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第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)5 1兩種傳輸體制 5 2系統(tǒng)的性能指標 5 3系統(tǒng)的設計 返回主目錄 第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 5 1兩種傳輸體制 光纖大容量數(shù)字傳輸目前都采用同步時分復用 TDM 技術(shù) 復用又分為若干等級 因而先后有兩種傳輸體制 準同步數(shù)字系列 PDH 和同步數(shù)字系列 SDH PDH早在1976年就實現(xiàn)了標準化 目前還大量使用 隨著光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡的發(fā)展 PDH遇到了許多困難 在技術(shù)迅速發(fā)展的推動下 美國提出了同步光纖網(wǎng) SONET 1988年 ITUT 原CCITT 參照SONET的概念 提出了被稱為同步數(shù)字系列 SDH 的規(guī)范建議 SDH解決了PDH存在的問題 是一種比較完善的傳輸體制 現(xiàn)已得到大量應用 這種傳輸體制不僅適用于光纖信道 也適用于微波和衛(wèi)星干線傳輸 5 1 1準同步數(shù)字系列PDH準同步數(shù)字系列有兩種基礎(chǔ)速率 一種是以1 544Mb s為第一級 一次群 或稱基群 基礎(chǔ)速率 采用的國家有北美各國和日本 另一種是以2 048Mb s為第一級 一次群 基礎(chǔ)速率 采用的國家有西歐各國和中國 表5 1是世界各國商用數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的PDH傳輸體制 表中示出兩種基礎(chǔ)速率各次群的速率 話路數(shù)及其關(guān)系 對于以2 048Mb s為基礎(chǔ)速率的制式 各次群的話路數(shù)按4倍遞增 速率的關(guān)系略大于4倍 這是因為復接時插入了一些相關(guān)的比特 對于以1 544Mb s為基礎(chǔ)速率的制式 在3次群以上 日本和北美各國又不相同 看起來很雜亂 PDH各次群比特率相對于其標準值有一個規(guī)定的容差 而且是異源的 通常采用正碼速調(diào)整方法實現(xiàn)準同步復用 1次群至4次群接口比特率早在1976年就實現(xiàn)了標準化 并得到各國廣泛采用 PDH主要適用于中 低速率點對點的傳輸 隨著技術(shù)的進步和社會對信息的需求 數(shù)字系統(tǒng)傳輸容量不斷提高 網(wǎng)絡管理和控制的要求日益重要 寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)和計算機網(wǎng)絡迅速發(fā)展 迫切需要建立在世界范圍內(nèi)統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡 在這種形勢下 現(xiàn)有PDH的許多缺點也逐漸暴露出來 主要有 1 北美 西歐和亞洲所采用的三種數(shù)字系列互不兼容 沒有世界統(tǒng)一的標準光接口 使得國際電信網(wǎng)的建立及網(wǎng)絡的營運 管理和維護變得十分復雜和困難 2 各種復用系列都有其相應的幀結(jié)構(gòu) 沒有足夠的開銷比特 使網(wǎng)絡設計缺乏靈活性 不能適應電信網(wǎng)絡不斷擴大 技術(shù)不斷更新的要求 3 由于低速率信號插入到高速率信號 或從高速率信號分出 都必須逐級進行 不能直接分插 因而復接 分接設備結(jié)構(gòu)復雜 上下話路價格昂貴 5 1 2同步數(shù)字系列SDH1 SDH傳輸網(wǎng) SDH不僅適合于點對點傳輸 而且適合于多點之間的網(wǎng)絡傳輸 圖5 1示出SDH傳輸網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu) 