《数字光纤通信系统》PPT课件.ppt

2、一种比较完善的传输体制，现已得到大量应用。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准同步数字系列准同步数字系列PDH 准同步数字系列有两种基础速率：准同步数字系列有两种基础速率：以1.544 Mb/s为第一级(一一次次群群，或称基基群群)基础速率，采用的国家有北美各国和日本；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。六次群六次群/（MbS-1）五次群五次群/（MbS-1）四次群四次群/（MbS-1）三次群三次群/（MbS-1）二次群二次群/（MbS-1）北美北美日本日本中国中国西欧西欧基群基群/（MbS-1）国家或地区国

3、家或地区表表5.1世界各国商用光纤通信制式世界各国商用光纤通信制式对于以2.048 Mb/s为基础速率的制式，各次群的话路数按4倍递增，速率的关系略大于4倍。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各次群比特率相对于其标准值有一个规定的容差，而且是异源的，通常采用正码速调整码速调整方法实现准同步复用实现准同步复用。 1次群至4次群接口比特率早在1976年就实现了标准化，并得到各国广泛采用。 PDH主要适用于中、低速率点对点的传输。主要适用于中、低速率点对点的传输。在在这这种种形形势势下下，现现有有PDH的的许许多多缺缺点点也也

4、逐逐渐渐暴暴露露出出来来，主主要有：要有： (1) 北美、西欧和亚洲所采用的三种数字系列互不兼容。 (2) 各种复用系列都有其相应的帧结构，没有足够的开销比特，使网络设计缺乏灵活性。 (3) 复接/分接设备结构复杂，上下话路价格昂贵。 5.1.2同步数字系列同步数字系列SDH 1.SDH1.SDH传输网传输网传输网传输网 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。图5.1示出SDH传输网的拓扑结构。传输网的拓扑结构。SDH传传输输网网由SDH终终接接设设备备(或称SDH终终端端复复用用器器TM)、分分插插复复用用设设备备ADM、数数字字交交叉叉连连接接设设备备DXC等网络单元

5、以及连接它们的(光纤)物理链路构成。图图5.1SDH传输网的典型拓扑结构传输网的典型拓扑结构TMADMDXCADMTMTMTMADMSTM-nSTM-nDXCADMTMSTM-NSTM-NSTM-NSTM-NSTM-NSTM-NSTM-NSTM-nSTM-n低速信号低速信号低速信号低速信号(nN)SDH终端终端的主要功能是：复接复接复接复接/ /分接和提供业务适配分接和提供业务适配分接和提供业务适配分接和提供业务适配 SDH终端的复接复接复接复接/ /分接分接分接分接功能主要由TM设备完成。MUXE1E1STM-N同步复接DMXE1E1STM-N同步分接图5.2 SDH传输网络单元 (a) 终

6、端复用器TM；ADM是一种特殊的复用器它利用分接功能将输入信号所承载的信息分成两部分：所承载的信息分成两部分：一部分直接转发一部分卸下给本地用户然后信息又通过复接功能将转发部分和本地上送的部分合成输出DMXMUX中继线中继线STM-N中继线中继线STM-NAddSTM-n分接分接复接复接DropSTM-n本地本地图图5.2(b)SDH传输网络单元分插复用设备传输网络单元分插复用设备ADM(Add/DropMultiplexer) DXC类似于交换机类似于交换机，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连接。1:m1:mm:1m :1复接复接交叉连接矩阵交叉连接矩阵分接

7、分接1n1n配置管理配置管理图图5.2(c)SDH传输网络单元传输网络单元数字交叉连接设备数字交叉连接设备DXC图图5.3(a)传输通道的结构传输通道的结构传输通道连接模型传输通道连接模型通道通道终接设备终接设备线路线路终接设备终接设备TMADM/DXC再生段再生段Section再生段再生段再生段再生段线路线路终接设备终接设备通道通道终接设备终接设备E1E3E1E3ADM/DXCTM复接段复接段(Line)传输通道传输通道(Path)再生中继器再生中继器SDHSDH传输网的连接模型传输网的连接模型传输网的连接模型传输网的连接模型通过DXC的交叉连接作用，在SDH传输网内可提供许多条传输通道，

8、每条通道都有相似的结构，其连接模型如图5.3(a)。每个通道通道(Path)由一个或多个复接段复接段(Line)构成，而每一复接段又由若干个再生段再生段(Section)串接而成。PathPathLineLineSectionSectionSectionPhotonicPhotonicPhotonic再生中继器再生中继器图图5.3(b)传输通道的结构传输通道的结构分层结构分层结构 SDHSDH传输网的分层结构传输网的分层结构传输网的分层结构传输网的分层结构与与PDH相比，相比，SDH具有下列特点：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

