桂工CH5波分复用技术与系统(VersionfromYXF)

1、光纤通信系统光纤通信系统杨晓斐杨晓斐桂林工学院电子与计算机系桂林工学院电子与计算机系通信教研室 1第八章第八章 波分复用技术与系统波分复用技术与系统l 光波分复用原理光波分复用原理l WDMWDM系统的基本结构系统的基本结构l WDMWDM技术的主要特点技术的主要特点l WDMWDM系统的关键技术系统的关键技术l 波长分配与通道间隔波长分配与通道间隔l WDMWDM系统的设计与性能系统的设计与性能2各种复用技术OSDMOTDMOWDMOFDMOCDM8.1 8.1 光波分复用原理光波分复用原理WDMWDM技术产生背景技术产生背景WDMWDM的概念的概念WDMWDM系统的基本构成形式系统的基本构

2、成形式光波分复用器的性能参数光波分复用器的性能参数 8.1.1 WDM技术产生背景传统的传输网络扩容方法采用空分多路复用（SDM）和时分多路复用（TDM）两种方式。 （1）SDM靠增加光纤数量增加光纤数量的方式线性增加传输系统的容量，传输设备也线性增加。空分多路复用的扩容方式十分受限。 （2）TDM是比较常用的扩容方式，从PDH的一次群至四次群的复用，到SDH的STM-1、STM-4、STM-16至STM-64的复用。但达到一定的速率等级时，会受到器件和线路等特性的限制。WDM技术不仅大幅度地增加了网络的容量，而且还充分利用了光纤的宽带资源，减少了网络资源的浪费。8.1.2 8.1.2 WDM

3、的的概概念念光波分复用(WDM： Wavelength Division Multiplexing)技术是在一根光纤中同时传输多个在一根光纤中同时传输多个波长光信号波长光信号的一项技术。光波分复用（WDM）的基本原理是：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)，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用， 简称光波分复用技术。单向光波分复用演示单向光波分复用演示双向光波分复用演示双向光波分复用演示图图 中心波长在中心波长在1.3 m和和1.55 m的硅光的硅光纤低损耗传输

4、窗口纤低损耗传输窗口 插图表示1.55 m传输窗口的多信道复用2686 2/(1.35 1.25) 103 10 /(1.3 10 )17.7fcHzTHz 26862/(1.6 1.5) 103 10 /(1.55 10 )12.5fcHzTHz 光纤的带宽很宽光纤的带宽很宽。波长为1.31 m（1.25 m 1.35m）的窗口，相应的带宽为17700 GHz 其中，和分别为中心波长和相应的波段宽度。 同理，波长为1.55 m（1.50 m 1.60 m）的窗口， 相应的带宽为12 500 GHz两个窗口合在一起，总带宽超过30 THz。如果信道频率间隔为10 GHz，在理想情况下，一根光纤

5、可以容纳3000个信道。 波分复用的常规分类波分复用的常规分类光频分复用光频分复用(OFDM)：光频(信)道间距小于小于0.1nm的频分复用（致密的WDM）。密集波分复用密集波分复用(DWDM):光频(信)道间距小于小于10nm的波分复用，D:Dense (密集)。粗波分复用粗波分复用(CWDM)：光频(信)道间距大于大于10nm 的波分复用, C: Coarse (粗)，也称稀疏波分复用。频率间隔波长间隔光复用技术1 PHz1 THz1 GHz1 MHz1 m1 nm1 pmWDMOFDMDWDM光光波分复用技术分类及光频（信）道间隔波分复用技术分类及光频（信）道间隔DWDM(1550波段)

6、的标准信道间距：1.6nm, 0.8nm, 0.4nm(f 200GHz, 100GHz, 50GHz)目前，“掺铒光纤放大器（掺铒光纤放大器（EDFA）+ 密集波密集波分复用（分复用（DWDM）+ 非零色散光纤（非零色散光纤（NZDSF）+光子集成（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。 8.1.3 WDM系系统统的基本的基本构构成成形式形式 WDM系统的基本构成主要有以下两种 形式 ：1.双双纤单向传输纤单向传输 2.单单纤双向传输纤双向传输 双纤单向传输双纤单向传输 优点：各信号通过不同光波长携带，彼此不会混淆。同一波长可以在两个方向上重复利用。缺点：光纤以