它由SDH終接設備 或稱SDH終端復用器TM 分插復用設備ADM 數(shù)字交叉連接設備DXC等網(wǎng)絡單元以及連接它們的 光纖 物理鏈路構(gòu)成 SDH終端的主要功能是復接 分接和提供業(yè)務適配 例如將多路E1信號復接成STM1信號及完成其逆過程 或者實現(xiàn)與非SDH網(wǎng)絡業(yè)務的適配 ADM是一種特殊的復用器 它利用分接功能將輸入信號所承載的信息分成兩部分 一部分直接轉(zhuǎn)發(fā) 另一部分卸下給本地用戶 然后信息又通過復接功能將轉(zhuǎn)發(fā)部分和本地上送的部分合成輸出 DXC類似于交換機 它一般有多個輸入和多個輸出 通過適當配置可提供不同的端到端連接 圖5 1SDH傳輸網(wǎng)的典型拓撲結(jié)構(gòu) 上述TM ADM和DXC的功能框圖分別如圖5 2 a b c 所示 通過DXC的交叉連接作用 在SDH傳輸網(wǎng)內(nèi)可提供許多條傳輸通道 每條通道都有相似的結(jié)構(gòu) 其連接模型如圖5 3 a 所示 相應的分層結(jié)構(gòu)如圖5 3 b 所示 每個通道 Path 由一個或多個復接段 Line 構(gòu)成 而每一復接段又由若干個再生段 Section 串接而成 與PDH相比 SDH具有下列特點 1 SDH采用世界上統(tǒng)一的標準傳輸速率等級 最低的等級也就是最基本的模塊稱為STM1 傳輸速率為155 520Mb s 4個STM1同步復接組成STM4 傳輸速率為4 155 52Mb s 622 080Mb s 16個STM 1組成STM 16 傳輸速率為2488 320Mb s 以此類推 圖5 2SDH傳輸網(wǎng)絡單元 a 終端復用器TM b 分插復用設備ADM Add DropMultiplexer c 數(shù)字交叉連接設備DXC 圖5 3傳輸通道的結(jié)構(gòu) a 傳輸通道連接模型 b 分層結(jié)構(gòu) 2 SDH各網(wǎng)絡單元的光接口有嚴格的標準規(guī)范 因此 光接口成為開放型接口 任何網(wǎng)絡單元在光纖線路上可以互連 不同廠家的產(chǎn)品可以互通 這有利于建立世界統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡 另一方面 標準的光接口綜合進各種不同的網(wǎng)絡單元 簡化了硬件 降低了網(wǎng)絡成本 有關(guān)光接口標準請參看本書附錄A 3 在SDH幀結(jié)構(gòu)中 豐富的開銷比特用于網(wǎng)絡的運行 維護和管理 便于實現(xiàn)性能監(jiān)測 故障檢測和定位 故障報告等管理功能 在后續(xù)章節(jié)將進行介紹 4 采用數(shù)字同步復用技術(shù) 其最小的復用單位為字節(jié) 不必進行碼速調(diào)整 簡化了復接分接的實現(xiàn)設備 由低速信號復接成高速信號 或從高速信號分出低速信號 不必逐級進行 圖5 4示出PDH和SDH分插信號流程的比較 在PDH中 為了從140Mb s碼流中分出一個2Mb s的支路信號 必須經(jīng)過140 34Mb s 34 8Mb s和8 2Mb s三次分接 而若采用SDH分插復用器 ADM 可以利用軟件一次直接分出和插入2Mb s支路信號 十分簡便 5 采用數(shù)字交叉連接設備DXC可以對各種端口速率進行可控的連接配置 對網(wǎng)絡資源進行自動化的調(diào)度和管理 既提高了資源利用率 又增強了網(wǎng)絡的抗毀性和可靠性 SDH采用了DXC后 大大提高了網(wǎng)絡的靈活性及對各種業(yè)務量變化的適應能力 使現(xiàn)代通信網(wǎng)絡提高到一個嶄新的水平 圖5 4分插信號流程的比較 2 SDH幀結(jié)構(gòu) SDH幀結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)數(shù)字同步時分復用 