光纤通信系统和通信网

光纤通信系统和通信网第一页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.1光同步数字传输网4.1.1两种传输体制4.1.2SDH传送网第二页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.1.1两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，因而先后有两种传输体制：准同步数字系列(PDH)和同步数字系列(SDH)。第三页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.1.1.1准同步数字系列PDHPDH（PlesiochronousdigitalHierarchy)准同步数字系列有两种基础速率：一种是以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；另一种是以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。第四页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五PDH主要适用于中、低速率点对点的传输。随着技术的进步和社会对信息的需求，数字系统传输容量不断提高，网络管理和控制的要求日益重要，宽带综合业务数字网和计算机网络迅速发展，迫切需要建立在世界范围内统一的通信网络。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，没有世界统一的标准光接口，使得国际电信网的建立及网络的营运、管理和维护变得十分复杂和困难。第五页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五(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，不能适应电信网络不断扩大、技术不断更新的要求。(3)由于低速率信号插入到高速率信号，或从高速率信号分出，都必须逐级进行，不能直接分插，因而复接/分接设备结构复杂，上下话路价格昂贵。第六页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五图1-1PDH中分插支路信号的过程第七页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.1.1.2同步数字系列SDHSDH（synchronousdigitalHierarchy)概念:是一套可进行同步信息传输、复用、分插、和交叉连接的标准化数字信号的结构等级。与PDH相比，SDH具有下列特点：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。SDH各网络单元的光接口有严格的标准规范。简化了信号的互通以及信号的传输、复用、交叉连接等过程。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。第八页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五(4)采用数字同步复用技术，其最小的复用单位为字节，不必进行码速调整，简化了复接分接的实现设备，由低速信号复接成高速信号，或从高速信号分出低速信号，不必逐级进行。(5)SDH网的基本网络单元有终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）、再生中继器（REG）和同步数字交叉连接设备（SDXC）等。第九页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

图5.2SDH传输网络单元(a)终端复用器TM；(b)分插复用设备ADM(Add/DropMultiplexer);(c)数字交叉连接设备DXC第十页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五图5.4分插信号流程的比较第十一页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

图5.4示出PDH和SDH分插信号流程的比较。在PDH中，为了从140Mb/s码流中分出一个2Mb/s的支路信号，必须经过140/34Mb/s,34/8Mb/s和8/2Mb/s三次分接。而若采用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。

SDH也有不足之处:(1)大规模使用软件控制和将业务量集中在少数几个高速链路和交叉节点上，这些关键部位出现问题可能导致网络的重大故障，甚至造成全网瘫痪(2)采用指针调整技术会产生较大的抖动，造成传输损伤第十二页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五SDH的速率与帧结构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。速率等级最基本的模块信号（即同步传递模块）是STM-1，其速率为155.520Mbit／s。更高等级的STM-N信号可以是将基本模块信号STM-1同步复用、字节间插的结果。其中N是正整数。目前SDH只能支持一定的N值，即N为1、4、16、64。STM-1，传输速率为155.520Mb/sSTM-4，传输速率为4×155.52Mb/s=622.080Mb/sSTM-16，传输速率为16×155.52Mb/s=2488.320Mb/s第十三页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五SDH帧结构第十四页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五帧结构的特征：一个STM-N帧有9行，每行由270×N个字节组成。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。SDH帧大体可分为三个部分：

(1)段开销(SOH)。段开销是在SDH帧中为保证信息正常传输所必需的附加字节(每字节含64kb/s的容量)，主要用于运行、维护和管理，如帧定位、误码检测、公务通信、自动保护倒换以及网管信息传输。第十五页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五段开销又细分为再生段开销(SOH)和复接段开销(LOH)。前者占前3行，后者占5～9行。(2)信息载荷(Payload)。信息载荷区是SDH帧内用于承载各种业务信息的部分。对于STM1而言，Payload有9×261=2349Byte,相应于2349×8×8000=150.336Mb/s的容量。在Payload中包含少量字节用于通道的运行、维护和管理，这些字节称为通道开销(POH)。(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)。对于STM1而言，AUPTR有9个字节(第4行)，相应于9×8×8000=0.576Mb/s。第十六页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五采用指针技术是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。第十七页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五同步复用与映射方法将低速支路信号复接为高速信号。图2-1G.709建议的SDH复用结构第十八页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

