通工专业-光纤通信技术-第七章-光纤通信系统

1、光纤通信技术光纤通信技术Modern Communication Networks西安邮电大学通信与信息工程学院西安邮电大学通信与信息工程学院通信工程系通信工程系 7.1 光纤通信系统的基本概念光纤通信系统的基本概念 7.2 数字光纤通信系统数字光纤通信系统7.3 模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统第七章第七章 光纤通信系统光纤通信系统 本章简介本章简介 光纤通信系统是组成光网络的基本单元，光纤通信系统主要包括数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统。本章将主要对数字和模拟光纤通信系统的组成，工作原理，特性指标及相关应用等作以介绍。 7.1 光纤通信系统的基本光纤通信系统的基本概念概念7.1.1 光纤

2、通信系统的组成光纤通信系统的组成 如图7.1所示，为光纤通信系统组成模型。可见光纤通信系统由光发送部分、光纤和光接收部分三部分组成。 图7.1光纤通信系统示意图 在光发射部分，信息源把用户信息转换为原始电信号，这种信号称为基带信号。电发射机再把基带信号转换为适合信道传输的信号，这个转换如果需要调制，则其输出信号称为已调信号。 对于数字电话传输，电话机把话音转换为频率范围为0.33.4 kHz的模拟基带信号，电发射机把这种模拟信号转换为数字信号，例如PCM信号，并把多路数字信号组合在一起，然后输入光发射机，同样也可将SDH信号输入道光发射机在光线中传输。对于模拟电视传输，则用摄像机把图像转换为6

3、 MHz的模拟基带信号，直接输入光发射机。 光纤部分可根据所传信号的质量要求、传输距离、适用场合等指标选单模光纤、多模光纤或其他特殊光纤。 光接收部分则采用和光发射部分相反的操作，将光信号转换为电信号，然后再进行解复用，然后将基带信号送给相关用户。7.1.2 光纤通信系统的分类光纤通信系统的分类 光纤通信系统根据不同的分类方法可以划分为不同类型。1.按系统所用光纤类型可将光纤通信系统分为单模光纤通信系统和多模光纤通信系统；2.按光纤通信系统应用的场合分为公用型光纤通信系统和专用光纤通信系统，如专网中的电力光纤通信系统，铁道光纤通信系统，军用光纤通信系统等；3.根据光纤通信系统所处位置分为接入网

4、系统，城域网系统，骨干网系统等；4. 按光纤通信系统所采用的技术不同进行分类等。5. 通常我们是按照光纤通信系统中所传送的信号是数字的还是模拟的，可将光纤通信系统分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。下面我们就以这种分类方法来分别介绍模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统的概念和相关技术。 模拟光纤通信系统通常将采集的模拟基带信号直接调制到光载波上，从光发射机经光纤传送到光接收机，完成模拟信号的传送。为提高传输质量，也可将模拟基带信号转换为频率调制(FM)、脉冲频率调制(PFM)或脉冲宽度调制(PWM)信号，最后把这种已调信号输入光发射机。 还可以采用频分复用(FDM)技术，用来自不同信息源的视

5、频模拟基带信号(或数字基带信号)分别调制指定的不同频率的射频(RF)电波，然后把多个这种带有信息的RF信号组合成多路宽带信号，最后输入光发射机， 由光载波进行传输。 在这个过程中，受调制的RF电波称为副载波，这种采用频分复用的多路电视传输技术， 称为副载波复用(SCM)。 数字光纤通信系统通常将来自电端机上的数字信号调制到光载波上经光纤传送到对端，再解调为数字信号。数字信号经电端机解复用后变为基带数字信号，然后送到用户端。通常数字电端机包括数模转换电路，编解码电路，复用和去复用电路，相关保护电路等。 不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机带有信息的电信号，都通过调制转换为光信号。光载波经

6、过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号。电接收机的功能和电发射机的功能相反，它把接收的电信号转换为基带信号，最后由信息宿恢复用户信息。 在整个通信系统中，在光发射机之前和光接收机之后的电信号段，光纤通信所用的技术和设备与电缆通信相同，不同的只是由光发射机、光纤线路和光接收机所组成的基本光纤传输系统代替了电缆传输。 由于前面各个章节我们已经讲述了光线与光缆、光源器件与光发射机、光检测器件与光接收机等内容，在本章中我们将重点就数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统等知识予以讲述。7.2 数字光纤通信系统数字光纤通信系统7.2.1 数字光纤通信系统组成数字光纤通信系统组成 1.数字光纤

7、通信系统数字光纤通信系统 数字光纤通信系统比模拟光纤通信系统具有更多的优点，也更能适应社会对通信能力和通信质量越来越高的要求。数字通信系统用参数取值离散的信号(如脉冲的有和无、电平的高和低等)代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系；而模拟通信系统则用参数取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。这种基本特征决定着两种通信方式的优缺点和不同时期的发展趋势。 20 世纪70年代光纤通信的应用和80年代计算机的普及，为数字通信的发展创造了极其有利的条件。目前虽有数字通信几乎完全代替模拟通信的趋势，但是模拟通信仍然有着重要的应用。数字通信系统的优点数字通信系统的优点1

8、. 抗干扰能力强，传输质量好。在模拟通信系统中，噪声叠加在信号上，两者很难分开，放大时噪声和信号一起放大，不能改善因传输而劣化的信噪比。数字光纤通信采用二进制信号，信息不包含在脉冲波形中， 而由脉冲的“有”和“无”表示。因此，一般噪声不影响传输质量，只有在抽样和判决过程中，当噪声超过一定阈值时， 才产生误码率。2. 可以用再生中继，传输距离长。数字通信系统可以用不同方式再生传输信号，消除传输过程中的噪声积累，恢复原信号，延长传输距离。3. 适用各种业务的传输，灵活性大。在数字通信系统中，话音、图像等各种信息都变换为二进制数字信号，可以把传输技术和交换技术结合起来，有利于实现综合业务。4. 容易

