光技术与光纤通信章改底2

光技术与光纤通信云南大学信息学院通信工程系

宗容光纤通信第四章光纤通信系统光技术与光纤通信第一章概述第二章

光纤与光缆第三章通信用光器件第四章光纤通信系统第五章光纤通信中的高新技术第四章光纤通信系统§4.1光端机§4.2数字光纤通信系统§4.3模拟光纤通信系统§4.4光缆系统的测量方法§4.5光缆工程的验收与维护§4.1光端机一、光发射机二、光接收机三、线路编码一、光发射端机数字光发射机的原理框图光发射机应满足的要求光源的调制光源的驱动电路激光器的温度控制与功率控制电路光源与光纤的耦合1、数字光发射机的原理框图光发射机的主要功能是将电端机送来的电信号转换为适合于光纤中传输的光信号，其原理框图如下：线路编码控制电路光纤光源调制电路LED/LD电信号光信号2、光发射机应满足的要求光发射机的设计应满足系统提出的技术要求如下：稳定的输出功率。输出光功率通常指耦合进光纤的光功率，即入纤功率，根据不同系统的要求，通常在0.01~5mW范围内，并要求在环境温度变化或器件老化过程中，输入光功率要保持恒定。消光比EXT应尽量小，一般应小于0.1。消光比也称光脉冲的断通功率比EXT＝Poff/Pon，是指激光器在全“0”码时发送的功率与全“1”码时发送的功率之比，为保证接收机的灵敏度不受或少收影响，EXT应尽量小。输出光脉冲的上升时间、下降时间、和延迟时间应尽量短。应尽量抑制驰豫振荡。3、光源的调制－1将电信号转变为光信号通常有两种形式：直接调制和间接调制直接调制方法适用于半导体光源，它将要传送到信息转变为电流信号注入光源，获得相应的光信号输出。输出光波电场幅值的平方与调制信号成正比，是一种光强度调制(IM)。间接调制是利用晶体的电光、磁光、声光效应等性质对光辐射进行调制，既适用半导体光源，也适用于其它类型的光源。光源的调制－2间接调制最常用的是外调制的方法，即在光辐射产生后再加载调制信号。其具体方法是在激光器输出端外的光路上放置光调制器，在调制器上加调制调压，使通过调制器的光束得到调制。间接调制可以采用铌酸锂调制器(L－M)、电吸收调制器(EAM)和Ⅲ/Ⅴ族马赫－曾德干涉型调制器(MZ-M)实现对强度调制直接检波(IM-DD)光波系统，并非一定要采用外调制的方案，但在高速长距离光波系统中，采用间接调制有利于提高系统的性能。在PSK相干光纤通信系统的发射机中，一般用外调制器，这将在后面章节中进行讨论。两种调制方案(a)直接调制(b)间接调制(外调制)光源的调制制－3直接调制技技术具有简简单、经济济和容易实实现等优点点，由于光光源的输出出光功率基基本上与注注入电流成成正比，因因此调制电电流变化转转换为光频频调制是一一种线性调调制。按调制信号号形式，光光调制可分分为模拟信信号调制和和数字信号号调制两种种。模拟信号调调制是直接接用连续的的模拟信号号(如话音和视视频信号)对光源进行行调制，连连续的模拟拟信号电流流叠加在直直流偏置电电流上。适适当选择直直流偏置电电流的大小小，可以减减小光信号号的非线性性失真。光源的调制制－4数字信号调调制主要指指PCM编码调制，，先将连续续变化的模模拟信号通通过取样、、量化和编编码，转换换成一组二二进制脉冲冲代码，用用矩形脉冲冲的有(“1”码)无(“0”码)来表示信号号。直接光强数数字调制原原理(a)LED数字调制原原理(b)LD的数字调制制原理共发射极驱驱动电路射极耦合LD驱动电路4、光源的的驱动电路路反馈稳定LD驱动电路温度引起的的光输出的的变化5、激光器器的温度控控制与功率率控制电路路温度控制方方框图激光器致冷器热敏电阻控制电路热导ATC电路原理APC电路路原理6、光源与与光纤的耦耦合光源与光纤纤耦合的有有效程度都都用耦合效效率或耦合合损耗来表表示，其大大小取决于于光源和光光纤的类型型。LED与单模光纤纤的耦合效效率ηc<1%，LD与单模光纤纤的耦合效效率的典型型值为ηc＝30～50%二、光光接收端机机1、光接收机机的原理框框图及各部部分的作用用2、光接收机机的电路结结构和特性性光接收机的的前端光接收机的的线性通道道数据重建电电路集成光接收收机3、光接收机机的噪声4、数字光接接收机的灵灵敏度5、光中继器器与分插复复用器1、光接收机机的原理框框图及各部部分的作用用数字光接收收机的功能是：把经光光纤传输后后幅度被衰衰减、波形形被展宽的的微弱光信信号转换为为电信号，，并放大处处理，恢复复为原发射射机的数字字序列光信号经光光纤传输到到达接收端端有两个问问题：①幅度衰减（（有损耗））；②脉冲展宽（（有色散））光电检测器前置放大器主放大器均衡滤波判决器译码器AGC电路时钟恢复光信号电信号输出光接收机的的原理框图图接口电路接收机各部部分的作用用－1光电检测器器：将光信号号转换为电电信号前置放大器器：低噪声放放大，其噪噪声直接影影响到接收收机灵敏度度的高低主放大器：放大信号号并具有增增益调节功功能，使入入射光功率率在一定范范围内变化化时，输出出幅度保持持恒定均衡滤波：对失真的的波形进行行补偿（均均衡），保保证判决时时无码间干干扰，即将将输出波形形均衡成具具有升余弦弦频谱，判判决时消除除码间干扰扰时钟恢复：从信号中中提取同步步时钟接收机各部部分的作用用-2判决器：在时钟作作用下再生生出原信号号译码器：与光发射射机中的线线路编码（（或扰码））相对应AGC电路：自动增益益控制，保保证光接收收机具有一一定的输入入动态范围围接口电路：解决光接接收机和电电接收机之之间阻抗和和电压的匹匹配问题，，保证光接接收机输出出信号顺利利地送入电电接收机前三者解决决问题1，4~6解决问题2原理框图又又可分为3部分：接收收机的前端端部分、线线性通道、、再生电路路部分数字光接收收机方框图图2、光接收收机的电路路结构和特特性①光接收机的的前端光接收机的的前端电路路由光电二二极管和前前置放大器器构成。