光纤通信第二版 刘增基第5章

1、第5章数字光纤通信系统 第5章数字光纤通信系统 5.1两种传输体制 5.2系统的性能指标 5.3系统的设计 第5章数字光纤通信系统 5.1两种传输体制两种传输体制 光纤大容量数字传输目前都采用同步时分复用(TDM)技 术，复用又分为若干等级，因而先后有两种传输体制： 准 同步数字系列(PDH)和同步数字系列(SDH)。PDH早在1976 年就实现了标准化，目前还大量使用。随着光纤通信技术和 网络的发展，PDH遇到了许多困难。在技术迅速发展的推动 下，美国提出了同步光纤网(SONET)。1988年，ITU-T(原 CCITT)参照SONET的概念，提出了被称为同步数字系列 (SDH)的规范建议。

2、SDH解决了PDH存在的问题，是一种比 较完善的传输体制，现已得到大量应用。这种传输体制不仅 适用于光纤信道，也适用于微波和卫星干线传输。 第5章数字光纤通信系统 5.1.1准同步数字系列准同步数字系列PDH 准同步数字系列有两种基础速率： 一种是以1.544 Mb/s 为第一级(一次群，或称基群)基础速率的，采用的国家有北 美各国和日本； 另一种是以2.048 Mb/s为第一级(一次群)基 础速率的，采用的国家有西欧各国和中国。表5.1是世界各 国商用数字光纤通信系统的PDH传输体制，表中示出两种基 础速率各次群的速率、话路数及其关系。对于以2.048 Mb/s 为基础速率的制式，各次群的话

3、路数按4倍递增，速率的关 系略大于4倍，这是因为复接时插入了一些相关的比特。对 于以1.544 Mb/s为基础速率的制式，在3次群以上，日本和 北美各国又不相同，看起来很杂乱。 第5章数字光纤通信系统 第5章数字光纤通信系统 PDH各次群比特率相对于其标准值有一个规定的容差， 而且是异源的，通常采用正码速调整方法实现准同步复用。 一次群至四次群接口比特率早在1976年就实现了标准化，并 得到各国广泛采用。PDH主要适用于中、低速率点对点的传 输。随着技术的进步和社会对信息的需求，数字系统传输容 量不断提高，网络管理和控制的要求日益重要，宽带综合业 务数字网和计算机网络迅速发展，迫切需要建立在世

4、界范围 内统一的通信网络。在这种形势下，现有PDH的许多缺点也 逐渐暴露出来，主要有： 第5章数字光纤通信系统 (1) 北美、西欧和亚洲所采用的三种数字系列互不兼容， 没有世界统一的标准光接口，使得国际电信网的建立及网络 的营运、管理和维护变得十分复杂和困难。 (2) 各种复用系列都有其相应的帧结构，没有足够的开 销比特，使网络设计缺乏灵活性，不能适应电信网络不断扩 大、技术不断更新的要求。 (3) 由于低速率信号插入到高速率信号，或从高速率信 号分出，都必须逐级进行，不能直接分插，因而复接/分接 设备结构复杂，上下话路价格昂贵。 第5章数字光纤通信系统 5.1.2同步数字系列同步数字系列SD

5、H 1. SDH传输网传输网 SDH不仅适合于点对点传输，而且适合于多点之间的网络 传输。图5.1示出SDH传输网的拓扑结构，它由SDH终接设备(或 称SDH终端复用器TM)、分插复用设备ADM、数字交叉连接设 备DXC等网络单元以及连接它们的(光纤)物理链路构成。SDH 终端的主要功能是复接/分接和提供业务适配，例如将多路E1信 号复接成STM-1信号及完成其逆过程，或者实现与非SDH网络 业务的适配。ADM是一种特殊的复用器，它利用分接功能将输 入信号所承载的信息分成两部分： 一部分直接转发，另一部分 卸下给本地用户。然后信息又通过复接功能将转发部分和本地 上送的部分合成输出。DXC类似于

6、交换机，它一般有多个输入 和多个输出，通过适当配置可提供不同的端到端连接。 第5章数字光纤通信系统 图 5.1SDH传输网的典型拓扑结构 第5章数字光纤通信系统 上述TM、ADM和DXC的功能框图分别如图5.2(a)、(b)、 (c)所示。通过DXC的交叉连接作用，在SDH传输网内可提 供许多条传输通道，每条通道都有相似的结构，其连接模型 如图5.3(a)所示，相应的分层结构如图5.3(b)所示。每个通道 (Path)由一个或多个复接段(Line)构成，而每一复接段又由若 干个再生段(Section)串接而成。 第5章数字光纤通信系统 图5.2SDH传输网络单元 终端复用器TM； (b) 分插

