第7章数字光纤通信系统

7.1数字光纤通信系统概述7.2PDH数字光纤传输系统7.3SDH光同步数字传输系统7.4光波分复用系统7.5全光通信系统第7章数字光纤通信系统7.1.1光纤通信基本概念数字光纤通信，是以光波运载数字信号,以光导纤维为传输媒介的一种通信方式。光纤通信的特点：①线径细，重量轻光纤直径小（0.1mm左右），制成光缆后与电缆相比细得多，因而重量轻；②损耗极低现在制造出的光纤介质纯度很高，损耗极低；7.1数字光纤通信系统概述③传输频带宽、信息容量大光波频率高，携带信号信息量大；④不受电磁干扰、防腐和不锈蚀光纤是非金属材料，不受电磁干扰，也不发生锈蚀，具有防腐能力；⑤不怕高温，防爆、防火性能强光纤是石英玻璃材料（熔点2000℃以上），不怕高温，有防火性能；⑥光纤通信保密性好光纤在传输光信号时泄漏小，不会产生串话等干扰，因而光纤通信保密性好。7.1.2数字光纤通信系统的组成数字光纤通信系统由发送设备、传输信道和接收设备三大部分构成，图7.1为光纤通信系统组成原理方框图。数字光纤通信系统，常采用数字编码信号经强度调制——直接检波的数字通信系统（强度调制是利用数字信号直接调制光源的光强度；直接检波是在光接收机的光频上检测数字脉冲信号）。图7.1光纤通信系统组成原理方框图电信号光发送机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变换发端有源器件把数字脉冲信号转换为光信号送光纤中传输；收端光检测器件将接收到的光信号转换为数字脉冲信号。传输距离较远时，采用光中继设备把信号经过中继再生处理后传输。图7.2为一个实用的数字光纤通信传输系统结构框图。发端：数字端机把用户各种数字信号通过复用设备组成一定的数字传输结构，光端机把数字端机送来的不同速率等级的数字信号处理成光脉冲；收端：光端机把光脉冲转换为数字信号；数字端机把不同速率等级的数字信号通过分路设备分解为用户的各种数字信号。图7.2数字光纤通信传输系统结构方框图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光端机：主要由光发送、光接收、信号处理及辅助电路组成。光发送完成电/光变换；光接收完成光/电变换；信号处理把数字端机送来的数字脉冲信号再处理，以及各种码型变换；辅助电路进行告警、监控及区间通信等。光中继机：将长距离光纤传输后的光脉冲信号（受到衰耗及色散畸变）转换为电信号，经放大整形、定时、再生还原为规则数字脉冲信号，然后经再调制光源变为光脉冲信号。7.1.3光纤和光缆1光纤光纤是导光的玻璃纤维的简称，比明线、电缆传送的信息量高成千上万倍（可达上百千兆比特/秒）。2光纤的导光原理光纤是利用光的全反射特性来导光的。我们知道光在分界面会产生折射，设两种介质的折射率分别为n0,n1，入射角、折射角分别为θ0和θ1，图7.3为光线从光疏媒质射向光密媒质时光的折射示意图，可见θ1＜θ0。图7.3光的折射示意图YXA′Y′光疏媒质光密媒质AB′B01X′图7.4为光线从光密媒质射向光疏媒质时光的折射示意图，可见折射角大于入射角，随着θ0增大折射角θ1可达90°(此时θ1称临界角）；θ1继续增大,折射角会大于临界角使光线全部返回光密媒质中，这种现象称为光的全反射。制造光纤时，使光纤芯的折射率高，外面涂上折射率低的包屏层，当选择一定的角度θ0时，射入纤芯的光束将会全部返回纤芯中。考虑到石英玻璃质地脆、易断裂的因素，通常在裸光纤外面进行两次涂覆构成光纤芯线，图7.5为光纤芯线结构示意图。光纤芯线由纤芯、包层、涂覆层和套塑四部分组成。图7.4临界角和光线的全反射光疏媒质光密媒质①②③①②③cn0图7.5光纤芯线的剖面构造2b2a包层一次涂覆(涂覆层)二次涂覆(套塑)纤芯3单模光纤及特性参数光纤的传播模式分为：多模光纤和单模光纤。1)多模光纤多模光纤是能承受多个模式的光纤，如图7.6(a)、(b)所示。