第二章DWDM原理簡述

1、學(xué)習(xí)知識要點第一節(jié) 什么是波分復(fù)用1波分復(fù)用的概念（P3）第二節(jié) 波分復(fù)用系統(tǒng)對光纖的要求1 適合開放波分系統(tǒng)的光纖（P4）2 光纖衰耗和色散的概念（P4）第三節(jié) 波分復(fù)用系統(tǒng)關(guān)鍵器件1 分波/和波器件的概念（P5）2 光源的類型（P6）3 摻餌光纖放大器（P9）第四節(jié) 光監(jiān)控信道（OSC）1監(jiān)控信道的用途（P10）第五節(jié) DWDM的應(yīng)用方式1開放式、集中式的概念（P11)第六節(jié) DWDM網(wǎng)絡(luò)單元1四種網(wǎng)元類型（P12）第七節(jié) DWDM的組網(wǎng)方式1常見兩種組網(wǎng)方式（P13）第八節(jié) DWDM的優(yōu)點1大容量、多業(yè)務(wù)接入特點（P14）目錄第二章 DWDM簡要原理1第一節(jié) 什么是波分復(fù)用？1第二節(jié) 波

2、分復(fù)用系統(tǒng)對光纖的要求3第三節(jié) 波分復(fù)用系統(tǒng)關(guān)鍵器件43.1、分波/合波器件43.2、光源43.2、摻鉺光纖放大器（EDFA）5第四節(jié) 光監(jiān)控信道（OSC）8第五節(jié) DWDM的應(yīng)用方式10第六節(jié) DWDM網(wǎng)絡(luò)單元11第七節(jié) DWDM的組網(wǎng)形式12第八節(jié) DWDM的優(yōu)點13第二章 DWDM簡要原理第一節(jié) 什么是波分復(fù)用不管是PDH還是SDH都是在一根光纖上傳送一個波長的光信號，這是對光纖巨大帶寬資源的極大浪費。可不可以在一根光纖中同時傳送幾個波長的光信號呢？就象模擬載波通信系統(tǒng)中有幾個不同頻率的電信號在一根電纜中同時傳送一樣？實踐證明是可以的。在發(fā)送端，多路規(guī)定波長的光信號經(jīng)過合波器后從一根光纖

3、中發(fā)送出去，在接收端，再通過分波器把不同波長的光信號從不同的端口分離出來。如圖一所示： 圖一在一根光纖中傳送的相臨信道的波長間隔比較大的時候（比如為兩個不同的傳輸窗口），我們稱其為波分復(fù)用（WDM）；而在同一傳輸窗口內(nèi)應(yīng)用有較多的波長時，就稱其為密集波分復(fù)用（DWDM）；在我們平常所說的或所聽到的“波分”一般就是指的密集波分復(fù)用（DWDM）。實際系統(tǒng)中有雙纖雙向系統(tǒng)和單纖雙向系統(tǒng)。單纖雙向系統(tǒng)雖然能減少一半光器件和一般光纜，但技術(shù)難度較大，目前應(yīng)用中雙纖雙向系統(tǒng)還是居多。圖一所示系統(tǒng)就是雙纖雙向系統(tǒng)。第二節(jié) 波分復(fù)用系統(tǒng)對光纖的要求常見單模光纖有G.652、G.653、G.654、G.655幾

4、種。我國大量鋪設(shè)的是G.652光纖，在1550nm傳輸窗口，它的色散系數(shù)比較大：1720ps/nm.Km，適合速率不高的TDM信號和多波信號傳輸；G.653光纖主要鋪設(shè)在日本，1550nm窗口處，色散為“零”，非常適合傳輸高速率的TDM信號，但是不適合傳輸多波長信號，因為會有比較嚴(yán)重的四波混頻效應(yīng)；G.654光纖主要用于海底光纜中，衰減很??；G.655光纖色散系數(shù)比較?。涸?550窗口處色散系數(shù)為46ps/nm.Km，色散不為“零”，可以有效抑制四波混頻效應(yīng)；另外色散又不大，可以滿足高速率TDM的傳輸要求。在光纖的性能中，我們突出關(guān)心的兩個指標(biāo)是：衰減系數(shù)和色散系數(shù)，兩者都限制了電再生距離的長

