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1、第11章 终端机和系统,11.1 电端机简述 11.2 光端机的作用和组成11.3 光中继器的作用和组成11.4 光放大器11.5 光波复用技术 11.6 线路码型11.7 光纤通信系统中的辅助系统,11.1 电 端 机 简 述,11.1.1 准同步数字系列 准同步数字系列(PDH,Plesiochronous Digital Hierachy)在将用户来的话路复接为一次群(例如30路)时，各话路是在同一个时钟系统的控制下进行复接的。因此，所采用的是同步复接方式。但是，PDH在复接为高次群(二、三、四等)时，则是采取异步复接方式的。,异步复接又称为准同步复接。由于参与复接的各支路码流可能来自不
2、同的设备，而这些设备又各有各的主时钟。例如，在欧洲、中国采用的PCM系统中，一次群的标准码速率尽管都是2.048 Mb/s，但是，来自不同设备的主时钟有一定的容差，容差范围是100 b/s(所谓容差范围，是指各支路主时钟之间允许偏离标称值的范围)。于是在复接前要进行码速调整，把参与复接的各支路码流调整为同步码流，然后实施复接。相对于下面将讨论的同步数字体系(SDH)，以及上面所说的原因，故将这种数字系列称为准同步数字体系(PDH)。,目前，在光纤通信网中广泛采用的准同步数字体系，在灵活组网过程中也存在着许多问题：(1)由于历史的原因，目前世界上的准同步数字体系，有两种不同的基础码速率。其中，美
3、国和日本采用的基础码速率为1.54 Mb/s；我国和欧洲则采用的基础码速率为2.048 Mb/s。由它们构成的各高次群码速率关系如表11.1所示。,表11.1 不同地区PDH码速率等级标准,(2)在各种准同步数字体系间，光接口不统一。所谓光接口，是指线路码型、工作波长范围、发送平均光功率范围、光源谱线宽度、最小消光比、最小接收灵敏度等。由于这些接口不统一，故使不同厂家生产的设备在线路上不能互通，必须换为标准接口后才能互通，从而增加了设备的成本，而且不灵活。(3)如前所述，准同步数字体系的复接方式基本上是异步复接。如果用形象的话来说，就是低速支路的信号被深深地埋在高速支路中。如果需要将低速支路信
4、号从高速支路中取出，则必须将高次群信号一步一步地解复用为低次群信号(例如，将五次群解复用为四次群，三次群)，最后将低速支路信号取出，然后再由低向高一步步复用上去，如图11.1所示。,图 11.1 PDH的复用和解复用方式,(4)在准同步数字体系的帧结构中，没有足够的管理比特，不适应网络管理、运行和维护的需要。(5)准同步数字体系无法提供最佳的路由选择。,11.1.2 同步数字系列SDH 现在使用以1544 kb/s、2048 kb/s为基础的两个数字复接系列，由于在码率和帧结构方面的差异，不但两者不能兼容，难以互通，也难以在高速数字流中直接分支或插入各级低速数字信号，而只能在到达标准数字接口点
5、完成相应的数字分接过程后才能进行。这就不能适应现代通信网中在网络节点处经常发生的业务流量和流向变化的需要；还有一点就是，现行的数字复接帧结构是行式的，可用于网络管理、业务通信、监控等方面的空余比特太少，每帧中只有24个比特。这就难以适应现代通信网在网络管理、维护测试自动化的需要。,图 11.2 STM-1帧结构,图 11.3 接口复接结构(G.709),同步数字系列CCITT已经标准化的速率有：第1级为155 520 kb/s，记为STM-1；第4级为622 080 kb/s，记为STM-4；第16级为2 488 320 kb/s，记为STM-16。高于16级的尚待研究。由于准同步数字系列中的
6、14次群的任一级都可以进入STM-1，从国际发展动向看，今后不再发展五次群，而是直接由STM-1同步复接到STM-4即622 080 kb/s。同样也不会发展六次群，而是由STM-4同步复接到STM-16。,11.2 光端机的作用和组成,光端机的作用是将需要传递的电信号由发端光端机转换成光信号，送入光纤。经过光纤传输到达对方，收端光端机再将光信号变成电信号通过处理，送到电端机，完成通信任务。数字光纤通信系统光端机方框图包括发端和收端两部分，基本组成如图 11.4 所示。,图 11.4 数字光纤通信系统光端机组成方框图,1.接口 输入接口的作用有两个方面：(1)使光端机与电端机相连的同轴电缆传输
