光纤通信波分复用系统的研究与设计Word文档下载推荐.docx

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波分复用（WDM）是在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术。

本文首先介绍了光纤通信的发展、特点、基本组成和波分复用技术（WDM）的基础知识、应用状况及目前存在的问题和发展状况，其中重点介绍了稀疏波分复用（CWDM）技术和密集波分复用（DWDM）技术的特点及其应用。

其次深入分析了波分复用技术的基本原理与基本结构，同时深入分析了WDM系统的基本形式和主要特点及存在的问题，最后对现在的WDM的发展方向和前景做了进一步的探讨。

关键词：

光纤通信；

波分复用；

技术研究

第1章绪论

光纤通信技术和波分复用技术的发展现状与趋势

光纤通信技术的发展

光纤通信是以信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。

光纤通信技术是近30年迅猛发展起来的高新技术，给世界通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了巨大变革。

光纤通信的发展可以分为以下几个进程：

第一代光纤通信系统，是以1973-1976年的850nm波长的多模光纤通信系统为代表。

第二代光纤通信系统，是70年代末，80年代初的多模和单模光纤通信系统。

第三代光纤通信系统，是80年代中期以后的长波长单模光纤通信系统。

第四代光纤通信系统，是指进入90年代以后的同步数字体系光纤传输网络。

1966年，英籍华人高锟预见利用玻璃可以制成衰减为20db/km的通信光导纤维。

当时，世界上最优秀的光学玻璃衰减达1000db/km左右。

1970年，美国康宁公司首先研制成衰减为20db/km的光纤。

同一年贝尔实验室研制成功室温下可以连续工作的半导体激光器，其体积小、重量轻、功耗低、效率高，是光纤通信的理想光源。

从此，光纤就进入了实用化的发展阶段，世界各国纷纷开展光纤通信的研究。

此后，又分别在北京、上海、武汉、天津等地建立了现场试验系统，特别是1983年建成的链接武汉三镇的8Mbit/s，1985年扩容为34Mbit/s的数字光纤传输系统的开通使用，是中国的光纤通信开始走向实用化阶段。

1988年起，国内光纤通信系统的应用从多模向单模发展，建成了扬州之高邮全长75KM的单模光纤传输系统，传输速率为34Mbit/s。

1994年后，除极少数干线采用622Mbit/s系统外，大多数干线直接采用2.5Gbit/s系统、10Gbit/s系统和波分复用系统。

截止到1998年底，中国公用邮电通信网已完成了连接全国31个省、市、自治区的“八纵八横”骨干光缆传输网建设，铺设的长途和本地中继光缆总长度为100万公里。

现在，我国光纤通信产业已初具规模，能够生产光纤光缆、光电器件、光端机及其他工程应用方面的配套仪表器件等。

由此可见，中国已具有大力发展光纤通信的综合实力。

今后的光纤通信将主要在以下几个方面发展：

〔1〕输体质从准同步体系向同步数字体系过渡；

〔2〕由单波通道向多波通道过渡；

〔3〕用户网的光纤化；

〔4〕光交换节点将取代电交换节点；

〔5〕相干光纤通信是未来的光纤通信方式；

〔6〕孤子通信与全光系统。

光纤通信与电通信相比，主要区别有两点，一是以很高频率的光波作载波；

二是用光纤作为传输介质。

基于以上两点，光纤通信具有以下优点：

〔1〕传输频带极宽，通信容量很大；

〔2〕由于光纤衰减小，中继距离长；

〔3〕串扰小，保密性好，信号传输质量高；

〔4〕光纤抗电磁干扰能力强；

〔5〕光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；

〔6〕光纤是石英玻璃控制成型，原材料来源丰富，并节约了大量有色金属。

由于光纤具备一系列优点，所以广泛应用于公用通信、有限电视图像传输、电脑、空航、航天、船舰内的通信控制、电力及铁道通信交通控制信号、核电站通信、油田、炼油厂、矿井等区域内的通信。

1.1.2波分复用技术的发展

两波长WDM（1310/1550nm）80年代在AT&

T网中使用。

90年代中期，发展缓慢，从155M－622M－2.5G－10GTDM，技术的相对简单性和波分复用器件的发展还没有完全成熟，到1995年开始高速发展。

我国光通信的先行者武汉邮电科学研究院研制的波分复用技术，为光网络传输提供了实现“高速信息公路”的可能。

1997年，武汉邮电科学研究院承担了具有国际领先水平的波分复用光网络技术的研究与开发。

1999年，国产首条密集波分复用系统工程在山东投入实际运行，说明我国光通信产业在该领域中已取得了重大的突破，并一跃成为世界上少数能够开发、生产这一设备的国家之一。

