光纤通信技术

光纤通信技术第一页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五4.5数字光纤通信系统4.6同步数字系列(SDH)4.7光纤通信新技术第二页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五第4章光纤通信技术4.1光纤通信概述4.1.1光纤通信基本概念光纤通信是以光为载波，以光纤为传输介质的通信方式。任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输距离。通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。光纤通信的载波是光波。第三页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

虽然光波和电波都是电磁波，但是频率差别很大。目前，光纤通信用的近红外光波长范围约0.8μm～1.8μm。频率约300THz。光纤通信用的频带宽度约为200THz，在常用的1.31μm和1.55μm两个波长窗口频带宽度也在20THz以上。由于光源和光纤特性的限制，目前，光强度调制的带宽一般只有20GHz，因此还有3个数量级以上的带宽潜力可以挖掘。光纤是由绝缘的石英(SiO2)材料制成的，通过提高材料纯度和改进制造工艺，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。

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在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波导管的损耗低得多，因此，相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点。

1.容许频带很宽，传输容量很大

目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般为2.5Gb/s和10Gb/s。采用外调制技术，传输速率可以达到40Gb/s。波分复用和光时分复用更是极大地增加了传输容量。DWDM最高水平为132个信道，传输容量为20Gb/s×132=2640Gb/s。第五页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五2.损耗小，中继距离长

石英光纤在1.31μm和1.55μm波长，传输损耗分别为0.50dB/km和0.20dB/km，甚至更低。因此，中继距离长。目前，采用外调制技术，波长为1.55μm的色散移位单模光纤通信系统，若其传输速率为2.5Gb/s，则中继距离可达150km；若其传输速率为10Gb/s，则中继距离可达100km。传输容量大、传输误码率低、中继距离长的优点，使光纤通信系统不仅适合于长途干线网而且适合于接入网的使用，这也是降低每公里话路的系统造价的主要原因。第六页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

3.重量轻、体积小光纤重量很轻，直径很小。即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多。

4.抗电磁干扰性能好光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。无金属光缆非常适合于存在强电磁场干扰的高压电力线周围和油田、煤矿等易燃易爆环境中使用。光纤(复合)架空地线(OPGW)是光纤与电力输送系统的地线组合而成的通信光缆，已在电力系统的通信中发挥重要作用。第七页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

5.泄漏小，保密性能好在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤中传输非常安全。6.节约金属材料，有利于资源合理使用制造同轴电缆和波导管的铜、铝、铅等为金属材料；而制造光纤的石英(SiO2)在地球上基本上是取之不尽的材料。总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越性，而且在经济上具有巨大的竞争能力，因此其在信息社会中将发挥越来越重要的作用。第八页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

4.1.2光纤通信系统的基本组成

光纤通信系统是以光为载波，以光纤为传输介质的通信系统，可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。用户要传输的信息多种多样，一般有话音、图像、数据或多媒体信息。为叙述方便，这里仅以数字电话和模拟电视为例。图4-1示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。第九页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五图4-1光纤通信系统的基本组成(单向传输)

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如图4-1所示，信息源把用户信息转换为原始电信号，这种信号称为基带信号。电发射机把基带信号转换为适合信道传输的信号，这个转换如果需要调制，则其输出信号称为已调信号。例如，对于数字电话传输，电话机把话音转换为频率范围为0.3～3.4kHz的模拟基带信号，电发射机把这种模拟信号转换为数字信号，并把多路数字信号组合在一起。模/数转换普遍采用脉冲编码调制(PCM)方式实现。一路话音转换成传输速率为64kb/s的数字信号，然后用数字复接器把30路PCM信号组合成2.048Mb/s的一次群甚至高次群的数字系列，最后把这种已调信号输入光发射机。还可以采用频分复用(FDM)技术，用来自第十一页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五不同信息源的模拟基带信号(或数字基带信号)分别调制指定的不同频率的射频(RF)电波，然后把多个这种带有信息的RF信号组合成多路宽带信号，最后输入光发射机，由光载波进行传输。在这个过程中，受调制的RF电波称为副载波，这种采用频分复用的多路信号传输技术，称为副载波复用(SCM)。不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机带有信息的电信号，都通过调制转换为光信号。光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号。电接收机的功能和电发射机的功能相反，它把接收的电信号转换为基带信号，最后由信息宿恢复用户信息。第十二页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

在整个通信系统中，在光发射机之前和光接收机之后的电信号段，光纤通信所用的技术和设备与电缆通信相同，不同的只是由光发射机、光纤线路和光接收机所组成的基本光纤传输系统代替了电缆传输。光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤通信在通信网、广播电视网、计算机局域网和广域网、综合业务光纤接入网以及在其它数据传输系统中，都得到了广泛应用。第十三页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五4.2.1光纤结构和类型1.光纤结构光纤（OpticalFiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。光纤的外形如图4-2所示。设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。纤芯和包层的相对折射率差Δ=（n1-n2）/n1的典型值，一般单模光纤为0.3%～0.6%，多模光纤为1%～2%。4.2光纤和光缆第十四页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

图4-2光纤的外形第十五页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

2.光纤类型光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石英（SiO2）制成的光纤。实用光纤主要有三种基本类型，图4-3示出其横截面的结构和折射率分布、光线在纤芯传播的路径以及由于色散引起的输出脉冲相对于输入脉冲的畸变。这些光纤的主要特征如下。

突变型多模光纤（Step-IndexFiber,SIF）如图4-3(a)，纤芯折射率为n1保持不变，到包层突然变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a=50～80μm，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大。第十六页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

渐变型多模光纤（Graded-IndexFiber,GIF）如图4-3(b)，在纤芯中心折射率最大为n1，沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a为50μm，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。

