第5章 数字光纤通信系统(修4pp)

第5章数字光纤通信系统,数字光纤通信系统是一种通过光纤信道传输数字信号的通信系统。由于数字信号只取有限个离散值，可以通过取样、判决而再生，所以这种通信系统对信道的非线性失真不敏感，在通信全程中，即使有多次中继、失真(包括线性失真和非线性失真)和噪声也不会积累。与模拟光纤通信系统相比，数字光纤通信系统对光源特性的线性要求与对接收信噪比的要求都不高，更能充分发挥光纤的优势，很适合于长距离、大容量和高质量的信息传输。,5.1两种传输体制,光纤大容量数字传输目前都采用同步时分复用(TDM)技术，复用又分为若干等级，因而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)。PDH早在1976年就实现了标准化，目前还在使用。随着光纤通信技术和网络的发展，PDH遇到了许多困难。在技术迅速发展的推动下，美国提出了同步光纤网(SONET)。1988年，ITU-T参照SONET的概念，提出了同步数字系列(SDH)的规范建议。SDH解决了PDH存在的问题，是一种比较完善的传输体制，现已得到大量应用。这种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。,5.1.1准同步数字系列PDH,准同步数字系列有两种基础速率：一种是以1.544Mbs为第一级(一次群，或称基群)基础速率，采用的国家有北美和日本；另一种是以2.048Mbs为第一级(一次群)基础速率，采用的国家有西欧和中国。表5.1是世界各国商用数字光纤通信系统的PDH传输体制，表中示出两种基础速率各次群的速率、话路数及其关系。,表5.1世界各国商用数字光纤通信系统的PDH传输体制,对于以2048Mbs为基础速率的制式，各次群的话路数按4倍递增，速率的关系略大于4倍，这是因为复接时插入了一些相关的比特。对于以1.544Mbs为基础速率的制式，在3次群以上，日本和北美各国又不相同，看起来很杂乱。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。1次群至4次群接口比特率早在1976年就实现了标准化，并得到各国广泛采用。PDH主要适用于中、低速率点对点的传输。,PDH的主要缺点,(1)北美、西欧和亚洲所采用的三种数字系列互不兼容，没有世界统一的标准光接口，使得国际电信网的建立及网络的营运、管理和维护变得十分复杂和困难。(2)各种复用系列都有其相应的帧结构，没有足够的开销比特，使网络设计缺乏灵活性，不能适应电信网络不断扩大、技术不断更新的要求。(3)由于低速率信号插入到高速率信号，或从高速率信号分出，都必须逐级进行，不能直接分插，因而复接分接设备结构复杂，上下话路价格昂贵。,5.1.2同步数字系列SDH,1SDH传输网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。图5.1示出SDH传输网的拓扑结构，它由SDH终接设备(或称SDH终端复用器TM)、分插复用设备ADM、数字交叉连接设备DXC等网络单元以及连接它们的(光纤)物理链路构成。,SDH终端复用器TM的主要功能是复接分接和提供业务适配，例如将多路E1信号复接成STMl信号及完成其逆过程，或者实现与非SDH网络业务的适配。ADM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，另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。DXC类似于交换机，它一般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。,通过DXC的交叉连接作用，在SDH传输网内可提供许多条传输通道，每条通道都有相似的结构，其连接模型如图5.3(a)所示，相应的分层结构如图5.3(b)所示。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。,SDH的特点：,(1)SDH采用世界上统一的标准传输速率等级。最低的等级也就是最基本的模块称为STM1，传输速率为155.520Mbs；STM4，传输速率为4155.52Mb/s622.080Mbs；STM16，传输速率为2488320Mb/s，以此类推。一般为STMN，N1，4，16，64。由于速率等级采用统一标准，SDH就具有统一的网络结点接口，并可以承载现有的PDH(E1、E3)和各种新的数字信号，有利于不同通信系统的互连。,(2)SDH各网络单元的光接口有严格的标准规范。光接口成为开放型接口，任何网络单元在光纤线路上可以互连，不同厂家的产品可以互通，这有利于建立世界统一的通信网络。