SDH的基本复用单元标准容器(C)：是一种用来装载各种速率的业务信号的信息结构，主要完成适配功能（例如速率调整），以便让那些最常使用的准同步数字体系信号能够进入有限数目的标准容器。虚容器(VC)：是用来支持SDH的通道层连接的信息结构。它由容器输出的信息净负荷加上通道开销（POH）组成。支路单元和支路单元组（TU和TUG）：负责将低阶虚容器经支路单元组装进高阶虚容器）。管理单元(AU)和管理单元组(AUG):负责将高阶虚容器经管理单元组装进STM-N帧。第十九页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五映射——是将各种速率的G.703支路信号先分别经过码速调整装入相应的标准容器，然后再装进虚容器的过程。映射分为异步、比特同步和字节同步三种方法。工作模式：浮动和锁定两种。定位——是一种以附加于VC上的支路单元指针指示和确定低阶VC帧的起点在TU净负荷中位置或管理单元指针指示和确定高阶VC帧的起点在AU净负荷中的位置的过程。复用——即以字节交错间插方式把TU组织进高阶VC或把AU组织进STM-N的过程。第二十页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五网同步的概念网同步是使网中所有交换节点的时钟频率和相位保持一致（或者说所有交换节点的时钟频率和相位都控制在预先确定的容差范围内），以便使网内各交换节点的全部数字流实现正确有效的交换。第二十一页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五图6-1数字网示意图第二十二页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五网同步的必要性（1）若写入速率大于读出速率——将会造成存储器溢出，致使输入信息比特丢失（即漏读）。如图6-2（a）所示。（2）写入速率小于读出速率——可能会造成某些比特被读出两次，即重复读出（重读）。如图6-2（b）所示。第二十三页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五图6-2漏读、重读现象示意图第二十四页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五网同步的方式：主从同步方式、相互同步方式等。主从同步方式一般采用等级制，目前ITU-T将时钟划分为四级：①一级时钟——基准主时钟，由G.811建议规范；②二级时钟——转接局从时钟，由G.812建议规范；③三级时钟——端局从时钟，也由G.812建议规范；④四级时钟——数字小交换机（PBX）、远端模块或SDH网络单元从时钟，由G.813建议规范。第二十五页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五图6-3主从同步方式第二十六页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.1.2SDH传送网传送网主要指逻辑功能意义上的网络，是一个复杂庞大的网络。为了便于网络的设计和管理，通常用分层(Laying)和分割(Partitioning)的概念第二十七页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五图5-4传送网的分层模型第二十八页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五从垂直方向看：传送网是由两个相互独立的传送网络层（即层网络）构成，即通道层和传输媒质层。电路层网络:面向公用交换业务的网络。如电路交换业务、分组交换业务、租用线业务和BISDN虚通路等。通道层网络：通道层网络为电路层网络节点（如交换机）提供透明的通道（即电路群）。传输媒质层网络:指那些能够支持一个或多个通道层网络，并能在通道层网络节点处提供适当通道容量的网络。第二十九页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五SDH网的物理拓扑结构基本物理拓扑类型第三十页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五(1)点到点链状网络结构将各网络节点串联起来，同时保持首尾两个网络节点呈开放状态的网络结构。中间各点使用分插复用器。(2)星形网络结构:其中一个特殊网络节点（即枢纽点）与其他的互不相连的网络节点直接相连，这样除枢纽点之外的任意两个网络节点之间的通信，都必须通过此枢纽点才能完成连接，因而一般在特殊点配置交叉连接器（DXC）以提供多方向的互连，而在其他节点上配置终端复用器（TM）。(3)树形网络结构是指将点到点拓扑单元的末端点连接到几个枢纽点时的网络结构通常在这种网络结构中，连接三个以上方向的节点应设置DXC，其他节点可设置TM或ADM。第三十一页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五(4)环形网络结构所有网络节点串联起来，并且使之首尾相连，而构成的一个封闭环路的网络结构在系统出现故障时，具有自愈功能，即系统可以自动地进行环回倒换处理，排除故障网元，而无需人为的干涉就可恢复业务的功能。(5)网孔形结构若干个网络节点直接相互连接时的网络结构。使用的设备是DXC。第三十二页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五光纤通信中的线形网络结构第三十三页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五光纤通信中的环形网络结构第三十四页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五光纤通信中的网孔形结构第三十五页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

2、环形网络

环形网络的拓扑结构如图4.3.3-3所示，它是目前用得较多的一种网络形式。其特点是网络中每个通信结点都有两个相邻的结点，每个结点都具有再生中继的功能，都要执行路由的任务。各结点用光纤。

终端机ABCDEF间接中继器光纤环路光纤图4.3.3-3环形网络拓扑结构

线路连成环状，可以相互通信§4.3.3光纤网络系统

第三十六页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五3、星形网络

其特点是有一个中心结点。全网的监控系统就设在中心结点，用来调整整个网络中的信息传输和管理网络的运行情况。网络中任何一个通信结点必须经过中心结点，才可以将信息传输给其他结点。各结点通过一根双向传输的光纤线路或两根单向传输的光纤线路与中心结点相连。