9、为STM-1，传输速率为155.520 Mb/s； 4个STM-1 同步复接组成STM-4，传输速率为622.080 Mb/s； 16个STM-1 组成STM-16, 传输速率为2488.320 Mb/s，以此类推。 (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，这有利于建立世界统一的通信网络。标准的光接口综合进各种不同的网络单元，简化了硬件，降低了网络成本。 (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

10、，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) 采用数字交叉连接设备DXC可以对各种端口速率进行可控的连接配置，对网络资源进行自动化的调度和管理，既提高了资源利用率，又增强了网络的抗毁性和可靠性。 SDH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，使现代通信网络提高到一个崭新的水平。图图5.4分插信号流程的比较分插信号流程的比较光/电光信号分接分接分接140/34 Mb/s34/8 Mb/s8/2 Mb/s复接复接复接电/光光信号2/8 Mb/s8/34 Mb/s34/140 Mb/s2 Mb/s(电信号)SDH

11、ADM155 Mb/s光接口155 Mb/s光接口2 Mb/s(电信号)PDHPDHPDH和和和和SDHSDH分插信号流程的比较分插信号流程的比较分插信号流程的比较分插信号流程的比较采用SDH分分插插复复用用器器(ADM)，可以利用软件一次直接分出和插入 2 Mb/s支路信号，十分简便。 2.2.SDHSDH帧结构帧结构帧结构帧结构 SDHSDH帧帧帧帧结结结结构构构构是是是是实实实实现现现现数数数数字字字字同同同同步步步步时时时时分分分分复复复复用用用用、保保保保证证证证网网网网络络络络可可可可靠靠靠靠有有有有效效效效运运运运行的关键。行的关键。行的关键。行的关键。图 5.5 给出SDH帧

12、一个STM-N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STM-1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。字节发送顺序为：由上往下逐行发送，每行先左后右。图图5.5SDH帧的一般结构帧的一般结构SDH帧帧的三个部分：的三个部分： (1) 段段开开销销(SOH)。段开销是在SDH帧中为保证信息正常传输所必需的附加字节(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

13、及网管信息传输。 (2) 信信息息载载荷荷(Payload)。信息载荷域是SDH帧内用于承载各种业务信息的部分。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通道开销(POH)。根据图5.3(a)的传输通道连接模型，段开销又细分为再再生生段段开销开销(SOH)和复接段开销复接段开销(LOH)。前者占前3行，后者占59行。 (3) 管管理理单单元元指指针针(AUPTR)。管管理理单单元元指指针针是一种指示符，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)。采用指针技术是SDH的创新，结合虚虚容容器器(VC)的概念，解决

14、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。 3.3.复用原理复用原理复用原理复用原理将低速支路信号复接为高速信号，通常有两种传统方法：正码速调整法正码速调整法和固定位置映射法固定位置映射法。正正码码速速调调整整法法的优优点点：容许被复接的支路信号有较大的频率误差；缺点缺点：复接与分接相当困难。固固定定位位置置映映射射法法是让低速支路信号在高速信号帧中占用固定的位置。这种方法的优优点点：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。 SDHSDH采用载荷指针技术采用

15、载荷指针技术采用载荷指针技术采用载荷指针技术结合了正正码码速速调调整整法法和固固定定位位置置映映射射法法的优点，付出的代价是要对指针进行处理。图 5.6 示出载荷包络与STM-1帧的一段关系与指针所起的作用。通过指针的值，接收端就可以确定载荷的起始位置。 ITUT规定了SDH的一般复用映射结构复用映射结构。所谓映映射射结结构构，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同步。图图5.6载荷包络与载荷包络与SDH帧的一般关系帧的一般关系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C-n是标标准准容容器器，

16、用来装载现有PDH的各支路信号，并完成速率适配处理的功能。在标准容器的基础上，加入少量通通道道开开销销(POH)字节，即组成相应的虚容器虚容器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。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VC进行同步复用、交叉连接和交换处理，实现大容量传输。图图5.7SDH的一般复用映射结构的一般复用映射结构由于在传输过程中，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 的前面加上管理单单元元指指针针(AUPTR)，以进行定位校准。加入指针后组成的信息单元结构分为管管理理单单元元

17、(AU)和支支路路单元单元(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，组成支支路路单单元元组组(TUG)，然后组成AU-3或AU-4。 3个AU-3或1个AU-4组成管管理理单单元元组组(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。举例：由举例：由PDH的的4次群信号到次群信号到SDH的的STM-1的复接过程的复接过程把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内加上通通道道开

18、开销销POH(每帧9 Byte, 相应于0.576 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。 4.4.数字交叉连接设备数字交叉连接设备数字交叉连接设备数字交叉连接设备数数字字交交叉叉连连接接设设备备(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)，

19、其核心部分是可控的交叉连接开关交叉连接开关(空分或时分)矩阵矩阵。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。 DXCDXC的表示的表示的表示的表示通常用DXC X/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

