长沙通信职业技术学院毕业设计设计题目:密集波分复用（DWDM）系统研究
专业：
班级：
学号：
姓名：
指导教师：
完成日期：年月日
长沙通信职业技术学院
毕业设计审定表
论文题目：密集波分复用（DWDM）系统研究
专业
班级
指导教师
学生姓名
学号
日期年月日
长沙通信职业技术学院毕业设计任务书
摘要
随着公用通信网及国际互联网的飞速发展,人们对宽带通信提出了前所未有的要求,一些原有的通信技术,如时分复用(TDM)和波分复用(WDM)等已不能满足宽带通信的要求。在这种情况下,密集波分复用(DWDM)作为一种新兴的通信技术即应运而生。本文从我国光纤通信的现状和DWDM 技术的应用出发,对DWDM光纤通信热门课题进行了讨论和分析,主要对其主要的技术进行了详细的分析,并且提出了改进的方案,指出了我国未来在DWDM技术领域存在巨大的发展空间和由此带来的市场前景。
关键词：宽带通信、密集波分复用、光纤通信、
目录
1 DWDM产生背景及系统结构 (1)
1.1DWDM产生的技术背景 (1)
1.2 DWDM的基本原理及其系统结构 (1)
1.3 WDM设备工作方式和主要性能指标 (2)
1.4 WDM的基本结构 (2)
1.5关键技术 (5)
2系统器件 (7)
2.1光器件 (7)
2.2光源 (7)
2.3分复用∕解复用器 (8)
2.4光纤放大器（EDFA） (9)
2.5光器件的应用 (11)
3密集波分复用（DWDM）系统的完善 (12)
3.1系统的快速自愈 (12)
3.2 DWDM系统中的光监控信道研究 (12)
3.3非线性及色散补偿技术 (14)
4结束语 (17)
引用
DWDM技术将为未来通信提供一个大容量、高生存和灵活性的传输网络。它具有良好的优势和经济性，能满足急剧增长的通信业务的需求。所以，从某种意义上来说，DWDM 技术的应用标志着光通信时代“真正”的到来。而DWDM技术的关键在于器件，包括有源器件和无源器件，比如：高速半导体激光器、调制器及集成器件、调制器及集成组件、高速高灵敏度探测器、大功率泵浦源、新型光纤、光纤放大器、光开关、滤波器、波长转换器、多波长合波器和分波器以及OADM、OXC 等节点设备。基于DWDM 技术大规模的应用, 可以认为它将对21 世纪的社会经济发展产生极大影响, 是进入新世纪通信发展的核心。作为传输设备方面的供应商, 应注意市场需求动态, 把握网络发展的衔接性和可持续发展性, 根据用户网络的不同情况, 及时地为用户提供独到的网络解决方案及具有很强竞争力的产品。
作为通信领域发展最为迅速的前沿技术,DWDM具有不可估量的发展潜力和光明前途。由于DWDM的先进性和经济性, 所带来的市场前景是广阔的。这里还要提一下,DWDM系统对光纤的选型有一定的要求。比如, 采用什么样的光纤, 对城域网问题不大, 但对长途干线建设至关重要。由于DWDM系统是多个光信号在一根光纤中同时传输, 因此增加了光纤中光功率密度, 很容易引起四波混频(FWM ,Fou rW aveM ix ing)等非线性现象。如果光纤色散不为零, 即光纤中有少量色散, 则有利于抑制四波混频的产生。因此对DWDM 系统, 从技术性能讲应采用性能优良的非零色散光纤(N ZD SF) , 即称其为G. 1655 光纤。但从当前市场价格来看, G. 655光纤的价格是普通光纤(SM F)即常规光纤G. 652 光纤的3倍。所以针对我国当前的情况,DWDM系统线路采用标准的G. 652光纤也是可以满足要求的。
1 DWDM产生背景及系统结构
1.1DWDM产生的技术背景
业务类型的变化
—语音业务—数据业务—宽带综合业务
容量需求的变化
—Tbit/s容量到干线网
—Gbit/s容量到家庭、办公室
—Mbit/s容量到个人
扩容方式的限制
—时分复用TDM
—空分复用SDM
1. 2 DWDM的基本原理及其系统结构
1.2.1 DWDM的定义
光波分技术（WDM）技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。基本原理是在发送端将不同的光信号组合起来，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开并做进一步处理，恢复出原信号送入不同的终端。
