光纖通信復用系統

光纖通信復用系統是為提高光纖利用率，在一根光纖中實現多信道傳輸的通信系統。

基本介紹

• 中文名：光纖通信復用系統
• 外文名：optical fibercommunication multiplex system
• 套用學科：光纖通信技術

簡介

光波沿一根光纖傳輸，可同時載荷很高速率的數位訊號，或很寬頻帶的信號。人們期望發揮光纖的潛力，使一根光纖載荷更多的信息，這可採用復用技術來實現。光的復用技術基本上是從電的復用技術移植而來。主要有波分復用（WDM）、頻分復用（FDM）、時分復用（TDM）和副載波復用（SCM）等。

波分復用（WDM）

波分復用WDM(Wavelength Division Multiplexing)是將兩種或多種不同波長的光載波信號（攜帶各種信息）在傳送端經復用器(亦稱合波器，Multiplexer)匯合在一起，並耦合到光線路的同一根光纖中進行傳輸的技術；在接收端，經解復用器(亦稱分波器或稱去復用器，Demultiplexer)將各種波長的光載波分離，然後由光接收機作進一步處理以恢復原信號。這種在同一根光纖中同時傳輸兩個或眾多不同波長光信號的技術，稱為波分復用。

2.1 復用類型

光波分復用包括頻分復用和波分復用

光頻分復用（FDM）技術和光波分復用（WDM）技術無明顯區別，因為光波是電磁波的一部分，光的頻率與波長具有單一對應關係。通常也可以這樣理解，光頻分復用指光頻率的細分，光信道非常密集。光波分復用指光頻率的粗分，光信道相隔較遠，甚至處於光纖不同視窗。

2.2 結構

光波分復用一般套用波長分割復用器和解復用器（也稱合波/分波器）分別置於光纖兩端，實現不同光波的耦合與分離。這兩個器件的原理是相同的

在模擬載波通信系統中，通常採用頻分復用方法提高系統的傳輸容量，充分利用電纜的頻寬資源，即在同

一根電纜中同時傳輸若干個信道的信號，接收端根據各載波頻率的不同，利用帶通濾波器就可濾出每一個信道的信號。同樣，在光纖通信系統中也可以採用光的頻分復用的方法來提高系統的傳輸容量，在接收端採用解復用器（等效於光帶通濾波器）將各信號光載波分開。由於在光的頻域上信號頻率差別比較大，一般採用波長來定義頻率上的差別，該復用方法稱為波分復用。WDM技術就是為了充分利用單模光纖低損耗區帶來的巨大頻寬資源，根據每一信道光波的頻率（或波長）不同可以將光纖的低損耗視窗劃分成若干個信道，把光波作為信號的載波，在傳送端採用波分復用器（合波器）將不同規定波長的信號光載波合併起來送入一根光纖進行傳輸。在接收端，再由一波分復用器（分波器）將這些不同波長承載不同信號的光載波分開的復用方式。由於不同波長的光載波信號可以看作互相獨立（不考慮光纖非線性時），從而在一根光纖中可實現多路光信號的復用傳輸。將兩個方向的信號分別安排在不同波長傳輸即可實現雙向傳輸。根據波分復用器的不同，可以復用的波長數也不同，從2個至幾十個不等，一般商用化是8波長和16波長系統，這取決於所允許的光載波波長的間隔大小。

WDM本質上是光頻上的頻分復用（FDM）技術。從中國幾十年套用的傳輸技術來看，走的是FDM-TDM-

圖2 波分復用

TDM FDM的路線。開始的明線、同軸電纜採用的都是FDM模擬技術，即電域上的頻分復用技術，每路話音的頻寬為4KHz，每路話音占據傳輸媒質（如同軸電纜）一段頻寬；PDH、SDH系統是在光纖上傳輸的TDM基帶數位訊號，每路話音速率為64kb/s；而WDM技術是光纖上頻分復用技術，16（8）×2.5Gb/s的WDM系統則是光頻上的FDM模擬技術和電頻率上TDM數位技術的結合。

WDM本質上是光頻上的頻分復用FDM技術，每個波長通路通過頻域的分割實現。每個波長通路占用一段光纖的頻寬，與過去同軸電纜FDM技術不同的是：（1）傳輸媒質不同，WDM系統是光信號上的頻率分割，同軸系統是電信號上的頻率分割利用。（2）在每個通路上，同軸電纜系統傳輸的是模擬信號4KHz語音信號，而WDM系統目前每個波長通路上是數位訊號SDH2.5Gb/s或更高速率的數字系統。

頻分復用（FDM）

頻分復用的基本思想是：要傳送的信號頻寬是有限的，而線路可使用的頻寬則遠遠大於要傳送的信號頻寬，通過對多路信號採用不同頻率進行調製的方法，使調製後的各路信號在頻率位置上錯開，以達到多路信號同時在一個信道內傳輸的目的。因此，頻分復用的各路信號是在時間上重疊而在頻譜上不重疊的信號。