星形网络可采用“载波监听多次访问/碰撞检测”方法，避免信号发生碰撞。

图4.3.3-4星形网络拓扑结构

终端机ABCDEF结点中心结点光纤§4.3.3光纤网络系统

第三十七页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五自愈网(Self-healingNetwork)就是无需人为干预网络就能在极短时间内从失效状态中自动恢复所携带的业务，使用户感觉不到网络已出现了故障。其基本原理就是使网络具有备用路由，并重新确立通信能力。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。由于通信系统的可靠性要求很高，而光器件的可靠性比电子器件要差。为了保证通信系统的畅通，光路（包括光端机、光纤和光中继器）应设置备用系统。第三十八页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五自动线路保护倒换是最简单的自愈形式，其结构有两种；即1+1和1∶n结构方式。1+1线路保护倒换结第三十九页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五1∶n线路保护倒换结构第四十页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

环路保护按照自愈环结构来划分，可分为通道倒换环和复用段倒换环。前者是指业务量的保护，它是以通道为基础的保护，它是利用通道AIS信号决定是否应进行倒换；后者是指业务量的保护，它是以复用段为基础的保护，当复用段出故障时，复用段的业务信号都转向保护环。第四十一页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五图5-10二纤单向复用段倒换环第四十二页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.2光纤通信系统及系统的性能指标4.2.1模拟光纤通信系统4.2.2数字光纤通信系统4.2.3系统的性能指标第四十三页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.2.1模拟光纤通信系统用于有线电视（CATV，CommunityAntennaTelevision）网络。是四十年代出现的一种电视接收系统，它是多台电视接收机共用一套天线的设备。由于系统各部件之间采用了大量的同轴电缆作为信号传输线，因而CATV系统又叫电缆电视系统。就是目前城市正在发展的有线电视。由于通信技术的迅速发展，CATV系统不但能接收电视塔发射的电视节目，还可能通过卫星地面站接收卫星传播的电视节目。电视节目容量增大，传输的信号质量高，且具有双向传输功能。另外，CATV网是高效廉价的综合网络，它的发展为信息高速公路的发展奠定了基础。最终目的是使CATV网走向宽带双向的多媒体通信。用光纤取代同轴电缆作为传输媒介。目前的电视信号大多数是模拟信号。它的传输系统就构成了模拟光纤通信系统。第四十四页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.2.1.1模拟光纤传输方式模拟光纤传输方式主要有以下几种方式：1.模拟基带直接光强调制2.模拟间接光强调制方式3.频分复用光强调制方式第四十五页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五模拟基带直接光强调制(D-IM)是用承载信息的模拟基带信号，直接对发射机光源(LED或LD)进行光强调制，使光源输出光功率随时间变化的波形和输入模拟基带信号的波形成比例。

20世纪70年代末期，光纤开始用于模拟电视传输时，采用一根多模光纤传输一路电视信号的方式，就是这种基带传输方式。所谓基带，就是对载波调制之前的视频信号频带。对于广播电视节目而言，视频信号带宽(最高频率)是6MHz，加上调频的伴音信号，这种模拟基带光纤传输系统每路电视信号的带宽为8MHz。第四十六页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五模拟基带信号（视频信号）对光源进行强度调制系统方框图第四十七页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五模拟基带直接光强调制光纤电视传输系统方框图

在发射端，模拟基带电视信号和调频(FM)伴音信号分别输入LED驱动器，在接收端进行分离。改进DP和DG的预失真电路置于接收端。第四十八页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五模拟间接光强调制方式是先用承载信息的模拟基带信号进行电的预调制，然后用这个预调制的电信号对光源进行光强调制(IM)。这种系统又称为预调制直接光强调制光纤传输系统。第四十九页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五频分复用光强调制方式用每路模拟电视基带信号，分别对某个指定的射频(RF)电信号进行调幅(AM)或调频(FM)，然后用组合器把多个预调RF信号组合成多路宽带信号，再用这种多路宽带信号对发射机光源进行光强调制。光载波经光纤传输后，由远端接收机进行光/电转换和信号分离。因为传统意义上的载波是光载波，为区别起见，把受模拟基带信号预调制的RF电载波称为副载波，这种复用方式也称为副载波复用(SCM)。第五十页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五图6.１0副载波复用模拟电视光纤传输系统方框图

第五十一页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五N个频道的模拟基带电视信号分别调制频率为f1,f2,f3,…,fN的射频(RF)信号，把N个带有电视信号的副载波f1s,f2s,f3s，…,fNs组合成多路宽带信号，再用这个宽带信号对光源(一般为LD)进行光强调制，实现电/光转换。光信号经光纤传输后，由光接收机实现光/电转换，经分离和解调，最后输出N个频道的电视信号。第五十二页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

