模拟光纤通信系统课件

7.1 光纤通信系统的基本概念光纤通信系统的基本概念 7.2 数字光纤通信系统数字光纤通信系统7.3 模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统第七章第七章 光纤通信系统光纤通信系统本章简介本章简介光纤通信系统是组成光网络的基本单元，光纤通信系统主要包括数数字字光光纤纤通通信信系系统统和模模拟拟光光纤纤通通信信系系统统。本章将主要对数字和模拟光纤通信系统的组成，工作原理，特性指标及相关应用等作以介绍。7.1光纤通信系统的基本光纤通信系统的基本概念概念7.1.1光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成光纤通信系统由光光发发送送部部分分、光光纤纤和光光接接收收部部分分三部分组成。图7.1光纤通信系统示意图在光发射部分光发射部分，信息源把用户信息用户信息转换为原始电原始电信号信号，这种信号称为基带信号基带信号。电发射机再把基带信号转换为适合信道传输的信号，这个转换如果需要调制，则其输出信号称为已调信号已调信号。对于数字电话传输数字电话传输，电话机把话音话音转换为频率范围为0.33.4kHz的模拟基带信号模拟基带信号，电发射机电发射机把这种模拟信号转换为数字信号数字信号，例如PCM信号，并把多路数字信号组合组合在一起，然后输入光发射机光发射机.光纤光纤部分可根据所传信号的质量质量要求、传传输距离输距离、适用场合适用场合等指标选单模单模光纤、多模多模光纤或其他特殊光纤。光接收部分光接收部分则采用和光发射部分相反的操作，将光信号转换为电信号光信号转换为电信号，然后再进行解复用解复用，然后将基带信号送给相关用户。7.1.2光纤通信系统的分类光纤通信系统的分类光纤通信系统根据不同的分类方法不同的分类方法可以划分为不同类型。1.按系统所用光纤类型系统所用光纤类型可将光纤通信系统分为单模单模光纤通信系统和多模多模光纤通信系统；2.按光纤通信系统应用的场合应用的场合分为公用型公用型光纤通信系统和专用专用光纤通信系统，如专网中的电力光纤通信系统，铁道光纤通信系统，军用光纤通信系统等；3.根据光纤通信系统所处位置光纤通信系统所处位置分为接入网接入网系统，城域网城域网系统，骨干网骨干网系统等；4.按光纤通信系统所采用的技术所采用的技术不同进行分类等。5.通常我们是按照光纤通信系统中所传送的信所传送的信号号是数字的还是模拟的，可将光纤通信系统分为模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统数字光纤通信系统。模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统通常将采集的模拟基带信号直接调制直接调制到光载波光载波上，从光发射机经光纤传送到光接收机，完成模拟信号的传送。为提高传输质量提高传输质量，也可将模拟基带信号转换为频率调制(FM)、脉冲频率调制(PFM)或脉冲宽度调制(PWM)信号，最后把这种已调信号输入光发射机已调信号输入光发射机。还可以采用频频分分复复用用(FDM)技术，用来自不同信息源的视频模拟基带信号(或数字基带信号)分分别别调调制制指定的不同频率的射频(RF)电波，然后把多个这种带有信息的RF信号组组合合成成多多路路宽宽带带信信号号，最后输入光光发发射机射机，由光载波光载波进行传输。在这个过程中，受调制的RF电波称为副副载载波波，这种采用频分复用的多路电视传输技术，称为副副载载波波复复用用(SCM)。数字光纤通信系统数字光纤通信系统通常将来自电电端端机机上上的的数数字字信信号号调制到光光载载波波上经光纤传送到对端，再解解调调为数字信号。数字信号经电端机解复用后变为基带数字信号，然后送到用户端。不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机带有信息的电信号带有信息的电信号，都通过调制转换为光信号光信号。光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光光信号转换为电信号信号转换为电信号。电接收机电接收机的功能和电发射机电发射机的功能相反功能相反，它把接收的电信号转换为基带信号，最后由信息宿恢复用户信息。在整个通信系统中，在光光发发射射机机之之前前和光光接接收收机机之之后后的电信号段，光纤通信所用的技术和设备与与电电缆缆通通信信相相同同，不同的只是由光光发发射射机机、光光纤纤线线路路和和光光接接收机收机所组成的基本光纤传输系统代替了电缆传输代替了电缆传输。由于前面各个章节我们已经讲述了光线与由于前面各个章节我们已经讲述了光线与光缆、光源器件与光发射机、光检测器件与光光缆、光源器件与光发射机、光检测器件与光接收机等内容，在本章中我们将重点就数字光接收机等内容，在本章中我们将重点就数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统等知识予以讲纤通信系统和模拟光纤通信系统等知识予以讲述。述。7.2数字光纤通信系统数字光纤通信系统7.2.1数字光纤通信系统组成数字光纤通信系统组成1.数字光纤通信系统数字光纤通信系统20世纪70年代光纤通信光纤通信的应用和80年代计算机计算机的普及的普及，为数字通信的发展创造了极其有利的条件。数字光纤通信系统比模拟光纤通信系统具有更多的优点，也更能适应社会对通信能力和通信质量越来越高的要求。数字通信系统的优点数字通信系统的优点1.抗干扰能力强，传输质量好抗干扰能力强，传输质量好。数字光纤通信采用二进制信号，信息不包含在脉冲波形中，而由脉冲的脉冲的“有有”和和“无无”表示。因此，一般噪声不影响传输质量，只有在抽样和判决抽样和判决过程中过程中，当噪声超过一定阈值噪声超过一定阈值时，才产生误误码率。码率。2.可以用再生中继，传输距离长。可以用再生中继，传输距离长。数字通信系统可以用不同方式再生传输信号，消除传输过程中的噪声积累，恢复原信号，延长传输距离。