光缆网络复用技术
[摘要]：光缆网络复用技术是CATV系统多功能利用的技术基础。本文首先对目前常用的空间复用方式(SDM)、频分复用方式(FDM)、波分复用方式(WDM)、时分复用方式(TDM)等系统作了简述，对其综合利用进行了分析，并以SBSW32密集波分复用(DWDM)设备为例，就其特点，实际组网应用，系统结构、技术参数等作了介绍，最后讨论了复用技术的发展方向。
光缆网络的主干线如同信息高速公路的“行车道”，“道”上跑什么“车”，“车”上载什么“货”，“车”如何上“道”，如何下“道”是光缆网络多功能利用和复用技术研究的问题。本文只研究复用系统的组成和应用问题。
一、光缆网络复用技术
信息时代迅猛增长的宽带高速业务，不但要求光传输系统向更大容量、更长距离发展，而且，要求其交互便捷。为此，在光传输系统中必须采用复用技术。所谓复用技术系指利用光纤宽频带大容量的特点，用一根光纤或光缆同时传输多路信号之意。在多路信号传输系统中，信号的复用方式对系统的性能和造价起着重要作用。信号的复用主要有空间复用方式(SDM)，波分复用方式(WDM)，频分复用方式(FDM)和时分复用方式(TDM)等几种。现简述如下：
1.SDM
SDM是利用光缆中不同纤芯同时传输多个频道信号的一种方式。由于光纤很细，即使把许多根光纤组合在一起，其外径也不会很粗，所以，光缆一般都是多芯的。目前，日本已使用1000多芯的光缆于工程之中。改革开放以来，我国新建了一批中外合资的大型光缆生产厂家，产品质量已达国际先进水平，已生产出多达960芯的带状光缆投放市场，为SDM的利用提供了条件。
SDM是一种最简便的复用方式，它是用各路基带信号分别进行光强度调制，然后把每路信号分别用一根光纤传输。这种方式简单、实用，但必须按信号复用的路数配置所需要的光纤传输芯数，投资效益较差。SDM虽然是一种简单分割，但是，随着信息产业的兴起，高速信息网络的建立，SDM已不是原来简单的基带信号的调制，而是WDM、FDM和TDM方式下的宽带综合信息的调制，它不再是单向传输，而成为双向的互联互通。随着信息产业的发展，SDM在未来的信息高速公路的建设中将会发挥其应有的作用。
2.FDM
FDM是将要传输的多个信道的电信号(例如DS-1、DS-2……DS-n)由多路混合器合成一路，去调制光发射机。调制后的光波，由光缆传输到终端。在终端，光接收机对信号解调后，由信道分离器输出各相应信道的电信号，如图1所示。
FDM只用了一个光发射机、光接收机和一根光纤，投资省，效益高。这种复用方式应用于有线电视模拟信号AM-VSB和FM-VSB传输系统中，也应用于数字信号的四相相移键控(QPSK)和正交调幅(QAM)系统。
3.WDM
WDM是利用光辐射的高频特性及光纤宽频带、低损耗的特点，用一根光纤同时传输几个不同波长的光，每个波长的光载有不同的电信号，如图2所示。在前端(发射端)每个信道的电信号对相应的光发射机进行光强调制(E/O)，形成不同波长的光载波信号，如l1、l2、……ln。用光合波器将这些信号合成一路输出，用光缆传输到终端用户。在终端，用光分波器把输入的多路光载波信号分成单一波长的光载波信号，如l1、l2、……ln，馈送给相应波长的光接收机。经光接收机解调(O/E)后，输出相应频道的电信号。由此可见，波分复用实际上是在光频上进行频分复用。
这种复用技术，不但使用了光合波器，光分波器，而且每个信道需要一部光发射机和光接收机，设备投入资金量大、效益较差。所以，它不宜用于小型系统，而多用于大型联网的环路中。它与FDM结合起来将大大增加信息的传输量，减少电缆的芯数，提高单根光纤的利用率。目前正在兴起的IP网就是采用密集波分复用(DWDM)技术。由此可见，WDM在今后CATV综合宽带网络中将会发挥其不可估量的作用。
4.TDM
