第6章光纤通信系统

第6章光纤通信系统第6章光纤通信系统6.1数字光纤通信系统6.2线路码型6.3光电中继器与全光中继器6.4模拟光纤通信系统6.5光纤局域网6.6同步数字网(SDH)第6章光纤通信系统6.1数字光纤通信系统目前，光纤通信系统主要是数字系统，因此光纤传输系统的各种性能指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种各样的干扰，因此考察光纤通信系统总的传输性能时，要分析各部分设备的性能及各传输段的性能，以便在各指标累加之后，能保证系统的全程性能指标。第6章光纤通信系统为此，对全程通信网的性能指标要作一个合理的分配，首先要确定一个合适的传输模型。ITU―T提出了“系统参考模型”的概念，并规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。系统参考模型有三种假设形式：假设参考数字连接（HRX），假设参考数字链路（HRDL）及假设参考数字段（HRDS）。第6章光纤通信系统1．假设参考数字连接（HRX）假设参考数字连接是针对通信系统的总的性能和指标分配而找出的通信距离最长、结构最复杂、传输质量预计最差的连接。如果这种连接能满足通信系统的性能指标要求，那么通信距离较短，结构较简单的通信连接肯定能保证传输质量。因而引入了假设参考连接模型，它是通信网中从用户至用户，包括参与变换与传输的各个部分（如用户线、终端设备、交换机、传输系统等）。ITU―T建议的一个标准最长HRX全长为27500km，包含14个假设参考数字链路和13个数字交换点。实际上经常实现的连接都比标准最长HRX短。假设参考数字连接的具体组成如图6.1所示。第6章光纤通信系统图6.1假设参考数字连接组成图LEISCISCISCISC27500km国内国际国内本地本地T参考点PC一级中心LE本地交换数字链路SC二级中心ISC国际中心数字交换TC三级中心PCSCTCISCTCSCPCLET参考点第6章光纤通信系统2．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（HRX）中的两个相邻交换点的数字配线架间所有的传输系统，复、分设备等各种传输单元，用假设参考数字链路（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。ITU―T建议HRDL的合适长度是2500km，根据我国地域广阔的特点，我国长途一级干线的数字链路长度为5000km。第6章光纤通信系统3．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（HRDL）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若干光中继器用假设参考数字段（HRDS）表示。根据我国的实际情况，长途一级干线的HRDS为420km，长途二级干线的HRDS为280km。因此通信网总的性能指标从HRX上可以按比例分配到HRDL上，再从HRDL上分配到HRDS上。第6章光纤通信系统6.1.2系统的质量指标1.误码性能1)误码的定义光纤数字传输系统的误码性能用误码率来衡量。即在特定的一段时间内所接收的错误码元与同一时间内所接收的总码元数之比。BER=错误接收的码元数传输的总码元数(6.1)第6章光纤通信系统2)误码发生的形态和原因误码发生的形态主要有两类：一类是随机形态的误码，即误码主要是单个随机发生的，具有偶然性；另一类是突发的、成群发生的误码，这种误码可能在某个瞬间集中发生，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。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。第6章光纤通信系统3)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、劣化分、严重误码秒和误码秒。（1）平均误码率。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。平均误码率反映了测试时间内的平均误码结果，因此适合于计量随机误码，但无法反映误码的随机性和突发性。第6章光纤通信系统（2）劣化分。每分钟的误码率劣于10-6这个阈值称为劣化分，用DM表示。我们取总观测时间为TL，它的大小可以是几天或一个月，一个取样观测时间T0为1分钟。从总观测时间TL中扣除不可用时间（连续10秒平均误码率劣于10-3）和严重误码秒后所得可用分钟。ITU―T建议该性能指标应达到在TL内累计的劣化分个数占可用分钟数时间百分数少于10%。第6章光纤通信系统（3）严重误码秒。每秒内的误码率劣于10-3这个阈值称为严重误码秒，用SES表示。取总观测时间为TL，一个取样观测时间T0为1秒钟。ITU―T建议该性能指标应达到在TL中可用时间内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0.2%。第6章光纤通信系统（4）误码秒。每个观测秒内，出现的误码数为0，用ES表示。取总观测时间为TL，一个取样观测时间T0为1秒钟。ITU―T建议该性能指标应达到在TL中可用时间内累计的误码秒占可用时间秒数的时间百分数少于8%。第6章光纤通信系统4)误码指标的分配在一个连接中通常包含几种不同质量等级的数字传输电路。在27500km的国际连接（HRX）中二级交换中心SC之间的电路部分为高级电路，本地交换点LE与SC之间的电路部分为中级电路，LE与参考点T之间的电路部分为本地级。误码性能指标是该线路等级分配的，具体分配如表6.1所示。本地级和中级指标可以合并到一起考虑，即它们一起分配到总指标的60%。高级电路的指标可以分配到每千米长度上去，从而可以得到不同长度的HRDL和HRDS的误码性能指标，如表6.2所示。第6章光纤通信系统表6.1误码指标的分配第6章光纤通信系统表6.2HRDL和HRDS的误码性能指标的分配第6章光纤通信系统2.抖动性能1)抖动的定义抖动是数字信号传输中的一种瞬时不稳定现象。即数字信号的各有效瞬间对其理想时间位置的短时间偏离，称为抖动。图6.2为定时抖动的图解定义。