第7章：光纤通信系统

第七章光纤通信系统本章内容光纤通信系统的构成光线路码型PDH和SDH概念DWDM系统光纤通信系统的主要参数系统设计考虑7.1光纤通信系统的构成什么是光纤通信系统光纤通信系统光纤传输媒质是光纤进一步约束了载波是光波通信系统实现信息的传送，不仅仅是数字序列的传送以光为载波、光纤为传输媒质的一种信息传送系统光纤通信系统的目标利用光纤的优良传输特性实现大容量通信：光波频率高长距离通信：光纤损耗极低高可靠性通信：保密性，抗干扰性为各种信息提供传送服务光纤通信系统的种类按传输信号类型划分模拟光纤通信系统：传输模拟信号，采用参数大小连续变化的信号来代表信息，要求在电光转换过程中信号和信息存在线性对应关系，因此，对光源功率特性的线性要求，对系统信噪比的要求比较高。噪声积累多、抗干扰能力差、传输距离短、设备简单。数字光纤通信系统：传输数字信号的通信，数字信号只取有限个离散值，可以通过取样，判决而再生，所以对信道的非线性失真不敏感，通信过程中的失真和噪声也不会积累，对光源特性的线性要求与对接收信噪比的要求不高，更适合于长距离大容量和高质量的信息传输。设备复杂，成本高。光纤通信系统的种类按光波的调制检测手段划分非相干光通信系统（IM-DD强度调制直接检波方式）相干光通信系统（第四代）：在相干光通信中主要利用了相干调制和外差检测技术。所谓相干调制，就是利用要传输的信号来改变光载波的频率、相位和振幅(而不象强度检测那样只是改变光的强度)，这就需要光信号有确定的频率和相位(而不象自然光那样没有确定的频率和相位)，即应是相干光。激光就是一种相干光。所谓外差检测，就是利用一束本机振荡产生的激光与输入的信号光在光混频器中进行混频，得到与信号光的频率、位相和振幅按相同规律变化的中频信号。光纤通信系统的种类按光载波路数划分单路系统和多路系统按波长划分长波长（1.3um，1.55um），中继距离小于或等于10KM短波长（0.85um），中继距离大于100KM超长波长（大于等于2um），中继距离大于或等于1000KM，使用非石英光纤。光纤通信系统的种类按光纤模式分类单模光纤通信系统：采用石英单模光纤作为传输线，传输容量大，距离长。目前建设的光纤通信系统都是这一类型的。多模光纤通信系统：采用石英多模梯度光纤作为传输线路，因传输频率受限制，一般应用于140Mbit/s以下的系统。光纤通信系统的种类其它特征孤子光通信（第五代）：用光纤的非线性进行超大容量，超常距离的通信方式。光弧子（Soliton），又称光弧粒子，它是一种特殊的波，在经过长距离传输后，仍保持波形不失真，而且，即使两侧光弧子波相互碰撞后，依然保持各自原来的形状不变。传输速率高，中继距离长，设计复杂。单路数字非相干光纤通信系统数字光纤通信系统的构成信息源光发送机接口电端机接口电端机信息源光接收机中继器备用系统辅助系统电端机在电域对信息进行必要的处理数字化模拟信号数字信号抽样、量化、编码（PCM）复用单路数字电信号多路数字电信号（数字复接器）码型变换NRZ线路码型常用的电线路码型包括AMI（交替反转：00；1+1、-1交替）、HDB3、CMI（001；111、00交替）等光端机接口电路均衡放大解码定时扰码电端机线路码输出NRZ码输入接口电路NRZ解扰编码输出电端机线路码NRZ码输入时钟输入输出接口电路光中继器中继器O/EE/O放大均衡判决再生光纤的吸收和散射导致光信号衰弱，色散导致信号畸变，补偿光信号衰弱，调整畸变信号。延长通信距离7.2光线路码型简介光线路编码目的和要求光线路编码目的适应信道传输要求、方便时钟提取及系统监测、维护，即将传送码流转换成便于在光纤中传输、接收和检测的线路码型。编码要求尽可能减少连“0”连“1”以便于时钟提取减少码流中的低频分量，直流基线尽量稳定，即要求“1”、“0”码分布均匀，否则不利于接收端的再生判决所谓基线漂移是指单极性信码中由于含有直流分量且低频成分又比较丰富所以受到电路的交流耦合影响产生支流分量漂移的现象。