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第5章光通信传输系统在通信传输的整个系统和传输过程中，光传输系统是最基本、最重要的组成部分，也是新技术发展十分迅速的一个系统；在未来的技术发展中，无论是通信“接入网”系统，还是“城域网”或长途“广域网”，光通信系统都将扮演主要的角色。本章是对光通信传输系统的基本组成原理与基本技术的论述。5-1光通信系统概述5-2光传输设备系统5-3光纤波分复用系统5-4光通信系统的综合业务传输与智能化5-5新一代光传送网（OTN）系统5-1光通信系统概述•5-1-1•现代通信方式，是将各类信息转换为数字信号，传输的主要设备是“数字光纤通信系统”。数字光纤通信系统与一般通信传输系统一样,它由发送设备、传输信道和接收设备三大部分构成。•现在普遍采用的数字光纤通信系统,是采用数字编码信号，经“强度调制—直接检波”形成的数字通信系统。这里的“强度”是指光强度,即单位面积上的光功率。“强度调制”是利用数字信号直接调制光源的光强度,使之与信号电流成线性变化。“直接检波”,是指在光接收机的光频上“直接”检测出数字光脉冲信号，并转换成数字电信号的过程。光纤通信系统组成原理方框图如图5.1所示。电信号光发送机E/O变换光源光中继机光缆O/E变换O/E变换光接收机电信号光检测器光纤连结器E/O变换图5.1光纤通信系统组成原理方框图•在发送设备中,“光电转换器件”把数字脉冲电信号转换为光信号(E/O变换),送到光纤中进行传输。在接收端,设有“光信号检测器件”,将接收到的光信号转换为数字脉冲信号(O/E变换)。在其传输的路途中,当距离较远时,采用光中继设备,把通信信号经过再生处理后传输。实用系统是双方向的,其结构图如下图5.2所示。PCM电端机发送接收发送接收接收发送接收发送PCM电端机模拟信号数字信号光端机光信号光端机数字信号模拟信号监控台光中继机光信号图5.2数字光纤通信传输系统结构方框图5-1-2数字光纤通信系统图5.2所示的是基本的“数字信号光纤传输系统结构”,分为以下四大部分：（1）模拟/数字信号转换部分（数字端机）；（2）电/光信号转换部分（光端机）；（3）传输光缆；（4）光信号再生中继器。•数字端机的主要作用是把用户各种信号转换成数字信号,并通过复用设备组成一定的数字传输结构(通常是2M的PCM帧结构)的编码信号（通常是“HDB3码”等）,然后将该数字信号流送至光端机。•光端机把数字端机送来的数字信号再次进行编码转换处理,主要以普通的二进制编码（NRZ或RZ编码）的形式，转换成光脉冲数字信号，送入光纤进行远距离传输；到了接收端则进行相反的变换。（1）系统传输原理•光端机主要由光发送系统、光接收系统、信号处理及辅助电路组成。•在光发送部分，“光电转换器件”是光发送电路的核心器件，目前主要使用的有“发光二极管(LED)”和“激光二极管(LD)”两种。负责把数字脉冲电信号转换为光信号(E/O变换)。•在光接收部分，核心的光检测器件主要有“光电二极管（PIN）”和“雪崩二极管（APD）”，将接收到的光信号转换为数字脉冲电信号，也就是将光信号重新转化为电信号（O/E变换)。•信号处理系统，则主要是把数字端机送来的HDB3码等数字脉冲信号,转换为NRZ或RZ编码的普通二进制数字信号，使之适应光传输的信号转换的需要。•辅助电路主要包括告警、公务、监控及区间通信等等。（2）光端机传输原理（3）光再生中继器•光再生中继器的作用,是将光纤长距离传输后,受到衰耗及色散畸变的光脉冲信号,恢复成标准的数字光信号，进行再次传输，以达到延长传输距离的目的。•目前，数字光信号的再生中继方式主要有两种，较常用的是“电中继”方式：它将微弱变形的光信号先转变为电信号，经放大整形后，变成标准的数字电信号，再调制成光信号，继续沿光纤传输。•另一种发展技术十分迅速的方法是“光信号放大+再生中继”的方式：首先使用光放大器，直接将接收到的微弱光信号放大并整形，然后再将其转换为电信号，进行第2次信号转换与放大整形的方法。