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文檔簡介
1、第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 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 5.3系統(tǒng)的設計 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 5.1兩種傳輸體制兩種傳輸體制 光纖大容量數(shù)字傳輸目前都采用同步時分復用(TDM)技 術,復用又分為若干等級,因而先后有兩種傳輸體制: 準 同步數(shù)字系列(PDH)和同步數(shù)字系列(SDH)。PDH早在1976 年就實現(xiàn)了標準化,目前還大量使用。隨著光纖通信技術和 網(wǎng)絡的發(fā)展,PDH遇到了許多困難。在技術迅速發(fā)展的推動 下,美國提出了同步光纖網(wǎng)(SONET)。1988年,ITU-T(原 CCITT)參照SONET的概念,提出了被稱為同步數(shù)字系列 (SDH)的規(guī)范建議。
2、SDH解決了PDH存在的問題,是一種比 較完善的傳輸體制,現(xiàn)已得到大量應用。這種傳輸體制不僅 適用于光纖信道,也適用于微波和衛(wèi)星干線傳輸。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 5.1.1準同步數(shù)字系列準同步數(shù)字系列PDH 準同步數(shù)字系列有兩種基礎速率: 一種是以1.544 Mb/s 為第一級(一次群,或稱基群)基礎速率的,采用的國家有北 美各國和日本; 另一種是以2.048 Mb/s為第一級(一次群)基 礎速率的,采用的國家有西歐各國和中國。表5.1是世界各 國商用數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的PDH傳輸體制,表中示出兩種基 礎速率各次群的速率、話路數(shù)及其關系。對于以2.048 Mb/s 為基礎速率的制式,各次群的話
3、路數(shù)按4倍遞增,速率的關 系略大于4倍,這是因為復接時插入了一些相關的比特。對 于以1.544 Mb/s為基礎速率的制式,在3次群以上,日本和 北美各國又不相同,看起來很雜亂。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) PDH各次群比特率相對于其標準值有一個規(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)準同步復用。 一次群至四次群接口比特率早在1976年就實現(xiàn)了標準化,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。隨著技術的進步和社會對信息的需求,數(shù)字系統(tǒng)傳輸容 量不斷提高,網(wǎng)絡管理和控制的要求日益重要,寬帶綜合業(yè) 務數(shù)字網(wǎng)和計算機網(wǎng)絡迅速發(fā)展,迫切需要建立在世
4、界范圍 內(nèi)統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡。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: 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) (1) 北美、西歐和亞洲所采用的三種數(shù)字系列互不兼容, 沒有世界統(tǒng)一的標準光接口,使得國際電信網(wǎng)的建立及網(wǎng)絡 的營運、管理和維護變得十分復雜和困難。 (2) 各種復用系列都有其相應的幀結(jié)構(gòu),沒有足夠的開 銷比特,使網(wǎng)絡設計缺乏靈活性,不能適應電信網(wǎng)絡不斷擴 大、技術不斷更新的要求。 (3) 由于低速率信號插入到高速率信號,或從高速率信 號分出,都必須逐級進行,不能直接分插,因而復接/分接 設備結(jié)構(gòu)復雜,上下話路價格昂貴。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 5.1.2同步數(shù)字系列同步數(shù)字系列SD
5、H 1. SDH傳輸網(wǎng)傳輸網(wǎng) SDH不僅適合于點對點傳輸,而且適合于多點之間的網(wǎng)絡 傳輸。圖5.1示出SDH傳輸網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu),它由SDH終接設備(或 稱SDH終端復用器TM)、分插復用設備ADM、數(shù)字交叉連接設 備DXC等網(wǎng)絡單元以及連接它們的(光纖)物理鏈路構(gòu)成。SDH 終端的主要功能是復接/分接和提供業(yè)務適配,例如將多路E1信 號復接成STM-1信號及完成其逆過程,或者實現(xiàn)與非SDH網(wǎng)絡 業(yè)務的適配。ADM是一種特殊的復用器,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),另一部分 卸下給本地用戶。然后信息又通過復接功能將轉(zhuǎn)發(fā)部分和本地 上送的部分合成輸出。DXC類似于
6、交換機,它一般有多個輸入 和多個輸出,通過適當配置可提供不同的端到端連接。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.1SDH傳輸網(wǎng)的典型拓撲結(jié)構(gòu) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 上述TM、ADM和DXC的功能框圖分別如圖5.2(a)、(b)、 (c)所示。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)所示,相應的分層結(jié)構(gòu)如圖5.3(b)所示。每個通道 (Path)由一個或多個復接段(Line)構(gòu)成,而每一復接段又由若 干個再生段(Section)串接而成。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖5.2SDH傳輸網(wǎng)絡單元 終端復用器TM; (b) 分插
