電信傳輸技術(shù)第四章課件

4.1光纖傳輸鏈路的基本單元光纖傳輸鏈路由圖4-1所示，其關(guān)鍵部分是由光源和驅(qū)動電路組成的光發(fā)送機(jī)、將光纖包在其中對光纖起到機(jī)械加固和保護(hù)作用的光纜以及由光檢測器、光放大電路、信號恢復(fù)電路組成的光接收機(jī)三大部分組成。圖4-11.光纖和光纜在光纖鏈路中，成纜后的光纖是最重要的元件之一，有關(guān)光纖的基本概念已在第2章介紹。與銅纜類似，光纜可以架空鋪設(shè)，也可以鋪設(shè)在管道內(nèi)、鋪設(shè)于海底或直埋于地下。2.發(fā)送機(jī)核心是光源。光源的主要功能就是將輸入電信號轉(zhuǎn)換為光信號。一般鋪設(shè)好光纜以后，光源應(yīng)有與光纖纖芯相匹配的尺寸，以便于將光功率注入光纖。

3.接收機(jī)

光接收器的關(guān)鍵設(shè)備是光電檢測器。光信號注入光纖以后，由于光纖材料的散射、吸收和色散機(jī)理，會導(dǎo)致信號隨傳輸距離的增加而產(chǎn)生連續(xù)的衰減和失真。4.2光纖的導(dǎo)光原理4.2.1基本光學(xué)定律1.光速和材料的折射率 光在不同的介質(zhì)中以不同的速度傳播，看起來就好像不同的介質(zhì)以不同的阻力阻礙光的傳播。描述介質(zhì)的這一特征的參數(shù)就是折射率，或者折射指數(shù)。如果v是光在某種介質(zhì)中的速度，c是光在真空中的傳播速度，那么介質(zhì)的折射率n為例【4.1】已知光從空氣照射玻璃并從其中穿過，問光在玻璃中的傳播速度是多少？ 解：取光對玻璃的折射率n=1.5，得到光在玻璃中的傳播速度為2.光線的反射定律和折射定律光在傳播過程中，若從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)的交界面時，因兩種介質(zhì)的折射率不等，將會在交界面上發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，如圖4-5所示，圖中是入射角，是折射角。是反射角（a)光從空氣進(jìn)入玻璃(b)光從玻璃進(jìn)入空氣

圖4-5入射光線、反射光線和折射光線【例4.2】圖4-5中,那么和的值是多少？

解：,由，

可求得（a）任意角度入射（b）入射角度增加（c）臨界入射角—發(fā)生全內(nèi)反射

（d）入射角度大于臨界入射角—所有的光全部被反射回4.2.2光纖對光的傳導(dǎo)1.纖芯和包層的折射率根據(jù)光纖橫截面上折射率分布的不同，可分為階躍型光纖和漸變型光纖圖4-8給出了階躍型光纖的結(jié)構(gòu)示意圖。（a）折射率圖(b)光纖的橫截面—前視圖(c)光纖的橫截面—右視圖【例4.4】已知纖芯的折射率，包層的折射率，在什么條件下光可以保持在纖芯中？ 解：這個條件就是全反射。為了實現(xiàn)全反射，至少要使光纖以臨界入射角入射到纖芯包層邊界則2.臨界入射角和臨界傳播角臨界傳播角指光線與光纖中心線的角度（在光纖術(shù)語中常稱它為“臨界角”）；臨界入射角是光線和與纖芯和包層間的光邊界垂直的直線間的角度圖4-10臨界入射角和臨界傳播角3.光纖接受角度光當(dāng)然要從像LED或LD這樣的某個源發(fā)出，而這個源是在光纖之外的，所以我們必須把它導(dǎo)向到光纖中。圖4-11示出了從一個光源輻射的光如何進(jìn)入一根光纖的過程。圖4-11光從光源導(dǎo)向光纖的過程 【例4.5】已知光纖纖芯的折射率，包層的折射率的光纖，問其接受角是多少？ 解：因為， 由，對于空氣，。則，求得所以接受角度。4.數(shù)值孔徑NA 數(shù)值孔徑表征光纖從光源接收光線的能力。NA值越大，光纖接收收集光的能力越強(qiáng)。 數(shù)值孔徑NA的定義是： 由于，，則得到NA的常用公式：

4.3光纖的傳輸特性4.3.1光纖的損耗特性 一、彎曲損耗 1.宏彎損耗宏彎損耗是指由整個光纖軸線的彎曲造成的損耗，其原理如圖4-12所示。圖4-12彎曲損耗2.微彎損耗微彎損耗是指由光纖軸線微小的崎變造成的損耗。其原理如圖4-13所示。纖芯包層接口在幾何上的不完善可能會造成在相應(yīng)區(qū)域上微觀的凸起或凹陷。光束最初以臨界傳播角傳輸，經(jīng)過在這些不完善點處的反射以后，傳播角會發(fā)生變化。結(jié)果就是不再滿足全內(nèi)反射條件，部分光束被折射掉，即它們泄露出纖芯，從而產(chǎn)生微彎損耗。圖4-13微彎損耗二、散射損耗光纖本身損耗的原因，大致包括兩類：散射損耗和吸收損耗。所謂散射是指光通過密度或折射率等不均勻的物質(zhì)時，除了在光的傳播方向以外，在其它方向也可以看到光，這種現(xiàn)象稱為光的散射散射損耗中瑞利散射和結(jié)構(gòu)缺陷散射對光纖傳輸?shù)挠绊戄^大。1.瑞利散射這種散射是由于光纖材料的折射率隨機(jī)性變化而引起的2.結(jié)構(gòu)缺陷散射在光纖制造過程中，由于結(jié)構(gòu)缺陷（如光纖中的氣泡、未發(fā)生反應(yīng)的原材料以及纖芯和包層交界處粗糙等），將會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷散射損耗，這種損耗與光波長無關(guān)三、吸收損耗吸收損耗是光波通過光纖材料時，有一部分光能變成熱能，造成光功率的損失。造成吸收損耗的原因很多，但都與光纖材料有關(guān)，下面主要介紹本征吸收和雜質(zhì)吸收。（1）本征吸收材料的固有吸收損耗與波長有關(guān)，對于石英系光纖，本征吸收有兩個吸收帶，一個是紫外吸收帶，另一個是紅外吸收帶。 （2）雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收是由光纖材料的不純凈而造成的附加吸收損耗。影響最嚴(yán)重的是：金屬過渡離子和水的氫氧根離子吸收電磁能量而造成的損耗。四、對衰減的計算 光纖損耗（Loss）是指光纖輸出端的功率與發(fā)射到光纖時的功率的比值。