9、实现高强度的保密通信。只需要将明文与密钥序列逐位模2相加， 就可以实现保密通信。只要精心设计加密方案和密钥序列并经常更换密钥， 便可达到很高的保密强度。5. 数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本。 数字通信系统的缺点是占用频带较宽，系统的频带利用率不高注：这里没有考虑语音、视频压缩编码和多元制数字调制的作用。 例如，一路模拟电话只占用4 kHz的带宽，而一路数字电话要占用2064 kHz的带宽。数字通信系统的许多优点是以牺牲频带为代价得到的，然而光纤通信的频带很宽，完全能够克服数字通信的缺点。因而对于电话的传输， 数字光纤通信系统是最佳

10、的选择。 7.2.2数字光纤通信系统的线路码型数字光纤通信系统的线路码型 对于数字端机的接口码型，一般采用双极性码，因为对电脉冲信号，以零伏为中心，无论产生正脉冲还是负脉冲都是比较容易的。目前常用的双极性码有码 和CMI码。 码适用于PDH(234)Mb/s（13次群）的数字信号接口。而CMI码适用于PDH 140Mb/s数字信号接口。 3HDB3HDB 对于光缆数字系统，目前主要采用光强度调制方式，即传输信息仅与发光器件发出的光“有”或“无”两种状态，因此应采用单极性码。光缆线路系统对传输码型的主要要求有：l能对中继器进行不中断业务的误码检测;l减少码流中长连“0”或长连“1”的码字，以利于

11、端机和中继设备的定时提取，便于信号再生判决;l能传输监控、公务和区间信号;l能实现比特序列独立性，即不论传输的信息信号如何特殊，其传输系统都不依赖于信息信号而进行正确的传输。1. 扰码扰码 为了保证传输的透明性，在系统光发射机的调制器前，需要附加一个扰码器，将原始的二进制码序列进行变换，使其接近随机序列。它是根据一定的规则将信号码流进行扰码，经过扰码后使线路码流中的“0”、“1”出现概率相等，从而改善了码流的一些特性。但是它仍然具有下列缺点：l不能完全控制长连“1”和长连“0”序列的出现；l没有引入冗余，不能进行在线误码检测；l信号频谱中接近于直流的分量较大。 因为扰码不能完全满足光纤通信对线

12、路码型的要求，所以许多光纤设备除采用扰码外，还采用其它类型的线路编码。2. 分组码分组码(1)mBnB码码 最典型的分组码为mBnB码，它是把输入码流中每m比特码分为一组，然后变换为n比特。m、n均为正整数，且nm，一般n =m+1。这样，变换之后，码组的比特数比变换前大，即输入码字共有种，输出码字可能组成种，使变换后的码流有了“富余”（冗余）。有了它，在码流中除了可以传输原来的信息外，还可以传输与误码检测等有关的信息。另外，经过适当的编码之后，可以改善定时信号的提取和直流分量的起伏等问题。 mBnB码型中有1B2B，2B3B，3B4B，5B6B等。其中，5B6B码被认为在编码复杂性和比特冗余

13、度之间是最合理的折衷，因此使用较为普遍。表7.1 5B6B码型的一种方案 (2)mB1C码码 这种码型是将信码流每m比特分为一组，然后在其末位之后再插入一个反码（又称补码）即C码。C码的作用是：如果第m位码为“1”码，则反码为“0”；反之则为“1”。 例如：例如： 8个码元为一组的码组为：11011001；编为8B1C码时的码组为：110110010。因此插入C码可进行误码检测，此外，还可减少连“0”或连“1”的不良影响。(3) mB1H码码 这种码是将信码流中每m比特码分为一组，然后在其末位之后插入一个混合码，称为H码。这种码型具有多种功能，除可完成mB1P和mB1C码的功能外，还可同时用来

14、完成区间通信、公务联络、数据传输以及误码检测等功能。(4)其它线路码型其它线路码型 在光纤通信中，有时利用电缆传送数字信号。因此可用ITUTG.703建议的物理/电气接口码型，如伪双极性码即CMI和DMI码。表7.2 CMI码变换规则 CMI码由于结构均匀，传输性能好，可以用游动数字和的方法检测误码，因此误码检测性能好。由于它是一种电接口码型，因此139264kb/s光纤传输系统就用CMI码作为光线路码型。另外，它还不需重新变换，直接用四次群复用设备送来的CMI信号调制光源。接收端也可直接将再生还原的CMI码直接送给四次群复用设备，而不需线路码型的变换和反变换设备。 CMI码的缺点缺点是：码速

15、提高率（等于100%）太大以及传送辅助信息的性能较差。7.2.3数字光纤通信系统特性指标数字光纤通信系统特性指标与设计与设计7.2.3.1 数字光纤通信系统的特性指标数字光纤通信系统的特性指标 目前，光纤通信系统主要是数字系统，因此光纤传输系统的各种性能指标应满足数字传输系统的要求。而数字信号在传输中也要遇到各种各样的干扰，因此考察光纤通信系统总的传输性能时，要分析各部分设备的性能及各传输段的性能，以便在各指标累加之后，能保证系统的全程性能指标。 为此，对全程通信网的性能指标要作一个合理的分配，首先要确定一个合适的传输模型。ITUT提出了“系统参考模型”的概念，并规定了系统参考模型的性能参数和

