數(shù)字光纖通信系統(tǒng)

第4章

數(shù)字光纖通信系統(tǒng)

4.1

數(shù)字光纖通信系統(tǒng)概述4.2光纖和光器件4.3光端機(jī)4.4數(shù)字光纖系統(tǒng)的兩種傳輸體制12/16/202414.1

數(shù)字光纖通信系統(tǒng)概述

一、光纖通信發(fā)展史和現(xiàn)狀1、探索時(shí)期的光通信:

中國古代用“烽火臺(tái)”報(bào)警，歐洲人用旗語傳送信息，這些都可以看作是原始形式的光通信。

1880年，美國人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。光電話證明了用光波作為載波傳送信息的可行性。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。12/16/20242

1960年，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器，給光通信帶來了新的希望。激光具有波譜寬度窄，方向性極好，亮度極高，以及頻率和相位較一致的良好特性。繼紅寶石激光器之后，氦—氖(He-Ne)激光器、二氧化碳(CO2)激光器先后出現(xiàn)，并投入實(shí)際應(yīng)用。激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。12/16/202432、現(xiàn)代光纖通信

1966年，英籍華裔學(xué)者高錕指出了利用光纖(OpticalFiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。

1970年，光纖研制取得了重大突破。美國康寧(Corning)公司就研制成功損耗20dB/km的石英光纖。

1973年，美國貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室取得了更大成績，光纖損耗降低到2.5dB/km。

1976年，日本電報(bào)電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長1.2μm)。12/16/202443、光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個(gè)階段：

第一階段(1966-1976年)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時(shí)期。實(shí)現(xiàn)了短波長(0.85μm)低速率(45或34Mb/s)多模光纖通信系統(tǒng)。第二階段(1976-1986年)，這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時(shí)期。光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長從短波長(0.85μm)發(fā)展到長波長(1.31μm和1.55μm)。

第三階段(1986-1996年)，這是以超大容量超長距離為目標(biāo)、全面深入開展新技術(shù)研究的時(shí)期。在這個(gè)時(shí)期，實(shí)現(xiàn)了1.55μm色散移位單模光纖通信系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室可以達(dá)到更高水平。12/16/20245二、光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用

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，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，傳輸容量很大單波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率一般為2.5Gb/s和10Gb/s。波分復(fù)用(WDM)和光時(shí)分復(fù)用(TDM)更是極大地增加了傳輸容量，見下表。12/16/20246通信手段傳輸容量(話路)/條中繼距離/km1000km內(nèi)中繼器個(gè)數(shù)微波無線電9605020小同軸9604250中同軸180061600光纜19203033光纜14000(1Gb/s)8411光纜6000(445MB/S)1347表

光纖通信與電纜或微波通信傳輸能力的比較

12/16/20247

2.損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很小

石英光纖在1.31μm和1.55μm波長，傳輸損耗分別為0.50dB/km和0.20dB/km，甚至更低。因此，用光纖比用同軸電纜或波導(dǎo)管的中繼距離長得多，見表。傳輸容量大、傳輸誤碼率低、中繼距離長的優(yōu)點(diǎn)，使光纖通信系統(tǒng)不僅適合于長途干線網(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。12/16/20248

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。表給光纜和標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜的重量和截面積的比較。

項(xiàng)目

8芯

18芯光纜電纜光纜電纜重量/(kg·m-1)重量比0.4216.3150.4211126直徑/mm截面積比211475211659.6表

光纜和電纜的重量和截面積比較

12/16/20249

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的干擾和閃電雷擊的損壞。

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法竊聽。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。

12/16/202410

總之，光纖通信不僅在技術(shù)上具有很大的優(yōu)越性，由圖可見，隨著傳輸容量的增加，由于采用了新的傳輸媒質(zhì)，使得相對(duì)造價(jià)直線下降。圖

