第6章数字光纤通信系统.ppt

第六章数字光纤通信系统DigitalOpticalTransmissionSystems 张树东zhangsd2 光信息科学与技术曲阜师范大学物理工程学院 光纤通信 第6章数字光纤通信系统 6 1两种传输体制 6 2系统的性能指标 6 3系统的设计 6 1两种传输体制 数字光纤通信传输系统结构框图 6 1两种传输体制 电端机的数据复接 PDH和SDH体制 数字光纤通信的传输容量与所采用的数字复接体系有关 数字复接就是将若干个低速数字信号合并成一个高速数字信号 然后再通过高速信道传输的专门技术 6 1两种传输体制 光纤大容量数字传输 多采用时分复用 TDM Time DivisionMultiplexing 复用分为若干等级 先后有两种传输体制 准同步数字系列 PDH PlesiochronousDigitalHierarchy 同步数字系列 SDH SynchronousDigitalHierarchy 参照美国同步光纤网 SONET SynchoronousOpticalNETwork 概念而由ITU T建议而来 SDH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 6 1两种传输体制 6 1 1复用原理介绍6 1 2准同步数字系列PDH6 1 3同步数字系列SDH 6 1 1复用原理介绍 6 1两种传输体制 1 什么是复用 Multiplexing 多种信号共用同一个传输介质 则传输介质需要给每路信号分给带宽的一部分 FDM FrequencyDivisionMultiplexing TDM TimeDivisionMultiplexing WDM WavelengthDivisionMultiplexing CDM CodeDivisionMultiplexing 主要的复用技术有 CDMA CodeDivisionMultipleAccess 6 1两种传输体制 2 复用示意图 Multiplexor MUX Demultiplexor DEMUX orDMX SometimesjustcalledaMUX 6 1 1复用原理介绍 6 1两种传输体制 3 时分复用原理 时分复用TDM是采用交错排列多路低速模拟或数字信道到一个高速信道上传输的技术 复用器由 定时 码速调整和复接单元组成 解复用器 解复用器由 同步 定时 分接和恢复单元组成 复用器 6 1 1复用原理介绍 6 1两种传输体制 TDM系统要求收发两端旋转开关完全同步 即在时间上具有严格的同步关系 包括起点相同 顺序相同 速度相同 6 1 1复用原理介绍 6 1两种传输体制 6 1 1复用原理介绍6 1 2准同步数字系列PDH6 1 3同步数字系列SDH 1 准同步数字系列两种基础速率 6 1 2准同步数字系列PDH 北美 日本采用PDH T系列 T1 1 544Mb s 西欧 中国采用PDH E系列 E1 2 048Mb s 6 1两种传输体制 PDH T系列 一次群速率 基群速率 T1 PDH E系列 一次群速率 基群速率 E1 Digitaltransmissionhierarchy USA 2 复接结构 6 1 2准同步数字系列PDH 6 1两种传输体制 世界各国商用光纤通信制式 注 并非严格的N倍 复接时插入了相关的比特 PDH的T系列和E系列各等级复用关系图 T1 T2 T3 T4 E1 E2 E3 E4 E5 3 基群帧结构 6 1两种传输体制 帧 Frame 指一组相邻接的数字时隙 timeslot 其中各数字时隙的位置可以根据帧定位信号来加以区别 有时出于需要 由几个帧构成一个复帧 Multiframe PDH T系列帧结构 PDH E系列帧结构 基群帧 24个时隙 每个时隙含8bit 1bit帧同步 193bit 基群帧 32个时隙 每个时隙含8bit 256bit 6 1 2准同步数字系列PDH 6 1两种传输体制 PDH T基群帧结构 帧周期Ts 125ms 帧频率 1 Ts 8kHz帧长度 24个时隙 每个时隙含8bit 1bit帧同步 193bit时隙 8bit 前7bit 信息 末位1bit 信令 一次群 基群 速率T1 193bit 125 s 1 544Mb s 6 1 2准同步数字系列PDH 6 1两种传输体制 帧定位时隙 PDH E基群帧结构 6 1 2准同步数字系列PDH 帧周期Ts 125ms 帧频率 1 Ts 8kHz帧长度 30个信道时隙 1帧同步时隙 1信令时隙 32 8 256bit时隙 8bit一次群 基群 速率E1 256bit 125 s 2 048Mb