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1、2023/4/25,1,第4章 数字光纤通信系统,4.1 数字光纤通信系统概述4.2 光纤和光器件4.3 光端机4.4 数字光纤系统的两种传输体制,2023/4/25,2,4.1 数字光纤通信系统概述,一、光纤通信发展史和现状1、探索时期的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息，这些都可以看作是原始形式的光通信。1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。光电话证明了用光波作为载波传送信息的可行性。贝尔光电话是现代光通信的雏型。,2023/4/25,3,1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器，给光通信带来了新的希望。激光具有
2、波谱宽度窄，方向性极好，亮度极高，以及频率和相位较一致的良好特性。继红宝石激光器之后，氦氖(He-Ne)激光器、二氧化碳(CO2)激光器先后出现，并投入实际应用。激光器的发明和应用，使光通信进入一个崭新的阶段。,2023/4/25,4,2、现代光纤通信 1966年，英籍华裔学者高锟指出了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤通信的基础。1970 年，光纤研制取得了重大突破。美国康宁(Corning)公司就研制成功损耗20 dB/km的石英光纤。1973 年，美国贝尔(Bell)实验室取得了更大成绩，光纤损耗降低到2.5dB/km。1976 年
3、，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2m)。,2023/4/25,5,3、光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：第一阶段(1966-1976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。实现了短波长(0.85m)低速率(45或34Mb/s)多模光纤通信系统。第二阶段(1976-1986年)，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长(0.85m)发展到长波长(1.31m和1.55m)。第三阶段(1986-1996年)，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。在这个时期，实现了
4、1.55m色散移位单模光纤通信系统。实验室可以达到更高水平。,2023/4/25,6,二、光纤通信的优点和应用 在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高得多，作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波导管的损耗低得多，因此相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点。1.容许频带很宽，传输容量很大 单波长光纤通信系统的传输速率一般为2.5 Gb/s和10 Gb/s。波分复用(WDM)和光时分复用(TDM)更是极大地增加了传输容量，见下表。,2023/4/25,7,表 光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较,2023/4/25,8,2.损耗很小，中继距离很长且误码率很小 石英光纤在1.3
5、1 m和1.55 m波长，传输损耗分别为0.50 dB/km和0.20 dB/km，甚至更低。因此，用光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多，见表。传输容量大、传输误码率低、中继距离长的优点，使光纤通信系统不仅适合于长途干线网而且适合于接入网的使用，这也是降低每公里话路的系统造价的主要原因。,2023/4/25,9,3.重量轻、体积小 光纤重量很轻，直径很小。即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多。表给光缆和标准同轴电缆的重量和截面积的比较。,表 光缆和电缆的重量和截面积比较,2023/4/25,10,4.抗电磁干扰性能好 光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信
