數字光纖通信系統5.1

數字光纖通信系統概述5.1.1數字光纖通信的基本概念數字光纖通信，是以光波運載數字信號，以光導纖維為傳輸媒介的一種通信方式。有如下的顯著特點:1.線徑細,重量輕由于光纖的直徑小，制成光纜后與電纜比要細得多，有利于長途和市話干線布放，便于制造多芯光纜。2.損耗極低由于技術的發展，現在制造出的光纖介質純度很高，因而損耗極低。3.傳輸的頻帶寬，信息容量大由于光波頻率高，因此用光來攜帶信號則信息量大。現在已經發展到幾十千兆比特／秒光纖通信系統.4.不受電磁干擾，防腐和不會銹蝕因光纖是非金屬材料．它不會受到電磁干擾，也不會發生銹蝕，具有防腐的能力。5.不怕高溫，防爆、防火性能強因光纖是石英玻璃材料，所以不怕高溫，有防火的性能。因而可用于易燃易爆的環境中。6.光纖通信保密性好由于光纖在傳輸光信號時向外世漏小，不會產生串話等干擾，因而光纖通信保密性好。5.1.2數字光纖通信系統的組成數字光纖通信系統與一般通信系統一樣，它由發送設備、傳輸信道和接收設備三大部分構成。現在普遍采用的數字光纖通信系統，是采用數字編碼信號經強度調制一直接檢波的數字通信系統。這里的強度是指光強度，即單位面積上的光功率。強度調制是利用數字信號直接調制光源的光強度，使之與信號電流成線性變化。直接檢肢，是指信號在光接收機的光頻上檢測出數字脈沖信號。光纖通信系統組成原理方框圖如圖5.1所示。圖5.1

光纖通信系統組成原理方框圖在發送設備中，有源器件把數字脈沖電信號轉換為光信號(E/O變換），送到光纖中進行傳輸。在接收設備中，設有光檢測器件，將接收到的光信號轉換為數字脈沖信號(O/E變換）。在其傳輸的路途中，當距離較遠時，采用光中繼設備，把信號經過中繼再生處理后傳輸。實用系統是雙方向的，其結構圖如圖5.2所示。圖5.2

數字光纖通信傳輸系統結構方框圖圖中，數字端機主要是把用戶各種數字信號，包括數字程控交換機和數字接口，通過復用設備組成一定的數字傳輸結構（幀結構），不同速率等級的數字信號流送至光端機，光端機把數字端機送來的數字信號進行處理，變成光脈沖送人光纖進行傳輸，接收端進行相反的變換。光端機主要由光發送、光接收、信號處理及輔助電路組成。在光發送部分完成電／光變換，在光接收部分主要完成光／電變換。信號處理，主要指把數字端機送來的數字脈沖信號再處理，以及各種碼型變換，使之適應光傳輸及其他目的。輔助電路主要包括告警、公務、監控及區間通信等等。光中繼機的作用，主要是將光纖長距離傳輸后，受到的衰耗及色散畸變的光脈沖信號，轉換為電信號后經放大整形、定時、再生還原為規則的數字脈沖信號。經過再調制光源，變為光脈沖信號送入光纖繼續傳輸，達到延長傳輸距離的目的。5.1.3光纖和光纜1.光纖光纖就是導光的政璃纖維的簡稱，是石英玻璃絲，它的直徑只有0.1mm，如同人的頭發絲粗細。在通信中，它和原來傳送電話的明線、電纜一樣，是一種新型的信息傳輸介質，但它比以上兩種方式傳送的信息量要高出成千上萬倍，可達到上百千兆比特／秒，而且衰耗極低。2.光纖的導光原理光纖為什么能夠導光，能傳送大量信息呢？這要研究其傳輸理論，但其傳輸理論涉及的數學、物理知識面相當廣，它要用到微分方程、場論等等高等數學知識及物理的微電子學、光學等高深理論。這里我們用簡單的比喻，從物理概念上來說明，以加深對光纖傳輸信息的理解。光纖是利用光的全反射特性來導光的。在物理中學習過光從一種介質向另一種介質傳播，由于它們在不同介質中傳輸速率不一樣，因此，當通過兩個不同的介質交界面就會發生折射。若現在有兩種不同介質，其折射率分別n0、n1，而且n1＞n0，設界面為xx‘，折射率小的稱光疏媒質，折射率大的稱光密媒質。假定光線從光疏媒質射向光密媒質，其折射情況如圖5.3所示。圖中，入射角為θ?，入射光線與法線yy＇夾角，折射角為θ1一一一折射光線與yy＇夾角，由圖可見，θ1<θ

0若使光束從光密媒質射向光疏媒質時，則折射角大于入射角，如圖5.4所示。圖5.3

光的折射示意圖圖5.4

臨界角和光線的全反射如果不斷增大θ0可使折射角達到90°，這時的θ1稱為臨界角。如果繼續增大隊，則折射角會大于臨界角，使光線全部返回光密媒質中，這種現象稱為光的全反射。

