1、.,第 5 章 數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 5.1 兩種傳輸體制 5.2 系統(tǒng)的性能指標(biāo) 5.3 系統(tǒng)的設(shè)計,返回主目錄,.,5.1 兩種傳輸體制 光纖大容量數(shù)字傳輸目前都采用同步時分復(fù)用(TDM)技術(shù)。復(fù)用又分為若干等級，先后有兩種傳輸體制（協(xié)議，規(guī)范了數(shù)字信號的幀結(jié)構(gòu)、復(fù)用方式、傳輸數(shù)速等級等特性）： 準(zhǔn)同步數(shù)字系列(PDH) 同步數(shù)字系列(SDH) 隨著光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，PDH遇到了許多困難。 美國提出了同步光纖網(wǎng)(SONET)。 1988年，ITU-T(原CCITT) 在SONET基礎(chǔ)上提出了被稱為同步數(shù)字系列(SDH)的規(guī)范建議。 SDH解決了PDH存在的問題，是一種比較完善的傳輸體制

2、，現(xiàn)已得到大量應(yīng)用。這種傳輸體制適用于光纖信道、微波和衛(wèi)星干線傳輸。,.,5.1.1 準(zhǔn)同步數(shù)字系列PDH 準(zhǔn)同步數(shù)字系列有兩種基礎(chǔ)速率： 以1.544 Mb/s為第一級(一次群，或稱基群)基礎(chǔ)速率，采用的國家有北美各國和日本； 以2.048 Mb/s為第一級(一次群)基礎(chǔ)速率， 采用的國家有西歐各國和中國。,.,將低速數(shù)據(jù)信號復(fù)合成高速數(shù)據(jù)流稱作群。我國的一次群速率為2.048Mbps，二次群速率為8.448Mbps，分別簡稱E1、E2。,.,對于以2.048 Mb/s為基礎(chǔ)速率的制式，各次群的話路數(shù)按4倍遞增，速率的關(guān)系略大于4倍。 對于以1.544 Mb/s為基礎(chǔ)速率的制式，在3次群以上

3、，日本和北美各國又不相同， 看起來很雜亂。 PDH各次群比特率相對于其標(biāo)準(zhǔn)值有一個規(guī)定的容差，而且是異源的，通常采用正碼速調(diào)整方法實現(xiàn)準(zhǔn)同步復(fù)用。 1次群至4次群接口比特率早在1976年就實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，并得到各國廣泛采用。 PDH主要適用于中、低速率點對點的傳輸。,在這種形勢下，現(xiàn)有PDH的許多缺點也逐漸暴露出來，主要有： (1) 北美、西歐和亞洲所采用的三種數(shù)字系列互不兼容。 (2) 各種復(fù)用系列都有其相應(yīng)的幀結(jié)構(gòu)，沒有足夠的開銷比特，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)計缺乏靈活性。 (3) 復(fù)接/分接設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上下話路價格昂貴。,.,5.1.2 同步數(shù)字系列SDH 1. SDH傳輸網(wǎng) SDH不僅適合于點對點傳輸

4、，而且適合于多點之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸。 圖5.1示出SDH傳輸網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。,.,圖 5.1 SDH傳輸網(wǎng)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),TM,ADM,DXC,ADM,TM,TM,TM,ADM,DXC,ADM,TM,SDH傳輸網(wǎng)由SDH終接設(shè)備(SDH終端復(fù)用器TM)、分插復(fù)用設(shè)備ADM、數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC等網(wǎng)絡(luò)單元以及連接它們的(光纖)物理鏈路構(gòu)成。,.,SDH終端TM的主要功能是： 復(fù)接/分接和提供業(yè)務(wù)適配。 SDH終端的復(fù)接/分接功能主要由TM設(shè)備完成。,.,分插復(fù)用設(shè)備ADM是一種特殊的復(fù)用器 它利用分接功能將輸入信號所承載的信息分成兩部分： 一部分直接轉(zhuǎn)發(fā)； 一部分卸下給本地用戶，然后信息又通過復(fù)接功

5、能將轉(zhuǎn) 發(fā)部分和本地上送的部分合成輸出；,轉(zhuǎn)發(fā),分卸,.,數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC類似于交換機(jī)，它一般有多個輸入和多個輸出，通過適當(dāng)配置可提供不同的端到端連接。,1: m,1: m,m:1,m :1,復(fù)接,交叉連接矩陣,分接,配置管理,圖5.2 (c) SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)單元數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC,.,SDH傳輸網(wǎng)的連接模型 通過DXC的交叉連接作用，在SDH傳輸網(wǎng)內(nèi)可提供許多條傳輸通道，每條通道都有相似的結(jié)構(gòu)，其連接模型如圖5.3(a)。 每個通道(Path)由一個或多個復(fù)接段(Line)構(gòu)成，而每一復(fù)接段又由若干個再生段(Section)串接而成。,.,再生中繼器,圖 5.3 (b) 傳輸通道的