保證網(wǎng)絡可靠有效運行的關(guān)鍵 圖5 5給出SDH幀一個STMN幀有9行 每行由270 N個字節(jié)組成 這樣每幀共有9 270 N 個字節(jié) 每字節(jié)為8bit 幀周期為125 s 即每秒傳輸8000幀 對于STM1而言 傳輸速率為9 270 8 8000 155 520Mb s 字節(jié)發(fā)送順序為 由上往下逐行發(fā)送 每行先左后右 SDH幀大體可分為三個部分 1 段開銷 SOH 段開銷是在SDH幀中為保證信息正常傳輸所必需的附加字節(jié) 每字節(jié)含64kb s的容量 主要用于運行 維護和管理 如幀定位 誤碼檢測 公務通信 自動保護倒換以及網(wǎng)管信息傳輸 圖5 5SDH幀的一般結(jié)構(gòu) 對于STM 1而言 SOH共使用9 8 第4行除外 72Byte相應于576bit 由于每秒傳輸8000幀 所以SOH的容量為576 8000 4 608Mb s 根據(jù)圖5 3 a 的傳輸通道連接模型 段開銷又細分為再生段開銷 SOH 和復接段開銷 LOH 前者占前3行 后者占5 9行 2 信息載荷 Payload 信息載荷域是SDH幀內(nèi)用于承載各種業(yè)務信息的部分 對于STM1而言 Payload有9 261 2349Byte 相應于2349 8 8000 150 336Mb s的 容量 在Payload中包含少量字節(jié)用于通道的運行 維護和管理 這些字節(jié)稱為通道開銷 POH 3 管理單元指針 AUPTR 管理單元指針是一種指示符 主要用于指示Payload第一個字節(jié)在幀內(nèi)的準確位置 相對于指針位置的偏移量 對于STM1而言 AUPTR有9個字節(jié) 第4行 相應于9 8 8000 0 576Mb s 采用指針技術(shù)是SDH的創(chuàng)新 結(jié)合虛容器 VC 的概念 解決了低速信號復接成高速信號時 由于小的頻率誤差所造成的載荷相對位置漂移的問題 3 復用原理 將低速支路信號復接為高速信號 通常有兩種傳統(tǒng)方法 正碼速調(diào)整法和固定位置映射法 正碼速調(diào)整法的優(yōu)點是容許被復接的支路信號有較大的頻率誤差 缺點是復接與分接相當困難 固定位置映射法是讓低速支路信號在高速信號幀中占用固定的位置 這種方法的優(yōu)點是復接和分接容易實現(xiàn) 但由于低速信號可能是屬于PDH的或由于SDH網(wǎng)絡的故障 低速信號與高速信號的相對相位不可能對準 并會隨時間而變化 SDH采用載荷指針技術(shù) 結(jié)合了上述兩種方法的優(yōu)點 付出的代價是要對指針進行處理 超大規(guī)模集成電路的發(fā)展 為實現(xiàn)指針技術(shù)創(chuàng)造了條件 圖5 6示出載荷包絡與STM1幀的一段關(guān)系與指針所起的作用 通過指針的值 接收端就可以確定載荷的起始位置 ITUT規(guī)定了SDH的一般復用映射結(jié)構(gòu) 所謂映射結(jié)構(gòu) 是指把支路信號適配裝入虛容器的過程 其實質(zhì)是使支路信號與傳送的載荷同步 圖5 6載荷包絡與SDH幀的一般關(guān)系 這種結(jié)構(gòu)可以把目前PDH的絕大多數(shù)標準速率信號裝入SDH幀 圖5 7示出SDH一般復用映射結(jié)構(gòu) 圖中Cn是標準容器 用來裝載現(xiàn)有PDH的各支路信號 即C11 C12 C2 C3和C4分別裝載1 5Mb s 2Mb s 6Mb s 34Mb s 45Mb s和140Mb s 的支路信號 并完成速率適配處理的功能 在標準容器的基礎(chǔ)上 加入少量通道開銷 POH 字節(jié) 即組成相應的虛容器VC VC的包絡與網(wǎng)絡同步 但其內(nèi)部則可裝載各種不同容量和不同格式的支路信號 所以引入虛容器的概念 使得不必了解支路信號的內(nèi)容 便可以對裝載不同支路信號的VC進行同步復用 交叉連接和交換處理 