第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)51兩種傳輸體制課件

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

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，因而先后有兩種傳輸體制：準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化，目前還大量使用。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。在技術(shù)迅速發(fā)展的推動下，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。第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)5.1兩種傳輸體制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(yīng)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。SDH解決了PDH存在的問題，是一種比較完善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：一種是以1.544Mb/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；另一種是以2.048Mb/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2.048Mb/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，這是因為復(fù)接時插入了一些相關(guān)的比特。對于以1.544Mb/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。5.1.1準(zhǔn)同步數(shù)字系列PDH第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)51兩種傳輸體制課件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。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(wù)數(shù)字網(wǎng)和計算機網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展，迫切需要建立在世界范圍內(nèi)統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)。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，沒有世界統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)光接口，使得國際電信網(wǎng)的建立及網(wǎng)絡(luò)的營運、管理和維護變得十分復(fù)雜和困難。PDH各次群比特率相對于其標(biāo)準(zhǔn)值有一個規(guī)定的(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，不能適應(yīng)電信網(wǎng)絡(luò)不斷擴大、技術(shù)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(fù)接/分接設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上下話路價格昂貴。(2)各種復(fù)用系列都有其相應(yīng)的幀結(jié)構(gòu)，沒有

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，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)的拓撲結(jié)構(gòu)，它由SDH終接設(shè)備(或稱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終端的主要功能是復(fù)接/分接和提供業(yè)務(wù)適配，例如將多路E1信號復(fù)接成STM1信號及完成其逆過程，或者實現(xiàn)與非SDH網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的適配。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)，另一部分卸下給本地用戶。然后信息又通過復(fù)接功能將轉(zhuǎn)發(fā)部分和本地上送的部分合成輸出。DXC類似于交換機，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。5.1.2同步數(shù)字系列SDH圖5.1SDH傳輸網(wǎng)的典型拓撲結(jié)構(gòu)圖5.1SDH傳輸網(wǎng)的典型拓撲結(jié)構(gòu)

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(yīng)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(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。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。最低的等級也就是最基本的模塊稱為STM-1，傳輸速率為155.520Mb/s；4個STM-1同步復(fù)接組成STM4，傳輸速率為4×155.52Mb/s=622.080Mb/s；16個STM-1組成STM16,傳輸速率為2488.320Mb/s，以此類推。上述TM、ADM和DXC的功能框圖分別如圖5

圖5.2SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)單元(a)終端復(fù)用器TM；(b)分插復(fù)用設(shè)備ADM(Add/DropMultiplexer);(c)數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC圖5.2

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)圖5.3傳輸通道的結(jié)構(gòu)(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，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，這有利于建立世界統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)。另一方面，標(biāo)準(zhǔn)的光接口綜合進各種不同的網(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(fù)用技術(shù)，其最小的復(fù)用單位為字節(jié)，不必進行碼速調(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，不必逐級進行。(2)SDH各網(wǎng)絡(luò)單元的光接口有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)

在PDH中，為了從140Mb/s碼流中分出一個2Mb/s的支路信號，必須經(jīng)過140/34Mb/s,34/8Mb/s和8/2Mb/s三次分接。而若采用SDH分插復(fù)用器(ADM)，可以利用軟件一次直接分出和插入2Mb/s支路信號，十分簡便。

(5)采用數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC可以對各種端口速率進行可控的連接配置，對網(wǎng)絡(luò)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(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。在PDH中，為了從140Mb/s碼流中分出圖5.4分插信號流程的比較圖5.4分插信號流程的比較

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。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，即每秒傳輸8000幀。對于STM-1而言，傳輸速率為9×270×8×8000=155.520Mb/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。

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64kb/s的容量)，主要用于運行、維護和管理，如幀定位、誤碼檢測、公務(wù)通信、自動保護倒換以及網(wǎng)管信息傳輸。2.SDH幀結(jié)構(gòu)圖5.5SDH幀的一般結(jié)構(gòu)圖5.5SDH幀的一般結(jié)構(gòu)

