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(xué)信息與電氣工程學(xué)院zhaojijun@

《光纖通信系統(tǒng)》2023/2/22本章內(nèi)容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(jì)2023/2/23本節(jié)內(nèi)容5.1兩種傳輸體制5.1.1準(zhǔn)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(shí)分復(fù)用(TDM)技術(shù)。復(fù)用又分為若干等級(jí)，先后有兩種傳輸體制：準(zhǔn)同步數(shù)字系列(PDH)同步數(shù)字系列(SDH)

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。美國(guó)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(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。2023/2/255.1.1準(zhǔn)同步數(shù)字系列PDH---基礎(chǔ)速率

準(zhǔn)同步數(shù)字系列有兩種基礎(chǔ)速率以1.544Mb/s為第一級(jí)(一次群，或稱基群)基礎(chǔ)速率，采用的國(guó)家有北美各國(guó)和日本；以2.048Mb/s為第一級(jí)(一次群)基礎(chǔ)速率，采用的國(guó)家有西歐各國(guó)和中國(guó)。2023/2/265.1.1準(zhǔn)同步數(shù)字系列PDH---光纖通信制式（1/2）2023/2/275.1.1準(zhǔn)同步數(shù)字系列PDH---光纖通信制式（2/2）對(duì)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。對(duì)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(guó)又不相同，看起來很雜亂。PDH各次群比特率相對(duì)于其標(biāo)準(zhǔn)值有一個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，并得到各國(guó)廣泛采用。PDH主要適用于中、低速率點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸。2023/2/285.1.1準(zhǔn)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(guó)際互通困難。沒有世界性的標(biāo)準(zhǔn)光接口規(guī)范，導(dǎo)致了各個(gè)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(yīng)用的靈活性，增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和運(yùn)營(yíng)成本。信號(hào)復(fù)用/解復(fù)用需要逐級(jí)進(jìn)行，復(fù)接/分接設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上下話路價(jià)格昂貴。各種復(fù)用系列都有其相應(yīng)的幀結(jié)構(gòu)，沒有足夠的OAM開銷比特，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)缺乏靈活性，無法適應(yīng)不斷演變的電信網(wǎng)要求。由于建立在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸基礎(chǔ)上的復(fù)用結(jié)構(gòu)缺乏靈活性，使得數(shù)字通道設(shè)備的利用率很低，非最短的通道路由占了業(yè)務(wù)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，而且適合于多點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸。圖5.1示出SDH傳輸網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。SDH傳輸網(wǎng)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。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(fù)用器（TM）SDH終端的主要功能是復(fù)接/分接和提供業(yè)務(wù)適配SDH終端的復(fù)接/分接功能主要由TM設(shè)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(fù)用器（ADM）

ADM是一種特殊的復(fù)用器，它利用分接功能將輸入信號(hào)所承載的信息分成兩部分：一部分直接轉(zhuǎn)發(fā)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(shè)備（DXC）DXC類似于交換機(jī)，它一般有多個(gè)輸入和多個(gè)輸出，通過適當(dāng)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(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)。每個(gè)通道(Path)由一個(gè)或多個(gè)復(fù)接段(Line)構(gòu)成，而每一復(fù)接段又由若干個(gè)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(shè)備和層的關(guān)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(diǎn)SDH采用世界上統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率等級(jí)。最低的等級(jí)也就是最基本的模塊稱為STM-1，傳輸速率為155.520Mb/s；4個(gè)STM-1同步復(fù)接組成STM-4，傳輸速率為622.080Mb/s；16個(gè)STM-1組成STM-16,傳輸速率為2488.320Mb/s，以此類推。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，這有利于建立世界統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)。標(biāo)準(zhǔn)的光接口綜合進(jìn)各種不同的網(wǎng)絡(luò)單元，簡(jiǎn)化了硬件，降低了網(wǎng)絡(luò)成本。在SDH幀結(jié)構(gòu)中，豐富的開銷比特用于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行、維護(hù)和管理，便于實(shí)現(xiàn)性能監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)和定位、故障報(bào)告等管理功能。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(jìn)行碼速調(diào)整，簡(jiǎn)化了復(fù)接分接的實(shí)現(xiàn)設(shè)備，由低速信號(hào)復(fù)接成高速信號(hào)，或從高速信號(hào)分出低速信號(hào)，不必逐級(jí)進(jìn)行。采用數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC可以對(duì)各種端口速率進(jìn)行可控的連接配置，對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行自動(dòng)化的調(diào)度和管理，既提高了資源利用率，又增強(qiáng)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(duì)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(gè)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(jié)構(gòu)（1/2）SDH幀結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字同步時(shí)分復(fù)用、保證網(wǎng)絡(luò)可靠有效運(yùn)行的關(guān)鍵。圖5.5給出SDH幀一個(gè)STM-N幀有9行，每行由270×N個(gè)字節(jié)組成。這樣每幀共有9×270×N個(gè)字節(jié)，每字節(jié)為8bit。幀周期為125μs，即每秒傳輸8000幀。對(duì)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?yàn)椋河缮贤轮鹦邪l(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(jié)構(gòu)（2/2）SDH幀的主要結(jié)構(gòu)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(yùn)行、維護(hù)和管理，如幀定位、誤碼檢測(cè)、公務(wù)通信、自動(dòng)保護(hù)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(nèi)用于承載各種業(yè)務(wù)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(yùn)行、維護(hù)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(gè)字節(jié)在幀內(nèi)的準(zhǔn)確位置（相對(duì)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(xì)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。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(hào)復(fù)接成高速信號(hào)時(shí)，由于小的頻率誤差所造成的載荷相對(duì)位置漂移的問題。2023/2/2225.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---復(fù)用原理（1/6）

