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频分复用光纤通信系统

       一件事实,除非亲眼目睹,我决不能认为自己已经掌握。—法拉第(M.Faraday)

一、频分复用光纤传输系统

       为了充分利用光纤带宽,人们首先采用电频分复用或电时分复用对多路信号进行复用,然后再去调制光载波。
       图9.2.1为电频分复用的原理图。本质上,频分复用是在频率上把基带带宽分别为(Δf)1、(Δf)2、…、(Δf)N的多个信息通道,分别调制到不同的载波上,然后再“堆积”在一起,以便形成一路合成的电信号,然后用这路合成信号以某种调制方式去调制光载波。经光纤信道传输后,在接收端对光信号进行解调,再进一步借助带通滤波器与各信道的频率选择器(电相干检测),将各基带信息分离和重现出来,所以它是一种副载波复用技术。
电频分复用光纤传输系统
图9.2.1电频分复用光纤传输系统原理图
       而光频分复用解调,是用光纤法布里-珀罗滤波器或者采用相干检测技术,首先把各个光载波分离和重现出来,然后用带通滤波器和各信道的频率选择器,把基带信号分离和重现出来。
       FDM与TDM也不同,FDM是将各路信号的频谱分别搬移到互不重叠的频谱上,而TDM是在时域上采用交错排列多路低速模拟或数字信道到一个高速信道上。因此,信道传输FDM信号时,各路信号尽管在时间上重叠,但其频谱是不交错的。
       对于电频分复用,各路信号首先通过低通滤波器限定最高基带频率,然后再通过各自的调制器,将信号上变频到各自的载波信道上,载波信道带宽分别为(Δf)c1、(Δf)c2、…、(Δf)cN。调制器同时也滤掉不需要的边带信号和各种交叉调制信号。各路的电路形式是一样的,但使用的载频f1、f2、…、fN各不相同,以便实现频率分割,借助一个相加器(即频分复用器)形成复用信号,经电/光转换成光信号,进入光纤传输。
       多路复用信号经长距离传输后,进入接收端。在这里,复用信号经光/电转换放大后,经过频率分配器(作用与FDM相反)分配到各自的解调信道。解调信道采用电相干检测,类似于外差收音机的选频器,把基带信号解调恢复出来。应注意的是,各解调器的本地载波要与发送载波同步。与时分复用比较,不同点仅仅在于:在TDM中发送同步(时钟)脉冲,已确保发送两端的路序在时间上一一对应;而在FDM中,则要求在发送端和接收端各路载波在频率及相位上相同。
       假如调制器的作用仅仅起上变频的作用,则传输的载波信道带宽(Δf)cN大致与基带信道带宽(Δf)N相同。在一些系统中,合成器可能起着调幅和调频或调相器的双重作用。此时,(Δf)cN>(Δf)N,这与调制参数有关。
       FDM技术的典型应用就是光纤/电缆混合网络(HFC)和4G、5G移动通信网络采用的正交频分复用,它把多个频道的模拟信号用FDM/OFDM技术复用在一起,以广播的形式传送到千家万户。

