光通信技术数字光纤通信系统课件

第5章数字光纤通信系统

5.1两种传输体制

5.2系统的性能指标

5.3系统的设计

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5.1两种传输体制光纤大容量数字传输目前都采用同步时分复用(TDM)技术。复用又分为若干等级，先后有两种传输体制：

•准同步数字系列(PDH)

•同步数字系列(SDH)随着光纤通信技术和网络的发展，PDH遇到了许多困难。美国提出了同步光纤网(SONET)。

1988年，ITU-T(原CCITT)提出了被称为同步数字系列(SDH)的规范建议。SDH解决了PDH存在的问题，是一种比较完善的传输体制，现已得到大量应用。这种传输体制不仅适用于光纤信道，也适用于微波和卫星干线传输。5.1.1准同步数字系列PDH

准同步数字系列有两种基础速率：

•以1.544Mb/s为第一级(一次群，或称基群)基础速率，采用的国家有北美各国和日本；

•以2.048Mb/s为第一级(一次群)基础速率，采用的国家有西欧各国和中国。

在这种形势下，现有PDH的许多缺点也逐渐暴露出来，主要有：(1)北美、西欧和亚洲所采用的三种数字系列互不兼容。(2)各种复用系列都有其相应的帧结构，没有足够的开销比特，使网络设计缺乏灵活性。(3)复接/分接设备结构复杂，上下话路价格昂贵。PDH主要适用于中、低速率点对点的传输

5.1.2同步数字系列SDH

1.SDH传输网SDH不仅适合于点对点传输，而且适合于多点之间的网络传输。

与PDH相比，SDH具有下列特点：(1)SDH采用世界上统一的标准传输速率等级。最低的等级也就是最基本的模块称为STM-1，传输速率为155.520Mb/s；4个STM-1同步复接组成STM-4，传输速率为622.080Mb/s；16个STM-1组成STM-16,传输速率为2488.320Mb/s，以此类推。(2)SDH各网络单元的光接口有严格的标准规范。因此，光接口成为开放型接口，这有利于建立世界统一的通信网络。标准的光接口综合进各种不同的网络单元，简化了硬件，降低了网络成本。(3)在SDH帧结构中，丰富的开销比特用于网络的运行、维护和管理，便于实现性能监测、故障检测和定位、故障报告等管理功能。图5.4分插信号流程的比较光/电光信号分接分接分接140/34Mb/s34/8Mb/s8/2Mb/s复接复接复接电/光光信号2/8Mb/s8/34Mb/s34/140Mb/s2Mb/s(电信号)SDHADM155Mb/s光接口155Mb/s光接口2Mb/s(电信号)PDHPDH和SDH分插信号流程的比较采用SDH分插复用器(ADM)，可以利用软件一次直接分出和插入2Mb/s支路信号，十分简便。2.SDH帧结构

SDH帧结构是实现数字同步时分复用、保证网络可靠有效运行的关键。

图5.5给出SDH帧一个STM-N帧有9行，每行由270×N个字节组成。这样每帧共有9×270×N个字节，每字节为8bit。帧周期为125μs，即每秒传输8000帧。对于STM-1而言，传输速率为9×270×8×8000=155.520Mb/s。

字节发送顺序为：由上往下逐行发送，每行先左后右。

图5.5SDH帧的一般结构(3)管理单元指针(AUPTR)。管理单元指针是一种指示符，主要用于指示Payload第一个字节在帧内的准确位置(相对于指针位置的偏移量)。采用指针技术是SDH的创新，结合虚容器(VC)的概念，解决了低速信号复接成高速信号时，由于小的频率误差所造成的载荷相对位置漂移的问题。

3.复用原理

SDH采用载荷指针技术ITUT规定了SDH的一般复用映射结构。所谓映射结构，是指把支路信号适配装入虚容器的过程，其实质是使支路信号与传送的载荷同步。这种结构可以把目前PDH的绝大多数标准速率信号装入SDH帧。图5.7SDH的一般复用映射结构举例：由PDH的4次群信号到SDH的STM-1的复接过程把139.264Mb/s的信号装入容器C-4，经速率适配处理后，输出信号速率为149.760Mb/s;在虚容器VC-4内加上通道开销POH(每帧9Byte,相应于0.576Mb/s)后，输出信号速率为150.336Mb/s；在管理单元AU-4内，加上管理单元指针AUPTR(每帧9Byte,相应于0.576Mb/s)，输出信号速率为150.912Mb/s;由1个AUG加上段开销SOH(每帧72Byte,相应于4.608Mb/s),输出信号速率为155.520Mb/s,即为STM-1。