7、及光器件资源利用率不高单纤双向传输单纤双向传输 优点：双向WDM系统可以减少使用光纤和线路放大器的数量，节约成本。缺点：双向WDM系统的开发和应用相对说来要求较高，需要解决多通道干扰，要进行光放大，以延长传输距离等。含含OADM的传输的传输 通过在中间设置光分/插复用器（OADM）或光交叉连接器（OXC），可使各波长光信号进行合流与分流，实现波长的上/下路(Add/Drop)和路由分配。这样就可以根据光纤通信线路和光网的业务量分布情况，合理地安排插入或分出信号8.1.4 光波分复用器的性能参数光波分复用器的性能参数 光波分复用器是波分复用系统的重要组成部分，为了确保波分复用系统的性能，对对波分

8、复用器的基本要求是波分复用器的基本要求是： 插入损耗小 隔离度大 带内平坦，带外插入损耗变化陡峭 温度稳定性好 复用通路数多 尺寸小等(1) 插插入入损损耗耗插入损耗插入损耗是指由于增加光波分复用器/解复用器而产生的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比出端口之间的光功率之比，即10lg()ioPdBP其中，Pi为发送进输入端口的光功率； Po为从输出端口接收到的光功率。 (2) 串串扰扰抑制度抑制度串扰是指其他信道的信号耦合进某一信道串扰是指其他信道的信号耦合进某一信道，并使该信道传输质量下降的影响程度，有时也可用隔离度隔离度来表示这一程度来表示这一程度

9、。 对于解复用器10lg()ijijipCdBp 其中Pi是波长为i的光信号的输入光功率，Pij是波长为i的光信号串入到波长为j信道的光功率。(3) 回波回波损损耗耗回波损耗回波损耗是指从无源器件的输入端口返回的是指从无源器件的输入端口返回的光功率与输入光功率的比，即光功率与输入光功率的比，即10lg()rjpRLdBp 其中Pj为发送进输入端口的光功率，Pr为从同一输入端口接收到的返回光功率(4) (4) 工作波长范围工作波长范围 工作波长范围是指WDM器件能够按照规定的性能要求工作的波长范围(min到max)。(5) (5) 信道宽度信道宽度 信道宽度是指各光源之间为避免串扰应具有的波长间

10、隔。(6) (6) 偏振相关损耗偏振相关损耗 (PDL: Polarizationdependent Loss)是指由于偏振态的变化所造成的插入损耗的最大变化值。 8.2 WDM系系统统的基本的基本结构结构 实际的实际的WDM系统主要由五部分组成：系统主要由五部分组成： 光发射机光发射机 光中继放大光中继放大 光接收机光接收机 光监控信道光监控信道 网络管理系统网络管理系统如下图所示。 1、发送端、发送端位于WDM系统的发送端。 在发送端首先将来自终端设备(如SDH端机)输出的光信号，利用光转发器光转发器(OTU)把符合ITU-T G.957建议的非特定波长的光信号转换成符合ITU-T G.6

11、92建议的具有稳定的特定波长的光信号。 对输入端的信号波长没有特殊要求，可以兼容任意厂家的SDH信号，其输出端满足G.692的光接口，即标准的光波长和满足长距离传输要求的光源；利用合波器合成多路光信号；通过光功率放大器光功率放大器(BA： Booster Amplifier)放大输出多路光信号。光转发器（OTU）技术示意2、中继放大 用掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)对光信号进行中继中继放大放大。 在应用时可根据具体情况， 将EDFA用作“线放线放(LA： Line Amplifier)”, “功放功放(BA)”和“前放前放(PA： Preamplifier)”。在WDM系统中，对ED

12、FA必须采用增益平坦技增益平坦技术术，使得EDFA对不同波长的光信号具有接近相同的放大增益。与此同时，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。3、接收端、接收端在接收端，光前置放大器光前置放大器(PA)放大经传输而衰减的主信道光信号，分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号。接收机不但要满足一般接收机对光信号灵灵敏度、过载功率敏度、过载功率等参数的要求，还要能承受有一定光噪声的信号，要有足够的电带宽。 4、光监控信道、光监控信道光监控信道光监控信道(OSC： Optical Supervisory Channel)的主要功能是：的主要功能是： 监控系