7、复用设备ADM(add/drop Multiplexer); (a) (c) 数字交叉连接设备DXC 第5章数字光纤通信系统 图 5.3传输通道的结构 (a) 传输通道连接模型； (b) 分层结构 第5章数字光纤通信系统 与PDH相比，SDH具有下列特点： (1) SDH采用世界上统一的标准传输速率等级。最低的 等级也就是最基本的模块称为STM-1，传输速率为155.520 Mb/s； 4个STM-1同步复接组成STM-4，传输速率为 4155.52 Mb/s=622.080 Mb/s； 16个STM-1组成STM-16, 传 输速率为2488.320 Mb/s，以此类推。一般为STM-N，N

8、=1， 4，16，64。由于速率等级采用统一标准，SDH就具有统 一的网络结点接口，并可以承载现有的PDH(如E1、E3)和各 种新的数字信号(如以太网帧、ATM信元、IP分组等)，有利 于不同通信系统的互连。 第5章数字光纤通信系统 (2) SDH各网络单元的光接口有严格的标准规范。因此， 光接口成为开放型接口，任何网络单元在光纤线路上可以互 连，不同厂家的产品可以互通，这有利于建立世界统一的通 信网络。另一方面，标准的光接口综合进各种不同的网络单 元，简化了硬件，降低了网络成本。有关光接口标准请参看 本书附录A。 (3) 在SDH帧结构中，有丰富的开销比特，可用于网络 的运行、维护和管理，

9、便于实现性能监测、故障检测和定位、 故障报告等管理功能。(在后续章节将进行介绍。) 第5章数字光纤通信系统 (4) 采用数字同步复用技术，其最小的复用单位为字节 (八比特组)，不必进行码速调整，简化了复接分接的实现设 备，由低速信号复接成高速信号，或从高速信号分出低速信 号，不必逐级进行。 图 5.4 示出PDH和SDH分插信号流程的比较。在PDH中， 为了从140 Mb/s码流中分出一个2 Mb/s的支路信号，必须经 过140/34 Mb/s, 34/8 Mb/s和8/2 Mb/s三次分接。而若采用 SDH分插复用器(ADM)，可以利用软件一次直接分出和插入 2 Mb/s支路信号，十分简便。

10、 第5章数字光纤通信系统 图 5.4分插信号流程的比较 第5章数字光纤通信系统 (5) 采用数字交叉连接设备DXC可以对各种端口速率进 行可控的连接配置，对网络资源进行自动化的调度和管理， 既提高了资源利用率，又增强了网络的抗毁性和可靠性。 SDH采用了DXC后，大大提高了组网的灵活性及对各种业 务量变化的适应能力，使现代通信网络提高到一个崭新的水 平。 第5章数字光纤通信系统 2. SDH帧结构帧结构 SDH帧结构是实现数字同步时分复用、保证网络可靠有 效运行的关键。图 5.5 给出SDH帧的一般结构。一个STM-N 帧有9行，每行由270N个字节组成。这样每帧共有 9270N个字节，每字节

11、为8 bit。帧周期为125 s，即每 秒传输8000帧。对于STM-1 而言，传输速率为 927088000=155.520 Mb/s。字节发送顺序为： 由上往 下逐行发送，每行先左后右。 第5章数字光纤通信系统 图 5.5SDH帧的一般结构 第5章数字光纤通信系统 SDH帧大体可分为三个部分： (1) 段开销(SOH)。段开销是在SDH帧中为保证信息正 常传输所必需的附加字节(每字节相当于64 kb/s的传输容量)， 主要用于运行、维护和管理，如帧定位、误码检测、公务通 信、动保护倒换以及网管信息传输。对于STM1 而言， SOH共使用98(第4行除外)=72 Byte，相应于576 bi

12、t。由于 每秒传输8000帧，所以SOH的容量为5768000=4.608 Mb/s。 根据图5.3(a)的传输通道连接模型，段开销又细分为再 生段开销(SOH)和复接段开销(LOH)。前者占前3行，后者占 59行。 第5章数字光纤通信系统 (2) 信息载荷(Payload)。信息载荷域是SDH帧内用于承 载各种业务信息的部分。对于STM-1而言，Payload有 9261=2349 Byte, 相应于234988000=150.336 Mb/s的容 量。 在Payload中包含少量字节用于通道的运行、维护和管 理，这些字节称为通道开销(POH)。 第5章数字光纤通信系统 (3) 管理单元指针

