电信传输技术第四章

1、电信传输技术第四章第1页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四4.1光纤传输链路的基本单元光纤传输链路由图4-1所示，其关键部分是由光源和驱动电路组成的光发送机、将光纤包在其中对光纤起到机械加固和保护作用的光缆以及由光检测器、光放大电路、信号恢复电路组成的光接收机三大部分组成。第2页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四图4-1第3页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四1. 光纤和光缆 在光纤链路中，成缆后的光纤是最重要的元件之一，有关光纤的基本概念已在第2章介绍。与铜缆类似，光缆可以架空铺设，也可以铺设在管道内、铺设于海底或直埋于

2、地下。 2. 发送机 核心是光源。光源的主要功能就是将输入电信号转换为光信号。一般铺设好光缆以后，光源应有与光纤纤芯相匹配的尺寸，以便于将光功率注入光纤。第4页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四3. 接收机 光接收器的关键设备是光电检测器。光信号注入光纤以后，由于光纤材料的散射、吸收和色散机理，会导致信号随传输距离的增加而产生连续的衰减和失真。第5页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四4.2 光纤的导光原理4.2.1 基本光学定律 1. 光速和材料的折射率光在不同的介质中以不同的速度传播，看起来就好像不同的介质以不同的阻力阻碍光的传播。描述介质的这

3、一特征的参数就是折射率，或者折射指数。 第6页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四 如果v是光在某种介质中的速度，c是光在真空中的传播速度 ，那么介质的折射率n为第7页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四例【4.1】 已知光从空气照射玻璃并从其中穿过，问光在玻璃中的传播速度是多少？解：取光对玻璃的折射率n=1.5，得到光在玻璃中的传播速度为第8页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四2. 光线的反射定律和折射定律 光在传播过程中，若从一种介质传播到另一种介质的交界面时，因两种介质的折射率不等，将会在交界面上发生反射和折射现象，如图

4、4-5所示，图中是 入射角， 是折射角。 是反射角第9页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（a)光从空气进入玻璃 (b) 光从玻璃进入空气图4-5入射光线、反射光线和折射光线第10页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四【例4.2】 图4-5中, 那么 和 的值是多少？解： , 由 ，可求得 第11页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（a）任意角度入射（b）入射角度增加第12页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（c）临界入射角发生全内反射 （d）入射角度大于临界入射角所有的光全 部被反射回第13页，共1

5、71页，2022年，5月20日，17点37分，星期四4.2.2 光纤对光的传导1.纤芯和包层的折射率 根据光纤横截面上折射率分布的不同，可分为阶跃型光纤和渐变型光纤 图4-8给出了阶跃型光纤的结构示意图。第14页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（a）折射率图 (b) 光纤的横截面前视图 (c)光纤的横截面右视图第15页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四【例4.4】 已知纤芯的折射率 ，包层的折射率 ，在什么条件下光可以保持在纤芯中？解：这个条件就是全反射。为了实现全反射，至少要使光纤以临界入射角入射到纤芯包层边界则第16页，共171页，2022

6、年，5月20日，17点37分，星期四2. 临界入射角 和临界传播角临界传播角 指光线与光纤中心线的角度（在光纤术语中常称它为“临界角”）；临界入射角 是光线和与纤芯和包层间的光边界垂直的直线间的角度第17页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四图4-10临界入射角和临界传播角第18页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四3. 光纤接受角度光当然要从像LED或LD这样的某个源发出，而这个源是在光纤之外的，所以我们必须把它导向到光纤中。图4-11示出了从一个光源辐射的光如何进入一根光纤的过程。第19页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四

7、图4-11 光从光源导向光纤的过程第20页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四【例4.5】 已知光纤纤芯的折射率 ，包层的折射率 的光纤，问其接受角是多少？解： 因为， 由 ，对于空气， 。则 ，求得所以接受角度 。第21页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四4. 数值孔径NA数值孔径表征光纤从光源接收光线的能力。NA值越大，光纤接收收集光的能力越强。数值孔径NA的定义是：由于 ， ，则得到NA的常用公式： 第22页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四 4.3 光纤的传输特性4.3.1光纤的损耗特性一、弯曲损耗 1.宏弯损耗 宏

8、弯损耗是指由整个光纤轴线的弯曲造成的损耗，其原理如图4-12所示。第23页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四 图4-12弯曲损耗第24页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四2.微弯损耗 微弯损耗是指由光纤轴线微小的崎变造成的损耗。其原理如图4-13所示。纤芯包层接口在几何上的不完善可能会造成在相应区域上微观的凸起或凹陷。光束最初以临界传播角传输，经过在这些不完善点处的反射以后，传播角会发生变化。结果就是不再满足全内反射条件，部分光束被折射掉，即它们泄露出纤芯，从而产生微弯损耗。第25页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四图4-

