第5章 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)

1、 兩種傳輸體制兩種傳輸體制 系統(tǒng)的性能指標(biāo)系統(tǒng)的性能指標(biāo) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 光纖大容量數(shù)字傳輸目前都采用同步時(shí)分復(fù)用 (TDM)技術(shù)，復(fù)用又分為若干等級，因而先后有兩種 傳輸體制： u準(zhǔn)同步數(shù)字系列(PDH) u同步數(shù)字系列(SDH) PDH早在1976年就實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，目前還大量使 用。隨著光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，PDH遇到了許 多困難。 在技術(shù)迅速發(fā)展的推動下，美國提出了同步光纖 網(wǎng)(SONET)。1988年，ITUT參照SONET的概念，提 出了被稱為同步數(shù)字系列(SDH)的規(guī)范建議。 SDH解決了PDH存在的問題，是一種比較完善的 傳輸體制，

2、現(xiàn)已得到大量應(yīng)用。這種傳輸體制不僅適 用于光纖信道，也適用于微波和衛(wèi)星干線傳輸。 準(zhǔn)同步數(shù)字系列有兩種基礎(chǔ)速率 l 一種是以1.544 Mb/s為第一級(一次群，或稱基群) 基礎(chǔ)速率，采用的國家有北美各國和日本。 l另一種是以2.048 Mb/s為第一級(一次群)基礎(chǔ)速率， 采用的國家有西歐各國和中國。 u 準(zhǔn)同步數(shù)字系列準(zhǔn)同步數(shù)字系列PDH PDH各次群比特率相對于其標(biāo)準(zhǔn)值有一個(gè)規(guī)定的容 差，而且是異源的； 通常采用正碼速調(diào)整方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)同步復(fù)用。 1次群至4次群接口比特率較早實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，并得 到各國廣泛采用。 PDH主要適用于中、低速率點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸。 u PDH的特點(diǎn) 北美、西歐和亞洲所采

3、用的三種數(shù)字系列互不兼 容，沒有世界統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)光接口； 各種復(fù)用系列都有其相應(yīng)的幀結(jié)構(gòu)，沒有足夠的 開銷比特，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)缺乏靈活性； 由于低速率信號插入到高速率信號，或從高速率 信號分出，都必須逐級進(jìn)行，不能直接分插。 uPDH的缺點(diǎn) SDH傳輸網(wǎng)傳輸網(wǎng) SDH不僅適合于點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，而且適合于多點(diǎn)之間的網(wǎng) 絡(luò)傳輸。 l SDH傳輸網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) SDH終接設(shè)備(或稱SDH終端復(fù)用器TM) 分插復(fù)用設(shè)備ADM 數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC等網(wǎng)絡(luò)單元 連接它們的(光纖)物理鏈路構(gòu)成 u同步數(shù)字系列同步數(shù)字系列SDH 復(fù)接/分接和提供業(yè)務(wù)適配，例如將多路E1信號復(fù)接成 STM1信號及完成其逆過程，或者實(shí)現(xiàn)與

4、非SDH網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的 適配。 n ADM 一種特殊的復(fù)用器，它利用分接功能將輸入信號所承 載的信息分成兩部分：一部分直接轉(zhuǎn)發(fā)，另一部分卸下給 本地用戶。然后信息又通過復(fù)接功能將轉(zhuǎn)發(fā)部分和本地上 送的部分合成輸出。 TMADM STM-n DXC STM-N ADMTM TM STM-N TMADM STM-n DXCADMTM STM-NSTM-NSTM-n STM-NSTM-NSTM-N STM-n 低速 信號 低速 信號 低速 信號 低速 信號 (n N) n DXC功能 類似于交換機(jī)，它一般有多個(gè)輸入和多個(gè)輸出， 通過適當(dāng)配置可提供不同的端到端連接。 u SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)單元 終端復(fù)用器TM

5、 分插復(fù)用設(shè)備ADM(Add/Drop Multiplexer) 數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC MUX E1 E1 STM-N 同 步 復(fù) 接 DMX E1 E1 STM-N 同 步 分 接 (a) DMXMUX 中 繼 線 STM-N 中 繼 線 STM-N Drop STM-n Add STM-n 分 接 復(fù) 接 本 地 (b) 1:m 1:m m:1 m:1 復(fù) 接 交 叉 連 接 矩 陣 分 接 1 n 1 n (c) 配 置 管 理 通過DXC的交叉連接作用，在SDH傳輸網(wǎng)內(nèi) 可提供許多條傳輸通道，每條通道都有相似的結(jié) 構(gòu)，其連接模型如圖每個(gè)通道(Path)由一個(gè)或多 個(gè)復(fù)接段(Line)