4.SDH常用设备终端复用设备（TM）分插复用设备(ADM)数字交叉连接设备(DXC)•终端复用设备：完成SDH终端的复接/分接功能。MUXE1E1…STM-N同步复接DMXE1E1…STM-N同步分接图5.2(a)终端复用器TM；

•

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。1:m1:m…m:1m:1复接交叉连接矩阵分接1n1n配置管理图5.2(c)交叉连接设备DXC图5.1示出SDH传输网的拓扑结构。SDH传输网由SDH终接设备(或称SDH终端复用器TM)、分插复用设备ADM、数字交叉连接设备DXC等网络单元以及连接它们的(光纤)物理链路构成。图5.1SDH传输网的典型拓扑结构TMADMDXCADMTMTMTMADMSTM-nSTM-nDXCADMTMSTM-NSTM-NSTM-NSTM-NSTM-NSTM-NSTM-NSTM-nSTM-n低速信号低速信号……低速信号低速信号(n<N)

图5.10SDH环形网(双环)SDHADMSDHADMSDHADMSDHADM…支路信号…支路信号…支路信号…支路信号SDH环形网的一个突出优点是具有“自愈”能力。当某节点发生故障或光缆中断时，仍能维持一定的通信能力。当然，SDH通过ADM和DXC等网络单元可以构成更为复杂的网形网(如图5.1所示)。网形SDH网络的主要特点是：端到端之间存在一条以上的路径，可同时构成一条以上的传输通道，通过DXC的灵活配置，使网络具有更好的抗毁性和更高的可靠性。5.3系统的设计1总体设计考虑

我们知道，数字光纤通信系统一般采用强度调制、直接检波的方式，即IM-DD方式。任何复杂的通信系统，其基本单元都是点到点的传输链路。它包括三大部分，即光发送机，光接收机和光纤线路。每一部分都涉及许多的光电器件，所以对链路的设计是一个复杂的工作，而每个元器件的选择都要经过若干次的反复。这里仅对原则性的问题作一下介绍。光纤：需要考虑选用单模还是多模光纤;需要考虑的设计参数有：纤芯尺寸、纤芯折射率分布、光纤的带宽或色散特性、衰耗特性。光源：可以使用LED或LD，光源器件的参数有发射功率、发射波长、发射频谱宽度、方向图等。检测器:可以使用PIN组件或APD组件，主要的器件参数有工作波长、响应度、接收灵敏度、响应时间等。1)采用的传输制式以前的数字传输链路使用的是PDH体制，现在SDH技术已经成熟并已在线路上大量使用，鉴于SDH设备良好的性能和兼容性，长途干线传输或大城市的市话系统都应该采用SDH。但为了节省成本，农村线路也可以适当采用PDH。2)工作波长的确定工作波长可根据通信距离和通信容量进行选择。如果是短距离小容量的系统，则可以选择短波长范围，即800～900nm。如果是长距离大容量的系统，则选用长波长的传输窗口，即1310nm和1550nm，因为这两个波长区具有较低的损耗和色散。另外，还要注意所选用的波长区具有可供选择的相对器件。3)光纤的选择

光纤有多模光纤和单模光纤，每种都有阶跃的和渐变折射率的纤芯分布。对于短距离传输和短波长应用，可以用多模光纤。但长波长传输一般使用单模光纤。目前可选择的单模光纤有G.652，G.653，G.654，G.655等。G.652对于1310nm波段是最佳选择；G.653只适合于1550nm波段；对于WDM系统，G.655和大有效面积光纤是最适合的。

另外，光纤的选择也与光源有关，LED与单模光纤的耦合率很低，所以LED一般用多模光纤，但近来1310nm的边发光二极管与单模光纤的耦合取得了进展。另外，对于传输距离为数百米的系统，可以用塑料光纤配以LED。

4)光源的选择选择LED还是LD，需要考虑一些系统参数，比如色散、码速率、传输距离和成本等。LED输出频谱的谱宽比起LD来宽得多，这样引起的色散较大，使得LED的传输容量（码速距离积）较低，限制在2500（Mb/s）·km以下（1310nm）；而LD的谱线较窄，传输容量可达500（Gb/s）·km（1550nm）。

典型情况下，LD耦合进光纤中的光功率比LED高出10～15dB，因此会有更大的无中继传输距离。但是LD的价格比较昂贵，发送电路复杂，并且需要自动功率和温度控制电路。而LED价格便宜，线性好，对温度不敏感，线路简单。设计电路时需要综合考虑这些因素。5)光检测器的选择