當光線從光密媒質射向光疏媒質．且入射角大于臨界角時，就會產生全反射現象，光纖就是利用這種全反射來傳輸光信號的。根據這一原理，在制造光纖時，使光纖芯的折射率高，在外面涂上一包屏層，可使折射率低，當選擇一定的角度時，射入纖芯的光束將會全部返回纖芯中。這就要制造一種像水管一樣的光導管，在光導管壁及光纖芯包的邊界使之形成光束的全反射，從而達到將光束都集中在光纖芯部傳輸而不向外泄漏，就似水管中的水流那樣，使之永遠在水管中流動。要做成這樣的光導管，除了對光纖芯部的折射率有要求以外，還要使靠近纖芯與包層的邊沿具有極小的光損耗，使能量都集中在光芯中傳播。當然，這就對光纖材料提出了很高的要求。由于石英玻璃質地脆、易斷裂，為了保護光纖表面，提高抗拉強度，以便于實用，一般都在裸光纖外面進行兩次涂覆而構成光纖芯線。光纖芯線結構如圖5.5所示。光纖的芯線由纖芯、包層、涂覆層、套塑四部分組成。包層的外面涂覆一層很薄的涂覆層，涂覆的材料為硅銅樹脂或聚氨基甲酷乙醋，涂覆層的外面套塑，套塑的原料大都采用尼龍、聚乙烯或聚苯烯等塑料。圖5.5

光纖芯線的剖面構造圖3.單模光纖及特性參數根據波導傳輸波動理論分析，光纖的傳播模式可分為多模光纖和單模光纖。1)多模光纖多模光纖即能承受多個模式的光纖，如圖5.6（a）、（b）所示。這種光纖結構簡單、易于實現，接頭連接要求不高，用起來方便，也較便宜。因而在早期的數字光纖通信系統（PDH系列）中采用。但這種光纖傳輸帶寬窄、衰耗大、時延差大，因而已逐步被單模光纖代替。

2）單模光纖即只能傳送單一基模的光纖，如圖5.6(c）所示。這種光纖從時域看不存在時延差，從頻域看，傳輸信號的帶寬比多模光纖寬得多，有利于高碼率信息長距離傳輸。單模光纖的纖芯直徑一般為4～10μm，包層即外層直徑一般為125μm，比多模光纖小得多。圖5.5

單模光纖結構示意圖3）單模光纖的主要特性光纖的特性參數及定義相當復雜。在一般數字光纖工程中，單模光纖所需的主要參數有：工作波長或截止波長、模場直徑和衰減系數等。(1）截止波長A。截止波長通常是判斷光纖是否在單模工作的一個重要參數，只有當工作波長大于截止波長時才能保證光纖在單模工作。(2）模場直徑d。模場直徑是單模光纖的一個重要參數。至目前為止，模場直徑的確切定義還沒有明確規定。從物理概念上我們可理解為，對于單模光纖，基模場強在光纖橫截面近似為高斯分布。如圖5.7所示。通常將纖芯中場分布曲線最大值1/e處所對應的寬度定義為模場直徑用d表示。(3）衰減系數α。衰減系數是在工程上設計光纖通信系統時，必須要用到的一個重要參數。它是指沿光纖傳播方向光信號的損耗，它是決定光纖中繼段長度的重要因素。衰減量的大小通常用衰減系數α來表示．單位是dB/km，其定義為式中，Pi為光纖輸入的光功率；P0為光纖輸出的光功率；L為光纖的長度（單位為km)。圖5.7基模場強分布曲線

為了使光纖能在工程中實用化，要求其能承受工程中拉伸、側壓和各種外力作用，還要具有一定的機械強度才能使性能穩定。因此，將光纖制成不同結構、不同形狀和不同種類的光纜以適應光纖通信的需要。根據不同的用途和條件，制成的光纜種類很多，但其基本結構是相同的。光纜主要由纜芯、加強元件和護層組成。4.光纜

1）纜芯纜芯是由光纖芯組成的，它可分為單芯和多芯兩種。單芯型纜芯和多芯型纜芯結構的比較如表5.1所示單芯型由單根二次涂覆處理后的光纖組成。多芯型由多根經二次涂覆處理后的光纖組成，它又分為帶狀結構和單位式結構。目前國內外對二次涂覆主要采用下列兩種保護結構：(l）緊套結構。如圖5.8(a）所示，在光纖與套管之間有二個緩沖層，其目的是為了減少外面應力對光纖的作用。緩沖層一般采用硅樹脂，二次被覆用尼龍口。這種光纖的優點是：結構簡單，使用方便。(2）松套結構。如圖5.8(b）所示，將一次涂覆后的光纖放在一根管子中，管中充油膏形成松套結構。這種光纖的優點是：機械性能好，防水性好，便于成纜。圖5.8

緊套和松套光纖結構示意圖2）加強元件由于光纖的材料比較脆，容易斷裂，為了使光纜便于承受敷設安裝時所加的外力等，在光纜內中心或四周要加一根或多根加強元件。加強元件的材料可用鋼絲或非金屬的纖維一一一增強塑料（FRP）等。3）護層光纜的護層主要是對已形成的光纖芯線起保護作用，避免受外部機械力和環境損壞。因此，要求護層具有耐壓力、防潮、濕度特性好、重量輕、耐化學侵蝕、阻燃等特點。光纜的護層又分內護層和外護層，內護層一般采用聚乙烯或聚氨乙烯等，外護層可根據敷設條件而定，如采用由鉆帶和聚乙烯組成的LAP外護套加鋼絲鎧裝等。的光纜的種類。在公用通信網中用的光纜結構如表5.2所示種類結構光纖芯線數必要條件長途光纜層絞式<10低損耗，寬頻帶，可用單盤盤長的光纜來鋪設，骨架式有利于防側壓力單位式10~200骨架式<10海底光纜層絞式40~100低損耗，耐水壓，耐張力單位式40~100用戶光纜單位式<200高密度，多芯和低、中損耗帶狀式>200局內光纜軟線式2~20重量輕，線徑細，可撓性好

