第05章-数字光纤通信系统课件

2024/7/111第五章第五章 数字光纤通信系统数字光纤通信系统赵继军河北工程大学信息与电气工程学院 光纤通信系统光纤通信系统2024/7/112本章内容本章内容n5.1 两种传输体制两种传输体制n5.2 系统的性能指标系统的性能指标n5.3 系统的设计系统的设计2024/7/113本节内容本节内容n5.1两种传输体制5.1.1 准同步数字系列PDH5.1.2 同步数字系列2024/7/1145.1 两种传输体制两种传输体制 光纤大容量数字传输目前都采用同步时分复用同步时分复用(TDM)技术技术。复用又分为若干等级，先后有两种传输体制：准同步数字系列准同步数字系列(PDH)同步数字系列同步数字系列(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同步光纤网(SONET)。1988年，ITU-T(原CCITT)提出了被称为同步数字系列同步数字系列(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。2024/7/1155.1.1 准同步数字系列准同步数字系列PDH-基础速率基础速率n 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。2024/7/1165.1.1 准同步数字系列准同步数字系列PDH-光纤通信制式（光纤通信制式（1/2）2024/7/1175.1.1 准同步数字系列准同步数字系列PDH-光纤通信制式（光纤通信制式（2/2）n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。n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。nPDH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，通常采用正正正正码码速速调调整整方法实实现现准准同同步步复复用用。n1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。nPDH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。2024/7/1185.1.1 准同步数字系列准同步数字系列PDH-PDH存在的问题存在的问题nPDH存在的主要问题存在的主要问题 北美、西欧和亚洲所采用的三种数字系列互不兼容，造成国际互通困难。没有世界性的标准光接口规范，导致了各个厂家自行开发的专用光接口大量滋生，限制了联网应用的灵活性，增加了网络的复杂性和运营成本。信号复用/解复用需要逐级进行，复接/分接设备结构复杂，上下话路价格昂贵。各种复用系列都有其相应的帧结构，没有足够的OAM开销比特，使网络设计缺乏灵活性，无法适应不断演变的电信网要求。由于建立在点对点传输基础上的复用结构缺乏灵活性，使得数字通道设备的利用率很低，非最短的通道路由占了业务量的大部分。2024/7/1195.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-SDH传输网（传输网（1/9）n 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传传输输网网的的拓拓扑扑结构。结构。nSDH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等网络单元以及连接它们的(光纤)物理链路构成。2024/7/11105.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-SDH传输网（传输网（2/9）2024/7/11115.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-SDH传输网（传输网（3/9）n终端复用器（终端复用器（TM）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。2024/7/11125.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-SDH传输网（传输网（4/9）n分插复用器（分插复用器（ADM）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2024/7/11135.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-SDH传输网（传输网（5/9）n数字交叉设备（数字交叉设备（DXC）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。2024/7/11145.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-SDH传输网（传输网（6/9）nSDH传输网的连接模型传输网的连接模型n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)。n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再生段段(Section)串接而成。2024/7/11155.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-SDH传输网（传输网（7/9）2024/7/1116SONET中设备和层的关系中设备和层的关系2024/7/11172024/7/11185.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-SDH传输网（传输网（8/9）n与与PDH相比，相比，SDH具有下列特点具有下列特点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155.520 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。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。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。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。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。2024/7/11195.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-SDH传输网（传输网（9/9）2024/7/11205.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-SDH帧结构（帧结构（1/2）n nSDHSDH帧帧结结构构是是实实现现数数字字同同步步时时分分复复用用、保保证证网网络络可可靠靠有有效效运运行的关键。行的关键。n图 5.5 给出SDH帧一个STM-N帧有9行，每行由270N个字节组成。n这样每帧共有9270N个字节，每字节为8 bit。n帧周期为125s，即每秒传输8000帧。n对于STM-1而言，传输速率为927088000=155.520 Mb/s。n字节发送顺序为：由上往下逐行发送，每行先左后右。2024/7/11215.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-SDH帧结构（帧结构（2/2）nSDH帧的主要结构帧的主要结构段开销段开销(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。信息载荷信息载荷(Payload)。信息载荷域是SDH帧内用于承载各种业务信息的部分。通道开销（通道开销（POH）。