光纤第五章光纤通信系统

1第5章光纤通信系统2第5章数字光纤通信系统本章内容：5.1通信网简介5.2两种传输体质5.3系统的性能指标5.4系统的设计35.1通信网简介通信网：多用户通信系统互连的通信体系。通信网的种类划分方法：①按照所能实现的业务种类，通信网可分为：电话通信网，数据通信网，和广播电视网等。②按照网络所服务的范围：通信网可分为本地网、长途网和国际网等。③按基本结构形式，通信网可分为：总线形、环形、星形、网形和复合型五种基本结构形式。45.1通信网简介总线型结构网络是一种非常典型的网络结构，它可以将多台计算机和终端设备进行连接如图，每个分站都有光发射和光接收部分，每个终端站与光纤之间都由光分支耦合器相连，这样用户可以通过光分支耦合器将各终端所要传输的光信号耦合进入传输光纤，或实现由传输光纤中分取少量光信号的操作，从而通过一条光纤传输多路信号，完成各终端间的数据互通5星型结构具有交换的功能，使之有别于总线型网络结构星型网络结构如图5-13所示，从图中可以看出，它是利用点对点的光纤传输，将所有节点与一个中心节点实现互连，这个节点通常是采用星型耦合器图5-13星型网络结构示意图发收发收发收发收发收发收星型指令器5.1通信网简介6环形结构在环形结构中，是通过光纤将多个节点依次进行连接，从而构成单个封闭的环路，如图5-15所示。每个节点都是由转发器组成，其具有发送和接收数据的功能，这样数据可以沿着各转发器在环上一位位的串行传输图5-15环形网络结构节点4321NN-15.1通信网简介75.1通信网简介构成通信网的基本要素：终端设备、传输链路、转接交换设备、接入部分。终端设备：通信网中的源点和终点。除了信源和信宿之外，还包括一部分的变换和反变换装置。传输链路：网络节点的连接媒介，是信息和信号的传输通路。85.1通信网简介转换交换设备：现代通信网的核心。基本功能：完成接入交换点链路的汇集，转接接续和分配。目前主要采用的是接续通话电路的电路交换方式，还有类似电报传送的报文交换方式。接入部分：业务节点接口和用户网络接口之间的传送实体，通过标准接口将用户接入到业务节点。95.1通信网简介作为提高线路利用率的主要手段，目前常用的多路复用技术有：频分复用（FDM）、时分复用（TDM）、码分复用（CDM）。FDM系统的传输线路上每路终端信号使用不同的频率段。TDM系统的传输线路上每路终端信号使用不同的时间段。CDM系统的传输线路上每路终端信号使用不同的编码方式，由此达到线路复用的目的。105.1通信网简介模拟信号的数字化：对于时间上连续的信号，要实现时分复用，就要先将模拟信号转换为时间上的离散信号，即：模拟信号数字化。PCM(PulseCodeModulation)：一种常用的模拟信号数字化技术。由三部分组成：发送端、信道部分、接收端。115.1通信网简介PCM基本单元完成的信号处理过程及功能：1.抽样：每隔一定的时间T，抽取模拟信号的一个样值（抽样值）。抽样后得到的一系列在时间上离散的抽样值称为抽样值序列。2.量化：将幅度连续的抽样信号，通过四舍五入的办法变换为幅度离散的样值序列，这样就能用有限位的二进制数字信号来表示信号的幅度。3.编码和解码：编码是将抽样并量化后的信号幅度值变换成一组二进制码元。解码是将一组二进制码元还原成相应信号幅度的量化值。125.1通信网简介PCM30/32系统：将信道按抽样周期T加以分割，得到的时间段成为帧，再将帧等分成M个小时间段，每个小时间段T/M称为时隙，在一个帧内，为每一路终端信号的编码信息分配一个时隙，多路终端信号交替传递，就实现了信道的PCM复用。根据ITU-T建议，对于语音信号（300HZ—3400HZ）的抽样频率为8kHZ，抽样值量化级为256，抽样值编码位数为8，即单路话音PCM信号的传输速率为8×8k=64kbit/s。135.1通信网简介PCM基群（一次群）：目前国际上有两种复用制式：30/32路帧结构和24路帧结构。我国采用的是30/32帧路结构方式，即每一帧占125us,分为32个时隙，一次复用后的基群复用速度为2.048Mbit/s。14图5.16数字光纤通信系统的组成原理图PCM端机输入输入接口电信号光发送机光信号光中继光纤线路光纤线路光信号光接收机电信号输出接口PCM端机输出5.1通信网简介16为了提高信道利用率，可以采用多路复用的方式在同一条信道上传输多路信号。目前较常用的方式是时分复用，是指不同的信号在同一个信道上占用不同的时隙。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）和同步数字系列（SDH）5.2.两种传输体制（PDH、SDH）18PDH（PlesiochronousDigitalHierarchy）是指准同步数字体系。根据国际电报电话咨询委员会CCITT（现改为国际电联标准化组织ITU-T）G.702建议，PDH的基群速率有两种，即PCM30/32路系统和PCM24路系统。我国和欧洲各国采用PCM30/32路系统，其中每一帧的帧长是125μs，共有32个时隙（TS0～TS31），其中30个为话路（TS1～TS15和TS17～TS31），时隙TS0被用作帧同步信号的传输，而时隙TS16用作信令及复帧同步信号的传输。1、PDH数字复用体系19每个时隙包含8bit，所以每帧有8×32=256bit，码速率为256bit×（1/125μs）=2.048Mb/s。日本和北美使用的PCM24路系统，基群速率为1.544Mb/s。几个基群信号（一次群）又可以复用到二次群，几个二次群又可复用到三次群……。表5.2是PDH各次群的标准比特率。1、PDH数字复用体系20表5.2PDH各次群的标准比特率21PDH可以很好地适应传统的点对点通信，但这种数字系列主要是为话音设计的，除了低次群采用同步复接外，高次群均采用异步复接，通过增加额外比特使各支路信号与复接设备同步，虽然各支路的数字信号流标称值相同，但它们的主时钟是彼此独立的。