第05章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)

2023/2/21第五章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)趙繼軍河北工程大學信息與電氣工程學院zhaojijun@

《光纖通信系統(tǒng)》2023/2/22本章內容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2023/2/23本節(jié)內容5.1兩種傳輸體制5.1.1準同步數(shù)字系列PDH5.1.2同步數(shù)字系列2023/2/245.1兩種傳輸體制

光纖大容量數(shù)字傳輸目前都采用同步時分復用(TDM)技術。復用又分為若干等級，先后有兩種傳輸體制：準同步數(shù)字系列(PDH)同步數(shù)字系列(SDH)

隨著光纖通信技術和網(wǎng)絡的發(fā)展，PDH遇到了許多困難。美國提出了同步光纖網(wǎng)(SONET)。

1988年，ITU-T(原CCITT)提出了被稱為同步數(shù)字系列(SDH)的規(guī)范建議。

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。2023/2/255.1.1準同步數(shù)字系列PDH---基礎速率

準同步數(shù)字系列有兩種基礎速率以1.544Mb/s為第一級(一次群，或稱基群)基礎速率，采用的國家有北美各國和日本；以2.048Mb/s為第一級(一次群)基礎速率，采用的國家有西歐各國和中國。2023/2/265.1.1準同步數(shù)字系列PDH---光纖通信制式（1/2）2023/2/275.1.1準同步數(shù)字系列PDH---光纖通信制式（2/2）對于以2.048Mb/s為基礎速率的制式，各次群的話路數(shù)按4倍遞增，速率的關系略大于4倍。對于以1.544Mb/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。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，通常采用正碼速調整方法實現(xiàn)準同步復用。1次群至4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。2023/2/285.1.1準同步數(shù)字系列PDH---PDH存在的問題PDH存在的主要問題

北美、西歐和亞洲所采用的三種數(shù)字系列互不兼容，造成國際互通困難。沒有世界性的標準光接口規(guī)范，導致了各個廠家自行開發(fā)的專用光接口大量滋生，限制了聯(lián)網(wǎng)應用的靈活性，增加了網(wǎng)絡的復雜性和運營成本。信號復用/解復用需要逐級進行，復接/分接設備結構復雜，上下話路價格昂貴。各種復用系列都有其相應的幀結構，沒有足夠的OAM開銷比特，使網(wǎng)絡設計缺乏靈活性，無法適應不斷演變的電信網(wǎng)要求。由于建立在點對點傳輸基礎上的復用結構缺乏靈活性，使得數(shù)字通道設備的利用率很低，非最短的通道路由占了業(yè)務量的大部分。2023/2/295.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---SDH傳輸網(wǎng)（1/9）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)的拓撲結構。SDH傳輸網(wǎng)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)物理鏈路構成。2023/2/2105.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---SDH傳輸網(wǎng)（2/9）2023/2/2115.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---SDH傳輸網(wǎng)（3/9）終端復用器（TM）SDH終端的主要功能是復接/分接和提供業(yè)務適配SDH終端的復接/分接功能主要由TM設備完成。2023/2/2125.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---SDH傳輸網(wǎng)（4/9）分插復用器（ADM）

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：一部分直接轉發(fā)一部分卸下給本地用戶然后信息又通過復接功能將轉發(fā)部分和本地上送的部分合成輸出2023/2/2135.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---SDH傳輸網(wǎng)（5/9）數(shù)字交叉設備（DXC）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。2023/2/2145.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---SDH傳輸網(wǎng)（6/9）SDH傳輸網(wǎng)的連接模型通過DXC的交叉連接作用，在SDH傳輸網(wǎng)內可提供許多條傳輸通道，每條通道都有相似的結構，其連接模型如圖5.3(a)。每個通道(Path)由一個或多個復接段(Line)構成，而每一復接段又由若干個再生段(Section)串接而成。2023/2/2155.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---SDH傳輸網(wǎng)（7/9）2023/2/216SONET中設備和層的關系2023/2/2172023/2/2185.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---SDH傳輸網(wǎng)（8/9）與PDH相比，SDH具有下列特點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155.520Mb/s；4個STM-1同步復接組成STM-4，傳輸速率為622.080Mb/s；16個STM-1組成STM-16,傳輸速率為2488.320Mb/s，以此類推。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，這有利于建立世界統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡。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。在SDH幀結構中，豐富的開銷比特用于網(wǎng)絡的運行、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。采用數(shù)字同步復用技術，其最小的復用單位為字節(jié)，不必進行碼速調整，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。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，大大提高了網(wǎng)絡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。2023/2/2195.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---SDH傳輸網(wǎng)（9/9）2023/2/2205.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---SDH幀結構（1/2）SDH幀結構是實現(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。2023/2/2215.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---SDH幀結構（2/2）SDH幀的主要結構段開銷(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、公務通信、自動保護倒換以及網(wǎng)管信息傳輸。信息載荷(Payload)。信息載荷域是SDH幀內用于承載各種業(yè)務信息的部分。通道開銷（POH）