各種通信系統(tǒng)相對(duì)造價(jià)與傳輸容量的比較

12/16/202411光纖可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)。光纖通信的各種應(yīng)用可概括如下：①通信網(wǎng)，包括全球通信網(wǎng)、各國的公共電信網(wǎng)、各種專用通信網(wǎng)、特殊通信手段。②構(gòu)成因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，如光纖以太網(wǎng)、路由器之間的光纖高速傳輸鏈路。③有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)；工業(yè)電視系統(tǒng)，如工廠、銀行、商場、交通和公安部的監(jiān)控。④綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)，分為有源接入網(wǎng)和無源接入網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)電話、數(shù)據(jù)、視頻(會(huì)議電視、可視電話等)及多媒體業(yè)務(wù)綜合接入核心網(wǎng)，提供各種各樣的社區(qū)服務(wù)。12/16/202412三、光纖通信系統(tǒng)的基本組成

1、發(fā)射和接收下圖示出單向傳輸?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)。

圖

光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)組成演示12/16/202413信息源：把用戶信息轉(zhuǎn)換為原始電信號(hào)，這種信號(hào)稱為基帶信號(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)稱為已調(diào)信號(hào)。光發(fā)射機(jī)：輸入到光發(fā)射機(jī)帶有信息的電信號(hào)，通過調(diào)制轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。光接收機(jī)：光載波經(jīng)過光纖線路傳輸?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)：功能和電發(fā)射機(jī)的功能相反。12/16/202414

2、基本光纖傳輸系統(tǒng)

基本光纖傳輸系統(tǒng)作為獨(dú)立的“光信道”單元。有線通信系統(tǒng)或無線通信系統(tǒng)的發(fā)射與接收之間加入光發(fā)射機(jī)、光纖線路和光接收機(jī)，再配置適當(dāng)?shù)墓馄骷?，可以組成傳輸能力更強(qiáng)、功能更完善的光纖通信系統(tǒng)。下面簡要介紹基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個(gè)組成部分。12/16/202415光發(fā)射機(jī)：

光發(fā)射機(jī)的功能：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)組成：由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成。

光源是光發(fā)射機(jī)的核心。光發(fā)射機(jī)的性能基本上取決于光源的特性。

光源種類：半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)、半導(dǎo)體激光二極管(或稱激光器)(LD)，單縱模分布反饋(DFB)激光器。12/16/202416光纖線路：

光纖線路功能：是把來自光發(fā)射機(jī)的光信號(hào)，以盡可能小的失真和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)。

光纖線路組成：由光纖、光纖接頭和光纖連接器組成。

光纖基本要求：損耗和色散這兩個(gè)傳輸特性參數(shù)都盡可能地小，有足夠好的機(jī)械特性和環(huán)境特性。

石英光纖分類：多模光纖和單模光纖。單模光纖的傳輸特性比多模光纖好，價(jià)格比多模光纖便宜，因而得到更廣泛的應(yīng)用。單模光纖適合大容量長距離光纖傳輸系統(tǒng)，小容量短距離系統(tǒng)用多模光纖配合半導(dǎo)體發(fā)光二極管更加合適。12/16/202417光接收機(jī)：

光接收機(jī)的功能：是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號(hào)。

光接收機(jī)組成：由光檢測器、放大器和相關(guān)電路組成光檢測器是光接收機(jī)的核心。對(duì)光檢測器的要求是響應(yīng)度高、噪聲低和響應(yīng)速度快。

光檢測器種類：光電二極管(PIN-PD)、雪崩光電二極管(APD)。

光發(fā)射機(jī)與光接收機(jī)組成演示

12/16/202418光接收機(jī)最重要的特性參數(shù)是靈敏度。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)。12/16/2024194.2光纖和光器件

一、光纖1、光纖

光纖就是導(dǎo)光的玻璃纖維的簡稱,是石英玻璃絲,它的直徑只有0.1mm，它和原來傳送電話的明線、電纜一樣，是一種新型的信息傳輸介質(zhì)，但它比以上兩種方式傳送的信息量要高出成千上萬倍，

可達(dá)到上百千兆比特/秒,而且衰耗極低。12/16/202420

2.光纖的導(dǎo)光原理

光纖為什么能夠?qū)Ч猓?/p>

能傳送大量信息呢?