13、(AU-PTR)。管理单元指针是一种指示 符，主要用于指示Payload第一个字节在帧内的准确位置(相 对于指针位置的偏移量)。对于STM-1而言，AU-PTR有9个 字节(第4行)，相应于988000=0.576 Mb/s。 采用指针技术是SDH的创新，结合虚容器(VC)的概念， 解决了低速信号复接成高速信号时，由于小的频率误差所造 成的载荷相对位置漂移的问题。 第5章数字光纤通信系统 3. 复用原理复用原理 将低速支路信号复接为高速信号，通常有两种传统方法： 正码速调整法和固定位置映射法。正码速调整法的优点是容 许被复接的支路信号有较大的频率误差； 缺点是复接与分 接相当困难。固定位置映射

14、法是让低速支路信号在高速信号 帧中占用固定的位置。这种方法的优点是复接和分接容易实 现，但由于低速信号可能是属于PDH的或由于SDH网络的故 障，低速信号与高速信号的相对相位不可能对准，并会随时 间而变化。SDH采用载荷指针技术，结合了上述两种方法的 优点，付出的代价是要对指针进行处理。超大规模集成电路 的发展，为实现指针技术创造了条件。 第5章数字光纤通信系统 图 5.6 示出载荷包络与STM-1帧的一般关系与指针所起 的作用。通过指针的值，接收端就可以确定载荷的起始位置。 第5章数字光纤通信系统 图 5.6载荷包络与SDH帧的一般关系 第5章数字光纤通信系统 ITU-T规定了SDH的一般复

15、用映射结构。所谓映射结构， 是指把支路信号适配装入虚容器的过程，其实质是使支路信号 与传送的载荷同步。这种结构可以把目前PDH的绝大多数标准 速率信号装入SDH帧。图5.7示出SDH一般复用映射结构，图中 C-n是标准容器，用来装载现有PDH的各支路信号，即C-11、 C-12、C-2、C-3和C-4分别装载1.5 Mb/s、2 Mb/s、6 Mb/s、34 Mb/s、45 Mb/s和140 Mb/s的支路信号，并完成速率适配处理的 功能。在标准容器的基础上，加入少量通道开销(POH)字节， 即组成相应的虚容器VC。VC的包络与网络同步，但其内部则 可装载各种不同容量和不同格式的支路信号。所以

16、引入虚容器 的概念，使得不必了解支路信号的内容，便可以对装载不同支 路信号的VC进行同步复用、交叉连接和交换处理，实现大容 量传输。 第5章数字光纤通信系统 图 5.7SDH的一般复用映射结构 第5章数字光纤通信系统 由于在传输过程中，不能绝对保证所有虚容器的起始相 位始终都能同步，所以要在VC 的前面加上管理单元指针 (AU-PTR)，以进行定位校准。加入指针后组成的信息单元 结构分为管理单元(AU)和支路单元(TU)。AU由高阶VC(如 VC-4)加AU指针组成，TU由低阶VC加TU指针组成。TU经 均匀字节间插后，组成支路单元组(TUG)，然后组成AU-3或 AU-4。3个AU-3或1个

17、AU-4组成管理单元组(AUG)，加上段 开销SOH，便组成STM-1同步传输信号；N个STM-1信号按 字节同步复接，便组成STM-N。 第5章数字光纤通信系统 4. 数字交叉连接设备数字交叉连接设备 数字交叉连接设备(DXC)相当于一种自动的数字电路配 线架。图5.2 表示的是SDH的DXC(也适合于PDH)，其核心 部分是可控的交叉连接开关(空分或时分)矩阵。参与交叉连 接的基本电路速率可以等于或低于端口速率，它取决于信道 容量分配的基本单位。一般每个输入信号被分接为m个并行 支路信号，然后通过时分(或空分)交换网络，按照预先存放 的交叉连接图或动态计算的交叉连接图对这些电路进行重新 编