9、13 微弯损耗第26页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四二、散射损耗 光纤本身损耗的原因，大致包括两类：散射损耗和吸收损耗。 所谓散射是指光通过密度或折射率等不均匀的物质时，除了在光的传播方向以外，在其它方向也可以看到光，这种现象称为光的散射 散射损耗中瑞利散射和结构缺陷散射对光纤传输的影响较大。第27页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四1.瑞利散射 这种散射是由于光纤材料的折射率随机性变化而引起的2.结构缺陷散射 在光纤制造过程中，由于结构缺陷（如光纤中的气泡、未发生反应的原材料以及纤芯和包层交界处粗糙等），将会产生结构缺陷散射损耗，这种损耗与

10、光波长无关第28页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四三、吸收损耗 吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，造成光功率的损失。造成吸收损耗的原因很多，但都与光纤材料有关，下面主要介绍本征吸收和杂质吸收。（1）本征吸收 材料的固有吸收损耗与波长有关，对于石英系光纤，本征吸收有两个吸收带，一个是紫外吸收带，另一个是红外吸收带。第29页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（2）杂质吸收 杂质吸收是由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损耗。影响最严重的是：金属过渡离子和水的氢氧根离子吸收电磁能量而造成的损耗。第30页，共171页，2022年，5月2

11、0日，17点37分，星期四四、对衰减的计算 光纤损耗（Loss）是指光纤输出端的功率 与发射到光纤时的功率 的比值。 其中功率和以瓦（W）为单位。第31页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四 【例4.7】 一个传输系统使用衰减A为0.5 dB/km的光纤。如果输入功率是1 mw，链路长度为15km，求出输出光功率。 解：由（4.3-3）式得 第32页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四【例4.8】如果发射功率为1mW，接收器的敏感性为50uw，计算衰减为0.5Db/km的光纤链路的最大传输距离。解：由于 的最小值是由接收器的敏感性来决定的，则 。由公

12、式（4.3-4）得 第33页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四4.3.2 光纤的色散特性 光纤色散是光纤的另一个重要特性，由于光纤中色散的存在，会使得输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这就限制了传输容量和传输距离。 光纤的色散可归结为三类：模式色散、材料色散，波导色散。第34页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四一、模式及模式数量1模式 光在光纤中是以一组独立的光束或光线传播。如果我们能够看到光纤内部的话，我们会看到一组光线以不同的传播角 传播，传播角的值从零到临界值第35页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期

13、四（a）不同光束的模式第36页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四(b)不同的光束具有不同的相位变化第37页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四光纤只支持那些在同一相位完成整个锯齿形的模式第38页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四2.模式数量 光纤中的模式数量依赖于光纤的光特性和几何特性。一根光纤的纤芯直径越大纤芯所能容纳的光就越多，所具有的模式就越多；同样，光的波长越短光纤所能容纳的模式也越多。第39页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四 一根光纤中模式的数量由归一化频率（normalized freq

14、uency）参数V来决定，这个参数常被称为V参数。这个值等于 （4.3-5）其中,d为纤芯直径，为工作波长， n1和n2分别为纤芯和包层的折射率。对于阶跃折射率光纤，当V值较大（V20）时，可以采用下公式计算模式的数量N 第40页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四 （4.3-6）对于渐变折射率光纤，模式的数量N为第41页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四 3模式的物理意义 在光纤中，总的光功率是由单个的模式携带的，所以在光纤输出端这些小部分结合起来就成了带一定功率的输出光束。第42页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四二、模

15、式色散1.色散的概念 在光纤中，信号的不同模式或不同频率在传输时具有不同的速度，因而信号到达终端时会出现传输时延差，从而引起信号畸变，这种现象统称色散。2. 模式色散 由于光束在光纤内部的模式结构所造成的脉冲展宽被称为模式色散第43页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四 3.模式色散的计算 色散的大小用时延差 表示。现以阶跃型多模光纤为例，对其最大模式色散进行估算 在多模阶跃光纤中，传输最快和最慢的两条光线分别是沿轴心传播的光线1和以临界角 传播的光线2，如图4-18所示。使用弱光纤可以表示为第44页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四【例4.10】

