第四章SDH光传输系统及其性能分析1

1第四章SDH光传输系统及其性能分析本章的主要内容：1、光线路系统结构，主要介绍点到点链状和环路光线路系统结构。2、衰减与色散对中继距离的影响3、SDH网络性能指标4、SDH光接口、电接口的界定及其技术标准一、SDH传输系统1、系统结构—环形结构—环路—星形结构—点到多点—链状结构—点到点（1）点到点链状系统结构组成：光缆线路）也可使用—再生功能—能中继器：放大、整形功光接口功能）线路终端（具有复用和EDFA(（2）环路系统分插复用器ADM——上、下话路功能或数字交叉连接器DXC——上下话路、交叉连接、复用、保护、监控功能接入设备：DLC（数字环路载波系统）B-ISDN宽带综合业务接入单元FDDI（光纤分布数字接口）说明：·环路系统具有自愈功能。即无论是系统中的设备还是光线路出现故障时，系统都能够在无人干涉的情况下，自动进行环路倒换，从而保证两节点间的通信。而当故障排除之后，系统又得以恢复为正常状态。·接入环路的节点数必须加以限制。·环的大小也必须进行限制2、环路系统间的互联a、互联的必要性：由于一个实际的SDH网络可以由若干个环路网2络相互连接构成，故而称其中的每个环形网络为一个子网。正是这样相互连接的子网构成了一个完整的SDH网络。b、实现互联的方法多节点互联单节点互联I、单节点互联概念：单节点互联是通过一个节点来实现两个环形子网间的互联。单节点互联是一种最简单的互联方式。互联方法：支路互联环间通过互联环间通过独立互联环间公网ADMDXCDXC·环间公网DXC互联特点：这种方法的优点是结构简单，使用设备数量少，但目前DXC性能还不足以支持此方式。因而还未达到实用的程度。·环间通过独立DXC互联结构：在两个完整的环形网之间另外设置了一个专门的DXC，这样通过DXC的环间互联。可实现两环中由ADM上下的话路之间的连接。特点：此种方式中所使用的设备较多，但层次清晰，因而便于进行控制和管理。3·环间通过ADM支路互联结构：环间通过ADM支路互联是指通过两个环上ADM的支路来实现的互联方式。特点：这样使得其结构简单，使用设备数量较少，自然互联成本较低。也是一种可供选择的方案。说明：单接点互联方式的结构简单，工作层次清晰，一次性投资成本较低。但可靠性能相对差。解决方案：采用多点互联方式。II、多节点互联结构：多节点互联方式是指通过一个以上的节点来完成两个环网之间的互联。特点：可靠性能高，但与单节点互联方式相比一次性投资成本较高。4二、衰减与色散对中继距离的影响SDH线路微波、卫星光纤影响系统性能的因素：色散衰减最大中继距离中继距离：再生段的距离中继距离是指由之间两个之间由复用器到RGERGE的距离1．衰减对中继距离的影响光纤损耗的概念：光功率随传输距离的增加而按指数规律下降。传输衰减内容：有两个所带来的附加损耗光纤的连接损耗和微弯材料、尺寸等有关）光纤本身的固有衰减（光纤损耗的原因：两大类：吸收损耗和散射损耗。吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，从而造成光功率的损失。可见所产生损失的大小与光纤材料有关。散射损耗是由光纤的材料、形状、折射指数分布等的缺陷或不均匀而引5起光纤中的传导光发生散射，从而引入的损耗。其大小也与光波波长有关。衰减的衡量：用衰减系数表示，即单位长度光纤所引起的光功率的减小量来表示。·如：纯硅石等在1.55μm左右，损耗可降低到0.2dB/km；2、色散对中继距离的影响（1）色散的概念：信号在光纤中是由不同频率成份和不同模式成份携带的，这些不同的频率成份和模式成份有不同的传播速度，这样在接收端接收时，就会出现前后错开，使波形在时间上发生了展宽。这就是色散现象。（2）色散的分类光纤色散包括材料色散、波导色散和模式色散。前两种色散是由于信号不是由单一频率而引起的，后一种色散是由于信号不是单一模式而引起的。