其其作用是将光纤线线路末端耦耦合到光电电二极管的的光比特流流转换为时时变电流，，然后进行行预放大，，以便后级级作进一步步处理前置放大器器主要是提提高信噪比比光接收机的的前端电路路－1有三种常用用前置放大大器：低阻型前端端：简单，易易于实现，，对均衡器器要求较低低，因为带带宽宽，高高频损失小小，补偿容容易，前置置级的动态态范围也较较大，但灵灵敏度较低低，噪声比比较高高阻型前端端：与低阻型型前端相反反。为减小小低阻抗前前端热噪声声，可采用用此设计方方案，但是是负载阻抗抗增大后，，将使前置置放大器动动态范围缩缩小，而且且当比特率率较高时，，输入端信信号的高频频分量损失失过大，对对均衡电路路要求较高高，很难实实现，所以以它一般只只适用于低低速系统光接收机前前端电路－－2跨(互)阻型前端：该前端是是将负载电电阻连接为为反相放大大器的反馈馈电阻，因因而又称互互阻抗前端端，它是一一个性能优优良的电流流—电压转换器器，即使负负载电阻很很高，而负负反馈使有有效输入阻阻抗降低G倍，G是前置放大大器的增益益，从而使使其带宽比比高阻抗前前端增加了了G倍，动态范范围也提高高了，所以以具有频带带宽、噪声声低、灵敏敏度高、动动态范围大大等综合优优点，被广广泛采用。。一般有两两级放大，，第一级为为电压负反反馈，第二二级为射极极补偿电路路，以提升升高频分量量新型前放：采用InGaAs光电二极管管和微波场场效应管FET混合集成技技术，制成成PIN—FET前端封装管管，可获得得良好性能能光接收机的的前置极放放大电路(a)双极型晶体体管(b)场效应管(c)跨阻型双极型晶体体管：低阻阻型前放，，电路的时时间常数RC小于信号脉脉冲宽度T，因而码间间干扰小，，适用于高高速率传输输系统；场效应管管：高阻阻型前放放，噪声声小，高高频特性性较差，，适用于于低速率率传输系系统；跨阻型：：改善了了带宽特特性和动动态范围围。并具具有良好好的噪声声特性②光接收机机的线性性通道光接收机机的线性性通道由由一个高高增益放放大器(主放大器器)和一个低低通滤波波器组成成。有时在主主放大器器前接入入一个均均衡器以以校正前前端有限限的带宽宽。自动增益益控制(AGC)将放大器器的平均均输出电电压限制制在固定定电平而而不随输输入光功功率而变变。低通滤波波器使电电压脉冲冲整形，，降低噪噪声，控控制可能能出现的的码间串串扰(ISI)。接收机机噪声正正比于接接收机带带宽，为为降低噪噪声，采采用带宽宽Δf小于B的低通滤滤波器接收机设设计中其其它部件件的带宽宽均大于于滤波器器带宽，，因此接接收机带带宽主要要由线性性通道的的低通滤滤波器决决定。当当Δf<B时，电脉脉冲展宽宽超过了了规定时时隙的检检测，引引起码间间串扰，，滤波器器设计时时应避免免产生这这种现象象。③数据重建建电路由判决电电路和时时钟恢复复电路组组成。其任务是是把线性性通道输输出的升升余弦波波形恢复复成数字字信号。。即从放放大器输输出的信信号与噪噪声混合合的波形形中提取取码元时时钟，并并逐个地地对码元元波形进进行判决决，以得得到原始始码流。。判决码元元主要是是确定判判决时刻刻(峰值点上上)、判决电电平(40~50%的峰值)、码元宽宽度(取决于时时钟周期期)。最佳取取样时间间相应于于在“1”和“0”信号电平平相差最最大位置置，可由由眼图决决定。④集成光接接收机集成光接接收机的的倒装式式结合光光电子集集成技术术3、光接接收机的的噪声接收系统统的噪声声说明量子噪声声：因接接收光子子数的起起伏引起起的噪声声内部散弹弹噪声：：由探测测器本身身产生电电子数的的无规则则起伏而而引起的的噪声暗电流噪噪声：无无光照时时产生的的电流所所引起的的噪声背景噪声声：由环环境的辐辐射光波波所产生生的噪声声放大器噪噪声：一一是电阻阻热运动动产生，，二是有有源器件件的输入入输出有有波动引引起光检测器放大器偏置电阻光子流RL量子噪声声暗电流噪噪声漏电流噪噪声APD倍增噪声声放大器噪噪声热噪声接收机噪噪声及其其分布4、数字字光接收收机的灵灵敏度(1)接接收机的的常用参参数误码率(BER)灵敏度动态范围围(2)理理想光接接收机的的灵敏度度(3)光光接收机机灵敏度度的恶化化(1)接接收机的的常用参参数1.误码率(BER)定义：传传输码流流中出现现误差的的概率工程上：：不同时间间测BER不同规定测24小时对瞬时有有一大误误码，平平均后很很小，则则需用其其它参数数来衡量量，如误误码秒标准：ITU-T规定，BER=10-9，设计时时要求BER=10-11当BER=10-6时系统告告警，BER=10-3时系统倒倒换计算误码码率的示示意图(1)接接收机的的常用参参数2.灵敏度定义：为为保证一一定误码码率(BER)，光接收收机所需需要接收收的最小小光功率率。单位位：dBm(dBm)=10lg功率值/1mw(1个mw为0dBm)意义：接接收机接接收微弱弱信号的的能力如-40dBm和-45dBm，应选择择-45dBm(1)接接收机的的常用参参数3.动态范围围定义：在在保证一一定的BER的前提下下，所允允许接收收到最大大光功率率和最小小光功率率之比。。单位：：dB意义：对对输入信信号的适适应能力力例如：某某发射极极发射功功率－3dBm，光纤线线路长40km，线路损损耗0.5dB/km，接收机机灵敏度度为－29dBm,动态范围围为20dB，问接收收机能否否接收到到该信息息。