光纖通信第二版劉增基第5章

1、第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 5.1兩種傳輸體制5.2系統(tǒng)的性能指標(biāo)5.3系統(tǒng)的設(shè)計第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 5.1兩種傳輸體制兩種傳輸體制光纖大容量數(shù)字傳輸目前都采用同步時分復(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： 準(zhǔn)同步數(shù)字系列(PDH)和同步數(shù)字系列(SDH)。PDH早在1976年就實現(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，ITU-T(原CCITT)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

2、的問題，是一種比較完善的傳輸體制，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。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 5.1.1準(zhǔn)同步數(shù)字系列準(zhǔn)同步數(shù)字系列PDH準(zhǔn)同步數(shù)字系列有兩種基礎(chǔ)速率： 一種是以1.544 Mb/s為第一級(一次群，或稱基群)基礎(chǔ)速率的，采用的國家有北美各國和日本； 另一種是以2.048 Mb/s為第一級(一次群)基礎(chǔ)速率的，采用的國家有西歐各國和中國。表5.1是世界各國商用數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的PDH傳輸體制，表中示出兩種基礎(chǔ)速率各次群的速率、話路數(shù)及其關(guān)系。對于以2.048 Mb/s 為基礎(chǔ)速率的制式，各次群的話路數(shù)按4倍遞增，速率的關(guān)系略大于4倍，

3、這是因為復(fù)接時插入了一些相關(guān)的比特。對于以1.544 Mb/s為基礎(chǔ)速率的制式，在3次群以上，日本和北美各國又不相同，看起來很雜亂。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) PDH各次群比特率相對于其標(biāo)準(zhǔn)值有一個規(guī)定的容差，而且是異源的，通常采用正碼速調(diào)整方法實現(xiàn)準(zhǔn)同步復(fù)用。一次群至四次群接口比特率早在1976年就實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，并得到各國廣泛采用。PDH主要適用于中、低速率點對點的傳輸。隨著技術(shù)的進步和社會對信息的需求，數(shù)字系統(tǒng)傳輸容量不斷提高，網(wǎng)絡(luò)管理和控制的要求日益重要，寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)和計算機網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展，迫切需要建立在世界范圍內(nèi)統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)。在這種形勢下，現(xiàn)有PDH的許多缺

4、點也逐漸暴露出來，主要有： 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) (1) 北美、西歐和亞洲所采用的三種數(shù)字系列互不兼容，沒有世界統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)光接口，使得國際電信網(wǎng)的建立及網(wǎng)絡(luò)的營運、管理和維護變得十分復(fù)雜和困難。(2) 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)計缺乏靈活性，不能適應(yīng)電信網(wǎng)絡(luò)不斷擴大、技術(shù)不斷更新的要求。(3) 由于低速率信號插入到高速率信號，或從高速率信號分出，都必須逐級進行，不能直接分插，因而復(fù)接/分接設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上下話路價格昂貴。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 5.1.2同步數(shù)字系列同步數(shù)字系列SDH1. SDH傳輸網(wǎng)傳輸網(wǎng)SDH不僅適合于點對點傳輸，而且適合于多點之間的網(wǎng)

5、絡(luò)傳輸。圖5.1示出SDH傳輸網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)，它由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)單元以及連接它們的(光纖)物理鏈路構(gòu)成。SDH終端的主要功能是復(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STM-1信號及完成其逆過程，或者實現(xiàn)與非SDH網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的適配。ADM是一種特殊的復(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。DXC類似于交換機，它一般有多個輸入和多個輸出，通過適當(dāng)配置可提供不同的端到端連接。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)

6、圖 5.1SDH傳輸網(wǎng)的典型拓撲結(jié)構(gòu)第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 上述TM、ADM和DXC的功能框圖分別如圖5.2(a)、(b)、(c)所示。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5.3(a)所示，相應(yīng)的分層結(jié)構(gòu)如圖5.3(b)所示。每個通道(Path)由一個或多個復(fù)接段(Line)構(gòu)成，而每一復(fù)接段又由若干個再生段(Section)串接而成。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖5.2SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)單元終端復(fù)用器TM； (b) 分插復(fù)用設(shè)備ADM(add/drop Multiplexer);(a) (c) 數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC 第5章數(shù)字光纖