随着信息化社会的到来，这样的结构已远不能适应现代通信网对信号宽带化、多样化的要求。PDH主要存在以下缺点：1、PDH数字复用体系22(1)我国和欧洲、北美、日本各自有不同的PDH数字体系，这些体系互不兼容，造成国际互通的困难。(2)PDH的高次群是异步复接，每次复接就进行一次码速调整，因而无法直接从高次群中提取支路信息，每次插入/取出一个低次群信号（上下话路）都要逐次群的复用解复用，使得复用结构相当复杂，缺乏灵活性。1、PDH数字复用体系23(3)没有统一的光接口。PDH数字体系仅仅规范了电接口的技术标准，各厂家开发的光接口不兼容，光路互通要先转换为电接口，因此限制了联网应用的灵活性，增加了网络的复杂性。(4)PDH预留的插入比特较少，使得网络的运行、管理和维护（OAM）较困难，无法适应新一代网络的要求。1、PDH数字复用体系24(5)PDH体系建立在点对点传输的基础上，网络结构较为简单，无法提供最佳的路由选择，使得设备利用率较低。PDH体系所存在的上述种种缺陷导致了一种新的数字体系——同步数字体系SDH（SynchronousDigitalHierarchy）。1、PDH数字复用体系25SDH成为涉及比特率、网络节点接口、复用结构、复用设备、网络管理、线路系统、光接口、信息模型、网络结构等的一系列标准，成为不仅适用于光纤，也适用于微波和卫星传输的通信技术体制。2、同步数字复用体系(SDH)26(1)SDH的主要特点如下：1)SDH统一的标准传输速率等级，称之为同步传送模块STM-N，其中第一级为STM-1，速率为155.520Mb/s。PDH互不兼容的三套体系可以在SDH的STM-1上进行兼容，实现了高速数字传输的世界统一标准。2、同步数字复用体系(SDH)272)SDH的帧结构是矩形块状结构，低速率支路的分布规律性极强，可以利用指针（PTR）指出其位置，一次性地直接从高速信号中取出，而不必逐级分接，这使得上下话路变得极为简单。3)SDH帧结构中拥有丰富的开销比特，使得网络的运行、管理、维护（OAM）能力大大增强。预留的备用字节可以进一步满足智能化网络发展的需要。2、同步数字复用体系284)SDH具有统一的网络节点接口，不同厂家的设备，只要应用类别相同，就可以实现光路上的互通。5)SDH采用同步和灵活的复用方式，大大简化了数字交叉连接（DXC）设备和分插复用器（ADM）的实现，增强了网络的自愈功能，并可根据用户的要求进行动态组网，便于网络调度。2、同步数字复用体系296)SDH不但实现了PDH向SDH的过渡，还支持异步转移模式（ATM）和宽带综合业务数字网（ISDN）业务。ATM的信元可以装入到STM-1中，用基于SDH的网进行传送。B-ISDN的UNI物理层的速率与STM-1和STM-4的速率完全一致，因而SDH能很好地支持ISDN。2、同步数字复用体系30图5.1SDH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)31SDH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。MUXE1E1…STM-N同步复接DMXE1E1…STM-N同步分接图5.2SDH传输网络单元(a)终端复用器TM；32•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DMXMUX中继线STM-N中继线STM-NAddSTM-n分接复接DropSTM-n本地图5.2(b)SDH传输网络单元分插复用设备ADM(Add/DropMultiplexer)33•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。1:m1:m…m:1m:1复接交叉连接矩阵分接1n1n配置管理图5.2(c)SDH传输网络单元数字交叉连接设备DXC36图5.4分插信号流程的比较光/电光信号分接分接分接140/34Mb/s34/8Mb/s8/2Mb/s复接复接复接电/光光信号2/8Mb/s8/34Mb/s34/140Mb/s2Mb/s(电信号)SDHADM155Mb/s光接口155Mb/s光接口2Mb/s(电信号)PDHPDH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。37(2)SDH传输网它的基本网元有终端复用器(TM)，用于将低速率的码流复接/分接成高速率的码流；分插复用器(ADM)，用于在高速率码流中分(取)出/插入低速率的码流；数字交叉连接设备(DXC)，用于同等速率码流之间的交换等SDH网典型的网路结构是环形网，主要的两个网元是ADM和DXC，图是两个环形网通过DXC互连。2、同步数字复用体系382、同步数字复用体系392、同步数字复用体系（3）SDH的帧结构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。SDH的帧结构是以字节为基础的矩形块状帧结构。帧结构中的字节传输顺序是按照从左至右、从上至下的顺序进行的。40图5.5SDH帧的一般结构SOH12AU-PTR345SOH…9STM-N载荷(含POH)9×N261×N270×N发送顺序412、同步数字复用体系（4）SDH的速率等级SDH信号的速率等级表示为STM-N，其中N是正整数。目前，SDH只能支持一定的N值，即N为1，4，16和64。其中最基本、最重要的模块信号是STM-1，其速率是155.520Mbit/s，更高级的STM-N信号是将基本模块信号STM-1经过字节间插入后得出。STM-4等级的速率是622.080Mbit/s；STM-16等级的速率是2488.320Mbit/s；STM-64等级的速率是9953.280Mbit/s。42帧结构