第05章-数字光纤通信系统学习教案

1、会计学1第第05章章-数字光纤通信数字光纤通信(un xin tn xn)系统系统第一页，共84页。2022-4-152第1页/共84页第二页，共84页。2022-4-153 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，先后有两种传输体制：准同步数字系列(PDH)同步数字系列(SDH) 随着光纤通信技术和网络的发展，PDH遇到了许多困难。美国提出了同步光纤网(SONET)。 1988年，ITU-T(原CCITT) 提出了被称为同步数字系列(SDH)的规范建议(jiny)。 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

2、仅适用于光纤信道，也适用于微波和卫星干线传输。第2页/共84页第三页，共84页。2022-4-154n 准同步准同步(tngb)数字系列有两种基础速率数字系列有两种基础速率n以以1.544 Mb/s为第一级为第一级(一次群，或称基群一次群，或称基群)基础速基础速率，采用的国家有北美各国和日本；率，采用的国家有北美各国和日本；n以以2.048 Mb/s为第一级为第一级(一次群一次群)基础速率，基础速率， 采用的采用的国家有西欧各国和中国。国家有西欧各国和中国。第3页/共84页第四页，共84页。2022-4-155第4页/共84页第五页，共84页。2022-4-156第5页/共84页第六页，共84

3、页。2022-4-157第6页/共84页第七页，共84页。2022-4-158第7页/共84页第八页，共84页。2022-4-159第8页/共84页第九页，共84页。2022-4-1510第9页/共84页第十页，共84页。2022-4-1511第10页/共84页第十一页，共84页。2022-4-1512第11页/共84页第十二页，共84页。2022-4-1513第12页/共84页第十三页，共84页。2022-4-1514第13页/共84页第十四页，共84页。2022-4-1515第14页/共84页第十五页，共84页。2022-4-1516第15页/共84页第十六页，共84页。2022-4-15

4、17n SDH采用了采用了DXC后，大大提高了网络的灵活性及对各种后，大大提高了网络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。平。第16页/共84页第十七页，共84页。2022-4-1518第17页/共84页第十八页，共84页。2022-4-1519第18页/共84页第十九页，共84页。2022-4-1520第19页/共84页第二十页，共84页。2022-4-1521第20页/共84页第二十一页，共84页。2022-4-1522第21页/共84页第二十二页，共84页。2022-4-1523 这种结构这种结构(

5、jigu)可以把目前可以把目前PDH的绝大多数标准速率信号装入的绝大多数标准速率信号装入SDH帧。帧。 图图5.7示出示出SDH一般复用映射结构一般复用映射结构(jigu)，图中，图中C-n是标准容器，是标准容器， 用来装载现有用来装载现有PDH的各支路信号，的各支路信号， 并完成速率适配处理的功能。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，即组成相应字节，即组成相应的虚容器的虚容器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。支路

6、信号。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，实现大容量传进行同步复用、交叉连接和交换处理，实现大容量传输。输。第22页/共84页第二十三页，共84页。2022-4-1524第23页/共84页第二十四页，共84页。2022-4-1525 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(qin mian)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(T

7、U)。 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24页/共84页第二十五页，共84页。2022-4-1526举例：由举例：由PDH的的4次群信号到次群信号到SDH的的STM-1的复接过程的复接过程(guchng)把把139.264 Mb/s的信号装入容器的信号装入容器C-4，经速率适配处理后，输出信号，经速率适配处理后，输出

8、信号速率为速率为149.760 Mb/s; 在虚容器在虚容器VC-4内加上通道开销内加上通道开销POH(每帧每帧9 Byte, 相应于相应于0.576 Mb/s)后，输出信号速率为后，输出信号速率为150.336 Mb/s；在管理单元在管理单元AU-4内，加上管理单元指针内，加上管理单元指针AU PTR(每帧每帧9 Byte, 相应于相应于0.576 Mb/s)，输出信号速率为，输出信号速率为150.912 Mb/s; 由由 1个个AUG加上段开销加上段开销SOH(每帧每帧72 Byte, 相应于相应于4.608 Mb/s), 输出信输出信号速率为号速率为155.520 Mb/s, 即为即为S