5、短。對衰減，大家都比較熟悉，主要是后者：色散。色散積累的結(jié)果是信號脈沖在時域上展寬，嚴(yán)重時就影響到接收機的接收。示意圖如下：圖二可見，因為色散，脈沖展寬，使得傳輸距離受到限制，因為再繼續(xù)傳輸下去，出現(xiàn)連“1”信號，接收端無法識別了。同時我們看到，對速率越高的信號，這種受限越厲害，對速率低的信號，影響不是很大，因為速率低的信號脈沖之間本來就拉得比較開（時間間隔大）。一般來說，在G.652光纖上，傳輸STM-16信號的時候，還不需要補償色散的積累，但在傳輸STM-64甚至更高速率的TDM信號的時候，補償就非常有必要了。在DWDM系統(tǒng)中，一般是通過加入色散補償光纖來補償色散積累的，因為這種技術(shù)已經(jīng)非

6、常成熟。總之，目前最適合傳輸DWDM系統(tǒng)的光纖是G.655光纖，但在我國因為大量鋪設(shè)的是G.652尾纖，所以在上10G及以上速率的信號時，需要用色散補償。第三節(jié) 波分復(fù)用系統(tǒng)關(guān)鍵器件波分系統(tǒng)的關(guān)鍵器件除上面提到的分波/合波器外，還包括光源技術(shù)、EDFA技術(shù)。3.1、分波/合波器件從圖一可以看出，分波/合波器是波分設(shè)備的必需的核心器件。DWDM傳輸和SDH傳輸最根本的區(qū)別也在于此：DWDM的復(fù)用和解復(fù)用都是在光層上進(jìn)行的，而SDH盡管在站點間使用了光纖傳輸，但復(fù)用和解復(fù)用是在節(jié)點處O/E轉(zhuǎn)換后在電層上進(jìn)行的。分波合波器件有較大的插入損耗（插損），嚴(yán)重限制了信號的傳輸距離。所謂插損在這里指的是規(guī)定

7、波長的光信號通過分波/合波器后光功率的丟失。除了插損，另外有個指標(biāo)是我們比較關(guān)心的，就是最大插損差。我們知道對16/32波系統(tǒng)而言，針對每一波，有一個插入損耗，這16/32個插入損耗中的最大值與最小值之差即為最大插損差。對該指標(biāo)的規(guī)范主要從多波長系統(tǒng)光功率平坦來考慮的，并且對合波器的要求要比對分波器的要求高，因為合波后的信號還需要長距離的傳輸，而分波后的信號會被馬上終結(jié)掉。對分波器，還有兩個指標(biāo)非常重要：中心波長和隔離度。中心波長即是指分波后從不同端口出來的光的中心波長，對16/32波系統(tǒng)，有16/32個中心波長，其不應(yīng)該與ITU-T建議的標(biāo)準(zhǔn)波長（192.1195.2THz）有太大的偏移。隔

8、離度指的是相臨端口的串?dāng)_程度，有相鄰隔離度和非相鄰隔離度兩個衡量項目。讓192.1THz的光信號輸入到分波器，理想情況是它只從端口1出來，可實際上，總有一部分從相臨的端口2和端口3出來。端口1與端口2出來的光功率之比就是端口1對端口2的相鄰隔離度。端口1與端口3之間的光功率之比就是端口1對端口3的非相鄰隔離度。我們當(dāng)然希望隔離度越大越好。從上面的描述我們可以這樣來通俗表述一下插損和隔離度：插損，是光信號在應(yīng)該走的光路上的功率損失，希望它越小越，理想情況是零插損；隔離度是光信號在不應(yīng)該走的光路上的泄漏程度，希望隔離度越大越好，理想情況是完全隔離。合波器一般有耦合型，多層介質(zhì)模型和陣列波導(dǎo)型；16