另一方面，标准的光接口综合进各种不同的网络单元，简化了硬件，降低了网络成本。(3)在SDH帧结构中，丰富的开销比特用于网络的运行、维护和管理，便于实现性能监测、故障检测和定位、故障报告等管理功能。(4)采用数字同步复用技术，其最小的复用单位为字节，不必进行码速调整，简化了复接分接的实现设备，由低速信号复接成高速信号，或从高速信号分出低速信号，不必逐级进行。,图5.4示出PDH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2Mbs支路信号，十分简便。(5)采用数字交叉连接设备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。,2.SDH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传输网中的信号是以STM的形式来传输。STM具有一套标准化的结构等级STM-NSTM-1155.520Mbit/sSTM-4622.080Mbit/sSTM-162488.320Mbit/sSTM-649953.280Mbit/s,1、帧结构的形式2、采用块状帧结构的理由（1）由于SDH网的一个主要功能是要对支路信号进行同步复用、交叉连接和交换，帧结构的形式应适用这些功能（2）为了便于将支路信号插入帧结构中和从帧结构中取出，希望支路信号在一帧内分布是有规律的、均匀的。（3）帧结构的形式能方便的兼容北美的1.5Mbit/s和欧洲的2Mbit/s系列,3、解释帧结构（1）行、列、字节、帧长等1)行沿帧结构横方向，从上方数到下方的行数。一帧共有9行2)列沿帧结构纵方向，从左数到右的列数。一帧有多少列与STM-N等级有关，270N列3)字节8比特4)帧长一帧有多少字节STM-N的字节（270N）9字节,5)一帧的比特数STM-N的比特数（270N）98比特6)一帧传输时间任何等级的STM传输时间均为125us7)码速率,(2)信息净负荷区域存放等待传输的各种业务信息的地方列10N270N行19字节数（261N）9=2349N个（3）段开销区域再生段开销（RSOH）段开销复用段开销（MSOH）开销在网络节点的信息码流中扣除信息净负荷后的字节，用作网络的运行、维护和管理。段开销的区域：,帧结构左侧19N中13行和59行两个区域中段开销比特数（3+5）N98576Nbit管理单元指针AU-PTR，处于帧结构左侧1-9N列第4行的区域中AUPTR码所对应的值与信息在信息净负荷区域中的位置相对应；AUPTR还可用于频率调整，以实现网络各支路同步工作。,3复用原理,将低速支路信号复接为高速信号，通常有两种传统方法：正码速调整法和固定位置映射法。正码速调整法的优点是容许被复接的支路信号有较大的频率误差；缺点是复接与分接相当困难。固定位置映射法是让低速支路信号在高速信号帧中占用固定的位置。这种方法的优点是复接和分接容易实现，但由于低速信号可能是属于PDH的或由于SDH网络的故障，低速信号与高速信号的相对相位不可能对准，并会随时间而变化。SDH采用载荷指针技术，结合了上述两种方法的优点，付出的代价是要对指针进行处理。超大规模集成电路的发展，为实现指针技术创造了条件。,1、容器C信息结构，用来装载各种速率的业务信号。标准容器为虚容器的净负荷2、虚容器VC虚容器由容器C输出的信息净负荷和通道开销POH组成VC-nC-nVC-nPOH这种过程称为映射。VC在SDH的传送过程中作为一个独立体在通道中任一点取出和插入，不分解；VC的包封速率与SDH网络是同步的。,3、支路单元TU提供低阶通道层和高阶通道层之间适配的信息结构。支路单元TU由VC和一个相应的支路单元指针构成，TU-nVC-nTU-nPTR支路单元为支路的信息载入高阶虚容器作准备，并通过它的指针来指示出这个虚容器在高一阶虚容器中的位置。在净负荷中对虚容器位置的安排定位,4、支路单元组TUG支路单元组由一个或多个在高阶VC净负荷中占有固定位置的支路单元组成TU经TUG到高阶VC或从AU到STM-N的过程复用5、管理单元AU提供高阶通道层和复用段层之间适配的信息结构，由一个相应的高阶VC和一个相应的管理单元指针构成AU-nVC-n（AU-nPTR）管理单元指针的作用是用来指示这个相应的高阶VC在STM-N内的位置。,6、管理单元组（AUG）管理单元组由一个或多个管理单元按字节间插方式组成7、同步传输模块STM-NAUGSOH（段开销）STM-1由N个STM-1可同步复用为STM-N,4数字交叉连接设备,数字交叉连接设备(DXC)相当于一种自动的数字电路配线架。图5.2表示的是SDH的DXC(也适合于PDH)，其核心部分是可控的交叉连接开关(空分或时分)矩阵。