18、排，最后将重新编排后的信号复接成高速信号输出。 第5章数字光纤通信系统 通常用DXC X/Y来表示一个DXC的配置类型，其中第一 个数字X表示输入端口速率的最高等级，第二个数字Y表示 参与交叉连接的最低速率等级。数字0表示64 kb/s电路速率； 数字1、2、3、4 分别表示PDH的1至 4 次群的速率，其中 4 也代表SDH 的STM-1 等级；数字 5 和 6 分别代表SDH的 STM-4 和STM-16等级。例如，DXC 1/0 表示输入端口的最 高速率为一次群信号的速率(E1: 2.048 Mb/s), 而交叉连接的 基本速率为64 kb/s; DXC 4/1 表示输入端口的最高速率为

19、 155.52 Mb/s(对于SDH)或140 Mb/s(对于PDH)，而交叉连接 的基本速率为2.048 Mb/s。目前应用最广泛的是DXC 1/0、 DXC 4/1和DXC 4/4。 第5章数字光纤通信系统 交叉连接设备与交换机的区别有： (1) DXC 的输入输出不是单个用户话路，而是由许多话 路组成的群路； (2) 两者都能提供动态的通道连接，但连接变动的时间 尺度是不同的。前者按大量用户的集合业务量的变化及网络 的故障状况来改变连接，由网管系统配置；后者按照用户的 呼叫请求来建立或改变连接，由信令系统实现呼叫连接控制。 第5章数字光纤通信系统 DXC在干线传输网中的主要用途是实现自动

20、化的网络 配置。主要功能有： 分离本地交换业务和非本地交换业务， 为非本地交换业务迅速提供可用路由； 为临时性重要事件 (如运动会、发生地震等)迅速提供通信电路； 当网络发生故 障(如某些干线中断)时，能迅速提供网络的重新配置； 根据 业务流量的季节变化使网络配置最佳化； 当网络中混合使 用PDH和SDH时，可作为PDH与SDH的网关。 5. SDH的应用的应用 SDH可用于点对点传输(图5.8)、链形网(图5.9)和环形网 (图5.10)。 第5章数字光纤通信系统 图 5.8SDH用于点对点传输 第5章数字光纤通信系统 图 5.9SDH链形网 第5章数字光纤通信系统 图 5.10SDH环形网

21、(双环) 第5章数字光纤通信系统 SDH环形网的一个突出优点是具有“自愈”能力。当某 节点发生故障或光缆中断时，仍能维持一定的通信能力。所 以，SDH环网目前得到广泛的应用。 当然，SDH通过ADM和DXC等网络单元可以构成更为 复杂的网形网(如图 5.1 所示)。这种SDH网络的主要特点是 端到端之间存在一条以上的路径，可同时构成一条以上的传 输通道，通过DXC的灵活配置，使网络具有更好的抗毁性 和更高的可靠性。 第5章数字光纤通信系统 5.2系统的性能指标系统的性能指标 5.2.1参考模型参考模型 为进行系统性能研究，ITU-T(原CCITT)建议中提出了 一个数字传输参考模型，称为假设参

22、考连接(HRX)，见图 5.11。最长的HRX是根据数字网的性能要求和64 kb/s信号的 全数字连接来考虑的。假设在两个用户之间的通信可能要经 过全部线路和各种串联设备组成的数字网，而且任何参数的 总性能逐级分配后应符合用户的要求。 第5章数字光纤通信系统 如图 5.11 所示，最长的标准数字HRX为27 500 km, 它 由各级交换中心和许多假设参考数字链路(HRDL)组成。标 准数字HRX 的总性能指标按比例分配给HRDL，使系统设 计大大简化。建议的HRDL长度为2500 km, 但由于各国国土 面积不同，采用的HRDL长度也不同。例如我国采用5000 km，美国和加拿大采用6400

23、 km，而日本采用2500 km。 HRDL由许多假设参考数字段(HRDS)组成(见图5-12所示)， 在建议中用于长途传输的HRDS长度为280 km, 用于市话中 继的HRDS长度为50 km。我国用于长途传输的HRDS长度为 420 km(一级干线)和280 km(二级干线)两种。 第5章数字光纤通信系统 图 5.11标准数字假设参考连接HRX 第5章数字光纤通信系统 图 5.12假设参考数字段HRDS 第5章数字光纤通信系统 5.2.2系统的主要性能指标系统的主要性能指标 1. 误码率误码率(BER) 误码率是衡量数字光纤通信系统传输质量优劣的非常重 要的指标，它反映了在数字传输过程中

