光纖通信技術(shù)

光纖通信技術(shù)第一頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.5數(shù)字光纖通信系統(tǒng)4.6同步數(shù)字系列(SDH)4.7光纖通信新技術(shù)第二頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五第4章光纖通信技術(shù)4.1光纖通信概述4.1.1光纖通信基本概念光纖通信是以光為載波，以光纖為傳輸介質(zhì)的通信方式。任何通信系統(tǒng)追求的最終技術(shù)目標(biāo)都是要可靠地實(shí)現(xiàn)最大可能的信息傳輸容量和傳輸距離。通信系統(tǒng)的傳輸容量取決于對(duì)載波調(diào)制的頻帶寬度，載波頻率越高，頻帶寬度越寬。光纖通信的載波是光波。第三頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

雖然光波和電波都是電磁波，但是頻率差別很大。目前，光纖通信用的近紅外光波長(zhǎng)范圍約0.8μm～1.8μm。頻率約300THz。光纖通信用的頻帶寬度約為200THz，在常用的1.31μm和1.55μm兩個(gè)波長(zhǎng)窗口頻帶寬度也在20THz以上。由于光源和光纖特性的限制，目前，光強(qiáng)度調(diào)制的帶寬一般只有20GHz，因此還有3個(gè)數(shù)量級(jí)以上的帶寬潛力可以挖掘。光纖是由絕緣的石英(SiO2)材料制成的，通過(guò)提高材料純度和改進(jìn)制造工藝，可以在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)獲得很小的損耗。

第四頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

在光纖通信系統(tǒng)中，作為載波的光波頻率比電波頻率高得多，而作為傳輸介質(zhì)的光纖又比同軸電纜或波導(dǎo)管的損耗低得多，因此，相對(duì)于電纜通信或微波通信，光纖通信具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

1.容許頻帶很寬，傳輸容量很大

目前，單波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率一般為2.5Gb/s和10Gb/s。采用外調(diào)制技術(shù)，傳輸速率可以達(dá)到40Gb/s。波分復(fù)用和光時(shí)分復(fù)用更是極大地增加了傳輸容量。DWDM最高水平為132個(gè)信道，傳輸容量為20Gb/s×132=2640Gb/s。第五頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.損耗小，中繼距離長(zhǎng)

石英光纖在1.31μm和1.55μm波長(zhǎng)，傳輸損耗分別為0.50dB/km和0.20dB/km，甚至更低。因此，中繼距離長(zhǎng)。目前，采用外調(diào)制技術(shù)，波長(zhǎng)為1.55μm的色散移位單模光纖通信系統(tǒng)，若其傳輸速率為2.5Gb/s，則中繼距離可達(dá)150km；若其傳輸速率為10Gb/s，則中繼距離可達(dá)100km。傳輸容量大、傳輸誤碼率低、中繼距離長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，使光纖通信系統(tǒng)不僅適合于長(zhǎng)途干線網(wǎng)而且適合于接入網(wǎng)的使用，這也是降低每公里話路的系統(tǒng)造價(jià)的主要原因。第六頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

3.重量輕、體積小光纖重量很輕，直徑很小。即使做成光纜，在芯數(shù)相同的條件下，其重量還是比電纜輕得多，體積也小得多。

4.抗電磁干擾性能好光纖由電絕緣的石英材料制成，光纖通信線路不受各種電磁場(chǎng)的干擾和閃電雷擊的損壞。無(wú)金屬光纜非常適合于存在強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾的高壓電力線周?chē)陀吞?、煤礦等易燃易爆環(huán)境中使用。光纖(復(fù)合)架空地線(OPGW)是光纖與電力輸送系統(tǒng)的地線組合而成的通信光纜，已在電力系統(tǒng)的通信中發(fā)揮重要作用。第七頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

5.泄漏小，保密性能好在光纖中傳輸?shù)墓庑孤┓浅Ｎ⑷?，即使在彎曲地段也無(wú)法竊聽(tīng)。沒(méi)有專(zhuān)用的特殊工具，光纖不能分接，因此信息在光纖中傳輸非常安全。6.節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用制造同軸電纜和波導(dǎo)管的銅、鋁、鉛等為金屬材料；而制造光纖的石英(SiO2)在地球上基本上是取之不盡的材料?？傊?，光纖通信不僅在技術(shù)上具有很大的優(yōu)越性，而且在經(jīng)濟(jì)上具有巨大的競(jìng)爭(zhēng)能力，因此其在信息社會(huì)中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。第八頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

4.1.2光纖通信系統(tǒng)的基本組成

光纖通信系統(tǒng)是以光為載波，以光纖為傳輸介質(zhì)的通信系統(tǒng)，可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)。用戶要傳輸?shù)男畔⒍喾N多樣，一般有話音、圖像、數(shù)據(jù)或多媒體信息。為敘述方便，這里僅以數(shù)字電話和模擬電視為例。圖4-1示出單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)，包括發(fā)射、接收和作為廣義信道的基本光纖傳輸系統(tǒng)。第九頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖4-1光纖通信系統(tǒng)的基本組成(單向傳輸)

第十頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

如圖4-1所示，信息源把用戶信息轉(zhuǎn)換為原始電信號(hào)，這種信號(hào)稱(chēng)為基帶信號(hào)。電發(fā)射機(jī)把基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合信道傳輸?shù)男盘?hào)，這個(gè)轉(zhuǎn)換如果需要調(diào)制，則其輸出信號(hào)稱(chēng)為已調(diào)信號(hào)。例如，對(duì)于數(shù)字電話傳輸，電話機(jī)把話音轉(zhuǎn)換為頻率范圍為0.3～3.4kHz的模擬基帶信號(hào)，電發(fā)射機(jī)把這種模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并把多路數(shù)字信號(hào)組合在一起。模/數(shù)轉(zhuǎn)換普遍采用脈沖編碼調(diào)制(PCM)方式實(shí)現(xiàn)。一路話音轉(zhuǎn)換成傳輸速率為64kb/s的數(shù)字信號(hào)，然后用數(shù)字復(fù)接器把30路PCM信號(hào)組合成2.048Mb/s的一次群甚至高次群的數(shù)字系列，最后把這種已調(diào)信號(hào)輸入光發(fā)射機(jī)。還可以采用頻分復(fù)用(FDM)技術(shù)，用來(lái)自第十一頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五不同信息源的模擬基帶信號(hào)(或數(shù)字基帶信號(hào))分別調(diào)制指定的不同頻率的射頻(RF)電波，然后把多個(gè)這種帶有信息的RF信號(hào)組合成多路寬帶信號(hào)，最后輸入光發(fā)射機(jī)，由光載波進(jìn)行傳輸。在這個(gè)過(guò)程中，受調(diào)制的RF電波稱(chēng)為副載波，這種采用頻分復(fù)用的多路信號(hào)傳輸技術(shù)，稱(chēng)為副載波復(fù)用(SCM)。不管是數(shù)字系統(tǒng)，還是模擬系統(tǒng)，輸入到光發(fā)射機(jī)帶有信息的電信號(hào)，都通過(guò)調(diào)制轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。光載波經(jīng)過(guò)光纖線路傳輸?shù)浇邮斩?，再由光接收機(jī)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。電接收機(jī)的功能和電發(fā)射機(jī)的功能相反，它把接收的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)，最后由信息宿恢復(fù)用戶信息。第十二頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

在整個(gè)通信系統(tǒng)中，在光發(fā)射機(jī)之前和光接收機(jī)之后的電信號(hào)段，光纖通信所用的技術(shù)和設(shè)備與電纜通信相同，不同的只是由光發(fā)射機(jī)、光纖線路和光接收機(jī)所組成的基本光纖傳輸系統(tǒng)代替了電纜傳輸。光纖可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)。光纖通信在通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)、綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，都得到了廣泛應(yīng)用。第十三頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.2.1光纖結(jié)構(gòu)和類(lèi)型1.光纖結(jié)構(gòu)光纖（OpticalFiber）是由中心的纖芯和外圍的包層同軸組成的圓柱形細(xì)絲。纖芯的折射率比包層稍高，損耗比包層更低，光能量主要在纖芯內(nèi)傳輸。包層為光的傳輸提供反射面和光隔離，并起一定的機(jī)械保護(hù)作用。光纖的外形如圖4-2所示。設(shè)纖芯和包層的折射率分別為n1和n2，光能量在光纖中傳輸?shù)谋匾獥l件是n1>n2。纖芯和包層的相對(duì)折射率差Δ=（n1-n2）/n1的典型值，一般單模光纖為0.3%～0.6%，多模光纖為1%～2%。4.2光纖和光纜第十四頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

圖4-2光纖的外形第十五頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

2.光纖類(lèi)型光纖種類(lèi)很多，這里只討論作為信息傳輸波導(dǎo)用的由高純度石英（SiO2）制成的光纖。實(shí)用光纖主要有三種基本類(lèi)型，圖4-3示出其橫截面的結(jié)構(gòu)和折射率分布、光線在纖芯傳播的路徑以及由于色散引起的輸出脈沖相對(duì)于輸入脈沖的畸變。這些光纖的主要特征如下。

突變型多模光纖（Step-IndexFiber,SIF）如圖4-3(a)，纖芯折射率為n1保持不變，到包層突然變?yōu)閚2。這種光纖一般纖芯直徑2a=50～80μm，光線以折線形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，特點(diǎn)是信號(hào)畸變大。第十六頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

