光纤通信技术_Chapter4课件

1、光纤通信系统：模拟光纤通信系统: CATV （Cable Television , CATV ）数字光纤通信系统: SDH为体系、DWDM、PON4 . 1 模拟光纤通信1. 基本结构第 4 章 光 纤 通 信 系 统12 . 系统结构第 4 章 光 纤 通 信 系 统23 . 性能要求(1) 光发射机输出光功率：mW(dBm) 510mW, 20mW波长：1310nm, 1550nm+EDFA半导体激光器的P-I特性曲线的线性要好，以避免交调失真、谐波失真等；CSO:Composite Second Order Power：复合二阶功率：-60dBcCTB:Composite Tripe B

2、eat:复合三重差拍: -65dBcCarrier to Noise Ratio:载噪比: 50dB半导体激光器的调制特性要好，即调制带宽宽且幅频特性平坦1.5GHz。(2) 光接收机( l ）大CNR （载噪比）或SNR （信噪比）以保证电视信号质量；( 2 ）要有足够大的工作带宽和频带平坦度。光通道1310nm: TX-RX /0.2dB= 10dBm/0.2=50Km； 1550nm: TX+EDFA=几百公里第 4 章 光 纤 通 信 系 统34 . 2 数字光纤通信系统1. 光纤通信系统网络第 4 章 光 纤 通 信 系 统42 数字光纤通信系统组成第 4 章 光 纤 通 信 系 统

3、52 数字光纤通信系统组成（1）把多路业务信号复用成更高速率等级的信号；（2）对于SDH 系统网络，为系统网络的运行管理维护插入OAM 开销，并进一步地为方便接收端进行定时提取进行扰码，破坏长连“0”和长连“1” ；（3）对光源进行数字调制；（4）经光纤传输，传输过程中由于受光纤衰减和色散的影响，光信号随光纤传输距离的增大而功率变弱、波形变差；（5）光电检测器完成光电转换，放大均衡，提取时钟信号，在时钟信号的作用下判决再生出数字信号；（6）解扰并取出OAM开销进行处理或进行线路解码，同时处理OAM 开销；（7）解复用出各路数字业务信号。第 4 章 光 纤 通 信 系 统63 数字光纤通信OAM

4、开销的作用 按业务需求和系统（网络）资源状况来配置系统网络、开通业务。 对系统运行状况，进行不中断业务的在线实时监测，误码性能的监测。 故障告警。一旦设备或设备中的部件或光缆线路出现故障，系统应能检测到并在网管界面上显示出来或在设备上指示出来，并要能够及时通知维护人员。 为故障定位和其他维护需求而提供环回控制、主要项目的测试等。 为系统（网络）OAM 信息提供传输通道。比如网管对远端设备的配置信息就是通过网管ECC （嵌入控制通道）传送到远端设备的；对有些实时性要求高的信息，如在有保护倒换功能的系统（网络）中的保护倒换协议信息，安排专门的传输通道使其在相关设备间传递。 为系统的运营者提供业务性

5、能、流量等方面的统计信息。 为维护管理人员提供话音通信的手段（公务电话）。第 4 章 光 纤 通 信 系 统74 数字光纤通信系统扰码的作用数字流有可能出现长连“0”、连“1”情况，长连“0 ”和非归零码：发射机：激光器功率不稳定接收机：长连“1 ”期间信号电平没有变化，反映不出发送时钟信息，定时信息消失；所以，对于SDH 系统，通过扰码来破坏业务信息数字流的长连“0 ”、连“1” 非对称性，并且使光线路码流为随机分布，接收端解扰码；第 4 章 光 纤 通 信 系 统85 数字光纤通信系统中继和再生中继再生器的功能：光电转换3R (Reshaping , Retiming , Regenera

6、ting)开销处理电光转换。无中继距离：12800ps/nm /17ps/nm.km=752Km第 4 章 光 纤 通 信 系 统94.3 SDH-Synchronous Digital Hierarchy系统-同步数字体系4.3.2 SDH技术的特点(1) SDH网不仅能与现有的PDH 网实现兼容，即使PDH 的1.544Mbit/s和2.048Mbit/s两大体系在SDH信息结构上能获得统一，形成数字传输体制上的世界标准。纵向兼容。SDH 网络通过网络保护和网络恢复具有强大的自愈能力，这不仅使SDH 网络的生存性和可靠性大大增强，而且便于组网和降低网络维护的费用。SDH 自愈环网不大于50

7、ms （单点故障情况下）的保护倒换时间是电信级设备高性能的重要标志之一。50ms 的保护倒换时间对上层业务是透明的，即上层业务“感知”不到下层SDH 网络的故障和保护倒换，业务“连接”均保持。由SDH 数字交叉连接设备等构成的网格型等拓扑的SDH 网络，能够通过SDH 交叉连接的可控制并配合合适的路由算法，在网络出现故障时实现网络恢复，以保证高质量业务满足其性能要求。SDH 采用了同步复用方式和灵活的复用映射结构，使低阶信号和高阶信号的复用和解复用一次到位，大大简化了设备的处理过程，省去了大量的有关电路单元、跳线电缆和电路接口数量，从而简化运营和维护，改善网络的业务透明性。SDH 标准规范了全

8、世界统一的网络节点接口，对各网络单元的光接口有严格的规范要求，从而使得任何网络单元在光路上得以互通，实现了横向的兼容性。第 4 章 光 纤 通 信 系 统10(5) SDH 帧结构中安排了丰富的开销比特，使网络运营、管理、维护（OAM ) 的能力大大地加强，通过远程控制，可实现对各网络单元及节点设备的分布式管理，同时也便于新功能和新特性的及时开发和升级，而且促进了更完善的网络管理和智能化设备的发展。(6) SDH 采用先进的指针调整技术，支持伪同步工作环境，使来自不同提供者的信息净负荷可以在不同的同步岛之间进行传送，并有能力承受一定的定时基准丢失。第 4 章 光 纤 通 信 系 统114.3.