24、信息受到损害的程度。 BER是在一个传输的二进制码流中出现误码的概率(通过长 时间平均求得)，它对话音影响的程度取决于编码方法。对 于PCM而言，误码率对话音的影响程度如表 5.2 所示。 第5章数字光纤通信系统 第5章数字光纤通信系统 由于误码率随时间变化，用长时间内的平均误码率来衡量 系统性能的优劣，显然不够准确。在实际监测和评定中，应采 用误码时间百分数和误码秒百分数的方法。如图 5.13 所示，规 定一个较长的监测时间TL，例如几天或一个月，并把这个时间 分为“可用时间”和“不可用时间”。在连续10 s时间内， BER劣于1103，为“不可用时间”，或称系统处于故障状态； 故障排除后，

25、在连续10 s时间内，BER优于1103，为“可用 时间”。对于64 kb/s的数字信号，BER=1103，相应于每秒 平均有64个比特发生错误。同时，规定一个较短的取样时间T0 和误码率门限值BERth，统计BER劣于BERth的时间，并用劣化 时间占可用时间的百分数来衡量系统误码性能的指标。 第5章数字光纤通信系统 图 5.13误码率随时间的变化 第5章数字光纤通信系统 对于目前的电话业务，传输一路PCM电话的速率为 64 kb/s。研究分析表明，合适的误码率参数和假设参考连接 HRX的误码率指标如表 5.3 所示。 第5章数字光纤通信系统 第5章数字光纤通信系统 劣化分(DM)误码率为1

26、106时，感觉不到干扰的影 响， 选为BERth。每次通话时间平均35 min, 选择取样时间 T0为 1 min是合适的。监测时间以较长为好，选择TL为1个月。 定义误码率劣于 1106的分钟数为劣化分(DM)。HRX指 标要求劣化分占可用分(可用时间减去严重误码秒累积的分 钟数)的百分数小于10%。 第5章数字光纤通信系统 严重误码秒(SES)由于某些系统会出现短时间内大误 码率的情况，严重影响通话质量，因此引入严重误码秒这个 参数。选择监测时间TL为1个月，取样时间T0为 1 s。定义误 码率劣于 1103的秒钟数为严重误码秒(SES)。HRX指标 要求严重误码秒占可用秒的百分数小于0.

27、2%。 误码秒(ES)选择监测时间TL为1个月，取样时间T0为 1 s，误码率门限值BERth=0。定义凡是出现误码(即使只有1 bit)的秒数称为误码秒(ES)。HRX指标要求误码秒占可用秒 的百分数小于8%。相应地，不出现任何误码的秒数称为无 误码秒(EFS)，指标要求无误码秒占可用秒的百分数大于 92%。 第5章数字光纤通信系统 表5.3列出的是标准数字假设参考连接HRX(27 500 km) 的误码率总指标。为了设计需要，必须把总指标按不同等级 的电路质量分配到各部分。图5.14示出最长HRX的电路质量 等级划分，图中高级和中级之间没有明显的界限。我国长途 一级干线和长途二级干线都应视

28、为高级电路，长途二级以下 和本地级合并考虑。表 5.4 示出HRX误码率总指标按等级的 分配。 第5章数字光纤通信系统 图 5.14最长HRX的电路质量等级划分 第5章数字光纤通信系统 第5章数字光纤通信系统 表5.5的误码率三项指标监测时间为1个月，在工程验收时 执行存在一定困难，通常采用长期平均误码率来衡量，监测时 间为24 h。假设误码为泊松分布，误码率三项指标都可以换算 为长期平均误码率。根据原CCITT的建议，对于25 000 km高级 电路长期平均误码率BERav至少为1107，按长度比例进行线 性折算，得到每公里BERav=41012/km。所以280 km和420 km数字段的

29、BERav分别为1.12109和1.68109，因此取 1109作为标准。我国长途光缆通信系统进网要求中规定：长 度短于420 km时，按 1109计算； 长度长于420 km时，先按 长度比例进行折算，再按长度累计附加进去。设计值应比实际 要求高 1 个数量级，即短于420 km数字段按BERav=11010设 计，50 km中继段按BERav=11011设计。 第5章数字光纤通信系统 第5章数字光纤通信系统 2. 抖动抖动 抖动是数字信号传输过程中产生的一种瞬时不稳定现象。 抖动的定义是：数字信号在各有效瞬时对标准时间位置的偏 差。偏差时间范围称为抖动幅度(JP-P)，偏差时间间隔对时 间

