光纤通信 刘增基 课件 第5章

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1、 第 5 章 数字光纤通信系统5.1 两种传输体制5.2 系统的性能指标5.3 系统的设计 返回主目录第5章 数字光纤通信系统5.1两种传输体制光纤大容量数字传输系统的两种传输体制：（1）准同步数字系列(PDH)（2）同步数字系列(SDH)。 1976年PDH实现了标准化。1984年美国提出了同步光纤网(SONET)。1988年，ITUT(原CCITT)参照SONET的概念，提出了被称为同 步数字系列(SDH)的规范建议。SDH是一种比较完善的传输体制，这种传输体制不仅适用于光 纤信道，也适用于微波和卫星干线传输。5.1.1准同步数字系列PDH准同步数字系列有两种基础速率：（1）一种是以1.5

2、44 Mb/s为第一级(一次群，或称基群)基础速率，采用的国家有北美各国和日本；（2）另一种是以2.048 Mb/s为第一级(一次群)基础速率， 采用的国家有西欧各国和中国。表5.1是世界各国商用数字光纤通信系统的PDH传输体制，表中示出两种 基础速率各次群的速率、话路数及其关系。对于以2.048 Mb/s为基础速率的制式，各次群的话路数按4倍递增。对于以1.544 Mb/s为基础速率的制式，在3次群以上，日本和北美各国又 不相同，看起来很杂乱。PDH主要适用于中、低速率点对点的传输。随着技术的进步和 社会对信息的需求，数字系统传输容量不断提高， 网络管理 和控制的要求日益重要，宽带综合业务数

3、字网和计算机网络迅 速发展，现有PDH的许多缺点也逐渐暴露出来，主要有： (2) 没有足够的开销比特，使网络设计缺乏灵活性。(3) 上下话路不方便。 (1) 没有世界统一的标准光接口。5.1.2同步数字系列SDH1. SDH传输网SDH不仅适合于点对点传输，而且适合于多点之间的网络传输。SDH终端复用器TM、分插复用设备ADM、数字交叉连接设备DXC 等网络单元以及连接它们的(光纤)物理链路构成。SDH终端的 主要功能是复接/分接和提供业务适配。ADM是一种特殊的复 用器，可以它转发、分接、复接信号所承载的信息。DXC类似 于交换机，它一般有多个输入和多个输出，通过适当配置可 提供不同的端到端

4、连接。图5.2SDH传输网络单元(a) 终端复用器TM； (b) 分插复用设备ADM(Add/Drop Multiplexer); (c) 数字交叉连接设备DXC MUXE1E1STM- N同步复接DMXE1E1STM-N同步分接(a)DMXMUX中继线STM- N中继线STM- N DropSTM- nAddSTM- n分接复接本地(b)1: m1: mm:1m:1复接交叉连接矩阵分接1n1n(c)配置管理图 5.3传输通道的结构(a) 传输通道连接模型； (b) 分层结构 与PDH相比， SDH具有下列特点：(1) SDH采用世界上统一的标准传输速率等级。最低的等级也就是最基本的 模块称为

5、STM-1，传输速率为155.520Mb/s； 4个STM1 同步复接组成STM-4 ，传输速率为4155.52 Mb/s=622.080 Mb/s。(2) SDH各网络单元的光接口有严格的标准规范。因此， 光接口成为开放 型接口，任何网络单元在光纤线路上可以互连， 不同厂家的产品可以互通 ，(3) 在SDH帧结构中，丰富的开销比特用于网络的运行、 维护和管理，便 于实现性能监测、故障检测和定位、故障报告等管理功能。(4) 采用数字同步复用技术，其最小的复用单位为字节，不必进行码速调 整，简化了复接分接的实现设备，由低速信号复接成高速信号，或从高速 信号分出低速信号，不必逐级进行。(5) SD

