《光纖通信網(wǎng)》課件第3章

第3章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)3.1光纖通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)3.2光發(fā)送機3.3光接收機3.4光電混合中繼器3.5數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的性能3.6光纖線路系統(tǒng)設(shè)計 3.1光纖通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

3.1.1數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的組成

實用化的雙向光纖通信系統(tǒng)包括光終端設(shè)備（機）和光中繼設(shè)備（機）兩種光纖線路傳輸設(shè)備，完成往返于數(shù)字（電）設(shè)備間的數(shù)字電信號的光傳輸，如圖3－1所示。其中，光終端設(shè)備（機）用于完成終結(jié)于數(shù)字設(shè)備的數(shù)字電信號和光纖線路上的光信號間的互換，包括始端光信號的發(fā)送和末端光信號的接收；光中繼設(shè)備（機）或光放大器則用于對接收自光纖鏈路上、經(jīng)傳輸后產(chǎn)生畸變的光信號進行整形放大后轉(zhuǎn)發(fā)?？梢?，光線路終端（OLT）設(shè)備（包括光終端機和光中繼機）均包括光發(fā)送機和光接收機兩個主要部分。圖3－1雙向光纖通信系統(tǒng)示意圖為進行可靠的數(shù)字傳輸，OLT設(shè)備除了具備光電轉(zhuǎn)換的基本功能外，還需要相應(yīng)碼型變換的編、解碼電路，實現(xiàn)與數(shù)字（電）設(shè)備的接口適配。此外，為對OLT設(shè)備、整個系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)等進行可靠的操作、維護與管理，光線路終端設(shè)備還應(yīng)具有公務(wù)聯(lián)絡(luò)、監(jiān)控告警、系統(tǒng)倒換和區(qū)間通信等輔助業(yè)務(wù)功能。因此，OLT主要由光發(fā)送機、光接收機和輔助電路三大組成部分，如圖3－2所示。圖3－2光線路終端設(shè)備原理方框圖3.1.2數(shù)字傳輸體制

數(shù)字傳輸體制是指數(shù)字系統(tǒng)采用的數(shù)字信號等級標準，包括信號的傳輸速率、復(fù)接規(guī)范和方法等。從發(fā)展過程來說，數(shù)字傳輸體制主要包括準同步數(shù)字系列PDH（PlesiochronousDigitalhierarchy）和同步數(shù)字系列SDH（SynchronousDigitalhierarchy）兩種。PDH和SDH體制的區(qū)別主要表現(xiàn)在接口規(guī)范（速率等級和幀結(jié)構(gòu)）、映射復(fù)用結(jié)構(gòu)和復(fù)用方式等方面，從而導(dǎo)致具體應(yīng)用的差異。

1.準同步數(shù)字系列（PDH）

ITU－TG.702建議明確規(guī)定了兩種不同地區(qū)標準PDH數(shù)字系列等級的比特率，即分別基于PCM24路制式的1544kb/s基礎(chǔ)速率和PCM30/32制式的2048kb/s基礎(chǔ)速率兩大系列，如表3－1所示。其電接口碼型（即電纜線路碼型）主要有HDB3碼和CMI碼等。

由于PDH體制采用的是基于碼速調(diào)整的異步（準同步）復(fù)用方式和固定的復(fù)用結(jié)構(gòu)，使得上下話路等組網(wǎng)應(yīng)用需要繁雜的復(fù)接/分接過程才能完成；此外，由于不同地區(qū)標準的接口規(guī)范不同，不可避免地造成了互聯(lián)互通的困難。因此，PDH系列僅適用于點對點數(shù)字傳輸系統(tǒng)，在SDH體制產(chǎn)生之后已經(jīng)逐漸退出了實際應(yīng)用。表3－1

PDH與SDH的速率等級

2.同步數(shù)字系列（SDH）

SDH是ITU－T針對PDH存在的缺點，統(tǒng)一開發(fā)的國際統(tǒng)一的傳輸體制。SDH不僅規(guī)范了統(tǒng)一的接口標準，同時也包括了一套可以進行信息同步復(fù)用、交叉連接和傳輸?shù)臉藴驶瘮?shù)字信號等級，ITU－TG.707建議規(guī)定的SDH各個復(fù)用等級的比特率見表3－1。

SDH采用基于指針調(diào)整的同步復(fù)用技術(shù)，借助靈活的、一步到位的映射復(fù)用結(jié)構(gòu)，可以直接進行數(shù)字信號的靈活分插和交叉連接，還采用全球化的標準光接口，使不同的SDH系統(tǒng)可以實現(xiàn)光路的橫向互連，從而使數(shù)字傳輸進入真正意義上的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用階段。目前，實際應(yīng)用的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中普遍采用的都是SDH體制。3.1.3調(diào)制信號的格式

數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)中所傳的信號是數(shù)字信號，一般設(shè)備中的數(shù)字電路通常采用“1”、“0”兩種狀態(tài)的兩電平碼，其編碼格式有很多種，如圖3－3所示。為了減少重復(fù)的碼型變換，通常規(guī)定設(shè)備內(nèi)部采用統(tǒng)一的NRZ碼，它是最簡單的數(shù)字信號編碼格式。但這種普通二進制的單極性信號不適合直接進行光纖線路傳輸，必須按一定規(guī)則變換成特定的格式，使其與光纖信道特性相匹配，從而改善傳輸性能，提高通信質(zhì)量。圖3－3部分常用的二進制碼的波形

1.基本調(diào)制碼型

考慮到光纖、光源和光檢測器等基本光器件的特性，以及光發(fā)送和光接收等電路的簡易性，現(xiàn)行光纖線路系統(tǒng)內(nèi)部通常采用單極性的兩電平碼，可分為歸零碼（RZ）、不歸零碼（NRZ）和相位編碼（PE）三種基本類型的格式。

NRZ碼是最簡單的光調(diào)制編碼格式，其100%的占空比能夠使光源獲得最大的發(fā)送功率，由于NRZ碼具有實現(xiàn)簡單、價格便宜、信號完整性好的特點，因此可用作較低速率、短距離光纖傳輸系統(tǒng)的調(diào)制碼型。如現(xiàn)有10Gb/s及以下的SDH系統(tǒng)和常規(guī)距離的WDM系統(tǒng)，主要受功率色散因素的限制，通常采用NRZ編碼。NRZ碼的缺點是碼元過渡不歸零、平均功率較高等，會影響傳輸速率和距離的進一步提高。相比于NRZ碼，RZ碼提高了實際的傳輸速率，需增加（外）調(diào)制器，其頻譜較NRZ碼寬，降低了WDM系統(tǒng)的色散容限；但RZ碼易于均衡和定時提取，誤碼性能好，因而靈敏度較高，而且RZ碼光脈沖的窄時域特性和弱相關(guān)性，降低了光纖PMD色散和SPM等非線性效應(yīng)的影響。因此，RZ碼通常用作大容量和超長距離光纖傳輸系統(tǒng)的調(diào)制碼型，諸如超高速40Gb/s的WDM系統(tǒng)和超長距離10Gb/s的WDM系統(tǒng)等。

為了進一步提升RZ碼的傳輸性能，如減少占用帶寬、克服非線性效應(yīng)、提高色散和PMD色散容限，可進一步采用技術(shù)更復(fù)雜的啁啾RZ（CRZ）碼、載波抑制RZ（CS－RZ）碼、雙二進制RZ（D－RZ）碼、差分相移RZ（DPSK－RZ）碼、雙二進制載波抑制RZ（DCS－RZ）碼等調(diào)制格式，以實現(xiàn)（超）高速、超長距離的光纖傳輸。

2.光線路碼型

基本的兩電平NRZ碼或RZ碼不能保證數(shù)字信號在光纖通信系統(tǒng)可靠傳輸所必須的同步、在線誤碼檢測和輔助業(yè)務(wù)等功能，因此需要將NRZ或RZ格式的線路碼型（電信號）進一步轉(zhuǎn)換成光線路碼型，以實現(xiàn)可靠的光纖傳輸。常用的光線路碼型包括分組碼（mBnB碼）、分組插入碼（mB1H碼）和擾碼等。分組碼將二進制信號碼流碼元每m個比特分成一組，然后在每個m比特碼組相同時間內(nèi)，按一定編碼規(guī)則從某個碼表中選擇一個更長的n（n>m）位比特碼組（即碼字）代替原來的碼組，即以傳輸速率提高為原來的n/m倍的代價滿足線路碼的某些功能要求。mBnB分組碼的優(yōu)點包括：碼流中“0”和“1”的概率相等，連“0”和連“1”的數(shù)目較少，定時信息豐富；高低頻分量較少，信號頻譜特性好，基線漂移??；在碼流中引入了一定的冗余度，便于在線誤碼檢測。mBnB碼的缺點是未解決輔助信息的插入，比較困難，因此，在要求傳輸輔助信號或需要開通區(qū)間通信的系統(tǒng)中不宜采用。分組插入（mB1H）碼是指在相同的時間間隔內(nèi)，在每m個原信碼一組比特后插入一比特的冗余碼元，通過(m+1)/m的碼速變換實現(xiàn)誤碼檢測、監(jiān)控、公務(wù)和區(qū)間通信等輔助功能。按插入碼用途的不同，分組插入碼可分為mB1P碼、mB1C和mB1H碼三種碼型，其中的P、C和H分別為奇偶校驗碼、反碼（或稱補碼）和混合插入碼。如1B1H、4B1H和8B1H等幾種插入碼型，分別適用于8～140Mb/s、34Mb/s和140Mb/s的PDH光纖通信系統(tǒng)。擾碼是將輸入的任意短周期序列信號按某種規(guī)律變換成長周期隨機序列，這樣的輸出信號不僅“0”、“1”個數(shù)保持平衡，長連“0”連“1”數(shù)被限制，而且與輸入信號序列無關(guān)，增加了信碼中的定時分量，減少了直流分量的波動，既便于定時提取，抑制定時抖動，也提高了信碼再生的質(zhì)量。需要指出的是，僅僅將信號序列順序打亂后重新排列的擾碼，其性能改善而速率不變，但也因未引入冗余度而無法進行不中斷業(yè)務(wù)的誤碼監(jiān)測，傳送輔助信號也困難。