漸變型多模光纖（Graded-IndexFiber,GIF）如圖4-3(b)，在纖芯中心折射率最大為n1，沿徑向r向外圍逐漸變小，直到包層變?yōu)閚2。這種光纖一般纖芯直徑2a為50μm，光線以正弦形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，特點(diǎn)是信號(hào)畸變小。

單模光纖（Single-ModeFiber,SMF）如圖4-3(c)，折射率分布和突變型光纖相似，纖芯直徑只有8～10μm，光線以直線形狀沿纖芯中心軸線方向傳播。因?yàn)檫@種光纖只能傳輸一個(gè)模式，所以稱(chēng)為單模光纖。第十七頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

那么我們?cè)鯓永斫夤饫w模式的概念呢？光也是電磁波，電磁波是由交變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)組成且滿足一定的數(shù)學(xué)關(guān)系。光在光纖中的傳播就是電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互交替地變換傳播，電場(chǎng)和磁場(chǎng)不同的分布形式（滿足特定的方程）就構(gòu)成不同的模式。所謂單模光纖就是指只傳輸HE11一種矢量模式。多模光纖則指能同時(shí)傳輸多種模式（例如HE11、TM01、TE01、HE12等矢量模式）的光纖。漸變型多模光纖和單模光纖，包層外徑2b都選用125μm。實(shí)際上，根據(jù)應(yīng)用的需要，可以設(shè)計(jì)折射率介于SIF和GIF之間第十八頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

的各種準(zhǔn)漸變型光纖。為調(diào)整工作波長(zhǎng)或改善色散特性，可以在圖4-3(c)常規(guī)單模光纖的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)許多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特種單模光纖。有在1.3～1.6μm之間色散變化很小的色散平坦光纖（DispersionFlattenedFiber,DFF）；有把零色散波長(zhǎng)移到1.55μm的色散移位光纖（DispersionShiftedFiber,DSF）；有偏振保持光纖等。第十九頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

圖4-3三種基本類(lèi)型的光纖(a)突變型多模光纖；(b)漸變型多模光纖；(c)單模光纖第二十頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

各種光纖，其用途也不同。突變型多模光纖信號(hào)畸變大，相應(yīng)的帶寬只有10～20MHz·km，用于小容量、短距離系統(tǒng)。漸變型多模光纖的帶寬可達(dá)1～2GHz·km，適用于中等容量、中等距離系統(tǒng)。大容量（565Mb/s～2.5Gb/s）長(zhǎng)距離(30km以上)系統(tǒng)要用單模光纖。色散平坦光纖適用于波分復(fù)用系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以把傳輸容量提高幾倍到幾十倍。外差接收方式的相干光系統(tǒng)要用偏振保持光纖，這種系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)是提高接收靈敏度，增加傳輸距離。第二十一頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.2.2光纖傳光原理要詳細(xì)描述光纖傳光原理，需要求解由麥克斯韋方程組導(dǎo)出的波動(dòng)方程。但在極限(波數(shù)k=2π/λ非常大，波長(zhǎng)λ→0)條件下，可以用幾何光學(xué)的射線方程作近似分析。幾何光學(xué)的方法比較直觀，容易理解，但并不十分嚴(yán)格。用幾何光學(xué)方法分析光纖傳輸原理，我們關(guān)注的問(wèn)題主要是光束在光纖中傳播的空間分布和時(shí)間分布，并由此得到數(shù)值孔徑和時(shí)間延遲的概念。1.突變型多模光纖設(shè)纖芯和包層折射率分別為n1和n2，空氣的折射率n0=1，纖芯中心軸線與z軸一致，如圖4-4所示。第二十二頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

圖4-4突變型多模光纖的光線傳播原理第二十三頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

光線在光纖端面以小角度θ從空氣入射到纖芯(n0<n1)，折射角為θ1，折射后的光線在纖芯直線傳播，并在纖芯與包層交界面以角度ψ1入射到包層(n1>n2)。改變角度θ，不同θ相應(yīng)的光線將在纖芯與包層交界面發(fā)生反射或折射。根據(jù)全反射原理，存在一個(gè)臨界角θc，當(dāng)θ<θc時(shí)，相應(yīng)的光線將在交界面發(fā)生全反射而返回纖芯，并以折線的形狀向前傳播，如光線1。根據(jù)斯奈爾(Snell)定律得到

n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1(4-1)第二十四頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

當(dāng)θ=θc時(shí)，相應(yīng)的光線將以ψc入射到交界面，并沿交界面向前傳播(折射角為90°)，如光線2，當(dāng)θ>θc時(shí)，相應(yīng)的光線將在交界面折射進(jìn)入包層并逐漸消失，如光線3。由此可見(jiàn)，只有在半錐角為θ≤θc的圓錐內(nèi)入射的光束才能在光纖中傳播。根據(jù)這個(gè)傳播條件，定義臨界角θc的正弦為數(shù)值孔徑(NumericalAperture,NA)。根據(jù)定義和斯奈爾定律（4-2）

N0=1，由式（4-2）經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算得到

（4-3）第二十五頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五式中：Δ=(n1-n2)/n1為纖芯與包層相對(duì)折射率差。設(shè)Δ=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21。NA表示光纖接收和傳輸光的能力，NA(或θc)越大，光纖接收光的能力越強(qiáng)，從光源到光纖的耦合效率越高。對(duì)于無(wú)損耗光纖，在θc內(nèi)的入射光都能在光纖中傳輸。NA越大，纖芯對(duì)光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲性能越好。現(xiàn)在我們來(lái)觀察光線在光纖中的傳播時(shí)間。根據(jù)圖4-4，入射角為θ的光線在長(zhǎng)度為L(zhǎng)(ox)的光纖中傳輸，所經(jīng)歷的路程為l(oy)，在θ不大的條件下，得到最大入射角(θ=θc)和最小入射角(θ=0)的光線之間時(shí)間延遲差近似為第二十六頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

（4-4）式中：c為真空中的光速。這種時(shí)間延遲差在時(shí)域產(chǎn)生脈沖展寬，或稱(chēng)為信號(hào)畸變。由此可見(jiàn)，突變型多模光纖的信號(hào)畸變是由于不同入射角的光線經(jīng)光纖傳輸后，其時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的，其大小與Δ成正比。

可見(jiàn)，NA越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號(hào)畸變?cè)酱?，因而限制了信息傳輸容量。所以要根?jù)實(shí)際使用場(chǎng)合，選擇適當(dāng)?shù)腘A。第二十七頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.漸變型多模光纖

漸變型多模光纖具有能減小脈沖展寬、增加帶寬的優(yōu)點(diǎn)。漸變型多模光纖的子午面(r-z)示于圖4-5，一般光纖相對(duì)折射率差都很小，光線和中心軸線z的夾角也很小，即sinθ≈θ。第二十八頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖4-5漸變型多模光纖的光線傳播原理第二十九頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

由圖可見(jiàn)，漸變型多模光纖的光線軌跡是傳輸距離z的正弦函數(shù)，對(duì)于確定的光纖，其幅度的大小取決于入射角θ0，其周期Λ=2πa/，取決于光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)(a,Δ)，而與入射角θ0無(wú)關(guān)。這說(shuō)明不同入射角相應(yīng)的光線，雖然經(jīng)歷的路程不同，但是最終都會(huì)聚在P點(diǎn)上，見(jiàn)圖4-5，這種現(xiàn)象稱(chēng)為自聚焦(Self-Focusing)效應(yīng)。漸變型多模光纖具有自聚焦效應(yīng)，不僅不同入射角相應(yīng)的光線會(huì)聚在同一點(diǎn)上，而且這些光線的時(shí)間延遲也近似相等。這是因?yàn)楣饩€傳播速度v(r)=c/n(r)(c為光速)，入射角第三十頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

的光線經(jīng)歷的路程較長(zhǎng)，但大部分路程遠(yuǎn)離中心軸線，n(r)較小，傳播速度較快，補(bǔ)償了較長(zhǎng)的路程。入射角小的光線情況正相反，其路程較短，但速度較慢。所以這些光線的時(shí)間延遲近似相等。所以信號(hào)畸變比突變型多模光纖的信號(hào)畸變要小。4.2.3光纖傳輸特性光信號(hào)經(jīng)光纖傳輸后要產(chǎn)生損耗和畸變(失真)，因而輸出信號(hào)和輸入信號(hào)不同。對(duì)于脈沖信號(hào)，不僅幅度要減小，而且波形要展寬。產(chǎn)生信號(hào)畸變的主要原因是光纖中存在色散。損耗和色散是光纖最重要的傳輸特性。損耗限制系統(tǒng)的傳輸距離，色散則限制系統(tǒng)的傳輸容量。本節(jié)討論光纖的色散和損耗的機(jī)理和特性，為光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。第三十一頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五（一）光纖色散