一般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。,用DXCXY来表示一个DXC的配置类型，第一个数字X表示输入端口速率的最高等级，第二个数字Y表示参与交叉连接的最低速率等级。数字0表示64kbs电路速率；数字1、2、3、4分别表示PDH的1至4次群的速率，其中4也代表SDH的STM1等级；数字5和6分别代表SDH的STM4和STM16等级。DXC10表示输入端口的最高速率为一次群信号的速率(E1：2048Mbs)，而交叉连接的基本速率为64kbs；DXC41表示输入端口的最高速率为155.52Mbs(对于SDH)或140Mbs(对于PDH)，而交叉连接的基本速率为2.048Mbs。,交叉连接设备与交换机的区别有：,(1)DXC的输入输出不是单个用户话路，而是由许多话路组成的群路；(2)两者都能提供动态的通道连接，但连接变动的时间尺度是不同的。前者按大量用户的集合业务量的变化及网络的故障状况来改变连接，由网管系统配置；后者按照用户的呼叫请求来建立或改变连接，由信令系统实现呼叫连接控制。,DXC在干线传输网中的主要功能,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：分离本地交换业务和非本地交换业务，为非本地交换业务迅速提供可用路由；为临时性重要事件迅速提供通信电路；网络发生故障时，能迅速提供网络的重新配置；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。,5.SDH的应用,SDH可用于点对点传输（图5.8）链形网（图5.9),环形网SDH环形网的一个突出优点是具有“自愈”能力。当某节点发生故障或光缆中断，仍能维持一定的通信能力。SDH环网得到广泛的应用。,SDH通过ADM和DXC等网络单元可以构成更为复杂的网形网这种SDH网络的主要特点是端到端之间存在一条以上的路径，可同时构成一条以上的传输通道，通过DXC的灵活配置，使网络具有更好的抗毁性和更高的可靠性。,5.2系统的性能指标,数字光纤通信系统是数字通信网的一个重要组成部分。为保证通信网正常有效的工作，必须建立一个数字传输参考模型，确定光纤通信系统在参考模型中的位置和作用，提出对系统性能指标的要求，从而正确地设计光纤通信系统。,5.2.1参考模型,为进行系统性能研究，ITUT建议中提出了一个数字传输参考模型，称为假设参考连接(HRX)，见图5.11。最长的标准数字HRX为27500km，它由各级交换中心和许多假设参考数字链路(HRDL)组成。标准数字HRX的总性能指标按比例分配给HRDL，使系统设计大大简化。,建议的HRDL长度为2500km，但由于各国国土面积不同，采用的HRDL长度也不同。我国5000km，美国和加拿大6400km，而日本2500km。HRDL由许多假设参考数字段(HRDS)组成(见图5.12所示)，在建议中用于长途传输的HRDS长度为280km，用于市话中继的HRDS长度为50km。我国用于长途传输的HRDS长度为420km(一级干线)和280km(二级干线)两种。图5.12假设参考数字段HRDS假设参考数字段的性能指标从假设参考数字链路的指标分配中得到，并再度分配给线路和设备。,5.2.2系统的主要性能指标,1误码率（BER）误码率是衡量数字光纤通信系统传输质量优劣的非常重要的指标，它反映了在数字传输过程中信息受到损害的程度。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。对于PCM而言，误码率对话音的影响程度如表5.2所示。,由于误码率随时间变化，用长时间内的平均误码率来衡量系统性能的优劣，不够准确。在实际监测和评定中，应采用误码时间百分数和误码秒百分数的方法。如图5.13所示，规定一个较长的监测时间TL，例如几天或一个月，并把这个时间分为“可用时间”和“不可用时间”。在连续10s时间内，BER劣于1103，为“不可用时间”，或称系统处于故障状态；故障排除后，在连续10s时间内，BER优于1103，为“可用时间”。,同时，规定一个较短的取样时间T0和误码率门限值BER，统计BER劣于BERth的时间，并用劣化时间占可用时间的百分数来衡量系统误码率性能的指标。对于目前的电话业务，传输一路PCM电话的速率为64kbs。合适的误码率参数和HRX的误码率指标为,劣化分(DM)取样时间T0为1min，监测时间选择TL为1个月，误码率劣于1106的分钟数为劣化分(DM)。HRX指标要求劣化分占可用分(可用时间减去严重误码秒累积的分钟数)的百分数小于10。严重误码秒(SES)选择监测时间TL为1个月，取样时间To为1s。定义误码率劣于1103的秒钟数为严重误码秒(SES)。