第5章xjs現(xiàn)代通信第一頁，共129頁。5.1光纖通信

5.1.1基本概念

光導(dǎo)纖維簡稱光纖。光通信就是利用光波來載送信息，實(shí)現(xiàn)通信的目的。光纖通信是以光波為載波，以光纖為傳輸媒質(zhì)的一種通信方式。光纖通信也是信息社會中各種信息網(wǎng)的主要傳輸工具。2第二頁，共129頁。發(fā)射端：太陽光作光源，透鏡將光束聚焦在話筒的震動片上，完成對聲音的調(diào)制。傳輸介質(zhì)：大氣傳輸。接收端：反射鏡將光波反射到硅光電池上，完成解調(diào)。問題：光源質(zhì)量差，大氣干擾大。

光通信的實(shí)用必須在光源及傳輸介質(zhì)上取得突破。?

1880年，美國人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。(比馬可尼，波波夫的無線電報更早，1896年)3第三頁，共129頁。?

在這個時期，美國麻省理工學(xué)院利用He-Ne激光器和CO2激光器進(jìn)行了大氣激光通信試驗(yàn)。大氣光通信優(yōu)點(diǎn)：有一定容量及傳輸距離，方便靈活，缺點(diǎn)：存在大氣干擾，通信距離受限，通信兩點(diǎn)必須直線可見。?

1960年，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺紅寶石激光器，給光通信帶來了新的希望。激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個嶄新的階段。4第四頁，共129頁。現(xiàn)代光纖通信

1953年，英國卡帕尼博士發(fā)明了用極細(xì)的玻璃制作的光導(dǎo)纖維。20世紀(jì)60年代中期，所研制的最好的光纖損耗在400dB以上，用在醫(yī)療中的內(nèi)窺鏡中。

1966年，英籍華裔學(xué)者高錕和霍克哈姆發(fā)表了論文《光頻介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》，指出了利用光纖(OpticalFiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。論文指出三點(diǎn)：光纖的容量很大高純石英光纖的損失可低達(dá)20dB/km單模光纖的原理構(gòu)造

高錕博士——“光纖之父”5第五頁，共129頁。2009年10月諾貝爾物理學(xué)獎：高錕（CharlesKao1933～）(光纖，1966年）6第六頁，共129頁。

1970年，光纖研制取得了重大突破?1970年,美國康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。?1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降到4dB/km。?1979年，光纖損耗降低至0.20dB/km，接近光纖最低損耗理論極限。同期，光纖通信用光源也取得了實(shí)質(zhì)進(jìn)展。?1970年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)先后研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。壽命只有幾個小時。?1977年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)10萬小時。7第七頁，共129頁。

光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展?1976年，美國西屋電氣公司在亞特蘭大(Atlanta)進(jìn)行了世界上第一個實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗(yàn)。傳輸碼率44Mbit/s，傳輸距離10km。?1980年美國電報電話公司的45Mb/s光纖通信系統(tǒng)FT-3實(shí)現(xiàn)商用。?1989年，第一條橫跨太平洋的海底光纜通信系統(tǒng)建成。?2009年,容量320×114Gb/s=32Tb/s，傳輸距離580km光纖通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。（美國電話電報公司（AT&T），日本電氣公司（NEC））8第八頁，共129頁。我國的光纖通信1977年，武漢郵科院研制成功中國第一根實(shí)用光纖。1982年開通了全國第一個光纖通信系統(tǒng)。2006年5月“3Tnet可擴(kuò)展到80×40GDWDM傳輸系統(tǒng)設(shè)備工程化與試驗(yàn)”實(shí)用化工程(上海-杭州)成功通過國家科技部的驗(yàn)收。武漢郵科院趙梓森院士——中國“光纖之父”9第九頁，共129頁。?第一階段(1966-1976)

采用0.85um光源＋多模光纖損耗大，低速率，短距離?第二階段(1976-1986)

早期：光源采用1.30um的半導(dǎo)體發(fā)光二極管或激光二極管，傳輸為介質(zhì)多模光纖，無中繼傳輸距離為20km，傳輸速率140Mbit/s。

后期：1.3um的半導(dǎo)體激光器＋單模光纖構(gòu)成，傳輸速率140～565Mbit/s，無中繼傳輸距離達(dá)100km，四個演進(jìn)階段：光纖通信系統(tǒng)的演進(jìn)10第十頁，共129頁。?第三階段(1986-1996)工作波長為1.55um，采用色散位移單模光纖為傳播介質(zhì)，適于高速率、長距離無中繼傳輸。數(shù)據(jù)速率可達(dá)2.5G~10Gb/s，中繼距離超過100km。?第四階段(1996-)采用波分復(fù)用(WDM)技術(shù)，在同一根光纖中傳輸多個光波，獲得了更高的傳輸速率，同時采用光纖放大器EDFA直接放大光信號以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光-電－光的中繼方式。11第十一頁，共129頁。?容許頻帶很寬，傳輸容量很大。理論上一根單模光纖可利用的帶寬達(dá)20THz以上?損耗很小，中繼距離很長。目前通信用光纖的最低損耗低達(dá)0.2dB/km，中繼距離達(dá)數(shù)百公里以上。傳統(tǒng)的電纜(1.5km)、微波(50km)等無法與之相比。?重量輕、體積小?抗電磁干擾性能好?泄漏小，保密性能好?原材料豐富，潛在價格低廉（光纖成本<0.1元/m）光纖通信的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：12第十二頁，共129頁。缺點(diǎn)：質(zhì)地脆,機(jī)械強(qiáng)度低光纖切斷和接續(xù)需要一定的工具,設(shè)備和技術(shù)分路,耦合不靈活光纖,光纜彎曲半徑不能過小光纖怕水13第十三頁，共129頁。5.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成下圖為單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)，主要由光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)、中繼器和作為廣義信道的光纖線路組成。14第十四頁，共129頁。光纖傳輸系統(tǒng)的幾個組成部分1、光發(fā)射機(jī)功能：完成電/光(E/O)轉(zhuǎn)換。組成：由光源、驅(qū)動器、調(diào)制器組成。

光源調(diào)制器通道耦合器電信號輸入光輸出驅(qū)動電路光源：半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)，半導(dǎo)體激光二極管(LD)。

15第十五頁，共129頁。2、光接收機(jī)功能：是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號。組成部分：耦合器，光電檢測器，解調(diào)器16第十六頁，共129頁。3、中繼器

功能：將經(jīng)過長距離光纖衰減和畸變后的微弱光信號經(jīng)放大、整形、再生成一定強(qiáng)度的光信號，繼續(xù)送向前方以保證良好的通信質(zhì)量。

組成:光接收機(jī)、整形放大電路、光發(fā)射機(jī)組成。4.光纖線路

功能：是把來自光發(fā)射機(jī)的光信號，以盡可能小的畸變(失真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)

組成:光纖、光纖接頭和光纖連接器17第十七頁，共129頁。低損耗“窗口”：第一窗口：中心波長850nm(短波)，早期制造的光纖在這個區(qū)域有局部的最小損耗；第二窗口：中心波長1310nm（低色散）；第三窗口：中心波長1550nm（低損耗）。

光源(激光器)的發(fā)射波長和光檢測器(光電二極管)的波長響應(yīng)，都要和光纖這三個波長窗口相一致。18第十八頁，共129頁。第三傳輸窗口第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸收瑞利散射0.22.5損耗(dB/km)波長(nm)