3.适用各种业务的传输，灵活性大。适用各种业务的传输，灵活性大。在数字通信系统中，话音、图像等各种信息都变换为二进制数字信号，可以把传输技术和交换技术结合起来，有利于实现综合业务。4.容易实现高强度的保密通信。容易实现高强度的保密通信。只需要将明文与密钥序列逐位模2相加，就可以实现保密通信。只要精心设计加密方案和密钥序列并经常更换密钥，便可达到很高的保密强度。5.数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本。数字通信系统的缺点缺点是占用频带较宽占用频带较宽，系统的频频带利用率不高。带利用率不高。例如，一路模拟电话只占用4kHz的带宽，而一路数字电话要占用2064kHz的带宽。数字通信系统的许多优点是以牺牲频带牺牲频带为代价得到的，然而光纤通信的频带很宽光纤通信的频带很宽，完全能够克服数字通信的缺点7.2.2数字光纤通信系统的线路码型数字光纤通信系统的线路码型对于数字端机的接口码型，一般采用双极性码，因为对电脉冲信号，以零伏为中心，无论产生正脉冲还是负脉冲都是比较容易的。目前常用的双极性码有码和CMI码。码适用于PDH(234)Mb/s（13次群）的数字信号接口。而CMI码适用于PDH140Mb/s数字信号接口。对于光缆数字系统，目前主要采用光强光强度调制方式度调制方式，即传输信息仅有光源发出的光光“有有”或或“无无”两种状态，因此应采用单极单极性码性码。光缆线路系统对传输码型的主要要求有光缆线路系统对传输码型的主要要求有：l能对中继器中继器进行不中断业务的误码检测;l减少码流中长连减少码流中长连“0”或长连或长连“1”的码字的码字，以利于端机和中继设备的定时提取，便于信号再生判决;l能传输监控、公务和区间信号监控、公务和区间信号;l能实现比特序列独立性能实现比特序列独立性，即不论传输的信息信号如何特殊，其传输系统都不依赖于信息信号而进行正确的传输。1.扰码扰码为了保证传输的透明性，在系统光发射机光发射机的调制器前的调制器前，需要附加一个扰码器扰码器，将原始的二进制码序列进行变换，使其接近随机序列随机序列。它是根据一定的规则将信号码流进行扰码，经过扰码后使线路码流中的使线路码流中的“0”、“1”出现概出现概率相等率相等，从而改善了码流的一些特性。缺点：缺点：l不能完全控制长连不能完全控制长连“1”和长连和长连“0”序列的序列的出现；出现；l没有引入冗余没有引入冗余，不能进行在线误码检测；l信号频谱中接近于直流的分量较大接近于直流的分量较大。因为扰码不能完全满足光纤通信对线路码型的要求，所以许多光纤设备除采用扰码外，还采用其它类型的线路编码。2.分组码分组码(1)mBnB码码它是把输入码流中每每m比特码分为一组比特码分为一组，然后变换变换为为n比特比特。m、n均为正整数，且nm，一般，一般n=m+1。这样，使变换后的码流有了“富余富余”（冗余）。在码流中除了可以传输原来的信息外传输原来的信息外，还可以传输传输与误码检测等有关与误码检测等有关的信息。另外，经过适当的编码编码之后，可以改善定时信号的提取改善定时信号的提取和直流分量的起伏直流分量的起伏等问题。mBnB码型中有1B2B，2B3B，3B4B，5B6B等。其中，5B6B码被认为在编码复杂性编码复杂性和比特冗余度比特冗余度之间是最合理的折衷，因此使用较为普遍。表7.15B6B码型的一种方案(2)mB1C码码这种码型是将信号码流每每m比特分为一比特分为一组组，然后在其末位之后再插入一个反码末位之后再插入一个反码（又称补码）即C码码。C码的作用码的作用是：如果第m位码为“1”码，则反码为“0”；反之则为“1”。例如：例如：8个码元为一组的码组为：11011001；编为8B1C码时的码组为：110110010。因此插入C码可进行误误码码检检测测，此外，还可减减少少连连“0”或连或连“1”的不良影响。(3)mB1H码码这种码是将信码流中每每m比特码分为一比特码分为一组组，然后在其末位之后插入一个末位之后插入一个混合码混合码，称为H码码。这种码型可同时用来完成区间通信、区间通信、公务联络、数据传输以及误码检测公务联络、数据传输以及误码检测等功能。(4)其它线路码型其它线路码型在光纤通信中，有时利用电缆传送数字信号。因此可用ITUTG.703建议的物理/电气接口码型，如伪双极性码即CMI和DMI码。7.2.3数字光纤通信系统特性指标数字光纤通信系统特性指标与设计与设计7.2.3.1数字光纤通信系统的特性指标数字光纤通信系统的特性指标目前，光纤通信系统主要是数数字字系系统统，因此光纤传输系统的各各种种性性能能指指标标应满足数字传输系统的要求。而数字信号在传输中也要遇到各各种种各各样样的的干干扰扰，因此考察光纤通信系统总总的的传传输输性性能能时，要分析各各部部分分设设备备的的性性能能及各各传传输输段段的的性性能能，以便在各各指指标标累加之后累加之后，能保证系统的全程性能保证系统的全程性能指标。为此，对全全程程通通信信网网的的性性能能指指标标要作一个合理的分分配配，首先要确定一个合合适适的的传传输输模模型型。ITUT提出了“系系统统参参考考模模型型”的概念，并规规定定了系统参考模型的性能参数和指标，光纤通信系统的性能指标就应遵循该规定。1.数字光纤系统模型结构数字光纤系统模型结构系系统统参参考考模模型型有三种假设形式：假假设设参参考考数数 字字 连连 接接（HRX），假假 设设 参参 考考 数数 字字 链链 路路（HRDL）及假设参考数字段（假设参考数字段（HRDS）。(1)假设参考数字连接（假设参考数字连接（HRX）假设参考数字连接假设参考数字连接是针对通信系统的总的性能和总的性能和指标指标分配而找出的通信距离最长、结构最复杂、传输通信距离最长、结构最复杂、传输质量预计最差质量预计最差的连接。如如果果这这种种连连接接能能满满足足通通信信系系统统的的性性能能指指标标要要求求，那那么么通通信信距距离离较较短短，结结构构较较简简单单的的通通信信连连接接肯肯定定能能保保证传输质量，因而引入了假设参考连接模型。