DWDM：同一窗口(1550m)中信道间隔较小的波分复用（8,16…）
1.2.2 DWDM的原理概况
DWDM 技术是利用单模光纤的带宽以及低损耗的特性，采用多个波长作为载波，允许各载波信道在光纤内同时传输。
与通用的单信道系统相比，密集WDM （DWDM ）不仅极大地提高了网络系统的通信容量，充分利用了光纤的带宽，而且它具有扩容简单和性能可靠等诸多优点，特别是它可以直接接入多种业务更使得它的应用前景十分光明。
在模拟载波通信系统中，为了充分利用电缆的带宽资源，提高系统的传输容量，通常利用频分复用的方法。即在同一根电缆中同时传输若干个信道的信号，接收端根据各载波频率的不同利用带通滤波器滤出每一个信道的信号。
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。
事实上，这样的复用方法在光纤通信系统中是非常有效的。与模拟的载波通信系统中的频分复用不同的是，在光纤通信系统中是用光波作为信号的载波，根据每一个信道光波的频率（或波长）不同将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，从而在一根光纤中实现多路光信号的复用传输。
由于目前一些光器件（如带宽很窄的滤光器、相干光源等）还不很成熟，因此，要实现光信道非常密集的光频分复用（相干光通信技术）是很困难的，但基于目前的器件水平，已可以实现相隔光信道的频分复用。人们通常把光信道间隔较大（甚至在光纤不同窗口上）的复用称为光波分复用（WDM ），再把在同一窗口中信道间隔较小的DWDM 称为密集波分复用（DWDM ）。随着科技的进步，现代的技术已经能够实现波长间隔为纳米级的复用，甚至可以实现波长间隔为零点几个纳米级的复用，只是在器件的技术要求上更加严格而已，因此把波长间隔较小的8 个波、16 个波、32 乃至更多个波长的复用称为粗波分复用（CWDM ）。
DWDM 系统的构成及光谱示意图如图所示。发送端的光发射机发出波长不同而精度和稳定度满足一定要求的光信号，经过光波长复用器复用在一起送入掺铒光纤功率放大器（掺铒光纤放大器主要用来弥补合波器引起的功率损失和提高光信号的发送功率），再将放大后的多路光信号送入光纤传输，中间可以根据情况决定有或没有光线路放大器，到达接收端经光前置放大器（主要用于提高接收灵敏度，以便延长传输距离）放大以后，送入光波长分波器分解出原来的各路光信号。
1. 3 DWDM的基本结构
DWDM系统:光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统。
1. 4 DWDM设备工作方式和主要性能指标
1.4.1 DWDM设备工作方式
DWDM设备用来在单一的光纤上复用多个Gbit∕sec(或者更高)信道。这些激光复用器对于潜在的协议来说是透明的，这意味着企业可以利用单一的DWDM设备在一根光纤上传输千兆以太网，千兆光纤信道，ESCON和SONET，每种网络传输模式具有自
己的波长。
企业可用点对点的方式或者累积的方式配置DWDM设备，以形成环路。一旦主连接不能访问，大多数DWDM设备自动失效转接到冗余物理链接。早环形拓扑结构中，节点之间仅需要一条链路。如果链路失效，激光将朝相反的方向传输来达到目标。某些类型的DWDM设备可以添加和去除指定的波长的传输模式，这就使得在环形网中的出入波长路由可以从70到160公里以上。
DWDM设备有两种基本类别：边缘类（适用于企业）和核心类（适用于通信商）。相对来说，边缘类的DWDM设备通常体积小，价格低，信道少。
常规情况下，一个企业可以在两个交换机之间通过双互联交接链路（ISL），把相距50公里以上的两个站点连接起来，ISL是使用E_Port进行连接的，E_Port是个把两个交换机连接成一个架构的扩展端口。在交换机和DWDM设备之间的ISL连接提供了更大的宽带(达到2 Gbits∕sec，而非1 Gbits∕sec)，但这并不需要。DWDM设备可以拥有一个热待机保护链路，一旦主链路失效，就可以自动调用该保护链路。该保护链路应该置于一个单独分开的物理通道上。
核心的DWDM设备体积更大，价格更高，信道更多。该类DWDM设备允许进行环形配置，提供了增加和删除能力。
1.4.2 调节方式
直接调节方式
—输出功率正比于调制电流；
