光纖通信技術

光纖通信技術第一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五4.5數(shù)字光纖通信系統(tǒng)4.6同步數(shù)字系列(SDH)4.7光纖通信新技術第二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五第4章光纖通信技術4.1光纖通信概述4.1.1光纖通信基本概念光纖通信是以光為載波，以光纖為傳輸介質的通信方式。任何通信系統(tǒng)追求的最終技術目標都是要可靠地實現(xiàn)最大可能的信息傳輸容量和傳輸距離。通信系統(tǒng)的傳輸容量取決于對載波調制的頻帶寬度，載波頻率越高，頻帶寬度越寬。光纖通信的載波是光波。第三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

雖然光波和電波都是電磁波，但是頻率差別很大。目前，光纖通信用的近紅外光波長范圍約0.8μm～1.8μm。頻率約300THz。光纖通信用的頻帶寬度約為200THz，在常用的1.31μm和1.55μm兩個波長窗口頻帶寬度也在20THz以上。由于光源和光纖特性的限制，目前，光強度調制的帶寬一般只有20GHz，因此還有3個數(shù)量級以上的帶寬潛力可以挖掘。光纖是由絕緣的石英(SiO2)材料制成的，通過提高材料純度和改進制造工藝，可以在寬波長范圍內獲得很小的損耗。

第四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

在光纖通信系統(tǒng)中，作為載波的光波頻率比電波頻率高得多，而作為傳輸介質的光纖又比同軸電纜或波導管的損耗低得多，因此，相對于電纜通信或微波通信，光纖通信具有許多獨特的優(yōu)點。

1.容許頻帶很寬，傳輸容量很大

目前，單波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率一般為2.5Gb/s和10Gb/s。采用外調制技術，傳輸速率可以達到40Gb/s。波分復用和光時分復用更是極大地增加了傳輸容量。DWDM最高水平為132個信道，傳輸容量為20Gb/s×132=2640Gb/s。第五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五2.損耗小，中繼距離長

石英光纖在1.31μm和1.55μm波長，傳輸損耗分別為0.50dB/km和0.20dB/km，甚至更低。因此，中繼距離長。目前，采用外調制技術，波長為1.55μm的色散移位單模光纖通信系統(tǒng)，若其傳輸速率為2.5Gb/s，則中繼距離可達150km；若其傳輸速率為10Gb/s，則中繼距離可達100km。傳輸容量大、傳輸誤碼率低、中繼距離長的優(yōu)點，使光纖通信系統(tǒng)不僅適合于長途干線網而且適合于接入網的使用，這也是降低每公里話路的系統(tǒng)造價的主要原因。第六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

3.重量輕、體積小光纖重量很輕，直徑很小。即使做成光纜，在芯數(shù)相同的條件下，其重量還是比電纜輕得多，體積也小得多。

4.抗電磁干擾性能好光纖由電絕緣的石英材料制成，光纖通信線路不受各種電磁場的干擾和閃電雷擊的損壞。無金屬光纜非常適合于存在強電磁場干擾的高壓電力線周圍和油田、煤礦等易燃易爆環(huán)境中使用。光纖(復合)架空地線(OPGW)是光纖與電力輸送系統(tǒng)的地線組合而成的通信光纜，已在電力系統(tǒng)的通信中發(fā)揮重要作用。第七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

5.泄漏小，保密性能好在光纖中傳輸?shù)墓庑孤┓浅Ｎ⑷?，即使在彎曲地段也無法竊聽。沒有專用的特殊工具，光纖不能分接，因此信息在光纖中傳輸非常安全。6.節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用制造同軸電纜和波導管的銅、鋁、鉛等為金屬材料；而制造光纖的石英(SiO2)在地球上基本上是取之不盡的材料?？傊?，光纖通信不僅在技術上具有很大的優(yōu)越性，而且在經濟上具有巨大的競爭能力，因此其在信息社會中將發(fā)揮越來越重要的作用。第八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

4.1.2光纖通信系統(tǒng)的基本組成

光纖通信系統(tǒng)是以光為載波，以光纖為傳輸介質的通信系統(tǒng)，可以傳輸數(shù)字信號，也可以傳輸模擬信號。用戶要傳輸?shù)男畔⒍喾N多樣，一般有話音、圖像、數(shù)據(jù)或多媒體信息。為敘述方便，這里僅以數(shù)字電話和模擬電視為例。圖4-1示出單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)，包括發(fā)射、接收和作為廣義信道的基本光纖傳輸系統(tǒng)。第九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五圖4-1光纖通信系統(tǒng)的基本組成(單向傳輸)

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如圖4-1所示，信息源把用戶信息轉換為原始電信號，這種信號稱為基帶信號。電發(fā)射機把基帶信號轉換為適合信道傳輸?shù)男盘?，這個轉換如果需要調制，則其輸出信號稱為已調信號。例如，對于數(shù)字電話傳輸，電話機把話音轉換為頻率范圍為0.3～3.4kHz的模擬基帶信號，電發(fā)射機把這種模擬信號轉換為數(shù)字信號，并把多路數(shù)字信號組合在一起。模/數(shù)轉換普遍采用脈沖編碼調制(PCM)方式實現(xiàn)。一路話音轉換成傳輸速率為64kb/s的數(shù)字信號，然后用數(shù)字復接器把30路PCM信號組合成2.048Mb/s的一次群甚至高次群的數(shù)字系列，最后把這種已調信號輸入光發(fā)射機。還可以采用頻分復用(FDM)技術，用來自第十一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五不同信息源的模擬基帶信號(或數(shù)字基帶信號)分別調制指定的不同頻率的射頻(RF)電波，然后把多個這種帶有信息的RF信號組合成多路寬帶信號，最后輸入光發(fā)射機，由光載波進行傳輸。在這個過程中，受調制的RF電波稱為副載波，這種采用頻分復用的多路信號傳輸技術，稱為副載波復用(SCM)。不管是數(shù)字系統(tǒng)，還是模擬系統(tǒng)，輸入到光發(fā)射機帶有信息的電信號，都通過調制轉換為光信號。光載波經過光纖線路傳輸?shù)浇邮斩?，再由光接收機把光信號轉換為電信號。電接收機的功能和電發(fā)射機的功能相反，它把接收的電信號轉換為基帶信號，最后由信息宿恢復用戶信息。第十二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

在整個通信系統(tǒng)中，在光發(fā)射機之前和光接收機之后的電信號段，光纖通信所用的技術和設備與電纜通信相同，不同的只是由光發(fā)射機、光纖線路和光接收機所組成的基本光纖傳輸系統(tǒng)代替了電纜傳輸。光纖可以傳輸數(shù)字信號，也可以傳輸模擬信號。光纖通信在通信網、廣播電視網、計算機局域網和廣域網、綜合業(yè)務光纖接入網以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，都得到了廣泛應用。第十三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五4.2.1光纖結構和類型1.光纖結構光纖（OpticalFiber）是由中心的纖芯和外圍的包層同軸組成的圓柱形細絲。纖芯的折射率比包層稍高，損耗比包層更低，光能量主要在纖芯內傳輸。包層為光的傳輸提供反射面和光隔離，并起一定的機械保護作用。光纖的外形如圖4-2所示。設纖芯和包層的折射率分別為n1和n2，光能量在光纖中傳輸?shù)谋匾獥l件是n1>n2。纖芯和包層的相對折射率差Δ=（n1-n2）/n1的典型值，一般單模光纖為0.3%～0.6%，多模光纖為1%～2%。4.2光纖和光纜第十四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