9、3 SDH传输网结构SDH 传送网分层模型是一般传送网分层模型的特例，图的右边是一般传送网分层模型，图的左边是适用于我国SDH 传送网的分层模型，图的中间是各层的名称。（1） 电路层网络 （2） 通道层网络 （3） 传输媒质层网络第 4 章 光 纤 通 信 系 统12（1） 电路层网络直接为用户提供通信业务。诸如电路交换业务、分组交换业务和租用专线业务等。主要节点设备：有交换机、交叉连接设备等。电路层网络的端到端电路连接一般由交换机建立。电路层不属于SDH 标准规范的内容，所以称非SDH 客户，SDH 所承载的PDH 信号，例如2048kbit/s 、34368kbit/s和139264kbi

10、t/s 等信号的技术指标都在PDH 的标准中规定。 第 4 章 光 纤 通 信 系 统13（2） 通道层网络支持一个或多个电路层网络，为电路层网络节点（如交换机）提供透明的通道。VC-12 可以看作电路层网络节点间通道的一种基本传送单位，VC-3 / VC-4 可以作为骨干通道的基本传送单位。通道的建立可以由网管操作控制交叉连接设备完成，通过交叉连接设备提供半永久性连接。划分为低阶通道层（VC-12 、VC-2和VC-3 ）和高阶通道层（VC-4 ） 。SDH 网的一个重要特点是能够对通道层网络的连接进行管理和控制，因此网络应用十分灵活和方便。通道层网络与其相邻的传输媒质网络是相互独立的。它可

11、以将各种电路层业务映射进复用段层所要求的格式内。第 4 章 光 纤 通 信 系 统14 （3） 传输媒质层网络与传输媒质（光缆或微波）有关，它支持一个或多个通道层网络。为通道层网络节点之间提供合适的通道容量。STM -N 可以作为传输媒质层网络的标准等级容量。划分为段层网络和物理媒质层网络（简称物理层），其中段层网络涉及提供通道层网络节点间信息传递的所有功能，而物理层涉及具体的，支持段层网络的传输媒质，如光缆和微波（准确地讲是光纤和空间）。在SDH 网中，段层网络还可以细分为复用段层网络和再生段层网络。其中复用段层网络为通道层提供同步和复用功能，并完成复用段开销的处理和传递；再生段涉及再生器之

12、间或再生器与复用段终端设备之间的信息传递，诸如定帧、扰码、再生段误码监视以及再生段开销的处理和传递。物理层网络主要完成光电脉冲形式的比特传送任务，与开销无关。物理层分为光接口和电接口。第 4 章 光 纤 通 信 系 统154.3.4 SDH 的网元构成SDH 网络的基本网络单元, 简称网元（NE ) ，SDH 有4大类网元。(1) 同步数字交叉连接设备（SDXC ) SDXC ：允许接入不同等级速率的数字信号，能对接入信号的全部或一部分进行交叉连接（交换），也能从高阶信号中分出和插人低阶信号。例如从STM-1 信号中分插2Mbit/s信号。分插复用设备（ADM ) ADM ：能够从线路信号中分

13、出和插人低阶信号。例如从STM-16 中分插STM-1 信号。第 4 章 光 纤 通 信 系 统16同步复用设备（MUX ) MUX： 能把PDH 信号复用进SDH 信号，还能将低阶SDH 信号复接成高阶SDH 信号。同步再生器（REG ) REG： 基本功能是接收来自光纤线路的信号，将它再生，并往下一段光纤线路传送。它还要产生新的再生段开销加到承载信号上，并能对线路信号质量进行监视。OAM：为了对网元自身以及它们构成的系统进行网络的运行管理，所有的网元都要能够和传输网管理系统相连，相互通信实现网管功能。第 4 章 光 纤 通 信 系 统174.3.5 SDH 的网络节点接口传输网是由传输网络

14、节点和传输线路构成的，传输线路有光缆线路、微波接力系统和卫星通信系统。网络节点接口NNI的定义是网络节点之间的接口。SDH传输规定了6个传输比特率系列。STM-N ( N = 0 , 1 , 4 , 16 ，64，256 ），意思是第N 级同步传送模块(Synchronous Transport Module)。STM 的基础速率是155520kbit/s ，称STM-1 ，该速率的N 倍构成更大容量的STM-N 信号。第 4 章 光 纤 通 信 系 统184.3.5 SDH 的网络节点接口 SDH传输规定了6个传输比特率系列。 STM-N ( N = 0 , 1 , 4 , 16 ，64，2

15、56 ），表示第N 级同步传送模块(Synchronous Transport Module)。 STM 的基础速率是155520kbit/s ，称STM-1 ，该速率的N 倍构成更大容量的STM-N 信号。第 4 章 光 纤 通 信 系 统194.3.6 SDH 的开销OAM ：SDH 的一个主要特点是它有标准化的贯穿全网的运行、管理和维护（OAM ）功能，在SDH 的帧结构中安排开销（overhead ）就是为了实现OAM 功能。开销：就是一些附加比特或附加字节按功能块的概念，SDH 传输系统的管理正是按这种概念进行分段管理。再生段、复用段、高阶通道和低阶通道：利用各自的开销来承载相应的管