光纖損耗譜特性O(shè)H離子吸收峰光纖帶寬：1300nm窗口約100nm，1550nm窗口約100nm，共200nm，約30THz19第十九頁，共129頁。

?光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播，其傳播速度為：v=c/n

?反射定律：反射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)，反射光線和入射光線處于法線的兩側(cè)，并且反射角等于入射角。

?折射定律：折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)，折射光線和入射光線位于法線的兩側(cè)。且滿足：5.1.2光纖的導(dǎo)光原理20第二十頁，共129頁。?全反射

?當(dāng)光射線由折射率大的物質(zhì)（n1）射向折射率小的物質(zhì)（n2）時，射線將離開法線而折射，即折射光線靠近兩種物質(zhì)的界面?zhèn)鞑ァ?若入射角θ1再增大，光就不再進(jìn)入第二種介質(zhì)了，入射光全部被反射回來，這種現(xiàn)象稱為全反射。?臨界角θc：折射角剛好達(dá)到90°時的入射角稱為臨界角。?全反射條件：21第二十一頁，共129頁。階躍型多模光纖的光線傳播原理1.階躍型多模光纖設(shè)纖芯和包層折射率分別為n1和n2，空氣的折射率n0=1，纖芯中心軸線與z軸一致。子午光線在光纖端面以小角度θ從空氣入射到纖芯(n0<n1)，折射角為θ1，折射后的光線在纖芯直線傳播，并在纖芯與包層交界面以角度ψ1入射到包層(n1>n2)。

22第二十二頁，共129頁。根據(jù)全反射原理，存在一個臨界角θc=arcsin(n2/n1)。?當(dāng)θ<θc時，相應(yīng)的光線將在交界面發(fā)生全反射而返回纖芯，并以折線的形狀向前傳播，如光線1。根據(jù)斯奈爾(Snell)定律得到n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1?當(dāng)θ=θc時，相應(yīng)的光線將以ψc入射到交界面，并沿交界面向前傳播(折射角為90°)，如光線2，?當(dāng)θ>θc時，相應(yīng)的光線將在交界面折射進(jìn)入包層并逐漸消失，如光線3。

?只有在半錐角為θ≤θc的圓錐內(nèi)入射的光束才能在光纖中傳播。23第二十三頁，共129頁。(1)數(shù)值孔徑，數(shù)值孔徑表征了多模光纖接收光的能力。定義為：

ITU-T對單模光纖沒有規(guī)定數(shù)值孔徑作為正式參數(shù)。數(shù)值孔徑，模場直徑，截止波長NA表示光纖接收和傳輸光的能力。NA越大，光纖接收光的能力越強(qiáng)。一般單模光纖NA≈0.1,24第二十四頁，共129頁。(2)模場直徑

模場是指光纖中基模LP01模的電場強(qiáng)度隨空間變化的分布。設(shè)基模LP01的電場分布為W0為高斯分布1/e點(diǎn)的半寬度，稱為模場半徑。e=2.7183模場直徑：單模光纖模場直徑一般為（9～10）±1μm。25第二十五頁，共129頁。單模光纖電場強(qiáng)度分布26第二十六頁，共129頁。(3)單模光纖截止波長（單模傳輸條件）

截止波長是單模光纖保證單模傳輸?shù)臈l件。截止波長的定義是大于此波長時二階LP11模不再傳播。理論截止波長：階躍光纖：歸一化截止頻率V＝2.40527第二十七頁，共129頁。

5.1.3光纖的傳輸特性損耗和色散是光纖最重要的傳輸特性：

損耗使光脈沖的幅度衰減，限制系統(tǒng)的傳輸距離。

色散使波形展寬，限制系統(tǒng)的傳輸容量。28第二十八頁，共129頁。光纖損耗：光波在光纖中傳輸時，隨著傳輸距離的增加而光功率逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗。

損耗光信號幅度減小限制傳輸距離。

α是損耗系數(shù)，單位dB/km設(shè)長度為L(km)的光纖，輸入光功率為Pi，輸出光功率為功率單位：dBm~

P=1mw(毫瓦)～0dBm，2mw～3dBm，0.5mw~-3dBm29第二十九頁，共129頁。損耗的機(jī)理

主要包括吸收損耗、散射損耗及附加損耗。1.吸收損耗：吸收損耗是光波通過光纖材料時，有一部分光能變成熱能，從而造成光功率的損失。2.散射損耗：由于光纖的材料、形狀及折射率分布等的缺陷或不均勻，使光纖中的光散射而產(chǎn)生的損耗稱為散射損耗。散射損耗主要包括瑞利散射、米氏散射、受激喇曼散射、受激布里淵散射和附加結(jié)構(gòu)缺陷等引起的散射。3.附加損耗,主要是彎曲損耗30第三十頁，共129頁。光纖色散特性

色散(dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘枺捎诓煌煞?模式及頻率)的光的時間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。實(shí)際光源發(fā)出的光不是理想的單色光，而具有一定的譜線寬度。光纖中傳送的信號是由不同頻率和不同模式構(gòu)成的，它們有不同的傳播速度，到達(dá)終端時會出現(xiàn)時延差，引起脈沖波形展寬，這種現(xiàn)象稱為光纖的色散。色散將導(dǎo)致信號波形畸變，這對碼速較高的數(shù)字傳輸有嚴(yán)重的影響。自從EDFA及WDM商用化后，色散便成為限制光纖通信系統(tǒng)傳輸距離及容量的主要原因。

31第三十一頁，共129頁。32第三十二頁，共129頁。用時延差表示色散

不同速度的信號，傳輸同樣的距離，需要不同的時間，即各信號的時延不同，這種時延上的差別，稱為時延差，用Δτ表示。時延差可由不同的頻率成分引起，也可由不同的模式成份引起。色散的程度可用時延差表示，時延差越大，色散就越嚴(yán)重。色散的種類：

模式色散材料色散波導(dǎo)色散偏振模色散33第三十三頁，共129頁。模式色散，主要存在于多模光纖中，不同模式的光線沿光纖軸向的平均速度不同所造成的時延差。

在階躍型光纖中，傳播最快的和最慢的兩條光線分別是沿軸線方向傳播的光線①和以臨界角θc入射的光線②。因此，在階躍型光纖中最大色散是光線①和光線②到達(dá)終端的時延差。

（1）模式色散34第三十四頁，共129頁。（3）.波導(dǎo)色散

材料色散和波導(dǎo)色散總稱為色度色散(也叫模內(nèi)色散)，常簡稱為色散，它是由于不同波長產(chǎn)生的結(jié)果。波導(dǎo)色散與光纖的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。光在光纖中傳輸時，約80％的光功率被限制在纖芯中傳輸。另外20％的光功率進(jìn)入包層。由于包層的折射率低于芯部的折射率，于是包層中光脈沖的傳播速度要大于芯部中光脈沖的傳播速度，這樣，光脈沖就要被展寬形成色散。（2）.材料色散纖芯中材料的折射率隨波長變化導(dǎo)致的這種色散。取決于光纖材料折射率特性的波長特性及光源的譜線寬度。35第三十五頁，共129頁。(4).偏振模色散

實(shí)際光纖不可避免地存在一定缺陷，如纖芯橢圓度和內(nèi)部殘余應(yīng)力，使兩個偏振模的傳輸常數(shù)不同，這樣產(chǎn)生的時間延遲差稱為偏振模色散或雙折射色散。