证传输质量，因而引入了假设参考连接模型。它是通信网中从用用户户至至用用户户，包包括括参参与与变变换换与与传传输输的的各各个个部部分分（如用用户户线线、终终端端设设备备、交交换换机机、传传输输系系统统等）。ITUT建议的一个标标准准最最长长HRX全全长长为为27500km，包含14个个假假设设参参考考数数字字链链路路和13个个数数字字交换点交换点。实际上经常实现的连接都比标准最长实际上经常实现的连接都比标准最长HRX短短。假设参考数字连接的具体组成如图7.2示。图7.2 假设参考数字连接组成图 (2)假设参考数字链路（假设参考数字链路（HRDL）为了简化数字传输系统的研究，保证全程通信质量，把假设参考数字连接（把假设参考数字连接（HRX）中的两个相邻交换）中的两个相邻交换点的数字配线架间所有的传输系统，复、分设备等各点的数字配线架间所有的传输系统，复、分设备等各种传输单元，用种传输单元，用假设参考数字链路（假设参考数字链路（HRDL）表示。由于HRDL是HRX的一个组成部分，因此允许把总的性能指标分配到一个比较短的模型上。ITUT建建议议HRDL的的合合适适长长度度是是2500km，根据我国地域广阔的特点，我我国国长长途途一一级级干干线线的的数数字字链链路路长长度度为为5000km。(3)假设参考数字段（假设参考数字段（HRDS）为了适应传输系统的性能规范，保证全线质量和管理维护方便，具体提供数字传输系统的性能指标，把假设参考数字链路（假设参考数字链路（HRDL）中相邻的数字配线架）中相邻的数字配线架间的传输系统，即两个光端机之间的光缆传输线路及间的传输系统，即两个光端机之间的光缆传输线路及若干光中继器用若干光中继器用假设参考数字段（假设参考数字段（HRDS）表示表示。根据我国的实际情况，长长途途一一级级干干线线的的HRDS为为420km，长长途途二二级级干干线线的的HRDS为为280km。因此通通信信网网总总的的性性能能指指标标从从HRX上上可可以以按按比比例例分分配配到到HRDL上上，再从再从HRDL上分配到上分配到HRDS上。上。2.系统的质量指标系统的质量指标（1）误码性能）误码性能误码的定义误码的定义光纤数字传输系统的误码性能用误码率误码率来衡量。即在特定的一段时间内所接收的错误码元与同一时特定的一段时间内所接收的错误码元与同一时间内所接收的总码元数之比间内所接收的总码元数之比。（7.1）误码发生的形态和原因误码发生的形态和原因误码发生的形态主要有两类：一类是随机形态随机形态的误码的误码，即误码主要是单个随机发生单个随机发生的，具有偶然偶然性性；另一类是突发的、成群发生突发的、成群发生的误码，这种误码可能在某个瞬间集中发生某个瞬间集中发生，而其它大部分时间无误码发生。误码发生的原因是多方面的误码发生的原因是多方面的。如电缆数字网中的热噪声，交换设备的脉冲噪声干扰，雷电的电磁感应，电力线产生的干扰等。误码性能的评定方法误码性能的评定方法评定误码性能的参数包括平均误码率、平均误码率、劣化分、严重误码秒劣化分、严重误码秒和误码秒误码秒。平均误码率平均误码率在一段较长的时间内出现的误码个数和传在一段较长的时间内出现的误码个数和传输的总码元数的比值输的总码元数的比值。平均误码率反映了测试时间内的平均误码结果平均误码结果，因此适合于计量随机适合于计量随机误码误码，但无法反映误码的随机性和突发性无法反映误码的随机性和突发性。劣化分劣化分每每分分钟钟的的误误码码率率劣劣于于这这个个阈阈值值称称为为劣劣化化分分，用用DM表表示示。我们取总观测时间为，它的大小可以是几天或一个月，一一个个取取样样观观测测时时间间为为1分分钟钟。从总观测时间中扣扣除除不不可可用用时时间间（连续10秒平均误码率劣于）和严严重重误码秒误码秒后所得可用分钟可用分钟。ITUT建建议议该该性性能能指指标标应应达达到到在在内内累累计计的的劣劣化化分分个个数数占占可可用用分分钟钟数数时时间间百百分分数数少少于于10%。严重误码秒严重误码秒每秒内的误码率劣于每秒内的误码率劣于这个阈值称为严重这个阈值称为严重误码秒误码秒，用用SES表示表示。取总观测时间为，一个取样观测时间取样观测时间为为1秒钟秒钟。ITUT建议该性能指标应达到在中可用时间内累计的严重误码秒个数占可用时间秒累计的严重误码秒个数占可用时间秒数的时间百分数少于数的时间百分数少于0.2%。误码秒误码秒每个观测秒内，出现的误码数为每个观测秒内，出现的误码数为0，用，用ES表示。表示。取总观测时间为，一个取样观测时一个取样观测时间间为为1秒钟秒钟。ITUT建议该性能指标应达到在中可用时间内累计的误码秒占可用时间累计的误码秒占可用时间秒数的时间百分数少于秒数的时间百分数少于8%。误码指标的分配误码指标的分配在一一个个连连接接中通常包包含含几几种种不不同同质质量量等等级级的数字传输电路。在27500km的国际连接（HRX）中二二级级交交换换中中心心SC之之间间的电路部分为高高级级电电路路，本本地地交交换换点点LE与与SC之之间间的电路部分为中中级级电电路路，LE与与参参考考点点T之间之间的电路部分为本地级本地级。误码性能指标是该线路等级分配的误码性能指标是该线路等级分配的，具体分配如表7.3所示。表7.3 误码指标的分配 （2）抖动性能抖动的定义抖动的定义抖动是数字信号传输中的一种瞬时不稳抖动是数字信号传输中的一种瞬时不稳定现象定现象。即数字信号的各有效瞬间对其理想数字信号的各有效瞬间对其理想时间位置的短时间偏离时间位置的短时间偏离，称为抖动。抖动可分为相位抖相位抖动动和定时抖动定时抖动。相位抖动是指传输过程中所形成的周期性的相位变化周期性的相位变化。定时抖动是指脉码传输脉码传输系统中的同步误差系统中的同步误差。图7.3 定时抖动的图解定义 抖动的大小或幅度通常可可用用时时间间、相相位位或数数字字周周期期来表示。目前多用数字周期来表示，即“单单位位间间隔隔”，用符号UI（UnitInterval），也就是1比比特特信信息息所所占占有有的的时时间间间间隔隔。