6、結(jié)構(gòu)分層結(jié)構(gòu),SDH傳輸網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu),.,與PDH相比，SDH具有下列特點： (1) SDH采用世界上統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率等級(N)。 最低的等級也就是最基本的模塊稱為STM-1，傳輸速率為155.520 Mb/s； 4個STM-1 同步復(fù)接組成STM-4，傳輸速率為622.080 Mb/s； 16個STM-1 組成STM-16, 傳輸速率為2488.320 Mb/s，以此類推。 (2) SDH各網(wǎng)絡(luò)單元的光接口有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。因此， 光接口成為開放型接口，這有利于建立世界統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)。 標(biāo)準(zhǔn)的光接口綜合進(jìn)各種不同的網(wǎng)絡(luò)單元，簡化了硬件，降低了網(wǎng)絡(luò)成本。 (3) 在SDH幀結(jié)構(gòu)中，豐富的開銷

7、比特用于網(wǎng)絡(luò)的運行、 維護(hù)和管理，便于實現(xiàn)性能監(jiān)測、故障檢測和定位、故障報告等管理功能。,.,(4) 采用數(shù)字同步復(fù)用技術(shù)，其最小的復(fù)用單位為字節(jié)， 不必進(jìn)行碼速調(diào)整，簡化了復(fù)接分接的實現(xiàn)設(shè)備，由低速信號復(fù)接成高速信號，或從高速信號分出低速信號，不必逐級進(jìn)行。 (5) 采用數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC可以對各種端口速率進(jìn)行可控的連接配置，對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行自動化的調(diào)度和管理，既提高了資源利用率，又增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的抗毀性和可靠性。 SDH采用了DXC后，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性及對各種業(yè)務(wù)量變化的適應(yīng)能力，使現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)提高到一個嶄新的水平。,.,圖 5.4 分插信號流程的比較,光,/,電,分接,分接,分接,復(fù)

8、接,復(fù)接,復(fù)接,電,/,光,SDH,ADM,PDH,PDH和SDH分插信號流程的比較 PDH逐級分接、復(fù)接； SDH采用分插復(fù)用器(ADM)，可以利用軟件一次直接分出和插入 2 Mb/s支路信號，十分簡便。,.,圖 5.5 SDH幀的一般結(jié)構(gòu),2. SDH幀結(jié)構(gòu) SDH幀結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)數(shù)字同步時分復(fù)用、保證網(wǎng)絡(luò)可靠有效運行的關(guān)鍵。 圖 5.5 給出SDH幀，一個STM-N幀有9行，每行由270N個字節(jié)組成。 這樣每幀共有9270N個字節(jié)， 每字節(jié)為8 bit。 幀周期為125s， 即每秒傳輸8000幀。 對于STM-1而言，傳輸速率為927088000 =155.520 Mb/s。 字節(jié)發(fā)送順序為

9、：由上往下逐行發(fā)送，每行先左后右。,.,SDH幀的三個部分： (1) 段開銷(SOH)。 段開銷是在SDH幀中為保證信息正常傳輸所必需的附加字節(jié)(每字節(jié)含64 kb/s的容量)，主要用于運行、 維護(hù)和管理，如幀定位、 誤碼檢測、 公務(wù)通信、自動保護(hù)倒換以及網(wǎng)管信息傳輸。 (2) 信息載荷(Payload)。信息載荷域是SDH幀內(nèi)用于承載各種業(yè)務(wù)信息的部分。 在Payload中包含少量字節(jié)用于通道的運行、 維護(hù)和管理， 這些字節(jié)稱為通道開銷(POH)。 根據(jù)圖5.3(a)的傳輸通道連接模型，段開銷又細(xì)分為再生段開銷(SOH)和復(fù)接段開銷(LOH)。前者占前3行，后者占59行。,.,(3) 管理單

10、元指針(AU PTR)。管理單元指針是一種指示符， 主要用于指示Payload第一個字節(jié)在幀內(nèi)的準(zhǔn)確位置(相對于指針位置的偏移量)。 采用指針技術(shù)是SDH的創(chuàng)新，結(jié)合虛容器(VC)的概念， 解決了低速信號復(fù)接成高速信號時，由于小的頻率誤差所造成的載荷相對位置漂移的問題。,.,3. 復(fù)用原理 將低速支路信號復(fù)接為高速信號，通常有兩種傳統(tǒng)方法： 正碼速調(diào)整法和固定位置映射法。 正碼速調(diào)整法的優(yōu)點：容許被復(fù)接的支路信號有較大的頻率誤差；缺點：復(fù)接與分接相當(dāng)困難。 固定位置映射法是讓低速支路信號在高速信號幀中占用固定的位置。 這種方法的優(yōu)點：復(fù)接和分接容易實現(xiàn)，但由于低速信號可能是屬于PDH的或由于S

