第5章光纤传输系统

1、光纤通信简明教程原 荣1第第5章章 光纤传输系统光纤传输系统 5.1 光纤通信系统基础光纤通信系统基础 5.2 SDH光纤传输系统光纤传输系统 5.3 异步传输模式（异步传输模式（ATM）技术）技术 5.4 IP互联网互联网 5.5 光纤光纤/电缆混合（电缆混合（HFC）网）网 5.6 波分复用（波分复用（WDM）系统）系统 5.7 光正交频分复用（光正交频分复用（O-OFDM）光纤传输系）光纤传输系 统统 5.8 光纤技术在移动通信中的应用光纤技术在移动通信中的应用光纤通信简明教程原 荣2前言前言 至此，我们已介绍了构成光纤传输系统所必须的传输至此，我们已介绍了构成光纤传输系统所必须的传输介

2、质介质光纤和光缆，用于发射光信号的激光器和光发光纤和光缆，用于发射光信号的激光器和光发射机，用于接收光信号的光探测器和光接收机，在传射机，用于接收光信号的光探测器和光接收机，在传输线路中对光信号进行放大的光放大器，以及光纤传输线路中对光信号进行放大的光放大器，以及光纤传输系统经常用到的光无源器件。输系统经常用到的光无源器件。 本章将首先简要介绍数字通信的基础本章将首先简要介绍数字通信的基础脉冲编码脉冲编码（PCM），光纤传输系统用到的调制、编码和复用技），光纤传输系统用到的调制、编码和复用技术；接着讲解光纤通信系统或网络，如同步数字制式术；接着讲解光纤通信系统或网络，如同步数字制式（SDH）系

3、统、异步传输模式（）系统、异步传输模式（ATM）技术和国际互）技术和国际互联网协议（联网协议（IP）；然后介绍光纤）；然后介绍光纤/电缆混合（电缆混合（HFC）网、）网、波分复用（波分复用（WDM）系统；最后给出光正交频分复用）系统；最后给出光正交频分复用（O-OFDM）光纤传输系统和射频信号光纤传输）光纤传输系统和射频信号光纤传输（RoF）系统。）系统。光纤通信简明教程原 荣35.1 概述 5.1.1 脉冲编码将模拟信号变为数字 信号 5.1.2 信道编码减少误码方便时钟提取 5.1.3 信道复用提高信道容量，充分利用光纤带宽 5.1.4 光调制让光携带声音和数字信号光纤通信简明教程原 荣4

4、5.1.1 脉冲编码脉冲编码将模拟信号变为数字信号将模拟信号变为数字信号 光纤通信系统光源的发射功率和线性都有限，因此通光纤通信系统光源的发射功率和线性都有限，因此通常选择二进制脉冲传输，因为传输二进制脉冲信号对常选择二进制脉冲传输，因为传输二进制脉冲信号对接收机接收机SNR的要求非常低（的要求非常低（15.6 dB），对光源的非线），对光源的非线性要求也不苛刻。性要求也不苛刻。 脉冲编码调制（脉冲编码调制（Pulse-Code Modulation，PCM）是光）是光纤传输模拟信号的基楚。解码后的基带信号质量几乎纤传输模拟信号的基楚。解码后的基带信号质量几乎只与编码参数有关，而与接收到的只与

5、编码参数有关，而与接收到的SNR关系不大。假关系不大。假如接收到的信号质量不低于一定的误码率，此时解码如接收到的信号质量不低于一定的误码率，此时解码SNR只与编码比特数有关。只与编码比特数有关。 图图5.1.1表示表示PCM编码过程。在说明该图之前，让我们编码过程。在说明该图之前，让我们简要地介绍一下实现简要地介绍一下实现PCM通信的通信的3个最基本的过程，个最基本的过程，即取样、量化和编码。即取样、量化和编码。光纤通信简明教程原 荣51. 取样取样 取样是分别以固定的时间间隔取样是分别以固定的时间间隔T取出模拟信号的瞬时幅取出模拟信号的瞬时幅度值度值(简称样值简称样值)的过程，如图的过程，如

6、图5.1.1 (b)所示。要想实现所示。要想实现模拟模拟/数字数字(A/D)变换变换,首先要进行取样。首先要进行取样。 取样定理取样定理: 若取样频率不小于模拟信号带宽的两倍，则若取样频率不小于模拟信号带宽的两倍，则取样后的样值波形只需通过低通滤波器即可恢复出原取样后的样值波形只需通过低通滤波器即可恢复出原始的模拟信号波形。始的模拟信号波形。 图图5.1.1(b)表示具体的取样过程，由图可见，时间上连表示具体的取样过程，由图可见，时间上连续的信号变成了时间上离散的信号，因而给时分多路续的信号变成了时间上离散的信号，因而给时分多路复用技术奠定了基础。但这种样值信号，本身在幅度复用技术奠定了基础。

7、但这种样值信号，本身在幅度取值上仍是连续的（称为脉冲幅度调制（取值上仍是连续的（称为脉冲幅度调制（PAM）信）信号），因此仍属模拟信号，它不仅无法抵御噪声的干号），因此仍属模拟信号，它不仅无法抵御噪声的干扰，而且也不能用有限位数的二进码组加以表示。扰，而且也不能用有限位数的二进码组加以表示。光纤通信简明教程原 荣6图图5.1.1 PCM编码编码过程过程1 01 12468101 1 1101 010TTT(4)(5)(5)(6)(7)(3)(1)tttt数字信号任意单位模拟信号(a)取样(b)量化(c)编码(d)1011 0 0 1T(0)0 0 00246800光纤通信简明教程原 荣72.