13、统内各信道的传输情况，在发送端，插入本结点产生的波长为s(1510 nm)的光监控信号，与主信道的光信号合波输出；在接收端，将接收到的光信号分离，输出s(1510 nm)波长的光监控信号和业务信道光信号。 帧同步字节、公务字节帧同步字节、公务字节和网管所用的开网管所用的开销字节等都是通过光监控信道来传送的。销字节等都是通过光监控信道来传送的。通过光监控信道物理层传送开销字节到其他结点或接收来自其他结点的开销字节对WDM系统进行管理， 实现配置管理、故障管理、性能管理和安全管配置管理、故障管理、性能管理和安全管理理等功能，并与上层管理系统(如TMN)相连。8.3 WDM技技术术的主要特点的主要特

14、点 1. 1. 充分利用光纤的巨大带宽资源充分利用光纤的巨大带宽资源 光纤具有巨大的带宽资源(低损耗波段)，WDM技术使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍甚至几百倍， 从而增加光纤的传输容量，降低成本，具有很大的应用价值和经济价值。 2. 2. 同时传输多种不同类型的信号同时传输多种不同类型的信号 由于WDM技术使用的各波长的信道相互独立，因而可以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。3. 节省线路投资节省线路投资 采用WDM技术可使N个波长复用起来在单根光纤中传输，也

15、可实现单根光纤双向传输，在长途大容量传输时可以节约大量光纤。另外，对已建成的光纤通信系统扩容方便，只要原系统的功率余量较大，就可进一步增容而不必对原系统作大的改动。4. 降低器件的超高速要求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。 5. 高度的高度的组网灵组网灵活性、活性、 经济经济性和可靠性性和可靠性 WDM技术有很多应用形式，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。8

16、.4 WDM系系统统的的关键关键技技术术 WDM技术对现代光纤通信网络的发展具有重大意义， 但WDM技术的实现依赖于一些关键技术的实现。 这些关键技术主要包括以下几点：波长稳定问题信道串扰问题波长可调谐的激光器和滤波器EDFA的增益特性1、 波波长稳长稳定定问题问题WDM系统中要求各种器件的波长具有稳定性、 可重复性和精确性。 激光器、 滤波器和复用器的波长特性会随着工作条件（温度、 电流、 老化等）的变化而发生漂移， 而波长的漂移会给信道之间带来串扰， 使系统无法稳定、 可靠地工作， 甚至使系统停止工作。 解决的方法有以下几种: (1) 绝对稳频法， 即以原子跃迁谱线为基准将信道锁定在某个波

17、长上， 如图（a）所示。 (2) 将滤波器锁定在所选择的信道上， 使用反馈回路把滤波器调节到所选信道透过功率最大处， 保证滤波器相对于接收信号的波长不漂移， 如图（b）所示。图 WDM系统的稳频技术 中 央 控 制用 户氩 原 子 跃 迁锁 定DFB激 光 器1296.0 nm驱 动 器检 测 器FP反 馈FP 滤 波 器(b)(a)FP通 带(c)iiref(d)(3) 把每个信道锁定在FP腔的不同谐振峰上， 每个激光器锁定在中央F-P腔的不同谐振峰上，每个谐振峰按所需的WDM信道间隔分开，如图（c）所示。这种方法不能保证每个部件的波长不漂移，但是可以使WDM系统整体漂移，从而保证信道间隔的

18、相对稳定。(4) 也可以把各个独立波长与中心频率进 行比较，每个节点可以把自己的波长发送到中心控制节点进行比较，然后进行矫正，如图（d）所示。 2 2、信道串扰问题、信道串扰问题当一个信道的信号功率转移到另外一个信道时， 就会使其他信道的误码率升高， 灵敏度降低。 产生信道串扰的因素很多， 包括光纤的非线性， 信道间隔， 复用/解复用器性能等。串扰分为线性串扰和非线性串扰。 线性串扰一般发生在解复用之后，在1.6 nm或 0.8 nm光信道间隔下，目前的解复用器在2.5 Gb/s系统中隔离度大于25 dB，基本上可以满足WDM系统的要求，但对于更高速的系统， 还有待研究。 (后面还会对串扰和信

