城市轨道交通通信传输系统维护 课件 1.1传输系统的基本概念

1.1传输系统的基本概念1.1.1通信的基本概念通信的定义谈到通信，我们每个人都不陌生。古代有鸿雁传书、烽火狼烟、击鼓鸣金、摇旗呐喊、通信塔等方式实现通信。随着社会生产力的发展，现代通信得到飞速发展和广泛应用，主要包括文字、书信、电报、广播、电视、对讲、电话（移动电话/固定电话）、网络、等方式。可见，消息（message）是人类物质或精神状态的一种反映，在不同的时期具有不同的表现形式。人们接收消息，关心的是消息中所包含的人们原来未知而待知的内容，即信息(information)。因此，通信的根本目的在于传递消息中所包含的信息。通信从本质上讲是信息传递功能的一门科学技术，要将大量有用的信息无失真、高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息尽可能地抑制掉。1.1.1通信的基本概念通信的定义简单地说，通信就是信息的传递，可以通过语言、文字、图像、数据等形式表达。这里“传递”可以认为是一种信息传输的过程或方式。本书所讨论的通信不是广义上的通信。通信的再定义：利用电子等技术手段，借助电信号(含光信号）实现从一地向另一地进行消息的有效传递称为通信。1.1.1通信的基本概念通信系统的一般模型通信的目的是传输信息，进行信息的时空转移。通信系统的作用就是将信息从信源发送到一个或多个目的地。用于通信的设备硬件、软件和传输介质的集合叫做通信系统。需要强调的是，过去对通信系统的定义没有包含软件部分，但随着计算机进入通信系统，通信软件就成为组成通信系统的基本要素。从硬件上看，通信系统主要由信源、信宿、传输介质和收信、发信设备五部分组成。1.1.1通信的基本概念通信系统的一般模型在通信系统中，消息的传递是通过电信号来实现的，首先要把消息转换成电信号，经过发送设备，将信号送入信道，在接收端利用接收设备对接收信号做相应的处理后，送给信宿再转换为原来的消息。通信系统各部分的功能简述如下：1.1.1通信的基本概念信息源信息源（简称信源）是消息的产生地，其作用是把各种信息转换成原始电信号。根据信息的种类不同，信源可分为模拟信源和数字信源。模拟信源输出连续的模拟信号，如话筒（声音→音频信号）、摄像机（图像→视频信号），数字信源则输出离散的数字信号，如电传机（键盘字符→数字信号）、计算机等各种数字终端，并且模拟信源送出的信号经数字化处理后也可转变成数字信号。由于信息源产生信息的种类和速率不同，因而对传输系统的要求也各不相同。1.1.1通信的基本概念发送设备发送设备的作用是产生适合在信道中传输的信号，即使发送信号的特性和信道特性相匹配，具有抗信道干扰的能力，并且具有足够的功率以满足远距离传输的需要。因此，发送设备涵盖的内容很多，变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。对传输数字信号来说，发送设备又包含信源编码和信道编码等。1.1.1通信的基本概念信道信道是一种传输信号的物理介质，用于将来自发送设备的信号传送到接收端。在无线信道中，信道可以是自由空间。在有线信道中，可以是电缆和光缆等。有线信道和无线信道均有多种物理介质。信道既给信号提供传输通路，也会对信号产生各种干扰和噪声。信道的固有特性以及引入的干扰和噪声直接关系到通信的质量。1.1.1通信的基本概念中继设备或交换设备前者是指对经过一定长度的线路传输后的信号进行放大、恢复的线路中间设备，如中继器、EDFA等。后者是指通信系统中完成信息交换功能的中间设备（如交换机），它的主要作用是根据用户要求，完成不同用户之间的逻辑连接，实现信息交换的通路，进而完成交换功能。1.1.1通信的基本概念接收设备接收设备是将信号放大和反变换（如译码、解调等），其目的是从已受到损耗的接收信号中正确恢复出原始电信号。对于多路复用信号，接收设备中还包括解多路复用，实现正确分路的功能。此外，它还要尽可能减小在传输过程中噪声与干扰所带来的影响。1.1.1通信的基本概念受信者受信者，简称信宿，是传送消息的归属地，其功能与信源相反，即把原始电信号还原成相应的消息，如电话机将对方传来的电信号还原成了声音。