11、DH網(wǎng)絡(luò)的故障，低速信號與高速信號的相對相位不可能對準(zhǔn)，并會隨時間而變化。,.,圖 5.6 載荷包絡(luò)()與SDH幀的一般關(guān)系,SDH采用載荷指針技術(shù) 結(jié)合了正碼速調(diào)整法和固定位置映射法的優(yōu)點，付出的代價是要對指針進(jìn)行處理。 圖5.6示出載荷包絡(luò)()與STM-1幀的一段關(guān)系與指針?biāo)鸬淖饔?。通過指針的值，接收端就可以確定載荷的起始位置。 ITUT規(guī)定了SDH的一般復(fù)用映射結(jié)構(gòu)。 所謂映射結(jié)構(gòu)， 是指把支路信號適配裝入虛容器的過程，其實質(zhì)是使支路信號與傳送的載荷信息同步。,.,圖 5.7 SDH的一般復(fù)用映射結(jié)構(gòu),圖5.7示出SDH一般復(fù)用映射結(jié)構(gòu)，這種映射結(jié)構(gòu)可以把目前PDH的絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)速率信

12、號裝入SDH幀。,類似于集裝箱運載過程,.,SDH一般復(fù)用映射過程： 圖5.7中C-n是標(biāo)準(zhǔn)容器， 用來裝載現(xiàn)有PDH的各支路信號，并完成速率適配處理的功能。 在標(biāo)準(zhǔn)容器的基礎(chǔ)上，加入少量通道開銷(POH)字節(jié)，即組成相應(yīng)的虛容器VC。 VC的包絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)同步，但其內(nèi)部則可裝載各種不同容量和不同格式的支路信號。 引入虛容器的概念，就可以不必了解支路信號的內(nèi)容，便能對裝載不同支路信號的VC進(jìn)行同步復(fù)用、交叉連接和交換處理，實現(xiàn)大容量傳輸。,.,圖5.7中，由于在傳輸過程中，不能絕對保證所有虛容器的起始相位始終都能同步，所以要在VC 的前面加上管理單元指針(AU PTR)， 以進(jìn)行定位校準(zhǔn)。 加入指

13、針后組成的信息單元結(jié)構(gòu)分為管理單元(AU)和支路單元(TU)。 AU由高階VC(如VC-4)加AU指針組成，TU由低階VC加TU指針組成。 TU經(jīng)均勻字節(jié)間插后，組成支路單元組(TUG)，然后組成AU-3或AU-4。 3個AU-3或1個AU-4組成管理單元組(AUG)，加上段開銷SOH，便組成STM-1同步傳輸信號；N個STM-1 信號按字節(jié)同步復(fù)接， 便組成STM-N。,.,舉例：由PDH的4次群信號到SDH的STM-1的復(fù)接過程 把139.264 Mb/s的信號裝入容器C-4，經(jīng)速率適配處理后，輸出信號速率為149.760 Mb/s; 在虛容器VC-4內(nèi)加上通道開銷POH(每幀9 Byte

14、, 相應(yīng)于0.576 Mb/s)后，輸出信號速率為150.336 Mb/s； 在管理單元AU-4內(nèi)，加上管理單元指針AU PTR(每幀9 Byte, 相應(yīng)于0.576 Mb/s)，輸出信號速率為150.912 Mb/s; 由 1個AUG加上段開銷SOH(每幀72 Byte, 相應(yīng)于4.608 Mb/s), 輸出信號速率為155.520 Mb/s, 即為STM-1。,.,4. 數(shù)字交叉連接設(shè)備 數(shù)字交叉連接設(shè)備(DXC)相當(dāng)于一種自動的數(shù)字電路配線架。 圖5.2 表示的是SDH的DXC(也適合于PDH)，其核心部分是可控的交叉連接開關(guān)(空分或時分)矩陣。 參與交叉連接的基本電路速率可以等于或低于

15、端口速率，它取決于信道容量分配的基本單位。 一般每個輸入信號被分接為m個并行支路信號，然后通過時分(或空分)交換網(wǎng)絡(luò)，按照預(yù)先存放的交叉連接圖或動態(tài)計算的交叉連接圖對這些電路進(jìn)行重新編排，最后將重新編排后的信號復(fù)接成高速信號輸出。,.,DXC的表示 通常用DXC X/Y來表示一個DXC的配置類型，其中第一個數(shù)字X表示輸入端口速率的最高等級，第二個數(shù)字Y表示參與交叉連接的最低速率等級。 數(shù)字0表示64 kb/s電路速率；數(shù)字1、2、3、4 分別表示PDH的1至 4 次群的速率， 其中 4 也代表SDH 的STM-1 等級； 數(shù)字 5 和 6 分別代表SDH的STM-4 和STM-16等級。,交叉

16、連接設(shè)備DXC與交換機(jī)的區(qū)別有： (1) DXC 的輸入輸出不是單個用戶話路， 而是由許多話路組成的群路； (2) 兩者都能提供動態(tài)的通道連接，但連接變動的時間尺度是不同的。前者按大量用戶的集合業(yè)務(wù)量的變化及網(wǎng)絡(luò)的故障狀況來改變連接，由網(wǎng)管系統(tǒng)配置；后者按照用戶的呼叫請求來建立或改變連接，由信令系統(tǒng)實現(xiàn)呼叫連接控制。,.,DXC在干線傳輸網(wǎng)中的主要用途是： 實現(xiàn)自動化的網(wǎng)絡(luò)配置管理。 主要功能有： （1）分離本地交換業(yè)務(wù)和非本地交換業(yè)務(wù)， 為非本地交換業(yè)務(wù)迅速提供可用路由； （2）為臨時性重要事件(如運動會、發(fā)生地震等)迅速提供通信電路；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障(如某些干線中斷)時，能迅速提供網(wǎng)絡(luò)的重新