其中功率和以瓦（W）為單位。

【例4.7】一個傳輸系統(tǒng)使用衰減A為0.5dB/km的光纖。如果輸入功率是1mw，鏈路長度為15km，求出輸出光功率。解：由（4.3-3）式

得 【例4.8】如果發(fā)射功率為1mW，接收器的敏感性為50uw，計算衰減為0.5Db/km的光纖鏈路的最大傳輸距離。 解：由于的最小值是由接收器的敏感性來決定的，則。由公式（4.3-4）得

4.3.2光纖的色散特性 光纖色散是光纖的另一個重要特性，由于光纖中色散的存在，會使得輸入脈沖在傳輸過程中展寬，產(chǎn)生碼間干擾，增加誤碼率，這就限制了傳輸容量和傳輸距離。光纖的色散可歸結(jié)為三類：模式色散、材料色散，波導(dǎo)色散。一、模式及模式數(shù)量1模式

光在光纖中是以一組獨立的光束或光線傳播。如果我們能夠看到光纖內(nèi)部的話，我們會看到一組光線以不同的傳播角

傳播，傳播角的值從零到臨界值 （a）不同光束的模式(b)不同的光束具有不同的相位變化?光纖只支持那些在同一相位完成整個鋸齒形的模式2.模式數(shù)量

光纖中的模式數(shù)量依賴于光纖的光特性和幾何特性。一根光纖的纖芯直徑越大纖芯所能容納的光就越多，所具有的模式就越多；同樣，光的波長越短光纖所能容納的模式也越多。

一根光纖中模式的數(shù)量由歸一化頻率（normalizedfrequency）參數(shù)V來決定，這個參數(shù)常被稱為V參數(shù)。這個值等于

（4.3-5）其中,d為纖芯直徑，λ為工作波長，n1和n2分別為纖芯和包層的折射率。 對于階躍折射率光纖，當(dāng)V值較大（V>20）時，可以采用下公式計算模式的數(shù)量N

（4.3-6） 對于漸變折射率光纖，模式的數(shù)量N為

3．模式的物理意義在光纖中，總的光功率是由單個的模式攜帶的，所以在光纖輸出端這些小部分結(jié)合起來就成了帶一定功率的輸出光束。二、模式色散1.色散的概念在光纖中，信號的不同模式或不同頻率在傳輸時具有不同的速度，因而信號到達(dá)終端時會出現(xiàn)傳輸時延差，從而引起信號畸變，這種現(xiàn)象統(tǒng)稱色散。 2.模式色散由于光束在光纖內(nèi)部的模式結(jié)構(gòu)所造成的脈沖展寬被稱為模式色散

3.模式色散的計算色散的大小用時延差表示?，F(xiàn)以階躍型多模光纖為例，對其最大模式色散進(jìn)行估算在多模階躍光纖中，傳輸最快和最慢的兩條光線分別是沿軸心傳播的光線1和以臨界角傳播的光線2，如圖4-18所示。 使用弱光纖可以表示為【例4.10】對于一個，階躍折射率光纖，問一個光脈沖在此光纖中傳輸5km之后光脈沖擴(kuò)展（即模式色散）為多少？解：由于弱光纖相差很小，這里用代替。根據(jù)公式（4.3-11）得

4.模式色散對傳輸速率的影響假設(shè)我們需要以10Mbps（兆比特每秒）的速度傳輸信息,也就是說每秒鐘想要傳輸個脈沖；換句話說，每個周期的持續(xù)時間為100ns.模式色散會使這些脈沖產(chǎn)生擴(kuò)展讓我們看【例4.10】中的數(shù)字三、減少模式色散的措施 1.采用漸變折射率光纖（1）漸變折射率光纖的結(jié)構(gòu)由圖4-18的分析已知，在階躍型多模光纖的纖芯中，零級模式沿中心軸線傳播，較高級的模式以等于或小于臨界傳播角傳播。這樣，同樣速度的光束傳輸不同的距離，它們以不同的時間到達(dá)接收器，從而形成脈沖擴(kuò)展（模式色散）。（2）漸變折射率光纖如何減少模式色散對于漸變折射率光纖，其模式色散（最大脈沖擴(kuò)展）可由下公式給出

（4.3-12）其中△是相對折射率，c是光在真空中的速度，為纖芯群折射率。【例4.11】對于一個，的漸變折射率光纖，如果鏈路長5km，計算其由模式色散（脈沖擴(kuò)展值）。解：由公式（4.3-12）得

2.采用單模光纖單模光纖也由纖芯和包層構(gòu)成，一般纖芯直徑2a＝4-10，包層直徑2b=125單模光纖是在給定的工作波長上，只傳輸單一基模的光纖.不會產(chǎn)生模式色散3.各種光纖模式色散的比較（a）階躍折射率多模光線（b）漸變折射率多模光纖（c）階躍折射率單模光纖四、材料色散材料色散是由光纖材料自身特性造成的。石英玻璃的折射率，嚴(yán)格來說，并不是一個固定的常數(shù)，而是對不同的傳輸波長有不同的值。光纖傳輸實際上用的光源發(fā)出的光，并不是只有理想的單一波長，而是有一定的波譜寬度。由材料色散造成的脈沖擴(kuò)展可用以下公式進(jìn)行計算

