信的成熟技術和設備，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TDM方式，一個光載波可以傳輸的典型節(jié)目數是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，也不適應電信網的數字化趨勢，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，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的模擬調制P-I曲線非線性引起輸出光波形的畸變電時分復用的典型應用—SDH光纖傳輸系統(tǒng)

時分復用（TDM）有；電時分復用 電時分復用在PCM通信中已得到廣泛的應用，本節(jié)主要討論這種TDM。光時分復用（OTDM）電時分復用工作原理時分復用（TDM,Time-DivisionMultiplexing）是采用交錯排列多路低速模擬或數字信道到一個高速信道上傳輸的技術。時分復用系統(tǒng)的輸入可以是模擬信號，也可以是數字信號。數字輸入時分復用原理圖應用：PCMSDHAPONEPON

數字輸入時分復用原理圖為實現(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式開關的器件，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)，其目的是為使解復用器與復用器同步，并進行誤碼檢測。數字輸入時分復用原理圖PCM通信制式的基礎速率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時間間隔內要傳輸8個二進制代碼（比特），每個代碼所占時間為Tb=125/8(s)，所以每路數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通信制式的基礎速率。SDH復用首先幾個低比特率信號復用成STM-0信號，接著3個STM-0信號復用成STM1信號，然后4個STM1信號再復用成STM4信號，最后4個STM4信號形成STM16信號。在實際上也可以將STM1信號直接復用成STM16信號，幾個低比特率信號也可以直接復用成STM1信號。光復用光纖傳輸系統(tǒng)波分復用（WDM）光纖傳輸系統(tǒng)光時分復用（OTDMA）光纖傳輸系統(tǒng)光碼分復用（OCDM）光纖傳輸系統(tǒng)光復用光纖傳輸系統(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多址接入技術在點對點的系統(tǒng)中，信道的接入稱為復用；而在局域網中則稱為多址接入(Access)。所以對應的有WDMA、OTDMA和OCDMA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,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系統(tǒng)就稱作波分復用通信系統(tǒng)。波分復用

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

WDM傳輸實驗光時分復用(OTDMA)光纖傳輸系統(tǒng)光時分復用（OTDM）是一種構成高比特率傳輸很有效的技術。它在系統(tǒng)發(fā)送端光學復用幾個低比特率數據流，在接收端用光學方法把它解復用出來。這種方法避開使用高速電子器件而改用寬帶光電器件。電時分復用和光時分復用系統(tǒng)比較電時分復用的基本原理是給每個基帶數據流在復用信道上分配一列時隙。復用器把基帶數據流組裝成較高比特速率的比特流解復用器把已復用的數據流拆分成原來的低速比特流。該系統(tǒng)的E/O和O/E轉換器（即光發(fā)射機和接收機）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基帶比特速率下，不存在電子瓶頸問題。

光脈沖流通過調制器對輸入調制器的基帶數據流進行取樣編碼4Gb/s光數據脈沖產生原理圖N信道光時分復用系統(tǒng)的定時原理圖N個入射到復合器的光信號是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TD。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

解復用原理圖解復用器是OTDM系統(tǒng)最關鍵的器件。它的目的是分配復用比特流中的每個比特到指定的O/E轉換器。構成光解復用器的基本器件是12光開關。對于多信道系統(tǒng)，連接多個12光開關可以構成大容量的解復用交換網絡。光碼分復用（OCDM）光纖傳輸系統(tǒng)隨著WDM復用波長數的增加，光纖中的光強越來越大，光纖非線性也越來越嚴重;所以在未來的網絡中波長資源可能出現(xiàn)匱乏。光碼分復用（OCDM）系統(tǒng)采用同一波長的擴頻序列，頻譜資源利用率高，它與WDM結合，可以大大增加系統(tǒng)容量。WDMA和OCDMA的區(qū)別WDMA是不同的用戶根據預先分配給的波長使用網絡，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。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?；陬l譜展寬方法的碼分復用就是這樣的一種技術。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的一種編碼來完成的。稱頻譜展寬碼為特征碼或密鑰，有