16、理信息。第 4 章 光 纤 通 信 系 统204.3.6 SDH 的开销再生段开销（RSOH ) ：用于各个再生器之间的管理；复用段开销（MSOH ) ：用于各个复用器之间的管理；高阶通道开销（H POH ) ：用于高阶通道的管理；低阶通道开销（LPOH ) ：用于低阶通道的管理。第 4 章 光 纤 通 信 系 统214.3.3 SDH传输系统SDH 传输系统可以看作是SDH 网络应用特例。通过这种点对点传输的简单网络，有助于理解一些重要的概念。第 4 章 光 纤 通 信 系 统22复用段开销再生段开销高阶通道开销低阶通道开销低阶容器信息4.3.4 SDH的帧结构在物理媒质层上传送的用STM-

17、N （同步传输模块）信号是一个数字序列，将这个序列截断为一串一串的序列，按照规定结构，固定数量的连续比特群称为帧，STM-N 帧用平面矩阵表示。STM-N 帧的大小： 9 行, 270 xN 列字节，每字节8 个比特。传送一帧的时间称为周期，固定帧周期为125 us ，即帧频为8kHz（每秒传送8000帧），正好是电话的采样速率。STM-1 帧，分为9 行，每行270 列个字节，共有2430 个字节，依序作为第1 -9 行构成平面结构帧。第 4 章 光 纤 通 信 系 统234.3.4 SDH的帧结构再生段上传送的信号帧，它由再生段净荷和再生段开销组成。再生段净荷支持复用段层信号传送，而再生段

18、开销用于再生段的监控和维护管理。再生段开销在再生段的始端产生、加入到帧中，在再生段的末端终结，即从帧中取出进行处理；所以，在SDH 网中每个网元处，再生段开销都要终结（加入或取出），只有再生段净荷透明地通过再生器。复用段上传送的信号帧，它由复用段净荷和复用段开销组成。复用段净荷支持通道层信号传送，复用段开销用于复用段的监控和维护管理。复用段开销在复用段的始端产生，在复用段的末端终结；所以，在SDH 网中除再生器以外的每个网元处，复用段开销都要终结。第 4 章 光 纤 通 信 系 统24复用段信号适配：将复用段信号放进再生段净荷区的过程叫做适配，由于在SDH 体系中复用段信号和再生段信号完全同步

19、，既无频差又无相差，复用段信号在再生段帧中有固定的位置，适配就非常简单。第 4 章 光 纤 通 信 系 统254.3.5 SDH帧的开销第 4 章 光 纤 通 信 系 统26再生段开销（RSOH ):在帧的左上角3 行x 9 字节;复用段开销（MSOH ):在帧的左下角5 行x 9 字节;管理单元指针(AU):在帧的中部第4 行的前9 个字节。4.3.5 SDH帧的开销第 4 章 光 纤 通 信 系 统27再生段开销 (1) 帧定位：Al , A2用于STM-1 帧定位，规定为两种固定代码：A1 = 11110110B=F6H A2 = 00101000B=28H页定位4.3.5 SDH帧的开

20、销第 4 章 光 纤 通 信 系 统28再生段开销 (2) 再生段踪迹：J0/C1 它是再生段接入点的识别符，重复发送一个代表某段接入点的标志，从而使段的接收端能够确认自己与预定的段的发送端是否保持着连接。用连续16 个STN-1帧内的J0 字节组成16 字节的帧来传送接入点识别符，下表说明这个帧的内容，其第一个字节是该帧的起始标志，它包含对上一帧进行循环冗余校验CRC-7 计算的结果。页码定位第 4 章 光 纤 通 信 系 统29(3) STM-l 识别符：C1 ITU-T 早先建议在J0 位置上安排的是C1 字节，用来标志单个STM-1在高阶STM-N中的位置。采用C1字节的老设备与采用J

21、0 字节的新设备互通时，置J0 为00000001 ，表示“再生段踪迹未规定”。再生段误码监视：B1 用于再生段误码监测，使用8 比特作奇偶校验，称为比特间插奇偶(BIP)校验- 8 比特，简称BIP-8 。产生B1 字节的方法是对前一个STM -N 帧扰码后的所有比特进行BIP 运算，将得到的结果置于当前这一个STM-N 帧扰码前的B1 字节位置。 (5) 公务通信：E1 用于再生段公务联络线(EOW) ，可提供一个64kbit/s通路。第 4 章 光 纤 通 信 系 统30使用者通路：F1 为网络运营者提供一个64kbit/s通路，为特殊维护目的提供临时的数据话音通路。数据通信通路（DCC

22、 ) : D1 , D2 , D3 用于再生段传送再生器的运行、维护和管理信息，可提供速率达192kbit/s的DCC 通路。(8) 其他在帧图中，标有x 的字节是留给国内使用的字节。标有的是不扰码字节。标有 的字节是与传输媒质特征有关的字节。所有未作标记的字节有待今后国际标准规定。第 4 章 光 纤 通 信 系 统31复用段开销（1） 复用段误码监视：B2 用于复用段的误码监测，G.707建议：规定使用3 个B2 共24 比特作奇偶校验，即BIP-24 。 产生B2 字节的方法是对前一个STM-N帧中除再生段开销以外的所有比特作BIP 运算将其结果置于当前STM-N 帧扰码前的B2 字节处。

23、数据通信通路：D4 一D12用于复用段传送运行、维护和管理信息。可提供速率达576kbit/s的通路。公务通信：E2用于复用段公务联络线（EOW ) ，可提供速率为64kbit/s的 通路。第 4 章 光 纤 通 信 系 统32（4） 自动保护倒换（APS）通路：K1 , K2 ( b1-b5 ) 用于复用段保护倒换信令。各比特的安排和面向比特的协议在G.783 建议的附录A “复用段保护协议、命令和操作”中规定。K1 ( b1-b4）指示倒换请求的原因，K1 ( b5-b8）指示提出倒换请求的工作系统序号，K2 ( b1-b5 ）指示复用段接收侧备用系统倒换开关所桥接到的工作系统序号。(5)