目前，我国已能够自行提供从集成式，半开放式到全开放式整个系列的密集波分复用系统。

该系统将覆盖国家干线网，本地网、教育网。

1.2本论文研究的内容

论文从以下几方面对波分复用技术在光纤通信中的应用进行研究：

〔1〕研究波分复用技术多协议多业务特性。

首先波分复用技术属于OSI协议的最底层〔物理层〕。

它提供了独立于业务类型的传送结构，其表现形式是对上层业务透明，能在波长级别支持现有及未来新的数据格式。

〔2〕做大量实验研究波分复用系统的业务拓展性能。

经试验，波分复用系统能快速的进行波长配置，快速及时的进行带宽配置，一个连接可以提供的带宽可以从几十Mb到波长级别，甚至可以扩大到整跟光纤，还有能很好的支持一些新业务。

波分复用系统的发展方向是全光网络和ASON，在光网络的基础上引入可以更加灵活的管理业务。

〔3〕研究波分复用系统在光纤传输中的容量大小。

波分复用技术能够在一根光缆中传输假设干个信道的信号，接收端根据各载波频率的不同，利用分波器器滤出每一个信道的信号。

这样由于所载波长信号的的不同同根光缆中允许多个波长双方向传输，大大提高了传输容量。

〔4〕研究波分复用技术在光网络传输中存在的问题。

WDM是一项新技术，标准定制较粗，不同厂家的WDM产品互通性较差，要保证WDM系统在光网络中大规模实施，应加强光接口设备的研究。

还有在网络管理方面不是很成熟，需要寻找新的参数，协议来准确衡量网络向用户提供的服务质量。

〔5〕波分复用在光网络中的发展前景。

应用WDM技术第一次把复用方式从方式从电信号转移到光信号，在光域上用波分复用的方式提高传输速率，光信号实现了直接复用和放大，并且各个波长彼此独立，对传输的数据格式透明，现在WDM技术还是基于点到点的方式，但点到点的WDM技术作为全光网络通迅的第一步也是最重要的一步，它的应用和实践对于全光网的发展起到决定性的作用。

第2章波分复用技术

WDM技术简介

波分复用〔WDM：

WavelengthDivisionMultiplexing〕技术是一根在光纤中同时传输多个光波信号的一项技术。

其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分分割复用，简称光波分复用技术。

既是在一定的带宽上将输入的光信号调制在特定的频率上，然后将调制后的信号复用在一根光纤上，完成此调制的关键是波长复用器的应用。

复用后的信号经传送后到达链接的远端，在经过别离或解复用出不同的波长，然后由不同的检测器将各自的光信号转换成电信号，或者直接获取各自的波长信号，并且将它们连接到其他的WDM线路上。