20、的速率，其中 4 也代表SDH 的STM-1 等级；数字 5 和 6 分别代表SDH的STM-4 和STM-16等级。交叉连接设备与交换机的区别有：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：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。主要功能有：主要功能有：（1）分离本地

21、交换业务和非本地交换业务，为非本地交换业务迅速提供可用路由；（2）为临时性重要事件(如运动会、发生地震等)迅速提供通信电路；当网络发生故障(如某些干线中断)时，能迅速提供网络的重新配置；（3）根据业务流量的季节变化使网络配置最佳化；当网络中混合使用PDH和SDH时，可作为PDH与SDH的网关。 5.5.SDHSDH的应用的应用的应用的应用 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环形网环形网的一个突出优点优点是具有“自愈自愈”能力。当某节点发生故障或光缆中断时，仍能维持一定的通信能力。当然， SDH通过ADM和DXC等网络单元可以构成更

22、为复杂的网形网网形网(如图 5.1 所示)。网形网形SDH网络网络的主要特点主要特点是：端到端之间存在一条以上的路径，可同时构成一条以上的传输通道，通过DXC的灵活配置，使网络具有更好的抗毁性和更高的可靠性。图图5.8SDH用于点对点传输用于点对点传输SDHTMSDHTM支路支路信号信号支路支路信号信号STM-N再生中继器再生中继器图图5.9SDH链形网链形网SDHTMSDHTM支路支路信号信号支路支路信号信号SDHADMSTM-n(n N)STM-NSTM-NSTM-n图图5.10SDH环形网环形网(双环双环) SDHADMSDHADMSDHADMSDHADM支路支路信号信号支路信号支

23、路信号支路信号支路信号支路支路信号信号5.2系统的性能指标系统的性能指标 5.2.1参考模型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，称为假设参考连接假设参考连接假设参考连接假设参考连接( (HRX)HRX)，见图5.11。最长的HRXHRX是根据综综合合业业务务数数字字网网(ISDN)的性能要求和64 kb/s信号的全数字连接来考虑的。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。图图5.11标准数字假设参考连接标准数字假设参考连接HRX 如图 5.11 所示，最长的标

24、准数字HRX为27 500 km, 它由各级交换中心和许多假设参参考考数数字字链链路路(HRDL)组成。标准数字HRX 的总性能指标按比例分配给HRDL，使系统设计大大简化。建议的HRDL长度为2500 km, 但由于各国国土面积不同，采用的HRDL长度也不同。 HRDL由许多假假假假设设设设参参参参考考考考数数数数字字字字段段段段( (HRDS)HRDS)组成(见图5-12所示)，在建议中用于长途传输的HRDS长度为280 km, 用于市话中继的HRDS长度为50 km。我国用于长途传输的HRDS长度为420 km(一级干线)和280 km(二级干线)两种。假假假假设设设设参参参参考

25、考考考数数数数字字字字段段段段的性能指标从假设参考数字链路的指标分配中得到，并再度分配给线路和设备。图图5.12假设参考数字段假设参考数字段HRDS 5.2.2系统的主要性能指标系统的主要性能指标 1.误码率误码率(BER) 误误码码率率是衡量数字光纤通信系统传输质量优劣的非常重要的指标，它反映了在数字传输过程中信息受到损害的程度。 BER是是在在一一个个较较长长时时间间内内的的传传输输码码流流中中出出现现误误码码的的概概率率，它它对对话话音音影影响响的的程程度度取取决决于于编编码码方方法法。对于PCM而言，误码率对话音的影响程度如表 5.2 所示。由于误码率随时间变化，用长时间内的平均误码

26、率来衡量系统性能的优劣，显然不够准确。在在实实际际监监测测和和评评定定中中，应应采采用误码时间百分数和误码秒百分数的方法。用误码时间百分数和误码秒百分数的方法。几乎听不懂 510-2强烈干扰，听懂程度明显下降10-2在各种话音电平范围内都察觉到有干扰10-3在低话音电平范围内有个别“喀喀”干扰10-4在低话音电平范围内刚察觉到有干扰10-5感觉不到干扰10-6受话者的感受误码率表表5.2误码率对话音影响程度误码率对话音影响程度图图5.13误码率随时间的变化误码率随时间的变化如图 5.13 所示，规定一个较长的监测时间TL，例如几天或一个月，并把这个时间分为“可可用用时时间间”和“不不可可

27、用用时时间间”。在连续10 s时间内，BER劣于110-3，为“不不可可用用时时间间”，或称系系统统处处于于故故障障状状态态；故障排除后,在连续10 s时间内，BER优于110-3，为“可用时间可用时间”。对于64 kb/s的数字信号， BER=110-3，相应于每秒有64个误码。同时，规定一个较短的取样时间T0和误码率门限值BERth，统计BER劣于BERth的时间，并用劣化时间占可用时间的百分数来衡量系统误码率性能的指标。 1.310-68%BER的秒数的秒数误码秒（误码秒（ES）310-60.2%BER劣于劣于10-3的分数的分数严重误码秒严重误码秒（SES）6.210-710%BE