色散(Dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，由于不同成分的光的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。色散一般包括模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散。1）模式色散是由于不同模式的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的，它取決于光纖的折射率分布，并和光纖材料折射率的波長(zhǎng)特性有關(guān)。2）材料色散是由于光纖的折射率隨波長(zhǎng)而改變，以及模式內(nèi)部不同波長(zhǎng)成分的光(實(shí)際光源不是純單色光)，其時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的。這種色散取決于光纖材料折射率的波長(zhǎng)特性和光源的譜線寬度。第三十二頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五3）波導(dǎo)色散是由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長(zhǎng)有關(guān)而產(chǎn)生的，它取決于波導(dǎo)尺寸和纖芯與包層的相對(duì)折射率差。色散對(duì)光纖傳輸系統(tǒng)的影響，在時(shí)域和頻域的表示方法不同。如果信號(hào)是模擬調(diào)制的，色散限制帶寬(Bandwith)；如果信號(hào)是數(shù)字脈沖，色散產(chǎn)生脈沖展寬。所以，色散通常用3dB光帶寬f3dB

或脈沖展寬Δτ表示。光纖色散測(cè)量有相移法、脈沖時(shí)延法和干涉法等。第三十三頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五（二）光纖損耗

由于損耗的存在，在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，不管是模擬信號(hào)還是數(shù)字脈沖，其幅度都要減小。光纖的損耗在很大程度上決定了系統(tǒng)的傳輸距離。損耗的大小用損耗系數(shù)表示。（dB/km）（4-5）式中：L為光纖的長(zhǎng)度，km；Pi為輸入光功率；Po為輸出光功率。第三十四頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.損耗的機(jī)理

光纖損耗機(jī)理包括吸收損耗和散射損耗兩部分。吸收損耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的。主要是光波通過(guò)光纖時(shí)，有一部分光能變成熱能，從而造成光功率的損失。散射損耗主要由材料、形狀、折射率分布等的缺陷或不均勻，使光纖中傳的光發(fā)生散射。第三十五頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.損耗測(cè)量

光纖損耗測(cè)量有兩種基本方法：一種是測(cè)量通過(guò)光纖的傳輸光功率，稱(chēng)剪斷法和插入法；另一種是測(cè)量光纖的后向散射光功率，稱(chēng)后向散射法。在工程上最實(shí)用的是后向散射法。由于瑞利散射光功率與傳輸光功率成比例。利用與傳輸光相反方向的瑞利散射光功率來(lái)確定光纖損耗系數(shù)的方法，稱(chēng)為后向散射法。設(shè)在光纖中正向傳輸光功率為P，經(jīng)過(guò)L1和L2點(diǎn)(L1<L2)時(shí)分別為P1和P2(P1>P2)，從這兩點(diǎn)返回輸入端(L=0)。光檢測(cè)器的后向散射光功率分別為Pd(L1)和Pd(L2)，經(jīng)分析推導(dǎo)得到，正向和反向平均損耗系數(shù)第三十六頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

（4-6）式中：右邊分母中因子2是光經(jīng)過(guò)正向和反向兩次傳輸產(chǎn)生的結(jié)果。后向散射法不僅可以測(cè)量損耗系數(shù)，還可利用光在光纖中傳輸?shù)臅r(shí)間來(lái)確定光纖的長(zhǎng)度L。（4-7）

式中：c為光速；n1為光纖的纖芯折射率；t為光脈沖從發(fā)出到返回的時(shí)間。第三十七頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

式中：c為光速；n1為光纖的纖芯折射率；t為光脈沖從發(fā)出到返回的時(shí)間。圖4-6示出后向散射法光纖損耗測(cè)量系統(tǒng)的框圖。光源應(yīng)采用特定波長(zhǎng)、穩(wěn)定的大功率激光器，調(diào)制的脈沖寬度和重復(fù)頻率應(yīng)和所要求的長(zhǎng)度分辨率相適應(yīng)。耦合器件把光脈沖注入被測(cè)光纖，又把后向散射光注入光檢測(cè)器。光檢測(cè)器應(yīng)有很高的靈敏度。第三十八頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖4-6后向散射法光纖損耗測(cè)量系統(tǒng)圖4-7后向散射功率曲線的示例相對(duì)反向散射功率光纖長(zhǎng)度EDCBA第三十九頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

圖4-7是后向散射功率曲線的示例，圖中A輸入端反射區(qū)；BC恒定斜率區(qū)，用以確定損耗系數(shù)；C連接器、接頭或局部缺陷引起的損耗；D介質(zhì)缺陷(例如氣泡)引起的反射；E輸出端反射區(qū)（光纖斷點(diǎn)），用以確定光纖長(zhǎng)度。用后向散射法的原理設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x器稱(chēng)為光時(shí)域反射儀(OTDR)。這種儀器采用單端輸入和輸出，不破壞光纖，使用非常方便。OTDR不僅可以測(cè)量光纖損耗系數(shù)和光纖長(zhǎng)度，還可以測(cè)量連接器和接頭的損耗，觀察光纖沿線的均勻性和確定故障點(diǎn)的位置，確實(shí)是光纖通信系統(tǒng)工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量不可缺少的工具。第四十頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

（三）光纖標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用

制訂光纖標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際組織主要有ITU-T和IEC(國(guó)際電工委員會(huì))。應(yīng)用情況一般為：

G.651多模漸變型(GIF)光纖，這種光纖在光纖通信發(fā)展初期廣泛應(yīng)用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)。

G.652常規(guī)單模光纖，是第一代單模光纖，其特點(diǎn)是在波長(zhǎng)1.31μm色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離只受損耗的限制。目前世界上已敷設(shè)的光纖線路90%采用這種光纖。

G.653色散移位光纖，是第二代單模光纖，其特點(diǎn)是在波長(zhǎng)1.55μm色散為零，損耗又最小。這種光纖適用于大容量長(zhǎng)距離通信系統(tǒng)。第四十一頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五G.6541.55μm損耗最小的單模光纖，其特點(diǎn)是在波長(zhǎng)1.31μm色散為零，在1.55μm色散為17～20ps/(nm·km)，和常規(guī)單模光纖相同，但損耗更低，可達(dá)0.20dB/km以下。這種光纖實(shí)際上是一種用于1.55μm改進(jìn)的常規(guī)單模光纖，目的是增加傳輸距離。此外還有色散補(bǔ)償光纖，其特點(diǎn)是在波長(zhǎng)1.55μm具有大的負(fù)色散。這種光纖是針對(duì)波長(zhǎng)1.31μm常規(guī)單模光纖通信系統(tǒng)的升級(jí)而設(shè)計(jì)的，因?yàn)楫?dāng)這種系統(tǒng)要使摻鉺光纖放大器(EDFA)以增加傳輸距離時(shí)，必須把工作波長(zhǎng)從1.31μm移到1.55μm。用色散補(bǔ)償光纖在波長(zhǎng)1.55μm的負(fù)色散和常規(guī)單模光纖在1.55μm的正色散相互抵消，以獲得線路總色散為零損耗又最小的效果。第四十二頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

G.655非零色散光纖，是一種改進(jìn)的色散移位光纖。具有常規(guī)單模光纖和色散移位光纖的優(yōu)點(diǎn)，是最新一代的單模光纖。這種光纖在密集波分復(fù)用和孤子傳輸系統(tǒng)中使用，實(shí)現(xiàn)了超大容量超長(zhǎng)距離的通信。4.2.4光纜及電力系統(tǒng)特種光纜在實(shí)際通信線路中，都是將光纖制成不同結(jié)構(gòu)型式的光纜。因?yàn)楣饫w本身脆弱易裂，直接和外界接觸，易產(chǎn)生接觸傷痕，甚至被折斷。保護(hù)光纖固有機(jī)械強(qiáng)度的方法，通常是采用塑料被覆和應(yīng)力篩選。光纖從高溫拉制出來(lái)后，要立即用軟塑料(例如紫外固化的丙第四十三頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

烯酸樹(shù)脂)進(jìn)行一次被覆和應(yīng)力篩選，除去斷裂光纖，并對(duì)成品光纖用硬塑料(例如高強(qiáng)度聚酰胺塑料)進(jìn)行二次被覆。二次被覆光纖有緊套、松套、大套管和帶狀線光纖四種。把一次被覆光纖裝入硬塑料套管內(nèi)，使光纖與外力隔離是保護(hù)光纖的有效方法。在工程應(yīng)用中，光纜不可避免要遭受一定的拉力而伸長(zhǎng)，或者遭遇低溫而收縮。因此，松套管內(nèi)的光纖要留有一定的余長(zhǎng)，使光纖受拉力或壓力的作用。第四十四頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五（一）光纜結(jié)構(gòu)和類(lèi)型光纜一般由纜芯和護(hù)套兩部分組成，有時(shí)在護(hù)套外面加有鎧裝。

1.纜芯纜芯通常包括被覆光纖(或稱(chēng)芯線)和加強(qiáng)件兩部分。被覆光纖是光纜的核心，決定著光纜的傳輸特性。光纜類(lèi)型多種多樣，圖4-8給出若干典型實(shí)例。根據(jù)纜芯結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，光纜可分為四種基本型式。第四十五頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖4-8光纜類(lèi)型的典型實(shí)例(a)6芯緊套層絞式光纜(架空、管道)；(b)12芯松套層絞式光纜(直埋防蟻)；(c)12芯骨架式光纜(直埋)；(d)6～48芯束管式光纜(直埋)；(e)108芯帶狀光纜；(f)LXE束管式光纜(架空、管道、直埋)；(g)淺海光纜；(h)架空地線復(fù)合光纜(OPGW)第四十六頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