30、的变化率称为抖动频率(F)。这种偏差包括输入脉冲信号 在某一平均位置左右变化，和提取时钟信号在中心位置左右 变化，见图5.15所示。抖动现象相当于对数字信号进行相位 调制，表现为在稳定的脉冲图样中，前沿和后沿出现某些低 频干扰，其频率一般为02 kHz。抖动单位为UI，表示单位 时隙。当脉冲信号为二电平NRZ时，1 UI等于1 bit信息所占 时间，数值上等于传输速率fb的倒数。 第5章数字光纤通信系统 图 5.15抖动示意图 第5章数字光纤通信系统 产生抖动的原因很多，主要与定时提取电路的质量、输 入信号的状态和输入码流中的连“0”码数目有关。抖动严重 时，使得信号失真、误码率增大。完全消除

31、抖动是困难的 ，因此在实际工程中，需要提出容许最大抖动的指标。 光纤通信系统各次群输入口对抖动容限的要求如表 5.6 所示，全程各次群输出口对抖动容限的要求如表5.7所示， 表中括号内的数值是对数字段的要求。表 5.6 和表5.7各符号 的意义如图 5.16 所示。 第5章数字光纤通信系统 第5章数字光纤通信系统 第5章数字光纤通信系统 图 5.16表5.6和表5.7的图解说明 第5章数字光纤通信系统 5.2.3可靠性可靠性 衡量通信系统质量的优劣除上述性能指标外，可靠性也 是一个重要指标，它直接影响通信系统的使用、维护和经济 效益。对光纤通信系统而言，可靠性包括光端机、中继器、 光缆线路、辅

32、助设备和备用系统的可靠性。 确定可靠性一般采用故障统计分析法，即根据现场实际 调查结果，统计足够长时间内的故障次数，确定每两次故障 的时间间隔和每次故障的修复时间。 第5章数字光纤通信系统 1. 可靠性表示方法可靠性表示方法 (1) 可靠性R和故障率j。可靠性是指在规定的条件和时 间内系统无故障工作的概率，它反映系统完成规定功能的能 力。可靠性R通常用故障率j表示，两者的关系为 R=exp(j t)(5.1) 式中t代表工作时间，故障率j是系统在单位时间内发生故障 (功能失效)的概率。j的单位为109/ h, 称为菲特(fit), 1 fit等 于在109 h内发生一次故障的概率。 第5章数字

33、光纤通信系统 如果通信系统由n个部件组成，且故障率是统计无关的， 则系统的可靠性Rs可表示为 Rs=R1R2Rn=exp( j st) (5.2) 式中, Ri和ji分别为系统第i个部件的可靠性和故障率。 (2) 故障率j和平均故障间隔时间MTBF。两者的关系为 n i is 1 jj MTBF 1 j (5.3) 第5章数字光纤通信系统 (3) 可用率A和失效率PF。可用率A是在规定时间内，系 统处于良好工作状态的概率，它可以表示为 式中MTTR为平均故障修复时间(不可用时间)。 失效率PF可以表示为 %100 MTTRMTBF MTBF %100 总工作时间 可用时间 A (5.4) %1

34、00 MTTRMTBF MTTR %100 F 总工作时间 不可用时间 P(5.5) 第5章数字光纤通信系统 由式(5.4)和式(5.5)得到 PF=(1A) (5.6) 在有备用系统的情况下，失效率为 式中m和n分别为主用系统数和备用系统数，P=MTTR/ MTBF。 (5.7) ) 1( )!1( ! )!( F nP nm nm P 第5章数字光纤通信系统 2. 可靠性指标可靠性指标 根据国家标准的规定，具有主备用系统自动倒换功能的 数字光缆通信系统，容许5000 km双向全程每年4次全阻故 障，对应于420 km和280 km数字段双向全程分别约为每3年 1次和每5年1次全阻故障。市内

35、数字光缆通信系统的假设参 考数字链路长为100 km, 容许双向全程每年4次全阻故障， 对应于50 km数字段双向全程每半年1次全阻故障。此外， 要求LD光源寿命大于10104 h, PIN-FET寿命大于50104 h, APD寿命大于 50104 h。 第5章数字光纤通信系统 根据上述标准，以5000 km为基准，按长度平均分配给 各种数字段长度，相应的全年指标如表5.8所示，假设平均 故障修复时间MTTR=6 h。某些国产设备的可靠性指标列于 表5.9。 第5章数字光纤通信系统 第5章数字光纤通信系统 第5章数字光纤通信系统 5.3系系 统统 的的 设设 计计 对数字光纤通信系统而言，系