圖4-2光纖的外形第十五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

2.光纖類型光纖種類很多，這里只討論作為信息傳輸波導用的由高純度石英（SiO2）制成的光纖。實用光纖主要有三種基本類型，圖4-3示出其橫截面的結構和折射率分布、光線在纖芯傳播的路徑以及由于色散引起的輸出脈沖相對于輸入脈沖的畸變。這些光纖的主要特征如下。

突變型多模光纖（Step-IndexFiber,SIF）如圖4-3(a)，纖芯折射率為n1保持不變，到包層突然變?yōu)閚2。這種光纖一般纖芯直徑2a=50～80μm，光線以折線形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，特點是信號畸變大。第十六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

漸變型多模光纖（Graded-IndexFiber,GIF）如圖4-3(b)，在纖芯中心折射率最大為n1，沿徑向r向外圍逐漸變小，直到包層變?yōu)閚2。這種光纖一般纖芯直徑2a為50μm，光線以正弦形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，特點是信號畸變小。

單模光纖（Single-ModeFiber,SMF）如圖4-3(c)，折射率分布和突變型光纖相似，纖芯直徑只有8～10μm，光線以直線形狀沿纖芯中心軸線方向傳播。因為這種光纖只能傳輸一個模式，所以稱為單模光纖。第十七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

那么我們怎樣理解光纖模式的概念呢？光也是電磁波，電磁波是由交變的電場和磁場組成且滿足一定的數(shù)學關系。光在光纖中的傳播就是電場和磁場相互交替地變換傳播，電場和磁場不同的分布形式（滿足特定的方程）就構成不同的模式。所謂單模光纖就是指只傳輸HE11一種矢量模式。多模光纖則指能同時傳輸多種模式（例如HE11、TM01、TE01、HE12等矢量模式）的光纖。漸變型多模光纖和單模光纖，包層外徑2b都選用125μm。實際上，根據(jù)應用的需要，可以設計折射率介于SIF和GIF之間第十八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

的各種準漸變型光纖。為調整工作波長或改善色散特性，可以在圖4-3(c)常規(guī)單模光纖的基礎上，設計許多結構復雜的特種單模光纖。有在1.3～1.6μm之間色散變化很小的色散平坦光纖（DispersionFlattenedFiber,DFF）；有把零色散波長移到1.55μm的色散移位光纖（DispersionShiftedFiber,DSF）；有偏振保持光纖等。第十九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

圖4-3三種基本類型的光纖(a)突變型多模光纖；(b)漸變型多模光纖；(c)單模光纖第二十頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

各種光纖，其用途也不同。突變型多模光纖信號畸變大，相應的帶寬只有10～20MHz·km，用于小容量、短距離系統(tǒng)。漸變型多模光纖的帶寬可達1～2GHz·km，適用于中等容量、中等距離系統(tǒng)。大容量（565Mb/s～2.5Gb/s）長距離(30km以上)系統(tǒng)要用單模光纖。色散平坦光纖適用于波分復用系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以把傳輸容量提高幾倍到幾十倍。外差接收方式的相干光系統(tǒng)要用偏振保持光纖，這種系統(tǒng)最大優(yōu)點是提高接收靈敏度，增加傳輸距離。第二十一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五4.2.2光纖傳光原理要詳細描述光纖傳光原理，需要求解由麥克斯韋方程組導出的波動方程。但在極限(波數(shù)k=2π/λ非常大，波長λ→0)條件下，可以用幾何光學的射線方程作近似分析。幾何光學的方法比較直觀，容易理解，但并不十分嚴格。用幾何光學方法分析光纖傳輸原理，我們關注的問題主要是光束在光纖中傳播的空間分布和時間分布，并由此得到數(shù)值孔徑和時間延遲的概念。1.突變型多模光纖設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，如圖4-4所示。第二十二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

圖4-4突變型多模光纖的光線傳播原理第二十三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

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)。改變角度θ，不同θ相應的光線將在纖芯與包層交界面發(fā)生反射或折射。根據(jù)全反射原理，存在一個臨界角θc，當θ<θc時，相應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(4-1)第二十四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

當θ=θc時，相應的光線將以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θ>θc時，相應的光線將在交界面折射進入包層并逐漸消失，如光線3。由此可見，只有在半錐角為θ≤θc的圓錐內入射的光束才能在光纖中傳播。根據(jù)這個傳播條件，定義臨界角θc的正弦為數(shù)值孔徑(NumericalAperture,NA)。根據(jù)定義和斯奈爾定律（4-2）

N0=1，由式（4-2）經簡單計算得到

（4-3）第二十五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五式中：Δ=(n1-n2)/n1為纖芯與包層相對折射率差。設Δ=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21。NA表示光纖接收和傳輸光的能力，NA(或θc)越大，光纖接收光的能力越強，從光源到光纖的耦合效率越高。對于無損耗光纖，在θc內的入射光都能在光纖中傳輸。NA越大，纖芯對光能量的束縛越強，光纖抗彎曲性能越好?，F(xiàn)在我們來觀察光線在光纖中的傳播時間。根據(jù)圖4-4，入射角為θ的光線在長度為L(ox)的光纖中傳輸，所經歷的路程為l(oy)，在θ不大的條件下，得到最大入射角(θ=θc)和最小入射角(θ=0)的光線之間時間延遲差近似為第二十六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

（4-4）式中：c為真空中的光速。這種時間延遲差在時域產生脈沖展寬，或稱為信號畸變。由此可見，突變型多模光纖的信號畸變是由于不同入射角的光線經光纖傳輸后，其時間延遲不同而產生的，其大小與Δ成正比。

可見，NA越大，經光纖傳輸后產生的信號畸變越大，因而限制了信息傳輸容量。所以要根據(jù)實際使用場合，選擇適當?shù)腘A。第二十七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五2.漸變型多模光纖

漸變型多模光纖具有能減小脈沖展寬、增加帶寬的優(yōu)點。漸變型多模光纖的子午面(r-z)示于圖4-5，一般光纖相對折射率差都很小，光線和中心軸線z的夾角也很小，即sinθ≈θ。第二十八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五圖4-5漸變型多模光纖的光線傳播原理第二十九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

由圖可見，漸變型多模光纖的光線軌跡是傳輸距離z的正弦函數(shù)，對于確定的光纖，其幅度的大小取決于入射角θ0，其周期Λ=2πa/，取決于光纖的結構參數(shù)(a,Δ)，而與入射角θ0無關。這說明不同入射角相應的光線，雖然經歷的路程不同，但是最終都會聚在P點上，見圖4-5，這種現(xiàn)象稱為自聚焦(Self-Focusing)效應。漸變型多模光纖具有自聚焦效應，不僅不同入射角相應的光線會聚在同一點上，而且這些光線的時間延遲也近似相等。這是因為光線傳播速度v(r)=c/n(r)(c為光速)，入射角第三十頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