对于副载波复用模拟电视光纤传输系统，评价其传输质量的特性参数主要是载噪比(CNR)和信号失真。

1.载噪比

载噪比CNR的定义是：把满负载、无调制的等幅载波置于传输系统，在规定的带宽内特定频道的载波功率(C)和噪声功率(NP)的比值，并以dB为单位，用公式表示为：（6.22）4.2.1.2模拟光纤通信系统特性参数第五十三页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

式中,〈i2c〉为均方载波电流，〈i2n〉为均方噪声电流。

或CNR=10lg(6.23)第五十四页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五图6.11激光器模拟调制原理PmaxPminIomPomIminImaxIbpPbI输出信号输入信号第五十五页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

2.信号失真副载波复用模拟电视光纤传输系统产生信号失真的原因很多，但主要原因是作为载波信号源的半导体激光器在电/光转换时的非线性效应。

由于到达光检测器的信号非常微弱，在光/电转换时可能产生的信号失真可以忽略。只要光纤带宽足够宽，传输过程可能产生的信号失真也可以忽略。

第五十六页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.2.2数字光纤通信系统光纤传输系统是数字通信的理想通道。与模拟通信相比较，数字通信有很多的优点，灵敏度高、传输质量好。因此，大容量长距离的光纤通信系统大多采用数字传输方式。光纤通信系统第五十七页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五电发射端机要任务是PCM编码和信号的多路复用。多路复用是指将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，到接收端再用专门的设备将各路信号分离出来，多路复用可以极大地提高通信线路的利用率。在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲“0”码和“1”码，它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的，称为PCM（pulsecodemodulation），即脉冲编码调制。这种电的数字信号称为数字基带信号，由PCM电端机产生。4.2.2.1框图的介绍第五十八页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五抽样是指从原始的时间和幅度连续的模拟信号中离散地抽取一部分样值，变换成时间和幅度都是离散的数字信号的过程。编码是指按照一定的规则将抽样所得的M种信号用一组二进制或者其它进制的数来表示，每种信号都可以由N个2二进制数来表示，M和N满足M=2N。例如如果量化后的幅值有8种，则编码时每个幅值都需要用3个二进制的序列来表示。需要注意的是，此处的编码仅指信源编码，这和后面提到的信道编码是有所区别的。多路复用技术包括：频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM）、波分多路复用（WDM）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）。在数字光纤通信系统中，多路复用采用时分复用的形式。第五十九页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五第六十页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五光发送端机从PCM设备（电端机）送来的电信号是适合PCM传输的码型，为HDB3码或CMI码。信号进入光发送机后，首先进入输入接口电路，进行信道编码，变成由“0”和“1”码组成的不归零码（NRZ）。然后在码型变换电路中进行码型变换，变换成适合于光线路传输的mBnB码或插入码，再送入光发送电路，将电信号变换成光信号，送入光纤传输。线路编码：又称信道编码，其作用是消除或减少数字电信号中的直流和低频分量，以便于在光纤中传输、接收及监测。大体可归纳为三类：扰码二进制、字变换码、插入型码。第六十一页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

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。数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码，即“有光脉冲”表示“１”码，“无光脉冲”表示“0”码。即简单的二电平码。第六十二页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五简单的二电平码会带来如下问题：

•

在码流中，出现“１”码和“0”码的个数是随机变化的，因而直流分量也会发生随机波动(基线漂移)，给光接收机的判决带来困难。

•

在随机码流中，容易出现长串连“１”码或长串连“0”码，这样可能造成位同步信息丢失，给定时提取造成困难或产生较大的定时误差。

•

不能实现在线(不中断业务)的误码检测，不利于长途通信系统的维护。第六十三页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

扰码为了保证传输的透明性，在系统光发射机的调制器前，需要附加一个扰码器，将原始的二进制码序列加以变换，使其接近于随机序列。相应地，在光接收机的判决器之后，附加一个解扰器，以恢复原始序列。扰码与解扰可由反馈移位寄存器和对应的前馈移位寄存器实现。扰码改变了“１”码与“0”码的分布，从而改善了码流的一些特性。例如：扰码前：1100000011000…