8、量化量化 所谓量化指的是将幅度为无限多个连续样值变成有限所谓量化指的是将幅度为无限多个连续样值变成有限个离散样值的处理过程。个离散样值的处理过程。 具体来说，就是将样值的幅度变化范围划分成若干个具体来说，就是将样值的幅度变化范围划分成若干个小间隔，每一个小间隔称之为一个量化级，当某一样小间隔，每一个小间隔称之为一个量化级，当某一样值落入在某一个小间隔内时，可采用值落入在某一个小间隔内时，可采用“四舍五入四舍五入”的的方法分级取整，近似看成某一规定的标准数值。这样方法分级取整，近似看成某一规定的标准数值。这样一来，就可以用有限个标准数值来表示样值的大小。一来，就可以用有限个标准数值来表示样值的大

9、小。 当然量化后的信号和原来的信号是有差别的，称之为当然量化后的信号和原来的信号是有差别的，称之为量化误差，对于图量化误差，对于图5.1.1(c)所示的均匀量化，各段的量所示的均匀量化，各段的量化误差均为化误差均为 0.5。经过量化后的各样值可用有限个值。经过量化后的各样值可用有限个值来表示，进而即可进行编码。来表示，进而即可进行编码。光纤通信简明教程原 荣83. 编码编码光纤通信简明教程原 荣9表表5.1.1 8个样值电平值与二进制个样值电平值与二进制代码的对应关系代码的对应关系 至此，将一路模拟信号变成用二进制代码表示至此，将一路模拟信号变成用二进制代码表示的脉冲信号的处理过程就结束了。所

10、产生的信的脉冲信号的处理过程就结束了。所产生的信号称之为号称之为PCM信号。而描述所含信息量的大小，信号。而描述所含信息量的大小，可用传输速率来表示，即每秒钟所传输的码元可用传输速率来表示，即每秒钟所传输的码元（比特）数目（比特（比特）数目（比特/秒，秒，bit/s）。）。 光纤通信简明教程原 荣10我国我国PCM通信制式的基础速率通信制式的基础速率 光纤通信简明教程原 荣114. PCM编码编码数字信号输入数字信号输出脉冲幅度调整波形基带滤波器幅度调整放大器A数/模转换缓冲器定时输入输出同步定时恢复输出模拟信号(b) 接收端基带滤波器() f1幅度调整放大器A取样和保持定时发生器脉冲幅度调整

11、量化/编码编码量化数字信号输出()fb2.4fsfsn速率=(a) 发送端基带信号输入() f1光纤通信简明教程原 荣124. PCM编码编码光纤通信简明教程原 荣135.1.2 信道编码信道编码减少误码方便时钟提取减少误码方便时钟提取对数字信号进行编码的理由是：对数字信号进行编码的理由是：(1)为了使接收再生电路把相位或频率锁定为了使接收再生电路把相位或频率锁定到信号定时上；到信号定时上；(2)因为光接收机采用电容耦合，接收机不因为光接收机采用电容耦合，接收机不能对直流和低频分量响应，使长连零信能对直流和低频分量响应，使长连零信号的幅度逐渐下降，经判决电路后会产号的幅度逐渐下降，经判决电路后

12、会产生误码，如图生误码，如图5.1.3所示。所示。光纤通信简明教程原 荣14几种有效的信道编码方式几种有效的信道编码方式 使非归零码（使非归零码（NRZ）的）的“1”码在码在T/2周期时由高电平变成低周期时由高电平变成低电平，即由非归零码变成归零码（电平，即由非归零码变成归零码（RZ），使图），使图5.1.6（a）变）变为图为图5.1.6（b）；）； 使用产生随机码的编码多项式对使用产生随机码的编码多项式对NRZ码进行扰码，确保长连码进行扰码，确保长连“1”（高电平）或长连（高电平）或长连“0”（低电平）光脉冲串不出现；（低电平）光脉冲串不出现； 使用相位调制码，如曼彻斯特（使用相位调制码，如

13、曼彻斯特（Manchester）编码，不管输）编码，不管输入信号如何，输出占空比总是入信号如何，输出占空比总是50 %，如图，如图5.1.6（c）所示；）所示； 在在P-I特性的线性部分的半功率点偏置特性的线性部分的半功率点偏置LED或或LD，这样发射，这样发射光脉冲是双极性码，相当于三电平编码，如图光脉冲是双极性码，相当于三电平编码，如图5.1.6（d）所）所示；示； 在半功率点偏置光源，并用差分输入信号驱动它，发射脉冲在半功率点偏置光源，并用差分输入信号驱动它，发射脉冲总是正负相间变化，因此减小了所有的低频分量，如图总是正负相间变化，因此减小了所有的低频分量，如图5.1.6（e）和图）和图

14、5.1.6（f）所示；）所示； 使用很高电平的窄脉冲进行脉冲位置调制（使用很高电平的窄脉冲进行脉冲位置调制（PPM），在判决），在判决前进行积分和再生，以便恢复输入信号，如图前进行积分和再生，以便恢复输入信号，如图5.1.6（g）所）所示。示。光纤通信简明教程原 荣15图图5.1.3 光接收机电容耦合使长连零信号光接收机电容耦合使长连零信号幅度下降导致判决产生误码幅度下降导致判决产生误码AA判判决决电电路路输输出出(A)(B)(C)01011tT T+V01 0 0 0* * *3 3个个误误码码( (a a) )(b)01011tT T+V01111点点波波形形(A)01011tT T+V0

15、1111判判决决门门限限Vref判判决决前前 点点波波形形(B) 点点输输出出产产生生误误码码的的波波形形(C) 电电容容耦耦合合放放大大判判决决电电路路电电容容耦耦合合放放大大判判决决电电路路各各点点波波形形refVVb光光输输入入光纤通信简明教程原 荣16编码的目的编码的目的 使输出的二进制码不要产生长连使输出的二进制码不要产生长连 “1” 或或长连长连 “0”，而是使，而是使 “1” 码和码和 “0” 码尽码尽量相间排列。量相间排列。 这样既有利于时钟提取，也不会产生因这样既有利于时钟提取，也不会产生因长连零信号幅度下降使判决产生误码。长连零信号幅度下降使判决产生误码。光纤通信简明教程原