TDM是指各路信号在同一条光纤上利用不同的时间间隔进行信号传输的方式。它应用于数字信号传输系统。在数字传输系统中，首先将信号取样、量化、编码，有的还进行压缩、调制，然后送入信道。取样就是将在时间上连续的信号变成时间上离散的不连续的信号。这些信号在信道上占用时间的有限性，为多路信号沿同一条信道传输提供了条件。也就是说，把时间分成一些均匀的时间间隔，在不同的时间间隔内传输不同的信号，以实现相互分离，互不干扰的目的。图3是PCM通信的时分复用示意图。各路信号经低通滤波器将信号限制在3400Hz以下，然后加到快速电子旋转开关(又称分配器)K1。开关K1不断重复地作匀速旋转，每旋转一周的时间为一个抽样周期T，这样对每一路信号每隔周期T时间抽样一次。由此可见，发送端的分配器不但起到抽样的作用，而且还同时起到了信号的复用合路作用。合路后的抽样信号送到PCM编码器进行量化和编码，然后将数字信码送往光纤。在接收端，把从发送端传输来的各路信码依次解码，还原后的信号，由接收端分配器(旋转开关K2)依次接通每一路信号，再经各路低通滤波器还原成话音信号。接收端分配器的作用是进行时分复用，所以，把它又称为分路门。
这种时分复用传输方式为基带信号传输方式，也可以将基带信号(例如视频)在发送端进行压缩调制后送入传输信道，在接收端经解调解压复原基带信号。基带信号解码后使信号复原。
无论是基带信号的传输，还是压缩调制后传输，为了保证信号的正常传输，收发两端的旋转开关K1、K2都必须严格地保持同频同相。所谓同频是指K1和K2的旋转速度必须完全相同。所谓同相是指发送端的旋转开关K1与第一路信号连接时，接收端的旋转开关K2也必须和第一路信号连接，否则，接收端将收不到该路信号。因此，保证收发两端严格的同步(同频同相)是时分复用的关键所在。
二、复用方式的综合利用
目前，我国有线电视的城域联网工程已经基本实现，正在朝着省级和全国联网方向发展，信息量之大，传输距离之长可想而知。在这样大的一个网络中不可能只采用一种复用方式，而必须是多种复用方式的综合利用才有可能满足要求。即便是一个城域网也是如此。现阶段，从分前端到光节点普遍采用4芯光缆，其中一芯为下行，一芯为上行，一芯为未来通信，一芯为备份。四芯光缆即为SDM的体现；下行、上行和未来通信的信号传输既体现了FDM又体现了TDM。从分前端到城域网的中心前端的光缆芯数多达几十芯，该中心前端到其它中心前端(即城市之间)所需光缆芯数会更多。为了提高光缆芯数的利用率，在城域网络之间常采用密集波分复用方式(DWDM)，使每芯光纤可同时传输N路光信号。若每路光信号再采用FDM技术传输、M路RF信号，这样以来，一芯光纤即可传输NM路RF信号。例如，若N为30，M为25，则一芯光纤可传输750路RF信号；若为100芯光缆，则可同时传输75000路RF信号。若再采用数字压缩技术，其传输容量是显而易见的。由中国科学院、国家广电总局、铁道部、上海市共同联合，于1999年4月利用广播电视、铁道等部门已敷设的光缆网络、连接北京、上海、广州、武汉等城市，建设我国光导示范性的宽带IP网—中国高速互联网络(CAINET)骨干网。其基础传输网采用的就是DWDM的全光网。DWDM由于其要求高稳定的激光器和高精度的合波分波器，因而其造价比较高，一般只在必要时采用。
三、DWDM系统设备简介
DWDM技术已应用于大规模光缆环路中，有进口设备也有国产设备。现以SBSW 32 DWDM系统为例，将其主要特点、网络应用、系统结构、技术参数简介如下：
1.主要特点
1)超大容量。在一根光纤上可接入32个波长的信道，目前每个信道的最高速率为2.5Gb/s，最大传输容量可达80Gb/s。
2)平滑扩容。设备按32波设计，光信道可逐步增加到32个。由于系统中采用了增益锁定型EDFA，信道的增减不会对系统和其它信道产生影响。
3)开发性设计。产品符合ITU-TG.692、G.691、G.681、G.otn等建议及相关国家标准，并具备波长转换器，可接入不同厂家的SDH设备。
4)光信道直接分插。即实现光ADM功能。分插的波长数可为1-4个，分插出的光信道可组成本地网。
5)光监控信道具有保护功能。主信道的任何故障不会影响光监控信道。光纤折断不会影响光监控信道传输网管及公务信息。
6)具有前向、后向兼容性。可直接接入现有的SDH光传输设备，并完全满足WDM全光网络的要求。