·模式的概念实际上模式是一种场分布。场分布：是指该物理量随时间、空间的变化关系。即随（x，y，z，t）的关系。光纤中描述的场量——E，H光纤中所描述的场分布——),,,(),,,(tzyxHtzyxE一种模式有其固有的场分布（),,,,(tzyxE),,,(tzyxH）·换句话说，一种模式有一个数学函数式，·不同的模式其场分布，（),,,,(tzyxE),,,(tzyxH）函数式不同。模式色散：是指光纤不同模式在同一频率下的群速率不同而引起的色散。它们的传输速度各不相同，因而到达终端的时间不同，呈现脉冲展宽的现象，这种现象就是模式色散。可见模式色散、材料色散和波导色散产生的原因不同，但都会使脉冲信号出现展宽的现象。（3）色散的影响程度：与光纤的分类有关6光纤分类同一数量级波导色散材料色散单模光纤波导色散材料色散—占主导地位—模式色散多模光纤（4）度量单位——色散系数D（ps/nm·km）色散系数：单位谱宽（1nm）的光波沿单位长度（1km）的光纤传输时，所产生的脉冲展宽量。时延差：不同速率的信号在时延上的差别就称为时延差。时延差越大，色散就越严重。信号传输距离越短。单位长度光纤上，相差单位谱宽的光波之间的时延差，可用ps/(km·nm)表示——色散系数D（5）色散受限系统当光源与光纤色散相互作用的结果，限制了中继距离。影响的因素：啁啾声模分配噪声码间干扰——与激光器的结构和使用的材料有关①码间干扰：码间干扰产生的原因：由于激光器所发出的光波是由许多根线谱构成的，而每根线谱所产生的相同波形在光纤中传输时，其传输速率不同，使得所经历的色散不同，而前后错开，使合成的波形不同于单根线谱的波形，导致所传输的光脉冲的宽度展宽，出现“拖尾”，因而造成相邻两光脉冲之间的相互干扰，这种现象就是码间干扰。影响的因素：增加—光源谱宽——光纤色散系数——码速—Dfb—→脉冲展宽的影响越显著（中继距离↓）②模分配噪声：产生的因素光纤的色散光源的光谱特性光源——多纵模激光器光源的光谱特性：在高速强度调制情况下,激光器的输出光功率随注入电流的变化而变化,这样便将调制信号加载在注入电流上。7t1t2光谱特性（呈现）：保持不变——随机起伏性多纵模性纵模p模分配噪声的产生：由于单模光纤具有色散，所以激光器的各谱线(各频率分量)经过长光纤传输之后，产生不同的时延，在接收端造成了脉冲展宽．又因为各谱线的功率呈随机分布，因此当它们经过上述光纤传输后，在光纤色散的作用下，出现脉冲展宽现象，而且使接收端取样点所得到的取样信号呈现强度起伏，引入了附加噪声，这种噪声就称为模分配噪声．模分配噪声对系统的影响：·模分配噪声是在发送端的光源和传输介质光纤中形成的噪声，而不是接收端产生的噪声，故在接收端是无法消除或减弱的．·当随机变化的模分配噪声叠加在传输信号上时，会使之发生畸变，严重时，使判决出现困难，造成误码，从而限制了传输距离．③啁啾声：产生的因素光纤的色散光源的光谱特性光源——单纵模激光器光源的光谱特性：啁啾声的产生：在高速调制状态下，其载流子密度的变化，将随注入电流的变化而变化。这样使有源区的折射率指数发生变化，从而导致激光器谐振腔的光通路长度相应变化，结果致使振荡波长随时间偏移，这就是所谓的频率啁啾现象。因为这种时间偏移是随机的，因而当受上述影响的光脉冲经过光纤后，在光纤色散的作用下，可以使光脉冲波形发生展宽，因此接收取样点所接收的信号中就会存在随机成份，这就是一种噪声——啁啾声。啁啾声的影响：严重时会造成判决困难，给单模数字光通信系统带来损伤，从而限制传输距离。