將低速支路信號(hào)復(fù)接為高速信號(hào)，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（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(shí)數(shù)據(jù)還是偽數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)：容許被復(fù)接的支路信號(hào)有較大的頻率誤差；缺點(diǎn)：復(fù)接與分接相當(dāng)困難。固定位置映射法是讓低速支路信號(hào)在高速信號(hào)幀中占用固定的位置。優(yōu)點(diǎn)：復(fù)接和分接容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)：但由于低速信號(hào)可能是屬于PDH的或由于SDH網(wǎng)絡(luò)的故障，低速信號(hào)與高速信號(hào)的相對(duì)相位不可能對(duì)準(zhǔn)，并會(huì)隨時(shí)間而變化。2023/2/2235.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---復(fù)用原理（2/6）SDH采用載荷指針技術(shù)結(jié)合了正碼速調(diào)整法和固定位置映射法的優(yōu)點(diǎn)，付出的代價(jià)是要對(duì)指針進(jìn)行處理。圖5.6示出載荷包絡(luò)與STM-1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。ITU-T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(hào)適配裝入虛容器的過程，其實(shí)質(zhì)是使支路信號(hào)與傳送的載荷同步。2023/2/2245.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---復(fù)用原理（3/6）

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(hào)裝入SDH幀。

圖5.7示出SDH一般復(fù)用映射結(jié)構(gòu)，圖中C-n是標(biāo)準(zhǔn)容器，用來裝載現(xiàn)有PDH的各支路信號(hào)，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(hào)。引入虛容器的概念，使得不必了解支路信號(hào)的內(nèi)容，便可以對(duì)裝載不同支路信號(hào)的VC進(jìn)行同步復(fù)用、交叉連接和交換處理，實(shí)現(xiàn)大容量傳輸。2023/2/2255.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---復(fù)用原理（4/6）2023/2/2265.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---復(fù)用原理（5/6）

由于在傳輸過程中，不能絕對(duì)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(jìn)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(gè)AU-3或1個(gè)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(hào)；N個(gè)STM-1信號(hào)按字節(jié)同步復(fù)接，便組成STM-N。2023/2/2275.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---復(fù)用原理（6/6）舉例：由PDH的4次群信號(hào)到SDH的STM-1的復(fù)接過程把139.264Mb/s的信號(hào)裝入容器C-4，經(jīng)速率適配處理后，輸出信號(hào)速率為149.760Mb/s;在虛容器VC-4內(nèi)加上通道開銷POH(每幀9Byte,相應(yīng)于0.576Mb/s)后，輸出信號(hào)速率為150.336Mb/s；在管理單元AU-4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(hào)速率為150.912Mb/s;由1個(gè)AUG加上段開銷SOH(每幀72Byte,相應(yīng)于4.608Mb/s),輸出信號(hào)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(shè)備（1/5）

數(shù)字交叉連接設(shè)備(DXC)相當(dāng)于一種自動(dòng)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(shí)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(gè)輸入信號(hào)被分接為m個(gè)并行支路信號(hào)，然后通過時(shí)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(dòng)態(tài)計(jì)算的交叉連接圖對(duì)這些電路進(jìn)行重新編排，最后將重新編排后的信號(hào)復(fù)接成高速信號(hào)輸出。2023/2/229同步數(shù)字傳輸系列SDH---數(shù)字交叉連接設(shè)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(shè)備（3/5）

