第 5 章 数字光纤通信系统.docx

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第5章数字光纤通信系统

第五章数字光纤通信系统

5.1两种传输体制

5.1.1准同步数字系列PDH

光纤大容量数字传输目前都采用同步时分复用（TDM）技术。

复用又分为若干等级，先后有两种传输体制：

•准同步数字系列（PDH）

•同步数字系列（SDH）

随着光纤通信技术和网络的发展，PDH遇到了许多困难。

美国提出了同步光纤网（SONET）。

1988年，ITU-T（原CCITT）提出了被称为同步数字系列（SDH）的规范建议。

SDH解决了PDH存在的问题，是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。

准同步数字系列有两种基础速率：

•以1.544Mb/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;

•以2.048Mb/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。

•对于以2.048Mb/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1.544Mb/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方法实现准同步复用。

•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。

在这种形势下，现有PDH的许多缺点也逐渐暴露出来，主要有：

（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SDH

1.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。

图5.1示出SDH传输网的拓扑结构。

SDH传输网由SDH终接设备（或称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

•SDH终端的复接/分接功能主要由TM设备完成。

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：

•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

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连接。

SDH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，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（Path）由一个或多个复接段（Line）构成，而每一复接段又由若干个再生段（Section）串接而成。

SDH传输网的分层结构

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STM-1，传输速率为155.520Mb/s；4个STM-1同步复接组成STM-4，传输速率为622.080Mb/s；16个STM-1组成STM-16,传输速率为2488.320Mb/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，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。

PDH和SDH分插信号流程的比较

采用SDH分插复用器（ADM），可以利用软件一次直接分出和插入2Mb/s支路信号，十分简便。

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STM-N帧有9行，每行由270×N个字节组成。

这样每帧共有9×270×N个字节，每字节为8bit。

帧周期为125μs，即每秒传输8000帧。

对于STM-1而言，传输速率为9×270×8×8000=155.520Mb/s。

字节发送顺序为：

由上往下逐行发送，每行先左后右。

SDH帧的三个部分：

（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附加字节（每字节含64kb/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。

（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。

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）。

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5～9行。

（3）管理单元指针（AUPTR）。

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）。

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，通常有两种传统方法：

正码速调整法和固定位置映射法。

正码速调整法的优点：

容许被复接的支路信号有较大的频率误差；缺点：

复接与分接相当困难。

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：

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

结合了正码速调整法和固定位置映射法的优点，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。

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C-n是标准容器，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。

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。

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（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。

举例：

由PDH的4次群信号到SDH的STM-1的复接过程

把139.264Mb/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149.760Mb/s;在虚容器VC-4内加上通道开销POH（每帧9Byte,相应于0.576Mb/s）后，输出信号速率为150.336Mb/s；

在管理单元AU-4内，加上管理单元指针AUPTR（每帧9Byte,相应于0.576Mb/s），输出信号速率为150.912Mb/s;由1个AUG加上段开销SOH（每帧72Byte,相应于4.608Mb/s）,输出信号速率为155.520Mb/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。

DXC的表示

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64kb/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：

（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：

实现自动化的网络配置管理。

主要功能有：

（1）分离本地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.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。

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为复杂的网形网（如图5.1所示）。

网形SDH网络的主要特点是：

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5.8SDH用于点对点传输

图5.9SDH链形网

图5.10SDH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），见图5.11。

最长的HRX是根据综合业务数字网（ISDN）的性能要求和64kb/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。

如图5.11所示，最长的标准数字HRX为27500km,它由各级交换中心和许多假设参考数字链路（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2500km,但由于各国国土面积不同，采用的HRDL长度也不同。

HRDL由许多假设参考数字段（HRDS）组成（见图5-12所示），在建议中用于长途传输的HRDS长度为280km,用于市话中继的HRDS长度为50km。

我国用于长途传输的HRDS长度为420km（一级干线）和280km（二级干线）两种。

假设参考数字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。

5.2.2系统的主要性能指标

1.误码率（BER）

误码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是在一个较长时间内的传输码流中出现误码的概率，它对话音影响的程度取决于编码方法。

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率来衡量系统性能的优劣，显然不够准确。

在实际监测和评定中，应采用误码时间百分数和误码秒百分数的方法。

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“可用时间”和“不可用时间”。

在连续10s时间内，BER劣于1×10-3，为“不可用时间”，或称系统处于故障状态；故障排除后,在连续10s时间内，BER优于1×10-3，为“可用时间”。

对于64kb/s的数字信号，BER=1×10-3，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。

对于目前的电话业务，传输一路PCM电话的速率为64kb/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：

