光通信技術(shù)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)課件

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

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5.1兩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，先后有兩種傳輸體制：

?準(zhǔn)同步數(shù)字系列(PDH)

?同步數(shù)字系列(SDH)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。美國提出了同步光纖網(wǎng)(SONET)。

1988年，ITU-T(原CCITT)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，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。5.1.1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：

?以1.544Mb/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；

?以2.048Mb/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。

在這種形勢下，現(xiàn)有PDH的許多缺點(diǎn)也逐漸暴露出來，主要有：(1)北美、西歐和亞洲所采用的三種數(shù)字系列互不兼容。(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。(3)復(fù)接/分接設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上下話路價格昂貴。PDH主要適用于中、低速率點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸

5.1.2同步數(shù)字系列SDH

1.SDH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。

與PDH相比，SDH具有下列特點(diǎn)：(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155.520Mb/s；4個STM-1同步復(fù)接組成STM-4，傳輸速率為622.080Mb/s；16個STM-1組成STM-16,傳輸速率為2488.320Mb/s，以此類推。(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，這有利于建立世界統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)。標(biāo)準(zhǔn)的光接口綜合進(jìn)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。(3)在SDH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，便于實現(xiàn)性能監(jiān)測、故障檢測和定位、故障報告等管理功能。圖5.4分插信號流程的比較光/電光信號分接分接分接140/34Mb/s34/8Mb/s8/2Mb/s復(fù)接復(fù)接復(fù)接電/光光信號2/8Mb/s8/34Mb/s34/140Mb/s2Mb/s(電信號)SDHADM155Mb/s光接口155Mb/s光接口2Mb/s(電信號)PDHPDH和SDH分插信號流程的比較采用SDH分插復(fù)用器(ADM)，可以利用軟件一次直接分出和插入2Mb/s支路信號，十分簡便。2.SDH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(yùn)行的關(guān)鍵。

圖5.5給出SDH幀一個STM-N幀有9行，每行由270×N個字節(jié)組成。這樣每幀共有9×270×N個字節(jié)，每字節(jié)為8bit。幀周期為125μs，即每秒傳輸8000幀。對于STM-1而言，傳輸速率為9×270×8×8000=155.520Mb/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。

圖5.5SDH幀的一般結(jié)構(gòu)(3)管理單元指針(AUPTR)。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)。采用指針技術(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。

3.復(fù)用原理

SDH采用載荷指針技術(shù)ITUT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5.7SDH的一般復(fù)用映射結(jié)構(gòu)舉例：由PDH的4次群信號到SDH的STM-1的復(fù)接過程把139.264Mb/s的信號裝入容器C-4，經(jīng)速率適配處理后，輸出信號速率為149.760Mb/s;在虛容器VC-4內(nèi)加上通道開銷POH(每幀9Byte,相應(yīng)于0.576Mb/s)后，輸出信號速率為150.336Mb/s；在管理單元AU-4內(nèi)，加上管理單元指針AUPTR(每幀9Byte,相應(yīng)于0.576Mb/s)，輸出信號速率為150.912Mb/s;由1個AUG加上段開銷SOH(每幀72Byte,相應(yīng)于4.608Mb/s),輸出信號速率為155.520Mb/s,即為STM-1。

4.SDH常用設(shè)備終端復(fù)用設(shè)備（TM）分插復(fù)用設(shè)備(ADM)數(shù)字交叉連接設(shè)備(DXC)?終端復(fù)用設(shè)備：完成SDH終端的復(fù)接/分接功能。MUXE1E1…STM-N同步復(fù)接DMXE1E1…STM-N同步分接圖5.2(a)終端復(fù)用器TM；

?

DXC類似于交換機(jī)，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。1:m1:m…m:1m:1復(fù)接交叉連接矩陣分接1n1n配置管理圖5.2(c)交叉連接設(shè)備DXC圖5.1示出SDH傳輸網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。SDH傳輸網(wǎng)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。圖5.1SDH傳輸網(wǎng)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)TMADMDXCADMTMTMTMADMSTM-nSTM-nDXCADMTMSTM-NSTM-NSTM-NSTM-NSTM-NSTM-NSTM-NSTM-nSTM-n低速信號低速信號……低速信號低速信號(n<N)

圖5.10SDH環(huán)形網(wǎng)(雙環(huán))SDHADMSDHADMSDHADMSDHADM…支路信號…支路信號…支路信號…支路信號SDH環(huán)形網(wǎng)的一個突出優(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，仍能維持一定的通信能力。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)。網(wǎng)形SDH網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)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)具有更好的抗毀性和更高的可靠性。5.3系統(tǒng)的設(shè)計1總體設(shè)計考慮

我們知道，數(shù)字光纖通信系統(tǒng)一般采用強(qiáng)度調(diào)制、直接檢波的方式，即IM-DD方式。任何復(fù)雜的通信系統(tǒng)，其基本單元都是點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸鏈路。它包括三大部分，即光發(fā)送機(jī)，光接收機(jī)和光纖線路。每一部分都涉及許多的光電器件，所以對鏈路的設(shè)計是一個復(fù)雜的工作，而每個元器件的選擇都要經(jīng)過若干次的反復(fù)。這里僅對原則性的問題作一下介紹。光纖：需要考慮選用單模還是多模光纖;需要考慮的設(shè)計參數(shù)有：纖芯尺寸、纖芯折射率分布、光纖的帶寬或色散特性、衰耗特性。光源：可以使用LED或LD，光源器件的參數(shù)有發(fā)射功率、發(fā)射波長、發(fā)射頻譜寬度、方向圖等。檢測器:可以使用PIN組件或APD組件，主要的器件參數(shù)有工作波長、響應(yīng)度、接收靈敏度、響應(yīng)時間等。1)采用的傳輸制式以前的數(shù)字傳輸鏈路使用的是PDH體制，現(xiàn)在SDH技術(shù)已經(jīng)成熟并已在線路上大量使用，鑒于SDH設(shè)備良好的性能和兼容性，長途干線傳輸或大城市的市話系統(tǒng)都應(yīng)該采用SDH。但為了節(jié)省成本，農(nóng)村線路也可以適當(dāng)采用PDH。2)工作波長的確定工作波長可根據(jù)通信距離和通信容量進(jìn)行選擇。如果是短距離小容量的系統(tǒng)，則可以選擇短波長范圍，即800～900nm。如果是長距離大容量的系統(tǒng)，則選用長波長的傳輸窗口，即1310nm和1550nm，因為這兩個波長區(qū)具有較低的損耗和色散。另外，還要注意所選用的波長區(qū)具有可供選擇的相對器件。3)光纖的選擇

