数字光纤通信系统
第6章数字光纤通信系统
•6.1 两种传输体制
•6.1.1 复用原理介绍
•2、复用示意图
Multiplexor (MUX) Demultiplexor (DEMUX，or DMX)
Sometimes just called a MUX
第6章数字光纤通信系统
•6.1 两种传输体制
•6.1.1 复用原理介绍
第6章数字光纤通信系统
•6.1 两种传输体制
•6.1.2 准同步数字系列PDH
•4、PDH体制电接口和光接口的主要参
数 •对基群2.048Mb/s
•编码传号反转码
•Coded Mark Inversion
•E1
•E2
•E3
•E4
•CMI编码
•输入码字 编码结果
•0
01
•1
00/11交替
第6章数字光纤通信系统
•发送顺序
•采用指针技术是SDH的创新，结合虚容器(VC:Virtual Container)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。
第6章数字光纤通信系统
•6.1 两种传输体制
•6.1.3 同步数字系列SDH
•3、SDH复用结构
•SDH高速率等级有： • STM-4， STM-16， STM-64， STM-256 •相应速率为STM-1的4，16，64，256倍。
•时隙=8bit=前7bit(信息)+末位1bit(信令)
•一次群(基群)速率T1=193bit/125 µs=1.544Mb/s 第6章数字光纤通信系统
•6.1 两种传输体制
•6.1.2 准同步数字系列PDH
•PDH-E基群帧结构
第4章数字光纤通信系统(1)
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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(0.85μm)低速率
(45或34Mb/s)多模光纤通信系统。
所以灵敏度也是反映光纤通信系统质量的 重要指标。
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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。
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3. 重量轻、 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
项目
8芯
18 芯
光缆
电缆
光缆
电缆
重量/(kg·m-1) 0.42
6.3
0.42
重量比
1
15
1
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
发射
现代通信系统课件：数字光纤通信系统
高密度，多芯和低、中损耗
2~20
重量轻，线径细，可挠性好
数字光纤通信系统
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度元件为中心绞合在一起的一种结构， 如 图5. 9(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5.9(b）所示，其芯线数一般适用于几十芯。 (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5. 9(c）所示。由于光纤在骨架沟槽 内具有较大空间，因此当光纤受到张力时，可在槽内做一定的位移，从而减少了光纤芯 线 的应力应变和微变，这种光纤具有耐侧压、抗弯曲、抗拉的特点。 (4）带状式光缆。它是将4～12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5. 9(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光缆。
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5. 4所示。
图5. 3 光的折射示意图
图5. 4 临界角和光线的全反射