6、構(gòu)成，而每一復(fù)接段又由若干個(gè) 再生段(Section)串接而成。 通道 終接設(shè)備 線路 終接設(shè)備 TMADM/DXC 再生段 Section 再生段再生段 線路 終接設(shè)備 通道 終接設(shè)備 E1 E3 E1 E3 ADM/DXCTM 復(fù)接段 (Line) 傳輸通道 (Path) (a) Path Line Section Photonic Section Photonic Path Line Section Photonic 再生中繼器 (b) 再生中繼器 n 傳輸通道的結(jié)構(gòu) 傳輸通道連接模型和分層結(jié)構(gòu) SDH采用世界上統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率等級。 SDH各網(wǎng)絡(luò)單元的光接口有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。 在SD

7、H幀結(jié)構(gòu)中，豐富的開銷比特用于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行、 維護(hù) 和管理，便于實(shí)現(xiàn)性能監(jiān)測、故障檢測和定位、故障報(bào)告等管 理功能。 采用數(shù)字同步復(fù)用技術(shù)，其最小的復(fù)用單位為字節(jié)， 不必 進(jìn)行碼速調(diào)整，簡化了復(fù)接分接的實(shí)現(xiàn)設(shè)備，由低速信號復(fù)接 成高速信號，或從高速信號分出低速信號，不必逐級進(jìn)行。 u SDH具有下列特點(diǎn) 采用數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC可以對各種端口速率進(jìn)行可控 的連接配置，對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行自動化的調(diào)度和管理，既提高了 資源利用率，又增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的抗毀性和可靠性。 n 分插信號流程的比較分插信號流程的比較 光 / 電 光 信 號 分 接 分 接 分 接 140/34 Mb/s 34/8 Mb/s 8/2

8、Mb/s 復(fù) 接 復(fù) 接 復(fù) 接 電 / 光 光 信 號 2/8 Mb/s 8/34 Mb/s 34/140 Mb/s 2 Mb/s(電信號) SDH ADM 155 Mb/s 光接口 155 Mb/s 光接口 2 Mb/s(電信號) PDH l SDH幀結(jié)構(gòu)幀結(jié)構(gòu) SDH幀結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字同步時(shí)分復(fù)用、保證網(wǎng)絡(luò)可靠有效 運(yùn)行的關(guān)鍵。字節(jié)發(fā)送順序?yàn)椋河缮贤轮鹦邪l(fā)送，每行先左 后右，SDH幀大體可分為三個(gè)部分： 段開銷(SOH)。 段開銷是在SDH幀中為保證信息正常傳輸 所必需的附加字節(jié)(每字節(jié)含64 kb/s的容量)，主要用于運(yùn)行、 維護(hù)和管理，如幀定位、 誤碼檢測、 公務(wù)通信、自動保護(hù)倒 換

9、以及網(wǎng)管信息傳輸。 信息載荷(Payload)。信息載荷域是SDH幀內(nèi)用于承載各種 業(yè)務(wù)信息的部分。 管理單元指針(AU PTR)。管理單元指針是一種指示符， 主 要用于指示Payload第一個(gè)字節(jié)在幀內(nèi)的準(zhǔn)確位置 圖 5.5 SDH幀的一般結(jié)構(gòu) SOH 1 2 AU-PTR 3 4 5 SOH 9 STM-N載荷 (含POH) 9N261N 270N 發(fā)送順序 l 復(fù)用原理復(fù)用原理 將低速支路信號復(fù)接為高速信號，通常有兩種傳統(tǒng)方法： 正碼速調(diào)整法正碼速調(diào)整法和固定位置映射法。 正碼速調(diào)整法正碼速調(diào)整法的優(yōu)點(diǎn)是容許被復(fù)接的支路信號有較大的頻率 誤差；缺點(diǎn)是復(fù)接與分接相當(dāng)困難。 固定位置映射法是