9、波系統(tǒng)中，一般是耦合型，它對波長不敏感。分波器一般為多層介質(zhì)模型和陣列波導(dǎo)型。陣列波導(dǎo)型分波合波器件對溫度比較敏感，一般都要溫控措施，保證分波中心不發(fā)生較大的偏移。3.2、光源對用于波分系統(tǒng)的光源的兩個基本要求是：光源有標(biāo)準(zhǔn)的、穩(wěn)定的光波長。波分復(fù)用系統(tǒng)使用的波長比較密集，要求標(biāo)準(zhǔn)，不僅是考慮橫向兼容性，也考慮到光纖的非線形效應(yīng)。ITU-T對波長有指標(biāo)規(guī)范，目前的16波、32波系統(tǒng)的相臨波之間的頻率差是100GHz（約0.8nm）。穩(wěn)定也是必需的，系統(tǒng)運行時一個信道波長的偏移大到一定程度時，在接收端，分波器將無法正確分離該信道，并且，其相臨信道的信號也會因為該信道的加入而受到損傷。光源需要滿足

10、長距離傳輸要求。DWDM系統(tǒng)因為使用EDFA技術(shù)，使傳輸距離由SDH的5060公里變成500600公里?？梢姡号c傳統(tǒng)SDH信號不同，波分系統(tǒng)的電再生中繼距離都要求很高。影響電再生中繼距離的因素很多，如衰減、色散、光信噪比等等。在引入放大器后，波分系統(tǒng)中，影響再生中繼距離的主要因素是色散和信噪比。所以，所謂滿足長距離傳輸，就是要求光源有相當(dāng)高的色散受限距離。對此，ITU-T對DWDM使用的光源的色散容納作了規(guī)范，常見有三種：12800ps/nm、10000ps/nm、7200ps/nm。常規(guī)的G.652光纖的典型色散系數(shù)是17ps/nm.Km，在實際工程中作20ps/nmKm計算。上面三個光源能

11、夠傳送的距離是分別是640Km、500Km、360Km。有時我們能見到一些廠家這樣的宣傳“640公里無中繼傳輸”，這640Km指的就是這個色散受限距離，而不是兩個站點之間的距離。滿足這兩個要求的光信號即所謂的G.692信號，而傳統(tǒng)的2.5G的SDH信號為G.957信號。3.2、摻鉺光纖放大器（EDFA）將放大器引入波分系統(tǒng)幾乎是必需的，目前用的最多的是EDFA。先來說說引入光放大器的必要性。以最常見的G.652光纖為例，其在1550nm窗口的典型衰減系數(shù)值是0.275dB/Km，就是說在其上傳送的光信號幾乎每11公里就要衰減一半，所以再生距離比較大的時候不僅需要放大，還可能多級放大。那么距離比

12、較近的時候是否就不需要光放大器了呢？一般來說還是需要的，除非再生距離非常的近而且接收機的接受靈敏度非常高。因為波分系統(tǒng)引入分波器、合波器的同時也引入了很大的插入損耗。根據(jù)使用的場合和本身的特點，光放大器有功率放大器（BA，簡稱功放）、線路放大器（LA，簡稱線放）、預(yù)放大器（PA，簡稱預(yù)放）之分。BA也叫后置放大器，用在發(fā)送端，其作用主要是彌補合波器引入的插入損耗損和提高信號的入纖光功率，它的特點是大光功率輸出，所以對它也有功率助推器的叫法；PA也叫后置放大器，用在接收端，作用是提高系統(tǒng)的接收靈敏度，它可以接收和識別較小功率的光信號；LA 則多用在線路放大設(shè)備上，作用是彌補光信號在長距離線路上傳