选择检测器需要看系统在满足特定误码率的情况下所需的最小接收光功率，即接收机的灵敏度，此外还要考虑检测器的可靠性、成本和复杂程度。PIN比起APD来结构简单，温度特性更加稳定，成本低廉。正常情况下，PIN的偏置电压低于5V。但是若要检测极其微弱的信号，还需要灵敏度较高的APD或PIN-FET等。2设计方法

对数字光纤通信系统而言，系统设计的主要任务是:

根据用户对传输距离和传输容量(话路数或比特率)及其分布的要求，按照国家相关的技术标准和当前设备的技术水平，经过综合考虑和反复计算。

选择最佳路由和局站设置、传输体制和传输速率以及光纤光缆和光端机的基本参数和性能指标，以使系统的实施达到最佳的性能价格比。在技术上，系统设计的主要问题是确定中继距离，尤其对长途光纤通信系统，中继距离设计是否合理，对系统的性能和经济效益影响很大。T′,T:光端机和数字复接分接设备的接口；Tx:光发射机或中继器发射端；Rx:光接收机或中继器接收端；C1,C2:光纤连接器；S:靠近Tx的连接器C1的接收端；

R:靠近Rx的连接器C2的发射端；

SR:光纤线路，包括接头。1）中继距离受损耗的限制图5.17示出了无中继器和中间有一个中继器的数字光纤线路系统的示意图，图中符号：

图5.17数字光纤线路系统(a)无中继器；(b)一个中继器

如果系统传输速率较低，光纤损耗系数较大，中继距离主要受光纤线路损耗的限制。在这种情况下，要求S和R两点之间光纤线路总损耗必须不超过系统的总功率衰减，即式中，Pt为平均发射光功率(dBm)，Pr为接收灵敏度(dBm)，αc为连接器损耗(dB/对)，Me为系统余量(dB)，αf为光纤损耗系数(dB/km),αs为每km光纤平均接头损耗(dB/km),αm为每km光纤线路损耗余量(dB/km),L为中继距离(km)。或(5.8)2）中继距离受色散(带宽)的限制

如果系统的传输速率较高，光纤线路色散较大，中继距离主要受色散(带宽)的限制。为使光接收机灵敏度不受损伤，保证系统正常工作，必须对光纤线路总色散(总带宽)进行规范。

对于数字光纤线路系统而言，色散增大，意味着数字脉冲展宽增加，因而在接收端要发生码间干扰，使接收灵敏度降低，或误码率增大。严重时甚至无法通过均衡来补偿，使系统失去设计的性能。图5.18高斯波形的码间干扰

对于实际的单模光纤通信系统，受色散限制的中继距离L可以表示为：（5.16）式中,是线路码速率(Mb/s)，与系统比特速率不同，它要随线路码型的不同而有所变化。C0是光纤的色散系数(ps/(nm·km))，它取决于工作波长附近的光纤色散特性。σλ为光源谱线宽度(nm)，对多纵模激光器(MLM-LD)，为rms宽度，对单纵模激光器(SLM-LD),为峰值下降20dB的宽度。ε是与功率代价和光源特性有关的参数，对于MLMLD,ε=0.115,对于SLM-LD，ε=0.306。

5.3.3中继距离和传输速率光纤通信系统的中继距离受损耗限制时由式(5.8)确定；中继距离受色散限制时由式(5.13)(多模光纤)和式(5.15)或式(5.16)(单模光纤)确定。从损耗限制和色散限制两个计算结果中，选取较短的距离，作为中继距离计算的最终结果。以140Mb/s单模光纤通信系统为例计算中继距离设系统平均发射功率Pt=-3dBm,接收灵敏度Pr=-42dBm，设备余量Me=3dB，连接器损耗αc=0.3dB/对，光纤损耗系数αf=0.35dB/km,光纤余量αm=0.1dB/km，每km光纤平均接头损耗αs=0.03dB/km。把这些数据代入式(5.8)，得到中继距离又设线路码型为5B6B,线路码速率Ｆb=140×(6/5)=168Mb/s,|C0|=3.0ps/(nm·km)，σλ=2.5nm。把这些数据代入式(5.16)，得到中继距离：在工程设计中，中继距离应取74km。在本例中中继距离主要受损耗限制。但是，如果假设|C0|=3.5ps/(nm·km)，σλ=3nm，而