6、线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。5.泄漏小，保密性能好 在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。因此信息在光纤中传输非常安全。6.节约金属材料，有利于资源合理使用。,2023/4/25,11,总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越性，由图可见，随着传输容量的增加，由于采用了新的传输媒质，使得相对造价直线下降。,图 各种通信系统相对造价与传输容量的比较,2023/4/25,12,光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤通信的各种应用可概括如下：通信网，包括全球通信网、各国的公共电信网、各种专用通信网、特殊通信手段。构成因特网的计算机局域网和广域网，如光纤以太网、
7、路由器之间的光纤高速传输链路。有线电视网的干线和分配网；工业电视系统，如工厂、银行、商场、交通和公安部的监控。综合业务光纤接入网，分为有源接入网和无源接入网，可实现电话、数据、视频(会议电视、可视电话等)及多媒体业务综合接入核心网，提供各种各样的社区服务。,2023/4/25,13,三、光纤通信系统的基本组成 1、发射和接收 下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。,图 光纤通信系统的基本组成,光纤通信系统组成演示,2023/4/25,14,信息源：把用户信息转换为原始电信号，这种信号称为基带信号。电发射机：把基带信号转换为适合信道传输的信号，这个转换如
8、果需要调制，则其输出信号称为已调信号。光发射机：输入到光发射机带有信息的电信号，通过调制转换为光信号。光接收机：光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号。电接收机：功能和电发射机的功能相反。,2023/4/25,15,2、基本光纤传输系统 基本光纤传输系统作为独立的“光信道”单元。有线通信系统或无线通信系统的发射与接收之间 加入光发射机、光纤线路和光接收机，再配置适当的 光器件，可以组成传输能力更强、功能更完善的光 纤通信系统。下面简要介绍基本光纤传输系统的三个组成部分。,2023/4/25,16,光发射机：光发射机的功能：把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号
9、最大限度地注入光纤线路。光发射机组成：由光源、驱动器和调制器组成。光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本上取决于光源的特性。光源种类：半导体发光二极管(LED)、半导体激光二极管(或称激光器)(LD)，单纵模分布反馈(DFB)激光器。,2023/4/25,17,光纤线路：光纤线路功能：是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的失真和衰减传输到光接收机。光纤线路组成：由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤基本要求：损耗和色散这两个传输特性参数都尽可能地小，有足够好的机械特性和环境特性。石英光纤分类：多模光纤和单模光纤。单模光纤的传输特性比多模光纤好，价格比多模光纤便宜，因而得到更广泛的应用。单模光
10、纤适合大容量长距离光纤传输系统，小容量短距离系统用多模光纤配合半导体发光二极管更加合适。,2023/4/25,18,光接收机：光接收机的功能：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。光接收机组成：由光检测器、放大器和相关电路组成 光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。光检测器种类：光电二极管(PIN-PD)、雪崩光电二极管(APD)。,光发射机与光接收机组成演示,2023/4/25,19,光接收机最重要的特性参数是灵敏度。灵敏度是衡量光接收机质量的综合指标，它反映接收机调整到最佳状态时，接收微弱光信号
11、的能力。灵敏度主要取决于组成光接收机的光电二极管和放大器的噪声，并受传输速率、光发射机的参数和光纤线路的色散的影响，还与系统要求的误码率或信噪比有密切关系。所以灵敏度也是反映光纤通信系统质量的重要指标。,2023/4/25,20,4.2 光纤和光器件,一、光纤1、光纤 光纤就是导光的玻璃纤维的简称,是石英玻璃丝,它的直径只有0.1 mm，它和原来传送电话的明线、电缆一样，是一种新型的信息传输介质，但它比以上两种方式传送的信息量要高出成千上万倍，可达到上百千兆比特/秒,而且衰耗极低。,2023/4/25,21,2.光纤的导光原理 光纤为什么能够导光，能传送大量信息呢?这里我们用简单的比喻，从物理