1.1.1通信的基本概念噪声源噪声主要来自于信道。在信息的传递过程中，由于存在各种外界或内部因素，产生各种各样的干扰，统称为噪声。噪声通常是随机的、形式多样的，在实际工程应用中，无法彻底消除噪声干扰。1.1.1通信的基本概念通信分类根据信道传输信号种类的不同，通信系统可分为两大类：模拟通信系统和数字通信系统。1.1.1通信的基本概念模拟通信系统模型在电通信系统中，消息的传递是载荷在电信号的某一参量上的(如连续波的幅度、频率或相位；脉冲波的幅度、宽度或位置)。依据电信号参量的取值方式不同，可以把信号分为两类：模拟信号和数字信号。判断一个信号是模拟信号还是数字信号，关键在于确定携带消息的信号参量是哪个物理量，然后再根据物理量的取值状态进行判断。1.1.1通信的基本概念模拟信号携带消息的信号参量取值连续无限。由图可见，随着时间的变化信号的幅度在变，因此可以确定携带消息的信号参量是信号的幅度。无论是语音信号还是抽样信号，幅度的取值状态都是连续无限的，不同的是，前者是时间连续信号，后者是时间离散信号。1.1.1通信的基本概念数字信号携带消息的信号参量取值离散有限。在图(a)中，携带消息的物理参量是矩形波的幅度，幅度的变化只有两种状态；在图(b)中，携带消息的物理参量是正弦波的相位，相位的变化只有0和π两种状态。因此，它们均属于数字信号，并且都是时间连续信号。1.1.1通信的基本概念数字信号通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，相应的模拟通信系统是按照模拟信号的传输特点设计的。1.1.1通信的基本概念数字信号模拟通信系统传输信息，需要两种变换。首先，将信源产生的连续消息要变换成原始电信号，接收端收到的信号要反变换成原连续消息。原始电信号由于通常具有频率较低的频谱分量，一般不宜直接传输，因此，模拟通信系统常需要有第二次变换：将原始电信号变换成适合信道传输的信号，并在接收端进行反变换，这种变换和反变换通常称为调制和解调。经过调制后的信号叫已调信号，它应该具有两个特征：一是携带有信息，二是适应在信道传输。通常我们把发送端调制前和接收端解调后的信号称为基带信号，已调信号通常称为频带信号。模拟通信系统传输连续的模拟信号，占用带宽窄，如每路语音信号带宽仅为4kHz。在信号的传输过程中，噪声叠加于信号之上，并随传输距离的增加而加强，在接收端很难将信号和噪声分离，系统的抗干扰能力较弱且不适于长距离信号传输。1.1.1通信的基本概念数字通信系统模型数字通信系统（DigitalCommunicationSystem，DCS)是利用数字信号来传递信息的通信系统。数字通信系统可进一步细分为数字频带传输通信系统、数字基带传输通信系统和模拟信号数字化传输通信系统。下面分别加以说明。1.1.1通信的基本概念数字频带传输通信系统通常把含有调制器/解调器的数字通信系统称为数字频带传输通信系统1.1.1通信的基本概念数字基带传输通信系统与频带传输系统相对应，我们把没有调制器/解调器的数字通信系统称为数字基带传输通信系统1.1.1通信的基本概念模拟信号数字化传输通信系统上面讨论的数字通信系统中，信源输出的信号均为数字基带信号。实际上，在日常生活中大部分信号（如语音信号）为连续变化的模拟信号。要实现模拟信号在数字通信系统中传输，则必须在发送端将模拟信号数字化，即A/D转换：在接收端需进行相反的转换，即D/A转换。1.1.2传输的概念传输顾名思义为传递，输送的意思。通信的目的就是把信息从一个地点传递到另一个地点，而传输就是两点之间的桥梁和纽带，传输有单向传输（如广播）和双向传输（如通话）之分。如果要在多点间进行通信，则需要建设多点对多点的复杂的传输网络，现代的传输网常称作信息高速公路，为各种业务网提供传送通道。传输网是用做传送通道的网络，如同高速公路，由各种传输线路和传输设备组成，其中传输线路完成信号的传递，传输设备完成信号的处理。1.1.2传输的概念传输的分类通常按传输介质将传输划分为有线传输和无线传输。