光纤通信的复用技术的研究.docx

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光纤通信的复用技术的研究

[摘要]在光纤通信中，复用技术被认为是扩展现存光纤网络工程容量的主要手段。

复用技术主要包括时分复用TDM（TimeDivisionMultiplexing）技术、空分复用SDM（SpaceDivisionMultiplexing）技术、波分复用WDM（WaveLengthDivisionMultiplexing）技术和频分复用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）技术。

但是，因为FDM和WDM一般认为并没有本质上的区别，所以可以认为波分复用是＂粗分＂，而频分复用是＂细分＂，从而把两者归入一类。

[关键词]波分复用（WDM）空分复用（SDM）时分复用（TDM）频分复用（FDM）

Thefiberopticcorrespondbyletterofreply

withthetechnicalresearch

Hucaiju

[Abstract]Infiber-opticcorrespondence,replywithitismainmeansthatexpandstheexistingfiber-opticnetworkengineeringcapacitythattechniqueisthink.ReplytothemainlyincludethewiththetechniquereplythetousetheTDM（TimeDivisionMultiplexing）thetechniqueseparately,theemptyreplytheseparatelytothereplytotheusetheWDM（WaveLengthDivisionMultiplexing）techniqueandFrequencythestothereplytotheusetheFDM（FrequencyDivisionMultiplexing）techniquetheseparatelywiththeSDM（SpaceDivisionMultiplexing）technique,theacent.But,theFrequencyrepliesseparatelytheuseis“thatathetosubdivide”theFDMandWDMthinktohavenoessentialdifferentiationgenerally,socanthinkitis“thatacentrepliestousethickcent”,thusreturnbothintotogether.

[Keywords]WDM（WaveLengthDivisionMultiplexing）SDM（SpaceDivisionMultiplexing）TDM（TimeDivisionMultiplexing）FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）

一、引言

通信中的复用技术是一种能够充分利用传输线信道容量的多维通信手段，它是先把来自多个信息源的消息进行合并，然后将这一合成的消息群，经由单一的传输设备进行传输，在接收端再将这一消息群进行分离，并分别重现，因此，复用实质上是一种起着多通道作用的信息传输方式。

在目前实用的光纤通信系统中，还延用传统的强度调制---直接检波（IM/DD）的系统方式，即电/光转换和光/电转换的信号传输方式，虽然随着大规模集成电路的不断发展，系统容量也得到了不断提高，但电子器件处理信息的速率还远远低于光纤所能提供的巨大负荷量，为了进一步满足各种宽带业务对网络容量的需求，进一步挖掘光纤的频带资源，开发和使用新型光纤通信系统将成为未来的的趋势，其中采用多信道复用技术，便是行之有效的方式之一。

光纤通信复用技术主要分为：

光波复用和光信号复用两大类。

光波复用分为按波长分割的波分复用（WDM）和按空间分割的空分复用（SDM），而光信号复用又分为按时间分割的时分复用（TDM）和按频率分割的频分复用（FDM），此外还有光码复用（OCDM）、副载波复用（SCM）技术。

不难看出，光信号复用是延用无线电通信中的相应复用技术。

而光波复用技术则是光纤通信所特有的，它是人们根据光波的特点发展出来的一种新颖的复用通信技术。

二、光纤数字网的复接体制

数字复用是采用数字复接的方法来实现的，又称数字复接技术。

数字复接体系（digitalmultiplexhierarchy）：

按照数字率来分级的一系列数字复接器。

在某一用户的话音信号（发与收）采用二线制传输，但端机的发送与接收支路是分开的，即发与收是采用四线制传输。

因此，用户的话音信号需经2/4线变换，也就是通过差动变量器（差动变量器1~2端发送与4－1端接收的传输衰减越小越好，而4－2端的衰减要越大越好，以防止通路振鸣）1~2端送入PCM端机的发送端，经放大（调节话音电平）、低通滤波（限制话音频带、防止折叠噪声）、抽样、合路和编码，编码后的PCM码、帧同步码、信令码、数据信号码在汇总电路里按PCM30/32系统帧结构排列，最后经码型变换成适宜于信道传输的码型送往信道。

接收端首先将接收到信号进行整形、再生，然后经过码型反变换，恢复成原来的码型，再由分离电路将PCM码、信令码、帧同步码、数据信号码分离，分离出的话路信码经解码、分路门恢复出每一路的PCM信号，然后经低通平滑，恢复成每一路的话音模拟信号，最后经放大、差动变量器4~1端送至用户。