對于STM-1而言，SOH共使用9×8(第4行除外)=72Byte相應(yīng)于576bit。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而言，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)用于通道的運行、維護和管理，這些字節(jié)稱為通道開銷(POH)。對于STM-1而言，SOH共使用9×8((3)管理單元指針(AUPTR)。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而言，AUPTR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。

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)點是容許被復(fù)接的支路信號有較大的頻率誤差；缺點是復(fù)接與分接相當(dāng)困難。(3)管理單元指針(AUPTR)。管理單

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(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(zhǔn)，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示出載荷包絡(luò)與STM1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同步。固定位置映射法是讓低速支路信號在高速信號幀中圖5.6載荷包絡(luò)與SDH幀的一般關(guān)系圖5.6載荷包絡(luò)與SDH幀的一般關(guān)系

這種結(jié)構(gòu)可以把目前PDH的絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)速率信號裝入SDH幀。圖5.7示出SDH一般復(fù)用映射結(jié)構(gòu)，圖中Cn是標(biāo)準(zhǔn)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1.5Mb/s,2Mb/s,6Mb/s,34Mb/s,45Mb/s和140Mb/s的支路信號，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。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(fù)用、交叉連接和交換處理，實現(xiàn)大容量傳輸。這種結(jié)構(gòu)可以把目前PDH的絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)速率圖5.7SDH的一般復(fù)用映射結(jié)構(gòu)圖5.7SDH的一般復(fù)用映射結(jié)構(gòu)

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(AUPTR)，以進行定位校準(zhǔn)。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VC4)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AU3或AU4。3個AU3或1個AU4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。由于在傳輸過程中，不能絕對保證所有虛容器的起

例子：由PDH的4次群信號到SDH的STM-1的復(fù)接過程。把139.264Mb/s的信號裝入容器C4，經(jīng)速率適配處理后，輸出信號速率為149.760Mb/s;在虛容器VC4

內(nèi)加上通道開銷POH(每幀9Byte,相應(yīng)于0.576Mb/s)后，輸出信號速率為150.336Mb/s；在管理單元AU4內(nèi)，加上管理單元指針AUPTR(每幀9Byte,相應(yīng)于0.576Mb/s)，輸出信號速率為150.912Mb/s;由1個AUG加上段開銷SOH(每幀72Byte,相應(yīng)于4.608Mb/s),輸出信號速率為155.520Mb/s,即為STM1。例子：由PDH的4次群信號到SDH的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。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。4.數(shù)字交叉連接設(shè)備

數(shù)字0表示64kb/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STM１６等級。例如，DXC1/0表示輸入端口的最高速率為一次群信號的速率(E1:2.048Mb/s),而交叉連接的基本速率為64kb/s;DXC4/1表示輸入端口的最高速率為155.52Mb/s(對于SDH)或140Mb/s(對于PDH)，而交叉連接的基本速率為2.048Mb/s。目前應(yīng)用最廣泛的是DXC1/0、DXC4/1和DXC4/4。交叉連接設(shè)備與交換機的區(qū)別有：數(shù)字0表示64kb/s電路速率；數(shù)字1、2(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：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；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)的重新配置；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)。(1)DXC的輸入輸出不是單個用戶話路，

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)。

SDH環(huán)形網(wǎng)的一個突出優(yōu)點是具有“自愈”能力。當(dāng)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(yīng)用。當(dāng)然，SDH通過ADM和DXC等網(wǎng)絡(luò)單元可以構(gòu)成更為復(fù)雜的網(wǎng)形網(wǎng)(如圖5.1所示)。這種SDH網(wǎng)絡(luò)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(luò)具有更好的抗毀性和更高的可靠性。5.SDH的應(yīng)用圖5.8SDH用于點對點傳輸圖5.8SDH用于點對點傳輸

圖5.9SDH鏈形網(wǎng)