减少“1”码出现的概率，降低平均发送光功率。便于误码监测，即要求码型有一定的规律性接收端将线路码还原后，误码增殖要小便于插入公务通信码流线路简单、功耗低线路码型的主要参数码速提升率：二进制码的速率为f1，线路编码后的速率f2为，码速提升率R为：R=(f2-f1)/f1最大同符号连续数:最大相同符号“0”/“1”的连续数。N取决于码的结构，值的大小衡量线路码的定时信息、低频分量的参考值。误码倍增系数G:G越大大表明译码后对应的误码可能更多，系统传输性能变差G=接收机中还原为二进制码中的误码数/线路码中总的误码数冗余度：除了信息外，光通信系统还要传送其它辅助信号的能力称为冗余度或冗余容量。冗余度大，有利于安排其它信号，但效率低翻转电平差功率谱密度游动数字和RDS常用的线路码型扰码二进制用伪随机序列对原有序列扰码，控制连“0”连“1”长度SDH系统中即采用7级同步扰码字变换型码mBnB码，将原序列mbit的分组变换成n个bit的分组后输出，可控制直流电平和连“0”连“1”数一般取m=n+1mBnB码的特例：CMI码，属于1B2B编码方式插入型码mB1P/mB1C/mB1H等，原序列每mbit后插入1个“奇偶校验码/补码/混合码，可控制连“0”连“1”数我国早期的光端机中广泛使用了mB1H码，可以较为方便地加入附加容量在线误码监测方法同步监测法奇偶监测法码结构违犯规则法补码监测法非同步监测法RDS法特殊图案监测法伪误码监测法7.3PDH和SDH概念传输制式数字语音信号欧洲：64kbps/A律压扩美国：64kbps/律压扩复用方法TDM复用的具体处理上出现了两种传输体制PDH（PlesiochronousDigitalHierarchy，准同步数字体系）欧洲制式PDH北美制式PDHSDH（SynchronousDigitalHierarchy，同步数字体系）7.3.1PDH（异步复用）在进行复接时，如果传输设备的各支路码位不同步，在复接前必须调整各支路码率，使之严格相等。从话路到一次群需要考虑的问题帧速率一般选用语音抽样速率：8000KHZ（人声300-3400KHZ）帧同步由帧同步码实现，两种插入帧同步码的方式:集中插入（在一帧开始的n位集中插入n比特帧同步码）和分散插入（n比特帧同步码分散地插入到n帧内，每帧插入1比持）帧容量每帧内应有合适的时隙数量PDH的一次群欧洲制式一次群（E1）帧同步码：集中插入每帧时隙数：30/32Ts每帧比特数：328=256bit帧速率：8000f/s群速率：2048kbps北美制式一次群（T1，DS-1）帧同步码：分散插入每帧时隙数：24Ts每帧比特数：248+1=193bit帧速率：8000f/s群速率：1544kbps注意：PDH中，零次群到一次群的复用属于同步复用抽样量化话路选择130时序发生器帧同步码复帧同步码公务码语音编码合成码型变换一次群向高次群的复用问题各支路相位不同各支路信号的比特率可能不相同对策异步复用正码速调整：人为的插入一些必要的脉冲，通过控制插入脉冲的多少使各支路信号的瞬时速率达到一致。码速调整后速率变大。数字复接基群一基群N基群二高次群PDH的复用路线64kbps2048kbps8448kbps34368kbps139264kbps564992kbps4444一次群二次群三次群四次群五次群1544kbps6312kbps4DS0零次群3024344736kbps76274176kbpsDS1DS2DS3332064kbps597728kbps397200kbps34北美日本欧洲E1E2E3E4电端机光端机电端机光端机电端机光端机电端机光端机电端机光端机电端机光端机PDH的应用方式电端机光端机电端机光端机电端机光端机电端机光端机电端机光端机电端机光端机点到点应用线形应用枢纽应用7.3.2SDH由一些基本网络单元（NE）组成，具有全世界统一的网络节点接口(NNI),有一套标准化的信息结构等级，称为同步传输模块（STM-N）。