光纖通信第5章課件

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 5.3 系統(tǒng)的設(shè)計 返回主目錄第5章 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)5.1兩種傳輸體制 光纖大容量數(shù)字傳輸系統(tǒng)的兩種傳輸體制：（1）準同步數(shù)字系列(PDH)（2）同步數(shù)字系列(SDH)。 1976年P(guān)DH實現(xiàn)了標準化。1984年美國提出了同步光纖網(wǎng)(SONET)。1988年，ITUT(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。SDH是一種比較完善的傳輸體制，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。5.1.1準同步數(shù)字系列PDH準同步數(shù)字系列有兩種基礎(chǔ)速率：（1）一種是以1

2、.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；（2）另一種是以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。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(chǔ)速率各次群的速率、話路數(shù)及其關(guān)系。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。對于以1.544 Mb/s為基礎(chǔ)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。PDH主要適用于中、低速率點對點的傳輸。隨著技術(shù)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(luò)管理和控制的要求日益重要，寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)

3、和計算機網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展，現(xiàn)有PDH的許多缺點也逐漸暴露出來，主要有： (2) 沒有足夠的開銷比特，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)計缺乏靈活性。(3) 上下話路不方便。 (1) 沒有世界統(tǒng)一的標準光接口。5.1.2同步數(shù)字系列SDH1. SDH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(luò)傳輸。SDH終端復用器TM、分插復用設(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終端的主要功能是復接/分接和提供業(yè)務適配。ADM是一種特殊的復用器，可以它轉(zhuǎn)發(fā)、分接、復接信號所承載的信息。DXC類似于交換機，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。 圖5.

4、2SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)單元(a) 終端復用器TM； (b) 分插復用設(shè)備ADM(Add/Drop Multiplexer); (c) 數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC MUXE1E1STM-N同步復接DMXE1E1STM-N同步分接(a)DMXMUX中繼線STM-N中繼線STM-NDropSTM-nAddSTM-n分接復接本地(b)1:m1:mm:1m:1復接交叉連接矩陣分接1n1n(c)配置管理 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) 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15

5、5.520Mb/s； 4個STM1 同步復接組成STM-4，傳輸速率為4155.52 Mb/s=622.080 Mb/s。(2) SDH各網(wǎng)絡(luò)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(luò)單元在光纖線路上可以互連， 不同廠家的產(chǎn)品可以互通， (3) 在SDH幀結(jié)構(gòu)中，豐富的開銷比特用于網(wǎng)絡(luò)的運行、 維護和管理，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)字同步復用技術(shù)，其最小的復用單位為字節(jié)，不必進行碼速調(diào)整，簡化了復接分接的實現(xiàn)設(shè)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。(5) SDH采用了DXC后，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的

6、靈活性及對各種業(yè)務量變化的適應能力。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STMN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STM1 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。圖 5.5 SDH幀的一般結(jié)構(gòu) 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)含64 kb/s的容量)，主要用于運行、

7、維護和管理，如幀定位、 誤碼檢測、 公務通信、自動保護倒換以及網(wǎng)管信息傳輸。對于STM-1 而言，SOH共使用98(第4行除外)=72 Byte相應于576bit。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。 (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STM1而言，Payload有9261=2349 Byte, 相應于234988000=150.336 Mb/s的容量。 在Payload

8、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)。(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(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. 復用原理 將低速支路信號復接為高速信號的方法有兩種： （1）正碼速調(diào)整法 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

9、相當困難。（2）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(luò)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(shù)，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(shù)創(chuàng)造了條件。圖 5.6 載荷包絡(luò)與SDH幀的一般關(guān)系ITUT規(guī)定了SDH的一般復用映射結(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S

10、DH一般復用映射結(jié)構(gòu)，圖中Cn是標準容器， 用來裝載現(xiàn)有PDH的各支路信號， 即C11#, C12#, C2#, C3和C4 分別裝載1.5 Mb/s#, 2Mb/s#, 6 Mb/s#, 34 Mb/s#, 45 Mb/s和140Mb/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(chǔ)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(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。所以引入虛容器的概念，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。圖 5.7 SDH的一般復用映射結(jié)構(gòu) ST