19、道间隔进一步论述。) 而非线性串扰和光纤的非线性效应有关，包括受激拉曼散射（SRS），受激布里渊散射（SBS），自相位调制（SPM），交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）等。3 3、波长可调谐的激光器和滤波器、波长可调谐的激光器和滤波器波长可调谐的激光器和滤波器是WDM系统的关键器件。 WDM系统的发射端要求有多个波长的复用， 如果使用固定波长的发射机， 可以使用普通的不可调的单频激光器， 通过人工选择所需要的波长， 并使这些波长具有适当的间隔。 但是如果想设计一个健全的系统， 必须使用波长可调谐的激光器， 这是因为生产出来的DFB激光器具有准确波长的不可预知性， 有限的温度调节范围（约

20、0.1 nm/C）和激光器固有的长期波长漂移。 可调谐激光器的主要性能指标是调谐速度和波长调谐范围。 对应于可调谐的激光器， 在接收端就需要一个可调谐滤波器来选择所需要接收的光波长范围。 一个质量优良的可调谐滤波器应该是细度高(即两个谐振峰之间的自由光谱区较宽， 以容纳较多的信道), 带宽窄(以允许信道间隔小)， 波长可调谐范围宽， 在用作多信道快速交换时， 波长的交换速度快， 波长稳定， 可重复性好， 精度高。4、 EDFA的增益特性的增益特性EDFA的带宽为3540 nm， 可以满足普通WDM的复用波长的放大， 但是这个增益是不平坦的， 对于不同的波长具有不同的增益， 经过多级放大之后，

21、增益偏差累积， 低电平信道的SNR恶化， 而高电平信道的非线性效应使信号特性恶化， 最终使系统不能正常工作。 每个信道传输功率有可能发生起伏变化， 这就要求EDFA能根据信号的变化， 实时动态地调整自身的工作状态， 从而减少信号波动的影响， 保证整个信道的稳定。 如果一个或几个信道的输入功率发生变化甚至中断， 剩下的信道增益即输出功率会发生跃变， EDFA的泵浦功率会在剩余的信道中重新分配， 致使线路阻塞， 所以EDFA在波分复用系统中必须具备增益锁定功能。 EDFA的级联使用还会带来噪声积累问题， 因为无电中继放大不具有整形再生功能， 所以为了保证信号传输特性对信噪比的要求， 需要控制光纤段

22、的跨距长度小于120 km。另外， 实现WDM技术的关键器件是波分复用器与解复用器（前面的5.9节已经讲过）8.5 波波长长分配分配与与通道通道间间隔隔光纤具有两个低损耗窗口， 即1310 nm和1550 nm。 在这两个低损耗窗口中均可进行波分复用， 但是由于目前的光放大器EDFA的工作波长范围为15301565 nm， 因此目前波分复用的波长范围为15301565 nm。 如果将来在1310 nm范围的光放大器的技术成熟了， 也可以使用1310 nm的低损耗窗口进行波分复用。 目前对这个有限的波长范围区域进行通路分配时， 既要考虑带宽利用率， 又要考虑非线性及串扰的影响。 1. 绝对频绝对

23、频率率参参考考一般的WDM系统选择193.1 Hz作为频率间隔的参考频率， 因为193.1 Hz处于几条绝对频率参考（AFR）线的附近， 相对于不同的需要可以选择不同的AFR， 并且可以提供较高的频率精度和稳定度。2. 2. 通路间隔通路间隔通路间隔指的是相邻通路之间的标称频率差， 既可以是均匀的， 也可以是非均匀的。 非均匀通路间隔可以用来抑制四波混频效应（FWM）。 ITU-T目前规定的各个信道的频率间隔必须为50 GHz（0.4 nm）， 100 GHz（0.8 nm）或其整数倍。 在可用的15301565 nm波长范围内， 目前广泛使用的是各个通路频率基于193.1 Hz、 最小间隔为

24、100 GHz的频率间隔系列， 它的选择应遵循以下原则： (1) 至少提供16个波长的通路，这样比特速率为STM-16的16个通路可以在一根光纤上完成40 Gb/s的业务。 (2) 波长数量又不能太多，否则对较多波长的监控将会是一个复杂的问题。 (3) 所有波长应该与放大器的泵浦波长无关，即同一个系统中既可以使用980 nm泵浦的光放大器，也可使用1480 nm泵浦的光放大器。 下表就是一个16通路（频率间隔为0.8 nm）和8通路（频率间隔为1.6 nm）的WDM系统的通路分配。表 16通路和8通路WDM系统的中心频率3. 3. 中心频率偏差中心频率偏差中心频率偏差定义为标称中心频率和实际中