16、 荣17图图5.1.4 两种二进制编码两种二进制编码波形波形频谱图频谱图101010TT2T3T4T5+Vt101010TT2T3T4T5+Vtf0V2TT1T21T2f0V2TT1T21T216码型码型二进制码：二进制码：（NRZ）非归零码非归零码（RZ）归零码归零码(a)(b)光纤通信简明教程原 荣18双二进制编码（双二进制编码（DB）技术）技术 双二进制编码（双二进制编码（DB，Duo Binary）技术）技术能使能使“0”和和“1”的数字信号，经低通滤的数字信号，经低通滤波后变换为具有波后变换为具有3个电平的个电平的“1”、“0”和和“ 1”的信号。的信号。 这种技术与一般的幅度调制技

17、术比较，这种技术与一般的幅度调制技术比较，信号谱宽减小一半，这就使相邻信道的信号谱宽减小一半，这就使相邻信道的波长间距减小，可扩大信道容量，近来波长间距减小，可扩大信道容量，近来受到人们的高度重视。受到人们的高度重视。光纤通信简明教程原 荣19图图5.1.4 各种二各种二进制进制编码编码波形频谱图101010TT2T3T4T5+Vt101010TT2T3T4T5+Vt101010TT2T3T4T5tV/2+V/20TT2T3T4T5t+V0o90o0o0o90o0TT2T3T4T5t101010TT2T3T4T5+Vt101010TT2T3T4T5tV/2+V/2f0V2TT1T21T2f0V

18、2TT1T21T2f0t1pf0t1pVTtpf0T1T21f0T1T0.74T2f0T116滤波器冲激响应码型二进制码：（NRZ）非归零码（RZ）归零码脉冲位置编码NRZ变换编码双二进制码Manchester编码双极码HDB3(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)单极性码双极性码V+DB光纤通信简明教程原 荣20101010TT2T3T4T5+ Vt二二进进制制码码：（NRZ）非非归归零零码码SDH干线采用扰码的干线采用扰码的NRZ码码 大多数高性能干线系统使用扰码的大多数高性能干线系统使用扰码的NRZ码，如码，如 SDH 干线。干线。 这种码型最简单，带宽窄，这种码型最简单，带宽窄，S

19、NR 高，线路速率不高，线路速率不增加，没有光功率代价，无需编码，只要一个扰增加，没有光功率代价，无需编码，只要一个扰码器即可，使其最适合长距离系统应用。码器即可，使其最适合长距离系统应用。光纤通信简明教程原 荣21CMI 编码编码 ITU-T G.703建议中规定：建议中规定： PDH接口速率接口速率139.264 Mb/s使用；使用； SDH接口速率接口速率155.520 Mb/s的物理的物理/电接电接口使用；口使用； CMI 编码规定编码规定 输入码字为输入码字为“0”时，输出为时，输出为01； 输入码字为输入码字为“1”时，输出为时，输出为00或或11。光纤通信简明教程原 荣225.1

20、.3 信道复用信道复用 提高信道容量，充分利用光纤带宽提高信道容量，充分利用光纤带宽 信道复用目的：提高信道容量，充分利用光纤带宽信道，信道复用目的：提高信道容量，充分利用光纤带宽信道，方便光纤传输，把多个低容量信道以及开销信息，复用方便光纤传输，把多个低容量信道以及开销信息，复用到一个大容量传输信道。到一个大容量传输信道。 可以在电域和光域同时复用多个信道到一根光纤上。因可以在电域和光域同时复用多个信道到一根光纤上。因此，复用后的多个信道共享光源的光功率和光纤的传输此，复用后的多个信道共享光源的光功率和光纤的传输带宽。带宽。 在电域内，信道复用有时分复用（在电域内，信道复用有时分复用（TDM

21、）、频分复用）、频分复用（FDM）和正交频分复用（）和正交频分复用（OFDM）、微波副载波复用）、微波副载波复用（SCM）和码分复用（）和码分复用（CDM）；）； 在光域内，与此相对应，信道复用也有光时分复用在光域内，与此相对应，信道复用也有光时分复用（OTDM）、光频分复用即波分复用（）、光频分复用即波分复用（WDM）和光正）和光正交频分复用（交频分复用（O-OFDM），以及光码分复用（），以及光码分复用（OCDM），），如图如图5.1.5所示。此外，还有空分复用，比如双纤双向传所示。此外，还有空分复用，比如双纤双向传输就是空分复用。输就是空分复用。光纤通信简明教程原 荣23图图5.1.5

22、光纤通信系统利用的各种复用技术光纤通信系统利用的各种复用技术光纤通信简明教程原 荣245.1.4 光调制光调制 让光携带声音和数字信号让光携带声音和数字信号 在无线电广播和通信系统中，调制是用数字或模拟信号改变在无线电广播和通信系统中，调制是用数字或模拟信号改变载波的幅度、频率或相位的过程。调制分相干调制和非相干载波的幅度、频率或相位的过程。调制分相干调制和非相干调制；调制； 非相干调制非相干调制-改变载波的幅度；改变载波的幅度； 相干调制相干调制-改变载波的频率或相位；改变载波的频率或相位； 光通信系统中非相干调制有直接调制和外调制两种；光通信系统中非相干调制有直接调制和外调制两种； 直接调

23、制直接调制-信息直接调制光源的输出光强；信息直接调制光源的输出光强； 外调制外调制-信息通过外调制器对连续输出光进行调制；信息通过外调制器对连续输出光进行调制； 最常用的光纤系统都是采用非相干的强度调制最常用的光纤系统都是采用非相干的强度调制-直接检测直接检测(IM/DD)方式；方式； 近来，采用偏振复用正交相移键控（近来，采用偏振复用正交相移键控（PM-QPSK）调制，在）调制，在接收端使用相干检测，能够实现在现有接收端使用相干检测，能够实现在现有10 Gb/s光纤线路上传光纤线路上传输输40 Gb/s信号，这种相干检测受到重视。信号，这种相干检测受到重视。光纤通信简明教程原 荣25图图5.