9、TM-1。第25页/共84页第二十六页，共84页。2022-4-1527 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。相当于一种自动的数字电路配线架。 图图5.2 表示的是表示的是SDH的的DXC(也适合于也适合于PDH)，其核心部分是可控的交叉连，其核心部分是可控的交叉连接开关接开关(空分或时分空分或时分)矩阵矩阵(j zhn)。 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。量分配的基本单位。 一般每个输入信号被分接为一般每个输入信号被分接为m个并行支路信号，然

10、后通过时分个并行支路信号，然后通过时分(或空分或空分)交交换网络，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排，最后将重新编排后的信号复接成高速信号输出。重新编排，最后将重新编排后的信号复接成高速信号输出。第26页/共84页第二十七页，共84页。2022-4-1528第27页/共84页第二十八页，共84页。2022-4-1529第28页/共84页第二十九页，共84页。2022-4-1530n DXC的表示的表示n 通常用通常用DXC X/Y来表示一个来表示一个DXC的配置类型，其中第一个数字的配置类型，

11、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表示参与交叉连接的最低速率等级。最低速率等级。 n 数字数字0表示表示64 kb/s电路电路(dinl)速率；数字速率；数字1、2、3、4 分别表分别表示示PDH的的1至至 4 次群的速率，次群的速率， 其中其中 4 也代表也代表SDH 的的STM-1 等级；等级； 数数字字 5 和和 6 分别代表分别代表SDH的的STM-4 和和STM-16等级。等级。n如：如：DXC1/0表示输入端口的最高速率为一次群信号的速率（表示输入端口的最高速率为一次群信号的速率（E1：2.048Mb/s

12、）,而交叉链接的基本速率为而交叉链接的基本速率为64kb/s. 第29页/共84页第三十页，共84页。2022-4-1531第30页/共84页第三十一页，共84页。2022-4-1532n DXC在干线传输网中的主要用途在干线传输网中的主要用途n 实现自动化的网络配置管理。实现自动化的网络配置管理。n主要功能主要功能(gngnng)有有n分离本地交换业务和非本地交换业务，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为非本地交换业务迅速提供可用路由；用路由；n为临时性重要事件为临时性重要事件(如运动会、发生地震等如运动会、发生地震等)迅速提供通信电路；当网络迅速提供通信电路；当

13、网络发生故障发生故障(如某些干线中断如某些干线中断)时，能迅速提供网络的重新配置；时，能迅速提供网络的重新配置；n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和和SDH时，可作为时，可作为PDH与与SDH的网关。的网关。 第31页/共84页第三十二页，共84页。2022-4-1533 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)。 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。 当然(dngrn)， SDH通过ADM和DXC等网络单

14、元可以构成更为复杂的网形网(如图 5.1 所示)。 网形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32页/共84页第三十三页，共84页。2022-4-1534第33页/共84页第三十四页，共84页。2022-4-1535第34页/共84页第三十五页，共84页。2022-4-1536第35页/共84页第三十六页，共84页。2022-4-1537第36页/共84页第三十七页，共84页。2022-4-1538第37页/共84页第三十八页，共84页。2022-4-1539第38页/共84页第三十

15、九页，共84页。2022-4-1540第39页/共84页第四十页，共84页。2022-4-1541n误码率误码率(BER)n 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信息受到损害的程度。指标，它反映了在数字传输过程中信息受到损害的程度。 n BER是在一个较长时间内的传输码流中出现误码的概率，它是在一个较长时间内的传输码流中出现误码的概率，它对话音影响的程度取决于编码方法。对于对话音影响的程度取决于编码方法。对于PCM而言，误码率对话音而言，误码率对话音的影响程度如表的影响程度如表 5.2 所示。所示

16、。n 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统性能(xngnng)的优劣，显然不够准确。在实际监测和评定中，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。应采用误码时间百分数和误码秒百分数的方法。 第40页/共84页第四十一页，共84页。2022-4-1542第41页/共84页第四十二页，共84页。2022-4-1543第42页/共84页第四十三页，共84页。2022-4-1544第43页/共84页第四十四页，共84页。2022-4-1545无误码秒占可用秒的百分数大于无误码秒占可用