圖5.9SDH

圖5.10SDH環(huán)形網(wǎng)(雙環(huán))圖5.10SDH環(huán)形網(wǎng)(雙環(huán))5.2系統(tǒng)的性能指標(biāo)

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)，見圖5.11。最長的HRX是根據(jù)綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)的性能要求和64kb/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5.11所示，最長的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字HRX為27500km,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。5.2系統(tǒng)的性能指標(biāo)5.2.1參考模型圖5.11標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字假設(shè)參考連接HRX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2500km,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5000km，美國和加拿大采用6400km，而日本采用2500km。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280km,用于市話中繼的HRDS長度為50km。我國用于長途傳輸?shù)腍RDS長度為420km(一級干線)和280km(二級干線)兩種。假設(shè)參考數(shù)字段的性能指標(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。建議的HRDL長度為2500km,但由于圖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

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)，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”。5.2.2系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)51兩種傳輸體制課件圖5.13誤碼率隨時間的變化圖5.13誤碼率隨時間的變化

在連續(xù)10s時間內(nèi)，BER劣于1×10-3，為“不可用時間”，或稱系統(tǒng)處于故障狀態(tài)；故障排除后，在連續(xù)10s時間內(nèi)，BER優(yōu)于1×10-3，為“可用時間”。對于64kb/s的數(shù)字信號，BER=1×10-3，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數(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64kb/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。在連續(xù)10s時間內(nèi)，BER劣于1×10-第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)51兩種傳輸體制課件

對三種誤碼率參數(shù)和指標(biāo)說明如下：劣化分(DM)誤碼率為1×10-6時，感覺不到干擾的影響，選為BERth。每次通話時間平均3～5min,選擇取樣時間T0為1min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1×10-6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))的百分數(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)。對三種誤碼率參數(shù)和指標(biāo)說明如下：

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1×10-3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數(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(即使只有1bit)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數(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數(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(27500km)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。選擇監(jiān)測時間TL為1個月，取樣時間T0為1

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示出HRX誤碼率總指標(biāo)按等級的分配。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24h。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25000km高級電路長期平均誤碼率BERav至少為1×10-7，按長度比例進行線性折算，得到每公里BERav=4×10-12/km。所以280km和420km數(shù)字段的BERav分別為1.12×10-9和1.68×10-9，因此取1×10-9作為標(biāo)準(zhǔn)。圖5.14示出最長HRX的電路質(zhì)量等級劃分，圖5.14最長HRX的電路質(zhì)量等級劃分圖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)51兩種傳輸體制課件第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)51兩種傳輸體制課件

我國長途光纜通信系統(tǒng)進網(wǎng)要求中規(guī)定：長度短于420km時，按1×10-9計算；長度長于420km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(yīng)比實際要求高1個數(shù)量級，即短于420km數(shù)字段按BERav=1×10-10設(shè)計，50km中繼段按BERav=1×10-11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。我國長途光纜通信系統(tǒng)進網(wǎng)要求中規(guī)定：長度短于4圖5.15抖動示意圖圖5.15抖動示意圖

抖動現(xiàn)象相當(dāng)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0～2kHz。抖動單位為UI，表示單位時隙。當(dāng)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(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，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。抖動現(xiàn)象相當(dāng)于對數(shù)字信號進行相位調(diào)制，表現(xiàn)為

圖5.16表5.6和表5.7的圖解說明圖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)51兩種傳輸體制課件

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(biāo)外，可靠性也是一個重要指標(biāo)，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(fù)時間。

1.可靠性表示方法5.2.3可靠性(1)可靠性R和故障率φ?？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φ表示，兩者的關(guān)系為R=exp(-φt)(5.1)

故障率φ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。φ的單位為10-9/h,稱為菲特(fit),1fit等于在109h內(nèi)發(fā)生一次故障的概率。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

Rs=R1×R2×…×Rn=exp(-φst)(5.2)(1)可靠性R和故障率φ?？煽啃允侵冈谝?guī)定

式中,Ri和φi分別為系統(tǒng)第i個部件的可靠性和故障率。

(2)故障率φ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,Ri和φi分別為系統(tǒng)第i個部件的可靠性