7、通信系統(tǒng) 圖 5.3傳輸通道的結(jié)構(gòu)(a) 傳輸通道連接模型； (b) 分層結(jié)構(gòu)第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 與PDH相比，SDH具有下列特點：(1) SDH采用世界上統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率等級。最低的等級也就是最基本的模塊稱為STM-1，傳輸速率為155.520 Mb/s； 4個STM-1同步復(fù)接組成STM-4，傳輸速率為4155.52 Mb/s=622.080 Mb/s； 16個STM-1組成STM-16, 傳輸速率為2488.320 Mb/s，以此類推。一般為STM-N，N=1，4，16，64。由于速率等級采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，SDH就具有統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點接口，并可以承載現(xiàn)有的PDH(如E1、E3)和各種新的

8、數(shù)字信號(如以太網(wǎng)幀、ATM信元、IP分組等)，有利于不同通信系統(tǒng)的互連。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) (2) SDH各網(wǎng)絡(luò)單元的光接口有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。因此，光接口成為開放型接口，任何網(wǎng)絡(luò)單元在光纖線路上可以互連，不同廠家的產(chǎn)品可以互通，這有利于建立世界統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)。另一方面，標(biāo)準(zhǔn)的光接口綜合進各種不同的網(wǎng)絡(luò)單元，簡化了硬件，降低了網(wǎng)絡(luò)成本。有關(guān)光接口標(biāo)準(zhǔn)請參看本書附錄A。(3) 在SDH幀結(jié)構(gòu)中，有豐富的開銷比特，可用于網(wǎng)絡(luò)的運行、維護和管理，便于實現(xiàn)性能監(jiān)測、故障檢測和定位、故障報告等管理功能。(在后續(xù)章節(jié)將進行介紹。) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) (4) 采用數(shù)字同步復(fù)用技術(shù)，其最小的復(fù)用單

9、位為字節(jié)(八比特組)，不必進行碼速調(diào)整，簡化了復(fù)接分接的實現(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，不必逐級進行。圖 5.4 示出PDH和SDH分插信號流程的比較。在PDH中，為了從140 Mb/s碼流中分出一個2 Mb/s的支路信號，必須經(jīng)過140/34 Mb/s, 34/8 Mb/s和8/2 Mb/s三次分接。而若采用SDH分插復(fù)用器(ADM)，可以利用軟件一次直接分出和插入 2 Mb/s支路信號，十分簡便。第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.4分插信號流程的比較第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) (5) 采用數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC可以對各種端口速率進行可控的連接配置，對網(wǎng)絡(luò)資源進行自動

10、化的調(diào)度和管理，既提高了資源利用率，又增強了網(wǎng)絡(luò)的抗毀性和可靠性。SDH采用了DXC后，大大提高了組網(wǎng)的靈活性及對各種業(yè)務(wù)量變化的適應(yīng)能力，使現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)提高到一個嶄新的水平。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 2. SDH幀結(jié)構(gòu)幀結(jié)構(gòu)SDH幀結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)數(shù)字同步時分復(fù)用、保證網(wǎng)絡(luò)可靠有效運行的關(guān)鍵。圖 5.5 給出SDH幀的一般結(jié)構(gòu)。一個STM-N幀有9行，每行由270N個字節(jié)組成。這樣每幀共有9270N個字節(jié)，每字節(jié)為8 bit。幀周期為125 s，即每秒傳輸8000幀。對于STM-1 而言，傳輸速率為927088000=155.520 Mb/s。字節(jié)發(fā)送順序為： 由上往下逐行發(fā)送，每行先左后右。 第