误码率BER随Q参数的变变化Q—超扰比当Q>7时，BER<10-12，Q=6时，BER＝10-9,接收机灵灵敏度相相当于Q=6时的平均均光功率率(2)理理想光接接收机的的灵敏度度理想光接接收机的的条件：：①系统的频频带无限限宽(任何频率率份量无无损失，，发1个光脉冲冲，收1个光脉冲冲)②光源消光光比为零零(发0码时，接接收光能能为零)③光检测器器暗电流流为零(发0码时，检检测器输输出为零零)④放大器无无噪声(传0码时，放放大器输输出为零零)由以上假假设条件件，发0收1的可能不不存在，，误码只只发生在在发1收0的情况。。(2)理理想光接接收机的的灵敏度度分析：光光子计数数法光入射时时，产生生的电子子－空穴穴对的数数目和时时间无法法精确测测量，它它服从泊泊松分布布P(n)=Nne-N/n!其中n—产生的电电子空穴穴对数目目N—产生的电电子空穴穴对数目目的平均均值P(n)—产生的电电子空穴穴对数目目为n时的概率率理想光接接收机的的灵敏度度设bmax为“1”码时所含含的平均均光能BER=P(n=0)=EXP(-bmax/hf)若BER=10-9，则bmax=21hf（21个光子））即在理想想光接收收机中，，在误码码率为10-9的条件下下，“1”码中至少少得有21个光子灵敏度Pmin=bmax/2Tη=10.5hfB/ηB=1/T———为码速21个光子——也称量子子极限理想光接接收机的的灵敏度度波长λ/μm1.311.55速率fb/(Mb.s-1)34140140622灵敏度Pr/dBm-71.1-63.8-65.7-59.2典型短波波长光接接收机灵灵敏度与与传输速速率的关关系实测误码码率与平平均接收收光功率率的关系系(3)光光接收机机灵敏度度的恶化化实际光发发送机发发出的信信号并非非理想比比特流，，并在光光纤传输输过程中中可能变变形。在在这种非非理想条条件下与与仅考虑虑接收机机噪声而而导出的的灵敏度度的值相相比，接接收机要要求的最最小平均均光功率率增大了了，这个个增量称称为功率代价，也称灵敏度恶化。造成功率代价价的因素主要要有:一类是光信号号在光纤中传传输时发生的的，不传输就就不存在；另一类是即使使没有光纤，，不传输也存存在；(3)光接收收机灵敏度的的恶化主要介绍后一一类因素导致致的恶化消光比引起的的灵敏度恶化化------功率代价随消消光比而增大大强度噪声引起起的灵敏度变变化取样时间抖动动引起的灵敏敏度恶化5、光中继器器与分插复用用器光中继器分插复用器(ADM)STM-1分插复用器（（ADM）功能1.5263445140155Mbit/s电源公务告警TMN接口STM-1终端设备155Mbit/s155Mbit/s三、线路编码码1、作用①将电缆中传输输的正负极性性码变为光纤纤中可传输的的单极性码②减少码流中长长连“0”或连“1”的数目，使““0”码和“1”码分布均匀，，便于时钟信信号的提取③实现运行误码码监测，利于于长途通信系系统的维护三、线路编码码－1④提供一定的冗冗余码，用于于平衡码流、、传输监控、、公务、区间间等通信，但但对高速光纤纤通信系统，，应适当减少少冗余码，以以免占用过大大带宽⑤减少码流中的的直流基线的的起伏和低频频分量，提高高输出功率的的稳定性和减减小码间干扰扰，有利于提提高光接收机机的灵敏度线路编码-22、光纤通信中中的线路码型型数字光纤通信信系统常用的的线路码型有有：扰码、mBnB码、插入码（1）扰码为了保证传输输的透明性，，在系统光发发射机的调制制器前，需要要附加一个扰扰码器，将原原始的二进制制码序列加以以变换，使其其接近于随机机序列。相应应地，在光接接收机的判决决器之后，附附加一个解扰扰器，以恢复复原始序列。。扰码与解扰扰可由反馈移移位寄存器和和对应的前馈馈移位寄存器器实现。线路编码-3扰码改变了““1”码和“0”码的分布,从而改善了码码流动一些特特性。例如：：扰码前：1100000011000………扰码后：1101110110011………但是，扰码仍仍具有下列缺缺点：①不能完全控制制长串连“1”和长串连“0”序列的出现②没有引入冗余余，不能进行行在线误码监监测③信号频谱中接接近于直流的的分量较大，，不能解决基基线漂移因为扰码不能能完全满足光光纤通信对线线路码型的要要求，所以许许多光纤通信信设备除采用用扰码外，还还采用其它类类型的线路编编码线路编码-4（2）mBnB码mBnB码是把输入的的二进制原始始码流进行分分组，每组有有m个二进制码，，记为mB，称为一个码码字，然后把把一个码字变变换为n个二进制码，，记为nB，并在同一个个时序内输出出。这种码型是把把mB变换为nB，所以称为mBnB码，m和n都是正整数，，n>m，一般选取n=m+1。码速为n/m。mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B等线路编码-51.伪双极性码(CMI和DMI码)电缆通信的PCM技术中常用双双极性码(AMI码)如HDB3码，它的“1”电平采用正、、负脉冲互相相交替，从而而消除了直流流分量。光纤纤中将此码型型适当变换，，成为相当于于AMI码的单极性码码，从而获得得电缆通信中中AMI码的优点，称称为伪双极性性码。规则：以两个个比特的数字字脉冲表示原原来的一个码码字。