《现代通信技术基础》第7章-光通信网

现代通信技术基础IntroductiontoModernCommunicationTechnology第二版第7章光通信网本章学习目标理解光传输原理了解光传输系统组成及其性能了解传输网概念及体系结构了解SDH设备与SDH光传送网技术了解光波分复用技术（WDM）了解光通信网的应用现状内容简介7.1光传输概述7.2光传输系统7.3SDH光传送网技术7.4光波分复用技术7.5光通信网络放映结束内容简介7.1光传输概述7.1.1光传输的基本概念7.1.2光传输的特点7.1.3光传输系统及其技术发展返回主目录内容简介7.2光传输系统7.2.1光传输原理7.2.2光传输系统的组成7.2.3光传输系统的主要性能指标返回主目录内容简介7.3SDH光传送网技术7.3.1传送网的基本概念7.3.2同步数字系列SDH7.3.3SDH传输设备7.3.4SDH光传输网返回主目录内容简介7.4光波分复用技术7.4.1WDM技术概述7.4.2DWDM技术7.4.3WDM/OTDM混合传输系统返回主目录内容简介7.5光通信网络7.5.1基础传输网7.5.2光通信网的发展返回主目录7.1光传输概述光波属于电磁波范畴，其中，紫外线、可见光、红外线都属于光波。光传输是以光波为载波，以光导纤维为传输媒介的信息传输过程或方式。返回7.1.1光传输的基本概念光传输与电传输的主要区别：以高频率光波作为载波传输信号。用光缆作为传输媒介。光传输的基本概念1.光纤及其分类光纤基本结构：由纤芯和包层构成的同心圆柱体。光纤是一种媒介波导，具有把光封闭在其中并沿轴向传播的波导结构，纤芯和包层的折射率不同。如图7-1所示。光传输的基本概念（1）按传导模式数量而分类单模光纤多模光纤（2）按折射率分布不同而分类阶跃光纤渐变光纤（3）按套塑层的不同而分类紧套光纤松套光纤光传输的基本概念2.光纤的传输特性（1）损耗光波在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率会不断下降，光纤对光波产生的衰减作用称为损耗。用衰减系数（损耗系数）衡量，主要有吸收损耗和散射损耗等。光传输的基本概念（2）色散光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带，传输速度也不同，可能导致信号畸变。色散将使光脉冲产生时间上的展宽，严重时会导致光脉冲前后相互重叠，造成码间干扰，增加误码率，影响传输容量，并限制了光传输系统的中继距离。常以色散系数、最大时延差和光纤带宽等不同方法表征。如图7-2所示。光传输的基本概念（3）非线性效应在高强度电磁场中，任何电媒介对光的响应都会变成非线性；而在光传输中，激光器输出的高功率将导致光纤的非线性效应。光传输的基本概念3.光传输的波长光传输系统工作在近红外区，波长为0.8~1.71μm，相应的频率段为176~375THz。短波长波段：0.8~1.0μm，实用工作波长为0.85μm。长波长波段：1.0~1.8μm，实用工作波长为1.31和1.55μm光传输的基本概念4.光传输中的线路码型mBnB码（又称分组码）：使变换后的码流产生多余比特，用来传送与误码检测相关的信息。插入比特码：把输入的信息码流按m比特分为一组，再在每组的m位之后插入一个比特，组成线路码。加扰码：把已知二进制序列按一定方法加入到信息码流中。在接收端用同样方法再恢复出原信息码流。返回7.1.2光传输的特点光传输是是利用半导体激光器（LD）或发光二极管（LED）作为光源，把电信号转换成光信号并将其耦合进光纤中进行传输；在接收端使用光检测器，如光电二极管或雪崩光电二极管等，将光信号再还原成电信号的一种通信方式。光传输的基本概念1.光传输的优势传输频带宽、通信容量大损耗低，中继距离长电磁兼容性和环境兼容性优良体积小、质量轻、可挠性好资源丰富，节约有色金属光传输的基本概念2、数字光传输系统的技术特点易与程控交换机相连接。采用了专用超大规模集成电路、混合集成电路以及表面安装技术，使设备的可靠性大大提高。