（1）層絞式。把松套光纖繞在中心加強(qiáng)件周?chē)g合而構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)的纜芯制造設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝相當(dāng)成熟，得到廣泛應(yīng)用。采用松套光纖的纜芯可以增強(qiáng)抗拉強(qiáng)度，改善溫度特性。（2）骨架式。把緊套光纖或一次被覆光纖放入中心加強(qiáng)件周?chē)穆菪嗡芰瞎羌馨疾蹆?nèi)而構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)的纜芯抗側(cè)壓力性能好，有利于對(duì)光纖的保護(hù)。

（3）中心束管式。把一次被覆光纖或光纖束放入大套管中，加強(qiáng)件配置在套管周?chē)鴺?gòu)成。這種結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)件同時(shí)起著護(hù)套的部分作用，有利于減輕光纜的重量。第四十七頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五（4）帶狀式。把帶狀光纖單元放入大套管內(nèi)，形成中心束管式結(jié)構(gòu)，也可以把帶狀光纖單元放入骨架凹槽內(nèi)或松套管內(nèi)，形成骨架式或?qū)咏g式結(jié)構(gòu)。帶狀式纜芯有利于制造容納幾百根光纖的高密度光纜，這種光纜已廣泛應(yīng)用于接入網(wǎng)。2.護(hù)套護(hù)套起著對(duì)纜芯的機(jī)械保護(hù)和環(huán)境保護(hù)作用，要求具有良好的抗側(cè)壓力性能及密封防潮和耐腐蝕的能力。護(hù)套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和鋁帶或鋼帶構(gòu)成。不同使用環(huán)境和敷設(shè)方式對(duì)護(hù)套的材料和結(jié)構(gòu)有不同的要求。第四十八頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

根據(jù)使用條件，光纜又可以分為許多類(lèi)型。一般光纜有室內(nèi)光纜、架空光纜、埋地光纜和管道光纜等。

（二）光纜特性光纜的傳輸特性取決于被覆光纖。對(duì)光纜機(jī)械特性和環(huán)境特性的要求由使用條件確定。光纜生產(chǎn)出來(lái)后，對(duì)這些特性的主要項(xiàng)目：拉力、壓力、扭轉(zhuǎn)、彎曲、沖擊、振動(dòng)和溫度等，要根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定做例行試驗(yàn)。成品光纜一般要求給出上述特性。第四十九頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.3光源與光檢測(cè)器

光源、光檢測(cè)器是光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)和光中繼器的關(guān)鍵器件，和光纖一起決定著基本光纖傳輸系統(tǒng)的水平。4.3.1光源光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件，其功能是把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。目前光纖通信廣泛使用的光源主要有半導(dǎo)體激光二極管或稱(chēng)激光器(LD)和發(fā)光二極管或稱(chēng)發(fā)光管(LED)。第五十頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五（一）半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的基本原理是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。所以討論激光器工作原理要從受激輻射開(kāi)始。

1.受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布

有源器件的物理基礎(chǔ)是光和物質(zhì)相互作用的效應(yīng)。在物質(zhì)的原子中，存在許多能級(jí)，最低能級(jí)E1稱(chēng)為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級(jí)Ei(i=2,3,4…)稱(chēng)為激發(fā)態(tài)。電子在低能級(jí)E1的基態(tài)和高能級(jí)E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種基本方式(見(jiàn)圖4-11)：第五十一頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

圖4-11能級(jí)和電子躍遷(a)受激吸收；(b)自發(fā)輻射；(c)受激輻射第五十二頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五（1）在正常狀態(tài)下，電子處于低能級(jí)E1，在入射光作用下，它會(huì)吸收光子的能量躍遷到高能級(jí)E2上，這種躍遷稱(chēng)為受激吸收。電子躍遷后，在低能級(jí)留下相同數(shù)目的空穴，見(jiàn)圖4-11(a)。（2）在高能級(jí)E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒(méi)有外界的作用，也會(huì)自動(dòng)地躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱(chēng)為自發(fā)輻射，見(jiàn)圖4-11(b)。（3）在高能級(jí)E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這種躍遷稱(chēng)為受激輻射，見(jiàn)圖4-11(c)。第五十三頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

受激輻射是受激吸收的逆過(guò)程。電子在E1和E2兩個(gè)能級(jí)之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足波爾條件，即E2-E1=hf12(4-8)式中：h為普朗克常數(shù)，h=6.628×10-34J·s；；f12為吸收或輻射的光子頻率。受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光其特點(diǎn)很不相同。受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱(chēng)為相干光；自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱(chēng)為非相第五十四頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

干光。產(chǎn)生受激輻射和產(chǎn)生受激吸收的物質(zhì)是不同的。設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級(jí)E1和處于高能級(jí)E2(E2>E1)的原子數(shù)分別為N1和N2。如果N1>N2，則受激吸收大于受激輻射，當(dāng)光通過(guò)這種物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱(chēng)為吸收物質(zhì)。如果N2>N1，則受激輻射大于受激吸收，當(dāng)光通過(guò)這種物質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱(chēng)為激活物質(zhì)。N2>N1的分布，和正常狀態(tài)的分布相反，所以稱(chēng)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。如何得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)呢?2.PN結(jié)的能帶和電子分布在P型和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)界面上，由于存在多數(shù)載流子(電子或空穴)的梯度，因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場(chǎng)，見(jiàn)圖4-12(a)。第五十五頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.4光端機(jī)4.4.1發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)的功能是把輸入電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),并用耦合技術(shù)把光信號(hào)最大限度地注入光纖線路。光發(fā)射機(jī)完成把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)(常簡(jiǎn)稱(chēng)為電/光或E/O轉(zhuǎn)換)，是通過(guò)電信號(hào)對(duì)光的調(diào)制而實(shí)現(xiàn)的。㈠兩種調(diào)制方式目前調(diào)制分為直接調(diào)制和外調(diào)制兩種方式。如圖4-20所示。第五十六頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖4-20兩種調(diào)制方案(a)直接調(diào)制；(b)間接調(diào)制(外調(diào)制)第五十七頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五1．直接調(diào)制直接調(diào)制是用電信號(hào)直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流，使輸出光隨電信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)的。圖4-21示出激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)直接光強(qiáng)數(shù)字調(diào)制原理，對(duì)LD施加了偏置電流Ib。由圖4-21可見(jiàn)，當(dāng)激光器的驅(qū)動(dòng)電流大于閾值電流Ith時(shí)，輸出光功率P和驅(qū)動(dòng)電流I基本上是線性關(guān)系，輸出光功率和輸入電流成正比，所以輸出光信號(hào)反映輸入電信號(hào)。這種方案技術(shù)簡(jiǎn)單，成本較低，容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速率受激光器的頻率特性所限制。第五十八頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖4-21直接光強(qiáng)數(shù)字調(diào)制原理(a)LED數(shù)字調(diào)制原理；(b)LD的數(shù)字調(diào)制原理

第五十九頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.外調(diào)制外調(diào)制是把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開(kāi)，用獨(dú)立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實(shí)現(xiàn)的。如圖4-20（b）所示。目前有多種調(diào)制器可供選擇，最常用的是電光調(diào)制器。這種調(diào)制器是利用電信號(hào)改變電光晶體的折射率，使通過(guò)調(diào)制器的光參數(shù)隨電信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)調(diào)制的。外調(diào)制方式雖然技術(shù)復(fù)雜，但是傳輸速率和接收靈敏度很高，在大容量的波分復(fù)用和相干光通信系統(tǒng)中使用，是很有發(fā)展前途的通信方式。（二）光發(fā)射機(jī)基本組成

目前技術(shù)上成熟并在實(shí)際光纖通信系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用的是直接光強(qiáng)(功率)調(diào)制。直接調(diào)制光發(fā)射機(jī)由輸入接口、編碼電路、光源、驅(qū)動(dòng)電路、公務(wù)及監(jiān)控電路、自動(dòng)偏置控制電路、溫控電路等組成(圖4-22)，其核心是光源及驅(qū)動(dòng)電路。第六十頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五電信號(hào)光信號(hào)輸入電路驅(qū)動(dòng)電路光源保護(hù)、報(bào)警自動(dòng)偏置編碼電路圖4-22數(shù)字光發(fā)送機(jī)框圖第六十一頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

工作過(guò)程是這樣的：輸入電路將輸入的PCM脈沖信號(hào)進(jìn)行整形，變換成NRZ/RZ碼后送給編碼電路，編碼電路將簡(jiǎn)單的二電平碼變換為適合于光纖傳輸?shù)木€路碼，因?yàn)樵诠饫w通信系統(tǒng)中，從電端機(jī)輸出的是適合于電纜傳輸?shù)碾p極性碼。光源不可能發(fā)射負(fù)光脈沖，因此必須進(jìn)行碼型變換，以適合于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)囊蟆Ｔ诠獍l(fā)射機(jī)中有編碼電路，在光接收機(jī)中有對(duì)應(yīng)的解碼電路。第六十二頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