17、配置； （3）根據(jù)業(yè)務(wù)流量的季節(jié)變化使網(wǎng)絡(luò)配置最佳化；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中混合使用PDH和SDH時，可作為PDH與SDH的網(wǎng)關(guān)。,.,5. SDH的應(yīng)用 SDH可用于點對點傳輸(圖5.8)、 鏈形網(wǎng)(圖5.9)和環(huán)形網(wǎng)(圖5.10)。,圖 5.8 SDH用于點對點傳輸,SDH,TM,SDH,TM,STM- N,圖 5.9 SDH鏈形網(wǎng),SDH,TM,SDH,TM,SDH,ADM,(,n,N,),.,圖 5.10 SDH環(huán)形網(wǎng)(雙環(huán)),SDH,ADM,SDH,ADM,SDH,ADM,SDH,ADM,.,5.2 系統(tǒng)的性能指標(biāo),5.2.1 參考模型 為進(jìn)行系統(tǒng)性能研究，ITUT(原CCITT)建議中提出了一個

18、數(shù)字傳輸參考模型，稱為假設(shè)參考連接(HRX)，見圖5.11。,圖 5.11 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字假設(shè)參考連接HRX,.,最長的假設(shè)參考連接HRX是根據(jù)綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)的性能要求和64 kb/s信號的全數(shù)字連接來考慮的。 假設(shè)：在兩個用戶之間的通信可能要經(jīng)過全部線路和各種串聯(lián)設(shè)備組成的數(shù)字網(wǎng)，而且任何參數(shù)的總性能逐級分配后應(yīng)符合用戶的要求。 如圖示， 最長的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字HRX為27 500 km, 它由各級交換中心和許多假設(shè)參考數(shù)字鏈路(HRDL)組成。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字HRX 的總性能指標(biāo)按比例分配給HRDL，使系統(tǒng)設(shè)計大大簡化。,圖 5.11 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字假設(shè)參考連接HRX,.,建議的HRDL長度為2500 k

19、m, 但由于各國國土面積不同， 采用的HRDL長度也不同。 HRDL由許多假設(shè)參考數(shù)字段(HRDS)組成(見圖5-12所示)，在建議中用于長途傳輸?shù)腍RDS長度為280 km, 用于市話中繼的HRDS長度為50 km。,圖 5.12 假設(shè)參考數(shù)字段HRDS,.,圖 5.12 假設(shè)參考數(shù)字段HRDS,我國用于長途傳輸?shù)腍RDS長度為420 km(一級干線)和280 km(二級干線)兩種。 假設(shè)參考數(shù)字段HRDS的性能指標(biāo)從假設(shè)參考數(shù)字鏈路的指標(biāo)分配中得到，并再度分配給線路和設(shè)備。,.,5.2.2 系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 1. 誤碼率(BER) 誤碼率是衡量數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量優(yōu)劣的非常重要的指標(biāo)

20、，它反映了在數(shù)字傳輸過程中信息受到損害的程度。 BER是在一個較長時間內(nèi)的傳輸碼流中出現(xiàn)誤碼的概率，它對話音影響的程度取決于編碼方法。對于PCM而言，誤碼率對話音的影響程度如表 5.2 所示。 由于誤碼率隨時間變化，用長時間內(nèi)的平均誤碼率來衡量系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，顯然不夠準(zhǔn)確。在實際監(jiān)測和評定中， 應(yīng)采用誤碼時間百分?jǐn)?shù)和誤碼秒百分?jǐn)?shù)的方法。,.,.,圖 5.13 誤碼率隨時間的變化,如圖 5.13 所示， 規(guī)定一個較長的監(jiān)測時間TL，例如幾天或一個月，并把這個時間分為“可用時間”和“不可用時間”。,.,在連續(xù)10 s時間內(nèi)，BER劣（高）于110-3，為“不可用時間”，或稱系統(tǒng)處于故障狀態(tài)；故障排

21、除后,在連續(xù)10 s時間內(nèi)，BER優(yōu)（低）于110-3，為“可用時間”。 對于64 kb/s的數(shù)字信號，BER=110-3，相應(yīng)于每秒有64個誤碼。 同時，規(guī)定一個較短的取樣時間T0和誤碼率門限值BERth，統(tǒng)計BER劣于BERth的時間，并用劣化時間占可用時間的百分?jǐn)?shù)來衡量系統(tǒng)誤碼率性能的指標(biāo)。,.,對于目前的電話業(yè)務(wù)，傳輸一路PCM電話的速率為 64 kb/s。 研究分析表明，合適的誤碼率參數(shù)和假設(shè)參考連接HRX的誤碼率指標(biāo)如表 5.3 所示。,.,對三種誤碼率參數(shù)和指標(biāo)說明： 劣化分(DM) 誤碼率為110-6時，感覺不到干擾的影響，選為BERth。每次通話時間平均35 min, 選擇取