28、R劣于劣于10-6的分数的分数裂化分（裂化分（DM）长期平均误码率长期平均误码率指标指标定义定义误码率参数误码率参数表表5.3误码率参数和误码率参数和HRX的误码率指标的误码率指标对于目前的电话业务，传输一路PCM电话的速率为 64 kb/s。研究分析表明，合适的误码率参数和假设参考连接HRX的误码率指标如表 5.3 所示。对三种误码率参数和指标说明如下：对三种误码率参数和指标说明如下：劣劣化化分分(DM) 误码率为110-6时，感觉不到干扰的影响，选为BERth。每次通话时间平均35 min, 选择取样时间T0为 1 min是合适的。监测时间以较长为好，选择TL为1个月。定义误码率劣

29、于 110-6的分钟数为劣劣化化分分(DM)。HRX指指标标要要求求劣劣化化分分占占可可用用分分(可可用用时时间间减减去去严严重重误误码码秒秒累累积积的的分分钟钟数数)的的百百分分数数小小于于10%。严严重重误误码码秒秒(SES)由于某些系统会出现短时间内大误码率的情况，严重影响通话质量，因此引入严重误码秒这个参数。选择监测时间TL为1个月，取样时间T0为1 s。定义误码率劣于 110-3的秒钟数为严严重重误误码码秒秒(SES)。HRX指指标标要要求求严严重重误码秒占可用秒的百分数小于误码秒占可用秒的百分数小于0.2%。误误码码秒秒(ES)选择监测时间TL为1个月，取样时间T0为1s，误

30、码率门限值BERth=0。定义凡是出现误码(即使只有1 bit)的秒数称为误误码码秒秒(ES)。HRX指指标标要要求求误误码码秒秒占占可可用用秒秒的的百百分分数数小小于于8%。相应地，不出现任何误码的秒数称为无无误误码码秒秒(EFS)，指标要求无误码秒占可用秒的百分数大于指标要求无误码秒占可用秒的百分数大于92%。表5.3列出的是标准数字假设参考连接HRX(27500 km)的误码率总指标。为为了了设设计计需需要要，必必须须把把总总指指标标按按不不同同等等级级的的电电路路质量分配到各部分。质量分配到各部分。图5.14示出最长HRX的的电电路路质质量量等等级级划划分分，图中高级和中级之间没

31、有明显的界限。我国长途一级干线和长途二级干线都应视为高级电路，长途二级以下和本地级合并考虑。图图5.14最长最长HRX的电路质量等级划分的电路质量等级划分表表5.4HRX误码率总指标按等级分配误码率总指标按等级分配21.2%3.2%ES8%20.015%20.015%0.04%SES0.1%21.5%21.5%4%DM10%本地级电路本地级电路中级电路中级电路高级电路高级电路误码率指标误码率指标21.2%3.6 10-2%5.4 10-2%1.28 10-4%ES4.5 10-4%6.7 10-4%1.6 10-6%SES4.5 10-2%6.7 10-2%1.6 10-4%DM420km28

32、0km1km误码率误码率表表5.5HRDS高级电路误码率指标高级电路误码率指标表5.5的误码率三项指标监测时间为1个月，在工程验收时执行存在一定困难，通常采用长期平均误码率来衡量，监测时间为24 h。假设误码为泊松分布，误码率三项指标都可以换算为长长期平均误码率期平均误码率。根据原CCITT的建议，对于25000 km高级电路长期平均误码率BERav至少为110-7，按长度比例进行线性折算，得到每公里BERav=410-12/km。所以280 km和420 km数字段的BERav分别为1.1210-9和1.6810-9，因此取 110-9作为标准。我国长途光缆通信系统进网要求中规定：长

33、长度度短短于于420km时时，按按110-9计计算算；长长度度长长于于420km时时，先先按按长长度度比比例例进进行折算，再按长度累计附加进去。行折算，再按长度累计附加进去。设计值应比实际要求高 1 个数量级，即短于420 km数字段按BERav=110-10设计，50 km中继段按BERav=110-11设计。2.抖动抖动抖抖动动是数字信号传输过程中产生的一种瞬时不稳定现象。抖动抖动的定义是：数字信号在各有效瞬时对标准时间位置的偏差。偏差时间范围称为抖抖动动幅幅度度(JPP)，偏差时间间隔对时间的变化率称为抖动频率抖动频率(F)。这种偏差包括输入脉冲信号在某一平均位置左右变化，和提