6、H采用了DXC后，大大提高了网络的灵活性及对各种业务量变化的适 应能力。2. SDH帧结构SDH帧结构是实现数字同 步时分复用、保证网络可靠 有效运行的关键。图 5.5 给 出SDH帧一个STMN帧有9行， 每行由270N个字节组成。 这样每帧共有9270N个字 节，每字节为8 bit。帧周期 为125s，即每秒传输8000 帧。对于STM1 而言，传输速 率为 927088000=155.520 Mb/s。字节发送顺序为：由 上往下逐行发送，每行先左 后右。图 5.5 SDH帧的一般结构 SDH帧大体可分为三个部分：(1) 段开销(SOH)。 段开销是在SDH帧中为保证信息正常 传输所必需的

7、附加字节(每字节含64 kb/s的容量)，主要用于 运行、 维护和管理，如帧定位、 误码检测、 公务通信、自 动保护倒换以及网管信息传输。对于STM-1 而言，SOH共使用98(第4行除外)=72 Byte相应 于576bit。由于每秒传输8000帧，所以SOH的容量为 5768000=4.608 Mb/s。根据图5.3(a)的传输通道连接模型，段开销又细分为再生 段开销(SOH)和复接段开销(LOH)。前者占前3行，后者占59 行。(2) 信息载荷(Payload)。信息载荷域是SDH帧内用于承载各 种业务信息的部分。对于STM1而言，Payload有9261=2349 Byte, 相应于2

8、34988000=150.336 Mb/s的容量。在Payload中包含少量字节用于通道的运行、维护和管理 ， 这些字节称为通道开销(POH)。(3) 管理单元指针(AU-PTR)。管理单元指针是一种指示符， 主要用于指示Payload第一个字节在帧内的准确位置(相对于 指针位置的偏移量)。对于STM-1而言，AU-PTR有9个字节(第4 行)， 相应于988000=0.576 Mb/s。采用指针技术是SDH的创新，结合虚容器(VC)的概念， 解决了低速信号复接成高速信号时，由于小的频率误差所造 成的载荷相对位置漂移的问题。3. 复用原理将低速支路信号复接为高速信号的方法有两种： （1）正码速

9、调整法 优点是容许被复接的支路信号有较大的频 率误差；缺点是复接与分接相当困难。（2）固定位置映射法 是让低速支路信号在高速信号帧中占用 固定的位置。这种方法的优点是复接和分接容易实现，但由于 低速信号可能是属于PDH的或由于SDH网络的故障，低速信号与 高速信号的相对相位不可能对准，并会随时间而变化。SDH采用载荷指针技术，结合了上述两种方法的优点，付出的 代价是要对指针进行处理。超大规模集成电路的发展，为实现 指针技术创造了条件。图 5.6 载荷包络与SDH帧的一般关系ITUT规定了SDH的一般复用映射结构。所谓映射结构，是指把支路信号适配装入虚容器的过程，其 实质是使支路信号与传送的载荷

10、同步。 这种结构可以把目前PDH的绝大多数标准速率信号装入 SDH帧。图5.7示出SDH一般复用映射结构，图中Cn是标准容器 ， 用来装载现有PDH的各支路信号， 即C11#, C12#, C2#, C3 和C4 分别装载1.5 Mb/s#, 2Mb/s#, 6 Mb/s#, 34 Mb/s#, 45 Mb/s和140Mb/s的支路信号，并完成速率适配处理的功能。在标准容器的基础上，加入少量通道开销(POH)字节，即 组成相应的虚容器VC。VC的包络与网络同步，但其内部则可 装载各种不同容量和不同格式的支路信号。所以引入虚容器 的概念，使得不必了解支路信号的内容，便可以对装载不同 支路信号的V

11、C进行同步复用、交叉连接和交换处理，实现大 容量传输。图 5.7 SDH的一般复用映射结构 STM-NAUGAU-4VC-4TU-2VC-2C-2TU-12VC-12C-12TU-11VC-11C-11TUG-2134C-3VC-3TU-3VC-3TUG-31773C-4139264 kb/s44736 kb/s 34368 kb/s6312 kb/s2048 kb/s1544 kb/sAU-3N13指针处理复用 定位校准 映射由于在传输过程中，不能绝对保证所有虚容器的起始相位始终都能同步，所以要在VC 的前面加上管理单元指针(AU PTR)， 以进行定位校准。加入指针后组成的信息单元结构分为