16、对于一个 ， 阶跃折射率光纤，问一个光脉冲在此光纤中传输5 km之后光脉冲扩展（即模式色散）为多少？ 解：由于弱光纤 相差很小，这里用代替。根据公式（4.3-11）得第45页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四 4.模式色散对传输速率的影响 假设我们需要以10 Mbps（兆比特每秒）的速度传输信息,也就是说每秒钟想要传输个脉冲；换句话说，每个周期的持续时间为100 ns. 模式色散会使这些脉冲产生扩展让我们看【例4.10】中的数字第46页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四第47页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四三、减少模式

17、色散的措施1.采用渐变折射率光纤（1）渐变折射率光纤的结构 由图4-18的分析已知，在阶跃型多模光纤的纤芯中，零级模式沿中心轴线传播，较高级的模式以等于或小于临界传播角传播。这样，同样速度的光束传输不同的距离，它们以不同的时间到达接收器，从而形成脉冲扩展（模式色散）。第48页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（2）渐变折射率光纤如何减少模式色散 对于渐变折射率光纤，其模式色散（最大脉冲扩展） 可由下公式给出 （4.3-12）其中是相对折射率，c是光在真空中的速度，为纤芯群折射率。第49页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四 【例4.11】 对于一个

18、 ， 的渐变折射率光纤，如果链路长5 km，计算其由模式色散（脉冲扩展值）。 解：由公式（4.3-12）得 第50页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四2.采用单模光纤 单模光纤也由纤芯和包层构成，一般纤芯直径2a4-10，包层直径2b= 125 单模光纤是在给定的工作波长上，只传输单一基模的光纤.不会产生模式色散第51页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四3.各种光纤模式色散的比较（a）阶跃折射率多模光线第52页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四 （b）渐变折射率多模光纤第53页，共171页，2022年，5月20日，17点3

19、7分，星期四（c）阶跃折射率单模光纤第54页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四四、材料色散 材料色散是由光纤材料自身特性造成的。石英玻璃的折射率，严格来说，并不是一个固定的常数，而是对不同的传输波长有不同的值。光纤传输实际上用的光源发出的光，并不是只有理想的单一波长，而是有一定的波谱宽度。第55页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四 由材料色散造成的脉冲扩展可用以下公式进行计算 （4.3-13） 其中， 是材料色散系数， 单位是； 是光源光谱宽度。第56页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四【例4.12】某光纤的材料色散系数

20、，其谱线宽度 ，试求该光传输1km之后的材料色散。（注： ）解：由式（4.3-13）得 第57页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四五、波导色散 波导色散是由光纤中的光波导引起的，由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散。这类色散在开路介质中是不存在的。波导色散主要存在单模光纤中。多模光纤中的波导色散可以忽略。第58页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四4.4光源和光发射机4.4.1半导体光源器件 为了提高光纤通信系统的传输性能，要求光源在下面几个方面具有良好的质量指标： (1)光源的发射波长应该与光纤的低损耗窗口一致，目前为085、l3和1.55这三个低

21、损耗窗口。第59页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（2）光源的谱线宜窄，这样可以减小光纤色散对信号传输质量的影响。光源的谱线宽度直接影响到光纤的色散特性，限制了传输速率和传输距离。目前较好的半导体激光器谱线宽度可达到0.1nm。（3）光源与光纤的耦合效率要高，使更多的光功率进入光纤传输。目前，半导体激光器与尾纤的耦合效率为1020，最好可达50。（4）调制方法简单。第60页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（5）响应速度要快，以满足高速率传输的需要。（6）能够室温连续工作。并能提供足够的光输出功率；目前，半导体激光器尾纤的输出功率可达5002m

22、w；半导体发光二极管的尾纤输出功率可达10左右；（7）体积小、重量轻。寿命长。其寿命应在10万小时以上。第61页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四一、半导体激光器（LD）的工作特性1.阈值特性第62页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四2.光谱特性 当时 ，发出的是荧光，因此，光谱很宽，如图4-23(a)所示，其宽度常达数百埃（ ）。当 后，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，表明发出激光，第63页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四3.温度特性图4-25激光器阈值电流随温度的变化第64页，共171页，2022年，5月20

23、日，17点37分，星期四二、半导体发光二极管（LED）的工作特性1.光谱较宽由于LED是属于自发辐射发光，因此，其谱线宽度要比LD宽的多，在这一点对于高速率信号的传输是不利的。目前，国内一般边发光二极管的最高调制频率为70100MHz。第65页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四2.PI曲线的线性较好 由于LED是无阈值器件，它随着注入电流的增加，输出光功率近似呈线性地增加，其PI曲线如图4-27所示。因此，在进行调制时，其动态范围大，信号失真小第66页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四图4-27发光二极管的P-I特性第67页，共171页，2022

