光纤通信课件：第10章 光纤传输系统

第10章

调制光纤传输系统概述光调制电复用光纤传输系统光复用光纤传输系统相干光波通信系统光纤孤子实验系统高速光纤传输系统内容要求

调制调制是用数字或模拟信号改变载波的幅度、频率或相位的过程。调制分相干调制和非相干调制；非相干调制---改变载波的幅度；相干调制---改变载波的频率或相位；光通信系统中非相干调制有直接调制和外调制两种；直接调制---信息直接调制光源的输出光强；外调制---信息通过外调制器对连续输出光进行调制；最常用的的光纤系统都是采用非相干的强度调制-直接检测(IM/DD)方式；近来，采用偏振复用正交相移键控（PM-QPSK）调制，在接收端使用相干检测，能够实现在现有10Gb/s光纤线路上传输40Gb/s信号，这种相干检测受到重视。IM/DD方式在发送端，电信号直接调制（IM）光载波的强度；在接收端，光信号被光电二极管直接探测（DD），从而恢复发射端的电信号。图7.1.1光通信采用的调制方式IM/DD方式实现图解

频率调制以增加调制带宽换取信噪比的降低图7.1.4模拟副载波调制ASK、PSK和FSK调制方式比较例题

脉冲信号对光强度调制编码

对数字信号进行编码的理由是：(1)为了使接收再生电路把相位或频率锁定到信号定时上；(2)因为光接收机采用电容耦合，接收机不能对直流和低频分量响应，使长连零信号的幅度逐渐下降，经判决电路后会产生误码，如图所示。

光接收机电容耦合使长连零信号幅度下降导致判决产生误码编码的目的使输出的二进制码不要产生长连“1”

或长连“0”，而是使“1”

码和“0”

码尽量相间排列。这样既有利于时钟提取，也不会产生因长连零信号幅度下降使判决产生误码。

两种二进制编码双二进制编码（DB）技术双二进制编码（DB，DuoBinary）技术能使“0”和“1”的数字信号，经低通滤波后变换为具有3个值“1”、“0”和“1”的信号。这种技术与一般的幅度调制技术比较，信号谱宽减小一半，这就使相邻信道的波长间距减小，可扩大信道容量，近来受到人们的高度重视。各种二进制编码SDH干线采用扰码的NRZ码大多数高性能干线系统使用扰码的NRZ码，如SDH干线。这种码型最简单，带宽窄，SNR高，线路速率不增加，没有光功率代价，无需编码，只要一个扰码器即可，使其最适合长距离系统应用。调制和编码前后信道信噪比的关系复用信道复用是为了便于光纤传输，把多个低容量信道以及开销信息，复用到一个大容量传输信道的过程。在电域内，信号复用可分为时分复用（TDM）、频分复用（FDM）和码分复用(CDM)；在光域内，信号复用有光时分复用（OTDM）、光频（波）分复用（OFDM，WDM）和光码分复用(OCDM)。光纤通信系统为了充分发挥其宽带的优点，允许复用多个信道到一根光纤上。因此，复用后的多个信道共享光源的光功率和光纤的传输带宽。副载波调制（SCM）副载波调制是首先用信息信号调制一个比基带信号最高频率高几倍的载波然后用该载波信号再去调制光波。因为信号是用光波传输的，载波对光波而言只扮演着副载波的作用，所以这种技术就称为副载波调制（SCM，Subcarriermodulation）。SCM分类模拟调制

用输入模拟信号调制高频正弦波的过程叫模拟调制。在接收端基带信号的恢复是通过低通滤波器，滤除所有的高频成分而得到的。频率调制

它是保持正弦载波的幅度不变，改变它的频率，使其成为输入信号电压的函数。相位调制它是保持正弦载波的幅度和频率不变，改变它的相位，而使其输出调制信号为输入信号电压的函数。光调制模拟强度光调制数字强度光调制当调制信号是数字信号时，调制原理与模拟强度调制相同，只要用脉冲波取代正弦波即可。但是工作点的选择不同，模拟强度调制选在P-I特性的线性区；而数字调制选在阈值点。模拟强度调制 数字强度调制