24、 复用段远端缺陷指示（MS-RDI): K2(b6-b8) 用于向复用段发送端回送接收端状态指示信号，告诉发送端，接收端检测到上游段的缺陷或收到复用段告警指示信号（MS -AIS ）。当K2 （b6-b8 ) = 110 ，表示MS 一RDI 。其他状态预留将来使用。第 4 章 光 纤 通 信 系 统33（6） 同步状态：S1 ( b5-b8 ) 用于传送同步状态信息（SSM ) ，该字节各代码的含义附表，例如：0000质量情况不明（现有同步网）0001预留0010 G.811基准时钟（7） 复用段远端差错指示（MS-REI ) : M1用于将复用段远端检测到的差错信息往回传送，远端差错信息由

25、检测BIP-24 x N (B2)来获得。BIP 规则违反计数的方法是把B2 的每一比特作为检测单位，对奇偶校验规律破坏计数，相应M1的代码以二进制计数表示有多少个差错，其最大范围是0-255 。对于STM-1需要指示0-24 个差错，Ml 的产生和解释如表第 4 章 光 纤 通 信 系 统34（7） 复用段远端差错指示（MS-REI ) : M1第 4 章 光 纤 通 信 系 统354.3.6 SDH的映射和复用第 4 章 光 纤 通 信 系 统364.3.6 SDH的映射和复用第 4 章 光 纤 通 信 系 统374.3.6 SDH的映射和复用第 4 章 光 纤 通 信 系 统384.3.

26、7 光接口标准化：为了实现不同厂商的SDH 设备在光链路上互通，SDH 光接口的光特性需要标准化来规范STM-1 到STM-256的光接口标准。 光接口的分类 根据SDH 系统中是否使用光放大器，以及速率是否达到STM-64，将SDH 光接口分为两大系统 : 第I 类系统：不包括任何光放大器，速率低于STM-64的系统；第II 类系统：包括光放大器或速率为STM-64 、256 的系统。对于第I类系统的光接口还可以按照使用场合和传输距离分为三种： 局内：2Km局间短距离:15Km局间长距离:80Km不同种类的光接口用不同的代码来表示，代码由一个字母和两个数字组成。第1 个字母应用场合和传输距离

27、；第1 位数字表示STM-N 的等级；第2 位数字表示光纤类型。第 4 章 光 纤 通 信 系 统39第1 个字母含义如下：I: 表示局内通信S: 表示局间短距离通信L: 表示局间长距离通信V: 表示局间很长距离通信U: 表示局间超长距离通信VSR: 表示距离不超过600米的通信。第1 位数字含义如下：-1 表示STM-1 -4 表示STM-4- 16 表示STM-16 -64表示STM-64 - 256 表示STM-256第2 位数字含义如下：空白或1 表示工作波长1310nm，用G.652 光纤2 表示工作波长1550nm，用G.652光纤3 表示工作波长1550nm，用G.653光纤5

28、表示工作波长1550nm，用G.655光纤例：L-1.2I-4.1第 4 章 光 纤 通 信 系 统40JE：加强型第 4 章 光 纤 通 信 系 统414.4 数字光纤传输系统的总体设计 数字光纤通信网络的设计规划：网络拓扑、路由选择、网络容量、业务通路、设备线路类型、最大中继距离计算等。4.4.1 总体考虑 光纤通信系统的总体设计：根据业务容量、用户地理位置、用户对业务的质量 要求等，按照ITU-T 的建议和我国标准，确定网络的容量、拓扑、路由等。1. 网络拓扑、线路路由选择 根据网络在通信网中的位置、功能、作用、承载业务的生存性要求等选择合适的网络拓扑。 骨干网：网络生存性要求较高的网络

29、适合采用网格拓扑； 城域网：网络生存性要求较高的网络适合采用环形拓扑； 接入网：网络生存性要求不高而要求成本尽可能低廉的网络适合采用星形拓扑、无源树形拓扑。节点之间的光缆线路路由选择要服从通信网络发展的整体规划，要兼顾当前和未来的需求，而且要便于施工和维护。第 4 章 光 纤 通 信 系 统422 网络（系统）容量的确定网络（系统）容量一般按网络运行后的几年里所需容量来确定，而且网络应方便扩容以满足未来容量需求。城域网中系统的单波长速率为：2 . 5Gbit/s、10Gbit/s骨干网单波长速率为：10Gbit/s 根据容量的需求采用8、16、32、40、80波的波分复用。3 光纤（光缆）选型

30、G652 光纤： 1310nm 波长性能最佳单模光纤, 0色散光纤（或称非色散位移光纤），是目前最常用的单模光纤;应用于城域网和接入网，DWDM密集波分复用的骨干网也常采用G652 光纤；对于速率很高、距离很长的系统，应采用有小PMD ( Polarization Mode Dispersion ）的G652B 光纤光缆。第 4 章 光 纤 通 信 系 统43(2) G653 光纤为1550nm 波长性能最佳的单模光纤。将零色散波长由1310nm 移到最低衰减的1550nm 波长区，不仅具有最低衰减特性，而且又是零色散波长。应用于在1550nm 波长区开通长距离10Gbit/s 或以上速率的系

31、统。工作波长零色散区的非线性影响，容易产生严重的四波混频效应，不支持波分复用系统，故G653 光纤仅用于单信道高速率系统。新建或改建的大容量光纤传输系统均为波分复用系统，故G653 光纤基本不采用。(3) G654 光纤为1550nm 波长衰减最小单模光纤，一般多用于长距离海底光缆系统。陆地传输一般不采用。第 4 章 光 纤 通 信 系 统44(4) G655 光纤 G655 光纤是非零色散位移单模光纤 应用于密集波分复用的大容量的骨干网 G655 光纤特点：克服G652 光纤在1550nm 波长色散大克服G653 光纤在1550nm 波长产生的非线性效应不支持波分复用系统的缺点；跟据PMD