单模光纤（Single-ModeFiber,SMF）如图4-3(c)，折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有8～10μm，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式，所以称为单模光纤。第十七页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

那么我们怎样理解光纤模式的概念呢？光也是电磁波，电磁波是由交变的电场和磁场组成且满足一定的数学关系。光在光纤中的传播就是电场和磁场相互交替地变换传播，电场和磁场不同的分布形式（满足特定的方程）就构成不同的模式。所谓单模光纤就是指只传输HE11一种矢量模式。多模光纤则指能同时传输多种模式（例如HE11、TM01、TE01、HE12等矢量模式）的光纤。渐变型多模光纤和单模光纤，包层外径2b都选用125μm。实际上，根据应用的需要，可以设计折射率介于SIF和GIF之间第十八页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

的各种准渐变型光纤。为调整工作波长或改善色散特性，可以在图4-3(c)常规单模光纤的基础上，设计许多结构复杂的特种单模光纤。有在1.3～1.6μm之间色散变化很小的色散平坦光纤（DispersionFlattenedFiber,DFF）；有把零色散波长移到1.55μm的色散移位光纤（DispersionShiftedFiber,DSF）；有偏振保持光纤等。第十九页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

图4-3三种基本类型的光纤(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；(c)单模光纤第二十页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

各种光纤，其用途也不同。突变型多模光纤信号畸变大，相应的带宽只有10～20MHz·km，用于小容量、短距离系统。渐变型多模光纤的带宽可达1～2GHz·km，适用于中等容量、中等距离系统。大容量（565Mb/s～2.5Gb/s）长距离(30km以上)系统要用单模光纤。色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。外差接收方式的相干光系统要用偏振保持光纤，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。第二十一页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五4.2.2光纤传光原理要详细描述光纤传光原理，需要求解由麦克斯韦方程组导出的波动方程。但在极限(波数k=2π/λ非常大，波长λ→0)条件下，可以用几何光学的射线方程作近似分析。几何光学的方法比较直观，容易理解，但并不十分严格。用几何光学方法分析光纤传输原理，我们关注的问题主要是光束在光纤中传播的空间分布和时间分布，并由此得到数值孔径和时间延迟的概念。1.突变型多模光纤设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致，如图4-4所示。第二十二页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

图4-4突变型多模光纤的光线传播原理第二十三页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

光线在光纤端面以小角度θ从空气入射到纤芯(n0<n1)，折射角为θ1，折射后的光线在纤芯直线传播，并在纤芯与包层交界面以角度ψ1入射到包层(n1>n2)。改变角度θ，不同θ相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射。根据全反射原理，存在一个临界角θc，当θ<θc时，相应的光线将在交界面发生全反射而返回纤芯，并以折线的形状向前传播，如光线1。根据斯奈尔(Snell)定律得到

n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1(4-1)第二十四页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

当θ=θc时，相应的光线将以ψc入射到交界面，并沿交界面向前传播(折射角为90°)，如光线2，当θ>θc时，相应的光线将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线3。由此可见，只有在半锥角为θ≤θc的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。根据这个传播条件，定义临界角θc的正弦为数值孔径(NumericalAperture,NA)。根据定义和斯奈尔定律（4-2）

N0=1，由式（4-2）经简单计算得到

（4-3）第二十五页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五式中：Δ=(n1-n2)/n1为纤芯与包层相对折射率差。设Δ=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21。NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或θc)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损耗光纤，在θc内的入射光都能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。现在我们来观察光线在光纤中的传播时间。根据图4-4，入射角为θ的光线在长度为L(ox)的光纤中传输，所经历的路程为l(oy)，在θ不大的条件下，得到最大入射角(θ=θc)和最小入射角(θ=0)的光线之间时间延迟差近似为第二十六页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

（4-4）式中：c为真空中的光速。这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。由此可见，突变型多模光纤的信号畸变是由于不同入射角的光线经光纤传输后，其时间延迟不同而产生的，其大小与Δ成正比。

可见，NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。第二十七页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五2.渐变型多模光纤

渐变型多模光纤具有能减小脉冲展宽、增加带宽的优点。渐变型多模光纤的子午面(r-z)示于图4-5，一般光纤相对折射率差都很小，光线和中心轴线z的夹角也很小，即sinθ≈θ。第二十八页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五图4-5渐变型多模光纤的光线传播原理第二十九页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

由图可见，渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离z的正弦函数，对于确定的光纤，其幅度的大小取决于入射角θ0，其周期Λ=2πa/，取决于光纤的结构参数(a,Δ)，而与入射角θ0无关。这说明不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在P点上，见图4-5，这种现象称为自聚焦(Self-Focusing)效应。渐变型多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射角相应的光线会聚在同一点上，而且这些光线的时间延迟也近似相等。这是因为光线传播速度v(r)=c/n(r)(c为光速)，入射角第三十页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

的光线经历的路程较长，但大部分路程远离中心轴线，n(r)较小，传播速度较快，补偿了较长的路程。入射角小的光线情况正相反，其路程较短，但速度较慢。所以这些光线的时间延迟近似相等。所以信号畸变比突变型多模光纤的信号畸变要小。4.2.3光纤传输特性光信号经光纤传输后要产生损耗和畸变(失真)，因而输出信号和输入信号不同。对于脉冲信号，不仅幅度要减小，而且波形要展宽。产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散。损耗和色散是光纤最重要的传输特性。损耗限制系统的传输距离，色散则限制系统的传输容量。本节讨论光纤的色散和损耗的机理和特性，为光纤通信系统的设计提供依据。第三十一页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五（一）光纤色散