这种类型的光放大器目前有两种，最成熟的是掺铒光纤放大器(EDFA)，其次，拉曼光纤放大器也是一种很有前途的光放大器。•5-1-3数字信息流在光纤通信系统中的3层通道原理•在现代光通信系统中，由于光通信系统本身的特殊性，将各类通信信号分为3个层次的信道包装进行组合与传送。由低往高依次是：“光纤再生中继层”、“光纤复用段层”和“数字信道层”三层。如下图4.19所示。支路信号SDHTM再生段REG再生段SDHDXC或ADM复用段支路信号SDHTM再生段REG再生段复用段通道图4.19通道、复用段、再生段示意图由上面的叙述可知，不同的开销字节负责管理不同层次的资源对象，下图4.19描述了SDH中再生段、复用段、通道的含义。•1.两点间“数字信道层”的形成•各种需要传送的原始信息，在发信端由SDH格式或OTN格式（见本章第5节）进行第一层的“虚信道”复用映射包装：加入包头和包尾“通道开销POH”信息，以指明目的地址、信号类别、信道纠检错码的方式等综合信息，直接形成SDH传输格式（如155Mb/s或622Mb/s）或OTN格式（本章第5节讲述）。这个过程始于发信端，而终于收信端，在传输过程中不会变更，就好象两端形成了一条SDH制式155Mb/s或622Mb/s传输信道通路一般，保证了该系列信息在两点之间始终以此格式有效传输。•例如，浙江丽水到东北沈阳之间建立一条SDH制式155Mb/s传输信道，在传输过程中，信息内容不会变更，犹如在两点之间架设了一条“虚”通道一般。系统图如下图5.3（1）所示。包头1原始信号包尾1包头1原始信号包尾1两点之间形成“虚”通道层（1）数字信息流在光纤通信系统中形成“虚”通道层图5.3数字信息流在光纤通信系统中形成3层通道原理示意图•2.两点间多段“光纤复用段层”组合的形成•在光纤系统的实际传输过程中，不是一个系统传输到底的，而是由相邻的“光纤复用段”一段段组合而成的。每一个复用段，根据实际需要传送的通信信号流量的不同，进行“复用映射包装”，组成不同制式和速率的光纤复用段，然后加入包头和包尾的“复用段开销字节MSOH”等综合监控信息，保障每一段传输过程中的通信质量。•例如，“浙江丽水”到“东北沈阳”之间的SDH制式155Mb/s传输信道，是由以下3个“光纤复用段”组合而成的：•第1复用段：浙江丽水至浙江金华（4×155Mb/s=622Mb/s）由省内二级干线光缆形成；•第2复用段：浙江金华至浙江杭州（16×155Mb/s=2500Mb/s）由省内一级干线光缆形成；•第3复用段：浙江杭州至东北沈阳（64×155Mb/s=10Gb/s）由国家一级干线光缆形成；•系统转换过程，如下图所示：包头2包头1原始信号包尾1包尾2光纤光缆复用段组合1包头2包头1原始信号包尾1包尾2包头1原始信号包尾1包头1原始信号包尾1丽水金华杭州沈阳光纤光缆复用段组合2光纤光缆复用段组合3形成复用段层信息还原复用段层信息图5.3（2）数字信息流形成复用段层及解复用段层原理示意图复用段连接丽水沈阳3.两点间多段“光纤再生中继段层”组合的形成•由于光纤系统本身的传输局限性，省内光缆干线一般每80~100km就要设置“光纤信号再生中继站”，对传输的光纤信号进行放大、均衡等再生处理。国家干线的再生中继段距离可长一些（500~1000km），所以，每一个“光纤复用段”通常都是由若干个“光纤信号再生中继段”组合而成。这就要进行第3层的数字信号“复用映射包装”：•在每一个“光纤再生中继段”信号的头部和尾部加入“再生中继段开销字节RSOH”等综合监控信息，形成第3级信道包装；以监控保障每一个“光纤再生中继段”传输过程中的通信质量（传输速率和误码率的正常）。•如上述第1复用段：浙江丽水至浙江金华市之间，光纤传输距离约248km，故分别设置3个“光纤再生中继段”，形成3段组合,如下页图所示。