16、指标，光纤通信系统的性能指标就应遵循该规定。1.数字光纤系统模型结构数字光纤系统模型结构 系统参考模型有三种假设形式：假设参考数字连接（HRX），假设参考数字链路（HRDL）及假设参考数字段（HRDS）。(1) 假设参考数字连接（假设参考数字连接（HRX） 假设参考数字连接是针对通信系统的总的性能和指标分配而找出的通信距离最长、结构最复杂、传输质量预计最差的连接。如果这种连接能满足通信系统的性能指标要求，那么通信距离较短，结构较简单的通信连接肯定能保证传输质量，因而引入了假设参考连接模型。 它是通信网中从用户至用户，包括参与变换与传输的各个部分（如用户线、终端设备、交换机、传输系统等）。ITU

17、T建议的一个标准最长HRX全长为27500km，包含14个假设参考数字链路和13个数字交换点。 实际上经常实现的连接都比标准最长HRX短。假设参考数字连接的具体组成如图7.2示。LE ISCISCISCISC27500 km国内国际国内本地本地T参考点PC一级中心LE本地交换数字链路SC二级中心ISC国际交换数字交换TC三级中心PCSCTCISCTCSCPCLET参考点图7.2 假设参考数字连接组成图(2) 假设参考数字链路（假设参考数字链路（HRDL） 为了简化数字传输系统的研究，保证全程通信质量，把假设参考数字连接（HRX）中的两个相邻交换点的数字配线架间所有的传输系统，复、分设备等各种传

18、输单元，用假设参考数字链路（HRDL）表示。 由于HRDL是HRX的一个组成部分，因此允许把总的性能指标分配到一个比较短的模型上。ITUT建议HRDL的合适长度是2500km，根据我国地域广阔的特点，我国长途一级干线的数字链路长度为5000km。(3) 假设参考数字段（假设参考数字段（HRDS） 为了适应传输系统的性能规范，保证全线质量和管理维护方便，具体提供数字传输系统的性能指标，把假设参考数字链路（HRDL）中相邻的数字配线架间的传输系统，即两个光端机之间的光缆传输线路及若干光中继器用假设参考数字段（HRDS）表示。 根据我国的实际情况，长途一级干线的HRDS为420km，长途二级干线的H

19、RDS为280km。因此通信网总的性能指标从HRX上可以按比例分配到HRDL上，再从HRDL上分配到HRDS上。 2.系统的质量指标系统的质量指标（1）误码性能）误码性能误码的定义误码的定义 光纤数字传输系统的误码性能用误码率来衡量。即在特定的一段时间内所接收的错误码元与同一时间内所接收的总码元数之比。BER 错误接收的码元数传输的总码元数（7.1）（7.1）（7.1）（7.1）（7.1）误码发生的形态和原因误码发生的形态和原因 误码发生的形态主要有两类：一类是随机形态的误码，即误码主要是单个随机发生的，具有偶然性；另一类是突发的、成群发生的误码，这种误码可能在某个瞬间集中发生，而其它大部分时

20、间无误码发生。误码发生的原因是多方面的。如电缆数字网中的热噪声，交换设备的脉冲噪声干扰，雷电的电磁感应，电力线产生的干扰等。误码性能的评定方法误码性能的评定方法 评定误码性能的参数包括平均误码率、劣化分、严重误码秒和误码秒。 平均误码率平均误码率 在一段较长的时间内出现的误码个数和传输的总码元数的比值。平均误码率反映了测试时间内的平均误码结果，因此适合于计量随机误码，但无法反映误码的随机性和突发性。劣化分钟劣化分钟 每分钟的误码率劣于 这个阈值称为劣化分，用DM表示。我们取总观测时间为 ，它的大小可以是几天或一个月，一个取样观测时间 为1分钟。从总观测时间中扣除不可用时间（连续10秒平均误码率

21、劣于 ）和严重误码秒后所得可用分钟。ITUT建议该性能指标应达到在 内累计的劣化分个数占可用分钟数时间百分数少于10%。610LT0T310LT严重误码秒严重误码秒 每秒内的误码率劣于 这个阈值称为严重误码秒，用SES表示。取总观测时间为 ，一个取样观测时间 为1秒钟。ITUT建议该性能指标应达到在 中可用时间内累计的严重误码秒个数占可用时间秒数的时间百分数少于0.2%。310LT0TLT误码秒误码秒 每个观测秒内，出现的误码数为0，用ES表示。取总观测时间为 ，一个取样观测时间 为1秒钟。ITUT建议该性能指标应达到在 中可用时间内累计的误码秒占可用时间秒数的时间百分数少于8%。LT0TLT

22、误码指标的分配误码指标的分配 在一个连接中通常包含几种不同质量等级的数字传输电路。在27500km的国际连接（HRX）中二级交换中心SC之间的电路部分为高级电路，本地交换点LE与SC之间的电路部分为中级电路，LE与参考点T之间的电路部分为本地级。 误码性能指标是该线路等级分配的，具体分配如表7.3所示。表7.3 误码指标的分配 本地级和中级指标可以合并到一起考虑，即它们一起分配到总指标的60%。高级电路的指标可以分配到每千米长度上去，从而可以得到不同长度的HRDL和HRDS的误码性能指标。表7.4 HRDL和HRDS的误码性能指标的分配（2）抖动性能抖动的定义抖动的定义 抖动是数字信号传输中的