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)。管理单元指针（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）。n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再生段开销(SOH)和复接段开销复接段开销(LOH)。前者占前3行，后者占59行。n采用指针技术是SDH的创新，结合虚容器虚容器(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。2024/7/11225.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-复用原理（复用原理（1/6）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。n正码速调整法正码速调整法（正比特塞入法）是利用位于固定位置的比特塞入指示，来显示塞入的比特究竟载有真实数据还是伪数据。优点优点：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。n固定位置映射法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。优点优点：复接和分接容易实现，缺点：缺点：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。2024/7/11235.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-复用原理（复用原理（2/6）nSDH采用载荷指针技术采用载荷指针技术结合了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。ITU-T规定了SDH的一般复用映射结构复用映射结构。所谓映射结构映射结构，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。2024/7/11245.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-复用原理（复用原理（3/6）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，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。2024/7/11255.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-复用原理（复用原理（4/6）2024/7/11265.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-复用原理（复用原理（5/6）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(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管管理理单单元元(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。2024/7/11275.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-复用原理（复用原理（6/6）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n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;n在虚容器VC-4内加上通通道道开开销销POH(每帧9 Byte,相应于0.576 Mb/s)后，输出信号速率为150.336 Mb/s；n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;n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。2024/7/11285.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-数字交叉连接设备（数字交叉连接设备（1/5）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。2024/7/1129同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-数字交叉连接设备（数字交叉连接设备（2/5）2024/7/11302024/7/11315.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-数字交叉连接设备（数字交叉连接设备（3/5）n 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。如如：DXC1/0表表示示输输入入端端口口的的最最高高速速率率为为一一次次群群信信号号的的速速率率（E1：2.048Mb/s）,而交叉链接的基本速率为而交叉链接的基本速率为64kb/s.2024/7/11325.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-数字交叉连接设备（数字交叉连接设备（4/5）n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；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。2024/7/11335.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-数字交叉连接设备（数字交叉连接设备（5/5）n DXC在干线传输网中的主要用途在干线传输网中的主要用途 实现自动化的网络配置管理。n主要功能有主要功能有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；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；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。2024/7/11345.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-SDH的应用（的应用（1/4）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。2024/7/11355.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-SDH的应用（的应用（2/4）2024/7/11365.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-SDH的应用（的应用（3/4）2024/7/11375.1.2 同步数字传输系列同步数字传输系列SDH-SDH的应用（的应用（4/4）2024/7/1138本章内容本章内容n5.1 两种传输体制两种传输体制n5.2 系统的性能指标系统的性能指标n5.3 系统的设计系统的设计2024/7/1139本节内容本节内容n5.2 系统的性能指标5.2.1 参考模型5.2.2 系统的主要性能指标5.2.3 可靠性2024/7/11405.2.1 参考模型参考模型-标准数字假设参考连接（标准数字假设参考连接（1/2）n为进行系统性能研究，ITU-T(原CCITT)建议中提出了一个数字传输参考模型，称为假假假假设设设设参参参参考考考考连连连连接接接接(HRX)(HRX)，见图5.11。最长的HRXHRX是根据综合业务数字网综合业务数字网综合业务数字网综合业务数字网(ISDN)(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。