7、特性做到了与光端机配合和满足机架间衰耗要求；(2)将PCM数字复接设备送来的数字信号(一、二、三次群为HDB#-3码，四次群为CMI码)变换成单极性的不归零二进制信号，以便提取时钟和实现光调制。输出接口则完成相反的过程。,2.光发射机和光接收机 光发射机和光接收机是光端机中最主要的组成部分，它们的作用和各主要组成部分的原理上一章都已介绍过,需要补充说明的是，为了避免出现长连“0”和长连“1”码，在发端采用扰码以破坏输入码流的规律性，使之随机化，以便于时钟信号的提取并有利于抑制抖动。解扰则是它的反过程。另外，为了在不中断业务的情况下能监测系统的误码率，或为光通信系统其它的传输特点和要求(如对中继
8、器的遥测、遥控)，需要将原来码型变换为线路码型，反变换则相反。,3.监测 对光端机各部分运行情况进行不中断业务的监测，监测项目包括：输入PCM信号、发射机激光器阈值电流、输出光功率、工作温度及组件的致冷电流、接收机输入光信号、码型反变换失步、误码率、累积误码、电源电压和机内工作温度。4.告警 根据监测结果，当通信质量受到影响时及时发出相应的显示告警和音响告警。,5.倒换 当监测到光端机主要部分性能恶化使通信中断时，可自动倒换备用系统工作，以保证通信不致中断。6.电源 将机房供给的-60 V或-24 V工作电压变换成光端机内各部分所需要的电压,如12 V、5 V等。,7.遥测、遥控、遥信 在端站
9、对中继站进行遥测、遥控、遥信，以了解无人维护中继站的工作情况，确定发生故障的中继站位置、故障性质，并相应送出倒换控制信号。8.业务通信 端站和中继站间的业务联络采用专用电话，满足定期维修或处理故障时的相互联系。,11.3 光中继器的作用和组成,光中继器的功能是补偿光能的衰减，恢复信号脉冲的形状。传统的光中继器不能对光信号直接进行放大，而是采用光电光的转换方式，即先将接收光纤的已衰减光信号用光电检测器接收，经放大和再生恢复原来的数字电信号，再对光源进行驱动，产生光信号送入光纤。图 11.5 为数字光中继器组成方框图。光中继器的功能是补偿光能的衰减，恢复信号脉冲的形状。,图 11.5 数字光中继器
10、组成方框图,11.4 光放大器,1.半导体光放大器 半导体光放大器是一个具有或不具有端面反射的半导体激光器。其结构和工作原理与半导体激光器非常相似。当给器件加偏置电流时，电流可以使半导体增益物质产生粒子数反转，使电子从价带跃迁到导带，从而产生自发辐射。当外光场入射时会发生受激辐射，受激辐射产生信号增益。当然，自发辐射本身也将被放大并产生随机起伏的放大器噪声，称之为被放大的自发辐射(ASE)噪声。半导体光放大器的特点是尺寸很小；增益较高，一般为1530 dB；频带宽，一般为5070 nm。存在的主要问题是与光纤的耦合损耗大，为58 dB；由于增益与偏振态、温度等因素有关，因此稳定性差；在高速光信
11、号的放大上，仍存在问题；输出功率小，噪声系数较大。,2.光纤放大器,1)稀土掺杂光纤放大器,EDFA的工作波长为1550 nm，与光纤的低损耗窗口一致，是最具吸引力和最为成熟的光纤放大器，它的典型结构如图11.6所示。它包括光路结构和辅助电路部分，光路部分由掺铒光纤、泵浦光源、光耦合器、光隔离器等组成，辅助电路主要有电源、自动控制部分和保护电路。,图 11.6 EDFA的典型结构,掺铒光纤是EDFA的核心，它以石英光纤作基础材料，在光纤芯子中掺入一定比例的稀土元素铒离子(Er3+)，这样就形成了一种特殊的光纤，这种光纤在一定的泵浦光激励下，处于低能级的Er3+可以吸收泵浦光的能量，向高能级跃迁