WDM系统通过使用不同的波长〔在1550nm附近〕来承载多个通路的信号，其中可包含大量的2.5Gbit/s和10Gbit/s信号。

在实验室中，已成功地实现了在120KM长的光纤上传送2.6Tbit/s〔既复用132波，每波20Gbit/s〕信号的实验。

WDM的优势在于：

复用多个光业务到一根光纤上，允许灵活地扩展带宽，降低复用成本，重复利用现存的光信号。

特别是在光放大器引入后，光放大器不需要经过光电转换、电光转换和信号再生等复杂过程，可直接对信号进行全光放大。

WDM光联网实现的关键是光分插复用器〔OADM〕和光交叉连接器〔OXC〕的引入，组成这些元素的基本模块式空分交换模块，建立输入和输出端口之间的信道联接。

所有这些，将使电信网络通道的组织、调配、安全保护等更趋灵活。

WDM传送网分为三层结构：

电路层、通道层和传输媒质层。

其中光通道（OP）技术是关键技术，能够同时提高线路传送容量和节点的吞吐量，而且在宽带宽、终端到终端的通信中，能够显著降低传送网的成本。

OP模式分为两种结构：

波长通道（WP）和虚波长通道（VWP）。

WP在整个路由分配唯一一个波长，而VWP在每个链路上分配一个波长：

WP具有全局意义，而VWP只具有局部意义。

这两种结构各具特点：

采用VWP技术，波长利用率和路由选择的自由度将高于WP技术，对于同一物理网络结构和同样数目的波长，VWP可以容纳更多的光通道：

从波长的管理角度出发，WP方案要求对全网进行集中控制，而VWP采取链路到链路的分布式控制；

在WP方案中，假设不能分配一个从源节点到目的节点波长一致的光通道，就会发生波长阻塞，而VWP只存在由于没有空闲的波长通道造成的容量阻塞。

光通道交叉连接（OPXC）提供了VWP方案所要求的波长转换能力。

OPXC通过传送-耦合型矩阵开关（DC-SW）的应用，为VWP提供高性能的调制和升级能力。

WDM光联网已由最初的线形点到点式传送结构，逐步转变为环型结构、网型结构。

现在的WDM系统与SDH在结构上非常相似，WDM光联网是在SDH的基础上，应用OADM和OXC设备建立起来的。

与后者相比，其网络容量不断提高，保护能力也日益增强。

波分复用技术的特点

受用户业务多样化要求和网络发展的驱动，特别是由于接入层IP业务带宽的显著增长和长途网DWDM容量的急剧扩大，在城域网特别是其核心层，波分复用技术得到了初步的应用。

波分复用在城域网中的应用与其自身的技术特点有着很大的关系：

1.支持多协议多业务，具有光的透明性

WDM技术属于OSI七层协议的最底层―物理层。

2.网络可扩展性好，拓扑灵活

WDM系统既可满足点到点的组网需求，也可以根据业务拓朴的需要满足星形、环形、格状等组网模式，非常适合城域网新业务的开拓及业务频繁调整的现实情况。

3.快速及时的带宽配置，业务扩展性能好

WDM系统能够快速地进行波长配置，随着技术的演进，今后还能提供便捷的端到端的连接。

一个连接可以提供的带宽可以从几十Mb到波长级别，甚至可以扩大到整根光纤。

另外，对于城域网未来衍生出的新类型业务，如按需带宽业务、波长批发、波长出租、带宽交易、光层虚拟专用网〔VPN〕等，城域波分系统今后也可以很好地支持。

由于WDM系统的发展方向是全光网络和ASON，在光网络的基础上引入了控制平面的概念，管理平台可以更加灵活方便地对业务进行管理和调度。

4.多种生存性要求，多种业务保护机制共存

对于系统上运行的波长信号，点对点的WDM系统〔OMT〕提供光层的通道和复用段保护机制，以确保承载业务的可靠性传输。

5.提供大容量的带宽需求

波分复用系统提供的高带宽利用，是任何其它组网形态所无法比拟的。

它在很大程度上弥补了城域网络中光纤数量不足的缺憾。

目前商用的波分复用系统的带宽可以到达320G。

利用长波长区〔L-Band〕或降低波长间隔可以方便地开发出更高的带宽通道，解决实际需要。

2.3光滤波器与光波分复用器

光滤波器在WDM系统中是一种重要原件，与波分复用有着密切关系常常用来构成各种各样的波分复用器和解复用器。

光滤波器有三种应用，第一个是单纯的滤波器应用，其原理框图如所示；

第二个是波分复用／解复用器中应用，其原理框图如所示；

第三个是在波长路由器中的应用，其原理框图如所示。

波分复用器和解复用器主要用在WDM终端和波长路由器以及波长插分复用器（WavelengthAdd/DropMultiplexer，WADM）中。

波长路由器是波长选路网络（WavelengthRoutingNetwork）中的关键部件，，它有两个输入端口和两个输出端口，每路输入都载有一组λ1、λ2、λ3、和λ4WDM信号。