的光線經歷的路程較長，但大部分路程遠離中心軸線，n(r)較小，傳播速度較快，補償了較長的路程。入射角小的光線情況正相反，其路程較短，但速度較慢。所以這些光線的時間延遲近似相等。所以信號畸變比突變型多模光纖的信號畸變要小。4.2.3光纖傳輸特性光信號經光纖傳輸后要產生損耗和畸變(失真)，因而輸出信號和輸入信號不同。對于脈沖信號，不僅幅度要減小，而且波形要展寬。產生信號畸變的主要原因是光纖中存在色散。損耗和色散是光纖最重要的傳輸特性。損耗限制系統(tǒng)的傳輸距離，色散則限制系統(tǒng)的傳輸容量。本節(jié)討論光纖的色散和損耗的機理和特性，為光纖通信系統(tǒng)的設計提供依據(jù)。第三十一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五（一）光纖色散

色散(Dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘枺捎诓煌煞值墓獾臅r間延遲不同而產生的一種物理效應。色散一般包括模式色散、材料色散和波導色散。1）模式色散是由于不同模式的時間延遲不同而產生的，它取決于光纖的折射率分布，并和光纖材料折射率的波長特性有關。2）材料色散是由于光纖的折射率隨波長而改變，以及模式內部不同波長成分的光(實際光源不是純單色光)，其時間延遲不同而產生的。這種色散取決于光纖材料折射率的波長特性和光源的譜線寬度。第三十二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五3）波導色散是由于波導結構參數(shù)與波長有關而產生的，它取決于波導尺寸和纖芯與包層的相對折射率差。色散對光纖傳輸系統(tǒng)的影響，在時域和頻域的表示方法不同。如果信號是模擬調制的，色散限制帶寬(Bandwith)；如果信號是數(shù)字脈沖，色散產生脈沖展寬。所以，色散通常用3dB光帶寬f3dB

或脈沖展寬Δτ表示。光纖色散測量有相移法、脈沖時延法和干涉法等。第三十三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五（二）光纖損耗

由于損耗的存在，在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，不管是模擬信號還是數(shù)字脈沖，其幅度都要減小。光纖的損耗在很大程度上決定了系統(tǒng)的傳輸距離。損耗的大小用損耗系數(shù)表示。（dB/km）（4-5）式中：L為光纖的長度，km；Pi為輸入光功率；Po為輸出光功率。第三十四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五1.損耗的機理

光纖損耗機理包括吸收損耗和散射損耗兩部分。吸收損耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質引起的吸收產生的。主要是光波通過光纖時，有一部分光能變成熱能，從而造成光功率的損失。散射損耗主要由材料、形狀、折射率分布等的缺陷或不均勻，使光纖中傳的光發(fā)生散射。第三十五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五2.損耗測量

光纖損耗測量有兩種基本方法：一種是測量通過光纖的傳輸光功率，稱剪斷法和插入法；另一種是測量光纖的后向散射光功率，稱后向散射法。在工程上最實用的是后向散射法。由于瑞利散射光功率與傳輸光功率成比例。利用與傳輸光相反方向的瑞利散射光功率來確定光纖損耗系數(shù)的方法，稱為后向散射法。設在光纖中正向傳輸光功率為P，經過L1和L2點(L1<L2)時分別為P1和P2(P1>P2)，從這兩點返回輸入端(L=0)。光檢測器的后向散射光功率分別為Pd(L1)和Pd(L2)，經分析推導得到，正向和反向平均損耗系數(shù)第三十六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

（4-6）式中：右邊分母中因子2是光經過正向和反向兩次傳輸產生的結果。后向散射法不僅可以測量損耗系數(shù)，還可利用光在光纖中傳輸?shù)臅r間來確定光纖的長度L。（4-7）

式中：c為光速；n1為光纖的纖芯折射率；t為光脈沖從發(fā)出到返回的時間。第三十七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

式中：c為光速；n1為光纖的纖芯折射率；t為光脈沖從發(fā)出到返回的時間。圖4-6示出后向散射法光纖損耗測量系統(tǒng)的框圖。光源應采用特定波長、穩(wěn)定的大功率激光器，調制的脈沖寬度和重復頻率應和所要求的長度分辨率相適應。耦合器件把光脈沖注入被測光纖，又把后向散射光注入光檢測器。光檢測器應有很高的靈敏度。第三十八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五圖4-6后向散射法光纖損耗測量系統(tǒng)圖4-7后向散射功率曲線的示例相對反向散射功率光纖長度EDCBA第三十九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

圖4-7是后向散射功率曲線的示例，圖中A輸入端反射區(qū)；BC恒定斜率區(qū)，用以確定損耗系數(shù)；C連接器、接頭或局部缺陷引起的損耗；D介質缺陷(例如氣泡)引起的反射；E輸出端反射區(qū)（光纖斷點），用以確定光纖長度。用后向散射法的原理設計的測量儀器稱為光時域反射儀(OTDR)。這種儀器采用單端輸入和輸出，不破壞光纖，使用非常方便。OTDR不僅可以測量光纖損耗系數(shù)和光纖長度，還可以測量連接器和接頭的損耗，觀察光纖沿線的均勻性和確定故障點的位置，確實是光纖通信系統(tǒng)工程現(xiàn)場測量不可缺少的工具。第四十頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

（三）光纖標準和應用

制訂光纖標準的國際組織主要有ITU-T和IEC(國際電工委員會)。應用情況一般為：

G.651多模漸變型(GIF)光纖，這種光纖在光纖通信發(fā)展初期廣泛應用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)。

G.652常規(guī)單模光纖，是第一代單模光纖，其特點是在波長1.31μm色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離只受損耗的限制。目前世界上已敷設的光纖線路90%采用這種光纖。

G.653色散移位光纖，是第二代單模光纖，其特點是在波長1.55μm色散為零，損耗又最小。這種光纖適用于大容量長距離通信系統(tǒng)。第四十一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五G.6541.55μm損耗最小的單模光纖，其特點是在波長1.31μm色散為零，在1.55μm色散為17～20ps/(nm·km)，和常規(guī)單模光纖相同，但損耗更低，可達0.20dB/km以下。這種光纖實際上是一種用于1.55μm改進的常規(guī)單模光纖，目的是增加傳輸距離。此外還有色散補償光纖，其特點是在波長1.55μm具有大的負色散。這種光纖是針對波長1.31μm常規(guī)單模光纖通信系統(tǒng)的升級而設計的，因為當這種系統(tǒng)要使摻鉺光纖放大器(EDFA)以增加傳輸距離時，必須把工作波長從1.31μm移到1.55μm。用色散補償光纖在波長1.55μm的負色散和常規(guī)單模光纖在1.55μm的正色散相互抵消，以獲得線路總色散為零損耗又最小的效果。第四十二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

G.655非零色散光纖，是一種改進的色散移位光纖。具有常規(guī)單模光纖和色散移位光纖的優(yōu)點，是最新一代的單模光纖。這種光纖在密集波分復用和孤子傳輸系統(tǒng)中使用，實現(xiàn)了超大容量超長距離的通信。4.2.4光纜及電力系統(tǒng)特種光纜在實際通信線路中，都是將光纖制成不同結構型式的光纜。因為光纖本身脆弱易裂，直接和外界接觸，易產生接觸傷痕，甚至被折斷。保護光纖固有機械強度的方法，通常是采用塑料被覆和應力篩選。光纖從高溫拉制出來后，要立即用軟塑料(例如紫外固化的丙第四十三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