10、讓低速支路信號在高速信號幀中占用固定的 位置。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是復(fù)接和分接容易實(shí)現(xiàn)，但由于低速信 號可能是屬于PDH的或由于SDH網(wǎng)絡(luò)的故障，低速信號與高速 信號的相對相位不可能對準(zhǔn)，并會隨時(shí)間而變化。 SDH采用載荷指針技術(shù)，結(jié)合了上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，付 出的代價(jià)是要對指針進(jìn)行處理。 超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，為 實(shí)現(xiàn)指針技術(shù)創(chuàng)造了條件。 ITU-T規(guī)定了SDH的一般復(fù)用映射結(jié)構(gòu)。所謂映射結(jié)構(gòu)， 是指把支路信號適配裝入虛容器的過程，其實(shí)質(zhì)是使支路信 號與傳送的載荷同步。 載荷包絡(luò)與SDH幀的一般關(guān)系 SDH 幀1 (125 s) SDH 幀2 (125 s) 261字節(jié) 9字節(jié)開銷 9行 載荷包

11、絡(luò) AU PTR 這種結(jié)構(gòu)可以把目前PDH的絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)速率信號裝入 SDH幀。圖示出SDH一般復(fù)用映射結(jié)構(gòu)，圖中Cn是標(biāo)準(zhǔn)容器， 用來裝載現(xiàn)有PDH的各支路信號， 即C11, C12, C2, C3和C4分別 裝載1.5 Mb/s, 2Mb/s, 6Mb/s, 34Mb/s, 45Mb/s和140Mb/s的支 路信號，并完成速率適配處理的功能。 在標(biāo)準(zhǔn)容器的基礎(chǔ)上， 加入少量通道開銷(POH)字節(jié)，即組成相應(yīng)的虛容器VC。VC 的包絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)同步，但其內(nèi)部則可裝載各種不同容量和不同 格式的支路信號。所以引入虛容器的概念，使得不必了解支 路信號的內(nèi)容，便可以對裝載不同支路信號的VC進(jìn)行同步復(fù) 用

12、、交叉連接和交換處理，實(shí)現(xiàn)大容量傳輸。 SDH的一般復(fù)用映射結(jié)構(gòu) STM -NAUGAU -4VC -4 TU -2VC -2C -2 TU -12VC -12C -12 TU -11VC -11C -11 TUG -2 1 3 4 C -3 VC -3TU -3 VC -3 TUG -3 1 7 7 3 C -4 139264 kb/s 44736 kb/s 34368 kb/s 6312 kb/s 2048 kb/s 1544 kb/s AU -3 N 1 3 指 針 處 理 復(fù) 用 定 位 校 準(zhǔn) 映 射 由于在傳輸過程中，不能絕對保證所有虛容器的起始相 位始終都能同步，所以要在VC 的

13、前面加上管理單元指針(AU PTR)， 以進(jìn)行定位校準(zhǔn)。加入指針后組成的信息單元結(jié)構(gòu)分 為管理單元(AU)和支路單元(TU)。AU由高階VC(如VC4)加 AU指針組成， TU由低階VC加TU指針組成。TU經(jīng)均勻字節(jié) 間插后， 組成支路單元組(TUG)，然后組成AU3或AU4。3個(gè) AU3或1個(gè)AU4組成管理單元組(AUG)，加上段開銷SOH，便 組成STM1 同步傳輸信號；N個(gè)STM1 信號按字節(jié)同步復(fù)接， 便組成STMN。 最簡單的例子是，由PDH的4次群信號到SDH的STM1 的復(fù) 接過程。把139.264 Mb/s的信號裝入容器C4，經(jīng)速率適配處理 后，輸出信號速率為149.760 M

14、b/s; 在虛容器VC4 內(nèi)加上通道開 銷POH(每幀9 Byte, 相應(yīng)于0.576 Mb/s)后，輸出信號速率為 150.336 Mb/s；在管理單元AU4 內(nèi)，加上管理單元指針AU PTR(每幀9 Byte, 相應(yīng)于0.576 Mb/s)，輸出信號速率為150.912 Mb/s; 由 1個(gè)AUG加上段開銷SOH(每幀72Byte, 相應(yīng)于4.608 Mb/s), 輸出信號速率為155.520 Mb/s, 即為STM1。 l 數(shù)字交叉連接設(shè)備數(shù)字交叉連接設(shè)備 數(shù)字交叉連接設(shè)備(DXC)相當(dāng)于一種自動的數(shù)字電路配 線架。下圖表示的是SDH的DXC(也適合于PDH)，其核心部 分是可控的交叉連