多模光纤带宽窄、衰耗大、时延差大，用于早期的数字光纤通信系统(PDH系列)，逐步被单模光纤代替。2)单模光纤单模光纤是只能传送单一基模的光纤,如图7.6(c)所示。单模光纤不存在时延差，带宽比多模光纤宽得多,有利于高码率信息长距离传输。图7.6裸光纤结构示意图(a)阶跃型多模光纤;(b)梯度型多模光纤;(c)单模光纤包层包层(n2)芯(n1)DCBA2b2a折射率折射率包层包层CBA芯A包层芯折射率(a)(b)(c)3)单模光纤的主要特性单模光纤的主要参数：模场直径、衰减系数和工作波长或截止波长等。(1)模场直径单模光纤的基模场强在光纤横截面近似为高斯分布,如图7.7所示。通常将纤芯中场分布曲线最大值1/e处所对应的宽度定义为模场直径，用d表示。(2)截止波长λ工作波长大于截止波长时才能保证光纤在单模工作。dmE(r)图7.7基模场强分布曲线(3)衰减系数衰减系数指沿光纤传播方向光信号的损耗。衰减量的大小通常用衰减系数α来表示，单位是dB/km。OipPLalg10式中，Pi为光纤的输入光功率；Po为光纤的输出光功率;L为光纤的长度(单位为km)。4光缆光缆主要由缆芯、护套和加强元件组成。1)缆芯缆芯由光纤芯组成，分为单芯和多芯两种。表7.1为单芯型缆芯和多芯型缆芯结构示意图。单芯型由单根二次涂覆处理后的光纤组成；多芯型由多根经二次涂覆处理后的光纤组成，又分为带状结构和单位式结构。目前国内外对二次涂覆主要采用两种保护结构：紧套结构和松套结构，如图7.8所示。图7.8紧套和松套光纤结构示意图(a)紧套光纤结构示意图；(b)松套光纤结构示意图0.1250.40.9光纤一次涂覆二次被涂覆层缓冲层(a)光纤一次涂覆油膏松套管(b)单位：mm2)强度元件在光缆内中心或四周加一根或多根加强元件使其能够承受外力。3)护层保护光纤芯线免受外部机械力和环境损坏，护层分内护层和外护层。4)光缆的种类表7.2为公用通信网中的光缆结构。(1)层绞式光缆将若干根光纤芯线以强度元件为中心绞合在一起，如图7.9(a)所示。(2)单位式光缆将几根至十几根光纤芯线集合成一个单位，再由数个单位以强度元件为中心绞合成缆，如图7.9(b)所示。(3)骨架式光缆将单根或多根光纤放入骨架的螺旋槽内，骨架中心是强度元件，骨架上的沟槽可以是V型、U型或凹型，如图7.9(c)所示。(4)带状式光缆将4～12根光纤芯线排列成行构成带状光纤单元，再将多个带状单元按一定方式排列成缆，如图7.9(d)所示。图7.9光缆的基本结构(a)层绞式；(b)单位式；(c)骨架式；(d)带状光纤加强构件光纤单位加强构件加强构件塑料骨架光纤防热层综合护套光纤带加强构件(a)(b)(c)(d)7.2PDH数字光纤传输系统图7.2为PDH数字光纤通信传输系统方框图，系统终端设备由数字端机和光端机组成。近年来PDH系列设备只在公用电话网中用作市话网的中继传输系统，我国PDH系列的数字结构，主要用于数字网络接口标准（2Mb／s速率的接口）。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7.2数字光纤通信传输系统结构方框图1PDH系统电接口主要参数CCITTG.703协议规定了以2.048Mb/s为基础的PDH系列接口特性、速率、码型，如表7.3所示；G.921协议规定了标称比特容差，如表7.4所示。2PDH系统光接口主要参数系统发光功率如表7.5所示，光接收灵敏度如表7.6所示（BER=1×10-10）。7.3SDH光同步数字传输系统7.3.1概念及特点1SDH系统的基本概念SDH系列实质是在光纤上同步传输信息的一些网络单元(NE)，有国际统一的网络节点接口(NNI)，有一套标准化的信息结构等级（“同步传输模块”STM-N，N为1,4,16,64,…)。图7.10为NNI位置示意图，表7.7为SDH同步传输模块等级。