17、秒的百分数大于92%92%。第44页/共84页第四十五页，共84页。2022-4-1546第45页/共84页第四十六页，共84页。2022-4-1547第46页/共84页第四十七页，共84页。2022-4-1548第47页/共84页第四十八页，共84页。2022-4-1549第48页/共84页第四十九页，共84页。2022-4-1550 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(ybn)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1bit信息所占时间， 数值上等于传输速率fb的倒数。 抖动严

18、重时，使得信号失真、 误码率增大。完全消除抖动是困难的，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。第49页/共84页第五十页，共84页。2022-4-1551第50页/共84页第五十一页，共84页。2022-4-1552第51页/共84页第五十二页，共84页。2022-4-1553第52页/共84页第五十三页，共84页。2022-4-1554第53页/共84页第五十四页，共84页。2022-4-1555(5.1)exp(tR (5.2) t(expR.RRRn21ssniis1第54页/共84页第五十五页，共84页。2022-4-1

19、556n (3) 可用率可用率A和失效率和失效率PF。可用率。可用率A是在规定时间内，系统处于良是在规定时间内，系统处于良好工作状态的概率，它可以好工作状态的概率，它可以(ky)表示为：表示为：MTBF1（5.3）%100%100MTTRMTBFMTBFA总工作时间可用时间(5.4) 式中MTTR为平均故障修复时间(shjin)(不可用时间(shjin)。n (2) 故障率故障率和平均故障间隔时间和平均故障间隔时间MTBF。两者的关系为。两者的关系为第55页/共84页第五十六页，共84页。2022-4-1557 失效率PF可以(ky)表示为：式 中 m 和 n 分 别 ( f n b i )

20、为 主 用 系 统 数 和 备 用 系 统 数 ，P=MTTR/MTBF。%100%100MTTRMTBFMTTRPF总工作时间不可用时间（5.5）由式(5.4)和式(5.5)得到 (5.6)在有备用系统的情况下， 失效率为：) 1()!1 ( !)!(PFnPnmnm（5.7）%100)A1 (PF（5.6）第56页/共84页第五十七页，共84页。2022-4-1558第57页/共84页第五十八页，共84页。2022-4-1559第58页/共84页第五十九页，共84页。2022-4-1560第59页/共84页第六十页，共84页。2022-4-1561第60页/共84页第六十一页，共84页。2

21、022-4-1562第61页/共84页第六十二页，共84页。2022-4-1563n系统设计的主要任务系统设计的主要任务n 根据用户对传输距离和传输容量根据用户对传输距离和传输容量(话路数或比特率话路数或比特率)及其分布及其分布的要求，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。综合考虑和反复计算。n 选择最佳路由和局站设置、选择最佳路由和局站设置、 传输体制和传输速率以及传输体制和传输速率以及(yj)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

22、佳的性能价格比。最佳的性能价格比。n 在技术上，系统设计的主要问题是确定中继距离，尤其对在技术上，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。济效益影响很大。 第62页/共84页第六十三页，共84页。2022-4-1564第63页/共84页第六十四页，共84页。2022-4-1565第64页/共84页第六十五页，共84页。2022-4-1566 如果系统(xtng)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

23、损耗必须不超过系统(xtng)的总功率衰减，即 式中，Pt 为平均发射光功率(dBm)，Pr为接收灵敏度(dBm)，c 为连接器损耗(dB/对)， Me 为系统余量(dB)，f为光纤损耗系数(dB/km), s为每km光纤平均接头(ji tu)损耗(dB/km), m为每km光纤线路损耗余量(dB/km), L 为中继距离(km)。ecrtmsfMppL2或(5.8)msfecrtMppL2第65页/共84页第六十六页，共84页。2022-4-1567 平均发射光功率平均发射光功率Pt取决于所用光源，对单模光纤通信系统取决于所用光源，对单模光纤通信系统(xtng)，LD的平均发射光功率一般为的

24、平均发射光功率一般为-3-9dBm, LED平均发射平均发射光功率一般为光功率一般为-20-25 dBm。 光接收机灵敏度光接收机灵敏度Pr取决于光检测器和前置放大器的类型，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。并受误码率的限制，随传输速率而变化。 表表5.10示出长途光纤通信系统示出长途光纤通信系统(xtng)BERav110-10时的时的接收灵敏度接收灵敏度Pr。第66页/共84页第六十七页，共84页。2022-4-1568第67页/共84页第六十八页，共84页。2022-4-1569n连接器损耗一般为连接器损耗一般为0.31 dB/对。对。n设备余量设备