s 6 1两种传输体制 PDH E高次群帧结构 6 1 2准同步数字系列PDH 基群复帧 二次群帧 三次群帧 6 1两种传输体制 PDH帧结构的特点 1 基群帧频 8kHz 与装载话路的采样频率 8kHz 一致 而高次群帧频则不同 2 基群复帧中不需要码速调整字节 因各个支路信号进入基群设备复用时使用同一个时钟 称为同步复用 而高次群帧中有码速调整比特 称为准同步复用 6 1 2准同步数字系列PDH 4 PDH体制电接口和光接口的主要参数 6 1两种传输体制 对基群2 048Mb s CodedMarkInversion 编码传号反转码 6 1 2准同步数字系列PDH 1 T和E两大系列的帧结构和线路码特性不同 难以兼容 2 没有足够的开销比特 使网络设计缺乏灵活性 3 复接 分接设备结构复杂 上下话路价格昂贵 4 最高速率不超过四次群速率 不能用于现代高速率通信 5 PDH的缺点 6 1两种传输体制 SDH正好能够弥补以上不足 6 1 2准同步数字系列PDH 6 1练习题 1 1 何谓PDH 2 PDH E系列基群的帧结构如何 3 PDH E系列各次群帧结构都是准同步复用吗 4 PDH E系列基群的码速为多少 6 1两种传输体制 6 1 1复用原理介绍6 1 2准同步数字系列PDH6 1 3同步数字系列SDH 1 基本概念 6 1 3同步数字系列SDH 6 1两种传输体制 同步数字系列SDH SynchronousDigitalHirarchy 是在美国同步光网络 SynchronousOpticalNetwork SONET 基础上修改建立的传输体制 SDH的基本速率等级为STM 1 155 520Mb s 其它高速率等级为STM 4 4 155 520Mb s STM 16 16 155 520Mb s STM 64 64 155 520Mb s STM 256 256 155 520Mb s 2 SDH的帧结构 6 1两种传输体制 帧周期 125ms 帧频率 8kHz 帧长度 9 270 8 N bit 每字节8bit 帧周期为125 s 帧频率8kHz STM 1帧 速率为9 270 8 125ms 155 52Mb s 9行 270列字节 6 1 3同步数字系列SDH 6 1两种传输体制 复用段开销 Multiplexing SOH 也称LOH LineOverHead 段开销 SOH SectionOverHead 再生段开销 Regenerating SOH 供再生段维护管理使用 供复用段维护管理使用 6 1 3同步数字系列SDH 6 1两种传输体制 2 信息载荷 Payload 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 POH PathOverHead 用于承载各种业务信息的部分 6 1 3同步数字系列SDH 6 1两种传输体制 采用指针技术是SDH的创新 结合虚容器 VC VirtualContainer 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 3 管理单元指针 AUPTR 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 6 1 3同步数字系列SDH SDH高速率等级有 STM 4 STM 16 STM 64 STM 256相应速率为STM 1的4 16 64 256倍 3 SDH复用结构 6 1两种传输体制 各速率等级 STM n 由一个或多个管理单元组 AUG Administrationunitgroup 复用并加上相应的开销字节而构成 6 1 3同步数字系列SDH 基群 6 1 3同步数字系列SDH 6 1两种传输体制 同步数字系列SDH各等级复用关系图 SDH复用是同步复用 SynchronousTransportModule level1 4 SDH承载PDH的方式 映射结构 6 1两种传输体制 将低速支路信号复接为高速信号 传统方法有 正码速调整法 容许被复接的支路信号有较大的频率误差固定位置映射法 低速支路信号在高速信号帧中占用固定位置 SDH结合了正码速调整法和固定位置映射法的优点 采用固定位置映射和浮动位置处理的复用方法 6 1 3同步数字系列SDH 6 1两种传输体制 载荷包络与SDH帧的一般关系 固定位置映射 让低速支路信号适配装入在高速率虚容器 VC 帧中固定位置 浮动位置处理 让虚容器 VC 帧信号在支路单元 TU 或管理单元 AU 帧内占用浮动位置 6 1 3同步数字系列SDH 6 1两种传输体制 PDH的4次群信号到SDH的STM 