光纤通信chpter5-数字光纤通信系统

1 1 第五章数字光纤通信系统 两种传输体制系统的性能指标系统的设计 2 2 两种传输体制 光纤传输复用技术 同步时分复用TDMTDM扩展为不同的群路等级 ITU 将多路编码数字电话按两种标准组成群路 北美 日 24路信道复用为一个基群 信息速率1 544Mb s 中 欧 30路信道复用为一个基群 信息速率2 048Mb s 更高级复用 4个基群通过TDM复用为二次群 信息速率稍大于4倍 多个二次群复用为三次群 3 3 数字复接原理 1 对数字信号进行时分复用数字复接器 将若干个低等级的支路信号按TDM的方式合并为一个高等级的合路信号 数字分接器 将一个高等级的合路信号分解为原来的低等级支路信号 4 4 数字复接原理 2 码速调整单元 对输入各支路信号的速率和相位进行调整 形成与本机定时信号完全同步的数字信号 使输入的各支路信号是同步的 定时单元 受时钟控制 产生复接需要的各种定时控制信号 复接器 将支路信号在定时单元控制下合并为合路信号 分接器 合路数字信号和相应的时钟同时送给分接器 分接器的定时单元受合路时钟控制 因此它的工作节拍与复接器定时单元同步 同步单元 从合路信号中提出帧同步信号 用它再去控制分接器定时单元 恢复单元 把分解出的数字信号恢复出来 5 5 数字复接原理 3 在数字复接中 如果复接器输入端的各支路信号与本机定时信号是同步的 则称为同步复接器 如SDH如果不是同步的 则称为异步复接器 输入各支路数字信号与本机定时信号标称速率相同 但实际上有一个很小的容差 这种复接器称为准同步复接器 如PDH 6 6 准同步数字系列PDH 1 PDH 在低速率群路的信号采用同步复用 而多数高等级信号采用异步复用 即靠塞入额外比特使各路信号与复用设备同步并复用为高速信号 这样的系统称准同步数字系统 PDH PDH各次群比特率相对于其标准值有一个规定的容差 而且是异源的 通常采用正码速调整方法实现准同步复用 应用 中 低速点对点传输 1976年对一次群 四次群实现了标准化 并得到广泛应用 7 7 准同步数字系列PDH 2 世界商用数字光纤通信制式 8 8 两种传输体制 PDH 3 PDH的缺点 各独立系列相互不兼容 没有统一的光接口标准 没有足够的开销比特 用于网络运行 管理 维护和指配等管理的信息不足 不能满足电信网络不断扩大 技术不断更新的要求 高低速率信号的不能直接分插 复用 必须逐级进行 使得复接 分接设备结构复杂 上下话路价格昂贵 PDH传输线路主要是点对点连接 缺乏网络拓扑的灵活性 使数字设备的利用效率低 网络调度性差 缺乏自愈功能 9 9 同步数字系列SDH的提出 1985年 USABell实验室提出同步光网络 SynchronousOpticalNetwork SONET 于1988年美国国家标准协会 ANSI 通过了两个最早的SONET标准 1988年 CCITT命名数字同步系列 SDH 并建立了统一标准 国际电话电报咨询委员会 CCITT 现在的ITU 接受了SONET的概念并加以修订和完善 重新命名为同步数字系列 SDH SynchronousDigitalHierarchy 建立了世界性的统一标准 现ITU T关于SDH已发布几十标准 SDH体制不仅应用于光纤信道 还可应用于微波卫星干线传输 SDH Sonet在世界范围内广泛应用 10 10 SDH的概念 Physical layerprotocolthatframesdataforfastandreliabletransmissionoveropticalfiberThefundamentalprincipleoftheSDHprotocolistime divisionmultiplexing TDM whichworksincontrasttoasystemsuchasEthernetwheredataissentinsporadicbursts 11 11 SDH传输网 1 适用网络类型 点对点传输 多点网络传输 SDH网络的构成 终端设备 即终端复用器TM 分插复用设备ADM 数字交叉连接设备DXC 物理链路 光纤 下图为典型的SDH拓扑结构图 图5 1SDH传输网的典型拓扑结构 TM ADM DXC ADM TM