线路编码-6二电平码AMI(HDB3)CMIDMI000101(在+之后)10(在+之后)1-00(交替)00+11(交替)11CMI中仅用了三个个，还有一个个未用，未选选用的组合称称为禁字，在在接收端若出出现禁字，则则为误码线路编码-7特点：①“0”“1”均等，连“0”和连“1”数限制在2或3,直流基线也无无起伏②可自检误码③冗余度大，码码速率增加一一倍，需要更更高带宽度传传输线1B2B码＝CMI码其中禁字为10线路编码-72.2B3B码WDS为码字数字和和，用来描述述码字的均匀匀性，即在nB码中，－1代表“0”码，+1代表“1”码，整个码字字的代数和即即为WDS信号码(2B)线路码(3B)模式1模式2码字WDS码字WDS000001-1001-1101010-1010-1210100-11003输入3B输出4B00000001000001000110010100010101001100111011100010011001010101110111001101110111011111113B和4B的码字nB码的选用原则则是：尽可能能选择|WDS|最小的码字，，禁止使用|WDS|最大的码字。。信号码(3B)线路码(4B)模式1(正组)模式2(负组)码字WDS码字WDS00001011+20100-210011110+20001-22010010100101030110110001100410010010100105101101001010061100111+21000-271111101+20010-2一种3B和4B码表信号码(5B)线路码(6B)模式1(正组)模式2(负组)码字WDS码字WDS000000010111+2101000-2100001100111+2011000-2200010011011+2100100-230001100011100001110400100101011+2010100-2500101001011000101106001100011010001101070011100111000011100一种5B和6B码表-1信号码(5B)线路码(6B)模式1(正组)模式2(负组)码字WDS码字WDS801000110011+2001100-2901001010011001001101001010010101001010101101011010110001011001201100011001001100101301101011010001101001401110011100001110001501111101101+2010010-2一种5B和6B码表-2信号码(5B)线路码(6B)模式1(正组)模式2(负组)码字WDS码字WDS1610000011101+2100010-21710001100011010001101810010100101010010101910011100110010011002010100101001010100102110101101010010101002210110101100010110002310111110101+2001010-2一种5B和6B码表表-3信号码(5B)线路码(6B)模式1(正组)模式2(负组)码字WDS码字WDS2411000110001011000102511001110010011001002611010110100011010002711011111001+2000110-22811100111000011100002911101101110+2010001-23011110110110+2001001-23111111111010+2000101-2一种种5B和6B码表表-4mBnB码码特特性性mBnB码是是一一种种分分组组码码，，设设计计者者可可根根据据传传输输特特性性的的要要求求，，确确定定某某种种码码表表。。mBnB码的的特特点点是是：：①码流流中中0和1码的的概概率率相相等等，，连连0和连连1的数数目目较较少少，，定定时时信信息息丰丰富富②高低低频频分分量量较较小小，，信信号号频频谱谱特特性性较较好好，，基基线线漂漂移移小小③在码码流流中中引引入入一一定定冗冗余余码码，，便便于于在在线线误误码码监监测测缺点点是是：：传传输输辅辅助助信信号号比比较较困困难难。。因此此，，在在要要求求传传输输辅辅助助信信号号或或有有一一定定数数量量的的区区间间通通信信的的设设备备中中，，不不宜宜用用这这种种码码型型。。并→串PROM串→并组别变换变换时钟已变换的输出4B码流B1B2B3B4BACb1b2b3待变换输入信号码流变前时钟码表存储编码器原理（3））插插入入码码插入入码码是是把把输输入入二二进进制制原原始始码码流流分分成成每每mB一组组，，然然后后在在每每组组mB码末末尾尾按按一一定定规规律律插插入入一一个个码码，，组组成成m+1个码码为为一一组组的的线线路路码码流流。。根据据插插入入码码的的规规律律，，可可以以分分为为mB1C码、、mB1H码、、mB1P码，，码码速速为为(m+1)/m。1.mB1C码：：C为补补码码。。补补码码插插入入mB码的的末末尾尾，，连连0和连连1码的的数数目目最最少少，，其其结结构构如如下下图图所所示示。。mB1C码的的结结构构例如如：：mB码为为：：100110001101…………mB1C码为为：：1001110100101010…………C码的的作作用用是是引引入入冗冗余余码码，，可可以以进进行行在在线线监监测测；；同同时时改改善善了了0和1码的的分分布布，，有有利利于于定定时时提提取取插入入码码2.mB1H码：：插插入入混混合合码码它是是由由mB1C码演演变变而而成成的的，，即即在在mB1C码中中，，扣扣除除部部分分C码，，并并在在相相应应的的码码位位上上插插入入一一个个混混合合码码(H码)。所插插入入的的H码可可以以根根据据不不同同用用途途分分为为三三类类：：第一一类类是是C码，，它它是是第第m位的的补补码码，，用用于于在在线线误误码码率率监监测测；；第二二类类是是L码，，用用于于区区间间通通信信；；第三三类类是是G码，，用用于于帧帧同同步步、、公公务务、、数数据据、、监监测测等等信信息息的的传传输输。。