11、5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.5SDH幀的一般結(jié)構(gòu)第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) SDH幀大體可分為三個部分：(1) 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)相當(dāng)于64 kb/s的傳輸容量)，主要用于運行、維護和管理，如幀定位、誤碼檢測、公務(wù)通信、動保護倒換以及網(wǎng)管信息傳輸。對于STM1 而言，SOH共使用98(第4行除外)=72 Byte，相應(yīng)于576 bit。由于每秒傳輸8000幀，所以SOH的容量為5768000=4.608 Mb/s。根據(jù)圖5.3(a)的傳輸通道連接模型，段開銷又細分為再生段開銷(SOH)和復(fù)接段開銷(LOH)。前者占前3行，后者占59行

12、。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) (2) 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。對于STM-1而言，Payload有9261=2349 Byte, 相應(yīng)于234988000=150.336 Mb/s的容量。在Payload中包含少量字節(jié)用于通道的運行、維護和管理，這些字節(jié)稱為通道開銷(POH)。第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) (3) 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第一個字節(jié)在幀內(nèi)的準(zhǔn)確位置(相對于指針位置的偏移量)。對于STM-1而言，AU-PTR有9個字節(jié)(第4行)，相應(yīng)于988000=0.576 Mb/s。采用指

13、針技術(shù)是SDH的創(chuàng)新，結(jié)合虛容器(VC)的概念，解決了低速信號復(fù)接成高速信號時，由于小的頻率誤差所造成的載荷相對位置漂移的問題。第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 3. 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)整法和固定位置映射法。正碼速調(diào)整法的優(yōu)點是容許被復(fù)接的支路信號有較大的頻率誤差； 缺點是復(fù)接與分接相當(dāng)困難。固定位置映射法是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)點是復(fù)接和分接容易實現(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

14、，付出的代價是要對指針進行處理。超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，為實現(xiàn)指針技術(shù)創(chuàng)造了條件。第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.6 示出載荷包絡(luò)與STM-1幀的一般關(guān)系與指針?biāo)鸬淖饔?。通過指針的值，接收端就可以確定載荷的起始位置。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.6載荷包絡(luò)與SDH幀的一般關(guān)系第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 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，其實質(zhì)是使支路信號與傳送的載荷同步。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5.7示出SDH一般復(fù)用映射結(jié)構(gòu)，圖中C-n是標(biāo)準(zhǔn)容器，用來裝載現(xiàn)有PDH的各支路信號，即C-11、C-

15、12、C-2、C-3和C-4分別裝載1.5 Mb/s、2 Mb/s、6 Mb/s、34 Mb/s、45 Mb/s和140 Mb/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進行同步復(fù)用、交叉連接和交換處理，實現(xiàn)大容量傳輸。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.7SDH的一般復(fù)用映射結(jié)構(gòu)第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 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

16、在VC 的前面加上管理單元指針(AU-PTR)，以進行定位校準(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VC-4)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AU-3或AU-4。3個AU-3或1個AU-4組成管理單元組(AUG)，加上段開銷SOH，便組成STM-1同步傳輸信號；N個STM-1信號按字節(jié)同步復(fù)接，便組成STM-N。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 4. 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。圖5.2 表示的是SDH的DXC(也適合于P

17、DH)，其核心部分是可控的交叉連接開關(guān)(空分或時分)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，它取決于信道容量分配的基本單位。一般每個輸入信號被分接為m個并行支路信號，然后通過時分(或空分)交換網(wǎng)絡(luò)，按照預(yù)先存放的交叉連接圖或動態(tài)計算的交叉連接圖對這些電路進行重新編排，最后將重新編排后的信號復(fù)接成高速信號輸出。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 通常用DXC X/Y來表示一個DXC的配置類型，其中第一個數(shù)字X表示輸入端口速率的最高等級，第二個數(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SD