一般要求光纖偏振模色散小于0.5ps/km。在超高速(40Gb/s，100Gb/s）光纖通信系統(tǒng)中需慎重考慮。36第三十六頁，共129頁。光纖的非線性效應(yīng)在很強(qiáng)的光場作用下，光纖的各種特征參量會隨光場呈非線性變化。一類由于散射作用而產(chǎn)生的非線性效應(yīng)，如受激喇曼散射及布里淵散射；另一類是由于光纖的折射指數(shù)隨光強(qiáng)度變化而引起的非線性效應(yīng)，如自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制以及四波混頻等。37第三十七頁，共129頁。設(shè)入射光頻率為ωp，介質(zhì)分子振動頻率為ωv,則產(chǎn)生散射光頻率為ωS=ωp-ωv和ωas=ωp+ωv這種現(xiàn)象叫受激拉曼散射。ωS散射光叫斯托克斯波，ωas叫反斯托克斯波。一個入射光子消失，產(chǎn)生了一個頻率下移光子和另一個頻率上移光子。SRS散射光是以前后兩個方向傳播的（ωs與ωp傳播方向相同，ωs與ωas傳播方向相反）。可采用光隔離器來消除后向傳輸?shù)墓夤β省Ｊ芗だ⑸銼RS（StimulatedRamanScattering）

SRS是入射的強(qiáng)光信號在光纖中引發(fā)介質(zhì)中的分子共振，產(chǎn)生新的光頻，從而對入射光產(chǎn)生散射作用。38第三十八頁，共129頁。光纖參數(shù)39第三十九頁，共129頁。?G.657光纖：2006年12月,ITU-TG.657“接入網(wǎng)用彎曲不敏感單模光纖和光纜特性”。目前已有彎曲半徑小到5mm單模光纖，附加彎曲損耗<0.1dB40第四十頁，共129頁。5.1.4光端機(jī)

光發(fā)射機(jī)、光纜和光接收機(jī)構(gòu)成了光纖通信系統(tǒng)的三大主要部分。

光端機(jī)指光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)。1、光發(fā)射機(jī)（1）光源光發(fā)射機(jī)的核心是產(chǎn)生激光或熒光的光源，它是組成光纖通信系統(tǒng)的重要器件。它的作用是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號。光纖通信中常用的光源器件有半導(dǎo)體激光器（LD）和半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）兩種。41第四十一頁，共129頁。光與物質(zhì)相互作用將發(fā)生自發(fā)輻射(a)、受激吸收(b),受激輻射(c)

三種物理過程。

受激輻射:處于高能E2的電子受到外來光子hf的感應(yīng)，發(fā)射一個與感應(yīng)光子一摸一樣的全同光子即頻率、相位、偏振方向和傳播方向相同

——相干光。42第四十二頁，共129頁。

受激吸收和受激輻射的速率分別比例于N1和N2，且比例系數(shù)(吸收和輻射的概率)相等。如N1>N2，即受激吸收大于受激輻射。當(dāng)光通過這種物質(zhì)時，光強(qiáng)按指數(shù)衰減。如N2>N1，即受激輻射大于受激吸收，當(dāng)光通過這種物質(zhì)時，會產(chǎn)生放大作用。

N2>N1的分布，和正常狀態(tài)(N1>N2)的分布相反，所以稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。在熱平衡狀態(tài)下——N2<N1——媒質(zhì)為吸收媒質(zhì)非熱平衡狀態(tài)下——N2>N1——媒質(zhì)為放大媒質(zhì)43第四十三頁，共129頁。泵浦源

Z腔軸

P入P反光子流輸出

M1，r1=P反/P入

M2，r2激光產(chǎn)生過程:

閾值條件:增益>＝光學(xué)諧振腔的總損耗。相位(諧振)條件：光波經(jīng)諧振腔往返一周到原位置處的波與原來的波產(chǎn)生相互疊加（干涉增強(qiáng)），他們的相位差為2π的整數(shù)倍。激光產(chǎn)生滿足三個基本條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布(光放大)；頻率選擇及正反饋；一定的閾值條件和相位條件。44第四十四頁，共129頁。①閾值特性

對于半導(dǎo)體激光器，當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一值時，輸出光功率將急劇增加，這時將產(chǎn)生激光振蕩，該電流值稱為閾值電流，用Ith表示。當(dāng)I<Ith時，激光器發(fā)的是熒光；當(dāng)I<Ith時，激光器才發(fā)出激光。

閾值電流越小越好。1）半導(dǎo)體激光器（LD）的特性圖5-7激光器輸出特性曲線45第四十五頁，共129頁。

②光譜特性

圖5-8GaAs激光器的光譜46第四十六頁，共129頁。③溫度特性

激光器的閾值電流和光輸出功率隨溫度變化的特性稱為溫度特性。閾值電流隨溫度的升高而加大。圖5-9激光器閾值電流隨溫度的變化

為了使光纖通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作，一般都要采用各種自動溫度控制電路，來穩(wěn)定激光器的閾值電流和輸出光功率。47第四十七頁，共129頁。4.發(fā)射波長和光譜特性發(fā)射波長取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價帶時所釋放的能量，等于禁帶寬度Eg(eV)hf=Eg不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度，因而有不同的發(fā)射波長λ。對于0.85um波段，采用鎵鋁砷(Ga1-xAlxAs)材料，其禁帶寬度為:Eg(ev)=1.424+1.247x0≤x≤0.45

調(diào)節(jié)A1含量改變x．從而改變發(fā)射波長，調(diào)節(jié)范圍為0.75～0.92um

對于長波長LD，常用材料In1-xGaxAsyP1-y，其禁帶寬度為Eg(ev)=1.35-0.72y+0.12y20≤y≤1；x/y=0.45,選擇合適的x、y可使激光波長在1.3-1.6um

48第四十八頁，共129頁。5.激光光束的空間分布整個光束的橫截面呈橢圓形。一般半導(dǎo)體激光器49第四十九頁，共129頁。6.激光器的瞬態(tài)性質(zhì)電光延遲：激光輸出與注入電脈沖之間都存在一個時間延遲，一般為納秒的量級。碼型效應(yīng)：脈沖序列中較長的連“0”以后出現(xiàn)的“1”碼光脈沖的幅度明顯下降。張弛振蕩：當(dāng)電流脈沖注入激光器以后，輸出光脈沖表現(xiàn)出衰減式的振蕩。張弛振蕩的頻率一般在幾百M(fèi)Hz-2GHz的量級。自脈動現(xiàn)象：激光器在某些注入電流下發(fā)生的一種持續(xù)振蕩。結(jié)發(fā)熱效應(yīng)：注入電流的熱效應(yīng)回引起激光器的閾值電流以及輸出光功率的變化.50第五十頁，共129頁。碼形效應(yīng)：張弛振蕩和自脈動：結(jié)發(fā)熱效應(yīng)：51第五十一頁，共129頁。2）半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）的特性

LED與LD的差別是它沒有光學(xué)諧振腔，不能產(chǎn)生激光，它是無閾值器件，靠自發(fā)輻射發(fā)光，產(chǎn)生的是熒光。故LED譜線寬度要比LD寬得多，在這一點(diǎn)上對于高速率信號的傳輸是不利的。但由于LED是無閾值器件，其P—I曲線具有較好的線性特性。這使它具有較好的溫度特性，使用中可以不加溫控電路。此外，LED比LD價格低、使用壽命長，所以LED在中、低速率短距離光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。52第五十二頁，共129頁。圖5-12光發(fā)射機(jī)的原理方框圖（2）光發(fā)射機(jī)的組成