烯酸樹脂)進行一次被覆和應力篩選，除去斷裂光纖，并對成品光纖用硬塑料(例如高強度聚酰胺塑料)進行二次被覆。二次被覆光纖有緊套、松套、大套管和帶狀線光纖四種。把一次被覆光纖裝入硬塑料套管內，使光纖與外力隔離是保護光纖的有效方法。在工程應用中，光纜不可避免要遭受一定的拉力而伸長，或者遭遇低溫而收縮。因此，松套管內的光纖要留有一定的余長，使光纖受拉力或壓力的作用。第四十四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五（一）光纜結構和類型光纜一般由纜芯和護套兩部分組成，有時在護套外面加有鎧裝。

1.纜芯纜芯通常包括被覆光纖(或稱芯線)和加強件兩部分。被覆光纖是光纜的核心，決定著光纜的傳輸特性。光纜類型多種多樣，圖4-8給出若干典型實例。根據(jù)纜芯結構的特點，光纜可分為四種基本型式。第四十五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五圖4-8光纜類型的典型實例(a)6芯緊套層絞式光纜(架空、管道)；(b)12芯松套層絞式光纜(直埋防蟻)；(c)12芯骨架式光纜(直埋)；(d)6～48芯束管式光纜(直埋)；(e)108芯帶狀光纜；(f)LXE束管式光纜(架空、管道、直埋)；(g)淺海光纜；(h)架空地線復合光纜(OPGW)第四十六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

（1）層絞式。把松套光纖繞在中心加強件周圍絞合而構成。這種結構的纜芯制造設備簡單，工藝相當成熟，得到廣泛應用。采用松套光纖的纜芯可以增強抗拉強度，改善溫度特性。（2）骨架式。把緊套光纖或一次被覆光纖放入中心加強件周圍的螺旋形塑料骨架凹槽內而構成。這種結構的纜芯抗側壓力性能好，有利于對光纖的保護。

（3）中心束管式。把一次被覆光纖或光纖束放入大套管中，加強件配置在套管周圍而構成。這種結構的加強件同時起著護套的部分作用，有利于減輕光纜的重量。第四十七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五（4）帶狀式。把帶狀光纖單元放入大套管內，形成中心束管式結構，也可以把帶狀光纖單元放入骨架凹槽內或松套管內，形成骨架式或層絞式結構。帶狀式纜芯有利于制造容納幾百根光纖的高密度光纜，這種光纜已廣泛應用于接入網。2.護套護套起著對纜芯的機械保護和環(huán)境保護作用，要求具有良好的抗側壓力性能及密封防潮和耐腐蝕的能力。護套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和鋁帶或鋼帶構成。不同使用環(huán)境和敷設方式對護套的材料和結構有不同的要求。第四十八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

根據(jù)使用條件，光纜又可以分為許多類型。一般光纜有室內光纜、架空光纜、埋地光纜和管道光纜等。

（二）光纜特性光纜的傳輸特性取決于被覆光纖。對光纜機械特性和環(huán)境特性的要求由使用條件確定。光纜生產出來后，對這些特性的主要項目：拉力、壓力、扭轉、彎曲、沖擊、振動和溫度等，要根據(jù)國家標準的規(guī)定做例行試驗。成品光纜一般要求給出上述特性。第四十九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五4.3光源與光檢測器

光源、光檢測器是光發(fā)射機、光接收機和光中繼器的關鍵器件，和光纖一起決定著基本光纖傳輸系統(tǒng)的水平。4.3.1光源光源是光發(fā)射機的關鍵器件，其功能是把電信號轉換為光信號。目前光纖通信廣泛使用的光源主要有半導體激光二極管或稱激光器(LD)和發(fā)光二極管或稱發(fā)光管(LED)。第五十頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五（一）半導體激光器工作原理和基本結構半導體激光器產生激光的基本原理是向半導體PN結注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布，產生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產生激光振蕩的。所以討論激光器工作原理要從受激輻射開始。

1.受激輻射和粒子數(shù)反轉分布

有源器件的物理基礎是光和物質相互作用的效應。在物質的原子中，存在許多能級，最低能級E1稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級Ei(i=2,3,4…)稱為激發(fā)態(tài)。電子在低能級E1的基態(tài)和高能級E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種基本方式(見圖4-11)：第五十一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

圖4-11能級和電子躍遷(a)受激吸收；(b)自發(fā)輻射；(c)受激輻射第五十二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五（1）在正常狀態(tài)下，電子處于低能級E1，在入射光作用下，它會吸收光子的能量躍遷到高能級E2上，這種躍遷稱為受激吸收。電子躍遷后，在低能級留下相同數(shù)目的空穴，見圖4-11(a)。（2）在高能級E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，也會自動地躍遷到低能級E1上與空穴復合，釋放的能量轉換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射，見圖4-11(b)。（3）在高能級E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級E1上與空穴復合，釋放的能量產生光輻射，這種躍遷稱為受激輻射，見圖4-11(c)。第五十三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

受激輻射是受激吸收的逆過程。電子在E1和E2兩個能級之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足波爾條件，即E2-E1=hf12(4-8)式中：h為普朗克常數(shù)，h=6.628×10-34J·s；；f12為吸收或輻射的光子頻率。受激輻射和自發(fā)輻射產生的光其特點很不相同。受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光；自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產生的，其頻率和方向分布在一定范圍內，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相第五十四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

干光。產生受激輻射和產生受激吸收的物質是不同的。設在單位物質中，處于低能級E1和處于高能級E2(E2>E1)的原子數(shù)分別為N1和N2。如果N1>N2，則受激吸收大于受激輻射，當光通過這種物質時，光強按指數(shù)衰減，這種物質稱為吸收物質。如果N2>N1，則受激輻射大于受激吸收，當光通過這種物質時，會產生放大作用，這種物質稱為激活物質。N2>N1的分布，和正常狀態(tài)的分布相反，所以稱為粒子數(shù)反轉分布。如何得到粒子數(shù)反轉分布的狀態(tài)呢?2.PN結的能帶和電子分布在P型和N型半導體組成的PN結界面上，由于存在多數(shù)載流子(電子或空穴)的梯度，因而產生擴散運動，形成內部電場，見圖4-12(a)。第五十五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五4.4光端機4.4.1發(fā)射機光發(fā)射機的功能是把輸入電信號轉換為光信號,并用耦合技術把光信號最大限度地注入光纖線路。光發(fā)射機完成把電信號轉換為光信號(常簡稱為電/光或E/O轉換)，是通過電信號對光的調制而實現(xiàn)的。㈠兩種調制方式目前調制分為直接調制和外調制兩種方式。如圖4-20所示。第五十六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五圖4-20兩種調制方案(a)直接調制；(b)間接調制(外調制)第五十七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五1．直接調制直接調制是用電信號直接調制半導體激光器或發(fā)光二極管的驅動電流，使輸出光隨電信號變化而實現(xiàn)的。圖4-21示出激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)直接光強數(shù)字調制原理，對LD施加了偏置電流Ib。由圖4-21可見，當激光器的驅動電流大于閾值電流Ith時，輸出光功率P和驅動電流I基本上是線性關系，輸出光功率和輸入電流成正比，所以輸出光信號反映輸入電信號。這種方案技術簡單，成本較低，容易實現(xiàn)，但調制速率受激光器的頻率特性所限制。第五十八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五圖4-21直接光強數(shù)字調制原理(a)LED數(shù)字調制原理；(b)LD的數(shù)字調制原理