32、和色散的不同要求，G655 光缆又分为：G655A 、G655B 和G655C 三种。第 4 章 光 纤 通 信 系 统454 选择设备和性能指标发送、接收、中继、分插、交叉连接设备是组成光纤传输链路的必要元素，选择性能好、可靠性高、兼容性好的设备是系统设计成功的重要保障。5 光传输设计各种拓扑结构的网络都是建立在点到点基础上的，所以S-R 点之间的光传输距离确定是光纤传输网络设计的基础。传输距离由光纤衰减和色散等因素决定。系统速率、工作波长等各种因素对传输距离也均有影响。在实际的工程应用中，设计方式分为两种情况：第一种情况是衰减受限系统，即传输距离根据S 和R 点之间的光通道衰减决定。第二种

33、是色散受限系统，即传输距离根据S 和R 点之间的光通道色散决定。S-R 点之间的传输距离也就是分层光传送网的再生段或复用段（无须再生时）的传输距离。第 4 章 光 纤 通 信 系 统464.4.2 再生段的设计再生段模型：光再生段模型包括发送机、光通道和接收机。发送机与光通道之间定义S 参考点，光通道与接收机之间定义R 参考点，S 参考点与R 参考点之间为光通道。光再生段组成如图所示第 4 章 光 纤 通 信 系 统47再生段评估：在实际组网应用中通常有三种光传输设计方法：最坏值设计法：能够满足系统光接口的横向兼容性，具有简单可靠的特点。但最坏值设计采用在系统所有组成均在最坏情况下保证系统正常

34、工作的设计思想，因此有些保守，导致资源的浪费和建设成本的相对提高联合设计法：不能保证系统光接口的横向兼容性统计设计法：不能保证系统光接口的横向兼容性，存在很小的系统先期失效概率，但能够充分利用系统资源，降低工程建设成本半统计设计法：统计设计法的经济性和可靠性介于最坏值设计法和统计设计法之间。第 4 章 光 纤 通 信 系 统48再生段R-S的设计 为了更好地实现光接口横向兼容性，用最坏值法设计同步光缆数字线路系统时，设备富余度与未分配的富余度都不再单独进行规范，而是分散给发送、接收端机、光缆。再生段距离的设计可以分为两种情况来讨论：损耗受限系统，即再生段距离由S 和R 点之间的光通道损耗决定色

35、散受限系统，即再生段距离由S 和R 点之间的光通道总色散所决定。损耗受限系统光再生段整个光通道损耗的组成如图4 .11所示。图中示意出原来的设备富余度Me 现在分散给了：光发送机（MeT ）光纤（MeL）光接收机（MeR ) 第 4 章 光 纤 通 信 系 统49PT：S点发送光功率（dBm ) ; PR: R点接收灵敏度（dBm ) ; Ac : S-R段的活动连接器损耗（dB ) ，通常系统设备的尾纤经光缆配线架连接到光缆线路，使用2 个活动连接器；PP：S-R段光通道功率代价（dB ) ，由反射功率代价Pt 和色散功率代价Pd组成；Af：S-R段平均光缆损耗系数（dB/Km ) ， af

36、i：单盘光缆的损耗系数（dB/Km) ; n ：S-R段内光缆的盘数；As：S-R段平均焊接头损耗（dB ) ，一般最坏值取值为0.1dB; asi：单个光纤焊接头的损耗（dB ) ， Lf：单盘光缆的长度（km ) ，一般取值2km; Mc ：每公里的光缆富余度(dB/km)。损耗受限系统计算：第 4 章 光 纤 通 信 系 统50对于最坏值设计，最大传输距离:公式中带下标m参数皆为相应参数的最坏值。如光缆富余度按整个段总量留取MC，则变为：这里MC为S-R 之间总光缆富余度，如光缆富余度总共留5dB 。第 4 章 光 纤 通 信 系 统51色散受限系统 （1）决定色散限制最大传输距离的因素

37、是光纤色散系数和光源光谱特性。 色散受限系统的最大传输距离使用了ITU-T定义的光通路功率代价概念。 ITU-T 建议G.957 规定了一个通路由反射、码间干扰、模分配噪声以及激光器啁啾等因素引起的总退化造成的功率代价允许范围为1dB 以下，而对于色散值较高的系统，如10G 以上系统，该功率代价可以放宽至2dB 。 （2）ITU-T G.957 定义的光通路功率代价主要包括： 发送眼图的功率代价、消光比的功率代价、模式分配噪声的功率代价、频率啁啾的功率代价、码间干扰的功率代价、偏振模色散的功率代价、光放大器的噪声引入的功率代价和反射的功率代价8 种。其中影响较大的是码间干扰、频率啁啾和模式分配

38、噪声的功率代价。 （3）确定所设计的再生段的许允总色散（ps/nm) 选择合适的光接口及相应的一整套光参数。最经济的设计应该选择光接口：最大色散值大于实际系统设计色散值，同时在满足要求的各光接口中具有最小的最大色散值。第 4 章 光 纤 通 信 系 统52（4）色散受限系统最大无再生传输距离的最坏值可以用下式估算：DSR 为选定的标准光接口的S 和R 点之间允许的最大色散容限值，如12800 ps/nm; Dm为允许工作波长范围内的最大光纤色散系数，单位为：ps/nm km。A. 使用多纵模激光器时系统色散受限的最大传输距离 多纵模激光器引起的频率啁啾对最大传输距离的影响很小，所以使用多纵模激

