第5章光纤传输系统.

《光纤通信简明教程》原荣1第5章光纤传输系统•5.1光纤通信系统基础•5.2SDH光纤传输系统•5.3异步传输模式（ATM）技术•5.4IP互联网•5.5光纤/电缆混合（HFC）网•5.6波分复用（WDM）系统•5.7光正交频分复用（O-OFDM）光纤传输系统•5.8光纤技术在移动通信中的应用《光纤通信简明教程》原荣2前言•至此，我们已介绍了构成光纤传输系统所必须的传输介质—光纤和光缆，用于发射光信号的激光器和光发射机，用于接收光信号的光探测器和光接收机，在传输线路中对光信号进行放大的光放大器，以及光纤传输系统经常用到的光无源器件。•本章将首先简要介绍数字通信的基础——脉冲编码（PCM），光纤传输系统用到的调制、编码和复用技术；接着讲解光纤通信系统或网络，如同步数字制式（SDH）系统、异步传输模式（ATM）技术和国际互联网协议（IP）；然后介绍光纤/电缆混合（HFC）网、波分复用（WDM）系统；最后给出光正交频分复用（O-OFDM）光纤传输系统和射频信号光纤传输（RoF）系统。《光纤通信简明教程》原荣35.1概述•5.1.1脉冲编码——将模拟信号变为数字信号•5.1.2信道编码——减少误码方便时钟提取•5.1.3信道复用——提高信道容量，充分利用光纤带宽•5.1.4光调制——让光携带声音和数字信号《光纤通信简明教程》原荣45.1.1脉冲编码——将模拟信号变为数字信号•光纤通信系统光源的发射功率和线性都有限，因此通常选择二进制脉冲传输，因为传输二进制脉冲信号对接收机SNR的要求非常低（15.6dB），对光源的非线性要求也不苛刻。•脉冲编码调制（Pulse-CodeModulation，PCM）是光纤传输模拟信号的基楚。解码后的基带信号质量几乎只与编码参数有关，而与接收到的SNR关系不大。假如接收到的信号质量不低于一定的误码率，此时解码SNR只与编码比特数有关。•图5.1.1表示PCM编码过程。在说明该图之前，让我们简要地介绍一下实现PCM通信的3个最基本的过程，即取样、量化和编码。《光纤通信简明教程》原荣51.取样•取样是分别以固定的时间间隔T取出模拟信号的瞬时幅度值(简称样值)的过程，如图5.1.1(b)所示。要想实现模拟/数字(A/D)变换,首先要进行取样。•取样定理:若取样频率不小于模拟信号带宽的两倍，则取样后的样值波形只需通过低通滤波器即可恢复出原始的模拟信号波形。•图5.1.1(b)表示具体的取样过程，由图可见，时间上连续的信号变成了时间上离散的信号，因而给时分多路复用技术奠定了基础。但这种样值信号，本身在幅度取值上仍是连续的（称为脉冲幅度调制（PAM）信号），因此仍属模拟信号，它不仅无法抵御噪声的干扰，而且也不能用有限位数的二进码组加以表示。《光纤通信简明教程》原荣6图5.1.1PCM编码过程1011246810111101010TTT(4)(5)(5)(6)(7)(3)(1)tttt数字信号任意单位模拟信号(a)取样(b)量化(c)编码(d)1011001T(0)0000246800《光纤通信简明教程》原荣72.量化•所谓量化指的是将幅度为无限多个连续样值变成有限个离散样值的处理过程。•具体来说，就是将样值的幅度变化范围划分成若干个小间隔，每一个小间隔称之为一个量化级，当某一样值落入在某一个小间隔内时，可采用“四舍五入”的方法分级取整，近似看成某一规定的标准数值。这样一来，就可以用有限个标准数值来表示样值的大小。•当然量化后的信号和原来的信号是有差别的，称之为量化误差，对于图5.1.1(c)所示的均匀量化，各段的量化误差均为0.5。经过量化后的各样值可用有限个值来表示，进而即可进行编码。《光纤通信简明教程》原荣83.编码所谓编码指的是用一组组合方式不同的二进制码来替代量化后的样值信号的处理过程。我们知道，二进制码与状态“电平值”的关系为Nn2(5.1.1)其中n为二进制代码所包含的比特个数，N为所能表示的不同状态(电平值)。换句话说，当样值信号被划分为N个不同的电平幅度时，每一个样值信号需要用nNlog2(5.1.2)个二进制码元表示。在图5.1.1(c)(d)中,每一样值划分为8种电平幅度(0~7)，即N=8，所以每一样值需用n=3个码元表示，对于3位二进制码而言，与各样值的对应关系如表5.1.1所示。《光纤通信简明教程》原荣9表5.1.18个样值电平值与二进制代码的对应关系•至此，将一路模拟信号变成用二进制代码表示的脉冲信号的处理过程就结束了。所产生的信号称之为PCM信号。而描述所含信息量的大小，可用传输速率来表示，即每秒钟所传输的码元（比特）数目（比特/秒，bit/s）。样值电平值01234567二进制代码000001010011100101110111《光纤通信简明教程》原荣10我国PCM通信制式的基础速率话音信号的频带为300~3400Hz，取上限频率为4000Hz，按取样定理，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=125s，在125s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641bTBkb/s（或者8bit/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/s32=2048kb/s（也就是8bit/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。《光纤通信简明教程》原荣114.PCM编码数字信号输入数字信号输出脉冲幅度调整波形基带滤波器幅度调整放大器A数/模转换缓冲器定时输入输出同步定时恢复输出模拟信号(b)接收端基带滤波器()f1幅度调整放大器A取样和保持定时发生器脉冲幅度调整量化/编码编码量化数字信号输出~()fb2.4~fsfsn速率=(a)发送端基带信号输入()f1《光纤通信简明教程》原荣124.PCM编码现在我们再来说明图7.1.2表示的PCM编码的实现过程。