1的复接过程 C 4 AU 4 AUG VC 4 STM 1 139 264Mb s 容器Carrier 虚容器VirtualCarrier 管理单元AdministrationUnit 管理单元组AdministrationUnitGroup 同步传输模块STM 1 速率适配处理 149 760Mb s 150 336Mb s 150 912Mb s 155 520Mb s 加通道开销POH 加管理单元指针AUPTR 加段开销SOH 6 1 3同步数字系列SDH 具有一定格式的帧结构 6 1两种传输体制 SDH的一般复用映射结构 6 1 3同步数字系列SDH TU TributaryUnit 支路单元 6 1两种传输体制 我国采用SDH复用及映射的基本结构 6 1 3同步数字系列SDH 将E1装载到STM 1帧内 9步完成将E3装载到STM 1帧内 8步完成将E4装载到STM 1帧内 5步完成 仅使用C12 C3 C4来接收PDH的速率 5 SDH的特点 与PDH比较 6 1两种传输体制 SDH采用统一的标准传输速率等级基级 STM 1 传输速率 155 520Mb s复接级 STM 4 4个STM 1组成 传输速率622 080Mb sSTM 16 16个STM 1组成 传输速率2488 320Mb sSTM 64 64个STM 1组成 传输速率9953 28Mb s 6 1 3同步数字系列SDH SONET SDHDesignationsandbandwidths STS n SynchronousTransportSignal levelnSTM n SynchronousTransportModule leveln 6 1两种传输体制 2 SDH各网络单元有标准规范的光接口 任何网络单元在光纤线路上可以互连 光接口分类 局内通信I 短距离局间通信S 长距离通信L 超长距离通信E字母后第1位数字表示SDH等级 1 4 16 第2位数字表示波长和光纤 1 1 31 G 652 2 1 55 G 652 3 1 55 G 653 分类代码 6 1 3同步数字系列SDH 6 1两种传输体制 3 SDH帧结构有丰富的开销比特 用于网络的运行 维护和管理 6 1 3同步数字系列SDH 6 1两种传输体制 4 SDH采用数字同步复用技术 简化了分 复接设备 2Mb s支路信号的分插流程的比较 6 1 3同步数字系列SDH 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 6 SDH构建传输网 6 1两种传输体制 终端复用器TM TerminalMultiplexer 分插复用设备ADM Add DropMultiplexer 数字交叉连接设备DXC DigitalCrossConnectequipment 1 SDH传输网构成组件及其功能 组件 6 1 3同步数字系列SDH 6 1两种传输体制 各组件功能 终端复用器TM 信道的分接和复接 6 1 3同步数字系列SDH 6 1两种传输体制 分插复用设备ADM 卸下信息给本地用户 插入信息给合成输出 6 1 3同步数字系列SDH 6 1两种传输体制 类似于交换机 通过适当配置可提供不同的端到端连接 核心部分是可控的交叉连接开关 空分或时分 矩阵 1 m 1 m m 1 m 1 复接 交叉连接矩阵 分接 配置管理 数字交叉连接设备DXC 6 1 3同步数字系列SDH 6 1两种传输体制 DXC相当于一种自动的数字电路配线架 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 按预先存放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 6 1 3同步数字系列SDH 6 1两种传输体制 064kb s1 4PDH1 4次群速率4 6SDHSTM 1 4 16 DXC的表示 通常用DXCX Y 数字X表示输入端口速率的最高等级Y表示参与交叉连接的最低速率等级 目前应用广泛的是DXC1 0 DXC4 1 DXC4 4 6 1 3同步数字系列SDH 6 1两种传输体制 DXC在干线传输网中的主要用途是 实现自动化的网络配置管理 主要功能有 1 分离本地交换业务和非本地交换业务 2 为临时性重要事件迅速提供通信电路 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 3 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 6 1 3同步数字系列SDH 