34、取时钟信号在中心位置左右变化，见图5.15所示。图图5.15抖动示意图抖动示意图抖抖动动现现象象相相当当于于对对数数字字信信号号进进行行相相位位调调制制，表现为在稳定的脉冲图样中，前沿和后沿出现某些低频干扰，其频率一般为02 kHz。抖动单位为UI，表示单位时隙。当脉冲信号为二电平NRZ时，1 UI等于1bit信息所占时间，数值上等于传输速率fb的倒数。抖抖动动严严重重时时，使使得得信信号号失失真真、误误码码率率增增大大。完全消除抖动是困难的，因此在实际工程中，需要提出容许最大抖动的指标。表表5.6各次群入口对抖动的要求各次群入口对抖动的要求3500kHZ800kHZ400kHZ1

35、00kHZF410kHZ10kHZ3kHZ18kHZF3500HZ1kHZ400HZ2.4kHZF2200HZ100HZ20HZ20HZF10.0750.150.20.2A21.51.51.51.5A1F0A0223-1139264223-134368215-11.210-5HZ1528448215-11.510-5HZ36.92048伪随机测伪随机测试信号序试信号序列列调制数字信号的正弦调制数字信号的正弦信号频率信号频率JP.P/UI参数参数速率速率（kbs-1）光纤通信系统各次群输入口对抖动容限的要求如表 5.6所示0.075（0.075）0.15（0.15）0.2（0.2）0.2（0.

36、2）A23500kHZ800kHZ400kHZ100kHZF410kHZ10kHZ3kHZ18kHZF2F1A1200HZ1.5（0.75）139264100HZ1.5（0.75）3436820HZ1.5（0.75）844820HZ1.5（0.75）2048测量带通滤波器带宽：低频截止频率测量带通滤波器带宽：低频截止频率为为F1或或F2，高频截止频率为高频截止频率为F4输出口最大抖动容限值输出口最大抖动容限值JP.P/UI参数参数速率速率（kbs-1）表表5.7全程和数字段各次群输出口对抖动的要求全程和数字段各次群输出口对抖动的要求全程各次群输出口对抖动容限的要求如表5.7所示，表中括号内

37、的数值是对数字段的要求。图图5.16表表5.6和表和表5.7的图解说明的图解说明表 5.6 和表5.7各符号的意义如图 5.16 所示。 5.2.3可靠性可靠性可靠性是一个重要指标，它直接影响通信系统的使用、维护和经济效益。对对光光纤纤通通信信系系统统而而言言，可可靠靠性性包包括括光光端端机机、中继器、中继器、光缆线路、辅助设备和备用系统的可靠性。光缆线路、辅助设备和备用系统的可靠性。确定可靠性一般采用故障统计分析法，即根据现场实际调查结果，统计足够长时间内的故障次数，确定每两次故障的时间间隔和每次故障的修复时间。(5.1)1.可靠性表示方法可靠性表示方法可靠性是指在规定的条件和时间内

38、系统无故障工作的概率，它反映系统完成规定功能的能力。可靠性R通常用故障率表示，两者的关系为： (1) 可靠性可靠性R和故障率故障率。故故障障率率是系统工作到时间t，在单位时间内发生故障(功能失效)的概率。的单位为10-9/h, 称为菲特(fit), 1 fit等于在109 h内发生一次故障的概率。 Rs=R1R2Rn=exp(- t) (5.2)式中, Ri和分别为系统第i个部件的可靠性和故障率。如果通信系统由n个部件组成，且故障率是统计无关的，则系统的可靠性Rs可表示为： (3) 可用率A和失效率PF。可用率A是在规定时间内，系统处于良好工作状态的概率，它可以表示为：（5.3）(

39、5.4) 式中MTTR为平均故障修复时间(不可用时间)。 (2) 故障率和平均故障间隔时间MTBF。两者的关系为失效率PF可以表示为： PF= (5.7)式中m和n分别为主用系统数和备用系统数，P=MTTR/MTBF。（5.5）由式(5.4)和式(5.5)得到 PF=(1-A)100% (5.6)在有备用系统的情况下，失效率为： 2.可靠性指标可靠性指标根据国家标准的规定，具有主备用系统自动倒换功能的数字光缆通信系统，容许5000 km双向全程每年4次全阻故障，对应于420 km和280 km数字段双向全程分别约为每3年1次和每5年1次全阻故障。市内数字光缆通信系统的假设参考数字链路

40、长为100 km, 容许双向全程每年4次全阻故障，对应于50 km数字段双向全程每半年1次全阻故障。此外，要求LD光源寿命大于10104 h, PIN-FET寿命大于50104 h, APD寿命大于50104 h。99.98599.97799.83699.726A/%0.0150.0230.1640.274F/%1.3442.01614.424MTTR/h2557038358373970456620/fit391072607036502190MTBF/h0.2240.3362.44双向全程故障次数双向全程故障次数28042030005000链路长度链路长度/km表表5.8数字光缆通信系统可靠性