24、年，5月20日，17点37分，星期四3.光纤的耦合效率较低4.寿命长。发光二极管的寿命可以达到h以上。5.温度特性较好第68页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四4.4.2光源的调制在目前广泛使用的强度调制直接检波光纤传输系统中，要将电信号调到光波上，这就要对光源进行调制。实现调制的方法有两类：一类是直接调制；另一类是间接调制第69页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四一、光源的直接调制 光源的直接调制方式又称为内调制。常用的直接调制方法有下列三种： （1）模拟强度调制（AIM），这种方式与基带传输相似。 （2）脉位调制（PPM），这种方式适应光源和

25、检测管的特性，实际上仍属于模拟调制。 （3）数字调制，如 PCM-IM，这是光纤通信最常用的调制方式。第70页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四1. 模拟信号的直接调制第71页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四2. 数字信号的直接调制第72页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四二、光源的间接调制1. 电光调制器 电光调制器的基本工作原理是晶体的线性电光效应。电光效应是指电场引起晶体折射率变化的现象，能够产生电光效应的晶体称为电光晶体。2. 声光调制器 声光调制器是利用介质的声光效应制成。第73页，共171页，2022年，5月

26、20日，17点37分，星期四4.4.3光发送机光发射机的原理方框图第74页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四1. 输入盘各部分功能均衡器 对于使用不同速率的光端机，CCITT规定了系列数字接口的码型，以2048kbit/s为基群速率的数字系列各比特率所规定的接口码型第75页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四表4.4-1 数字复接等级对应的接口码型第76页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四码型变换 由均衡器输出的 HDB3码（又称三阶高密度双极性码）或 CMI码（又称传号反转码），前者是三值双极性码（即+l，0、-l），后者

27、是归零码，在数字电路中为了处理方便，需通过码型变换电路，将其变换为非归零码（即NRZ码）。第77页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四扰码 若信码流中出现长连“0”或长连“1”的情况，将会给时钟信号的提取带来困难，为了避免出现这种情况，需加一扰码电路，它可有规律地破坏长连“0”和长连“ 1”的码流。从而达到“0”、“l”等概出现。扰码以后的信号再进行线路编码。第78页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四时钟提取由于码型变换和扰码过程都需要以时钟信号作为依据，因此，在均衡电路之后，由时钟提取电路提取出时钟信号，供码型变换和扰码电路使用。第79页，共17

28、1页，2022年，5月20日，17点37分，星期四编码如上所述，经过扰码后的码流，尽量使得“l”和“0”的个数均等，这样便于接收端提取时钟信号。另外从实用角度来看，为了便于不间断业务的误码监测、区间通信联络、监控及克服直流分量的波动，在实际的光纤传输系统中，都要对经过扰码以后的信码流进行编码，以满足上述要求。经过编码以后，就变为适合在光纤线路中传送的线路码型。第80页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四2. 发送盘各部分的功能发送盘主要完成将电信号转换成光信号，并将光信号送入光纤的任务。 驱动 光源驱动电路是光发送盘的核心 自动光功率控制（APC）和自动温度控制（ATC）

29、电路对由LD管构成的光源，发送盘还有自动光功率控制（APC）和自动温度控制电路（ATC）第81页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四3. 其他保护、监测电路 发送盘除上述各部分电路外，还有如下一些辅助电路：光源过流保护电路。以防止反向冲击电流过大；无光告警电路。这时延迟告警电路将发出告警指示；LD偏流（寿命）告警。光发送盘中的LD管，随着使用时间的增长，其阈值电流也将逐渐加大。第82页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四4.5光接收机一、光纤数字接收机的组成第83页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四1.光电检测器 光接收机中实

30、现将光信号转换为电信号的器件称为光电检测器。光电检测器是利用材料的光电效应来实现光电转换的。2.前置放大器 前置放大器在将信号放大的过程中，放大器本身的电阻将引入热噪声；放大器中的晶体管将引入散弹噪声。第84页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四3.主放大器 主放大器的作用有两个：一是将前置放大器输出的信号电平放大到判决电路所需要的信号电平；二是一个增益可调节的放大器。当光电检测器输出的信号出现起伏时，通过光接收机的自动增益控制电路对主放大器的增益进行调整，以使主放大器的输出信号幅度在一定范围不受输入信号的影响。第85页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，

31、星期四二、光接收机的主要指标1.光接收机灵敏度光接收机的灵敏度，就是在满足给定的误码率指标条件下最低接收的平均光功率 。 光接收机灵敏度中的光功率若用相对值来描述，工程上常用dBm来表示，即 第86页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四 上式中， 指在满足给定的误码率指标条件下最低接收光功率。 指1mw光功率。 上述灵敏度的物理含义是：如果一部光接收机在满足给定的误码率指标下所需的平均光功率低，说明这部接收机在微弱的输入光条件下就能正常工作第87页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四2.光接收机的动态范围光接收机的动态范围D，是在保证系统的误码率指标