53第五十三頁，共129頁。光發(fā)射機(jī)主要指標(biāo)1.輸出光功率及其穩(wěn)定性輸出光功率：從尾纖的出射端測得的光功率，一般為mw級。輸出光功率的穩(wěn)定度要求是指在環(huán)境溫度變化或器件老化過程中，輸出光功率要保持恒定。一般穩(wěn)定度為5%～10%。2.消光比EXT

消光比指全“0”時的輸出光功率P0與全“1”時的輸出光功率P1之比。即：EXT=P0/P1

一般要求EXT<10％。54第五十四頁，共129頁。2、光接收機(jī)

光接收機(jī)中實(shí)現(xiàn)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的器件稱為光電檢測器。光電檢測器是利用材料的光電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。1）半導(dǎo)體的光電效應(yīng)

光照射到半導(dǎo)體的PN結(jié)上，若光子能量足夠大，則半導(dǎo)體材料中價帶的電子吸收光子的能量，從價帶越過禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶中出現(xiàn)光電子，在價帶中出現(xiàn)光空穴，即產(chǎn)生光電子一空穴對，總起來稱光生載流子。光生載流子在外加負(fù)偏壓和內(nèi)建電場的作用下，在外電路中出現(xiàn)光電流。這樣，就實(shí)現(xiàn)了輸出電壓跟隨輸入光信號變化的光電轉(zhuǎn)換作用。55第五十五頁，共129頁。2）光電檢測器

光電檢測器的作用是利用光電二極管將由發(fā)射光端機(jī)經(jīng)光纖傳輸過來的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴Ｄ壳皵?shù)字光纖通信中常用的光檢測器主要有PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD）。56第五十六頁，共129頁。光電二極管工作原理光電二極管(PD)把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，是由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。

光電效應(yīng)是指一定波長的光照射到半導(dǎo)體PN結(jié)上，且光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度時，價帶電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶中有電子，價帶中有空穴，從而使PN結(jié)中產(chǎn)生光生載流子的一種現(xiàn)象。光生電動勢空穴電子擴(kuò)散NP擴(kuò)散漂移復(fù)合復(fù)合漂移光光電效應(yīng)在內(nèi)部電場作用下，電子向N區(qū)運(yùn)動，空穴向P區(qū)運(yùn)動，形成漂移電流。開路時，產(chǎn)生光生電動勢，閉路時，產(chǎn)生光生電流。加反向偏壓耗盡層寬度增加，兩側(cè)中性區(qū)寬度縮小響應(yīng)速度提高。57第五十七頁，共129頁。PIN光電二極管由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收，因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體I，構(gòu)成PIN光電二極管。兩側(cè)P+層和N+層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整個耗盡層，因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應(yīng)速度。PIN光電二極管結(jié)構(gòu)58第五十八頁，共129頁。APD與PIN的不同在于增加了一個附加層P。能承受高反向偏壓(約100～150V)，從而在耗盡區(qū)內(nèi)形成一個高電場區(qū)，可高達(dá)300KV/cm,在反向偏置時，夾在I層與N+層間的PN+結(jié)中存在著強(qiáng)電場。入射信號光從左側(cè)P+區(qū)進(jìn)入I區(qū)后，在I區(qū)被吸收產(chǎn)生電子-空穴對，其中的電子迅速漂移到PN+結(jié)區(qū)，PN+結(jié)中的強(qiáng)電場便使得電子產(chǎn)生雪崩效應(yīng)。雪崩光電二極管(APD)59第五十九頁，共129頁。APD載流子雪崩式倍增示意圖當(dāng)光入射到PN結(jié)時，光子被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對。如果電壓增加到使電場達(dá)到200kV/cm以上，初始電子(一次電子)在高電場區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動。高速運(yùn)動的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，會使中性原子價帶上的電子獲得能量后躍遷到導(dǎo)帶上去，產(chǎn)生新的電子-空穴對。新產(chǎn)生的二次電子再次同樣能在強(qiáng)電場作用下和原子碰撞，進(jìn)而產(chǎn)生新的電子-空穴對。如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增，所以這種器件就稱為雪崩光電二極管(APD，AvalanchePhotodiode)。60第六十頁，共129頁。圖5-14數(shù)字光接收機(jī)組成框圖3）光接收機(jī)的組成光接收機(jī)作用：探測經(jīng)傳輸后的微弱光信號，并放大、再生成原傳輸?shù)男盘枴?shù)字光接收機(jī)組成：

光檢測器、前置放大器、主放大器、均衡器、時鐘提取電路、取樣判決器以及自動增益控制(AGC)電路。61第六十一頁，共129頁。Pr=10lg4)光接收機(jī)主要指標(biāo)

(1).接收靈敏度Pr

靈敏度Pr的定義：在保證通信質(zhì)量(限定誤碼率BER或信噪比)的條件下，光接收機(jī)所需的最小平均接收光功率，一般并以dBm為單位。靈敏度表示光接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時，能夠接收微弱光信號的能力。

影響靈敏度的主要因素是光信號檢測過程及前置放大器中的各種噪聲。另外光發(fā)射機(jī)消光比、激光器輸出功率穩(wěn)定性、光纖色散引起的脈沖展寬變形、光探測器量子效率，接收機(jī)均衡器不理想、時鐘抖動等許多因素都會降低光接收機(jī)靈敏度。62第六十二頁，共129頁。接收機(jī)靈敏度可用以下三種物理量來表征：

(1)最低平均接收光功率Pr(2)每個光脈沖的最低平均接收光子數(shù)n0(3)每個光脈沖的最低平均能量Ed對于“1”、‘“0”等概出現(xiàn)的NRZ碼，三者之間的關(guān)系為：Tb為脈沖碼元周期，Tb＝1/fb，fb為傳輸速率。63第六十三頁，共129頁。理想光接收機(jī)的靈敏度假設(shè)光檢測器的暗電流為零，放大器完全沒有噪聲，系統(tǒng)可以檢測出單個光子形成的電子-空穴對所產(chǎn)生的光電流，這種接收機(jī)稱為理想光接收機(jī)。

它的靈敏度只受到光檢測器的量子噪聲的限制，因?yàn)榱孔釉肼暿前殡S光信號的隨機(jī)噪聲，只要有光信號輸入，就有量子噪聲存在。光子計數(shù)過程的概率密度為泊松分布。N為一個”1”脈沖碼元的平均光子數(shù)。64第六十四頁，共129頁。當(dāng)光檢測器沒有光輸入時，放大器就完全沒有電流輸出，因此“0”碼誤判為“１”碼的概率為0，即Pe,01=0。

產(chǎn)生誤碼的惟一可能就是當(dāng)一個光脈沖輸入時，光檢測器沒有產(chǎn)生光電流，放大器沒有電流輸出。這個概率，即“1”碼誤判為“0”碼的概率Pe,10=exp(-N)。