例如码速率为34.363Mb/s的脉冲信号，1UI=1/34.363s。显然它在在数数值值上上等等于于传传输输比比特率的倒数特率的倒数。抖动的类型抖动的类型l随机性抖动随机性抖动在再生中继器内与传输信号关系不大的抖动来源称为随机性抖动。这些抖动主要由于环境变化、由于环境变化、器件老化器件老化及定时调谐回路失调定时调谐回路失调引起。l系统性抖动系统性抖动由于码间干扰码间干扰，定时电路幅度相位转换等因素引起的抖动。抖动的容限抖动的容限l输入抖动容限输入抖动容限输入抖动容限是指数字段能够允许的输入信号指数字段能够允许的输入信号的最低抖动限值的最低抖动限值，即加大输入信号的抖动值，直到加大输入信号的抖动值，直到设备由不误码到开始误码的这个分界点设备由不误码到开始误码的这个分界点。此时的输入信号上的误码即为最大允许输入抖动下限。图7.4 最大允许输入抖动下限 表7.5 输入口对输入数字信号抖动的最低容限 l输出抖动容限输出抖动容限在数字段输输入入信信号号无无抖抖动动时时,由于数字段内的中中继继器器产产生生抖抖动动,并按一定规律进行累累计计,于是在数字段输出端产生抖动输出端产生抖动。ITUT提提出出了了数数字字段段无无输输入入抖抖动动时时的的输输出出抖抖动动上限，上限，即为输出抖动容限输出抖动容限。表7.6 输出抖动容限 l抖动转移特性抖动转移特性由于输输入入口口数数字字信信号号的的抖抖动动经经设设备备或或系系统统转转移移后后到到达达输输出出口口，从而构成了输输出出抖抖动动的的另另一一个个来来源源。为了保证数字网抖动的总质量目标，ITUT建建议议抖抖动转移增益不大于动转移增益不大于1dB。（3）光接口指标）光接口指标完整的光纤通信系统的具体组成完整的光纤通信系统的具体组成.光端机与光纤的连接点称为光接口光接口。光接口有两个，一个由S点点向光纤发送光信号；另一个由R点点从光纤接收信号。图7.5 光纤数字通信系统方框图 平均发送光功率平均发送光功率光端机的平均发送光功率是指光端机在正常工作的情况下，由电端机输出电端机输出223-1或或215-1的伪随机码的伪随机码时，光端机输出端S点测量到的平均光功率点测量到的平均光功率。平均发送光功率的功率值用（功率值用（W）表示）表示，电平值用电平值用LT（dBm）表示，光功率值与电平值之间的关系是：（7.2）对于一个实际的光纤通信系统实际的光纤通信系统，平均发送光功率平均发送光功率并不是越大越好并不是越大越好.虽然从理论上理论上讲，发送光功率越大光功率越大，通信距离越距离越长长.但光功率越大光功率越大会使光纤工作在非线性非线性状态，这种非线性状态会对光纤产生不良影响。消光比消光比消光比是指光端机的电接口输入为全全“1”码和码和全全“0”码时的平均发送光功率之比码时的平均发送光功率之比，用EXT表示：（7.3）无无输输入入信信号号时时，光端机输出平平均均发发送送光光功功率率，对接收机来说是一种噪噪声声，会降降低低接接收收机机的的灵灵敏敏度度，因此希望消光比越小越好消光比越小越好。但是，对激光器LD来讲，要使消光比小就要减减小小偏偏置置电电流流，从而使光光源源输输出出功功率率降降低低，谱谱线线宽宽度度增增加加。所以要全面考虑消光比与其它指标之间的矛盾。接收机灵敏度接收机灵敏度接收机灵敏度是指在满满足足给给定定误误码码率率条条件件下下，光光端端机机光光接接口口R点点能能够够接接收收到到的的最最小小平平均均光光功功率率电电平值平值。通常用dBm作为灵敏度的衡量单位。接收机的灵敏度是光端机的重重要要性性能能指指标标，它表示了光光端端机机接接收收微微弱弱信信号号的的能能力力。它与系统要求的误码率，系统的码速、接收端光电检测器的性能有关。动态范围动态范围接接收收机机灵灵敏敏度度是光接收机接收光功率的一个最最小小值值，当接收机收到的信号小于这个最小值时，系统的误码率就达不到要求。若接收机接接收收的的光光功功率率过大过大，也会使系统的误码率达不到要求系统的误码率达不到要求。为了保证系统的误码特性，光接收机收到的光功率只能在一定的范围内。这个范围就是动态范围动态范围D。具体的定义是：在满足给定误码率的条件下，光端机在满足给定误码率的条件下，光端机输入连接器输入连接器R点能收到的最大光功率电平值点能收到的最大光功率电平值与收到与收到的最小功率电平值的最小功率电平值之差之差，单位是db。（7.5）7.2.3.2光纤通信系统中的中继器光纤通信系统中的中继器光纤通信利用光纤传输信号。光信号在传输过程会出现两个问题：l（1）光纤损耗使光信号的幅度衰减幅度衰减，限制了光信号的传输距离；l（2）光纤的色散特性使光信号波形失真波形失真，造成噪声和误码率增加。这些不但限制了光信号的传输距离限制了光信号的传输距离，也限制了光限制了光纤的传输容量纤的传输容量。为了增加光纤的通信距离和通信容量，就必须在光纤传输线路中每隔一定距离设置一个中继每隔一定距离设置一个中继器器。中继器的功能功能主要有：l（1）补偿衰减的光信号；）补偿衰减的光信号；l（2）对失真的信号波形进行整形。）对失真的信号波形进行整形。光纤通信中的中继器主要有两种:1，光电中继器，光电中继器2，全光中继器，全光中继器1.光电中继器的基本结构光电中继器的基本结构（1）中继器的构成方框图）中继器的构成方框图由于目前长距离传输多为数字信号系统，因此我们主要讨论的也是数数字字光光电电中中继继器器。即光光电电光光型型中中继继器器。这样的中继器是由一个没没有有线线路路码码型型变换和反变换变换和反变换的光接收和光发射相连接的系统光接收和光发射相连接的系统。这种光中继器的电路要比光端机的电路简单光中继器的电路要比光端机的电路简单，但主要的电路原理是一样的。图7.7 数字光中继器原理框图 （2）中继器的结构形式）中继器的结构形式中继器有的是设在机房中设在机房中，有的是箱式箱式或罐式罐式，有的是直埋在地下直埋在地下或架空光缆架空光缆在电杆上。对于直埋和架空的室外中继器必须有良好的密良好的密封性能封性能。