课程3 光传输技术

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1、课程2：光传输技术课程内容：一、光传输基本知识1、光传输系统组成2、同步、异步、准同步的概念二、准同步数字传输体系（PDH）1、PDH的基本概念2、PDH的速率等级3、PDH的复用结构三、同步数字传输体系（SDH）1、SDH的产生和发展2、SDH原理简述3、SDH的结构4、SDH复用原理 四、GW光传输产品简介光通信概述、通信概述光纤即光导纤维的简称。光纤通信是以光信号为载体，光导纤维为传输介质的一种通信 方式。由于光纤通信具有传输频带宽、通信容量大、损耗低、不受电磁干扰等一系列优点， 光纤通信技术近年来得到飞速发展。二、光纤通信的三个低损耗窗口光波是人类最熟悉的电磁波，其波长在微米级，频率为

2、1014Hz1015Hz。目前光纤通信 使用的波长范围在近红外区，即波长为0.8pm1.8pm。目前光纤通信所采用的三个实用的波长为0.8pm，1.31pm和1.55pm，而0.8pm，1.31pm 和1.55pm左右则是光纤通信中常用的三个低损耗窗口。0.8pm （短波长）窗口是最早发现 的，因为首先研制成功的半导体激光器（GaAlAs）的发射波长刚好在这一区域。随着对光 纤损耗机理的深入研究，人们发现在长波长1.31pm和1.55pm处光纤的传输损耗更小。因 此，长波长光纤通信受到重视并得到非常迅速的发展。i. 光纤的结构目前通信用的光纤，是用石英玻璃（SiO2）制成的横截面很小的双层同心

3、圆柱体，未经涂覆和套塑时称为裸光纤。如图1-3所示，裸光纤由纤芯和包层组成，折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为n直径为2a；折射率低的中心部分叫做包层，其折射率为n2,直径为2b。根据在光纤中传输的光信号的波长和模式的不同，a与b具有不同的值。纤芯图1-3裸光纤剖面结构示意图2a2b包层一次涂覆二次涂覆（套塑）由于石英玻璃质地脆、易断裂，为了保护光纤表面，提高抗拉强度以及 便于使用，一般需在裸光纤外面进行两次涂覆而构成光纤芯线。如图1-4 所示，光纤芯线是由纤芯、包层、涂覆层及套塑四部分组成。包层的外 面涂覆一层很薄的涂覆层，涂覆材料为硅酮树脂或聚氨基甲酸乙脂，涂覆层的外面套塑（或称二次涂

4、覆），大都采用尼龙或聚乙烯等塑料。2a2b包层一次涂覆纤芯二次涂覆（套塑）2a2b图1-4光纤芯线的剖面结构示意图ii. 光纤的分类光纤可以根据构成光纤的材料成分、制造方法、传输模数、横截面上的 折射率分布以及工作波长进行分类。对目前通信上所采用的石英系光纤， 常从以下两方面来分类：1. 按照折射率分布不同进行分类（1）均匀光纤，光纤纤芯的折射率当和包层的折射率n2都为常数，且 当%，在纤芯和包层的交界处折射率呈阶梯形变化，这种光纤称 为均匀光纤。（2）非均匀光纤，光纤纤芯的折射率n1随着半径的增加而按一定规律 减小，到纤芯与包层交界处为包层的折射率n2,这种光纤称为非 均匀光纤。2. 按照传

5、输模式数量进行分类所谓模式，实质上是电磁场的一种分布形式，模式不同，其电磁 场的分布形式也不同。根据光纤中传输模式数量来分，可分为单 模光纤和多模光纤。（1）单模光纤（SM），单模光纤的纤芯直径很小，约为4Mm10gm， 理论上只传输一种模式。由于单模光纤只传输主模，从而完全避 免了模式色散，使得这种光纤的传输频带很宽，传输容量很大， 适用于大容量、长距离的光纤通信。（2）多模光纤（MM），在一定的工作波长下，当有多个模式在光纤中 传输时，则这种光纤称为多模光纤。多模光纤的纤芯直径一般为50pm75pm,包层直径为100pm200pm。这种光纤的传输性能较 差，带宽比较窄，传输容量也比较小。由

