1、1,1,第五章 數字光纖通信系統,兩種傳輸體制 系統的性能指標 系統的設計,2,2,兩種傳輸體制,光纖傳輸復用技術：同步時分復用TDM TDM擴展為不同的群路等級： ITU：將多路編碼數字電話按兩種標準組成群路。 北美、日：24路信道復用為一個基群，信息速率1.544Mb/s; 中、歐：30路信道復用為一個基群，信息速率2.048Mb/s; 更高級復用： 4個基群通過TDM復用為二次群；信息速率稍大于4倍； 多個二次群復用為三次群 ,3,3,數字復接原理(1),對數字信號進行時分復用 數字復接器：將若干個低等級的支路信號按TDM的方式合并為一個高等級的合路信號； 數字分接器：將一個高等級的合路

2、信號分解為原來 的低等級支路信號；,4,4,數字復接原理(2),碼速調整單元：對輸入各支路信號的速率和相位進行調整，形成與本機定時信號完全同步的數字信號，使輸入的各支路信號是同步的。 定時單元：受時鐘控制，產生復接需要的各種定時控制信號。 復接器：將支路信號在定時單元控制下合并為合路信號； 分接器：合路數字信號和相應的時鐘同時送給分接器。 分接器的定時單元受合路時鐘控制，因此它的工作節拍與復接器定時單元同步。 同步單元：從合路信號中提出幀同步信號， 用它再去控制分接器定時單元。 恢復單元：把分解出的數字信號恢復出來。,5,5,數字復接原理(3),在數字復接中，如果復接器輸入端的各支路信號與本機

3、定時信號是同步的，則稱為同步復接器。 如SDH 如果不是同步的， 則稱為異步復接器。 輸入各支路數字信號與本機定時信號標稱速率相同，但實際上有一個很小的容差， 這種復接器稱為準同步復接器。如PDH,6,6,準同步數字系列PDH(1),PDH：在低速率群路的信號采用同步復用，而多數高等級信號采用異步復用，即靠塞入額外比特使各路信號與復用設備同步并復用為高速信號，這樣的系統稱準同步數字系統：PDH。 PDH各次群比特率相對于其標準值有一個規定的容差，而且是異源的，通常采用正碼速調整方法實現準同步復用。 應用：中、低速點對點傳輸。 1976年對一次群四次群實現了標準化，并得到廣泛應用。,7,7,準同

4、步數字系列PDH(2),世界商用數字光纖通信制式,8,8,兩種傳輸體制PDH(3),PDH的缺點： 各獨立系列相互不兼容，沒有統一的光接口標準； 沒有足夠的開銷比特，用于網絡運行、管理、維護和指配等管理的信息不足，不能滿足電信網絡不斷擴大、技術不斷更新的要求； 高低速率信號的不能直接分插/復用,必須逐級進行，使得復接/分接設備結構復雜，上下話路價格昂貴； PDH傳輸線路主要是點對點連接，缺乏網絡拓撲的靈活性，使數字設備的利用效率低，網絡調度性差，缺乏自愈功能。,9,9,同步數字系列SDH的提出,1985年，USA Bell 實驗室提出同步光網絡 (Synchronous Optical Net

5、work，SONET),于1988年美國國家標準協會(ANSI)通過了兩個最早的SONET標準。 1988年，CCITT命名數字同步系列(SDH)，并建立了統一標準。 國際電話電報咨詢委員會(CCITT)(現在的ITU）接受了SONET的概念并加以修訂和完善，重新命名為同步數字系列(SDHSynchronous Digital Hierarchy )，建立了世界性的統一標準。現ITUT關于SDH已發布幾十標準。 SDH體制不僅應用于光纖信道，還可應用于微波衛星干線傳輸。 SDH/Sonet在世界范圍內廣泛應用。,10,10,SDH的概念,Physical-layer protocol that