色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。1）模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生的，它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关。2）材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同波长成分的光(实际光源不是纯单色光)，其时间延迟不同而产生的。这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。第三十二页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五3）波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的，它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的表示方法不同。如果信号是模拟调制的，色散限制带宽(Bandwith)；如果信号是数字脉冲，色散产生脉冲展宽。所以，色散通常用3dB光带宽f3dB

或脉冲展宽Δτ表示。光纤色散测量有相移法、脉冲时延法和干涉法等。第三十三页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五（二）光纤损耗

由于损耗的存在，在光纤中传输的光信号，不管是模拟信号还是数字脉冲，其幅度都要减小。光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。损耗的大小用损耗系数表示。（dB/km）（4-5）式中：L为光纤的长度，km；Pi为输入光功率；Po为输出光功率。第三十四页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五1.损耗的机理

光纤损耗机理包括吸收损耗和散射损耗两部分。吸收损耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。主要是光波通过光纤时，有一部分光能变成热能，从而造成光功率的损失。散射损耗主要由材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传的光发生散射。第三十五页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五2.损耗测量

光纤损耗测量有两种基本方法：一种是测量通过光纤的传输光功率，称剪断法和插入法；另一种是测量光纤的后向散射光功率，称后向散射法。在工程上最实用的是后向散射法。由于瑞利散射光功率与传输光功率成比例。利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的方法，称为后向散射法。设在光纤中正向传输光功率为P，经过L1和L2点(L1<L2)时分别为P1和P2(P1>P2)，从这两点返回输入端(L=0)。光检测器的后向散射光功率分别为Pd(L1)和Pd(L2)，经分析推导得到，正向和反向平均损耗系数第三十六页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

（4-6）式中：右边分母中因子2是光经过正向和反向两次传输产生的结果。后向散射法不仅可以测量损耗系数，还可利用光在光纤中传输的时间来确定光纤的长度L。（4-7）

式中：c为光速；n1为光纤的纤芯折射率；t为光脉冲从发出到返回的时间。第三十七页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

式中：c为光速；n1为光纤的纤芯折射率；t为光脉冲从发出到返回的时间。图4-6示出后向散射法光纤损耗测量系统的框图。光源应采用特定波长、稳定的大功率激光器，调制的脉冲宽度和重复频率应和所要求的长度分辨率相适应。耦合器件把光脉冲注入被测光纤，又把后向散射光注入光检测器。光检测器应有很高的灵敏度。第三十八页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五图4-6后向散射法光纤损耗测量系统图4-7后向散射功率曲线的示例相对反向散射功率光纤长度EDCBA第三十九页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

图4-7是后向散射功率曲线的示例，图中A输入端反射区；BC恒定斜率区，用以确定损耗系数；C连接器、接头或局部缺陷引起的损耗；D介质缺陷(例如气泡)引起的反射；E输出端反射区（光纤断点），用以确定光纤长度。用后向散射法的原理设计的测量仪器称为光时域反射仪(OTDR)。这种仪器采用单端输入和输出，不破坏光纤，使用非常方便。OTDR不仅可以测量光纤损耗系数和光纤长度，还可以测量连接器和接头的损耗，观察光纤沿线的均匀性和确定故障点的位置，确实是光纤通信系统工程现场测量不可缺少的工具。第四十页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

（三）光纤标准和应用

制订光纤标准的国际组织主要有ITU-T和IEC(国际电工委员会)。应用情况一般为：

G.651多模渐变型(GIF)光纤，这种光纤在光纤通信发展初期广泛应用于中小容量、中短距离的通信系统。

G.652常规单模光纤，是第一代单模光纤，其特点是在波长1.31μm色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。目前世界上已敷设的光纤线路90%采用这种光纤。

G.653色散移位光纤，是第二代单模光纤，其特点是在波长1.55μm色散为零，损耗又最小。这种光纤适用于大容量长距离通信系统。第四十一页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五G.6541.55μm损耗最小的单模光纤，其特点是在波长1.31μm色散为零，在1.55μm色散为17～20ps/(nm·km)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20dB/km以下。这种光纤实际上是一种用于1.55μm改进的常规单模光纤，目的是增加传输距离。此外还有色散补偿光纤，其特点是在波长1.55μm具有大的负色散。这种光纤是针对波长1.31μm常规单模光纤通信系统的升级而设计的，因为当这种系统要使掺铒光纤放大器(EDFA)以增加传输距离时，必须把工作波长从1.31μm移到1.55μm。用色散补偿光纤在波长1.55μm的负色散和常规单模光纤在1.55μm的正色散相互抵消，以获得线路总色散为零损耗又最小的效果。第四十二页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

G.655非零色散光纤，是一种改进的色散移位光纤。具有常规单模光纤和色散移位光纤的优点，是最新一代的单模光纤。这种光纤在密集波分复用和孤子传输系统中使用，实现了超大容量超长距离的通信。4.2.4光缆及电力系统特种光缆在实际通信线路中，都是将光纤制成不同结构型式的光缆。因为光纤本身脆弱易裂，直接和外界接触，易产生接触伤痕，甚至被折断。保护光纤固有机械强度的方法，通常是采用塑料被覆和应力筛选。光纤从高温拉制出来后，要立即用软塑料(例如紫外固化的丙第四十三页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

烯酸树脂)进行一次被覆和应力筛选，除去断裂光纤，并对成品光纤用硬塑料(例如高强度聚酰胺塑料)进行二次被覆。二次被覆光纤有紧套、松套、大套管和带状线光纤四种。把一次被覆光纤装入硬塑料套管内，使光纤与外力隔离是保护光纤的有效方法。在工程应用中，光缆不可避免要遭受一定的拉力而伸长，或者遭遇低温而收缩。因此，松套管内的光纤要留有一定的余长，使光纤受拉力或压力的作用。第四十四页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五（一）光缆结构和类型光缆一般由缆芯和护套两部分组成，有时在护套外面加有铠装。