12、。由于Er3+在高能级上的寿命很短，很快以无辐射的形式跃迁到亚稳态，在该能级上，Er3+有较长的寿命，从而在亚稳态和基态之间形成粒子数反转分布。当1550 nm波段的光信号通过这段掺铒光纤时，亚稳态的Er3+以受激辐射的形式跃迁到基态，并产生出和入射光信号中的光子一模一样的光子，大大增加了信号光中的光子数量，实现了信号光在掺铒光纤中的放大。,EDFA中的泵浦光源为信号光的放大提供足够的能量，它使处于低能级的Er3+被提升到高能级上，使掺铒光纤达到粒子数反转分布。一般采用的泵浦光源是半导体激光二极管，其泵浦波长有800nm，980 nm和1480 nm三种。其中，应用最多的是980 nm的泵浦光
13、源，因为980 nm的泵源具有噪声低、泵浦效率高、驱动电流小、增益平坦性好等优点。EDFA的泵浦形式有同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦三种，如图11.7所示。同向泵浦是信号光与泵浦光以同一方向进入掺铒光纤的方式；反向泵浦是信号光与泵浦光从两个不同的方向进入掺铒光纤的方式；双向泵浦则是同向泵浦和反向泵浦同时泵浦的方式。,图 11.7 三种泵浦形式的EDFA,EDFA中的光耦合器的作用是将信号光和泵浦光合在一起，送入掺铒光纤中。光隔离器的作用是抑制反射光，以确保光放大器工作稳定。光滤波器的作用是滤除光放大器中的噪声，提高EDFA的信噪比。辅助电路部分中的自动控制部分一般采用微处理器对EDFA的泵浦光源
14、的工作状态进行监测和控制、对EDFA输入和输出光信号的强度进行监测，根据监测结果适当调节泵浦光源的工作参数，使EDFA工作在最佳状态。此外，辅助电路部分还包括自动温度控制和自动功率控制等保护功能的电路。,图 11.8 光放大器的具体应用形式(a)线路放大；(b)功率放大；(c)前置放大；(d)LAN放大,(1)系统线路放大器：将EDFA直接接入光纤传输链路中作为在线放大器，或光中继器取代光电光中继器，实现光光放大，可广泛用于长途通信、越洋通信和CATV分配网络等领域。(2)功率放大器：将EDFA接在光发射机的光源之后对信号进行放大。由于增加了入纤的光功率，从而可延长传输距离。(3)前置放大器：
15、将EDFA放在光接收机的前面，可以提高光接收机的接收灵敏度。(4)LAN放大器：将EDFA放在光纤局域网络中用作分配补偿器，以便增加光节点的数目，为更多的用户服务。,2)利用非线性效应制作的常规光纤放大器 常规光纤放大器就是利用传输光纤制作的光放大器，它是利用光纤的三阶非线性光学效应产生的增益机制对光信号进行放大。其特点是传输线路和放大线路同为光纤，是一种分布参数式的光放大器。其主要的缺点是由于单位长度的增益系数较低，需要很高的泵浦光功率。这类器件中光纤拉曼放大器(FRA)是其中的佼佼者，它具有在12701670 nm全波段实现光放大和利用传输光纤作在线放大的优点，使其成为继EDFA之后的又一
16、颗璀璨的明珠。,11.5 光波复用技术,11.5.1 空分复用(SDM)空分复用是每根光纤只用于一个方向的信号传输，双向通信则需要有一对光纤，即光纤数量加倍，目前的实际光通信系统多工作于这种方式。显然，N对光纤可以增加N倍的传输容量，不同系统的光波长相互独立。由于光缆都包含有多根光纤在内，因而可以认为空分复用是最早、最简单的光波复用方式。,11.5.2 方向分割复用(DDM)方向分割复用是采用一对光的方向耦合器(即定向耦合器)，分别配置于收发端用来分离收发两个方向的信号，从而实现一根光纤的同波长双向传输，当然不同波长就更没问题了。由于方向耦合器引起的近端串音会限制传输长度，因而方向分割复用方式
17、只限于短距离传输。在传输距离有限的接入网环境中，特别是光纤芯数也受限的情况下，采用方向分割复用方式来扩容是一种可以考虑的候选方案。光方向分割复用(DDM)方式如图11.9所示。,图 11.9 光方向分割复用(DDM)方式系统构成,11.5.3 波分复用(WDM)WDM技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的信号组合起来(复用)，送入到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开(解复用)，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用技术。光波分复用传输系统WDM传输原理图如图11.