扰码后：1101110110011…第六十四页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

扰码有下列缺点：①不能完全控制长串连“１”和长串连“0”序列的出现②没有引入冗余，不能进行在线误码监测；③信号频谱中接近于直流的分量较大，不能解决基线漂移。因为扰码不能完全满足光纤通信对线路码型的要求，所以许多光纤通信设备除采用扰码外还采用其它类型的线路编码。第六十五页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五mBnB码

mBnB码是把输入的二进制原始码流进行分组，每组有m个二进制码，记为mB，称为一个码字，然后把一个码字变换为n个二进制码，记为nB，并在同一个时隙内输出。这种码型是把mB变换为nB，所以称为mBnB码，其中m和n都是正整数，n>m，一般选取n=m+1。mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B等等。

第六十六页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五最简单的mBnB码是1B2B码，即曼彻斯特码，这就是把原码的“０”变换为“01”，把“1”变换为“10”。因此最大的连“０”和连“１”的数目不会超过两个，例如1001和0110。但是在相同时隙内，传输1比特变为传输2比特，码速提高了1倍。第六十七页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

以3B4B码为例，输入的原始码流3B码，共有(23)8个码字，变换为4B码时，共有(24)16个码字，见表4.2。为保证信息的完整传输，必须从4B码的16个码字中挑选8个码字来代替3B码。设计者应根据最佳线路码特性的原则来选择码表。例如：在3B码中有2个“0”，变为4B码时补1个“１”；在3B码中有2个“1”，变为4B码时补1个“0”。而000用0001和1110交替使用；111用0111和1000交替使用。同时，规定一些禁止使用的码字，称为禁字，例如0000和1111。第六十八页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五01111111111011011101100101110110101001100100001110110110010101001000011001001000010000004B3B

表4.23B和4B的码字

第六十九页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

插入码插入码是把输入二进制原始码流分成每m比特(mB)-一组，然后在每组mB码末尾按一定规律插入一个码，组成m+1个码为一组的线路码流。根据插入码的规律，可以分为mB1C码、mB1H码和mB1P码。插入码的编码原理

mB1C码的编码原理是，把原始码流分成每m比特(mB)一组，然后在每组mB码的末尾插入1比特补码，这个补码称为C码，所以称为mB1C码。补码插在mB码的末尾，连“0”码和连“1”码的数目最少。

图4.23mB1C码的结构第七十页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五mB1H码是mB1C码演变而成的，即在mB1C码中，扣除部分C码，并在相应的码位上插入一个混合码(H码)，所以称为mB1H码。所插入的H码可以根据不同用途分为三类：第一类是C码，它是第m位码的补码，用于在线误码率监测；第二类是L码，用于区间通信；第三类是G码，用于帧同步、公务、数据、监测等信息的传输。第七十一页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

光中继器统的光中继器采用的是光－电－光(O-E-O)的模式，光电检测器先将光纤送来的非常微弱的并失真了的光信号转换成电信号，再通过放大、整形、再定时，还原成与原来的信号一样的电脉冲信号。然后用这一电脉冲信号驱动激光器发光，又将电信号变换成光信号，向下一段光纤发送出光脉冲信号。自从掺铒光纤放大器问世以后，光中继实现了全光中继第七十二页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五光接收机

从光纤传来的光信号进入光接收电路，将光信号变成电信号并放大后，进行定时再生，又恢复成数字信号。由于发送端有码型变换，因此，在接收端要进行码型反变换，然后将信号送入输出接口电路，变成适合PCM传输的HDB3码或CMI码，送给PCM。第七十三页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五备用系统与辅助设备

为了确保系统的畅通，通常设置备用系统。正常情况下只有主系统工作，一旦主要系统出现故障，就可以立即切换到备用系统，这样就可以保障通信的正确无误。辅助设备是对系统的完善，它包括监控管理系统、公务通信系统、自动倒换系统、告警处理系统、电源供给系统等。第七十四页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五1.误码率(BER)

误码率是衡量数字光纤通信系统传输质量优劣的非常重要的指标，它反映了在数字传输过程中信息受到损害的程度。

BER是在一个较长时间内的传输码流中出现误码的概率，它对话音影响的程度取决于编码方法。对于PCM而言，误码率对话音的影响程度如表5.2所示。由于误码率随时间变化，用长时间内的平均误码率来衡量系统性能的优劣，显然不够准确。在实际监测和评定中，应采用误码时间百分数和误码秒百分数的方法。对于数字光通信系统来说，一般要求系统的误比特率小于10-9。

4.2.2.2系统的主要性能指标第七十五页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五几乎听不懂5×10-2强烈干扰，听懂程度明显下降10-2在各种话音电平范围内都察觉到有干扰10-3在低话音电平范围内有个别“喀喀”干扰10-4在低话音电平范围内刚察觉到有干扰10-5感觉不到干扰10-6受话者的感受误码率表5.2误码率对话音影响程度第七十六页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五图5.13误码率随时间的变化