當(dāng)“0”碼和“1”碼等概率出現(xiàn)時，誤碼率為：當(dāng)N>20.031時，BER<10-9。每個脈沖至少要有21個光子，才能保證判決時誤碼率小于或等于10-9。這是光接收機(jī)可能達(dá)到的最高靈敏度，這個極限值是由量子噪聲決定的，所以稱為量子極限。如“0”，“1”比特的光子數(shù)進(jìn)行平均，則個光子。65第六十五頁，共129頁。(2).動態(tài)范圍Dmax

動態(tài)范圍的定義：在限定的誤碼率條件下，光接收機(jī)所能承受的最大平均接收光功率<P>max和所需最小平均接收光功率<P>min的比值，用dB表示。

動態(tài)范圍是光接收機(jī)性能的另一個重要指標(biāo)，表示光接收機(jī)接收強(qiáng)光的能力，數(shù)字光接收機(jī)的動態(tài)范圍一般大于15dB。66第六十六頁，共129頁。3.光中繼器作用：補(bǔ)償光信號的能量衰減，對波形失真脈沖整形。若只補(bǔ)償光信號的能量衰減，可采用光纖放大器；

光－電－光轉(zhuǎn)換的中繼器，還可補(bǔ)償波形失真；67第六十七頁，共129頁。半導(dǎo)體光放大器（SOA）

利用半導(dǎo)體制作的半導(dǎo)體光放大器（SOA）小型化，容易與其他半導(dǎo)體器件集成;性能與光偏振方向有關(guān)，器件與光纖的耦合損耗大光纖放大器(OFA)

利用稀土摻雜的光纖放大器EDFA(1550nm)、PDFA(1450-1510nm)，TDFA(1300nm),YDFA(1060nm）利用光纖非線性效應(yīng)制作的非線性光纖放大器（FRA、FBA）光放大器68第六十八頁，共129頁。EDFA的結(jié)構(gòu)及工作原理在泵浦能量光的作用下，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，然后通過受激輻射實(shí)現(xiàn)對入射光的放大。光放大器是基于受激輻射原理實(shí)現(xiàn)入射光信號放大的一種器件。其機(jī)制與激光器完全相同。實(shí)際上，光放大器在結(jié)構(gòu)上是一個沒有反饋或反饋較小的激光器。69第六十九頁，共129頁。EDFA中的Er3+能級結(jié)構(gòu)鉺離子簡化能級示意圖吸收泵浦光快速非輻射躍遷光放大受激輻射產(chǎn)生噪聲自發(fā)輻射受激吸收基態(tài)能帶泵浦能帶980nm1480nm亞穩(wěn)態(tài)能帶1550nm泵浦波長可以是520、650、800、980、1480nm,波長短于980nm的泵浦效率低，980nm和1480nm的LD已經(jīng)商品化,因而通常采用980和1480nm泵浦。70第七十頁，共129頁。

EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的主要作用是延長中繼距離，當(dāng)它與波分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合時，可實(shí)現(xiàn)超大容量、超長距離的傳輸。摻鉺光纖放大器在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要有以下幾種形式： (a)作光中繼器； (b)作發(fā)射機(jī)功率放大器； (c)作前置放大器。EDFA的主要應(yīng)用71第七十一頁，共129頁。?接口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一

沒有國際統(tǒng)一的速率標(biāo)準(zhǔn)，北美、西歐和亞洲所采用的三種數(shù)字系列互不兼容。

沒有國際統(tǒng)一的光接口規(guī)范（多種碼型變換方案）?復(fù)用結(jié)構(gòu)復(fù)雜

上下電路需大量硬件進(jìn)行逐級復(fù)用與解復(fù)用、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳輸性能劣化。?缺乏有效的網(wǎng)絡(luò)管理功能

網(wǎng)絡(luò)的OAM(Operation，AdministrationandMaintenance)能力差，無足夠的開銷字節(jié)。5.2SDH光傳輸網(wǎng)

目前傳輸網(wǎng)的技術(shù)體制主要有準(zhǔn)同步數(shù)字系列（PDH）和同步數(shù)字系列（SDH）。PDH的缺點(diǎn)：72第七十二頁，共129頁。

?同步數(shù)字系列(SDH,SynchronousDigitalHierarchy),1988SDH網(wǎng)是由一些SDH的網(wǎng)絡(luò)單元組成的，主要在光纖信道上進(jìn)行同步信息傳輸、復(fù)用、分插和交叉連接的網(wǎng)絡(luò)。

特點(diǎn)：（1）SDH網(wǎng)有全世界統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口(NNI)，從而簡化了信號的互通以及信號的傳輸、復(fù)用、交叉連接等過程。（2）有一套標(biāo)準(zhǔn)化的信息結(jié)構(gòu)，稱為同步傳輸模塊(STM)。（3）有一套特殊的復(fù)用結(jié)構(gòu)，現(xiàn)存PDH、SDH和寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(B-ISDN)等信號都能納入其幀結(jié)構(gòu)中傳輸，兼容性強(qiáng)。（4）大量采用軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置和控制，增加新功能和新特性非常方便，適合將來不斷發(fā)展的需要。（5）有標(biāo)準(zhǔn)的光接口，即允許不同廠家的設(shè)備在光路上互通。73第七十三頁，共129頁。?接口方面

縱向兼容性：使現(xiàn)存的PDH業(yè)務(wù)都能進(jìn)入其幀結(jié)構(gòu)，還可容納各種新的數(shù)字業(yè)務(wù)信號。橫向兼容性：有全世界統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口，任何網(wǎng)絡(luò)單元在光路上得以互通。?復(fù)用方式

信號采用同步復(fù)用方式和靈活的映射結(jié)構(gòu)，位置是可預(yù)見的。支持一次復(fù)用/解復(fù)用，節(jié)省了大量的復(fù)接/分接設(shè)備，減少了信號損傷、設(shè)備成本等，業(yè)務(wù)的上、下更加簡便。?運(yùn)行維護(hù)方面

安排了豐富的用于運(yùn)行、管理和維護(hù)（OAM）功能的開銷比特，使網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控功能大大加強(qiáng)。SDH的主要優(yōu)點(diǎn)：74第七十四頁，共129頁。光/電光信號分接分接分接140/34Mb/s34/8Mb/s8/2Mb/s復(fù)接復(fù)接復(fù)接電/光光信號2/8Mb/s8/34Mb/s34/140Mb/s2Mb/s(電信號)SDHADM155Mb/s光接口155Mb/s光接口2Mb/s(電信號)PDH

采用SDH分插復(fù)用器(ADM)，可以直接分出和插入2Mb/s支路信號，節(jié)省了大量的復(fù)接/分接設(shè)備，減少了信號損傷。

PDH和SDH分插信號流程的比較75第七十五頁，共129頁。(1).終端復(fù)用器TM和分插復(fù)用器ADMTM(TerminalMultiplexer)

——終端復(fù)用器將PDH各低速支路信號或SDH的155Mb/s電信號納入STM-1幀結(jié)構(gòu)中，并電/光轉(zhuǎn)換為STM-1光線路信號。其逆過程正好相反。

SDH基本網(wǎng)絡(luò)單元設(shè)備終端復(fù)用器TM和分插復(fù)用器ADM，再生中繼器REG，數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC。76第七十六頁，共129頁。ADM(Add-DropMultiplexer)——分插復(fù)用器：是將同步復(fù)用和數(shù)字交叉連接功能綜合于一體，具有靈活地分插任意支路信號能力地網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。ADM除完成TM功能外，最重要還能完成兩側(cè)線路信號間以及線路與支路信號間的交叉連接。可替代TM作為終端復(fù)用器。77第七十七頁，共129頁。(2)REG(Regenerator)——再生中繼器