二、 光纤/电缆混合网络——典型的FDM光纤通信系统

        前面介绍了频分复用光纤传输系统,现介绍它的典型应用——光纤/电缆混合网络。这种网络在信源前端到小区使用光缆传输,小区到用户使用同轴电缆传输,如图9.2.2所示。它是一种典型的频分复用光纤通信系统,主要任务是把多频道模拟视频信号以FDM技术复用在一起,通过光纤和电缆以广播的形式传送到千家万户,逐渐从单向发送模拟视频信号向双向发送数字信号演进。它是三网融合的平台之一。
1. HFC网络的结构和功能
       HFC系统一般可分为前端、干线和分支三个部分,如图9.2.2所示。前端部分包括电视接收天线、卫星电视接收设备、甚高频-超高频(VHF-UHF)变换器和自办节目设备等部件。
       在设计HFC系统时,把一个城市或地区划分为若干个小区,每个小区设一个光节点,每个光节点可向几千个用户提供服务。从前端经一条(或多条)光纤直接传送已调制光信号到每个光节点,或者通过无源光网络(PON)将光信号分配到各个光节点。在节点处,光信号经光探测器转换为射频信号,再经同轴电缆和3~4级小型放大器分配信号到用户。级联的放大器最多不超过5级。无论是长距离还是短距离,光路的衰减都设计为10~12dB,所以HFC每条光路和光节点后边的支线指标都相同,TV信号在光路的失真甚微,支线上的放大器级联数很少,因而由此造成的噪声、频响不平坦和非线性失真积累也较少,因此HFC网络与同轴电缆网络相比,性能指标要高得多。
光缆/电缆混合有线电视网络结构
图9.2.2   光缆/电缆混合有线电视网络结构
       与当今大多数数字光纤通信系统不同,HFC系统是一种模拟传输系统。如果要传输的信号是数字信号,则用QAM调制或QPSK调制将数字信号转变为模拟信号,再以频分复用(FDM)的方式与模拟信号混合在一起,然后去调制激光器,经干线光纤和支线同轴电缆传输后,在接收端进行解调,恢复为原来的信号。HFC网络所提供的业务,除电话、模拟广播电视信号外,还可逐步开展窄带ISDN业务、高速数据通信业务、会议电视、数字视频点播和各种数据信息业务。这种方式既能提供宽带业务所需的带宽,又能降低建设网络的开支。
2. HFC网络的频谱安排
       HFC采用副载波频分复用方式,将各种图像、数据和声音信号通过调制/解调器调制在高频载波上,如是模拟电视信号,则每个载波的带宽为8MHz(中国),多个载波经FDM复用后同时在传输线路上传输,如图9.2.3所示。合理的频谱安排十分重要,既要照顾到历史和现状,又要考虑到未来的发展,但目前还没有统一的标准。通常,低频段的
5~65MHz安排给上行信道,即回传信道,主要用于传电话信号、状态监视信号和视频点播(VoD)信令。85~700MHz频段为下行信道,其中85~290MHz用来传输现有的模拟共用天线(电缆)电视(CATV)信号,每一路的带宽为8MHz,约可传输25个频道的节目((290-85)/8≈25)。290~700MHz频段用来传输数字电视节目。如数字电视信号采用64QAM调制,调制效率为4.5bit/s/Hz,利用MPEG-2压缩编码,每信道速率为4Mbit/s,因此每个8MHz模拟CATV信道可传输的数字信道数为8×4.5/4=9,则290~700MHz频段传输的数字电视节目数为(700-290)÷8×9≈561。
典型的HFC频谱安排图
图9.2.3典型的HFC频谱安排图
         高端的700 ~1000MHz频段可用于传输各种双向通信业务,如VoD等。
3. HFC网络的调制和复用
       大多数光纤通信系统是数字系统,但是用于电视分配系统的HFC例外,它是模拟系统。现有的HFC网络,对于短距离传输,使用残留边带幅度调制(VSB-AM)频分复用技术;对于长距离传输,使用副载波调频(SCM-FM)技术。对于数字视频信号,可以将数字视频基带信号进行QPSK或QAM载波调制变成模拟信号,分别用不同的副载波载运,再使用FDM或SCM复用技术复用在一起,如图9.2.4所示。
      经FDM或SCM复用后的射频信号或微波信号再对激光器进行直接强度(IM)调制,如果半导体激光器线性特性好,输入电信号就可以变成不失真的输出光信号,经光纤传输后在接收端采用直接检测(DD)变成电信号,然后再解调还原成原基带信号。所以这种系统称为光强度调制/直接检测(IM/DD)系统。
       用于HFC网络的光发射机,采用直接强度调制,使用工作波长为1310nm或1550nm的激光器,其输出光功率为6~12dBm。为了消除直接强度调制光发射机的啁啾效应,也有使用铌酸锂外调制器的光发射机,如果同时使用失真补偿技术、偏置控制技术、受激布里渊散射(SBS)抑制技术及系统优化控制技术,还可以提高整机的技术指标。举例来说,有一种光发射机,工作波长为1550nm,使用线性好、噪声低的DFB激光器,激光输出分双口和单口,由用户选择,尾纤输出光功率为2×7dBm,LD光调制深度可选自动增益控制/人工增益控制。光反射损耗大于60dB,可用SC/APC或E-2000单模光纤连接器与外接光纤相连。射频指标为:频率范围为45~862MHz,可容纳60个频道,频响平坦度≤±0.75dB,载噪比CNR≥52dB,非线性失真组合二阶互调≤-65dB,组合三阶差拍≤-65dB,阻抗75Ω。该光发射机内置自动温度控制电路和自动光功率控制电路,使DFB激光器稳定在25℃或最佳的输出功率状态。
HFC系统的构成
图9.2.4HFC系统的构成
      为了提供双向数据通信和支持电话业务,必须增加电缆调制解调器(CableModem,CM)。CM是一种可以通过有线电视网络进行高速数据接入的装置。它一般有两个接口,一个用来连接室内墙上的有线电视端口,另一个与电视机/计算机相连,以便将数据终端设备(电视机/计算机)连接到有线电视网来进行数据通信和Internet访问。CM不仅有将数字信号调制到射频上的调制功能和将射频信号携带的数字信号解调出来的解调功能,而且还有电视接收调谐、加密/解密和协议适配等功能。它还可能是一个桥接器、路由器、网络控制器或集线器。CM把上行数字信号转换成类似电视信号的模拟射频信号,以便在有线电视网上传送;而把下行射频模拟信号转换为数字信号,以便电视机/计算机处理。
       CM可分为外置式、内置式和交互式机顶盒。外置CM的外形像小盒子,通过网卡连接电视机/计算机,所以连接CM前需要给电视机/计算机添置一块网卡,可以支持局域网上的多台电视机/计算机同时上网。CM支持大多操作系统和硬件平台。
       内置CM是一块PCI插卡,这是最便宜的解决方案,不过只能在台式计算机上使用,在笔记本电脑无法使用。
       交互式机顶盒(STB)是CM的一种应用,它通过使用数字电视编码技术,为交互式机顶盒提供一个回路,使用户可以直接在电视屏幕上访问网络,收发E-Mail等。
        使用DFB激光器,结合使用外调制器和掺铒光纤放大器,可扩展传输距离。通过较为复杂的预失真和降噪技术也可以提高系统性能。基于上述因素,线性光波系统足以把80路模拟视频外加1路宽带数字射频(RF)信号传输60km以上,其性能接近理论极限。