（3）光中继器的公务监控方式）光中继器的公务监控方式光中继器的公务监控等信号有两种传输方法：l一种是与主信道分开与主信道分开，另设传输信道传输信道；l一种是将这些信号插入到主信道信号中和主信号一插入到主信道信号中和主信号一起传输起传输，到中继器再分开到中继器再分开。二者各有优缺点。目前主要采用第二种方式。这一过程主要由光中继器中的插、分电路来完成。2.全光中继器全光中继器掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器是一个直接对光波实现放大的有源器件，可在光纤线路中代替目前广泛使用的代替目前广泛使用的光光电电光型中继器光型中继器。图7.8 掺饵光纤放大器用作光中继器的原理框图 掺铒光纤放大器作中继器的优点：掺铒光纤放大器作中继器的优点：设备简单，没有光设备简单，没有光电电光的转换过程，工作带宽宽。光的转换过程，工作带宽宽。掺铒光纤放大器作中继器的缺点：掺铒光纤放大器作中继器的缺点：光放大器作中继器时，对波形的整形不起作用。光放大器作中继器时，对波形的整形不起作用。7.2.3.3光纤通信系统中继距离的光纤通信系统中继距离的设计设计根据前面所讨论的光纤传输系统的各种指标要求，光光发发射射机机与与光光接接收收机机之间有最最大大传传输输距距离离的问题。因此如要实现长距离通信，在设设计计一一个个光光纤纤系系统统时，最最大大中中继继距距离离的的设设计计就是一个重要问题。从前面的性能讨论知道，最大中继距离要受以下4个因素的影响。（1）发射机耦合入光纤的功率）发射机耦合入光纤的功率。从物理概念上理解，在其它条件不变的情况下，光功率光功率越大，传输距离越长越大，传输距离越长。（2）光接收机灵敏度）光接收机灵敏度由于光接收机灵敏度的定义是在满足系统误码率指标下的最低接收光功率，因此，在其其它它条条件件不不变变的的情情况下况下，接收机灵敏度越高（接收机灵敏度越高（越小），传输距离越长越小），传输距离越长。（3）光纤的每千米衰减系数）光纤的每千米衰减系数。若光纤的每千米衰减系数每千米衰减系数越小越小，则光纤传输中损耗的功率越小，光能在光纤中传输的距离越长传输的距离越长。（4）光纤的色散。）光纤的色散。若若光光纤纤的的色色散散大大，则则经经过过相相同同距距离离的的传传输输出出现现的的波波形形失失真真越越严严重重，若若传传输输距距离离越越长长，失失真真越越严严重重。波形失真将引起码间干扰，导致接收机灵敏度降低接收机灵敏度降低。下面我们分两种情况讨论：下面我们分两种情况讨论：（1）中继距离受光纤衰减限制的情况）中继距离受光纤衰减限制的情况如果在光纤通信系统中，信号的码速不是很高码速不是很高，带宽足够宽带宽足够宽，则光纤的色散对传输距离的影响不大色散对传输距离的影响不大，可认为光纤传输系统的最大中继距离仅受光纤衰减最大中继距离仅受光纤衰减的的影响。则中继距离的长度可按下式计算（7.7）L为 中中 继继 段段 长长 度度（km）;PT为 入入 纤纤 光光 功功 率率（dBm）;Pmin为接接收收机机灵灵敏敏度度（dBm）;c为一个光光纤纤接接头头的的损损耗耗（dB）;n为光纤系统中的接接头头数数;为光纤每千米衰减系数（每千米衰减系数（dB/km）。一般光缆线路上，每千米一个接头一般光缆线路上，每千米一个接头。（2）色散对中继距离的影响）色散对中继距离的影响当光纤系统的码速大于码速大于140Mb/s时，如果中继中继距离过长距离过长，由于色散的影响，会造成数字信号脉冲过大的展宽，引起码间干扰，从而降低光接收机的降低光接收机的灵敏度灵敏度。就目前的速率系统而言，仅考虑色散影响的中考虑色散影响的中继距离的计算公式继距离的计算公式为（7.8）B为线路码速率线路码速率（Mb/s）;D为色散系数ps/(kmnm）;为与色散代价有关的系数。由系统中所选用的光源类型来决定，若采用多纵模多纵模激光器激光器，为为0.115；若采用单纵模激光器和半导体发光二单纵模激光器和半导体发光二极管极管，为为0.306。对于某一传输速率的系统而言，在考虑上述两个因素的同时，分分别别算算出出两两个个中中继继距距离离L和和LD，然后取取距离短的为该传输速率的实际中继距离距离短的为该传输速率的实际中继距离。【例例7.1】已知一个已知一个565Mb/s单模光纤传输系统，其系单模光纤传输系统，其系统统总体要求如下：总体要求如下：(1)光纤通信系统光纤损耗为光纤通信系统光纤损耗为0.1dB/km，有五个，有五个接头，平均每个接头损耗为接头，平均每个接头损耗为0.2dB，光源的入纤功率，光源的入纤功率为为-3dBm，接收机灵敏度为，接收机灵敏度为-56dBm。(2)光纤线路上的线路码型是光纤线路上的线路码型是5B6B，光纤的色散，光纤的色散系数为系数为2ps/（kmnm），光源光谱宽度为），光源光谱宽度为1.8nm。求最大中继距离为多少？求最大中继距离为多少？解由公式得因为，L，所以中继距离为125km。7.2.4数字光纤通信系统的应用数字光纤通信系统的应用目前数字通信系统主要包含两种传输体制，一种是准准同同步步数数字字复复用用体体系系(PDH),另一种是同同步步数数字字复复用用体体系系（SDH）.这两种数字复用体系在早期的电电线线、电电缆缆及及微微波波等等电电域域传传输输系系统统中中得得到到广广泛泛应应用用。特别是PDH技术体系为数字通信的发展奠定了基础。这两种数字传输体系结构同样也被引入了早期的这两种数字传输体系结构同样也被引入了早期的光纤通信系统。光纤通信系统。所以早期的数字光纤通信系统都是以早期的数字光纤通信系统都是以这两种数字信号传输标准进行数字信号传输的。这两种数字信号传输标准进行数字信号传输的。而近年来，以高速率、大容量、多业务为传送目标的现代光纤数字传输技术已经得到迅猛发展，如以波波分分复复用用（DWDM）技技术术为基础的光光网网络络技技术术（OTN，在电域叫OTH）和以分分组组技技术术为基础的下一代光数字传输网络的分分组组光光网网络络系系统统（PTN）等都得到迅速发展和应用推广。