插入码3.mB1P码P码称为奇奇偶校验验码，其其作用和和C码相似，，但P码有以下下两种情情况：(1)奇奇校验时时，其插插入规律律是使m+1个码内““1”码码的个数数为奇数数，例如如：mB码为：100000001110………mB1P码为：1000000100101101………(2)偶校验时时，其插插入规律律是使m+1个码内““1”码码的个数数为偶数数，例如如：mB码为：100000001110………mB1P码为：1001000000111100………当检测得得m+1个码内““1”码为奇数数/偶数时，，则认为为无误码码。4B1H编码器原原理4B1H译码器原原理插入码的的特点优点码速提高高不大，，误码增增值小；；可以实现现在线误误码检测测、区间间通信、、和辅助助信息传传输。缺点：码码流的频频谱特性性不如mBnB码在扰码后后再进行行mB1H变换，可可以满足足通信系系统的要要求（4）误误码监测测方法要求：运运行误码码监测，，当信号号到达一一个中继继点，反反馈一个个信号回回来，以以便知道道运行情情况方法：①双稳态法法：来一一个脉冲冲翻一次次，若不不翻，则则有误码码；②禁字法：：若收到到禁字，，则有误误；③运行数字字和法，，可逆加加法器，，来一个个脉冲，，加法器器加1,再来一个个脉冲，，加法器器减1，若加法法器溢出出，则知知有误④同步监测测法：逐逐步比较较数字光纤纤通信系系统几种种常用线线路码的的性能线路码型1B2B3B4B5B6B5B7B6B8B17B18B4B1H/1C8B1H/1C码速提升率21.331.21.41.331.061.251.125冗余度(%)1003320403362512.5最大连0或连1数23566不定1018平均误码增值因子/1.181.2821.8/1/功率代价/dB/1.460.92//0.29//基线漂移无小较小很小很小一般较大大误码监测精度精精精精较差差差差设备复杂程度简单简单较简单较简单较简单一般较复杂较复杂§4.2数字光纤纤通信系系统一、两种种传输体体制二、光缆缆通信系系统的全全程全网网形式三、光缆缆通信系系统的性性能指标标四、光缆缆通信系系统的设设计五、光缆缆通信系系统的施施工与维维护六、光纤纤辅助系系统一、两种种传输体体制(一)SDH概念念(二)SDH速率率与帧结结构(三)SDH同步步复用与与映射方方法(四)SDH复用用设备(五)SDH业务务保护(六)SDH网同同步(七)SDH性能能(一)SDH概念念PDH的缺陷和和SDH的产生SDH的基本概概念和特特点SDH的技术特特点PDH的缺陷和和SDH的产生准同步数数字系列列(PDH)1.6Gbit/s565Mbit/s274Mbit/s400Mbit/s100Mbit/s32Mbit/s6.3Mbit/s1.5Mbit/s45Mbit/s6.3Mbit/s34Mbit/s8Mbit/s2Mbit/s140Mbit/s×4×4×5×3×4×4×7×6×4×4×4×4北美欧洲日本1.PDH只有地区区性的数数字信号号速率和和帧结构构标准，，而不存存在世界界性的标标准。目目前国际际上通通行有三三种数字字信号速速率等级级系列，，即欧洲洲系列、、北美系系列和日日本系列列,这种局面面造成了了国际互互通的困困难。2.PDH没有世界界性的标标准光接接口规范范。由于于各厂家家各自采采用自行行开发的的线路码码型，使使得在同同一数字字等级上上光接口口的信号号速率不不一样，，致使不不同厂家家的设备备无法实实现横向向兼容。。这给组组网、管管理及网网络互通通，特别别是国际际互通带带来很大大困难。。3.PDH系列的复复用结构构除了几几个低速速等级的的信号（（北美为为1.5Mbit/s，日本为为1.5Mbit/s和6.3Mbit/s，欧洲2Mbit/s）采用同同步复接接外，其其他多数数等级的的信号采采用异步步复用，，即靠塞塞入一些些额外比比特使各各支路信信号与复复用设备备同步并并复用成成高速信信号。这这种方式式难以从从高速信信号中识识别和提提取低速速支路信信号。PDH的缺陷和和SDH的产生SDH4.准同步复复用帧结结构中没没有安排排很多用用于网络络操作、、管理和和维护（（OAM）的比特特。只有有在线路路编码中中通过插插入比特特的方法法来传输输一些监监控信号号，因而而无法对对传输网网实现分分层管理理和对通通道的传传输性能能实现端端对端的的监控。。要想完满满地在原原有技术术体制和和技术框框架内解解决这些些问题是是很困难难的，唯唯一的出出路是从从技术体体制上进进行根本本的改革革，于是是光同步步传输网网应运而而生。PDH的缺陷和和SDH的产生光同步传传输网的的概念最最初是由由美国贝贝尔通信信研究所所提出的的，并称称为同步步光网络络（SONET）。它是由一一整套分分等级的的标准化化数字传传送结构构组成的的，适于于各种路路径适配配处理的的净负荷荷（净负负荷是指指网络节节点接口口比特流流中所用用于电信信业务的的部分））在物理理媒质进进行传送送。原国际电电报电话话咨询委委员会（（CCITT）（现为为ITU-T）于1988年接受了了SONET概念，并并重新命命名为同同步数字字体系（（SDH），使之之成为不不仅适用用于光纤纤也适用用于微波波和卫星星传输系系统的通通用的SDH技术体制制。目前在世世界范围围内就SDH的基本软软件和硬硬件问题题已经达达成了一一致协议议。SDH所谓光同同步数字字传输网网是由一一些SDH网络单元元（NE）组成的的，在光光纤上进进行同步步信息传传输、复复用和交交叉连接接的网络络。