再生电路所提取时钟，除了用于抽样判决，识别每一个码元外，还由它来控制收端定时系统产生收端所需的各种脉冲信号。

数字复接系统由数字复接器和数字分接器组成。

（如图2-1）

数字复接器是把两个或两个以上的支路（低次群），按时分复用方式合并成一个单一的高次群数字信号设备，它由定时、码速调整和复接单元等组成。

数字分接器的功能是把已合路的高次群数字信号，分解成原来的低次群数字信号，它由帧同步、定时、数字分接和码速恢复等单元组成。

图2-1数字复接系统方框图

１．异步复接

要完成数字复接，各低速数字支路必须彼此同步，有两种方法可以保证这一点：

建立同步网络和采用异步复接。

同步复接是用一个高稳定的主时钟来控制被复接的几个低次群，使这几个低次群的码速统一在主时钟的频率上，这样就达到系统同步的目的。

这种同步方法的缺点是主时钟一旦出现故障，相关的通信系统将全部中断。

它只限于在局部区域内使用。

不论同步复接或异步复接，都需要码速变换。

虽然同步复接时各低次群的数码率完全一致，但复接后的码序列中还要加入帧同步码、对端告警码等码元，这样数码率就要增加，因此需要码速变换。

在准同步网络中，各群次独立定时，因此高次群复接都采用以比特为单位的异步复接。

异步复接是各低次群使用各自的时钟。

这样，各低次群的时钟速率就不一定相等，因而在复界时要先进行码速调整，使各低次群同步后再复界。

所以异步复接实际上是通过两个步骤实现的：

先用码速调整将各支路信息码流调整到速率、相位都一致，然后进行同步复接。

一般采用正码速调速（如图2-2），这样在发端就要插入一些码速调整比特，一路低速信号往往要经过多次码速调整，使得在高速信号中很难直接识别和提取低速支路信号，要上下话路，只能采用一系列背靠背的复接器，将高次群信号一步步地解复用到所要解出的低次群上，上下路后，再重新一步步地复用到高次群上（如图2-3）。

显然，这种异步复用方式结构复杂，成本高，设备利用率低，硬件所占的成分大，因此很不灵活。

图2-2正码调速方框图

图2-3异步复接系统上下路方法

目前世界上有三种异步复接体制（表2－1），三者互不兼容，国际互联时必须进行转换。

表2－1三种异步复接体制

次群

以15Mbps为基础的系列

以2Mbps为基础的系列

日本体制

北美体制

欧洲体制

0次群

1次群

1554

2048

2次群

6312

448

3次群

32064

44736

34368

２．光纤同步网络

⑴SONET和SDH

美国贝尔公司首先提出了同步光网络（SONET），美国国家标准协会（ANSI）于20世纪80年代制定了有关SONET的国家标准。

当时的CCITT采纳了SONET的概念，进行了一些修改和扩充，重新命名为同步数字体系（SDH），并制定了一系列的国际标准。

SDH和SONET的基本原理完全相同，标准也兼容，但还是略有差别（表2－2）。

表2－2SONET、SDH比较

SDH

SONET

等级

速率（Mbps）

等级

51.840

STM－1

OC-1

STM－1

155.520

STM－3

OC-3

466.560

STM－9

OC-9

STM－4

622.080

STM－12

OC-12

933.120

STM－18

OC-18

1244.160

STM－24

OC-24

1866.240

STM－36

OC-36

STM－16

2488.320

STM－48

OC-48

STM－64

9953.280

STM－192

OC-192

SONET的电信号称同步传递信号STS（SynchronousTransportSignal），光信号称光载体OC（OpticalCarrierLevel），它的基本比特率是51.840Mbps；SDH的基本速率为155.520Mbps，其速率分级名称为同步传递模块STM（SynchronousTransportModule）。