（4.3-13）其中，是材料色散系數(shù)，單位是；是光源光譜寬度。 【例4.12】某光纖的材料色散系數(shù)，其譜線寬度，試求該光傳輸1km之后的材料色散。（注：） 解：由式（4.3-13）得

五、波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散是由光纖中的光波導(dǎo)引起的，由此產(chǎn)生的脈沖展寬現(xiàn)象叫做波導(dǎo)色散。這類色散在開路介質(zhì)中是不存在的。波導(dǎo)色散主要存在單模光纖中。多模光纖中的波導(dǎo)色散可以忽略。4.4光源和光發(fā)射機(jī)4.4.1半導(dǎo)體光源器件 為了提高光纖通信系統(tǒng)的傳輸性能，要求光源在下面幾個方面具有良好的質(zhì)量指標(biāo)：(1)光源的發(fā)射波長應(yīng)該與光纖的低損耗窗口一致，目前為0．85、l．3和1.55這三個低損耗窗口。 （2）光源的譜線宜窄，這樣可以減小光纖色散對信號傳輸質(zhì)量的影響。光源的譜線寬度直接影響到光纖的色散特性，限制了傳輸速率和傳輸距離。目前較好的半導(dǎo)體激光器譜線寬度可達(dá)到0.1nm。 （3）光源與光纖的耦合效率要高，使更多的光功率進(jìn)入光纖傳輸。目前，半導(dǎo)體激光器與尾纖的耦合效率為10％－20％，最好可達(dá)50％。 （4）調(diào)制方法簡單。 （5）響應(yīng)速度要快，以滿足高速率傳輸?shù)男枰?（6）能夠室溫連續(xù)工作。并能提供足夠的光輸出功率；目前，半導(dǎo)體激光器尾纖的輸出功率可達(dá)500～2mw；半導(dǎo)體發(fā)光二極管的尾纖輸出功率可達(dá)10左右；（7）體積小、重量輕。壽命長。其壽命應(yīng)在10萬小時以上。一、半導(dǎo)體激光器（LD）的工作特性1.閾值特性2.光譜特性當(dāng)時，發(fā)出的是熒光，因此，光譜很寬，如圖4-23(a)所示，其寬度常達(dá)數(shù)百埃（）。當(dāng)后，發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加，表明發(fā)出激光，3.溫度特性圖4-25激光器閾值電流隨溫度的變化二、半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）的工作特性1.光譜較寬 由于LED是屬于自發(fā)輻射發(fā)光，因此，其譜線寬度要比LD寬的多，在這一點對于高速率信號的傳輸是不利的。目前，國內(nèi)一般邊發(fā)光二極管的最高調(diào)制頻率為70－100MHz。2.P－I曲線的線性較好由于LED是無閾值器件，它隨著注入電流的增加，輸出光功率近似呈線性地增加，其P－I曲線如圖4-27所示。因此，在進(jìn)行調(diào)制時，其動態(tài)范圍大，信號失真小圖4-27發(fā)光二極管的P-I特性3.光纖的耦合效率較低4.壽命長。發(fā)光二極管的壽命可以達(dá)到h以上。5.溫度特性較好4.4.2光源的調(diào)制 在目前廣泛使用的強(qiáng)度調(diào)制——直接檢波光纖傳輸系統(tǒng)中，要將電信號調(diào)到光波上，這就要對光源進(jìn)行調(diào)制。實現(xiàn)調(diào)制的方法有兩類：一類是直接調(diào)制；另一類是間接調(diào)制一、光源的直接調(diào)制

光源的直接調(diào)制方式又稱為內(nèi)調(diào)制。常用的直接調(diào)制方法有下列三種：（1）模擬強(qiáng)度調(diào)制（AIM），這種方式與基帶傳輸相似。（2）脈位調(diào)制（PPM），這種方式適應(yīng)光源和檢測管的特性，實際上仍屬于模擬調(diào)制。（3）數(shù)字調(diào)制，如PCM-IM，這是光纖通信最常用的調(diào)制方式。1.模擬信號的直接調(diào)制2.數(shù)字信號的直接調(diào)制二、光源的間接調(diào)制1.電光調(diào)制器電光調(diào)制器的基本工作原理是晶體的線性電光效應(yīng)。電光效應(yīng)是指電場引起晶體折射率變化的現(xiàn)象，能夠產(chǎn)生電光效應(yīng)的晶體稱為電光晶體。2.聲光調(diào)制器

聲光調(diào)制器是利用介質(zhì)的聲光效應(yīng)制成。4.4.3光發(fā)送機(jī)光發(fā)射機(jī)的原理方框圖1.輸入盤各部分功能①均衡器