它有全世世界统一一的网络络节点接接口（NNI），从而而简化了了信号的的互通以以及信号号的传输输、交叉叉连接和和交换过过程。它有一套套标准化化的信息息结构等等级，称称为同步步传送模模块STM-1、STM-4、STM-16、STM-64、……STM-N有一种块块状帧结结构，允允许安排排较多的的开销比比特（即即网络节节点接口口比特流流中扣除除净负荷荷后的剩剩余部分分）用于于网络的的OAMSDH基本概概念和和特点点它的基基本网网络单单元有有同步步光缆缆线路路系统统、同同步复复用器器（SM）、分分插复复用器器（ADM）和同同步数数字交交叉连连接设设备（（SDXC）等等等。虽然其其功能能各异异，但但都有有统一一的标标准光光接口口，能能够在在基本本光缆缆段上上实现现横向向兼容容，即即允许许不同同厂家家设备备在光光路上上互通通。它有一一套特特殊的的复用用结构构，允允许准准同步步数字字体系系、同同步数数字体体系、、B-ISDN信号（（ATM信元））都能能进入入其帧帧结构构，因因而具具有广广泛的的适应应性。。它大量量采用用软件件进行行网络络配置置和控控制，，使增增加新新功能能和新新业务务变得得十分分方便便，以以适于于将来来的不不断发发展。。SDH基本概概念和和特点点SDH技术术的特特点(1)全球统统一的的标准准同步复复用方方式与与灵活活的复复用映映射结结构5％的的丰富富开销销比特特标准的的光接接口信息净净负荷荷的网网络透透明性性网络定定时的的透明明性网络结结构灵灵活，，适用用于各各种情情况业务的的前向向和后后向兼兼容性性SDH技术术的特特点(2)不足之之处：：频带利利用率率降低低设备复复杂度度增加加网络同同步困困难软件依依赖性性提高高标准光光接口口、同同步复复用、、强大大的网网络管管理功功能是SDH的主要要特点点。ITU－T的主主要SDH建议议G.707：SDH网络节节点接接口G.783：SDH设备功功能模模块G.784：SDH管理G.957：SDH设备及及系统统光接接口G.813：SDH网元时时钟规规范G.841：SDH网络保保护规规范G.825：SDH网络节节点接接口抖抖动和和漂移移规范范SDH标准准比特率率，速速率等等级网络节节点接接口复用结结构，，复用用设备备网络管管理线路系系统，，网络络结构构光接口口性能：：误码码、抖抖动、、漂移移业务保保护(二)SDH速速率与与帧结结构1、SDH标准速速率等等级STM-N=STM-1×N信号STM-1STM-4STN-16STM-64速率Mb/s155.520622.0802488.3209953.280PDH与SDH的速速率等等级

PDHSDH中国、欧洲Mbit/s日本（北美）Mbit/s基群2.4081.544二次群8.4486.312三次群34.36832.064(44.736)四次群139.26497.728STM-1155.520五次群564.992STM-4622.080STM-162488.640STM-649953.280SDH速率率与帧帧结构构－22、网络络节点点接口口(NNI)传输网网由传传输设设备与与网络络节点点构成成传输设设备：：光缆缆线路路系统统、微微波接接力系系统网络节节点：：64kbit/s电路节节点、、宽带带节点点网络节节点功功能：：终结结、交交叉连连接、、复用用、交交换网络节节点接接口：：网络络节点点之间间接口口，即即传输输设备备与网网络节节点之之间接接口3、SDH帧结结构(1)SDH帧结构构：STM-N9*270*N字节SOH:段开销销RSOH:再生段段开销销MSOH:复用段段开销销AU:管理单单元PTR:指针AU=PTR+payload1231345919102701N单位:字节节字节间间插、、列间间插STM-NPayload含POHRSOHMSOHPTR传输顺顺序SDH的帧结结构是是一种种以字字节结结构为为基础础的矩矩形块块状帧帧结构构。它它由270×N列和9行8比特字字节组组成。。对于STM-1，帧长长度为为2430个字节节，相相当于于19440比特，，用时时间表表示即即125μs。帧结构构中字字节的的传输输是从从左到到右按按行进进行的的，首首先由由图中中左上上角第第1个字节节开始始，从从左到到右，，自上上而下下按顺顺序传传送，，直至至整个个9×270个字节节都送送完再再转入入下一一帧，，每秒秒共传传8000帧。帧结构构分为为三个主主要区区域：段开销销(SOH)区域它是为保证证信息净负负荷正常灵灵活传送所所必须的附附加字节，，主要供网网络运行、、管理和维维护使用的的字节，STM-1中有72字节/帧×8bit/字节×8000帧/s＝4.608Mbit/s信息净负荷荷(payload)区域它是存放各各种信息容容量的地方方，其中还还含有少量量用于通道道性能监视视、管理和和控制的通通道开销字字节(POH)。通常POH作为净负荷荷的一部分分并与其一一齐在网络络中传送。。管理单元指指针(AUPTR)区域所谓AUPTR就是一种指示示符，主要用用来指示信息息净负荷的第第一个字节在在STM-N帧内的准确位位置，以便在在接收端正确确的分解。采用指针方式式是SDH的重要创新，，可以使之在在准同步环境境中完成复用用同步和STM-N信号的帧定位位。这一方法法消除了常规规准同步系统统中滑动缓存存器引起的延延时和性能损损伤。滑动：是由于于各种数字通通信设备对信信息码流需要要经过写入、、读出的速率率不一致产生生的读写时差差，出现漏读读（丢失码元元）或重读（（插入码元））的现象。SDH帧结构构(2)再生段开销RSOH复用器复用器再生段复用段再生站帧定位字节A1和A2：A1：11110110A2：00101000D1～D3：数据通信信通路(DCC)192kb/s•：与传输媒介介有关的特定定字节；J0:再生段踪迹字字节╳：国内使用字字节╳：不扰码国内内使用字节D3·D2··D1╳╳F1·E1··B1╳╳J0A2A2A2A1A1A1SDH帧结构构(3)E1：再生站间勤务务话通道64kb/sF1：网络提供者通通道B1：再生段比特间间插奇偶校验验8位码（BIP—8））用途：再生段段传输误码监监视生成方法：1)对前一帧帧扰码后的所所有比特进行行计算，结果果置于扰码前前的B1字节位置2)B1字节的第K比特为前一帧帧扰码后的所所有字节的第第K比特提供偶校校验SDH帧结构构(4)3.5复复用段开销销MSOHB2D4D7B2