01无线传输是指传输介质看不见、摸不着（如电磁波）的一种通信形式，如微波通信、移动通信、卫星通信等。03有线传输是指传输介质为电缆、光缆、波导等形式的通信，其特点是介质能看得见、摸得着如电缆通信、光缆通信。020102031.1.2传输的概念传输网在通信网中的地位及作用我们先来了解通信网是用来干什么的。通信主要指人们传递、交换信息的过程。信息交换是有方向的，比如A和B在打电话，包括从A到B和从B到A两个方向的信息传递。如果A和B通过通信网在通信，就从A到B单向而言，通信网分三个阶段来完成这个通信任务。首先在A端把A的信息进行包装，然后把包装后的信息通过通信网传递到B的所在地，最后在B端收到信息去除包装还原来自A的信息。这个过程和邮差递信的过程是类似的，A把信件装入信封投入邮局是第一步，邮局分拣信件，然后装入到达目的方向的邮车，通过邮车送往目的地的步骤是第二步，收信人收到邮件拆封阅读是第三步。1.1.2传输的概念传输网在通信网中的地位及作用对照上面列举的两个过程，通信网的电话、手机以及与网络相连的电脑等终端设备实现了“信封”功能，交换机、路由器等设备相当于邮局的信件分拣系统。传输网络相当于邮车，或者说邮件运输系统。形象地说，传输网络在通信网中的角色是搬运工，把信息从A地搬运到B地。搬运工的角色是不是很重要呢?人们常常忽视了它的存在，用户看到的往往是信封，邮局想的往住是分拣系统的分拣速度和准确度，很少有人关心这封信是哪辆车或者是什么车送来的。可以说搬运工是一个幕后英雄，信息能不能送到要依赖于搬运工是不是能走到目的地，什么时候送到要依赖搬运工的工作时间和效率。搬运工的技术不断革新，能“翻山越岭，跋山涉水”了，通信才能跨越这些地理阻隔。传输网在通信网中的位置如图所示。1.1.2传输的概念传输网在通信网中的地位及作用1.1.2传输的概念传输网的组成传输网包含两类实体：传输设备和各种线缆。传输网维护工作也因此分成两个方面：设备维护和线路维护。传输线路目前主要有两种：电缆和光缆。传输设备有：SDH设备、WDM设备、PTN设备、OTN设备等。传输网在不断地技术革新中，传输设备的类型和标准也在发展变化中，但是并不存在哪一类设备处于“一统天下”的统治地位，可以说，各有各的用武之地。SDH（同步数字体系）传输网由不同类型的网元设备通过光缆路线组成，这些网元设备可以实现SDH体系的同步复用、交叉连接、网络故障自愈等功能。SDH传输网的基本网元有终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）、再生中继器（REG）和数字交叉连接设备（DXC），后面章节会对这些设备一一作介绍。1.1.2传输的概念传输网的组成WDM（波分复用）光网络，由于多媒体通信的出现，互联网的发展和移动电话用户的增加，对传输网络的容量需求越来越大，对“光纤耗尽”现象，如何利用现有的光纤通信系统来实现最大限度的扩容，成为人们所关注的问题。研究结果表明，一根光纤能加载几十个甚至上百个不同波长光，从而出现了WDM技术。通常把光信道间隔较大（甚至在光纤不同窗口上）的复用称为光波分复用（WDM），再把在同一窗口中信道间隔较小的WDM称为密集波分复用（DWDM）。随着科技的进步，现代的技术已经能够实现波长间隔为纳米级的复用，甚至可以实现波长间隔为零点几个纳米级的复用，只是在器件的技术要求上更加严格而已，因此把1270nm至1610nm波长间隔20nm的波段称为粗波分复用（CWDM）。目前以WDM为基础的光传送网建设是通信行业发展最快的领域之一。1.1.2传输的概念传输网的层次结构为了便于网络规划建设和运行维护，传输网的结构被划分成省际骨干网、省内骨干网和本地网三层，各自实现不同的功能。省际骨干网也被成为一级骨干网，省际骨干网是负责提供省与省之间传输通道的。每个省有一到两个省际出口，省际骨干网把这些省际出口连接起来。省际出口一般都是直辖市、省会城市或者计划单列市。省际骨干网的建设属于总部管理实施项目，总部直接参与日常维护工作。省内骨干网也称为二级骨干网，是负责提供省内部各地市城市之间传输通道的。省内骨干网的建设属于省分管的实施项目，总部通过分公司上报数据对省内骨干网的工作进行管理。