1.缆芯缆芯通常包括被覆光纤(或称芯线)和加强件两部分。被覆光纤是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。光缆类型多种多样，图4-8给出若干典型实例。根据缆芯结构的特点，光缆可分为四种基本型式。第四十五页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五图4-8光缆类型的典型实例(a)6芯紧套层绞式光缆(架空、管道)；(b)12芯松套层绞式光缆(直埋防蚁)；(c)12芯骨架式光缆(直埋)；(d)6～48芯束管式光缆(直埋)；(e)108芯带状光缆；(f)LXE束管式光缆(架空、管道、直埋)；(g)浅海光缆；(h)架空地线复合光缆(OPGW)第四十六页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

（1）层绞式。把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成。这种结构的缆芯制造设备简单，工艺相当成熟，得到广泛应用。采用松套光纤的缆芯可以增强抗拉强度，改善温度特性。（2）骨架式。把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。这种结构的缆芯抗侧压力性能好，有利于对光纤的保护。

（3）中心束管式。把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中，加强件配置在套管周围而构成。这种结构的加强件同时起着护套的部分作用，有利于减轻光缆的重量。第四十七页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五（4）带状式。把带状光纤单元放入大套管内，形成中心束管式结构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。带状式缆芯有利于制造容纳几百根光纤的高密度光缆，这种光缆已广泛应用于接入网。2.护套护套起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和铝带或钢带构成。不同使用环境和敷设方式对护套的材料和结构有不同的要求。第四十八页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

根据使用条件，光缆又可以分为许多类型。一般光缆有室内光缆、架空光缆、埋地光缆和管道光缆等。

（二）光缆特性光缆的传输特性取决于被覆光纤。对光缆机械特性和环境特性的要求由使用条件确定。光缆生产出来后，对这些特性的主要项目：拉力、压力、扭转、弯曲、冲击、振动和温度等，要根据国家标准的规定做例行试验。成品光缆一般要求给出上述特性。第四十九页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五4.3光源与光检测器

光源、光检测器是光发射机、光接收机和光中继器的关键器件，和光纤一起决定着基本光纤传输系统的水平。4.3.1光源光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)。第五十页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五（一）半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器产生激光的基本原理是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开始。

1.受激辐射和粒子数反转分布

有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4…)称为激发态。电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式(见图4-11)：第五十一页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

图4-11能级和电子跃迁(a)受激吸收；(b)自发辐射；(c)受激辐射第五十二页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五（1）在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图4-11(a)。（2）在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图4-11(b)。（3）在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射，见图4-11(c)。第五十三页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即E2-E1=hf12(4-8)式中：h为普朗克常数，h=6.628×10-34J·s；；f12为吸收或辐射的光子频率。受激辐射和自发辐射产生的光其特点很不相同。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光；自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相第五十四页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

干光。产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2>E1)的原子数分别为N1和N2。如果N1>N2，则受激吸收大于受激辐射，当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。如果N2>N1，则受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。N2>N1的分布，和正常状态的分布相反，所以称为粒子数反转分布。如何得到粒子数反转分布的状态呢?2.PN结的能带和电子分布在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场，见图4-12(a)。第五十五页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五4.4光端机4.4.1发射机光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号,并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。光发射机完成把电信号转换为光信号(常简称为电/光或E/O转换)，是通过电信号对光的调制而实现的。㈠两种调制方式目前调制分为直接调制和外调制两种方式。如图4-20所示。第五十六页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五图4-20两种调制方案(a)直接调制；(b)间接调制(外调制)第五十七页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五1．直接调制直接调制是用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。图4-21示出激光器(LD)和发光二极管(LED)直接光强数字调制原理，对LD施加了偏置电流Ib。由图4-21可见，当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时，输出光功率P和驱动电流I基本上是线性关系，输出光功率和输入电流成正比，所以输出光信号反映输入电信号。这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。第五十八页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五图4-21直接光强数字调制原理(a)LED数字调制原理；(b)LD的数字调制原理

第五十九页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五2.外调制外调制是把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。如图4-20（b）所示。目前有多种调制器可供选择，最常用的是电光调制器。这种调制器是利用电信号改变电光晶体的折射率，使通过调制器的光参数随电信号变化而实现调制的。外调制方式虽然技术复杂，但是传输速率和接收灵敏度很高，在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用，是很有发展前途的通信方式。（二）光发射机基本组成

目前技术上成熟并在实际光纤通信系统得到广泛应用的是直接光强(功率)调制。直接调制光发射机由输入接口、编码电路、光源、驱动电路、公务及监控电路、自动偏置控制电路、温控电路等组成(图4-22)，其核心是光源及驱动电路。第六十页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五电信号光信号输入电路驱动电路光源保护、报警自动偏置编码电路图4-22数字光发送机框图第六十一页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

工作过程是这样的：输入电路将输入的PCM脉冲信号进行整形，变换成NRZ/RZ码后送给编码电路，编码电路将简单的二电平码变换为适合于光纤传输的线路码，因为在光纤通信系统中，从电端机输出的是适合于电缆传输的双极性码。光源不可能发射负光脉冲，因此必须进行码型变换，以适合于数字光纤通信系统传输的要求。在光发射机中有编码电路，在光接收机中有对应的解码电路。第六十二页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

常用的光纤线路码有扰码、mBnB码和插入码。线路码通过驱动电路调制光源。驱动电路要给光源提供一个合适的偏置电流和调制电流。为了稳定输出的平均光功率和工作温度，通常设置一个自动功率控制电路（APC）和自动温控电路（ATC）。此外，在光发射机中还有监控、报警电路，对光源寿命及工作状态进行监控与报警等。第六十三页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