7、復用設備ADM(add/drop Multiplexer); (a) (c) 數(shù)字交叉連接設備DXC 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.3傳輸通道的結(jié)構(gòu) (a) 傳輸通道連接模型; (b) 分層結(jié)構(gòu) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 與PDH相比,SDH具有下列特點: (1) SDH采用世界上統(tǒng)一的標準傳輸速率等級。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同步復接組成STM-4,傳輸速率為 4155.52 Mb/s=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。一般為STM-N,N
8、=1, 4,16,64。由于速率等級采用統(tǒng)一標準,SDH就具有統(tǒng) 一的網(wǎng)絡結(jié)點接口,并可以承載現(xiàn)有的PDH(如E1、E3)和各 種新的數(shù)字信號(如以太網(wǎng)幀、ATM信元、IP分組等),有利 于不同通信系統(tǒng)的互連。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) (2) SDH各網(wǎng)絡單元的光接口有嚴格的標準規(guī)范。因此, 光接口成為開放型接口,任何網(wǎng)絡單元在光纖線路上可以互 連,不同廠家的產(chǎn)品可以互通,這有利于建立世界統(tǒng)一的通 信網(wǎng)絡。另一方面,標準的光接口綜合進各種不同的網(wǎng)絡單 元,簡化了硬件,降低了網(wǎng)絡成本。有關光接口標準請參看 本書附錄A。 (3) 在SDH幀結(jié)構(gòu)中,有豐富的開銷比特,可用于網(wǎng)絡 的運行、維護和管理,
9、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。(在后續(xù)章節(jié)將進行介紹。) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) (4) 采用數(shù)字同步復用技術,其最小的復用單位為字節(jié) (八比特組),不必進行碼速調(diào)整,簡化了復接分接的實現(xiàn)設 備,由低速信號復接成高速信號,或從高速信號分出低速信 號,不必逐級進行。 圖 5.4 示出PDH和SDH分插信號流程的比較。在PDH中, 為了從140 Mb/s碼流中分出一個2 Mb/s的支路信號,必須經(jīng) 過140/34 Mb/s, 34/8 Mb/s和8/2 Mb/s三次分接。而若采用 SDH分插復用器(ADM),可以利用軟件一次直接分出和插入 2 Mb/s支路信號,十分簡便。
10、 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.4分插信號流程的比較 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) (5) 采用數(shù)字交叉連接設備DXC可以對各種端口速率進 行可控的連接配置,對網(wǎng)絡資源進行自動化的調(diào)度和管理, 既提高了資源利用率,又增強了網(wǎng)絡的抗毀性和可靠性。 SDH采用了DXC后,大大提高了組網(wǎng)的靈活性及對各種業(yè) 務量變化的適應能力,使現(xiàn)代通信網(wǎng)絡提高到一個嶄新的水 平。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 2. SDH幀結(jié)構(gòu)幀結(jié)構(gòu) SDH幀結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)數(shù)字同步時分復用、保證網(wǎng)絡可靠有 效運行的關鍵。圖 5.5 給出SDH幀的一般結(jié)構(gòu)。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)
11、為8 bit。幀周期為125 s,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: 由上往 下逐行發(fā)送,每行先左后右。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.5SDH幀的一般結(jié)構(gòu) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 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)(每字節(jié)相當于64 kb/s的傳輸容量), 主要用于運行、維護和管理,如幀定位、誤碼檢測、公務通 信、動保護倒換以及網(wǎng)管信息傳輸。對于STM1 而言, SOH共使用98(第4行除外)=72 Byte,相應于576 bi
12、t。由于 每秒傳輸8000幀,所以SOH的容量為5768000=4.608 Mb/s。 根據(jù)圖5.3(a)的傳輸通道連接模型,段開銷又細分為再 生段開銷(SOH)和復接段開銷(LOH)。前者占前3行,后者占 59行。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) (2) 信息載荷(Payload)。信息載荷域是SDH幀內(nèi)用于承 載各種業(yè)務信息的部分。對于STM-1而言,Payload有 9261=2349 Byte, 相應于234988000=150.336 Mb/s的容 量。 在Payload中包含少量字節(jié)用于通道的運行、維護和管 理,這些字節(jié)稱為通道開銷(POH)。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) (3) 管理單元指針