這里我們用簡單的比喻，

從物理概念上來說明，以加深對(duì)光纖傳輸信息的理解。

光纖是利用光的全反射特性來導(dǎo)光的。在物理中學(xué)習(xí)過光從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播，由于它們?cè)诓煌橘|(zhì)中傳輸速率不一樣，因此，當(dāng)通過兩個(gè)不同的介質(zhì)交界面就會(huì)發(fā)生折射。12/16/202421

若有兩種不同介質(zhì),其折射率分別為n0,n1，而且n1＞n0,設(shè)界面為XX′；折射率小的稱光疏媒質(zhì),折射率大的稱光密媒質(zhì)；假定光線從光疏媒質(zhì)射向光密媒質(zhì),其折射情況如圖所示。圖中，入射角為θ0為入射光線與法線YY′夾角,折射角為θ1為折射光線與YY′夾角；由圖可見，θ1＜θ0。圖光的折射示意圖12/16/202422

若使光束從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì)時(shí),則折射角大于入射角，如圖所示。如果不斷增大θ0可使折射角θ1達(dá)到90°,這時(shí)的θ1稱為臨界角。當(dāng)光線從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì),且入射角大于臨界角時(shí),就會(huì)產(chǎn)生全反射現(xiàn)象。光纖就是利用這種全反射來傳輸光信號(hào)的。圖

臨界角和光線的全反射

12/16/202423

以上了解了光的全反射原理之后，下面畫出光在階躍光纖中的傳播軌跡，即按“之”之形傳播及沿纖芯與包層的分界面掠過，如圖

所示。

12/16/202424

在制造光纖時(shí)，

使光纖芯的折射率高，在外面涂上一包屏層，可使折射率低；當(dāng)選擇一定的角度θ0時(shí)，射入纖芯的光束將會(huì)全部返回纖芯中。光纖芯線結(jié)構(gòu)如圖所示。

光纖的芯線由纖芯、包層、涂覆層、套塑四部分組成。

12/16/202425圖光纖芯線的剖面構(gòu)造

12/16/202426

纖芯：纖芯位于光纖的中心部位（直徑d1約9～50微米），其成份是高純度的二氧化硅。

包層：包層位于纖芯的周圍（其直徑d2約125微米），其成份也是含有極少量摻雜劑的高純度二氧化硅。

涂敷層：光纖的最外層是由丙烯酸酯、硅橡膠和尼龍組成的涂敷層，其作用是增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性。12/16/202427

3.光纖的分類

根據(jù)波導(dǎo)傳輸波動(dòng)理論分析，光纖的傳播模式可分為多模光纖和單模光纖。

1)多模光纖多模光纖即能承受多個(gè)模式的光纖。這種光纖結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn),接頭連接要求不高,用起來方便,也較便宜。因而在早期的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)(PDH系列)中采用，但這種光纖傳輸帶寬窄、衰耗大、時(shí)延差大,因而已逐步被單模光纖代替。

12/16/202428

2)單模光纖單模光纖即只能傳送單一基模的光纖,如圖。這種光纖從時(shí)域看不存在時(shí)延差，從頻域看,傳輸信號(hào)的帶寬比多模光纖寬得多,有利于高碼率信息長距離傳輸。12/16/202429

圖

裸光纖結(jié)構(gòu)示意圖(a)階躍型多模光纖;(b)梯度型多模光纖;(c)單模光纖

12/16/202430二、光纜

為了使光纖能在工程中實(shí)用化，能承受工程中拉伸、側(cè)壓和各種外力作用,還要具有一定的機(jī)械強(qiáng)度才能使性能穩(wěn)定。因此,將光纖制成不同結(jié)構(gòu)、不同形狀和不同種類的光纜以適應(yīng)光纖通信的需要。