式中MTTR為平均故障修復(fù)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。式中MTTR為平均故障修復(fù)時間(不可用時間)。由式

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5000km雙向全程每年4次全阻故障，對應(yīng)于420km和280km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100km,容許雙向全程每年4次全阻故障，對應(yīng)于50km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10×104h,PINFET壽命大于50×104h,APD壽命大于50×104h。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，以5000km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=6h。某些國產(chǎn)設(shè)備的可靠性指標(biāo)列于表5.9。2.可靠性指標(biāo)第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)51兩種傳輸體制課件第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)51兩種傳輸體制課件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的基本參數(shù)和性能指標(biāo)，以使系統(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。5.3系統(tǒng)的設(shè)計

對數(shù)字光纖通信系

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)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(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。中繼距離的設(shè)計有三種方法：最壞情況法(參數(shù)完

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(fù)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；

SR:光纖線路，包括接頭。5.3.1中繼距離受損耗的限制

圖5.17數(shù)字光纖線路系統(tǒng)(a)無中繼器；(b)一個中繼器圖5.17數(shù)字光纖線路系統(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(αf+αs+αm)≤Pt-Pr-2αc-Me或L≤式中，Pt為平均發(fā)射光功率(dBm)，Pr為接收靈敏度(dBm)，αc為連接器損耗(dB/對)，Me為系統(tǒng)余量(dB)，αf為光纖損耗系數(shù)(dB/km),αs為每km光纖平均接頭損耗(dB/km),αm為每km光纖線路損耗余量(dB/km),L為中繼距離(km)。如果系統(tǒng)傳輸速率較低，光纖損耗系數(shù)較大，中繼

式(5.8)的計算是簡單的，式中參數(shù)的取值應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)水平和系統(tǒng)設(shè)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-3～-9dBm,LED平均發(fā)射光功率一般為-20～-25dBm。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)BERav≤1×10-10時的接收靈敏度Pr。連接器損耗一般為0.3～1dB/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3dB。式(5.8)的計算是簡單的，式中參數(shù)的取值應(yīng)第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)51兩種傳輸體制課件

光纖損耗系數(shù)αf取決于光纖類型和工作波長，例如單模光纖在1310nm,αf為0.4～0.45dB/km;在1550nm,αf為0.22～0.25dB/km。光纖損耗余量αm一般為0.1～0.2dB/km,但一個中繼段總余量不超過5dB。平均接頭損耗可取0.05dB/個，每千米光纖平均接頭損耗αs可根據(jù)光纜生產(chǎn)長度計算得到。根據(jù)ITUT(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。光纖損耗系數(shù)αf取決于光纖類型和工作波長，例第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)51兩種傳輸體制課件

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(yán)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。5.3.2中繼距離受色散(帶寬)的限制

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σ為均方根(rms)脈沖寬度。把σ/T=a定義為相對rms脈沖寬度，碼間干擾δ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δ的數(shù)值關(guān)系，并列于表5.12。設(shè)傳輸速率為fb=1/T，發(fā)射脈沖為半占空歸圖5.18高斯波形的碼間干擾圖5.18高斯波形的碼間干擾第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)51兩種傳輸體制課件

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δ只有峰值的0.034%，完全可以忽略不計。當(dāng)a=0.5時，δ增加到13.5%，此時功率代價為7～8dB，難以通過均衡進行補償。一般系統(tǒng)設(shè)計選取a=0.25～0.35，功率代價不超過2dB。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)τ表示，即美國Bell實驗室S.D.Personick

式中,τ=σ/0.4247,σ=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。Δτf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，Δτf=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/Lγ。B1為1km光纖的帶寬，通常由測試確定。γ=0.5～1,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=0.25～0.35，得到光纖線路總帶寬B和速率fb的關(guān)系為B=(0.83～0.56)fb(5.12)式中,τ=σ/0.4247,σ=aT,