36、统设计的主要任务是，根 据用户对传输距离和传输容量(话路数或比特率)及其分布的 要求，按照国家相关的技术标准和当前设备的技术水平，经 过综合考虑和反复计算，选择最佳路由和局站设置、传输体 制和传输速率以及光纤光缆和光端机的基本参数和性能指标， 以使系统的实施达到最佳的性能价格比。 在技术上，系统设计的主要问题是确定中继距离，尤其 对长途光纤通信系统，中继距离设计是否合理，对系统的性 能和经济效益影响很大。 第5章数字光纤通信系统 中继距离的设计有三种方法： 最坏情况法(参数完全已 知)、统计法(所有参数都是统计定义)和半统计法(只有某些 参数是统计定义)。这里我们采用最坏情况设计法，用这种 方

37、法得到的结果，设计的可靠性为100%，但要牺牲可能达 到的最大长度。 中继距离受光纤线路损耗和色散(带宽)的限制，明显随 传输速率的增加而减小。中继距离和传输速率反映着光纤通 信系统的技术水平。 第5章数字光纤通信系统 5.3.1中继距离受损耗的限制中继距离受损耗的限制 图5.17示出了无中继器和中间有一个中继器的数字光纤 线路系统的示意图，图中符号： T, T: 光端机和数字复接分接设备的接口； Tx: 光发射机或中继器发射端； Rx: 光接收机或中继器接收端； C1, C2: 光纤连接器； S: 靠近Tx的连接器C1的接收端； R: 靠近Rx的连接器C2的发射端； S-R: 光纤线路，包括

38、接头。 PDH系统光纤线路设备的实例参看本书附录B。 第5章数字光纤通信系统 图5.17数字光纤线路系统 (a) 无中继器；(b) 一个中继器 第5章数字光纤通信系统 如果系统传输速率较低，光纤损耗系数较大，中继距离主 要受光纤线路损耗的限制。在这种情况下，要求S和R两点之间 光纤线路总损耗必须不超过系统的总功率衰减，即 L(afasam)PtPr2acMe 或 式中，Pt为平均发射光功率(dBm)，Pr为接收灵敏度(dBm)，ac 为连接器损耗(dB/对)，Me为系统余量(dB)， af为光纤损耗系数 (dB/km), a s为每千米光纤平均接头损耗(dB/km), a m为每千米光 纤线路

39、损耗余量(dB/km), L 为中继距离(km)。 msf ert 2 aaa a MPP L c (5.8) 第5章数字光纤通信系统 式(5.8)的计算是简单的，式中参数的取值应根据产品技 术水平和系统设计需要来确定。平均发射光功率Pt取决于所 用光源，对单模光纤通信系统，LD的平均发射光功率一般 为39 dBm，LED平均发射光功率一般为2025 dBm。光接收机灵敏度Pr取决于光检测器和前置放大器的类 型，并受误码率的限制，随传输速率而变化。表5.10示出长 途光纤通信系统BERav11010时的接收灵敏度Pr。 第5章数字光纤通信系统 第5章数字光纤通信系统 连接器损耗一般为0.31

40、dB/对。设备余量Me包括由于时 间和环境的变化而引起的发射光功率和接收灵敏度下降，以及 设备内光纤连接器性能劣化，Me一般不小于3 dB。 光纤损耗系数af取决于光纤类型和工作波长，例如单模光 纤在1310 nm, af为0.40.45 dB/km; 在1550 nm, af为0.220.25 dB/km。光纤损耗余量am一般为0.10.2 dB/km, 但一个中继段 总余量不超过5 dB。平均接头损耗可取0.05 dB/个，每千米光 纤平均接头损耗as可根据光缆生产长度计算得到。 根据ITU-T(原CCITT)G.955建议，用LD作光源的常规单模 光纤(G.652)系统，在S和R之间数字

41、光纤线路的容限如表5.11 所示。 第5章数字光纤通信系统 第5章数字光纤通信系统 5.3.2中继距离受色散中继距离受色散(带宽带宽)的限制的限制 如果系统的传输速率较高，光纤线路色散较大，中继距 离主要受色散(带宽)的限制。为使光接收机灵敏度不受损伤， 保证系统正常工作，必须对光纤线路总色散(总带宽)进行规 范。我们要讨论的问题是，对于一个传输速率已知的数字光 纤线路系统，允许的线路总色散是多少，并据此计算中继距 离。 对于数字光纤线路系统而言，色散增大，意味着数字脉 冲展宽增加，因而在接收端要发生码间干扰，使接收灵敏度 降低，或误码率增大。严重时甚至无法通过均衡来补偿，使 系统失去设计的性