光纜主要由纜芯、護(hù)套和加強(qiáng)元件組成。

12/16/202431纜芯

纜芯是由光纖芯組成的,它可分為單芯和多芯兩種。單芯型纜芯和多芯型纜芯結(jié)構(gòu)的比例如表。單芯型由單根二次涂覆處理后的光纖組成。

多芯型由多根經(jīng)二次涂覆處理后的光纖組成,它又分為帶狀結(jié)構(gòu)和單位式結(jié)構(gòu)。強(qiáng)度元件

由于光纖的材料比較脆,容易斷裂,在光纜內(nèi)中心或四周要加一根或多根加強(qiáng)元件。護(hù)層光纜的護(hù)層主要是對(duì)已形成的光纖芯線起保護(hù)作用,避免受外部機(jī)械力和環(huán)境損壞。12/16/202432

12/16/202433

光纜的種類

在公用通信網(wǎng)中用的光纜結(jié)構(gòu)如表所示。

12/16/202434下面介紹幾種有代表性的光纜結(jié)構(gòu)形式。

(1)層絞式光纜。它是將若干根光纖芯線以強(qiáng)度元件為中心絞合在一起的一種結(jié)構(gòu),如圖(a)所示。特點(diǎn)是成本低,芯線數(shù)不超過10根。

(2)單位式光纜。它是將幾根至十幾根光纖芯線集合成一個(gè)單位,再由數(shù)個(gè)單位以強(qiáng)度元件為中心絞合成纜,如圖(b)所示,其芯線數(shù)一般適用于幾十芯。

12/16/202435(3)骨架式光纜。這種結(jié)構(gòu)是將單根或多根光纖放入骨架的螺旋槽內(nèi),骨架中心是強(qiáng)度元件,骨架上的溝槽可以是V型、U型或凹型,如圖(c)所示。光纖具有耐側(cè)壓、抗彎曲、抗拉的特點(diǎn)。

(4)帶狀式光纜。它是將4～12根光纖芯線排列成行,構(gòu)成帶狀光纖單元,再將多個(gè)帶狀單元按一定方式排列成纜,如圖(d)所示。這種光纜的結(jié)構(gòu)緊湊,采用此種結(jié)構(gòu)可做成上千芯的高密度用戶光纜。

12/16/202436

圖(a)層絞式；(b)單位式；(c)骨架式；(d)帶狀12/16/2024374.3光端機(jī)

一、光發(fā)射機(jī)1、數(shù)字光發(fā)射機(jī)的功能:

電端機(jī)輸出的數(shù)字基帶電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)；用耦合技術(shù)注入光纖線路；用數(shù)字電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制。2、調(diào)制方式：直接調(diào)制和外調(diào)制。

受調(diào)制的光源特性參數(shù)有：功率、幅度、頻率和相位，廣泛應(yīng)用的是直接光強(qiáng)(功率)調(diào)制。

12/16/202438IIPP輸入電信號(hào)輸出光信號(hào)輸出光信號(hào)輸入電信號(hào)

(a)LED數(shù)字調(diào)制原理；(b)LD的數(shù)字調(diào)制原理

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，輸出光信號(hào)反映輸入電信號(hào)。12/16/2024393、光發(fā)射機(jī)基本組成數(shù)字光發(fā)射機(jī)的方框圖如圖所示，主要有光源和電路兩部分。

光源是實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，在很大程度上決定著光發(fā)射機(jī)的性能。

電路的設(shè)計(jì)應(yīng)以光源為依據(jù)，使輸出光信號(hào)準(zhǔn)確反映輸入電信號(hào)。輸入接口線路編碼調(diào)制電路光源控制電路電信號(hào)輸入光信號(hào)輸出圖

數(shù)字光發(fā)射機(jī)方框圖12/16/2024401）光源

對(duì)通信用光源的要求如下

：

發(fā)射的光波長應(yīng)和光纖低損耗“窗口”一致，即中心波長應(yīng)在0.85μm、1.31μm和1.55μm附近。光譜單色性要好，即譜線寬度要窄，以減小光纖色散對(duì)帶寬的限制。電/光轉(zhuǎn)換效率要高，即要求在足夠低的驅(qū)動(dòng)電流下，有足夠大而穩(wěn)定的輸出光功率，且線性良好。發(fā)射光束的方向性要好，以利于提高光源與光纖之間的耦合效率。