對于使用不同速率的光端機(jī)，CCITT規(guī)定了系列數(shù)字接口的碼型，以2048kbit/s為基群速率的數(shù)字系列各比特率所規(guī)定的接口碼型表4.4-1數(shù)字復(fù)接等級對應(yīng)的接口碼型②碼型變換由均衡器輸出的HDB3碼（又稱三階高密度雙極性碼）或CMI碼（又稱傳號反轉(zhuǎn)碼），前者是三值雙極性碼（即+l，0、-l），后者是歸零碼，在數(shù)字電路中為了處理方便，需通過碼型變換電路，將其變換為非歸零碼（即NRZ碼）。③擾碼若信碼流中出現(xiàn)長連“0”或長連“1”的情況，將會給時鐘信號的提取帶來困難，為了避免出現(xiàn)這種情況，需加一擾碼電路，它可有規(guī)律地破壞長連“0”和長連“1”的碼流。從而達(dá)到“0”、“l(fā)”等概出現(xiàn)。擾碼以后的信號再進(jìn)行線路編碼。④時鐘提取 由于碼型變換和擾碼過程都需要以時鐘信號作為依據(jù)，因此，在均衡電路之后，由時鐘提取電路提取出時鐘信號，供碼型變換和擾碼電路使用。 ⑤編碼 如上所述，經(jīng)過擾碼后的碼流，盡量使得“l(fā)”和“0”的個數(shù)均等，這樣便于接收端提取時鐘信號。另外從實用角度來看，為了便于不間斷業(yè)務(wù)的誤碼監(jiān)測、區(qū)間通信聯(lián)絡(luò)、監(jiān)控及克服直流分量的波動，在實際的光纖傳輸系統(tǒng)中，都要對經(jīng)過擾碼以后的信碼流進(jìn)行編碼，以滿足上述要求。經(jīng)過編碼以后，就變?yōu)檫m合在光纖線路中傳送的線路碼型。2.發(fā)送盤各部分的功能發(fā)送盤主要完成將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，并將光信號送入光纖的任務(wù)。 ①驅(qū)動光源驅(qū)動電路是光發(fā)送盤的核心②自動光功率控制（APC）和自動溫度控制（ATC）電路對由LD管構(gòu)成的光源，發(fā)送盤還有自動光功率控制（APC）和自動溫度控制電路（ATC）3.其他保護(hù)、監(jiān)測電路

發(fā)送盤除上述各部分電路外，還有如下一些輔助電路：①光源過流保護(hù)電路。以防止反向沖擊電流過大；②無光告警電路。這時延遲告警電路將發(fā)出告警指示；③LD偏流（壽命）告警。光發(fā)送盤中的LD管，隨著使用時間的增長，其閾值電流也將逐漸加大。4.5光接收機(jī)一、光纖數(shù)字接收機(jī)的組成1.光電檢測器

光接收機(jī)中實現(xiàn)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的器件稱為光電檢測器。光電檢測器是利用材料的光電效應(yīng)來實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。2.前置放大器前置放大器在將信號放大的過程中，放大器本身的電阻將引入熱噪聲；放大器中的晶體管將引入散彈噪聲。3.主放大器

主放大器的作用有兩個：一是將前置放大器輸出的信號電平放大到判決電路所需要的信號電平；二是一個增益可調(diào)節(jié)的放大器。當(dāng)光電檢測器輸出的信號出現(xiàn)起伏時，通過光接收機(jī)的自動增益控制電路對主放大器的增益進(jìn)行調(diào)整，以使主放大器的輸出信號幅度在一定范圍不受輸入信號的影響。二、光接收機(jī)的主要指標(biāo) 1.光接收機(jī)靈敏度 光接收機(jī)的靈敏度，就是在滿足給定的誤碼率指標(biāo)條件下最低接收的平均光功率

。

光接收機(jī)靈敏度中的光功率若用相對值來描述，工程上常用dBm來表示，即

上式中，

指在滿足給定的誤碼率指標(biāo)條件下最低接收光功率。

指1mw光功率。

上述靈敏度的物理含義是：如果一部光接收機(jī)在滿足給定的誤碼率指標(biāo)下所需的平均光功率低，說明這部接收機(jī)在微弱的輸入光條件下就能正常工作2.光接收機(jī)的動態(tài)范圍 光接收機(jī)的動態(tài)范圍D，是在保證系統(tǒng)的誤碼率指標(biāo)要求下，接收機(jī)的最低輸入光功率（用dBm來描述）和最大允許輸入光功率（用dBm來描述）之差（dB）。即

（dB）4.6SDH光傳輸網(wǎng)4.6.1SDH的基本概念和特點1.SDH的基本概念SDH是由一些基本網(wǎng)絡(luò)單元（NE）組成，在信道上進(jìn)行同步信息傳輸、復(fù)用和交叉連接的網(wǎng)絡(luò)。目前實際應(yīng)用的基本網(wǎng)絡(luò)單元有四種，即終端復(fù)用器（TM）、分插復(fù)用器（ADM）、再生中繼器（REG）和SDH數(shù)字交叉連接設(shè)備（SDXC）。（1）終端復(fù)用器（TM）圖4-32