13、送引起的線路損耗，它的特點是增益比較大。實際DWDM系統(tǒng)中可以用PA+BA的方式代替LA使用。有功率放大后的原理圖如下：圖三波分系統(tǒng)中的EDFA一般都是固定增益輸出，而不是固定功率輸出。需要注意的是波分系統(tǒng)中的EDFA需對多個波長信號同時放大，為此對其增益提出了兩個要求：增益平坦，就是對一定波長范圍的光信號有幾乎相同的增益。如果幾個波長的光信號通過EDFA后，有些波長的光獲得比較大的增益，有些波長的光獲得比較小增益，那我們就說這個EDFA對這幾個波長的光信號的增益是不平坦的。當(dāng)增益的差別小于1dB的時候，我們認(rèn)為增益是平坦的。增益平坦是必須的，特別在多級放大的系統(tǒng)中，這種不平坦累積起來，將嚴(yán)重

14、影響整個系統(tǒng)的性能，個別通道信噪比嚴(yán)重惡化，限制更多通道的應(yīng)用。目前的EDFA的增益平坦波長區(qū)域是15301565nm。波分系統(tǒng)使用1550nm傳輸窗口而不使用1310nm傳輸窗口的主要原因也在于此。 增益鎖定，增益鎖定指的是上波和掉波不會影響正常通道的增益。如果系統(tǒng)中有兩個波長在使用，現(xiàn)在其中一波掉波，由于增益競爭，剩下一波的功率會突然變成原來的兩倍；假如現(xiàn)在再上一波，原來那波的光信號能量又一下降下來。這種增益突變的情況是不允許出現(xiàn)的，因為不允許因為升級（上波）去影響原來已有的業(yè)務(wù)，也不允許因為其中的一波斷業(yè)務(wù)（掉波）而影響其他波長的業(yè)務(wù)，即使這種影響是短暫的。所以增益鎖定同樣是必需的。增益

15、平坦和增益鎖定示意圖如下： 圖四第四節(jié) 光監(jiān)控信道（OSC）在SDH系統(tǒng)中，對系統(tǒng)的管理和監(jiān)控可以通過SDH幀結(jié)構(gòu)中的開銷字節(jié)來處理。在波分系統(tǒng)中怎樣來管理和監(jiān)控系統(tǒng)中的每個網(wǎng)元呢？波分系統(tǒng)不是有很多波長在系統(tǒng)中傳送嗎，可以再加上一波專用于對系統(tǒng)的管理，這個信道就是所謂的光監(jiān)控信道（OSC）。光監(jiān)控信道的引入也是必需的，至少有兩個理由：如果利用SDH的開銷字節(jié)，那么利用哪一路SDH信號呢？況且如果上波分的業(yè)務(wù)不是SDH信號，而是其它類型的業(yè)務(wù)呢？可見還是單獨利用一個信道來管理DWDM設(shè)備方便。在線路放大設(shè)備（接下來的內(nèi)容有對此設(shè)備的介紹）上對業(yè)務(wù)信號進(jìn)行光放大，信號只有O/O的過程，沒有電的接

16、入，根本無法監(jiān)控。從這點來看，也可以說明引入監(jiān)控信道的必要性。按照ITU-T的建議，DWDM系統(tǒng)的光監(jiān)控信道應(yīng)該與主信道完全獨立，于是建議中的三個監(jiān)控信道波長：1310nm、1480nm和1510nm都在EDFA的工作范圍之外。主信道與監(jiān)控信道的獨立在信號流向上表現(xiàn)的也比較充分。ITU-T建議中還規(guī)定了光監(jiān)控信道的速率2Mbit/s，碼型CMI碼，（于是線路速率是4Mbit/s）有這樣低速率的光信號，接收端的接收靈敏度可以做得很高，ITU-T規(guī)范其需要小于-48dBm。這樣一來，不會因為OSC的功率問題限制站點距離。需要指出的是，光監(jiān)控信道并不是DWDM系統(tǒng)本身所必需的，可實際應(yīng)用中，它卻是必