PDH的缺点存在三个互不兼容的地区性速率和帧结构标准，国际互通困难传统的数字光纤通信系统（PDH）没有标准的光接口，不同厂商的光系统无法在光级别互连异步复用，每次复接要进行一次码速调整，因而无法从高次群信号中直接分插低速率信号，上下电路需要众多设备建立在点到点传输基础上，网络结构简单，无法提供最佳的路由选择，数字通道设备利用率低严重缺乏OAM，通常将网络的管理工作划分为3大类：操作（Operation）、管理（Administration）、维护（Maintenance），难以很好支持新一代的电信网络SDH应运而生需求统一速率体系标准光接口直接分插低速率信号，灵活的调度能力同步复用：一个帧的若干时隙，按顺序编号，标号相同的成为一个子信道，传递同一路话路信息，速率恒定。完善的OAM，提升调度能力和自愈能力开销比特产生前提光纤通信容量上升、性能上升大规模集成电路实用化，集成度高，成品率高，成本降低SDH的产生从Systran到SDH网络运营商和设备厂商呼吁标准的光接口1984年开始，ANSI（美国国家标准协会）起草一系列光传输标准，形成Systran（同步传输的缩写）1985年，ANSIT1X1委员会根据贝尔研究所提出的观点，决定起草光同步网标准，从而诞生了后来的SONET1986年7月，CCITT（ITU-T前身）第18研究组开始SDH的研究工作，力求在同步传输体系中解决北美、欧洲两大速率体系之间的兼容问题1987年2月，CCITT研究组巴西利亚会议上，为解决SONET基本速率51.84Mbps与欧洲广泛应用的140Mbps速率之间的分歧，确定155.52Mbps（3倍于SONET基本速率）为SDH基本速率1988年2月，CCITT研究组与ANSIT1X1委员会达成最后协议，解决了SONET与SDH在帧结构、复用映射结构上的兼容问题，研究组内通过3个SDH基本建议，并于1989年在CCITT兰皮书上刊载。SDH重要标准1988年通过的三个主要建议G.707，同步数字体系的比特率G.708，同步数字体系的网络节点接口G.709，同步复用结构之后通过的其它相关建议涉及网络、系统和设备、光/电接口、传输网管理与性能、定时、信息模型等各个方面和层次SDH的优点全球性标准统一的速率（帧结构）标准统一的光接口标准同步复用直接分插支路信号，增强业务透明性，提高设备效率信息净负荷和定时透明性，可前后向兼容强大的网管能力维护自愈：采用先进的分/插复用设备（ADM）、数字交叉连接设备（DXC）调度SDH关键环节的处理支路环节使用具有特定帧结构的虚容器装载支路信号设计有VC-1到VC-4用于容纳现有各种速率的信号，各阶VC还可通过级联的方式提高信号装载能力复用环节全网统一定时特殊的块状帧结构，使用指针技术容纳支路相差和瞬时频差，实现同步复用维护、调度环节各阶VC和STM（同步传输模块）均拥有丰富的开销比特以VC为单位实现调度，净负荷透明设计有交叉连接功能模块以方便自愈和调度SDH的速率等级等级速率（kbps)等级速率（kbps)STS-151840STM-1155520STS-3155520155MSTS-9466560STM-4622080STS-12622080622MSTS-18933120STS-241244160STS-361866240STM-162488320STS-4824883202.5GSTS-964976640STM-649953280STS-192995328010GSDHSONET俗称SDH的帧结构125s13459段开销（