12/16/202441允許的調(diào)制速率要高或響應(yīng)速度要快，以滿足系統(tǒng)的大傳輸容量的要求。

器件應(yīng)能在常溫下以連續(xù)波方式工作，要求溫度穩(wěn)定性好，可靠性高，壽命長。此外，要求器件體積小，重量輕，安裝使用方便，價(jià)格便宜。

12/16/2024422）調(diào)制電路和控制電路直接光強(qiáng)調(diào)制的數(shù)字光發(fā)射機(jī)主要電路有：調(diào)制電路、控制電路和線路編碼電路。

3）線路編碼電路電端機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)是適合電纜傳輸?shù)碾p極性碼，而光源不能發(fā)射負(fù)脈沖，要變換為適合于光纖傳輸?shù)膯螛O性碼。

12/16/202443

二、光接收機(jī)1、光接收機(jī)基本組成直接強(qiáng)度調(diào)制、直接檢測方式的數(shù)字光接收機(jī)方框圖示于圖。主要包括：光檢測器、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。12/16/202444

1）光檢測器光檢測器是光接收機(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。對(duì)光檢測器的要求如下：波長響應(yīng)要和光纖低損耗窗口(0.85μm、1.31μm和1.55μm)兼容；

響應(yīng)度要高，在一定的接收光功率下，能產(chǎn)生最大的光電流；

噪聲要盡可能低，能接收極微弱的光信號(hào)；

性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長，功耗體積小。目前，適合于光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用的光檢測器有

PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。12/16/202445

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。前放的噪聲取決于放大器的類型，目前有三種類型的前放可供選擇。

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；并通過它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制(AGC)，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。12/16/202446

3）均衡和再生

均衡的目的：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，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12/16/202447

2、光電集成接收機(jī)圖中除光檢測器以外的所有元件都是標(biāo)準(zhǔn)的電子器件，很容易用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路(IC)技術(shù)將它們集成在同一芯片上。不論是硅(Si)還是砷化鎵(GaAs)IC技術(shù)都能夠使集成電路的工作帶寬超過2GHz，甚至達(dá)到10GHz。為了適合高傳輸速率的需求，人們一直在努力開發(fā)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器在內(nèi)的全部元件。12/16/202448

在1991年試驗(yàn)成功的單路InGaAsOEIC接收機(jī)，其運(yùn)行速率達(dá)5Gb/s。

InGaAsOEIC接收機(jī)也可以用混合法實(shí)現(xiàn)。如圖所示，電元件集成在GaAs基片上，而光檢測器集成在InP基片上，兩個(gè)部分通過接觸片連接在一起。圖

光電集成接收機(jī)12/16/202449三、線路編碼在光纖通信系統(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?shù)字光纖通信系統(tǒng)普遍采用二進(jìn)制二電平碼，即“有光脈沖”表示“１”碼，“無光脈沖”表示“0”碼。12/16/2024501、簡單的二電平碼會(huì)帶來如下問題：

在碼流中，出現(xiàn)“１”碼和“0”碼的個(gè)數(shù)是隨機(jī)變化的，因而直流分量也會(huì)發(fā)生隨機(jī)波動(dòng)(基線漂移)，給光接收機(jī)的判決帶來困難。

在隨機(jī)碼流中，容易出現(xiàn)長串連“１”碼或長串連“0”碼，這樣可能造成位同步信息丟失，給定時(shí)提取造成困難或產(chǎn)生較大的定時(shí)誤差。不能實(shí)現(xiàn)在線(不中斷業(yè)務(wù))的誤碼檢測，不利于長途通信系統(tǒng)的維護(hù)。12/16/202451

2、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對(duì)線路碼型的主要要求是保證傳輸?shù)耐该餍裕唧w要求有：能限制信號(hào)帶寬，減小功率譜中的高低頻分量。提高輸出功率的穩(wěn)定性和減小碼間干擾，有利于提高光接收機(jī)的靈敏度。