6、于单模光纤具有带宽大、易于升级扩容和成本低的优点，国际 上已一致认为同步光缆数字传输系统只使用单模光纤作为传输媒 质。在3个光传输窗口中，850nm窗口只用于多模传输，1310nm 和1550nm两个窗口用于单模传输。光信号在光纤中的传输距离要受到色散和损耗双重影响。色散会使在光纤中传输的数字 脉冲展宽，引起码间干扰从而降低信号质量；当码间干扰使传输性能劣化到一定程度时，传 输系统将不能工作。损耗使在光纤中传输的光信号强度随着传输距离的增加而逐渐下降，当 光功率下降到一定程度时，传输系统也无法正常工作。为了延长系统的传输距离，人们主要在减小色散和损耗两方面入手。1310nm光传输窗 口称为零色

7、散窗口，光信号在此窗口的传输色散最小，1550nm窗口称为最小损耗窗口，光 信号在此窗口的传输衰减最小。ITU-T规定了三种常用光纤规范：G.652，G.653和G.654。G.652光纤又称标准光纤，其零色散波长在1310nm，在波长为1550nm处衰减最小，所 以G.652光纤可以工作于1310nm和1550nm两个窗口。G.653光纤又称色散位移单模光纤。它通过改变光纤内部的折射率分布将零色散点从 1310nm处位移至1550nm处，成功实现了在1550nm处的低衰减和零色散。这种光纤主要 工作于1550nm窗口。G.654光纤又称1550nm波长最低衰减光纤，优点是在1550nm处的最

8、低衰减为0.15dB/km，主要工作于1550nm窗口。这种光纤制造困难，价格昂贵，主要应用于需要很 长再生段传输距离的海底光纤通信。三、同步数字体系(SDH)i. SDH简介SDH全称同步数字体系(Synchronous Digital Hierarchy)， SDH规范了数字信号的帧结 构、复用方式、传输速率等级、接口码型等特性，提供了一个国际支持框架，在此基础上发 展并建成了一种灵活、可靠、便于管理的世界电信传输网。这种传输网易于扩展，适于新电 信业务的开展，并且使不同厂家生产的设备互通成为可能，这正是网络建设者长期以来追求 的目标。ii. SDH的优越性SDH是为克服PDH的缺点而产生

9、的，它是先有目标再定规范，然后研制设备，这个过 程与PDH正好相反。显然，这就可能最大限度地以最理想的方式来定义符合未来电信网要求的系统和设备。下列的SDH主要特点反映了这些要求。1. 使北美、日本和欧洲三个地区性的标准在STM-1及其以上等级获得了统一。数字 信号在跨越国界通信时不再需要转换成另一种标准，因而第一次真正实现了数字传输体制上 的世界性标准。2. 统一的标准光接口能够在基本光缆段上实现横向兼容，允许不同厂家的设备在光路 上互通，满足多厂家环境的要求。3. SDH采用同步复用方式和灵活的复用映射结构。各种不同等级的码流在帧结构净 负荷内的排列是有规律的，而净负荷与网络是同步的，因而

10、只需利用软件即可使高速信号一 次直接分插出低速支路信号，也就是所谓的一步解复用特性。参照图1-5,要从155Mbit/s 码流中分出一个2Mbit/s的低速支路信号，采用了 SDH的分插复用器ADM后，可以利用软 件直接一次分出2Mbit/s的支路信号，避免了对全部高速信号进行逐级分解后再重新复用的 过程，省去了全套背靠背的复用设备。所以SDH的上下业务十分容易，网络结构和设备都 大大简化，而且数字交叉连接的实现也比较容易。140/34(Mbit/s)34/140(Mbit/s)2Mbit/s（电信号）SDH155Mbit/s K光接口155Mbit/光接口2Mbit/s(电信号)图1-5 S