K2D6D9

K1D5D8B2D10Z1D12E2D11B2：BIP—24×N复用段误码监监视E2：复用段勤务话话D4—D12：复用段数据通通道DCC（576kb/s）K1,K2(b1-b5)：自动保护倒换换APS通路K2(b6-B8)：复用段远端端缺陷指示（（MS-RD1）Z1：同步状态(b5～b8)SDH帧结构构(5)高阶通道开销销J1：通道追踪字节节B3：通道BIP-8C2：信号标记字节节G1：通道状态字节节F2，F3：：勤务通道H4：复帧定位字节节K3：自动保护倒换换SDH帧结构构(6)N1：网络操作者使使用字节低阶通道开销销V5：BIP-2,REI,RDI,RFI,LabelJ2：低阶通道追踪踪字节N2：网络操作者使使用字节K4：自动保护倒换换(三)基基本复用原理理和复用单元元将低速支路信信号复用成高高速信号，有有两种传统方方法正比特塞入法法，又称正码码速调整：它它是利用位于于固定位置的的比特塞入指指示来显示塞塞入的比特究究竟是真实数数据还是伪数数据。其优点是可以以容许被复用用净负荷有较较大的频率差差异(异步方式)。然而，要想想从复用后的的高速信号中中直接接入和和取出各种净净负荷几乎不不可能基本复用用原原理和复用单单元-2固定位置映射射法，即利用用低速支路信信号在高速信信号中的特殊殊固定比特位位置来携带低低速同步信号号。该法在数字交交换机用得较较多时比较可可行，此时可可将传输信号号同步于网络络时钟。这种种方法允许比比较方便地接接入和取出信信号传送支路路净负荷，但但不能保证高高速信号与支支路信号的相相位对准，以以及由于同步步网故障或工工作于准同步步网环境而产产生的两者之之间的小频率率差，因此在在复用设备接接口处需用125μs的缓存器来进进行相位对准准和频率校正正，从而导致致信号延时和和滑动性能损损伤。基本复用用原原理和复用单单元-3在SDH中采用了净负负荷指针技术术，它既可避避免采用125μs的缓存器和在在复用设备接接口处的滑动动，又允许容容易地接入同同步净负荷。。严格说，指针针指示了净负负荷在STM-N帧内第一个字字节的位置，，因而净负荷荷在STN-N帧内是浮动的的。对于净负荷不不大的频率变变化，只须增增加或减小指指针即可。这这种方法比较较完满地结合合了正比特塞塞入法和固定定位置映射法法的特点，而而付出的代价价是必须处理理指针和由于于指针处理所所引入的抖动动。好在使用用大规模集成成电路技术可可以解决该问问题。数字复接概念念SDH同步复用与映映射方法接口容器虚容器支路单元支路单元组接口容器管理单元管理单元组一般复用结构构示意图简介介各种速率等级级的数字流先先进入相应的的不同接口容容器C。它是是一种信息结结构，主要完完成适配功能能(例如速率率调整)，以以便让那些最最常使用的准准同步数字体体系信号进入入有限数目的的标准容器由标准容器出出来的数字流流加上通道开开销(POH)后就构成成了所谓的虚虚容器(VC)，它是SDH中最重重要的一种信信息结构，主主要支持通道道层连接。一般复用结构构示意图简介介VC在SDH中传输时总是是保持完整不不变的，因而而可以作为一一个独立的实实体在通道中中任一点取出出或插入，进进行同步复用用和交叉连接接处理，十分分方便和灵活活。由VC出来的数字流流再按图中规规定路线进入入管理单元(AU)或支路单元(TU)AU是一种为高阶阶通道层和复复用段层提供供适配功能的的信息结构，，它由高阶VC和AUPTR组成。其中AUPTR用来指明高阶阶VC在STM-N帧内的位置，，因而允许高高阶VC在STM-N中的位置是浮浮动的，但它它本身在帧内内位置是固定定的。一般复用结构构示意图简介介在STM帧中中占有固定位位置的一个或或多个AU组组成管理单元元组(AUG)，它由若若干AU-3或单个AU-4按字节节间插方式均均匀组成。TU是一种为为低阶通道层层与高阶通道道层提供适配配功能的信息息结构，它由由低阶VC和和TUPTR组成，在在高阶VC净净负荷中占有有固定位置的的一个或多个个TU组成支支路单元组(TUG)一般复用结构构示意图简介介在AU和TU中要进行速率率调整，因而而低一级数字字流在高一级级数字流中的的起点是浮动动的。为了准准确地确定起起始点位置，，设置两种指指针(AUPTR和TUPTR)分别对高阶VC在相应AU帧内的位置及及VC－1、2、3在相应TU帧内的位置进进行灵活动态态定位最后，在N个AUG的基础上再附附加段开销(SOH)便形成了最终终的STM-N帧结构。