23、一种瞬时不稳定现象。即数字信号的各有效瞬间对其理想时间位置的短时间偏离，称为抖动。 抖动可分为相位抖动和定时抖动。相位抖动是指传输过程中所形成的周期性的相位变化。定时抖动是指脉码传输系统中的同步误差。发送信号接收信号图7.3 定时抖动的图解定义 抖动的大小或幅度通常可用时间、相位或数字周期来表示。目前多用数字周期来表示，即“单位间隔”，用符号UI（UnitInterval），也就是1比特信息所占有的时间间隔。例如码速率为34.363Mb/s的脉冲信号，1UI=1/34.363s。显然它在数值上等于传输比特率的倒数。抖动产生的原因抖动产生的原因l数字再生中继器引起的抖动。数字再生中继器引起的抖动

24、。 由于再生中继器中的定时恢复电路的不完善及再生中继器的累计导致了抖动的产生和累加。l数字复接及分接器引起的抖动。 在复接器的支路输入口，各支路数字信号附加上码速调整控制比特和帧定位信号形成群输出信号。而在分接器的输入口，要将附加比特扣除，恢复原分支数字信号，这些将不可避免地引起抖动。l噪声引起的抖动。 由于数字信号处理电路引起的各种噪声。l其它原因。 由于环境温度的变化、传输线路的长短及环境条件等也会引起抖动。抖动的类型抖动的类型l随机性抖动。随机性抖动。 在再生中继器内与传输信号关系不大的抖动来源称为随机性抖动。这些抖动主要由于环境变化、器件老化及定时调谐回路失调引起。l系统性抖动。系统性

25、抖动。 由于码间干扰，定时电路幅度相位转换等因素引起的抖动。抖动的容限抖动的容限l输入抖动容限。输入抖动容限。 输入抖动容限是指数字段能够允许的输入信号的最低抖动限值，即加大输入信号的抖动值，直到设备由不误码到开始误码的这个分界点。此时的输入信号上的误码即为最大允许输入抖动下限。 f1Ui20DB/十倍频程A2f2f3f4fA1图7.4 最大允许输入抖动下限表7.5 输入口对输入数字信号抖动的最低容限l输出抖动容限。 在数字段输入信号无抖动时,由于数字段内的中继器产生抖动,并按一定规律进行累计,于是在数字段输出端产生抖动。ITUT提出了数字段无输入抖动时的输出抖动上限，即为输出抖动容限，具体要

26、求见表7.6。表7.6 输出抖动容限l抖动转移特性。 由于输入口数字信号的抖动经设备或系统转移后到达输出口，从而构成了输出抖动的另一个来源。为了保证数字网抖动的总质量目标，ITUT建议抖动转移增益不大于1dB。（3）光接口指标）光接口指标 一个完整的光纤通信系统的具体组成如图7.5所示。 发 送电 端 机光 端 机光 纤光 纤光 端 机电 端 机ABSRBA接 收发 送接 收中 继中 继RS发 送接 收发 送接 收图7.5 光纤数字通信系统方框图 我们把光端机与光纤的连接点称为光接口。光接口有两个，一个由S点向光纤发送光信号；另一个由R点从光纤接收信号。光中继器两侧均与光纤相连，所以它两侧的接

27、口均为光接口。光接口是光纤通信系统特有的接口。在S点的主要指标有平均发送光功率和消光比，在R点的主要指标有接收机灵敏度和动态范围。平均发送光功率平均发送光功率 光端机的平均发送光功率是指光端机在正常工作的情况下，由电端机输出223-1或215-1的伪随机码时，光端机输出端S点测量到的平均光功率。平均发送光功率的功率值用（W）表示，电平值用LT（dBm）表示，光功率值与电平值之间的关系是：310lg()10TTPL （7.2） 对于一个实际的光纤通信系统，平均发送光功率并不是越大越好，虽然从理论上讲，发送光功率越大，通信距离越长，但光功率越大会使光纤工作在非线性状态，这种非线性状态会对光纤产生不

28、良影响。消光比消光比 消光比是指光端机的电接口输入为全“1”码和全“0”码时的平均发送光功率之比，用EXT表示：01PEXTP（7.3） 但由于光端机的输入信号是伪随机码，它的“0”码和“1”码是等概率的，因此光端机输入全“1”码的平均发送光功率P1为光端机平均发送光功率 的2倍。TP02TPEXTP（7.4） 无输入信号时，光端机输出平均发送光功率 ，对接收机来说是一种噪声，会降低接收机的灵敏度，因此希望消光比越小越好。但是，对激光器LD来讲，要使消光比小就要减小偏置电流，从而使光源输出功率降低，谱线宽度增加。所以要全面考虑消光比与其它指标之间的矛盾。0P接收机灵敏度接收机灵敏度 接收机灵敏

29、度是指在满足给定误码率条件下，光端机光接口R点能够接收到的最小平均光功率电平值 。通常用dBm作为灵敏度的衡量单位。接收机的灵敏度是光端机的重要性能指标，它表示了光端机接收微弱信号的能力。它与系统要求的误码率，系统的码速、接收端光电检测器的性能有关。 rP动态范围动态范围 光接收机对它能接收到的光功率有一个最小值（接收机灵敏度），当接收机收到的信号小于这个最小值时，系统的误码率就达不到要求。若接收机接收的光功率过大，也会使系统的误码率达不到要求。 为了保证系统的误码特性，光接收机收到的光功率只能在一定的范围内。这个范围就是动态范围D。具体的定义是：在满足给定误码率的条件下，光端机输入连接器R点