路由器的输入端口1上的波长中，如果λ’1、λ’2、λ’3、λ’4，输入端口2上的波长记为λ”1、λ”2、λ”3、λ”4。

在输入端口上1的波长中，如果λ’2和λ’3、由输出端口1输出,则λ’1和λ’4由输出端口2输出；

在输入端口2中的波长中，如果λ”2和λ”3、由输出端口2输出，则λ”1和λ”4由输出端口1输出，这样，我们就可以称路由器交换了波长λ1和λ4。

在本例中，波长路由器只有两个输入端口和两个输出端口，每一路上只有4个波长，但是在一般情况下，输入和输出的端口数是N（≥2），并且每一端口的波长数是W（≥2）。

N=2，W=4

图2.3波长路由器中应用

如果一个波长路由器的路由方式不随时间变化，就成为静态路由器；

路由方式随时间变化，则成为动态路由器。

静态路由器可以用波分复器来构成，如下图。

解复用器

复用器

λ’1λ’2λ’3λ’4

λ”1λ’2λ’3λ”4

λ”1λ”2λ”3λ”4

λ’1λ”2λ”3λ’4

图2.4由波分复用器构成静态路由器

波长分插复用器可以看成是波长路由器的简化形式，它只有一个输出端口和一个输入端口，再加上一个用于分插波长的本地端口。

波分复用在光纤中的应用

近几年随着多媒体通信的发展和电脑技术的广泛应用，信息交流的领域范围不断扩大，网络通信容量急剧增加，因而不断增加电信网络容量变得越来越重要。

采用密集波分复用〔DWDM〕技术可在不投入大量资金的情况下，在原有单模光纤上提供更多的传输通道，且DWDM系统的建设周期短，能更好地实现信息传输的多元化，以较短的时间实现对光缆通信传输网的扩容，充分满足社会各界对各种带宽业务的需求。

开发式的密集波分复用〔DWDM〕网络不仅采用光技术进行传输，而且通过光波长选择器件将不同波长的不同光信号合并和别离，在节点处实现光复用和光去复用，突破了电路的处理速度，为实现全光网络奠定了基础。

第3章WDM的结构设计

WDM系统的基本形式

光波分复用器和解复用器是ADM技术的关键部件，将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件称为复用器〔也叫合波器〕。

反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解波分复用器〔也叫分波器〕。

从原理上讲，这种器件是互易的〔双向可逆〕，即只要将解复用器的输出和输入端反过来使用，就是复用器。

因此复用器和解复用器是相同的〔除非有特殊的要求〕。

WDM系统的基本构成主要有以下两种形式：

〔1〕双线单相传输。

单向WDM传输是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送。

在发送端将在有各种信息的、具有不同波长的已调光信号λ1，λ2,,,，λn,通过光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输。

由于各种信号是通过不同光波长携带的，因此彼此之间不会混淆。

在接受端通过光解复用器将不同波长的信号分开，完成多路光信号传输的任务。

反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。

〔2〕单线双向传输。

双向WDM传输使之光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输。

所用波长相互分开，以实现双向全双工的通信。

双向WDM系统在设计和应用时必要考虑几个关键的系统因素，如为了抑制多通道干扰〔MPT〕,必须注意到光反射的影响、双向通路之间的隔离、串扰的类型和数值、两个方向传输的功率电平值和相互间的依赖性、光监控信道〔OSC〕传输和自动功率关断等问题，同时要使用双向光纤放大器。

所以双向WDM系统的开发和应用相对说来要求较高，但与单向WDM系统相比，双向WDM系统可以减少使用光纤和线路放大器的数量。

另外，通过在中间设置光分插复用器〔OADM〕或光交插连接器〔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和光网的业务量分布情况，合理地安排插入或分出信号。

WDM系统的基本结构

21世纪的WDM系统主要由五部分组成：

发光机、广中继放大、广接收机、广监控信道和网络管理系统1如图3.1所示。

发光射机位于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〔OUT〕把符合ITU-TG。

957建议的非特定波长的光信号转换成符合ITU-TG。

692建议的具有稳定的特定波长的光信号。

OTU对输入端的信号波长没有特殊的要求，可以兼容任意厂家的SDH信号，其输出端满足G.692的接口，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〔BA：

BoosterAmplifier〕放大输出多路光信号。

通过一定距离传输后，要用掺铒光纤放大器〔EDFA〕对光信号进行中继放大。

在应用时可根据具体情况，将EDFA用作“线放〔LA〕”、“供放〔BA〕

”和“前放（PA）”。

在WDM系统中，对EDFA必须采用增益平坦技术，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。

在接收端，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。

光监控信道的主要功能是监控系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λs（1510nm）的光监控信号，与主信的光信号合波输出；

在接收端，将收到的光信号别离，输出λs（1510nm）波长的光监控信号和业务信道光信号。

帧同步子介、公务字节和网管所用的开销子介等都是通过光监控信道来传送的。

网络管理系统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，实现配置广立、故障管理、性能管理、安全管理等功能，并与上层管理系统（如TMN）相连。

图3.1实际WDM系统的基本结构

WDM技术的主要特点

WDM技术具有很多优势，在近几年得到快速发展。

利用光纤的带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍，多波长复用在单模光纤中传输，在大容量长途传输时可大量节约光纤，对于早期安装的电缆，芯数较少，利用波分复用无需对原有系统作较大的改动即可进行扩容操作，由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合与别离，包括数字信号和模拟信号，以及PDH信号和SDH信号的综合与别离，波分复用通道对数据格式透明，即与信号速率及电调制方式无关。