帶狀式單位式表5.2公用通信網中的光纜結構下面介紹幾種有代表性的光纜結構形式。(1）層絞式光纜。它是將若干根光纖芯線以強度元件為中心絞合在一起的一種結構，如圖5.9(a）所示。特點是成本低，芯線數不超過10根。(2）單位式光纜。它是將幾根至十幾根光纖芯線集合成一個單位，再由數個單位以強度元件為中心絞合成纜，如圖5.9(b）所示，其芯線數一般適用于幾十芯。(3）骨架式光纜。這種結構是將單根或多根光纖放入骨架的螺旋槽內，骨架中心是強度元件，骨架上的溝槽可以是V型、U型或凹型，如圖5.9(c）所示。由于光纖在骨架溝槽內具有較大空間，因此當光纖受到張力時，可在槽內做一定的位移，從而減少了光纖芯線的應力應變和微變，這種光纖具有耐側壓、抗彎曲、抗拉的特點。(4）帶狀式光纜。它是將4～12根光纖芯線排列成行，構成帶狀光纖單元，再將多個帶狀單元按一定方式排列成纜，如圖5.9(d）所示。這種光纜的結構緊湊，采用此種結構可做成上千芯的高密度用戶光纜。圖5.9光纜的基本結構(a）層絞式；（b）單位式；（c）骨架式；（d）帶狀式5.2PDH數字光纖傳輸系統在第4章，對PDH系列的幀結構組成已經講述，這里主要講述PDH數字系列的光纖傳輸系統及其網絡接口。PDH數字光纖通信傳輸系統方框圖結構如圖5.2所示。系統終端設備由數字端機和光端機組成，對其PDH系列來說，主要是指在方框圖中的電端機的PCM一、二、三、四次群（PCM高次群）。它是根據系統業務容量來確定PCM高次群的等級的。正如第4章中所講述的，它是以PCM30/32路基群即2Mb/s速率接口為基礎，采用按碼位異步復接方式．按一定幀結構進行逐級復接而成。在發端為復接，在接收端為分接，從高次群中分接出低次群數字信號。隨著數字集成技術的發展，PDH系統設備已把數字端機、光端機集成在一個物理體中，體積很小（窄架）．這些設備根據不同用戶、不同用途，把復接的數字碼進行PDH系列光傳輸碼型的變換（線路編碼），組成如4BlH、lBlH等不同幀結構系統的傳輸設備。隨著光通信技術的發展啕按國家組網的有關規定．近年來.PDH系列設備只在公網中用作市話網的中繼傳輸系統，但是，在許多專用信息傳輸系統中它也得到廣泛應用。在我國公用電話網及數據網中.PDH系列的數字結構，主要用于數字網絡接口標準，特別是2Mb/s速率的接口，在數據、衛星、移動通信系統中普遍采用。PDH系統電接口主要參數CCITT在G.703協議中，對以2.048Mb／s為基礎的PDH系列規定了接口特性、速率、碼型。如表5.3所示。表5.3PDH系列規定的電接口主要參數接口速率（Mb/s）2.0488.44834.368139.264接口碼型HDB3HDB3HDB3CMI光線衰減/db0~80~80~20~12G921規定的標稱比特容差如表5.4所示表5.4G.921規定的標稱比特容差標稱比特速率（Mb/s）2.0488.44834.368139.264容差/×2.

PDH系統光接口主要參數系統發光功率如表5.5所示。表5.5系統發光功率光源類型S點平均發送光功率/dBmLD≧-9、（-6）、（-3）LED≧-30系統光接收靈敏度．當BER=l×時所需的最低接收光功率如表5.6所示。表5.6系統光接收靈敏度標稱述率／（Mb/s)標稱波長／nm光檢測器PIN接收靈敏度S/dBm8.4481310PIN-FET-50(46)34.3681310PIN-FET-42139.2641310PIN-