13、(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)的準確位置(相 對于指針位置的偏移量)。對于STM-1而言,AU-PTR有9個 字節(jié)(第4行),相應于988000=0.576 Mb/s。 采用指針技術是SDH的創(chuàng)新,結(jié)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。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 3. 復用原理復用原理 將低速支路信號復接為高速信號,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)點是容 許被復接的支路信號有較大的頻率誤差; 缺點是復接與分 接相當困難。固定位置映射
14、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)點是復接和分接容易實 現(xiàn),但由于低速信號可能是屬于PDH的或由于SDH網(wǎng)絡的故 障,低速信號與高速信號的相對相位不可能對準,并會隨時 間而變化。SDH采用載荷指針技術,結(jié)合了上述兩種方法的 優(yōu)點,付出的代價是要對指針進行處理。超大規(guī)模集成電路 的發(fā)展,為實現(xiàn)指針技術創(chuàng)造了條件。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.6 示出載荷包絡與STM-1幀的一般關系與指針所起 的作用。通過指針的值,接收端就可以確定載荷的起始位置。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.6載荷包絡與SDH幀的一般關系 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) ITU-T規(guī)定了SDH的一般復
15、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 與傳送的載荷同步。這種結(jié)構(gòu)可以把目前PDH的絕大多數(shù)標準 速率信號裝入SDH幀。圖5.7示出SDH一般復用映射結(jié)構(gòu),圖中 C-n是標準容器,用來裝載現(xiàn)有PDH的各支路信號,即C-11、 C-12、C-2、C-3和C-4分別裝載1.5 Mb/s、2 Mb/s、6 Mb/s、34 Mb/s、45 Mb/s和140 Mb/s的支路信號,并完成速率適配處理的 功能。在標準容器的基礎上,加入少量通道開銷(POH)字節(jié), 即組成相應的虛容器VC。VC的包絡與網(wǎng)絡同步,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。所以
16、引入虛容器 的概念,使得不必了解支路信號的內(nèi)容,便可以對裝載不同支 路信號的VC進行同步復用、交叉連接和交換處理,實現(xiàn)大容 量傳輸。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.7SDH的一般復用映射結(jié)構(gòu) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 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),以進行定位校準。加入指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
17、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)同步復接,便組成STM-N。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 4. 數(shù)字交叉連接設備數(shù)字交叉連接設備 數(shù)字交叉連接設備(DXC)相當于一種自動的數(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(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,按照預先存放 的交叉連接圖或動態(tài)計算的交叉連接圖對這些電路進行重新 編
18、排,最后將重新編排后的信號復接成高速信號輸出。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 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。例如,DXC 1/0 表示輸入端口的最 高速率為一次群信號的速率(E1: 2.048 Mb/s), 而交叉連接的 基本速率為64 kb/s; DXC 4/1 表示輸入端口的最高速率為
19、 155.52 Mb/s(對于SDH)或140 Mb/s(對于PDH),而交叉連接 的基本速率為2.048 Mb/s。目前應用最廣泛的是DXC 1/0、 DXC 4/1和DXC 4/4。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 交叉連接設備與交換機的區(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)務量的變化及網(wǎng)絡 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。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) DXC在干線傳輸網(wǎng)中的主要用途是實現(xiàn)自動
20、化的網(wǎng)絡 配置。主要功能有: 分離本地交換業(yè)務和非本地交換業(yè)務, 為非本地交換業(yè)務迅速提供可用路由; 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; 當網(wǎng)絡發(fā)生故 障(如某些干線中斷)時,能迅速提供網(wǎng)絡的重新配置; 根據(jù) 業(yè)務流量的季節(jié)變化使網(wǎng)絡配置最佳化; 當網(wǎng)絡中混合使 用PDH和SDH時,可作為PDH與SDH的網(wǎng)關。 5. SDH的應用的應用 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)。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.8SDH用于點對點傳輸 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.9SDH鏈形網(wǎng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.10SDH環(huán)形網(wǎng)