DXC的表示通常用DXCX/Y來表示一個(gè)DXC的配置類型，其中第一個(gè)數(shù)字X表示輸入端口速率的最高等級(jí)，第二個(gè)數(shù)字Y表示參與交叉連接的最低速率等級(jí)。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(jí)；數(shù)字5和6分別代表SDH的STM-4和STM-16等級(jí)。如：DXC1/0表示輸入端口的最高速率為一次群信號(hào)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(shè)備（4/5）交叉連接設(shè)備與交換機(jī)的區(qū)別有DXC的輸入輸出不是單個(gè)用戶話路，而是由許多話路組成的群路；兩者都能提供動(dòng)態(tài)的通道連接，但連接變動(dòng)的時(shí)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(qǐng)求來建立或改變連接，由信令系統(tǒng)實(shí)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(shè)備（5/5）

DXC在干線傳輸網(wǎng)中的主要用途

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)性重要事件(如運(yùn)動(dòng)會(huì)、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(shí)，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(shí)，可作為PDH與SDH的網(wǎng)關(guān)。2023/2/2345.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---SDH的應(yīng)用（1/4）SDH可用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是具有“自愈”能力。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障或光纜中斷時(shí)，仍能維持一定的通信能力。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)。

網(wǎng)形SDH網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)是：端到端之間存在一條以上的路徑，可同時(shí)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。2023/2/2355.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---SDH的應(yīng)用（2/4）2023/2/2365.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---SDH的應(yīng)用（3/4）2023/2/2375.1.2同步數(shù)字傳輸系列SDH---SDH的應(yīng)用（4/4）2023/2/238本章內(nèi)容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(jì)2023/2/239本節(jié)內(nèi)容5.2系統(tǒng)的性能指標(biāo)5.2.1參考模型5.2.2系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)5.2.3可靠性2023/2/2405.2.1參考模型---標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字假設(shè)參考連接（1/2）為進(jìn)行系統(tǒng)性能研究，ITU-T(原CCITT)建議中提出了一個(gè)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(zhǎng)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(hào)的全數(shù)字連接來考慮的。假設(shè)在兩個(gè)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(jí)分配后應(yīng)符合用戶的要求。如圖5.11所示，最長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字HRX為27500km,它由各級(jí)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(jì)大大簡(jiǎn)化。2023/2/2415.2.1參考模型---標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字假設(shè)參考連接（2/2）建議的HRDL長(zhǎng)度為2500km,但由于各國(guó)國(guó)土面積不同，采用的HRDL長(zhǎng)度也不同。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(zhǎng)途傳輸?shù)腍RDS長(zhǎng)度為280km,用于市話中繼的HRDS長(zhǎng)度為50km。我國(guó)用于長(zhǎng)途傳輸?shù)腍RDS長(zhǎng)度為420km(一級(jí)干線)和280km(二級(jí)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。2023/2/2425.2.2系統(tǒng)性能指標(biāo)---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(zhì)量?jī)?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(gè)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的傳輸碼流中出現(xiàn)誤碼的概率，它對(duì)話音影響的程度取決于編碼方法。對(duì)于PCM而言，誤碼率對(duì)話音的影響程度如表5.2所示。由于誤碼率隨時(shí)間變化，用長(zhǎng)時(shí)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(shí)際監(jiān)測(cè)和評(píng)定中，應(yīng)采用誤碼時(shí)間百分?jǐn)?shù)和誤碼秒百分?jǐn)?shù)的方法。

2023/2/2435.2.2系統(tǒng)性能指標(biāo)---誤碼率（2/8）2023/2/2445.2.2系統(tǒng)性能指標(biāo)---誤碼率（3/8）2023/2/2455.2.2系統(tǒng)性能指標(biāo)---誤碼率（4/8）對(duì)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。2023/2/2465.2.2系統(tǒng)性能指標(biāo)---誤碼率（5/8）

對(duì)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(shí)，感覺不到干擾的影響，選為BERth。每次通話時(shí)間平均3～5min,選擇取樣時(shí)間T0為1min。監(jiān)測(cè)時(shí)間以較長(zhǎng)為好，選擇TL為1個(gè)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(shí)間減去嚴(yán)重誤碼秒累積的分鐘數(shù))的百分?jǐn)?shù)小于10%。嚴(yán)重誤碼秒(SES)