6、 frames data for fast and reliable transmission over optical fiber The fundamental principle of the SDH protocol is time-division multiplexing (TDM), which works in contrast to a system such as Ethernet where data is sent in sporadic bursts.,11,11,SDH傳輸網(1),適用網絡類型：點對點傳輸、多點網絡傳輸； SDH網絡的構成： 終端設備，即終端復用器

7、TM； 分插復用設備ADM； 數字交叉連接設備DXC； 物理鏈路光纖； 下圖為典型的SDH拓撲結構圖。,圖 5.1 SDH傳輸網的典型拓撲結構,TM,ADM,DXC,ADM,TM,TM,TM,ADM,DXC,ADM,TM,SDH傳輸網(2),13,13,SDH傳輸網(3),SDH終端TM，功能： 復接/分接； 提供網絡適配；,ADM,功能： 上下話路； 直接轉發；,DXC(數字交叉連接)： 通過適配提供不同的端到端連接。,14,14,SDH傳輸網(4)SDH傳輸網的連接模型,DXC的交叉連接，SDH網中提供多條結構相同的傳輸通道；通道Path復接段Line再生段Section；,15,15,S

8、DH傳輸網(5)與PDH相比的特點,SDH采用統一的標準傳輸速率等級： STM-1，最低等級，傳輸速率：155.520Mb/s; STM-4，4個STM-1復接成一組STM-4，速率：622.080Mb/s； STM-16，4個STM-4復接成一組STM-16，速率：2488.32Mb/s； STM-N，N=1、4、16、64. 標準統一，可以承載不同格式的數字信號，如PDH，ATM信元，IP分組，以太網幀等，有利于不同通信系統互連。 具有統一標準的光接口： 有利于建立世界統一的通信網絡； 簡化硬件，降低了網絡成本； 幀結構中有豐富的開銷比特： 可用于網絡的運行、維護和管理，便于實現性能的監測

9、、故障監測、定位故障報告等管理功能。,16,16,SDH傳輸網(6)與PDH相比的特點,采用數字同步復用技術： 以字節(8bit)為最小復用單位，不必進行碼速率調整，簡化復接/分接設備； 低速率信號與高速率信號間的復接/分接，不必逐級進行; 采用DXC可以對各種端口速率進行可控的連接配置： 對網絡資源進行自動化的調度和管理，既提高了資源利用率，又增強了網絡的抗毀性和可靠性。 大大提高了網絡的靈活性及對各種業務量變化的適應能力，使現代通信網絡提高到一個嶄新的水平。,17,17,SDH傳輸網(6): SDH與PDH分插流程比較,采用SDH分插復用器(ADM)，可以利用軟件一次直接分出和插入 2 M

10、b/s支路信號，無需分級進行。,18,18,SDH幀結構(1),幀結構是實現數字同步時分復用，保證網絡可靠有效運行的關鍵；三部分：段開銷，信息載荷，管理單元指針； 塊狀結構，以字節為基礎； STM-N幀：9行270N列，每列為1個字節，(1byte=8bit)；,幀周期：T=125s, 8000幀/s STM-1,傳輸速率：927088000 = 155.52(Mb/s); 發送順序： 行：由上而下； 列：由左到右；,19,19,SDH幀結構(2)段開銷,段開銷(SOH: Section Overhead)： 保證信息正常傳輸所必須的附加字節； 作用：運行、維護、管理；幀定位，誤碼檢測、公務通

11、信、自動保護倒換、網管信息傳輸等。 占用字節數(STM-1)：8行9列1=72Byte=576bit， SOH容量：5768000=4.608Mb/s; 13行,19N列，再生段開銷(SOH); 59行，19N列復接段開銷(LOH)； SDH豐富的開銷為其實現強大的OAM和智能化奠定了基礎。,20,20,SDH幀結構(3),信息載荷：用于承載各種業務信息的部分； STM-1，92611=2349byte=18792bit； 容量為：234988000=150.336Mb/s; 通道開銷(POH):少量字節用于通道運行、管理和維護； 管理單元指針(AU-PTR):用于指示信息載荷第一個字節在幀內