39、光器的光缆线路系统的光通路功率代价仅需计算模式分配噪声的功率代价和码间干扰的功率代价两项。而模式分配噪声的功率代价和码间干扰的功率代价均和相对展宽因子有关。相对展宽因子表示码元脉冲经过信道传输后脉冲的相对展宽值，其表达式如下所示：第 4 章 光 纤 通 信 系 统53B 使用单纵模激光器系统色散受限系统的最大传输距离 由于单纵模激光器的模式分配噪声很小，所以其光通路功率代价仅需计算频率啁啾的功率代价和码间干扰的功率代价两项。其中频率啁啾带来的功率代价又根据系统使用的激光器类型及系统码速率的不同分成两种情况。一般与激光器张弛振荡周期Tc的一半 和系统的码速率B 有关。Tc 和激光器的类型及其直流

40、偏置有很大关系，一般的典型取值为50250ps 。情况1 ：当B 1/(2Tc)的时，激光器的频率啁啾发生在整个光脉冲的持续时间之内在这两种情况下, 频率啁啾的功率代价均和相对展宽因子有一定的关系，只是在不同的情况下，频率啁啾功率代价的计算方法有所不同。采用这样的方法，结果比较精准，但是要先确定其相对展宽因子的值，所以相对来说比较复杂。在实际工程中可以采用简单些的计算方法。第 4 章 光 纤 通 信 系 统54C 高斯脉冲近似计算：采用单纵模激光器的系统，光脉冲为高斯形，允许的脉冲展宽不超过10的发送脉宽，则可以得到一个十分简明的色散限制最大传输距离的近似计算公式如下： 为啁啾系数，为单纵模激

41、光器的中心波长（nm) ，Dm为光纤的最大色散系数(ps/nm.km) , B为系统码速率（Tbit/s）。以2.5Gbit/s系统为例，假设工作波长1550nm, Dm 为17ps/nm.km，量子阱激光器（设=3），传输距离为90km EA 调制器（设=0.5），传输距离为560km 。实际系统设计分析时，首先根据Ll式算出损耗受限的距离，再根据Ld式算出色散受限的距离，其中较短的距离为最大再生段距离。第 4 章 光 纤 通 信 系 统55应用举例：某光纤传输系统的应用场合为长距离局间通信（目标距离40km80km) ，使用已敷设的G652 光缆，工作波长为1550nm，系统投入使用后两三

42、年容量需求为2.5Gbit/s。根据上述需求可选择采用L-16.2 光接口，该光接口及相关各项参数如下：最小发送光功率PT：-2dBm 最差接收灵敏度PR: -28dBm允许最大色散值Dmax :1200ps / nm光纤活动连接损耗Ac :0.2dB光纤光缆平均衰耗Af :0.23dB / km光纤光缆色散系数D: 17ps/nm. Km熔接接头平均损耗As: 0.04dB / km光缆线路富余度Mc:0.05dB / km光功率代价PP:2dB第 4 章 光 纤 通 信 系 统56解：计算损耗受限最大传输距离为计算色散受限最大传输距离为因此，可以确定此系统的最大再生段距离为70 . 6km

43、 ，为色散限制系统。第 4 章 光 纤 通 信 系 统574.5 数字光纤传输系统的性能指标网络性能指标：误码性能、抖动性能和可用性4.5.1 误码性能1 误码产生因素: 各种噪声产生的误码，如接收端的热噪声、量子噪声，发送端的模分配噪声及光路上光反射引起的噪声等，这些噪声都是以随机量为参数，使得抽样的幅度变化产生的误码。由于光纤色散导致的码间干扰引起的误码定时抖动使抽样时刻偏移产生的误码各种外界因素使得突发性跳变参数产生误码，如电源瞬态干扰、设备故障和电磁干扰等，这类误码主要是突发性的。第 4 章 光 纤 通 信 系 统582 误码性能参数的定义误比特率BER: 描述的平均性。传统上常用平均

44、误比特率BER 来衡量系统的误码性能，即在某一规定的观测时间内发生差错的比特数和传输比特总数之比，如1x10-10 。但平均误码率是一个长期效应，它只给出一个平均统计结果。块差错：描述的空间性。有些误码呈突发性质，除了平均误码率之外还应该有一些短期度量误码的参数。对速率等于或高于基群的数字通道的误码性能的度量都以块为基础所谓“块”：是通道、段中传送的一些关联、连续比特的集合。每个比特属于且仅属于一个块。以“块”为基础进行度量便于进行在线误码性能监测。ITU - T G826 和G828 规范了四个性能参数：误块秒比（ESR ）严重误块秒比（SESR ）背景误块比（BBER ）严重误块期强度（S

45、EPI ）第 4 章 光 纤 通 信 系 统59差错块：当块内的任意比特发生错误时，就称该块是差错块（Errored Block , EB ) ，或称为误块。误块秒：当一秒时间内具有一个或多个差错块或至少一个缺陷时就称该秒为误块秒（Errored Second, ES）。严重误块秒: 当某一秒内含有不少于30 的误块或者至少出现一种缺陷时，就以为该秒为严重误块秒(Severely Errored Second, SES)。背景块差错: 在扣除不可用时间和SES 期间出现的差错块以后所剩下的差错块，称为背景块差错 (Background Block Error, BBE)。严重误码期: 3-9