数字光纤通信系统
如果不断增大θ 0可使折射角达到90°，这时的θ 1称为临界角。如果继续增大 队，则折射角会大于临界角，使光线全部返回光密媒质中，这种现象称为光的全反 射。
因光纤是石英玻璃材料，所以不怕高温，有防火的性能。因而可用于易燃易爆的环境中。 6.光纤通信保密性好
由于光纤在传输光信号时向外世漏小，不会产生串话等干扰，因而光纤通信保密性好。
5. 1.数2字数光纤字通光信系纤统通信系统的组成
数字光纤通信系统的工作原理
数字光纤通信系统的工作原理数字光纤通信系统是一种高速、高带宽的数据传输技术，其工作原理基于光学和电学的相互作用。
数字光纤通信系统主要由三部分组成：发射机、光纤传输线路和接收机。
发射机是数字光纤通信系统中的第一部分，它将电信号转换为光信号并将其发送到光纤传输线路上。
发射机主要由三个部分组成：激光器、调制器和驱动电路。
激光器是发射机的核心部件，它能够产生高强度、单色、相干的激光束。
调制器则是将电信号转换为激光脉冲的设备，它能够对激光束进行调制以便在传输过程中能够正确地识别出每一个二进制位。
驱动电路则是用来控制调制器的工作状态，以便让其按照正确的时间序列进行工作。
光纤传输线路是数字光纤通信系统中的第二部分，它是负责将激光脉冲从发射机传输到接收机的媒介。
在传输过程中，激光脉冲会在光纤中不断地反射和折射，以保证光信号能够稳定地传输到目的地。
光纤传输线路主要由两个部分组成：光纤和连接器。
光纤是数字光纤通信系统中最重要的部件之一，它具有非常高的抗干扰性和传输带宽。
在数字光纤通信系统中，常用的是单模光纤，它能够将激光脉冲通过一个非常小的核心直接传送到接收机中。
连接器则是用来连接不同段光纤的设备，它能够确保激光脉冲在传输过程中不会受到损失或干扰。
接收机是数字光纤通信系统中的第三部分，它负责将从传输线路上接收到的激光脉冲转换为电信号并将其输出。
接收机主要由两个部分组成：探测器和前置放大器。
探测器是接收机中最重要的部件之一，它能够将从传输线路上接收到的激光脉冲转换为电信号。
前置放大器则是用来增强探测器输出信号强度，并将其输出到后续的数字处理器中进行解码和处理。
总之，数字光纤通信系统是一种高速、高带宽的数据传输技术，其工作原理基于光学和电学的相互作用。
通过发射机将电信号转换为光信号并将其发送到光纤传输线路上，再通过接收机将从传输线路上接收到的激光脉冲转换为电信号并将其输出，从而实现了数字信息在长距离范围内的高速、稳定地传输。
单通道数字光纤通信系统结构与设计
G.652光纤、G.653光纤、G.654光纤
光源的选择
主要考虑信号的色散、码速、传输距离和成本等参数 LD、LED
光检测器的选择
根据系统的码速及传输距离 PIN、APD
工作波长的选择
根据通信距离和容量 850nm、1300nm、1550nm
中继段距离确定
损耗受限；色散受限
模拟信号
6
抽样 4
2 0
量化
T 7
6 5
3
1
2
编码
011 110 111 101 001 010 （3） （6） （7） （5） （1） （2）
例如，电话、语音信号的最高 速率为4 kHz，取抽样频率为 f=8 kHz，抽样周期T=125μs
每个量化信号用8个比特二进 制代码替代。(一个PCM语音信 号的速率为8×8=64kbit/s)
线路确定后就要通过编译码电路来加以实现，即在发送端要把机器内 部码型变换为光纤线路码型，此过程由光端机中的输入接口电路完成， 接收端把收到的光纤线路码型反变换为机器内部码型，此过程由光端机 中的输出接口电路来完成。
线路码型
在PDH通信时代，线路码型可以说是种类繁多、 五花八门，但归根结底可以分为三大类，当然每一类 码型中又可分为许多种。这三大类就是：扰码二进制、 分组码和插入毕特码。 在SDH通信中，由于具有丰富的开销字节使一些 实用化问题得到解决，一般都采用扰码二进制来作为 光线路码，例如STM-4和STM-16 中，都采用七级 扰码将输入的二进制NRZ码进行扰码后作为光线路 码输出。
线路码型
SDH(STM-4)光同步传输设备技术指标