12、的準確位置(相對于指針位置的偏移量) 指針容量(第四行，19列)： STM-1，988000=0.576Mb/s; 采用指針技術是SDH的創新，結合虛容器(VC)的概念， 解決了低速信號復接成高速信號時，由于小的頻率誤差所造成的載荷相對位置漂移的問題。,21,21,復用原理(1),傳統復用方法： 正碼速調整法 優點：容許被復接的支路信號有較大的頻率誤差； 缺點：復接與分接困難； 固定位置映射法：使低速支路信號在高速信號幀中占有固定位置。 優點：復接與分接容易實現 缺點：低速信號與高速信號相位不能對準，且隨時間變化； SDH復用：采用載荷指針的映射方法； 引入指針：需要對指針進行管理；超大規模集

13、成電路為指針技術實現提供了條件和基礎。 通過指針的值，指向載荷的起始位置；,22,22,載荷包絡與SDH幀的一般關系,復用原理(2),23,23,映射結構：把支路信號適配裝入虛容器VC的過程， 即，使支路信號與傳送的載荷同步的過程。 這種結構可把目前PDH的絕大多數標準速率信號裝入SDH幀。 基本工作原理：映射、定位、復用 各種速率等級的數據流進入相應的容器（C），完成適配功能（主要是速率調整）映射 加入通道開銷（POH） ，構成虛容器（VC）映射 進入支路單元（TU）或管理單元（AU）定位 設置指針（AU PTR和TU PTR）定位 復用（TU進高階VC或AU進STMN），附加段開銷SOH，

14、形成STM-N的幀結構復用,復用原理(3)ITU-T一般復用映射結構,同步復用和映射方法是SDH的特色之一。,24,24,復用原理(4)ITU-T一般復用映射結構,25,25,復用原理(5)ITU-T一般復用映射結構,C-n，標準容器，裝載PDH支路信號，并完成速率適配； 標準容器+少量通道開銷POH虛容器VC； VC的包絡與網絡同步，可以 復用、交叉連接、交換； VC內可裝載不同容量，不同格式的支路信號； 定位校準：在VC前加管理單元指針，保證所有VC起始相位始終同步AU(管理單元)+TU(支路單元)； 設置指針：TU均勻字節間插-TUGAUG 復用：AUG+SOHSTM-1，按字節同步復用

15、STM-N；,26,26,復用原理(6)復用舉例,舉例：由PDH的4次群信號到SDH的STM-1的復接過程 把139.264 Mb/s的信號裝入容器C-4，經速率適配處理后，輸出信號速率為149.760 Mb/s; 在虛容器VC-4內加上通道開銷POH后，輸出信號速率為150.336 Mb/s； 在管理單元AU-4內，加上管理單元指針AU PTR(每幀9 Byte, 相應于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，輸出信號速率為155.520 Mb/s, 即為STM-1。,27,27,數字交叉連接設備(DXC)(1),DXC: 自動的數字

16、電路配線架； 核心：可控的交叉連接開關矩陣; 基本電路速率：可等于或低于端口速率，它取決于信道容量分配的基本單位。 輸入信號串/并變換：變為m個并行支路信號，然后通過時分(或空分)交換網絡，按照預先存放的交叉連接圖或動態計算的交叉連接圖對這些電路進行重新編排，最后將重新編排后的信號復接成高速信號輸出。,28,28,數字交叉連接設備(DXC)(2),DXC的表示：DXC X/Y(X:輸入端口速率的最高等級；Y，參與交叉連接的最低速率等級) 064 kb/s電路速率； 1、2、3、4PDH的1至 4 次群的速率； 4SDH 的STM-1 等級； 5、6 SDH的STM-4 、STM-16等級。 舉