TM TM ADM DXC ADM TM SDH传输网 2 13 13 SDH传输网 3 SDH终端TM 功能 复接 分接 提供网络适配 ADM 功能 上下话路 直接转发 DXC 数字交叉连接 通过适配提供不同的端到端连接 14 14 SDH传输网 4 SDH传输网的连接模型 DXC的交叉连接 SDH网中提供多条结构相同的传输通道 通道Path 复接段Line 再生段Section 15 15 SDH传输网 5 与PDH相比的特点 SDH采用统一的标准传输速率等级 STM 1 最低等级 传输速率 155 520Mb s STM 4 4个STM 1复接成一组STM 4 速率 622 080Mb s STM 16 4个STM 4复接成一组STM 16 速率 2488 32Mb s STM N N 1 4 16 64 标准统一 可以承载不同格式的数字信号 如PDH ATM信元 IP分组 以太网帧等 有利于不同通信系统互连 具有统一标准的光接口 有利于建立世界统一的通信网络 简化硬件 降低了网络成本 帧结构中有丰富的开销比特 可用于网络的运行 维护和管理 便于实现性能的监测 故障监测 定位故障报告等管理功能 16 16 SDH传输网 6 与PDH相比的特点 采用数字同步复用技术 以字节 8bit 为最小复用单位 不必进行码速率调整 简化复接 分接设备 低速率信号与高速率信号间的复接 分接 不必逐级进行 采用DXC可以对各种端口速率进行可控的连接配置 对网络资源进行自动化的调度和管理 既提高了资源利用率 又增强了网络的抗毁性和可靠性 大大提高了网络的灵活性及对各种业务量变化的适应能力 使现代通信网络提高到一个崭新的水平 17 17 SDH传输网 6 SDH与PDH分插流程比较 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 无需分级进行 18 18 SDH帧结构 1 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 三部分 段开销 信息载荷 管理单元指针 块状结构 以字节为基础 STM N帧 9行 270 N列 每列为1个字节 1byte 8bit 帧周期 T 125 s 8000帧 sSTM 1 传输速率 9 270 8 8000 155 52 Mb s 发送顺序 行 由上而下 列 由左到右 19 19 SDH帧结构 2 段开销 段开销 SOH SectionOverhead 保证信息正常传输所必须的附加字节 作用 运行 维护 管理 帧定位 误码检测 公务通信 自动保护倒换 网管信息传输等 占用字节数 STM 1 8行 9列 1 72Byte 576bit SOH容量 576 8000 4 608Mb s 1 3行 1 9 N列 再生段开销 SOH 5 9行 1 9 N列复接段开销 LOH SDH丰富的开销为其实现强大的OAM和智能化奠定了基础 20 20 SDH帧结构 3 信息载荷 用于承载各种业务信息的部分 STM 1 9 261 1 2349byte 18792bit 容量为 2349 8 8000 150 336Mb s 通道开销 POH 少量字节用于通道运行 管理和维护 管理单元指针 AU PTR 用于指示信息载荷第一个字节在帧内的准确位置 相对于指针位置的偏移量 指针容量 第四行 1 9列 STM 1 9 8 8000 0 576Mb s 采用指针技术是SDH的创新 结合虚容器 VC 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 21 21 复用原理 1 传统复用方法 正码速调整法优点 容许被复接的支路信号有较大的频率误差 缺点 复接与分接困难 固定位置映射法 使低速支路信号在高速信号帧中占有固定位置 优点 复接与分接容易实现缺点 低速信号与高速信号相位不能对准 且随时间变化 SDH复用 采用载荷指针的映射方法 引入指针 需要对指针进行管理 超大规模集成电路为指针技术实现提供了条件和基础 通过指针的值 指向载荷的起始位置 22 22 载荷包络与SDH帧的一般关系 复用原理 2 23 23 映射结构 把支路信号适配装入虚容器VC的过程 即 使支路信号与传送的载荷同步的过程 