一般的系統(tǒng)不單純采用擾碼，而是將擾碼與其他線路碼型結(jié)合起來使用。如在SDH的STM－N線路信號的幀結(jié)構(gòu)中，加入了豐富OAM&P功能的SOH開銷字節(jié)，其實質(zhì)也是插入碼，故其線路碼型為NRZ碼加擾碼。

3.前向糾錯編碼（FEC）技術(shù)

傳輸容量和距離的不斷提高，使非線性效應(yīng)和PMD等危害的影響日益突出，最終表現(xiàn)為數(shù)字信號的誤碼和抖動等傳輸損傷。因此，在進入線路傳輸以前，由發(fā)送端采用一定的糾錯技術(shù)進行差錯控制編碼，然后在已經(jīng)產(chǎn)生了傳輸誤碼的接收端執(zhí)行解碼，通過相應(yīng)的校驗計算檢測和糾正誤碼，從而改善整個光系統(tǒng)的傳送性能，進而可放寬對系統(tǒng)光參數(shù)（如接收端OSNR容限）的要求，允許以較低成本和帶寬的代價構(gòu)建長距離、大容量的光傳輸系統(tǒng)。對于低時延條件的高速光傳輸系統(tǒng)，適合的基本糾錯控制方法是前向糾錯編碼（FEC），即在發(fā)送端待傳的信碼流中，按約定規(guī)則編碼插入符合校驗關(guān)系的附加監(jiān)督碼元作為冗余校驗比特，收端譯碼確定監(jiān)督位與信碼間的約束規(guī)則是否正確，一旦發(fā)現(xiàn)錯誤則確定誤碼并糾正。也就是說，傳輸前先由發(fā)端進行一定算法的編碼處理，收端則按對應(yīng)的算法解碼，根據(jù)計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)錯碼并予以糾正。采用FEC技術(shù)只需在收發(fā)端增加相應(yīng)的編解碼器，無需增加或改動線路設(shè)備就可發(fā)現(xiàn)和剔除傳輸過程中各種噪聲引起的誤碼。因此，ITU－TG.707已規(guī)定在STM－64（10Gb/s）以上的SDH系統(tǒng)的信號幀結(jié)構(gòu)中采用前向糾錯編碼（FEC）。光纖傳輸系統(tǒng)中可采用的FEC方式有帶內(nèi)編碼（In－band）FEC和帶外編碼（Outofband）FEC兩種，前者不增加線路速率，避免了碼速提高而受到色散等因素的限制，適合單信道速率在10Gb/s以上的WDM系統(tǒng)，但引入冗余少，糾錯能力不強，對傳輸性能的改善有限；后者增加了線路速率，具有較高的糾錯能力，可以靈活地選擇糾錯容限，以滿足系統(tǒng)需要并改善性能，可用在數(shù)字（TDM）包封器中支持多種數(shù)據(jù)格式在WDM光傳送網(wǎng)（OTN）中的傳送。低速率系統(tǒng)可采用直接在線路信號的幀結(jié)構(gòu)中安排冗余位的方法，如STM－N幀結(jié)構(gòu)中安排的BIP（比特間插的奇偶校驗）碼和CRC（循環(huán)冗余校驗）碼等，來校驗和糾正突發(fā)誤碼。高速光系統(tǒng)的FEC碼主要是線性分組碼中的循環(huán)碼。

總之，為適應(yīng)光傳輸系統(tǒng)的特性，需要選擇適當?shù)墓鈧鬏敶a型，通過多層次的信道編碼，確保光傳輸系統(tǒng)的可靠性。選擇線路碼的決定性因素主要是功能與體制，其他因素（如電路復(fù)雜性和基線起伏等）則比較次要，可采用一些電子技術(shù)去克服。

3.2光發(fā)送機

3.2.1輸入電路

光發(fā)送機的作用是將外部輸入的電信號轉(zhuǎn)換成光發(fā)送電路的輸入信號，即完成標準的電接口信號與設(shè)備的適配，并變換為適合光纖傳輸?shù)墓饩€路碼型信號。由于設(shè)備內(nèi)部的信號處理統(tǒng)一采用NRZ碼，因此電、光兩種線路碼型間的變換由兩級輸入電路，即輸入接口電路和光線路碼型變換電路分兩步完成。

1.輸入接口電路

輸入接口電路是電業(yè)務(wù)設(shè)備輸出口和電－光轉(zhuǎn)換設(shè)備輸入口之間的接口電路。

輸入電信號經(jīng)一定連接長度的同軸或?qū)ΨQ電纜傳輸后，送入輸入接口電路時已有一定程度的幅度衰減和波形失真。因此，正常的電業(yè)務(wù)信號輸入時，需要由輸入接口的均衡放大電路對已衰減和畸變的失真波形進行自動調(diào)整和補償，以適應(yīng)輸入信號幅度的變化范圍。再由譯碼電路將其變換為二進制碼的NRZ碼。譯碼所需的時鐘信號，由定時提取電路從均衡后的主信號碼流中提取。當輸入信號異常時，輸入接口電路應(yīng)作出響應(yīng)，如發(fā)出告警等。當輸入信號中斷時，由中斷檢出電路發(fā)出高電平中斷檢出信號，使告警電路發(fā)出相應(yīng)告警，并控制時鐘選擇電路轉(zhuǎn)為選用本機基頻晶體振蕩器產(chǎn)生的備用時鐘，進一步控制譯碼電路向下游發(fā)送AIS告警指示信號；當輸入信號恢復(fù)時，則又自動轉(zhuǎn)回。

2.光線路碼型變換電路

譯碼后的二進制NRZ業(yè)務(wù)信號和系統(tǒng)所需的各種輔助信息被送入線路編碼電路，由其完成復(fù)接及插入的線路編碼過程，輔助業(yè)務(wù)碼與信碼組合成適合光通道傳輸?shù)墓饩€路碼信號送至擾碼電路。經(jīng)擾碼器的重新排序，有規(guī)律地破壞長連“0”、長連“1”，增加碼流的均衡性和隨機性，有效抑制抖動。性能改善后的信號將送往后續(xù)的光發(fā)送電路。

線路碼型變換提高了傳輸速率，上述電路所需要的高速時鐘CPH，由時鐘變換電路從上游的低速時鐘CPL變換而來。一般可采用數(shù)字鎖相環(huán)電路完成時鐘頻率的變換。3.2.2光發(fā)送電路

光發(fā)送電路是光發(fā)送機的主要電路，其基本功能是用線路編碼后的電信號對光源進行調(diào)制，完成E/O變換后輸出，由尾纖注入光纖線路。它主要由驅(qū)動電路、調(diào)制電路和其他監(jiān)測保護功能的輔助電路組成。光發(fā)送機依靠調(diào)制電路將電信號變換成光信號，因此光源等調(diào)制器件是光發(fā)送機的核心，其特性的好壞直接影響整個傳輸系統(tǒng)的性能。目前的高速數(shù)字光傳輸系統(tǒng)普遍采用半導(dǎo)體激光器（LD）光源的光發(fā)送機，如圖3－4所示。圖3－4采用LD光源器件的光發(fā)送電路原理圖

1.預(yù)處理電路

光調(diào)制信道可以采用NRZ碼或RZ碼波形的線路碼型。由于NRZ存在收端均衡困難的缺點，因此要在發(fā)端先通過整形電路進行NRZ碼波形的整形處理，以降低收端均衡的難度。若采用RZ碼，則通過碼型變換電路將線路編碼后的NRZ碼轉(zhuǎn)換為RZ碼。

隨后還需要“電平移動”電路對線路碼流進行電平變換，即將TTL電平變換成ECL電平，以適應(yīng)半導(dǎo)體光源的正向偏置要求。

2.光調(diào)制電路

光調(diào)制電路的功能是用電信號來控制光調(diào)制器件的輸出光特性，實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。對于模擬調(diào)制電路，在提供足夠輸出幅度的同時，應(yīng)保證良好的線性調(diào)制響應(yīng)，減少各種非線性失真對系統(tǒng)性能的影響。對于數(shù)字調(diào)制電路的要求是：不管環(huán)境條件或光源器件本身如何變化，都要保持輸出光脈沖的峰值幅度恒定，并保證足夠的通斷比，以確保接收端的檢測和可靠判決，防止接收靈敏度惡化；響應(yīng)速度足夠快，以適應(yīng)調(diào)制信號的速率變化，要求激光器的電光時延必須遠小于調(diào)制信號的比特周期；高速調(diào)制需要有效抑制弛張振蕩和碼型效應(yīng)等，以減少對系統(tǒng)性能的不良影響。

1）驅(qū)動電路

驅(qū)動電路用來將電壓信號變換成光源需要的調(diào)制信號形式。對光源采用直接強度調(diào)制時，光源輸出的光功率正比于注入電流，此時的驅(qū)動電路應(yīng)是電流源電路，用來將電壓信號變成電流信號注入光源，驅(qū)動光源發(fā)光。

2）偏置電路

由于LD是有閾值的器件，如果直接用數(shù)字調(diào)制信號Im來進行調(diào)制，則必須要有較大的脈沖電流幅度，但會因信號幅度變化太大而難以提高調(diào)制速率。另外，電光時延后出現(xiàn)張馳振蕩會引起高速調(diào)制的碼型效應(yīng)，使光脈沖的譜線寬度較寬；結(jié)發(fā)熱效應(yīng)則會引起光脈沖峰值幅度的波動等。因此，在LD調(diào)制電路中設(shè)置直流預(yù)偏置電路，來提高調(diào)制響應(yīng)速度，改善調(diào)制響應(yīng)性能。此時，流過LD的調(diào)制電流為I＝IB+Im，偏置電流IB的大小直接影響LD的高速調(diào)制特性。前面分析過，偏置電流值IB的取值接近閾值電流Ith時，較小的調(diào)制脈沖電流即可獲得足夠幅度的輸出光脈沖，可以大大減小光時延，抑制張弛振蕩和碼型效應(yīng)；提高偏置電流可以減少結(jié)發(fā)熱效應(yīng)，但偏置電流太大或太小會使通斷比（消光比）惡化。綜合考慮，取偏置電流IB略低于Ith，允許偏差的程度取決于數(shù)字調(diào)制信號Im的速率。