18、H 的STM-1 等級；數(shù)字 5 和 6 分別代表SDH的STM-4 和STM-16等級。例如，DXC 1/0 表示輸入端口的最高速率為一次群信號的速率(E1: 2.048 Mb/s), 而交叉連接的基本速率為64 kb/s; DXC 4/1 表示輸入端口的最高速率為155.52 Mb/s(對于SDH)或140 Mb/s(對于PDH)，而交叉連接的基本速率為2.048 Mb/s。目前應(yīng)用最廣泛的是DXC 1/0、DXC 4/1和DXC 4/4。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 交叉連接設(shè)備與交換機的區(qū)別有：(1) DXC 的輸入輸出不是單個用戶話路，而是由許多話路組成的群路；(2) 兩者都能提供動態(tài)的

19、通道連接，但連接變動的時間尺度是不同的。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)實現(xiàn)呼叫連接控制。第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) DXC在干線傳輸網(wǎng)中的主要用途是實現(xiàn)自動化的網(wǎng)絡(luò)配置。主要功能有： 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； 為臨時性重要事件(如運動會、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，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，可作為PDH與SDH的網(wǎng)關(guān)。5. SDH的應(yīng)用的應(yīng)用S

20、DH可用于點對點傳輸(圖5.8)、鏈形網(wǎng)(圖5.9)和環(huán)形網(wǎng)(圖5.10)。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.8SDH用于點對點傳輸?shù)?章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.9SDH鏈形網(wǎng)第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.10SDH環(huán)形網(wǎng)(雙環(huán))第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) SDH環(huán)形網(wǎng)的一個突出優(yōu)點是具有“自愈”能力。當(dāng)某節(jié)點發(fā)生故障或光纜中斷時，仍能維持一定的通信能力。所以，SDH環(huán)網(wǎng)目前得到廣泛的應(yīng)用。當(dāng)然，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)(如圖 5.1 所示)。這種SDH網(wǎng)絡(luò)的主要特點是端到端之間存在一條以上的路徑，可同時構(gòu)成一條以上的傳輸通道，通過DXC的靈活配置，使網(wǎng)絡(luò)具有

21、更好的抗毀性和更高的可靠性。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 5.2系統(tǒng)的性能指標(biāo)系統(tǒng)的性能指標(biāo)5.2.1參考模型參考模型為進行系統(tǒng)性能研究，ITU-T(原CCITT)建議中提出了一個數(shù)字傳輸參考模型，稱為假設(shè)參考連接(HRX)，見圖5.11。最長的HRX是根據(jù)數(shù)字網(wǎng)的性能要求和64 kb/s信號的全數(shù)字連接來考慮的。假設(shè)在兩個用戶之間的通信可能要經(jīng)過全部線路和各種串聯(lián)設(shè)備組成的數(shù)字網(wǎng)，而且任何參數(shù)的總性能逐級分配后應(yīng)符合用戶的要求。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 如圖 5.11 所示，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

22、能指標(biāo)按比例分配給HRDL，使系統(tǒng)設(shè)計大大簡化。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。例如我國采用5000 km，美國和加拿大采用6400 km，而日本采用2500 km。HRDL由許多假設(shè)參考數(shù)字段(HRDS)組成(見圖5-12所示)，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(一級干線)和280 km(二級干線)兩種。第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.11標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字假設(shè)參考連接HRX第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.12假設(shè)參考數(shù)字段HRDS第5章數(shù)字光

23、纖通信系統(tǒng) 5.2.2系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1. 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是在一個傳輸?shù)亩M制碼流中出現(xiàn)誤碼的概率(通過長時間平均求得)，它對話音影響的程度取決于編碼方法。對于PCM而言，誤碼率對話音的影響程度如表 5.2 所示。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 由于誤碼率隨時間變化，用長時間內(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。在實際監(jiān)測和評定中，應(yīng)采用誤碼時間百分?jǐn)?shù)和誤碼秒百分?jǐn)?shù)的方法。如圖 5.13 所示，規(guī)定一個較長的監(jiān)測時間TL，例如幾天