采用PCM技术，便于利用终端设备上的计算机，实现全系统的检测与监控。扩容方便，波分复用技术使得光传输（在不增加光纤芯数时）的容量大幅度提高。光传输的基本概念3.光纤连接问题及技术发展光纤的缺点：光纤质地脆、抗拉强度低、防水性能差，要求有较好的切断和连接技术，分路与耦合较费时等。工艺改进：光纤自动熔接机等。返回7.1.3光传输系统及其技术发展1.光传输系统的分类（1）按光波长划分（2）按光纤传输模式划分（3）按传输信号形式划分（4）按系统工作方式划分光传输系统及其技术发展2.光传输技术的发展第1阶段：短波长低速率多模光传输；第2阶段：光纤从多模发展到单模；第3阶段：长波长单模光传输；第4阶段：采用1.55μm低损耗窗口，建设SDH同步网络；第5阶段：采用密集波分复用技术，基于IP的光信息网络。返回7.2光传输系统光传输系统包括：信源端的光发送机（光调制设备）、信宿端的光接收机（光解调设备）和进行连接的光纤媒介。若进行远距离传输，在线路中间还需插入中继器。数字光传输系统一般由PCM终端设备、数字复用设备、光端机（双向）、光纤和光中继设备（双向）以及电端机、备用系统和辅助系统等组成。返回7.2.1光传输原理1.光传输过程光传输过程如图7-3所示。光传输系统可归结为“电−光−电”的简单模型。所传输的信号必须先变成电信号，然后转换成光信号在光纤内传输，再将光信号变成电信号。整个过程中，光纤部分只起到传输作用，对于信号的生成和处理，仍由电系统来完成。光传输原理2.光调制（1）直接调制方法目前，光传输系统普遍采用的是“数字编码−强度调制−直接检测”（IM／DD）方法。强度调制是用电信号去直接调制光的强度，使之随电信号变化；而直接检测是指直接由接收的光信号检测出电信号。直接调制方法仅适用于半导体光源（半导体激光器LD和发光二极管LED）。光传输原理（2）间接调制方法间接调制方法利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质，来实现对激光辐射的调制。该调制方式适用于半导体激光器和其他类型的激光器。返回7.2.2光传输系统的组成1.数字光传输系统的基本组成数字光传输系统的基本组成如图7-4所示。2.光端机和电端机光传输系统是双向的，常将光发送机和光接收机合成在一起，称为光端机。图7-5示出了光端机和电端机在系统中的作用。光传输系统的组成光发送机：将PCM设备所送电信号进行电／光变换，并处理成为满足一定要求的光信号后送光纤传输。光接收机：把经光纤传输后脉冲幅度被衰减、宽度被展宽的微弱光信号转变为电信号，并放大、再生，恢复出原来的信号。光传输系统的组成电端机：是电发射端机和电接收端机的合称，包括PCM基群终端机和高次群复接（或分接）设备。电发射端机是把模拟信号转换为数字信号，完成PCM编码，并按时分复用的方式把多路信号复接、合群，从而输出高比特率的数字信号；电接收端机则完成与发射端机的相反变换。光传输系统的组成3.光中继器光中继器：补偿光能量的损耗，恢复信号脉冲形状，延长光信号传输距离。光−电−光中继器由完成光／电变换的光接收端机（无码型变换）及完成电／光变换的发送端机（无功放与码型变换）组成。光传输系统的组成4.掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器（EDFA）：具有高增益、低噪声、对偏振不敏感、放大带宽较宽、易于与光传输系统连接等优点。EDFA可直接接入光纤传输链路，作为在线放大器（或作为光中继器）取代光−电−光中继器，实现光−光放大。5.辅助系统和备用系统返回7.2.3光传输系统的主要性能指标1.误码特性数字光传输系统的误码率（BER）定义：BER＝误判码元数／传输的总码元数光传输系统的主要性能指标2.抖动特性抖动是数字信号传输过程中的瞬时不稳定现象。包括相位抖动和定时抖动两个方面。产生抖动的主要原因：随机噪声、时钟恢复电路的谐振频率偏移、接收机的码间干扰及数字复接系统的复接分接过程、光缆的老化等。