15、接開關(guān)(空分或時(shí)分)矩陣。參與交叉連接 的基本電路速率可以等于或低于端口速率， 通常用DXCX/Y來表示一個(gè)DXC的配置類型，其中第一 個(gè)數(shù)字X表示輸入端口速率的最高等級，第二個(gè)數(shù)字Y表示參 與交叉連接的最低速率等級。 數(shù)字0表示64 kb/s電路速率；數(shù)字1、2、3、4分別表示 PDH的1至 4 次群的速率， 其中 4 也代表SDH 的STM1等級； 數(shù)字 5 和 6 分別代表SDH的STM4 和STM16等級。 數(shù)字交叉連接設(shè)備(DXC) 交叉連接設(shè)備與交換機(jī)的區(qū)別有交叉連接設(shè)備與交換機(jī)的區(qū)別有 ( DXC 的輸入輸出不是單個(gè)用戶話路， 而是由許多話路組 成的群路； 兩者都能提供動態(tài)的通道

16、連接，但連接變動的時(shí)間尺度是不 同的。 前者按大量用戶的集合業(yè)務(wù)量的變化及網(wǎng)絡(luò)的故障狀況來 改變連接，由網(wǎng)管系統(tǒng)配置； 后者按照用戶的呼叫請求來建立或改變連接，由信令系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)呼叫連接控制。 實(shí)現(xiàn)自動化的網(wǎng)絡(luò)配置管理實(shí)現(xiàn)自動化的網(wǎng)絡(luò)配置管理 分離本地交換業(yè)務(wù)和非本地交換業(yè)務(wù)， 為非本地交換業(yè)務(wù)迅 速提供可用路由； 為臨時(shí)性重要事件(如運(yùn)動會、發(fā)生地震等)迅速提供通信電 路； 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障(如某些干線中斷)時(shí)，能迅速提供網(wǎng)絡(luò)的重 新配置；根據(jù)業(yè)務(wù)流量的季節(jié)變化使網(wǎng)絡(luò)配置最佳化； 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中混合使用PDH和SDH時(shí)，可作為PDH與SDH的網(wǎng)關(guān)。 lDXC在干線傳輸網(wǎng)中的主要用途 l SDH的應(yīng)用的

17、應(yīng)用 SDH可用于點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、 鏈形網(wǎng)和環(huán)形網(wǎng)。 SDH環(huán)形網(wǎng)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是具有“自愈”能力。 當(dāng)某節(jié) 點(diǎn)發(fā)生故障或光纜中斷時(shí)，仍能維持一定的通信能力。 SDH通過ADM和DXC等網(wǎng)絡(luò)單元可以構(gòu)成更為復(fù)雜的網(wǎng)形 網(wǎng)。 SDH用于點(diǎn)對點(diǎn)傳輸 SDH TM SDH TM 支路 信號 支路 信號 再生中繼器 STM-N SDH鏈形網(wǎng) SDH TM SDH TM 支路 信號 支路 信號 SDH ADM STM- NSTM- N STM- nSTM- n (n N) SDH環(huán)形網(wǎng)(雙環(huán)) SDH ADM SDH ADM SDH ADM SDH ADM 支路 信號 支路信號 支路信號 支路 信號 u 參

18、考模型參考模型 為進(jìn)行系統(tǒng)性能研究，ITUT建議中提出了一個(gè)數(shù)字傳輸 參考模型，稱為假設(shè)參考連接(HRX)。 最長的HRX是根據(jù)綜 合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)的性能要求和64 kb/s信號的全數(shù)字連接 來考慮的。 最長的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字HRX為27 500 km, 它由各級交換中心和許 多假設(shè)參考數(shù)字鏈路(HRDL)組成。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字HRX 的總性能指 標(biāo)按比例分配給HRDL，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)大大簡化。 l 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字假設(shè)參考連接標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字假設(shè)參考連接HRX LEPCSCTCISCISCISCISCISCTCSCPCLE 本 地 國 內(nèi) 國 際本 地 國 內(nèi) 27500 km T 參考點(diǎn)T 參考點(diǎn) LE 本 地 交