11、M-NAUGAU-4VC-4TU-2VC-2C-2TU-12VC-12C-12TU-11VC-11C-11TUG-2134C-3VC-3TU-3VC-3TUG-31773C-4139264 kb/s44736 kb/s34368 kb/s6312 kb/s2048 kb/s1544 kb/sAU-3N13指針處理復用定位校準映射 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T

12、U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)同步復接， 便組成STM-N。 最簡單的例子是，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(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, 相應于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

13、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(每幀72 Byte, 相應于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)，按照預先

14、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排，最后將重新編排后的信號復接成高速信號輸出。 1:m1:mm:1m:1復接交叉連接矩陣分接1n1n配置管理DXC的標示： 通常用DXCX/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STM1 等級； 數(shù)字 5 和 6 分別代表SDH的STM4 和STM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 M

15、b/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。 交叉連接設(shè)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(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

16、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。 5. SDH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)。 SDH環(huán)形網(wǎng)的一個突出優(yōu)點是具有“自愈”能力。圖 5.8 SDH用于點對點傳輸 圖 5.9 SDH鏈形網(wǎng) 圖 5.10 SDH環(huán)形網(wǎng)(雙環(huán)) 5.2 系統(tǒng)的性能指標5.2.1參考模型 為進行系統(tǒng)性能研究，ITUT(原CCITT)建議中提出了一個數(shù)字傳輸參考模型，稱為假設(shè)參考連接(HRX)。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符合用戶的要求。圖 5.11 標準數(shù)字假設(shè)參考連接HRX

17、假設(shè)參考數(shù)字連接（HRX）由各級交換中心和許多假設(shè)參考數(shù)字鏈路(HRDL)組成。 假設(shè)參考數(shù)字鏈路（HRDL）由許多假設(shè)參考數(shù)字段(HRDS)組成。 標準數(shù)字HRX的總性能指標按比例分配給HRDL，HRDL的性能指標再進一步分配給假設(shè)參考數(shù)字段HRDS，并再度分配給線路和設(shè)備。這樣在系統(tǒng)設(shè)計時進行性能預算就變得大大簡化。圖 5.12 假設(shè)參考數(shù)字段HRDS 5.2.2系統(tǒng)的主要性能指標 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，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

18、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，顯然不夠準確。在實際監(jiān)測和評定中， 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110-3，為“不可用時間”，或稱系統(tǒng)處于故障狀態(tài)； 在連續(xù)10 s時間內(nèi)，BER優(yōu)于110-3，為“可用時間”。 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)誤碼率性能的指標。圖 5.13 誤碼率隨時間的變化 TLT010-31

19、0-610-710-810-10三種誤碼率參數(shù)和指標說明：（1）劣化分(DM) ：誤碼率為110-6時，感覺不到干擾的影響，選為BERth。選擇取樣時間T0為 1 min。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%。（2）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1s。定義誤碼率劣于 110-3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0.2

20、%。 （3）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(即使只有1bit)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%。 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(shè)參考連接HRX的誤碼率指標如表 5.3 所示。 標準數(shù)字假設(shè)參考連接HRX(27500 km)的誤碼率總指標必須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

21、分，圖中高級和中級之間沒有明顯的界限。圖 5.14 最長HRX的電路質(zhì)量等級劃分 我國長途一級干線和長途二級干線都應視為高級電路，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。 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(shè)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110-7，按長度比例進行線性折算，得到每公里BERav=410-12/km。所以280 km和420 km數(shù)字段的B

22、ERav分別為1.1210-9和1.6810-9，因此取 110-9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 110-9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(shè)計值應比實際要求高 1 個數(shù)量級。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。 圖 5.15 抖動示意圖 2. 抖動抖動的定義是：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(JPP)，偏差時間間隔對時間的變化率稱為抖動頻率(F)。（1）輸入脈沖信號在某一平均位置左右變化；（2）提取時