24、或一個月，并把這個時間分為“可用時間”和“不可用時間”。在連續(xù)10 s時間內(nèi)，BER劣于1103，為“不可用時間”，或稱系統(tǒng)處于故障狀態(tài)； 故障排除后，在連續(xù)10 s時間內(nèi)，BER優(yōu)于1103，為“可用時間”。對于64 kb/s的數(shù)字信號，BER=1103，相應(yīng)于每秒平均有64個比特發(fā)生錯誤。同時，規(guī)定一個較短的取樣時間T0和誤碼率門限值BERth，統(tǒng)計BER劣于BERth的時間，并用劣化時間占可用時間的百分?jǐn)?shù)來衡量系統(tǒng)誤碼性能的指標(biāo)。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.13誤碼率隨時間的變化第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 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

25、適的誤碼率參數(shù)和假設(shè)參考連接HRX的誤碼率指標(biāo)如表 5.3 所示。第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 劣化分(DM)誤碼率為1106時，感覺不到干擾的影響， 選為BERth。每次通話時間平均35 min, 選擇取樣時間T0為 1 min是合適的。監(jiān)測時間以較長為好，選擇TL為1個月。定義誤碼率劣于 1106的分鐘數(shù)為劣化分(DM)。HRX指標(biāo)要求劣化分占可用分(可用時間減去嚴(yán)重誤碼秒累積的分鐘數(shù))的百分?jǐn)?shù)小于10%。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 嚴(yán)重誤碼秒(SES)由于某些系統(tǒng)會出現(xiàn)短時間內(nèi)大誤碼率的情況，嚴(yán)重影響通話質(zhì)量，因此引入嚴(yán)重誤碼秒這個參數(shù)。選擇監(jiān)測時間TL為1個月，取樣時間

26、T0為 1 s。定義誤碼率劣于 1103的秒鐘數(shù)為嚴(yán)重誤碼秒(SES)。HRX指標(biāo)要求嚴(yán)重誤碼秒占可用秒的百分?jǐn)?shù)小于0.2%。誤碼秒(ES)選擇監(jiān)測時間TL為1個月，取樣時間T0為 1 s，誤碼率門限值BERth=0。定義凡是出現(xiàn)誤碼(即使只有1 bit)的秒數(shù)稱為誤碼秒(ES)。HRX指標(biāo)要求誤碼秒占可用秒的百分?jǐn)?shù)小于8%。相應(yīng)地，不出現(xiàn)任何誤碼的秒數(shù)稱為無誤碼秒(EFS)，指標(biāo)要求無誤碼秒占可用秒的百分?jǐn)?shù)大于92%。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 表5.3列出的是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字假設(shè)參考連接HRX(27 500 km)的誤碼率總指標(biāo)。為了設(shè)計需要，必須把總指標(biāo)按不同等級的電路質(zhì)量分配到各部分。圖5.14

27、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。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.14最長HRX的電路質(zhì)量等級劃分 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 表5.5的誤碼率三項指標(biāo)監(jiān)測時間為1個月，在工程驗收時執(zhí)行存在一定困難，通常采用長期平均誤碼率來衡量，監(jiān)測時間為24 h。假設(shè)誤碼為泊松分布，誤碼率三項指標(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高級電路長期平均誤碼率BERav至少為1107，按長度比例進

28、行線性折算，得到每公里BERav=41012/km。所以280 km和420 km數(shù)字段的BERav分別為1.12109和1.68109，因此取 1109作為標(biāo)準(zhǔn)。我國長途光纜通信系統(tǒng)進網(wǎng)要求中規(guī)定：長度短于420 km時，按 1109計算； 長度長于420 km時，先按長度比例進行折算，再按長度累計附加進去。設(shè)計值應(yīng)比實際要求高 1 個數(shù)量級，即短于420 km數(shù)字段按BERav=11010設(shè)計，50 km中繼段按BERav=11011設(shè)計。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 2. 抖動抖動抖動是數(shù)字信號傳輸過程中產(chǎn)生的一種瞬時不穩(wěn)定現(xiàn)象。抖動的定義是：數(shù)字信號在各有效瞬時對標(biāo)