光纖有多模光纖和單模光纖，每種都有階躍的和漸變折射率的纖芯分布。對于短距離傳輸和短波長應(yīng)用，可以用多模光纖。但長波長傳輸一般使用單模光纖。目前可選擇的單模光纖有G.652，G.653，G.654，G.655等。G.652對于1310nm波段是最佳選擇；G.653只適合于1550nm波段；對于WDM系統(tǒng)，G.655和大有效面積光纖是最適合的。

另外，光纖的選擇也與光源有關(guān)，LED與單模光纖的耦合率很低，所以LED一般用多模光纖，但近來1310nm的邊發(fā)光二極管與單模光纖的耦合取得了進(jìn)展。另外，對于傳輸距離為數(shù)百米的系統(tǒng)，可以用塑料光纖配以LED。

4)光源的選擇選擇LED還是LD，需要考慮一些系統(tǒng)參數(shù)，比如色散、碼速率、傳輸距離和成本等。LED輸出頻譜的譜寬比起LD來寬得多，這樣引起的色散較大，使得LED的傳輸容量（碼速距離積）較低，限制在2500（Mb/s）·km以下（1310nm）；而LD的譜線較窄，傳輸容量可達(dá)500（Gb/s）·km（1550nm）。

典型情況下，LD耦合進(jìn)光纖中的光功率比LED高出10～15dB，因此會有更大的無中繼傳輸距離。但是LD的價格比較昂貴，發(fā)送電路復(fù)雜，并且需要自動功率和溫度控制電路。而LED價格便宜，線性好，對溫度不敏感，線路簡單。設(shè)計電路時需要綜合考慮這些因素。5)光檢測器的選擇

選擇檢測器需要看系統(tǒng)在滿足特定誤碼率的情況下所需的最小接收光功率，即接收機(jī)的靈敏度，此外還要考慮檢測器的可靠性、成本和復(fù)雜程度。PIN比起APD來結(jié)構(gòu)簡單，溫度特性更加穩(wěn)定，成本低廉。正常情況下，PIN的偏置電壓低于5V。但是若要檢測極其微弱的信號，還需要靈敏度較高的APD或PIN-FET等。2設(shè)計方法

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(jī)的基本參數(shù)和性能指標(biāo)，以使系統(tǒng)的實施達(dá)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(jì)效益影響很大。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。1）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：

圖5.17數(shù)字光纖線路系統(tǒng)(a)無中繼器；(b)一個中繼器

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(diǎn)之間光纖線路總損耗必須不超過系統(tǒng)的總功率衰減，即式中，Pt為平均發(fā)射光功率(dBm)，Pr為接收靈敏度(dBm)，αc為連接器損耗(dB/對)，Me為系統(tǒng)余量(dB)，αf為光纖損耗系數(shù)(dB/km),αs為每km光纖平均接頭損耗(dB/km),αm為每km光纖線路損耗余量(dB/km),L為中繼距離(km)。或(5.8)2）中繼距離受色散(帶寬)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)重時甚至無法通過均衡來補(bǔ)償，使系統(tǒng)失去設(shè)計的性能。圖5.18高斯波形的碼間干擾

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：（5.16）式中,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/(nm·km))，它取決于工作波長附近的光纖色散特性。σλ為光源譜線寬度(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20dB的寬度。ε是與功率代價和光源特性有關(guān)的參數(shù)，對于MLMLD,ε=0.115,對于SLM-LD，ε=0.306。

5.3.3中繼距離和傳輸速率光纖通信系統(tǒng)的中繼距離受損耗限制時由式(5.8)確定；中繼距離受色散限制時由式(5.13)(多模光纖)和式(5.15)或式(5.16)(單模光纖)確定。從損耗限制和色散限制兩個計算結(jié)果中，選取較短的距離，作為中繼距離計算的最終結(jié)果。以140Mb/s單模光纖通信系統(tǒng)為例計算中繼距離設(shè)系統(tǒng)平均發(fā)射功率Pt=-3dBm,接收靈敏度Pr=-42dBm，設(shè)備余量Me=3dB，連接器損耗αc=0.3dB/對，光纖損耗系數(shù)αf=0.35dB/km,光纖余量αm=0.1dB/km，每km光纖平均接頭損耗αs=0.03dB/km。把這些數(shù)據(jù)代入式(5.8)，得到中繼距離又設(shè)線路碼型為5B6B,線路碼速率Ｆb=140×(6/5)=168Mb/s,|C0|=3.0ps/(nm·km)，σλ=2.5nm。把這些數(shù)據(jù)代入式(5.16)，得到中繼距離：在工程設(shè)計中，中繼距離應(yīng)取74km。在本例中中繼距離主要受損耗限制。但是，如果假設(shè)|C0|=3.5ps/(nm·km)，σλ=3nm，而