·REG用于各種類型的網(wǎng)絡(luò)中長距離再生中繼。·主要是完成信號的再生，放大與中繼傳輸功能.·與TM、ADM相比，它在站點(diǎn)上沒有上下業(yè)務(wù)的功能.·處理RSOH。78第七十八頁，共129頁。DXC設(shè)備:一種具有1個或多個準(zhǔn)同步數(shù)字體系或同步數(shù)字體系信號端口，并至少可以對任何端口信號速率(或其子速率信號)與其它端口信號速率(或其子速率信號)間進(jìn)行可控連接和再連接的設(shè)備。

DXC兼有復(fù)用、配線、保護(hù)/恢復(fù)、監(jiān)控和網(wǎng)管多項功能。其核心是交叉連接矩陣。

DXC的交叉結(jié)構(gòu)SDXC：

適用于SDH的DXC則稱為SDXC。PDH中的DXC只能處理有限個PDH等級信號，而SDXC則能處理包含各種等級信號及其混合體的VC，并對這些VC進(jìn)行連接和再連接功能。SDXC采用SDH復(fù)用技術(shù)，省去了傳統(tǒng)DXC的全套背靠背復(fù)用設(shè)備.(3)DXC(DigitalCrossConnecton)——數(shù)字交叉連接設(shè)備79第七十九頁，共129頁。DXC的配置:DXC有多種配置形式。通常用DXCm/n表示一個DXC類型，其中m≥n，m表示接入速率最高等級，n表示交叉連接的最低速率等級.如DXC4/1，表示接入端口是最高速率為140Mb/s或155Mb/s，而交叉連接的最低速率為一次群信號。這種DXC允許所有1、2、3、4次群信號和STM－1信號接入和進(jìn)行交叉連接。

80第八十頁，共129頁。首先，每個輸入信號被分接成m個并行的交叉連接信號；然后，內(nèi)部的交叉連接網(wǎng)采用時隙交換技術(shù)（TSI），按照預(yù)先存放好的交叉連接圖或動態(tài)計算的交叉連接圖對這些交叉連接通道進(jìn)行重新安排；最后，利用復(fù)接功能將這些重新安排的信號復(fù)接成高速信號輸出。

交叉連接過程：整個交叉連接過程由DXC的本地OS或連至TMN的支持設(shè)備控制。81第八十一頁，共129頁。DXC的交叉連接功能也是一種“交換功能”，DXC同數(shù)字交換機(jī)的差別:DXC數(shù)字交換機(jī)交換對象不同2M～155M電路群64Kbps的電路正常保持時間不同數(shù)小時至數(shù)天幾分鐘典型交換口數(shù)量16~10241000～100000正常交換設(shè)計無阻塞或低阻塞有阻塞交換控制嵌入 外部控制信號(OS控制)業(yè)務(wù)信號(用戶控制)定時透明性具備不具備

數(shù)字交換機(jī)實(shí)現(xiàn)的是用戶之間的動態(tài)連接，用戶有權(quán)改變這個連接，而DXC實(shí)現(xiàn)的是支路之間的交叉連接，是半永久性連接，用戶無權(quán)改變，連接的改變由網(wǎng)管中心控制。82第八十二頁，共129頁。SDH的速率

在SDH的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口上，共規(guī)定了4個等級的速率，即STM-1，STM-4，STM-16和STM-64，其速率分別為

STM-1155.520Mbps，STM-4622.080Mbps，STM-162488.320Mbps,STM-649953.280Mbps,最基本也是最重要的模塊信號是STM-1，而更高等級的STM-N模塊是將STM-1的字節(jié)以字節(jié)交錯間插方式同步復(fù)用的結(jié)果。83第八十三頁，共129頁。SDH的幀結(jié)構(gòu)SDH采用以字節(jié)為基礎(chǔ)的塊狀幀結(jié)構(gòu)。一個STM-N幀有9行，每行由270×N個字節(jié)組成。這樣每幀共有9×270×N個字節(jié)，每字節(jié)為8bit。幀周期為125μs，即每秒8000幀，每字節(jié)含64kb/s的容量。對于STM-1，傳輸速率為9×270×8×8000=155.520Mb/s。字節(jié)發(fā)送順序?yàn)椋河缮贤轮鹦邪l(fā)送，每行先左后右。84第八十四頁，共129頁。SDH幀大體可分為三個部分：

(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)，主要用于運(yùn)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。對于STM-1，SOH共使用9×8(第4行除外)=72字節(jié)(576比特)。由于每秒傳輸8000幀，所以SOH的容量為576×8000=4.608Mb/s。段開銷又細(xì)分為再生段開銷(RSOH)和復(fù)用段開銷(MSOH)。前者占前3行，后者占5～9行。(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。對于STM-1，Payload有9×261=2349Byte,相應(yīng)于2349×8×8000=150.336Mb/s的容量。在Payload中包含少量字節(jié)用于通道的運(yùn)行、維護(hù)和管理，這些字節(jié)稱為通道開銷(POH)。85第八十五頁，共129頁。(3)管理單元指針(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)。對于STM-1，AU-PTR有9個字節(jié)(第4行)，相應(yīng)于9×8×8000=0.576Mb/s。

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。86第八十六頁，共129頁。87第八十七頁，共129頁。N個STM-1幀通過字節(jié)間插復(fù)用成STM-N幀。各STM-1幀的AU-PTR和payload的所有字節(jié)原封不動的按字節(jié)間插復(fù)用方式復(fù)用。而段開銷的復(fù)用方式就有所區(qū)別，并非簡單的交錯間插。段開銷中的A1、A2、B2字節(jié)、指針和凈負(fù)荷按字節(jié)交錯間插復(fù)用進(jìn)行STM-N。各STM-1中的其它開銷字節(jié)經(jīng)過終結(jié)處理，再重新插入STM-N相應(yīng)的開銷字節(jié)中。STM-N幀中的段開銷(N=4,16,64)：88第八十八頁，共129頁。STM-4SOH字節(jié)安排STM-1SOH字節(jié)安排89第八十九頁，共129頁。圖5-25G.709建議的SDH復(fù)用結(jié)構(gòu)5.2.3SDH的復(fù)用結(jié)構(gòu)和步驟各種業(yè)務(wù)信號復(fù)用進(jìn)STM-N幀的過程都要經(jīng)歷映射（相當(dāng)于信號打包）、定位（相當(dāng)于指針調(diào)整）、復(fù)用三個步驟。90第九十頁，共129頁。我國的SDH復(fù)用結(jié)構(gòu)

復(fù)用單元：SDH的基本復(fù)用單元包括標(biāo)準(zhǔn)容器(C)，虛容器(VC)，支路單元(TU)，支路單元組(TUG)，管理單元(AU)和管理單元組(AUG).91第九十一頁，共129頁。復(fù)用單元:

標(biāo)準(zhǔn)容器C、虛容器VC、管理單元AU、支路單元TU等。(1)、標(biāo)準(zhǔn)容器C標(biāo)準(zhǔn)容器C是一種用來裝載各種速率業(yè)務(wù)信號的信息結(jié)構(gòu)，主要完成參與SDH復(fù)用的各種業(yè)務(wù)信號與VC之間的適配功能(如碼速調(diào)整等)。針對不同的PDH信號，G.709規(guī)定了5種標(biāo)準(zhǔn)容器：C-11，C-12，C-2，C-3，C-4：我國的SDH復(fù)用結(jié)構(gòu)：2.048Mb/sC-1234.368Mb/sC-3139.264Mb/sC-492第九十二頁，共129頁。(2).虛容器VC

