第八章 光纤通信系统性能评估[hardrock]

光纤通信与传输技术基础沈建华南京邮电大学22007-6-11E-mail:[e-mail]第八章数字光纤通信系统性能8.1数字传输模型8.2误码特性8.3抖动特性8.4漂移特性8.5延时特性8.6光纤通信系统的可用性8.7光缆线路系统设计32007-6-11E-mail:[e-mail]概述为了满足全程全网各种通信的要求，需要对通信网在技术和经济相权衡的基础上进行规划和设计。规划和设计包含了许多相关的因素，其中首要的因素是系统的传输性能。光纤通信系统多属于数字系统，因此光纤通信系统的各种性能指标如误码、抖动、漂移、延时等也必须满足数字传输系统的要求。42007-6-11E-mail:[e-mail]8.1数字传输模型由于数字信号在传输过程中会受到各种损害，因此，在进行传输系统设计时，需要规定各部分设备性能，以保证把它们构成一个完整的传输系统时，能满足总的传输性能要求。为此，需要确定一个合适的传输模型，以便对数字网的主要传输损伤的来源进行研究，确定系统全程性能指标，并根据传输模型对这些指标进行合理分配，从而为系统传输设计提供依据。ITU-T提出了各种数字传输模型的建议。模型分为：假设参考连接(HRX)，假设参考数字链路(HRDL)和假设参考数字段(HRDS)。52007-6-11E-mail:[e-mail]8.1.1假设参考连接(HRX)一个通信连接是通信网中从用户至用户，包括参与交换和传输的各个部分(如用户线，终端设备，交换机，传输系统等)的传输全程。它是根据用户需要建立的各种机线设备的临时组合。这些实际的连接有长有短，结构上有简单、复杂，传输的业务可能也不相同，难以进行传输质量的核算。通常找出通信距离昀长、结构昀复杂、传输质量预计昀差的连接作为传输质量的核算对象。只要这种典型连接的传输质量能满足要求，那么通信距离较短，结构较简单的通信连接肯定能保证传输质量，因而引入了假设参考连接的概念。62007-6-11E-mail:[e-mail]图8-1标准数字假设参考连接T参考点LEPCSCTCISCISCISCISCISCTCSCPCLET参考点数字交换机数字链路27500km国内国外国内本地本地LE本地交换机PC一级中心SC二级中心TC三级中心ISC国际交换中心72007-6-11E-mail:[e-mail]图8-2标准数字假设参考连接（中等长度）T参考点LEPCISCISCISCPCLET参考点11000km国内国外国内本地本地82007-6-11E-mail:[e-mail]参考点LEISCISCISCLET参考点10000km国内国外国内本地本地图8-3标准数字假设参考连接(用户接近ISC)92007-6-11E-mail:[e-mail]8.1.2假设参考数字链路（HRDL）为了便于进行数字信号传输劣化的研究（如误码率、抖动、漂移、时延等），保证全程通信质量，必须规定由各种不同形式的传输组成部分（如传输系统，复、分接设备等）所构成的网络模型，即HRDL。HRDL是HRX的一个组成部分，2500km的长度被认为是一个合适的距离。通常HRDL的长度并非是唯一考虑的。ITU-T并没有提出具体的构成，由各国自行研究解决。102007-6-11E-mail:[e-mail]8.1.3假设参考数字段（HRDS）为适应传输系统性能规范，保证全线质量和管理维护方便引入了HRDS，如图8-4所示。HRDS是HRDL的一个组成部分。图中Xbit/s表示G.702建议中所规定的各种数字系统系列比特率之一。长度Y的选择是以在实际运行的网络中很可能遇到的数字段为代表的。例如ITU-T建议假设参考数字段的长度为280km(对于长途传输)和50km(对于市话中继)。我国根据具体情况提出假设参考数字段的长度为280km或420km(对于长途传输)和50km(对于市话中继)。数字网的性能指标往往被分配到数字段。我国有关数字光纤通信系统的一系列标准都是在这个模型的基础上制定的。112007-6-11E-mail:[e-mail]图8-4假设参考数字段终端设备终端设备Ykmxbit/sxbit/s122007-6-11E-mail:[e-mail]8.2误码特性：8.2.1误码和误码率的概念数字传输系统的误码性能通常用误码率衡量。所谓误码率是指在特定的一段时间内所接收到的数字码元误差数目与在同一时间内所收到的数字码元总数之比，可用下式表示：(8-1)误码率的数值通常可用n×10-P的形式表示，其中P为一整数。对于数字系统来说，实际上指的是比特误码率(BER)，它是指每个码元为1比特时的误码率，其表达式为：(8-2)传输码元的总数出现误差的码元数误码率＝()总比特数＝BER比特误码数比特误码率132007-6-11E-mail:[e-mail]考察误码率的重要意义误码率是衡量数字系统传输质量好坏的一个主要指标。对于不同的通信业务，误码的影响后果也不同。对于电话信息的影响是产生噪声。在PCM通信方式中，当误码率较小时，这种噪声表现为“喀呖”声，当误码率较大时，使可懂度显著降低。对图像的影响造成图像失真。对数据的影响表现为信息的丢失和错乱。因此，对误码发生的形态和原因、误码的评定方法以及误码全程指标的确定和在网络各组成部分的合理分配等问题的研究都是十分重要的，是提供光纤数字传输系统设计的重要依据。142007-6-11E-mail:[e-mail]8.2.2误码发生形态和原因绝大多数的误码发生形态可归为两类：一类是误码显示出随机发生形态，即误码往往是单个随机发生的，具有偶然性。