32、要求下，接收机的最低输入光功率（用dBm来描述）和最大允许输入光功率（用dBm来描述）之差（dB）。即 （dB） 第88页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四4.6 SDH光传输网4.6.1 SDH的基本概念和特点 1.SDH的基本概念 SDH是由一些基本网络单元（NE）组成，在信道上进行同步信息传输、复用和交叉连接的网络。 目前实际应用的基本网络单元有四种，即终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）、再生中继器 （REG）和SDH数字交叉连接设备（SDXC）。第89页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（1）终端复用器（TM）图4-32 终端复用器

33、 第90页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（2）分插复用器（ADM） 分插复用器用于SDH传输网络的转接站点处，例如链的中间节点或环上节点，是SDH网上使用最多、最重要的一种网元，它是一个三端口的器件，如图4-33所示。第91页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四图4-33 分插复用器第92页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（3）再生中继器 （REG） 再生中继器（REG）是光中继器，它是双端口器件，只有两个线路端口W和E，如图4-34所示。其作用是将光纤长距离传输后受到较大衰减及色散畸变的光脉冲信号转变成电信号后进行放

34、大整形、再定时、再生为规划的电脉冲信号，再调制光源变换为光脉冲信号送入光纤继续传输，以延长传输距离。第93页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四图4-34 再生中继器第94页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（4）SDH数字交叉连接设备（SDXC） 数字交叉连接设备主要完成STM-N信号的交叉连接功能，它是一个多端口器件，它实际上相当于一个交叉矩阵，完成各个信号间的交叉连接，如图4-35所示。第95页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四图4-35数字交叉连接设备功能图第96页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，

35、星期四 通常用SDXC m/n来表示一个SDXC的类型和性能（注mn），m表示可接入SDXC的最高速率等级，n表示在交叉矩阵中能够进行交叉连接的最低速率级别。m越大表示SDXC的承载容量越大；n越小表示SDXC的交叉灵活性越大第97页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四表4.6-1 m、n 数值与速率对应表第98页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四 由上述四种网络单元构成的SDH系统如图4-36所示。图中示出了再生段、复用段和通道的划分。图4-37为SDH设备实例图。图4-38为SDH机房实例图。第99页，共171页，2022年，5月20日，17点

36、37分，星期四2. SDH的特点SDH的特点主要体现在以下几个方面：（1）有全世界统一的网络节点接口（NNI)，包括统一的数字速率等级、帧结构、复接方法、线路接口、监控管理等等。实现了数字传输体制上的世界标准及多厂家设备的横向兼容。（2）采用标准化的信息结构等级，其基本模块是速率为155.520Mbit/s的同步传输模块第一级（记作STM-1）。第100页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（3）SDH的帧结构中安排了丰富的开销比特，使网络的管理和维护功能大大加强，而且适应将来B-ISDN的要求。（4）SDH采用同步复用方式和灵活的复用映射结构，利用设置指针的办法，可以在

37、任意时刻，在总的复接码流中确定任意支路字节的位置，从而可以从高速信号一次直接插入或取出低速支路信号，使上下业务十分容易。第101页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（5）SDH确定了统一新型的网络部件，这些部件是TM，ADM，SDXC以及REG。这些部件都有世界统一的标准。此外，由于用一个光接口代替大量的电接口，可以直接经光接口通过中间节点，省去大量电路单元。（6）SDH对网管设备的接口进行了规范，使不同厂家的网管系统互联成为可能。这种网管不仅简单而且几乎是实时的，因此降低了网管费用，提高了网络的效率、灵活性和可靠性。第102页，共171页，2022年，5月20日，17

38、点37分，星期四（7）SDH与现有PDH完全兼容，体现了后向兼容性。同时SDH还能容纳各种新的业务信号，如高速局域网的光纤分布式数据接口（FDDI）信号，城域网的分布排队双总线 （DQDB ）信号，以及异步传递模式（ATM）信元，体现了完全的前向兼容性。第103页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四4.6.2 SDH的速率与帧结构1. SDH的速率 SDH具有统一规范的速率。SDH信号以同步传输模块（STM）的形式传送。SDH信号最基本的同步传输模块是STM-1，其速率为155.520 Mbit/s。更高等级的STM-N信号是将STM-1经字节间插同步复接而成。其中，N是