第五十九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五2.外調制外調制是把激光的產生和調制分開，用獨立的調制器調制激光器的輸出光而實現(xiàn)的。如圖4-20（b）所示。目前有多種調制器可供選擇，最常用的是電光調制器。這種調制器是利用電信號改變電光晶體的折射率，使通過調制器的光參數(shù)隨電信號變化而實現(xiàn)調制的。外調制方式雖然技術復雜，但是傳輸速率和接收靈敏度很高，在大容量的波分復用和相干光通信系統(tǒng)中使用，是很有發(fā)展前途的通信方式。（二）光發(fā)射機基本組成

目前技術上成熟并在實際光纖通信系統(tǒng)得到廣泛應用的是直接光強(功率)調制。直接調制光發(fā)射機由輸入接口、編碼電路、光源、驅動電路、公務及監(jiān)控電路、自動偏置控制電路、溫控電路等組成(圖4-22)，其核心是光源及驅動電路。第六十頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五電信號光信號輸入電路驅動電路光源保護、報警自動偏置編碼電路圖4-22數(shù)字光發(fā)送機框圖第六十一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

工作過程是這樣的：輸入電路將輸入的PCM脈沖信號進行整形，變換成NRZ/RZ碼后送給編碼電路，編碼電路將簡單的二電平碼變換為適合于光纖傳輸?shù)木€路碼，因為在光纖通信系統(tǒng)中，從電端機輸出的是適合于電纜傳輸?shù)碾p極性碼。光源不可能發(fā)射負光脈沖，因此必須進行碼型變換，以適合于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)囊?。在光發(fā)射機中有編碼電路，在光接收機中有對應的解碼電路。第六十二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

常用的光纖線路碼有擾碼、mBnB碼和插入碼。線路碼通過驅動電路調制光源。驅動電路要給光源提供一個合適的偏置電流和調制電流。為了穩(wěn)定輸出的平均光功率和工作溫度，通常設置一個自動功率控制電路（APC）和自動溫控電路（ATC）。此外，在光發(fā)射機中還有監(jiān)控、報警電路，對光源壽命及工作狀態(tài)進行監(jiān)控與報警等。第六十三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

數(shù)字光發(fā)射機最重要的性能指標為平均輸出光功率和消光比。1.平均發(fā)送光功率（1）平均發(fā)送光功率的定義。光端機的平均發(fā)送光功率是指光端機在正常工作的情況下，由電端機輸出223-1或215-1的偽隨機碼時，在光端機輸出端測量到的平均光功率。平均發(fā)送光功率的功率值用PT（μW）表示，電平值用LT（dBm）表示，光功率值與電平值之間的關系是：（4-11）第六十四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

對于一個實際的光纖通信系統(tǒng)，平均發(fā)送光功率并不是越大越好，雖然從理論上講，發(fā)送光功率越大，通信距離越長，但光功率越大會使光纖工作在非線性狀態(tài)，這種非線性狀態(tài)會對光纖產生不良影響。

2．消光比（1）消光比的定義。消光比是指光端機的電接口輸入為全“1”碼和全“0”碼時的平均發(fā)送光功率之比，用EXT表示。無輸入信號時，光端機輸出平均發(fā)送光功率P0，對接收機來說是一種噪聲，會降低接收機的靈敏度，因此希望消光比越小越好。但是，對激光器LD來講，要使消光比小就要減小偏置電流，從而使光源輸出功率降低，譜線寬度增加。所以要全面考慮消光比與其它指標之間的矛盾。第六十五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五4.4.2光接收機（一）光接收機基本組成直接檢測方式的數(shù)字光接收機方框圖示于圖4-23，主要包括光檢測器、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。第六十六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

圖4-23數(shù)字光接收機方框圖第六十七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五1.光檢測器光檢測器是光接收機實現(xiàn)光/電轉換的關鍵器件，其性能特別是響應度和噪聲直接影響光接收機的靈敏度。

2.放大器前置放大器應是低噪聲放大器，它的噪聲對光接收機的靈敏度影響很大。主放大器一般是多級放大器，它的作用是提供足夠的增益，并通過它實現(xiàn)自動增益控制(AGC)，以使輸入光信號在一定范圍內變化時，輸出電信號保持恒定。主放大器和AGC決定著光接收機的動態(tài)范圍。第六十八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

3.均衡和再生均衡的目的是對經光纖傳輸、光/電轉換和放大后已產生畸變(失真)的電信號進行補償，使輸出信號的波形適合于判決(一般用具有升余弦譜的碼元脈沖波形)，以消除碼間干擾，減小誤碼率。再生電路包括判決電路和時鐘提取電路，它的功能是從放大器輸出的信號與噪聲混合的波形中提取碼元時鐘，并逐個地對碼元波形進行取樣判決，以得到原發(fā)送的碼流。第六十九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五（二）光電集成接收機為了適合高傳輸速率的需求，人們一直在努力開發(fā)而且已實現(xiàn)單片光接收機，即用“光電集成電路(OEIC)技術”在同一芯片上集成包括光檢測器在內的全部元件。（三）噪聲特性光接收機的噪聲有兩部分：一部分是外部電磁干擾產生的，這部分噪聲的危害可以通過屏蔽或濾波加以消除；另一部分是內部產生的，這部分噪聲是在信號檢測和放大過程中引入的隨機噪聲，只能通過器件的選擇和電路的設計與制造盡可能減小，一般不可能完全消除。下面討論的噪聲是指內部產生的隨機噪聲。第七十頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

光接收機噪聲的主要來源是光檢測器的噪聲和前置放大器的噪聲。因為前置級輸入的是微弱信號，其噪聲對輸出信噪比影響很大，而主放大器輸入的是經前置級放大的信號，只要前置級增益足夠大，主放大器引入的噪聲就可以忽略。（四）主要性能1.靈敏度靈敏度Pr的定義是，在保證誤碼率的條件下，光接收機所需的最小平均接收光功率Pmin，并以dBm為單位。靈敏度是衡量光接收機質量的綜合指標，它反映接收機調整到最佳狀態(tài)時，接收微弱光信號的能力。靈敏度主要第七十一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五取決于組成光接收機的光電二極管和放大器的噪聲，并受傳輸速率、光發(fā)射機的參數(shù)和光纖線路的色散的影響，還與系統(tǒng)要求的誤碼率或信噪比有密切關系。所以靈敏度也是反映光纖通信系統(tǒng)質量的重要指標。2.動態(tài)范圍光接收機應具有一定的動態(tài)范圍。由于使用條件不同，輸入光接收機的光信號大小要發(fā)生變化，為實現(xiàn)寬動態(tài)范圍，采用AGC是十分有必要的。第七十二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