常用的光纖線路碼有擾碼、mBnB碼和插入碼。線路碼通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)制光源。驅(qū)動(dòng)電路要給光源提供一個(gè)合適的偏置電流和調(diào)制電流。為了穩(wěn)定輸出的平均光功率和工作溫度，通常設(shè)置一個(gè)自動(dòng)功率控制電路（APC）和自動(dòng)溫控電路（ATC）。此外，在光發(fā)射機(jī)中還有監(jiān)控、報(bào)警電路，對(duì)光源壽命及工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控與報(bào)警等。第六十三頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

數(shù)字光發(fā)射機(jī)最重要的性能指標(biāo)為平均輸出光功率和消光比。1.平均發(fā)送光功率（1）平均發(fā)送光功率的定義。光端機(jī)的平均發(fā)送光功率是指光端機(jī)在正常工作的情況下，由電端機(jī)輸出223-1或215-1的偽隨機(jī)碼時(shí)，在光端機(jī)輸出端測(cè)量到的平均光功率。平均發(fā)送光功率的功率值用PT（μW）表示，電平值用LT（dBm）表示，光功率值與電平值之間的關(guān)系是：（4-11）第六十四頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

對(duì)于一個(gè)實(shí)際的光纖通信系統(tǒng)，平均發(fā)送光功率并不是越大越好，雖然從理論上講，發(fā)送光功率越大，通信距離越長(zhǎng)，但光功率越大會(huì)使光纖工作在非線性狀態(tài)，這種非線性狀態(tài)會(huì)對(duì)光纖產(chǎn)生不良影響。

2．消光比（1）消光比的定義。消光比是指光端機(jī)的電接口輸入為全“1”碼和全“0”碼時(shí)的平均發(fā)送光功率之比，用EXT表示。無(wú)輸入信號(hào)時(shí)，光端機(jī)輸出平均發(fā)送光功率P0，對(duì)接收機(jī)來(lái)說(shuō)是一種噪聲，會(huì)降低接收機(jī)的靈敏度，因此希望消光比越小越好。但是，對(duì)激光器LD來(lái)講，要使消光比小就要減小偏置電流，從而使光源輸出功率降低，譜線寬度增加。所以要全面考慮消光比與其它指標(biāo)之間的矛盾。第六十五頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.4.2光接收機(jī)（一）光接收機(jī)基本組成直接檢測(cè)方式的數(shù)字光接收機(jī)方框圖示于圖4-23，主要包括光檢測(cè)器、前置放大器、主放大器、均衡器、時(shí)鐘提取電路、取樣判決器以及自動(dòng)增益控制(AGC)電路。第六十六頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

圖4-23數(shù)字光接收機(jī)方框圖第六十七頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.光檢測(cè)器光檢測(cè)器是光接收機(jī)實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，其性能特別是響應(yīng)度和噪聲直接影響光接收機(jī)的靈敏度。

2.放大器前置放大器應(yīng)是低噪聲放大器，它的噪聲對(duì)光接收機(jī)的靈敏度影響很大。主放大器一般是多級(jí)放大器，它的作用是提供足夠的增益，并通過(guò)它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制(AGC)，以使輸入光信號(hào)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電信號(hào)保持恒定。主放大器和AGC決定著光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。第六十八頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

3.均衡和再生均衡的目的是對(duì)經(jīng)光纖傳輸、光/電轉(zhuǎn)換和放大后已產(chǎn)生畸變(失真)的電信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出信號(hào)的波形適合于判決(一般用具有升余弦譜的碼元脈沖波形)，以消除碼間干擾，減小誤碼率。再生電路包括判決電路和時(shí)鐘提取電路，它的功能是從放大器輸出的信號(hào)與噪聲混合的波形中提取碼元時(shí)鐘，并逐個(gè)地對(duì)碼元波形進(jìn)行取樣判決，以得到原發(fā)送的碼流。第六十九頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五（二）光電集成接收機(jī)為了適合高傳輸速率的需求，人們一直在努力開(kāi)發(fā)而且已實(shí)現(xiàn)單片光接收機(jī)，即用“光電集成電路(OEIC)技術(shù)”在同一芯片上集成包括光檢測(cè)器在內(nèi)的全部元件。（三）噪聲特性光接收機(jī)的噪聲有兩部分：一部分是外部電磁干擾產(chǎn)生的，這部分噪聲的危害可以通過(guò)屏蔽或?yàn)V波加以消除；另一部分是內(nèi)部產(chǎn)生的，這部分噪聲是在信號(hào)檢測(cè)和放大過(guò)程中引入的隨機(jī)噪聲，只能通過(guò)器件的選擇和電路的設(shè)計(jì)與制造盡可能減小，一般不可能完全消除。下面討論的噪聲是指內(nèi)部產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲。第七十頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

光接收機(jī)噪聲的主要來(lái)源是光檢測(cè)器的噪聲和前置放大器的噪聲。因?yàn)榍爸眉?jí)輸入的是微弱信號(hào)，其噪聲對(duì)輸出信噪比影響很大，而主放大器輸入的是經(jīng)前置級(jí)放大的信號(hào)，只要前置級(jí)增益足夠大，主放大器引入的噪聲就可以忽略。（四）主要性能1.靈敏度靈敏度Pr的定義是，在保證誤碼率的條件下，光接收機(jī)所需的最小平均接收光功率Pmin，并以dBm為單位。靈敏度是衡量光接收機(jī)質(zhì)量的綜合指標(biāo)，它反映接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)，接收微弱光信號(hào)的能力。靈敏度主要第七十一頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五取決于組成光接收機(jī)的光電二極管和放大器的噪聲，并受傳輸速率、光發(fā)射機(jī)的參數(shù)和光纖線路的色散的影響，還與系統(tǒng)要求的誤碼率或信噪比有密切關(guān)系。所以靈敏度也是反映光纖通信系統(tǒng)質(zhì)量的重要指標(biāo)。2.動(dòng)態(tài)范圍光接收機(jī)應(yīng)具有一定的動(dòng)態(tài)范圍。由于使用條件不同，輸入光接收機(jī)的光信號(hào)大小要發(fā)生變化，為實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍，采用AGC是十分有必要的。第七十二頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

動(dòng)態(tài)范圍(DR)的定義是：在限定的誤碼率條件下，光接收機(jī)所能承受的最大平均接收光功率Pmin和所需最小平均接收光功率Pmin的比值，用dB表示。動(dòng)態(tài)范圍是光接收機(jī)性能的另一個(gè)重要指標(biāo)，它表示光接收機(jī)接收強(qiáng)光的能力，數(shù)字光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍一般應(yīng)大于15dB。第七十三頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.5數(shù)字光纖通信系統(tǒng)4.5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)光纖通信系統(tǒng)是通信網(wǎng)的一個(gè)組成部分。典型的光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-24所示。從圖中可以看出，該系統(tǒng)是由發(fā)射端機(jī)(電/光)、接收端機(jī)(光/電)、光中繼器、監(jiān)控系統(tǒng)、備用系統(tǒng)等組成。由于在前面已經(jīng)對(duì)端機(jī)進(jìn)行了討論，下面僅就光中繼器加以介紹。第七十四頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)光中繼器光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)圖4-24光纖通信系統(tǒng)示意圖第七十五頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.光中繼器傳統(tǒng)的光中繼器采用光—電—光的轉(zhuǎn)換形式，即先將受到的微弱光信號(hào)用光檢測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后進(jìn)行放大、整形和再生后，恢復(fù)出原來(lái)的數(shù)字信號(hào)，然后再對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，變換為光脈沖信號(hào)后送入光纖繼續(xù)傳輸。自光纖放大器實(shí)用化以來(lái)，光纖放大器開(kāi)始代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光中繼器，特別是在高速光纖通信系統(tǒng)中。光放大器能直接放大光信號(hào)，對(duì)信號(hào)的格式和速率具有高度的透明性，使得整個(gè)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單、靈活。第七十六頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.5.2系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)（一）誤碼性能1.誤碼的定義光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)的誤碼性能用誤碼率BER來(lái)衡量。即在特定的一段時(shí)間內(nèi)所接收的錯(cuò)誤碼元與同一時(shí)間內(nèi)所接收的總碼元數(shù)之比。2.誤碼發(fā)生的形態(tài)和原因誤碼發(fā)生的形態(tài)主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是隨機(jī)形態(tài)的誤碼，即誤碼主要是單個(gè)隨機(jī)發(fā)生的，具有偶然性；另一類(lèi)是突發(fā)的、成群發(fā)生的誤碼，這種誤碼可能在某個(gè)瞬間集中發(fā)生，而其它大部分時(shí)間無(wú)誤碼發(fā)生。誤碼發(fā)生的原因是多方面的。如數(shù)字網(wǎng)中的熱噪聲，交換設(shè)備的脈沖噪聲干擾，雷電的電磁感應(yīng)，電力線產(chǎn)生的干擾等。第七十七頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.誤碼性能的評(píng)定方法評(píng)定誤碼性能的參數(shù)包括平均誤碼率、劣化分、嚴(yán)重誤碼秒和誤碼秒。（二）抖動(dòng)性能

1.抖動(dòng)的定義抖動(dòng)是數(shù)字信號(hào)傳輸中的一種瞬時(shí)不穩(wěn)定現(xiàn)象。即數(shù)字信號(hào)的各有效瞬間對(duì)其理想時(shí)間位置的短時(shí)間偏離，稱(chēng)為抖動(dòng)。圖4-25為定時(shí)抖動(dòng)的圖解定義。抖動(dòng)可分為相位抖動(dòng)和定時(shí)抖動(dòng)。相位抖動(dòng)是指?jìng)鬏斶^(guò)程中所形成的周期性的相位變化。定時(shí)抖動(dòng)是指脈碼傳輸系統(tǒng)中的同步誤差。第七十八頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