6 1两种传输体制 2 SDH传输网一个传输通道 path 的结构 每个通道 Path 由一个或多个复接段 Line 构成 而每一复接段又由若干个再生段 Section 串接而成 在SDH传输网内可提供多条传输通道 每个通道结构相似 6 1 3同步数字系列SDH 6 1两种传输体制 3 SDH传输网的分层结构 6 1 3同步数字系列SDH 4 SDH传输网的典型拓扑 Topology 结构 6 1两种传输体制 6 1 3同步数字系列SDH 6 1两种传输体制 SDH可用于点对点传输 链形网和环形网 5 SDH传输网类型 6 1 3同步数字系列SDH 点对点传输 6 1两种传输体制 SDH链形网 6 1 3同步数字系列SDH 6 1两种传输体制 SDH环形网 双环 SDH ADM SDH ADM SDH ADM SDH ADM SDH环形网的一个突出优点是具有 自愈 能力 6 1 3同步数字系列SDH 6 1练习题 2 1 何谓SDH 2 SDH有哪些速率等级 其中基本速率是哪个 速率是多少 3 何谓STM 1 其帧结构如何 4 SDH帧中AUPTR表示什么 有何作用 5 SDH承载PDH信号采用什么复用方式 6 SDH传输网的构成组件有哪些 其功能分别是什么 第6章数字光纤通信系统 6 1两种传输体制 6 2系统的性能指标 6 3系统的设计 6 2系统的性能指标 6 2 1参考模型6 2 2系统的主要性能指标1 误码率2 抖动3 可靠性 6 2 1参考模型 6 2系统的性能指标 HRX是ITU T建议的 基于64kb s数字信号在长度27500km线路上传输系统的连接模型 由各级交换中心和许多假设参考数字链路组成 假设参考连接 HRX HypotheticalReferenceConnection 假设参考数字链路 HRDL 交换中心 HRDL HypotheticalReferenceDigitalLink 6 2 1参考模型 6 2系统的性能指标 LE 本地交换 LocalExchange PC 一级中心 PrimaryCentre SC 二级中心 SecondaryCentre TC 三级中心 TertiaryCentre ISC 国际交换中心 InternationalSwitchingCentre 交换中心 6 2 1参考模型 6 2系统的性能指标 最长的标准假设参考连接HRX 长度27500km假设参考数字链路HRDL 长度2500km实际采用的HRDL 长度5000km 中国 长度6400km 美国 长度6400km 加拿大 长度2500km 日本 假设参考数字链路 HRDL 6 2 1参考模型 6 2系统的性能指标 HRDL由许多假设参考数字段 HRDS HypotheticalReferenceDigitalSection 组成 用于长途传输的HRDS 长度280km长度420km 中国 一级干线 长度280km 中国 二级干线 用于市话传输的HRDS 长度50km 6 2系统的性能指标 6 2 1参考模型6 2 2系统的主要性能指标1 误码率2 抖动3 可靠性 6 2 2系统的主要性能指标 6 2系统的性能指标 1 误码率 BER BitErrorRate BER是在一个较长时间内的传输码流中出现误码的概率 传统上常用平均误比特率BER来衡量系统的误码性能 即在某一规定的观测时间内发生差错的比特数和传输比特总数之比 如1 10 10 1 误码率概念 6 2 2系统的主要性能指标 6 2系统的性能指标 几乎听不懂 5 10 2 强烈干扰 听懂程度明显下降 10 2 在各种话音电平范围内都察觉到有干扰 10 3 在低话音电平范围内有个别 喀喀 干扰 10 4 在低话音电平范围内刚察觉到有干扰 10 5 感觉不到干扰 10 6 受话者的感受 误码率 误码率对话音影响程度 6 2 2系统的主要性能指标 6 2系统的性能指标 BERth 设定门限TL 观测时间T0 时间单元 6 2 2系统的主要性能指标 6 2系统的性能指标 可用时间TA 和 不可用时间TU 在连续10s时间内 BER劣于1 10 3 为 不可用时间 故障排除后 在连续10s时间内 BER优于1 10 3 为 可用时间 TA AvailabletimeTU Unavailabletime 6 2 2系统的主要性能指标 6 2系统的性能指标 i 误码秒 ES Errorsecond 和误码秒比率 ESR 误码秒 在1秒内有误码发生 称为1个误码秒 误码秒比率 在观测时间TL内误码秒数与TA之比 2 常用误码性能参数 6 2 2系统的主要性能指标 6 2系统的性能指标 ii 