。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)。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)在幀內的準確位置（相對于指針位置的偏移量）。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5～9行。采用指針技術是SDH的創(chuàng)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。2023/2/2225.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---復用原理（1/6）

將低速支路信號復接為高速信號，通常有兩種傳統(tǒng)方法：正碼速調整法和固定位置映射法。正碼速調整法（正比特塞入法）是利用位于固定位置的比特塞入指示，來顯示塞入的比特究竟載有真實數(shù)據(jù)還是偽數(shù)據(jù)。優(yōu)點：容許被復接的支路信號有較大的頻率誤差；缺點：復接與分接相當困難。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。優(yōu)點：復接和分接容易實現(xiàn)，缺點：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。2023/2/2235.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---復用原理（2/6）SDH采用載荷指針技術結合了正碼速調整法和固定位置映射法的優(yōu)點，付出的代價是要對指針進行處理。圖5.6示出載荷包絡與STM-1幀的一段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。ITU-T規(guī)定了SDH的一般復用映射結構。所謂映射結構，是指把支路信號適配裝入虛容器的過程，其實質是使支路信號與傳送的載荷同步。2023/2/2245.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---復用原理（3/6）

這種結構可以把目前PDH的絕大多數(shù)標準速率信號裝入SDH幀。

圖5.7示出SDH一般復用映射結構，圖中C-n是標準容器，用來裝載現(xiàn)有PDH的各支路信號，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，但其內部則可裝載各種不同容量和不同格式的支路信號。引入虛容器的概念，使得不必了解支路信號的內容，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。2023/2/2255.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---復用原理（4/6）2023/2/2265.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---復用原理（5/6）

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。加入指針后組成的信息單元結構分為管理單元(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。2023/2/2275.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---復用原理（6/6）舉例：由PDH的4次群信號到SDH的STM-1的復接過程把139.264Mb/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149.760Mb/s;在虛容器VC-4內加上通道開銷POH(每幀9Byte,相應于0.576Mb/s)后，輸出信號速率為150.336Mb/s；在管理單元AU-4內，加上管理單元指針AUPTR(每幀9Byte,相應于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,相應于4.608Mb/s),輸出信號速率為155.520Mb/s,即為STM-1。2023/2/2285.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---數(shù)字交叉連接設備（1/5）

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排，最后將重新編排后的信號復接成高速信號輸出。2023/2/229同步數(shù)字傳輸系列SDH---數(shù)字交叉連接設備（2/5）2023/2/2302023/2/2315.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---數(shù)字交叉連接設備（3/5）

DXC的表示通常用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STM-1等級；數(shù)字5和6分別代表SDH的STM-4和STM-16等級。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）,而交叉鏈接的基本速率為64kb/s.2023/2/2325.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---數(shù)字交叉連接設備（4/5）交叉連接設備與交換機的區(qū)別有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；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。2023/2/2335.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---數(shù)字交叉連接設備（5/5）

DXC在干線傳輸網(wǎng)中的主要用途

實現(xiàn)自動化的網(wǎng)絡配置管理。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。2023/2/2345.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---SDH的應用（1/4）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。當然，SDH通過ADM和DXC等網(wǎng)絡單元可以構成更為復雜的網(wǎng)形網(wǎng)(如圖5.1所示)。