30、能收到的最大光功率电平值 与收到的最小功率电平值 之差，其中功率电平值的单位是dbm。rPrP()rrDPPdB（7.5）（4）电接口指标）电接口指标 图7.22中的A、B点为电接口。通常把A点称为输入口，B点称为输出口。在输入口和输出口都需要测试的指标是：比特率及容差、反射损耗。在输入口测试的指标有输入口允许衰减和抗干扰能力、输入抖动容限；在输出口测试的指标有输出口脉冲波形、无输入抖动时的输出抖动容限。比特率及容差比特率及容差 比特率指在单位时间（1秒）内传送的比特数。即数字信号的传输速率。实际传送的数字信号的比特率与规定的标称比特率之间有些差别，这个差别就是容差。容差用“ppm”（10-6

31、）表示。表7.7给出了数字信号的标称比特率及容差。表7.7各级电接口的标称比特率及容差反射损耗反射损耗 当光端机接口处的实际阻抗 与传输电缆的特性阻抗 有差异时，就会在光端机接口处产生反射。反射信号与入射信号相叠加，就会造成误码。这种反射作用的大小通常用反射损耗来衡量。反射损耗 的定义为pbcZpb20lgxcpxcZZbZZ（7.6） 由公式看出，光端机电接口阻抗越匹配，反射损耗越大，反射信号的影响就越小。为了保证设备的正常工作，反射损耗应达到规定值。 表7.8给出了一、二、三次群电接口对输入口提出的反射损耗的要求，及四次群电接口对输入口及输出口提出的反射损耗的要求。表7.8电接口发射损耗指

32、标输入口允许衰减输入口允许衰减 各次群光端机，连接上游设备和输入口的电缆及数字配线架对信号都有一定的衰减，这就要求光端机在接收该信号时仍不发生误码，这种光端机输入口能承受一定传输衰减的特性，即为允许衰减。 表7.9输入口允许衰减和抗干扰能力指标输入口抗干扰能力输入口抗干扰能力 前面所讲的反射信号是一种干扰信号，通常把光端机在接收被干扰的有用信号后仍不产生误码的能力称为输入口的抗干扰能力。因此，用有用信号的功率与干扰信号的功率之比来表示抗干扰能力的大小。抗干扰能力指标见表6.7。 输出口脉冲波形输出口脉冲波形 为使不同厂家的设备具有兼容性，要求这些设备的接口波形必须符合ITUT提出的要求，即如图

33、7.6所示脉冲波形样板。269 ns(244+25)V=100%20%20%10%10%194 ns(244-50)标称脉冲50%0%10%10%20%488 ns(244+244)10%10%219 ns(244-25)244 nsV对应于标称峰值图7.6 2048kbit/s接口脉冲样板 光纤通信利用光纤传输信号。光信号在传输过程会出现两个问题：l（1）光纤损耗使光信号的幅度衰减，限制了光信号的传输距离；l（2）光纤的色散特性使光信号波形失真，造成噪声和误码率增加。 这些不但限制了光信号的传输距离，也限制了光纤的传输容量。为了增加光纤的通信距离和通信容量，就必须在光纤传输线路中每隔一定距离

34、设置一个中继器。中继器的功能主要有：l（1）补偿衰减的光信号；l（2）对失真的信号波形进行整形。 所以，在长距离传输时，中继器是保证高可靠性和高质量传输的重要部分。 光纤通信中的中继器主要有两种:一种是光电中继器，另一种是全光中继器。 1. 光电中继器的基本结构光电中继器的基本结构（1）中继器的构成方框图）中继器的构成方框图 由于目前长距离传输多为数字信号系统，因此我们主要讨论的也是数字光电中继器。即光电光型中继器。这样的中继器是由一个没有线路码型变换和反变换的光接收和光发射相连接的系统。 如图7.7所示。这种光中继器的电路要比光端机的电路简单，但主要的电路原理是一样的。光电检测器前置放大器主

35、放大均衡判决调制电路光源自动增益控制时钟提取自动功率控制图7.7 数字光中继器原理框图（2）中继器的结构形式）中继器的结构形式 中继器有的是设在机房中，有的是箱式或罐式，有的是直埋在地下或架空光缆在电杆上。对于直埋和架空的室外中继器必须有良好的密封性能。（3）光中继器的公务监控方式）光中继器的公务监控方式 光中继器的公务监控等信号有两种传输方法：l一种是与主信道分开，另设传输信道；l一种是将这些信号插入到主信道信号中和主信号一起传输，到中继器再分开。二者各有优缺点。目前主要采用第二种方式。这一过程主要由光中继器中的插、分电路来完成。2. 全光中继器全光中继器 目前，在光纤通信中，中继器主要还是

36、光电中继器，这是一种间接的信号放大过程。但是随着光纤通信技术和光器件的快速发展，一种光纤放大器作为光中继器的用途越来越受到广泛关注。目前所研制的光放大器主要是掺铒光纤放大器。这种放大器的工作原理及工作特性在前边章节已作过详细讨论，这里我们仅就它的用途作一介绍。 掺铒光纤放大器是一个直接对光波实现放大的有源器件，可在光纤线路中代替目前广泛使用的光电光型中继器，其工作原理图如图7.8所示。 光发射机光纤EDFA 光纤EDFA 光纤光接收机图7.8 掺饵光纤放大器用作光中继器的原理框图 用掺铒光纤放大器作中继器的优点是，设备简单，没有光电光的转换过程，工作带宽宽。缺点是，光放大器作中继器时，对波形的