終端復(fù)用器

（2）分插復(fù)用器（ADM）分插復(fù)用器用于SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)接站點處，例如鏈的中間節(jié)點或環(huán)上節(jié)點，是SDH網(wǎng)上使用最多、最重要的一種網(wǎng)元，它是一個三端口的器件，如圖4-33所示。 圖4-33分插復(fù)用器（3）再生中繼器（REG） 再生中繼器（REG）是光中繼器，它是雙端口器件，只有兩個線路端口W和E，如圖4-34所示。其作用是將光纖長距離傳輸后受到較大衰減及色散畸變的光脈沖信號轉(zhuǎn)變成電信號后進(jìn)行放大整形、再定時、再生為規(guī)劃的電脈沖信號，再調(diào)制光源變換為光脈沖信號送入光纖繼續(xù)傳輸，以延長傳輸距離。圖4-34再生中繼器 （4）SDH數(shù)字交叉連接設(shè)備（SDXC） 數(shù)字交叉連接設(shè)備主要完成STM-N信號的交叉連接功能，它是一個多端口器件，它實際上相當(dāng)于一個交叉矩陣，完成各個信號間的交叉連接，如圖4-35所示。 圖4-35數(shù)字交叉連接設(shè)備功能圖通常用SDXCm/n來表示一個SDXC的類型和性能（注m≥n），m表示可接入SDXC的最高速率等級，n表示在交叉矩陣中能夠進(jìn)行交叉連接的最低速率級別。m越大表示SDXC的承載容量越大；n越小表示SDXC的交叉靈活性越大表4.6-1m、n數(shù)值與速率對應(yīng)表由上述四種網(wǎng)絡(luò)單元構(gòu)成的SDH系統(tǒng)如圖4-36所示。圖中示出了再生段、復(fù)用段和通道的劃分。圖4-37為SDH設(shè)備實例圖。圖4-38為SDH機(jī)房實例圖。2.SDH的特點SDH的特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）有全世界統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接口（NNI)，包括統(tǒng)一的數(shù)字速率等級、幀結(jié)構(gòu)、復(fù)接方法、線路接口、監(jiān)控管理等等。實現(xiàn)了數(shù)字傳輸體制上的世界標(biāo)準(zhǔn)及多廠家設(shè)備的橫向兼容。（2）采用標(biāo)準(zhǔn)化的信息結(jié)構(gòu)等級，其基本模塊是速率為155.520Mbit/s的同步傳輸模塊第一級（記作STM-1）。（3）SDH的幀結(jié)構(gòu)中安排了豐富的開銷比特，使網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)功能大大加強(qiáng)，而且適應(yīng)將來B-ISDN的要求。（4）SDH采用同步復(fù)用方式和靈活的復(fù)用映射結(jié)構(gòu)，利用設(shè)置指針的辦法，可以在任意時刻，在總的復(fù)接碼流中確定任意支路字節(jié)的位置，從而可以從高速信號一次直接插入或取出低速支路信號，使上下業(yè)務(wù)十分容易。（5）SDH確定了統(tǒng)一新型的網(wǎng)絡(luò)部件，這些部件是TM，ADM，SDXC以及REG。這些部件都有世界統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。此外，由于用一個光接口代替大量的電接口，可以直接經(jīng)光接口通過中間節(jié)點，省去大量電路單元。（6）SDH對網(wǎng)管設(shè)備的接口進(jìn)行了規(guī)范，使不同廠家的網(wǎng)管系統(tǒng)互聯(lián)成為可能。這種網(wǎng)管不僅簡單而且?guī)缀跏菍崟r的，因此降低了網(wǎng)管費用，提高了網(wǎng)絡(luò)的效率、靈活性和可靠性。（7）SDH與現(xiàn)有PDH完全兼容，體現(xiàn)了后向兼容性。同時SDH還能容納各種新的業(yè)務(wù)信號，如高速局域網(wǎng)的光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI）信號，城域網(wǎng)的分布排隊雙總線（DQDB）信號，以及異步傳遞模式（ATM）信元，體現(xiàn)了完全的前向兼容性。4.6.2SDH的速率與幀結(jié)構(gòu)1.SDH的速率SDH具有統(tǒng)一規(guī)范的速率。SDH信號以同步傳輸模塊（STM）的形式傳送。SDH信號最基本的同步傳輸模塊是STM-1，其速率為155.520Mbit/s。更高等級的STM-N信號是將STM-1經(jīng)字節(jié)間插同步復(fù)接而成。其中，N是正整數(shù)。目前SDH僅支持N=1，4，16，64。 有三個信號A、B、C如圖4-39（a）所示，幀結(jié)構(gòu)各為每幀3個字節(jié)，若將這三個信號通過字節(jié)間插復(fù)用方式復(fù)用成信號D，那D就應(yīng)該是這樣一種幀結(jié)構(gòu)：幀中有9個字節(jié)，且這9個字節(jié)的排放次序如圖4-39（b）所示，則這樣的復(fù)用方式就是字節(jié)間插復(fù)用方式。圖4-39字節(jié)間插復(fù)用示意圖2.幀結(jié)構(gòu)STM-N信號幀結(jié)構(gòu)的安排應(yīng)盡可能使支路低速信號在一幀內(nèi)均勻地、有規(guī)律的分布。這樣便于實現(xiàn)支路信號的同步復(fù)用、交叉連接（DXC）、分/插和交換，也即為了方便從高速信號中直接上/下低速支路信號。 鑒于此，ITU-T規(guī)定了STM-N的幀是以字節(jié)（8bit）為單位的矩形塊狀的幀結(jié)構(gòu)，如圖4-40所示。圖4-40SDH幀結(jié)構(gòu)從圖4-40可以看出，STM-N的幀結(jié)構(gòu)由3部分組成：段開銷（SOH），包括再生段開銷（RSOH）和復(fù)用段開銷（MSOH）；管理單元指針（AU-PTR）；信息凈負(fù)荷（payload）區(qū)域. （1）信息凈負(fù)荷（payload）區(qū)域信息凈負(fù)荷區(qū)域是幀結(jié)構(gòu)中存放各種信息負(fù)載的地方。（2）段開銷（SOH）段開銷（SOH）是指STM-N幀結(jié)構(gòu)中為了保證信息凈負(fù)荷正常、靈活傳送所必須附加的供網(wǎng)絡(luò)運行、管理和維護(hù)（OAM）使用的字節(jié)。 段開銷（SOH）又分為再生段開銷（RSOH）和復(fù)用段開銷（MSOH），分別對相應(yīng)的段層進(jìn)行監(jiān)控。我們講過段其實也相當(dāng)于一條大的傳輸通道，RSOH和MSOH的作用也就是對這一條大的傳輸通道進(jìn)行監(jiān)控。（3）管理單元指針（AU-PTR） 管理單元指針位于STM-N幀中第4行的9×N列，共9×N個字節(jié)。其作用是用來指示信息凈負(fù)荷的第一個字節(jié)在STM-N幀內(nèi)的準(zhǔn)確位置的指示符，以便收端能根據(jù)這個位置指示符的值（指針值）正確分離信息凈負(fù)荷。4.6.3SDH的復(fù)用結(jié)構(gòu)和步驟 各種業(yè)務(wù)信號復(fù)用進(jìn)STM-N幀的過程都要經(jīng)歷映射（相當(dāng)于信號打包）、定位（相當(dāng)于指針調(diào)整）、復(fù)用三個步驟。