电复用光纤传输系统频分复用光纤传输系统微波副载波复用（SCM）光纤传输系统电时分复用的典型应用—SDH光纤传输系统电频分复用

光纤传输系统原理图微波副载波复用(SCM)光纤传输系统SCM（SubcarrierMultiplexing）是一种新的、结合现有微波和光通信技术的通信系统。众所周知，微波通信是使用多个微波载波经同轴电缆或自由空间传输多个信道（电频分复用）的技术。使用同轴电缆传输多信道微波信号时，总带宽限制在1GHz以下。然而，若使用光纤传输，信号带宽则可以超过10GHz。SCM信号用光波传输，微波载波对光载波而言只扮演着副载波的作用，所以这种技术就称为微波副载波复用（SCM）。SCM原理微波副载波复用系统构成使用AM-VSB技术，基带信号调制各自的微波副载波，微波功率混合器将所有已调副载波信号复合。该复合信号直接加在激光器的偏流上调制半导体激光器的输出光强，副载波复用的特点(1)由于微波只作为光传输的副载波，因而信号不再经空中传播，而是经一个封闭的、稳定的光纤信道传输，从而避免了与其他微波互相干扰的问题。不发送微波信号到空间，也避免了日益拥塞的微波频道资源分配和批准问题。(2)由于一个光通道可以承载多个微波副载波信道，每个副载波又可以分别传送各种不同类型的业务信号，彼此互相独立，因而易于实现模拟与数字信号的混合传输和各种不同业务的综合和分离。副载波复用的特点(3)SCM系统可以充分利用现有的微波和卫星通信的成熟技术和设备，但又比现有微波传输容量大得多。(4)与TDM相比，SCM系统只接收本载波频带内的信号和噪声，因而灵敏度高，也无需复杂的定时同步技术。就传送电视节目而言，采用TDM方式，一个光载波可以传输的典型节目数是16~32个,而采用FM方式的SCM至少可以传送60~120个节目，而且成本很低,因而SCM系统在电视分配网中很有竞争力。然而，模拟SCM方式光功率余度较小，如不使用EDFA，在维持端到端性能方面有一定困难，也不适应电信网的数字化趋势，因而不是长远的主流发展方向，而是中近期比较经济的解决方案。模拟SCM光波系统

因为模拟信号波形在传输过程中必须保持不变，所以模拟SCM系统要求:系统载噪比（CNR）高；光源和通信信道的线性度要好； 如果半导体激光器线性特性好，输入电信号就可以变成不失真的输出光信号。显然，任何非线性都要引起输出光波形的畸变并影响系统的性能。LD的模拟调制P-I曲线非线性引起输出光波形的畸变电时分复用的典型应用—SDH光纤传输系统

时分复用（TDM）有；电时分复用 电时分复用在PCM通信中已得到广泛的应用，本节主要讨论这种TDM。光时分复用（OTDM）电时分复用工作原理时分复用（TDM,Time-DivisionMultiplexing）是采用交错排列多路低速模拟或数字信道到一个高速信道上传输的技术。时分复用系统的输入可以是模拟信号，也可以是数字信号。数字输入时分复用原理图应用：PCMSDHAPONEPON

数字输入时分复用原理图为实现TDM传输，把传输时间分成若干个时隙；在每个时隙传输一路信号，从而形成复合脉冲串；在接收端，采用一个与发送端同步的类似于旋转式开关的器件，完成TDM多路脉冲流的分离；为了速率适配，没用时隙用空隙字节填充，在接收端把它们分离出来，并丢弃它们。在帧头，插入一些定时、误码检测和开销比特(FOH,FramOverhead)，其目的是为使解复用器与复用器同步，并进行误码检测。数字输入时分复用原理图PCM通信制式的基础速率E1话音信号的频带为（300~3400）Hz，取上限频率为4000Hz，按取样定理则取样频率为fs=8kHz（即每秒取样8000次），取样时间间隔T=1/fs=1/8k=125s，在125s时间间隔内要传输8个二进制代码（比特），每个代码所占时间为Tb=125/8(s)，所以每路数字电话的传输速率为B=1/Tb=64kb/s（或者8b/每次取样