22、樣時間T0為 1 min是合適的。 監(jiān)測時間以較長為好，選擇TL為1個月。定義誤碼率劣于 110-6的分鐘數(shù)為劣化分(DM)。HRX指標(biāo)要求劣化分占可用分(可用時間減去嚴(yán)重誤碼秒累積的分鐘數(shù))的百分?jǐn)?shù)小于10%。 嚴(yán)重誤碼秒(SES) 由于某些系統(tǒng)會出現(xiàn)短時間內(nèi)大誤碼率的情況，嚴(yán)重影響通話質(zhì)量，因此引入嚴(yán)重誤碼秒這個參數(shù)。 選擇監(jiān)測時間TL為1個月，取樣時間T0為1 s。定義誤碼率劣于 110-3的秒鐘數(shù)為嚴(yán)重誤碼秒(SES)。HRX指標(biāo)要求嚴(yán)重誤碼秒占可用秒的百分?jǐn)?shù)小于0.2%。,.,誤碼秒(ES) 選擇監(jiān)測時間TL為1個月，取樣時間T0為1s，誤碼率門限值BERth=0。定義凡是出現(xiàn)誤碼(

23、即使只有1 bit)的秒數(shù)稱為誤碼秒(ES)。HRX指標(biāo)要求誤碼秒占可用秒的百分?jǐn)?shù)小于8%。相應(yīng)地，不出現(xiàn)任何誤碼的秒數(shù)稱為無誤碼秒(EFS)， 指標(biāo)要求無誤碼秒占可用秒的百分?jǐn)?shù)大于92%。 表5.3列出的是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字假設(shè)參考連接HRX(27500 km)的誤碼率總指標(biāo)。為了設(shè)計需要，必須把總指標(biāo)按不同等級的電路質(zhì)量分配到各部分。,表5.3 誤碼率參數(shù)和HRX的誤碼率指標(biāo),.,圖5.14示出最長HRX的電路質(zhì)量等級劃分。 圖中高級和中級之間沒有明顯的界限。我國長途一級干線和長途二級干線都應(yīng)視為高級電路，長途二級以下和本地級合并考慮。,表 5.4 HRX誤碼率總指標(biāo)按等級分配,圖 5.14 最長H

24、RX的電路質(zhì)量等級劃分,.,表5.5的誤碼率三項指標(biāo)監(jiān)測時間為1個月，在工程驗收時執(zhí)行存在一定困難，通常采用長期平均誤碼率來衡量，監(jiān)測時間為24 h。 假設(shè)誤碼為泊松分布，誤碼率三項指標(biāo)都可以換算為長期平均誤碼率。,.,根據(jù)原CCITT的建議，對于25000 km高級電路長期平均誤碼率BERav至少為110-7，按長度比例進(jìn)行線性折算，得到每公里BERav=410-12/km。所以280 km和420 km數(shù)字段的BERav分別為1.1210-9和1.6810-9，因此取 110-9作為標(biāo)準(zhǔn)。 我國長途光纜通信系統(tǒng)進(jìn)網(wǎng)要求中規(guī)定：長度短于420 km時，按 110-9計算；長度長于420 km

25、時，先按長度比例進(jìn)行折算，再按長度累計附加進(jìn)去。 設(shè)計值應(yīng)比實際要求高 1 個數(shù)量級，即短于420 km數(shù)字段按BERav=110-10設(shè)計，50 km中繼段按BERav=110-11設(shè)計。,.,2. 抖動 抖動是數(shù)字信號傳輸過程中產(chǎn)生的一種瞬時不穩(wěn)定現(xiàn)象。 抖動的定義是：數(shù)字信號在各有效瞬時對標(biāo)準(zhǔn)時間位置的偏差。 偏差時間范圍稱為抖動幅度(JPP)，偏差時間間隔對時間的變化率稱為抖動頻率(F)。 這種偏差包括輸入脈沖信號在某一平均位置左右變化，和提取時鐘信號在中心位置左右變化， 見圖5.15所示。,圖 5.15 抖動示意圖,.,抖動現(xiàn)象相當(dāng)于對數(shù)字信號進(jìn)行相位調(diào)制，表現(xiàn)為在穩(wěn)定的脈沖圖樣中，

26、前沿和后沿出現(xiàn)某些低頻干擾，其頻率一般為02 kHz。抖動單位為UI，表示單位時隙。 當(dāng)脈沖信號為二電平NRZ時，1 UI等于1bit信息所占時間，數(shù)值上等于傳輸速率fb的倒數(shù)。 抖動嚴(yán)重時，使得信號失真、 誤碼率增大。完全消除抖動是困難的，因此在實際工程中，需要提出容許最大抖動的指標(biāo)。,.,光纖通信系統(tǒng)各次群輸入口對抖動容限的要求如表 5.6所示,表 5.6 中各符號的意義如圖 5.16 所示。,將低速數(shù)據(jù)信號復(fù)合成高速數(shù)據(jù)流稱作群。我國的一次群速率為2.048Mbps，二次群速率為8.448Mbps，分別簡稱E1、E2。,.,全程各次群輸出口對抖動容限的要求如表5.7所示， 表中括號內(nèi)的數(shù)