本地网负责一个地市管辖区域内交换机、基站、中心机房、业务接入点之间提供传输通道的，可以认为是毛细血管，起业务汇聚的作用。本地网又可分为汇聚层和接入层。1.1.2传输的概念传输网的层次结构骨干网是指在主要节点间建立的网络，在本地网、城域网中都有骨干网。传输网目前并存的技术手段很多，各有各的用武之地，本书涉及传输网的内容只是在骨干网络中运用广泛的SDH、DWDM技术，它们只是骨干传输的主流技术，不代表传输的全部，请读者注意，避免以偏概全。现阶段我国的SDH传输网分为四个层面：省际干线层面、省内干线层面、中继网层面、用户接入网层面。1.1.3传输系统模型传输系统模型用户对通信系统的要求是多种多样的。例如，通信距离可以有远有近，传送的信息可以是语音、图像或数据，每个中继段可以分出或插入信息，也可以直接转接，话路噪声有大有小，等等。这样，很难对不同通信线路规定一个统一的质量标准。为了比较各种通信设备与通信线路的性能，可以预先规定一条假设的通信线路，并假设把通信设备安装在这条线路上，在这种条件下去考察该线路的传输质量。通常就把这条通信线路称为假设参考通道HRP（HypotheticalReferencePath）。1.1.3传输系统模型传输线路总体结构连接电信局和用户终端设备的线路称为用户线路，根据传输信号不同，用户线路可以是光缆或电缆。1.1.3传输系统模型电缆传输用户线路总体结构实现从配线架到用户分线盒整个电缆网设备模型的搭建。即终端用户通过用户引入线——分线盒（或分线箱)——配线电缆——交接箱——主干电线（或馈线电缆)——配线架入局。1.1.3传输系统模型配线架内外线的总汇，连接局外芯线和交换机（连接作用）；设立保安单元保护局内交换设备及人身安全（保安作用）；设有测试塞孔便于查修障碍和对号、测试（测试作用）；设立跳线便于线路扩建、割接及用户变动（维护作用）。1.1.3传输系统模型交接箱交接箱是用户线路网中的一种典型的配线设备。它的主要作用是利用跳线连接主干电缆（指连接电信端局与交接箱的电缆）和配线电缆（指交接箱以后的电缆），使主干线对和配线线对通过跳线任意连通，以达到灵活调度线对的目的。1.1.3传输系统模型分线箱分线箱是一种带有保安装置的分线设备，安装在电缆网的分线点或配线点上，用来沟通配线电缆的芯线和用户终端设备（如话机等）。所谓“分线点”和“配线点”是指在配线电缆路由上，分支出若干线对供分线设备分配给就近的用户使用的一些点。所以，它是一种安装在线路网分支点或终端的线路终端设备，通过它，然后再用软皮线就可接往用户。1.1.3传输系统模型分线盒分线盒是一种不带保安装置的电缆分线设备，其连接作用与分线箱完全相同。内部设有一层由透明有机玻璃制成的接线端子板，将分线盒分为内、外部分，接线时尾巴电缆在端子板内层与接线柱相连，外层和皮线相连，使用全色谱全塑电缆，很容易从外层看清内层的芯线颜色，给维护施工带来方便。1.1.3传输系统模型光缆传输用户线路总体结构实现从ODF（光分配架）到光终端盒整个光缆网设备模型的搭建。即终端用户通过光终端盒—用户引入线—分纤盒（或分纤箱）—配线光缆—光交接箱—主干光缆（或馈线光缆）—ODF入局。1.1.3传输系统模型光纤传输系统的组成在通信传输的整个系统和传输过程中，光传输系统是最基本、最重要的组成部分，也是新技术发展十分迅速的一个系统。在未来的技术发展中，无论是通信接入网系统，还是城域网或长途广域网，光通信系统都将扮演主要的角色。光发送机把待传输的电信号转换为光信号，光接收机把光信号转换为原来的电信号，光纤传输部分把光发送机发出的光信号送到光接收机。在发送设备中，光电转换器件把数字脉冲电信号转换为光信号（E/O变换），送到光纤中进行传输。在接收端，设有光信号检测器件，将接收到的光信号转换为数字脉冲信号（O/E变换）。在其传输的路途中，当距离较远时，采用光中继设备，把通信信号经过再生处理后传输。1.1.3传输系统模型数字光纤传输系统的组成数字信号光纤传输系统基本结构分为以下四个部分：模拟/数字信号转换部分（数字端机）、电/光信号转换部分（光端机）、传输光缆、光信号再生中继器。