C-4C-4(139.264Mbit/s)(148.760Mbit/s)(150.336Mbit/s)(150.912Mbit/s)(N×155.520Mbit/s)C－4VC－4AU－4AUGSTM－NVC-4VC-4POHAu-4PTRVC-4Au-4PTR(150.912Mbit/s)AUGAUGSOH逻辑结合物理结合注：无阴影区区之间是相位位定位的，阴阴影区与无阴阴影区间的相相位定位由指指针规定并由由箭头指示将各种信号装装入SDH帧结构净负荷荷区，需要经经过映射、定定位和复用等等三个步骤POH占9个字节（576kbit/s）C-4+POH，构成VC-4，称映射，即指将支路信号号适配装入VC的过程AUPTR占9个字节（576kbit/s），指明VC-4相对AU-4的相位，经过指针处理理的过程称定定位得到的单个AU-4直接置入AUG，再由N个AUG经单字节间插插并加上段开开销便构成了了SYM-N信号一个AUG＋SOH(4.608Mbit/s)，构成STM-1的标称速率155.520Mbit/s。(四)SDH复用设备1.5263445140155Mbit/s电源公务告警TMN接口STM-1终端设备155Mbit/sSTM-1终端复用用器功能能(四)SDH复用设设备STM-1分插复用用器（ADM）功能1.5263445140155Mbit/s电源公务告警TMN接口STM-1终端设备155Mbit/s155Mbit/s光信号光/电解复用解复用解复用复用复用复用复用140/34Mbit/s34/8Mbit/s8/34Mbit/s34/140Mbit/s8/2Mbit/s2/8Mbit/s2Mbit/s(电信号)光信号PDHADM155Mbit/s155Mbit/s光接口光接口2Mbit/s(电信号)SDH分插信号号流图的的比较SDH设设备功能能模块划划分比较项目DXC数字交换机交换对象路由(64Kb/s~155Mb/s)话路(64Kb/s)控制方式网管命令设置用户信令设置持续时间半永久连接(常在几小时至几天)通话时间(平均为几分钟)端口数量一般在16～1024一般在1,000～100,000阻塞率无阻塞或低阻塞有阻塞SDHADM设备(1)SDHADM设备备(2)线路的定定时提取取，时钟钟的综合合，本地地的定时时源，外外来定时时基准以以及他们们之间的的互相切切换STM-N信号号的段开开销的完完全处理理，支持持复用段段的倒换换功能，，支持各各种数据据及勤务务通道能自由配配置上下下各种符符合建议议的任意意支路信信号，能能接收及及产生所所有上下下支路的的开销SDHADM设备(3)能对上下下的支路路信号进进行交叉叉连接，，实现路路由的灵灵活配置置，从而而提高信信道利用用率应具有容容量的可可扩展性性可以配置置成TM设备或或线路再再生设备备具有业务务保护功功能，能能自动进进行保护护切换SDH交交叉连接接设备(1)传输业务务的路由由分配，，业务量量的疏导导及归并并，网络络运营的的管理和和维护提供保护护倒换路路由，对对特定业业务的故故障实现现快速恢恢复采用路由由算法，，在全网网范围内内寻找替替代路由由，实现现故障路路由的业业务恢复复网络通道道的监视视功能，，以及测测试的接接入功能能SDH设设备的定定时(1)外定时方方式：从外部部输入的的定时信信息中获获取定时时，如PDH2M定时基准准或STM-N环路定时时方式，即发送送的STM-N时钟同步步于相应应接收的的STM-N时钟通过定时时方式，即发送送的STM-N时钟同步步于同方方向的接接收的STM-N时钟线路定时时方式，即所有有发送的的STM-M信号的时时钟都同同步于某某一个接接收的STM-N时钟SDH设设备的定定时(2)内部定时时方式，即定时时来自SDH设备内部部自备的的满足一一定准确确度要求求的定时时源(五)SDH业业务保护护业务保护护路径保护护子网连接接保护业务恢复复集中控制制网络恢恢复分布控制制网络恢恢复自愈环———二纤纤单向通通道倒换换环自愈环——二纤单向向复用段段倒换环环复用段倒倒换环属属路径保保护，其其业务量量的保护护是以复复用段为为基础，，以每队队节点间间的复用用段信号号质量的的优劣而而决定是是否倒换换自愈环——四纤双向向复用段段倒换环环自愈环——二纤双向向复用段段倒换环环(六)SDH网网同步网同步的的概念网同步是是数字网网所特有有的问题题实现网同步的的目标是网中所所有交换换节点的的时钟频频率和相相位都控控制在预预先确定定的容差差范围内内，以便便使网内内各交换换节点的的全部数数字流实实现正确确有效的的交换。。否则会在在数字交交换机的的缓存中中产生信信息比特特的溢出出和取空空，导致致数字流流动滑动动损伤，，造成数数据出错错。由于时钟钟频率不不一致产产生滑动动在所有有使用同同一时钟钟的系统统中都会会出现，，影响很很大，因因而必须须有效控控制。SDH网网同步同步方式式：主从同步步基准主时时钟G.811转接局从从时钟G.812端局时钟钟G.812SDH网元时钟钟G.81s主时钟从时钟对时钟分分配链路路很敏感感时钟分配配链路：：STM-N线路信号号或PDH支路信号号三种常用用时钟类类型铯原子钟钟：利用铯铯原子的的能量跃跃迁现象象构成的的谐振器器来稳定定石英晶晶体振荡荡器的频频率。它是长期期频率稳稳定度和和精确度度很高的的时钟，，其长期期频偏优优于1×10-11,可以作为为全网同同步的最最高等级级的基准准主时钟钟。不足之处处是可靠靠性差，，平均无无故障工工作时间间仅2~3年，采用用多重备备用和自自动切换换技术后后可实现现高可靠靠的基准准主时钟钟。三种常用用时钟类类型石英晶体体振荡器器应用范围围广，可可靠性高高，价格格低，频频率稳定定度范围围宽，采采用高质质量恒温温箱的石石英晶振振的老化化率可达达10-11/天长期频率率稳定度度不好高稳定度度石英晶晶振可作作为长途途交换局局和端局局的从时时钟，此此时石英英晶振采采用窄带带锁相环环，并具具有频率率记忆功功能抵稳定度度石英晶晶振可作作为远端端模块或或数字终终端设备备的时钟钟铷原子钟钟：性能介介于上述述二者之之间，可可做同步步区的基基准时钟钟工作模式式主从同步步