18、10所示。,图 11.10 WDM传输原理图(a)单向WDM传输原理图；(b)双向WDM传输原理图,11.5.4 频分复用(FDM)当光波分复用的光载波间隔密集到更适于用频率来衡量时称为光频分复用(OFDM)，有时简称频分复用(FDM)。WDM与FDM之间无严格界限，通常WDM指波长间隔为几纳米至数十纳米的情况，而将波长间隔远小于1 nm的情况称为FDM。由于FDM的光载波间隔很密集，因此用传统的WDM器件已不能区分不同的光载波，必须采用高分辨率技术来选择属于自己的波长。例如，采用可调光滤波器或相干通信技术，前者采用无源方式，成本低，易于实现稳定的频率调制和解复用；后者接收灵敏度高，选择性好，
19、易于实现更窄通路间隔，从而允许容纳更多的波长数，但光路复杂、成本高。FDM技术是迄今为止扩容系数最高的光复用技术，是未来用户接入网向所谓的多色网(即一个用户一个波长)过渡的重要技术手段。,11.5.5 光时分复用(OTDM)光时分复用(OTDM)与电时分复用(TDM)相对应。电时分复用方式是一种成熟的技术，但随着速率的提高，其性能受限于一系列因素，一是受限于数字集成电路的速率；二是受限于高功率低噪声线性放大器的速率；三是受限于激光器和调制器的调制带宽及光纤的色散。因此，进一步提高传输速率，只能采用光的复用和解复用方式即光时分复用方式。OTDM方式的工作原理与电时分复用方式相似，只是在光域进行复
20、用和解复用处理，即将光信号按照一定的帧结构传输，将一帧光信号时间T划分为n个时隙，每个时隙为T/n，第1，2，n路的时隙依次排列，每个时隙只传输固定的信道。每个信道的时间位置可以通过延时器来调整。光时分复用方式的缺点是需要较复杂的光元件，而且色散影响比别的复用方式严重，这是因为OTDM信号对带宽的要求高。,11.5.6 光码分复用(OCDM)光码分复用技术在原理上与电码分复用技术相似，并与之对应。OCDM系统给每个用户分配惟一的一个光正交码的码子作为该用户的地址码，对要传输的数据信息用该地址码进行光编码，实现信道复用。在接收端用与发送端相同的地址码进行光解码，实现用户之间的通信。OCDM也称为
21、光码分多址复用(OCDMA)，通过直接光编码和光解码，实现光信道的复用和信号交换，能较好地发挥光纤信道频带宽的潜力，同时具有动态分配带宽、网络扩展容易、多址连接和控制灵活方便、网管简单、保密性强等优点，适合于实时性要求高、速率高的宽带通信系统。,11.6 线路码型,1.mBnB码 mBnB码是将输入的码流以m个码元为一组，重新排列组合编成n个码元为一组的输出码(nm)。mBnB码是目前光纤通信应用最多的线路码。常用的码型有1B2B、3B4B、5B6B和7B8B等。,表 11.2 1B2B码表,表 11.3 3B4B码表,为了说明mBnB码的编码原理，介绍一个名词的意义即“字数字和”(WDS)。
22、兹以4B码为例，如果用“-1”表示码组(或字)中的“0”，用“+1”表示字中的“1”，则每个字(码组)的代数和记为“WDS”。例如，“0010”可写成(-1)+(-1)+1+(-1)=-2，即“0010”的WDS=-2,而“0011”的WDS=0,“1111”的WDS=+4，“0000”的WDS=-4,“0111”的WDS=+2，“0001”的WDS=-2。光纤通信中使用的mBnB码的基本原理是通过限制“字数字和”来满足传输要求，即一般最好使用WDS=0 的组合，WDS=4 的码组一般不用。这样可以减少连“0”或连“1”的个数。表 11.3 第二方案中是WDS=0和WDS=-2为A组；WDS=
23、0 和WDS=+2为B组。,1B2B码由于将码速增到原来的二倍，但其电路简单且连“0”连“1”较少(为 3)，故易在低速34 Mb/s以下系统采用。对于较高速的系统，国际上多用3B4B、5B6B或7B8B码。其中，以5B6B码用得最多。其优点为直流成分小和有利于时钟提取，码速增加不多(仅6/5倍)，电路不太复杂，连“1”连“0”数不大(为 5)。我国已规定140 Mb/s系统采用 5B6B码。表 11.4 列出了5B6B码表的例子。其中，模式 1 中WDS=0和WDS=+2，模式 2 中WDS=0和WDS=-2。5B6B分组码是采用两种交替使用的模式编码的。由表可见，模式 1有 13 个码组，