三、 微波副载波(SCM)光纤传输系统——射频信号光纤传输(RoF)

1. 微波副载波(SCM)光纤传输系统
       在9.2.2节介绍的FDM系统中,如果载波使用频率较高的微波,则就是微波副载波复用。SCM是一种结合现有微波和光通信技术的通信系统。众所周知,微波通信是使用多个微波载波经同轴电缆或自由空间传输多个信道(电频分复用)的技术。但是同轴电缆的频带有限,在SCM的基础上再使用波分复用(使用多个光载波)还可以达到更大的带宽。因为信号是用光波传输的,微波载波对光载波而言只起副载波的作用,所以这种技术就称为微波副载波复用。
       在图9.2.5所示的SCM纤传输系统中,首先,各路基带信号(数字信号或模拟信号)对各自微波频率振荡器的输出信号进行调制,经调制后的各路输出信号被送入一个微波带通滤波器和功率放大器,该带通滤波器调谐在各个副载波频率上,经功率放大后混合在一起共同调制光发射机中的激光器(LD)。所以光纤传输的是携带这些副载波调制信号的光波。
VSB-AM调制多信道SCM光纤传输系统
图9.2.5VSB-AM调制多信道SCM光纤传输系统
       接收端经光/电变换和低噪声放大后与微波本振进行混频,利用一个可调谐微波本振器可以选出所需要的副载波,由混频产生的变频信号再经与发送端对应的解调滤波处理,即可获得基带信号。图中除了电/光转换、光/电转换和光纤传输以外,其他部分与普通微波通信系统无异。
2. 射频信号光纤传输
       全球微波接入互操作(WiMAX)是一项基于IEEE802.16e标准的宽带无线接入城域网技术,为了降低WiMAX和其他无线网络的开发和维护费用,同时提供功耗低和带宽大的性能,人们提出了射频信号光纤传输(RoF)无线通信系统的建议。为了利用光纤低损宽带的优点,人们就用光纤给用户分配射频信号。微波副载波调制光纤传输系统就是一种RoF系统。为了增加用户数据速率,使现在的无线通信系统在常规的射频频段上工作,毫米波段(频率更高的微波)RoF系统受到人们的极大关注。若用DWDM技术,还可以同时将模拟RoF信号和数字信号传输到每个家庭。
       在RoF系统中,信号可能由于模式色散(使用多模光纤时)或色度色散(使用单模光纤时)、基站信号分量缺失和多径无线衰落而产生失真。但是,只要循环前缀的时长大于多径传输和色散引起的传输时延,这些失真就可以避免,RoF系统的性能就不会受到影响。
       RoF系统的应用范围很广,几种可能的应用是:
       1) 在现在的移动通信系统中,用于连接中心站和基站。
       2) 在WiMAX系统中,用于连接WiMAX基站和远端的天线单元,可扩展WiMAX的覆盖范围,提高其可靠性。
       3) 在光纤混合网络和光纤到家(FTTH)的应用中,使用RoF系统可降低室内系统的安装和维护费用。