實際上，LED的調(diào)制電路中也需要通過設(shè)置偏置電流IB提供合適的工作電流，保證足夠大的輸出幅度，減少非線性失真。

3.光發(fā)送機輔助電路

激光器的閾值電流Ith隨結(jié)區(qū)溫度的改變呈指數(shù)規(guī)律變化，也隨著器件老化的磨損性退化而增加。此時如果注入LD的驅(qū)動電流（I＝IB+Im）不變，則會使LD的輸出光功率下降，從而使輸出功率發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出不穩(wěn)定，如圖3－5（a）所示。因此，用數(shù)字信號調(diào)制LD時，需要針對性地采用一定的反饋控制措施，隨輸出光信號幅度的變化自動調(diào)節(jié)調(diào)制電流或結(jié)區(qū)溫度，來維持LD的恒定輸出功率。

1）自動功率控制（APC）電路

為穩(wěn)定LD光源的輸出光功率，必須采用自動功率控制（APC）電路。從原理上看，應(yīng)該采用一種負反饋控制的電路，使輸出功率出現(xiàn)相反的變化趨勢，從而維持恒定輸出。

LD的輸出功率隨注入電流變化，因此維持恒定輸出功率P的基本方法是自動調(diào)節(jié)注入電流I，包括控制調(diào)制電流Im或偏置電流IB，或兩者同時控制。數(shù)字調(diào)制時，反向調(diào)節(jié)預(yù)偏置電流IB來穩(wěn)定輸出光功率較方便。所以，LD的APC電路廣泛采用平均光功率負反饋、自動偏置電流控制的方法。圖3－5(b)為背向光反饋預(yù)偏電流自動控制APC電路的原理結(jié)構(gòu)，其方法是利用封裝在LD器件內(nèi)部的PIN光電二極管，跟蹤檢測激光器前向輸出光的背向反射光功率，根據(jù)其變化量調(diào)整IB，即當輸出功率減小時使IB自動增大，從而使發(fā)送光功率保持不變。圖3－5

LD輸出功率的變化和控制

2）自動溫度控制（ATC）電路

溫度變化會引起輸出光功率的變化，若單純通過APC電路調(diào)節(jié)使LD輸出光功率恒定，則在溫度升高時會使IB也增大，造成LD結(jié)溫因發(fā)熱而繼續(xù)升高，導(dǎo)致Ith更高，形成惡性循環(huán)，最終可能使LD燒壞。因此，采用專設(shè)的ATC電路單獨控制LD管芯的溫度，使其維持在正常工作的溫度范圍內(nèi)，以保證LD光源的長期穩(wěn)定工作。

自動溫度控制的方式也有多種，比較常用的是基于帕爾帖效應(yīng)的半導(dǎo)體制冷器自動控制方式。當直流電流通過特殊材料的半導(dǎo)體制冷器時，其一端吸熱制冷而在另一端放熱，制冷強度隨通過電流的增大而增加。因此，將熱敏電阻和制冷器的冷端貼在熱沉上，用熱敏電阻探測LD的結(jié)區(qū)溫度，通過外部ATC電路控制通過制冷器電流的大小，就可以達到自動溫度控制的目的。ATC電路的基本原理如圖3－6（a）所示，圖3－6（b）則是一個換能電橋的ATC電路結(jié)構(gòu)示例。圖3－6自動溫度控制電路

3）LD組件

為了保持半導(dǎo)體激光器的正常穩(wěn)定工作，首先將LD管芯焊在熱沉上以便散熱，還要保證能夠?qū)す馄鞯墓ぷ鳒囟群洼敵龉β蔬M行有效和可靠的監(jiān)控，涉及的探測和控制器件包括背向光檢測器PIN、熱敏電阻Rt及半導(dǎo)體制冷器TEC等。此外，為了保證光源與光纖的耦合效率，防止污染以及方便使用，通常將帶活動連接器的尾纖與LD管芯的發(fā)光面耦合后固定，并將前面的幾種配件和管芯一起封裝在全密封的管殼內(nèi)，形成包括了LD光源、光檢測器、熱敏電阻、制冷器和標準尾纖五部分組成的LD組件。通過不同引腳可將LD、光檢測器、熱敏電阻、制冷器接入相應(yīng)的驅(qū)動、APC和ATC電路中，LD發(fā)出的光耦合到尾纖里，通過活動連接器送入光纖（光纜）線路中傳輸。

4）監(jiān)控告警電路

考慮監(jiān)測和維護的需要，光發(fā)送電路設(shè)有監(jiān)測告警電路，顯示無光告警、壽命告警等，并監(jiān)測偏置電流、制冷器電流、發(fā)送光功率等工作參數(shù)。

當電路故障、輸入信號中斷或自身失效而造成LD無（激）光輸出時，監(jiān)控告警電路將發(fā)出無光告警；當LD工作預(yù)偏置電流IB上升到初始工作電流的1.5倍，即LD的Ith上升了1.5倍時，監(jiān)控告警電路將發(fā)出壽命終了提示告警，提醒更換光源器件；繼續(xù)上升到1.7倍時，發(fā)出失效告警，必須立即更換光源器件。在幾個電流（實際為電壓）監(jiān)測點，可以監(jiān)測預(yù)偏置電流IB、制冷器工作電流ITEC和LD發(fā)送光功率。發(fā)送光功率可通過APC電路中背向光檢測電流IPD來監(jiān)測。此外，為防止LD光源和制冷器的損壞，可在相應(yīng)電路中設(shè)置LD的限流保護和TEC的限壓保護等。

歸結(jié)起來看，一個性能完善的光發(fā)送機，除了需要適應(yīng)高速數(shù)字調(diào)制的高性能光源器件和基本光發(fā)送電路外，還需要根據(jù)光源特性（即針對光源的工作特性）提供功能完善的APC、ATC監(jiān)控告警和保護電路，這樣才能使光源器件和發(fā)送機在系統(tǒng)中有效、可靠、穩(wěn)定運行。3.2.3光發(fā)送機的性能指標

除了光源器件的基本特性外，衡量發(fā)送機的主要指標還包括平均發(fā)送光功率和消光比等。

光發(fā)送機的平均光功率是指輸入隨機碼流時的平均發(fā)送光功率P，用功率電平表示為（3－1）消光比指輸入全“0”和全“1”碼的平均發(fā)送功率的比值，又稱為斷通比，用功率電平表示為（3－2）對于采用NRZ碼型的光發(fā)送機，有P“1”=2PS，則有：（3－3） 3.3光接收機

數(shù)字光接收機的作用是將經(jīng)光纜線路傳輸后衰減變形的光脈沖信號，通過光電轉(zhuǎn)換形成電脈沖信號，并給予足夠的放大、均衡與定時再生，還原成標準的數(shù)字信號。光接收是光發(fā)送的逆過程，任務(wù)是完成光電轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號恢復(fù)及定時提取，因此直接檢測的光接收機主要由光接收電路和輸出電路組成，其原理框圖如圖3－7所示。圖3－7直接檢測的數(shù)字光接收機原理框圖光接收電路包括光接收放大電路和定時再生電路，作用是將對端通過光纖傳來的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并進行放大、均衡等處理，再經(jīng)定時判決還原出波形規(guī)則的線路碼信號。輸出電路用于將再生的線路碼信號重新編譯成標準的電接口信號，送給電端機。3.3.1光接收放大電路

光接收放大電路由光檢測器及其偏壓電路、前置放大器、主放大器、均衡放大器和自動增益控制（AGC）電路組成，用來將光信號變換成一定幅度的、波形良好的電信號，供后續(xù)電路進行再生判決。

1.光檢測器

光接收機中，首先由光檢測器將從光纖接收的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，因而光檢測器是光接收機完成光電轉(zhuǎn)換功能的核心器件。光纖通信系統(tǒng)采用的光檢測器可以是光電二極管PIN，也可以是雪崩二極管APD，工作時均采用反向偏置電壓。PIN中沒有電流倍增，可固定工作在-20～-10V低偏壓下，不需復(fù)雜控制，使用簡單。APD有100倍左右的內(nèi)部倍增因子，但工作時需高達-100～-60V的反向偏壓，且其工作特性對溫度敏感，需較為復(fù)雜的偏壓控制和溫度補償電路來保證穩(wěn)定的輸出幅度，一般用于要求性能好、有增益的高靈敏度接收機中。

2.前置放大器

經(jīng)歷了光纖傳輸過程的衰減，到達接收端的光信號已經(jīng)很微弱了，因此光檢測器檢出的光電流通常僅在納安數(shù)量級，必須采用多級放大將微弱的電信號放大至判決電路才能正確識別所需要的穩(wěn)定幅度。多級放大器中，最前端與光檢測器相鄰的第一級放大器稱為前置放大器。

光接收機最重要的靈敏度指標主要與光檢測器的轉(zhuǎn)換效率和接收機噪聲有關(guān)，由于光電流信號微弱且已引入噪聲，噪聲會在每一級放大器內(nèi)和信號一起放大，且每一級放大器本身產(chǎn)生的噪聲也會在后續(xù)電路被放大，信噪比并不會得到改善。因此，選擇一個高性能的前置放大器尤為重要。前置放大器必須滿足低噪聲、高增益和大帶寬的要求，才能得到較大的信噪比，并保證整個接收機的帶寬性能。前置放大器電路有很多類型，如低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器、互阻抗前置放大器等。其中，低阻抗前置放大器的電路簡單，帶寬大，碼間干擾小，動態(tài)范圍大，缺點是噪聲大；高阻抗前置放大器具有低噪聲的優(yōu)勢，但帶寬窄，動態(tài)范圍小，需要均衡補償高頻響應(yīng)；互阻抗前置放大器較好地改善了高阻抗放大器的帶寬、動態(tài)范圍和非線性，具有寬頻帶、低噪聲的優(yōu)點，因而在光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。實際設(shè)備中，利用混合集成工藝將PIN和場效應(yīng)管FET前置放大器電路直接耦合，做成PIN－FET光接收組件，減小引線電容等雜散電容的影響，以提高檢測速度和靈敏度，使用效果較好。