能給光接收機(jī)提供足夠的定時(shí)信息。因而應(yīng)盡可能減少連“１”碼和連“0”碼的數(shù)目，使“1”碼和“0”碼的分布均勻，保證定時(shí)信息豐富。

能提供一定的冗余碼，用于平衡碼流、誤碼監(jiān)測和公務(wù)通信。

12/16/2024523、擾碼為了保證傳輸?shù)耐该餍?，在系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)的調(diào)制器前，需要附加一個(gè)擾碼器，將原始的二進(jìn)制碼序列加以變換，使其接近于隨機(jī)序列。相應(yīng)地，在光接收機(jī)的判決器之后，附加一個(gè)解擾器，以恢復(fù)原始序列。擾碼改變了“１”碼與“0”碼的分布，從而改善了碼流的一些特性。例如：擾碼前：1100000011000…

擾碼后：1101110110011…12/16/202453擾碼有下列缺點(diǎn)：不能完全控制長串連“１”和長串連“0”序列的出現(xiàn)；沒有引入冗余，不能進(jìn)行在線誤碼監(jiān)測；信號(hào)頻譜中接近于直流的分量較大，不能解決基線漂移。因?yàn)閿_碼不能完全滿足光纖通信對(duì)線路碼型的要求，所以許多光纖通信設(shè)備除采用擾碼外還采用其它類型的線路編碼。12/16/2024544、mBnB碼

mBnB碼是把輸入的二進(jìn)制原始碼流進(jìn)行分組，每組有m個(gè)二進(jìn)制碼，記為mB，稱為一個(gè)碼字，然后把一個(gè)碼字變換為n個(gè)二進(jìn)制碼，記為nB，并在同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)輸出。這種碼型是把mB變換為nB，所以稱為mBnB碼，其中m和n都是正整數(shù)，n>m，一般選取n=m+1。mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B等等。

12/16/202455

mBnB碼編碼原理最簡單的mBnB碼是1B2B碼，即曼徹斯特碼，這就是把原碼的“０”變換為“01”，把“1”變換為“10”。因此最大的連“０”和連“１”的數(shù)目不會(huì)超過兩個(gè)，例如1001和0110。但是在相同時(shí)隙內(nèi)，傳輸1比特變?yōu)閭鬏?比特，碼速提高了1倍。

12/16/202456

以3B4B碼為例，輸入的原始碼流3B碼，共有（23

）8個(gè)碼字，變換為4B碼時(shí)，共有(24)16個(gè)碼字，見表。為保證信息的完整傳輸，必須從4B碼的16個(gè)碼字中挑選8個(gè)碼字來代替3B碼。設(shè)計(jì)者根據(jù)最佳線路碼特性的原則來選擇碼表。例如：在3B碼中有2個(gè)“0”，變?yōu)?B碼時(shí)補(bǔ)1個(gè)“１”；在3B碼中有2個(gè)“1”，變?yōu)?B碼時(shí)補(bǔ)1個(gè)“0”。而000用0001和1110交替使用；111用0111和1000交替使用。同時(shí)，規(guī)定一些禁止使用的碼字，稱為禁字，例如0000和1111。12/16/202457

01111111111

01101110110

01011101101

01001100100

00111011011

00101010010

00011001001

000010000004B3B

表

3B和4B的碼字

12/16/202458

作為普遍規(guī)則，引入“碼字?jǐn)?shù)字和”(WDS)來描述碼字的均勻性，并以WDS的最佳選擇來保證線路碼的傳輸特性。所謂“碼字?jǐn)?shù)字和”，是在nB碼的碼字中，用“-1”代表“0”碼，用“+1”代表“１”碼，整個(gè)碼字的代數(shù)和即為WDS。如果整個(gè)碼字“１”碼的數(shù)目多于“0”碼，則WDS為正；如果“0”碼的數(shù)目多于“1”碼，則WDS為負(fù)；如果“0”碼和“1”碼的數(shù)目相等，則WDS為0。例如：對(duì)于0111，WDS=+2；對(duì)于0001，