25、心频率之差。对于信道间隔大于200 GHz的系统， 各个信道的偏差应小于信道间隔的1/5。16通路WDM的系统通路间隔为100 GHz，最大中心频率偏移为20 GHz。 8通路WDM系统的通路间隔为200 GHz， 为了将来向16通路升级， 最大中心频率偏差为20 GHz。 这些频率偏差值为寿命终了值，即在系统设计寿命终了时，考虑到温度、湿度等各种因素仍能满足的数值。 影响中心频率偏差的主要因素有光源啁啾， 信号的信息带宽， 光纤的自相位调制引起的脉冲展宽以及温度和老化的影响等。8.6 WDM系系统设计与统设计与性能性能1. 放大器间隔 2. 链路带宽3. 特定BER所需的光功率4. 滤波器的

26、选择能力5. 信道串扰1. 1. 放大器间隔放大器间隔ITU-T规定不带线路放大器的4路、 8路、 16路WDM的目标距离为80 km（长距离）、 120 km（甚长距离）、 160 km（超长距离）。 若采用光放大器作为线路放大器， 对于长距离应用， 可采用580 km（5个区段， 每个区段的目标距离为80 km， 损耗为22 dB）或 880 km； 对于甚长距离应用， 可采用3120 km（3个区段， 每个区段的目标距离为120 km， 损耗为33 dB）或5120 km。2. 2. 链路带宽链路带宽 对于一个含有N个发送机的WDM链路， 发送比特速率分别为B1BN， 则总的带宽为如果所

27、有波长的比特速率相等， 则系统容量比单波长链路相比增加了N倍。 例如， 每个信道的带宽是2.5Gb/s， 则8个信道的WDM系统的总的带宽为20 Gb/s， 而40个信道的WDM系统的总带宽为100 Gb/s。 WDM系统链路的总容量取决于光放大器的带宽以及在可用的传输窗口中的信道间隔有多近。 这可参阅上节所述内容iNiBB13. 3. 特定特定BERBER所需的光功率所需的光功率在解复用器的输出端，需要考虑的系统参数包括信号功率、噪声功率和串扰。 WDM的误码率取决于传送给光检测器的信噪比（SNR）。对于较低的BER， 在理想链路中， 每 0.01 nm 的光谱宽度内大约需要14 dB的信噪

28、比。 对于商用系统， 实际所需的系统富余度为36 dB， 则所需的SNR的典型值为1820 dB。 这个值决定了每个波长信道必须注入的光功率， 在预定链路上所需的EDFA数量以及光放大器间（一跨）光纤的损耗容量。WDM链路可分为含光放大器的和不含光放大器的两种， 两者的噪声效应是不同的。 无光放大器的链路噪声性能是由接收机的噪声决定的； 而含有光放大器的链路， 数字“1”引起的噪声主要由信号和EDFA的ASE噪声决定， 而数字“0”的噪声主要由EDFA的ASE噪声决定。 图 随链路距离增加， ASE噪声随光放大器数 目增加， SNR随之下降的关系曲线沿光纤的传播距离信号功率SNR1001020

29、3040501234567跨度内的光放大器数目05101520253035光信噪比 / dB信号功率或ASE噪声/dBmASE噪声4. 4. 滤波器的选择能力滤波器的选择能力一个WDM信道， 必须由光滤波器解复用， 才能选择所需信号。 如下图所示， FP滤波器阻断了其他信号的通过， 只允许一个信道波长通过。 图图 FP滤波器解复用滤波器解复用WDM信号信号 滤波器(1)12N213FP滤波器的传输函数12N假设光滤波器是标准具， 滤波器周期性的透过函数具有洛仑兹通带， 任意两个谐振峰之间的自由光谱区为FSR， 相邻信道泄漏功率可以忽略时的信道间隔为f， 则滤波器所能容纳的最大信道数为fFSRN在上面的讨论中， 假设每个信道信号的带宽为零， 而实际上单个的WDM信道都占有一定的带宽， 这会对滤波器的解复用产生相当大的影响。 每个WDM信道需要有一定带宽的光滤波器来恢复全部信号， 信道间隔相应的要求更宽。 所以在整个信道带宽有限的情况下，