41、指标数字光缆通信系统可靠性指标根据上述标准，以5000 km为基准，按长度平均分配给各种数字段长度，相应的全年指标如表5.8所示，假设平均故障修复时间MTTR=6 h。5707(一端一端)20四次群设备四次群设备28539(一端一端)4中继器中继器28539(一端一端)4光端机光端机200(每每km)1.35（420km）光纤（双向）光纤（双向）/fitMTBF/年年可靠性可靠性表表5.9某些国产设备的可靠性指标某些国产设备的可靠性指标 5.3系系统统的的设设计计对数字光纤通信系统而言，系统设计的主要任务是对数字光纤通信系统而言，系统设计的主要任务是: 根据用户对传输距离和传输容量(话路数

42、或比特率)及其分布的要求，按照国家相关的技术标准和当前设备的技术水平，经过综合考虑和反复计算。选选择择最最佳佳路路由由和和局局站站设设置置、传传输输体体制制和和传传输输速速率率以以及及光光纤纤光光缆缆和和光光端端机机的的基基本本参参数数和和性性能能指指标标，以以使使系系统统的的实实施施达达到到最佳的性能价格比。最佳的性能价格比。在技术上，系统设计的主要问题是确定中继距离，尤其对长途光纤通信系统，中继距离设计是否合理，对系统的性能和经济效益影响很大。中继距离的设计有三种方法：中继距离的设计有三种方法：最坏情况法(参数完全已知) 统计法(所有参数都是统计定义) 半统计法(只有某些参数是统计定

43、义) 这里我们采用最坏情况设计法，用这种方法得到的结果，设计的可靠性为100%，但要牺牲可能达到的最大长度。中中继继距距离离受受光光纤纤线线路路损损耗耗和和色色散散(带带宽宽)的的限限制制，明明显显随随传传输输速速率率的的增增加加而而减减小小。中继距离和传输速率反映着光纤通信系统的技术水平。T,T: 光端机和数字复接分接设备的接口；Tx: 光发射机或中继器发射端； Rx: 光接收机或中继器接收端；C1,C2: 光纤连接器；S: 靠近Tx的连接器C1的接收端； R: 靠近Rx的连接器C2的发射端； SR: 光纤线路，包括接头。5.3.1中继距离受损耗的限制中继距离受损耗的限制图5.17示出了

44、无中继器和中间有一个中继器的数字光纤线路系统的示意图，图中符号：图图5.17数字光纤线路系统数字光纤线路系统(a)无中继器；无中继器；(b)一个中继一个中继器器如如果果系系统统传传输输速速率率较较低低，光光纤纤损损耗耗系系数数较较大大，中中继继距距离离主主要要受受光光纤纤线线路路损损耗耗的的限限制制。在这种情况下，要求S和R两点之间光纤线路总损耗必须不超过系统的总功率衰减，即式中，Pt为平平均均发发射射光光功功率率(dBm)，Pr为接接收收灵灵敏敏度度(dBm)，c 为连连接接器器损损耗耗(dB/对对)， Me 为系系统统余余量量(dB)，f为光光纤纤损损耗耗系系数数(dB/km), s为

45、每每km光光纤纤平平均均接接头头损损耗耗(dB/km), m为每每km光纤线路损耗余量光纤线路损耗余量(dB/km), L为中继距离为中继距离(km)。或(5.8)平平均均发发射射光光功功率率Pt取取决决于于所所用用光光源源，对单模光纤通信系统，LD的平均发射光功率一般为-3-9dBm, LED平均发射光功率一般为-20-25 dBm。光光接接收收机机灵灵敏敏度度Pr取取决决于于光光检检测测器器和和前前置置放放大大器器的的类类型型，并受误码率的限制，随传输速率而变化。表5.10示出长途光纤通信系统BERav110-10时的接收灵敏度Pr。-30-33PIN-FETAPD13104139.2

46、64-37-42PIN-FETAPD1310139.264-41PIN-FET131034.368-49PIN13108.448灵敏度灵敏度Pr/dBm光检测器光检测器标称波长标称波长/nm传输速率传输速率/（Mbs-1）表表5.10BERav110-19时的接收灵敏度时的接收灵敏度Pr 连连接接器器损损耗耗一一般般为为0.31dB/对对。设备余量Me包括由于时间和环境的变化而引起的发射光功率和接收灵敏度下降，以及设备内光纤连接器性能劣化，Me一般不小于3 dB。光光纤纤损损耗耗系系数数f取取决决于于光光纤纤类类型型和和工工作作波波长长，例如单模光纤在1310 nm, f为0.40.45 d