頻分復用(FDM，Frequency Division Multiplexing)就是將用於傳輸信道的總頻寬劃分成若干個子頻帶（或稱子信道），每一個子信道傳輸1路信號。頻分復用要求總頻率寬度大於各個子信道頻率之和，同時為了保證各子信道中所傳輸的信號互不干擾，應在各子信道之間設立隔離帶，這樣就保證了各路信號互不干擾（條件之一）。頻分復用技術的特點是所有子信道傳輸的信號以並行的方式工作，每一路信號傳輸時可不考慮傳輸時延，因而頻分復用技術取得了非常廣泛的套用。頻分復用技術除傳統意義上的頻分復用(FDM)外，還有一種是正交頻分復用(OFDM)。

3.1 同步技術

與其它數字通信系統一樣，OFDM系統需要可靠的同步技術，包括定時同步、頻率同步和相位同步，其中頻率同步對系統的影響最大。移動無線信道存在時變性，在傳輸過程中會出現無線信號的頻率偏移，這會使OFDM系統子載波間的正交性遭到破壞，使子信道間的信號相互干擾，因此頻率同步是OFDM系統的一個重要問題。為了不破壞子載波間的正交性，在接收端進行FFT變換前，必須對頻率偏差進行估計和補償。

可採用循環前綴方法對頻率進行估計，即通過在時域內把OFDM符號的後面部分插入到該符號的開始部分，形成循環前綴。利用這一特性，可將信號延遲後與原信號進行相關運算，這樣循環前綴的相關輸出就可以用來估計頻率偏差。

3.2 峰值平均功率

由於OFDM信號在時域上為N個正交子載波信號的疊加，當這N個信號恰好都以峰值出現並將相加時，OFDM信號也產生最大峰值，該峰值功率是平均功率的N倍。這樣，為了不失真地傳輸這些高峰均值比的OFDM信號，對傳送端和接收端的功率放大器和A/D變換器的線性度要求較高，且傳送效率較低。解決方法一般有下述三種途徑：

⑴信號失真技術採用峰值修剪技術和峰值視窗去除技術，使峰值振幅值簡單地非線性去除；

⑵採用編碼方法將峰值功率控制和信道編碼結合起來，選用合適的編碼和解碼方法，以避免出現較大的峰值信號；

⑶擾碼技術採用擾碼技術，對所產生OFDM信號的相位重新設定，使互相關性為0，這樣可以減少OFDM的PAPR。這裡所採用的典型方法為PTS和SLM。

3.3 信道編碼和交織

為了對抗無線衰落信道中的隨機錯誤和突發錯誤，通常採用信道編碼和交織技術。OFDM系統本身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已被OFDM調整方式本身所利用，可以在子載波間進行編碼，形成編碼的OFDMCOFDM即把OFDM技術與信道編碼、頻率時間交織結合起來，提高系統的性能，其編碼可以採用各種碼（如分組碼和卷積碼）。

現狀及其發展方向：OFDM技術良好的性能使其在很多領域得到了廣泛的套用，如：HDSL、ADSL、VDSL、DAB和DVB，無線區域網路IEEE802.11a和HIPERLAN2，以及無線城域網IEEE802.16等系統中。而在4G中，一方面頻寬作為移動通信中非常希缺的資源，另一方面未來的移動通信對服務質量、服務的多樣性及傳輸速率要求越來越高，使得OFDM將得到更廣泛的套用。

時分復用（TDM）

時分復用TDM是採用同一物理連線的不同時段來傳輸不同的信號，也能達到多路傳輸的目的。時分多路復用以時間作為信號分割的參量，故必須使各路信號在時間軸上互不重疊。

4.1 基本原理

n路時分復用系統的示意圖：

圖3 n路時分復用系統的示意圖

時分多路復用適用於數位訊號的傳輸。由於信道的位傳輸率超過每一路信號的數據傳輸率,因此可將信道按時間分成若干片段輪換地給多個信號使用。每一時間片由復用的一個信號單獨占用,在規定的時間內,多個數位訊號都可按要求傳輸到達,從而也實現了一條物理信道上傳輸多個數位訊號。假設每個輸入的數據比特率是9. 6kbit / s ,線路的最大比特率為76. 8 kbit / s ,則可傳輸8 路信號。

副載波復用（SCM）

用多個基帶信號調製不同頻率的各自的電載波，即進行電的頻分復用，再把這些頻分復用的群信號，對一個雷射光源即光信號進行調製。

用多個基帶信號調製不同頻率的各自的電載波（多在微波波段），即進行電的頻分復用，再把這些頻分復用的群信號，對一個雷射光源即光載波進行調製的光纖通信復用方式，簡稱SCM。在這種復用系統的接收端，由光電檢測器檢出電頻分復用的群信號，用電的方式把各路電載波分開，再經解調，恢復原來傳輸的基帶信號。為和光載波區別，稱電載波為副載波。信號的復用是在微波頻率上以頻分復用的形式進行的。由於微波技術已成熟，故減小了難度，易於實用化。許多原有的微波通信系統可以和光纖通信結合，方便地利用這種技術。

這種技術的關鍵問題有：①光源和系統中的其他因素造成的非線性都會引起信道間的串擾，須減少這種影響；②由於幾個信道同時調製光源，每個信道的電流不能大，以保持總電流在雷射器的線性區。這就降低了每個信道的發射功率，影響通信質量。

這種SCM系統在有線電視（CATV）領域中，有重要的套用，可在十幾公里至幾十公里的距離上傳輸幾十個頻道的電視節目。