實現(xiàn)大容量傳輸 圖5 7SDH的一般復用映射結(jié)構(gòu) 由于在傳輸過程中 不能絕對保證所有虛容器的起始相位始終都能同步 所以要在VC的前面加上管理單元指針 AUPTR 以進行定位校準 加入指針后組成的信息單元結(jié)構(gòu)分為管理單元 AU 和支路單元 TU AU由高階VC 如VC 4 加AU指針組成 TU由低階VC加TU指針組成 TU經(jīng)均勻字節(jié)間插后 組成支路單元組 TUG 然后組成AU3或AU4 3個AU3或1個AU4組成管理單元組 AUG 加上段開銷SOH 便組成STM1同步傳輸信號 N個STM1信號按字節(jié)同步復接 便組成STMN 最簡單的例子是 由PDH的4次群信號到SDH的STM1的復接過程 把139 264Mb s的信號裝入容器C4 經(jīng)速率適配處理后 輸出信號速率為149 760Mb s 在虛容器VC4內(nèi)加上通道開銷POH 每幀9Byte 相應于0 576Mb s 后 輸出信號速率為150 336Mb s 在管理單元AU4內(nèi) 加上管理單元指針AUPTR 每幀9Byte 相應于0 576Mb s 輸出信號速率為150 912Mb s 由1個AUG加上段開銷SOH 每幀72Byte 相應于4 608Mb s 輸出信號速率為155 520Mb s 即為STM1 4 數(shù)字交叉連接設備 數(shù)字交叉連接設備 DXC 相當于一種自動的數(shù)字電路配線架 圖5 2表示的是SDH的DXC 也適合于PDH 其核心部分是可控的交叉連接開關(guān) 空分或時分 矩陣 參與交叉連接的基本電路速率可以等于或低于端口速率 它取決于信道容量分配的基本單位 一般每個輸入信號被分接為m個并行支路信號 然后通過時分 或空分 交換網(wǎng)絡 按照預先存放的交叉連接圖或動態(tài)計算的交叉連接圖對這些電路進行重新編排 最后將重新編排后的信號復接成高速信號輸出 通常用DXCX Y來表示一個DXC的配置類型 其中第一個數(shù)字X表示輸入端口速率的最高等級 第二個數(shù)字Y表示參與交叉連接的最低速率等級 數(shù)字0表示64kb s電路速率 數(shù)字1 2 3 4分別表示PDH的1至4次群的速率 其中4也代表SDH的STM1等級 數(shù)字5和6分別代表SDH的STM4和STM 等級 例如 DXC1 0表示輸入端口的最高速率為一次群信號的速率 E1 2 048Mb s 而交叉連接的基本速率為64kb s DXC4 1表示輸入端口的最高速率為155 52Mb s 對于SDH 或140Mb s 對于PDH 而交叉連接的基本速率為2 048Mb s 目前應用最廣泛的是DXC1 0 DXC4 1和DXC4 4 交叉連接設備與交換機的區(qū)別有 1 DXC的輸入輸出不是單個用戶話路 而是由許多話路組成的群路 2 兩者都能提供動態(tài)的通道連接 但連接變動的時間尺度是不同的 前者按大量用戶的集合業(yè)務量的變化及網(wǎng)絡的故障狀況來改變連接 由網(wǎng)管系統(tǒng)配置 后者按照用戶的呼叫請求來建立或改變連接 由信令系統(tǒng)實現(xiàn)呼叫連接控制 DXC在干線傳輸網(wǎng)中的主要用途是實現(xiàn)自動化的網(wǎng)絡配置管理 主要功能有 分離本地交換業(yè)務和非本地交換業(yè)務 為非本地交換業(yè)務迅速提供可用路由 為臨時性重要事件 如運動會 發(fā)生地震等 迅速提供通信電路 當網(wǎng)絡發(fā)生故障 如某些干線中斷 時 能迅速提供網(wǎng)絡的重新配置 根據(jù)業(yè)務流量的季節(jié)變化使網(wǎng)絡配置最佳化 當網(wǎng)絡中混合使用PDH和SDH時 可作為PDH與SDH的網(wǎng)關(guān) 5 SDH的應用 SDH可用于點對點傳輸 圖5 8 鏈形網(wǎng) 圖5 9 和環(huán)形網(wǎng) 圖5 10 SDH環(huán)形網(wǎng)的一個突出優(yōu)點是具有 自愈 能力 