第 5 章 数字光纤通信系统5.1 两种传输体制5.2 系统的性能指标5.3 系统的设计 返回主目录5.1 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。美国提出了同步光纤网(SONET)。1988年，ITU-T(原CCITT) 提出了被称为同步数字系列(SDH)的规范建议。SDH解决了PDH存在的问题，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。 5.1.1 准同步数字系列PDH准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。六次群 /（MbS-1）五次群 /（MbS-1 ）四次群 /（MbS-1 ）三次群 /（MbS-1 ）二次群 /（MbS-1 ）北美日本中国 西欧基群 /（MbS-1 ）国家或地区表5.1 世界各国商用光纤通信制式在这种形势下，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。 PDH主要适用于中、低速率点对点的传输5.1.2 同步数字系列SDH1. SDH1. SDH传输网传输网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。与PDH相比，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。(4) 采用数字同步复用技术，其最小的复用单位为字节， 不必进行码速调整，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 5.4 分插信号流程的比较光 / 电 光信号分接分接分接140/34 Mb/s34/8 Mb/s8/2 Mb/s复接复接复接电 / 光 光信号2/8 Mb/s8/34 Mb/s34/140 Mb/s2 Mb/s(电信号)SDHADM155 Mb/s光接口155 Mb/s光接口2 Mb/s(电信号)PDHPDHPDH和和SDHSDH分插信号流程的比较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，十分简便。 2. SDH2. SDH帧结构帧结构SDHSDH帧结构是实现数字同步时分复用、保证网络可靠有效运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。行的关键。图 5.5 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， 即每秒传输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 5.5 SDH帧的一般结构 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(每字节含64 kb/s的容量)，主要用于运行、 维护和管理，如帧定位、 误码检测、 公务通信、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)。根据图5.3(a)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 荷相对位置漂移的问题。3. 3. 复用原理复用原理SDHSDH采用载荷指针技术采用载荷指针技术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 5.7 SDH的一般复用映射结构 复用过程：PDH STM-1 STM-1 STM-N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(每帧9 Byte, 相应于0.576 Mb/s)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(每帧72 Byte, 相应于4.608 Mb/s), 输出信号速率为155.520 Mb/s, 即为STM-1。4. SDH4. SDH常用设备常用设备终端复用设备（TM）分插复用设备(ADM)数字交叉连接设备数字交叉连接设备(DXC)(DXC)终终端复用设备设备 ： 完成SDH终端的复接复接/ /分接分接功能。MUXE1E1STM-N同步复接DMXE1E1STM-N同步分接图5.2 (a) 终端复用器TM； 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的信息分成两部分： 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DMXMUX中继线STM-N中继线STM-NAddSTM-n分接复接DropSTM- n本地图5. 2(b) 分插复用设备ADM(Add/DropMultiplexer) 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: m1: mm:1m :1复接交叉连接矩阵分接 1n1n配置管理图5.2 (c) 交叉连接设备DXC 图5.1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(光纤)物理链路构成。图 5.1 SDH传输网的典型拓扑结构TMADMDXCADMTMTMTMADMSTM-nSTM-nDXCADMTMSTM-NSTM-NSTM-NSTM-NSTM-NSTM-NSTM-NSTM-nSTM-n低速信号低速信号低速信号低速信号(nN)5. SDH5. SDH的应用的应用SDH可用于点对点传输(图5.8)、 链形网(图5.9)和环形网(图 5.10)。 SDHTMSDHTM支路信号支路信号 STM- N再生中继器图 5.8 SDH用于点对点传输SDHTMSDHTM支路信号支路信号SDHADMSTM-n (n N)STM- NSTM-NSTM-n图 5.9 SDH链形网 图 5.10 SDH环形网(双环) SDHADMSDHADMSDHADMSDHADM支路信号支路信号支路信号支路信号 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。 当然， SDH通过ADM和DXC等网络单元可以构 成更为复杂的网形网(如图 5.1 所示)。 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。 5.3 系 统 的 设 计1 总体设计考虑我们知道，数字光纤通信系统一般采用强度调制 、直接检波的方式， 即IM-DD方式。 任何复杂的通信系统， 其基本单元都是点到点的传输链路。 它包括三大部分， 即光发送机， 光接收机和光纤线路。 每一部分都涉及许多的光电器件， 所以对链路 的设计是一个复杂的工作， 而每个元器件的选择都要 经过若干次的反复。 这里仅对原则性的问题作一下介 绍。 光纤通信系统的基本要求有以下几点： (1) 预期的传输距离。 (2) 信道带宽或码速率。 (3) 系统性能（误码率， 信噪比）。 为了达到这些要求， 需要对以下一些要素 进行考虑： 光纤： 需要考虑选用单模还是多模光纤; 需要考虑的设计参数有： 纤芯尺寸、 纤芯折射率分 布、 光纤的带宽或色散特性、 衰耗特性。 光源： 可以使用LED或LD， 光源器件的参数有发射功率、 发射波长、 发射频谱宽度、 方向 图等。 检测器: 可以使用PIN组件或APD组件， 主要的器件参数有工作波长、 响应度、 接收灵敏度、 响应时间等。 1)采用的传输制式以前的数字传输链路使用的是PDH体制， 现在SDH技术已经成熟并已在线路上大量使用 ， 鉴于SDH设备良好的性能和兼容性， 长途干线传输或大城市的市话系统都应该 采用SDH。 但为了节省成本， 农村线路也可以适当采 用PDH。 2) 工作波长的确定 工作波长可根据通信距离和通信容量进行选择。 如果是短距离小容量的系统，则可以选择 短波长范围， 即800900 nm。 如果是长距离大容量的系统，则选用长波 长的传输窗口， 即1310 nm和1550 nm， 因为这两个波长区具有较低的损耗和色散。 另外， 还要注意所选用的波长区具有可供选择的相对器件。 3) 光纤的选择 光纤有多模光纤和单模光纤， 每种都有阶跃的和渐变折射率的纤芯分布。 对于短距离传输和短波长应用， 可以用多模光纤。 但长波长传输一般使用单模光纤。 目前可选择的单模光纤有G.652， G.653， G.654， G.655