1.復(fù)用結(jié)構(gòu)ITU-T規(guī)定了一整套完整的復(fù)用結(jié)構(gòu)（也就是復(fù)用路線），通過這些路線可將PDH3個系列的數(shù)字信號以多種方法復(fù)用成STM-N信號。圖4-42我國SDH基本復(fù)用結(jié)構(gòu) 為了對SDH的復(fù)用映射過程有一個較全面的認(rèn)識，也為后面介紹映射、定位、復(fù)用的概念作鋪墊，現(xiàn)以139.264Mbit/s支路信號復(fù)用映射成STM-N幀為例詳細(xì)說明整個復(fù)用映射過程。參見圖4-43。 圖4-43139.264Mbit/s支路信號的復(fù)用映射過程首先將標(biāo)稱速率為139.264Mbit/s的支路信號裝進(jìn)C-4，經(jīng)適配處理后C-4的輸出速率為149.760Mbit/s。然后加上每幀9字節(jié)的POH（相當(dāng)于576kbit/s）后，便構(gòu)成了VC-4（150.336Mbit/s），以上過程稱為映射。2.SDH的復(fù)用步驟 由圖4-43可見，在將低速支路信號復(fù)用成STM-N信號時，要經(jīng)過3個步驟：映射、定位、復(fù)用。映射是一種在SDH網(wǎng)絡(luò)邊界處（例如SDH/PDH邊界處）將支路信號適配進(jìn)虛容器的過程。4.6.4SDH網(wǎng)絡(luò)1.SDH網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 如果信息是從一點到另一點進(jìn)行傳輸，這就是點到點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，常規(guī)PDH系統(tǒng)和早期PDH系統(tǒng)即基于這種物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。除此之外，還有五種基本類型的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4-44所示。 圖4-44SDH基本物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從以上可看出，各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各有其優(yōu)點。在作具體的選擇時，應(yīng)綜合考慮網(wǎng)絡(luò)的生存性、網(wǎng)絡(luò)配置的容量，同時考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)適于新業(yè)務(wù)的引進(jìn)等多種實際因素和具體情況。一般來說，星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合用戶接入網(wǎng)，環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于中繼網(wǎng)，樹形和網(wǎng)孔形相結(jié)合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于長途網(wǎng)2.SDH自愈網(wǎng) 所謂自愈網(wǎng)就是無需人為干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)就能在極短時間內(nèi)從失效故障中自動恢復(fù)所攜帶的業(yè)務(wù)，使用戶感覺不到網(wǎng)絡(luò)已出了故障。其基本原理就是使網(wǎng)絡(luò)具備備用（替代）路由，并重新確立通信能力。自愈的概念只涉及重新確立電信傳輸，而不管具體失效元部件的修復(fù)與更換，而后者仍需人工干預(yù)才能完成。（1）線路保護(hù)倒換線路保護(hù)倒換有兩種方式：①1+1方式。1+1方式采用并發(fā)優(yōu)收，即工作段和保護(hù)段在發(fā)送端永久地連在一起（橋接），信號同時發(fā)往工作段和保護(hù)段，在接收端擇優(yōu)選擇接收性能良好的信號。②1：n方式。所謂1：n方式是保護(hù)段由n個工作段共用，當(dāng)其中任意一個出現(xiàn)故障時，均可倒至保護(hù)段。1：1方式是1：n方式的一個特例。線路保護(hù)倒換的主要特點有：①業(yè)務(wù)恢復(fù)時間很快，可短于50ms。②若工作段和保護(hù)段屬同纜復(fù)用（即主用和備用光纖在同一纜芯內(nèi)），則有可能導(dǎo)致工作段（主用）和保護(hù)段（備用）同時因意外故障而被切斷，此時這種保護(hù)方式就失去作用了。（2）環(huán)形網(wǎng)保護(hù) 當(dāng)把網(wǎng)絡(luò)節(jié)點連成一個環(huán)形時，可以進(jìn)一步改善網(wǎng)絡(luò)的生存性和成本，這是SDH網(wǎng)的一種典型拓?fù)浞绞?。環(huán)形網(wǎng)的節(jié)點一般用ADM（也可以用DXC），而利用ADM的分插能力和智能構(gòu)成的自愈環(huán)是SDH的特色之一，也是目前研究和應(yīng)用比較活躍的領(lǐng)域。采用環(huán)形網(wǎng)實現(xiàn)自愈的方式稱為自愈環(huán)。圖4-45二纖單向通道倒換環(huán) （3）DXC保護(hù) DXC保護(hù)主要是指利用DXC設(shè)備在網(wǎng)孔形網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行保護(hù)的方式。 在業(yè)務(wù)量集中的長途網(wǎng)中，一個節(jié)點有很多大容量的光纖支路，它們彼此之間構(gòu)成互連的網(wǎng)孔形拓?fù)?。若是在?jié)點處采用DXC4/4設(shè)備，則一旦某處光纜被切斷時，利用DXC4/4的快速交叉連接特性，可以很快地找出替代路由，并且恢復(fù)通信。