當某節(jié)點發(fā)生故障或光纜中斷時 仍能維持一定的通信能力 所以 SDH環(huán)網(wǎng)目前得到廣泛的應用 當然 SDH通過ADM和DXC等網(wǎng)絡單元可以構(gòu)成更為復雜的網(wǎng)形網(wǎng) 如圖5 1所示 這種SDH網(wǎng)絡的主要特點是端到端之間存在一條以上的路徑 可同時構(gòu)成一條以上的傳輸通道 通過DXC的靈活配置 使網(wǎng)絡具有更好的抗毀性和更高的可靠性 圖5 8SDH用于點對點傳輸 圖5 9SDH鏈形網(wǎng) 圖5 10SDH環(huán)形網(wǎng) 雙環(huán) 5 2系統(tǒng)的性能指標 5 2 1參考模型 為進行系統(tǒng)性能研究 ITUT 原CCITT 建議中提出了一個數(shù)字傳輸參考模型 稱為假設參考連接 HRX 見圖5 11 最長的HRX是根據(jù)綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng) ISDN 的性能要求和64kb s信號的全數(shù)字連接來考慮的 假設在兩個用戶之間的通信可能要經(jīng)過全部線路和各種串聯(lián)設備組成的數(shù)字網(wǎng) 而且任何參數(shù)的總性能逐級分配后應符合用戶的要求 如圖5 11所示 最長的標準數(shù)字HRX為27500km 它由各級交換中心和許多假設參考數(shù)字鏈路 HRDL 組成 標準數(shù)字HRX的總性能指標按比例分配給HRDL 使系統(tǒng)設計大大簡化 圖5 11標準數(shù)字假設參考連接HRX 建議的HRDL長度為2500km 但由于各國國土面積不同 采用的HRDL長度也不同 例如我國采用5000km 美國和加拿大采用6400km 而日本采用2500km HRDL由許多假設參考數(shù)字段 HRDS 組成 見圖5 12所示 在建議中用于長途傳輸?shù)腍RDS長度為280km 用于市話中繼的HRDS長度為50km 我國用于長途傳輸?shù)腍RDS長度為420km 一級干線 和280km 二級干線 兩種 假設參考數(shù)字段的性能指標從假設參考數(shù)字鏈路的指標分配中得到 并再度分配給線路和設備 圖5 12假設參考數(shù)字段HRDS 5 2 2系統(tǒng)的主要性能指標1 誤碼率 BER 誤碼率是衡量數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量優(yōu)劣的非常重要的指標 它反映了在數(shù)字傳輸過程中信息受到損害的程度 BER是在一個較長時間內(nèi)的傳輸碼流中出現(xiàn)誤碼的概率 它對話音影響的程度取決于編碼方法 對于PCM而言 誤碼率對話音的影響程度如表5 2所示 由于誤碼率隨時間變化 用長時間內(nèi)的平均誤碼率來衡量系統(tǒng)性能的優(yōu)劣 顯然不夠準確 在實際監(jiān)測和評定中 應采用誤碼時間百分數(shù)和誤碼秒百分數(shù)的方法 如圖5 13所示 規(guī)定一個較長的監(jiān)測時間TL 例如幾天或一個月 并把這個時間分為 可用時間 和 不可用時間 圖5 13誤碼率隨時間的變化 在連續(xù)10s時間內(nèi) BER劣于1 10 3 為 不可用時間 或稱系統(tǒng)處于故障狀態(tài) 故障排除后 在連續(xù)10s時間內(nèi) BER優(yōu)于1 10 3 為 可用時間 對于 64kb s 的數(shù)字信號 BER 1 10 3 相應于每秒有64個誤碼 同時 規(guī)定一個較短的取樣時間T0和誤碼率門限值BERth 統(tǒng)計BER劣于BERth的時間 并用劣化時間占可用時間的百分數(shù)來衡量系統(tǒng)誤碼率性能的指標 對于目前的電話業(yè)務 傳輸一路PCM電話的速率為64kb s 研究分析表明 合適的誤碼率參數(shù)和假設參考連接HRX的誤碼率指標如表5 3所示 對三種誤碼率參數(shù)和指標說明如下 劣化分 DM 誤碼率為1 