虛容器VC是用來支持SDH的通道(通路)層連接的信息結(jié)構(gòu)，他是由標(biāo)準(zhǔn)容器C的信號再加上對信號進(jìn)行維護(hù)與管理的通道開銷POH構(gòu)成。虛容器又分為高階VC和低階VC，能夠容納高階容器的VC為高階虛容器，容納低階容器的VC為低階虛容器。無論是高階還是低階VC，他們在SDH網(wǎng)絡(luò)中保持獨(dú)立的、相互同步的傳輸狀態(tài)，即其幀速率與網(wǎng)絡(luò)保持同步，并且同一網(wǎng)絡(luò)中的不同VC的幀速率都是相互同步的，因而在VC級別上可以實(shí)現(xiàn)交叉連接操作，從而在不同VC中裝載不同速率的PDH信號。另外，VC信號僅在PDH/SDH網(wǎng)絡(luò)邊界處才進(jìn)行分接，從而在SDH網(wǎng)絡(luò)中始終保持完整不變，獨(dú)立的在通道的任意一點(diǎn)進(jìn)行分出、插入或交叉連接。93第九十三頁，共129頁。(3).支路單元和支路單元組（TU和TUG）

支路單元TU是提供低階通道層和高階通道層之間適配的信息結(jié)構(gòu)（即負(fù)責(zé)將低階虛容器經(jīng)支路單元組裝進(jìn)高階虛容器）。有四種支路單元，即TU-n（n＝11，12,2，3）。

TU-n由一個低階VC和指示其在高階VC中初始字節(jié)位置的支路單元指針TU-PTR組成，即TU-n＝VC-n+TU-nPTR在高階VC凈負(fù)荷中固定地占有規(guī)定位置的一個或多個TU的集合稱為支路單元組(TUG)。TUG把一些不同規(guī)模的TU-n組合成一個TUG的信息凈負(fù)荷，可增加傳輸網(wǎng)絡(luò)的靈活性。例如1個TUG-2可由:1個TU-2,或3個TU-12，或4個TU-11按字節(jié)間插組成。

94第九十四頁，共129頁。(4).管理單元和管理單元組（AU和AUG）

管理單元（AU）是提供高階通道層和復(fù)用段層之間適配的信息結(jié)構(gòu)（即負(fù)責(zé)將高階虛容器經(jīng)管理單元組裝進(jìn)STM-N幀），有AU-3和AU-4兩種管理單元。

AU-n（n＝3，4）由一個高階VC和指示高階VC在STM-N中的起始字節(jié)位置的管理單元指針AU-PTR構(gòu)成，即AU-n=高階VC-n+AU-nPTR；n=3,4AU指針相對于STM-N幀的位置是固定的。一個或多個在STM幀中占有固定位置的AU組成一個管理單元組AUG。1個AUG可由1個AU-4或3個AU-3按字節(jié)間插組成。在AUG中加入段開銷(SOH)后便可形成最終的STM-N幀。95第九十五頁，共129頁。(5).指針

指針用來指示信息凈負(fù)荷的起點(diǎn)，是管理單元和支路單元的重要組成部分，指針可以作為調(diào)整碼速的工具。保證SDH網(wǎng)絡(luò)在要求的時鐘精度下工作。(1)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)同步時，指針用來進(jìn)行同步信號間的相位校準(zhǔn)。此時無需進(jìn)行速率適配，但由于傳輸途徑不同，碼元相位并不完全相同,因而需要進(jìn)行相位校準(zhǔn)。(2)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)失配時，指針用作頻率和相位的校準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)失去同步或異步工作時,不同網(wǎng)元工作的頻率有偏差,需要頻率跟蹤校準(zhǔn),頻率校準(zhǔn)伴隨相位校準(zhǔn)。(3)指針還可以用來減輕網(wǎng)絡(luò)中的頻率抖動和漂移的影響。SDH指針包括AU-4指針、TU-3指針和TU-12指針3種(我國)。96第九十六頁，共129頁。2.SDH信號的復(fù)用步驟

將各種業(yè)務(wù)信號復(fù)用進(jìn)入STM-N幀，包括：映射、定位和復(fù)用三個步驟。

映射——將各種速率的支路信號先分別經(jīng)過碼速調(diào)整裝入相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)容器，然后再裝進(jìn)虛容器的過程。

2.048Mb/sVC-1234.368Mb/sVC-3139.264Mb/sVC-4

（我國的情況）97第九十七頁，共129頁。定位——是一種以附加于VC上的支路單元指針來指示和確定低階VC幀的起點(diǎn)在TU凈負(fù)荷中位置；或管理單元指針指示和確定高階VC幀的起點(diǎn)在AU凈負(fù)荷中位置的過程。

以附加于VC-12上的TU-12PTR指示和確定VC-12的起點(diǎn)在TU-12凈負(fù)荷中位置；以附加于VC-3上的TU-3PTR指示和確定VC-3的起點(diǎn)在TU-3凈負(fù)荷中的位置；以附加于VC-4上的AU-4PTR指示和確定VC-4的起點(diǎn)在AU-4凈負(fù)荷中的位置（我國的情況）。98第九十八頁，共129頁。復(fù)用——把TU組織進(jìn)高階VC或把AU組織進(jìn)STM-N的過程。將TU-12經(jīng)TUG-2再經(jīng)TUG-3裝進(jìn)VC-4的過程；將TU-3經(jīng)TUG-3裝進(jìn)VC-4的過程；將AU-4裝進(jìn)STM-N幀的過程。我國的SDH復(fù)用映射結(jié)構(gòu)規(guī)范可有3個PDH支路信號輸入口。1個139.264Mb/s可被復(fù)用成一個STM-1；63個2.048Mb/s可被復(fù)用成一個STM-1；3個34.368Mb/s也能復(fù)用成一個STM-1。99第九十九頁，共129頁。2.048Mb/s支路信號復(fù)用進(jìn)STM-1:100第一百頁，共129頁。(VC4幀速率比AU-4幀速率高)101第一百零一頁，共129頁。5.4.2SDH網(wǎng)絡(luò)1、SDH網(wǎng)的物理拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浞褐妇W(wǎng)絡(luò)的形狀，即網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)和傳輸線路的幾何排列，它反映了物理上的連接性。除了最簡單的點(diǎn)到點(diǎn)的物理拓?fù)渫猓W(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)湟话阌?種類型，即線形、星形、樹形、環(huán)形和網(wǎng)孔形。(a)線形；(b)星形；(c)樹形;(d)環(huán)形；(e)網(wǎng)孔形102第一百零二頁，共129頁。我國的SDH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：本地網(wǎng)長途網(wǎng)103第一百零三頁，共129頁。2SDH自愈網(wǎng)

自愈網(wǎng)(SelfhealingNetwork)就是無需人為干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)就能在極短的時間內(nèi)(<50ms)從失效故障中自動恢復(fù)，使用戶感覺不到網(wǎng)絡(luò)已出了故障。其基本原理就是使網(wǎng)絡(luò)具備發(fā)現(xiàn)替代傳輸路由并重新確立通信的能力。自愈網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)手段目前主要有線路保護(hù)倒換、環(huán)形網(wǎng)保護(hù)、DXC保護(hù)及混合保護(hù)等。