图7.10NNI的位置示意图SMSMSMSMSMSMLineradioDXCEALineradioTRTRTRNNINNINNITRTRTRTR：支路信号Line：线路系统DXC：数字交叉连接设备SM：同步复用器radio：无线系统EA：外部接入设备2SDH系统的特点优点:有标准光接口;同步字节复用(复接);强大的网络管理功能。缺点:频带利用率低于PDH系统；技术设备复杂；系统易发生重大故障甚至瘫痪。7.3.2SDH的开销功能1开销的概念开销指在帧结构中安排的一些特殊比特，是网络节点接口数据流中信息净负荷以外的部分。2开销分类1)段开销SOH监视、管理和维护段层性能，分为再生段开销(RSOH)和复用段开销(MSOH)。RSOH可在再生器接入，也可以在终端设备接入；MSOH透明通过再生器终结在终端设备。图7.11为STM-1SOH字节安排示意图。9×270×N字节SOHAU-PTRSOH1234567893行1行5行STM-N净负荷(含POH)传输方向9×N261×N270×N列SDH帧结构图7.11STM-1SOH字节安排A1A1A1A2A2A2C1B1··E1·F1D1··D2·D1B2B2B2K1K2D4E1D6D7D8D9D10D11D12Z1Z1Z1Z2Z2Z2E29行9字节AUPTRRSOHMSOH**国内使用字节*不扰码国内使用字节2)通道开销Vc-POH用于复用（复接）Vc进入STM，安排在净负荷中。通道开销分为低阶Vc-POH和高阶Vc-POH。低阶Vc-POH监视、维护低阶Vc通道性能，指示告警状态；高阶Vc-POH监视、维护高阶Vc通道性能，指示告警状态、复用结构等。3段开销安排以STM-1SOH为例。1)帧定位字节:A1和A2A1、A2用来识别帧的起始位置，A1为11110110，A2为00101000。STM-1帧有3个A1和3个A2帧定位字节；STM-N帧定位有3×N个A1和3×N个A2。2)STM识别字符:C1Ｃ1识别每个STM-1信号在STM-N复用结构中的位置。3)数据通信字节(DCC):D1～D12DCC构成SDH管理网的传送通路，STM-1中D1、D2、D3共192kb/s的通路作再生段的DCC；字节D4～D12共576kb/s的通路字节作为复用段的DCC。4)公务联络字节:E1、E2话音通信的公务联络通路，E1为再生段开销的一部分，E2是复用段开销的一部分。5)使用者通路字节:F1留给网络使用者，为特殊维护目的提供临时数据/音频通路连接。6)BIP-8字节:B1监测再生段的误码，为使用偶校验的比特间插奇偶校验8位码(BIP-8)。7)BIP-N×24字节:B2监测复用段误码，STM-1有三个字节。8)自动保护倒换(APS)通路字节：K1,K2(b1～b5)9)同步状态字节:Z1(b5~b8)用作同步状态消息。10)空闲字节:Z1(b1～b4)和Z211)复用段远端失效指示字节:K2(b6~b8)7.3.3SDH系列的复用1复用结构SDH复接由一些基本单元经过若干步复接，并且采用净负荷指针技术。ITU-TG.709协议规定了SDH的复用结构，图7.12为G.709复用结构示意图。各种低速率等级的数字信号分别进入相应的接口容器完成适配功能，ITU-TG.709规定了5种标准接口容器C-11、C-12、C-2、C-3、C-4的标准比特速率,我国制定了3种标准：C-12(PDH2.048Mb/s)、C-3(34.368Mb/s)和C-4(139.264Mb/s)，图7.13为我国的SDH基本复用结构示意图。图7.12G-709复用结构STM-NAUGVc-4Vc-3AU-4AU-3TUG-3TUG-2TU-3TU-2TU-12TU-11Vc-3Vc-2Vc-12Vc-11C-11C-12C-2C-3C-4×N×1×3×3×1×7×7×1×4×3139264kb/s44736kb/s34368kb/s6312kb/s2048kb/s1544kb/s指针处理复用定位校准映射图7.13我国的SDH基本复用结构139264kb/sAU-4STM-