这种结构可把目前PDH的绝大多数标准速率信号装入SDH帧 基本工作原理 映射 定位 复用各种速率等级的数据流进入相应的容器 C 完成适配功能 主要是速率调整 映射加入通道开销 POH 构成虚容器 VC 映射进入支路单元 TU 或管理单元 AU 定位设置指针 AUPTR和TUPTR 定位复用 TU进高阶VC或AU进STM N 附加段开销SOH 形成STM N的帧结构 复用 复用原理 3 ITU T一般复用映射结构 同步复用和映射方法是SDH的特色之一 24 24 复用原理 4 ITU T一般复用映射结构 25 25 复用原理 5 ITU T一般复用映射结构 C n 标准容器 装载PDH支路信号 并完成速率适配 标准容器 少量通道开销POH 虚容器VC VC的包络与网络同步 可以复用 交叉连接 交换 VC内可装载不同容量 不同格式的支路信号 定位校准 在VC前加管理单元指针 保证所有VC起始相位始终同步 AU 管理单元 TU 支路单元 设置指针 TU均匀字节间插 TUG AUG复用 AUG SOH STM 1 按字节同步复用 STM N 26 26 复用原理 6 复用举例 举例 由PDH的4次群信号到SDH的STM 1的复接过程把139 264Mb s的信号装入容器C 4 经速率适配处理后 输出信号速率为149 760Mb s 在虚容器VC 4内加上通道开销POH后 输出信号速率为150 336Mb s 在管理单元AU 4内 加上管理单元指针AUPTR 每帧9Byte 相应于0 576Mb s 输出信号速率为150 912Mb s 由1个AUG加上段开销SOH 输出信号速率为155 520Mb s 即为STM 1 27 27 数字交叉连接设备 DXC 1 DXC 自动的数字电路配线架 核心 可控的交叉连接开关矩阵 基本电路速率 可等于或低于端口速率 它取决于信道容量分配的基本单位 输入信号串 并变换 变为m个并行支路信号 然后通过时分 或空分 交换网络 按照预先存放的交叉连接图或动态计算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 28 28 数字交叉连接设备 DXC 2 DXC的表示 DXCX Y X 输入端口速率的最高等级 Y 参与交叉连接的最低速率等级 0 64kb s电路速率 1 2 3 4 PDH的1至4次群的速率 4 SDH的STM 1等级 5 6 SDH的STM 4 STM 16等级 举例 DXC1 0 1 输入最高速率为一次群速率2 048Mb s 0 交叉连接基本速率为64kb s DXC4 1 4 输入端最高速率140Mb s PDH 或155 52Mb s SDH 1 交叉连接基本速率为2 048Mb s 广泛应用的DXC DXC1 0 DXC4 1 DXC4 4 29 29 数字交叉连接设备 DXC 3 交叉连接设备与交换机的区别 DXC的用途 干线网实现自动化网络配置 功能 分离本地 非本地业务 为非本地业务提供路由为临时事件提供通信电路 网络故障时 迅速提供网络配置 根据业务流量 实现最佳网络配置 PDH与SDH的网关 30 30 SDH的应用 1 SDH点对点传输 链形网传输 31 31 SDH的应用 2 SDH环形网 SDH ADM SDH ADM SDH ADM SDH ADM 优点 具有自愈能力通信网络发生故障时 无需人为干预 即可在极短的时间内从失效故障中自动恢复所携带的业务 使用户感觉不到网络已出了故障 32 32 SDH的应用 3 ADM DXC 网形网 端到端之间存在一条以上路径 DXC可灵活配置网络 网络具有更高的抗毁性 可靠性 33 33 SDH的主要优点 系列标准规范 接口统一兼容 复用映射结构 同步透明灵活 开销信息丰富 网管能力强大 指针定位调整 支持自愈组网 核心特征 同步复用强大的网络管理能力统一的光接口与复用标准 34 34 第五章数字光纤通信系统 两种传输体制系统的性能指标系统的设计 35 35 系统性能指标 参考模型系统的主要性能指标可靠性 36 36 参考模型 1 数字光纤通信系统在通信网中的地位 传输网 确定数字光纤通信系统在整个通信网中的位置 从整体出发 分析系统要求 分配系统的性能指标要求 数字系统参考模型 