網(wǎng)形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。2023/2/2355.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---SDH的應用（2/4）2023/2/2365.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---SDH的應用（3/4）2023/2/2375.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---SDH的應用（4/4）2023/2/238本章內容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2023/2/239本節(jié)內容5.2系統(tǒng)的性能指標5.2.1參考模型5.2.2系統(tǒng)的主要性能指標5.2.3可靠性2023/2/2405.2.1參考模型---標準數(shù)字假設參考連接（1/2）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，稱為假設參考連接(HRX)，見圖5.11。最長的HRX是根據(jù)綜合業(yè)務數(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。如圖5.11所示，最長的標準數(shù)字HRX為27500km,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。2023/2/2415.2.1參考模型---標準數(shù)字假設參考連接（2/2）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。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。假設參考數(shù)字段的性能指標從假設參考數(shù)字鏈路的指標分配中得到，并再度分配給線路和設備。2023/2/2425.2.2系統(tǒng)性能指標---誤碼率（1/8）誤碼率(BER)

誤碼率是衡量數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸質量優(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。

2023/2/2435.2.2系統(tǒng)性能指標---誤碼率（2/8）2023/2/2445.2.2系統(tǒng)性能指標---誤碼率（3/8）2023/2/2455.2.2系統(tǒng)性能指標---誤碼率（4/8）對于目前的電話業(yè)務，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)和假設參考連接HRX的誤碼率指標如表5.3所示。2023/2/2465.2.2系統(tǒng)性能指標---誤碼率（5/8）

對三種誤碼率參數(shù)和指標說明如下劣化分(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。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%。嚴重誤碼秒(SES)

由于某些系統(tǒng)會出現(xiàn)短時間內大誤碼率的情況，嚴重影響通話質量，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1×10-3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%。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%。2023/2/2475.2.2系統(tǒng)性能指標---誤碼率（6/8）圖5.14示出最長HRX的電路質量等級劃分，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為高級電路，長途二級以下和本地級合并考慮。2023/2/2485.2.2系統(tǒng)性能指標---誤碼率（7/8）2023/2/2495.2.2系統(tǒng)性能指標---誤碼率（8/8）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24h。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。2023/2/2505.2.2系統(tǒng)性能指標---抖動（1/5）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(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。2023/2/2515.2.2系統(tǒng)性能指標---抖動（2/5）

抖動現(xiàn)象相當于對數(shù)字信號進行相位調制，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。2023/2/2525.2.2系統(tǒng)性能指標---抖動（3/5）2023/2/2535.2.2系統(tǒng)性能指標---抖動（4/5）2023/2/2545.2.2系統(tǒng)性能指標---抖動（5/5）2023/2/2555.2.3可靠性可靠性是一個重要指標，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)場實際調查結果，統(tǒng)計足夠長時間內的故障次數(shù)，確定每兩次故障的時間間隔和每次故障的修復時間。2023/2/2565.2.3可靠性---可靠性的表示方法（1/3）（1）可靠性R和故障率可靠性是指在規(guī)定的條件和時間內系統(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，兩者的關系為：故障率φ是系統(tǒng)工作到時間t，在單位時間內發(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)計無關的，則系統(tǒng)的可靠性Rs可表示為：式中,Ri和φi分別為系統(tǒng)第i個部件的可靠性和故障率。(5.1)

(5.2)2023/2/2575.2.3可靠性---可靠性的表示方法（2/3）(3)可用率A和失效率PF?？捎寐蔄是在規(guī)定時間內，系統(tǒng)處于良好工作狀態(tài)的概率，它可以表示為：（5.3）(5.4)