24、1.6（a）表示用快速上表示用快速上下移动快门，下移动快门，使光波间断通使光波间断通过遮光板的孔过遮光板的孔洞，从而实现洞，从而实现光的脉冲调制。光的脉冲调制。 （d）脉冲调制（）脉冲调制（e）偏振调制）偏振调制光波快门传播方向调制后的光波遮板（a）脉冲调制t光强0tyx0t光强tE电场00（d）脉冲调制（e）偏振调制光纤通信简明教程原 荣26tt(c)幅度调制(g)相位调制tt光强00E电场tt光强00E电场（f）频率调制（b）光波的振荡波形E( )tt( )t2 /f 改变改变E0(t)的的调制是幅度调制是幅度调制调制 改变改变f(t)的调的调制是频率调制是频率调制制 改变改变 (t)的的

25、调制是相位调制是相位调制调制 光纤通信简明教程原 荣27PI曲线曲线IP-激激光光器器输输出出功功率率Ith驱动电流驱动电流输输入入电电脉脉冲冲输出光脉冲输出光脉冲tPthIM/DD方式方式 在发送端，电信号在发送端，电信号直接调制（直接调制（IM）光载波的强度；光载波的强度； 在接收端，光信号在接收端，光信号被光电二极管直接被光电二极管直接探测（探测（DD），从），从而恢复发射端的电而恢复发射端的电信号。信号。光纤通信简明教程原 荣28图图5.1.7 光通信采用的调制方式光通信采用的调制方式光纤通信简明教程原 荣29电电信信号号驱驱动动LD低低频频电电信信号号调调制制后后的的光光波波调调制制

26、光光低低频频电电信信号号高高速速驱驱动动高高频频载载波波LD调调制制光光低低频频电电信信号号调调制制后后的的高高频频载载波波调调制制后后的的光光波波外外调调制制器器放放大大器器 电电信信号号调调制制光光电电信信号号调调制制后后的的光光波波LD直直接接调调制制S SC CM M调调制制外外调调制制图图5.1.8 IM/DD方式实现图解方式实现图解光纤通信简明教程原 荣30低低频频电电信信号号高高速速驱驱动动高高频频载载波波LD调调制制光光低低频频电电信信号号调调制制后后的的高高频频载载波波调调制制后后的的光光波波副载波调制（副载波调制（SCM）副载波调制是首先用信息信号调制一个比基带信号最高频率

27、高几副载波调制是首先用信息信号调制一个比基带信号最高频率高几倍的载波倍的载波然后用该载波信号再去调制光波。然后用该载波信号再去调制光波。因为信号是用光波传输的，载波对光波而言只扮演着副载波的作因为信号是用光波传输的，载波对光波而言只扮演着副载波的作用，所以这种技术就称为副载波调制（用，所以这种技术就称为副载波调制（SCM，Subcarrier modulation）。）。光纤通信简明教程原 荣31 f AMPMFM解解调调msSCM分类分类 模拟调制模拟调制 用输入模拟信号调制高频正弦波的过用输入模拟信号调制高频正弦波的过程叫模拟调制。在接收端基带信号的恢复是通过程叫模拟调制。在接收端基带信号

28、的恢复是通过低通滤波器，滤除所有的高频成分而得到的。低通滤波器，滤除所有的高频成分而得到的。 频率调制频率调制 它是保持正弦载波的幅度不变，改变它是保持正弦载波的幅度不变，改变它的频率，使其成为输入信号电压的函数。它的频率，使其成为输入信号电压的函数。 相位调制相位调制 它是保持正弦载波的幅度和频率不变，它是保持正弦载波的幅度和频率不变，改变它的相位，而使其输出调制信号为输入信号改变它的相位，而使其输出调制信号为输入信号电压的函数。电压的函数。光纤通信简明教程原 荣32当调制信号是数字信号时，调制原理与模拟强度调制相同，只要用脉当调制信号是数字信号时，调制原理与模拟强度调制相同，只要用脉冲波取

29、代正弦波即可。但是工作点的选择不同，模拟强度调制选在冲波取代正弦波即可。但是工作点的选择不同，模拟强度调制选在 P- I 特性的线性区；而数字调制选在阈值点。特性的线性区；而数字调制选在阈值点。模拟强度调制模拟强度调制数字强度调制数字强度调制P激激光光器器输输出出功功率率IthI输输入入电电信信号号曲曲线线IP-IbPb输输出出光光信信号号驱驱动动电电流流ttPI曲曲线线IP-激激光光器器输输出出功功率率Ith驱驱动动电电流流输输入入电电脉脉冲冲输输出出光光脉脉冲冲tPth光纤通信简明教程原 荣331. 模拟强度光调制模拟强度光调制光纤通信简明教程原 荣342. 数字强度光调制数字强度光调制光

30、纤通信简明教程原 荣35例例5.1.1 “1” 码内的光振荡数量计码内的光振荡数量计算算 用脉冲信号对光强度调制用脉冲信号对光强度调制，使用波长为使用波长为 0.82 m 的的LED，请问当脉冲宽度，请问当脉冲宽度 1ns 时，在时，在“1”码时有多少个”码时有多少个光振荡？光振荡？解解 ： 已知： 已知82. 0 m ， 所 以光 频是， 所 以光 频是Hz106585. 314cf，光波的周期是，光波的周期是s017334. 2115fT。 已 知 脉 冲 宽 度。 已 知 脉 冲 宽 度Tele=1ns（s109），所以在该脉冲宽度内的光周期数是），所以在该脉冲宽度内的光周期数是853