多中继长途通信方式中的抖动具有累计性。光传输系统的主要性能指标3.可靠性与可用性可靠性：指系统（或产品）在规定的条件下和时间内，完成规定功能的能力，常用故障率来表征。可用性：指系统（或产品）在规定的条件下和时间内处于良好工作状态的概率。返回7.3SDH光传送网技术同步数字体系（SDH）是可进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的标准化数字信号结构等级。具有高度灵活性、可靠性和可管理性，为窄带和宽带业务传输和新业务开通提供良好的基础平台，在干线网、中继网、接入网及各类专用网等通信基础设施中发挥了重要作用。返回7.3.1传送网的基本概念1.传送与传输传送与传输的概念有所不同，传送是从信息传递的功能过程来描述，传送网是其网络逻辑功能的集合；而传输则从信息信号通过具体物理媒介传递的物理过程来描述，传输网具体是指实际设备组成的网络。传输网（传送网）也可泛指全体实体网和逻辑网。传送网的基本概念2.传送网的分层结构传送网一般采用分层结构，自下而上可分成3个子层：（1）传输媒介层传输媒介层包含传递信息的所有物理手段，即传输设备以及连接设备的媒体。传送网的基本概念（2）通道层通道可看作是标准化的一组电路。通道层作为一个整体在网络中传输和选路，并能实现监测和恢复功能。（3）电路层电路层包括传输媒介层和通道层提供的各种业务传输。传送网的基本概念3.传送网的传输技术体制通信体制即通信系统中所采用的信号形式、信号传输方式和信息交换方式。传送网的主要传输媒介是光纤、数字微波和卫星。传送网的技术体制主要有采用时分复用方式的准同步数字系列（PDH）和同步数字系列（SDH）。传送网的基本概念（1）准同步数字系列（PDH）PDH的主要缺点如下：PDH只有地区性的数字信号速率和帧结构标准，造成了全球互通的困难；PDH没有光接口规范的国际标准，导致各厂商生产的专用光接口无法在光路上互通，而只有通过光／电转换成标准电接口才能互通，从而增加了网络的复杂性和运营成本；传送网的基本概念在PDH系统的复用结构中，多数速率等级信号采用异步复用，而难以从高速信号中识别和提取低速支路信号，且结构复杂缺乏灵活性；PDH的帧结构中缺乏用于网络运行管理和维护的辅助比特，限制了网络管理维护能力的进一步改进；建立在点对点传输基础上的复用结构缺乏灵活性，无法提供最佳的路由选择，非最短的通信路由占了业务流量的大部分，使数字信道设备的利用率很低，难以支持新业务。传送网的基本概念（2）同步数字系列（SDH）SDH是在PDH基础上发展起来的一种数字传输体制。在SDH方式中，各个系统的时钟在同步网的控制下处于同步状态，易于复用和分离。SDH最为核心的三大特点是同步复用、强大的网络管理能力和统一的光接口及复用标准，并由此带来了许多优良的性能返回7.3.2同步数字系列1.SDH的技术特征网络节点互连接口包含了传输网络的两类基本设备，即传输设备和网络节点（设备）。传输设备包括光传输、微波通信和卫星通信等系统。网络节点包含有许多种类，如：64kbit/s电路节点、宽带交换节点等。同步数字系列2.SDH的同步传输模块与帧结构SDH技术的基础是其帧结构（如图7-6所示）。SDH采用一套标准化的信息结构等级，称为同步传输模块STM−N（N＝1，4，16，64…）。STM−1：最基本的模块，其传输速率为155.520Mbit/s；STM−4：将4个STM−l同步复用可构成；STM−16：将16个STM−1（或4个STM−4）同步复用；STM−64：将64个STM−1（或4个STM−16）同步复用；同步数字系列3.SDH的复用技术为得到标准的STM−N信号，需将各种业务信号装入STM−N帧结构的信息净负荷区内。为此，通常需要经过映射、复用和定位这三个基本步骤。映射定位复用同步数字系列4.SDH的应用特点采用同步复用方式和灵活的复用映射结构能够与现有的PDH网实现完全兼容具有全球统一的网络节点接口帧结构中安排了