19、換 PC 一 級 中 心 SC 二 級 中 心 TC 三 級 中 心 ISC 國 際 交 換 中 心 數(shù) 字 鏈 路 數(shù) 字 交 換 建議的HRDL長度為2500 km, 但由于各國國土面積不同， 采用的HRDL長度也不同。 我國采用5000 km 美國和加拿大采用6400 km 日本采用2500 km。 l參考數(shù)字鏈路(HRDL) HRDL由許多假設(shè)參考數(shù)字段(HRDS)組成，在建 議中用于長途傳輸?shù)腍RDS長度為280 km, 用于市話 中繼的HRDS長度為50 km。 我國用于長途傳輸?shù)腍RDS長度為420 km和280 km 兩種。假設(shè)參考數(shù)字段的性能指標(biāo)從假設(shè)參考數(shù)字鏈 路的指標(biāo)分配

20、中得到，并再度分配給線路和設(shè)備。 假設(shè)參考數(shù)字段HRDS X b/s 終端設(shè)備終端設(shè)備 X b/s Y km *“Y” 的合適值取決于網(wǎng)的應(yīng)用。目前 50 km和280 km被認(rèn)定是必需的。 u 系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) l 誤碼率誤碼率(BER) 誤碼率是衡量數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量優(yōu)劣的 非常重要的指標(biāo)，它反映了在數(shù)字傳輸過程中信息受 到損害的程度。 BER是在一個(gè)較長時(shí)間內(nèi)的傳輸碼 流中出現(xiàn)誤碼的概率。 由于誤碼率隨時(shí)間變化，用長時(shí)間內(nèi)的平均誤碼 率來衡量系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，顯然不夠準(zhǔn)確。在實(shí)際監(jiān) 測和評定中， 應(yīng)采用誤碼時(shí)間百分?jǐn)?shù)和誤碼秒百分 數(shù)的方法。 誤碼率隨時(shí)間的變化誤碼

21、率隨時(shí)間的變化 對于目前的電話業(yè)務(wù)，傳輸一路PCM電話的速率為 64 kb/s。研究分析表明，合適的誤碼率參數(shù)和假設(shè)參考連接HRX 的誤碼率指標(biāo) 圖示出最長HRX的電路質(zhì)量等級劃分，圖中高級和中級之 間沒有明顯的界限。我國長途一級干線和長途二級干線都應(yīng)視 為高級電路，長途二級以下和本地級合并考慮。表 5.4 示出 HRX誤碼率總指標(biāo)按等級的分配。 表示出了誤碼率三項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測時(shí)間為1個(gè)月， 在工程驗(yàn)收 時(shí)執(zhí)行存在一定困難，通常采用長期平均誤碼率來衡量，監(jiān)測 時(shí)間為24 h。 假設(shè)誤碼為泊松分布，誤碼率三項(xiàng)指標(biāo)都可以換 算為長期平均誤碼率。根據(jù)原CCITT的建議，對于25 000 km 高級電路長

22、期平均誤碼率BERav至少為110-7，按長度比例進(jìn) 行線性折算，得到每公里BERav=410-12/km。所以280 km和 420 km數(shù)字段的BERav分別為1.1210-9和1.6810-9，因此取 110-9作為標(biāo)準(zhǔn)。 最長HRX的電路質(zhì)量等級劃分 本 地 交 換 本 地 交 換 中級 本地級 中級 本地級 1250 km25000 km1250 km 27500 km T參考點(diǎn)T參考點(diǎn) 高級 我國長途光纜通信系統(tǒng)進(jìn)網(wǎng)要求中規(guī)定：長度短 于420 km時(shí)，按 110-9計(jì)算；長度長于420 km時(shí)， 先按長度比例進(jìn)行折算，再按長度累計(jì)附加進(jìn)去。 設(shè)計(jì)值應(yīng)比實(shí)際要求高 1 個(gè)數(shù)量級，即

23、短于420 km 數(shù)字段按BERav=110 -10設(shè)計(jì)，50 km中繼段按 BERav=110-11設(shè)計(jì)。 抖動是數(shù)字信號傳輸過程中產(chǎn)生的一種瞬時(shí) 不穩(wěn)定現(xiàn)象。 抖動的定義是：數(shù)字信號在各有效抖動的定義是：數(shù)字信號在各有效 瞬時(shí)對標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間位置的偏差瞬時(shí)對標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間位置的偏差。 偏差時(shí)間范圍稱為抖動幅度抖動幅度(JPP)， 偏差時(shí)間間隔對時(shí)間的變化率稱為抖動頻率抖動頻率(F)。 這種偏差包括輸入脈沖信號在某一平均位置左 右變化，和提取時(shí)鐘信號在中心位置左右變化， 見下圖所示。 抖動示意圖抖動示意圖 輸入信號 提取時(shí)鐘 抖動現(xiàn)象相當(dāng)于對數(shù)字信號進(jìn)行相位調(diào)制，表現(xiàn)為在穩(wěn) 定的脈沖圖樣中，前沿和后沿出