于是產(chǎn)生了DXC保護(hù)方式，如圖4-46所示。 圖4-46采用DXC為節(jié)點的保護(hù) （4）混合保護(hù)所謂混合保護(hù)是采用環(huán)形網(wǎng)保護(hù)和DXC保護(hù)相結(jié)合，這樣可以取長補(bǔ)短，大大增加網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)能力。混合保護(hù)結(jié)構(gòu)如圖4-47所示。圖4-47混合保護(hù)結(jié)構(gòu) （5）各種自愈網(wǎng)的比較 線路保護(hù)倒換方式（采用路由備用線路）配置容易，網(wǎng)絡(luò)管理簡單，而且恢復(fù)時間很短（50ms以內(nèi)），但缺點是成本較高，主要適用于兩點間有穩(wěn)定的大業(yè)務(wù)量的點到點應(yīng)用場合。3.我國SDH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)我國的SDH系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),一般都采用有自愈功能的環(huán)型網(wǎng)結(jié)構(gòu)及少部分的點對點線性結(jié)構(gòu)（一級干線），我國SDH系統(tǒng)組網(wǎng)分為四個層面,如圖4-48所示。 圖4-48我國SDH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 最高層為一級干線網(wǎng),它是國家骨干網(wǎng),是由比較大的省會城市構(gòu)成網(wǎng)型網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并輔以少量線型網(wǎng)。在業(yè)務(wù)量大的匯接點城市裝有DXC4/4，具有STM-N接口和PDH系列的140Mb/s接口。第二層為二級干線網(wǎng),主要實現(xiàn)省內(nèi)的骨干環(huán)型網(wǎng)（少量線型網(wǎng)），其主要匯接點有DXC4/4和DXC4/1，有PDH的2Mb/s、34Mb/s和140Mb/s接口，也有SDH系列接口，具有靈活的調(diào)度電路能力。第三層一般為中繼線網(wǎng)（長途市局和市內(nèi)局間連接），可按區(qū)域組成若干環(huán)，由ADM組成各類自愈環(huán)，也可以以路由備用方式構(gòu)成兩結(jié)點環(huán)。第四層面為用戶接入網(wǎng)。它是SDH網(wǎng)中最龐大、最復(fù)雜的部分，從建設(shè)投資來看，它占50%以上。用戶光纖化正在實施，光纖到路邊FTTC，光纖到大樓FTTB，光纖到家庭FTTH為最終目標(biāo)，這些均要作長遠(yuǎn)考慮，應(yīng)搞一體化的SDH/CATV網(wǎng)，開通多媒體業(yè)務(wù)，直至提供圖像、電視和高清晰度電視等寬帶業(yè)務(wù)。 綜上所述，我國的SDH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有以下幾個特點： （1）具有四個相對獨立而又綜合一體的層面； （2）簡化了網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計； （3）適應(yīng)現(xiàn)行行政管理體制； （4）各個層面可獨立實現(xiàn)最佳化； （5）具有體制和規(guī)劃的統(tǒng)一性、完整性和先進(jìn)性。4.6.5SDH網(wǎng)絡(luò)傳輸性能傳輸系統(tǒng)的性能對整個電信傳輸網(wǎng)的通信質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。影響SDH傳輸網(wǎng)傳輸性能的主要傳輸損傷包括誤碼、抖動和漂移。 1.誤碼性能 誤碼是指經(jīng)接收、判決、再生后，數(shù)字碼流中的某些比特發(fā)生了差錯，使傳輸?shù)男畔①|(zhì)量產(chǎn)生損傷。 （1）誤碼的產(chǎn)生和分布誤碼可說是傳輸系統(tǒng)的一大害，輕則使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，重則導(dǎo)致傳輸中斷(以上)。 從網(wǎng)絡(luò)性能角度出發(fā)可將誤碼分成兩大類：①內(nèi)部機(jī)理產(chǎn)生的誤碼。系統(tǒng)的此種誤碼包括由各種噪聲源產(chǎn)生的誤碼；定位抖動產(chǎn)生的誤碼；復(fù)用器、交叉連接設(shè)備和交換機(jī)產(chǎn)生的誤碼；以及由光纖色散產(chǎn)生的碼間干擾引起的誤碼，此類誤碼會由系統(tǒng)長時間的誤碼性能反應(yīng)出來。②脈沖干擾產(chǎn)生的誤碼。由突發(fā)脈沖諸如電磁干擾、設(shè)備故障、電源瞬態(tài)干擾等原因產(chǎn)生的誤碼。此類誤碼具有突發(fā)性和大量性，往往系統(tǒng)在突然間出現(xiàn)大量誤碼，可通過系統(tǒng)的短期誤碼性能反映出來。（2）誤碼性能的度量傳統(tǒng)誤碼性能的度量（G.821)是度量64kbit/s的通道在27500km全程端到端連接的數(shù)字參考電路的誤碼性能，是以比特的錯誤情況為基礎(chǔ)的。（4）誤碼減少策略 ①內(nèi)部誤碼的減小：改善收信機(jī)的信噪比是降低系統(tǒng)內(nèi)部誤碼的主要途徑。另外，適當(dāng)選擇發(fā)送機(jī)的消光比，改善接收機(jī)的均衡特性，減少定位抖動都有助于改善內(nèi)部誤碼性能。在再生段的平均誤碼率低于數(shù)量級以下，可認(rèn)為處于“無誤碼”運行狀態(tài)。②外部干擾誤碼的減少：基本對策是加強(qiáng)所有設(shè)備的抗電磁干擾和靜電放電能力，例如，加強(qiáng)接地。此外在系統(tǒng)設(shè)計規(guī)劃時留有充足的冗度也是一種簡單可行的對策。

