《现代通信技术基础》第7章

1、第二版Introduction to Modern Communication Technology第7章 光通信网本章学习目标理解光传输原理了解光传输系统组成及其性能了解传输网概念及体系结构了解SDH设备与SDH光传送网技术了解光波分复用技术（WDM）了解光通信网的应用现状内容简介7.1 光传输概述 7.2 光传输系统 7.3 SDH光传送网技术 7.4 光波分复用技术 7.5 光通信网络 放映结束内容简介 7.1 光传输概述7.1.1 光传输的基本概念7.1.2 光传输的特点7.1.3 光传输系统及其技术发展 返回主目录内容简介7.2 光传输系统7.2.1 光传输原理7.2.2 光传输系统

2、的组成7.2.3 光传输系统的主要性能指标 返回主目录内容简介7.3 SDH光传送网技术7.3.1 传送网的基本概念 7.3.2 同步数字系列SDH 7.3.3 SDH传输设备7.3.4 SDH光传输网 返回主目录内容简介7.4 光波分复用技术7.4.1 WDM技术概述7.4.2 DWDM技术 7.4.3 WDM / OTDM混合传输系统 返回主目录内容简介7.5 光通信网络7.5.1 基础传输网7.5.2 光通信网的发展 返回主目录7.1 光传输概述光波属于电磁波范畴，其中，紫外线、可见光、红外线都属于光波。光传输是以光波为载波，以光导纤维为传输媒介的信息传输过程或方式。返回7.1.1 光传

3、输的基本概念光传输与电传输的主要区别：以高频率光波作为载波传输信号。用光缆作为传输媒介。光传输的基本概念1. 光纤及其分类 光纤基本结构：由纤芯和包层构成的同心圆柱体。光纤是一种媒介波导，具有把光封闭在其中并沿轴向传播的波导结构，纤芯和包层的折射率不同。如图7-1所示。光传输的基本概念（1）按传导模式数量而分类单模光纤多模光纤（2）按折射率分布不同而分类阶跃光纤渐变光纤（3）按套塑层的不同而分类紧套光纤松套光纤光传输的基本概念2. 光纤的传输特性 （1）损耗光波在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率会不断下降，光纤对光波产生的衰减作用称为损耗。用衰减系数（损耗系数）衡量，主要有吸收损耗和散

4、射损耗等。光传输的基本概念（2）色散 光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带，传输速度也不同，可能导致信号畸变。色散将使光脉冲产生时间上的展宽，严重时会导致光脉冲前后相互重叠，造成码间干扰，增加误码率，影响传输容量，并限制了光传输系统的中继距离。常以色散系数、最大时延差和光纤带宽等不同方法表征。如图7-2所示。光传输的基本概念（3）非线性效应在高强度电磁场中，任何电媒介对光的响应都会变成非线性；而在光传输中，激光器输出的高功率将导致光纤的非线性效应。光传输的基本概念3. 光传输的波长光传输系统工作在近红外区，波长为 0.8 1.71m，相应的频率段为 176375 THz 。短波

5、长波段：0.8 1.0 m，实用工作波长为0.85 m。长波长波段：1.0 1.8 m，实用工作波长为1.31 和1.55 m光传输的基本概念4.光传输中的线路码型mBnB码（又称分组码）：使变换后的码流产生多余比特，用来传送与误码检测相关的信息。插入比特码：把输入的信息码流按m比特分为一组，再在每组的m位之后插入一个比特，组成线路码。加扰码：把已知二进制序列按一定方法加入到信息码流中。在接收端用同样方法再恢复出原信息码流。 返回7.1.2 光传输的特点 光传输是是利用半导体激光器（LD）或发光二极管（LED）作为光源，把电信号转换成光信号并将其耦合进光纤中进行传输；在接收端使用光检测器，如光

6、电二极管或雪崩光电二极管等，将光信号再还原成电信号的一种通信方式 。光传输的基本概念1. 光传输的优势 传输频带宽、通信容量大损耗低，中继距离长电磁兼容性和环境兼容性优良 体积小、质量轻、可挠性好资源丰富，节约有色金属光传输的基本概念2、数字光传输系统的技术特点 易与程控交换机相连接。采用了专用超大规模集成电路、混合集成电路以及表面安装技术，使设备的可靠性大大提高。采用PCM技术，便于利用终端设备上的计算机，实现全系统的检测与监控。扩容方便，波分复用技术使得光传输（在不增加光纤芯数时）的容量大幅度提高。光传输的基本概念3. 光纤连接问题及技术发展 光纤的缺点：光纤质地脆、抗拉强度低、防水性能差