改善方法：采用量子阱结构的DFB半导体激光器采用外调制器影响中继距离的因素8）啁啾声（单纵模激光器多纵模激光器）模分配噪声—光纤色散的作用结果—码间干扰(高速强度调制的多纵模激光器的光通信系统中存在：模分配噪声码间干扰高速强度调制的单纵模激光器中存在：啁啾声码间干扰3、最大中继距离的计算（1）衰减受限系统——仅考虑衰减的影响极限值设计法计算最大中继距离：CfSfEPCRCTRTMLAAMPAAPPL/α（单位km）（4-1）nififnA1/α（4-2）nisiSnA1)1/(α（4-3）PT——发送光功率(dBm)，PR——接收灵敏度(dBm)，ACT和ART——线路系统发送端和接收端活动连接器的接续损耗(dB)，ME——设备富余度(dB)，MC——光缆富余度（dB／km），Lf——单盘光缆长度(km)（一般设计中按2km计算），N——中继段内所用光缆的盘数，αfi——单盘光缆的衰减系数(dB／km)，Af——中继段的平均光缆衰减系数(dB／km)，αsi——光纤各个接头的损耗(dB)，As——中继段平均接头损耗(dB)，PP——光通道功率代价（dB），包括反射功率代价Pr和色散功率代价Pd，其中色散功率功率代价Pd是由码间干扰、模分配噪声和啁啾声所引起的色散代价(dB)(功率损耗)。例4-1中继距离（分4个单盘长度（2km）构成）综合效果光纤与光源光谱特性的95.04)52.054.044.05.0(fA)14/()25.035.03.0(SA=0.3dB（2）色散受限系统——仅考虑色散的影响·与系统中采用的光源类型有关·与所采用的调制方式有关①多纵摸激光器（MLM）或发光二极管（LED）DBLDλε610（单位km）（4-4）B——线路码速率（Mbit/s）；D——色散系数（ps/km·nm）；Δλ——光源谱线宽度（nm）；ε——与色散代价有关的系数。其中ε由系统中所选用的光源类型来决定，若采用多纵模激光器，因而具有码间干扰和模分配噪声两种色散机理，故取ε=0.115；若采用发光二极管，由于主要存在码间干扰，因而应取ε=0.306。②单纵模激光器（SLM）单纵模激光器的色散代价主要是由啁啾声决定的，其中继距离计算公式如下：2271400BDLCλα（4-5）α——频率啁啾系数。当采用普通DFB激光器作为系统光源时，α取值范围为4～6；当采用新型的量子阱激光器时，α值可降低为2～4；而对于采用电吸收外调制器的激光器模块的系统来说，α值还可进一步降低为0～1。B——线路码速率，但量纲为Tbit/s。③最大中继距离的计算方法：对于某一传输速率的系统而言，在考虑上述两个因素同时，根据不同性质的光源，可以利用公式（4-1）和（4-4）或（4-5）分别计算出两个中继距离L、LD（或LC），然后取其较短的作为该传输速率情况下系统的实际可达最大中继距离。例4-2若一个622Mbit/s单模光缆通信系统，其系统总体要求如下：系统中采用InGaAs隐埋异质结构多纵摸激光器，其阈值电流小于50mA，标称波长λ1=1310nm，波长变化范围为λtmin=1295nm，λtmax=1325nm。光脉冲谱线宽度Δλmax≤2nm。发送光功率PT=2dBm。如用高性能的PIN-FET组件，可在BER=1×10-10条件下得到接收灵敏度PR=-30dBm，动态范围D≥20Db。10那么考虑采用直埋方式情况下，光缆工作环境温度范围为C0～C26时，计算最大中继距离。解：1.衰减的影响若考虑光通道功率代价PP=1dB，光连接器衰减AC=1dB（发送和接收端各一个），光纤接头损耗AS=0.1dB/km，光纤固有损耗α=0.28dB/km，取ME=3.2dBMC=0.1dB/km,则由式（4-1）得CSfEPCRTMAAMPAPPL2α=1.01.028.02.31230253.75km2．色散的影响利用（4-4），并取光纤色散系数D≤2ps/(km·nm)DBLDλε610=22080.622100.1156=46km由上述计算可以看出，中继段距离只能小于46km，对于大于46km的线段，可采用加接转站的方法解决。速率与最大中继距离计算的关系：·155Mb/s以下的光通信系统：只计算衰减的影响C