光纤通信系统（第3版） 课件 第九章 数字光纤传输系统性能

光纤通信系统2本章内容简介为了满足全程全网各种通信的要求，需要对通信网在技术和经济相权衡的基础上进行规划和设计。对通信系统进行规划和设计时，首要考虑的因素是系统的传输性能。数字光纤通信系统的各种传输性能指标（如误码、抖动、漂移和延时等）必须满足系统传输性能的要求。本章主要讲解系统的传输性能指标要求以及相应的系统设计和规划方法。

39.1数字传输模型目的方法分类49.1.1数字传输模型原理及意义一个通信连接是通信网中从用户至用户，包括参与交换和传输的各个部分(如用户线，终端设备，交换机，传输系统等)的传输全程。通信连接是根据用户需要建立的各种机线设备的临时组合。这些实际的连接有长有短，结构上有简单有复杂，传输的业务可能也不相同。5思考确定传输系统性能的模型应该按照什么原则设定？是按照系统性能最佳的组合，还是按照可能出现的最坏情况进行设计？

ITU-T提出了各种数字传输模型的建议。模型分为假设参考连接（HRX），假设参考数字链路（HRDL）和假设参考数字段（HRDS）等。在此基础上，针对全光的光传送网（OTN），ITU-T还提出了假设参考光通道（HROP）。9.1.2数字传输模型分类

假设参考连接（HRX）

假设参考数字链路（HRDL）

假设参考数字段（HRDS）67图9-1标准数字假设参考连接HRX是按照最长距离和最坏情况下考虑的全程64kb/s连接国际部分4段国内部分5段HRX实际上是极端情况下的系统模型，按HRX设计的系统能满足实际中的性能要求8图9-2标准数字假设参考连接（中等长度）国际部分只有1段国内部分3段实际连接一般都比最长HRX短，因此引入了标准中等长度HRX9图9-3标准数字假设参考连接（用户接近ISC）注意与前2种模型的区别109.1.3光传送网传输模型

光传送网（OTN）是ITU-T最新的传送网标准，ITU-T专门制定了建议G.8021对其误码性能进行了规范。为了与传统的假设参考连接保持一致，G.8021建议针对OTN端到端误码性能也定义了一个27500km的假设参考光通道（HROP）。HROP引入了运营域的概念以取代了传统的国内和国际部分的划分，其中包括本地运营域（LOD）、区域运营域（ROD）和骨干运营域（BOD），LOD和ROD可以看作是国内部分，BOD是国外部分。

11图9-4假设参考光通道9.2光接口性能9.2.1SDH光接口性能9.2.2WDM光接口性能121.SDH光接口分类ITU-T根据传输距离和所用技术将SDH光接口归纳为局内通信、短距离局间通信和长距离局间通信三类。实际应用中分别使用不同代码表示三类光接口。13表9-1SDH光接口分类应用场合局内通信局间通信短距离长距离工作波长（nm）13101310155013101550光纤类型G.652G.652G.652G.652G.652G.654G.655目标传输距离（km）≤2~15~40~80STM等级STM-1STM-4STM-16STM-64I-1I-4I-16I-64S-1.1S-4.1S-16.1S-64.1S-1.2S-4.2S-16.2S-64.2L-1.1L.4.1L-16.1L-64.1L-1.2L-4.2L-16.2L-64.2L-1.3L-4.3L-16.3L-64.3142.SDH光接口参数

光线路码型

系统工作波长范围

光发送机接口

光通道

光接收机接口159.2.2WDM光接口参数

中心频率偏差

光通道衰减

光通道色散16中心频率偏差中心波长（频率）偏差定义为标称中心波长（频率）与实际中心波长（频率）之差。影响其大小的主要因素有激光器频率啁啾、信号带宽、非线性效应引起的频谱展宽以及期间老化和温度的影响。通道间隔n（GHz）50/100≥200最大中心频率偏差（±GHz）待定n/517光通道衰减与SDH系统光通道衰减性能类似，WDM系统光通道衰减也是一个范围，其最大值主要受限于光放大器增益以及反射等因素。18应用代码Lx-y.zVx-y.zUx-y.z最大光通道衰减（dB）223344应用代码nLx-y.znVx-y.z最大光通道衰减（dB）2233光通道色散应用代码LVUnV3-y.2nL5-y.2nV5-y.2nL8-y.2目标传输距离（km）80120160360400600640最大色散（ps/nm）160024003200720080001200012800表中所给出的无线路放大器和有线路放大器WDM系统在G.652光纤上的光通道色散限值，目标距离的计算中假设光纤的色散系数是20ps/nm.km，比G.652光纤的实际色散系数值略大，也是基于最坏值的考虑。199.3光纤数字通信系统性能9.3.1误码9.3.2抖动9.3.3漂移9.3.4延迟2021