7、，要求有较好的切断和连接技术，分路与耦合较费时等。工艺改进：光纤自动熔接机等。 返回7.1.3 光传输系统及其技术发展 1.光传输系统的分类 （1）按光波长划分（2）按光纤传输模式划分（3）按传输信号形式划分（4）按系统工作方式划分光传输系统及其技术发展2.光传输技术的发展第1阶段：短波长低速率多模光传输；第2阶段：光纤从多模发展到单模；第3阶段：长波长单模光传输；第4阶段：采用1.55 m低损耗窗口，建设SDH同步网络；第5阶段：采用密集波分复用技术，基于IP的光信息网络。返回7.2 光传输系统光传输系统包括：信源端的光发送机（光调制设备）、信宿端的光接收机（光解调设备）和进行连接的光纤媒介

8、。若进行远距离传输，在线路中间还需插入中继器。数字光传输系统一般由PCM终端设备、数字复用设备、光端机（双向）、光纤和光中继设备（双向）以及电端机、备用系统和辅助系统等组成。返回7.2.1 光传输原理1. 光传输过程光传输过程如图7-3 所示。光传输系统可归结为“电光电”的简单模型。所传输的信号必须先变成电信号，然后转换成光信号在光纤内传输，再将光信号变成电信号。整个过程中，光纤部分只起到传输作用，对于信号的生成和处理，仍由电系统来完成。光传输原理 2.光调制 （1）直接调制方法目前，光传输系统普遍采用的是“数字编码强度调制直接检测”（IMDD）方法。强度调制是用电信号去直接调制光的强度，使之

9、随电信号变化；而直接检测是指直接由接收的光信号检测出电信号。直接调制方法仅适用于半导体光源（半导体激光器LD和发光二极管LED） 。光传输原理（2）间接调制方法间接调制方法利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质，来实现对激光辐射的调制。该调制方式适用于半导体激光器和其他类型的激光器。 返回7.2.2 光传输系统的组成 1. 数字光传输系统的基本组成 数字光传输系统的基本组成如图7-4所示。2. 光端机和电端机光传输系统是双向的，常将光发送机和光接收机合成在一起，称为光端机。图7-5 示出了光端机和电端机在系统中的作用。光传输系统的组成光发送机：将PCM设备所送电信号进行电光变换，并处理成

10、为满足一定要求的光信号后送光纤传输。光接收机：把经光纤传输后脉冲幅度被衰减、宽度被展宽的微弱光信号转变为电信号，并放大、再生，恢复出原来的信号。光传输系统的组成电端机：是电发射端机和电接收端机的合称，包括PCM基群终端机和高次群复接（或分接）设备。电发射端机是把模拟信号转换为数字信号，完成PCM编码，并按时分复用的方式把多路信号复接、合群，从而输出高比特率的数字信号；电接收端机则完成与发射端机的相反变换。光传输系统的组成3. 光中继器光中继器：补偿光能量的损耗，恢复信号脉冲形状，延长光信号传输距离 。光电光中继器由完成光电变换的光接收端机（无码型变换）及完成电光变换的发送端机（无功放与码型变换

11、）组成。光传输系统的组成4. 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器（EDFA）：具有高增益、低噪声、对偏振不敏感、放大带宽较宽、易于与光传输系统连接等优点。EDFA 可直接接入光纤传输链路，作为在线放大器（或作为光中继器）取代光电光中继器，实现光光放大。5. 辅助系统和备用系统 返回7.2.3 光传输系统的主要性能指标1. 误码特性数字光传输系统的误码率（BER）定义： BER误判码元数传输的总码元数光传输系统的主要性能指标2. 抖动特性抖动是数字信号传输过程中的瞬时不稳定现象。包括相位抖动和定时抖动两个方面。产生抖动的主要原因：随机噪声、时钟恢复电路的谐振频率偏移、接收机的码间干扰及数字复接系统的复

12、接分接过程、光缆的老化等。多中继长途通信方式中的抖动具有累计性。光传输系统的主要性能指标3. 可靠性与可用性 可靠性：指系统（或产品）在规定的条件下和时间内，完成规定功能的能力，常用故障率来表征。可用性：指系统（或产品）在规定的条件下和时间内处于良好工作状态的概率。返回7.3 SDH光传送网技术 同步数字体系（SDH）是可进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的标准化数字信号结构等级。具有高度灵活性、可靠性和可管理性，为窄带和宽带业务传输和新业务开通提供良好的基础平台，在干线网、中继网、接入网及各类专用网等通信基础设施中发挥了重要作用。返回7.3.1 传送网的基本概念1. 传送与传输 传送与传