圖4-25定時(shí)抖動(dòng)的圖解第七十九頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

抖動(dòng)的大小或幅度通常可用時(shí)間、相位或數(shù)字周期來(lái)表示。目前多用數(shù)字周期來(lái)表示，即“單位間隔”，用符號(hào)UI（UnitInterval），也就是1比特信息所占有的時(shí)間間隔。例如碼速率為34.368Mb/s的脈沖信號(hào)，1UI=1/34.368μs。2.抖動(dòng)產(chǎn)生的原因（1）數(shù)字再生中繼器引起的抖動(dòng)。由于再生中繼器中的定時(shí)恢復(fù)電路的不完善及再生中繼器的累計(jì)導(dǎo)致了抖動(dòng)的產(chǎn)生和累加。（2）數(shù)字復(fù)接及分接器引起的抖動(dòng)。在復(fù)接器的支路輸入口，各支路數(shù)字信號(hào)附加上碼速調(diào)整控制比特和幀定位信號(hào)形成群輸出信號(hào)。而在分接器的輸入口，要將附加比特扣除，恢復(fù)原分支數(shù)字信號(hào)，這些將不可避免地引起抖動(dòng)。第八十頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五（3）噪聲引起的抖動(dòng)。由于數(shù)字信號(hào)處理電路引起的各種噪聲。（4）其它原因。由于環(huán)境溫度的變化、傳輸線路的長(zhǎng)短及環(huán)境條件等也會(huì)引起抖動(dòng)。

3.抖動(dòng)的類(lèi)型（1）隨機(jī)性抖動(dòng)。在再生中繼器內(nèi)與傳輸信號(hào)關(guān)系不大的抖動(dòng)來(lái)源稱(chēng)為隨機(jī)性抖動(dòng)。這些抖動(dòng)主要由于環(huán)境變化、器件老化及定時(shí)調(diào)諧回路失調(diào)引起。（2）系統(tǒng)性抖動(dòng)。由于碼間干擾，定時(shí)電路幅度—相位轉(zhuǎn)換等因素引起的抖動(dòng)。4.抖動(dòng)的容限第八十一頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五（1）輸入抖動(dòng)容限。輸入抖動(dòng)容限是指數(shù)字段能夠允許的輸入信號(hào)的最低抖動(dòng)限值，即加大輸入信號(hào)的抖動(dòng)值，直到設(shè)備由不誤碼到開(kāi)始誤碼的這個(gè)分界點(diǎn)。此時(shí)的輸入信號(hào)上的誤碼即為最大允許輸入抖動(dòng)下限。（2）輸出抖動(dòng)容限。在數(shù)字段輸入信號(hào)無(wú)抖動(dòng)時(shí)，由于數(shù)字段內(nèi)的中繼器產(chǎn)生抖動(dòng)，并按一定規(guī)律進(jìn)行累計(jì)，于是在數(shù)字段輸出端產(chǎn)生抖動(dòng)。ITU―T提出了數(shù)字段無(wú)輸入抖動(dòng)時(shí)的輸出抖動(dòng)上限，即為輸出抖動(dòng)容限。第八十二頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五（3）抖動(dòng)轉(zhuǎn)移特性。由于輸入口數(shù)字信號(hào)的抖動(dòng)經(jīng)設(shè)備或系統(tǒng)轉(zhuǎn)移后到達(dá)輸出口，從而構(gòu)成了輸出抖動(dòng)的另一個(gè)來(lái)源。為了保證數(shù)字網(wǎng)抖動(dòng)的總質(zhì)量目標(biāo)，ITU―T建議抖動(dòng)轉(zhuǎn)移增益不大于1dB。

第八十三頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖4-26光纖通信系統(tǒng)的具體組成（三）光纖通信系統(tǒng)接口指標(biāo)一個(gè)完整的光纖通信系統(tǒng)的具體組成如圖4-26所示。第八十四頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

我們把光端機(jī)與光纖的連接點(diǎn)稱(chēng)為光接口。光接口有兩個(gè)，一個(gè)由S點(diǎn)向光纖發(fā)送光信號(hào)；另一個(gè)由R點(diǎn)從光纖接收信號(hào)。光中繼器兩側(cè)均與光纖相連，所以它兩側(cè)的接口均為光接口。光接口是光纖通信系統(tǒng)特有的接口。在S點(diǎn)的主要指標(biāo)有平均發(fā)送光功率和消光比，在R點(diǎn)的主要指標(biāo)有接收機(jī)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。圖4-26中的A、B點(diǎn)為電接口。通常把A點(diǎn)稱(chēng)為輸入口，B點(diǎn)稱(chēng)為輸出口。在輸入口和輸出口都需要測(cè)試的指標(biāo)是：比特率及容差、反射損耗。在輸入口測(cè)試的指標(biāo)有輸入口允許衰減和抗干擾能力、輸入抖動(dòng)容限；在輸出口測(cè)試的指標(biāo)有輸出口脈沖波形、無(wú)輸入抖動(dòng)時(shí)的輸出抖動(dòng)容限。第八十五頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五三、光纖傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)前面所討論的光纖傳輸系統(tǒng)的各種指標(biāo)要求，光發(fā)射機(jī)與光接收機(jī)之間有最大傳輸距離的問(wèn)題。因此如要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通信，在設(shè)計(jì)一個(gè)光纖系統(tǒng)時(shí)，最大中繼距離的設(shè)計(jì)就是一個(gè)重要問(wèn)題。從前面的性能討論知道，最大中繼距離要受發(fā)射機(jī)耦合入光纖的功率PT、光接收機(jī)靈敏度Pmin、光纖的衰減系數(shù)、光纖的色散4個(gè)因素的影響。

下面我們分兩種情況討論：第八十六頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.中繼距離受光纖衰減限制的情況如果在光纖通信系統(tǒng)中，信號(hào)的碼速不是很高，帶寬足夠?qū)?，則光纖的色散對(duì)傳輸距離的影響不大，可認(rèn)為光纖傳輸系統(tǒng)的最大中繼距離僅受光纖衰減的影響。則中繼距離的長(zhǎng)度可按下式計(jì)算。

（4-12）第八十七頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五式中：PT為平均發(fā)射光功率(dBm)；Pmin為接收靈敏度(dBm)；αc為連接器損耗（dB/對(duì)）；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)。連接器損耗一般為0.3～1dB/對(duì)。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3dB。光纖損耗系數(shù)αf取決于光纖類(lèi)型和工作波長(zhǎng)。光纖損耗余量αm一般為0.1～0.2dB/km，但一個(gè)中繼段總余量不超過(guò)5dB。平均接頭損耗可取0.05dB/個(gè)，每千米光纖平均接頭損耗αs可根據(jù)光纜生產(chǎn)長(zhǎng)度計(jì)算得到。第八十八頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.色散對(duì)中繼距離的影響當(dāng)光纖系統(tǒng)的碼速大于140Mb/s時(shí)，如果中繼距離過(guò)長(zhǎng)，由于色散的影響，會(huì)造成數(shù)字信號(hào)脈沖過(guò)大的展寬，引起碼間干擾，從而降低光接收機(jī)的靈敏度。就目前的速率系統(tǒng)而言，僅考慮色散影響的中繼距離的計(jì)算公式為

（4-13）第八十九頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

式中：LD為傳輸距離，km；為線路碼速率，Mb/s；D為色散系數(shù)，ps/km·nm；ε為與色散代價(jià)有關(guān)的系數(shù)。ε由系統(tǒng)中所選用的光源類(lèi)型來(lái)決定，若采用多縱模激光器，取ε為0.115；若采用單縱模激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管，則取ε為0.306。對(duì)于某一傳輸速率的系統(tǒng)而言，在考慮上述兩個(gè)因素的同時(shí)，分別算出兩個(gè)中繼距離L和LD，然后取距離短的為該傳輸速率的實(shí)際中繼距離。以140Mb/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=-3dBm,接收靈敏度Pmin=-42dBm，設(shè)備余量Me=3dB，連接器損耗αc=0.3dB/對(duì)，光纖損耗系數(shù)α第九十頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五f=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(4-12)，得到中繼距離74km。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(4-13)，得到中繼距離

91km。因?yàn)?，LDL，所以中繼距離為74km。在工程設(shè)計(jì)中，中繼距離應(yīng)取74km。在本例中中繼距離主要受損耗限制。第九十一頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

（三）功率預(yù)算

功率預(yù)算是設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)所必需的，正確的預(yù)算，才能選擇合適的功率匹配，使整個(gè)系統(tǒng)工作在良好狀態(tài)。受損耗限制的中繼距離由第五節(jié)式（4-13）確定，也可采用預(yù)算損耗的方法。用S表示總損耗，表示每公里光纖損耗，dB/km；L表示光纜長(zhǎng)度km，表示光纜接頭損耗dB/個(gè)，n表示接頭數(shù)量，表示光纖連接器損耗，dB/個(gè)；m表示連接器數(shù)量，Mc表示光纜富余度(常見(jiàn)0.05～0.1dB/km)，Me表示光設(shè)備富余度。則S=×L+×n+×m+MC+Me。（4-14）第九十二頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