47、B/km; 在1550 nm, f为0.220.25 dB/km。光纤损耗余量m一般为0.10.2 dB/km, 但一个中继段总余量不超过5 dB。平均接头损耗可取0.05 dB/个，每千米光纤平均接头损耗s可根据光缆生产长度计算得到。最大色散最大色散/psnm-1最大损耗最大损耗/Db120（多纵模）（多纵模）2424131015504139.264300（多纵模）（多纵模）282813101550139.264不要求（多纵模）不要求（多纵模）35131034.368不要求不要求4013108.448S和和R之间的容限之间的容限BER110-10标称波长标称波长/nm标称速率标称速率/（

48、Mbs-1）表表5.11S和和R之间数字光纤线路的容限之间数字光纤线路的容限根据ITU-T(原CCITT)G.955建议，用LD作光源的常规单模光纤(G.652)系统，在S和R之间数字光纤线路的容限如表5.11 所示。 5.3.2中继距离受色散中继距离受色散(带宽带宽)的限制的限制如如果果系系统统的的传传输输速速率率较较高高，光光纤纤线线路路色色散散较较大大，中中继继距距离离主要受色散主要受色散(带宽带宽)的限制。的限制。为使光接收机灵敏度不受损伤，保证系统正常工作，必须对光纤线路总色散对光纤线路总色散(总带宽总带宽)进行规范。进行规范。对于数字光纤线路系统而言，色散增大，意味着数字

49、脉冲展宽增加，因而在接收端要发生码间干扰，使接收灵敏度降低，或误码率增大。严重时甚至无法通过均衡来补偿，使系统失去设计的性能。 g(t)=exp (5.9) 由式(5.10)得到a和的数值关系，并列于表5.12。 (5.10)式中为均均方方根根(rms)脉脉冲冲宽宽度度。把/T=a定义为相对rms脉冲宽度，码间干扰的定义如图5.18所示。由式(5.9)和图5.18得到：设传输速率为fb=1/T，发射脉冲为半占空归零归零(RZ)码码，输出脉冲为高斯波形，如图5.18 所示。高斯波形可以表示为：图图5.18高斯波形的码间干扰高斯波形的码间干扰 13.510-24.410-21.710-23.

50、910-33.410-40.500.400.350.300.25a=/T表表5.12相对相对rms脉冲宽度脉冲宽度a和码间干扰和码间干扰的关系的关系美国Bell实验室S.D.Personick的早期研究中，曾建议采用下列标准来考查光纤线路色散对系统传输性能的限制。当a=0.25时，码间干扰只有峰值的0.034%，完全可以忽略不计。当a=0.5时，增加到13.5%，此时功率代价为78dB，难以通过均衡进行补偿。一般系统设计选取a=0.250.35，功率代价不超过2 dB。为确定中继距离和光纤线路色散(带宽)的关系，把输出脉冲用半高全宽度半高全宽度(FWHM)表示，即（5.11）式中, =/

51、0.4247, =aT, a为相对rms脉冲宽度，T=1/fb，fb为系统的比特传输速率。f为光纤线路光纤线路(FWHM)脉冲展宽脉冲展宽，取决于所用光纤类型和色散特性。对于多模光纤系统，色散特性通常用3dB带宽表示，如式(2.47b)所示。因此，f=0.44/B, B为为长长度度等等于于L的的光光纤纤线线路路总总带宽带宽，它与单位长度光纤带宽的关系为B=B1/L。 B1为为1km光光纤纤的的带带宽宽，通通常常由由测测试试确确定定。=0.51, 称为串串接接因因子子，取决于系统工作波长，光纤类型和线路长度。把这些关系代入式(5.11)，并取a=0.250.35，得到光纤线路总带宽B和速率fb

52、的关系为： B=(0.830.56)fb (5.12) 中继距离中继距离L与与1km光纤带宽光纤带宽B1的关系的关系为B1=BL, 所以 L= （ 1.21 1.78） 1/fb1/ (5.13)以fb为参数，B1与L的关系示于图5.19, 图中取/T=0.3， =0.75。由此可见，中中继继距距离离L与与传传输输速速率率fb的的乘乘积积取取决决于于1km光光纤的带宽纤的带宽(色散色散)，这个乘积反映了光纤通信系统的技术水平。，这个乘积反映了光纤通信系统的技术水平。或写成 Lfb=(1.211.78)B1 (5.14)图图5.191km光纤带宽光纤带宽B1与中继距离与中继距离L的关系的关系对

53、对于于单单模模光光纤纤系系统统，f=2.355f, f为光纤线路rms脉冲展宽。由式(2.55b)取一级近似，得到f=|C0|L, C0=C(0)为在光源中心波长0光光纤纤的的色色散散(ps/(nmkm)，为光光源源谱谱线线宽宽度度(nm)，L为光纤线路长度光纤线路长度(km)。把这些关系式代入式(5.11)，同样得到一个简明的公式。设取a=/T=0.25，得到中继距离：L= (5.15) 在这个基础上，根据原CCITT建议，对对于于实实际际的的单单模模光光纤通信系统，受色散限制的中继距离纤通信系统，受色散限制的中继距离L可以表示为：可以表示为：（5.16）式中, 是线线路路码码速速率