24、現(xiàn)某些低頻干擾，其頻率一 般為02 kHz。抖動單位為UI，表示單位時(shí)隙。當(dāng)脈沖信號 為二電平NRZ時(shí)，1UI等于1bit信息所占時(shí)間， 數(shù)值上等于 傳輸速率fb的倒數(shù)。 抖動嚴(yán)重時(shí)，使得信號失真、 誤碼率增大。完全消除 抖動是困難的。 光纖通信系統(tǒng)各次群輸 入口對抖動容限的要求 全程各次群輸出口對抖動容限的要求 Jp p/UI A0 A1 A2 0F0F1F2F3F4 20dB/10倍 頻 程 下 降 f u 可靠性可靠性 衡量通信系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣除上述性能指標(biāo)外，可 靠性也是一個(gè)重要指標(biāo)，它直接影響通信系統(tǒng)的使用、 維護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益。對光纖通信系統(tǒng)而言， 可靠性包括 光端機(jī)、中繼器、 光纜線路

25、、輔助設(shè)備和備用系統(tǒng)的 可靠性。 確定可靠性一般采用故障統(tǒng)計(jì)分析法，即根據(jù)現(xiàn) 場實(shí)際調(diào)查結(jié)果，統(tǒng)計(jì)足夠長時(shí)間內(nèi)的故障次數(shù)，確 定每兩次故障的時(shí)間間隔和每次故障的修復(fù)時(shí)間。 可靠性可靠性R和故障率和故障率 R=exp(- t) 故障率是系統(tǒng)工作到時(shí)間t，在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障(功 能失效)的概率。的單位為10-9/h, 稱為菲特(fit), 1 fit等于在109 h內(nèi)發(fā)生一次故障的概率。 如果通信系統(tǒng)由n個(gè)部件組成，且故障率是統(tǒng)計(jì)無關(guān)的， 則系統(tǒng)的可靠性Rs可表示為 Rs=R1R2Rn=exp(-s t) l 可靠性表示方法可靠性表示方法 n i ist 1 故障率和平均故障間隔時(shí)間MTBF M

26、TBF n 1 可用率A和失效率PF。可用率A是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)處 于良好工作狀態(tài)的概率， %100%100 MTTRMTBF MTBF A 總工作時(shí)間 可用時(shí)間 失效率PF可以表示為 %100%100 MTTRMTBF MTTR P F 總工作時(shí)間 不可用時(shí)間 PF=(1-A)100% 在有備用系統(tǒng)的情況下， 失效率為 PF= 式中m和n分別為主用系統(tǒng)數(shù)和備用系統(tǒng)數(shù)，P=MTTR/MTBF。 ) 1( )!1 ( ! )!( np nm nm 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，具有主備用系統(tǒng)自動倒換功能的數(shù) 字光纜通信系統(tǒng)， 容許5000 km雙向全程每年4次全阻故障 對應(yīng)于420 km和數(shù)字段雙向全程

27、分別約為每3年1次 280 km每5年1次全阻故障 市內(nèi)數(shù)字光纜通信系統(tǒng)的假設(shè)參考數(shù)字鏈路長為100 km, 容許 雙向全程每年4次全阻故障 對應(yīng)于50 km數(shù)字段雙向全程每半年1次全阻故障 LD光源壽命大于10104 h PINFET壽命大于50104 h, APD壽命大于50104 h l可靠性指標(biāo)可靠性指標(biāo) 修復(fù)時(shí)間MTTR=6 h 對數(shù)字光纖通信系統(tǒng)而言，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是， 根 據(jù)用戶對傳輸距離和傳輸容量(話路數(shù)或比特率)及其分布的要 求，按照國家相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)前設(shè)備的技術(shù)水平，經(jīng)過綜 合考慮和反復(fù)計(jì)算，選擇最佳路由和局站設(shè)置、 傳輸體制和 傳輸速率以及光纖光纜和光端機(jī)的基本參