37、整形不起作用。7.2.3.3光纤通信系统中继距离的光纤通信系统中继距离的设计设计 根据前面所讨论的光纤传输系统的各种指标要求，光发射机与光接收机之间有最大传输距离的问题。因此如要实现长距离通信，在设计一个光纤系统时，最大中继距离的设计就是一个重要问题。从前面的性能讨论知道，最大中继距离要受以下4个因素的影响。（1）发射机耦合入光纤的功率 。 从物理概念上理解，在其它条件不变的情况下，光功率 越大，传输距离越长。TPTP（2）光接收机灵敏度 由于光接收机灵敏度的定义是在满足系统误码率指标下的最低接收光功率，因此，在其它条件不变的情况下，接收机灵敏度越高（ 越小），传输距离越长。rPrP（3）光纤

38、的每千米衰减系数。 若光纤的每千米衰减系数越小，则光纤传输中损耗的功率越小，光能在光纤中传输的距离越长。（4）光纤的色散。 若光纤的色散大，则经过相同距离的传输出现的波形失真越严重，若传输距离越长，失真越严重。波形失真将引起码间干扰，导致接收机灵敏度降低。下面我们分两种情况讨论：下面我们分两种情况讨论：（1）中继距离受光纤衰减限制的情）中继距离受光纤衰减限制的情况况 如果在光纤通信系统中，信号的码速不是很高，带宽足够宽，则光纤的色散对传输距离的影响不大，可认为光纤传输系统的最大中继距离仅受光纤衰减的影响。则中继距离的长度可按下式计算min(6 8)TcPPnL（7.7） 其中,L为中继段长度（

39、km）;PT为入纤光功率（dBm）;Pmin为接收机灵敏度（dBm）;c为一个光纤接头的损耗（dB）;n为光纤系统中的接头数;为光纤每千米衰减系数（dB/km）。一般光缆线路上，每千米一个接头。（2）色散对中继距离的影响）色散对中继距离的影响 当光纤系统的码速大于140Mb/s时，如果中继距离过长，由于色散的影响，会造成数字信号脉冲过大的展宽，引起码间干扰，从而降低光接收机的灵敏度。就目前的速率系统而言，仅考虑色散影响的中继距离的计算公式为610DLBD（7.8） 其中,为传输距离（km）;B为线路码速率（Mb/s）;D为色散系数ps/(kmnm）;为与色散代价有关的系数。由系统中所选用的光源

40、类型来决定，若采用多纵模激光器，因其具有码间干扰和模分配噪声两种色散机理，取为0.115；若采用单纵模激光器和半导体发光二极管，则取为0.306。 对于某一传输速率的系统而言，在考虑上述两个因素的同时，分别算出两个中继距离L和LD，然后取距离短的为该传输速率的实际中继距离。 【例7.1】已知一个565Mb/s单模光纤传输系统，其系统 总体要求如下： (1)光纤通信系统光纤损耗为0.1dB/km，有五个接头，平均每个接头损耗为0.2dB，光源的入纤功率为-3dBm，接收机灵敏度为-56dBm。 (2)光纤线路上的线路码型是5B6B，光纤的色散系数为2ps/（kmnm），光源光谱宽度为 1.8nm

41、。 求最大中继距离为多少？解 由公式得 min66(6 8)3( 56)5 0.284400.1100.306 10125565 (6/5) 1.82TcDPPnLkmLkmBD 因为，DL L，所以中继距离为125km。DL7.2.4 数字光纤通信系统的应用数字光纤通信系统的应用 目前数字通信系统主要包含两种传输体制，一种是准同步数字复用体系(PDH),另一种是同步数字复用体系（SDH）.这两种数字复用体系在早期的电线、电缆及微波等电域传输系统中得到广泛应用。特别是PDH技术体系为数字通信的发展奠定了基础。 这两种数字传输体系结构同样也被引入了早期的光纤通信系统。所以早期的数字光纤通信系统都

42、是以这两种数字信号传输标准进行数字信号传输的。 而近年来，以高速率、大容量、多业务为传送目标的现代光纤数字传输技术已经得到迅猛发展，如以波分复用（DWDM）技术为基础的光网络技术（OTN，在电域叫OTH）和以分组技术为基础的下一代光数字传输网络的分组光网络系统（PTN）等都得到迅速发展和应用推广。 由于现在还有很多通信系统和设备使用PDH标准和SDH标准，所以在近期这两种体系结构还不会被淘汰。下面我们将就光纤数字传输系统中的这两种技术做一介绍，其他技术将会在别的地方介绍。7.2.4.1 PDH系统系统1.PDH的概念的概念 PDH准同步数字传输系统是将由抽样、量化、编码后得到的PCM数字信号进

43、行准同步复用后进行传送的数字通信系统。目前PDH技术有两种主流传输标准，一种是北美和日本等国家广泛使用的T-系列标准，其基础速率为1.544Mb/s, 基群帧含有24个信道（时隙TS）；另一种是欧洲各国和中国采用的E-系列标准，其基础传输速率为2.048Mb/s, 基群帧含有32个信道(TS)，我们经常称其为PCM30/32系统。下面我们主要介绍一下E-系列的基群帧结构和复帧结构。 我国采用的是E-系列PDH标准。典型的设备是PCM 30/32系统。由于语音信号的频率通常小于4KHz，根据取样定律，要将模拟语音信号变为数字信号，所选的取样速率应为8KHz,也就是说，两相邻样值之间间隔为125s