12、概念上来说明，以加深对光纤传输信息的理解。光纤是利用光的全反射特性来导光的。在物理中学习过光从一种介质向另一种介质传播，由于它们在不同介质中传输速率不一样，因此，当通过两个不同的介质交界面就会发生折射。,2023/4/25,22,若有两种不同介质,其折射率分别为n0,n1，而且n1n0,设界面为XX；折射率小的称光疏媒质,折射率大的称光密媒质；假定光线从光疏媒质射向光密媒质,其折射情况如图所示。图中，入射角为0为入射光线与法线YY夹角,折射角为1为折射光线与YY夹角；由图可见，10。,图 光的折射示意图,2023/4/25,23,若使光束从光密媒质射向光疏媒质时,则折射角大于入射角，如图所示。
13、如果不断增大0可使折射角1达到90,这时的1称为临界角。当光线从光密媒质射向光疏媒质,且入射角大于临界角时,就会产生全反射现象。光纤就是利用这种全反射来传输光信号的。,图 临界角和光线的全反射,2023/4/25,24,以上了解了光的全反射原理之后，下面画出光在阶跃光纤中的传播轨迹，即按“之”之形传播及沿纤芯与包层的分界面掠过，如图 所示。,2023/4/25,25,在制造光纤时，使光纤芯的折射率高，在外面涂上一包屏层，可使折射率低；当选择一定的角度0时，射入纤芯的光束将会全部返回纤芯中。光纤芯线结构如图所示。光纤的芯线由纤芯、包层、涂覆层、套塑四部分组成。,2023/4/25,26,图 光纤
14、芯线的剖面构造,2023/4/25,27,纤芯：纤芯位于光纤的中心部位（直径d1 约950 微米），其成份是高纯度的二氧化硅。包层：包层位于纤芯的周围（其直径d2 约125 微米），其成份也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。涂敷层：光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的涂敷层，其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。,2023/4/25,28,3.光纤的分类 根据波导传输波动理论分析，光纤的传播模式可分为多模光纤和单模光纤。1)多模光纤 多模光纤即能承受多个模式的光纤。这种光纤结构简单、易于实现,接头连接要求不高,用起来方便,也较便宜。因而在早期的数字光纤通信系统(PDH系列)中采用，但
15、这种光纤传输带宽窄、衰耗大、时延差大,因而已逐步被单模光纤代替。,2023/4/25,29,2)单模光纤 单模光纤即只能传送单一基模的光纤,如图。这种光纤从时域看不存在时延差，从频域看,传输信号的带宽比多模光纤宽得多,有利于高码率信息长距离传输。,2023/4/25,30,图 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,2023/4/25,31,二、光缆 为了使光纤能在工程中实用化，能承受工程中拉伸、侧压和各种外力作用,还要具有一定的机械强度才能使性能稳定。因此,将光纤制成不同结构、不同形状和不同种类的光缆以适应光纤通信的需要。光缆主要由缆芯、护套和加强元件组成
16、。,2023/4/25,32,缆芯 缆芯是由光纤芯组成的,它可分为单芯和多芯两种。单芯型缆芯和多芯型缆芯结构的比例如表。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,它又分为带状结构和单位式结构。强度元件 由于光纤的材料比较脆,容易断裂,在光缆内中心或四周要加一根或多根加强元件。护层 光缆的护层主要是对已形成的光纤芯线起保护作用,避免受外部机械力和环境损坏。,2023/4/25,33,2023/4/25,34,光缆的种类 在公用通信网中用的光缆结构如表所示。,2023/4/25,35,下面介绍几种有代表性的光缆结构形式。(1)层绞式光缆。它是将若干根光纤芯线以强
17、度元件为中心绞合在一起的一种结构,如图(a)所示。特点是成本低,芯线数不超过10根。(2)单位式光缆。它是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(b)所示,其芯线数一般适用于几十芯。,2023/4/25,36,(3)骨架式光缆。这种结构是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(c)所示。光纤具有耐侧压、抗弯曲、抗拉的特点。(4)带状式光缆。它是将412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(d)所示。这种光缆的结构紧凑,采用此种结构可做成上千芯的高密度用户
18、光缆。,2023/4/25,37,图(a)层绞式；(b)单位式；(c)骨架式；(d)带状,2023/4/25,38,4.3 光端机,一、光发射机1、数字光发射机的功能:电端机输出的数字基带电信号转换为光信号；用耦合技术注入光纤线路；用数字电信号对光源进行调制。2、调制方式：直接调制和外调制。受调制的光源特性参数有：功率、幅度、频率和相位，广泛应用的是直接光强(功率)调制。,2023/4/25,39,当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时，输出光功率P和驱动 电流I基本上是线性关系。输出光功率和输入电流成正比，输出光信号反映输入电信号。,2023/4/25,40,3、光发射机基本组成 数字光发射