21、(雙環(huán)) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) SDH環(huán)形網(wǎng)的一個突出優(yōu)點是具有“自愈”能力。當某 節(jié)點發(fā)生故障或光纜中斷時,仍能維持一定的通信能力。所 以,SDH環(huán)網(wǎng)目前得到廣泛的應用。 當然,SDH通過ADM和DXC等網(wǎng)絡單元可以構(gòu)成更為 復雜的網(wǎng)形網(wǎng)(如圖 5.1 所示)。這種SDH網(wǎng)絡的主要特點是 端到端之間存在一條以上的路徑,可同時構(gòu)成一條以上的傳 輸通道,通過DXC的靈活配置,使網(wǎng)絡具有更好的抗毀性 和更高的可靠性。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 5.2系統(tǒng)的性能指標系統(tǒng)的性能指標 5.2.1參考模型參考模型 為進行系統(tǒng)性能研究,ITU-T(原CCITT)建議中提出了 一個數(shù)字傳輸參考模型,稱為假設參
22、考連接(HRX),見圖 5.11。最長的HRX是根據(jù)數(shù)字網(wǎng)的性能要求和64 kb/s信號的 全數(shù)字連接來考慮的。假設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符合用戶的要求。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 如圖 5.11 所示,最長的標準數(shù)字HRX為27 500 km, 它 由各級交換中心和許多假設參考數(shù)字鏈路(HRDL)組成。標 準數(shù)字HRX 的總性能指標按比例分配給HRDL,使系統(tǒng)設 計大大簡化。建議的HRDL長度為2500 km, 但由于各國國土 面積不同,采用的HRDL長度也不同。例如我國采用5000 km,美國和加拿大采用6400
23、 km,而日本采用2500 km。 HRDL由許多假設參考數(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。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。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.11標準數(shù)字假設參考連接HRX 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.12假設參考數(shù)字段HRDS 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 5.2.2系統(tǒng)的主要性能指標系統(tǒng)的主要性能指標 1. 誤碼率誤碼率(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,它反映了在數(shù)字傳輸過程中
24、信息受到損害的程度。 BER是在一個傳輸?shù)亩M制碼流中出現(xiàn)誤碼的概率(通過長 時間平均求得),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。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 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,顯然不夠準確。在實際監(jiān)測和評定中,應采 用誤碼時間百分數(shù)和誤碼秒百分數(shù)的方法。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劣于1103,為“不可用時間”,或稱系統(tǒng)處于故障狀態(tài); 故障排除后,
25、在連續(xù)10 s時間內(nèi),BER優(yōu)于1103,為“可用 時間”。對于64 kb/s的數(shù)字信號,BER=1103,相應于每秒 平均有64個比特發(fā)生錯誤。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數(shù)來衡量系統(tǒng)誤碼性能的指標。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.13誤碼率隨時間的變化 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 對于目前的電話業(yè)務,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)和假設參考連接 HRX的誤碼率指標如表 5.3 所示。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 劣化分(DM)誤碼率為1
26、106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 1106的分鐘數(shù)為劣化分(DM)。HRX指 標要求劣化分占可用分(可用時間減去嚴重誤碼秒累積的分 鐘數(shù))的百分數(shù)小于10%。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 嚴重誤碼秒(SES)由于某些系統(tǒng)會出現(xiàn)短時間內(nèi)大誤 碼率的情況,嚴重影響通話質(zhì)量,因此引入嚴重誤碼秒這個 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 1103的秒鐘數(shù)為嚴重誤碼秒(SES)。HRX指標 要求嚴重誤碼秒占可用秒的百分數(shù)小于0.