WDS=-2；對(duì)于0011，WDS=0。

12/16/202459

nB碼的選擇原則是：盡可能選擇|WDS|最小的碼字，禁止使用|WDS|最大的碼字。以3B4B為例，應(yīng)選擇WDS=0和WDS=±2的碼字，禁止使用WDS=±4的碼字。

線路碼（4B）信號(hào)碼（3B）模式2（負(fù)組）模式1（正組）WDS碼子WDS碼子-20010+211011117-21000+20111110601010010101015010010100110040011000110011300101001010102-20001+211100011-20100+210110000

表

一種3B4B碼表12/16/202460

我國3次群和4次群光纖通信系統(tǒng)最常用的線路碼型是5B6B碼，其編碼規(guī)則如下：

5B碼共有(25)32個(gè)碼字，變換6B碼時(shí)共有(26)64個(gè)碼字，其中WDS=0有20個(gè)，WDS=±2有15個(gè)，WDS=-2有15個(gè)，共有50個(gè)|WDS|最小的碼字可供選擇。由于變換為6B碼時(shí)只需32個(gè)碼字，為減少連“１”和連“0”的數(shù)目，刪去：000011、110000、001111和111100。禁用WDS=±4和±6的碼字。表4示出根據(jù)這個(gè)規(guī)則編制的一種5B6B碼表，正組和負(fù)組交替使用。表中正組選用20個(gè)WDS=0和12個(gè)WDS=+2，負(fù)組選用20個(gè)WDS=0和12個(gè)WDS=-2。

12/16/20246112/16/202462線路碼（6B）信號(hào)碼（5B）模式2（負(fù)組）模式1（正組）WDS碼子WDS碼子-2000101+21110101111131-2001001+21101101111030-2010001+2101101110129011100001110001110028-2000110+21110011101127011010001101001101026011001001100101100125續(xù)表12/16/202463

mBnB碼是一種分組碼，設(shè)計(jì)者根據(jù)傳輸特性的要求確定某種碼表。mBnB碼的特點(diǎn)是：

(1)碼流中“0”和“1”碼的概率相等，連“0”和連“1”的數(shù)目較少，定時(shí)信息豐富。

(2)高低頻分量較小，信號(hào)頻譜特性較好，基線漂移小

(3)在碼流中引入一定的冗余碼，便于在線誤碼檢測。

mBnB碼的缺點(diǎn)是傳輸輔助信號(hào)比較困難。因此，在要求傳輸輔助信號(hào)或有一定數(shù)量的區(qū)間通信的設(shè)備中，不宜用這種碼型。12/16/2024644.4數(shù)字光纖系統(tǒng)的兩種傳輸體制

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(jí)，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。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。

12/16/202465

一、

數(shù)字復(fù)接原理

數(shù)字復(fù)接實(shí)質(zhì)上是對(duì)數(shù)字信號(hào)的時(shí)分多路復(fù)用。數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)組成原理如圖所示。數(shù)字復(fù)接設(shè)備由數(shù)字復(fù)接器和數(shù)字分接器組成。數(shù)字復(fù)接器將若干個(gè)低等級(jí)的支路信號(hào)按時(shí)分復(fù)用的方式合并為一個(gè)高等級(jí)的合路信號(hào)。數(shù)字分接器將一個(gè)高等級(jí)的合路信號(hào)分解為原來的低等級(jí)支路信號(hào)。

12/16/202466圖

數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)組成原理12/16/202467

碼速調(diào)整單元：對(duì)輸入各支路信號(hào)的速率和相位進(jìn)行調(diào)整，形成與本機(jī)定時(shí)信號(hào)完全同步的數(shù)字信號(hào)，使輸入的各支路信號(hào)是同步的。定時(shí)單元：受時(shí)鐘控制，產(chǎn)生復(fù)接需要的各種定時(shí)控制信號(hào)。分接器：合路數(shù)字信號(hào)和相應(yīng)的時(shí)鐘同時(shí)送給分接器。分接器的定時(shí)單元受合路時(shí)鐘控制，因此它的工作節(jié)拍與復(fù)接器定時(shí)單元同步。同步單元：從合路信號(hào)中提出幀同步信號(hào)，用它再去控制分接器定時(shí)單元?；謴?fù)單元：把分解出的數(shù)字信號(hào)恢復(fù)出來。12/16/202468