—简单、损耗小、廉价；
—使用FP或DFB激光器二级管
随调制速率增高，模数增加激光器谱线展宽。
限制使用在＜2.5Gbps速率下，较短距离传输。
调制方式
—激光器光源＋开关
—复杂、损耗大、价格贵；
1.4.3要性能指标
（1）系统工作波长
位于1550nm低耗窗口，分为C波段和L波段两部分。
C波段（常规波段）
波长范围为：1530nm~1560nm
工作频率：196.05THz~192.10THz（1THz=1000GHz）
L波段（长波长波段）
波长范围为：1565nm~1625nm
工作频率：190.90THz~186.95THz（1THz=1000GHz）
（2）通路间隔
通路间隔是指两个相邻复用通路之间的标频率差，包括均匀通路同路间隔和非均匀通路间隔。目前，多数采用均匀通路间隔。
DWDM系统最小通路间隔为50GHz的整数倍。
复用通路为8波时，通路间隔为200GHz。
复用通路为16波∕32波∕40波时，通路间隔为100GHz。
复用通路为80波以上时，通路间隔为50GHz
采用的通路间隔越小，要求分波器的分辨率越高，复用的通路数也越多
（3）标称中心频率
标称中心频率是指DWDM系统每个复用的通路对应的中心波长（频率）。例如，当复用通路为16波∕32波∕40波时，第一波的中心频率为192.10THz，通路间隔为100GHz，频率向上递增。
（4）中心频率偏移
中心频率偏移又称频偏，是指复用光通路的实际中心工作于标称中心频率之间的偏差。
国际规定，100GHz频率间隔的系统，速率为2.5Gbit∕s以下时最大中心频率偏移为±20GHz（约±0.16nm）；速率为10Gbit∕s时，最大中心频率偏移为±12.5GHz。50GHz频率间隔的系统，最大中心频率为±5GHz。
最大中心频率偏移是指，在系统设计寿命终结时，考虑到温度、湿度因素仍能满足的数值。
（5）色散容限
色散反映了脉冲沿光纤传播时的展宽。
脉冲展宽将导致接收端信号脉冲消光比的下降，即“1”码与“0”码的电平接近，造成接收机的误判。为避免误码出现，采取一定的措施补偿在光脉冲过程中引起的脉冲展宽，光脉冲的展宽程度随着传输距离的增长而越来越严重。
DWDM系统对光纤色散系数的要求，基本上就是单个复用通路速率信号对光纤色散系数的要求。同时，由于DWDM系统的无电中继长度远远大于单个SDH系统，所以要求系统光源的色散容限距离必须延长。
（6）接收机灵敏度
接收机灵敏度是指，输入信号处在1550nm窗口，误码率到10-12时，OUT输入端口的平均接受光功率的最小值。
（7）过载光功率
过载光功率是指，驶入信号在1550nm窗口，误码率达到10-20是OUT输入端口处的平均光功率的最大值。
1. 5关键技术
1.5.1 光放大技术
光放大器（OA）的出现和发展克服了高速长距离传输的最大障碍―光功率受限。OA的主要形式有半导体光放大器（SOA）和掺饵光纤放大器（EDFA）两种，前者近年来发展速度很快，已经成为目前大容量长距离的DWDM系统在传输技术领域必不可少的技术手段。
1.5.2增益均衡技术
利用损耗特性和放大器的增益波长特性相反的增益均衡来抵消增益的不均衡性称为增益均衡技术。这种技术的关键在于放大器的增益曲线和均衡器的损耗特性准确吻合，使综合特性平坦。现在用的增益均衡器主要有标准光波滤波器、介质多模滤波光纤光栅及平面光波导等。
1.5.3光合波与分合波
合∕分波器实际上就是光学滤波器，其作用是对各复用光通路信号进行复用与解复用。对它们的基本要求是：插人损耗低、隔离度高、具有良好的带通特性、温度稳定性好、复用通路数多和具有较高的分辨率等。
1.5.4点技术
WDM光传送网中的节点分为光交叉连接（OXC）节点、光分插（OADM）节点和混合节点（同时具有OXC和OADM功能的节点。
OCX节点的功能类似SDH网络中的数字交叉连接设备（DXC），只不过是以广波信号为操对象在广域上实现的，无需进行光电∕电光转换和电信号处理。OXC主要由
交叉连接矩阵、波长转换接口以及管理控制单元等，模块组成。
同样的，OADM节点的功能类似于SDH网络的数字分插复用设备（ADM），它可以直接以光波信号为操作对象，利用光波复用技术在广域上实现波长信道的上下。
2系统器件