抖动可分为相位抖动和定时抖动。相位抖动是指传输过程中所形成的周期性的相位变化。定时抖动是指脉码传输系统中的同步误差。第6章光纤通信系统图6.2定时抖动的图解定义发送信号接收信号第6章光纤通信系统抖动的大小或幅度通常可用时间、相位或数字周期来表示。目前多用数字周期来表示，即“单位间隔”，用符号UI（UnitInterval），也就是1比特信息所占有的时间间隔。例如码速率为34.363Mb/s的脉冲信号，1UI=1/34.363μs。显然它在数值上等于传输比特率的倒数。第6章光纤通信系统2)抖动产生的原因（1）数字再生中继器引起的抖动。由于再生中继器中的定时恢复电路的不完善及再生中继器的累计导致了抖动的产生和累加。（2）数字复接及分接器引起的抖动。在复接器的支路输入口，各支路数字信号附加上码速调整控制比特和帧定位信号形成群输出信号。而在分接器的输入口，要将附加比特扣除，恢复原分支数字信号，这些将不可避免地引起抖动。第6章光纤通信系统（3）噪声引起的抖动。由于数字信号处理电路引起的各种噪声。（4）其它原因。由于环境温度的变化、传输线路的长短及环境条件等也会引起抖动。3)抖动的类型（1）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、器件老化及定时调谐回路失调引起。（2）系统性抖动。由于码间干扰，定时电路幅度—相位转换等因素引起的抖动。第6章光纤通信系统4)抖动的容限（1）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的最低抖动限值，即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。此时的输入信号上的误码即为最大允许输入抖动下限，具体要求见图6.3和表6.3。第6章光纤通信系统图6.3最大允许输入抖动下限f1Ui20dB/十倍频程A2f2f3f4fA1第6章光纤通信系统表6.3输入口对输入数字信号抖动的最低容限第6章光纤通信系统（2）输出抖动容限。在数字段输入信号无抖动时,由于数字段内的中继器产生抖动,并按一定规律进行累计,于是在数字段输出端产生抖动。ITU―T提出了数字段无输入抖动时的输出抖动上限，即为输出抖动容限，具体要求见表6.4。第6章光纤通信系统表6.4输出抖动容限第6章光纤通信系统（3）抖动转移特性。由于输入口数字信号的抖动经设备或系统转移后到达输出口，从而构成了输出抖动的另一个来源。为了保证数字网抖动的总质量目标，ITU―T建议抖动转移增益不大于1dB。第6章光纤通信系统6.1.3光接口指标与测试一个完整的光纤通信系统的具体组成如图6.4所示。我们把光端机与光纤的连接点称为光接口。光接口有两个，一个由S点向光纤发送光信号；另一个由R点从光纤接收信号。光中继器两侧均与光纤相连，所以它两侧的接口均为光接口。光接口是光纤通信系统特有的接口。在S点的主要指标有平均发送光功率和消光比，在R点的主要指标有接收机灵敏度和动态范围。第6章光纤通信系统图6.4光纤数字通信系统方框图发送电端机光端机光纤光纤光端机电端机ABSRBA接收发送接收中继中继RS发送接收发送接收第6章光纤通信系统1．平均发送光功率1)平均发送光功率的定义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223-1或215-1的伪随机码时，光端机输出端S点测量到的平均光功率。平均发送光功率的功率值用PT（μW）表示，电平值用LT（dBm）表示，光功率值与电平值之间的关系是：310lg()10TTPL(6.2)第6章光纤通信系统对于一个实际的光纤通信系统，平均发送光功率并不是越大越好，虽然从理论上讲，发送光功率越大，通信距离越长，但光功率越大会使光纤工作在非线性状态，这种非线性状态会对光纤产生不良影响。第6章光纤通信系统2)测试方法平均发送光功率的测试原理图如图6.5所示。测试步骤如下:(1)将误码仪和光功率计与光端机相连。(2)误码仪发送符合要求的伪随机测试信号（不同码速的光端机要求送入不同的PCM测试信号）。(3)读取光功率计上的数值即为平均发送光功率。第6章光纤通信系统图6.5平均发送光功率测试原理发送接收码型发生器误码检测光端机光功率计光纤测试线误码仪第6章光纤通信系统2．消光比1)消光比的定义消光比是指光端机的电接口输入为全“1”码和全“0”码时的平均发送光功率之比，用EXT表示：01PEXTP(6.3)但由于光端机的输入信号是伪随机码，它的“0”码和“1”码是等概率的，因此光端机输入全“1”码的平均发送光功率P1为光端机平均发送光功率PT的2倍。第6章光纤通信系统无输入信号时，光端机输出平均发送光功率P0，对接收机来说是一种噪声，会降低接收机的灵敏度，因此希望消光比越小越好。但是，对激光器LD来讲，要使消光比小就要减小偏置电流，从而使光源输出功率降低，谱线宽度增加。所以要全面考虑消光比与其它指标之间的矛盾。02TPEXTP(6.4)第6章光纤通信系统2)测试方法消光比的测试原理图与平均发送光功率的测试原理图一样，如图6.4所示。前三项的测试步骤也与平均发送光功率一样，之后再取出光端机中的编码盘，向光端机输入全“0”码，从光功率计上读取P0，根据公式算出消光比。第6章光纤通信系统3．接收机灵敏度1)接收机灵敏度的定义接收机灵敏度是指在满足给定误码率条件下，光端机光接口R点能够接收到的最小平均光功率电平值LR。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要性能指标，它表示了光端机接收微弱信号的能力。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。第6章光纤通信系统2)测试方法接收机灵敏度的测试原理框图如图6.6所示。测试步骤如下：(1)误码仪发送符合要求的伪随机测试信号。(2)逐渐加大光可变衰减器的衰减量，使光端机接收到的光功率逐渐减小，这时误码仪检测到的误码率逐渐增加到规定的误码率，并维持一段时间。(3)从R点断开光端机的连接器，将光功率计连接到光可变衰减器的输出端，读取光功率计上的数值，即是光端机能够接收的最小光功率。第6章光纤通信系统图6.6接收机灵敏度测试原理图发送接收码型发生器误码检测