13、输的概念有所不同，传送是从信息传递的功能过程来描述，传送网是其网络逻辑功能的集合；而传输则从信息信号通过具体物理媒介传递的物理过程来描述，传输网具体是指实际设备组成的网络。传输网（传送网）也可泛指全体实体网和逻辑网。传送网的基本概念2. 传送网的分层结构传送网一般采用分层结构，自下而上可分成3个子层：（1）传输媒介层传输媒介层包含传递信息的所有物理手段，即传输设备以及连接设备的媒体 。传送网的基本概念（2）通道层通道可看作是标准化的一组电路。通道层作为一个整体在网络中传输和选路，并能实现监测和恢复功能。 （3）电路层电路层包括传输媒介层和通道层提供的各种业务传输 。传送网的基本概念3. 传送网

14、的传输技术体制通信体制即通信系统中所采用的信号形式、信号传输方式和信息交换方式。传送网的主要传输媒介是光纤、数字微波和卫星。传送网的技术体制主要有采用时分复用方式的准同步数字系列（PDH）和同步数字系列（SDH）。传送网的基本概念（1）准同步数字系列（PDH）PDH的主要缺点如下：PDH只有地区性的数字信号速率和帧结构标准，造成了全球互通的困难；PDH没有光接口规范的国际标准，导致各厂商生产的专用光接口无法在光路上互通，而只有通过光电转换成标准电接口才能互通，从而增加了网络的复杂性和运营成本；传送网的基本概念在PDH系统的复用结构中，多数速率等级信号采用异步复用，而难以从高速信号中识别和提取低

15、速支路信号，且结构复杂缺乏灵活性；PDH的帧结构中缺乏用于网络运行管理和维护的辅助比特，限制了网络管理维护能力的进一步改进；建立在点对点传输基础上的复用结构缺乏灵活性，无法提供最佳的路由选择，非最短的通信路由占了业务流量的大部分，使数字信道设备的利用率很低，难以支持新业务。传送网的基本概念（2）同步数字系列（SDH）SDH是在PDH基础上发展起来的一种数字传输体制。在SDH方式中，各个系统的时钟在同步网的控制下处于同步状态，易于复用和分离。 SDH最为核心的三大特点是同步复用、强大的网络管理能力和统一的光接口及复用标准，并由此带来了许多优良的性能返回7.3.2 同步数字系列 1. SDH的技术

16、特征网络节点互连接口包含了传输网络的两类基本设备，即传输设备和网络节点（设备）。传输设备包括光传输、微波通信和卫星通信等系统。网络节点包含有许多种类，如：64 kbit/s电路节点、宽带交换节点等。同步数字系列2. SDH的同步传输模块与帧结构SDH 技术的基础是其帧结构（如图7-6所示）。SDH 采用一套标准化的信息结构等级，称为同步传输模块 STMN （N 1，4，16，64 ）。STM1：最基本的模块，其传输速率为155.520 Mbit/s ；STM4：将4个STMl 同步复用可构成；STM16：将16个STM1（或4个STM4）同步复用；STM64：将64个STM1（或4个STM16

17、）同步复用；同步数字系列3. SDH的复用技术 为得到标准的STMN 信号，需将各种业务信号装入STMN帧结构的信息净负荷区内。为此，通常需要经过映射、复用和定位这三个基本步骤。映射定位复用同步数字系列4. SDH的应用特点 采用同步复用方式和灵活的复用映射结构能够与现有的PDH网实现完全兼容具有全球统一的网络节点接口帧结构中安排了丰富的开销比特采用了先进的指针调整技术引入了虚容器的概念采用先进的分插复用器、数字交叉连接等设备提出了便于国际互通的系列标准 返回7.3.3 SDH传输设备SDH传输设备根据SDH帧结构和复接方法设计，一般分为终端复用设备（TM）、分插复用设备（ADM）和同步数字交

18、叉连接设备（SDXC）等，这些设备都由各种逻辑功能模块组合而成。SDH传输设备1. 终端复用器（TM）在SDH系统中，终端复用器（TM）主要是用于点到点的系统以及分插复用器链路的两端，在我国以及干线网的传输系统中广泛应用。终端复用器（TM）的主要功能是实现将PDH信号复接成高速的STMM（M N）信号，并完成电光信号转换，使其在光纤中传输。SDH传输设备2. 分插复用器ADM是将同步复用和数字交叉连接功能综合于一体，可从主信号码流中灵活分出一些支路信号或插入另外一些支路信号，因而在网络设计上具有很大的灵活性。 SDH传输设备3. 数字交叉连接设备（SDXC）数字交叉连接设备DXC是相当于数字配