17、例： DXC 1/0:1輸入最高速率為一次群速率2.048Mb/s; 0交叉連接基本速率為64kb/s; DXC 4/1:4輸入端最高速率140Mb/s(PDH)或155.52Mb/s(SDH); 1交叉連接基本速率為2.048Mb/s; 廣泛應用的DXC：DXC 1/0、DXC 4/1、DXC 4/4,29,29,數字交叉連接設備(DXC)(3),交叉連接設備與交換機的區別： DXC的用途：干線網實現自動化網絡配置； 功能：,分離本地/非本地業務，為非本地業務提供路由 為臨時事件提供通信電路；,網絡故障時，迅速提供網絡配置； 根據業務流量，實現最佳網絡配置； PDH與SDH的網關；,30,3

18、0,SDH的應用(1),SDH點對點傳輸； 鏈形網傳輸；,31,31,SDH的應用(2),SDH環形網,SDH,ADM,SDH,ADM,SDH,ADM,SDH,ADM,優點：具有自愈能力 通信網絡發生故障時，無需人為干預，即可在極短的時間內從失效故障中自動恢復所攜帶的業務，使用戶感覺不到網絡已出了故障。,32,32,SDH的應用(3),ADM+DXC 網形網,端到端之間存在一條以上路徑； DXC可靈活配置網絡； 網絡具有更高的抗毀性、可靠性,33,33,SDH的主要優點,系列標準規范，接口統一兼容； 復用映射結構，同步透明靈活； 開銷信息豐富，網管能力強大； 指針定位調整，支持自愈組網；,核心

19、特征： 同步復用 強大的網絡管理能力 統一的光接口與復用標準,34,34,第五章 數字光纖通信系統,兩種傳輸體制 系統的性能指標 系統的設計,35,35,系統性能指標,參考模型 系統的主要性能指標 可靠性,36,36,參考模型(1),數字光纖通信系統在通信網中的地位 傳輸網； 確定數字光纖通信系統在整個通信網中的位置，從整體出發，分析系統要求，分配系統的性能指標要求； 數字系統參考模型：ITU-T在G.801建議中提出 假設參考數字連接(HRX) 假設參考數字鏈路(HRDL) 假設參考數字段(HRDS),37,37,參考模型(1)HRX,假設參考數字連接(HRX):假設通信距離最長、結構最復雜

20、、傳輸質量最差的連接；包括所有的傳輸、交換、及其他功能器件； 系統：全數字64kb/s連接； 標準最長HRX：14個HRDL、13個交換節點，全長27500km； HRX總性能指標按比例分配給HRDL；,38,38,參考模型(2)HRDL,假設參考數字鏈路(HRDL):HRX中兩個相鄰交換點數字配線架間的所有傳輸系統復用、分接設備、傳輸單元。 長度：建議2500km；可根據國家具體情況做不同選擇 China：5000km； USA/Cana: 6400km； Jap：2500km；,39,39,參考模型(3)HRDS,假設參考數字段(HRDS)：HRDL的組成部分； HRDS：兩端光端機、中間

21、光纜傳輸線路、光中繼器； HRDS建議長度：長途，280km；市話，50km 我國：一級干線，420km；二級干線，280km；市話，50km； 一個光纖通信系統，可以由若干個HRDS組成。 HRDS的性能指標，從HRDL指標分配中獲得，并分配給線路和設備。 HRX、HRDL、HRDS三者的關系： HRX=若干個HRDL+若干交換中心； HRDL=若干HRDS； HRDS=兩個數字配線架+若干光中繼器；,40,40,系統的主要性能指標誤碼率(1),誤碼率（BER）： 是在一個較長時間內的傳輸碼流中出現誤碼的概率，它對話音影響的程度取決于編碼方法。 描述通信系統性能的關鍵指標。決定著通信的質量。