27、值是對數(shù)字段的要求。,表 5.7中各符號的意義如圖 5.16 所示。,.,圖 5.16 表5.6和表5.7的圖解說明,表 5.6 和表5.7各符號的意義如圖 5.16 所示。,.,5.2.3 可靠性 可靠性是一個重要指標(biāo)，它直接影響通信系統(tǒng)的使用、維護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益。對光纖通信系統(tǒng)而言， 可靠性包括光端機(jī)、中繼器、 光纜線路、輔助設(shè)備和備用系統(tǒng)的可靠性。 確定可靠性一般采用故障統(tǒng)計分析法，即根據(jù)現(xiàn)場實際調(diào)查結(jié)果，統(tǒng)計足夠長時間內(nèi)的故障次數(shù)，確定每兩次故障的時間間隔和每次故障的修復(fù)時間。,(5.1),1. 可靠性表示方法,可靠性是指在規(guī)定的條件和時間內(nèi)系統(tǒng)無故障工作的概率，它反映系統(tǒng)完成規(guī)定功能的能

28、力。 可靠性R通常用故障率 表示，兩者的關(guān)系為：,(1) 可靠性R和故障率 。,.,故障率是系統(tǒng)工作到時間t，在單位時間內(nèi)發(fā)生故障(功能失效)的概率。的單位為10-9/h, 稱為菲特(fit), 1 fit等于在109 h內(nèi)發(fā)生一次故障的概率。,Rs=R1R2Rn=exp(- t) (5.2),式中, Ri和 分別為系統(tǒng)第i個部件的可靠性和故障率。,如果通信系統(tǒng)由n個部件組成，且故障率是統(tǒng)計無關(guān)的， 則系統(tǒng)的可靠性Rs可表示為：,.,(3) 可用率A和失效率PF。可用率A是在規(guī)定時間內(nèi)，系統(tǒng)處于良好工作狀態(tài)的概率，它可以表示為：,（5.3）,(5.4),式中MTTR為平均故障修復(fù)時間(不可用時

29、間)。,(2) 故障率和平均故障間隔時間MTBF。兩者的關(guān)系為,.,失效率PF可以表示為：,PF= (5.7) 式中m和n分別為主用系統(tǒng)數(shù)和備用系統(tǒng)數(shù)，P=MTTR/MTBF。,（5.5）,由式(5.4)和式(5.5)得到 PF=(1-A)100% (5.6),在有備用系統(tǒng)的情況下， 失效率為：,.,2. 可靠性指標(biāo) 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，具有主備用系統(tǒng)自動倒換功能的數(shù)字光纜通信系統(tǒng)，容許5000 km雙向全程每年4次全阻故障，對應(yīng)于420 km和280 km數(shù)字段雙向全程分別約為每3年1次和每5年1次全阻故障。 市內(nèi)數(shù)字光纜通信系統(tǒng)的假設(shè)參考數(shù)字鏈路長為100 km, 容許雙向全程每年4次全阻

30、故障，對應(yīng)于50 km數(shù)字段雙向全程每半年1次全阻故障。此外，要求LD光源壽命大于10104 h, PIN-FET壽命大于50104 h, APD壽命大于50104 h。,.,根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，以5000 km為基準(zhǔn)，按長度平均分配給各種數(shù)字段長度，相應(yīng)的全年指標(biāo)如表5.8所示，假設(shè)平均故障修復(fù)時間MTTR=6 h。,.,.,5.3 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計,對數(shù)字光纖通信系統(tǒng)而言，系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)是: 根據(jù)用戶對傳輸距離和傳輸容量(話路數(shù)或比特率)及其分布的要求，按照國家相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)前設(shè)備的技術(shù)水平，經(jīng)過綜合考慮和反復(fù)計算，選擇最佳路由和局站設(shè)置、傳輸體制和傳輸速率以及光纖光纜和光端機(jī)的基本參

31、數(shù)和性能指標(biāo)，以使系統(tǒng)的實施達(dá)到最佳的性能價格比。 在技術(shù)上，系統(tǒng)設(shè)計的主要問題是確定中繼距離。尤其對長途光纖通信系統(tǒng)，中繼距離設(shè)計是否合理，對系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)效益影響很大。,.,中繼距離的設(shè)計有三種方法： 最壞情況法(參數(shù)完全已知) 統(tǒng)計法(所有參數(shù)都是統(tǒng)計定義) 半統(tǒng)計法(只有某些參數(shù)是統(tǒng)計定義) 這里我們采用最壞情況設(shè)計法，用這種方法得到的結(jié)果，設(shè)計的可靠性為100%，但要犧牲可能達(dá)到的最大長度。 中繼距離受光纖線路損耗和色散(帶寬)的限制，明顯隨傳輸速率的增加而減小。中繼距離和傳輸速率反映著光纖通信系統(tǒng)的技術(shù)水平。,.,T, T：光端機(jī)和數(shù)字復(fù)接分接設(shè)備的接口；Tx：光發(fā)射機(jī)或中繼器發(fā)