3.主放大器

前置放大器的輸出信號一般為毫伏量級，可以不考慮噪聲的影響，但仍然不能滿足幅度判決的要求，因此還必須繼續(xù)加以放大。

多級放大后的定時再生電路要求接收放大電路輸出的信號幅度足夠大且恒定，但光接收機的入射光功率有一個可變化的動態(tài)范圍。因此，要求多級放大器能適應(yīng)入射光功率的變化，對放大增益作相應(yīng)的調(diào)整，實現(xiàn)自動增益控制以保持輸出電平的穩(wěn)定。在光接收機中，往往把前置放大后能夠進行自動增益控制（AGC）的放大器稱為主放大器（主放）?？梢姡鞣胖饕鉀Q接收機的動態(tài)范圍問題。當輸入光功率變化時，主放大器的增益受AGC電壓的控制而不斷變化，從而使最終的輸出保持恒定。如當入射光功率微弱時，AGC電壓增高，使主放級具有較高的增益；而當入射光功率較強時，AGC電壓降低，使主放增益降低甚至成為電調(diào)衰減器。這樣，主放的電壓增益控制范圍可達50dB，完全可以滿足光接收機光功率的動態(tài)范圍要求。

4.均衡放大器

即使發(fā)送信號為理想光脈沖，光纖色散、前放和主放的非理想特性也會造成脈沖展寬等波形畸變，系統(tǒng)各部分的帶寬受限也會產(chǎn)生較長的拖尾，這樣會使前后碼元形成的波形重疊，產(chǎn)生相鄰碼元間的碼間干擾。如果碼間干擾嚴重，就會造成定時判決時的誤碼。因此，需要將主放的輸出信號送入均放電路，對失真的波形進行補償，減小碼間干擾，以利于定時判決。

通常，均放電路由均衡濾波網(wǎng)絡(luò)和兩級寬放構(gòu)成，故稱為均衡放大器。均衡濾波網(wǎng)絡(luò)由LC元件構(gòu)成，由均衡器對輸入波形（高頻部分）進行適當?shù)男拚?，使其成為判決電路易于識別的波形。濾波器則對已均衡信號中的（低頻）噪聲進行限制。經(jīng)過均衡濾波后，盡管還有拖尾，但所有判決時刻均為拖尾的過零點，從而基本消除了碼間干擾，提高了信噪比。兩級寬帶放大主要用來保證接收機有足夠的增益，并為自動增益控制電路提供輸入信號。此外，還在寬放中提供一個“眼圖”的觀測點。通過觀測“眼圖”可以對信號的均衡質(zhì)量作出判斷，均衡后眼圖張開度大、跡線清晰、圖形對稱穩(wěn)定，則說明碼間干擾和噪聲小。

5.自動增益控制（AGC）

實際系統(tǒng)中，光接收機的輸入功率會隨環(huán)境和條件變化，為使定時再生電路能進行正確的判決，要求光接收放大電路保持恒定的輸出。因此設(shè)置了自動增益控制（AGC）電路，確保接收光功率在一定范圍內(nèi)變化時，光接收放大電路輸出信號的幅度穩(wěn)定，從而保證光接收機有一定的動態(tài)范圍。

AGC電路由峰值檢波、直流放大及告警電路構(gòu)成，從寬放輸出的信號一部分供后續(xù)電路再生，另一部分送至峰值檢波電路，檢出主放輸出信號的峰值，經(jīng)放大后控制主放的放大電路的增益狀態(tài)和增益大小，達到自動增益控制的目的。

經(jīng)多級放大后，光接收放大電路應(yīng)能夠保證其輸出信號具有足夠大而恒定的峰值幅度。3.3.2定時再生電路

定時再生電路用來將光接收還原出的電信號恢復(fù)為原始的數(shù)字脈沖信號，并抑制傳輸及前方電路產(chǎn)生的畸變和噪聲。如圖3－8所示，定時再生電路由基線恢復(fù)、定時提取和判決電路等電路組成。圖3－8定時再生電路原理

1.基線恢復(fù)

發(fā)送端線路碼型變換改善了信碼中的連“0”或連“1”，使信號中的直流成分出現(xiàn)起伏，但接收信碼中仍存在一定程度的“0”、“1”分布不均勻，經(jīng)過各放大級間的RC交流耦合，引起信號的低電平隨直流成分的變化而起伏的基線漂移。若基線漂移嚴重，則可能導(dǎo)致判決錯誤產(chǎn)生誤碼。因此在定時再生電路中，首先要對均衡后的信號進行基線恢復(fù)處理，通過鉗位法或負反饋自動跟隨法等處理，將信號的基線(即低電平)固定在某一電平上，消除基線漂移現(xiàn)象。

2.判決電路

判決電路的作用是將光接收放大電路輸出的波形識別成與發(fā)端一致的數(shù)字脈沖，實現(xiàn)信碼再生，方法是在判決時刻對均衡波形進行幅度的取樣比較。當樣值大于閾值電平VF（判決電平）時，確定碼元為“1”；當樣值小于閾值電平時，確定碼元為“0”。

從均衡波形中提取出準確頻率的時鐘信號，經(jīng)過適當?shù)南嘁坪蟮玫脚袥Q時刻。最佳判決時刻應(yīng)是眼圖峰－峰值（即張開度最大處）對應(yīng)的時刻。

判決電路通常為簡單的D觸發(fā)器，如圖3－8（b）所示。其最佳判決電平取眼圖波形峰－峰幅度的一半，考慮疊加噪聲的影響，取判決電平略低于眼圖中心的電平，以減少誤碼。

3.定時提取

定時提取電路從接收放大電路的眼圖波形（即均放輸出）中提取時鐘信號，用以確定最佳判決時刻。經(jīng)過基線處理的信號，首先通過限幅放大比較等方法進行幅度判決，形成NRZ碼形式的脈沖信號。NRZ碼信號的功率譜不包含時鐘頻率成分，因此隨后通過非線性處理將其變換成RZ碼信號。然后將RZ碼信號送入窄帶諧振濾波電路或數(shù)字鎖相環(huán)電路，提取出時鐘信號。最后將恢復(fù)出的時鐘信號送入判決電路，將其輸入信號還原為線路碼型的信號。3.3.3輸出電路

1.線路碼型反變換電路

為了使信號碼流能夠高質(zhì)量地在光纖中傳輸，光發(fā)送電路輸出的信號要經(jīng)過擾碼和線路編碼處理。經(jīng)光纖線路系統(tǒng)傳輸后，需將其還原之后再送入對應(yīng)的接收電端機處理。信號首先通過線路碼型反變換電路（它包含解擾和解碼電路），將光線路碼型恢復(fù)為線路碼型變換前的排列順序和NRZ碼業(yè)務(wù)信號，并將發(fā)端插入的各種輔助業(yè)務(wù)信號分離后處理。主、輔信號的分離依賴線路碼型中插入的同步碼識別，前端提取的時鐘經(jīng)時鐘變換電路的頻率變換后提供給解碼電路。

2.輸出接口電路

輸出接口電路是光接收輸出口與數(shù)字復(fù)用設(shè)備輸入口之間的接口電路，用來將NRZ碼變?yōu)檫M入光線路系統(tǒng)時的標準電接口碼型，即重新編碼為HDB3碼或CMI碼，同時其他各項接口指標也應(yīng)符合相應(yīng)的電接口標準。3.3.4光接收機的性能指標

光接收機是光線路系統(tǒng)的目的端，其任務(wù)就是以最小的附加噪聲和失真將經(jīng)光纖傳輸?shù)墓庑盘栠€原為原來的信號，因此光接收機的性能綜合反應(yīng)了整個系統(tǒng)的傳輸性能，而表征光接收機性能的指標也用輸出信號的質(zhì)量來衡量。

1.光接收機的主要指標

光接收機的主要指標包括光接收機靈敏度、光接收機的過載電平、光通道的功率代價和光接收機的反射系數(shù)等。

1）光接收機靈敏度

光接收機靈敏度用來表征光接收機接收微弱光信號的能力，定義為在規(guī)定接收質(zhì)量（如規(guī)定的誤碼率或信噪比）的條件下，光接收機允許的最小輸入平均光功率PRmin，工程中用絕對功率電平Sr（單位為dBm）表示為（3－4）光接收機靈敏度還可用規(guī)定的誤碼率或信噪比條件下，每個光脈沖的最低平均光子數(shù)n0或每個光脈沖的最低平均能量Ed表示。對于“1”、“0”碼等概率分布的NRZ碼光脈沖，PRmin、Ed和n0三者間的關(guān)系為（3－5）式中，T為碼元時隙，T=1/fb。 光接收機的誤碼率會隨著接收光功率的過度下降而增加。對于不同的誤碼率要求，接收機的靈敏度也不同。

2）光接收機的過載電平

光接收機的接收功率過高，也會使誤碼率增加。光接收機的過載電平定義為規(guī)定誤碼率（或信噪比）的條件下，光接收機允許的最大輸入平均光功率PRmax：（3－6）由此得到光接收機的另一個重要指標，即用來表征光接收機適應(yīng)輸入信號變化能力的動態(tài)范圍。在規(guī)定誤碼率或信噪比的條件下，光接收機允許的最大輸入平均光功率PRmax

和最小輸入平均光功率PRmin的比值，工程中用相對功率電平Dr（dB）表示為（3－7）3）光通道的功率代價ΔPP

光通道的功率代價ΔPP是指由于激光器啁啾、模式分配噪聲、光纖色散、抖動、碼間干擾和光通道反射等因素引起的靈敏度（功率）的總劣化。

2.光接收機的噪聲

光接收機中存在各種噪聲，包括外部引入和接收機本身產(chǎn)生的多種噪聲。

1）接收機的輸入噪聲

隨接收光信號而來的輸入噪聲是由光發(fā)送機和光纖傳輸?shù)姆抢硐胩匦援a(chǎn)生的，如發(fā)送機消光比的影響、模式分配噪聲和光纖色散引起的碼間干擾等。直接強度調(diào)制下的光源，由于要設(shè)置一定的偏置電流以保證良好的調(diào)制特性，因此無信號脈沖時也會有一定的輸出功率，導(dǎo)致EXT≠0。這種直流光將在接收機中產(chǎn)生噪聲，影響接收機靈敏度。