(具體失效元部件的修復(fù)或更換，需人工干預(yù)才能完成。）

104第一百零四頁，共129頁。常見的倒換方式有1+1，1:1和1:n：1＋1:指發(fā)端在主備兩個信道上發(fā)同樣的信息(并發(fā))，收端在正常情況下選收主用信道上的業(yè)務(wù)。在主用信道損壞時，通過切換選收備用信道而使主用業(yè)務(wù)得以恢復(fù)。倒換速度快，但信道利用率低。

1：1:指在正常時發(fā)端在主用信道上發(fā)主用業(yè)務(wù)，在備用信道上發(fā)額外業(yè)務(wù)(低級別業(yè)務(wù))，收端從主用信道收主用業(yè)務(wù)，從備用信道收額外業(yè)務(wù)。當(dāng)主用信道損壞時，為保證主用業(yè)務(wù)傳輸，發(fā)端將主用業(yè)務(wù)發(fā)到備用信道上，收端將切換到從備用信道選收主用業(yè)務(wù)，此時備用信道額外業(yè)務(wù)被終結(jié)，主用業(yè)務(wù)傳輸?shù)玫交謴?fù)。

倒換速率較慢，但信道利用率高，額外業(yè)務(wù)不被保護(hù)。

1：n是指一條備用信道保護(hù)n條主用信道。這時信道利用率更高，但一條備用信道只能同時保護(hù)一條主用信道，所以系統(tǒng)可靠性降低了。105第一百零五頁，共129頁。（一）線路保護(hù)倒換

線路保護(hù)倒換是最簡單的自愈形式，其基本原理是當(dāng)出現(xiàn)故障時，由工作通道（主用）倒換到保護(hù)通道（備用），用戶業(yè)務(wù)得以繼續(xù)傳送。線路保護(hù)倒換的主要特點(diǎn)：①業(yè)務(wù)恢復(fù)時間很快，可短于50ms。②若工作段和保護(hù)段屬同纜復(fù)用（即主用和備用光纖在同一纜芯內(nèi)），則有可能導(dǎo)致工作段（主用）和保護(hù)段（備用）同時因意外故障而被切斷，此時這種保護(hù)方式就失去作用.106第一百零六頁，共129頁。（二）環(huán)形網(wǎng)保護(hù)

改善網(wǎng)絡(luò)生存性的最好辦法是將網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)連成一個環(huán)形，形成所謂的自愈環(huán)(SelfhealingRing)。環(huán)形網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)可以是ADM，也可以是DXC，但通常由ADM構(gòu)成。按自愈環(huán)中每個節(jié)點(diǎn)插入支路信號在環(huán)中流動的方向來分，可以分為單向環(huán)和雙向環(huán)；按保換倒換的層次來分，可以分為通道倒換環(huán)和復(fù)用段倒換環(huán)；按環(huán)中每一對節(jié)點(diǎn)間所用光纖的最小數(shù)量來分，可以劃分為二纖環(huán)和四纖環(huán)。107第一百零七頁，共129頁。圖5.16二纖單向通道倒換環(huán)

1.二纖單向通道保護(hù)(倒換)環(huán)通常單向環(huán)由兩根光纖來實(shí)現(xiàn)，S1光纖用來攜帶業(yè)務(wù)信號，P1光纖用來攜帶保護(hù)信號。

雙發(fā)選收，1＋1保護(hù)方式；特點(diǎn)：適用于業(yè)務(wù)集中分布網(wǎng)絡(luò)。108第一百零八頁，共129頁。（2）二纖單向復(fù)用段倒換環(huán)在這種環(huán)形結(jié)構(gòu)中每一結(jié)點(diǎn)都有一個保護(hù)倒換開關(guān)。正常情況下，S1光纖傳送業(yè)務(wù)信號，P1光纖是空閑的(或傳輸額外信息)。當(dāng)BC結(jié)點(diǎn)間光纜被切斷：B和C的保護(hù)倒換開關(guān)利用APS(AutomaticProtectionSwitching)協(xié)議執(zhí)行環(huán)回功能。109第一百零九頁，共129頁。（3）二纖雙向復(fù)用段倒換環(huán)在四纖雙向復(fù)用段倒換環(huán)中，光纖S1上的業(yè)務(wù)信號與光纖P2上的保護(hù)信號的傳輸方向完全相同。如果利用時隙交換技術(shù)，可以使光纖S1和光纖P2上的信號都置于一根光纖(稱S1/P2光纖)中，例如S1/P2光纖的一半時隙用于傳送業(yè)務(wù)信號，另一半時隙留給保護(hù)信號。二纖雙向復(fù)用段倒換環(huán)110第一百一十頁，共129頁。（三）DXC保護(hù)

DXC保護(hù)主要是指利用DXC設(shè)備在網(wǎng)孔形網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行保護(hù)的方式。在業(yè)務(wù)量集中的長途網(wǎng)中，一個節(jié)點(diǎn)有很多大容量的光纖支路，它們彼此之間構(gòu)成互連的網(wǎng)孔形拓?fù)洹Ｈ羰窃诠?jié)點(diǎn)處采用DXC4/4設(shè)備，則一旦某處光纜被切斷時，利用DXC4/4的快速交叉連接特性，可以很快地找出替代路由，并且恢復(fù)通信。于是產(chǎn)生了DXC保護(hù)方式。111第一百一十一頁，共129頁。圖5-30采用DXC為節(jié)點(diǎn)保護(hù)假設(shè)從A到D節(jié)點(diǎn)，本有12個單位的業(yè)務(wù)量(假設(shè)12×140/155Mbit/s)，當(dāng)AD間的光纜被切斷后，DXC可以從網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)圖中所示的3條替代路由來共同承擔(dān)這幾個單位的業(yè)務(wù)量。從A經(jīng)E到D分擔(dān)6個單位，從A經(jīng)B和E到D為2個單位，從A經(jīng)B，C和F到D為4個單位。112第一百一十二頁，共129頁。（四）混合保護(hù)

所謂混合保護(hù)是采用環(huán)形網(wǎng)保護(hù)和DXC保護(hù)相結(jié)合，這樣可以取長補(bǔ)短，大大增加網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)能力。113第一百一十三頁，共129頁。（五）各種自愈網(wǎng)的比較線路保護(hù)倒換：配置容易，網(wǎng)絡(luò)管理簡單，恢復(fù)時間很短（50ms以內(nèi)），但缺點(diǎn)是成本較高，主要適用于兩點(diǎn)間有穩(wěn)定的大業(yè)務(wù)量的點(diǎn)到點(diǎn)應(yīng)用場合。

環(huán)形網(wǎng)保護(hù)：有很高的生存性，故障后網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時間很短(小于50ms)，具有良好的業(yè)務(wù)量疏導(dǎo)能力，環(huán)形網(wǎng)主要適用于用戶接入網(wǎng)和局間中繼網(wǎng)。其主要缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃較困難，開始時很難準(zhǔn)確預(yù)計將來的發(fā)展，因此在開始時需要規(guī)劃較大的容量。DXC保護(hù)：同樣具有很高的生存性，DXC保護(hù)最適于高度互連的網(wǎng)孔形拓?fù)洹?/p>