如图 5.11 所示，最长的标准数字HRX为27 500 km,它由各级交换中心和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链链链链路路路路(HRDL)(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。2024/7/11415.2.1 参考模型参考模型-标准数字假设参考连接（标准数字假设参考连接（2/2）n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。nHRDL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。n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。n n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。2024/7/11425.2.2 系统性能指标系统性能指标-误码率（误码率（1/8）n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。2024/7/11435.2.2 系统性能指标系统性能指标-误码率（误码率（2/8）2024/7/11445.2.2 系统性能指标系统性能指标-误码率（误码率（3/8）2024/7/11455.2.2 系统性能指标系统性能指标-误码率（误码率（4/8）n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。2024/7/11465.2.2 系统性能指标系统性能指标-误码率（误码率（5/8）n 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。监测时间以较长为好，选择TL为1个月。定义误码率劣于 110-6的分钟数为劣劣劣劣化化化化分分分分(DM)(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)的的百分数小于百分数小于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1s。定义误码率劣于 110-3的秒钟数为严严严严重重重重误误误误码码码码秒秒秒秒(SES)(SES)。HRX指标要求严重误码秒占可用秒的百分数小于指标要求严重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)，指指标标要要求求无无误误码码秒秒占占可可用用秒秒的的百百分分数数大大于于92%。2024/7/11475.2.2 系统性能指标系统性能指标-误码率（误码率（6/8）n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。2024/7/11485.2.2 系统性能指标系统性能指标-误码率（误码率（7/8）2024/7/11495.2.2 系统性能指标系统性能指标-误码率（误码率（8/8）n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。n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长期平均误码率率。2024/7/11555.2.3 可靠性可靠性n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、中中继继器器、光光缆缆线线路路、辅辅助助设备和备用系统的可靠性。设备和备用系统的可靠性。n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。2024/7/11565.2.3 可靠性可靠性-可靠性的表示方法（可靠性的表示方法（1/3）n（1）可靠性）可靠性R和故障率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：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。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：式中,Ri和i分别为系统第i个部件的可靠性和故障率。(5.1)(5.2)2024/7/11575.2.3 可靠性可靠性-可靠性的表示方法（可靠性的表示方法（2/3）n(3)可可用用率率A和和失失效效率率PF。可可用用率率A是是在在规规定定时时间间内内，系系统统处于良好工作状态的概率，它可以表示为：处于良好工作状态的概率，它可以表示为：（5.3）(5.4)式中MTTR为平均故障修复时间(不可用时间)。n (2)故障率故障率和平均故障间隔时间和平均故障间隔时间MTBF。两者的关系为。两者的关系为2024/7/11585.2.3 可靠性可靠性-可靠性的表示方法（可靠性的表示方法（3/3）失效率PF可以表示为：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(5.6)在有备用系统的情况下，失效率为：（5.7）（5.6）2024/7/11595.2.3 可靠性可靠性-可靠性指标（可靠性指标（1/3）n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。n市内数字光缆通信系统的假设参考数字链路长为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。2024/7/11605.2.3 可靠性可靠性-可靠性指标（可靠性指标（2/3）n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。2024/7/11615.2.3 可靠性可靠性-可靠性指标（可靠性指标（3/3）2024/7/1162本章内容本章内容n5.1 两种传输体制两种传输体制n5.2 系统的性能指标系统的性能指标n5.3 系统的设计系统的设计2024/7/1163本节内容本节内容n5.3 系统的设计5.3.1 中继距离受损耗的限制5.3.2 中继距离受色散（带宽）的限制5.3.3 中继距离和传输速率2024/7/11645.3 系统和设计系统和设计-系统设计的主要任务系统设计的主要任务n系统设计的主要任务系统设计的主要任务 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最佳佳的性能价格比。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。2024/7/11655.3 系统和设计系统和设计-中继距离设计方法中继距离设计方法n中继距离设计方法中继距离设计方法最坏情况法(参数完全已知)统计法(所有参数都是统计定义)统计法(只有某些参数是统计定义)n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。n中继距离受光纤线路损耗和色散中继距离受光纤线路损耗和色散(带宽带宽)的限制，明显随传输速率的的限制，明显随传输速率的增加而减小。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。2024/7/11665.3.1 中继距离受损耗的限制中继距离受损耗的限制(1/6)n图5.17示出了无中继器和中间有一个中继器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；S-R:光纤线路，包括接头。