27、2%。 誤碼秒(ES)選擇監(jiān)測時間TL為1個月,取樣時間T0為 1 s,誤碼率門限值BERth=0。定義凡是出現(xiàn)誤碼(即使只有1 bit)的秒數(shù)稱為誤碼秒(ES)。HRX指標要求誤碼秒占可用秒 的百分數(shù)小于8%。相應地,不出現(xiàn)任何誤碼的秒數(shù)稱為無 誤碼秒(EFS),指標要求無誤碼秒占可用秒的百分數(shù)大于 92%。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 表5.3列出的是標準數(shù)字假設參考連接HRX(27 500 km) 的誤碼率總指標。為了設計需要,必須把總指標按不同等級 的電路質(zhì)量分配到各部分。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視
28、為高級電路,長途二級以下 和本地級合并考慮。表 5.4 示出HRX誤碼率總指標按等級的 分配。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.14最長HRX的電路質(zhì)量等級劃分 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 表5.5的誤碼率三項指標監(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。假設誤碼為泊松分布,誤碼率三項指標都可以換算 為長期平均誤碼率。根據(jù)原CCITT的建議,對于25 000 km高級 電路長期平均誤碼率BERav至少為1107,按長度比例進行線 性折算,得到每公里BERav=41012/km。所以280 km和420 km數(shù)字段的
29、BERav分別為1.12109和1.68109,因此取 1109作為標準。我國長途光纜通信系統(tǒng)進網(wǎng)要求中規(guī)定:長 度短于420 km時,按 1109計算; 長度長于420 km時,先按 長度比例進行折算,再按長度累計附加進去。設計值應比實際 要求高 1 個數(shù)量級,即短于420 km數(shù)字段按BERav=11010設 計,50 km中繼段按BERav=11011設計。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 2. 抖動抖動 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準時間位置的偏 差。偏差時間范圍稱為抖動幅度(JP-P),偏差時間間隔對時 間
30、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。抖動現(xiàn)象相當于對數(shù)字信號進行相位 調(diào)制,表現(xiàn)為在穩(wěn)定的脈沖圖樣中,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。當脈沖信號為二電平NRZ時,1 UI等于1 bit信息所占 時間,數(shù)值上等于傳輸速率fb的倒數(shù)。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.15抖動示意圖 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 產(chǎn)生抖動的原因很多,主要與定時提取電路的質(zhì)量、輸 入信號的狀態(tài)和輸入碼流中的連“0”碼數(shù)目有關。抖動嚴重 時,使得信號失真、誤碼率增大。完全消除
31、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。 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,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)值是對數(shù)字段的要求。表 5.6 和表5.7各符號 的意義如圖 5.16 所示。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.16表5.6和表5.7的圖解說明 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 5.2.3可靠性可靠性 衡量通信系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣除上述性能指標外,可靠性也 是一個重要指標,它直接影響通信系統(tǒng)的使用、維護和經(jīng)濟 效益。對光纖通信系統(tǒng)而言,可靠性包括光端機、中繼器、 光纜線路、輔
32、助設備和備用系統(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時間。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 1. 可靠性表示方法可靠性表示方法 (1) 可靠性R和故障率j??煽啃允侵冈谝?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 力??煽啃訰通常用故障率j表示,兩者的關系為 R=exp(j t)(5.1) 式中t代表工作時間,故障率j是系統(tǒng)在單位時間內(nèi)發(fā)生故障 (功能失效)的概率。j的單位為109/ 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。 第5章數(shù)字
33、光纖通信系統(tǒng) 如果通信系統(tǒng)由n個部件組成,且故障率是統(tǒng)計無關的, 則系統(tǒng)的可靠性Rs可表示為 Rs=R1R2Rn=exp( j st) (5.2) 式中, Ri和ji分別為系統(tǒng)第i個部件的可靠性和故障率。 (2) 故障率j和平均故障間隔時間MTBF。兩者的關系為 n i is 1 jj MTBF 1 j (5.3) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) (3) 可用率A和失效率PF??捎寐蔄是在規(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 式中MTTR為平均故障修復時間(不可用時間)。 失效率PF可以表示為 %100 MTTRMTBF MTBF %100 總工作時間 可用時間 A (5.4) %1