我国采用SDH标准，因此下面的叙述都按SDH分级方式。

⑵SDH的特点

SDH网的主要特点是同步复用、标准光接口和强大的网管功能，这三点在后面都要详细明。

SDH网络还是一个非常灵活的网络，这体现在以下几个方面。

①支持多种业务

SDH的复用结构中定义了多种容器C和虚容器VC，各种业务只要装入虚容器就可作为一个独立的实体在SDH网中进行传送。

C、VC以及联和复帧结构的定义使SDH可以灵活地支持多种电路层业务，包括各种速率的异步数字系列、DQDB、FDDI、ATM等，以及将来可能出现的新业务。

另外，段开销中大量的备用通道也增强了SDH网的可扩展性。

SDH的这种灵活性和可扩展性使它成为宽带综合业务数字网理所当然的基础传送网络。

②迅速、灵活地更改路由，具有很强的生存性

PDH中改变网络连接要靠人工更改配线架的接线，耗时长、成本高且易出错。

在SDH网中，大规模采用软件控制，通过软件就可以控制网络中的所有交叉连接设备和复用设备，需要改变路由时，通过软件更改交叉连接设备和分插复用器的连接，只要几秒钟就可灵活地重组网络。

特别是SDH的自愈环，在某条链路出现故障时，可以迅速地改变路由，从而大大提高了SDH网的可靠性。

③定义了标准的网络接口和标准网络单元，提高了不同厂商之间设备的兼容性，使组网时有更大的灵活性。

三、光纤通信复用技术

⒈波分复用（WDM）

⑴波分复用（WDM）通信基本原理

目前，WDM（波分复用）技术发展十分迅速，已展现出巨大的生命力和光明的发展前景，我国的光缆干线和一些省内干线已开始采用WDM系统，并且国内一些厂商也正在开发这项技术。

①概述

在过去20年里，光纤通信的发展超乎了人们的想象，光通信网络也成为现代通信网的基础平台。

就我国长途传输网而言，截止到1998年底，省际干线光缆长度已接近2O万km。

光纤通信系统经历了几个发展阶段，从80年代末的PDH系统，90年代中期的SDH系统，以及近来风起云涌的WDM系统，光纤通信系统自身在快速地更新换代。

波分复用技术从光纤通信出现伊始就出现了，两波长WDM（1310／1550nm）系统80年代就在美国AT&T网中使用，速率为2×1.7Gb／s。

但是到90年代中期，WDM系统发展速度并不快，主要原因在于：

（1）TDM（时分复用）技术的发展，155Mb／s—622Mb／s—2.5Gb／sTDM技术相对简单。

据统计，在2.5Gb／s系统以下（含2.5Gb／s系统），系统每升级一次，每比特的传输成本下降3O％左右。

正由于此，在过去的系统升级中，人们首先想到并采用的是TDM技术。

（2）波分复用器件还没有完全成熟，波分复用器／解复用器和光放大器在90年代初才开始商用化。

1995年开始，WDM技术的发展进入了快车道，特别是基于掺饵光纤放大器EDFA的1550nm窗口密集波分复用（DWDM）系统。

Lucent率先推出8×2.5Gb／s系统，Ciena推出了16×2.5Gb／s系统，试验室目前已达Tb／s速率，世界上各大设备生产厂商和运营公司都对这一技术的商用化表现出极大的兴趣，WDM系统在全球范围内有了较广泛的应用。

发展迅速的主要原因在于：

（1）光电器件的迅速发展，特别是EDFA的成熟和商用化，使在光放大器（1530～1565nm）区域采用WDM技术成为可能。

（2）TDM10Gb／s面临着电子元器件的挑战，利用TDM方式已日益接近硅和镓砷技术的极限，TDM已没有太多的潜力可控，并且传输设备的价格也很高。

（3）已敷设G.652光纤1550nm窗口的高色散限制了TDM10Gb／s系统的传输，光纤色度色散和极化模色散的影响日益加重。

人们正越来越多地把兴趣从电复用转移到光复用，即从光域上用各种复用方式来改进传输效率，提高复用速率，而WDM技术是目前能够商用化最简单的光复用技术。

从光纤通信发展的几个阶段看，所应用的技术都与光纤密切相关。

80年代初期的多模光纤通信，所应用的是多模光纤的850nm窗口；80年代未、90年代初期的PDH系统，所应用的是单模光纤1310nm窗口；1993年开始的SDH系统开始转向1550nm窗口；WDM是在光纤上实行的频分复用技术，更是与光纤有着不可分割的联系。