2）接收機本身產(chǎn)生的噪聲

光接收機本身的噪聲指組成光接收機的器件和電路中產(chǎn)生的各種噪聲，主要包括光檢測器噪聲和后續(xù)電路噪聲等。此外，還有光電轉(zhuǎn)換過程引起的光量子噪聲、暗電流噪聲、放大器噪聲、APD的倍增噪聲、負載電阻R的熱噪聲等。放大器噪聲是由放大器（主要是前置放大器）本身引起的噪聲，包括放大器的散粒噪聲和熱噪聲。光接收機帶寬受限、均衡不完善等，都會產(chǎn)生一定程度的碼間干擾，降低系統(tǒng)的傳輸性能，使光接收機的靈敏度惡化。

3.光接收機靈敏度的簡單分析

由于散粒噪聲和熱噪聲的影響，因此實際光接收機的靈敏度相對光量子極限有顯著劣化。光檢測器的暗電流與非零消光比的殘留光一樣，會在接收機中產(chǎn)生噪聲，降低光接收機的靈敏度。在APD光檢測器中，有倍增的暗電流對靈敏度的影響更大。低速率系統(tǒng)中，Si－APD的暗電流為100×10-12A時光接收機的靈敏度相對暗電流為0時降低了0.5dB左右。

用計算信噪比的方法（主要考慮檢測器的散粒噪聲和前置放大器噪聲），可獲得光接收機的靈敏度。

1）PIN光接收機的靈敏度

PIN光接收機是以PIN為光檢測器的接收機，因PIN無倍增噪聲，經(jīng)復(fù)雜的數(shù)學推導(dǎo)可得到采用PIN－FET光接收組件的光接收機靈敏度，即所需的平均最小光功率為（3－8）式中：為響應(yīng)度，為光脈沖寬度，Q為信噪比參數(shù)，與誤碼率有關(guān)：（3－9）

2）APD光接收機的靈敏度

APD光接收機是以APD為檢測器件的光接收機，APD內(nèi)部的噪聲包括放大器噪聲、APD倍增噪聲和暗電流噪聲等，計算各種噪聲可導(dǎo)出接收機靈敏度。采用FET互阻抗前放的APD光接收機的靈敏度為（3－10）從前面推導(dǎo)的幾種光接收機靈敏度公式中可以看出，在一定誤碼率條件下，影響靈敏度的器件和系統(tǒng)特性參數(shù)主要包括量子效率、工作波長和信號速率等。當系統(tǒng)波長越小、信號速率越高時，量子效率越小，而系統(tǒng)噪聲越大，靈敏度下降越嚴重。在實際工程應(yīng)用中，光接收機所需的最小接收光功率可按如下經(jīng)驗公式計算（取誤碼率Pe=10-9）：（3－11）式中:fb為系統(tǒng)碼速（單位為Mb/s）；fb0為基準計算碼速，取fb0=25Mb/s。 3.4光電混合中繼器

光纖線路系統(tǒng)中，由于光纖的傳輸損耗、連接器等的插入損耗以及光纖的色散和非線性效應(yīng)等因素的作用，光發(fā)送機發(fā)送的光信號經(jīng)光纖鏈路傳輸后會產(chǎn)生幅度衰減和波形畸變等失真，且失真程度隨距離增加而積累，限制了光纖線路系統(tǒng)的傳輸能力。因此，必須在信號的失真接近無法正確恢復(fù)前，即每間隔一定距離，采用光中繼的方式對失真光信號進行補償和恢復(fù)，再將質(zhì)量恢復(fù)的光信號重新發(fā)送出去，以延長通信距離。和其他數(shù)字信號一樣，完全意義上的光信號再生中繼稱為3R再生，包括光信號的放大、整形和定時再生三部分。理想的光中繼要求極為嚴格，包括對數(shù)據(jù)格式和速率透明，對輸入光信號的功率起伏、偏振狀態(tài)以及定時抖動不敏感等。

光中繼可以在電域完成，即先通過光/電變換將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，在電域完成放大、整形和定時再生的3R功能，再經(jīng)電/光變換將電信號重新轉(zhuǎn)換為光信號，故稱為光/電/光中繼或光電混合中繼。光電混合中繼方式具有消光比高、偏振不敏感的優(yōu)點，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高和速率限制等缺點。光中繼也可以直接在光域完成，即不需要光電轉(zhuǎn)換的中間處理，完全在光域完成光信號直接放大、整形和定時再生的3R功能，故稱為全光中繼。全光中繼突破了“電子瓶頸”的速率限制，并保證了全光傳輸?shù)耐该餍?。目前的全光中繼僅能完成1R功能，即由光放大器（OA）完成的再放大，還需要進一步解決光均衡和光定時提取基礎(chǔ)上的光判決等光信號整形再生技術(shù)難題，才能真正實現(xiàn)全光中繼。

現(xiàn)階段因為全光中繼還存在一些難以克服的困難，所以主要采用的仍然是光電混合中繼的方式。光纖通信系統(tǒng)中常采用背靠背的光電混合中繼方式來補償光信號的幅度衰減和波形失真，即首先將已失真波形轉(zhuǎn)換為電信號，并對其進行均衡放大等整形處理，得到性能良好的電信號，再將其重新轉(zhuǎn)換為光信號，并耦合進下一個段落的光纖繼續(xù)傳輸。數(shù)字光電中繼器的作用包括光電、電光轉(zhuǎn)換間的電信號的整形、再定時和再生，故又稱為再生中繼器。

單純的光電混合中繼器主要解決的是光信號劣化的問題，即進行線路碼型的光信號轉(zhuǎn)發(fā)，因此其基本組成包括光接收放大、定時判決和光發(fā)送三部分，省略了進行電信號適配和補償?shù)妮斎腚娐泛洼敵鲭娐返却a型變換部分的電路。光電混合中繼器的原理框圖如圖3－9所示。圖3－9光電混合中繼器原理框圖

在光電混合中繼器中，首先在光接收電路中由光檢測器將衰減和失真的光信號轉(zhuǎn)換為微弱的光電流信號，再經(jīng)放大均衡后恢復(fù)出原始電信號，最后送入光發(fā)送電路直接調(diào)制光源輸出光信號，重又送入光纖線路繼續(xù)向前方傳遞。

實際光纖線路系統(tǒng)通常為雙向的光信號傳輸系統(tǒng)，因此在中間的光電中繼器設(shè)置兩個反向的光電中繼器，以完成雙向的光中繼傳輸，即每個傳送方向各配置一套光接收和光發(fā)送電路。此外，還需設(shè)置輔助電路，用來分離和插入與主信號一起傳輸?shù)妮o助業(yè)務(wù)信號，提供維護管理操作所需的多種輔助功能。光中繼器功能方框圖如圖3－10所示。圖3－10光中繼器功能方框圖

3.5數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的性能

3.5.1光纖線路系統(tǒng)的傳輸損傷

1.光纖線路系統(tǒng)中的差錯

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，接收序列和發(fā)送序列中任何對應(yīng)單個數(shù)碼（又稱碼元）的不一致稱為差錯（Error）。抖動、漂移、滑動、時延和幀失步等傳輸損傷，最終都可能導(dǎo)致差錯，可見差錯是各種數(shù)字傳輸損傷的綜合反映。

差錯是數(shù)字系統(tǒng)主要的傳輸損傷，ITU－T定義了各種不同的差錯。

1）差錯的類型和評定

對于只有兩種符號(即“0”和“1”)的數(shù)字比特流，接收序列對應(yīng)發(fā)送序列的單個數(shù)字比特不一致的錯誤稱為比特差錯（BitError），也稱為誤碼。

一組與數(shù)字傳送通道有關(guān)的連續(xù)比特的集合可看成一個整體“塊”，每一比特屬于且僅屬于一個塊。收發(fā)序列對應(yīng)的塊中發(fā)生任意一個以上的比特差錯，則稱為塊差錯（BlockError），發(fā)生差錯的塊稱為差錯塊（ErroredBlock）。差錯發(fā)生的多少用差錯率衡量，差錯率是指在特定的一段時間內(nèi)所接收到的差錯比特(塊)數(shù)與在同一時間內(nèi)接收的總比特(塊)數(shù)之比，表示為（3－12）對應(yīng)比特差錯和塊差錯，其差錯率稱為比特差錯率（誤碼率）和塊差錯率（誤塊率），數(shù)字系統(tǒng)常采用比特差錯率(BER)衡量差錯性能。對于比特率恒定為fb的數(shù)字通道，其差錯率為誤碼率（3－13）

2）誤碼形成的原因

誤碼形成的原因是多方面的。光纖線路系統(tǒng)是十分穩(wěn)定的數(shù)字傳輸通道，基本上不受外界電磁干擾的影響，因此造成系統(tǒng)誤碼的原因主要為內(nèi)部原因。

系統(tǒng)設(shè)備各組成電路的噪聲，最終反應(yīng)為光接收機中的有光檢測器的散彈噪聲、雪崩光電二極管的雪崩倍增噪聲、放大器噪聲、熱噪聲、模式分配噪聲、光反射噪聲等，這些將導(dǎo)致接收信噪比降低，產(chǎn)生判決誤碼。

光纖色散和非線性效應(yīng)引起的光脈沖展寬以及設(shè)備帶寬限制，會引起相鄰碼元間的碼間干擾（ISI），在光接收機中由于均衡不完善，不能完全消除干擾。當這種干擾較大時，會在定時再生時發(fā)生錯誤判決產(chǎn)生誤碼。帶有抖動和漂移的數(shù)字流與定時提取恢復(fù)的定時（時鐘）信號之間，存在著動態(tài)相位偏離的定時偏差，將造成接收機有效判決時刻偏離最佳判決時刻，定時偏差較大時也會引起誤碼。