39、正整数。目前SDH仅支持N=1，4，16，64。第104页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四有三个信号A、B、C如图4-39（a）所示，帧结构各为每帧3个字节，若将这三个信号通过字节间插复用方式复用成信号D，那D就应该是这样一种帧结构：帧中有9个字节，且这9个字节的排放次序如图4-39（b）所示，则这样的复用方式就是字节间插复用方式。第105页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四图4-39字节间插复用示意图第106页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四2. 帧结构STM-N信号帧结构的安排应尽可能使支路低速信号在一帧内均匀地、

40、有规律的分布。这样便于实现支路信号的同步复用、交叉连接（DXC）、分/插和交换，也即为了方便从高速信号中直接上/下低速支路信号。鉴于此，ITU-T规定了STM-N的帧是以字节（8bit）为单位的矩形块状的帧结构，如图4-40所示。第107页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四图4-40 SDH帧结构第108页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四 从图4-40可以看出，STM-N的帧结构由3部分组成：段开销（SOH），包括再生段开销（RSOH）和复用段开销（MSOH）；管理单元指针（AU-PTR）；信息净负荷（payload）区域.（1）信息净负荷（p

41、ayload）区域 信息净负荷区域是帧结构中存放各种信息负载的地方。 （2）段开销（SOH）第109页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四 段开销（SOH）是指STM-N 帧结构中为了保证信息净负荷正常、灵活传送所必须附加的供网络运行、管理和维护（OAM）使用的字节。 段开销（SOH）又分为再生段开销（RSOH）和复用段开销（MSOH），分别对相应的段层进行监控。我们讲过段其实也相当于一条大的传输通道，RSOH和MSOH的作用也就是对这一条大的传输通道进行监控。第110页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（3）管理单元指针（AU-PTR） 管理单元

42、指针位于STM-N帧中第4行的9N列，共9N个字节。其作用是用来指示信息净负荷的第一个字节在STM-N帧内的准确位置的指示符，以便收端能根据这个位置指示符的值（指针值）正确分离信息净负荷。第111页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四4.6.3 SDH的复用结构和步骤各种业务信号复用进STM-N帧的过程都要经历映射（相当于信号打包）、定位（相当于指针调整）、复用三个步骤。1. 复用结构ITU-T规定了一整套完整的复用结构（也就是复用路线），通过这些路线可将PDH3个系列的数字信号以多种方法复用成STM-N信号。第112页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，

43、星期四图4-42 我国SDH基本复用结构第113页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四为了对SDH的复用映射过程有一个较全面的认识，也为后面介绍映射、定位、复用的概念作铺垫，现以139.264Mbit/s支路信号复用映射成STM- N帧为例详细说明整个复用映射过程。参见图4-43。第114页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四图4-43 139.264Mbit/s支路信号的复用映射过程第115页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四 首先将标称速率为139.264Mbit/s的支路信号装进C-4，经适配处理后C-4的输出速率为14

44、9.760Mbit/s。然后加上每帧9字节的POH（相当于576kbit/s）后，便构成了VC-4（150.336Mbit/s），以上过程称为映射。第116页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四2. SDH的复用步骤 由图4-43可见，在将低速支路信号复用成STM-N信号时，要经过3个步骤：映射、定位、复用。 映射是一种在SDH网络边界处（例如SDH/PDH边界处）将支路信号适配进虚容器的过程。第117页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四4.6.4 SDH网络1.SDH网络的物理拓扑结构如果信息是从一点到另一点进行传输，这就是点到点拓扑结构，常规P

45、DH系统和早期PDH系统即基于这种物理拓扑结构。除此之外，还有五种基本类型的物理拓扑结构，如图4-44所示。第118页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四图4-44 SDH基本物理拓扑结构第119页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四 从以上可看出，各种拓扑结构各有其优点。在作具体的选择时，应综合考虑网络的生存性、网络配置的容量，同时考虑网络结构应当适于新业务的引进等多种实际因素和具体情况。一般来说，星形拓扑结构和树形拓扑结构适合用户接入网，环形拓扑结构和线形拓扑结构适用于中继网，树形和网孔形相结合的拓扑结构适用于长途网第120页，共171页，202

46、2年，5月20日，17点37分，星期四2.SDH自愈网所谓自愈网就是无需人为干预，网络就能在极短时间内从失效故障中自动恢复所携带的业务，使用户感觉不到网络已出了故障。其基本原理就是使网络具备备用（替代）路由，并重新确立通信能力。自愈的概念只涉及重新确立电信传输，而不管具体失效元部件的修复与更换，而后者仍需人工干预才能完成。第121页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（1）线路保护倒换 线路保护倒换有两种方式：1+1方式。1+1方式采用并发优收，即工作段和保护段在发送端永久地连在一起（桥接），信号同时发往工作段和保护段，在接收端择优选择接收性能良好的信号。1：n方式。所谓