31、365017334. 2/10159eleTTN光纤通信简明教程原 荣365.2 SDH光纤传输系统光纤传输系统5.2.1 时分复用工作原理时分复用工作原理5.2.2 SDH基本概念基本概念5.2.3 SDH帧结构和传输速率帧结构和传输速率5.2.4 SDH复用映射结构复用映射结构5.2.5 SDH设备类型和系统组成设备类型和系统组成5.2.6 SDH物理层物理层5.2.7 SDH网同步的电时分复用光纤通信系统网同步的电时分复用光纤通信系统光纤通信简明教程原 荣37从从PDH到到SDH 在在SDH出现以前，电信网中所用的数字传输系出现以前，电信网中所用的数字传输系统都属于准同步数字制式（统都属

32、于准同步数字制式（PDH），它可以很），它可以很好地适应传统的点对点通信，却无法适应动态好地适应传统的点对点通信，却无法适应动态联网的要求，也难以支持新业务应用和现代网联网的要求，也难以支持新业务应用和现代网络管理。络管理。 因此，光同步数字制式（因此，光同步数字制式（SDH）应运而生，成）应运而生，成为新一代公认的理想传输体制。为新一代公认的理想传输体制。 同步数字制式（同步数字制式（SDH）光纤传输系统可以说是）光纤传输系统可以说是一种最典型的电时分复用（一种最典型的电时分复用（TDM）应用。）应用。光纤通信简明教程原 荣385.2.1 时分复用工作原理时分复用工作原理 时分复用（时分复用

33、（TDM）是采用交错排列多路）是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低速模拟或数字信道到一个高速信道上传输的技术。传输的技术。 时分复用系统的输入可以是模拟信号，时分复用系统的输入可以是模拟信号，也可以是数字信号。也可以是数字信号。 目前目前TDM通信方式的输入信号多为数字通信方式的输入信号多为数字比特流，所以，我们只讨论数字信号时比特流，所以，我们只讨论数字信号时分复用。分复用。光纤通信简明教程原 荣39数字输入时分复用原理图数字输入时分复用原理图信道信道光纤光纤帧和开帧和开销比特销比特开销信道开销信道取样取样同步同步取样取样同步同步取样取样同步同步信道1信道1信道2信道2信道

34、N信道N定时定时发送端发送端帧同步帧同步控制控制信道1信道1信道2信道2信道N信道N解同步解同步解同步解同步解同步解同步开销信道开销信道定时定时恢复恢复接收端接收端输入输入缓存缓存输入输入缓存缓存输入输入缓存缓存输出输出缓存缓存输出输出缓存缓存输出输出缓存缓存N帧帧开开销销 1 2 3N帧帧开开销销 1 2 3N帧帧开开销销 1 2 3N帧帧开开销销 1 2 3时间时间1帧1帧信道数信道数时隙时隙tTs1帧1帧1帧1帧个信道的帧结构个信道的帧结构N应用：应用：PCM SDHAPONEPON光纤通信简明教程原 荣40时分复用（时分复用（TDM）原理）原理 利用脉冲编码调制（利用脉冲编码调制（PC

35、M）方法，将语音模拟信号经取）方法，将语音模拟信号经取样、量化和编码三个过程转变为数字信号。样、量化和编码三个过程转变为数字信号。 为了实现为了实现TDM传输，要把传输时间按帧划分，每帧传输，要把传输时间按帧划分，每帧125 s，把帧又分成若干个时隙，在每个时隙内传输一路信号的把帧又分成若干个时隙，在每个时隙内传输一路信号的1个字节（个字节（8比特），当每路信号都传输完比特），当每路信号都传输完1个字节后就构成个字节后就构成1帧，然后再从头开始传输每一路的另帧，然后再从头开始传输每一路的另1个字节，以便构成个字节，以便构成另另1帧。也就是说，它将若干个原始的脉冲调制信号在时帧。也就是说，它将若

36、干个原始的脉冲调制信号在时间上进行交错排列，从而形成一个复合脉冲串，如图间上进行交错排列，从而形成一个复合脉冲串，如图5.2.1（b）所示，该脉冲串经光纤信道传输后到达接收端。）所示，该脉冲串经光纤信道传输后到达接收端。 在接收端，采用一个与发送端同步的类似于旋转式开关的在接收端，采用一个与发送端同步的类似于旋转式开关的器件，完成器件，完成TDM多路脉冲流的分离。多路脉冲流的分离。 为了速率适配，没用时隙用空隙字节填充，在接收端把它为了速率适配，没用时隙用空隙字节填充，在接收端把它们分离出来，并丢弃它们。们分离出来，并丢弃它们。 在帧头，插入一些定时、误码检测和开销比特在帧头，插入一些定时、误

37、码检测和开销比特(FOH) ，其，其目的是为使解复用器与复用器同步，并进行误码检测。目的是为使解复用器与复用器同步，并进行误码检测。光纤通信简明教程原 荣41PCM通信制式的基础速率通信制式的基础速率2 048 kb/s 的来历的来历 话音信号的频带为话音信号的频带为3003 400 Hz，取上限频率为，取上限频率为4 000 Hz，按取样定理，取样频率为按取样定理，取样频率为fs = 2 4 kHz = 8 kHz/s（即每秒（即每秒取样取样8 000次）。取样时间间隔次）。取样时间间隔T =1/fs = 1/8 k = 125 s，即，即帧长为帧长为125 s。在。在125 s时间间隔内要