FET-385.3SDH光同步數字傳輸系統5.3.1SDH光同步數字傳輸系統的基本概念和特點1.SDH系統的基本概念隨著通信網的發展和用戶的需求，基于點對點傳輸的準同步(PDH）系統暴露出一些固有的、難以克院的弱點，已經不能滿足大容量高速傳輸的要求。為了適應現代通信網的發展，產生了高速大容量光纖技術和智能網技術相結合的新體制——同步數字系列（SDH）。SDH是一個將復接、線路傳輸及交換功能融為一體的、并由統一網管系統操作的綜合信息傳送場地，可實現諸如網絡的有效管理、開通業務時的性能監視、動態網絡維護、不同供應廠商之間的互通等多項功能。它大大提高了網絡資源利用率，并顯著降低了管理和維護費用，實現了靈活、可靠和高效的網絡運行與維護，因而在現代信息傳輸網絡中占據重要地位。2.SDH系統的特點SDH系統的核心理念是要從統一的國家電信網和國際互通的高度來組建數字通信網，它是構成綜合業務數字網(ISDN），特別是寬帶綜合業務數字網CB-ISDN）的重要組成部分。SDH系統的優勢主要體現在以下幾個方面：(l）有全世界統一的網絡節點接口（NNI)，包括統一的數字速率等級、幀結構、復接方法、線路接口、監控管理等，實現了數字傳輸體制上的世界標準及多廠家設備的橫向兼容。(2）采用標準化的信息結構等級，其基本模塊是速率為155.520Mb凡的同步傳輸模塊第一級（記作STM-1）。更高速率的同步數字信號（如STM4,STM-16,STM64)可簡單地將STM一1進行字節間插同步復接而成，大大簡化了復接和分接。(3)SDH的幀結構中安排了豐富的開銷比特，使網絡的管理和維護功能大大加強，而且適應將來B-ISDN的要求。(4)SDH采用同步復用方式和靈活的復用映射結構，利用設置指針的辦法，可以在任意時刻．在總的復接碼流中確定任意支路字節的位置，從而可以從高速信號一次直接插入或取出低速支路信號，使上下業務十分容易。(5)SDH確定了統－新型的網絡部件，這些部件有TM、ADM、REG以及DXC，這些部件都有世界統一的標準。此外，由于用一個光接口代替大量的電接口，可以直接經光撞口通過中間節點，省去了大量電路單元。

(6)SDH對網管設備的接口進行了規范，使不同廠家的網管系統互聯成為可能。這種網管不僅簡單而且幾乎是實時的．因此降低了網管費用．提高了網絡的效率、靈活性和可靠性。(7)SDH與現有PDH完全兼容，體現了后向兼容性。同時SDH還能容納各種新的業務信號，如高速局域網的光纖分布式數據接口（FDDI）信號、異步傳遞模式（ATM）信元等，體現了完全的前向兼容性。SDH體系并非完美無缺，其缺陷主要表現在三個方面：即頻帶利用率低、指針調整機理復雜、軟件的大量使用使系統容易受到計算機病毒的侵害。5.3.2SDH的速率與幀結構1.SDH的速率SDH具有統一規范的速率。SDH信號以同步傳輸模塊（STM）的形式傳送。SDH信號最基本的同步傳輸模塊是STM-1，其速率為155.520Mb/s。更高等級的STM-N信號是將STM-1經字節間同步復接而成。其中.N是正整數。目前SDH僅支持N=1,4,16,64。ITU-TG.707建議規范的SDH標準速率如表5-7所示。表5.7SDH標準速率等級STM-1STM-4STM-16STM-64速率（Mb/s）155.520622.0802488.3209953.2802.SDH幀結構SDH幀結構已在4.3.3節中作過介紹，在此不再贅述。5.3.3SDH的基本網絡單元

SDH傳輸網是由不同類型的網元設備通過光纜線路的連接組成的，通過不同的網元完成SDH網絡的傳送功能.SDH常見的網元設備類型有終端復用器（TM）、分／插復用器(ADM）、再生中繼器（REG）和數字交叉連接設備CDXC）等。1.終端復用器（TM)TM終端復用器如圖5.10所示，用在網絡的終端站點上，例如一條鏈的兩個端點，它是具有兩個端口的設備。將PDH支路信號復用進SDH信號中，或將較低等級的SDH信號復用進高等級STMN信號中，以及完成上述過程的逆過程。圖5.10

終端復用器2.分／插復用器（ADM)ADM分／插復用器如圖5.11所示，用于SDH傳輸網絡的轉接站點處，例如鏈的中間節點或環上節點，是SDH網上使用最多、最重要的一種網元設備，它是一種具有三個端口的設備。圖5.11

分／插復用器分／拍復用器將同步復用和數字交叉連接功能綜合于一體，利用內部的交叉連接矩陣，不僅實現了低速率的支路信號可靈活地插入／分出到高速的STMN中的任何位置，而且可以在群路接口之間靈活地對通道進行交叉連接。ADM是SDH最重要的一種網元設備，它可等效成其他網元，即能完成其他網元設備的功能（例如，一個ADM可等效成兩個TM設備）。3.再生中繼器（REG)REG再生中繼器如圖5.12所示，其最大特點是不上下（分／插）電路業務，只放大或再生光信號。REG的功能就是接收經過長途傳輸后衰減了的、有畸變的STM-N信號，對它進行放大、均衡、再生后發送出去。實際上，REG與ADM相比僅少了支路端口的側面，所以ADM若不上／下本地業務電路時，完全可以等效一個REG。圖5.12

再生中繼器

4.數字交叉連接設備（DXC)DXC數字交叉連接設備如圖5.13所示，具有一個或多個PDH或SDH信號接口，可以在任何接口之間對信號及其子速率信號進行可控連接和再連接的設備。DXC的核心部件是高性能的交叉連接矩陣，其基本結構與ADM相似，只是DXC的交叉連接矩陣容量比較大，接口比較多，具有一定的智能恢復功能，常用于網狀網節點。DXC可將輸入的m路STM-N信號交叉連接到輸出的n路STM-N信號上，圖5.13表示有m條輸入光纖和n條輸出光纖。圖5.13