47、1：n方式是保护段由n个工作段共用，当其中任意一个出现故障时，均可倒至保护段。1：1方式是1：n方式的一个特例。第122页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四线路保护倒换的主要特点有：业务恢复时间很快，可短于50ms。若工作段和保护段属同缆复用（即主用和备用光纤在同一缆芯内），则有可能导致工作段（主用）和保护段（备用）同时因意外故障而被切断，此时这种保护方式就失去作用了。第123页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（2）环形网保护 当把网络节点连成一个环形时，可以进一步改善网络的生存性和成本，这是SDH网的一种典型拓扑方式。环形网的节点一般用ADM

48、（也可以用DXC），而利用ADM的分插能力和智能构成的自愈环是SDH的特色之一，也是目前研究和应用比较活跃的领域。采用环形网实现自愈的方式称为自愈环。第124页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四图4-45 二纤单向通道倒换环第125页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（3）DXC保护 DXC保护主要是指利用DXC设备在网孔形网络中进行保护的方式。在业务量集中的长途网中，一个节点有很多大容量的光纤支路，它们彼此之间构成互连的网孔形拓扑。若是在节点处采用DXC4 /4设备，则一旦某处光缆被切断时，利用DXC4 /4的快速交叉连接特性，可以很快地找出替

49、代路由，并且恢复通信。于是产生了DXC保护方式，如图4-46所示。第126页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四图4-46采用DXC为节点的保护第127页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（4）混合保护 所谓混合保护是采用环形网保护和DXC保护相结合，这样可以取长补短，大大增加网络的保护能力。混合保护结构如图4-47所示。第128页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四图4-47 混合保护结构第129页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（5）各种自愈网的比较线路保护倒换方式（采用路由备用线路）配置容易，网

50、络管理简单，而且恢复时间很短（50ms以内），但缺点是成本较高，主要适用于两点间有稳定的大业务量的点到点应用场合。第130页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四3. 我国SDH网络结构 我国的SDH系统的网络结构, 一般都采用有自愈功能的环型网结构及少部分的点对点线性结构（一级干线），我国SDH系统组网分为四个层面, 如图4-48所示。第131页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四图4-48 我国 SDH网络结构第132页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四最高层为一级干线网, 它是国家骨干网, 是由比较大的省会城市构成网型网结

51、构，并辅以少量线型网。在业务量大的汇接点城市装有DXC 4/4，具有STM-N接口和PDH系列的140 Mb/s接口。第二层为二级干线网, 主要实现省内的骨干环型网（少量线型网），其主要汇接点有DXC 4/4和DXC 4/1，有PDH的2 Mb/s、34 Mb/s和140 Mb/s接口，也有SDH系列接口，具有灵活的调度电路能力。 第133页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四 第三层一般为中继线网（长途市局和市内局间连接），可按区域组成若干环，由ADM组成各类自愈环，也可以以路由备用方式构成两结点环。第134页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四

52、第四层面为用户接入网。它是SDH网中最庞大、最复杂的部分，从建设投资来看，它占50%以上。用户光纤化正在实施，光纤到路边FTTC，光纤到大楼FTTB，光纤到家庭FTTH为最终目标，这些均要作长远考虑，应搞一体化的SDH/CATV网，开通多媒体业务，直至提供图像、电视和高清晰度电视等宽带业务。第135页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四综上所述，我国的SDH网络结构具有以下几个特点：（1）具有四个相对独立而又综合一体的层面；（2）简化了网络规划设计；（3）适应现行行政管理体制；（4）各个层面可独立实现最佳化；（5）具有体制和规划的统一性、完整性和先进性。第136页，共17

53、1页，2022年，5月20日，17点37分，星期四4.6.5 SDH网络传输性能 传输系统的性能对整个电信传输网的通信质量起着至关重要的作用。影响SDH传输网传输性能的主要传输损伤包括误码、抖动和漂移。第137页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四1. 误码性能误码是指经接收、判决、再生后，数字码流中的某些比特发生了差错，使传输的信息质量产生损伤。（1）误码的产生和分布 误码可说是传输系统的一大害，轻则使系统稳定性下降，重则导致传输中断(以上)。第138页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四从网络性能角度出发可将误码分成两大类：内部机理产生的误码。系