1、STM-4光接口 •比特率 622.080Mbit/s •码型 NRZ(+扰码) •工作波长 1310nm/1550nm 2、STM-1光接口 •比特率 155.520Mbit/s •码型 NRZ(+扰码) •工作波长 1310nm/1550nm
数字光纤通信系统基本组成
数字光纤通讯系统基本构成20 世纪 70 年月末，光纤通讯开始进入适用阶段，各样光纤通讯系统先后成立起来，但当前强度调制－直接检测 (IM-DD) 系统是最常用、最主要的方式，下边就我所理解的光纤系统做一下简要介绍。
数字光纤通讯系统的基本框图以下列图所示。
光发射端机光接收端机光缆光中继器光缆输入接口输出接口备用系统电发射机电接收机协助系统用户用户一、电发射机通讯中传输的很多信号都是模拟信号，如语音信号、图像信号等，电发射机的任务就是把模拟信号变换为数字信号（ A/D 变换），并用时分复用的方式把多路信号复接、合群，进而输出高比特率的数字信号。
PCM 包含抽样、量化、编码、传输、解码、低通等过程。
二、光发射机电发射机的输出电信号经输入接口进入光发射机。
输入接口的作用是保证电、光端机间信号的幅度、阻抗般配，还要进行合适的码型变换，以合适光发射机的要求。
如 PDH 的一、二、三次群 PCM 复接设施的输出码型是 HDB3 码，四次群是 CMI 码，在光发射机中，需要先变换成 NRZ 码。
光发射端机的构成以下列图所示。
数字信号线路编码调制电路光源光信号控制电路1、线路编码线路编码的作用是将传递码流变换成便于在光纤中传输接收及监测的线路码型。
线路编码的种类有：①扰码；②mBnB 码；③插入码。
我国 3 次群和 4 次群光纤通讯系统最常用的线路编码是5B6B 码。
2、调制电路光源的调制方式分直接调制和间接调制。
直接调制仅合用于半导体光源（ LD 和 LED ），它是把要传递的信息转变成电流信号注入 LD 和 LED ，进而获取相应的光信号，是一种电源调制方式。
直接调制分模拟调制和数字调制，模拟调制一般只好使用 LED ，数字调制可使用 LED 也可使用 LD 。
间接调制是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，它既合用于半导体激光器，也适于其余种类激光器。
间接调制最常用的是外调制，即在激光形成此后加载调制信号，详细方法是在激光器谐振腔外的光路上搁置调制器。
光纤通信原理5 系统性能指标
误码参数的定义以块为基础，这有利于 进行在线的误码检测。
块是通道上连续比特的集合。每一比特 属于、且仅属于唯一的一块。
名词解释：
■块Block：由一串连续的比特组成，是 一组与通道有关的连续比特的集合。
■块差错：当与块有关的任意比特发生错 误时，称为块差错。 ■误块：在1块中有一个或多个比特差错， 称为误块。 ■误块秒（ES）：在1秒时间周期内有一 个或多个误块，称为误块秒。
10Hz以下的长期相位变化称 为漂动
产生抖动的原因：
1. 随机噪声 2. 时钟提取电路的性能 3. 多中继器产生的抖动积累 4. 码间干扰等 5. 指针调整
抖动对网络的性能损伤 ：
对数字编码的模拟信号，在解码后数字流的随机 相位抖动使恢复后的样值具有不规则的相位，从 而造成输出模拟信号的失真，形成所谓抖动噪声。
■严重误块秒比（SESR）：在一个确定的测试期 间内，在可用时间内的SES与总秒数之比。
■背景误块比（BBER）：在一个确定的测试期间 内，在可用时间内的BBE与总块数扣除SES中的 所有块后剩余块数之比。
■严重误块周期强度（SEPI）：在一个确定的测 试期间内，在可用时间内，SEP事件数与总秒数 之比。
2.抖动性能
■定义：数字脉冲信号的特定时刻(如最佳判 决时刻)相对于其理想时间位置的短时间偏 离。
■抖动包括两个方面：
a.输入信号脉冲在某一平均位置上左右 变化
b.提取的时钟信号在中心位置上的左右 变化
抖动示意图
理想信号
实际信号
A1
A2
抖动函数
A(t)
A3
A4
抖动 峰－峰值
t
变化频率10Hz以上的相位变 化则称为抖动
在信号再生时，定时的不规则性使有效判决点偏 离接收眼图的中心，从而降低了信噪比裕度，直 至发生误码。
数字光纤通信与模拟光纤通信的区别
数字光纤通信与模拟光纤通信的区别光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式。