对于一个数字通信系统而言，误码是最易观察到的传输损伤。顾名思义，误码表示由于传输过程中各种干扰、噪声、畸变等导致的接收的信号与发送信号不一致的情况，即差错。

数字传输系统的误码性能通常用误码率衡量，误码率是指在特定的一段时间内所接收到的差错误码元数目与在同一时间内所收到的码元总数之比9.3.1误码（Error）22比特误码率误码率的数值通常可用n×10-P的形式表示，其中P为一整数。对于数字系统来说，实际上指的是比特误码率(BER)，它是指每个码元为1比特时的误码率，其表达式为：

(9-2)23考察误码率的重要意义误码率是衡量数字系统传输质量好坏的一个主要指标。对于不同的通信业务，误码的影响后果也不同。对误码发生的形态和原因、误码的评定方法以及误码全程指标的确定和在网络各组成部分的合理分配等问题的研究都是十分重要的，是提供光纤数字传输系统设计的重要依据。241.误码产生原因绝大多数的误码发生形态可归为两类：一类是误码显示出随机发生形态，即误码往往是单个随机发生的，具有偶然性。另一类误码常常是突发的，成群发生的，这种误码在某个瞬间可能集中发生，而在其它大部分时间可能处于几乎没有误码的状态。误码发生的原因是多方面的。理想的光纤传输系统是十分稳定的传输通道，基本上不受外界电磁干扰的影响，造成误码的主要内部机理有下列几类：各种噪声源、色散引起的码间干扰、定位抖动产生的误码及复用器、交叉连接设备和交换机的误码等。259.2.3误码特性的评定方法1.长期平均比特误码率

平均误码率是指测量期间内收到的错误比特数与同一时期传送的全部比特数之比。用长期平均比特误码率的方法来评定误码，即是在较长的统计时间内，考查其平均比特误码率不超过某一定值来衡量误码率的水平。长期平均误码率适用于误码是单个随机发生的情况。26长期平均误码率的缺点对于突发的群误码的情况，长期平均误码率不能正确地进行评定。因为可能在某一限定时间内，由于突发群误码而导致误码率远远超过可以接收的水平，而在其它时间内误码率非常小，结果二者的长期平均误码率仍保持合格，这样高误码率发生时期对通信业务质量影响并未反映出来，或者说没有表示出误码随时间的分布特性，因此采用这种评定方法有很大的局限性。27为了能正确地反映误码的分布信息，ITU-TG.821建议采用时间率的概念来代替平均误码率的评定方法。所谓误码时间率是以比特误码率超过规定阈值(BERT)的百分数来表示的。这是在一个较长的时间TL内观察误码，记录每次平均取样观测时间T0内的误码个数或误码率超过某一定值m的时间百分数。2.误码的时间百分数28图9-5误码率随时间的变化只要T0和TL选择恰当，就可以用来评价各种数字信息在单位时间内误码的程度以及误码超过某一规定值的时间占总测量时间的百分数。因此，是比较适用和便于测量的评定方法。T0为取定的适合于评定各种业务的单位时间，TL为测量误码率总时间。误码时间率阈值（BERT）

在ITU-TG.821建议中，把误码劣化状态划分为三个领域来考虑：

可以正常通信的领域，即可接受的领域，其阈值为1×10-6。

可以通信但质量有所劣化的领域，即劣化领域，其阈值为1×10-6～1×10-3。

不能通信的领域，即不可接受的领域，其阈值为1×10-3。2930（1）N×64Kbit/s数字连接的误码性能

ITU-T建议G.821定义了2个参数来度量N×64Kbit/s(N≤31)通路27500km全程端到端连接的误码性能。

误码秒(ES)表示至少有一个误码的秒。

严重误码秒(SES)表示BER≥1×10－3的秒。3.误码性能的规范31误码性能要求ITU-T建议G.821对于N×64Kbit/s(N≤31)全程27500km端到端连接误码性能要求如下表所示。参数表示性能要求误码秒ESES占可用时间的比例ES％<8％严重误码秒SESSES占可用时间的比例SES％<0.2％32图9-6N×64Kbit/s连接全程误码指标的分配33（2）高比特率数字通道的性能误码性能参数G.826性能参数是以“块”为基础的一组参数。所谓“块”指一系列与通道有关的连续比特，当同一块内的任意比特发生差错时，就称该块是差错块。ITU-T所规定的3个高比特通道误码性能参数如下：

误块秒比(ESR)