動態(tài)范圍(DR)的定義是：在限定的誤碼率條件下，光接收機所能承受的最大平均接收光功率Pmin和所需最小平均接收光功率Pmin的比值，用dB表示。動態(tài)范圍是光接收機性能的另一個重要指標，它表示光接收機接收強光的能力，數(shù)字光接收機的動態(tài)范圍一般應大于15dB。第七十三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五4.5數(shù)字光纖通信系統(tǒng)4.5.1系統(tǒng)結構光纖通信系統(tǒng)是通信網的一個組成部分。典型的光纖通信系統(tǒng)結構如圖4-24所示。從圖中可以看出，該系統(tǒng)是由發(fā)射端機(電/光)、接收端機(光/電)、光中繼器、監(jiān)控系統(tǒng)、備用系統(tǒng)等組成。由于在前面已經對端機進行了討論，下面僅就光中繼器加以介紹。第七十四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五光接收機光發(fā)射機光中繼器光接收機光發(fā)射機圖4-24光纖通信系統(tǒng)示意圖第七十五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五1.光中繼器傳統(tǒng)的光中繼器采用光—電—光的轉換形式，即先將受到的微弱光信號用光檢測器轉換成電信號后進行放大、整形和再生后，恢復出原來的數(shù)字信號，然后再對光源進行調制，變換為光脈沖信號后送入光纖繼續(xù)傳輸。自光纖放大器實用化以來，光纖放大器開始代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光中繼器，特別是在高速光纖通信系統(tǒng)中。光放大器能直接放大光信號，對信號的格式和速率具有高度的透明性，使得整個系統(tǒng)更加簡單、靈活。第七十六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五4.5.2系統(tǒng)的主要性能指標（一）誤碼性能1.誤碼的定義光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)的誤碼性能用誤碼率BER來衡量。即在特定的一段時間內所接收的錯誤碼元與同一時間內所接收的總碼元數(shù)之比。2.誤碼發(fā)生的形態(tài)和原因誤碼發(fā)生的形態(tài)主要有兩類：一類是隨機形態(tài)的誤碼，即誤碼主要是單個隨機發(fā)生的，具有偶然性；另一類是突發(fā)的、成群發(fā)生的誤碼，這種誤碼可能在某個瞬間集中發(fā)生，而其它大部分時間無誤碼發(fā)生。誤碼發(fā)生的原因是多方面的。如數(shù)字網中的熱噪聲，交換設備的脈沖噪聲干擾，雷電的電磁感應，電力線產生的干擾等。第七十七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五3.誤碼性能的評定方法評定誤碼性能的參數(shù)包括平均誤碼率、劣化分、嚴重誤碼秒和誤碼秒。（二）抖動性能

1.抖動的定義抖動是數(shù)字信號傳輸中的一種瞬時不穩(wěn)定現(xiàn)象。即數(shù)字信號的各有效瞬間對其理想時間位置的短時間偏離，稱為抖動。圖4-25為定時抖動的圖解定義。抖動可分為相位抖動和定時抖動。相位抖動是指傳輸過程中所形成的周期性的相位變化。定時抖動是指脈碼傳輸系統(tǒng)中的同步誤差。第七十八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

圖4-25定時抖動的圖解第七十九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

抖動的大小或幅度通?？捎脮r間、相位或數(shù)字周期來表示。目前多用數(shù)字周期來表示，即“單位間隔”，用符號UI（UnitInterval），也就是1比特信息所占有的時間間隔。例如碼速率為34.368Mb/s的脈沖信號，1UI=1/34.368μs。2.抖動產生的原因（1）數(shù)字再生中繼器引起的抖動。由于再生中繼器中的定時恢復電路的不完善及再生中繼器的累計導致了抖動的產生和累加。（2）數(shù)字復接及分接器引起的抖動。在復接器的支路輸入口，各支路數(shù)字信號附加上碼速調整控制比特和幀定位信號形成群輸出信號。而在分接器的輸入口，要將附加比特扣除，恢復原分支數(shù)字信號，這些將不可避免地引起抖動。第八十頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五（3）噪聲引起的抖動。由于數(shù)字信號處理電路引起的各種噪聲。（4）其它原因。由于環(huán)境溫度的變化、傳輸線路的長短及環(huán)境條件等也會引起抖動。

3.抖動的類型（1）隨機性抖動。在再生中繼器內與傳輸信號關系不大的抖動來源稱為隨機性抖動。這些抖動主要由于環(huán)境變化、器件老化及定時調諧回路失調引起。（2）系統(tǒng)性抖動。由于碼間干擾，定時電路幅度—相位轉換等因素引起的抖動。4.抖動的容限第八十一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五（1）輸入抖動容限。輸入抖動容限是指數(shù)字段能夠允許的輸入信號的最低抖動限值，即加大輸入信號的抖動值，直到設備由不誤碼到開始誤碼的這個分界點。此時的輸入信號上的誤碼即為最大允許輸入抖動下限。（2）輸出抖動容限。在數(shù)字段輸入信號無抖動時，由于數(shù)字段內的中繼器產生抖動，并按一定規(guī)律進行累計，于是在數(shù)字段輸出端產生抖動。ITU―T提出了數(shù)字段無輸入抖動時的輸出抖動上限，即為輸出抖動容限。第八十二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五（3）抖動轉移特性。由于輸入口數(shù)字信號的抖動經設備或系統(tǒng)轉移后到達輸出口，從而構成了輸出抖動的另一個來源。為了保證數(shù)字網抖動的總質量目標，ITU―T建議抖動轉移增益不大于1dB。

第八十三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五圖4-26光纖通信系統(tǒng)的具體組成（三）光纖通信系統(tǒng)接口指標一個完整的光纖通信系統(tǒng)的具體組成如圖4-26所示。第八十四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

我們把光端機與光纖的連接點稱為光接口。光接口有兩個，一個由S點向光纖發(fā)送光信號；另一個由R點從光纖接收信號。光中繼器兩側均與光纖相連，所以它兩側的接口均為光接口。光接口是光纖通信系統(tǒng)特有的接口。在S點的主要指標有平均發(fā)送光功率和消光比，在R點的主要指標有接收機靈敏度和動態(tài)范圍。圖4-26中的A、B點為電接口。通常把A點稱為輸入口，B點稱為輸出口。在輸入口和輸出口都需要測試的指標是：比特率及容差、反射損耗。在輸入口測試的指標有輸入口允許衰減和抗干擾能力、輸入抖動容限；在輸出口測試的指標有輸出口脈沖波形、無輸入抖動時的輸出抖動容限。第八十五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五三、光纖傳輸系統(tǒng)的設計

根據(jù)前面所討論的光纖傳輸系統(tǒng)的各種指標要求，光發(fā)射機與光接收機之間有最大傳輸距離的問題。因此如要實現(xiàn)長距離通信，在設計一個光纖系統(tǒng)時，最大中繼距離的設計就是一個重要問題。從前面的性能討論知道，最大中繼距離要受發(fā)射機耦合入光纖的功率PT、光接收機靈敏度Pmin、光纖的衰減系數(shù)、光纖的色散4個因素的影響。

下面我們分兩種情況討論：第八十六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五1.中繼距離受光纖衰減限制的情況如果在光纖通信系統(tǒng)中，信號的碼速不是很高，帶寬足夠寬，則光纖的色散對傳輸距離的影響不大，可認為光纖傳輸系統(tǒng)的最大中繼距離僅受光纖衰減的影響。則中繼距離的長度可按下式計算。

（4-12）第八十七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五式中：PT為平均發(fā)射光功率(dBm)；Pmin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)。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。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)光纜生產長度計算得到。第八十八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五2.色散對中繼距離的影響當光纖系統(tǒng)的碼速大于140Mb/s時，如果中繼距離過長，由于色散的影響，會造成數(shù)字信號脈沖過大的展寬，引起碼間干擾，從而降低光接收機的靈敏度。就目前的速率系統(tǒng)而言，僅考慮色散影響的中繼距離的計算公式為