11、DH与PDH分插信号的比较示意图4. SDH采用大量的软件进行网络配置和控制，使得配置更为灵活，调度也更为方便。5. SDH帧结构中安排了丰富的开销比特，这些开销比特大约占了整个信号的5%，可 利用软件对开销比特进行处理，因而使网络的运行、管理和维护能力都大大加强。6. SDH网与现有网络能够完全兼容，即SDH兼容现有PDH的各种速率，使SDH可以支持已经建起来的PDH网络，同时也有利于PDH向SDH顺利过渡。同时，SDH网还能容纳像ATM信元等各 种新业务信号，也就是说，SDH具有完全的后向兼容性和前向兼 容性。iii. SDH 速率SDH信号的速率等级表示为STM-N，其中N是正整数。目前

12、SDH只能支持一定的N 值，即N只能为1，4，16和64，其中最基本、也是最重要的模块信号是STM-1，其速率 是155.520Mbit/s，更高等级的STM-N信号是将基本模块信号STM-1经过字节间插后得出， STM-4 等级的速率为 622.080Mbit/s，STM-16 等级的速率为 2488.320Mbit/s，STM-64 等级 的速率为 9953.280Mbit/s。四、SDH传送网的物理拓扑网络的物理拓扑泛指网络的形状，即网络节点和传输线路的几何排列，它反映了网络节 点在物理上的连接性。网络的效能、可靠性、经济性在很大程度上都与具体的网络结构有关。 网络的基本物理拓扑结构有5

13、种，用于SDH网络时，如图1-14所示。1. 线形将通信网中的所有节点串联起来，并使首尾两个节点开放时就形成了线形拓扑。在这种 拓扑结构中，为了使两个非相邻节点之间完成连接，其间的所有节点都应完成连接。线形拓 扑是SDH早期应用的比较经济的网络拓扑形式。这种结构无法应付节点和链路失效问题， 生存性较差。2. 星形（枢纽形）将通信网中的一个特殊的枢纽节点与其余所有节点相连，而其余所有节点之间互相不能 直接相连时，就形成了星形拓扑，又称枢纽形拓扑。在这种拓扑结构中，除枢纽节点之外的 任意两节点间的连接都是通过枢纽节点进行的，枢纽节点为经过的信息流进行路由选择并完 成连接功能。这种网络拓扑可以将枢纽

14、站节点的多个光纤终端连接成一个统一的网络，进而 实现综合的带宽管理。这种结构对枢纽节点依靠性过大，存在枢纽点的潜在瓶颈问题和失效 问题。3. 树形将点到点拓扑单元的末端节点连接到几个特殊节点时就形成了树形拓扑。树形拓扑可以 看成是线形拓扑和星形拓扑的结合。这种拓扑结构适合于广播式业务，但存在瓶颈问题和光 功率预算限制问题，不适用于提供双向通信业务。1.线形2.星形3.树形4.环形5.网孔形图1-14 SDH网的物理拓扑图4. 环形将通信网中的所有节点串联起来，而且首尾相连，没有任何节点开放时，就形成了环形 网。线形网的首尾两个开放节点相连时就变成了环形网。在环形网中，为了完成两个非相邻 节点之

15、间的连接，这两个节点之间的所有节点都应完成连接功能。这种网络拓扑的最大优点 是具有很高的生存性，这对现代大容量光纤网络是至关重要的，因而环形网在SDH网中受 到特殊重视。5. 网孔形将通信网的许多节点直接互连时就形成了网孔形拓扑，如果所有的节点都直接互连时则 称为理想网孔形拓扑。在非理想网孔形拓扑中，没有直接相连的两个节点之间需要经由其它 节点的连接功能才能实现连接。网孔形结构不受节点瓶颈问题和失效的影响，两节点间有多 种路由可选，可靠性很高，但结构复杂、成本较高，适用于业务量很大且分布又比较均匀的 干线网。综上所述，所有这些拓扑结构都各有特点，在网中都有可能获得不同程度的应用。网络 拓扑的选择应考虑众多因素，如网络应有高生存性、网络配置应当容易、网络结构应当适于 新业务的引进等。实际网络中，不同的网络部分采用的拓扑结构也可以不同，例如本地网（即 接入网或用户网）中，一般采用环形和星形拓扑结构，有时也采用线形拓扑；在市内局间中 继网中，一般采用环形和线形拓扑；长途网则主要采用网孔形拓扑。五、时分多路复用（TDM）将许多信号按一定规律安排在同一域（时间、频率（或波长）、空间、能量或其它域） 的不同“