如图5.13所示，规定一个较长的监测时间TL，例如几天或一个月，并把这个时间分为“可用时间”和“不可用时间”。第七十七页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

在连续10s时间内，BER劣于1×10-3，为“不可用时间”，或称系统处于故障状态；故障排除后,在连续10s时间内，BER优于1×10-3，为“可用时间”。对于64kb/s的数字信号，BER=1×10-3，相应于每秒有64个误码。同时，规定一个较短的取样时间T0和误码率门限值BERth，统计BER劣于BERth的时间，并用劣化时间占可用时间的百分数来衡量系统误码率性能的指标。第七十八页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五劣化分（DM）：定义误码率劣于1×10-6的分钟数。HRX指标要求劣化分占可用分(可用时间减去严重误码秒累积的分钟数)的百分数小于10%。严重误码秒（SES）：定义误码率劣于1×10-3的秒钟数。HRX指标要求严重误码秒占可用秒的百分数小于0.2%。误码秒(ES)：凡是出现误码(即使只有1bit)的秒数。HRX指标要求误码秒占可用秒的百分数小于8%。相应地，不出现任何误码的秒数称为无误码秒(EFS)，指标要求无误码秒占可用秒的百分数大于92%。第七十九页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五2.抖动抖动是数字信号传输过程中产生的一种瞬时不稳定现象。抖动的定义是：数字信号在各有效瞬时对标准时间位置的偏差。以时间间隔（UI，UnitInterval）表示。偏差时间范围称为抖动幅度(JPP)，偏差时间间隔对时间的变化率称为抖动频率(F)。这种偏差包括输入脉冲信号在某一平均位置左右变化，和提取时钟信号在中心位置左右变化，见图5.15所示。第八十页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五图5.15抖动示意图

第八十一页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.2.2.3系统性能指标的测试主要的性能测试：误码率(BER)和抖动。常用仪器：光功率计、可变光衰减器。专用仪器：误码测试仪、误码分析仪、数字传输分析仪、SDH分析仪。数字传输分析仪：具有误码误码分析仪的全部功能外，还包括抖动发生器。此设备能测试全部误码性能和抖动性能。第八十二页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五误码测试仪由三大部分组成：发码发生器、误码检测器和指标器。第八十三页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五接收机灵敏度动态范围第八十四页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五抖动性能的测试第八十五页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.3光纤通信系统的设计系统设计的主要任务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。系统设计在技术上主要问题确定中继距离，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。第八十六页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五中继距离受光纤线路损耗和色散(带宽)的限制，明显随传输速率的增加而减小。中继距离和传输速率反映着光纤通信系统的技术水平。

中继距离的设计有三种方法：最坏情况法(参数完全已知)、统计法(所有参数都是统计定义)和半统计法(只有某些参数是统计定义)。我们采用最坏情况设计法，用这种方法得到的结果，设计的可靠性为100%，但要牺牲可能达到的最大长度。第八十七页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.3.1中继距离受损耗的限制

图5.17数字光纤线路系统(a)无中继器；(b)一个中继器第八十八页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五图中符号：

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。第八十九页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

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)，Ac为连接器损耗(dB/对)，Me为系统余量(dB)，Af为光纤损耗系数(dB/km),As为每km光纤平均接头损耗(dB/km),Am为每km光纤线路损耗余量(dB/km),

Lf是每盘光纤光缆的长度。

L为中继距离(km)。Pp是光通道代价。第九十页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

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。我们要讨论的问题是，对于一个传输速率已知的数字光纤线路系统，允许的线路总色散是多少，并据此计算中继距离。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。4.3.2中继距离受色散(带宽)的限制第九十一页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五对于多模光纤系统，色散特性通常用3dB带宽表示。光纤线路总带宽B和速率fb的关系为：B=(0.83～0.56)fb中继距离L与1km光纤带宽B1的关系为B1=BLγ,所以L=［（1.21～1.78）Ｂ1/fb］1/γ(5.13)或写成