數字交叉連接設備DXC5.3.4SDH光傳輸系統中的光纜和中繼長度計算1.傳輸系統用的光纖在SDH光同步傳輸系統中主要采用光纜，在短距離如一些局域網、校園網、企業內部網絡還采用了多模光纖．而在公用網中已普遍采用單模光纖。目前的光纖通信中廣泛采用的是G.652、G.653、G.654、G.655。G.652光纖目前稱為1310nm波長性能最佳單模光纖，適用于1310nm和1530nm以下的單通路中；G.653光纖是在1550nm波長性能最佳的單模光纖，此光纖零色散從1310nm移至1530nm工作股長，所以又稱為色散移位光纖，也主要用在SDH系統中；G.604光纖，稱為截止波長移位的單模光纖，主要用于海底光纖通信。2.SDH光傳輸系統的中繼長度估算在設計光纖傳輸再生中繼段距離長度時，通常采用的方法是最壞值設計法，此方法是將所有參數值都按最壞值選取。這種設計方法不存在先期失效問題。在排除人為和自然界破壞因素后，按最壞值設計的系統，在其壽命終結，富余度用完，且處于極端溫度條件下仍能100%地保證系統性能要求。光纖傳輸中繼距離的長短是由光纖衰減和色散等因素決定的。不同的系統，由于各種因素的影響程度不同，中繼距離的設計方式也不同。在實際的工程應用中，設計方式分為兩種情況：第一種情況是衰減受限系統，即中繼距離根據S和R點之間的光通道衰減決定；第二種情況是色散受限系統，即中繼距離根據S和R點之間的光纖色散決定。光纜線路工程施工范圍示意圖如圖5.14所示。圖5.14光纜線路工程施工范圍示意圖1）衰減受限系統

L：衰減受限中繼段長度（km);Ps：S點發送光功率（dBm):P,:R點接收靈敏度(dBm);Pp：光通道功率代價（dB)，因反射、碼間干擾、模分配噪聲和激光器明瞅而產生的總退化，光通道功率代價不超過ldB;Mc：光纜富余度（dB)，在一個中繼段內，光纜富余度不應超過5dB，設計中按3～5dB取值；Me：設備富余度CdB），通常取3dB:I:A,:表示S和R點之間所有活動連接器損耗（dB）之和，如ODF架上的短接光纖連接設備連接器衰減.FC型連接器平均0.8dB／個，PC型平均0.5dB／個；A表示每個活動連接器損耗2）色散受限系統根據ITU-T建議，色散受限系統中繼段距離可用下式估算：式中，L：色散受限中繼段長度（km);E：當光源為多縱模激光器時取0.115，單縱模激光器時取0.306;B：線路信號比特率C（Mbit/s);t.;.：光源的譜寬（nm);D：光纖色散系數(ps/nm/km）。這里需要說明的是低速率線路信號，在單模光纖傳輸時，一般可不考慮色散受限中繼段距離。5.4光波分復用系統5.4.1光波分重用系統組成光波分復用系統的組成如圖5.15所示。首先，在光終端設備中通過波長轉換，將傳輸信號標準波長轉換為波分復用系統使用的系列工作波長，然后，多路光信號通過光復用器捐合到一根光纖上，經放大后在光纖線路中傳輸。圖5.15光波分復用系統組成在一定距離后設置光纖放大器，對衰減后的光信號進行光中繼放大。當到達接收端后，將放大的光搞合信號解復用為多路光信號，然后通過波長轉換，將每路的光信號的工作波長再轉換為標準波長。2.

光波分復用傳輸原理光波分復用傳輸系統WDM傳輸原理圖如圖5.16所示。圖5.16(a）中是在一根光纖中同時單向傳輸幾個不同波長的光波信號。首先，把信號通過光源變為不同波長的光波信號；然后，通過光波分復用WDM合到一根光纖中傳輸，如圖中的λ1，λ2….λn；最后，當光信號到達收端時，把光搞合信號解復用，通過光檢測器取得多波長光信號。圖5.16(b）所示為雙向傳輸光波分復用原理圖，其過程與單向傳輸相同。圖5.16WDM傳輸原理圖(a）單向WDM傳輸原理圖；（b）雙向WDM傳輸原理圖3.

光波分復用波長區通路劃分光波分復用系統中，是以波場來表述其通路的，如λ1～λ8即為8通路，有8個波長，稱為標稱中心波長或標稱中心頻率。各通路間的頻率間隔一般有50GHz、100GHz、200GHz等。隨著間隔的不同，標稱中心頻率和標稱中心波長也不同。