严重误块秒比(SESR)背景误块比(BBER)高比特通道误码性能参数误块秒比（ESR）：当某1秒具有1个或多个差错块或至少出现1个网络缺陷时就称为误块秒（ES）。在规定测量间隔内出现的误块秒数与总的可用时间之比称为误块秒比（ESR）。

严重误块秒比（SESR）：当某1秒内包含有不少于30％的差错块或者至少出现1种缺陷时认为该秒为严重误块秒（SES）。在规定的测量时间内出现的SES数与总的可用时间之比称为严重误块秒比（SESR）。

背景误块比（BBER）：指扣除不可用时间和SES期间出现的差错块以后所剩下的差错块。

BBE数与扣除不可用时间和SES期间所有块数后的总块数之比称背景误块比（BBER）。3435误码性能要求ITU-T建议G.826对高比特率通道全程27500km端到端通道误码性能要求见下表所示。速率Mbit/s1.5～5>5～15>15～55>55～160>160～3500比特/块800～50002000～80004000～200006000～2000015000～30000ESR0.040.050.0750.16未定SESR0.0020.0020.0020.002未定BBER2×10－42×10－42×10－42×10－410－436误码指标的分配为了将27500km的指标分配给各组成部分，G.826建议采用了按区段分配的基础上再结合按距离分配的方法。这种分配方法技术上更加合理，且能照顾到大国及小国的利益。37图9-7高比特率通道全程误码指标分配光传送网误码规范通道类型比特率块数/秒SESRBBERODU12.5Gbit/s2042010-32×10-5ODU210Gbit/s8202510-35×10-6ODU340Gbit/s32949210-31.25×10-638399.3.2抖动（Jitter）抖动是数字信号传输过程中的一种瞬时不稳定现象。抖动的定义是：数字信号的各有效瞬间对其理想时间位置的短时偏移。所谓短时偏移是指变化频率高于10Hz的相位变化，对应的低于10Hz的变化称为漂移。

对于高速大容量光纤数字传输系统而言，随着传输速率的提高，脉冲的宽度和间隔越窄，抖动的影响就越显著。因为抖动使接收端脉冲移位，从而可能把有脉冲判为无脉冲，或反之，把无脉冲判为有脉冲，从而导致误码。40∆t1∆t2∆t3∆t4发送信号接收信号抖动示意图41抖动的单位抖动的大小或幅度通常可用时间、相位度数或数字周期来表示。根据ITU-T建议，普遍采用数字周期来度量，即用“单位间隔”或称时隙(UI)来表示。1UI相当于1比特信息所占有的时间间隔，它在数值上等于传输比特率的倒数。抖动可以分为相位抖动和定时抖动。所谓相位抖动是指传输过程中所形成的周期性的相位变化。所谓定时抖动是指脉码传输系统中的同步误差。42表9-9PDH系列信号对应的UI值码速率Mbit/s2.0489.44834.368139.264单位抖动(ns)48811829.17.18431.抖动的来源在数字传输系统中，抖动的来源有以下几个方面：线路系统的抖动随机性抖动系统性抖动复用器的抖动PDH复用器抖动SDH复用器抖动44线路系统的抖动随机性抖动源各种噪声源 定时滤波器失谐时钟相位噪声系统抖动源码间干扰限幅器的门限偏移激光器的图案效应45复用器的抖动（1）PDH复用器的抖动PDH体制采用插入比特的正码速调整方法，在接收解复用侧，需要把这些附加的插入比特全部扣除，从而形成了带空隙的脉冲序列，由这样的非均匀脉冲序列所恢复的时钟就会带有相位抖动。（2）SDH复用器的抖动在SDH复用器中采用指针调整机制。指针调整将产生相位跃变。由于指针调整是按字节为单位进行的，一个字节含8bit，因而一次字节调整将产生8UI的相位跃变。462.抖动性能的规范

PDH网的抖动性能规范网络接口的最大允许抖动设备输入口的抖动和漂移容限设备抖动传递特性

SDH网的抖动性能规范网络接口的最大允许抖动设备输入口的抖动和漂移容限479.3.3漂移（Wander）9.4.1漂移的概念

漂移的定义为数字信号的特定时刻(例如最佳抽样时刻)相对其理想时间位置的长时间偏移。引起漂移的一个最普通的原因是环境温度变化，它会导致光缆传输特性发生变化，从而引起传输信号延时的缓慢变化。因此漂移可以简单地理解为信号传输延时的慢变化。489.3.4延时（Delay）信号从一个地方传输到另一个地方总是需要一定时间的，所需的时间就是信号传输延时。严格说，延时是指数字信号传输的群延时，即数字信号以群速通过一个数字连接所经历的时间，又称包络延时。当延时过大时会使通路发生困难，因此必须加以控制。49延迟的产生在整个端到端通信连接中，可能产生延时的环节很多，主要由下面几方面：传输系统网络节点和其它数字设备产生的延时