34、00 MTTRMTBF MTTR %100 F 總工作時間 不可用時間 P(5.5) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 由式(5.4)和式(5.5)得到 PF=(1A) (5.6) 在有備用系統(tǒng)的情況下,失效率為 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。 (5.7) ) 1( )!1( ! )!( F nP nm nm P 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 2. 可靠性指標可靠性指標 根據(jù)國家標準的規(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)
35、數(shù)字光纜通信系統(tǒng)的假設參 考數(shù)字鏈路長為100 km, 容許雙向全程每年4次全阻故障, 對應于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。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 根據(jù)上述標準,以5000 km為基準,按長度平均分配給 各種數(shù)字段長度,相應的全年指標如表5.8所示,假設平均 故障修復時間MTTR=6 h。某些國產(chǎn)設備的可靠性指標列于 表5.9。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 5.3系系 統(tǒng)統(tǒng) 的的 設設 計計 對數(shù)字光纖通信系統(tǒng)而言,系
36、統(tǒng)設計的主要任務是,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,按照國家相關的技術標準和當前設備的技術水平,經(jīng) 過綜合考慮和反復計算,選擇最佳路由和局站設置、傳輸體 制和傳輸速率以及光纖光纜和光端機的基本參數(shù)和性能指標, 以使系統(tǒng)的實施達到最佳的性能價格比。 在技術上,系統(tǒng)設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),中繼距離設計是否合理,對系統(tǒng)的性 能和經(jīng)濟效益影響很大。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 中繼距離的設計有三種方法: 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)和半統(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計法,用這種 方
37、法得到的結(jié)果,設計的可靠性為100%,但要犧牲可能達 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)的技術水平。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 5.3.1中繼距離受損耗的限制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: T, T: 光端機和數(shù)字復接分接設備的接口; Tx: 光發(fā)射機或中繼器發(fā)射端; Rx: 光接收機或中繼器接收端; 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
38、接頭。 PDH系統(tǒng)光纖線路設備的實例參看本書附錄B。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖5.17數(shù)字光纖線路系統(tǒng) (a) 無中繼器;(b) 一個中繼器 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 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 L(afasam)PtPr2acMe 或 式中,Pt為平均發(fā)射光功率(dBm),Pr為接收靈敏度(dBm),ac 為連接器損耗(dB/對),Me為系統(tǒng)余量(dB), af為光纖損耗系數(shù) (dB/km), a s為每千米光纖平均接頭損耗(dB/km), a m為每千米光 纖線路
39、損耗余量(dB/km), L 為中繼距離(km)。 msf ert 2 aaa a MPP L c (5.8) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 式(5.8)的計算是簡單的,式中參數(shù)的取值應根據(jù)產(chǎn)品技 術水平和系統(tǒng)設計需要來確定。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39 dBm,LED平均發(fā)射光功率一般為2025 dBm。光接收機靈敏度Pr取決于光檢測器和前置放大器的類 型,并受誤碼率的限制,隨傳輸速率而變化。表5.10示出長 途光纖通信系統(tǒng)BERav11010時的接收靈敏度Pr。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 連接器損耗一般為0.31