42、能。 第5章数字光纤通信系统 设传输速率为fb=1/T，发射脉冲为半占空归零(RZ)码， 输出脉冲为高斯波形，如图5.18 所示。高斯波形可以表示为 式中为均方根(rms)脉冲宽度。把/T=a定义为相对rms脉冲 宽度，码间干扰的定义如图5.18所示。由式(5.9)和图5.18得 到 由式(5.10)得到a和的数值关系，并列于表5.12。 ) 2 (exp)( 2 2 t tg )/1ln(2 1 a T (5.9) (5.10) 第5章数字光纤通信系统 图 5.18高斯波形的码间干扰 第5章数字光纤通信系统 第5章数字光纤通信系统 美国Bell实验室S.D.Personick的早期研究中，曾

43、建议 采用下列标准来考查光纤线路色散对系统传输性能的限制。 当a=0.25时，码间干扰只有峰值的0.034%，完全可以 忽略不计。当a=0.5时，增加到13.5%，此时功率代价为7 8 dB，难以通过均衡进行补偿。一般系统设计选取a=0.25 0.35，功率代价不超过2 dB。 为确定中继距离和光纤线路色散(带宽)的关系，把输出 脉冲用半峰值全宽度(FWHM)表示，即 (5.11) 4247. 0 )( 2 2 f 2 T 第5章数字光纤通信系统 式中, =aT, a为相对rms脉冲宽度; T=1/fb，fb为系统的比特传 输速率; f为光纤线路引起的脉冲展宽(FWHM)，取决于 所用光纤类型

44、和色散特性。 对于多模光纤系统，色散特性通常用 3 dB带宽表示， 如式(2.47b)所示。因此，f=0.44/B, B为长度等于L的光纤 线路总带宽，它与单位长度光纤带宽的关系为B=B1/L。B1 为1 km光纤的带宽，通常由测试确定。=0.51, 称为串 接因子，取决于系统工作波长，光纤类型和线路长度。把这 些关系代入式(5.11)，并取a=0.250.35，得到光纤线路总带 宽B和速率fb的关系为 第5章数字光纤通信系统 B=(0.830.56)fb (5.12) 中继距离L与1 km光纤带宽B1的关系为B1=BL, 所以 L=(1.211.78)B1 / fb1/ (5.13) 或写成

45、 Lfb=(1.211.78)B1 (5.14) 以fb为参数，B1与L的关系示于图5.19, 图中取/T=0.3， =0.75。由此可见，中继距离L与传输速率fb的乘积取决于1 km光纤的带宽(色散)，这个乘积反映了光纤通信系统的技术 水平。 第5章数字光纤通信系统 图5.191 km光纤带宽B1与中继距离L的关系 第5章数字光纤通信系统 对于单模光纤系统，f=2.355f , f为光纤线路rms脉冲 展宽。由式(2.55b)取一级近似，得到f=| C0 |L, C0 =C(0)为在光源中心波长0光纤的色散(ps/(nmkm)，为光 源的光谱宽度(nm)，L为光纤线路长度(km)。把这些关系

46、式 代入式(5.11)，同样可以得到一个简明的公式。设取 a=/T=0.25，得到中继距离 0b 6 10226. 0 Cf L (5.15) 第5章数字光纤通信系统 在这个基础上，根据原CCITT建议，对于实际的单模光纤 通信系统，受色散限制的中继距离L可以表示为 式中, Fb是线路码速率(Mb/s)，与系统比特速率不同，它要随线 路码型的不同而有所变化。C0是光纤的色散系数(ps/(nmkm)， 它取决于工作波长附近的光纤色散特性。为光源谱宽(nm)，对 多纵模激光器(MLM-LD)，为rms宽度，对单纵模激光器(SLM- LD), 为峰值下降20 dB的宽度。是与功率代价和光源特性有关 的参数，对于MLM-LD, =0.115, 对于SLM-LD，=0.306。 (5.16) 0b 6 10 Cf L 第5章数字光纤通信系统 由于光纤制造工艺的偏差，光纤的零色散波长不会全部