8000次/每秒取样）。如果传输32路PCM电话，则传输速率为64kb/s32=2048kb/s（也就是8b/每个取样值

32个取样值/每次

8000次/每秒）。这一速率就是我国PCM通信制式的基础速率。SDH复用首先几个低比特率信号复用成STM-0信号，接着3个STM-0信号复用成STM1信号，然后4个STM1信号再复用成STM4信号，最后4个STM4信号形成STM16信号。在实际上也可以将STM1信号直接复用成STM16信号，几个低比特率信号也可以直接复用成STM1信号。光复用光纤传输系统波分复用（WDM）光纤传输系统光时分复用（OTDMA）光纤传输系统光码分复用（OCDM）光纤传输系统光复用光纤传输系统必要性

光载波的频率很高，光通信系统的信号带宽可以超过1THz。然而，由于光纤色散或电子器件速度的限制，即使原则上比特速率可以超过1Tb/s，但实际上，常常被限制到100Gb/s。种类

WDM OTDM OCDMA多址接入技术在点对点的系统中，信道的接入称为复用；而在局域网中则称为多址接入(Access)。所以对应的有WDMA、OTDMA和OCDMA波分复用

就像电频分复用一样，在发射端多个信道调制各自的光载波,在接收端使用光频选择器件对复用信道解复用，就可以取出所需的信道。使用这种制式的光波系统就称作波分复用通信系统。波分复用

光纤传输系统原理图从实际的观点看，当信道间距变得和比特速率接近时（密集的FDM）就必须使用相干检测技术，而信道间距较大时（>100GHz）可以采用直接检测技术2.64Tb/s高密集

WDM传输实验光时分复用(OTDMA)光纤传输系统光时分复用（OTDM）是一种构成高比特率传输很有效的技术。它在系统发送端光学复用几个低比特率数据流，在接收端用光学方法把它解复用出来。这种方法避开使用高速电子器件而改用宽带光电器件。电时分复用和光时分复用系统比较电时分复用的基本原理是给每个基带数据流在复用信道上分配一列时隙。复用器把基带数据流组装成较高比特速率的比特流解复用器把已复用的数据流拆分成原来的低速比特流。该系统的E/O和O/E转换器（即光发射机和接收机）已变成基带信号，与信号处理有关的所有电子设备均工作在基带比特速率下，不存在电子瓶颈问题。

光脉冲流通过调制器对输入调制器的基带数据流进行取样编码4Gb/s光数据脉冲产生原理图N信道光时分复用系统的定时原理图N个入射到复合器的光信号是RZ脉冲流，该脉冲流周期为B，脉冲宽度为T。使用延迟线对输入脉冲流在时间上进行调整，使加于光复用器上的每个信道的脉冲流依次延迟一段时间TD。光时分复用（OTDM）

系统的复合过程表示一个电主时钟发生器被n个光脉冲发生器共用,在电时钟路径上，使用电延迟器件对输入脉冲流延时。在光信号路径上，使用光延迟器件对输入脉冲流延时。四信道OTDM

解复用原理图解复用器是OTDM系统最关键的器件。它的目的是分配复用比特流中的每个比特到指定的O/E转换器。构成光解复用器的基本器件是12光开关。对于多信道系统，连接多个12光开关可以构成大容量的解复用交换网络。光码分复用（OCDM）光纤传输系统随着WDM复用波长数的增加，光纤中的光强越来越大，光纤非线性也越来越严重;所以在未来的网络中波长资源可能出现匮乏。光码分复用（OCDM）系统采用同一波长的扩频序列，频谱资源利用率高，它与WDM结合，可以大大增加系统容量。WDMA和OCDMA的区别WDMA是不同的用户根据预先分配给的波长使用网络，其主要的优点是用户间寻路简单，缺点是信道带宽使用不很有效。这种缺点可通过随机多路接入技术，即在任意时间内允许用户随机地接入任一信道得到解决。基于频谱展宽方法的码分复用就是这样的一种技术。CDM的信号频谱比它通常传输所需的最小带宽要宽得多。频谱展宽是靠与信号本身无关的一种编码来完成的。称频谱展宽码为特征码或密钥，有