19、机的方框图如图所示，主要有光源和电路两部分。光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。电路的设计应以光源为依据，使输出光信号准确反映输入电信号。,2023/4/25,41,1）光源 对通信用光源的要求如下：发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长应在0.85 m、1.31 m和1.55 m附近。光谱单色性要好，即谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下，有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。发射光束的方向性要好，以利于提高光源与光纤之间的耦合效率。,2023/4/25,42,允许的调制速率要高或响应速度要快，以
20、满足系统的大传输容量的要求。器件应能在常温下以连续波方式工作，要求温度 稳定性好，可靠性高，寿命长。此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方 便，价格便宜。,2023/4/25,43,2）调制电路和控制电路 直接光强调制的数字光发射机主要电路有：调制电路、控制电路和线路编码电路。,3）线路编码电路 电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，要变换为适合于光纤传输的单极性码。,2023/4/25,44,二、光接收机1、光接收机基本组成 直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于图。主要包括：光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器以及自动
21、增益控制(AGC)电路。,2023/4/25,45,1）光检测器 光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。对光检测器的要求如下：波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85 m、1.31m和1.55 m)兼容；响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流；噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号；性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗体积小。目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有 PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。,2023/4/25,46,2）放大器 前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。前放的噪声取决于放大器
22、的类型，目前有三种类型的前放可供选择。主放大器一般是多级放大器，它的作用是：提供足够的增益；并通过它实现自动增益控制(AGC)，使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。,2023/4/25,47,3）均衡和再生 均衡的目的：对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变(失真)的电信号进行补偿；使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干扰，减小误码率。再生电路包括：判决电路和时钟提取电路,2023/4/25,48,2、光电集成接收机 图中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件，很容易用标准的集成电路(IC)技术将它们集成在同一芯片上。不论是硅
23、(Si)还是砷化镓(GaAs)IC技术都能够使集成电路的工作带宽超过2 GHz，甚至达到10 GHz。为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光接收机，即用“光电集成电路(OEIC)技术”在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元件。,2023/4/25,49,在1991年试验成功的单路InGaAs OEIC接收机，其运行速率达5 Gb/s。InGaAs OEIC接收机也可以用混合法实现。如图所示，电元件集成在GaAs基片上，而光检测器集成在InP基片上，两个部分通过接触片连接在一起。,图 光电集成接收机,2023/4/25,50,三、线路编码 在光纤通信系统中，从电端机输出的是适合于电