在數(shù)字復(fù)接中，如果復(fù)接器輸入端的各支路信號(hào)與本機(jī)定時(shí)信號(hào)是同步的，則稱為同步復(fù)接器。如SDH

如果不是同步的，則稱為異步復(fù)接器。輸入各支路數(shù)字信號(hào)與本機(jī)定時(shí)信號(hào)標(biāo)稱速率相同，但實(shí)際上有一個(gè)很小的容差，這種復(fù)接器稱為準(zhǔn)同步復(fù)接器。如PDH12/16/202469二、

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(jí)(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(jí)(一次群)基礎(chǔ)速率，采用的國家有西歐各國和中國。12/16/20247012/16/202471對(duì)于以2.048Mb/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。對(duì)于以1.544Mb/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。

PDH各次群比特率相對(duì)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次群接口比特率早在1976年就實(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(duì)點(diǎn)的傳輸。12/16/202472

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(jì)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(jià)格昂貴。12/16/202473

三、同步數(shù)字系列SDH

1.SDH傳輸網(wǎng)

SDH不僅適合于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，而且適合于多點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

圖示出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。12/16/202474圖

SDH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(hào)低速信號(hào)……低速信號(hào)低速信號(hào)(n<N)12/16/202475

SDH終端的主要功能是：復(fù)接/分接和提供業(yè)務(wù)適配

SDH終端的復(fù)接/分接功能主要由TM設(shè)備完成。MUXE1E1…STM-N同步復(fù)接DMXE1E1…STM-N同步分接圖

SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)單元(a)終端復(fù)用器TM；12/16/202476

ADM是一種特殊的復(fù)用器它利用分接功能將輸入信號(hào)所承載信息分兩部分：一部分直接轉(zhuǎn)發(fā)；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DMXMUX中繼線STM-N中繼線STM-NAddSTM-n分接復(fù)接DropSTM-n本地圖SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)單元分插復(fù)用設(shè)備ADM(Add/DropMultiplexer)12/16/202477

DXC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。1:m1:m…m:1m:1復(fù)接交叉連接矩陣分接1n1n配置管理圖

SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)單元數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC12/16/2024782、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(jí)。最低的等級(jí)也就是最基本的模塊稱為STM-1，傳輸速率為155.520Mb/s；4個(gè)STM-1同步復(fù)接組成STM-4，傳輸速率為622.080Mb/s；16個(gè)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(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。12/16/202479

(4)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(hào)復(fù)接成高速信號(hào)，或從高速信號(hào)分出低速信號(hào)，不必逐級(jí)進(jìn)行。

(5)采用數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC可以對(duì)各種端口速率進(jìn)行可控的連接配置，對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行自動(dòng)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。

SDH采用了DXC后，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性及對(duì)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(gè)嶄新的水平。12/16/202480

圖

分插信號(hào)流程的比較光/電光信號(hào)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(hào)2/8Mb/s8/34Mb/s34/140Mb/s2Mb/s(電信號(hào))SDHADM155Mb/s光接口155Mb/s光接口2Mb/s(電信號(hào))PDHPDH和SDH分插信號(hào)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(hào)，十分簡便。

12/16/202481

3.SDH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。圖給出SDH幀一個(gè)STM-N幀有9行，每行由270×N個(gè)字節(jié)組成。這樣每幀共有9×270×N個(gè)字節(jié)每字節(jié)為8bit。幀周期為125μs，每秒傳輸8000幀。對(duì)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?yàn)椋河缮贤轮鹦邪l(fā)送，每行先左后右。

12/16/202482圖

SDH幀的一般結(jié)構(gòu)12/16/202483SDH幀的三個(gè)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)，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(dòng)保護(hù)倒換以及網(wǎng)管信息傳輸。

(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。在Payload中包含少量字節(jié)用于通道的運(yùn)行、維護(hù)和管理，這些字節(jié)稱為通道開銷(POH)。

12/16/202484