一个WDM系统可以承载多种格式的“业务”，如ATM、IP等，在网络扩充和发展中，是理想的扩容手段，也是引入宽带新业务〔例如CATV、HDTV和B-ISDN等〕的有利手段，增加一个附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量，利用WDM技术实现网络交换和恢复，从而可能实现未来透明的、具有高度生存性的光网络，在国家骨干网的传输时，EDFA的应用可以减少长途干线系统SDH中继器的数目，从而减少成本。

WDM技术目前存在的问题

以WDM技术为基础的具有分插复用和交叉连接功能的光传输网具有易于重构、良好的扩展性等优势，已成为未来高速传输网的发展方向，很好的解决以下问题有利于其实用化。

〔1〕WDM是一项新的技术，其行业标准制定较粗，因此不同商家的WDM产品互通性极差，特别是在上层的网络管理方面。

为了保证WDM系统在网络中的大规模实施，需保证WDM系统间的互操性以及WDM系统与传统系统间互连、互通，因此应加强光接口设备的研究。

〔2〕WDM系统的网络管理，特别是具有复杂上/下通路需求的WDM网络管理不是很成熟。

在网络中大规模采用需要对WDM系统进行有效网络管理，例如在故障管理方面，由于WDM系统可以在光通道上支持不同类型的业务信号，一旦WDM系统发生故障，操作系统应能及时自动发现，并找出故障原因；

目前为止相关的运行维护软件仍不成熟，在性能管理方面，WDM系统使用模拟方式复用及放大光信号，因此常用的比特误码率并不适用于衡量WDM的业务质量，必须寻找一个新的参数来准确衡量网络向用户提供的服务质量等。

〔3〕一些重要光器件的不成熟将直接限制光传输网的发展，如可调谐激光器等。

通常光网络中需要采用4~6个能在整个网络中进行调谐的激光器，但目前这种可调谐激光器还很难商用化。

WDM的发展趋势

WDM技术问世时间不长，但由于具有许多显著的优点迅速得到推广应用，并向全光网络的方向发展。

今后全光技术的发展表现在以下几个方面：

可变波长激光器。

到目前为止，光纤通信用的光源即半导体激光器只能发出固定波长的光波。

将来会出现激光器光源的发射波长可按需要进行调谐发送，其光谱性能将更加优越，而且具有更高的输出功率、稳定性和可靠性。

不仅如此，可变波长的激光器更有利于大批量生产，降低成本。

全光中继器。

目前的中继器需要经过光-电-光的转换过程，即通过对电信号的处理来实现再生〔整形、定时、数据再生〕，电再生器体积大、耗电多、成本高。

掺铒光纤放大器虽然可以用来作再生器使用，但它只是解决了系统损耗受限的难题，而无法解决色散的影响，这就对光源的光谱性能提出了极高的要求。

未来的全光中继器不需要光-电-光的处理过程，可以对光信号直接进行再定时、再整形和再放大，而且与系统的工作波长、比特率、协议等无关。

由于它具有光放大功能，所以解决了损耗受限的难题，又因为它可以对光脉冲波形直接进行再整形，所以也解决了色散受限方面的难题。

光交叉连接设备〔OXC〕。

未来的OXC可以利用软件对各路光信号灵活的交叉连接。

OXC对全光网络的调度、业务的集中与疏导、全光网络的保护与恢复等都将发挥作用。

光分插复用器〔OADM〕。

目前采用的OADM只能在中间局站上、下固定波长的光信号，使用起来比较僵化。

未来的OADM对上、下光信号将完全可控，通过网管系统就可以在中间局站有选择地上、下一个或几个波长的光信号，使用起来非常方便，组网〔光网络〕十分灵活。

应用WDM技术第一次把复用方式从电信号转移到光信号，在光域上用波分复用〔既频率复用〕的方式提高传输速率，光信号实现了直接复用和放大，并且各个波长彼此独立，对传输的数据格式透明。

当前研究的热点之一是DWDM，DWDM实验室水平可到达100X10Gbit/s，中继距离400km；

30X40Gbit/s，中继距离85km;

64X5Gbit/s，中继距离720km。

密集波分复用DWDM商用水平为320Gbit/s，即一对光纤可传送400万话路。

目前商用系统的传输能力仅