由于现在还还有有很很多多通通信信系系统统和和设设备备使使用用PDH标标准准和和SDH标标准准，所以在近期这两种体系结构还不会被淘汰。下面我们将就光纤数字传输系统中的这两种技术做一介绍，其他技术将会在别的地方介绍。7.2.4.1PDH系统系统1.PDH的概念的概念PDH准准同同步步数数字字传传输输系统是将由抽样、量化、编码后得到的PCM数数字字信信号号进进行行准准同同步步复复用用后后进进行行传传送送的数字通信系统。目前PDH技技术术有有两两种种主主流流传传输输标标准准，一种是北北美美和和日日本本等国家广泛使用的T-系系列列标准，其基础速率为1.544Mb/s,基群帧含有基群帧含有24个信道个信道（时隙TS）；另一种是欧欧洲洲各各国国和和中中国国采用的E-系系列列标准，其基础传输速率为2.048Mb/s,基群帧含有32个个信信道道(TS)。下面我们主要介绍一下E-系列的基群帧结构和复帧结构。我我国国采采用用的的是是E-系系列列PDH标标准准。典型的设备是PCM 30/32系统。由于语音信号的频率通常小于4KHz，根据取样定律，要将模拟语音信号变为数字信号，所选的取样速率应为8KHz,也就是说，两相邻样值之间间隔为125s，在PCM30/32帧结构中。我们称这一时间间隔为一帧这一时间间隔为一帧。图 7.9 PCM30/32帧结构和复帧结构从图7.9我们可以看到：1)在PCM30/32帧结构中，每一个时隙（时隙（TS），），即一个话路，话路，占8个个bits,时隙长度为时隙长度为3.9s;2)PCM30/32一帧含有一帧含有32个时隙个时隙，其中1到到15和17到到31时隙传语音信号语音信号，其他两个时隙传帧同步信号其他两个时隙传帧同步信号、告警告警信号、扶正同步信号信号、扶正同步信号和信令信号信令信号，其帧长为125s。3)每一路语音信号都需要信令的支持才能进行通信，PCM30/32系统有30个话路，因此必须传输30路信令。一路信令信号只需要4bit，1个可以传送两路信令，15个（15帧）可以传送30路信令；4)信令信号每隔16帧传送一次，16帧称为1复帧，一个复帧的时长是2ms。PCM30/32是是PDH的基群的基群，一帧含有32个时隙个时隙，传输速率为2.048Mb/s.其高次群分别为高次群分别为E2、E3、E4和和E5等，相关技术参数可参见表4.1。2.PDH技术标准技术标准如前所述，PDH目前主流标准有欧制的E-系列和美制的T-系列，相关标准和对应关系可参见表7.10。一次群（基一次群（基群）群）二次群二次群三次群三次群四次群四次群五次群五次群日本日本2424路路1.544Mbit/s1.544Mbit/s9696路路(24(244)4)6.312Mbit/s6.312Mbit/s480480路路(96(965)5)32.064Mbit/s32.064Mbit/s14401440路路(480(4803 3)97.728Mbit/97.728Mbit/s s5760路路(4404)397.200 397.200 Mbit/sMbit/s北美北美2424路路1.544Mbit/s1.544Mbit/s9696路路(24(244)4)6.312 6.312 Mbit/sMbit/s672672路路(96(967)7)44.736 44.736 Mbit/sMbit/s40324032路路(672(6726 6)274.176 274.176 Mbit/sMbit/s欧洲欧洲中国中国3030路路2.048 2.048 Mbit/sMbit/s120120路路(30(304)4)8.448 8.448 Mbit/sMbit/s480480路路(120(1204)4)34.368 34.368 Mbit/sMbit/s19201920路路(480(4804 4)139.264 139.264 Mbit/sMbit/s7680路路(19204)564.992 Mbit/s3.PDH系统系统如果中间的传输介质为光纤传输介质为光纤，那么在复接设备后面复接设备后面应接光发射机，再分接器前面应接分接器前面应接光接收机，此时的PDH系统即为光纤PDH数字传输系统。图7.10 数字复接系统方框图4.PDH系统在光纤通信中的与应系统在光纤通信中的与应用用在早早期期的的通通信信网网中，由于交交换换设设备备和相关终终端端设设备备都是PCM设设备备，所以当时的数字光纤通信系统中，大都采用PDH数字复接设备用来提高系统的传输能力。图7.11是PDH复接系统的典型应用。图中可见如果将五五次次群群数数字字复复用用信信号号调调制制到到光光端端机机上上，再再用用光光纤纤来传输此信号，其就实现了光纤数字通信系统来传输此信号，其就实现了光纤数字通信系统。图7.11 PDH复接系统示意图虽然早期采用PDH作为光纤数字通信标准，解决了当时数字信号传输的问题，但是随着应用和技术的发展，人们发现PDH光纤数字通信系统存在一些固固有有问问题题，难以解决。（1）无统一的光接口，无法实现横向兼容；）无统一的光接口，无法实现横向兼容；（2）准同步复用方式，上下电路不便；）准同步复用方式，上下电路不便；（3）网络管理能力弱，建立集中式电信管理网困难；）网络管理能力弱，建立集中式电信管理网困难；（4）网络结构缺乏灵活性；）网络结构缺乏灵活性；（5）面向话音业务等。）面向话音业务等。7.2.4.2SDH系统系统1.SDH的概念的概念SDH系统是由一些基基本本网网络络单单元元（NE）组成的，在传输媒质上（如光光纤纤、微微波波等）进行同同步步信信息息传传输、复用、分插输、复用、分插和交叉连接交叉连接的传送网络。它的基本网元有终终端端复复用用器器（TM）、分分插插复复用用器器（ADM）、同同步步数数字字交交叉叉连连接接设设备备（SDXC）和再生中继器（再生中继器（REG）等。SDH网采用灵活的映映射射和独特的指指针针调整技术，经过字字节节间间插插进行同步复用，将各各种种类类型型的的信信号号纳入具有标标准准接接口口的同步传送模块STMN传送，从而以高度的兼兼容容性性、灵灵活活性性和和可可靠靠性性等，使传送网真正进入智能化的联网应用阶段。