23、鐘信號在中心位置左右變化。 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。當脈沖信號為二電平NRZ時，1UI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。 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。 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

24、所示。 5.2.3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時間。 1. 可靠性表示方法 (1) 可靠性R和故障率?？煽啃裕菏侵冈谝?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。 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),

25、1fit等于在109 h內(nèi)發(fā)生一次故障的概率。可靠性R通常用故障率表示，兩者的關(guān)系為 R=exp(-t) (5.1) 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 Rs=R1R2Rn=exp(-s t) (5.2) 式中, Ri和i分別為系統(tǒng)第i個部件的可靠性和故障率。 (2) 故障率和平均故障間隔時間MTBF。兩者的關(guān)系為 (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可以表示為由式(5.4)和式(5.5)得到 PF=(1-A)100% (5.6)在有

26、備用系統(tǒng)的情況下， 失效率為 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。 2. 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)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, PINFET壽命大于50104 h, APD壽命大于50104 h。 根據(jù)上述標準，以50

27、00 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(shè)平均故障修復時間MTTR=6 h。某些國產(chǎn)設(shè)備的可靠性指標列于表5.9。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)計的主要任務是：（1）選擇最佳路由和局站設(shè)置（2）選擇傳輸體制和傳輸速率（3）選擇光纖光纜和光端機的基本參數(shù)和性能指標 使系統(tǒng)的實施達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)濟效益影響很大。 中繼距離的設(shè)計有三種方法：（1）最壞情況法(參數(shù)完全已知) （2）統(tǒng)計法(所有參數(shù)都是統(tǒng)計定義)（3）半統(tǒng)計法

28、(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。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： T,T: 光端機和數(shù)字復接分接設(shè)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

29、，包括接頭 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 L(f+s+m)Pt-Pr-2c-Me 或 L 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)， 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)。 式(5.8)的計算是簡單的，式中參數(shù)的取值應根據(jù)

30、產(chǎn)品技術(shù)水平和系統(tǒng)設(shè)計需要來確定。（1）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(0.130.5mw), LED平均發(fā)射光功率一般為-20-25 dBm(0.0030.01mw)。（2）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)BERav110-10時的接收靈敏度Pr。 （3）連接器損耗一般為0.31 dB/對。（4）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。（5）光纖損耗系數(shù)f取

31、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。（6）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。 （7）平均接頭損耗可取0.05 dB/個，每千米光纖平均接頭損耗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)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

32、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(shè)計的性能。 設(shè)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 g(t)=exp (5.9) 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

33、5.18所示。11/2Ttg(t)圖 5.18 高斯波形的碼間干擾 由式(5.9)和圖5.18得到 由式(5.10)得到a和的數(shù)值關(guān)系， 并列于表5.12。 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78dB，難以通過均衡進行補償。一般系統(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 式中, =/0.4247, =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(FWHM)脈沖展寬，取決于

34、所用光纖類型和色散特性。（1）對于多模光纖系統(tǒng)，色散特性通常用3dB帶寬表示。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(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，得到光纖線路總帶寬B和速率fb的關(guān)系為 B=(0.830.56)fb (5.12) 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)或?qū)懗?Lfb=(1.211.78)B1 (5.14) 以fb為參數(shù)

35、，B1與L的關(guān)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(shù)水平。圖5.19 1km光纖帶寬B1與中繼距離L的關(guān)系 （2）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，得到中繼距離L= 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。為光源譜線寬度(nm)，對多縱模激光器(MLMLD)，為rms寬度，對單縱模激光器(SLMLD), 為峰值下降20 dB的寬度。 是與功率代價和光源特性有關(guān)的參數(shù)，對于MLMLD, =0.115, 對于SLMLD，=0.306。 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5.3.3中繼距離和傳輸速率 光