HRX指标要求严重误码秒占可用秒的百分数小于0.2。误码秒(ES)选择监测时间TL为1个月，取样时间To为1s，误码率门限值BERth0。凡是出现误码(即使只有l比特)的秒数称为误码秒(ES)。HRX指标要求误码秒占可用秒的百分数小于8。不出现任何误码的秒数称为无误码秒(EFS)，指标要求无误码秒占可用秒的百分数大于92；,表5.3列出的是标准数字假设参考连接HRX(27500km)的误码率总指标。为了设计需要，必须把总指标按不同等级的电路质量分配到各部分。图5.14示出最长HRX的电路质量等级划分。我国长途一级干线和长途二线干线都应视为高级电路，长途二级以下和本地级合并考虑。,表5.4示出HRX误码率总指标按等级的分配。表5.5的误码率三项指标监测时间为1个月，在工程验收时执行存在一定困难，通常采用长期平均误码率来衡量，监测时间为24h。假设误码为泊松分布，误码率三项指标都可以换算为长期平均误码率。,根据ITU-T建议，25000km高级电路长期平均误码率至少为1107，按长度比例进行线性拆算，得到每公里BERav41012km。所以280km和420km数字段的HRX分别为1.12109和1.68109，因此取1109作为标准。我国长途光缆通信系统进网要求中规定：长度短于420km时，按1109计算；长度长于420km时，先按长度比例进行折算，再按长度累计附加进去。设计值应比实际要求高1个数量级，即短于420km数字段按取BERav11010设计，50km中继段按BERav11011设计。,2抖动,抖动是数字信号传输过程中产生的一种瞬时不稳定现象。抖动的定义是：数字信号在各有效瞬时对标准时间位置的偏差。偏差时间范围称为抖动幅度(Jp-p)偏差时间间隔对时间的变化率称为抖动频率(F)这种偏差包括输入脉冲信号在某一平均位置左右变化和提取时钟信号在中心位置左右变化，见图5.15所示。,抖动现象相当于对数字信号进行相位调制，表现为在稳定的脉冲图样中，前沿和后沿出现某些低频干扰，其频率一般为02kHz。抖动单位为UI，表示单位时隙。当脉冲信号为二电平NRZ时，1UI等于1bit信息所占时间，数值上等于传输速率fb的倒数。产生抖动的原因很多，主要与定时提取电路的质量、输入信号的状态和输入码流中的连“0”码数目有关。抖动严重时，使得信号失真、误码率增大。完全消除抖动是困难的，因此在实际工程中，需要提出容许最大抖动的指标。,光纤通信系统各次群输入口对抖动容限的要求如表5.6所示，各次群输出口对抖动容限的要求如表5.7所示，表中括号内的数值是对数字段的要求。表5.6和表5.7各符号的意义如图5.16所示。,5.2.3可靠性,衡量通信系统质量的优劣除上述性能指标外，可靠性也是一个重要指标，它直接影响通信系统的使用、维护和经济效益。对光纤通信系统而言，可靠性包括光端机、中继器、光线路、辅助设备和备用系统的可靠性。确定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。,1可靠性表示方法,(1)可靠性R和故障率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，反映系统完成规定功能的能力。可靠性R通常用故障率来表示，两者的关系为故障率是系统工作到时间t，在单位时间内发生故障(功能失效)的概率。单位为109/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，则系统的可靠性表示为,(2)故障率和平均故障间隔时间MTBF。两者的关系为(3)可用率A和失效率PF。可用率A是在规定时间内，系统处于良好工作状态的概率，它可表示为式中MTTR为平均故障修复时间(不可用时间)。失效率PF可以表示为由式(5.4)和式(5.5)得到,2可靠性指标,根据国家标准的规定，具有主备用系统自动倒换功能的数字光缆通信系统，容许5000km双向全程每年4次全阻故障，对应于420km和280km数字段双向全程分别约为每3年1次和每5年1次全阻故障。市内数字光缆通信系统的假设参考数字链路长为100km，容许双向全程每年4次全阻故障，对应于50km数字段双向全程每半年1次全阻故障。此外，要求LD光源寿命大于10104h，PINFET寿命大于50104h，APD寿命大于50104h。根据上述标准，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MTTR6h。某些国产设备的可靠性指标列于表5.9。,5.3系统的设计,数字光纤通信系统系统设计的主要任务根据用户对传输距离和传输容量(话路数或比特率)及其分布的要求，按照国家相关的技术标准和当前设备的技术水平，经过综合考虑和反复计算，选择最佳路由和局站设置、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，以使系统的实施达到最佳的性能价格比。