溫度變化、老化、失調(diào)等原因會使判決電路判決門限偏移，造成判決錯誤的誤碼。

實際運行的光纖（纜）線路系統(tǒng)中，一些具有突發(fā)性質(zhì)的脈沖干擾也會引發(fā)誤碼，如靜電放電、配線架電接觸不良、設(shè)備和傳輸通路故障、電源瞬間干擾等。當這些脈沖干擾超過系統(tǒng)固有的高信噪比門限時，會造成大量突發(fā)性集中誤碼。

3）誤碼發(fā)生的形態(tài)和描述

誤碼（差錯）過程是一個與產(chǎn)生機理相關(guān)的復(fù)雜的隨機過程，對誤碼的描述需要用概率論和數(shù)理統(tǒng)計的理論和方法。

如前所說，絕大多數(shù)的誤碼（差錯）發(fā)生形態(tài)可歸為兩種。一種是內(nèi)部獨立因素造成的隨機誤碼，表現(xiàn)為單個隨機發(fā)生的、偶然性的誤碼，構(gòu)成低水平的背景誤碼，其分布應(yīng)服從泊松分布規(guī)律。 另一種是一些具有突發(fā)性質(zhì)的外部脈沖干擾引起的突發(fā)誤碼，表現(xiàn)為某個瞬間集中爆發(fā)的、成群發(fā)生的高誤碼率的誤碼，而在其他大部分時間可能幾乎沒有誤碼。脈沖干擾本身是隨機的，每次突發(fā)群誤碼事件中的誤碼個數(shù)也是隨機的，因此這類誤碼在數(shù)學上可以較好地用一類A型傳染病（或稱紐曼分布）來描述。

2.光纖線路系統(tǒng)中的抖動

抖動（Jitter）是另一種常見的傳輸損傷，指傳輸過程中信號的瞬時相位不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

1）抖動的概念

數(shù)字信號的抖動定義為數(shù)字信號的各有效瞬間相對其理想時間位置的短時的非積累性偏移。所謂有效瞬間指數(shù)字信號的特定重要時刻，如業(yè)務(wù)信號的判決時刻、時鐘信號的前后沿；所謂理想時間位置是指由高頻率準確度的參考時鐘產(chǎn)生的單位間隔等距數(shù)字信號的時隙位置（即相位）；所謂短時的非積累性偏離是指偏離隨時間變化較快，有正偏、零偏和負偏，平均值為零。抖動的大小或幅度通?？捎脮r間、相位度數(shù)或數(shù)字碼元周期來度量，ITU－T建議采用“單位間隔”或稱時隙(UI)來表示。1UI相當于1個數(shù)字比特所占有的時間間隔，即傳輸比特率的倒數(shù)1/fb。不同傳輸速率下，UI表示的時間間隔不同。抖動頻率用來表示數(shù)字信號相位變化的快慢，工程中將10Hz以上的快速相位擺動稱為抖動。

可見，抖動是一種高頻相位噪聲。數(shù)字信號的抖動可以分為信號抖動和定時抖動，分別指傳輸信號和定時信號的相位變化和同步誤差。大幅度抖動積累將造成數(shù)字信號的誤碼和還原后模擬信號的失真，幅度特別大的抖動沖擊甚至會產(chǎn)生幀失步和幀丟失。

2）數(shù)字光纖線路系統(tǒng)的抖動

數(shù)字光纖線路系統(tǒng)內(nèi)部的抖動可分為隨機性抖動和系統(tǒng)性抖動。

隨機性抖動的形成來源于系統(tǒng)設(shè)備中噪聲引起的信號過零點隨機變化，使信號脈沖波形產(chǎn)生隨機畸變，導(dǎo)致定時濾波器的輸出定時信號波形產(chǎn)生隨機的相位寄生調(diào)制，形成抖動。如定時電路振蕩器輸出信號的相位噪聲，數(shù)字邏輯電路開關(guān)時刻的不確定性等引起的抖動。定時濾波器失諧會產(chǎn)生不對稱的輸出波形，造成時鐘分量幅度和相位上的調(diào)制，引起定時抖動；時鐘電路本身的高頻相位噪聲，將導(dǎo)致輸出定時信號相位抖動。系統(tǒng)性抖動是指溫度變化和元器件老化等引起系統(tǒng)內(nèi)部電路性能參數(shù)變化，從而形成的與數(shù)字信號的碼型（圖案）有關(guān)的抖動。例如，均衡器殘余的碼間干擾使數(shù)字信號通過非線性元件后，產(chǎn)生輸出脈沖峰值位置隨機偏移的定時抖動；限幅器的門限偏移使輸出脈沖位置隨與信息圖案有關(guān)的輸入信號幅度變化而變化，形成圖案相關(guān)抖動；高速調(diào)制激光器的動態(tài)特性影響光脈沖的波形，組成圖案相關(guān)抖動。

如果光線路終端設(shè)備集成了電信號的復(fù)用功能，則還將引入數(shù)字復(fù)用過程中由于同步調(diào)整性插入而引起的復(fù)接抖動，包括碼速調(diào)整抖動和指針調(diào)整抖動。PDH復(fù)用器的輸出抖動主要是碼速調(diào)整的候時抖動；SDH復(fù)用器的輸出抖動包括碼速調(diào)整的異步映射抖動、指針調(diào)整抖動和映射抖動與指針調(diào)整抖動的結(jié)合抖動。線路系統(tǒng)采用擾碼器可以增加傳輸信息的隨機性，使各個再生判決電路產(chǎn)生的系統(tǒng)抖動分量的相關(guān)性減弱，從而有效改善了抖動積累特性。在端機中設(shè)置抖動減少器（帶緩存器的鎖相環(huán)），通過窄帶鎖相環(huán)過濾和緩存讀出后，可大大減少信號的抖動分量。在支路輸出口采用結(jié)合了緩存器和相位平滑電路的解同步器，可以減少復(fù)接抖動和漂移幅度。

3.光纖線路系統(tǒng)中的漂移

漂移（Wander）是指數(shù)字信號的有效瞬間相對其理想時間位置的長期的、非累積性的偏移。所謂長期的偏移是指偏移隨時間變化較慢，工程上認為頻率低于10Hz的相位變化為漂移。漂移是一種大幅度的、緩慢的相位變化，因此，漂移的描述采用類似隨機噪聲的方法，一般用時間間隔誤差TIE、最大時間間隔誤差MTIE和時間偏差TDEV表示。

漂移是一種信號相位的緩慢變化，即低頻相位噪聲，其形成的主要原因是環(huán)境溫度的變化引起傳輸媒質(zhì)和設(shè)備特性變化，使數(shù)字信號或定時信號的相位產(chǎn)生緩慢變化的低頻噪聲。對光纖（纜）線路系統(tǒng)而言，環(huán)境溫度變化導(dǎo)致光纖（纜）線路特性（如長度）發(fā)生緩慢積累的變化，從而引起信號傳輸時延緩慢變化的日漂動等；環(huán)境溫度變化還會引起時鐘電路參數(shù)的緩慢變化，使輸出定時信號產(chǎn)生相位緩慢變化。漂移引起數(shù)字信號的比特偏離時間上的理想位置，結(jié)果使輸入信號比特在判決電路中不能正確地識別，產(chǎn)生誤碼。長期緩慢積累的漂移幅度可能很大，若超過緩沖存儲器的容量，會造成緩存器的溢出或取空，從而產(chǎn)生滑動損傷。

同樣，極低頻率的碼速調(diào)整和指針調(diào)整也會使復(fù)用器產(chǎn)生復(fù)接漂移。

4.傳輸時延

信號傳輸時延是指信號從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩怂枰臅r間，時延過大會使通路發(fā)生困難，因此必須對其加以控制。光纖線路系統(tǒng)的傳輸時延包括在光發(fā)送機和光接收機中電光轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的時延，以及光信號在光纖鏈路中的傳輸時延。其中，光纖鏈路的傳輸時延主要取決于光纖媒質(zhì)的折射率。3.5.2數(shù)字傳輸參考模型

數(shù)字信號在全部傳輸過程的各個環(huán)節(jié)都會受到一定的損傷，因此，在進行傳輸系統(tǒng)設(shè)計時，需要將其置身于全程通信連接的環(huán)境中，研究每個部分傳輸損傷的來源，確定各部分性能指標的合理分配，以滿足全程傳輸總體性能。

通信連接是指通信網(wǎng)中從用戶至用戶的端到端通信的全部手段。實際通信連接的情況十分復(fù)雜，為此，需要對應(yīng)通信網(wǎng)絡(luò)、端到端國際連接、國際/國內(nèi)鏈路、國際鏈路的國內(nèi)部分和單個傳輸系統(tǒng)建立不同的“數(shù)字參考模型”，來作為傳輸質(zhì)量的研究和核算對象，要求不同模型能涵蓋絕大多數(shù)的實際應(yīng)用，以保證其具有真正的代表性和實用性。

ITU－T建議提出了各種數(shù)字傳輸模型，如假設(shè)參考連接(HRX)、假設(shè)參考數(shù)字鏈路(HRDL)和假設(shè)參考數(shù)字段(HRDS)等。

1.假設(shè)參考連接(HRX)

假設(shè)參考連接（HRX）是電信網(wǎng)中一個具有規(guī)定結(jié)構(gòu)、長度和性能的假設(shè)數(shù)字連接。作為全程通信網(wǎng)絡(luò)性能研究的假想實體，它充分考慮網(wǎng)絡(luò)間的管轄邊界，通常是通信距離最長、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、傳輸質(zhì)量接近最差的數(shù)字連接配置。實際網(wǎng)絡(luò)中，比假設(shè)參考連接HRX更復(fù)雜的連接的出現(xiàn)概率極低，因此，絕大部分實際連接的性能要比最長HRX好得多。只要HRX模型的傳輸質(zhì)量能滿足要求，其他情況就基本均可滿足。圖3－11為ITU－TG.801建議的標準最長（27500km）的HRX組成，是國際通信的兩個用戶/網(wǎng)絡(luò)接口參考點T之間速率為64kb/s的全數(shù)字連接，由14段電路串聯(lián)而成。其中兩個本地交換端局（LE）間共有12段，國內(nèi)部分和國外部分的分界點可以是終端國際網(wǎng)關(guān)（IG）中的交叉連接設(shè)備、高次群復(fù)用器或交換機（ISC）。由此可進一步導(dǎo)出其中各個較小實體部分的性能指標。圖3－11標準最長的假設(shè)參考連接（HRX）