10 6時 感覺不到干擾的影響 選為BERth 每次通話時間平均3 5min 選擇取樣時間 T 0為1min是合適的 監(jiān)測時間以較長為好 選擇TL為1個月 定義誤碼率劣于1 10 6的分鐘數(shù)為劣化分 DM HRX指標要求劣化分占可用分 可用時間減去嚴重誤碼秒累積的分鐘數(shù) 的百分數(shù)小于10 嚴重誤碼秒 SES 由于某些系統(tǒng)會出現(xiàn)短時間內(nèi)大誤碼率的情況 嚴重影響通話質(zhì)量 因此引入嚴重誤碼秒這個參數(shù) 選擇監(jiān)測時間TL為1個月 取樣時間T0為1s 定義誤碼率劣于1 10 3的秒鐘數(shù)為嚴重誤碼秒 SES HRX指標要求嚴重誤碼秒占可用秒的百分數(shù)小于0 2 誤碼秒 ES 選擇監(jiān)測時間TL為1個月 取樣時間T0為1s 誤碼率門限值BERth 0 定義凡是出現(xiàn)誤碼 即使只有1bit 的秒數(shù)稱為誤碼秒 ES HRX指標要求誤碼秒占可用秒的百分數(shù)小于8 相應地 不出現(xiàn)任何誤碼的秒數(shù)稱為無誤碼秒 EFS 指標要求無誤碼秒占可用秒的百分數(shù)大于92 表5 3列出的是標準數(shù)字假設參考連接HRX 27500km 的誤碼率總指標 為了設計需要 必須把總指標按不同等級的電路質(zhì)量分配到各部分 圖5 14示出最長HRX的電路質(zhì)量等級劃分 圖中高級和中級之間沒有明顯的界限 我國長途一級干線和長途二級干線都應視為高級電路 長途二級以下和本地級合并考慮 表5 4示出HRX誤碼率總指標按等級的分配 表5 5的誤碼率三項指標監(jiān)測時間為1個月 在工程驗收時執(zhí)行存在一定困難 通常采用長期平均誤碼率來衡量 監(jiān)測時間為24h 假設誤碼為泊松分布 誤碼率三項指標都可以換算為長期平均誤碼率 根據(jù)原CCITT的建議 對于25000km高級電路長期平均誤碼率BERav至少為1 10 7 按長度比例進行線性折算 得到每公里BERav 4 10 12 km 所以280km和420km數(shù)字段的BERav分別為1 12 10 9和1 68 10 9 因此取1 10 9作為標準 圖5 14最長HRX的電路質(zhì)量等級劃分 我國長途光纜通信系統(tǒng)進網(wǎng)要求中規(guī)定 長度短于420km時 按1 10 9計算 長度長于420km時 先按長度比例進行折算 再按長度累計附加進去 設計值應比實際要求高1個數(shù)量級 即短于420km數(shù)字段按BERav 1 10 10設計 50km中繼段按BERav 1 10 11設計 2 抖動 抖動是數(shù)字信號傳輸過程中產(chǎn)生的一種瞬時不穩(wěn)定現(xiàn)象 抖動的定義是 數(shù)字信號在各有效瞬時對標準時間位置的偏差 偏差時間范圍稱為抖動幅度 JPP 偏差時間間隔對時間的變化率稱為抖動頻率 F 這種偏差包括輸入脈沖信號在某一平均位置左右變化 和提取時鐘信號在中心位置左右變化 見圖5 15所示 圖5 15抖動示意圖 抖動現(xiàn)象相當于對數(shù)字信號進行相位調(diào)制 表現(xiàn)為在穩(wěn)定的脈沖圖樣中 前沿和后沿出現(xiàn)某些低頻干擾 其頻率一般為0 2kHz 抖動單位為UI 表示單位時隙 當脈沖信號為二電平NRZ時 1UI等于1bit信息所占時間 數(shù)值上等于傳輸速率fb的倒數(shù) 抖動嚴重時 使得信號失真 誤碼率增大 完全消除抖動是困難的 因此在實際工程中 需要提出容許最大抖動的指標 光纖通信系統(tǒng)各次群輸入口對抖動容限的要求如表5 6所示 全程各次群輸出口對抖動容限的要求如表5 7所示 表中括號內(nèi)的數(shù)值是對數(shù)字段的要求 表5 6和表5 7各符號的意義如圖5 16所示 圖5 16表5 6和表5 7的圖解說明 5 2 3可靠性衡量通信系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣除上述性能指標外 