32、射端；Rx：光接收機(jī)或中繼器接收端；C1, C2: 光纖連接器；S：靠近Tx的連接器C1的接收端；R：靠近Rx的連接器C2的發(fā)射端；S-R：光纖線路，包括接頭。,5.3.1 中繼距離受損耗的限制 圖5.17示出了無中繼器和中間有一個中繼器的數(shù)字光纖線路系統(tǒng)的示意圖，圖中符號：,圖5.17數(shù)字光纖線路系統(tǒng)。(a) 無中繼器； (b) 一個中繼器。,.,如果系統(tǒng)傳輸速率較低，光纖損耗系數(shù)較大，中繼距離主要受光纖線路損耗的限制。在這種情況下，要求S和R兩點之間光纖線路總損耗必須不超過系統(tǒng)的總功率衰減，即：,式中，Pt 為平均發(fā)射光功率(dBm)，Pr為接收靈敏度(dBm)，c 為連接器損耗(dB/對

33、)，Me 為系統(tǒng)余量(dB)，f為光纖損耗系數(shù)(dB/km), s為每km光纖平均接頭損耗(dB/km), m為每km光纖線路損耗余量(dB/km), L 為中繼距離(km)。,.,平均發(fā)射光功率Pt取決于所用光源，對單模光纖通信系統(tǒng)，LD的平均發(fā)射光功率一般為-3-9dBm, LED平均發(fā)射光功率一般為-20-25 dBm。 光接收機(jī)靈敏度Pr受誤碼率的限制，取決于光檢測器和前置放大器的類型， 隨傳輸速率而變化。表5.10示出長途光纖通信系統(tǒng)BERav110-10時的接收靈敏度Pr。,.,連接器損耗c ，一般為0.31 dB/對。 設(shè)備余量Me，包括由于時間和環(huán)境的變化而引起的發(fā)射光功率和接

34、收靈敏度下降， 以及設(shè)備內(nèi)光纖連接器性能劣化，Me一般不小于3 dB。 光纖損耗系數(shù)f，取決于光纖類型和工作波長，例如單模光纖在1310 nm, f為0.40.45 dB/km; 在1550 nm, f為0.220.25 dB/km。 光纖損耗余量m，一般為0.10.2 dB/km, 但一個中繼段總余量不超過5 dB。 平均接頭損耗可取0.05 dB/個。 每km光纖平均接頭損耗s，可根據(jù)光纜生產(chǎn)長度計算得到。,.,根據(jù)ITU-T(原CCITT)G.955建議，用LD作光源的常規(guī)單模光纖(G.652)系統(tǒng)，在S和R之間數(shù)字光纖線路的容限如表5.11 所示。,.,5.3.2 中繼距離受色散(帶寬

35、)的限制 如果系統(tǒng)的傳輸速率較高，光纖線路色散較大，中繼距離主要受色散(帶寬)的限制。 為使光接收機(jī)靈敏度不受損傷， 保證系統(tǒng)正常工作，必須對光纖線路總色散(總帶寬)進(jìn)行規(guī)范。 對于數(shù)字光纖線路系統(tǒng)而言，色散增大，意味著數(shù)字脈沖展寬增加，因而在接收端要發(fā)生碼間干擾，使接收靈敏度降低， 或誤碼率增大。嚴(yán)重時甚至無法通過均衡來補(bǔ)償，使系統(tǒng)失去設(shè)計的性能。,.,g(t)=exp (5.9),由式(5.10)得到a和的數(shù)值關(guān)系， 并列于表5.12。,(5.10),式中為均方根(rms)脈沖寬度。把/T=a定義為相對rms脈沖寬度，碼間干擾的定義如圖5.18所示。由式(5.9)和圖5.18得到：,設(shè)傳輸

36、速率為fb=1/T，發(fā)射脈沖為半占空歸零(RZ)碼，輸出脈沖為高斯波形，如圖5.18 所示。高斯波形可以表示為：,.,圖 5.18 高斯波形的碼間干擾,碼間干擾：在一個數(shù)字傳輸系統(tǒng)中接收到的信號失真，這種失真被在時間的傳播中顯現(xiàn)和作為結(jié)果與單個脈沖交迭到達(dá)接收器不能可靠的區(qū)分狀態(tài)交換(例如，在單個信號原始之間)的程度。,.,美國Bell實驗室S.D.Personick的早期研究中，曾建議采用下列標(biāo)準(zhǔn)來考查光纖線路色散對系統(tǒng)傳輸性能的限制。 當(dāng)a=0.25時，碼間干擾只有峰值的0.034%，完全可以忽略不計。 當(dāng)a=0.5時，增加到13.5%，此時功率代價為78dB，難以通過均衡進(jìn)行補(bǔ)償。一般系

37、統(tǒng)設(shè)計選取a=0.250.35，功率代價不超過2 dB。,.,為確定中繼距離和光纖線路色散(帶寬)的關(guān)系，把輸出脈沖用半高全寬度(FWHM)表示，即,（5.11）,式中, =/0.4247, =a/T, a為相對rms脈沖寬度，T=1/fb，fb為系統(tǒng)的比特傳輸速率。f為光纖線路(FWHM)脈沖展寬，取決于所用光纖類型和色散特性。,.,對于多模光纖系統(tǒng)，色散特性通常用3dB帶寬表示，如式(2.47b)所示。因此，f=0.44/B, B為長度等于L的光纖線路總帶寬，它與單位長度光纖帶寬B1的關(guān)系為B=B1/L。 B1為1km光纖的帶寬，通常由測試確定。=0.51, 稱為串接因子，取決于系統(tǒng)工作波