ITU T在G 801建议中提出假设参考数字连接 HRX 假设参考数字链路 HRDL 假设参考数字段 HRDS 37 37 参考模型 1 HRX 假设参考数字连接 HRX 假设通信距离最长 结构最复杂 传输质量最差的连接 包括所有的传输 交换 及其他功能器件 系统 全数字64kb s连接 标准最长HRX 14个HRDL 13个交换节点 全长27500km HRX总性能指标按比例分配给HRDL 38 38 参考模型 2 HRDL 假设参考数字链路 HRDL HRX中两个相邻交换点数字配线架间的所有传输系统 复用 分接设备 传输单元 长度 建议2500km 可根据国家具体情况做不同选择China 5000km USA Cana 6400km Jap 2500km 39 39 参考模型 3 HRDS 假设参考数字段 HRDS HRDL的组成部分 HRDS 两端光端机 中间光缆传输线路 光中继器 HRDS建议长度 长途 280km 市话 50km我国 一级干线 420km 二级干线 280km 市话 50km 一个光纤通信系统 可以由若干个HRDS组成 HRDS的性能指标 从HRDL指标分配中获得 并分配给线路和设备 HRX HRDL HRDS三者的关系 HRX 若干个HRDL 若干交换中心 HRDL 若干HRDS HRDS 两个数字配线架 若干光中继器 40 40 系统的主要性能指标 误码率 1 误码率 BER 是在一个较长时间内的传输码流中出现误码的概率 它对话音影响的程度取决于编码方法 描述通信系统性能的关键指标 决定着通信的质量 64kb sPCM数字连接误码率对话音影响程度 41 41 系统的主要性能指标 误码率 2 误码性能优劣的表示方法 误码时间百分数误码秒百分数检测时间TL划分为 与连续10秒的BER与10 3相比 可用时间 BER10 3 系统处于故障状态 取样时间T0和误码率门限阈值BERth 劣化时间 抽样 以T0 检测BER BERth的时间 分钟数 秒数 误码性能优劣表示 42 42 系统的主要性能指标 误码率 3 误码率随时间的变化 43 43 系统的主要性能指标 误码率 4 ITU TG 821建议将误码性能优劣划分三个等级 劣化分 DM 严重误码秒 SES 误码秒 ES 44 44 系统的主要性能指标 误码率 5 总误码性能指标在HRX各部分的分配 按电路等级进行分配高级 长途一二级干线 按长度分配 中级 长途二级以下干线 本地级 最长HRX的电路质量等级划分 45 45 系统的主要性能指标 误码率 6 误码率的分配 G 821建议 DM BER 10 6的时间少于10 等效平均误码率BERav 10 7 将平均误码率按长度进行分配 BERav 4 10 12 km 则420km一级干线误码率分配 BERav 1 68 10 9 280km二级干线误码率分配 BERav 1 12 10 9 设计值 比实际要求值高一个数量级 按10 10设计 46 46 系统的主要性能指标 抖动 1 抖动 数字信号的有效瞬间对于标准时间的位置偏差 输入脉冲信号在平均位置的左右变化 提取时钟信号在中心位置的左右变化 抖动的单位 UI 表示单位时隙 二进制NRZ信号 1UI T 一个码元周期 抖动的度量 抖动幅度 Jp p 偏差时间的范围 抖动频率 F 偏差时间间隔对时间的变化率 抖动的表现 稳定脉冲前后沿出现低频干扰 1 2kHz 抖动的影响 使信号判决偏离最佳判决时间 增加误码率 降低系统性能 抖动表现 接收端的噪声 劣化信噪比 降低接收灵敏度 47 47 系统的主要性能指标 抖动 2 抖动产生的原因 时钟提取电路的频率偏移 信号状态 如 信号的码间干扰 输入码流中长连 0 码 随机噪声 抖动的主要性能参数 输入抖动容限 输出抖动等输入抖动容限 系统容许的输入信号最大抖动范围 ITU T建议和国际标准 给出了PDH各次群输入 输出抖动容限要求 48 48 系统的主要性能指标 抖动 3 PDH各次群入口对抖动的要求 49 49 系统的主要性能指标 抖动 4 50 50 系统的主要性能指标 抖动 5 表5 6和表5 7的图解说明 要求 PDH各次群输入接口的输入抖动容限必须在曲线之上 51 51 系统的主要性能指标 可靠性 1 可靠性 