2.网络应用
SBSW 32的大容量，长距离传输，开放性设计、直接光信道分插和平滑扩容能力，使其具有极强的网络应用能力，可适应干线网、中继网和本地网不断增长的业务需要，做到容量增长和业务增长同步，优化投资。
SBSW 32可组成点对点、链型和环型网络，因而特别适用于国家干线网，包括国家一级干线和国家二级干线的建设。可利用其光分插复用(OADM)能力，将分插出来的光信道组成本地网。其典型组网范例如图4所示。
3.系统结构
SBSW32 DWDM光传输系统由两种设备组成，即波分复用光终端设备和波分复用光线路设备。它们采用相同的子架和背板，只是配置不同而已。
1)波分复用光终端设备(WTE)
在发送方向，WTE把波长为l1-l32的信道经合波器复用到主信道，并用光功率放大器放大，然后加上波长为ls的光监控信道，送入光纤线路。当接入信道的波长与DWDM规定的波长不同时，可采用波长转换板进行适配，若需要较多的波长转换板，可增加一个子架。
在接收方向，WTE先把光监控信道取出，然后对主信道用光前置放大器进行放大，经分波器解复用成各个波长的信道。
设备中还包括主控板及开销板，处理网管和公务信息。其子架结构如图5所示。
2)SBSW32波分复用光线路设备(WLE)
每个传输方向的WLE先将光监控信道取出并处理，再将主信道信号进行放大，然后主信道与监控信道合路，送入光纤线路。
设备中包括主控板及开销板，用于处理网管和公务信息。图6为其子架结构。
4.技术数据
1)传输介质
适用光纤有：G.625光纤、G.635光纤、G.655光纤。
2)传输距离
最大光终端设备间距：640Km
光终端设备间最大跨距损耗：8×22dB或5×33dB
3)传输容量
最大容量：80Gb/s
单信道速率：155Mb/s, 622Mb/s, 2.5Gb/s
4)信道参数
主信道波长(以16波长系统为例)：(单位nm)
l1=1548.51 l9=1554.94
l2=1549.32 l10=1555.75
l3=1550.12 l11=1556.55
l4=1550.92 l12=1557.36
l5=1551.72 l13=1558.17
l6=1552.52 l14=1558.98
l7=1553.33 l15=1559.79
l8=1554.13 l16=1560.61
5)监控信道波长(单位：nm)
lS=1310±5或lS=1510±5
6)监控信道速率：2.048Mb/s
四、信号复用的发展方向
信号复用的发展和信号本身的发展相一致。信号的发展方向是从模拟向数字，而信号的复用方式是从频分到时分。
信号的复用方式和信号本身的性质相关。在模拟信号时代，常采用FDM方式，无论是通信还是广播都是如此。频分是把频率从低到高分成几个频段和许多信道，然后分配给不同的业务范围使用。时至今日，我们对模拟电视信号仍按频道划分进行传输。
数字时代已经来临，数字信号将逐步取代模拟信号，这是不可抗拒的潮流。数字技术已经广泛应用于通信和信号的处理领域。我国的高清晰度数字电视拟于年内试播，一个全数字化的世界不久将会到来。对于数字信号，主要采用TDM方式。全数字TDM方式可以提供复杂而灵活的功能，使本来很复杂的业务量的集中与疏导、储存与交换以及信号的混合与分插等变得十分便捷。
对于编码和压缩处理后的图像信号的传输目前可采用两种方式。一种在频道划分的基础上，对数字信号进行载波调制，然后以有线或无线为媒体进行传输。调制时采用正交调幅方式(QAM)。数字信号的载波调制是TDM和FDM方式的结合，是一种不完全的TDM方式。另一种是将数字基带信号直接进行传输。传输系统的组成方式与图3的区别在于先将各路信号分别抽样、量化、编码，再经时分复用分配器合路后送入传输信道(有线或无线设备)；在接收端，先分路，然后各路分别进行解码，使信号复原，如图7所示。这种方式非常适用于双向互交式业务，同样也适用于单向广播式业务。
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