DWDM系统包括光放大器OA、合波器OMU、分波器ODU、光波长转换器OUT和光监控系统OSC以及光分插复用器OADM等。整个光复用段包括两个端站（发送端和接收端）和若干个中继段。
2. 1光器件
2.1.1有源光器件
定义：需要外加能源驱动工作的电子器件
—半导体光源（LD、LED、DEB、QW、SQW、VCSEL）
—半导体光探测器（PD、PIN、APD）
—光纤激光器（OFL、单波长、多波长）
—光放大器（SOA、EDFA）
—光波长转换器（XGM、XPM、FWM）
—光调解器（EA）
—光开关∕路由器
2.1.2无源光器件
定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件
—光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC）
—光纤定向耦合器/分支器
—光分插复用器（OADM)
—光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM)
—光衰减器（固定、连续）
—光滤波器（带通、带阻）
—光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关）
—光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅
2.2光源
DWDM系统的无电再生中继长度从50~60km增加到了500~600km，在要求传输系统的色散受限距离大大延长的同时，为了克服光纤非线性效应，要求光源使用技术更为先进、性能更为优良的激光器。总之，DWDM系统光源的两个突出的特点是：（1）具有一定色度色散容限；（2）标准而稳定的波长。
2.2.1 光源系统工作原理
DWDM光源控制系统的主要功能就是通过对各个基本光源单元上的LD 组件的控制,实现基本光源通道输出功率、工作温度和输出波长的控制。
整个DWDM光源控制系统主要包括基本光源单元、数字监控子系统和远程控制子系统,图1 为系统的总体框图。基本光源单元采用新型刀片式光源,每路基本光源单元都可以完全独立地完成一路光源输出,通过直接插拔就可以实现光源通道的增减。数字监控
子系统以瑞萨SH2 单片机为控制核心,现场可编程门阵列( FPGA) 为数字2模拟信号接口,先进先出(FIFO) 为系统的数据缓冲区,这部分的主要功能是实现各路基本光源单元的选择和控制,完成对信号的采集、处理和数据传输。远程控制子系统采用通用接口总线( GPIB) 、通用串行总线(USB) 等接口实现光源系统和计算机相连,实现远程控制。
2.2.2 光源的相关参数
波长范围：1529.55nm-1611.79nm（其他波长范围须另行定制）50GHz、100GHz间隔ITU-T标准波长；
输出功率：10mW；
3dB带宽：2MHz、5MHz、10MHz；
边模抑制比：> 40dB；
光隔离度：> 25dB；
光强度噪声：< 133dB；
波长稳定度：+/-20pm；
自由光谱范围：50GHz；
中心波长调节范围：0.85nm。
2. 3分复用∕解复用器
复用器：将不同光源波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件，
解复用器：经同一传输光纤送来的多波长信号分解为个别波长分别输出的器件。
DWDM器件：滤波器型、光栅型、耦合器型、阵列波导光栅型
主要技术要求：
插入损耗低
各信道间的串扰少，即隔离度高
带内平坦
带外插入损耗变化陡峭
波长的温度稳定性好
低的偏振相关性
2. 4光纤放大器（EDFA）
2.4.1 EDFA的放大原理
2.4.2 EDFA的结构图
EDFA的主要由掺饵光纤（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成。
基本组态：功率放大器、线路放大器、前置放大器。
功率放大器
用途：处于合波器之后，用于对合波后的信号进行功率提升
特点：对于噪声系数、增益要求不高，要求有较大的输出功率
线路放大器
用途：用在中继设备上，用于补偿线路的传输损耗
特点：要求有较小的噪声系数；和较大输出光功率
前置放大器
用途：处于线路放大器之后，分波之前，用于信号放大，提高接收机的灵敏度特点：要求噪声系数较小，对于输出功率没有太大的要求