中繼距離L與1km光纖帶寬B1的關(guān)系為B1=BLγ,所以L=［（1.21～1.78）Ｂ1/fb］1/γ(5.13)或?qū)懗蒐γfb=(1.21～1.78)B1(5.14)

以fb為參數(shù)，B1與L的關(guān)系示于圖5.19,圖中取σ/T=0.3，γ=0.75。由此可見，中繼距離L與傳輸速率fb的乘積取決于1km光纖的帶寬(色散)，這個乘積反映了光纖通信系統(tǒng)的技術(shù)水平。中繼距離L與1km光纖帶寬B1的關(guān)系為B1=圖5.191km光纖帶寬B1與中繼距離L的關(guān)系

圖5.191km光纖帶寬B1與中繼距離L的關(guān)系

對于單模光纖系統(tǒng)，Δτf=2.355σf,σf為光纖線路rms脈沖展寬。由式(2.55b)取一級近似，得到σf=|C0|σλL,C0=C(λ0)為在光源中心波長λ0光纖的色散(ps/(nm·km))，σλ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=σ/T=0.25，得到中繼距離L=

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可以表示為對于單模光纖系統(tǒng)，Δτf=2.355σf,

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/(nm·km))，它取決于工作波長附近的光纖色散特性。σλ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20dB的寬度。ε是與功率代價和光源特性有關(guān)的參數(shù)，對于MLMLD,ε=0.115,對于SLMLD，ε=0.306。式中,Fb是線路碼速率(Mb/s)，與系統(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1285～1330nm，色散系數(shù)C不得超過±3.5ps/(nm·km))，波長為1270～1340nm,C不得超過6ps/(nm·km)。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140Mb/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。由于光纖制造工藝的偏差，光纖的零色散波長不會

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140Mb/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=-3dBm,接收靈敏度Pr=-42dBm，設(shè)備余量Me=3dB，連接器損耗αc=0.3dB/對，光纖損耗系數(shù)αf=0.35dB/km,光纖余量αm=0.1dB/km，每km光纖平均接頭損耗αs=0.03dB/km。把這些數(shù)據(jù)代入式(5.8)，得到中繼距離5.3.3中繼距離和傳輸速率

又設(shè)線路碼型為5B6B,線路碼速率Ｆb=140×(6/5)=168Mb/s,|C0|=3.0ps/(nm·km)，σλ=2.5nm。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74km。在本例中中繼距離主要受損耗限制。但是，如果假設(shè)|C0|=3.5ps/(nm·km)，σλ=3nm，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L≈65km，則此時中繼距離主要受色散限制，中繼距離應(yīng)確定為65km。又設(shè)線路碼型為5B6B,線路碼速率Ｆb=

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。由圖5.20可見，對于波長為0.85μm的多模光纖，由于損耗大，中繼距離一般在20km以內(nèi)。傳輸速率很低，SIF光纖的速率不如同軸線，GIF光纖的速率在0.1Gb/s以上就受到色散限制。單模光纖在長波長工作，損耗大幅度降低，中繼距離可達100～200km。在1.31μm零色散波長附近，當(dāng)速率超過1Gb/s時，中繼距離才受色散限制。在1.55μm波長上，由于色散大，通常要用單縱模激光器，理想系統(tǒng)速率可達5Gb/s，但實際系統(tǒng)由于光源調(diào)制產(chǎn)生頻率啁啾，導(dǎo)致譜線展寬，速率一般限制為2Gb/s。采用色散移位光纖和外調(diào)制技術(shù)，可以使速率達到20Gb/s以上。圖5.20示出各種光纖的中繼距離和傳輸速率圖5.20各種光纖的中繼距離和傳輸速率的關(guān)系圖5.20各種光纖的中繼距離和傳輸速率的關(guān)系