38、传输时间间隔内要传输 8个二进制代个二进制代码（比特），每个代码所占时间为码（比特），每个代码所占时间为Tb = 125/8( s)，所以每，所以每路数字电话的传输速率为路数字电话的传输速率为B=1/ Tb = 64 kb/s（或者（或者8 bit/每每次取样次取样 8 000次次/每秒取样）。每秒取样）。 按照国际电联的建议，把按照国际电联的建议，把1帧分为帧分为32个时隙，其中个时隙，其中30个时个时隙用于传输隙用于传输30路路PCM电话，另外电话，另外2路时隙分别用于帧同步路时隙分别用于帧同步和信令和信令/复帧同步，则传输速率为复帧同步，则传输速率为64 kb/s 32 = 2 048

39、kb/s（也就是（也就是8 bit/每个取样值每个取样值 32个取样值个取样值/每次每次 8 000次次/每每秒）。这一速率就是我国秒）。这一速率就是我国PCM通信制式的基础速率。通信制式的基础速率。光纤通信简明教程原 荣42 图图5.2.1数字数字输入输入时分时分复用复用原理原理图图光光纤纤信信道道帧帧和和开开销销比比特特开开销销信信道道取取样样同同步步取取样样同同步步取取样样同同步步信信道道信信道道信信道道定定时时发发送送端端输输入入缓缓存存输输入入缓缓存存输输入入缓缓存存24210 110 1011fs旋旋转转速速度度8 000帧帧同同步步控控制制信信道道信信道道信信道道解解同同步步解解

40、同同步步解解同同步步开开销销信信道道定定时时恢恢复复接接收收端端输输出出缓缓存存输输出出缓缓存存输输出出缓缓存存12240 110 1011fs旋旋转转速速度度8 000帧帧开开销销1帧帧开开销销123N帧帧开开销销帧帧开开销销时时间间时时隙隙Ts1 1帧帧1 1帧帧1 1帧帧.帧帧长长125 微微秒秒帧帧比比特特t21信信道道信信道道信信道道24个个字字节节1= 1/fsN = 241 1帧帧的的结结构构123N123N3N231N(a) 24个数字信道（T1）复用原理图个个信信道道复复用用后后的的帧帧结结构构N(b)个个字字节节1个个字字节节1转转/ /秒秒转转/ /秒秒光纤通信简明教程原

41、 荣435.2.2 SDH的基本概念的基本概念 SDH由一些基本的由一些基本的SDH网络单元组成，在光纤网络单元组成，在光纤上进行同步信息传输、复用和交叉连接。上进行同步信息传输、复用和交叉连接。 在在SDH传输网中，信息具有一套标准化的结构传输网中，信息具有一套标准化的结构等级，称为同步传送模块等级，称为同步传送模块STM-N，其中，其中N = 1、4、16、64、256，这些模块具有矩形帧结构，这些模块具有矩形帧结构，允许安排丰富的比特开销用于网络的运行、维允许安排丰富的比特开销用于网络的运行、维护和管理（护和管理（OAM）；它有一套特殊的同步复）；它有一套特殊的同步复用与映射方法，使得现

42、存的用与映射方法，使得现存的PDH、SDH及宽带及宽带综合业务接入网（综合业务接入网（B-ISDN）中的）中的ATM信元都信元都能进入其帧结构，因而具有适应性强的特点。能进入其帧结构，因而具有适应性强的特点。光纤通信简明教程原 荣44SDH的网络单元（设备）的网络单元（设备） SDH的基本网络单元有终端复用器的基本网络单元有终端复用器（TM）、分插复用器（）、分插复用器（ADM）、数字）、数字交叉连接设备（交叉连接设备（DXC）等，它们的功能）等，它们的功能各异，但都有互通的标准光接口；各异，但都有互通的标准光接口； 而且由于微处理器的大量采用，使得网而且由于微处理器的大量采用，使得网络单元及

43、整个网络的智能程度大大提高，络单元及整个网络的智能程度大大提高，因而易于网络的配置和控制，利于网络因而易于网络的配置和控制，利于网络的升级换代。的升级换代。 光纤通信简明教程原 荣45图图5.2.2 PDH和和SDH分插信号的比较分插信号的比较光纤通信简明教程原 荣46采用采用SDH分插复分插复用（用（ADM），），可以利用软件直可以利用软件直接一次分插出接一次分插出2 Mb/s支路信号，支路信号，十分简单和方便十分简单和方便 光纤通信简明教程原 荣475.2.3 SDH帧结构和传输速率帧结构和传输速率 SDH光纤通信系统可以说是一种最典型光纤通信系统可以说是一种最典型的电时分复用（的电时分复

44、用（TDM）应用。）应用。 在在SDH传输网中，信息采用标准化的模传输网中，信息采用标准化的模块结构，即同步传送模块块结构，即同步传送模块STM-N（N = 1、4、16、64和和256），其中），其中N = 1是基本的是基本的标准模块信号。标准模块信号。光纤通信简明教程原 荣48图图5.2.3 STM-N 帧结构帧结构段段开开销销管管理理指指针针段段开开销销STM-( (含含通通道道开开销销) )行行传传输输方方向向1359 N9N261N 列列字字节节N92709270净净荷荷N4 行行第第行行第第行行第第N = 1, 4, 16, 64SDH的帧结构是块状帧，传输按从左到右，由上而下按顺

45、序一个一个的帧结构是块状帧，传输按从左到右，由上而下按顺序一个一个字节传送，直至整个字节传送，直至整个9 270 N个字节都传送完为止，然后再转入下个字节都传送完为止，然后再转入下一帧，如此一帧一帧地传送，每秒共一帧，如此一帧一帧地传送，每秒共8 000帧。帧。光纤通信简明教程原 荣49SDH 帧结构和传输速率帧结构和传输速率 在在SDH传输网中，信息采用标准化的模块结构，传输网中，信息采用标准化的模块结构，即同步传送模块即同步传送模块 STM-N（N = 1、4、16 和和 64），），其中其中N = 1是基本的标准模块信号。是基本的标准模块信号。 块状帧由横向块状帧由横向 270 N 列和