由于某些系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)短時(shí)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(gè)參數(shù)。選擇監(jiān)測(cè)時(shí)間TL為1個(gè)月，取樣時(shí)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?jǐn)?shù)小于0.2%。誤碼秒(ES)

選擇監(jiān)測(cè)時(shí)間TL為1個(gè)月，取樣時(shí)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?jǐn)?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?jǐn)?shù)大于92%。2023/2/2475.2.2系統(tǒng)性能指標(biāo)---誤碼率（6/8）圖5.14示出最長(zhǎng)HRX的電路質(zhì)量等級(jí)劃分，圖中高級(jí)和中級(jí)之間沒有明顯的界限。我國(guó)長(zhǎng)途一級(jí)干線和長(zhǎng)途二級(jí)干線都應(yīng)視為高級(jí)電路，長(zhǎng)途二級(jí)以下和本地級(jí)合并考慮。2023/2/2485.2.2系統(tǒng)性能指標(biāo)---誤碼率（7/8）2023/2/2495.2.2系統(tǒng)性能指標(biāo)---誤碼率（8/8）表5.5的誤碼率三項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)時(shí)間為1個(gè)月，在工程驗(yàn)收時(shí)執(zhí)行存在一定困難，通常采用長(zhǎng)期平均誤碼率來衡量，監(jiān)測(cè)時(shí)間為24h。假設(shè)誤碼為泊松分布，誤碼率三項(xiàng)指標(biāo)都可以換算為長(zhǎng)期平均誤碼率。2023/2/2505.2.2系統(tǒng)性能指標(biāo)---抖動(dòng)（1/5）抖動(dòng)是數(shù)字信號(hào)傳輸過程中產(chǎn)生的一種瞬時(shí)不穩(wěn)定現(xiàn)象。抖動(dòng)的定義是：數(shù)字信號(hào)在各有效瞬時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間位置的偏差。偏差時(shí)間范圍稱為抖動(dòng)幅度(JPP)，偏差時(shí)間間隔對(duì)時(shí)間的變化率稱為抖動(dòng)頻率(F)。這種偏差包括輸入脈沖信號(hào)在某一平均位置左右變化，和提取時(shí)鐘信號(hào)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(biāo)---抖動(dòng)（2/5）

抖動(dòng)現(xiàn)象相當(dāng)于對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)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(dòng)單位為UI，表示單位時(shí)隙。當(dāng)脈沖信號(hào)為二電平NRZ時(shí)，1UI等于1bit信息所占時(shí)間，數(shù)值上等于傳輸速率fb的倒數(shù)。

抖動(dòng)嚴(yán)重時(shí)，使得信號(hào)失真、誤碼率增大。完全消除抖動(dòng)是困難的，因此在實(shí)際工程中，需要提出容許最大抖動(dòng)的指標(biāo)。光纖通信系統(tǒng)各次群輸入口對(duì)抖動(dòng)容限的要求如表5.6所示。2023/2/2525.2.2系統(tǒng)性能指標(biāo)---抖動(dòng)（3/5）2023/2/2535.2.2系統(tǒng)性能指標(biāo)---抖動(dòng)（4/5）2023/2/2545.2.2系統(tǒng)性能指標(biāo)---抖動(dòng)（5/5）2023/2/2555.2.3可靠性可靠性是一個(gè)重要指標(biāo)，它直接影響通信系統(tǒng)的使用、維護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)光纖通信系統(tǒng)而言，可靠性包括光端機(jī)、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(jì)分析法，即根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查結(jié)果，統(tǒng)計(jì)足夠長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的故障次數(shù)，確定每?jī)纱喂收系臅r(shí)間間隔和每次故障的修復(fù)時(shí)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(shí)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：故障率φ是系統(tǒng)工作到時(shí)間t，在單位時(shí)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(gè)部件組成，且故障率是統(tǒng)計(jì)無關(guān)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(gè)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(shí)間內(nèi)，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(fù)時(shí)間(不可用時(shí)間)。

(2)故障率φ和平均故障間隔時(shí)間MTBF。兩者的關(guān)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(biāo)（1/3）根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，具有主備用系統(tǒng)自動(dòng)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(duì)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(zhǎng)為100km,容許雙向全程每年4次全阻故障，對(duì)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,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(biāo)（2/3）根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，以5000km為基準(zhǔn)，按長(zhǎng)度平均分配給各種數(shù)字段長(zhǎng)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(shí)間MTTR=6h。2023/2/2615.2.3可靠性---可靠性指標(biāo)（3/3）2023/2/262本章內(nèi)容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(jì)2023/2/263本節(jié)內(nèi)容5.3系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)---系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)