通路間隔：主要是指在光波分復用系統中兩相鄰通路間的標稱波長（頻率）之差。通路間隔可以均勻相等，也可以不等，我們這里講的是均勻等間隔的系統。

標稱中心波長：在光波分復用系統中，每個信號通路所對應的中心波長稱為標稱中心波長，或稱為標稱中心頻率。目前國際上一般以193.1THz為參考頻率，標稱波長為1552.52nm。目前所開發的光纖在1310nm和1550nm窗口，世界上研究的NZDSF非零色散移位光纖，其工作波長可移至1520nm或1570nm。在實驗室實驗的2.64Tb/s的光波分復用系統總帶寬這1529～1564nm。實用的光波分復用系統，至少應提供16波長的通路，根據需要也可以是8通路、4通路等。下面列出16通路和8通路中心頻率和中心波長，如表5.8所示。表5.816通路和8通路WDM系統中心波長（頻率）波長序號中心頻率/THz波長／nm波長序號中心頻率／THz波長／nm1192.101560.619192.901554.132192.201559.7910193.001553.333192.301558.9811193.101552.524192.401558.1712193.201551.725192.501557.3613193.301550.926192.601556.5514193.101550.127192.701555.7515193.501549.328192.801554.9416193.601548.515.4.2光波分復用系統的結構光波分復用系統（WDM）主要由光發射機、光接收機、光中繼放大、光纖（光纜）、光監控信道和網絡管理系統6大部分組成。其結構示意圖如圖5.17所示。圖5.17WDM系統結構示意圖如圖5.17所示，光波分復用系統的簡單工作過程為：首先把終端SDH端機的光信號送到光發射端，經光轉發器（OTU）把符合ITU-IG.957協議的非特定波長的光信號轉換成具有特定波長的光信號，再利用合搜器合成多通路的光信號，經功率放大器（EA）放大后，送入光纖信道傳輸，同時插入光監控信號。經過一段距離（可達上萬里）需要對光纖信號進行光信號放大。現在，一般使用摻餌光放大器（EDFA），由于是多波長工作，因此要使EDFA對不同波長光信號具有相同的放大增益（采用放大增益平擔技術），還要考慮多光信道同時工作情況，保證多光信道增益競爭不會影響傳輸性能。放大后的光信號經過光纖（光纜）傳輸到接收端，經長途傳輸后衰減的主信道弱光信號經PA放大后，利用分波器從主信道光信號中分出特定波長的光信號。對主接收機的主要要求為：(1）要滿足光信號接收的靈敏度；(2）要符合過載功率的要求；(3）能承受一定的光噪聲信號；(4）有足夠0/E的電帶寬特性。光監控部分主要用以監控系統內各信道的傳輸情況。在發送端，插入本節點產生的波長(1510nm）光監測信號（其中包含有光波分復用的幀同步用字節、公務字節和網管所用的開銷字節等），與光信道的光信號合波輸出。在接收端要從光合波信號中分出光監控信號(1550nm）和業務光信道信號。

光波分復用系統管理：主要經過光監控信道傳送的開銷字節及其他節點的開銷字節對WDM系統進行管理。5.4.3WDM系統的功能描述對于一個完整的WDM系統，可用如圖5.18所示的WDM系統功能結構圖來描述。根據光信號傳送的距離遠近，WDM系統可分為兩類：其一為無線路光放大器的傳輸系統，其二為有線路光放大器的傳輸系統。圖5.18WDM系統功能結構圖在光波分復用系統中的傳輸線路，特別是在要下載SDH信號和再上SDH信號的情況下，要用電再生器。因此，在WDM系統中應有此功能，在需要時就設立電再生器，否則不加。功能結構中有、無線路光放大器的WDM系統的參考配置應有所差異，如圖5.19、圖5.20所示。圖5.19

無線路光放大器的WDM系統圖5.20有線路光放大器的WDM系統以上兩種線路配置圖中，Tx1…Txn為不同波長的光發射器；Rx1…Rxn為不同波長的光接收器；OM/OA為光合波器與光放大器的集成；OA/OD為光前置放大器與光分波器的集成；OA為光放大器。圖中所示各參考點的定義如表5.9所示。表5.9

備參考點的定義參考點定義S1，…，Sn

通道l～n在發射機不同波長的光輸出連接器的光纖參考點RM1，…，RMn通道1～n在OM/OA的光輸入連接器的光纖參考點MPISOM；’OA在光輸出連接器后面光纖上的參考點R'線路光放大器的光輸入連接器前面光纖上的參考點S'線路光放大器的光輸出連接器后面光纖上的參考點MPI-R在OA/OD的光輸入連接器前面光纖上的參考點Sd1，…，Sdn,通道I～n光接收機輸出連接器處光纖上的參考點R1，…，Rn通道l～n光接收器輸入連接器處光纖上的參考點在無線路光放大器的WDM系統中，標稱距離與通路波長數目有關，分三種距離區段：其一為長距離，目標距離為80km；其二為很長距離，目標距離為120km；其三為超長距離,目標距離為160km。

在有線路光放大器的WDM系統中，放大器設置情況與通路的波長數目有關，分兩種情況：一種為長距離區段，其目標距離一般為80km；另一種為很長距離區段，其目標距離一般為120km。5.4.4

光波分復用系統的主要設備前面我們已經講了光波分復用系統的主要結構。如圖5.17所示。該系統的主要設備有：光轉發器（OTU）、光合波器／分波器、光纖放大器，這里主要介紹這幾種關鍵的設備器件。1.光轉發器

在光波分復用系統中，首先要把從客戶來的光信號，轉換成標準波長光信號后，再送入合波器。對于開放式的WDM系統，允許不同廠商的SDH光接口的非標準波長進入，如圖5.19中的S1，…，Sn波長光信號．然后通過光轉發器轉換為標準波長。光轉發器（OTU）即為波長轉換器．其功能是實現把非標準的波長轉換為ITU-T所規范的標準設長，即要符合G.692要求的光接口。目前，商用的仍然是光／電／光(O/E/0）的轉換方式，此種方式技術上較成熟，易于實現，由于在轉換中進行了電再生處理，信號質量得到了改善。從發展來看，采用光／光（O／O）變換極其有利于集成，這種波長轉換器日前尚無商用介紹，但是在研制中的卻不少。在研制中的技術主要有基于半導體光放大器的交叉增益調制(XCM）、交叉相位調制（XPM）、四波混頻調制(FWM）以及布拉格反射器和雙穩型LD等方法構成的全光波長變換器等。