24、缆传输的双极性码。光源不可能发射负光脉冲，因此必须进行码型变换，以适合于数字光纤通信系统传输的要求。数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码，即“有光脉冲”表示“”码，“无光脉冲”表示“0”码。,2023/4/25,51,1、简单的二电平码会带来如下问题：在码流中，出现“”码和“0”码的个数是随机变化的，因而直流分量也会发生随机波动(基线漂移)，给光接收机的判决带来困难。在随机码流中，容易出现长串连“”码或长串连“0”码，这样可能造成位同步信息丢失，给定时提取造成困难或产生较大的定时误差。不能实现在线(不中断业务)的误码检测，不利于长途通信系统的维护。,2023/4/25,52,2、数字光纤通信
25、系统对线路码型的主要要求是保证传输的透明性，具体要求有：能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量。提高输出功率的稳定性和减小码间干扰，有利于提高光接收机的灵敏度。能给光接收机提供足够的定时信息。因而应尽可能减少连“”码和连“0”码的数目，使“1”码和“0”码的分布均匀，保证定时信息丰富。能提供一定的冗余码，用于平衡码流、误码监测和公务通信。,2023/4/25,53,3、扰码 为了保证传输的透明性，在系统光发射机的调制器前，需要附加一个扰码器，将原始的二进制码序列加以变换，使其接近于随机序列。相应地，在光接收机的判决器之后，附加一个解扰器，以恢复原始序列。扰码改变了“”码与“0”码的分布，从而
26、改善了码流的一些特性。,例如：扰码前：1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 扰码后：1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1,2023/4/25,54,扰码有下列缺点：不能完全控制长串连“”和长串连“0”序列的出现；没有引入冗余，不能进行在线误码监测；信号频谱中接近于直流的分量较大，不能解决基线漂移。因为扰码不能完全满足光纤通信对线路码型的要求，所以许多光纤通信设备除采用扰码外还采用其它类型的线路编码。,2023/4/25,55,4、mBnB码 mBnB码是把输入的二进制原始码流进行分组，每组有m个二进制码，记为mB，称为一个码字，然后把一个码字变换为n个二进制码，记为
27、nB，并在同一个时隙内输出。这种码型是把mB变换为nB，所以称为mBnB码，其中m和n都是正整数，nm，一般选取n=m+1。mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B等等。,2023/4/25,56,mBnB码编码原理 最简单的mBnB码是1B2B码，即曼彻斯特码，这就是把原码的“”变换为“01”，把“1”变换为“10”。因此最大的连“”和连“”的数目不会超过两个，例如1001和0110。但是在相同时隙内，传输1比特变为传输2比特，码速提高了1倍。,2023/4/25,57,以3B4B码为例，输入的原始码流3B码，共有（23）8个码字，变换为4B码时，共有(24)16个码
28、字，见表。为保证信息的完整传输，必须从4B码的16个码字中挑选8个码字来代替3B码。设计者根据最佳线路码特性的原则来选择码表。例如：在3B码中有2个“0”，变为4B码时补1个“”；在3B码中有2个“1”，变为4B码时补1个“0”。而000用0001和1110交替使用；111用0111和1000交替使用。同时，规定一些禁止使用的码字，称为禁字，例如0000和1111。,2023/4/25,58,2023/4/25,59,作为普遍规则，引入“码字数字和”(WDS)来描述码字的均匀性，并以WDS的最佳选择来保证线路码的传输特性。所谓“码字数字和”，是在nB码的码字中，用“-1”代表“0”码，用“+1
29、”代表“”码，整个码字的代数和即为WDS。如果整个码字“”码的数目多于“0”码，则WDS为正；如果“0”码的数目多于“1”码，则WDS为负；如果“0”码和“1”码的数目相等，则WDS为0。例如：对于0111，WDS=+2；对于0001，WDS=-2；对于0011，WDS=0。,2023/4/25,60,nB码的选择原则是：尽可能选择|WDS|最小的码字，禁止使用|WDS|最大的码字。以3B4B为例，应选择WDS=0和WDS=2的码字，禁止使用WDS=4的码字。,2023/4/25,61,我国3次群和4次群光纤通信系统最常用的线路码型是5B6B码，其编码规则如下：5B码共有(25)32个码字，变