28、數(shù)和性能指標(biāo)，以使 系統(tǒng)的實(shí)施達(dá)到最佳的性能價(jià)格比。 在技術(shù)上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要問題是確定中繼距離，尤其對 長途光纖通信系統(tǒng)，中繼距離設(shè)計(jì)是否合理，對系統(tǒng)的性能和 經(jīng)濟(jì)效益影響很大。 u 中繼距離的設(shè)計(jì)有三種方法中繼距離的設(shè)計(jì)有三種方法 最壞情況法(參數(shù)完全已知) 統(tǒng)計(jì)法(所有參數(shù)都是統(tǒng)計(jì)定義) 半統(tǒng)計(jì)法(只有某些參數(shù)是統(tǒng)計(jì)定義)。 這里我們采用最壞情況設(shè)計(jì)法， 用這種方法得到的結(jié)果， 設(shè)計(jì)的可靠性為100%，但要犧牲可能達(dá)到的最大長度。 中繼距離受光纖線路損耗和色散(帶寬)的限制，明顯隨傳 輸速率的增加而減小。中繼距離和傳輸速率反映著光纖通信系 統(tǒng)的技術(shù)水平。 u 中繼距離受損耗的限制中繼距離

29、受損耗的限制 下圖示出了無中繼器和中間有一個(gè)中繼器的數(shù)字光纖線路 系統(tǒng)的示意圖，圖中符號： T, T: 光端機(jī)和數(shù)字復(fù)接分接設(shè)備的接口； Tx: 光發(fā)射機(jī)或中繼器發(fā)射端； Rx: 光接收機(jī)或中繼器接收端； C1, C2: 光纖連接器； S: 靠近Tx的連接器C1的接收端； R: 靠近Rx的連接器C2的發(fā)射端； SR: 光纖線路，包括接頭。 l數(shù)字光纖線路系統(tǒng) 無中繼器 一個(gè)中繼器 T x R x C 1 S R (a) TT T x R x C 1 S R (b) TT RC 2 中繼器 C 1 S C 2 C 2 如果系統(tǒng)傳輸速率較低，光纖損耗系數(shù)較大，中繼距離 主要受光纖線路損耗的限制。在

30、這種情況下，要求S和R兩點(diǎn) 之間光纖線路總損耗必須不超過系統(tǒng)的總功率衰減，即 L(f+s+m)Pt-Pr-2c-Me 或 L msf ccrt aaa Mapp 2 式中，Pt 為平均發(fā)射光功率(dBm)，Pr為接收靈敏度(dBm)， c 為連接器損耗(dB/對)， Mc 為系統(tǒng)余量(dB)，f為光纖損耗 系數(shù)(dB/km), s為每km光纖平均接頭損耗(dB/km), m為每km 光纖線路損耗余量(dB/km), L 為中繼距離(km) 。 對單模光纖通信系統(tǒng)，LD的平均發(fā)射光功率一般 為-3-9dBm, LED平均發(fā)射光功率一般為-20-25 dBm。光接收機(jī)靈敏度Pr取決于光檢測器和前置

31、放大 器的類型， 并受誤碼率的限制，隨傳輸速率而變化。 連接器損耗一般為0.31dB/對。設(shè)備余量Me包括 由于時(shí)間和環(huán)境的變化而引起的發(fā)射光功率和接收靈 敏度下降， 以及設(shè)備內(nèi)光纖連接器性能劣化，Me一般 不小于3 dB。 光纖損耗系數(shù)f取決于光纖類型和工作波長，例如單模光 纖在1310 nm, f為0.40.45 dB/km; 在1550 nm, f為0.220.25 dB/km。光纖損耗余量m一般為0.10.2 dB/km, 但一個(gè)中繼段 總余量不超過5 dB。 平均接頭損耗可取0.05 dB/個(gè)，每千米光 纖平均接頭損耗s可根據(jù)光纜生產(chǎn)長度計(jì)算得到。 根據(jù)ITU-T(原CCITT)G.