可靠性也是一個重要指標 它直接影響通信系統(tǒng)的使用 維護和經(jīng)濟效益 對光纖通信系統(tǒng)而言 可靠性包括光端機 中繼器 光纜線路 輔助設備和備用系統(tǒng)的可靠性 確定可靠性一般采用故障統(tǒng)計分析法 即根據(jù)現(xiàn)場實際調(diào)查結(jié)果 統(tǒng)計足夠長時間內(nèi)的故障次數(shù) 確定每兩次故障的時間間隔和每次故障的修復時間 1 可靠性表示方法 1 可靠性R和故障率 可靠性是指在規(guī)定的條件和時間內(nèi)系統(tǒng)無故障工作的概率 它反映系統(tǒng)完成規(guī)定功能的能力 可靠性R通常用故障率 表示 兩者的關(guān)系為 R exp t 5 1 故障率 是系統(tǒng)工作到時間t 在單位時間內(nèi)發(fā)生故障 功能失效 的概率 的單位為10 9 h 稱為菲特 fit 1fit等于在109h內(nèi)發(fā)生一次故障的概率 如果通信系統(tǒng)由n個部件組成 且故障率是統(tǒng)計無關(guān)的 則系統(tǒng)的可靠性Rs可表示為Rs R1 R2 Rn exp st 5 2 式中 Ri和 i分別為系統(tǒng)第i個部件的可靠性和故障率 2 故障率 和平均故障間隔時間MTBF 兩者的關(guān)系為 3 可用率A和失效率PF 可用率A是在規(guī)定時間內(nèi) 系統(tǒng)處于良好工作狀態(tài)的概率 它可以表示為 式中 MTTR 為平均故障修復時間 不可用時間 失效率PF可以表示為 由式 5 4 和式 5 5 得到 PF 1 A 100 5 6 在有備用系統(tǒng)的情況下 失效率為 PF 5 7 式中m和n分別為主用系統(tǒng)數(shù)和備用系統(tǒng)數(shù) P MTTR MTBF 2 可靠性指標根據(jù)國家標準的規(guī)定 具有主備用系統(tǒng)自動倒換功能的數(shù)字光纜通信系統(tǒng) 容許5000km雙向全程每年4次全阻故障 對應于420km和280km數(shù)字段雙向全程分別約為每3年1次和每5年1次全阻故障 市內(nèi)數(shù)字光纜通信系統(tǒng)的假設參考數(shù)字鏈路長為100km 容許雙向全程每年4次全阻故障 對應于50km數(shù)字段雙向全程每半年1次全阻故障 此外 要求LD光源壽命大于10 104h PINFET壽命大于50 104h APD壽命大于 50 104h 根據(jù)上述標準 以5000km為基準 按長度平均分配給各種數(shù)字段長度 相應的全年指標如表5 8所示 假設平均故障修復時間MTTR 6h 某些國產(chǎn)設備的可靠性指標列于表5 9 5 3系統(tǒng)的設計 對數(shù)字光纖通信系統(tǒng)而言 系統(tǒng)設計的主要任務是 根據(jù)用戶對傳輸距離和傳輸容量 話路數(shù)或比特率 及其分布的要求 按照國家相關(guān)的技術(shù)標準和當前設備的技術(shù)水平 經(jīng)過綜合考慮和反復計算 選擇最佳路由和局站設置 傳輸體制和傳輸速率以及光纖光纜和光端機的基本參數(shù)和性能指標 以使系統(tǒng)的實施達到最佳的性能價格比 在技術(shù)上 系統(tǒng)設計的主要問題是確定中繼距離 尤其對長途光纖通信系統(tǒng) 中繼距離設計是否合理 對系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟效益影響很大 中繼距離的設計有三種方法 最壞情況法 參數(shù)完全已知 統(tǒng)計法 所有參數(shù)都是統(tǒng)計定義 和半統(tǒng)計法 只有某些參數(shù)是統(tǒng)計定義 這里我們采用最壞情況設計法 用這種方法得到的結(jié)果 設計的可靠性為100 但要犧牲可能達到的最大長度 中繼距離受光纖線路損耗和色散 帶寬 的限制 明顯隨傳輸速率的增加而減小 