描述系统的故障可能性直接影响通信系统的 使用 维护 经济效益 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研究方法 故障统计分析法 故障次数 故障修复时间 可靠性的表示 可靠性R与故障率 可靠性R 规定条件和时间内系统无故障工作的概率 反映系统完成规定功能的能力 故障率 单位时间内系统发生故障的概率 单位 10 9 h 菲特 fit 1fit表示109h内发生一次故障的概率 R与 的关系 n个部件系统总的可靠性Rs 52 52 系统的主要性能指标 可靠性 2 故障率 与平均故障间隔时间MTBF 可用率A和失效率PF 可用率A 规定时间内 系统处于良好工作状态的概率 失效率PF 有备用系统时 失效率PF 53 53 系统的主要性能指标 可靠性 3 可靠性指标 具有主备用系统自动倒换功能的DOFCS 5000km 双向全程全阻故障 4次 年 420km 280km 双向全程全阻故障 1次 3年 1次 5年 市内数字光缆通信系统 双向全程全阻故障 4次 年 50km数字段双向全程全阻故障 2次 年 LD寿命 大于10 104h PIN寿命 大于50 104h APD寿命 大于50 104h 国产通信设备的可靠性指标 54 54 系统的主要性能指标 可靠性 4 数字光缆通信系统可靠性指标 某些国产设备可靠性指标 55 55 第五章数字光纤通信系统 两种传输体制系统的性能指标系统的设计 56 56 系统设计 中继距离受损耗的限制中继距离手色散 带宽 的限制中继距离和传输速率 57 57 系统设计 系统设计的要求 前提 用户对传输距离传输容量的要求 国家规定指标设备技术水平考虑因素 选择最佳路由和局站设置 选择传输体制和传输速率 选择光纤光缆 选择光端机基本参数和性能指标 目的 达到最佳性价比 技术实现的关键 确定中继距离中继距离的设计方法 最坏情况法统计法半统计法中继距离的限制因素 光纤线路的损耗光纤线路的色散 带宽 58 58 损耗的限制 1 1300 1550 850 紫外吸收 红外吸收 瑞利散射 0 2 2 5 损耗 dB km 波长 nm OH离子吸收峰 光纤的损耗谱特性 59 59 损耗的限制 2 无中继或有一个中继器的数字光纤通信系统光纤损耗限制中继距离 系统要求 发射端 接收端光纤线路总损耗不超过系统总功率衰减 各参数取值依据产品技术水平 和系统需求 60 60 损耗的限制 3 Pt LD 3 9dBm LED 20 25 dBm Pr 接收灵敏度 P117表5 10 连接器损耗 c 0 3 1dB 对 Me损耗余量 时间及环境变化引起的Pt和Pr及连接器性能的劣化 光纤损耗 f 1310nm 0 4 0 45dB km 1550nm 0 22 0 25dB km 光纤损耗余量 m 0 1 0 2dB km 接头损耗 f 0 05dB 61 61 色散 带宽 的限制 1 系统传输速率高 光纤线路色散大 色散 带宽 限制中继距离 需对光纤线路总色散进行规范 已知传输速率的光纤线路系统 允许的线路总色散 计算中继距离色散对系统的影响 色散引起脉冲展宽 码间串扰 增大误码or降低接收灵敏度ITU T建议 色散限制系统中继段距离L的计算式 其中 Fb线路码速率 Mb s C0光纤色散系数 光源谱宽 是与功率代价和光源特性有关的参数 光脉冲相对展宽SLM LD时 0 115 MLM LD时 0 306 62 62 色散 带宽 的限制 2 G 652 标准单模光纤SMF 零色散波长 1300nm1550色散 16 17ps nm kmG 653 色散位移光纤DSF 零色散波长 1550nmG 655 非零色散位移光纤NZDSF 1550nm色散 2 6ps nm km 光纤 零色散点分布在标准波长附近一定范围 光源LD 峰值波长分布于一个有限范围 可计算最大色散容限CL 140Mb s以上单模光纤通信系统 色散限制不容忽略 63 63 中继距离和传输速率 1 损耗限制 色散限制 单模光纤 选择距离较短者作为中继距离的的最终结果 64 64 中继距离和传输速率 2 案例1 140Mb s SMF 采用5B6B线路码 损耗参数 损耗限制中继距离L 65 65 中继距离和传输速率 3 色散参数