（1）SDH的特点的特点l新型的复用映射方式：新型的复用映射方式：同步复用方式和灵活的映射结构。l接口标准统一：接口标准统一：全世界统一的NNI，体现了横向兼容性。l网络管理能力强：网络管理能力强：帧结构中丰富的开销比特。l组网与自愈能力强：组网与自愈能力强：采用先进的ADM、DXC等组网。l兼容性好：兼容性好：具有完全的前向兼容性和后向兼容性。l先进的指针调整技术：先进的指针调整技术：可实现准同步环境下的良好工作。l独立的虚容器设计：独立的虚容器设计：具有很好的信息透明性。l系列标准规范系列标准规范：便于国内、国际互连互通。（2）SDH的帧结构的帧结构SDH传送体系和PDH一样，其也具有分级结构分级结构。在SDH中，分别有STM-1、STM-4、STM-16、STM-64等4种传送模式，通常我们将其简写为STM-N。STMN信号是一个数字序列，该数字序列通常分成具有固固定定数数量量比比特特的、按按一一定定规规律律重重复复的图案，即所谓“帧帧”。STM-1信号一帧包含2430（2709）字节。图7.12 STM1帧结构 STM-1平面帧以字节为字节为单位单位，有9行行、270列列。前9列的1-3行是再生段开销再生段开销，5-9行是复用段开销复用段开销，第4行是管理单元指针管理单元指针，其余261列是净负荷（简称净荷）净负荷（简称净荷）。STM1信号的传输顺序是逐逐行行、逐逐列列传传输输直到第9行第270列。每每秒秒传传输输8000帧帧（每每帧帧125s），一一帧帧有有19440（24308）bit，所以比特率为155.520Mb/s信信息息净净负负荷荷是帧结构中除了存放传送的各各种种信信息息码码块块，也存放少少量量用用于于通通道道性性能能监监视视、管管理理和和控控制制的通道开销（POH）字节块，POH通常作为净净负负荷荷的的一一部分与信息一起传送部分与信息一起传送。段段开开销销是为保证信息净负荷正正常常灵灵活活传传送送所必须附加的供网络运行、管理和维护（供网络运行、管理和维护（OAM）使用的字节。段开销又分为再再生生段段开开销销（RSOH）和复复用用段段开开销销（MSOH）两部分，它们分别位于帧结构的三行（第 35行）9列 和 五 行（第 59行）9列，共 计（3+5）9=72个字节（576个比特）。管理单元指针管理单元指针是用来指示信息净负荷第指示信息净负荷第1个字节个字节在帧内准确位置的指示符在帧内准确位置的指示符，以便在收端正确分离信息以便在收端正确分离信息净负荷净负荷。它位于RSOH和MSOH之间，即帧结构第四行的第19行。更更高高速速率率STMN帧帧结结构构类类视视于于STM-1的的帧帧结结构构，只是它由9行和270N列组成。向前面所述，通常N只能取1、4、16、64。高速率STMN帧和STM1帧一样，也是每每秒秒传传输输8000帧帧（每帧125s），所不同的是段段开开销销和和净净负负荷荷 各各 扩扩 大大 了了 N倍倍，相 应 速 率 是 STM1（155.520Mb/s)的的N倍倍。STM-N（N=1，4,16,）的帧结构和段开销，是由STM-1帧结构和段开销按一一定定规规律律经经字字节节间间插插同同步步复复用用而成，因而分析清楚STM-1结构，STM-N结构就不难分析。2.SDH技术标准技术标准SDH技术最早由美国人提出，1985年美国ANSI通过此标准，形成了美国国家的正式标准，并将其命名为同同步步光光网网络络（SONET）。1988年ITU-T接受了SONET的概念，并进行了适当的修改，重新命名为同同步步数数字字体体系系（SDH），使之成为不仅适于光纤，也适于微波和卫星传输的国际标准。SDHSONET等 级标称速率（Mbit/s）简 称等 级标准速率（Mbit/s）OC-1/STS-1（480CH）51.840STM-l（1920CH）155.520155Mbit/sOC-3/STS-3（1440CH）155.520OC-9/STS-9465.560STM-4（7696CH）622.080622Mbit/sOC-12/STS-12622.080OC-18/STS-18933.120OC-24/STS-241244.160OC-36/STS-361865.240STM-16（30720CH）2488.3202.5Gbit/sOC-48/STS-48（32356CH）2488.320OC-96/STS-96（尚待确定）4975.640STM-64（122880CH）9953.28010Gbit/sOC-192/STS-192（129024CH）9953.280表7.11 SONET和SDH的标准对照 1989年，ITU-T在其蓝皮书上发表了G.707、G.708和和G.709三个标准，从而揭开了现代信息传输崭新的一页。ITUT的G.709建议规定了完完整整的的SDH映映射射复复用用结结构构，描述了各种低速外部信号，它是经历一系列中间信息结构和处理环节装入STMN信号的高速净负荷区的方法和过程.图7.13 G.709建议的SDH复用映射结构图 l图中各部分的名称和作用：图中各部分的名称和作用：标准容器（标准容器（C-n）、虚容器（）、虚容器（VC-n）、支路单元（）、支路单元（TU-n）、）、支路单元组（支路单元组（TUG-n）、管理单元（）、管理单元（AU-n）和管理单元）和管理单元组（组（AUG）。）。SDH的基本复用映射结构描述了各种业务信号复用进STM-N帧的过程都要经历映射、定位和复用映射、定位和复用三个步骤。我国采用的复用映射结构使得每种速率的信号只有惟一的复用路线到达STM-N，接口种类由5种简化为3种，主要包括C-12，C-3和和C-4三种进入方式。图7.14SDH传送网的典型拓扑结构 TM是SDH终端设备（或称SDH终端复用器）ADM是分插复用设备DXC是数字交叉连接设备3.SDH系统系统SDH终终端端的主要功能是复复接接/分分接接和提提供供业业务务适适配配，例如将多路E1信号复接成STMN信号及完成其逆过程，或者实现与非与非SDH网络业务的适配网络业务的适配。