現(xiàn)舉一例說(shuō)明，某電業(yè)局A變一B變，全長(zhǎng)約30km(電力線長(zhǎng)度為接近29km)，1310nm波長(zhǎng)光纜損耗為0.33dB/km，取0.1dB/個(gè)，光纜盤(pán)長(zhǎng)以標(biāo)稱(chēng)3km計(jì)，接頭11個(gè)，取1dB/個(gè)，共2個(gè)，Mc取3dB，Me取1dB。這樣：S=0.33×30+0.1×11+1×2+3+1=17dB第九十三頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

計(jì)算出該結(jié)果就要看光設(shè)備發(fā)送功率與該結(jié)果的差值在光設(shè)備接收功率動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)，否則就要提高發(fā)光功率或者增加光衰減器，來(lái)達(dá)到功率平衡。（四）色散預(yù)算由于色散的存在，光脈沖在傳輸過(guò)程中將被展寬，限制了光纖的傳輸容量或者說(shuō)傳輸帶寬，因此在高速率傳輸系統(tǒng)中，色散是主要考慮的。受色散限制的中繼距離由第五節(jié)式（4-13）確定。（五）誤碼與抖動(dòng)誤碼性能和抖動(dòng)性能是SDH光傳輸系統(tǒng)中兩個(gè)重要性能指標(biāo)。第九十四頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.誤碼性能參數(shù)

由于在SDH光傳輸系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸是以塊的形式進(jìn)行的，其長(zhǎng)度不等，可以是幾十比特，也可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)千比特，然而無(wú)論其長(zhǎng)短，只要出現(xiàn)誤碼，即使僅出現(xiàn)1比特的錯(cuò)誤，該數(shù)據(jù)塊也必須進(jìn)行重發(fā)，因而在高比特率通道的誤碼性能參數(shù)是用誤塊來(lái)進(jìn)行說(shuō)明的，這在ITU-T制定的G.826規(guī)范中得以充分體現(xiàn)。規(guī)范是以誤塊秒比(ESR)、嚴(yán)重誤塊比(SESR)及背景誤塊比(BBER)為參數(shù)來(lái)表示的。第九十五頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.抖動(dòng)性能與前面介紹的系統(tǒng)抖動(dòng)性能分析一樣，ITU-T根據(jù)抖動(dòng)累積規(guī)律，對(duì)兩類(lèi)設(shè)備(數(shù)字段內(nèi)傳輸設(shè)備和數(shù)字復(fù)接設(shè)備)，就其容許的抖動(dòng)范圍提出了建議，具體技術(shù)指標(biāo)為輸入抖動(dòng)容限、無(wú)輸入抖動(dòng)時(shí)的輸出抖動(dòng)容限和抖動(dòng)轉(zhuǎn)移特性等。第九十六頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五（六）路由選擇對(duì)于電力系統(tǒng)而言，最豐富的就是路由資源，無(wú)處不在的不同電壓等級(jí)的輸電線路，桿塔管道都是用來(lái)敷設(shè)光纜的極好資源。電力系統(tǒng)通信站一般都是變電站、供電局(電力局)，且都建有通信機(jī)房。在兩通信站間有多種電力線路可以敷設(shè)光纜時(shí)，一般應(yīng)選擇電壓等級(jí)高的電力線路，因?yàn)殡妷旱燃?jí)愈高安全性愈好。第九十七頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.6.3SDH傳送網(wǎng)

（一）SDH傳送網(wǎng)的功能結(jié)構(gòu)所謂傳送網(wǎng)就是完成傳送功能的手段，主要指邏輯功能意義上的網(wǎng)絡(luò)。描述對(duì)象是信息傳送的功能過(guò)程。而傳輸網(wǎng)的描述對(duì)象是信號(hào)在具體物理媒質(zhì)傳輸?shù)奈锢磉^(guò)程。并且傳輸主要是指由具體設(shè)備所形成的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)。在不引起誤解的前提下，它們也都可以認(rèn)為是全部邏輯網(wǎng)或?qū)嶓w網(wǎng)。由于傳送網(wǎng)實(shí)際上是一個(gè)巨大的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，為了使分析簡(jiǎn)單，我們規(guī)定一種網(wǎng)絡(luò)模型，它具有規(guī)定的功能實(shí)體并具有分層(Layering)和分割(Partitioning)概念，這樣也便于網(wǎng)絡(luò)的建立、維護(hù)和管理。第九十八頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

傳送網(wǎng)可從垂直方向分解為一個(gè)獨(dú)立的層網(wǎng)絡(luò)，即電路層、通道層和傳輸媒質(zhì)層(又分為段層和物理層)。每一層網(wǎng)絡(luò)為其相鄰的高一層網(wǎng)絡(luò)提供傳送服務(wù)，同時(shí)又使用相鄰的低一層網(wǎng)絡(luò)所提供的傳送服務(wù)。提供傳送服務(wù)的層，稱(chēng)為服務(wù)者(Server)，使用傳送服務(wù)的層，稱(chēng)為客戶(Client)，因而相鄰的層網(wǎng)絡(luò)之間構(gòu)成了客戶/服務(wù)者關(guān)系。每一層網(wǎng)絡(luò)在水平方向又可以按照該層內(nèi)部結(jié)構(gòu)分割為若干分離的部分，組成適于網(wǎng)絡(luò)管理的基本骨架。因而分層和分割之間滿足正交關(guān)系。

SDH傳送網(wǎng)分層模型如圖4-34所示。自上而下依次為電路層網(wǎng)絡(luò)、通道層網(wǎng)絡(luò)和傳輸媒質(zhì)層網(wǎng)絡(luò)。第九十九頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

圖4-34SDH傳送網(wǎng)的分層模型第一百頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

圖4-35傳送網(wǎng)的分割

(a)分層概念；(b)分割概念第一百零一頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

傳送網(wǎng)分層后，每一層網(wǎng)絡(luò)仍然很復(fù)雜，地理上覆蓋的范圍很大。為了便于管理，在分層的基礎(chǔ)上，將每一層網(wǎng)絡(luò)在水平方向上按照該層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)分割為若干個(gè)子網(wǎng)和鏈路連接。分割往往是從地理上將層網(wǎng)絡(luò)再細(xì)分為國(guó)際網(wǎng)、國(guó)內(nèi)網(wǎng)和地區(qū)網(wǎng)等，并獨(dú)立地對(duì)每一部分行使管理。圖4-35給出了傳送網(wǎng)分割概念與分層概念的一般關(guān)系。采用分割的概念可以方便地在同一網(wǎng)絡(luò)層內(nèi)對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)定，允許層網(wǎng)絡(luò)的一部分被層網(wǎng)絡(luò)的其余部分看作一個(gè)單獨(dú)實(shí)體；可以按所希望的程度將層網(wǎng)絡(luò)遞歸分解表示，為層網(wǎng)絡(luò)提供靈活的連接能力，從而方便網(wǎng)絡(luò)管理，也便于改變網(wǎng)絡(luò)的組成并使之最佳化。第一百零二頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

鏈路是代表一對(duì)子網(wǎng)之間有固定拓?fù)潢P(guān)系的一種拓?fù)湓脕?lái)描述不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接點(diǎn)間的聯(lián)系，例如兩個(gè)交叉連接設(shè)備之間的多個(gè)平行的光纜線路系統(tǒng)就構(gòu)成了鏈路。（二）SDH網(wǎng)的物理拓?fù)?/p>

網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)湟话阌?種類(lèi)型，即線形、星形、樹(shù)形、環(huán)形和網(wǎng)孔形，如圖4-36所示。第一百零三頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

圖4-36SDH網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)?a)線形；(b)星形；(c)樹(shù)形;(d)環(huán)形；(e)網(wǎng)孔形第一百零四頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

上述的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有各自的特點(diǎn)，在網(wǎng)中都有不同程度的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪x擇要考慮的因素很多，如網(wǎng)絡(luò)的生存性是否高，網(wǎng)絡(luò)配置是否容易，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是否適于引進(jìn)新業(yè)務(wù)等。一個(gè)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的不同部分適宜采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也有可能不同，例如本地網(wǎng)適宜采用環(huán)形和星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有時(shí)也可用線形拓?fù)?，市?nèi)局間中繼網(wǎng)適宜采用環(huán)形和線形拓?fù)洌L(zhǎng)途網(wǎng)可能采用網(wǎng)孔形拓?fù)?。（三）自愈網(wǎng)隨著人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入信息社會(huì)，人們對(duì)通信的依賴(lài)性越來(lái)越大，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)生存性的要求也越來(lái)越高，自愈網(wǎng)(SelfhealingNetwork)應(yīng)運(yùn)而生。第一百零五頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

所謂自愈網(wǎng)就是無(wú)需人為干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)就能在極短的時(shí)間內(nèi)從失效故障中自動(dòng)恢復(fù)，使用戶感覺(jué)不到網(wǎng)絡(luò)已出了故障。其基本原理就是使網(wǎng)絡(luò)具備發(fā)現(xiàn)替代傳輸路由并重新確立通信的能力。自愈網(wǎng)的概念只涉及重新確立通信，不管具體失效元部件的修復(fù)或更換，后者仍需人員干預(yù)才能完成。