54、率(Mb/s)，与系统比特速率不同，它要随线路码型的不同而有所变化。C0是光光纤纤的的色色散散系系数数(ps/(nmkm)，它取决于工作波长附近的光纤色散特性。为光光源源谱谱线线宽宽度度(nm)，对多多纵纵模模激激光光器器(MLM-LD)，为rms宽度，对单单纵纵模模激激光光器器(SLM-LD), 为峰值下降20dB的宽度。是与功率代价和光源特性有关的参数，对于MLMLD, =0.115, 对于SLM-LD，=0.306。由于光纤制造工艺的偏差，光光纤纤的的零零色色散散波波长长不不会会全全部部等于标称波长值，而是分布在一定的波长范围内。等于标称波长值，而是分布在一定的波长范围内。同样，光

55、光源源的的峰峰值值波波长长也也是是分分配配在在一一定定波波长长范范围围内内，并并不总是和光纤的零色散波长度相重合。不总是和光纤的零色散波长度相重合。对于G.652规范的单模光纤，波长为12851330 nm，色散系数C不得超过3.5 ps/(nmkm)，波长为12701340 nm, C不得超过6 ps/(nmkm)。 S和R两点之间最最大大色色散散CL(ps/nm)的容限如表5.11所示。由表可知，在140 Mb/s以上的单模光纤通信系统中，色散的限制是不可忽视的。 5.3.3中继距离和传输速率中继距离和传输速率光纤通信系统的中继距离受损耗限制时由式(5.8)确定；中继距离受色散限制时由

56、式(5.13)(多模光纤)和式(5.15)或式(5.16)(单模光纤)确定。从损耗限制和色散限制两个计算结果中，选取较短的距离，作为中继距离计算的最终结果。以以140Mb/s单模光纤通信系统为例计算中继距离单模光纤通信系统为例计算中继距离设系统平均发射功率Pt=-3 dBm, 接收灵敏度Pr=-42 dBm，设备余量Me=3 dB，连接器损耗c=0.3dB/对，光纤损耗系数f=0.35 dB/km, 光纤余量m=0.1 dB/km，每km光纤平均接头损耗s=0.03 dB/km。把这些数据代入式(5.8)，得到中继距离又设线路码型为5B6B, 线路码速率b=140(6/5)=168

57、Mb/s, |C0|=3.0 ps/(nmkm)，=2.5 nm。把这些数据代入式(5.16)，得到中继距离：在工程设计中，中继距离应取74 km。在在本本例例中中中中继继距距离离主要受损耗限制。主要受损耗限制。但是，如果假设|C0|=3.5 ps/(nmkm)，=3 nm，而上述其他参数不变，根据式(5.16)计算得到的中继距离L65 km，则此此时时中中继继距距离离主主要要受受色色散散限限制制，中继距离应确定为65 km。图5.20 示出各种光纤的中继距离和传输速率的关系，包括损耗限制和色散限制的结果。图图5.20各种光纤的中继距离和传输速率的关系各种光纤的中继距离和传输速率的关

58、系由图5.20可见，对于波长为0.85 m的多模光纤，由于损耗大，中继距离一般在20 km以内。传传输输速速率率很很低低，SIF光光纤纤的的速速率率不不如如同同轴轴线线，GIF光光纤纤的的速速率率在在0.1Gb/s以以上上就就受受到到色色散散限限制制。单模光纤在长波长工作，损耗大幅度降低，中继距离可达100200 km。在1.31m零色散波长附近，当速率超过1 Gb/s时，中继距离才受色散限制。在1.55 m波长上，由于色散大，通常要用单纵模激光器，理想系统速率可达5 Gb/s，但实实际际系系统统由由于于光光源源调调制制产产生生频频率率啁啁啾啾，导导致致谱谱线线展展宽宽，速速率率一一般般限限制制为为2Gb/s。采用色散移位光纤和外调制技术，可以使速率达到20 Gb/s以上。 0.85m,SIF光纤，fbL0.011=0.01 (Gb/s)km 0.85m, GIF光纤，fbL0.120=2.0 (Gb/s)km 1.31 m, SMF光纤，fbL1125=125 (Gb/s)km 1.55m, SMF光纤，fbL275=150 (Gb/s)km 1.55m, DSF光纤，fbL2080=1600 (Gb/s)km现在可以把反映光纤传输系统技术水平的指标、现在可以把反映光纤传输系统技术水平的指标、速率速率距距离离(fbL)乘积大体归纳如下：乘积大体归纳如下：

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