25、余量Me包括由于包括由于(yuy)时间和环境的变化而引起的发射光功率和接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，收灵敏度下降， 以及设备内光纤连接器性能劣化，以及设备内光纤连接器性能劣化，Me一般不小于一般不小于3 dB。n光纤损耗系数光纤损耗系数f取决于光纤类型和工作波长，例如：取决于光纤类型和工作波长，例如：n单模光纤在单模光纤在1310 nm, f为为0.40.45 dB/km; n在在1550 nm, f为为0.220.25 dB/km。n光纤损耗余量光纤损耗余量m一般为一般为0.10.2 dB/km, 但一个中继段总余量不超过但一个中继段总余量不超过5 dB。 平均接头损

26、耗可取平均接头损耗可取0.05 dB/个，每千米光纤平均接头损耗个，每千米光纤平均接头损耗s可根据光可根据光缆生产长度计算得到。缆生产长度计算得到。第68页/共84页第六十九页，共84页。2022-4-1570第69页/共84页第七十页，共84页。2022-4-1571第70页/共84页第七十一页，共84页。2022-4-1572 (5.9)2(exp) t (g22t由式(5.10)得到a和的数值关系(gun x)， 并列于表5.12。 )/1ln(21(Ta(5.10)式中为均方根(rms)脉冲宽度。把/T=a定义为相对(xingdu)rms脉冲宽度，码间干扰的定义如图5.18所示。由式(

27、5.9)和图5.18得到： 设传输速率为fb=1/T，发射脉冲为半占空归零归零(RZ)码码，输出脉冲为高斯波形，如图5.18 所示。高斯波形可以表示为：第71页/共84页第七十二页，共84页。2022-4-1573第72页/共84页第七十三页，共84页。2022-4-1574第73页/共84页第七十四页，共84页。2022-4-1575 为确定中继距离(jl)和光纤线路色散(带宽)的关系，把输出脉冲用半高全宽度(FWHM)表示，即22)()2T(f（5.11）式中, =/0.4247, =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(FWHM)脉冲展宽，

28、取决于所用光纤类型和色散(ssn)特性。第74页/共84页第七十五页，共84页。2022-4-1576 对于多模光纤系统，色散特性通常(tngchng)用3dB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1km光纤的带宽，通常(tngchng)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： B=(0.830.56)fb (5.12)第75页/共84页第七十六页，共84页

29、。2022-4-1577 中继距离L与1km光纤带宽B1的关系(gun x)为B1=BL, 所以 L=（1.211.78）1/fb1/ (5.13)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1km光纤的带宽(di kun)(色散)，这个乘积反映了光纤通信系统的技术水平。或写成 Lfb=(1.211.78)B1 (5.14) 第76页/共84页第七十七页，共84页。2022-4-1578第77页/共84页第七十八页，共84页。2022-4-1579 对于单模光纤系统，对于单模光纤系统，f=2.355f, f为光

30、纤线路为光纤线路rms脉冲展脉冲展宽。宽。 由式由式(2.55b)取一级近似，得到取一级近似，得到f=|C0|L, 其中：其中：C0=C(0)为在光源为在光源(gungyun)中心波长中心波长0处光纤的色散处光纤的色散(ps/(nmkm)，为光源为光源(gungyun)谱线宽度谱线宽度(nm)，L为光纤线路长度为光纤线路长度(km)。 把这些关系式代入式把这些关系式代入式(5.11)，同样得到一个简明的公式。设，同样得到一个简明的公式。设取取a=/T=0.25， 得到中继距离：得到中继距离： (5.15)0610226. 0Lcfb第78页/共84页第七十九页，共84页。2022-4-1580

31、 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(jl)L可以表示为：0610CFLb（5.16） 式中, Fb是线路(xinl)码速率(Mb/s)，与系统比特速率不同，它要随线路(xinl)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。为光源谱线宽度(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20dB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。第79页/共84页第八十页，共84页。2022-4-1581 由于光纤制造工艺的偏差，光纤的零色散波长不