40、dB/對。設備余量Me包括由于時 間和環(huán)境的變化而引起的發(fā)射光功率和接收靈敏度下降,以及 設備內(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)af取決于光纖類型和工作波長,例如單模光 纖在1310 nm, af為0.40.45 dB/km; 在1550 nm, af為0.220.25 dB/km。光纖損耗余量am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,每千米光 纖平均接頭損耗as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
41、光纖線路的容限如表5.11 所示。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 5.3.2中繼距離受色散中繼距離受色散(帶寬帶寬)的限制的限制 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)進行規(guī) 范。我們要討論的問題是,對于一個傳輸速率已知的數(shù)字光 纖線路系統(tǒng),允許的線路總色散是多少,并據(jù)此計算中繼距 離。 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。嚴重時甚至無法通過均衡來補償,使 系統(tǒng)失去設計的性
42、能。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 設傳輸速率為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 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 由式(5.10)得到a和的數(shù)值關系,并列于表5.12。 ) 2 (exp)( 2 2 t tg )/1ln(2 1 a T (5.9) (5.10) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖 5.18高斯波形的碼間干擾 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 美國Bell實驗室S.D.Personick的早期研究中,曾
43、建議 采用下列標準來考查光纖線路色散對系統(tǒng)傳輸性能的限制。 當a=0.25時,碼間干擾只有峰值的0.034%,完全可以 忽略不計。當a=0.5時,增加到13.5%,此時功率代價為7 8 dB,難以通過均衡進行補償。一般系統(tǒng)設計選取a=0.25 0.35,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)的關系,把輸出 脈沖用半峰值全寬度(FWHM)表示,即 (5.11) 4247. 0 )( 2 2 f 2 T 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 式中, =aT, 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為光纖線路引起的脈沖展寬(FWHM),取決于 所用光纖類型
44、和色散特性。 對于多模光纖系統(tǒng),色散特性通常用 3 dB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的關系為B=B1/L。B1 為1 km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)工作波長,光纖類型和線路長度。把這 些關系代入式(5.11),并取a=0.250.35,得到光纖線路總帶 寬B和速率fb的關系為 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) B=(0.830.56)fb (5.12) 中繼距離L與1 km光纖帶寬B1的關系為B1=BL, 所以 L=(1.211.78)B1 / fb1/ (5.13) 或?qū)懗?/p>
45、 Lfb=(1.211.78)B1 (5.14) 以fb為參數(shù),B1與L的關系示于圖5.19, 圖中取/T=0.3, =0.75。由此可見,中繼距離L與傳輸速率fb的乘積取決于1 km光纖的帶寬(色散),這個乘積反映了光纖通信系統(tǒng)的技術 水平。 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 圖5.191 km光纖帶寬B1與中繼距離L的關系 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 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 源的光譜寬度(nm),L為光纖線路長度(km)。把這些關系
46、式 代入式(5.11),同樣可以得到一個簡明的公式。設取 a=/T=0.25,得到中繼距離 0b 6 10226. 0 Cf L (5.15) 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 在這個基礎上,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 式中, Fb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)(ps/(nmkm), 它取決于工作波長附近的光纖色散特性。為光源譜寬(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20 dB的寬度。是與功率代價和光源特性有關 的參數(shù),對于MLM-LD, =0.115, 對于SLM-LD,=0.306。 (5.16) 0b 6 10 Cf L 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 由于光纖制造工藝的偏差,光纖的零色散波長不會全部
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