PDH系統(tǒng)采用的線路保護(hù)倒換方式是最簡(jiǎn)單的自愈網(wǎng)形式。但是當(dāng)光纜被切斷時(shí)，往往是同一纜內(nèi)的所有光纖(包括主用和備用)都被切斷，在這種情況下上述保護(hù)方式就無(wú)能為力了。改善網(wǎng)絡(luò)生存性的最好辦法是將網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)連成一個(gè)環(huán)形，形成所謂的自愈環(huán)(SelfhealingRing)。環(huán)形網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)可以是ADM，也可以是DXC，但通常由ADM構(gòu)成。SDH的特色之一便是能夠利用ADM的分插復(fù)用能力構(gòu)成自愈環(huán)。第一百零六頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

自愈環(huán)結(jié)構(gòu)可分為兩大類(lèi)：通道倒換環(huán)和復(fù)用段倒換環(huán)。通道倒換環(huán)屬于子網(wǎng)連接保護(hù)，其業(yè)務(wù)量的保護(hù)是以通道為基礎(chǔ)，是否倒換以離開(kāi)環(huán)的每一個(gè)通道信號(hào)質(zhì)量的優(yōu)劣而定，通常利用通道AIS信號(hào)來(lái)決定是否應(yīng)進(jìn)行倒換。復(fù)用段倒換環(huán)屬于路徑保護(hù)，其業(yè)務(wù)量的保護(hù)以復(fù)用段為基礎(chǔ)，以每對(duì)結(jié)點(diǎn)的復(fù)用段信號(hào)質(zhì)量的優(yōu)劣來(lái)決定是否倒換。通道倒換環(huán)與復(fù)用段倒換環(huán)的一個(gè)重要區(qū)別是前者往往使用專(zhuān)用保護(hù)，即正常情況下保護(hù)段也在傳業(yè)務(wù)信號(hào)，保護(hù)時(shí)隙為整個(gè)環(huán)專(zhuān)用；而后者往往使用公用保護(hù)，即正常情況下保護(hù)段是空閑的，保護(hù)時(shí)隙由每對(duì)結(jié)點(diǎn)共享。

第一百零七頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

如果按照進(jìn)入環(huán)的支路信號(hào)與由該支路信號(hào)分路結(jié)點(diǎn)返回的支路信號(hào)方向是否相同，又可以將自愈環(huán)分為單向環(huán)和雙向環(huán)。正常情況下，單向環(huán)中所有業(yè)務(wù)信號(hào)按同一方向在環(huán)中傳輸。雙向環(huán)中進(jìn)入環(huán)的支路信號(hào)按一個(gè)方向傳輸，而由該支路信號(hào)分路結(jié)點(diǎn)返回的支路信號(hào)按相反的方向傳輸。如果按照一對(duì)結(jié)點(diǎn)間所用光纖的最小數(shù)量還可以分為二纖環(huán)和四纖環(huán)。。第一百零八頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.自愈環(huán)結(jié)構(gòu)下面以四個(gè)結(jié)點(diǎn)的環(huán)為例，介紹4種典型的自愈環(huán)結(jié)構(gòu)（1）二纖單向通道倒換環(huán)二纖單向通道倒換環(huán)如圖4-37所示。通常單向環(huán)由兩根光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)，S1光纖用來(lái)攜帶業(yè)務(wù)信號(hào)，P1光纖用來(lái)攜帶保護(hù)信號(hào)。這種環(huán)采用“首端橋接，末端倒換”結(jié)構(gòu)。例如，在結(jié)點(diǎn)A進(jìn)入環(huán)傳送給結(jié)點(diǎn)C的支路信號(hào)(AC)同時(shí)饋入S1和P1向兩個(gè)不同方向傳送到C點(diǎn)，其中S1光纖按順時(shí)針?lè)较?，P1光纖按逆時(shí)針?lè)较颍珻點(diǎn)的接收機(jī)同時(shí)收到兩個(gè)方向傳第一百零九頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

圖4-37二纖單向通道倒換環(huán)第一百一十頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五送來(lái)的支路信號(hào)，擇優(yōu)選擇其中一路作為分路信號(hào)。正常情況下，S1傳送的信號(hào)為主信號(hào)。同理，在C點(diǎn)進(jìn)入環(huán)傳送至結(jié)點(diǎn)A的支路信號(hào)(CA)按上述同樣的方法傳送到結(jié)點(diǎn)A，S1光纖所攜帶的CA信號(hào)為主信號(hào)。當(dāng)BC結(jié)點(diǎn)間的光纜被切斷時(shí)，兩根光纖同時(shí)被切斷，從A經(jīng)S1光纖到C的AC信號(hào)丟失，結(jié)點(diǎn)C的倒換開(kāi)關(guān)由S1轉(zhuǎn)向P1，結(jié)點(diǎn)C接收經(jīng)P1光纖傳送的AC信號(hào)，從而使AC間業(yè)務(wù)信號(hào)不會(huì)丟失，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)作用。故障排除后，倒換開(kāi)關(guān)返回原來(lái)的位置。第一百一十一頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五（2）二纖單向復(fù)用段倒換環(huán)二纖單向復(fù)用段倒換環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖4-38所示。這是一種路徑保護(hù)方式。在這種環(huán)形結(jié)構(gòu)中每一結(jié)點(diǎn)都有一個(gè)保護(hù)倒換開(kāi)關(guān)。正常情況下，S1光纖傳送業(yè)務(wù)信號(hào)，P1光纖是空閑的。當(dāng)BC結(jié)點(diǎn)間光纜被切斷，兩根光纖同時(shí)被切斷，與光纜切斷點(diǎn)相鄰的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)B和C的保護(hù)倒換開(kāi)關(guān)將利用APS(AutomaticProtectionSwitching)協(xié)議執(zhí)行環(huán)回功能。例如在B結(jié)點(diǎn)S1光纖上的信號(hào)(AC)經(jīng)倒換開(kāi)關(guān)從P1光纖返回，沿逆時(shí)針?lè)较蚪?jīng)A結(jié)點(diǎn)和D結(jié)點(diǎn)仍然可以到達(dá)C結(jié)點(diǎn)，并經(jīng)C結(jié)點(diǎn)的倒換開(kāi)關(guān)環(huán)回到S1光纖后落地分路。故障排除后，倒換開(kāi)關(guān)返回原來(lái)的位置。第一百一十二頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖4-38二纖單向復(fù)用段倒換環(huán)第一百一十三頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

當(dāng)BC結(jié)點(diǎn)間光纜被切斷，兩根光纖同時(shí)被切斷，與光纜切斷點(diǎn)相鄰的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)B和C的保護(hù)倒換開(kāi)關(guān)將利用APS(AutomaticProtectionSwitching)協(xié)議執(zhí)行環(huán)回功能。例如在B結(jié)點(diǎn)S1光纖上的信號(hào)(AC)經(jīng)倒換開(kāi)關(guān)從P1光纖返回，沿逆時(shí)針?lè)较蚪?jīng)A結(jié)點(diǎn)和D結(jié)點(diǎn)仍然可以到達(dá)C結(jié)點(diǎn)，并經(jīng)C結(jié)點(diǎn)的倒換開(kāi)關(guān)環(huán)回到S1光纖后落地分路。故障排除后，倒換開(kāi)關(guān)返回原來(lái)的位置。（3）四纖雙向復(fù)用段倒換環(huán)

通常雙向環(huán)工作在復(fù)用段倒換方式，既可以是四纖又可以是二纖。四纖雙向復(fù)用段倒換環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖4-39所示，它由兩根業(yè)務(wù)光纖S1與S2(一發(fā)一收)和兩根保護(hù)光纖P1與第一百一十四頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五P2(一發(fā)一收)構(gòu)成，其中S1光纖傳送順時(shí)針業(yè)務(wù)信號(hào)，S2光纖傳送逆時(shí)針業(yè)務(wù)信號(hào)，P1與P2分別是和S1與S2反方向傳輸?shù)膬筛Ｗo(hù)光纖。每根光纖上都有一個(gè)保護(hù)倒換開(kāi)關(guān)。正常情況下，從A結(jié)點(diǎn)進(jìn)入環(huán)傳送至C結(jié)點(diǎn)的支路信號(hào)順時(shí)針沿光纖S1傳輸，而由C結(jié)點(diǎn)進(jìn)入環(huán)傳送至A結(jié)點(diǎn)的支路信號(hào)則逆時(shí)針沿光纖S2傳輸，保護(hù)光纖P1和P2是空閑的。（4）二纖雙向復(fù)用段倒換環(huán)在四纖雙向復(fù)用段倒換環(huán)中，光纖S1上的業(yè)務(wù)信號(hào)與光纖P2上的保護(hù)信號(hào)的傳輸方向完全相同。如果利用時(shí)隙交換技術(shù)，可以使光纖S1和光纖P2上的信號(hào)都置于一根光纖(稱(chēng)S1/P2光纖)中，例如S1/P2光纖的一半時(shí)隙用于傳送業(yè)務(wù)信號(hào)，另一半時(shí)隙留給保護(hù)信第一百一十五頁(yè)，共一百六十五頁(yè)，編輯于2023