（4-13）第八十九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

式中：LD為傳輸距離，km；為線路碼速率，Mb/s；D為色散系數(shù)，ps/km·nm；ε為與色散代價有關的系數(shù)。ε由系統(tǒng)中所選用的光源類型來決定，若采用多縱模激光器，取ε為0.115；若采用單縱模激光器和半導體發(fā)光二極管，則取ε為0.306。對于某一傳輸速率的系統(tǒng)而言，在考慮上述兩個因素的同時，分別算出兩個中繼距離L和LD，然后取距離短的為該傳輸速率的實際中繼距離。以140Mb/s單模光纖通信系統(tǒng)為例計算中繼距離。設系統(tǒng)平均發(fā)射功率PT=-3dBm,接收靈敏度Pmin=-42dBm，設備余量Me=3dB，連接器損耗αc=0.3dB/對，光纖損耗系數(shù)α第九十頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五f=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(4-12)，得到中繼距離74km。又設線路碼型為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(4-13)，得到中繼距離

91km。因為，LDL，所以中繼距離為74km。在工程設計中，中繼距離應取74km。在本例中中繼距離主要受損耗限制。第九十一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

（三）功率預算

功率預算是設計一個系統(tǒng)所必需的，正確的預算，才能選擇合適的功率匹配，使整個系統(tǒng)工作在良好狀態(tài)。受損耗限制的中繼距離由第五節(jié)式（4-13）確定，也可采用預算損耗的方法。用S表示總損耗，表示每公里光纖損耗，dB/km；L表示光纜長度km，表示光纜接頭損耗dB/個，n表示接頭數(shù)量，表示光纖連接器損耗，dB/個；m表示連接器數(shù)量，Mc表示光纜富余度(常見0.05～0.1dB/km)，Me表示光設備富余度。則S=×L+×n+×m+MC+Me。（4-14）第九十二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

現(xiàn)舉一例說明，某電業(yè)局A變一B變，全長約30km(電力線長度為接近29km)，1310nm波長光纜損耗為0.33dB/km，取0.1dB/個，光纜盤長以標稱3km計，接頭11個，取1dB/個，共2個，Mc取3dB，Me取1dB。這樣：S=0.33×30+0.1×11+1×2+3+1=17dB第九十三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

計算出該結果就要看光設備發(fā)送功率與該結果的差值在光設備接收功率動態(tài)范圍之內，否則就要提高發(fā)光功率或者增加光衰減器，來達到功率平衡。（四）色散預算由于色散的存在，光脈沖在傳輸過程中將被展寬，限制了光纖的傳輸容量或者說傳輸帶寬，因此在高速率傳輸系統(tǒng)中，色散是主要考慮的。受色散限制的中繼距離由第五節(jié)式（4-13）確定。（五）誤碼與抖動誤碼性能和抖動性能是SDH光傳輸系統(tǒng)中兩個重要性能指標。第九十四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五1.誤碼性能參數(shù)

由于在SDH光傳輸系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸是以塊的形式進行的，其長度不等，可以是幾十比特，也可能長達數(shù)千比特，然而無論其長短，只要出現(xiàn)誤碼，即使僅出現(xiàn)1比特的錯誤，該數(shù)據(jù)塊也必須進行重發(fā)，因而在高比特率通道的誤碼性能參數(shù)是用誤塊來進行說明的，這在ITU-T制定的G.826規(guī)范中得以充分體現(xiàn)。規(guī)范是以誤塊秒比(ESR)、嚴重誤塊比(SESR)及背景誤塊比(BBER)為參數(shù)來表示的。第九十五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五2.抖動性能與前面介紹的系統(tǒng)抖動性能分析一樣，ITU-T根據(jù)抖動累積規(guī)律，對兩類設備(數(shù)字段內傳輸設備和數(shù)字復接設備)，就其容許的抖動范圍提出了建議，具體技術指標為輸入抖動容限、無輸入抖動時的輸出抖動容限和抖動轉移特性等。第九十六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五（六）路由選擇對于電力系統(tǒng)而言，最豐富的就是路由資源，無處不在的不同電壓等級的輸電線路，桿塔管道都是用來敷設光纜的極好資源。電力系統(tǒng)通信站一般都是變電站、供電局(電力局)，且都建有通信機房。在兩通信站間有多種電力線路可以敷設光纜時，一般應選擇電壓等級高的電力線路，因為電壓等級愈高安全性愈好。第九十七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五4.6.3SDH傳送網

（一）SDH傳送網的功能結構所謂傳送網就是完成傳送功能的手段，主要指邏輯功能意義上的網絡。描述對象是信息傳送的功能過程。而傳輸網的描述對象是信號在具體物理媒質傳輸?shù)奈锢磉^程。并且傳輸主要是指由具體設備所形成的實際網絡。在不引起誤解的前提下，它們也都可以認為是全部邏輯網或實體網。由于傳送網實際上是一個巨大的復雜網絡，為了使分析簡單，我們規(guī)定一種網絡模型，它具有規(guī)定的功能實體并具有分層(Layering)和分割(Partitioning)概念，這樣也便于網絡的建立、維護和管理。第九十八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

傳送網可從垂直方向分解為一個獨立的層網絡，即電路層、通道層和傳輸媒質層(又分為段層和物理層)。每一層網絡為其相鄰的高一層網絡提供傳送服務，同時又使用相鄰的低一層網絡所提供的傳送服務。提供傳送服務的層，稱為服務者(Server)，使用傳送服務的層，稱為客戶(Client)，因而相鄰的層網絡之間構成了客戶/服務者關系。每一層網絡在水平方向又可以按照該層內部結構分割為若干分離的部分，組成適于網絡管理的基本骨架。因而分層和分割之間滿足正交關系。

SDH傳送網分層模型如圖4-34所示。自上而下依次為電路層網絡、通道層網絡和傳輸媒質層網絡。第九十九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

圖4-34SDH傳送網的分層模型第一百頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

圖4-35傳送網的分割

(a)分層概念；(b)分割概念第一百零一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

傳送網分層后，每一層網絡仍然很復雜，地理上覆蓋的范圍很大。為了便于管理，在分層的基礎上，將每一層網絡在水平方向上按照該層內部的結構分割為若干個子網和鏈路連接。分割往往是從地理上將層網絡再細分為國際網、國內網和地區(qū)網等，并獨立地對每一部分行使管理。圖4-35給出了傳送網分割概念與分層概念的一般關系。采用分割的概念可以方便地在同一網絡層內對網絡結構進行規(guī)定，允許層網絡的一部分被層網絡的其余部分看作一個單獨實體；可以按所希望的程度將層網絡遞歸分解表示，為層網絡提供靈活的連接能力，從而方便網絡管理，也便于改變網絡的組成并使之最佳化。第一百零二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

鏈路是代表一對子網之間有固定拓撲關系的一種拓撲元件，用來描述不同的網絡設備連接點間的聯(lián)系，例如兩個交叉連接設備之間的多個平行的光纜線路系統(tǒng)就構成了鏈路。（二）SDH網的物理拓撲

網絡物理拓撲一般有5種類型，即線形、星形、樹形、環(huán)形和網孔形，如圖4-36所示。第一百零三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