22、,64kb/s PCM 數字連接 誤碼率對話音影響程度,41,41,系統的主要性能指標誤碼率(2),誤碼性能優劣的表示方法： 誤碼時間百分數 誤碼秒百分數 檢測時間TL劃分為：(與連續10秒的BER與10-3相比) 可用時間：BER10-3，系統處于故障狀態； 取樣時間T0和誤碼率門限閾值BERth； 劣化時間：抽樣(以T0)檢測BERBERth的時間(分鐘數、秒數) 誤碼性能優劣表示：,42,42,系統的主要性能指標誤碼率(3),誤碼率隨時間的變化,43,43,系統的主要性能指標誤碼率(4),ITU-T G.821建議將誤碼性能優劣劃分三個等級： 劣化分(DM)； 嚴重誤碼秒(SES); 誤

23、碼秒(ES);,44,44,系統的主要性能指標誤碼率(5),總誤碼性能指標在HRX各部分的分配： 按電路等級進行分配 高級：長途一二級干線；按長度分配； 中級：長途二級以下干線； 本地級：,最長HRX的電路質量等級劃分,45,45,系統的主要性能指標誤碼率(6),誤碼率的分配G.821建議,DM：BER10-6的時間少于10%，等效平均誤碼率BERav=10-7； 將平均誤碼率按長度進行分配：BERav=410-12/km； 則420km一級干線誤碼率分配：BERav=1.6810-9； 280km二級干線誤碼率分配：BERav=1.1210-9； 設計值，比實際要求值高一個數量級，按10-1

24、0設計；,46,46,系統的主要性能指標抖動(1),抖動：數字信號的有效瞬間對于標準時間的位置偏差。 輸入脈沖信號在平均位置的左右變化； 提取時鐘信號在中心位置的左右變化； 抖動的單位：UI，表示單位時隙，二進制NRZ信號，1UI=T(一個碼元周期)。 抖動的度量： 抖動幅度(Jp-p)：偏差時間的范圍； 抖動頻率(F)：偏差時間間隔對時間的變化率； 抖動的表現：穩定脈沖前后沿出現低頻干擾(12kHz)； 抖動的影響： 使信號判決偏離最佳判決時間，增加誤碼率，降低系統性能； 抖動表現：接收端的噪聲，劣化信噪比，降低接收靈敏度；,47,47,系統的主要性能指標抖動(2),抖動產生的原因： 時鐘提

25、取電路的頻率偏移； 信號狀態如，信號的碼間干擾； 輸入碼流中長連“0”碼； 隨機噪聲； 抖動的主要性能參數：輸入抖動容限、輸出抖動等 輸入抖動容限：系統容許的輸入信號最大抖動范圍； ITU-T建議和國際標準，給出了PDH各次群輸入/輸出抖動容限要求；,48,48,系統的主要性能指標抖動(3),PDH各次群入口對抖動的要求,49,49,系統的主要性能指標抖動(4),50,50,系統的主要性能指標抖動(5),表5.6和表5.7的圖解說明,要求：PDH各次群輸入接口的輸入抖動容限必須在曲線之上,51,51,系統的主要性能指標可靠性(1),可靠性：描述系統的故障可能性 直接影響通信系統的：使用、維護、

26、經濟效益； 包括：光端機、中繼器、光纜線路、輔助設備和備用系統的可靠性 研究方法：故障統計分析法故障次數、故障修復時間； 可靠性的表示： 可靠性R與故障率： 可靠性R：規定條件和時間內系統無故障工作的概率，反映系統完成規定功能的能力； 故障率：單位時間內系統發生故障的概率； 單位：10-9/h，菲特(fit):1fit表示109h內發生一次故障的概率； R與的關系： n個部件系統總的可靠性Rs：,52,52,系統的主要性能指標可靠性(2),故障率與平均故障間隔時間MTBF： 可用率A和失效率PF： 可用率A：規定時間內，系統處于良好工作狀態的概率； 失效率PF： 有備用系統時，失效率PF：,5