29、準(zhǔn)時間位置的偏差。偏差時間范圍稱為抖動幅度(JP-P)，偏差時間間隔對時間的變化率稱為抖動頻率(F)。這種偏差包括輸入脈沖信號在某一平均位置左右變化，和提取時鐘信號在中心位置左右變化，見圖5.15所示。抖動現(xiàn)象相當(dāng)于對數(shù)字信號進行相位調(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，表示單位時隙。當(dāng)脈沖信號為二電平NRZ時，1 UI等于1 bit信息所占時間，數(shù)值上等于傳輸速率fb的倒數(shù)。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.15抖動示意圖第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 產(chǎn)生抖動的原因很多，主要與定時提取電路的質(zhì)量、輸入信號的狀態(tài)和輸入碼流中的連“0”碼

30、數(shù)目有關(guān)。抖動嚴(yán)重時，使得信號失真、誤碼率增大。完全消除抖動是困難的，因此在實際工程中，需要提出容許最大抖動的指標(biāo)。光纖通信系統(tǒng)各次群輸入口對抖動容限的要求如表 5.6所示，全程各次群輸出口對抖動容限的要求如表5.7所示，表中括號內(nèi)的數(shù)值是對數(shù)字段的要求。表 5.6 和表5.7各符號的意義如圖 5.16 所示。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.16表5.6和表5.7的圖解說明第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 5.2.3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，可靠性也是一個重要指標(biāo)，它直接影響通信系統(tǒng)的使用、維護和經(jīng)濟效益。對光纖通信系統(tǒng)而言，可

31、靠性包括光端機、中繼器、光纜線路、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)計分析法，即根據(jù)現(xiàn)場實際調(diào)查結(jié)果，統(tǒng)計足夠長時間內(nèi)的故障次數(shù)，確定每兩次故障的時間間隔和每次故障的修復(fù)時間。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 1. 可靠性表示方法可靠性表示方法(1) 可靠性R和故障率j。可靠性是指在規(guī)定的條件和時間內(nèi)系統(tǒng)無故障工作的概率，它反映系統(tǒng)完成規(guī)定功能的能力。可靠性R通常用故障率j表示，兩者的關(guān)系為R=exp(j t)(5.1)式中t代表工作時間，故障率j是系統(tǒng)在單位時間內(nèi)發(fā)生故障(功能失效)的概率。j的單位為109/ h, 稱為菲特(fit), 1 fit等于在109 h內(nèi)發(fā)生一次故障的概

32、率。第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 如果通信系統(tǒng)由n個部件組成，且故障率是統(tǒng)計無關(guān)的，則系統(tǒng)的可靠性Rs可表示為Rs=R1R2Rn=exp( j st) (5.2)式中, Ri和ji分別為系統(tǒng)第i個部件的可靠性和故障率。(2) 故障率j和平均故障間隔時間MTBF。兩者的關(guān)系為 niis1jjMTBF1j(5.3)第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) (3) 可用率A和失效率PF?？捎寐蔄是在規(guī)定時間內(nèi)，系統(tǒng)處于良好工作狀態(tài)的概率，它可以表示為式中MTTR為平均故障修復(fù)時間(不可用時間)。失效率PF可以表示為%100MTTRMTBFMTBF%100總工作時間可用時間A(5.4)%100MTTRMTBFMTTR%100

33、F總工作時間不可用時間P(5.5)第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 由式(5.4)和式(5.5)得到PF=(1A) (5.6) 在有備用系統(tǒng)的情況下，失效率為式中m和n分別為主用系統(tǒng)數(shù)和備用系統(tǒng)數(shù)，P=MTTR/MTBF。(5.7) 1()!1( !)!(FnPnmnmP第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 2. 可靠性指標(biāo)可靠性指標(biāo)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280 km數(shù)字段雙向全程分別約為每3年1次和每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)