圖4-36SDH網絡的物理拓撲(a)線形；(b)星形；(c)樹形;(d)環(huán)形；(e)網孔形第一百零四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

上述的拓撲結構都有各自的特點，在網中都有不同程度的應用。網絡拓撲的選擇要考慮的因素很多，如網絡的生存性是否高，網絡配置是否容易，網絡結構是否適于引進新業(yè)務等。一個實際網絡的不同部分適宜采用的拓撲結構也有可能不同，例如本地網適宜采用環(huán)形和星形拓撲結構，有時也可用線形拓撲，市內局間中繼網適宜采用環(huán)形和線形拓撲，而長途網可能采用網孔形拓撲。（三）自愈網隨著人類社會進入信息社會，人們對通信的依賴性越來越大，對通信網絡生存性的要求也越來越高，自愈網(SelfhealingNetwork)應運而生。第一百零五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

所謂自愈網就是無需人為干預，網絡就能在極短的時間內從失效故障中自動恢復，使用戶感覺不到網絡已出了故障。其基本原理就是使網絡具備發(fā)現(xiàn)替代傳輸路由并重新確立通信的能力。自愈網的概念只涉及重新確立通信，不管具體失效元部件的修復或更換，后者仍需人員干預才能完成。

PDH系統(tǒng)采用的線路保護倒換方式是最簡單的自愈網形式。但是當光纜被切斷時，往往是同一纜內的所有光纖(包括主用和備用)都被切斷，在這種情況下上述保護方式就無能為力了。改善網絡生存性的最好辦法是將網絡結點連成一個環(huán)形，形成所謂的自愈環(huán)(SelfhealingRing)。環(huán)形網的結點可以是ADM，也可以是DXC，但通常由ADM構成。SDH的特色之一便是能夠利用ADM的分插復用能力構成自愈環(huán)。第一百零六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

自愈環(huán)結構可分為兩大類：通道倒換環(huán)和復用段倒換環(huán)。通道倒換環(huán)屬于子網連接保護，其業(yè)務量的保護是以通道為基礎，是否倒換以離開環(huán)的每一個通道信號質量的優(yōu)劣而定，通常利用通道AIS信號來決定是否應進行倒換。復用段倒換環(huán)屬于路徑保護，其業(yè)務量的保護以復用段為基礎，以每對結點的復用段信號質量的優(yōu)劣來決定是否倒換。通道倒換環(huán)與復用段倒換環(huán)的一個重要區(qū)別是前者往往使用專用保護，即正常情況下保護段也在傳業(yè)務信號，保護時隙為整個環(huán)專用；而后者往往使用公用保護，即正常情況下保護段是空閑的，保護時隙由每對結點共享。

第一百零七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

如果按照進入環(huán)的支路信號與由該支路信號分路結點返回的支路信號方向是否相同，又可以將自愈環(huán)分為單向環(huán)和雙向環(huán)。正常情況下，單向環(huán)中所有業(yè)務信號按同一方向在環(huán)中傳輸。雙向環(huán)中進入環(huán)的支路信號按一個方向傳輸，而由該支路信號分路結點返回的支路信號按相反的方向傳輸。如果按照一對結點間所用光纖的最小數(shù)量還可以分為二纖環(huán)和四纖環(huán)。。第一百零八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五1.自愈環(huán)結構下面以四個結點的環(huán)為例，介紹4種典型的自愈環(huán)結構（1）二纖單向通道倒換環(huán)二纖單向通道倒換環(huán)如圖4-37所示。通常單向環(huán)由兩根光纖來實現(xiàn)，S1光纖用來攜帶業(yè)務信號，P1光纖用來攜帶保護信號。這種環(huán)采用“首端橋接，末端倒換”結構。例如，在結點A進入環(huán)傳送給結點C的支路信號(AC)同時饋入S1和P1向兩個不同方向傳送到C點，其中S1光纖按順時針方向，P1光纖按逆時針方向，C點的接收機同時收到兩個方向傳第一百零九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

圖4-37二纖單向通道倒換環(huán)第一百一十頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五送來的支路信號，擇優(yōu)選擇其中一路作為分路信號。正常情況下，S1傳送的信號為主信號。同理，在C點進入環(huán)傳送至結點A的支路信號(CA)按上述同樣的方法傳送到結點A，S1光纖所攜帶的CA信號為主信號。當BC結點間的光纜被切斷時，兩根光纖同時被切斷，從A經S1光纖到C的AC信號丟失，結點C的倒換開關由S1轉向P1，結點C接收經P1光纖傳送的AC信號，從而使AC間業(yè)務信號不會丟失，實現(xiàn)了保護作用。故障排除后，倒換開關返回原來的位置。第一百一十一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五（2）二纖單向復用段倒換環(huán)二纖單向復用段倒換環(huán)的結構如圖4-38所示。這是一種路徑保護方式。在這種環(huán)形結構中每一結點都有一個保護倒換開關。正常情況下，S1光纖傳送業(yè)務信號，P1光纖是空閑的。當BC結點間光纜被切斷，兩根光纖同時被切斷，與光纜切斷點相鄰的兩個結點B和C的保護倒換開關將利用APS(AutomaticProtectionSwitching)協(xié)議執(zhí)行環(huán)回功能。例如在B結點S1光纖上的信號(AC)經倒換開關從P1光纖返回，沿逆時針方向經A結點和D結點仍然可以到達C結點，并經C結點的倒換開關環(huán)回到S1光纖后落地分路。故障排除后，倒換開關返回原來的位置。第一百一十二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五圖4-38二纖單向復用段倒換環(huán)第一百一十三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五

當BC結點間光纜被切斷，兩根光纖同時被切斷，與光纜切斷點相鄰的兩個結點B和C的保護倒換開關將利用APS(AutomaticProtectionSwitching)協(xié)議執(zhí)行環(huán)回功能。例如在B結點S1光纖上的信號(AC)經倒換開關從P1光纖返回，沿逆時針方向經A結點和D結點仍然可以到達C結點，并經C結點的倒換開關環(huán)回到S1光纖后落地分路。故障排除后，倒換開關返回原來的位置。（3）四纖雙向復用段倒換環(huán)

通常雙向環(huán)工作在復用段倒換方式，既可以是四纖又可以是二纖。四纖雙向復用段倒換環(huán)的結構如圖4-39所示，它由兩根業(yè)務光纖S1與S2(一發(fā)一收)和兩根保護光纖P1與第一百一十四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期五P2(一發(fā)一收)構成，其中S1光纖傳送順時針業(yè)務信號，S2光纖傳送逆時針業(yè)務信號，P1與P2分別是和S1與S2反方向傳輸?shù)膬筛Ｗo光纖。每根光纖上都有一個保護倒換開關。正常情況下，從A結點進入環(huán)傳送至C結點的支路信號順時針沿光纖S1傳輸，而由C結點進入環(huán)傳送至A結點的支路信號則逆時針沿光纖S2傳輸，保護光纖P1和P2是空閑的。（4）二纖雙向復用段倒換環(huán)在四纖雙向復用段倒換環(huán)中，光纖S1上的業(yè)務信號與光纖P2上的保護信號的傳輸方向完全相同。如果利用時隙交換技術，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)務信號，另一半時隙留給保護信第一百一十五頁，共一百六十五頁，編輯于2023