数字光发射机最重要的性能指标为平均输出光功率和消光比。1.平均发送光功率（1）平均发送光功率的定义。光端机的平均发送光功率是指光端机在正常工作的情况下，由电端机输出223-1或215-1的伪随机码时，在光端机输出端测量到的平均光功率。平均发送光功率的功率值用PT（μW）表示，电平值用LT（dBm）表示，光功率值与电平值之间的关系是：（4-11）第六十四页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

对于一个实际的光纤通信系统，平均发送光功率并不是越大越好，虽然从理论上讲，发送光功率越大，通信距离越长，但光功率越大会使光纤工作在非线性状态，这种非线性状态会对光纤产生不良影响。

2．消光比（1）消光比的定义。消光比是指光端机的电接口输入为全“1”码和全“0”码时的平均发送光功率之比，用EXT表示。无输入信号时，光端机输出平均发送光功率P0，对接收机来说是一种噪声，会降低接收机的灵敏度，因此希望消光比越小越好。但是，对激光器LD来讲，要使消光比小就要减小偏置电流，从而使光源输出功率降低，谱线宽度增加。所以要全面考虑消光比与其它指标之间的矛盾。第六十五页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五4.4.2光接收机（一）光接收机基本组成直接检测方式的数字光接收机方框图示于图4-23，主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。第六十六页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

图4-23数字光接收机方框图第六十七页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五1.光检测器光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。

2.放大器前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。主放大器一般是多级放大器，它的作用是提供足够的增益，并通过它实现自动增益控制(AGC)，以使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。第六十八页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

3.均衡和再生均衡的目的是对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变(失真)的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决(一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形)，以消除码间干扰，减小误码率。再生电路包括判决电路和时钟提取电路，它的功能是从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。第六十九页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五（二）光电集成接收机为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发而且已实现单片光接收机，即用“光电集成电路(OEIC)技术”在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元件。（三）噪声特性光接收机的噪声有两部分：一部分是外部电磁干扰产生的，这部分噪声的危害可以通过屏蔽或滤波加以消除；另一部分是内部产生的，这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小，一般不可能完全消除。下面讨论的噪声是指内部产生的随机噪声。第七十页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

光接收机噪声的主要来源是光检测器的噪声和前置放大器的噪声。因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出信噪比影响很大，而主放大器输入的是经前置级放大的信号，只要前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。（四）主要性能1.灵敏度灵敏度Pr的定义是，在保证误码率的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin，并以dBm为单位。灵敏度是衡量光接收机质量的综合指标，它反映接收机调整到最佳状态时，接收微弱光信号的能力。灵敏度主要第七十一页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五取决于组成光接收机的光电二极管和放大器的噪声，并受传输速率、光发射机的参数和光纤线路的色散的影响，还与系统要求的误码率或信噪比有密切关系。所以灵敏度也是反映光纤通信系统质量的重要指标。2.动态范围光接收机应具有一定的动态范围。由于使用条件不同，输入光接收机的光信号大小要发生变化，为实现宽动态范围，采用AGC是十分有必要的。第七十二页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

动态范围(DR)的定义是：在限定的误码率条件下，光接收机所能承受的最大平均接收光功率Pmin和所需最小平均接收光功率Pmin的比值，用dB表示。动态范围是光接收机性能的另一个重要指标，它表示光接收机接收强光的能力，数字光接收机的动态范围一般应大于15dB。第七十三页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五4.5数字光纤通信系统4.5.1系统结构光纤通信系统是通信网的一个组成部分。典型的光纤通信系统结构如图4-24所示。从图中可以看出，该系统是由发射端机(电/光)、接收端机(光/电)、光中继器、监控系统、备用系统等组成。由于在前面已经对端机进行了讨论，下面仅就光中继器加以介绍。第七十四页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五光接收机光发射机光中继器光接收机光发射机图4-24光纤通信系统示意图第七十五页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五1.光中继器传统的光中继器采用光—电—光的转换形式，即先将受到的微弱光信号用光检测器转换成电信号后进行放大、整形和再生后，恢复出原来的数字信号，然后再对光源进行调制，变换为光脉冲信号后送入光纤继续传输。自光纤放大器实用化以来，光纤放大器开始代替传统的光中继器，特别是在高速光纤通信系统中。光放大器能直接放大光信号，对信号的格式和速率具有高度的透明性，使得整个系统更加简单、灵活。第七十六页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五4.5.2系统的主要性能指标（一）误码性能1.误码的定义光纤数字传输系统的误码性能用误码率BER来衡量。即在特定的一段时间内所接收的错误码元与同一时间内所接收的总码元数之比。2.误码发生的形态和原因误码发生的形态主要有两类：一类是随机形态的误码，即误码主要是单个随机发生的，具有偶然性；另一类是突发的、成群发生的误码，这种误码可能在某个瞬间集中发生，而其它大部分时间无误码发生。误码发生的原因是多方面的。如数字网中的热噪声，交换设备的脉冲噪声干扰，雷电的电磁感应，电力线产生的干扰等。第七十七页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五3.误码性能的评定方法评定误码性能的参数包括平均误码率、劣化分、严重误码秒和误码秒。（二）抖动性能

1.抖动的定义抖动是数字信号传输中的一种瞬时不稳定现象。即数字信号的各有效瞬间对其理想时间位置的短时间偏离，称为抖动。图4-25为定时抖动的图解定义。抖动可分为相位抖动和定时抖动。相位抖动是指传输过程中所形成的周期性的相位变化。定时抖动是指脉码传输系统中的同步误差。第七十八页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