34、于50 km數(shù)字段雙向全程每半年1次全阻故障。此外，要求LD光源壽命大于10104 h, PIN-FET壽命大于50104 h, APD壽命大于 50104 h。第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，以5000 km為基準(zhǔn)，按長度平均分配給各種數(shù)字段長度，相應(yīng)的全年指標(biāo)如表5.8所示，假設(shè)平均故障修復(fù)時間MTTR=6 h。某些國產(chǎn)設(shè)備的可靠性指標(biāo)列于表5.9。第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 5.3系系 統(tǒng)統(tǒng) 的的 設(shè)設(shè) 計計對數(shù)字光纖通信系統(tǒng)而言，系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(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

35、當(dāng)前設(shè)備的技術(shù)水平，經(jīng)過綜合考慮和反復(fù)計算，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的基本參數(shù)和性能指標(biāo)，以使系統(tǒng)的實施達到最佳的性能價格比。在技術(shù)上，系統(tǒng)設(shè)計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)計是否合理，對系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟效益影響很大。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 中繼距離的設(shè)計有三種方法： 最壞情況法(參數(shù)完全已知)、統(tǒng)計法(所有參數(shù)都是統(tǒng)計定義)和半統(tǒng)計法(只有某些參數(shù)是統(tǒng)計定義)。這里我們采用最壞情況設(shè)計法，用這種方法得到的結(jié)果，設(shè)計的可靠性為100%，但要犧牲可能達到的最大長度。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

36、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。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 5.3.1中繼距離受損耗的限制中繼距離受損耗的限制圖5.17示出了無中繼器和中間有一個中繼器的數(shù)字光纖線路系統(tǒng)的示意圖，圖中符號：T, T: 光端機和數(shù)字復(fù)接分接設(shè)備的接口；Tx: 光發(fā)射機或中繼器發(fā)射端；Rx: 光接收機或中繼器接收端；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；S-R: 光纖線路，包括接頭。PDH系統(tǒng)光纖線路設(shè)備的實例參看本書附錄B。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖5.17數(shù)字光纖線路系統(tǒng)(a) 無中繼器；(b) 一個中繼器第5章數(shù)字光纖通

37、信系統(tǒng) 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。在這種情況下，要求S和R兩點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(afasam)PtPr2acMe或式中，Pt為平均發(fā)射光功率(dBm)，Pr為接收靈敏度(dBm)，ac為連接器損耗(dB/對)，Me為系統(tǒng)余量(dB)， af為光纖損耗系數(shù)(dB/km), a s為每千米光纖平均接頭損耗(dB/km), a m為每千米光纖線路損耗余量(dB/km), L 為中繼距離(km)。msfert2aaaaMPPLc(5.8)第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 式(5.8)的計算是簡單的，式中參數(shù)的取值應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)水平

38、和系統(tǒng)設(shè)計需要來確定。平均發(fā)射光功率Pt取決于所用光源，對單模光纖通信系統(tǒng)，LD的平均發(fā)射光功率一般為39 dBm，LED平均發(fā)射光功率一般為2025 dBm。光接收機靈敏度Pr取決于光檢測器和前置放大器的類型，并受誤碼率的限制，隨傳輸速率而變化。表5.10示出長途光纖通信系統(tǒng)BERav11010時的接收靈敏度Pr。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 連接器損耗一般為0.31 dB/對。設(shè)備余量Me包括由于時間和環(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)af取決于光纖類型和工作波長，例如單模光纖在1310 nm

39、, af為0.40.45 dB/km; 在1550 nm, af為0.220.25 dB/km。光纖損耗余量am一般為0.10.2 dB/km, 但一個中繼段總余量不超過5 dB。平均接頭損耗可取0.05 dB/個，每千米光纖平均接頭損耗as可根據(jù)光纜生產(chǎn)長度計算得到。根據(jù)ITU-T(原CCITT)G.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表5.11 所示。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 5.3.2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。