12、管理单元(AU)和支路单元(TU)。AU由高阶VC(如VC-4)加AU指针组成， TU由低阶VC加TU指针组成。TU经均匀字节间插后， 组成支路单元组(TUG)，然后组成AU-3或AU-4。3个AU-3或1个AU-4组成管理单元组(AUG)，加上段开销SOH，便组成STM-1 同步传输信号；N个STM-1 信号按字节同步复接， 便组成STM-N。 最简单的例子是，由PDH的4次群信号到SDH的STM-1 的复接过程。把139.264 Mb/s的信号装入容器C-4，经速率适配处理后，输出信号速率为149.760 Mb/s; 在虚容器VC-4 内加上通道开销POH(每帧9 Byte, 相应于0.5

13、76 Mb/s)后，输出信号速率为150.336 Mb/s；在管理单元AU-4 内，加上管理单元指针AU -PTR(每帧9 Byte, 相应于0.576 Mb/s)，输出信号速率为150.912 Mb/s; 由 1个AUG加上段开销SOH(每帧72 Byte, 相应于4.608 Mb/s), 输出信号速率为155.520 Mb/s, 即为STM-1。4. 数字交叉连接设备数字交叉连接设备(DXC)相当于一种自动的数字电路配线 架。图5.2 表示的是SDH的DXC(也适合于PDH)，其核心部分是 可控的交叉连接开关(空分或时分)矩阵。参与交叉连接的基 本电路速率可以等于或低于端口速率，它取决于信

14、道容量分 配的基本单位。一般每个输入信号被分接为m个并行支路信号 ，然后通过时分(或空分)交换网络，按照预先存放的交叉连 接图或动态计算的交叉连接图对这些电路进行重新编排，最 后将重新编排后的信号复接成高速信号输出。1:m1: mm:1m:1复接交叉连接矩阵分接1n1n配置管理DXC的标示：通常用DXCX/Y来表示一个DXC的配置类型，其中第一个数 字X表示输入端口速率的最高等级，第二个数字Y表示参与交 叉连接的最低速率等级。数字0表示64 kb/s电路速率；数字1 、2、3、4 分别表示PDH的1至 4 次群的速率， 其中 4 也代 表SDH 的STM1 等级； 数字 5 和 6 分别代表S

15、DH的STM4 和 STM等级。 例如，DXC 1/0 表示输入端口的最高速率为一次群信号 的速率(E1: 2.048 Mb/s), 而交叉连接的基本速率为64 kb/s; DXC 4/1 表示输入端口的最高速率为155.52 Mb/s(对于SDH) 或140 Mb/s(对于PDH)，而交叉连接的基本速率为2.048 Mb/s 。目前应用最广泛的是DXC 1/0、DXC 4/1和DXC 4/4。 交叉连接设备与交换机的区别有：(1) DXC 的输入输出不是单个用户话路， 而是由许多话路组 成的群路；(2) 两者都能提供动态的通道连接，但连接变动的时间尺度是 不同的。前者按大量用户的集合业务量的

16、变化及网络的故障状 况来改变连接，由网管系统配置；后者按照用户的呼叫请求来 建立或改变连接，由信令系统实现呼叫连接控制。DXC在干线传输网中的主要用途是实现自动化的网络配置 管理。5. SDH的应用SDH可用于点对点传输(图5.8)、 链形网(图5.9)和环形 网(图5.10)。SDH环形网的一个突出优点是具有“自愈”能力。图 5.8 SDH用于点对点传 输图 5.9 SDH链形网 图 5.10 SDH环形网(双环) 5.2 系统的性能指标5.2.1参考模型为进行系统性能研究，ITUT(原CCITT)建议中提出了一个 数字传输参考模型，称为假设参考连接(HRX)。假设在两个用 户之间的通信可能要经过全部线路和各种串联设备组成的数字 网，而且任何参数的总性能逐级分配后应符合用户的要求。图 5.11 标准