46、个之间的连续严重误块秒的时间为严重误码期(Severely Errored Period; SEP)。误块秒比: 在规定测量间隔内出现的ES 数与总的可用时间之比，称为误块秒比(Errored Second Ratio, ESR)。严重误块秒比: 在规定测量时间内出现的SES 数与总的可用时间之比，称为严重误块秒比(Severely Errored Second Ratio, SESR)。第 4 章 光 纤 通 信 系 统60背景块差错比: BBE 数与扣除不可用时间和SES 期间所有块数后的总块数之比，称为背景块差错比（Background Block Error Ratio , BBER）

47、。严重误码期强度：可用时间内严重误码期事件数与总可用时间秒之比，称为严重误码期强度（Severely Errored Period Intensity, SEPI ），单位：1 （件）/ s 。可用时间：连续10s 内每秒均为非SES ，从这10 秒钟的第一秒起就认为进入了可用时间。不可用时间：连续10s 内每秒均为SES ，从这10 秒钟的第一秒起就认为进入了不可用时间。第 4 章 光 纤 通 信 系 统614.5.2 抖动、漂移性能1. 抖动(Jitter)：现象、定义、物理、规律定时抖动（简称抖动）: 抖动是一个数字信号的有效瞬时在时间上偏离其理想位置的短期的、非积累性的偏离。抖动度量单

48、位可以是相位，单位UI,也可以是时间单位s。一般变化频率高于10Hz的相位变化为抖动。 抖动会对传输质量甚至整个系统的性能产生恶劣影响，如会使信号发生失真，使系统的误码率上升以及会产生或丢失比特导致帧失步等。单位间隔UI （Unit Interval）第 4 章 光 纤 通 信 系 统62抖动的机理：如系统中的时钟不稳定、各种噪声（热噪声、散粒噪声及倍增噪声等）、码间干扰以及SDH 中的映射、指针调整等都可引起抖动。抖动对网络的性能影响：(1) 对数字编码的模拟信号，在解码后数字流的随机相位抖动使恢复后的样值具有不规则的相位，从而造成输出模拟信号的失真，形成所谓抖动噪声；(2) 在信号再生时，

49、定时的不规则性使有效判决点偏离接收眼图的中心，从而降低了信噪比余度，直至发生误码；在SDH网中，像同步复用器等配有缓存器的网元，过大的输入抖动会造成缓存器的溢出或取空，从而产生滑动损伤。2. 漂移(Wander)漂移是一个数字信号的有效瞬时在时间上偏离其理想位置的长期的，非积累性的偏离。一般变化频率低于大约10Hz就属于较慢的变化。3. 抖动和漂移的区别实际数字信号存在相位噪声，抖动是相位噪声的高频成份，漂移是相位噪声的低频成份，工程中以10Hz为界划分高频、低频。第 4 章 光 纤 通 信 系 统63第 4 章 光 纤 通 信 系 统64漂移的原因：引起漂移最普遍的原因是环境温度的变化。因为

50、环境温度的变化，可能导致光纤传输性能的变化、时钟变化以及激光二极管发射波长的偏移等，从而产生漂移。SDH 网络中指针调整可能产生漂移；时钟噪声、相位瞬变也会引起漂移。漂移可以简单地理解为信号传输延时的慢变化，引起传输信号比特偏离时间上的理想位置，结果使输入信号比特不能正确判决，产生误码。第 4 章 光 纤 通 信 系 统654.6 光纤放大器及其在光纤通信系统中的应用 在光放大器出现之前:由于光纤损耗所限制数字光纤通信系统的中继距离一般为80公里。中继距离之间的中继器：波形畸变的、功率微弱的光信号=电信号，经放大再整形R、再判决R、再生成R；电信号=光信号，即要经过O/E/O进行中继。光放大器

51、: 直接对光信号进行放大，解决了光纤损耗对光传输网络传输距离的限制；在密集波分复用系统中对几十路的不同波长信号同时放大；降低了系统设备成本和运行维护成本，在光通信领域中具有里程碑意义。第 4 章 光 纤 通 信 系 统66光放大器分类光纤放大器Optical Fiber Amplifier, OFA：放大介质为光纤或掺稀土元素的光纤。OFA根据放大机制不同分为：掺饵光纤放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA）喇曼光纤放大器( Raman Fiber Amplifier, RFA），使用的是普通单模光纤半导体光放大器Semiconductor Optical

52、 Amplifier, SOA ：放大介质为半导体晶体材料构成的正向偏压的P-N结。第 4 章 光 纤 通 信 系 统67掺饵光纤放大器EDFA1. EDFA 的工作原理工作波长窗口：1550nm，与光纤的低损耗窗口一致掺饵光纤：石英光纤作基础材料，在光纤芯子中掺入一定比例的稀土元素铒离子（Er3+），形成掺铒光纤。50nm, 50nm x 100GHz/0.8nm=6250GHz能级结构：泵浦方式：980nm or/and 1480nm 第 4 章 光 纤 通 信 系 统68 噪声：自发辐射Amplified Spontaneous Emission, ASE 泵浦效率和噪声: 泵浦效率/噪

53、声= 980nm低/噪声小；1480nm高/噪声大。 前置EDFA: 980nm; Booster 推动EDFA：980+1480nm 均衡滤波器：平坦滤波器第 4 章 光 纤 通 信 系 统692 . EDFA的结构 EDFA = 掺饵光纤 + 泵浦源 + 波分复用器 + 光隔离器 + 光滤波器 掺饵光纤：提供放大 泵浦源：提供足够强的泵浦功率 波分复用器：将信号光与泵浦光合在一起输入到掺饵光纤中 光隔离器: 保证光单向传输，以防由于光反射形成光振荡以及反馈光引起信号激光器工作状态的紊乱 光滤波器: 滤除光放大器中的ASE 噪声，提高EDFA 的信噪比。 第 4 章 光 纤 通 信 系 统7