SDH引入的延时509.4光纤通信系统的可用性对光纤通信的要求是迅速、准确和连接不间断地工作。因此对系统的可靠性提出了较高的要求。

注意可靠性（Reliability）和可用性（Availability）的概念是不一样的。可靠性指的是某个产品和系统在一定条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性；而可用性指的是在要求的外部资源和条件得到保证的前提下，某个产品或系统在规定的条件下和规定的时刻或时间区间内处于可执行规定功能状态的能力。换而言之，可用性是产品或系统的可靠性、维修性和维修保障性的综合反映。

51可靠性和可用性表示方法通常用来表示系统可靠性的参数有两个：一个是平均故障间隔时间(MTBF)，单位为小时；另一个是故障率(λ)，单位为1/小时。λ＝1/MTBF。当λ采用10-9/小时作为计量单位时，称为Fit，即1Fit＝10-9/小时。52可用性系统的可用性是指在给定的时间间隔内处于良好工作状态的能力。系统的可用性(A)用系统的可用时间与规定的总工作时间的比值来表示，即：式中：A为可用性可用时间即为系统的平均故障间隔时间MTBF

总的工作时间包括：平均故障间隔时间(MTBF)和平均故障修理时间(MTTR)所以

(9-4)53不可用性当用失效率(不可用性)进行计算时，表达式为：式中F为失效率不可用时间即平均故障修理时间(MTTR)，所以

(9-6)由于MTTR值较小，故式(9.6)可近似为

(9-7)因此

(9-8)549.4.2光纤通信系统可用性计算光纤通信系统主要包括PCM复用设备、光端机、中继机、光缆、供电设备、备用转换设备等。光纤通信多采用热备用系统和自动保护倒换设备来提高系统的可用性。设主用系统为n个，备用系统为m个，主、备用系统比为n：m。若单个系统失效率为F0，在（n+m）个系统中，只要有任意（m+1）个以上系统出现故障，就不能确保n个主用系统均正常工作。55可用性计算分析（1）（m+1）个系统同时出现故障的概率为(F0)m+1，所以在（n+m）个系统中，任意（m+1）个系统同时出现的故障概率为Cn+mm+1(F0)m+1，同理，在（n+m）个系统中，任意（m+2）个系统同时出现故障概率为Cn+mm+2(F0)m+2。因此，n个主用系统中有任何系统发生故障的失效率为：

(9-9)56可用性计算分析（2）一般情况下，在（n+m）个系统中，任意（m+2）个以上系统同时出现故障的概率相对很小，因此式(9-9)中，仅取第一项就能满足精度要求，所以，式(9-9)可近似为(9-10)假设各个主用系统失效率相同，则每个主用系统发生故障的失效率为

(9-11)若系统中无备用系统即m＝0，则：F主＝F0。579.4.3光纤通信系统可用性指标要求对光纤通信系统可用性的要求是：希望系统和设备正常运行时间应尽可能长，维护工作尽可能少。我国在“光缆通信进网要求”中提出5000km光缆通信系统双向全程容许每年4次全阻故障。当取平均故障修复时间为6小时时，系统双向全程的可用性可达到99.73％，折算到280km数字段的可用性为99.985％，420km数字段的可用性为99.9％。对于市内光缆通信系统，若取平均故障修复时间为0.5小时，则50km市内光缆通信系统可用性可达99.99％。可用性长度换算见式9-12。589.5光纤通信系统设计

统计法统计法的基本思想就是假设允许一个预先确定的足够小的系统先期失效概率，从而获取所需的系统设计参数（如再生段距离等）。最坏值法最坏值设计法，就是在设计系统的主要参数（如再生段距离）时，将所有的参数均按照最坏值选取，而不管其具体分布。影响系统设计的主要因素

功率预算

光源频率啁啾

色度色散

偏振模色散

非线性59最坏值法设计过程

对于光纤通信系统而言，最主要的影响系统的因素是光纤损耗和色散，而其他的影响因素也可以换算成相应的功率代价。因此，工程中使用最坏值法时，可以分别计算仅考虑损耗和色散的不同情况，在计算完成后进行比较和分析，取其中较为保守的值作为设计结果。

如仅考虑光纤损耗则称为衰减受限系统，仅考虑色散的影响则称为色散受限系统。60611.衰减受限系统中继距离计算62衰减限制系统中继距离的计算