隨著新型高速寬帶業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，實際的端到端通信也可能建立在高比特率數(shù)字通道的基礎(chǔ)上。故ITU－T引入了固定長度數(shù)字通道,即假設(shè)參考通道（HRP）的概念，以便進行高比特率通道的分析和指標分配等研究。HRP為標準最長27500km長度的端到端國際數(shù)字通道，是用于傳送2Mb/s以上規(guī)定速率的數(shù)字信號的全部手段（裝置），其結(jié)構(gòu)與HRX相同。

為保證全程通信質(zhì)量，必須將HRX分解成較短距離的傳輸模型，以便研究和規(guī)定數(shù)字連接各個段落的傳輸性能。

2.假設(shè)參考數(shù)字鏈路（HRDL）

數(shù)字傳輸鏈路是相鄰交換設(shè)備間或交換設(shè)備和用戶設(shè)備間數(shù)字業(yè)務(wù)信號傳輸?shù)娜渴侄巍＞哂幸欢ńM成、長度和規(guī)定業(yè)務(wù)信號速率的數(shù)字鏈路的網(wǎng)絡(luò)模型，即為假設(shè)參考數(shù)字鏈路（HRDL），又稱假設(shè)參考數(shù)字通道（HRDP）。

HRDL是HRX的一個組成部分，ITU－T沒有規(guī)定其具體構(gòu)成，而由各國自行研究解決，通常2500km的長度被認為是一個合適的距離。

數(shù)字鏈路可以包括不同傳輸媒質(zhì)的線路傳輸系統(tǒng)和復(fù)用設(shè)備，因此需建立更小的對應(yīng)實際線路傳輸系統(tǒng)的模型，以研究、規(guī)范和分配實際物理系統(tǒng)的傳輸性能指標。

3.假設(shè)參考數(shù)字段（HRDS）

規(guī)定速率數(shù)字通道信號的全部傳輸手段，即特定傳輸媒質(zhì)的高速數(shù)字傳輸系統(tǒng)構(gòu)成一個數(shù)字段，通常包括線路終端設(shè)備（端機和再生器）和傳輸線路。為保證全程傳輸?shù)馁|(zhì)量，方便實際的維護管理，ITU－T引入假設(shè)參考數(shù)字段（HRDS）作為確定數(shù)字（線路）傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型，它是指具有一定長度和指標規(guī)范的數(shù)字段。HRDS是構(gòu)成HRDL的一部分，可以很好地規(guī)范網(wǎng)絡(luò)性能指標，又便于導(dǎo)出設(shè)備的設(shè)計指標，并指導(dǎo)系統(tǒng)的維護。

HRDS應(yīng)該是實際網(wǎng)絡(luò)中典型長度的數(shù)字段，中國的HRDS標準長度為420km、280km和50km，分別對應(yīng)國家一級干線、二級干線和本地局間中繼。3.5.3差錯（誤碼）性能規(guī)范

1.差錯性能評定

以前用長期平均比特差錯率（LTBER），即較長時間內(nèi)（一個月以上）的平均差錯率來評定信息的傳輸質(zhì)量，它不能客觀反映誤碼的實際時間分布，僅適于衡量長期僅有少量單個隨機誤碼的穩(wěn)定系統(tǒng)的背景誤碼水平，如不易受外部干擾的光再生段的性能指標。

實際系統(tǒng)的誤碼往往呈突發(fā)性和隨機性，而不同的誤碼分布對不同業(yè)務(wù)的質(zhì)量影響是不一樣的。為能準確反映實際誤碼的分布，ITU－T建議采用差錯時間百分比（即差錯時間率）來評定差錯性能，即在較長的觀測時間TL內(nèi)，計取取樣觀測時間T0內(nèi)差錯個數(shù)或平均差錯率逾限事件的時間百分比。通常取T0＝1s，平均差錯率逾限BERth取10-3或30%。

2.數(shù)字傳輸系統(tǒng)的差錯性能參數(shù)

差錯性能的規(guī)范涉及差錯（誤碼）逾限事件的檢測和統(tǒng)計。

1）差錯性能事件

與差錯性能規(guī)范有關(guān)的幾種差錯事件定義如下：

（1）差錯秒（ErroredSecond）是有一個或多個差錯比特/塊的秒；

（2）嚴重差錯秒（SeverelyErroredSecond）是差錯率逾限（差錯發(fā)生多）的差錯秒；

（3）嚴重誤塊周期（SEP）是以一個非嚴重誤塊秒結(jié)束的3~9個連續(xù)嚴重誤塊秒的序列。

2）可用時間與不可用時間

根據(jù)上述差錯事件，將數(shù)字傳輸通路所處的狀態(tài)劃分為兩種狀態(tài)，相應(yīng)的差錯性能總觀察時間Stotal（s）可分為兩個部分：若在10個連續(xù)秒里的每一秒都是SES，通路便處于不可用狀態(tài)，這10s也被認為是不可用時間Sunavai（s），也就是說從這10s的第一秒開始進入不可用時間；若在10個連續(xù)秒內(nèi)的每一秒都不是SES，通路就處于可用狀態(tài)，這10s也被認為是可用時間Savail（s），即從這10s的第一秒開始進入新可用時間。

3）差錯性能參數(shù)

可用狀態(tài)下的差錯性能統(tǒng)計才有實際意義，ITU－T規(guī)定的差錯性能參數(shù)主要有以下幾個。

(1)差錯秒比(ESR)：指在固定測試時間間隔上的可用時間內(nèi)，ES與總秒數(shù)之比；

(2)嚴重差錯秒比(SESR)：指在固定測試時間間隔上的可用時間內(nèi)，SES與總秒數(shù)之比；

(3)嚴重誤塊周期強度（SEPI）：指確定測試期的可用時間內(nèi)，SEP事件數(shù)與總秒數(shù)之比。

3.高速數(shù)字通道的差錯性能規(guī)范

ITU－T有關(guān)差錯性能規(guī)范的國際標準有G.821和G.826建議，其中G.826是基群及其以上網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計的惟一國際標準，獨立于數(shù)字通道的物理傳輸系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，適于PDH、SDH或其他傳送網(wǎng)。G.826規(guī)范以誤塊（塊差錯）事件為基礎(chǔ)定義的誤塊性能事件和性能參數(shù)有以下幾種。

(1)誤塊秒（ES）：指在1s內(nèi)有1個或多個誤塊；

(2)嚴重誤塊秒（SES）：指在1s內(nèi)含有大于等于30％的誤塊，或者至少有一個中斷性缺陷；

(3)誤塊秒比（ESR）：指在一個確定的測試期間，在可用時間內(nèi)的ES和總秒數(shù)之比，它反映了系統(tǒng)誤碼的總體平均水平；

(4)嚴重誤塊秒比（SESR）：指在一個確定的測試期間，在可用時間內(nèi)的SES與總秒數(shù)之比，它反映了系統(tǒng)受突發(fā)干擾的群誤碼的平均水平，表示了系統(tǒng)的抗干擾能力；

(5)背景誤塊比（BBER）：指在一個確定的測試期間，在可用時間內(nèi)的背景誤塊與總塊數(shù)扣除SES中的所有塊后剩余塊數(shù)之比，它反映系統(tǒng)內(nèi)部的背景噪聲水平。

數(shù)字光纖通信系統(tǒng)提供的均為基群及其以上速率數(shù)字通道，光線路系統(tǒng)則提供更高速度等級的光線路碼信號的傳輸通道，故應(yīng)滿足G.826建議規(guī)定的分配指標。

4.數(shù)字通道的差錯性能指標及其分配

G.826建議規(guī)定了27500km的假設(shè)參考通道（HRP）的端到端誤碼性能指標，適用于各種媒質(zhì)的傳輸系統(tǒng)提供的國際數(shù)字通道的每一傳送方向。不同速率HRP端到端誤碼性能指標的具體數(shù)值見表3－2。每條國際數(shù)字通道應(yīng)同時滿足所有參數(shù)的指標值，承載數(shù)字通道的線路傳輸系統(tǒng)應(yīng)滿足所承載的最高速率數(shù)字通道的指標。表3－2基群和更高速率27500km國際數(shù)字HRP端到端差錯 性能指標高比特率通道差錯性能指標的分配采用了按區(qū)段分配結(jié)合按距離分配的指標分配策略，將整個端到端HRP分成國際部分和國內(nèi)部分（其定界為終端國國際接口局IG），兩部分各獲得端到端指標分配包括最多為10%和35%（每終端國17.5％）的固定額度，以及每500km距離1%的額度，如圖3－12所示。圖3－12高比特率HRP端到端差錯性能指標的分配

長距離衛(wèi)星通信中，國際部分的一跳可獲得35%的配額，國內(nèi)部分的一跳可直接獲得42%的配額，取代固定分配和按距離分配的全部配額。

G.826建議分配給國內(nèi)和國際部分的配額應(yīng)作為進一步分配給更小實體差錯性能指標的基礎(chǔ)，ITU－T將另行規(guī)定進一步細分指標的方法。

5.國內(nèi)數(shù)字通道的差錯性能指標及其分配

我國國內(nèi)標準最長HRP的兩個通道終端點（PEP）間全長6900km，可覆蓋全國95%的端局，其組成如圖3－13所示。其中任意兩個長途節(jié)點間的假設(shè)最長距離為6500km；長途節(jié)點與本地節(jié)點間的假設(shè)最長距離為100km；用戶接入網(wǎng)中本地節(jié)點與用戶間的假設(shè)最長距離為100km。大部分實際通道短于上述假設(shè)最長通道，因而其性能將優(yōu)于HRP的性能限值。圖3－13我國的標準最長HRP的組成和指標的分配