40、為使光接收機靈敏度不受損傷，保證系統(tǒng)正常工作，必須對光纖線路總色散(總帶寬)進行規(guī)范。我們要討論的問題是，對于一個傳輸速率已知的數(shù)字光纖線路系統(tǒng)，允許的線路總色散是多少，并據(jù)此計算中繼距離。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)重時甚至無法通過均衡來補償，使系統(tǒng)失去設(shè)計的性能。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 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，如圖5.18 所示。高斯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5.18所

41、示。由式(5.9)和圖5.18得到由式(5.10)得到a和的數(shù)值關(guān)系，并列于表5.12。 )2(exp)(22ttg)/1ln(21aT(5.9)(5.10)第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.18高斯波形的碼間干擾第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 美國Bell實驗室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，碼間干擾只有峰值的0.034%，完全可以忽略不計。當(dāng)a=0.5時，增加到13.5%，此時功率代價為78 dB，難以通過均衡進行補償。一般系統(tǒng)設(shè)計選取a=0.250.35，功率代價不超過2 dB。為確定中繼距

42、離和光纖線路色散(帶寬)的關(guān)系，把輸出脈沖用半峰值全寬度(FWHM)表示，即 (5.11)4247. 0)(22f2T第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 式中, =aT, a為相對rms脈沖寬度; T=1/fb，fb為系統(tǒng)的比特傳輸速率; f為光纖線路引起的脈沖展寬(FWHM)，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 3 dB帶寬表示，如式(2.47b)所示。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。B1為1 km光纖的帶寬，通常由測試確定。=0.51, 稱為串接因子，取決于系統(tǒng)工作波長，光纖類型和線路長度。把這些關(guān)系代入式

43、(5.11)，并取a=0.250.35，得到光纖線路總帶寬B和速率fb的關(guān)系為第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) B=(0.830.56)fb (5.12)中繼距離L與1 km光纖帶寬B1的關(guān)系為B1=BL, 所以 L=(1.211.78)B1 / fb1/ (5.13)或?qū)懗蒐fb=(1.211.78)B1 (5.14)以fb為參數(shù)，B1與L的關(guān)系示于圖5.19, 圖中取/T=0.3，=0.75。由此可見，中繼距離L與傳輸速率fb的乘積取決于1 km光纖的帶寬(色散)，這個乘積反映了光纖通信系統(tǒng)的技術(shù)水平。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖5.191 km光纖帶寬B1與中繼距離L的關(guān)系第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)

44、對于單模光纖系統(tǒng)，f=2.355f , f為光纖線路rms脈沖展寬。由式(2.55b)取一級近似，得到f=| C0 |L, C0=C(0)為在光源中心波長0光纖的色散(ps/(nmkm)，為光源的光譜寬度(nm)，L為光纖線路長度(km)。把這些關(guān)系式代入式(5.11)，同樣可以得到一個簡明的公式。設(shè)取a=/T=0.25，得到中繼距離0b610226. 0CfL(5.15)第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 在這個基礎(chǔ)上，根據(jù)原CCITT建議，對于實際的單模光纖通信系統(tǒng)，受色散限制的中繼距離L可以表示為式中, Fb是線路碼速率(Mb/s)，與系統(tǒng)比特速率不同，它要隨線路碼型的不同而有所變化。C0是光纖的色散系數(shù)(ps/(nmkm)，它取決于工作波長附近的光纖色散特性。為光源譜寬(nm)，對多縱模激光器(MLM-LD)，為rms寬度，對單縱模激光器(SLM-LD), 為峰值下降20 dB的寬度。是與功率代價和光源特性有關(guān)的參數(shù)，對于MLM-LD, =0.115, 對于SLM-LD，=0.306。 (5.16)0b610CfL第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 由于光纖制造工藝的偏差，光纖的零色散波長不會全部等于標(biāo)