•例如，“浙江丽水”到“浙江金华”之间的248Km光纤再生中继段传输信道，是由以下3个“光纤再生中继段”组合而成的：•第1中继段：丽水至缙云：由省内二级干线光缆形成78Km单模光缆再生中继段；•第2中继段：缙云至永康：由省内二级干线光缆形成86Km单模光缆再生中继段；•第3中继段：永康至金华：由省内二级干线光缆形成•84Km单模光缆再生中继段；•系统转换过程，如下图所示：包头3包头2包装信号包尾2包尾3光纤光缆再生中继段1包头3包头2包装信号包尾2包尾3包头2包装信号包尾2包头2包装信号包尾2丽水缙云永康金华光纤光缆再生中继段2光纤光缆再生中继段3形成复用段层信息还原复用段层信息图5.3（3）数字信息流形成再生中继段层原理示意图再生段连接丽水金华§5-2光传输设备系统•光传输设备传送的是数字信号，主要是以“同步时分复用多路传输系统（SDH）”为技术载体的话音业务信号和以“高速IP/TCP及以太网数据信息包”为特征的宽带互联网通信数字信号；其中，SDH光传输系统主要采用终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）和数字交叉连接设备（DXC）等构建光传输网络，而高速互联网数据信息流则常采用“光纤收发器”作为点到点的常用光传输设备，下面分别予以介绍，本节还将介绍光传输的网络组成结构原理和光纤线路中继段长度的计算方法，如下所示。•5-2-1基本传输网络单元•5-2-2光传输设备的系统结构与自愈保护环网•5-2-3SDH光传输线路中继段长度计算•5-2-1基本传输网络单元•1．终端复用器TM•主要为使用传统接口的用户(如T1/E1、FDDI、Ethernet)提供到SDH网络的接入，它以类似时分复用器的方式工作，将多个PDH低阶支路信号复用成一个STM-1或STM-4，TM也能完成从电信号STM-N到光载波OC-N的转换。•2．分插复用器ADM•可以提供与TM一样的功能，但ADM的结构设计主要是为了方便组建环网，提高光网络的生存性。它负责在STM-N中插入或提取低阶支路信号，利用内部“时隙交换”功能实现两个STM-N之间不同虚容器信道之间（VC）的连接。另外一个ADM环中的所有ADM可以被当成一个整体来进行管理，以执行动态分配带宽，提供信道操作与保护、光集成与环路保护等功能，从而减小由于光缆断裂或设备故障造成的影响，它是目前SDH网中应用最广泛的网络单元。•3．数字交叉连接设备DXC•习惯上将SDH网中的DXC设备称为SDXC，以区别于全光网络中的ODXC，在美国则叫做DCS。一个SDXC具有多个STM-N信号端口，通过内部软件控制的电子交叉开关网络，可以提供任意两端口速率(包括子速率)之间的交叉连接，另外SDXC也执行检测维护，网络故障恢复等功能。多个DXC的互连可以方便地构建光纤环网，形成多环连接的网孔网骨干结构。与电话交换设备不同的是，SDXC的交换功能(以VC为单位)主要为SDH网络的管理提供灵活性，而不是面向单个用户的业务需求。交叉连接矩阵…1:m解复用n个输入…1:m解复用…m:1复用n个输出…m:1复用……图5.4数字交叉连接设备DXC系统结构示意图•SDXC设备的类型用SDXCp/q的形式表示：“p”代表端口速率的阶数，“q”代表端口可进行交叉连接的支路信号速率的阶数。例如SDXC4/4,代表端口速率的阶数为155.52Mb/s，并且只能作为一个整体来交换；SDXC4/1代表端口速率的阶数为155.52Mb/s，可交换的支路信号的最小单元为2Mb/s。P/q数字的含义如下表5.1所示：表5.1SDXC端口速率与制式对应表P/q数012344567制式64Kb/sPDHSDH速率Mb/s2834144155622250010000最常用的制式：①DXC1/0：表示64Kb/s输入，2Mb/s输出；②DXC4/1：表示2Mb/s输入，155Mb/s输出；③DXC4/4：表示140Mb/s或155Mb/s输入，155Mb/s速率输出。•4.以太网光纤收发器•这是一种不经过SDH制式调制的，使用非常广泛的新型“光传输设备”，工作原理与种类如下所述：•(1)原理：直接将电信号转换为光信号（或相反的转换），即E/O（或O/E