44、，在PCM30/32帧结构中。我们称这一时间间隔为一帧。图 7.9 PCM30/32帧结构和复帧结构从图7.9我们可以看到： 1)在PCM30/32帧结构中，每一个时隙（TS），即一个话路，占8个bits,时隙长度为3.9s; 2)PCM30/32一帧含有32个时隙，其中1到15和17到31时隙传语音信号，其他两个时隙传帧同步信号、告警信号、扶正同步信号和信令信号，其帧长为125s。 3)每一路语音信号都需要信令的支持才能进行通信，PCM 30/32系统有30个话路，因此必须传输30路信令。一路信令信号只需要4bit，1个可以传送两路信令，15个（15帧）可以传送30路信令； 4)信令信号每隔

45、16帧传送一次，16帧称为1复帧，一个复帧的时长是2ms。 PCM30/32是PDH的基群，一帧含有32个时隙，传输速率为2.048Mb/s.其高次群分别为E2、E3、E4和E5等，相关技术参数可参见表4.1。2. PDH技术标准技术标准 如前所述，PDH目前主流标准有欧制的E-系列和美制的T-系列，相关标准和对应关系可参见表7.10。一次群一次群（基基群）群）二次群二次群三次群三次群四次群四次群五次群五次群日本日本2424路路1.544M1.544Mb bi it t/ /s s9696路路(24(244)4)6.312Mb6.312Mbit/it/s s480480路路(96(965)5)

46、32.064Mb32.064Mbit/it/s s14401440路路(480(4803)3)97.728Mbi97.728Mbit/st/s5760路路(4404)397.200 397.200 MbitMbit/s/s北美北美2424路路1.544M1.544Mb bi it t/ /s s9696路路(24(244)4)6.312 6.312 MbiMbit/st/s672672路路(96(967)7)44.736 44.736 MbiMbit/st/s40324032路路(672(6726)6)274.176 274.176 MbitMbit/s/s欧洲欧洲中国中国3030路路2.04

47、8 2.048 M Mb bi it t/ /s s120120路路(30(304)4)8.448 8.448 MbiMbit/st/s480480路路(12(120 04)4)34.368 34.368 MbiMbit/st/s19201920路路(480(4804)4)139.264 139.264 MbitMbit/s/s7680路路(19204)564.992 Mbit/s3.PDH系统系统如图7.10,是典型的PDH系统组成原理图。图7.10 数字复接系统方框图 低次群支路数字信号经复接器复接成高次群信号后，经传输介质传输到接收端，接收端进行与发送端相反的操作，将高次群信号去复用成低

48、次群信号。如果中间的传输介质为光纤的话，那么在复接设备后面应接光发射机，再分解器前面应届光接收机，此时的PDH系统即为光纤PDH数字传输系统。4.PDH系统在光纤通信中的与应系统在光纤通信中的与应用用 在早期的通信网中，由于交换设备和相关终端设备都是PCM设备，所以当时的数字光纤通信系统中，大都采用PDH数字复接设备用来提高系统的传输能力。图7.11是PDH复接系统的典型应用。图中可见如果将五次群数字复用信号调制到光端机上，再用光纤来传输此信号，其就实现了光纤数字通信系统。图7.11 PDH复接系统示意图 虽然早期采用PDH作为光纤数字通信标准，解决了当时数字信号传输的问题，但是随着应用和技术

49、的发展，人们发现PDH光纤数字通信系统存在一些固有问题，难以解决。如：（1）无统一的光接口，无法实现横向兼容；（2）准同步复用方式，上下电路不便；（3）网络管理能力弱，建立集中式电信管理网困难；（4）网络结构缺乏灵活性；（5）面向话音业务等。面对这些问题，人们开始寻找新的技术标准，后来的SDH技术因而应运而生了。7.2.4.2 SDH系统系统1.SDH的概念的概念 SDH系统是由一些基本网络单元（NE）组成的，在传输媒质上（如光纤、微波等）进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的传送网络。 它的基本网元有终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）、同步数字交叉连接设备（SDXC）和再生中继器（R

50、EG）等。 SDH网采用灵活的映射和独特的指针调整技术，经过字节间插进行同步复用，将各种类型的信号纳入具有标准接口的同步传送模块STMN传送，从而以高度的兼容性、灵活性和可靠性等，使传送网真正进入智能化的联网应用阶段。（1）SDH的特点的特点l新型的复用映射方式：同步复用方式和灵活的映射结构。l接口标准统一：全世界统一的NNI，体现了横向兼容性。l网络管理能力强：帧结构中丰富的开销比特。l组网与自愈能力强：采用先进的ADM、DXC等组网。l兼容性好：具有完全的前向兼容性和后向兼容性。l先进的指针调整技术：可实现准同步环境下的良好工作。 l独立的虚容器设计：具有很好的信息透明性。l系列标准规范：

51、 便于国内、国际互连互通。（2）SDH的帧结构的帧结构 SDH传送体系和PDH一样，其也具有分级结构。在SDH中，分别有STM-1、STM-4、STM-16、STM-64等4种传送模式，通常我们将其简写为STM-N。 STMN信号是一个数字序列，该数字序列通常分成具有固定数量比特的、按一定规律重复的图案，即所谓“帧”。STM-1信号一帧包含2430（2709）字节。若将2430字节分为9段，依序作为19行便构成平面帧，见图7.12 。图7.12 STM1帧结构 STM-1平面帧以字节为单位，有9行、270列。前9列的13行是再生段开销，59行是复用段开销，第4行是管理单元指针，其余261列是净

52、负荷（简称净荷）。STM1信号的传输顺序从第1行第1列开始，依次为第2、3、270列，第1行传完再传第2行的第1270列，逐行、逐列传输直到第9行第270列。每秒传输8000帧（每帧125s），一帧有19440（24308）bit，所以比特率为155.520Mb/s。 帧结构由信息净负荷（Payload，含通道开销POH）、段开销（SOH）和管理单元指针（AUPTR）三个主要区域组成。 信息净负荷是帧结构中除了存放传送的各种信息码块，也存放少量用于通道性能监视、管理和控制的通道开销（POH）字节块，POH通常作为净负荷的一部分与信息一起传送。 段开销是为保证信息净负荷正常灵活传送所必须附加的供