ADM是一种特殊的复用器复用器，它利用分接分接功能功能将输入信号所承载的信息分成两部分：一部分直接转发直接转发；另一部分卸下给本地用户卸下给本地用户。然后，信息又通过复接复接功功能能将转发部分和本地上送的部分合成转发部分和本地上送的部分合成输出。DXC类似于交换机交换机，它一般有多个输入多个输入和多个输多个输出出，通过适当配置可提供不同的端到端连接。7.3模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统7.3.1模拟光纤通信系统的概念模拟光纤通信系统的概念虽然目前许多光纤通信系统采用数字信号传输方式，但仍然有许多应用领域适宜采用模拟传输。当光纤系统是受带宽限制受带宽限制而不是受损耗限制，以及终端设终端设备的价格成为主要的考虑因素备的价格成为主要的考虑因素时，就值得采用模拟系统。例如，视频信号的短距离传输，CATV系统等采用模拟传输更为合理。模拟通信系统除占占用用带带宽宽较较窄窄外，还有电电路路简简单单、价价格格便便宜宜等优点。因此，目前的电视传输，广泛采用模拟通信系统。另一方面，由于电视的数字化传输，要求较复杂的技术，特别是当今社会对电视频道数目的要求日益增多，要传输几十甚至上百路电视，需要极极复复杂杂的的编编码码和和解解码码技技术术，设设备备价价格格昂昂贵贵，因此目前还还不不能能普普遍遍使用。使用。在这种情况下，副副载载波波复复用用(SCM)模模拟拟光光纤纤通通信信系系统统得到很大重视和迅速发展。在这种SCM系统中，视视频频基基带带信信号号对对射射频频副副载载波波的的调调制制，可以采用调调频频(FM)或调幅或调幅(AM)。目前，在卫卫星星模拟电视传输中，视视频频信信号号对对微微波波的的调调制制采采用用的的是是调调频频(FM)，所以连接卫星地面站的干干线光纤传输系统要采用线光纤传输系统要采用FM/SCM方式。光纤通信系统中模拟信号的传输光纤通信系统中模拟信号的传输主要采用三种调制技术：最简单和应用最广泛的调制技术是光源的基光源的基带直接强度调制带直接强度调制；另一种是脉冲频率调制脉冲频率调制方式；最后一种是光波副载波调制光波副载波调制方式。7.3.2直接光强调制传输系统直接光强调制传输系统1.基带模拟光传输系统基带模拟光传输系统基带模拟光调制是用承承载载信信息息的的模模拟拟基基带带信信号号，直直接接对光发射机光光源源（LED或或LD）进进行行光光强强调调制制，使光光源源输输出出光光功功率率随随时时间间变变化化的的波波形形和和输输入入模模拟拟基基带信号的波形成比例带信号的波形成比例。模拟基带直接光强调制（模拟基带直接光强调制（DIM）光纤传输系统由光发射机、光纤线路和光接收机（光检测器）组成。图7.18 模拟信号直接光强调制系统方框图 评价模拟信号直接光强调制系统的传输质量的最重要的特性参数是信噪比（信噪比（SNR）和信号失真信号失真。我们在这里定义信噪比信噪比为均方信号电流对均方噪均方信号电流对均方噪声电流之比。声电流之比。信号失真特性信号失真特性只有当系统输出光功率与输入电信号成比例地随时间变系统输出光功率与输入电信号成比例地随时间变化化，系统输出信号才能真实地反映输入信号输出信号才能真实地反映输入信号，即不发生信号不发生信号失真失真。一般情况，实现电/光转换的光源，由于在大信号条件大信号条件下下，线性较差线性较差，因此发射机光源的输出功率特性发射机光源的输出功率特性是DIM系统产生非线性失真的主要原因非线性失真的主要原因。非线性失真一般可以用幅度失真参数微分增益微分增益(DG)和相位失真参数微分相位微分相位(DP)表示。2.脉冲频率调制光传输系统脉冲频率调制光传输系统脉冲频率调制（PFMIM）是一种脉冲重复频脉冲重复频率随调制信号幅度大小成线性变化的率随调制信号幅度大小成线性变化的脉冲调制，这种调制其脉冲宽度保持不变脉冲宽度保持不变，因此又称为等脉冲频率调等脉冲频率调制制。与直接强度调制（DIM）相比，对光源的线性光源的线性放宽，改善了信噪比，但也增加了对带宽的要求放宽，改善了信噪比，但也增加了对带宽的要求。7.3.3副载波光纤传输系统副载波光纤传输系统所谓副载波副载波,是指除光波以外，多路信号还调制在电的频分复用副载波上。这种调制方式多用在模拟电视光纤传输系统模拟电视光纤传输系统。图7.21 光波副载波传输系统 （1）信噪比）信噪比信噪比（CNR）的定义是，把满负载、满负载、无调制的等幅载波置于传输系统，在规定无调制的等幅载波置于传输系统，在规定的带宽内特定频道的载波功率的带宽内特定频道的载波功率C和噪声功和噪声功率率的比值的比值，并以dB为单位，用公式表示为(7.18)（2）信号失真。）信号失真。副载波复用模拟电视光纤传输系统的信号失真用组合二阶互调（组合二阶互调（CSO）失真）失真和组合三阶组合三阶差拍（差拍（CTB）失真）失真这两个参数表示。在给定的频道上，出现的所有双频组合的双频组合的总和称为二阶互调（总和称为二阶互调（CSO）失真）失真。三个频率的三个频率的非线性组合称为三阶差拍（非线性组合称为三阶差拍（CTB）失真）失真。一般某一个频道的CSO和CTB分别表示为：(7.22)7.4光接入网的基本概念l按照电信网的概念，可以将全网分为公用电信网和用户驻地网两大块。用户驻地网是属于用户所有，因而，通常电信网是指公用电信网部分。l公用电信网可以分为长途网（长途端局以上部分），中继网（长途端局和市话局之间以及市话局之间的部分）和接入网（端局至用户之间的部分）。目前国际上已经倾向于将长途网和中继网合在一起称为核心网。相对于核心网而言，其他部分统称为接入网。l接入网主要完成将所有用户接入到核心网的任务。1.接入网定义接入网定义lITU-T建议G.902对接入网的定义如下：接入网是由业务节点接口（SNI）和用户网络接口（UNI）之间的一系列传送实体（如线路设施和传输设施）组成的、为传送电信业务提供所需要的传送承载能力的实施系统，可经由Q3接口进行配置和管理。Y.1231IP接入网接入网l随着Intern