１９６６年英籍华人高锟博士发表了一篇划时代性的论文，他提出利用带有包层材料的石英玻璃光学纤维，能作为通信媒质。
从此，开创了光纤通信领域的研究工作。
光纤通信分为“数字光纤通信”和“模拟光纤通信”两大类（1）数字光纤通信系统这是目前光纤通信主要的通信方式。
输入采用脉冲编码（PCM）信号。
数字光纤通信采用二进制信号，信息由脉冲的“有”和“无”表示，所以噪声不影响传输的质量。
而且，数字光纤通信系统采用数字电路，易于集成以减少设备的体积和功耗，转接交换方便，便于与计算机结合等，有利于降低成本。
数字通信的优点是，抗干扰性强，传输质量好。
中继器采用判决再生技术，消除传输过程中的噪声积累，延长传输距离。
数字通信的缺点是所占的频带宽，语音电话占用4kHz的带宽，而数字电话占用20kHz～64kHz的带宽。
而光纤的带宽比金属传输线要宽许多，弥补了数字通信所占频带宽的缺点。
（2）模拟光纤通信系统若输入电信号不采用脉冲编码信号的通信系统即为模拟光纤通信系统。
模拟光纤通信最主要的优点是占用带宽较窄，电路简单，不需要数字系统中的模-数和数-模转换，所以价格便宜。
目前电视传输，广泛采用模拟通信系统采用调频（FM）或调幅（AM）技术，传输几十至上百路电视。
避免了电视数字传输中复杂的编码和解码技术，设备价格昂贵等问题。
这种系统的缺点是光电变换时噪声较大。
在长距离传输时，采用中继站将使噪声积累，故只能应用在短距离传输线路上。
如果希望在较长距离上传输，则要先采取脉冲频率调制，然后再送到光发送机进行光强调制。
由于采用FPM调制后，改善了传输信噪比，故中继距离可达20km以上，而且可以加装中间再生中继器。
其传输总长度可达50km～100km。
数字光纤通信系统是一种通过光纤信道传输数字信号的通信系统。
由于数字信号只取有限个离散值，可以通过取样、判决而再生，所以这种通信系统对信道的非线性失真不敏感，再通信全程中，及时由多次中继、失真（包括线性失真和非线性失真）和噪声也并不会积累。
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1.1 SDH产生的技术背景
SDH是什么——同步数字传输体制。类似于PDH， 均为数字信号传输体制。
产生的社会背景：
1）信息社会要求： 通信网传输、交换、处理大量信息，向数字化、综
合化、智能化、个人化发展。
2）作为通信网的承载体传输网要求： 宽带化——信息高速公路 规范化——世界性统一的标准接口
1.2 PDH的固有缺陷：
在这一章中我们将介绍
1.光纤通信系统的构成； 2 .数字光纤通信系统；
本章重点要求 （Accent)
理解光纤通信系统的概念
掌握光纤通信系统的构成和各
部分的作用
掌握数字光纤通信系统的体制、
性能以及设计
第五章 目 录
5.0 光纤通信系统概述 5.1 两种传输体制 5.2系统的性能指标 5.3系统的设计
5.0 光纤通信系统概述
5.0.1 分类
光纤通信系统根据传送的信号可以分为模拟光纤通
信系统和数字光纤通信系统。
5.0.2 任务与区别
系统设计的任务是：遵循建议规范，采用先进、成
熟技术，综合考虑系统经济成本，合理地选用器件和 设备，明确系统的全部技术参数，完成实用系统的合 成。
它与工程设计主要区别在于：
4、无统一的网管接口，无法形成统一的TMN
因此，PDH体制不适应大容量传输网的组建，SDH体制 应运而升。
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：
一种是以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；
另一种是以2.048 Mb/s为第一级(一次群)基础速率，
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，因而先 后有两种传输体制：准同步数字系列(PDH)和 同步数字系列(SDH)。 PDH早在1976年就实现 了标准化，目前还大量使用。
随着光纤通信技术和网络的发展，PDH遇到
了许多困难。
大家要对SDH 有个整体印象！
内容摘要 (Blurb)