四、 正交频分复用(DFDM)光纤传输系统——4G、5G移动通信基础

      4G、5G移动通信采用的正交频分复用(OFDM)是频分复用的一种特殊形式,OFDM技术利用了各个载波信号之间频域的正交特性和时域的重叠特性,如图9.2.6所示,在每个载波信号频谱的最大处,所有其他载波信号的频谱值正好为零。利用这一特性,使用离散傅里叶变换(DFT)
频分复用光纤通信系统(图6)
图9.2.6OFDM信号频域图和时域图的对应关系
a)OFDM信号频域图(各载波频域相互正交)X(f)b)与频域图相对应的OFDM信号时域图x(t)
可以估算时域信号x(t)的频谱信号X(f)。OFDM使各个载波的频谱最大点正好落在这些具有正交性的点上,因此就不会有其他载波的干扰。所以,可以从多个在频域相互正交而时域相互重叠的多个载波信道中,提取每个载波的信号,而不会受到其他载波的干扰。图9.2.6b表示与OFDM载波信号频域图对应的时域图,在0~T内加窗的正弦波形信号时域图x(t),经离散傅里叶变换后的频域图X(f)就是图9.2.6b。反之,图9.2.6a的频域图X(f)经离散傅里叶逆变换(IDFT)后,就是图9.2.6b的时域图x(t)。定义离散傅里叶逆变换(IDFT)为
频分复用光纤通信系统(图7)
用它可以估算时域信号x(t)的频谱信号X(f)。由式(9.2.1)和式(9.2.2)可知,频域信号X(f)可表示为(N-1)个时域分量X(t)之和;反之,时域信号x(t)也可以表示为(N-1)个频域信号X(f)之和。
       在RoF系统中,用光纤将正交频分复用射频信号从中心站传送到远端基站,基站将光信号转变成OFDM射频信号,然后用天线广播发送到终端用户,如图9.2.7所示。
OFDM在射频信号光纤传输(RoF)无线通信网络中的应用
图9.2.7OFDM在射频信号光纤传输(RoF)无线通信网络中的应用
       4G和5G移动通信网络使用的正交频分复用由于有较高的频谱利用率和抗多径干扰的能力,已广泛应用于无线、有线和广播通信中,已被多个标准化组织所采纳。中国三大基础电信运营商在全国范围内的5G试验频率为2515~4900MHz。
       OFDM是FDM的一种,它与传统的频分复用原理基本类似,即把高速的串行数据流通过串/并变换,分割成低速的并行数据流,通过QAM、QPSK等调制转变为模拟信号,分别调制若干个载波频率子信道,实现并行传输。所不同的是,OFDM对载波的调制和解调是分别基于离散傅里叶逆变换(IDFT)和离散傅里叶变换(DFT)来实现的。
        数学分析表明,如果在发送端对每路数据信号进行QPSK、QAM符号映射,成为N路并行的数据信号,该星座图信号正好满足离散傅里叶逆变换所需要的信号波形。然后,对其进行离散傅里叶逆变换,将频域信号X(f)变为时域信号x(t),经并/串转换后,用数模转换器(DAC)将结果转换成模拟时域信号,然后用马赫-曾德尔(M-Z)调制器转变为携带
频分复用光纤通信系统(图9)
的OFDM光信号,经光纤信道发送到接收端,如图9.2.8a所示。OFDM光发射机主要包含IDFT的基带处理电路和含I/Q调制器的电/光转换电路。
频分复用光纤通信系统(图10)
图9.2.8正交频分复用(OFDM)光纤传输系统
a)用离散傅里叶逆变换(IDFT)实现OFDM发射b)用离散傅里叶变换(DFT)实现OFDM接收
       在OFDM光接收端,从接收到的OFDM光信号恢复串行数据的步骤与发射端的正好相反,首先对接收到的光信号进行光/电转换,产生同向(I)和正交(Q)信号,进行模数转换和串/并转换,然后,进行离散傅里叶变换(DFT),将时域信号x(t)变为频域数据信号X(f),经解映射和并/串转换后,则可以不失真地恢复出发送端的原始信号,如图9.2.8b所示。这样,就可以用IDFT和DFT实现OFDM光信号的调制和解调。基带信号处理可以使用DSP来实现。
        在OFDM收/发机中,还需要低通滤波器,使复包络g(t)=x(t)+jy(t)的同相(I)分量和正交(Q)分量经低通滤波后产生等效的带通中频滤波分量,从而用来计算复包络的幅度和相位。通常,滤波器均采用升余弦滚降滤波特性。
使用DSP技术几乎不可能制造出工作速率足够快、能处理载频GHz的宽带已调信号ADC/DSP硬件。但是,根据带通信号的抽样定理,抽样速率与绝对频率(如6GHz)无关,而只依赖于信号的带宽,这些复包络信号的产生和接收可以用正交技术光发送机和相干检测光接收机实现,如图9.2.8所示。