現(xiàn)在可以把反映光纖傳輸系統(tǒng)技術(shù)水平的指標(biāo)、速率×距離(fb×L)乘積大體歸納如下：

0.85μm,SIF光纖，fb×L～0.01×1=0.01(Gb/s)·km0.85μm,GIF光纖，fb×L～0.1×20=2.0(Gb/s)·km1.31μm,SMF光纖，fb×L～1×125=125(Gb/s)·km1.55μm,SMF光纖，fb×L～2×75=150(Gb/s)·km1.55μm,DSF光纖，fb×L～20×80=1600(Gb/s)·km現(xiàn)在可以把反映光纖傳輸系統(tǒng)技術(shù)水平的指標(biāo)、

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

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，因而先后有兩種傳輸體制：準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化，目前還大量使用。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。在技術(shù)迅速發(fā)展的推動下，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。第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)5.1兩種傳輸體制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(yīng)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。SDH解決了PDH存在的問題，是一種比較完善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：一種是以1.544Mb/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；另一種是以2.048Mb/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2.048Mb/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，這是因為復(fù)接時插入了一些相關(guān)的比特。對于以1.544Mb/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。5.1.1準(zhǔn)同步數(shù)字系列PDH第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)51兩種傳輸體制課件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。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(wù)數(shù)字網(wǎng)和計算機網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展，迫切需要建立在世界范圍內(nèi)統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)。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，沒有世界統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)光接口，使得國際電信網(wǎng)的建立及網(wǎng)絡(luò)的營運、管理和維護變得十分復(fù)雜和困難。PDH各次群比特率相對于其標(biāo)準(zhǔn)值有一個規(guī)定的(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，不能適應(yīng)電信網(wǎng)絡(luò)不斷擴大、技術(shù)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(fù)接/分接設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上下話路價格昂貴。(2)各種復(fù)用系列都有其相應(yīng)的幀結(jié)構(gòu)，沒有

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，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)的拓撲結(jié)構(gòu)，它由SDH終接設(shè)備(或稱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終端的主要功能是復(fù)接/分接和提供業(yè)務(wù)適配，例如將多路E1信號復(fù)接成STM1信號及完成其逆過程，或者實現(xiàn)與非SDH網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的適配。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)，另一部分卸下給本地用戶。然后信息又通過復(fù)接功能將轉(zhuǎn)發(fā)部分和本地上送的部分合成輸出。DXC類似于交換機，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。5.1.2同步數(shù)字系列SDH圖5.1SDH傳輸網(wǎng)的典型拓撲結(jié)構(gòu)圖5.1SDH傳輸網(wǎng)的典型拓撲結(jié)構(gòu)

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(yīng)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(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。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。最低的等級也就是最基本的模塊稱為STM-1，傳輸速率為155.520Mb/s；4個STM-1同步復(fù)接組成STM4，傳輸速率為4×155.52Mb/s=622.080Mb/s；16個STM-1組成STM16,傳輸速率為2488.320Mb/s，以此類推。上述TM、ADM和DXC的功能框圖分別如圖5

圖5.2SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)單元(a)終端復(fù)用器TM；(b)分插復(fù)用設(shè)備ADM(Add/DropMultiplexer);(c)數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC圖5.2

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)圖5.3傳輸通道的結(jié)構(gòu)(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，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，這有利于建立世界統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)。另一方面，標(biāo)準(zhǔn)的光接口綜合進各種不同的網(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(fù)用技術(shù)，其最小的復(fù)用單位為字節(jié)，不必進行碼速調(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，不必逐級進行。(2)SDH各網(wǎng)絡(luò)單元的光接口有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)

在PDH中，為了從140Mb/s碼流中分出一個2Mb/s的支路信號，必須經(jīng)過140/34Mb/s,34/8Mb/s和8/2Mb/s三次分接。而若采用SDH分插復(fù)用器(ADM)，可以利用軟件一次直接分出和插入2Mb/s支路信號，十分簡便。