目前的WDM系统是在155Onm窗口实施的多波长复用技术，因而在深入讨论WDM技术以前，有必要讨论一下光纤的特性，特别是光纤的带宽和损耗特性。

如图3-1所示。

②光纤的基本特性

由于单模光纤具有内部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点，因而得到了广泛应用。

从80年代未起，我国在国家干线网上敷设的都是常规单模光纤。

常规石英单模光纤同时具有1550nm和1310nm两个窗口，最小衰减窗口位于1550nm窗口。

多数国际商用光纤在这两个窗口的典型数值为：

1310nm窗口的衰减在（0.3～0.4）dB／km；1550nm窗口的衰减在（O.19～0.25）dB／km。

同样，在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量，在接收端采用解复用器（等效于光带通滤波器）将各信号光载波分开。

由于在光的频域上信号频率差别比较大，人们更喜欢采用波长来定义频率上的差别，因而这样的复用方法称为波分复用。

所谓WDM技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的频率（或波长）不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器（合波器）将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。

在接收端，再由一波分复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。

由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立（不考虑光纤非线性时），从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。

双向传输的问题也很容易解决，只需将两个方向的信号分别安排在不同波长传输即可。

根据波分复用器的不同，可以复用的波长数也不同，从2个至几十个不等，现在商用化的一般是8波长和16波长系统，这取决于所允许的光载波波长的间隔大小，图3-2给出了其系统组成。

图3-2波分复用系统原理

WDM本质上是光域上的频分复用（FDM）技术。

要想深刻理解WDM系统的本质，有必要对传输技术的发展进行一下总结。

从我国几十年应用的传输技术来看，走的是FDM-TDM-TDM+FDM的路线。

开始的明线、中同轴电缆采用的都是FDM模拟技术，即电域上的频分复用技术，每路话音的带宽为4kHz，每路话音占据传输媒质（如同轴电缆）一段带宽；PDH、SDH系统则是在光纤上传输的TDM基带数字信号，每路话音速率为64kb／s；而WDM技术是光纤上频分复用技术，16（8）×2.5Gb／s的WDM系统则是光域上的FDM模拟技术和电域上TDM数字技术的结合。

③下面列出了几种传输技术实现方式：

——.明线技术，FDM模拟技术，每路电话4kHz；

——.小同轴电缆6O路FDM模拟技术，每路电话4kHz；

——.中同轴电缆1800路FDM模拟技术，每路电话4kHz；

——.光纤通信140Mb／sPDH系统，TDM数字技术，每路电话64kb／ｓ；

——.光纤通信2.5Gb／sSDH系统，TDM数字技术，每路电话64kb／s；

——.光纤通信N×2.5Gb／sWDM系统，TDM数字技术+光频域FDM模拟技术，每路电话64kb／s。

WDM本质上是光域上的频分复用FDM技术，每个波长通路通过频域的分割实现，如图3-3所示。

每个波长通路占用一段光纤的带宽，与过去同轴电缆FDM技术不同的是：

（1）传输媒质不同，WDM系统是光信号上的频率分割，同轴系统是电信号上的频率分割利用。

（2）在每个通路上，同轴电缆系统传输的是模拟信号4kHz语音信号，而WDM系统目前每个波长通路上是数字信号SDH2.5Gb／s或更高速率的数字系统。

图3-3WDM频谱分布图

④WDM技术的主要特点

ⅰ、可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍。

ⅱ、使N个波长复用起来在单模光纤中传输，在大容量长途传输时可以大量节约光纤。

另外，对于早期安装的芯数不多的电缆，芯数较少，利用波分复用不必对原有系统作较大的改动即可比较方便地进行扩容。

ⅲ、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和分离，包括数字信号和模拟信号，以及PDH信号和SDH信号的综合与分离。

波分复用通道对数据格式是透明的，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”信号，ATM、IP或者将来有可能出现的信号。

WDM系统完成的是透明传输，对于“业务”层信号来说，WDM的每个波长就像“虚拟”的光纤一样。

ⅳ、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）的方便手段，增加一个附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量。

ⅴ、利用WDM技术选路来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。

ⅵ、在国家骨干网的传输时，EDFA的应用可以大大减少长途干线系统SDH中继器的数目，从而减少成本。

距离越长，节省成本就越多⑸WDM和DWDM人们在谈论WDM系统时，有时会谈到DWDM（密集波分复用系统）。

WDM和DWDM是同一回事吗？

它们之间到底有那些差别呢？

其实，WDM和DWDM应用的是同一种技术，它们是在不同发展时期对WDM系统的称呼，它们与WDM技术的发展史

有着紧密的关系。

在80年代初，光纤通信兴起之初，人们想到并首先采用的是在光纤的两个低损耗窗口1310nm和1550nm窗口各传送1路光波长信号，也就是131Onm／155Onm两波分的WDM系统，这种系统在我国也有实际的应用。