46、纵向列和纵向 9 行字节（行字节（1字节字节为为8比特）组成，因而全帧由比特）组成，因而全帧由2430个字节，相当于个字节，相当于19 440个比特组成，帧重复周期仍为个比特组成，帧重复周期仍为 125 s。因。因此对于此对于 STM-1 而言（而言（N = 1），每秒传送速率为），每秒传送速率为（8 bit/字节字节 9 270字节）字节）/帧帧 8 000帧帧/s = 155.52 Mb/s； 对于对于STM-16而言（而言（N = 16），每秒传送速率为），每秒传送速率为8 9 270 16 8 000 = 2 480.32 Mb/s。光纤通信简明教程原 荣505.2.4 适用我国的适用

47、我国的SDH复用映射结构复用映射结构 为了得到标准的为了得到标准的STM-N传送模块，必须采取有效的传送模块，必须采取有效的方法将各种支路信号装入方法将各种支路信号装入SDH帧结构的净荷域内，帧结构的净荷域内，为此，需要经过映射、定位校准和复用这三个步骤。为此，需要经过映射、定位校准和复用这三个步骤。 光纤通信简明教程原 荣51图图5.2.5 SDH的等级复用的等级复用 首先几个低比特率信号复用成首先几个低比特率信号复用成STM-0信号，接着信号，接着3个个STM-0信号复用成信号复用成STM-1信号，几个低比特率信号也可以直接复用信号，几个低比特率信号也可以直接复用成成STM-1信号。然后信

48、号。然后4个个STM-1信号复用成信号复用成STM-4信号，以信号，以此复用下去，最后此复用下去，最后4个个STM-64信号复用成信号复用成STM-256（39 813.12 Mb/s）信号。）信号。STM-4622.08 Mb/s2 448.32 Mb/s字节间插同步复用STM-051.84 Mb/s开销插入开销插入2.048 Mb/s2.048 Mb/sATM2.048 Mb/sE-1E-1E-1.155.52 Mb/sSTM-1STM-1STM-1STM-1等级复用STM-4STM-4STM-4等级复用等级复用STM-16STM-16STM-16STM-16STM-64等级复用STM-6

49、4STM-64STM-649953.28 Mb/sSTM-25639 813.12 Mb/sFDDIB-SDN光纤通信简明教程原 荣525.2.5 SDH设备类型和系统组成设备类型和系统组成图图5.2.6 适合我国制式的适合我国制式的STM-1复用设备复用设备a）终端复用器（）终端复用器（TM） b）分插复用器（）分插复用器（ADM） c）分插复用器上）分插复用器上/下话路的功能示意图下话路的功能示意图光纤通信简明教程原 荣53SDH设备完成的工作设备完成的工作 终端复用器（终端复用器（TM）的主要任务是将低速支路）的主要任务是将低速支路信号或者低速信号或者低速SDH信号复用进高速的信号复用进

50、高速的SDH设备。设备。 分插复用器（分插复用器（ADM）具有灵活地分插任意支）具有灵活地分插任意支路信号的能力。路信号的能力。 数字交叉连接设备（数字交叉连接设备（DXC）是一种集复用、交）是一种集复用、交叉连接（自动化配线）、保护叉连接（自动化配线）、保护/恢复、监控和恢复、监控和网管等功能为一体的传输设备。网管等功能为一体的传输设备。 光纤通信简明教程原 荣54图图5.2.7 DXC功能简图功能简图a）电）电DXC原理图原理图 b）光）光DXC原理图原理图 图图5.2.7a表示表示DXC的功能简图，传输系统送来的信号在输入端解复用成的功能简图，传输系统送来的信号在输入端解复用成 m个并行

51、的信号，然后由交叉连接矩阵按照预先存放的交叉连接表或动个并行的信号，然后由交叉连接矩阵按照预先存放的交叉连接表或动态计算出的交叉连接表，按时隙交换原理对这些信号重新安排通道，最态计算出的交叉连接表，按时隙交换原理对这些信号重新安排通道，最后再将这些重新安排后的信号复用成高速信号输出。后再将这些重新安排后的信号复用成高速信号输出。 图图5.2.7b表示的光学接口可以是光纤信道、表示的光学接口可以是光纤信道、SDH设备光接口、千兆位速设备光接口、千兆位速率以太网光接口，也可以是率以太网光接口，也可以是WDM系统的波长信道、光正交频分复用系统的波长信道、光正交频分复用（O-OFDM）系统的波带等。）

52、系统的波带等。光纤通信简明教程原 荣55图图5.2.8 STM-1分插复用器构成的分插复用器构成的SDH点对点系统点对点系统 通常，通常，SDH系统为点对点系统和环状系统。系统为点对点系统和环状系统。 在点对点系统中，由包含复用功能和光接口的线路终端复在点对点系统中，由包含复用功能和光接口的线路终端复用器（用器（TM）、光缆、中继器（如果配置的话）组成。中继）、光缆、中继器（如果配置的话）组成。中继器可以是常规的光器可以是常规的光-电电-光再生器，也可以是使用光再生器，也可以是使用EDFA的全的全光中继器。光中继器。光纤通信简明教程原 荣56图图5.2.9 用户用户网通网通过汇过汇接网接网接入

53、接入骨干骨干网网光纤通信简明教程原 荣57STM-1/4/16/64 SDH设备设备光纤通信简明教程原 荣58STM-1/4/16/64 SDH设备设备光纤通信简明教程原 荣595.2.6 SDH物理层物理层 ITU-T标准标准 G.957和和G.691已对已对SDH物理物理层作了规范；层作了规范； 光接口规范的基本目的是为了在中继段光接口规范的基本目的是为了在中继段上实现横向兼容，即允许不同厂家的产上实现横向兼容，即允许不同厂家的产品在中继段上互通，并保证中继段的各品在中继段上互通，并保证中继段的各项性能指标不变。项性能指标不变。 同时，具有标准光接口的网络单元可以同时，具有标准光接口的网络