(5)采用數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC可以對各種端口速率進行可控的連接配置，對網(wǎng)絡(luò)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(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。在PDH中，為了從140Mb/s碼流中分出圖5.4分插信號流程的比較圖5.4分插信號流程的比較

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。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，即每秒傳輸8000幀。對于STM-1而言，傳輸速率為9×270×8×8000=155.520Mb/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。

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64kb/s的容量)，主要用于運行、維護和管理，如幀定位、誤碼檢測、公務(wù)通信、自動保護倒換以及網(wǎng)管信息傳輸。2.SDH幀結(jié)構(gòu)圖5.5SDH幀的一般結(jié)構(gòu)圖5.5SDH幀的一般結(jié)構(gòu)

對于STM-1而言，SOH共使用9×8(第4行除外)=72Byte相應(yīng)于576bit。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而言，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)用于通道的運行、維護和管理，這些字節(jié)稱為通道開銷(POH)。對于STM-1而言，SOH共使用9×8((3)管理單元指針(AUPTR)。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而言，AUPTR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。

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)點是容許被復(fù)接的支路信號有較大的頻率誤差；缺點是復(fù)接與分接相當(dāng)困難。(3)管理單元指針(AUPTR)。管理單

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(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(zhǔn)，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示出載荷包絡(luò)與STM1幀的一段關(guān)系與指針?biāo)鸬淖饔谩Ｍㄟ^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同步。固定位置映射法是讓低速支路信號在高速信號幀中圖5.6載荷包絡(luò)與SDH幀的一般關(guān)系圖5.6載荷包絡(luò)與SDH幀的一般關(guān)系

這種結(jié)構(gòu)可以把目前PDH的絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)速率信號裝入SDH幀。圖5.7示出SDH一般復(fù)用映射結(jié)構(gòu)，圖中Cn是標(biāo)準(zhǔn)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1.5Mb/s,2Mb/s,6Mb/s,34Mb/s,45Mb/s和140Mb/s的支路信號，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。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(fù)用、交叉連接和交換處理，實現(xiàn)大容量傳輸。這種結(jié)構(gòu)可以把目前PDH的絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)速率圖5.7SDH的一般復(fù)用映射結(jié)構(gòu)圖5.7SDH的一般復(fù)用映射結(jié)構(gòu)

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(AUPTR)，以進行定位校準(zhǔn)。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VC4)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AU3或AU4。3個AU3或1個AU4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。由于在傳輸過程中，不能絕對保證所有虛容器的起

例子：由PDH的4次群信號到SDH的STM-1的復(fù)接過程。把139.264Mb/s的信號裝入容器C4，經(jīng)速率適配處理后，輸出信號速率為149.760Mb/s;在虛容器VC4

內(nèi)加上通道開銷POH(每幀9Byte,相應(yīng)于0.576Mb/s)后，輸出信號速率為150.336Mb/s；在管理單元AU4內(nèi)，加上管理單元指針AUPTR(每幀9Byte,相應(yīng)于0.576Mb/s)，輸出信號速率為150.912Mb/s;由1個AUG加上段開銷SOH(每幀72Byte,相應(yīng)于4.608Mb/s),輸出信號速率為155.520Mb/s,即為STM1。例子：由PDH的4次群信號到SDH的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。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。4.數(shù)字交叉連接設(shè)備

數(shù)字0表示64kb/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STM１６等級。例如，DXC1/0表示輸入端口的最高速率為一次群信號的速率(E1:2.048Mb/s),而交叉連接的基本速率為64kb/s;DXC4/1表示輸入端口的最高速率為155.52Mb/s(對于SDH)或140Mb/s(對于PDH)，而交叉連接的基本速率為2.048Mb/s。目前應(yīng)用最廣泛的是DXC1/0、DXC4/1和DXC4/4。交叉連接設(shè)備與交換機的區(qū)別有：數(shù)字0表示64kb/s電路速率；數(shù)字1、2(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：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；為臨時性重要事件(如運動會、發(fā)生地震等)迅速