19、线架自动化的设备，是一种具有或SDH（或PDH）信号端口，兼有复用、配线、保护恢复、监测和网络管理等多种功能，并可在任何端口信号速率间进行可控连接和再连接的传输设备。 返回7.3.4 SDH光传送网 1. 传输网的接口电接口光接口SDH光传送网2. SDH的组网一级干线网（国家骨干网）二级干线网本地中继网（长途局与市话局、市内局间连接）用户接入网SDH光传送网3. SDH自愈网自愈是指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承载的业务。自愈的基本原理是使网络具备发现故障并能找到替代传输路由的能力，在移动时限内重新建立通信。具有该自愈能力的网络称为自愈网。 SD

20、H光传送网4. SDH网络管理功能基本管理故障管理性能管理配置管理安全管理计费管理返回7.4 光波分复用技术光波分复用（WDM）技术是在同一光纤中同时传输多个不同波长光信号的技术。WDM技术的出现使光传输系统容量成百倍地增长。我国的许多干线传输系统已采用WDM技术进行了扩容升级。WDM技术在实现产业化的同时，向着更多波长、更高的速率、更大的容量和更长的距离发展。返回7.4.1 WDM 技术概述1. WDM的基本概念光波分复用（WDM）是光波长分割复用的简称，是在一根光纤中同时传输多个不同波长光信号的技术。具体过程为：在光传输的低损耗窗口的可使用光谱，带宽划分成若干个较窄子频带，不同的光信号分别

21、调制到各个不同中心波长的子频带内；WDM 技术概述在发送端将不同波长的光信号进行组合（复用），并耦合到同一根光纤中进行传输；经过光纤传输到接收端；在接收端又将这些复用波长的光信号通过解复用器分开，最后经进一步处理恢复出原始信号，送到不同的终端。WDM 技术概述（1）WDM技术的分类稀疏WDM（CWDM）：信道间隔为100 nm10 nm；密集WDM（WDWM）：信道间隔为10 nm1 nm；超密集WDM：信道间隔数为0.1 nm1 nm。WDM 技术概述（2）实用WDM系统的信道间隔与对应带宽在光纤的两个低耗传输窗口，中心波长分别是1.31 m和1.55 m，相应的波长范围分别在1.25 m

22、1.35 m和1.50 m 1.60 m之间，对应带宽为17 700 GHz和12 500 GHz，总带宽将超过30 THz 。若信道间隔为10 GHz，理想情况下一根光纤可同时传输3 000个信道，但实施尚困难。返回7.4.2 DWDM技术 1. DWDM系统的基本组成密集波分复用（DWDM）是在1.55 m波段，可同时采用8、16或更多个波长在一对光纤上（也可采用单纤）构成光传输系统。DWDM系统主要由5个部分组成：光发射机、光中继放大器、光接收机、光监控信道和网络管理系统。DWDM系统的基本组成如图7-7所示。DWDM技术2. DWDM系统的工作原理光发射机：系统核心部分，光源应具有标准

23、光波长和容纳一定色散作用，以保证长距离传输性能。光发射机工作过程如下：先利用光波长转换器（OTU）将终端设备送来的非特定波长的光信号转换成具有稳定的特定波长的光信号；用光复用器将多路光信号合并成一路光信号；再通过光放大器将其放大；最后将放大的光信号输入到光纤线路中进行传输。 DWDM技术光放大器（EDFA）光接收机光监控信道网络管理系统返回7.4.3 WDMOTDM混合传输系统 1. 光时分复用（OTDM）光时分复用（OTDM）技术是指在光的时间分割复用，是提高每个波道上传输信息容量的一个有效途径。光时分复用（OTDM）的实质是将多个高速调制信号分别转换为等速率光信号，然后在光层上利用超窄光脉

24、冲进行时域复用，将其调制为更高速率的光信号，以避开电子瓶颈对传输速率的限制。WDMOTDM混合传输系统2. OTDM和WDM混合传输WDM已是提高通信速率的首选方案，该技术充分挖掘光纤可用带宽资源丰富、技术较成熟、成本较低廉，发展迅速。OTDM技术采用单一波长，可以提高WDM单信道速率，降低WDM通信信道数量，从而在现有的EDFA放大带宽内即可实现超大容量通信，传输管理将更加方便，在组网方面比WDM有许多优势，但关键技术较复杂。返回7.5 光通信网络 光传输及其组网技术在适应多业务需求和宽带化方面具有独特的优势，光传输网已成为通信（核心）网的主体和支柱。返回7.5.1 基础传输网1. 电信传输网第一代通信网：采用铜线（缆）把用户节点连接在一