24、内有 4 个“1”。模式 2 有 13 个码组，内有 4 个“0”。当出现不均等码组时，模式转换，使结果达到平衡。也就是说，当6B码组为均等码组时，其下一个码组在上一个码组的同模式中选择。当6B码组是不均等码组时，则其下一个码组将在另一模式中选择。,表 11.4 5B6B码表,2.插入比特码 1)mB1P码 mB1P码是在末端之后插入P码，P码称为奇偶校验码。它把m位奇数原码校正为偶数码，即当m位码内，“1”的个数为奇数时，插入P码为“1”，反之则插入P码为“0”，以保持m+1 位码内“1”的个数为偶数。当然也可以采取保持m+1 位码内“1”的个数为奇数的方式。其典型例子8B1P码型如下：11
25、011001 1|00010010 0|11110110 0|P P P,这种码型的优点是码型简单，且适当选择m值时码速增加少，例如m=8，则码速增加到原来的 9/8倍，即每一组码元的传送时间不变，但加一个码后速率增加了。其缺点是连“0”、连“1”数多，最大数为2m，且只能检出一个误码，在m个码元中出现双数误码时无法检出。mB1P码可用双稳态方法检测误码。,2)mB1C码 mB1C码是在末位之后插入C码，C码称为反码或补码(Complementary)。当第m位码为“1”时，则补码为“0”，反之则为“1”。其典型例子8B1C码型如下：11011001 0|000100101|111101101
26、|C C C C码的优点是可以减少长连“0”或长连“1”数。过长的连“0”或连“1”使时钟提取困难，直流起伏太大，对判决不利。然而误码检测仅能对第m位码实行，其它码发生错误并不能检测，把误码检测率减少到 1/m。一般误码概率与码流图案无关，即对各时隙误码的概率是相等的。如果码率很高，1/m的误码检测率已足够了。mB1C码必须用同步检测误码，电子线路较mB1P码的复杂。,3)mB1H码 mB1H码是在末位之后插入H码，H码称为混合码(Hybrid)。H码具有多种功用，它实际上是由P码、C码和用以作监控、公务、区间通信的插入码混合组成。其典型例子8B1H码型如下：11011001 X|000100
27、10X|11110110X|H H H mB1H码适用于高码率的系统。若误码检测率减少到1/m、尚十分足够时，可以将插入码中的一部分用来传输误码、监控、公务和区间通信信息，即构成H混合码。这样，全部辅助信息都可以在光路中传输，而不用铜线。mB1H码必须同步工作。,11.7 光纤通信系统中的辅助系统,1.中继器的供电系统 城市与城市间的光纤通信系统，路由长且情况复杂，中继站也较多。有的中继站可能位于无供电电源的地段。这时，就要以适当方式给中继器供电。为此，必须建立一个供电系统。目前，世界各国采用各种不同的供电系统，有的采用太阳能供电系统，有的采用与同轴电缆系统相同的金属导体直流远程供电系统，有的
28、采用附近市电的供电系统等等。,2.电路的监视和控制(1)监控内容。监控是对组成光纤通信线路的各种设备进行监视和控制的简称，可以自动地对通信线路的传输质量和各种组成设备的工作状态进行监测，并通过打印设备告诉值守人员，当有故障时能自动告警，自动地用备用设备进行倒换(包括以备用系统替代有故障的主用系统)。因此,监控系统包括了遥测、遥信和遥控的内容。这种系统对长距离干线通信、有较多中继站时尤为重要。(2)基本组成。为了实现自动监控的高效果，一般实行集中监控。通常将某一通信中心的端局称为主控局，其它的一些端局可作为副主控局，而中间的若干个中继站称为被控站。主控局、副主控局和被控中继站均装有监控设备，它由
29、微处理机组成。,3.监控信息的传输方式 监控信息是利用指令线和监视线来传输的。用来传输监视和控制的信道称为监控对讲信道，即实现计算机计算机对话或人机对话。实现监控信号传输的方式有两大类：第一类为利用铜线线对；第二类为利用光纤通信。利用铜线线对的方式与同轴电缆通信相同，但光缆中要增加金属中介线，且金属线对易受串杂音的干扰，其监控长度受限制，故这一方式不是发展的方向。目前，国际上多采用光纤通信本身来传送监视信息。光纤通信本身来传送监控信息又有两类，即时分复用法和频分复用法。,4.工程联络系统(1)金属导线传输方法。这种传输方法要求光缆中备有少量铜线对，以便使工程人员能在沿线任一工作点与其它各点联络。当主传输线路发生故障时，这种联络不应中断。在通信距离较短时，这种联络也可利用光缆中的金属加强线或金属防潮层，以形成音频通道。加强线是普通钢丝绳，为了改善传输性能，可在它上面镀铜。同样，也可在以铝制成的防潮层上面镀铜。(2)利用无线通信技术。这种方法一般在较短的通信线路中使用。除了上述两种传输方法外，在有线路编译码器的通信段内，也可将工程联络信号插入主信号中传输。,