图4-25定时抖动的图解第七十九页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

抖动的大小或幅度通常可用时间、相位或数字周期来表示。目前多用数字周期来表示，即“单位间隔”，用符号UI（UnitInterval），也就是1比特信息所占有的时间间隔。例如码速率为34.368Mb/s的脉冲信号，1UI=1/34.368μs。2.抖动产生的原因（1）数字再生中继器引起的抖动。由于再生中继器中的定时恢复电路的不完善及再生中继器的累计导致了抖动的产生和累加。（2）数字复接及分接器引起的抖动。在复接器的支路输入口，各支路数字信号附加上码速调整控制比特和帧定位信号形成群输出信号。而在分接器的输入口，要将附加比特扣除，恢复原分支数字信号，这些将不可避免地引起抖动。第八十页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五（3）噪声引起的抖动。由于数字信号处理电路引起的各种噪声。（4）其它原因。由于环境温度的变化、传输线路的长短及环境条件等也会引起抖动。

3.抖动的类型（1）随机性抖动。在再生中继器内与传输信号关系不大的抖动来源称为随机性抖动。这些抖动主要由于环境变化、器件老化及定时调谐回路失调引起。（2）系统性抖动。由于码间干扰，定时电路幅度—相位转换等因素引起的抖动。4.抖动的容限第八十一页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五（1）输入抖动容限。输入抖动容限是指数字段能够允许的输入信号的最低抖动限值，即加大输入信号的抖动值，直到设备由不误码到开始误码的这个分界点。此时的输入信号上的误码即为最大允许输入抖动下限。（2）输出抖动容限。在数字段输入信号无抖动时，由于数字段内的中继器产生抖动，并按一定规律进行累计，于是在数字段输出端产生抖动。ITU―T提出了数字段无输入抖动时的输出抖动上限，即为输出抖动容限。第八十二页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五（3）抖动转移特性。由于输入口数字信号的抖动经设备或系统转移后到达输出口，从而构成了输出抖动的另一个来源。为了保证数字网抖动的总质量目标，ITU―T建议抖动转移增益不大于1dB。

第八十三页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五图4-26光纤通信系统的具体组成（三）光纤通信系统接口指标一个完整的光纤通信系统的具体组成如图4-26所示。第八十四页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

我们把光端机与光纤的连接点称为光接口。光接口有两个，一个由S点向光纤发送光信号；另一个由R点从光纤接收信号。光中继器两侧均与光纤相连，所以它两侧的接口均为光接口。光接口是光纤通信系统特有的接口。在S点的主要指标有平均发送光功率和消光比，在R点的主要指标有接收机灵敏度和动态范围。图4-26中的A、B点为电接口。通常把A点称为输入口，B点称为输出口。在输入口和输出口都需要测试的指标是：比特率及容差、反射损耗。在输入口测试的指标有输入口允许衰减和抗干扰能力、输入抖动容限；在输出口测试的指标有输出口脉冲波形、无输入抖动时的输出抖动容限。第八十五页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五三、光纤传输系统的设计

根据前面所讨论的光纤传输系统的各种指标要求，光发射机与光接收机之间有最大传输距离的问题。因此如要实现长距离通信，在设计一个光纤系统时，最大中继距离的设计就是一个重要问题。从前面的性能讨论知道，最大中继距离要受发射机耦合入光纤的功率PT、光接收机灵敏度Pmin、光纤的衰减系数、光纤的色散4个因素的影响。

下面我们分两种情况讨论：第八十六页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五1.中继距离受光纤衰减限制的情况如果在光纤通信系统中，信号的码速不是很高，带宽足够宽，则光纤的色散对传输距离的影响不大，可认为光纤传输系统的最大中继距离仅受光纤衰减的影响。则中继距离的长度可按下式计算。

（4-12）第八十七页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五式中：PT为平均发射光功率(dBm)；Pmin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)。连接器损耗一般为0.3～1dB/对。设备余量Me包括由于时间和环境的变化而引起的发射光功率和接收灵敏度下降，以及设备内光纤连接器性能劣化，Me一般不小于3dB。光纤损耗系数αf取决于光纤类型和工作波长。光纤损耗余量αm一般为0.1～0.2dB/km，但一个中继段总余量不超过5dB。平均接头损耗可取0.05dB/个，每千米光纤平均接头损耗αs可根据光缆生产长度计算得到。第八十八页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五2.色散对中继距离的影响当光纤系统的码速大于140Mb/s时，如果中继距离过长，由于色散的影响，会造成数字信号脉冲过大的展宽，引起码间干扰，从而降低光接收机的灵敏度。就目前的速率系统而言，仅考虑色散影响的中继距离的计算公式为

（4-13）第八十九页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

式中：LD为传输距离，km；为线路码速率，Mb/s；D为色散系数，ps/km·nm；ε为与色散代价有关的系数。ε由系统中所选用的光源类型来决定，若采用多纵模激光器，取ε为0.115；若采用单纵模激光器和半导体发光二极管，则取ε为0.306。对于某一传输速率的系统而言，在考虑上述两个因素的同时，分别算出两个中继距离L和LD，然后取距离短的为该传输速率的实际中继距离。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Pmin=-42dBm，设备余量Me=3dB，连接器损耗αc=0.3dB/对，光纤损耗系数α第九十页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五f=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(4-12)，得到中继距离74km。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(4-13)，得到中继距离

91km。因为，LDL，所以中继距离为74km。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。第九十一页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