另一类误码常常是突发的，成群发生的，这种误码在某个瞬间可能集中发生，而在其它大部分时间可能处于几乎没有误码的状态。误码发生的原因是多方面的。理想的光纤传输系统是十分稳定的传输通道，基本上不受外界电磁干扰的影响，造成误码的主要内部机理有下列几类：各种噪声源、色散引起的码间干扰、定位抖动产生的误码及复位器，交叉连接设备和交换机的误码。152007-6-11E-mail:[e-mail]1.长期平均比特误码率所谓平均误码率，是指测量期间内收到的错误比特数与同一时期传送的全部比特数之比。用长期平均比特误码率的方法来评定误码，即是在较长的时间内其平均比特误码率不超过某一定值来衡量。因此，仅适用于误码是单个随机发生的情况。对于突发的群误码的情况，就不能正确地进行评定。因为可能在某一限定时间内，由于突发群误码而导致误码率远远超过可以接收的水平，而在其它时间内误码率非常小，结果二者的长期平均误码率仍保持合格，这样高误码率发生时期对通信业务质量影响并未反映出来，或者说没有表示出误码随时间的分布特性，因此采用这种评定方法有很大的局限性。8.2.3误码特性的评定方法162007-6-11E-mail:[e-mail]为了能正确地反映误码的分布信息，ITU-TG.821建议采用时间率的概念来代替平均误码率的评定方法。所谓误码时间率是以比特误码率超过规定阈值(BERT)的百分数来表示的。这是在一个较长的时间TL内观察误码，记录每次平均取样观测时间T0内的误码个数或误码率超过某一定值m的时间百分数。2.误码的时间百分数172007-6-11E-mail:[e-mail]误码时间百分数示例只要T0和TL选择恰当，就可以用来评价各种数字信息在单位时间内误码的程度以及误码超过某一规定值的时间占总测量时间的百分数。因此，是比较适用和便于测量的评定方法。T0为取定的适合于评定各种业务的单位时间，TL为测量误码率总时间。182007-6-11E-mail:[e-mail]8.2.4误码性能的规范1.N×64Kbit/s数字连接的误码性能误码性能参数ITU-T建议G.821定义了2个参数来度量N×64Kbit/s(N≤31)通路27500km全程端到端连接的误码性能。†误码秒(ES)表示至少有一个误码的秒。†严重误码秒(SES)表示BER≥1×10－3的秒。192007-6-11E-mail:[e-mail]误码性能要求ITU-T建议G.821对于N×64Kbit/s(N≤31)全程27500km端到端连接误码性能要求如表所示。SES占可用时间的比例SES％0.2％SES严重误码秒ES占可用时间的比例ES％8％ES误码秒性能要求表示参数202007-6-11E-mail:[e-mail]图8-7N×64Kbit/s连接全程误码指标的分配LEISCISCLETT27500km1250km25000km1250km本地级15％中级15％高级40％中级15％本地级15％212007-6-11E-mail:[e-mail]2.高比特率数字通道的性能误码性能参数G.826性能参数是以“块”为基础的一组参数。所谓“块”指一系列与通道有关的连续比特，当同一块内的任意比特发生差错时，就称该块是差错块。ITU-T所规定的3个高比特通道误码性能参数如下：†误块秒比(ESR)†严重误块秒比(SESR)†背景误块比(BBER)222007-6-11E-mail:[e-mail]误码性能要求ITU-T建议G.826对高比特率通道全程27500km端到端通道误码性能要求见表8.2所示。表8-2高比特率通道端到端误码性能要求10－42×10－42×10－42×10－42×10－4BBER未定0.0020.0020.0020.002SESR未定0.160.0750.050.04ESR15000～300006000～200004000～200002000～8000800～5000比特/块160～350055～16015～555～151.5～5速率Mbit/s232007-6-11E-mail:[e-mail]误码指标的分配为了将27500km的指标分配给各组成部分，G.826建议采用了按区段分配的基础上再结合按距离分配的方法。这种分配方法技术上更加合理，且能照顾到大国及小国的利益。242007-6-11E-mail:[e-mail]图8-8高比特率通道全程误码指标分配PTPIGIGIGIGIGPTP27500km国内部分17.5％＋1％/500km1%+2%/每个转接国＋1％＋1％/500km国际部分国内部分17.5％＋1％/500km终结国中间国家（最多4个）终结国国家间部分（例如：海缆承载的通道）252007-6-11E-mail:[e-mail]8.3抖动特性抖动是数字信号传输过程中的一种瞬时不稳定现象。抖动的定义是：数字信号的各有效瞬间对其理想时间位置的短时偏移。在系统中有效瞬间可以是一个明显的可辨的数字信号上任何一个固定点。在数字传输中，随着传输速率的提高，脉冲的宽度和间隔越窄，抖动的影响就越显著。因为抖动使接收端脉冲移位，从而可能把有脉冲判为无脉冲，或反之，把无脉冲判为有脉冲，从而导致误码。抖动可以分为相位抖动和定时抖动。所谓相位抖动是指传输过程中所形成的周期性的相位变化。所谓定时抖动是指脉码传输系统中的同步误差。262007-6-11E-mail:[e-mail]8.3.1抖动的概念抖动的大小或幅度通常可用时间、相位度数或数字周期来表示。根据ITU-T建议，普遍采用数字周期来度量，即用“单位间隔”或称时隙(UI)来表示。1UI相当于1比特信息所占有的时间间隔，它在数值上等于传输比特率的倒数。272007-6-11E-mail:[e-mail]∆t1∆t2∆