严重误码秒 SES SeverelyErroredSeconds 和严重误码秒比率 SESR 严重误码秒 在1秒内BER劣于10 3 则该秒称为1个严重误码秒 严重误码秒比率 在观测时间TL内严重误码秒数与TA之比 6 2 2系统的主要性能指标 6 2系统的性能指标 64kb s速率数字信号在假设参考连接HRX 27500km 的误码率总指标 TL 30天 6 2 2系统的主要性能指标 6 2系统的性能指标 最长HRX的电路质量等级划分为高级 中级和本地级 64kb s速率通道HRX误码率总指标按等级分配 6 2 2系统的主要性能指标 6 2系统的性能指标 3 基群及其以上速率通道的误码特性 以码块 即一组与通道有关的连续比特 为误码统计对象 1 误块EB ErroredBlock 若码块中有一个或多个比特发生差错 则称此码块为误块 2 误块秒ES ErroredSeconds 和误块秒比率ESR 3 严重误块秒SES SeverelyES 和严重误块秒比率 SESR 6 2 2系统的主要性能指标 6 2系统的性能指标 2 抖动 Jitter 抖动是数字传输中的一种不稳定现象 即数字信号在传输过程中 脉冲在时间间隔上不再是等间隔的 而是随时间变化 对标准时间位置的偏差 产生抖动的示意图 抖动现象相当于对数字信号进行相位调制 6 2 2系统的主要性能指标 6 2系统的性能指标 抖动变化的最大时间范围 单位时间内抖动变化的快慢 抖动幅度 JP P max t t0 抖动频率 F 单位 UI UnitInterval 表示单位时隙 1UI等于1bit信息所占时间TB 1 B 最大容许输入抖动量 输入抖动容限 反映线路适应抖动的能力的强弱 6 2 2系统的主要性能指标 6 2系统的性能指标 光纤通信系统各次群输入口对抖动容限的要求 6 2 2系统的主要性能指标 6 2系统的性能指标 抖动频率越低 容许的抖动越大 最大抖动容限曲线 6 2 2系统的主要性能指标 6 2系统的性能指标 3 可靠性 Reliability 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 对光纤通信系统而言 可靠性包括光端机 中继器 光缆线路 辅助设备和备用系统的可靠性 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 6 2 2系统的主要性能指标 6 2系统的性能指标 1 可靠性表示方法 可靠性R通常用故障率j表示 两者的关系为 故障率j表示在单位时间内发生故障 功能失效 的概率 单位为10 9 h 称为菲特 fit 1fit等于在109h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 6 2 2系统的主要性能指标 6 2系统的性能指标 其他相关概念 平均故障间隔时间MTBF MeanTimeBetweenFailure 平均故障修复时间MTTR MeanTimeToRepair 6 2 2系统的主要性能指标 6 2系统的性能指标 故障率 平均故障间隔时间MTBF的倒数 可用率A 在规定时间内系统处于良好工作状态的概率 6 2 2系统的主要性能指标 6 2系统的性能指标 失效率PF 在规定时间内系统处于故障状态的概率 6 2 2系统的主要性能指标 6 2系统的性能指标 2 可靠性指标 以5000km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 6h 6 2 2系统的主要性能指标 6 2系统的性能指标 6 2练习题 1 何谓假设参考连接HRX 假设参考数字链路HRDL 假设参考数字段HRDS 2 何谓可用时间TA和不可用时间TU 3 何谓误码秒ES和严重误码秒SES 4 何谓抖动 抖动的特性参量有哪些 5 何谓可靠性 平均故障间隔时间MTBF与故障率j之间的关系如何 6 数字光纤传输系统的性能指标有哪些 第6章数字光纤通信系统 6 1两种传输体制 6 2系统的性能指标 6 3系统的设计 6 3系统的设计 6 3 1系统设计的一般步骤6 3 2中继距离估算6 3 3误码率估算 6 3 1系统设计的一般步骤 6 3系统的设计 系统设计的主要任务是 根据用户对传输距离和传输容量及其分布的要求 按照相关技术标准 选择路由和局站设置 传输体制和传输速率以及光纤光缆和光端机的基本参数和性能指标 一般步骤1 选定传输速率和传输制式2 选定工作波长3 选定光源和光检测器件4 选定光纤光缆类型5 选定路由 估算中继距离6 估算误码率 6 3系统的设计 6 3 1系统设计的一般步骤6 3