首先在输入端用基带滤波器滤除叠加在模拟信号上的噪声。然后信号幅度被等于或大于奈奎斯特（Nyquist）频率fs取样，并使取样频率fs满足条件b2ffs(7.1.3)幅度电平被取样器记忆并选通到量化/编码器，在这里每个取样值的幅度与一个2n个离散参考电平比较。该量化器输出一串Nn2个二进制代码，它代表每个取样间隔内1fs测量到的取样幅度电平。每个代码具有n个码元(比特)。然后，把帧和同步比特插入二进制代码比特流中，重新组成串联数据流以便于传输。因此，传输速率要比Nfs稍高。在接收端，为了解码的需要，恢复出定时信号并分解取样代码。每个代码进入一个数/模（D/A）转换器。该数/模转换器输出与接收到的二进制代码相对应的离散电压值。它是一系列脉冲幅度调制(PAM)波形。为了重新恢复原来的模拟波形，PAM波形需要经基带滤波器fb滤波。《光纤通信简明教程》原荣135.1.2信道编码——减少误码方便时钟提取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5.1.3所示。《光纤通信简明教程》原荣14几种有效的信道编码方式•使非归零码（NRZ）的“1”码在T/2周期时由高电平变成低电平，即由非归零码变成归零码（RZ），使图5.1.6（a）变为图5.1.6（b）；•使用产生随机码的编码多项式对NRZ码进行扰码，确保长连“1”（高电平）或长连“0”（低电平）光脉冲串不出现；•使用相位调制码，如曼彻斯特（Manchester）编码，不管输入信号如何，输出占空比总是50%，如图5.1.6（c）所示；•在P-I特性的线性部分的半功率点偏置LED或LD，这样发射光脉冲是双极性码，相当于三电平编码，如图5.1.6（d）所示；•在半功率点偏置光源，并用差分输入信号驱动它，发射脉冲总是正负相间变化，因此减小了所有的低频分量，如图5.1.6（e）和图5.1.6（f）所示；•使用很高电平的窄脉冲进行脉冲位置调制（PPM），在判决前进行积分和再生，以便恢复输入信号，如图5.1.6（g）所示。《光纤通信简明教程》原荣15图5.1.3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AA判决电路输出(A)(B)(C)01011tTT+V01000***3个误码(a)(b)01011tTT+V01111点波形(A)01011tTT+V01111判决门限Vref判决前点波形(B)点输出产生误码的波形(C)电容耦合放大判决电路电容耦合放大判决电路各点波形refVVb光输入《光纤通信简明教程》原荣16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。《光纤通信简明教程》原荣17图5.1.4两种二进制编码波形频谱图101010TT2T3T4T5+Vt101010TT2T3T4T5+Vtf0V2TT1T21T2f0V2TT1T21T216码型二进制码：（NRZ）非归零码（RZ）归零码(a)(b)《光纤通信简明教程》原荣18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个电平的“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。《光纤通信简明教程》原荣19图5.1.4各种二进制编码波形频谱图101010TT2T3T4T5+Vt101010TT2T3T4T5+Vt101010TT2T3T4T5tV/2+V/20TT2T3T4T5t+V0o90o0o0o90o0TT2T3T4T5t101010TT2T3T4T5+Vt101010TT2T3T4T5tV/2+V/2f0V2TT1T21T2f0V2TT1T21T2f0t1pf0t1pVTtpf0T1T21f0T1T0.74T2f0T116滤波器冲激响应码型二进制码：（NRZ）非归零码（RZ）归零码脉冲位置编码NRZ变换编码双二进制码Manchester编码双极码HDB3(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)单极性码双极性码V+DB《光纤通信简明教程》原荣20101010TT2T3T4T5+Vt二进制码：（NRZ）非归零码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。《光纤通信简明教程》原荣21CMI编码•ITU-TG.703建议中规定：•PDH接口速率139.264Mb/s使用；•SDH接口速率155.520Mb/s的物理/电接口使用；•CMI编码规定输入码字为“0”时，输出为01；输入码字为“1”时，输出为00或11。《光纤通信简明教程》原荣225.1.3信道复用——提高信道容量，充分利用光纤带宽•信道复用目的：提高信道容量，充分利用光纤带宽信道，方便光纤传输，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。•可以在电域和光域同时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。•在电域内，信道复用有时分复用（TDM）、频分复用（FDM）和正交频分复用（OFDM）、微波副载波复用（SCM）和码分复用（CDM）；•在光域内，与此相对应，信道复用也有光时分复用（OTDM）、光频分复用即波分复用（WDM）和光正交频分复用（O-OFDM），以及光码分复用（OCDM），如图5.1.5所示。此外，还有空分复用，比如双纤双向传输就是空分复用。《光纤通信简明教程》原荣23图5.1.5光纤通信系统利用的各种复用技术空间时间码分复用波长/频率空分复用波分复用FDM、WDM、O