54、02 . EDFA的泵浦方式 同向泵浦 反向泵浦 双向泵浦 第 4 章 光 纤 通 信 系 统71辅助电路：泵浦光源：工作状态进行监测和控制EDFA 输入和输出：光信号的强度进行监测，根据监测结果适当调节泵浦光源的工作参数，使EDFA 工作在最佳状态。自动温度控制自动功率控制保护功能控制 第 4 章 光 纤 通 信 系 统724 . EDFA 的基本性能增益、输出功率、噪声(1) 增益特性输出功率与输入功率之比。EDFA 的增益大小与多种因素有关，增益一般为15dB40dB 。 增益与泵浦功率： 小信号输入时的增益大于大信号输入时的增益。若定义增益系数dB为零时的泵浦光功率为泵浦阈值功率Pth

55、，则当PP/ Pth 大于3时，放大器增益出现饱和，即泵浦功率增加很多，而增益基本保持不变。此时放大器的增益效率（图中曲线的斜率）将随着泵浦功率的增加而下降。信号光输入功率增加第 4 章 光 纤 通 信 系 统73 增益与掺饵光纤长度的关系:开始时增益随掺饵光纤长度的增加而上升，但光纤超过了一定长度之后，增益反而逐渐下降，因此存在一个可获得最佳增益的掺饵光纤长度。这一长度只能是最大增益长度，而不是掺饵光纤的最佳长度，因为最佳长度还牵涉到EDFA 的噪声特性表现等。一般掺饵光纤最佳长度在几十米至一二百米。第 4 章 光 纤 通 信 系 统74（2）输出功率特性 理想的EDFA：不管输入功率多高，

56、光信号都能按同样的增益被放大。 实际的EDFA： 当输入功率增加时，受激辐射加快，以至于减弱了粒子反转分布的程度，使受激辐射光减弱，输出功率趋于饱和。如图： 最大输出功率-3dB 饱和输出功率：指当饱和增益下降3dB 时所对应的输出功率。该参数反映了EDFA 的最大功率输出能力。 泵浦光功率越大，3dB 饱和输出功率越大； 掺饵光纤长度越长，3dB 饱和输出功率也越大。 饱和状态下的输出功率与饱和输出功率不同。饱和状态下的输出功率是指放大器所能达到的最大功率，在高饱和状态下，泵浦光与信号光达到完全的能量转换时，最大输出功率可以同输入泵浦功率相等甚至更大。第 4 章 光 纤 通 信 系 统75(

57、 3 ）噪声特性EDFA 的输出光 =信号光 + 自发辐射光。EDFA 的噪声主要有4 种： 信号光的散粒噪声 被放大的自发辐射光ASE的散粒噪声 自发辐射ASE 光谱与信号光之间的差拍噪声 自发辐射ASE 光谱间的差拍噪声。 NF越小，信噪比越高 以上4 种噪声中，后两种影响最大，尤其是第三种噪声是决定EDFA 性能的主要因素。衡量EDFA 的噪声特性可用噪声系数 NF 来度量， 噪声系数 NF：EDFA 的输入信噪比与输出信噪比的比值（用dB 表示）。它与同相传输的自发辐射频谱密度和放大器增益密切相关，与输入信号功率、泵浦功率和泵浦方式等有关。第 4 章 光 纤 通 信 系 统76 噪声系

58、数 NF一般表现为以下3 点： 在输入小信号情况下，NF随着输入信号光功率的增大而略有减小；饱和状态时，NF随信号功率的增大而增大；这是由于受激辐射转换为信号光子的反转粒子数随信号光功率的增大而增多，与之对应，供自发辐射放大的反转粒子数相对减小；在小信号增益保持恒定时，ASE 功率的减小将导致噪声系数的减小，当EDFA 进入饱和工作状态后，尽管放大过程ASE 的抑制增强，但是由于饱和增益下降得较快，以致噪声系数反而随信号功率的增大而增大。 噪声系数随着泵浦功率的增加而减小。EDFA 的噪声功率由两部分组成，一部分是每一小段光纤产生的自发辐射，而大部分是该段光纤对前部光纤产生的自发辐射的放大，即

59、放大的自发辐射。泵浦功率越大，前一部分所占的比重就越小，因为虽然输出噪声功率随泵浦功率的增大而增大，但是信号同样也获得增益，因而每一段光纤产生的自发辐射的比重较小，所以总的信噪比提高，即噪声系数（NF ）降低。第 4 章 光 纤 通 信 系 统77 EDFA 3种常见的同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦方式的小信号增益和噪声系数相差不多，但是由于这3 种泵浦方式都能使整个光纤的铒离子处于完全反转的状态，所以信噪比恶化基本相同；当掺铒光纤长度增大时，同向泵浦形式输出功率最小，ASE 功率最小，因而噪声系数最低，噪声性能好；双向泵浦形式的噪声系数居中，输出功率居中，泵浦器件多；反向泵浦形式的噪声系数最高

60、，噪声性能差，可获得较高的输出功率。不同的泵浦方式，存在着不同的掺铒光纤长度，使EDFA 的性能达到最佳。理论与实践已经证明，对于任何利用受激辐射进行放大的光放大器，其噪声系数的最小值为3dB ，这个极限就被称为量子极限。980nm 泵浦 ，噪声系数可以接近该极限，约为3.2dB -3.4dB 1480nm 泵浦，最小噪声系数约为4dB 。 第 4 章 光 纤 通 信 系 统78 EDFA 向着复合结构发展：在掺铒光纤中插入合适的光学器件可以平坦放大器的增益抑制反向ASE 和瑞利散射；实现增益控制和输出限制放大器，充分利用泵浦光功率等。小信号增益已达到54dB ，噪声系数接近量子极限。商用ED