Lγfb=(1.21～1.78)B1(5.14)以fb为参数，B1与L的关系示于图5.19,图中取σ/T=0.3，γ=0.75。由此可见，中继距离L与传输速率fb的乘积取决于1km光纤的带宽(色散)，这个乘积反映了光纤通信系统的技术水平。第九十二页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.4光纤放大器在光纤通信系统中，为了延长传输距离，在传输线路中采用中继器。传统的中继方式：O/E/O，过程繁琐，信号失真大。应用光放大的中继方式，对信号的格式和速率具有高度的透明性，使得这个通信系统更加简单灵活。目前有实用意义的光放大器主要有三种:半导体激光放大器非线性光纤放大器掺杂光纤放大器光纤放大器实际上是把工作物质制作成光纤形状的固体激光器，所以也称为光纤激光器。第九十三页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.4.1半导体激光放大器(SOA)是在LD两端镀上增透膜而成的，是粒子数反转分布的受激辐射产生的放大，材料与LD相同(AlGaAs／InGaAsP)，又分为谐振型或称F-P式光放大器(FPA)和行波式光放大器(TWLA)。SOA的主要优点是尺寸小、功率消耗低,便于光电集成.其主要缺点是插入损耗大、对偏振态敏感。第九十四页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.4.2非线性光纤放大器受激拉曼散射光纤放大器(SRA）利用石英光纤的非线性效应而制成在合适波长的强光作用下，石英光纤会出现受激喇曼散射(SRS)效应，当信号光和泵光沿着光纤一起传输时，光功率将由泵光转移到信号光，从而把信号光放大。SRA具有频带宽、增益高、输出功率大、响应快等优点。其缺点是泵浦效率低、阈值高，因而需要的泵浦功率很高。受激布里渊散射光纤放大器(SBA)第九十五页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.4.3掺杂光纤放大器EDFA：Erbium-DopedFiberAmplifier。与前两者相比，它的优点:

高增益、低噪声、偏振不敏感。能放大不同速率和调制方式的信号。具有几十纳米的放大带宽。和WDM（波分复用）技术相结合大大提高系统容量和传输距离。

EDFA给1.55m窗口的光纤通信带来了一场革命掺铒光纤放大器(EDFA)已经实用化材料掺Er3+光纤第九十六页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五隔离器WDMEDF隔离器泵浦激光器输入信号输入信号隔离器WDMEDF隔离器输入信号输入信号泵浦激光器隔离器WDMEDF隔离器输入信号输入信号泵浦激光器泵浦激光器前向泵浦后向泵浦双向泵浦4.3.3.1EDFA光放大器结构第九十七页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.3.3.2EDFA的工作原理铒(Er)是一种稀土元素(属于镧系元素)，原子序数是68，原子量为167.3。光放大利用了澜系元素的4f能级。在掺铒光纤中，由于石英基质的作用，4f的每一个能级分裂成一个能带。第九十八页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五基态亚稳态泵浦态1s平均寿命平均寿命第九十九页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五EDFA工作过程第一百页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五掺铒光纤之所以能放大光信号的基本原理:Er+3能吸收泵浦光的能量，由基态4I15/2跃迁至处于高能级的泵浦态，对于不同的泵浦波长电子跃迁至不同的能级，当用980nm波长的光泵浦时，Er+3从基态跃迁至泵浦态4I11/2

。由于泵浦态上载流子的寿命时间只有1us，电子迅速以非辐射方式由泵浦态豫驰至亚稳态4I13/2

，在亚稳态上载流子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下,亚稳态上的粒子数积累,从而实现了粒子数反转分布。第一百零一页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五当有1.55um信号光通过已被激活的掺饵光纤时，在信号光的感应下，亚稳态上的粒子以受激辐射的方式跃迁到基态.对应于每一次跃迁,都将产生一个与感应光子完全一样的光子,从而实现了信号光在掺铒光纤的传播过程中不断放大.在放大过程中，亚稳态的粒子也会以自发辐射的方式跃迁到基态，自发辐射产生的光子也会被放大，这种放大的自发辐射(ASE：AmplifiedSpontaneousEmission)会消耗泵浦功率并引入噪声。当用1480nm波长的光泵浦时，Er+3从基态跃迁至该能带的上部，然后粒子迅速以非辐射方式由泵浦态豫驰至亚稳态，在亚稳态上积累。第一百零二页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.3.3.3EDFA光放大器谱线第一百零三页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.3.3.4掺铒光纤放大器的特性指标1.功率增益增益的大小与泵浦功率以及光纤长度等诸因素有关。放大器的功率增益随泵浦功率的增加而增加有饱和现象:当泵浦功率达到一定值时，放大器增益出现饱和，即泵浦功率再增加，而增益基本保持不变．开始时功率增益随掺饵光纤长度的增加而上升，当光纤长度达到一定值后，增益反而逐渐下降．当光纤为某一长度时，可获得最佳增益，这个光纤长度称为最大增益的光纤长度．第一百零四页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五2.输出饱和功率在掺铒光纤放大器中，输入信号功率和输出信号功率并不完全呈正比关系，而是存在着饱和的趋势．输出饱和功率是一个描述输入信号功率与输出信号功率之间关系的参量。掺饵光纤放大器的最大输出功率常用3dB饱和输出功率来表示。当饱和增益下降3dB时所对应的输出功率值为3dB饱和输出功率。它代表了掺铒光纤放大器的最大输出能力。3.噪声系数衡量掺铒光纤放大器噪声特性可用噪声系数F来表示。定义为:NF＝(放大器的输入信噪比)/(放大器的输出信噪比)第一百零五页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.5光接入网4.5.1光接入网概述4.5.2无源光网络4.5.3有源光网络4.5.4光纤同轴电缆混合网第一百零六页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.5.1光接入网概述1.接入网的概念电信网包含了为在不同地方的用户提供各种电信业务的所有传输及复用设备、交换设备及各种线路设施等。接入网是电信网的重要组成部分，负责将电信业务透明地传送到用户。