當轉發器（OTU）在發送端使用時，其作用是使SDH設備的光信號與波分復用的光信號之間完成接口轉換。在接收端使用時．主要實現其反變換句把波分復用的光信號恢復為開放的SDH系列的光信號。在有再生中繼器的WDM系統中也同樣要經OTU轉換。這幾種OHU，隨著在系統中應用場合情況不同，其主要參數要求也不相同，如表5.10所示。

光波分復用器和解復用器如圖s.20中的合波器和分波器。能將不同光滑、波長的光信號合在一起，經一根光纖輸出傳輸的器件叫合波器，又稱復用器；反之，將經一根光纖送來的多波長光信號分解為不同波長分別輸出的器件叫分波器，又稱解復用器。從原理上講，此器件是互易的（雙向可逆）。因而，復用器和解復用器是相同的，復用器的輸出端反過來就是解復用器。光波分復用器和解復用器對系統傳輸質量起著決定性影響。對它們的主要要求是:(1）損耗及其偏差要小；(2）信道間的干擾要小；(3）通道損耗要平坦；(4）偏振的相關性要低。2.光波分復用器和解復用器光波分復用器和解復用器主要有介質膜濾波器、各種光柵型和星型耦合器等多種結構形式。這里簡單介紹一種光柵型光波分復用和解復用器，其結構示意圖如圖5.21所示。光柵型光波分復用器與棱鏡分光作用一樣。它是在一塊能夠投射或反射的平面上刻劃平行且等距的溝痕，形成許多具有相同間隔的狹縫，當含有多波長的光信號通過光柵時產生衍射，不同成分的光信號將以不同的角度出射。圖5.21

光柵型光波分復用器結構示意圖光柵型光波分復用器種類較多，圖5.21為閃耀光柵型。它主要由透鏡和光柵組成，一般用體積較小的自聚焦透鏡，為使器件緊湊，將光柵直接刻劃在透鏡端面形成。當光纖陣列的光信號輸入光纖后，經透鏡準直，以等根數的平行光束射向閃耀光柵，由于光柵的衍射作用，不同波長的光信號以方向略有差異的各種平行光束返回透鏡傳輸，再經透鏡聚焦后以一定規律分別注入輸出光纖中。另外還有陣列波導光柵（AWG）型光波分復用器，它主要采用半導體加工工藝構筑光波導結構，如圖5.22所示。圖5.22為1×8波分復用器。它，與波長、間隔、材料等特性有關，采用半導體加工工藝制造出來的光波分復用器。這種結構可以實現數十個乃至上百個波長復用與解復用。AWG型光波分復用器具有波長間隔小，信道數多，通道平坦等優點，適合超高速、大容量的光波分復用系統使用，它是目前研制、開發和應用的重點。圖5.22 1×8波分復用器在光波分復用系統中，光纖放大器是關鍵設備，它是將光波信號直接放大的一種器件。如光纖中摻餌（三階稀土元素）而形成的摻餌光纖放大器件，還有摻錫、摻鐿等元素的光纖放大器。現在已經實用化而且用得較多的是摻餌光纖放大器。

1)摻餌光纖放大器（EDFA)在石英光纖的芯層中摻入餌（Er）三價稀土元素，形成一種特殊光纖，在泵浦光源的激勵下可放大光信號，因此稱為摻餌光纖放大器（EDFA）。其主要特點是高增益、高輸出、寬頻帶、低噪聲。其增益特性與偏振無關，對傳輸的數據比特率與格式透明。在波分復用中，利用光纖放大器技術，可以把該波段內的所有波長衰減的光信號同時放大。在WDM的發送端用光纖放大器作功率放大器，提高進入光纖線路放大器的功率；在WDM的接收端解復用之前，設置光纖放大器作為前置放大，提高接收機靈敏度，這是原來再生中繼器無能為力的。特別對于光纖接入網，更需要光纖放大器把信號放大后才能分支到各用戶終端。由于有光纖放大器的應用，才使波分復用系統實用化，也使波分復用接入網技術成為可能。3.摻餌光纖放大（CEDFA)2）摻餌光纖放大器（EDFA）基本結構及工作過程摻餌光纖放大器（EDFA）主要由摻餌光纖、光泵浦源、光耦合器、光隔離器等組成，如圖5.23所示。圖5.23

EDFA的基本組成摻餌光纖：這里采用工作波長1550nm的光纖（摻餌元素），摻雜的液度根據光纖放大器的光纖長度而定，長度越長，摻雜濃度越小。光泵浦源是一種能量較強的激勵光源，在此光激勵下才能增強光能，光泵浦源功率可用大功率半導體激光器提供。光耦合器的作用是將光信號和泵浦源合在一起，當較弱的信號光與較強的泵浦源進入摻餌光纖時，泵浦光激活餌粒子。在信號光子的感應下，餌離子受激輻射．產生能級躍遷。躍遷到基層，將一模一樣的光子注入信號光中，完成放大作用。光隔離器的作用是抑制光反射，以確保光纖放大器工作穩定。要使隔離大于40dB，一般配置兩個隔離器．一個在輸入端，以消除上段因放大的（白發）發射光信號反向傳輸可能引起的干擾；另一個在輸出端，保護器件免受下級的逆反射。光纖放大器的特性主要有增益特性、輸出功率和噪聲特性。增益特性表明該放大器的放大能力，同一般放大器增益定義一樣，是輸出與輸入功率之比，通常為15～40dB。它的增益大小與許多因素有關。改變摻雜成分可改善EDFA的增益特性平坦度；采用隔離器吸收最大增益點峰值功率，可使增益均衡，擴大EDFA的帶寬。