54、单元可以经光路直接相连，即减少了不必要的光经光路直接相连，即减少了不必要的光/电转换，节约了网络运行成本。电转换，节约了网络运行成本。光纤通信简明教程原 荣60表表5.2.1 光接口分类光接口分类 光接口规范规定了不同应用等级使用的光纤类型（多模光光接口规范规定了不同应用等级使用的光纤类型（多模光纤或单模光纤）、光源波长和类型（纤或单模光纤）、光源波长和类型（LED或或LD）、允许）、允许中继段的光纤损耗和色散值、传输距离等。中继段的光纤损耗和色散值、传输距离等。 根据应用环境不同，按照传输距离的长短可分为局内应用、根据应用环境不同，按照传输距离的长短可分为局内应用、短距离局内应用、长距离局内

55、应用、超长距离局内应用和短距离局内应用、长距离局内应用、超长距离局内应用和特长距离局内应用特长距离局内应用5个等级，如表个等级，如表5.2.1所示。所示。 通常，短距离低速率应用使用通常，短距离低速率应用使用1 310 nm的多纵模的多纵模F-P激光激光器，长距离高速率应用使用器，长距离高速率应用使用1550 nm的单纵模分布反馈激的单纵模分布反馈激光器（光器（DFB）。如果使用线路光放大器，如掺铒光纤放大）。如果使用线路光放大器，如掺铒光纤放大器（器（EDFA），则中继距离可达到），则中继距离可达到400600 km。光纤通信简明教程原 荣61 网同步的目的是使网中所有交换节点的网同步的目的

56、是使网中所有交换节点的时钟频率和相位都控制在预先确定的容时钟频率和相位都控制在预先确定的容差范围内，以便使各交换节点的全部数差范围内，以便使各交换节点的全部数字流实现正确有效的交换；否则，会使字流实现正确有效的交换；否则，会使交换缓存器中产生信息比特流的溢出和交换缓存器中产生信息比特流的溢出和丢失。丢失。5.2.7 SDH网同步网同步光纤通信简明教程原 荣625.2.7 SDH网同步网同步 图图5.2.10 时钟在局间分配的树形同步网结构时钟在局间分配的树形同步网结构 图图5.2.11 时钟在局内分配的星形同步网结构时钟在局内分配的星形同步网结构光纤通信简明教程原 荣63同步方式同步方式主从同

57、步主从同步 目前，世界各国公用网中交换节点时钟的同步目前，世界各国公用网中交换节点时钟的同步采用主从同步方式。我国主从同步方式采用采用主从同步方式。我国主从同步方式采用ITU-T规范的规范的4级时钟，每一级时钟都同步于上级时钟，每一级时钟都同步于上一级时钟，网中最高一级时钟称为基准主时钟一级时钟，网中最高一级时钟称为基准主时钟（PRC），一般采用铯原子钟，精度为），一般采用铯原子钟，精度为1 10 11。该时钟经同步分配网分配给二级本地局时钟、该时钟经同步分配网分配给二级本地局时钟、三级端局从时钟，如图三级端局从时钟，如图5.2.10所示。最低一级所示。最低一级时钟为数字小交换机、远端模块或时

58、钟为数字小交换机、远端模块或SDH网元设网元设备的内置时钟，如石英晶振，精度为备的内置时钟，如石英晶振，精度为10 6 10 8。光纤通信简明教程原 荣64 除国内网采用主从同步方式外，我国与除国内网采用主从同步方式外，我国与其他国家的数字网采用伪同步方式。所其他国家的数字网采用伪同步方式。所谓伪同步就是大家都采用铯原子时钟，谓伪同步就是大家都采用铯原子时钟，都遵守都遵守G.811规范，由于时钟精度高，网规范，由于时钟精度高，网间各局的时钟频率和相位虽不完全相同，间各局的时钟频率和相位虽不完全相同，但误差很小，接近同步，于是称为伪同但误差很小，接近同步，于是称为伪同步。在国际网接口处，网间采用

59、伪同步步。在国际网接口处，网间采用伪同步是正常工作方式。是正常工作方式。同步方式同步方式伪同步方式伪同步方式光纤通信简明教程原 荣655.3 异步传输模式（异步传输模式（ATM）技术）技术5.3.1 从同步模式（从同步模式（STM ）到异步模式（）到异步模式（ATM） SDH网是一个运行高效、维护能力强大的传输网是一个运行高效、维护能力强大的传输系统，它将时间分割成周期为系统，它将时间分割成周期为125 s的帧，使的帧，使用传统的同步时分技术，要求所有的数据按照用传统的同步时分技术，要求所有的数据按照一个标准的传输速率（如一个标准的传输速率（如155 Mb/s等）进行传等）进行传送，所以称送，

60、所以称SDH系统为同步传输模式系统为同步传输模式(STM)，它的分级也用它的分级也用STM-N表示。表示。 传统的传统的SDH设备不适合设备不适合B-ISDN使用，因为在使用，因为在多媒体的双向应用中，上多媒体的双向应用中，上/下行的传输速率是下行的传输速率是不对称的不对称的 ,而而SDH系统只传输恒定的比特率业系统只传输恒定的比特率业务，上务，上/下行传输速率和带宽总是相同下行传输速率和带宽总是相同 。光纤通信简明教程原 荣665.3.1 从同步模式（从同步模式（STM ）到异步模式（到异步模式（ATM） 为此，人们就提出一种与同步传输模式（为此，人们就提出一种与同步传输模式（STM）技术）