2.可用性參數(shù) （1）不可用時間 傳輸系統(tǒng)的任一個傳輸方向的數(shù)字信號連續(xù)10秒期間內(nèi)每秒的誤碼率均劣于，從這10秒的第一秒鐘起就認(rèn)為進(jìn)入了不可用時間。 （2）可用時間 當(dāng)數(shù)字信號連續(xù)10秒期間內(nèi)每秒的誤碼率均優(yōu)于，那么從這10秒鐘的第一秒起就認(rèn)為進(jìn)入了可用時間。 （3）可用性 可用時間占全部總時間的百分比稱之為可用性。為保證系統(tǒng)的正常使用，系統(tǒng)要滿足一定的可用性指標(biāo)。

3.抖動漂移性能 抖動和漂移與系統(tǒng)的定時特性有關(guān)。定時抖動（抖動）是指數(shù)字信號的特定時刻（例如最佳抽樣時刻）相對其理想時間位置的短時間偏離。所謂短時間偏離是指變化頻率高于10Hz的相位變化。而漂移指數(shù)字信號的特定時刻相對其理想時間位置的長時間的偏離，所謂長時間是指變化頻率低于10HZ的相位變化。 抖動和漂移會使收端出現(xiàn)信號溢出或取空，從而導(dǎo)致信號滑動損傷。 （1）抖動和漂移的產(chǎn)生機(jī)理有兩個SDH網(wǎng)特有的抖動源：①在將支路信號裝入VC時，加入了固定塞入比特和控制塞入比特，分接時需要移去這些比特，這將導(dǎo)致時鐘缺口，經(jīng)濾波后產(chǎn)生殘余抖動——脈沖塞入抖動；②指針調(diào)整抖動。此種抖動是由指針進(jìn)行正／負(fù)調(diào)整和去調(diào)整時產(chǎn)生的。 （2）抖動性能規(guī)范

SDH網(wǎng)中常見的度量抖動性能的參數(shù)有：①輸入抖動容限。輸入抖動容限分為PDH輸入口的（支路口）和STM-N輸入口（線路口）的兩種輸入抖動容限。對于PDH輸入口則是在使設(shè)備不產(chǎn)生誤碼的情況下，該輸入口所能承受的最大輸入抖動值。 ②輸出抖動與輸入抖動容限類似，也分為PDH支路口和STM-N線路口。定義為在設(shè)備輸入無抖動的情況下，由端口輸出的最大抖動。 ③映射和結(jié)合抖動 在PDH/SDH網(wǎng)絡(luò)邊界處由于指針調(diào)整和映射會產(chǎn)生SDH的特有抖動，為了規(guī)范這種抖動采用映射抖動和結(jié)合抖動來描述這種抖動情況。 ④抖動轉(zhuǎn)移函數(shù)—抖動轉(zhuǎn)移特性 抖動轉(zhuǎn)移函數(shù)定義為設(shè)備輸出的STM-N信號的抖動與設(shè)備輸入的STM-N信號的抖動的比值隨頻率的變化關(guān)系，此頻率指抖動的頻率。（3）抖動減少的策略①線路系統(tǒng)的抖動減少：線路系統(tǒng)抖動是SDH網(wǎng)的主要抖動源，設(shè)法減少線路系統(tǒng)產(chǎn)生的抖動是保證整個網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵之一②PDH支路口輸出抖動的減少：由于SDH采用的指針調(diào)整可能會引起很大的相位躍變（因為指針調(diào)整是以字節(jié)為單位的）和伴隨產(chǎn)生的抖動和漂移，因而在SDH/PDH網(wǎng)邊界處支路口采用解同步器來減少其抖動和漂移幅度，解同步器有緩存和相位平滑作用4.7實現(xiàn)高速大容量的光傳輸技術(shù)4.7.1復(fù)用技術(shù)分類從分割復(fù)用技術(shù)所分割的“域”的角度可將復(fù)用技術(shù)分為空間域的空分復(fù)用（SDM）、時間域的時分復(fù)用（TDM）、頻率域的頻分復(fù)用（FDM）和碼字域的碼分復(fù)用（CDM），如圖4-49所示。它們分別從不同域拓展了通信傳輸系統(tǒng)的容量，豐富了信號交換和控制的方式圖4-49不同域的分割復(fù)用技術(shù)在早期的模擬通信系統(tǒng)中曾經(jīng)利用頻分復(fù)用FDM構(gòu)成載波電話，發(fā)揮了很好的作用。在模擬載波通信系統(tǒng)中，為了充分利用電纜的帶寬資源，提高系統(tǒng)的傳輸容量，通常利用頻分復(fù)用的方法，即在同一根電纜中同時傳輸若干個信道的信號，接收端根據(jù)各載波頻率的不同，利用帶通濾波器濾出每一個信道的信號。目前光網(wǎng)絡(luò)的光復(fù)用技術(shù)主要有波分復(fù)用（WDM）、光時分復(fù)用（OTDM）和光碼分復(fù)用（OCDM）三種。波分復(fù)用以其簡單、實用等特點在現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮了巨大的作用。相應(yīng)地光空分復(fù)用（空分交換）、光時分復(fù)用和光碼分復(fù)用等復(fù)用技術(shù)分別從空間域、時間域和碼字域的角度拓展了光通信系統(tǒng)的容量，豐富了光信號交換和控制的方式，開拓了光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的新篇章。WDM將信道帶寬以頻率分割的方式分配給每一個用戶；OTDM將時間幀分割成小的時間片分配給每一個用戶，用戶在時間上順序發(fā)送信號并同時占有整個帶寬；OCDM系統(tǒng)中，用戶被預(yù)先分配一個特定的地址碼，各路信號在光域上進(jìn)行編解碼來實現(xiàn)信號的復(fù)用，每個用戶同時占有整個帶寬，在時間和頻率上重疊，利用地址碼在光域內(nèi)的正交性來實現(xiàn)彼此的區(qū)分。圖4-50WDM、OTDM、OCDM三種不同復(fù)用方式4.7.2波分復(fù)用WDM技術(shù)就是為了充分利用單模光纖低損耗區(qū)帶來的巨大帶寬資源，根據(jù)每一信道光波的頻率（或波長）不同將光纖的低損耗窗口劃分成若干個信道，把光波作為信號的載波，在發(fā)送端采用波分復(fù)用器（合波器）將不同規(guī)定波長的信號光載波合并起來送入一根光纖進(jìn)行傳輸。在接收端，再由一波分復(fù)用器（分波器）將這些不同波長承載不同信號的光載波分開的復(fù)用方式。圖4-51波分復(fù)用