38、長、光纖類型和線路長度。把這些關(guān)系代入式(5.11)，并取a=0.250.35，得到長度為L的光纖線路總帶寬B和速率fb的關(guān)系為：,B=(0.830.56)fb (5.12),.,多模光纖中繼距離L與1km光纖帶寬B1的關(guān)系為B1=BL, 所以 L=（1.211.78）1/fb1/ (5.13),以fb為參數(shù)，B1與L的關(guān)系示于圖5.19, 圖中取/T=0.3， =0.75。,或?qū)懗?L fb=(1.211.78)B1 (5.14),.,圖5.19 1km光纖帶寬B1與中繼距離L的關(guān)系,可見，中繼距離L與傳輸速率fb的乘積取決于1km光纖的帶寬B1(色散)，這個乘積反映了光纖通信系統(tǒng)的技術(shù)水平

39、。,.,對于單模光纖系統(tǒng)，f=2.355f, f為光纖線路rms脈沖展寬。 由式(2.55b)取一級近似，得到f=|C0|L, C0=C(0)為在光源中心波長0光纖的色散(ps/(nmkm)，為光源譜線寬度(nm)，L為光纖線路長度(km)。 把這些關(guān)系式代入式(5.11)，同樣得到一個簡明的公式。設(shè)取a= /T=0.25， 得到單模光纖的中繼距離：,L= (5.15),.,在這個基礎(chǔ)上，根據(jù)原CCITT建議，對于實際的單模光纖通信系統(tǒng)，受色散限制的中繼距離L可以表示為：,（5.16）,式中, 是線路碼速率(Mb/s)，與系統(tǒng)比特速率不同，它要隨線路碼型的不同而有所變化。C0是光纖的色散系數(shù)(

40、ps/(nmkm)，它取決于工作波長附近的光纖色散特性。為光源譜線寬度(nm)，對多縱模激光器(MLM-LD)，為rms寬度，對單縱模激光器(SLM-LD), 為峰值下降20dB的寬度。是與功率代價和光源特性有關(guān)的參數(shù)， 對于MLM-LD, =0.115, 對于SLM-LD， =0.306。,.,由于光纖制造工藝的偏差，光纖的零色散波長不會全部等于標(biāo)稱波長值，而是分布在一定的波長范圍內(nèi)。 同樣，光源的峰值波長也是分配在一定波長范圍內(nèi)，并不總是和光纖的零色散波長度相重合。 對于G.652規(guī)范的單模光纖，波長為12851330 nm，色散系數(shù)C不得超過3.5 ps/(nmkm)；波長為127013

41、40 nm, C不得超過6 ps/(nmkm)。 S和R兩點之間最大色散CL(ps/nm)的容限如表5.11所示。由表可知，在140 Mb/s以上的單模光纖通信系統(tǒng)中，色散的限制是不可忽視的。,.,5.3.3 中繼距離和傳輸速率 光纖通信系統(tǒng)的中繼距離受損耗限制時由式(5.8)確定；中繼距離受色散限制時由式(5.13)(多模光纖)和式(5.15)或式(5.16)(單模光纖)確定。 從損耗限制和色散限制兩個計算結(jié)果中，選取較短的距離，作為中繼距離計算的最終結(jié)果。,以140 Mb/s單模光纖通信系統(tǒng)為例計算中繼距離： 設(shè)系統(tǒng)平均發(fā)射功率Pt=-3 dBm, 接收靈敏度Pr=-42 dBm，設(shè)備余量

42、Me=3 dB，連接器損耗c=0.3dB/對，光纖的損耗系數(shù)f=0.35 dB/km, 光纖余量m=0.1 dB/km，每km光纖平均接頭損耗s=0.03 dB/km。把這些數(shù)據(jù)代入式(5.8)， 得到中繼距離,.,又設(shè)線路碼型為5B6B, 線路碼速率b=140(6/5)=168 Mb/s, |C0|=3.0 ps/(nmkm)，=2.5 nm。把這些數(shù)據(jù)代入式(5.16)，得到中繼距離：,在工程設(shè)計中，中繼距離應(yīng)取74 km。在本例的中繼距離主要受損耗限制。 但是，如果假設(shè)|C0|=3.5 ps/(nmkm)，=3 nm，而上述其他參數(shù)不變，根據(jù)式(5.16)計算得到的中繼距離L65 km，則此時中繼距離主要受色散限制，中繼距離應(yīng)確定為65 km。,(5.16),.,圖5.20 示出各種光纖的中繼距離和傳輸速率的關(guān)系，包括損耗限制和色散限制的結(jié)果。,圖 5.20 各種光纖的中繼距離和傳輸速率的關(guān)系,.,傳輸速率很低，SIF光纖的速率不如同軸線，GIF光纖的速率在0.1 Gb/s以上就受到色散限制