在前面几章中,我们介绍了光纤通信的传输媒
介（光纤和光缆）、光源(LED、LD、DFB)以 及光检测器（PIN、APD）等。
把传媒介质和光通信器件组合起来，就构成
光纤通信系统。 光纤通信既可用于数字通信，也可用于模拟通信。
光纤极宽的传输带宽以及高速的激光器和光检测器， 非常适合高速率、大容量的数字通信。
(2) 误码性能事件 (3) 误码性能指标： 端到端指标
1250 km
本 T参考点 地
交 换
本地 级
中级
27500 km 25000 km
高级
1250 km
中级
本 地 T参考点 交 换
本地 级
3. 抖动和漂移特性
抖动是数字信号传输过程中产生的一种瞬时不
主要有两种，即单极性不归零码（NRZ)， 单极性归零码（RZ)。
采用NRZ码型还是采用RZ码型,与数字光
纤通信系统总体性能有关。
目前在中等码率的数字光纤通信系统中，
多采用RZ码型，而在高速率的数字光纤通 信系统中，采用NRZ码型。
4. 数字光接收机组成框图
数字光接收机组成框图如图5-7所示，光纤传来 的微弱光脉冲信号经光检测器转换为电脉冲，经 前置放大、主放大后送入均衡器，均衡器的作用 是经过均衡后输出的信号波形有利于判决，以得 到最小的误码率。
TM
低速 信号
低速 信号
… …
STM-N
STM-N
TM
AD M
DXC
AD M
TM
STM-n
STM-n
STM-N
STM-N
STM-N
TM
AD M
DXC
STM-N
STM-N
STM-n
(n＜N)
低速 信号
低速 信号
发送顺序
5.2 系统性能指标
为保证通信网正常有效的工作，必须建立一个数字
传输参考模型，确定光纤通信系统在参考模型中的位置 和作用，提出对系统性能指标的要求，从而正确地设计 光纤通信系统。
数字光纤通信系统的性能主要包括误码性能、抖动性能和系
统的可靠性
1. 参考模型
(1) 假设参考通道 (2) 假设参考数字段
2.
(1) 误码概念:① 内部机理产生的误码② 脉冲干扰产生的误
码
东西放在 哪儿了？
140Mb/s 解
复 34Mb/s 解
用
复 用
8Mb/s
解 复
用
复 8Mb/s 用
复 140Mb/s 复 34Mb/s 用
用
2Mb/s
从高速信号插/分低速信号要一级一级进行， 层层的复用/解复用增加了信号的损伤，不利于大容量传输。
3、运行维护功能（OAM）：
OAM决定设备维护成本，与信号帧中开销（冗余） 字节的数量有关； PDH信号帧中用于OAM的开销少，OAM功能弱， 系统安全性差
作为传统的数字传输体制，PDH具有以 下固有的缺陷：
1、接口方面
电接口——只有地区性的电接口规范，无 世界标准。 PDH有3种速率等级：欧洲和中国 （2Mb/s）、日本、北美（1.5Mb/s）。 光接口——无光接口规范，各厂家独自开 发。
设备间互连困难
2、复用方式：
复用/解复用的方式，决定高速信号上/下低速 信号的方便性。 PDH采用异步复用方式： 低速信号在高速信号中的位置无规律性，即无 预知性，即不能从高速信号中直接分离低速信号。
采用的国家有西欧各国和中国
。
PDH缺点——3点
与PDH相比 SDH具有的特点——5点
5.1.2 同步数字系列SDH
1. SDH 2. SDH帧结构 3. 复用原理 4. 数字交叉连接设备
…
1 2 SOH 3 4 AU-P TR 5
SO H
9
9×N
5. SDH的应用
STM-N载荷 (含P OH)
26 1×N 27 0×N
首先系统设计与工程设计的区别表现在复杂程度上。 其次系统设计与工程设计的区别表现在它们的任务不同。
5.0.3 数字系统特点
(1) 抗干扰能力强，传输质量好。 (2) 可以再生，传输距离远。 (3) 数字系统采用大量的数字电路，容易
集成，采用超大规模集成电路芯片使数字 设备体积小，功耗低。
5.0.4 光纤通信系统的构成
5.0.5 数字光纤通信系统
1.数字电视光纤传输系统组成框图
2. 数字光发射机组成框图
数字光发射机组成框图如图所示， 主要包括整 形或码型变换电路，调制电路以及光源等。在一 般情况下，发射机的输入脉冲信号码型都适合于 光纤通信系统所要求的线路码型。
3. 线路码型 适合于数字光纤通信系统的线路码型