32、955建議，用LD作光源的常規(guī)單 模光纖(G.652)系統(tǒng)，在S和R之間數(shù)字光纖線路的容限 如下表 所示。 u 中繼距離受色散中繼距離受色散(帶寬帶寬)的限制的限制 如果系統(tǒng)的傳輸速率較高，光纖線路色散較大， 中繼距 離主要受色散(帶寬)的限制。為使光接收機(jī)靈敏度不受損傷， 保證系統(tǒng)正常工作，必須對光纖線路總色散(總帶寬)進(jìn)行規(guī)范。 對于數(shù)字光纖線路系統(tǒng)而言，色散增大，意味著數(shù)字脈沖 展寬增加，因而在接收端要發(fā)生碼間干擾，使接收靈敏度降低， 或誤碼率增大。嚴(yán)重時(shí)甚至無法通過均衡來補(bǔ)償，使系統(tǒng)失去 設(shè)計(jì)的性能。 設(shè)傳輸速率為fb=1/T，發(fā)射脈沖為半占空歸零(RZ)碼， 輸出脈沖為高斯波形，高斯

33、波形可以表示為 式中為均方根(rms)脈沖寬度。把/T=a定義為相對rms脈沖 寬度，碼間干擾的定義如圖所示。 ) 2 (expg(t) 2 2 t ) )/1ln(2 1 ( T a 高斯波形的碼間干擾 美國Bell實(shí)驗(yàn)室S.D.Personick的早期研究中，曾建議采用 下列標(biāo)準(zhǔn)來考查光纖線路色散對系統(tǒng)傳輸性能的限制。 當(dāng)a=0.25時(shí)，碼間干擾只有峰值的0.034%， 完全可 以忽略不計(jì)。當(dāng)a=0.5時(shí)，增加到13.5%，此時(shí)功率代價(jià)為7 8dB，難以通過均衡進(jìn)行補(bǔ)償。一般系統(tǒng)設(shè)計(jì)選取a=0.25 0.35，功率代價(jià)不超過2 dB。 為確定中繼距離和光纖線路色散(帶寬)的關(guān)系， 把輸出脈

34、 沖用半高全寬度(FWHM)表示，即 22 )() 2 ( f 式中, =/0.4247, =aT, a為相對rms脈沖寬度，T=1/fb，f 為光纖線路(FWHM)脈沖展寬，取決于所用光纖類型和色散特 性。 對于多模光纖系統(tǒng)，色散特性通常用3dB帶寬表示,因此， f=0.44/B, B為長度等于L的光纖線路總帶寬，它與單位長度 光纖帶寬的關(guān)系為B=B1/L。 B=(0.830.56)fb 中繼距離L與1km光纖帶寬B1的關(guān)系為B1=BL, 所以 L=（1.211.78）1/fb1/ 或?qū)懗?Lfb=(1.211.78)B1 B1與L的關(guān)系示于下圖, 圖中取/T=0.3， =0.75。由此可見

35、， 中繼距離L與傳輸速率fb的乘積取決于1km光纖的帶寬，這個(gè) 乘積反映了光纖通信系統(tǒng)的技術(shù)水平。 1km光纖帶寬B1與中繼距離L的關(guān)系 對于單模光纖系統(tǒng)，得到中繼距離 0 6 10226. 0 L cfb 在這個(gè)基礎(chǔ)上，根據(jù)原ITU-T建議，對于實(shí)際的單模光纖 通信系統(tǒng)，受色散限制的中繼距離L可以表示為 0 6 10 cf L b 0 6 10 cf L b 是與功率代價(jià)和光源特性有關(guān)的參數(shù)，對于MLMLD, =0.115, 對于SLMLD，=0.306。 u 中繼距離和傳輸速率中繼距離和傳輸速率 光纖通信系統(tǒng)的中繼距離受損耗和色散限制確定。從損耗 限制和色散限制兩個(gè)計(jì)算結(jié)果中， 選取較短的

36、距離，作為中繼 距離計(jì)算的最終結(jié)果。 以140 Mb/s單模光纖通信系統(tǒng)為例計(jì)算中繼距離。設(shè)系統(tǒng) 平均發(fā)射功率Pt=-3 dBm, 接收靈敏度Pr=-42 dBm，設(shè)備余量 Me=3dB，連接器損耗c=0.3dB/對，光纖損耗系數(shù)f=0.35 dB/km, 光纖余量m=0.1 dB/km，每km光纖平均接頭損耗 s=0.03 dB/km，得到中繼距離 )(74 1 . 003. 035. 0 3 . 023)42(3 kmL 又設(shè)線路碼型為5B6B, 線路碼速率b=140(6/5)=168 Mb/s, |C0|=3.0 ps/(nmkm)，=2.5 nm，得到中繼距離 l )(97 1 . 20 . 3168 10115. 0 6 kmL 在工程設(shè)計(jì)