53、网络运行、管理和维护（OAM）使用的字节。段开销又分为再生段开销（RSOH）和复用段开销（MSOH）两部分，它们分别位于帧结构的三行（第35行）9列和五行（第59行）9列，共计（3+5）9=72个字节（576个比特）。 管理单元指针是用来指示信息净负荷第1个字节在帧内准确位置的指示符，以便在收端正确分离信息净负荷。它位于RSOH和MSOH之间，即帧结构第四行的第19行。 更高速率STMN帧结构类视于STM-1的帧结构，只是它由9行和270N列组成。向前面所述，通常N只能取1、4、16、64。高速率STMN帧和STM1帧一样，也是每秒传输8000帧（每帧125s），所不同的是段开销和净负荷各扩大

54、了N倍，相应速率是STM1（155.520Mb/s)的N倍。 STM-N（N=1，4, 16, ）的帧结构和段开销，是由STM-1帧结构和段开销按一定规律经字节间插同步复用而成，因而分析清楚STM-1结构，STM-N结构就不难分析。2. SDH技术标准技术标准 SDH技术最早由美国人提出，1985年美国ANSI通过此标准，形成了美国国家的正式标准，并将其命名为同步光网络（SONET）。1988年ITU-T接受了SONET的概念，并进行了适当的修改，重新命名为同步数字体系（SDH），使之成为不仅适于光纤，也适于微波和卫星传输的国际标准。SDHSONET等 级标称速率（Mbit/s）简 称等 级标

55、准速率（Mbit/s）OC-1/STS-1（480CH）51.840STM-l（1920CH）155.520155Mbit/sOC-3/STS-3（1440CH）155.520OC-9/STS-9465.560STM-4（7696CH）622.080622Mbit/sOC-12/STS-12622.080OC-18/STS-18933.120OC-24/STS-241244.160OC-36/STS-361865.240STM-16（30720CH）2488.3202.5Gbit/sOC-48/STS-48（32356CH）2488.320OC-96/STS-96（尚待确定）4975.640S

56、TM-64（122880CH）9953.28010Gbit/sOC-192/STS-192（129024CH）9953.280表7.11 SONET和SDH的标准对照 1989年，ITU-T在其蓝皮书上发表了G.707、G.708和G.709三个标准，从而揭开了现代信息传输崭新的一页。 ITUT的G.707建议规定了完整的SDH映射复用结构，描述了各种低速外部信号，它是经历一系列中间信息结构和处理环节装入STMN信号的高速净负荷区的方法和过程，如图7.13所示。图7.13 G.709建议的SDH复用映射结构图l图中各部分的名称和作用： 标准容器（C-n）、虚容器（VC-n）、支路单元（TU-n

57、）、支路单元组（TUG-n）、管理单元（AU-n）和管理单元组（AUG）。 SDH的基本复用映射结构描述了各种业务信号复用进STM-N帧的过程都要经历映射、定位和复用三个步骤。 我国采用的复用映射结构使得每种速率的信号只有惟一的复用路线到达STM-N ，接口种类由5种简化为3种，主要包括C-12，C-3和C-4三种进入方式。3. SDH系统系统 SDH系统是由基本网络单元组成的，其基本网络单元包括TM、ADM和DXC。图7.14所示为SDH传送网的典型拓扑结构（不含光传输通道中的再生中继器（REG）。其中TM是SDH终端设备（或称SDH终端复用器），ADM是分插复用设备，DXC是数字交叉连接设

58、备。图7.14SDH传送网的典型拓扑结构 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STMN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。 再生中继器REG:RGE有两种，一种是纯光的再生中继器，主要进行光功率放大以延长光传输距离；另一种是电再生中继器，通过光/电变换、电信号抽样、判决、再生整形、电

59、/光变换，以达到消除线路噪声积累，保证线路上传送信号波形的完好。4. SDH系统在光纤通信中的与应用系统在光纤通信中的与应用 我国的SDH网络结构分为四个层次，如图7.15所示。第一层为省际长途一级干线网，在省会城市及业务量较大的汇接节点城市装有DXC4/4，其间由高速STM16/STM64光纤链路或STM16/64的DWDM系统连接，形成了一个大容量、高可靠性的网孔形国家骨干网结构，并辅以少量线形网。 图7.15我国的SDH传送网的物理拓扑结构 该层能经济有效地恢复大部分业务，并实施大容量的通道业务调配和监视。对于政府机关、金融机构等有高可靠性要求的节点，还可采用快速业务恢复的子网连接保护（

60、SNCP）或自愈环保护的子层结构。图7.16 SDH系统在分层网络结构中的应用图7.17 PDH/SDH数字光纤通信系统7.3 模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统7.3.1 模拟光纤通信系统的概念模拟光纤通信系统的概念 虽然目前许多光纤通信系统采用数字信号传输方式，但仍然有许多应用领域适宜采用模拟传输。当光纤系统是受带宽限制而不是受损耗限制，以及终端设备的价格成为主要的考虑因素时，就值得采用模拟系统。例如，视频信号的短距离传输，CATV系统等采用模拟传输更为合理。 模拟通信系统除占用带宽较窄外，还有电路简单、价格便宜等优点。因此，目前的电视传输，广泛采用模拟通信系统。 另一方面，由于电视的数字化