還有其他類型的光纖放大器，如摻鐠光纖放大器（PDFA）（它對改造現有光纖通信擴容升級有現實意義），摻鉛、摻鋅、摻氟化物等光纖放大器，現在正開發并逐步得到應用的還有半導體光纖放大器（SOA）。還有一些光纖放大器及其特性功能可參閱有關專著。5.4.5

光波分復用線路光纖1.G.652、G.653、G.654、G.655光纖在目前的光纖通信中廣泛采用的是G.652、G.653、G.654、G.655。G.652光纖目前稱為1310nm波長性能最佳單模光纖，適用于1310nm和1530nm以下的單通路中：G.653是在1550nm波長性能最佳的單模光纖，此光纖零色散從1310nm移至1530nm工作波長，所以又稱為色散移位光纖，也主要用在SDH系統中；G.654光纖，稱為截止波長移位的單模光纖，主要用于海底光纖通信；G.655光纖稱之為非零色散移位單模光纖，它使零色散技術不在1550nm，而將移至1570nm及1510～1520nm附近．主要用于1530nm工作波長源，在較長距離的波分復用中應用。2.非零色散單模移位光纖（NE-DSF)在WDM系統中的上述光纖，由于在長途傳輸時采用了光纖放大器CEDFA），這可能引起非線性效應，會出現回波混頻效應（FWM），以致會引起信道回串擾。為有效抑制FWMC回波渥頻效應），引出了另一種新型光纖一一非零色散單模移位光纖（NE-DSF),它屬于G.655光纖改進型，此種光纖除零色散點移動外，其余特性與G.655等常用光纖相同。根據理論分析，NE-DSF光纖傳輸率至少可達80Gb/s以上，而且色散距離達數百公里，還可保持最小色散系數。

目前，世界上一些著名通信公司對NE-DSF光纖的研究開發工作很感興趣。另外，還有色散補償光纖、色散平坦光纖等新型光纖還在研制和試驗，這將會使光波分復用光纖傳輸技術更加成熟。5.4.6

光波分復用的主要技術1.光源技術在光通信中，光信號是由光源產生的，因此在光波分復用系統中光源占有重要的位置。系統中所用的光源稱做激光器，WDM系統對光源的發光波長要求精確而且穩定性要好；激光器集成芯片的成本要低。對光源的波長要進行精確的設定和控制，必須有配套的波長監測與穩定技術。目前采用的方法主要有兩種：一種是溫度反饋控制技術，它是通過激光器芯片所在的熱沉上的溫度檢測控制相應的溫控電路，達到控制波長和穩定波民的目的；另一種是波長反饋控制法，它是通過輸出端檢測光波長，利用相應的輸出電壓與標準參考電壓的差值來控制激光器的溫度，形成閉環控制，使之鎖定在中心波長上。2.濾光技術由于通信中光波分復用系統是以光波長（頻率）為載體，因而也有類似頻分復用那樣的濾波技術，這里稱為濾光技術。此技術在WDM系統及全光通信系統中得到了廣泛應用。允許特定波長（頻率）的光信號通過的器件稱為濾光器。如果通過濾光器的波長可調整改變，則稱該濾光器為波長可調諧濾光器。3.色散補償技術在SDH光通信系統中，傳輸距離主要受衰減限制，而在波分復用系統中，采用了光纖放大器之后，衰減限制問題得以解決。然而，傳輸距離增加，光纖色散卻也隨之增加。所以，現在又提出色散問題。例如，G.655(1550nm）光纖在光中繼傳輸時的距離（2.5Gb/s)為4528km，而受色散限制，在速率為10Gb/s時傳輸距離為283km，當傳輸速率增加為40Gb/s時，色散增加，此時傳輸距離下降到18km。在已建立的SDH光通信系統中，大量采用了常規G.652單模光纖。由于光纖放大器EDFA工作在1530nm，使1530nm窗口成為長距離、大容量光纖通信優先窗口，而G.652光纖在1530nm工作時色散較大，為充分利用現有資源，在波分復用系統中仍利用此窗口。因此，必須解決色散問題，其中方法之一就是采用色散補償技術。

色散補償又稱光均衡，其基本原理是，當光脈沖信號經過長距離光纖傳輸后，由于色散的影響，會使信號發生畸變。這時，可用一段色散補償光纖來修正，以消除畸變。例如在1530nm波段，利用具有大的負波長色散補償光纖（DCF）來進行有效的色散補償，即在已建好的1310nm單模光纖中，每隔一定距離,插入長度調整好的色散補償光纖，對色散進行補償，使整個光傳輸線路的總色散為零。光纖放大器技術的實用化促進了WDM系統的發展，但對于EDFA，有一個特殊的要求增益平坦。一般的EDFA在其工作波段內有一定的增益平坦，常用帶內增益平坦度GF表示，它是指在整個通帶內最大增益