30、换6B码时共有(26)64个码字，其中WDS=0有20个，WDS=2有15个，WDS=-2有15个，共有50个|WDS|最小的码字可供选择。由于变换为6B码时只需32个码字，为减少连“”和连“0”的数目，删去：000011、110000、001111和111100。禁用WDS=4和6的码字。表4示出根据这个规则编制的一种5B6B码表，正组和负组交替使用。表中正组选用20个WDS=0和12个WDS=+2，负组选用20个WDS=0和12个WDS=-2。,2023/4/25,62,2023/4/25,63,2023/4/25,64,mBnB码是一种分组码，设计者根据传输特性的要求确定某种码表。mBn
31、B码的特点是：(1)码流中“0”和“1”码的概率相等，连“0”和连“1”的数目较少，定时信息丰富。(2)高低频分量较小，信号频谱特性较好，基线漂移小(3)在码流中引入一定的冗余码，便于在线误码检测。mBnB码的缺点是传输辅助信号比较困难。因此，在要求传输辅助信号或有一定数量的区间通信的设备中，不宜用这种码型。,2023/4/25,65,4.4 数字光纤系统的两种传输体制,光纤大容量数字传输目前都采用同步时分复用(TDM)技术。复用又分为若干等级，先后有两种传输体制：准同步数字系列(PDH)、同步数字系列(SDH)随着光纤通信技术和网络的发展，PDH遇到了许多困难。SDH解决了PDH存在的问题，
32、是一种比较完善的传输体制，现已得到大量应用。这种传输体制不仅适用于光纤信道，也适用于微波和卫星干线传输。,2023/4/25,66,一、数字复接原理 数字复接实质上是对数字信号的时分多路复用。数字复接系统组成原理如图所示。数字复接设备由数字复接器和数字分接器组成。数字复接器将若干个低等级的支路信号按时分 复用的方式合并为一个高等级的合路信号。数字分接器将一个高等级的合路信号分解为原来 的低等级支路信号。,2023/4/25,67,图 数字复接系统组成原理,2023/4/25,68,码速调整单元：对输入各支路信号的速率和相位进行调整，形成与本机定时信号完全同步的数字信号，使输入的各支路信号是同步
33、的。定时单元：受时钟控制，产生复接需要的各种定时控制信号。分接器：合路数字信号和相应的时钟同时送给分接器。分接器的定时单元受合路时钟控制，因此它的工作节拍与复接器定时单元同步。同步单元：从合路信号中提出帧同步信号，用它再去控制分接器定时单元。恢复单元：把分解出的数字信号恢复出来。,2023/4/25,69,在数字复接中，如果复接器输入端的各支路信号与本机定时信号是同步的，则称为同步复接器。如SDH 如果不是同步的，则称为异步复接器。输入各支路数字信号与本机定时信号标称速率相同，但实际上有一个很小的容差，这种复接器称为准同步复接器。如PDH,2023/4/25,70,二、准同步数字系列PDH 准
34、同步数字系列有两种基础速率：以1.544 Mb/s为第一级(一次群，或称基群)基础速率，采用的国家有北美各国和日本；以2.048 Mb/s为第一级(一次群)基础速率，采用的国家有西欧各国和中国。,2023/4/25,71,2023/4/25,72,对于以2.048 Mb/s为基础速率的制式，各次群的话路数按4倍递增，速率的关系略大于4倍。对于以1.544 Mb/s为基础速率的制式，在3次群以上，日本和北美各国又不相同，看起来很杂乱。PDH各次群比特率相对于其标准值有一个规定的容差，而且是异源的，通常采用正码速调整方法实现准同步复用。1次群至4次群接口比特率早在1976年就实现了标准化，并得到各
35、国广泛采用。PDH主要适用于中、低速率点对点的传输。,2023/4/25,73,在这种形势下，现有PDH的许多缺点也逐渐暴露出来，主要有：(1)北美、西欧和亚洲所采用的三种数字系列互不兼容。(2)各种复用系列都有其相应的帧结构，没有足够的开销比特，使网络设计缺乏灵活性。(3)复接/分接设备结构复杂，上下话路价格昂贵。,2023/4/25,74,三、同步数字系列SDH 1.SDH传输网 SDH不仅适合于点对点传输，而且适合于多点之间的网络传输。图示出SDH传输网的拓扑结构。SDH传输网由SDH终接设备(或称SDH终端复用器TM)、分插复用设备ADM、数字交叉连接设备DXC等网络单元以及连接它们的
36、(光纤)物理链路构成。,SDH终端的主要功能是：复接/分接和提供业务适配 SDH终端的复接/分接功能主要由TM设备完成。,ADM是一种特殊的复用器 它利用分接功能将输入信号所承载信息分两部分：一部分直接转发；一部分卸下给本地用户然后信息又通过复接功能将转发部分和本地上送的部分合成输出,DXC类似于交换机，它一般有多个输入和多个输出，通过适当配置可提供不同的端到端连接。,1:m,1:m,m:1,m:1,复接,交叉连接矩阵,分接,配置管理,图 SDH传输网络单元数字交叉连接设备DXC,2023/4/25,79,2、SDH具有下列特点：(1)SDH采用世界上统一的标准传输速率等级。最低的等级也就是最