式中MTTR為平均故障修復時間(不可用時間)。

(2)故障率φ和平均故障間隔時間MTBF。兩者的關系為2023/2/2585.2.3可靠性---可靠性的表示方法（3/3）

失效率PF可以表示為：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。（5.5）由式(5.4)和式(5.5)得到(5.6)在有備用系統(tǒng)的情況下，失效率為：（5.7）（5.6）2023/2/2595.2.3可靠性---可靠性指標（1/3）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5000km雙向全程每年4次全阻故障，對應于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。市內數(shù)字光纜通信系統(tǒng)的假設參考數(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,PIN-FET壽命大于50×104h,APD壽命大于50×104h。2023/2/2605.2.3可靠性---可靠性指標（2/3）根據(jù)上述標準，以5000km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=6h。2023/2/2615.2.3可靠性---可靠性指標（3/3）2023/2/262本章內容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2023/2/263本節(jié)內容5.3系統(tǒng)的設計5.3.1中繼距離受損耗的限制5.3.2中繼距離受色散（帶寬）的限制5.3.3中繼距離和傳輸速率2023/2/2645.3系統(tǒng)和設計---系統(tǒng)設計的主要任務系統(tǒng)設計的主要任務

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。2023/2/2655.3系統(tǒng)和設計---中繼距離設計方法中繼距離設計方法最壞情況法(參數(shù)完全已知)統(tǒng)計法(所有參數(shù)都是統(tǒng)計定義)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，用這種方法得到的結果，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。2023/2/2665.3.1中繼距離受損耗的限制(1/6)圖5.17示出了無中繼器和中間有一個中繼器數(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，包括接頭。2023/2/2675.3.1中繼距離受損耗的限制(2/6)

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)。或(5.8)2023/2/2685.3.1中繼距離受損耗的限制(3/6)

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。2023/2/2695.3.1中繼距離受損耗的限制(4/6)2023/2/2705.3.1中繼距離受損耗的限制(5/6)連接器損耗一般為0.3～1dB/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，以及設備內光纖連接器性能劣化，Me一般不小于3dB。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。2023/2/2715.3.1中繼距離受損耗的限制(6/6)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。2023/2/2725.3.2中繼距離受色散（帶寬）的限制（1/11）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。

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)失去設計的性能。2023/2/2735.3.2中繼距離受色散（帶寬）的限制（2/11）(5.9)由式(5.10)得到a和δ的數(shù)值關系，并列于表5.12。(5.10)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：

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：2023/2/2745.3.2中繼距離受色散（帶寬）的限制（3/11）2023/2/2755.3.2中繼距離受色散（帶寬）的限制（4/11）美國Bell實驗室S.D.Personick的早期研究中，曾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δ只有峰值的0.034%，完全可以忽略不計。當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)設計選取a=0.25～0.35，功率代價不超過2dB。2023/2/2765.3.2中繼距離受色散（帶寬）的限制（5/11）

為確定中繼距離和光纖線路色散(帶寬)的關系，把輸出脈沖用半高全寬度(FWHM)τ表示，即（5.11）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。2023/2/2775.3.2中繼距離受色散（帶寬）的限制（6/11）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的關系為：B=(0.83～0.56)fb(5.12)2023/2/2785.3.2中繼距離受色散（帶寬）的限制（7/11）

中繼距離L與1km光纖帶寬B1的關系為B1=BLγ,所以L=［（1.21～1.78）Ｂ1/fb］1/γ

(5.13)以fb為參數(shù)，B1與L的關系示于圖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)的技術水平?；驅懗蒐γfb=(1.21～1.78)B1

(5.14)2023/2/2795.3.2中繼距離受色散（帶寬）的限制（8/11）2023/2/2805.3.2中繼距離受色散（帶寬）的限制（9/11）

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,其中：C0=C(λ0)為在光源中心波長λ0處光纖的色散(ps/(nm·km))，σλ為光源譜線寬度(nm)，L為光纖線路長度(km)。把這些關系式代入式(5.11)，同樣得到一個簡明的公式。設取a=σ/T=0.25，得到中繼距離：

(5.15)2023/2/2815.3.2中繼距離受色散（帶寬）的限制（10/11）

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：（5.16）

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(MLM-LD)，為rms寬度，對單縱模激光器(SLM-LD),為峰值下降20dB的寬度。ε是與功率代價和光源特性有關的參數(shù)，對于MLM-LD,ε=0.115,對于SLM-LD，ε=0.306。2023/2/2825.3.2中繼距離受色散（帶寬）的限制（11/11）

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稱波長值，而是分布在一定的波長范圍內。同樣，光源的峰值波長也是分配在一定波長范圍內，并不總是和光纖的零色散波長度相重合。對于G