（三）功率预算

功率预算是设计一个系统所必需的，正确的预算，才能选择合适的功率匹配，使整个系统工作在良好状态。受损耗限制的中继距离由第五节式（4-13）确定，也可采用预算损耗的方法。用S表示总损耗，表示每公里光纤损耗，dB/km；L表示光缆长度km，表示光缆接头损耗dB/个，n表示接头数量，表示光纤连接器损耗，dB/个；m表示连接器数量，Mc表示光缆富余度(常见0.05～0.1dB/km)，Me表示光设备富余度。则S=×L+×n+×m+MC+Me。（4-14）第九十二页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

现举一例说明，某电业局A变一B变，全长约30km(电力线长度为接近29km)，1310nm波长光缆损耗为0.33dB/km，取0.1dB/个，光缆盘长以标称3km计，接头11个，取1dB/个，共2个，Mc取3dB，Me取1dB。这样：S=0.33×30+0.1×11+1×2+3+1=17dB第九十三页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

计算出该结果就要看光设备发送功率与该结果的差值在光设备接收功率动态范围之内，否则就要提高发光功率或者增加光衰减器，来达到功率平衡。（四）色散预算由于色散的存在，光脉冲在传输过程中将被展宽，限制了光纤的传输容量或者说传输带宽，因此在高速率传输系统中，色散是主要考虑的。受色散限制的中继距离由第五节式（4-13）确定。（五）误码与抖动误码性能和抖动性能是SDH光传输系统中两个重要性能指标。第九十四页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五1.误码性能参数

由于在SDH光传输系统中数据传输是以块的形式进行的，其长度不等，可以是几十比特，也可能长达数千比特，然而无论其长短，只要出现误码，即使仅出现1比特的错误，该数据块也必须进行重发，因而在高比特率通道的误码性能参数是用误块来进行说明的，这在ITU-T制定的G.826规范中得以充分体现。规范是以误块秒比(ESR)、严重误块比(SESR)及背景误块比(BBER)为参数来表示的。第九十五页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五2.抖动性能与前面介绍的系统抖动性能分析一样，ITU-T根据抖动累积规律，对两类设备(数字段内传输设备和数字复接设备)，就其容许的抖动范围提出了建议，具体技术指标为输入抖动容限、无输入抖动时的输出抖动容限和抖动转移特性等。第九十六页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五（六）路由选择对于电力系统而言，最丰富的就是路由资源，无处不在的不同电压等级的输电线路，杆塔管道都是用来敷设光缆的极好资源。电力系统通信站一般都是变电站、供电局(电力局)，且都建有通信机房。在两通信站间有多种电力线路可以敷设光缆时，一般应选择电压等级高的电力线路，因为电压等级愈高安全性愈好。第九十七页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五4.6.3SDH传送网

（一）SDH传送网的功能结构所谓传送网就是完成传送功能的手段，主要指逻辑功能意义上的网络。描述对象是信息传送的功能过程。而传输网的描述对象是信号在具体物理媒质传输的物理过程。并且传输主要是指由具体设备所形成的实际网络。在不引起误解的前提下，它们也都可以认为是全部逻辑网或实体网。由于传送网实际上是一个巨大的复杂网络，为了使分析简单，我们规定一种网络模型，它具有规定的功能实体并具有分层(Layering)和分割(Partitioning)概念，这样也便于网络的建立、维护和管理。第九十八页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

传送网可从垂直方向分解为一个独立的层网络，即电路层、通道层和传输媒质层(又分为段层和物理层)。每一层网络为其相邻的高一层网络提供传送服务，同时又使用相邻的低一层网络所提供的传送服务。提供传送服务的层，称为服务者(Server)，使用传送服务的层，称为客户(Client)，因而相邻的层网络之间构成了客户/服务者关系。每一层网络在水平方向又可以按照该层内部结构分割为若干分离的部分，组成适于网络管理的基本骨架。因而分层和分割之间满足正交关系。

SDH传送网分层模型如图4-34所示。自上而下依次为电路层网络、通道层网络和传输媒质层网络。第九十九页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

图4-34SDH传送网的分层模型第一百页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

图4-35传送网的分割

(a)分层概念；(b)分割概念第一百零一页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

传送网分层后，每一层网络仍然很复杂，地理上覆盖的范围很大。为了便于管理，在分层的基础上，将每一层网络在水平方向上按照该层内部的结构分割为若干个子网和链路连接。分割往往是从地理上将层网络再细分为国际网、国内网和地区网等，并独立地对每一部分行使管理。图4-35给出了传送网分割概念与分层概念的一般关系。采用分割的概念可以方便地在同一网络层内对网络结构进行规定，允许层网络的一部分被层网络的其余部分看作一个单独实体；可以按所希望的程度将层网络递归分解表示，为层网络提供灵活的连接能力，从而方便网络管理，也便于改变网络的组成并使之最佳化。第一百零二页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

链路是代表一对子网之间有固定拓扑关系的一种拓扑元件，用来描述不同的网络设备连接点间的联系，例如两个交叉连接设备之间的多个平行的光缆线路系统就构成了链路。（二）SDH网的物理拓扑

网络物理拓扑一般有5种类型，即线形、星形、树形、环形和网孔形，如图4-36所示。第一百零三页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

图4-36SDH网络的物理拓扑(a)线形；(b)星形；(c)树形;(d)环形；(e)网孔形第一百零四页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

上述的拓扑结构都有各自的特点，在网中都有不同程度的应用。网络拓扑的选择要考虑的因素很多，如网络的生存性是否高，网络配置是否容易，网络结构是否适于引进新业务等。一个实际网络的不同部分适宜采用的拓扑结构也有可能不同，例如本地网适宜采用环形和星形拓扑结构，有时也可用线形拓扑，市内局间中继网适宜采用环形和线形拓扑，而长途网可能采用网孔形拓扑。（三）自愈网随着人类社会进入信息社会，人们对通信的依赖性越来越大，对通信网络生存性的要求也越来越高，自愈网(SelfhealingNetwork)应运而生。第一百零五页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