ITUT的G.902建议(参看图8.23)对接入网给出如下定义：接入网由业务结点接口(SNI)和用户网络接口(UNI)之间的一系列传送实体(如线路设施和传输设施)组成，为供给电信业务而提供所需的传送承载能力，可经由网络管理接口(Q3)配置和管理。原则上对接入网可以实现的UNI和SNI的类型和数目没有限制。接入网不解释信令。第一百零七页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五图8.23接入网的界定第一百零八页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

2.光接入网的参考配置光接入网(OAN)为共享相同网络侧接口并由光传输系统所支持的接入链路群，有时称之为光纤环路系统(FITL)。从系统配置上可以分为无源光网络(PON)和有源光网络(AON)，如图4.24所示。

ODN:光分配网络，是OLT和ONU之间的光传输媒质，由无源光器件组成。

OLT：光线路终端，提供OAN网络侧接口，并且连接一个或多个ODN。

ODT：光远程终端，由光有源设备组成。

ONU：光网络单元，提供OAN用户侧接口，并且连接到一个ODN或ODT。第一百零九页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五图4.24光接入网的参考配置第一百一十页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五ONU：光网络单元，提供OAN用户侧接口，并且连接到一个ODN或ODT。

UNI：用户网络接口。

SNI：业务结点接口。

S：光发送参考点。

R：光接收参考点。

AF：适配功能。

V：与业务结点间的参考点。

T：与用户终端间的参考点。

a:AF与ONU之间的参考点。第一百一十一页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五目前，用户网光纤化的途径主要有两个：一是在现有电话铜缆用户网的基础上，引入光纤传输技术改造成光接入网；二是在现有有线电视(CATV)同轴电缆网的基础上，引入光纤传输技术使之成为光纤/同轴混合网(HFC)。第一百一十二页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五1.网络结构无源光网络的信号由端局和电视节目中心通过光纤和光分路器直接分送到用户，其网络结构如图8.26所示。其下行业务由光功率分配器以广播方式发送给用户，在靠近用户接口处的过滤器让每个用户接收发给它的信号。在上行方向，用户业务是在预定的时间发送，目的是让它们分时地发送光信号，因此要定期测定端局与每个用户的延时，以便上行传输同步，这是PON技术的难点。由于光信号经过分路器分路后，损耗较大，因而传输距离不能很远。4.5.2无源光网络第一百一十三页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五(a)采用TDM+FDM+WDM的PON第一百一十四页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五(b)采用TDM+WDM的PON第一百一十五页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

图(a)使用1310/1550两波长WDM器件来分离宽带和窄带业务，其中1310nm波长区传送TDM方式的窄带业务信号，1550nm波长区传送FDM方式的图像业务信号(主要是CATV信号)。图(b)也使用1310/1550两波长WDM器件来分离宽带和窄带业务，与图8.26(a)不同之处在于先将电视信号编码为数字信号，再用TDM方式传输。2.多址技术

PON中常用的多址技术有三种：频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和波分多址(WDMA)，它们的原理框图如图8.27所示。第一百一十六页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五图4.27无源光网络的三种多址技术

(a)频分多址；(b)时分多址；(c)波分多址第一百一十七页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五FDMA的特点是将频带分割为许多互不重叠的部分，分配给每个用户使用。其优点是设备简单，技术成熟；缺点是当多个载波信号同时传输时，会产生串扰和互调噪声，会出现强信号抑制弱信号现象，单路的有效输出功率降低，且传输质量随着用户数的增多而急剧下降。

TDMA的特点是将工作时间分割成周期性的互不重叠的时隙，分配给每个用户。其优点是在任何时刻只有一个用户的信号通过上行信道，可以充分利用信号功率，没有互调噪声；缺点是为了分配时隙，需要精确地测定每个用户的传输时延，并且易受窄带噪声的影响。第一百一十八页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五WDMA的特点是以波长作为用户的地址，将不同的光波长分配给不同的用户，用可调谐滤波器或可调谐激光器来实现波分多址。其优点是不同波长的信号