劣化分（DM）误码率为1×10-6时，感觉不到干扰的影响，选为BERth。

每次通话时间平均3～5min,选择取样时间T0为1min是合适的。

监测时间以较长为好，选择TL为1个月。

定义误码率劣于1×10-6的分钟数为劣化分（DM）（DM）。

HRX指标要求劣化分占可用分（可用时间减去严重误码秒累积的分钟数）的百分数小于10%。

严重误码秒（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1s。

定义误码率劣于1×10-3的秒钟数为严重误码秒（SES）。

HRX指标要求严重误码秒占可用秒的百分数小于0.2%。

误码秒（ES）选择监测时间TL为1个月，取样时间T0为1s，误码率门限值BERth=0。

定义凡是出现误码（即使只有1bit）的秒数称为误码秒（ES）。

HRX指标要求误码秒占可用秒的百分数小于8%。

相应地，不出现任何误码的秒数称为无误码秒（ES），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（27500km）的误码率总指标。

为了设计需要，必须把总指标按不同等级的电路质量分配到各部分。

图5.14示出最长HRX的电路质量等级划分，图中高级和中级之间没有明显的界限。

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。

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24h。

假设误码为泊松分布，误码率三项指标都可以换算为长期平均误码率。

根据原CCITT的建议，对于25000km高级电路长期平均误码率BERav至少为1×10-7，按长度比例进行线性折算，得到每公里BERav=4×10-12/km。

所以280km和420km数字段的BERav分别为1.12×10-9和1.68×10-9，因此取1×10-9作为标准。

我国长途光缆通信系统进网要求中规定：

长度短于420km时，按1×10-9计算；长度长于420km时，先按长度比例进行折算，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420km数字段按BERav=1×10-10设计，50km中继段按BERav=1×10-11设计。

2.抖动

抖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动幅度（JPP），偏差时间间隔对时间的变化率称为抖动频率（F）。

这种偏差包括输入脉冲信号在某一平均位置左右变化，和提取时钟信号在中心位置左右变化，见图5.15所示。

抖动现象相当于对数字信号进行相位调制，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0～2kHz。

抖动单位为UI，表示单位时隙。

当脉冲信号为二电平NRZ时，1UI等于1bit信息所占时间，数值上等于传输速率fb的倒数。

抖动严重时，使得信号失真、误码率增大。

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。

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

全程各次群输出口对抖动容限的要求如表5.7所示，表中括号内的数值是对数字段的要求。

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。

对光纤通信系统而言，可靠性包括光端机、中继器、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。

1.可靠性表示方法

（1）可靠性R和故障率。

可靠性是指在规定的条件和时间内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：

（5.1）

故障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）,1fit等于在109h内发生一次故障的概率。

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：

（5.2）

（2）故障率和平均故障间隔时间MTBF。

两者的关系为

（5.3）

（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：

（5.4）

式中MTTR为平均故障修复时间（不可用时间）。

失效率PF可以表示为：

（5.5）

由式（5.4）和式（5.5）得到

（5.6）

在有备用系统的情况下，失效率为：

（5.7）

式中m和n分别为主用系统数和备用系统数，P=MTTR/MTBF。

2.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5000km双向全程每年4次全阻故障，对应于420km和280km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长为100km,容许双向全程每年4次全阻故障，对应于50km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10×104h,PIN-FET寿命大于50×104h,APD寿命大于50×104h。

根据上述标准，以5000km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=6h。

5.3系统的设计

5.3.1中继距离受损耗的限制

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。

选择最佳路由和局站设置、传输体制和传输速率以及光纤光缆和光端机的基本参数和性能指标，以使系统的实施达到最佳的性能价格比。

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：

•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。

中继距离受光纤线路损耗和色散（带宽）的限制，明显随传输速率的增加而减小。

中继距离和传输速率反映着光纤通信系统的技术水平。

图5.17示出了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：

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。

如果系统传输速率较低，光纤损耗系数较大，中继距离主要受光纤线路损耗的限制。

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

或

（5.8）

式中，Pt为平均发射光功率（dBm），Pr为接收灵敏度（dBm），αc为连接器损耗（dB/对），Me为系统余量（dB），αf为光纤损耗系数（dB/km）,αs为每km光纤平均接头损耗（dB/km）,αm为每km光纤线路损耗余量（dB/km）,L为中继距离（km）。

平均发射光功率Pt取决于所用光源，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～-25dBm。

光接收机灵敏度Pr取决于光检测器和前置放大器的类型，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BERav≤1×10-10时的接收灵敏度Pr。

连接器损耗一般为0.3～1dB/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3dB。

光纤损耗系数αf取决于光纤类型和工作波长，例如单模光纤在1310nm,αf为0.4～0.45dB/km;在1550nm,αf为0.22～0.25dB/km。

光纤损耗余量αm一般为0.1～0.2dB/km,但一个中继段总余量不超过5dB。

平均接头损耗可取0.05dB/个，每千米光纤平均接头损耗αs可根据光缆生产长度计算得到。

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（带宽）的限制

如果系统的传输速率较高，光纤线路色散较大，中继距离主要受色散（带宽）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（总带宽）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。

设传输速率为fb=1/T，发射脉冲为半占空归零（RZ）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：

（5.9）

式中σ为均方根（rms）脉冲宽度。

把σ/T=a定义为相对rms脉冲宽度，码间干扰δ的定义如图5.18所示。

由式（5.9）和图5.18得到：

（5.10）

由式（5.10）得