國內(nèi)端到端HRP的數(shù)字通道可看做IG間零距離的國際數(shù)字通道，從IG到通道終端用戶之間的國內(nèi)部分長度為HRP的一半（即3450km），從國際HRP獲得的可使用的總配額為（3－14）由于用戶接入網(wǎng)部分環(huán)境惡劣，按區(qū)段固定分給6％的配額，余下18.5％為轉(zhuǎn)接網(wǎng)部分的長途網(wǎng)和中繼網(wǎng)數(shù)字通道的可使用指標配額，相當于每公里指標配額為（3－15）表3－3

420kmHRDS差錯性能指標表3－4用戶接入網(wǎng)差錯性能指標國際轉(zhuǎn)接通道指承載國際業(yè)務(wù)的數(shù)字通道經(jīng)我國傳送網(wǎng)轉(zhuǎn)接的部分，其最長距離按5000km考慮。根據(jù)G.826建議端到端通道國際部分的分配原則，中間國給予2％的配額，附加每100km距離0.2％基于距離的配額，故我國承擔的國際轉(zhuǎn)接通道的總配額為（3－16）

再按距離進行線性分配至HRDS，每公里差錯性能指標的配額為（3－17）3.5.4抖動和漂移性能規(guī)范

ITU－T建議G.823(基于2048kb/s系列的數(shù)字網(wǎng)抖動和漂移控制)和G.825(基于SDH的數(shù)字網(wǎng)抖動和漂移的控制)，分別是關(guān)于2048kb/s系列的PDH和SDH數(shù)字網(wǎng)抖動和漂移性能的兩個主要國際標準，相關(guān)部分還涉及G.813、G.921和G.958等建議。

抖動和漂移性能與網(wǎng)同步有關(guān)，需要綜合考慮獨立數(shù)字業(yè)務(wù)設(shè)備的性能規(guī)范和整體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的性能指標，還需要考慮與同步網(wǎng)之間的相互作用。因此，為了分析網(wǎng)絡(luò)的同步性能，構(gòu)建了一個比絕大多數(shù)實際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用惡劣的、通用的網(wǎng)絡(luò)定時性能參考模型，如圖3－14所示。它充分滿足了PDH、SDH以及ATM等大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的性能要求，并留有適當?shù)母挥?。圖3－14同步定時性能的參考模型

根據(jù)參考模型可分析同步和業(yè)務(wù)接口的抖動和漂移指標，如G.822建議規(guī)定27500kmHRX的國內(nèi)部分滑動性能優(yōu)于0.3次/天，G.823則描述了24h的規(guī)定時間周期內(nèi)輸入18μs漂移的最大次數(shù)。

抖動和漂移性能指標是針對網(wǎng)絡(luò)接口、線路系統(tǒng)（HRDS）和設(shè)備而制定的，可統(tǒng)一為網(wǎng)絡(luò)接口和設(shè)備（網(wǎng)元設(shè)備或時鐘設(shè)備）接口指標及傳輸指標。抖動和漂移性能的接口指標包括系統(tǒng)和設(shè)備產(chǎn)生的抖動和漂移、網(wǎng)絡(luò)輸出口的輸出抖動和漂移限值、輸入口的抖動和漂移容限等；傳輸指標包括設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)接口間的抖動和漂移轉(zhuǎn)移特性，又稱為抖動和漂移傳遞特性，反映了設(shè)備的輸出抖動和漂移隨輸入信號的抖動和漂移的變化關(guān)系，通常用轉(zhuǎn)移函數(shù)表示設(shè)備對輸入抖動和漂移的增益或抑制。3.5.5數(shù)字光纖線路系統(tǒng)的可靠性

實際通信系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)應(yīng)經(jīng)久耐用、充分可靠，以滿足“迅速、準確、連續(xù)不間斷工作”的基本要求，可以用“完整性”來衡量。數(shù)字通信質(zhì)量的客觀性指標包括前面介紹的誤碼、抖動和漂移等傳輸性能指標；網(wǎng)絡(luò)的生存性定義為正常環(huán)境下系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)整體經(jīng)受各種故障的意外后，仍能自動調(diào)整維持可接受的業(yè)務(wù)質(zhì)量的能力；可靠性則是指規(guī)定條件和時間下，保持正常工作狀態(tài)的能力，用統(tǒng)計預(yù)測確定的器件或局部的正常使用壽命表示。

數(shù)字光纖線路系統(tǒng)應(yīng)具備高可靠性，才能發(fā)揮其大容量傳輸?shù)耐ㄐ殴δ堋?/p>

1.可靠性及其表示

表示系統(tǒng)可靠性的主要參數(shù)包括平均故障間隔時間（MTBF）和故障率等。平均故障間隔時間指兩次故障之間系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)的持續(xù)時間，又稱為無故障時間，單位為小時，實際系統(tǒng)的MTBF越大越好；故障率指單位時間內(nèi)系統(tǒng)故障時間的百分比，為平均故障間隔時間的倒數(shù)，單位為1/h，即當λ采用10-9/h作為計量單位時，稱為Fit，1Fit＝10-9/h。

2.可用性指標

系統(tǒng)的可用性是指在給定的時間間隔內(nèi)處于良好工作狀態(tài)的能力，用規(guī)定工作時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率，即可用時間占總工作時間的百分比來表示：（3－19）式中:可用時間指工作時間內(nèi)的平均故障間隔時間MTBF；不可用時間指剩余的平均故障修理時間（MTTR）。相應(yīng)地，系統(tǒng)的不可用性指不可用時間即平均故障修理時間（MTTR）占總工作時間的百分比。不可用性又稱為失效率，可表示為（3－20）對光纖通信系統(tǒng)可用性方面的要求是，正常運行時間應(yīng)盡可能長，維護工作時間盡可能短。在確定指標時，應(yīng)考慮設(shè)備的生產(chǎn)技術(shù)水平和運營系統(tǒng)的維護管理水平，一味提高可用性指標，會增加設(shè)備的制造難度和運營成本。

3.光纖線路系統(tǒng)的可用性計算

光纖線路系統(tǒng)包括串聯(lián)連接的線路終端、光纖線路和中繼器等，其失效率均為F0＝F01(光纖線路)+F02(線路終端)+F03(中繼器)（3－21）為提高系統(tǒng)的可用性，光纖線路系統(tǒng)通常采用熱備用系統(tǒng)和自動保護倒換設(shè)備。每個主備用系統(tǒng)并行、獨立工作，兩端的自動倒換設(shè)備則跨接在主備用系統(tǒng)之間。假定光纖線路系統(tǒng)的配置為n∶m，則總共n+m個系統(tǒng)中任意i個系統(tǒng)同時故障的失效率為（3－22）當n+m個并行的主備用系統(tǒng)中任意m+1個以上系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，至少一個主用系統(tǒng)故障不能被保護而失效，而不能保證n個主用系統(tǒng)均正常工作。通常情況下，任意m+2個以上系統(tǒng)同時出現(xiàn)故障的概率相對很小，因此m+1個以上系統(tǒng)同時故障的失效率為（3－23）若n+m個系統(tǒng)中每個系統(tǒng)的失效率相同，即F1=F/n，則每個主用系統(tǒng)的可用性為（3－24）由此可得無備用系統(tǒng)（m＝0）和多主一備（m＝1）的配置下，可用性分別為（3－25）（3－26）

可知，采用備份配置后，系統(tǒng)可用性得到了提高。對于光纖線路系統(tǒng)（數(shù)字段），故障的失效率按長度線性分配至每個中繼段（RS），由此可獲得各中繼段的可用性：（3－27）

式中，F(xiàn)與F′、A與A′分別為數(shù)字段與再生段的故障率和可用性。

4.光纖通信系統(tǒng)可用性指標規(guī)范

G.827建議(基群和基群以上速率國際恒定比特率數(shù)字通道的可用性性能參數(shù)和指標)中，定義可用性為可用時間占總觀測時間的百分比，不可用性為不可用時間占總觀測時間的百分比。各類HRDS的可用性目標和不可用時間的分配如表3－5和表3－6所示。表3－5

HRDS的可用性目標表3－6不可用時間的分配我國在“光纜通信進網(wǎng)要求”中提出，5000km光纜通信系統(tǒng)全程容許每年4次雙向全阻故障，取平均故障修復(fù)時間為6h，則系統(tǒng)全程的雙向可用性可達到99.73％，折算到280km數(shù)字段的可用性為99.985％，420km數(shù)字段的可用性為99.9％；對于市內(nèi)光纜通信系統(tǒng)，若取平均故障修復(fù)時間為0.5h，則50km市內(nèi)光纜通信系統(tǒng)的可用性可達99.99％?？砂幢?－5和表3－6獲得各部分的可用性目標和不可用時間的指標。 3.6光纖線路系統(tǒng)設(shè)計

光纖通信系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計的基礎(chǔ)是滿足業(yè)務(wù)通信的質(zhì)量要求。也就是說，規(guī)范線路傳輸系統(tǒng)（數(shù)字段）性能指標的目的，就是以此為依據(jù)設(shè)計出符合要求的線路傳輸系統(tǒng)以提供組網(wǎng)應(yīng)用。合理的規(guī)劃和設(shè)計依據(jù)相應(yīng)的規(guī)范，需要綜合各種技術(shù)和經(jīng)濟因素，在兩相權(quán)衡的基礎(chǔ)上合理選用各種器件和設(shè)備，完成系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)集成，以及業(yè)務(wù)通路和組織。

3.6.1光纖線路系統(tǒng)設(shè)計方法

光纖（纜）線路系統(tǒng)的設(shè)計目標是確保滿足傳輸系統(tǒng)接口要求的性能指標，最大限度地利用光纖的頻帶資源設(shè)計所要求的系統(tǒng)傳輸能力，主要是傳輸距離和容量。

1.設(shè)計任務(wù)

光纖線路系統(tǒng)中限制其傳輸能力的因素很多，包括光發(fā)送機、光中繼器、光接收機和光纖線路媒質(zhì)等特性的非理想化，其中光纖損耗、色散和非線性特性是影響光纖通信系統(tǒng)傳輸容量和距離的主要因素。