根據(jù)用戶對(duì)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(guó)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(jì)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(jī)的基本參數(shù)和性能指標(biāo)，以使系統(tǒng)的實(shí)施達(dá)到最佳的性能價(jià)格比。在技術(shù)上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要問題是確定中繼距離，尤其對(duì)長(zhǎng)途光纖通信系統(tǒng)，中繼距離設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)效益影響很大。2023/2/2655.3系統(tǒng)和設(shè)計(jì)---中繼距離設(shè)計(jì)方法中繼距離設(shè)計(jì)方法最壞情況法(參數(shù)完全已知)統(tǒng)計(jì)法(所有參數(shù)都是統(tǒng)計(jì)定義)統(tǒng)計(jì)法(只有某些參數(shù)是統(tǒng)計(jì)定義)這里我們采用最壞情況設(shè)計(jì)法，用這種方法得到的結(jié)果，設(shè)計(jì)的可靠性為100%，但要犧牲可能達(dá)到的最大長(zhǎng)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。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(gè)中繼器數(shù)字光纖線路系統(tǒng)的示意圖，圖中符號(hào)：T′,T:

光端機(jī)和數(shù)字復(fù)接分接設(shè)備接口；Tx:

光發(fā)射機(jī)或中繼器發(fā)射端；Rx:

光接收機(jī)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(diǎn)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(duì))，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)?；?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(duì)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(jī)靈敏度Pr取決于光檢測(cè)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(zhǎng)途光纖通信系統(tǒng)BERav≤1×10-10時(shí)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(duì)。設(shè)備余量Me包括由于時(shí)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。光纖損耗系數(shù)αf取決于光纖類型和工作波長(zhǎng)，例如：?jiǎn)文９饫w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(gè)中繼段總余量不超過5dB。平均接頭損耗可取0.05dB/個(gè)，每千米光纖平均接頭損耗αs可根據(jù)光纜生產(chǎn)長(zhǎng)度計(jì)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(jī)靈敏度不受損傷，保證系統(tǒng)正常工作，必須對(duì)光纖線路總色散(總帶寬)進(jìn)行規(guī)范。

對(duì)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(shí)甚至無法通過均衡來補(bǔ)償，使系統(tǒng)失去設(shè)計(jì)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(guān)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(duì)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(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：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(guó)Bell實(shí)驗(yàn)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(duì)系統(tǒng)傳輸性能的限制。當(dāng)a=0.25時(shí)，碼間干擾δ只有峰值的0.034%，完全可以忽略不計(jì)。當(dāng)a=0.5時(shí)，δ增加到13.5%，此時(shí)功率代價(jià)為7～8dB，難以通過均衡進(jìn)行補(bǔ)償。一般系統(tǒng)設(shè)計(jì)選取a=0.25～0.35，功率代價(jià)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(guān)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(duì)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(duì)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(zhǎng)度等于L的光纖線路總帶寬，它與單位長(zhǎng)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(cè)試確定。γ=0.5～1,稱為串接因子，取決于系統(tǒng)工作波長(zhǎng)，光纖類型和線路長(zhǎng)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)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(guān)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(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(gè)乘積反映了光纖通信系統(tǒng)的技術(shù)水平?；?qū)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(duì)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(jí)近似，得到σf=|C0|σλL,其中：C0=C(λ0)為在光源中心波長(zhǎng)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(zhǎng)度(km)。把這些關(guān)系式代入式(5.11)，同樣得到一個(gè)簡(jiǎn)明的公式。設(shè)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(gè)基礎(chǔ)上，根據(jù)原CCITT建議，對(duì)于實(shí)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(zhǎng)附近的光纖色散特性。σλ為光源譜線寬度(nm)，對(duì)多縱模激光器(MLM-LD)，為rms寬度，對(duì)單縱模激光器(SLM-LD),為峰值下降20dB的寬度。ε是與功率代價(jià)和光源特性有關(guān)的參數(shù)，對(duì)于MLM-LD,ε=0.115,對(duì)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(zhǎng)不會(huì)全部等于標(biāo)稱波長(zhǎng)值，而是分布在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。同樣，光源的峰值波長(zhǎng)也是分配在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，并不總是和光纖的零色散波長(zhǎng)度相重合。對(duì)于G