54、统的此种误码包括由各种噪声源产生的误码；定位抖动产生的误码；复用器、交叉连接设备和交换机产生的误码；以及由光纤色散产生的码间干扰引起的误码，此类误码会由系统长时间的误码性能反应出来。第139页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四脉冲干扰产生的误码。由突发脉冲诸如电磁干扰、设备故障、电源瞬态干扰等原因产生的误码。此类误码具有突发性和大量性，往往系统在突然间出现大量误码，可通过系统的短期误码性能反映出来。第140页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（2）误码性能的度量 传统误码性能的度量（G.821)是度量64kbit/s的通道在27500km全程端到

55、端连接的数字参考电路的误码性能，是以比特的错误情况为基础的。第141页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（4）误码减少策略内部误码的减小：改善收信机的信噪比是降低系统内部误码的主要途径。另外，适当选择发送机的消光比，改善接收机的均衡特性，减少定位抖动都有助于改善内部误码性能。在再生段的平均误码率低于数量级以下，可认为处于“无误码”运行状态。 外部干扰误码的减少：基本对策是加强所有设备的抗电磁干扰和静电放电能力，例如，加强接地。此外在系统设计规划时留有充足的冗度也是一种简单可行的对策。第142页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四2. 可用性参数（1

56、）不可用时间传输系统的任一个传输方向的数字信号连续10秒期间内每秒的误码率均劣于，从这10秒的第一秒钟起就认为进入了不可用时间。（2）可用时间当数字信号连续10秒期间内每秒的误码率均优于，那么从这10秒钟的第一秒起就认为进入了可用时间。第143页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（3）可用性可用时间占全部总时间的百分比称之为可用性。为保证系统的正常使用，系统要满足一定的可用性指标。第144页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四3.抖动漂移性能抖动和漂移与系统的定时特性有关。定时抖动（抖动）是指数字信号的特定时刻（例如最佳抽样时刻）相对其理想时间位置

57、的短时间偏离。所谓短时间偏离是指变化频率高于10Hz的相位变化。而漂移指数字信号的特定时刻相对其理想时间位置的长时间的偏离，所谓长时间是指变化频率低于10HZ的相位变化。抖动和漂移会使收端出现信号溢出或取空，从而导致信号滑动损伤。第145页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（1）抖动和漂移的产生机理 有两个SDH网特有的抖动源：在将支路信号装入VC时，加入了固定塞入比特和控制塞入比特，分接时需要移去这些比特，这将导致时钟缺口，经滤波后产生残余抖动脉冲塞入抖动；指针调整抖动。此种抖动是由指针进行正负调整和去调整时产生的。第146页，共171页，2022年，5月20日，17

58、点37分，星期四（2）抖动性能规范SDH网中常见的度量抖动性能的参数有：输入抖动容限。输入抖动容限分为PDH输入口的（支路口）和STM-N输入口（线路口）的两种输入抖动容限。对于PDH输入口则是在使设备不产生误码的情况下，该输入口所能承受的最大输入抖动值。第147页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四输出抖动与输入抖动容限类似，也分为PDH支路口和STM-N线路口。定义为在设备输入无抖动的情况下，由端口输出的最大抖动。映射和结合抖动在PDH/SDH网络边界处由于指针调整和映射会产生SDH的特有抖动，为了规范这种抖动采用映射抖动和结合抖动来描述这种抖动情况。第148页，共1

59、71页，2022年，5月20日，17点37分，星期四抖动转移函数抖动转移特性抖动转移函数定义为设备输出的STM-N信号的抖动与设备输入的STM-N信号的抖动的比值随频率的变化关系，此频率指抖动的频率。第149页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四（3）抖动减少的策略线路系统的抖动减少：线路系统抖动是SDH网的主要抖动源，设法减少线路系统产生的抖动是保证整个网络性能的关键之一PDH支路口输出抖动的减少：由于SDH采用的指针调整可能会引起很大的相位跃变（因为指针调整是以字节为单位的）和伴随产生的抖动和漂移，因而在SDH/PDH网边界处支路口采用解同步器来减少其抖动和漂移幅度，

60、解同步器有缓存和相位平滑作用第150页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四4.7 实现高速大容量的光传输技术4.7.1复用技术分类 从分割复用技术所分割的“域”的角度可将复用技术分为空间域的空分复用（SDM ）、时间域的时分复用（TDM ）、频率域的频分复用（FDM）和码字域的码分复用（CDM ），如图4-49所示。它们分别从不同域拓展了通信传输系统的容量，丰富了信号交换和控制的方式第151页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四图4-49 不同域的分割复用技术第152页，共171页，2022年，5月20日，17点37分，星期四 在早期的模拟通信系统中