37、基本的模块称为STM-1，传输速率为155.520 Mb/s；4个STM-1 同步复接组成STM-4，传输速率为622.080 Mb/s；16个STM-1 组成STM-16,传输速率为2488.320 Mb/s，以此类推。(2)SDH各网络单元的光接口有严格的标准规范。因此，光接口成为开放型接口，这有利于建立世界统一的通信网络。标准的光接口综合进各种不同的网络单元，简化了硬件，降低了网络成本。(3)在SDH帧结构中，丰富的开销比特用于网络的运行、维护和管理，便于实现性能监测、故障检测和定位、故障报告等管理功能。,2023/4/25,80,(4)采用数字同步复用技术，其最小的复用单位为字节，不必
38、进行码速调整，简化了复接分接的实现设备，由低速信号复接成高速信号，或从高速信号分出低速信号，不必逐级进行。(5)采用数字交叉连接设备DXC可以对各种端口速率进行可控的连接配置，对网络资源进行自动化的调度和管理，既提高了资源利用率，又增强了网络的抗毁性和可靠性。SDH采用了DXC后，大大提高了网络的灵活性及对各种业务量变化的适应能力，使现代通信网络提高到一个崭新的水平。,图 分插信号流程的比较,光,/,电,分接,分接,分接,复接,复接,复接,电,/,光,SDH,ADM,PDH,PDH和SDH分插信号流程的比较 采用SDH分插复用器(ADM)，可以利用软件一次直接分出和插入 2 Mb/s支路信号，
39、十分简便。,2023/4/25,82,3.SDH帧结构 SDH帧结构是实现数字同步时分复用、保证网络可靠有效运行的关键。图给出SDH帧一个STM-N帧有9行，每行由270N个字节组成。这样每帧共有9270N个字节每字节为8 bit。帧周期为125s，每秒传输8000帧。对于STM-1而言，传输速率为927088000=155.520 Mb/s。字节发送顺序为：由上往下逐行发送，每行先左后右。,图 SDH帧的一般结构,2023/4/25,84,SDH帧的三个部分：(1)段开销(SOH)。段开销是在SDH帧中为保证信息正常传输所必需的附加字节，主要用于运行、维护和管理，如帧定位、误码检测、公务通信
40、、自动保护倒换以及网管信息传输。(2)信息载荷(Payload)。信息载荷域是SDH帧内用于承载各种业务信息的部分。在Payload中包含少量字节用于通道的运行、维护和管理，这些字节称为通道开销(POH)。,2023/4/25,85,根据图的传输通道连接模型，段开销又细分为再生段开销(SOH)和复接段开销(LOH)。前者占前3行，后者占59行。(3)管理单元指针(AU PTR)。管理单元指针是一种指示符，主要用于指示Payload第一个字节在帧内的准确位置(相对于指针位置的偏移量)。采用指针技术是SDH的创新，结合虚容器(VC)的概念，解决了低速信号复接成高速信号时，由于小的频率误差所造成的载
41、荷相对位置漂移的问题。,2023/4/25,86,SDH复用原理 ITUT规定了SDH的一般复用映射结构。所谓映射结构，是指把支路信号适配装入虚容器的过程，其实质是使支路信号与传送的载荷同步。这种结构可以把目前PDH的绝大多数标准速率信号装入SDH帧。图示出SDH一般复用映射结构，图中C-n是标准容器，用来装载现有PDH的各支路信号，并完成速率适配处理的功能。,2023/4/25,87,在标准容器的基础上，加入少量通道开销(POH)字节，即组成相应的虚容器VC。VC的包络与网络同步，但其内部则可装载各种不同容量和不同格式的支路信号。引入虚容器的概念，使得不必了解支路信号的内容，便可以对装载不同
42、支路信号的VC进行同步复用、交叉连接和交换处理，实现大容量传输。,图 SDH的一般复用映射结构,2023/4/25,89,由于在传输过程中，不能绝对保证所有虚容器的起始相位始终都能同步，所以要在VC 的前面加上管理单元指针(AU PTR)，以进行定位校准。加入指针后组成的信息单元结构分为管理单元(AU)和支路单元(TU)。AU由高阶VC(如VC-4)加AU指针组成，TU由低阶VC加TU指针组成。TU经均匀字节间插后，组成支路单元组(TUG)，然后组成AU-3或AU-4。3个AU-3或1个AU-4组成管理单元组(AUG)，加上段开销SOH，便组成STM-1同步传输信号；N个STM-1 信号按字节
43、同步复接，便组成STM-N。,2023/4/25,90,举例：由PDH的4次群信号到SDH的STM-1的复接过程 把139.264 Mb/s的信号装入容器C-4，经速率适配处理后，输出信号速率为149.760 Mb/s;在虚容器VC-4内加上通道开销POH后，输出信号速率为150.336 Mb/s；在管理单元AU-4内，加上管理单元指针AU PTR(每帧9 Byte,相应于0.576 Mb/s)，输出信号速率为150.912 Mb/s;由 1个AUG加上段开销SOH，输出信号速率为155.520 Mb/s,即为STM-1。,2023/4/25,91,5.SDH的应用 SDH可用于点对点传输、链形网和环形网。如图 SDH环形网的一个突出优点是具有“自愈”能力。当某节点发生故障或光缆中断时，仍能维持一定的通信能力。网形SDH网络的主要特点是：端到端之间存在一条以上的路径，可同时构成一条以上的传输通道，通过DXC的灵活配置，使网络具有更好的抗毁性和更高的可靠性。,