,中继距离的设计,在技术上，系统设计的主要问题是确定中继距离，尤其对长途光纤通信系统，中继距离设计是否合理，对系统的性能和经济效益影响很大。中继距离的设计有三种方法：最坏情况法(参数完全已知)统计法(所有参数都是统计定义)半统计法(只有某些参数是统计定义)我们介绍最坏情况设计法：用这种方法得到的结果，设计的可靠性为100，但要牺牲可能达到的最大长度。中继距离受光纤线路损耗和色散(带宽)的限制，随传输速率的增加而减小。中继距离和传输速率反映着光纤通信系统的技术水平。,5.3.1中继距离受损耗的限制,图5.17示出了无中继器和中间有一个中继器的数字光纤线路系统的示意图。如果系统传输速率较低，光纤损耗系数较大，中继距离主要受光纤线路损耗的限制，在这种情况下，要求S和R两点之间光纤线路总损耗必须不超过系统的总功率衰减，即,或式(5.8)的计算是简单的，式中参数的取值因根据产品技术水平和系统设计需要来确定。平均发射光功率只取决于所用光源，对单模光纤通信系统，LD的平均发射光功率一般为39dBm，LED平均发射光功率一般为2025dBm。光接收机灵敏度Pt取决于光检测器和前置放大器的类型，并受误码率的限制，随传输速率而变化。表5.10示出长途光纤通信系统BERav11010时的接收灵敏度Pr。,连接器损耗一般为0.31dB对。设备余量Me包括由于时间和环境的变化而引起的发射光功率和接收灵敏度下降，以及设备内光纤连接器性能劣化，此一般不小于3dB。光纤损耗系数取决于光纤类型和工作波长，单模光纤在1310nm，为0.40.45dBkm；在1550nm，为0.220.25dBkm。光纤损耗余量一般为0.10.2dBkm，但一个中继段总余量不超过5dB。平均接头损耗可取0.05dB个，每千米光纤平均接头损耗可根据光缆生产长度计算得到。,根据ITUT(原CCITT)G.955建议，用LD作光源的常规单模光纤(G.652)系统，在S和R之间数字光纤线路的容限如表5.11所示。,5.3.2中继距离受色散的限制,如果系统的传输速率较高，光纤线路色散较大，中继距离主要受色散(带宽)的限制。为使光接收机灵敏度不受损伤，保证系统正常工作，必须对光纤线路总色散(总带宽)进行规范。要讨论的问题是，对于一个传输速率已知的数字光纤线路系统，允许的线路总色散是多少，并据此计算中继距离。对于数字光纤线路系统而言，色散增大，意味着数字脉冲展宽增加，因而在接收端发生码间干扰，使接收灵敏度降低，或误码率增大。严重时甚至无法通过均衡来补偿，使系统失去设计的性能。,设传输速率为，发射脉冲为半占空归零(RZ)码，输出脉冲为高斯波形，图5.18所示。高斯波形可以表示为式中为均方根(rms)脉冲宽度。把定义为相对rms脉冲宽度，码间干扰的定义如图5.18所示。由式(5.9)和图5.18得到由式(5.10)得到和的数值关系，并列于表5.12。,美国Bell实验室SDPebraonick的早期研究中，曾建议采用下列标准来考查光纤线路色散对系统传输性能的限制。当0.25时，码间干扰只有峰值的0034，完全可以忽略不计。当0.5时，增加到135。此时功率代价为78dB，难以通过均衡进行补偿。一般系统设计选取0.250.35，功率代价不超过2dB。,为确定中继距离和光纤线路色散(带宽)的关系，把输出脉冲用半高全宽度(FWHM)表示，即(5.11)式中，a为相对rms脉冲宽度，为系统的比特传输速率。为光纤线路(FWHM)脉冲展宽，取决于所用光纤类型和色散特性。,对于多模光纤系统，色散特性通常用3dB带宽表示，如式(247b)所示。因此，B为长度等于L的光纤线路总带宽，它与单位长度光纤带宽的关系为。B1为1km光纤的带宽，通常由测试确定。称为串接因子，取决于系统工作波长，光纤类型和线路长度。把这些关系代入式(511)，并取，得到光纤线路总带宽B和速率fb的关系为中继距离L与1km光纤带宽B1的关系为，所以或：,或：以fb为参数，B1与L的关系示于图5.19，图中取T0.3，0.75。由此可见，中继距离L与传输速率fb的乘积取决于1km光纤的带宽(色散)，这个乘积反映了光纤通信系统的技术水平。,对于单模光纤系统，为光纤线路rms脉冲展宽。由式(2.55b)取一级近似，得到，C0为在光源中心波长处光纤的色散(ps(nmkm)，为光源谱线宽度(nm)，L为光纤线路长度(km)。把这些关系式代入式(5.11)，同样得到一个简明的公式。设取aT0.25，得到中继距离据原CCITT建议，对于实际的单模光纤通信系统，受色散限制的中继距离量可以表示为,式中，Fb是线路码速率(Mbs)。为光源谱线宽度