该系统比较简单，一般采用熔融的波分复用器件，插入损耗小；没有光放大器，在每个中继站上，两个波长都进行解复用和光／电／光再生中继，然后再复用在一起传向下一站。

很长一段时间内在人们的理解中，WDM系统就是指波长间隔为数十nm的系统，例如1310nm／1550nm两波长系统（间隔达200多nm）。

因为在当时的条件下，实现几个nm波长间隔是不大可能的。

随着1550nm窗口EDFA的商用化，WDM系统的应用进入了一个新时期。

人们不再利用1310nm窗口，而只在1550nm窗口传送多路光载波信号。

由于这些WDM系统的相邻波长间隔比较窄（一般（1.6nm），且工作在一个窗口内共享EDFA光放大器，为了区别于传统的WDM系统，人们称这种波长间隔更紧密的WDM系统为密集波分复用系统。

所谓密集，是指相临波长间隔而言。

过去WDM系统是几十nm的波长间隔，现在的波长间隔小多了，只有（0.8～2）nm，甚至<0.8nm。

密集波分复用技术其实是波分复用的一种具体表现形式。

由于DWDM光载波的间隔很密，因而必须采用高分辨率波分复用器件来选取，例如平面波导型或光纤光栅型等新型光器件，而不能再利用熔融的波分复用器件。

——在DWDM长途光缆系统中，波长间隔较小的多路光信号可以共用EDFA光放大器。

在两个波分复用终端之间，采用一个EDFA代替多个传统的电再生中继器，同时放大多路光信号，延长光传输距离。

在DWDM系统中，EDFA光放大器和普通的光／电／光再生中继器将共同存在，EDFA用来补偿光纤的损耗，而常规的光／电／光再生中继器用来补偿色散、噪声积累带来的信号失真。

现在，人们都喜欢用WDM来称呼DWDM系统。

从本质上讲，DWDM只是WDM的一种形式，WDM更具有普遍性，DWDM缺乏明确和准确的定义，而且随着技术的发展，原来认为所谓密集的波长间隔，在技术实现上也越来越容易，已经变得不那么“密集”了。

一般情况下，如果不特指1310nm／1550nm的两波分WDM系统，人们谈论的WDM系统就是DWDM系统。

⑵总结

过去无论PDH的34Mb／s-140Mb／s-565Mb／s，还是SDH的155Mb／s-622Mb／s-2.4Gb／s，其扩容升级方法都是采用电的TDM方式，即在电信号上进行的时间分割复用技术，光电器件和光纤完成的只是光电变换和透明传输，对信号在光域上没有任何处理措施（甚至于放大）。

WDM技术的应用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（即频率复用）的方式提干个时隙，将高传输速率，光信号实现了直接复用和放大，而不再回到电信号上处理，并且各个波长彼此独立，对传输的数据格式透明。

因此，从某种意义上讲，WDM技术的应用标志着光通信时代的“真正”到来。

⒉空分复用（SDM）

所谓空分复用就是利用空间分割，根据需要构成不同的信道进行光复用的一种复用技术。

例如，一根光缆中的两根光纤可以构成不同的信道，也可以构成不同传输方向（一根去向，一根来向）的一个系统，这是目前普遍使用的最为简单的复用方式。

随着技术的不断提高，人们对空间分割的理解更加深刻，使用复用向着多路空分复用通信方式发展。

例如，对于一幅由若干象素的信息，这样通过利用多芯光纤可使传输图象的传输率成数量级的提高，同时仍保持其良好的色保持特性和透光性。

这是空分复用的一个发展方向.

⒊时分复用（TDM）

⑴TDM技术在电子学通信中已经是很成熟的复用技术。

这种技术就是将传输时间分割成若需要传输的多路信号按一定规律插入相应时隙，从而实现多路信号的复用传输。

但是，这种技术在电子学通信使用中，由于受到电子速度、容量和空间兼容性诸多方面的限制，使得电子时分复用速率不能太高。

例如，PDH信号仅达到0.5Gbps，尽管SDH体制信号采用同步交错复接方法己达到

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