27、3,53,系統的主要性能指標可靠性(3),可靠性指標(具有主備用系統自動倒換功能的DOFCS) 5000km，雙向全程全阻故障：4次/年； 420km、280km：雙向全程全阻故障：1次/3年、 1次/5年； 市內數字光纜通信系統：雙向全程全阻故障：4次/年； 50km數字段雙向全程全阻故障：2次/年； LD壽命：大于10104h； PIN壽命：大于50104h； APD壽命：大于50104h； 國產通信設備的可靠性指標：,54,54,系統的主要性能指標可靠性(4),數字光纜通信系統可靠性指標,某些國產設備可靠性指標,55,55,第五章 數字光纖通信系統,兩種傳輸體制 系統的性能指標 系統的設

28、計,56,56,系統設計,中繼距離受損耗的限制 中繼距離手色散(帶寬)的限制 中繼距離和傳輸速率,57,57,系統設計,系統設計的要求： 前提： 用戶對傳輸距離傳輸容量的要求； 國家規定指標 設備技術水平 考慮因素： 選擇最佳路由和局站設置； 選擇傳輸體制和傳輸速率； 選擇光纖光纜； 選擇光端機基本參數和性能指標； 目的： 達到最佳性價比。,技術實現的關鍵： 確定中繼距離 中繼距離的設計方法： 最壞情況法 統計法 半統計法 中繼距離的限制因素： 光纖線路的損耗 光纖線路的色散(帶寬),58,58,損耗的限制(1),1300,1550,850,紫外吸收,紅外吸收,瑞利散射,0.2,2.5,損 耗

29、 (dB/km),波 長 (nm),OH離子吸收峰,光纖的損耗譜特性,59,59,損耗的限制(2),無中繼或有一個中繼器的數字光纖通信系統 光纖損耗限制中繼距離； 系統要求：發射端接收端光纖線路總損耗不超過系統總功率衰減； 各參數取值依據產品技術水平，和系統需求。,60,60,損耗的限制(3),Pt，LD：-3-9dBm; LED：-20-25(dBm); Pr，接收靈敏度，P117 表5.10； 連接器損耗 c：0.31dB/對； Me損耗余量：時間及環境變化引起的Pt 和Pr及連接器性能的劣化； 光纖損耗 f：1310nm，0.40.45dB/km; 1550nm，0.220.25dB/k

30、m; 光纖損耗余量 m: 0.10.2dB/km; 接頭損耗 f ：0.05dB；,61,61,色散(帶寬)的限制(1),系統傳輸速率高，光纖線路色散大 色散(帶寬)限制中繼距離； 需對光纖線路總色散進行規范； 已知傳輸速率的光纖線路系統允許的線路總色散計算中繼距離 色散對系統的影響： 色散引起脈沖展寬碼間串擾增大誤碼 or 降低接收靈敏度 ITU-T建議，色散限制系統中繼段距離L的計算式： 其中，Fb線路碼速率(Mb/s);C0光纖色散系數； 光源譜寬； 是與功率代價和光源特性有關的參數，光脈沖相對展寬 SLM-LD時=0.115； MLM-LD時=0.306；,62,62,色散(帶寬)的限

31、制(2),G.652（標準單模光纖SMF）: 零色散波長:1300nm 1550色散:1617ps/nm.km G.653（色散位移光纖DSF）: 零色散波長:1550nm G.655（非零色散位移光纖NZDSF）: 1550nm色散:26ps/nm.km,光纖：零色散點分布在標準波長附近一定范圍； 光源LD：峰值波長分布于一個有限范圍；,可計算最大色散容限CL。 140Mb/s以上單模光纖通信系統，色散限制不容忽略。,63,63,中繼距離和傳輸速率(1),損耗限制： 色散限制： (單模光纖) 選擇距離較短者作為中繼距離的的最終結果。,64,64,中繼距離和傳輸速率(2),案例1：140Mb/s-SMF， 采用5B6B線路碼；損耗參數： 損耗限制中繼距離L：,65,65,中繼距離和傳輸速率(3),色散參數： 色