2024/7/11675.3.1 中继距离受损耗的限制中继距离受损耗的限制(2/6)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 为平均发射光功率平均发射光功率(dBm)，Pr为接收灵敏度接收灵敏度(dBm)，c 为连接器损耗连接器损耗(dB/对对)，Me 为系统余量系统余量(dB)，f为光光纤纤损损耗耗系系数数(dB/km),s为每每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)2024/7/11685.3.1 中继距离受损耗的限制中继距离受损耗的限制(3/6)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。2024/7/11695.3.1 中继距离受损耗的限制中继距离受损耗的限制(4/6)2024/7/11705.3.1 中继距离受损耗的限制中继距离受损耗的限制(5/6)n连接器损耗一般为连接器损耗一般为0.31 dB/对。对。n n设设设设备备备备余余余余量量量量MMe e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。n光纤损耗系数光纤损耗系数f取决于光纤类型和工作波长，取决于光纤类型和工作波长，例如：单模光纤在1310 nm,f为0.40.45 dB/km;在1550 nm,f为0.220.25 dB/km。n n光光光光纤纤纤纤损损损损耗耗耗耗余余余余量量量量 mm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。2024/7/11725.3.2 中继距离受色散（带宽）的限制中继距离受色散（带宽）的限制（1/11）n如果系统的传输速率较高，光纤线路色散较大，中继距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离主要受色散(带宽带宽)的限制。的限制。n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。n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。2024/7/11735.3.2 中继距离受色散（带宽）的限制中继距离受色散（带宽）的限制（2/11）(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定义为相相相相对对对对rmsrms脉脉脉脉冲冲冲冲宽宽宽宽度度度度，码间干扰码间干扰码间干扰码间干扰 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归零零(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：2024/7/11745.3.2 中继距离受色散（带宽）的限制中继距离受色散（带宽）的限制（3/11）2024/7/11755.3.2 中继距离受色散（带宽）的限制中继距离受色散（带宽）的限制（4/11）n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%，此时功功功功率率率率代代代代价价价价为78dB，难以通过均衡进行补偿。一般系统设计选取a=0.250.35，功功功功率率率率代代代代价价价价不超过2 dB。2024/7/11765.3.2 中继距离受色散（带宽）的限制中继距离受色散（带宽）的限制（5/11）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,=/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 f为光纤线路为光纤线路为光纤线路为光纤线路(FWHM(FWHM)脉冲展宽脉冲展宽，取决于所用光纤类型和色散特性。2024/7/11775.3.2 中继距离受色散（带宽）的限制中继距离受色散（带宽）的限制（6/11）对对对对于于于于多多多多模模模模光光光光纤纤纤纤系系系系统统统统，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的关系为：B=(0.830.56)fb (5.12)2024/7/11785.3.2 中继距离受色散（带宽）的限制中继距离受色散（带宽）的限制（7/11）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=（1.211.78）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)2024/7/11795.3.2 中继距离受色散（带宽）的限制中继距离受色散（带宽）的限制（8/11）2024/7/11805.3.2 中继距离受色散（带宽）的限制中继距离受色散（带宽）的限制（9/11）对于单模光纤系统，对于单模光纤系统，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,其中：C0=C(0)为在光源中心波长0处光纤的色散光纤的色散(ps/(nmkm)，为光源谱线宽度光源谱线宽度(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：(5.15)2024/7/11815.3.2 中继距离受色散（带宽）的限制中继距离受色散（带宽）的限制（10/11）在这个基础上，根据原CCITT建议，对对对对于于于于实实实实际际际际的的的的单单单单模模模模光光光光纤通信系统，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 L可以表示为：可以表示为：可以表示为：可以表示为：（5.16）式中,Fb是线线路路码码速速率率(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，对单单纵模激光器纵模激光器(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MLM-LD,=0.115,对于SLM-LD，=0.306。2024/7/11825.3.2 中继距离受色散（带宽）的限制中继距离受色散（带宽）的限制（11/11）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。2024/7/11835.3.3 中继距离和传输速率中继距离和传输速率（1/6）n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式(5.13)(多模光纤)和式(5.15)或式(5.16)(单模光纤)确定。n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。2024/7/11845.3.3 中继距离和传输速率中继距离和传输速率（2/6）以以140 Mb/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2024/7/11855.3.3 中继距离和传输速率中继距离和传输速率（3/6）又设线路码型为5B6B,线路码速率b=140(6/5)=168 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，则此时中继距离主要受色散限制，此时中继距离主要受色散限制，中继距离应确定为65 km。2024/7/11865.3.3 中继距离和传输速率中继距离和传输速率（4/6）速率/（Gb.S-1）2024/7/11875.3.3 中继距离和传输速率中继距离和传输速率（5/6）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0.1 Gb/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2 Gb/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。2024/7/11885.3.3 中继距离和传输速率中继距离和传输速率（6/6）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：