17、需的，因為引入DWDM系統(tǒng)這樣的高速率傳輸設(shè)備卻不去監(jiān)控和管理它幾乎是不可能的。加入光監(jiān)控信道的DWDM系統(tǒng)如下圖所示：圖五光監(jiān)控信道與主信道的完全獨立在上圖中表現(xiàn)得比較突出：在OTM站，在發(fā)方向，監(jiān)控信道是在合波、放大后才接入監(jiān)控信道的；在收方向，監(jiān)控信道是首先被分離的，之后系統(tǒng)才對主信道進(jìn)行預(yù)放和分波。同樣在OLA站點，發(fā)方向，是最后才接入監(jiān)控信道；收方向，最先分離出監(jiān)控信道?？梢钥闯觯涸谡麄€傳送過程中，監(jiān)控信道沒有參與放大，但在每一個站點，都被終結(jié)和再生了。這點恰好與主信道相反，主信道在整個過程中都參與了光功率的放大，而在整個線路上沒有被終結(jié)和再生，波分設(shè)備只是為其提供了一個個通明的光通

18、道。第五節(jié) DWDM的應(yīng)用方式前面我們說到傳統(tǒng)的2.5G的SDH信號是滿足G.957規(guī)范的光信號，而應(yīng)用于DWDM系統(tǒng)的光信號需滿足G.692規(guī)范。所以SDH信號上波分之前需要進(jìn)行光信號的轉(zhuǎn)換，在下DWDM系統(tǒng)時再轉(zhuǎn)換成G.957信號，如下圖所示：圖六非G.692信號上波分需要一個波長轉(zhuǎn)換單元（OTU），將非G.692信號轉(zhuǎn)換為G.692信號后再去合波，它的主要功能是“波長轉(zhuǎn)換”。在接收端，一般也需要一個OTU將信號還原，不過這種還原 倒不是必須的，收端的這個OTU的主要功能是“再生”，而不是“波長轉(zhuǎn)換”。需要再生是因為波分系統(tǒng)中的光信號一般都經(jīng)過了EDFA的多級放大，累積了大量噪聲，光信噪比

19、（OSNR）比較低，一般的SDH對這種噪聲比較敏感。在發(fā)端收端都使用了OTU的應(yīng)用形式，我們稱之為“開放式應(yīng)用”；有些SDH設(shè)備（或路由器等）輸出光口提供G.692信號，這個時候沒有必要再加上OTU，這種應(yīng)用形式我們稱之為“集成式應(yīng)用”；在EDFA使用個數(shù)不多，信噪比下降不是太厲害的情況下，發(fā)端使用了OTU，收端不需要OTU，這種使用形式我們稱之為“半開放式應(yīng)用”。開放式系統(tǒng)的突出特點是橫向兼容型性好，缺點是較大幅度地增加了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的成本。不過網(wǎng)絡(luò)運營商一般還是更傾向于采用開放式的DWDM系統(tǒng)，因為開放式應(yīng)用能夠做到SDH與DWDM這兩個不同網(wǎng)絡(luò)層次設(shè)備在網(wǎng)管系統(tǒng)上徹底分開。（注：OTU需要納入到波分系統(tǒng)的網(wǎng)管系統(tǒng)中管理）。第六節(jié) DWDM網(wǎng)絡(luò)單元按照在網(wǎng)絡(luò)中的作用，并參照SDH網(wǎng)絡(luò)單元的概念，DWDM系統(tǒng)網(wǎng)元可以分為OTM、OADM、OLA和REG等多種。其邏輯功能圖如下：圖七OTM設(shè)備把將SDH等業(yè)務(wù)信號通過合波單元插入到DWDM的線路上去，同時經(jīng)過分波單元從DWDM線路上分下來；OADM和OTM的差別是在線路上還有通道的穿通；需要說明的是，因為價格和集成度因素，OTM和OADM在目前一般都還只能