所谓自愈网就是无需人为干预，网络就能在极短的时间内从失效故障中自动恢复，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发现替代传输路由并重新确立通信的能力。自愈网的概念只涉及重新确立通信，不管具体失效元部件的修复或更换，后者仍需人员干预才能完成。

PDH系统采用的线路保护倒换方式是最简单的自愈网形式。但是当光缆被切断时，往往是同一缆内的所有光纤(包括主用和备用)都被切断，在这种情况下上述保护方式就无能为力了。改善网络生存性的最好办法是将网络结点连成一个环形，形成所谓的自愈环(SelfhealingRing)。环形网的结点可以是ADM，也可以是DXC，但通常由ADM构成。SDH的特色之一便是能够利用ADM的分插复用能力构成自愈环。第一百零六页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

自愈环结构可分为两大类：通道倒换环和复用段倒换环。通道倒换环属于子网连接保护，其业务量的保护是以通道为基础，是否倒换以离开环的每一个通道信号质量的优劣而定，通常利用通道AIS信号来决定是否应进行倒换。复用段倒换环属于路径保护，其业务量的保护以复用段为基础，以每对结点的复用段信号质量的优劣来决定是否倒换。通道倒换环与复用段倒换环的一个重要区别是前者往往使用专用保护，即正常情况下保护段也在传业务信号，保护时隙为整个环专用；而后者往往使用公用保护，即正常情况下保护段是空闲的，保护时隙由每对结点共享。

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如果按照进入环的支路信号与由该支路信号分路结点返回的支路信号方向是否相同，又可以将自愈环分为单向环和双向环。正常情况下，单向环中所有业务信号按同一方向在环中传输。双向环中进入环的支路信号按一个方向传输，而由该支路信号分路结点返回的支路信号按相反的方向传输。如果按照一对结点间所用光纤的最小数量还可以分为二纤环和四纤环。。第一百零八页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五1.自愈环结构下面以四个结点的环为例，介绍4种典型的自愈环结构（1）二纤单向通道倒换环二纤单向通道倒换环如图4-37所示。通常单向环由两根光纤来实现，S1光纤用来携带业务信号，P1光纤用来携带保护信号。这种环采用“首端桥接，末端倒换”结构。例如，在结点A进入环传送给结点C的支路信号(AC)同时馈入S1和P1向两个不同方向传送到C点，其中S1光纤按顺时针方向，P1光纤按逆时针方向，C点的接收机同时收到两个方向传第一百零九页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

图4-37二纤单向通道倒换环第一百一十页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五送来的支路信号，择优选择其中一路作为分路信号。正常情况下，S1传送的信号为主信号。同理，在C点进入环传送至结点A的支路信号(CA)按上述同样的方法传送到结点A，S1光纤所携带的CA信号为主信号。当BC结点间的光缆被切断时，两根光纤同时被切断，从A经S1光纤到C的AC信号丢失，结点C的倒换开关由S1转向P1，结点C接收经P1光纤传送的AC信号，从而使AC间业务信号不会丢失，实现了保护作用。故障排除后，倒换开关返回原来的位置。第一百一十一页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五（2）二纤单向复用段倒换环二纤单向复用段倒换环的结构如图4-38所示。这是一种路径保护方式。在这种环形结构中每一结点都有一个保护倒换开关。正常情况下，S1光纤传送业务信号，P1光纤是空闲的。当BC结点间光缆被切断，两根光纤同时被切断，与光缆切断点相邻的两个结点B和C的保护倒换开关将利用APS(AutomaticProtectionSwitching)协议执行环回功能。例如在B结点S1光纤上的信号(AC)经倒换开关从P1光纤返回，沿逆时针方向经A结点和D结点仍然可以到达C结点，并经C结点的倒换开关环回到S1光纤后落地分路。故障排除后，倒换开关返回原来的位置。第一百一十二页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五图4-38二纤单向复用段倒换环第一百一十三页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五

当BC结点间光缆被切断，两根光纤同时被切断，与光缆切断点相邻的两个结点B和C的保护倒换开关将利用APS(AutomaticProtectionSwitching)协议执行环回功能。例如在B结点S1光纤上的信号(AC)经倒换开关从P1光纤返回，沿逆时针方向经A结点和D结点仍然可以到达C结点，并经C结点的倒换开关环回到S1光纤后落地分路。故障排除后，倒换开关返回原来的位置。（3）四纤双向复用段倒换环

通常双向环工作在复用段倒换方式，既可以是四纤又可以是二纤。四纤双向复用段倒换环的结构如图4-39所示，它由两根业务光纤S1与S2(一发一收)和两根保护光纤P1与第一百一十四页，共一百六十五页，编辑于2023年，星期五P2(一发一收)构成，其中S1光纤传送顺时针业务信号，S2光纤传送逆时针业务信号，P1与P2分别是和S1与S2反方向传输的两根保护光纤。每根光纤上都有一个保护倒换开关。正常情况下，从A结点进入环传送至C结点的支路信号顺时针沿光纤S1传输，而由C结点进入环传送至A结点的支路信号则逆时针沿光纤S2传输，保护光纤P1和P2是空闲的。（4）二纤双向复用段倒换环在四纤双向复用段倒换环中，光纤S1上的业务信号与光纤P2上的保护信号的传输方向完全相同。如果利用时隙交换技术，可以使光纤S1和光纤P2上的信号都置于一根光纤(称S1/P2光纤)中，例如S1/P2光纤的一半时隙用于传送业务信号，另一半时隙留给保护信第一百一十五页，共一百六十五页，编辑于2023