中繼距離和傳輸速率反映著光纖通信系統(tǒng)的技術(shù)水平 5 3 1中繼距離受損耗的限制圖5 17示出了無中繼器和中間有一個中繼器的數(shù)字光纖線路系統(tǒng)的示意圖 圖中符號 T T 光端機和數(shù)字復接分接設備的接口 Tx 光發(fā)射機或中繼器發(fā)射端 Rx 光接收機或中繼器接收端 C1 C2 光纖連接器 S 靠近Tx的連接器C1的接收端 R 靠近Rx的連接器C2的發(fā)射端 SR 光纖線路 包括接頭 圖5 17數(shù)字光纖線路系統(tǒng) a 無中繼器 b 一個中繼器 如果系統(tǒng)傳輸速率較低 光纖損耗系數(shù)較大 中繼距離主要受光纖線路損耗的限制 在這種情況下 要求S和R兩點之間光纖線路總損耗必須不超過系統(tǒng)的總功率衰減 即 L f s m Pt Pr 2 c Me 或 L 式中 Pt為平均發(fā)射光功率 dBm Pr為接收靈敏度 dBm c為連接器損耗 dB 對 Me為系統(tǒng)余量 dB f為光纖損耗系數(shù) dB km s為每km光纖平均接頭損耗 dB km m為每km光纖線路損耗余量 dB km L為中繼距離 km 式 5 8 的計算是簡單的 式中參數(shù)的取值應根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)水平和系統(tǒng)設計需要來確定 平均發(fā)射光功率Pt取決于所用光源 對單模光纖通信系統(tǒng) LD的平均發(fā)射光功率一般為 3 9dBm LED平均發(fā)射光功率一般為 20 25dBm 光接收機靈敏度Pr取決于光檢測器和前置放大器的類型 并受誤碼率的限制 隨傳輸速率而變化 表5 10示出長途光纖通信系統(tǒng)BERav 1 10 10時的接收靈敏度Pr 連接器損耗一般為0 3 1dB 對 設備余量Me包括由于時間和環(huán)境的變化而引起的發(fā)射光功率和接收靈敏度下降 以及設備內(nèi)光纖連接器性能劣化 Me一般不小于3dB 光纖損耗系數(shù) f取決于光纖類型和工作波長 例如單模光纖在1310nm f為0 4 0 45dB km 在1550nm f為0 22 0 25dB km 光纖損耗余量 m一般為0 1 0 2dB km 但一個中繼段總余量不超過5dB 平均接頭損耗可取0 05dB 個 每千米光纖平均接頭損耗 s可根據(jù)光纜生產(chǎn)長度計算得到 根據(jù)ITU T 原CCITT G 955建議 用LD作光源的常規(guī)單模光纖 G 652 系統(tǒng) 在S和R之間數(shù)字光纖線路的容限如表5 11所示 5 3 2中繼距離受色散 帶寬 的限制 如果系統(tǒng)的傳輸速率較高 光纖線路色散較大 中繼距離主要受色散 帶寬 的限制 為使光接收機靈敏度不受損傷 保證系統(tǒng)正常工作 必須對光纖線路總色散 總帶寬 進行規(guī)范 我們要討論的問題是 對于一個傳輸速率已知的數(shù)字光纖線路系統(tǒng) 允許的線路總色散是多少 并據(jù)此計算中繼距離 對于數(shù)字光纖線路系統(tǒng)而言 色散增大 意味著數(shù)字脈沖展寬增加 因而在接收端要發(fā)生碼間干擾 使接收靈敏度降低 或誤碼率增大 嚴重時甚至無法通過均衡來補償 使系統(tǒng)失去設計的性能 設傳輸速率為fb 1 T 發(fā)射脈沖為半占空歸零 RZ 碼 輸出脈沖為高斯波形 如圖5 18所示 高斯波形可以表示為 g t exp 5 9 式中 為均方根 rms 脈沖寬度 把 T a定義為相對 rms脈沖寬度 碼間干擾 的定義如圖5 18所示 由式 5 9 和圖5 18得到 由式 5 10 得到a和 的數(shù)值關(guān)系 并列于表5 12 圖5 18高斯波形的碼間干擾 美國Bell實驗室S D Personick的早期研究中 曾建議采用下列標準來考查光纖線路色散對系統(tǒng)傳輸性能的限制 當a 0 25時 碼間干擾 只有峰值的0 034 完全可以忽略不計 當a 0 5時 增加到13 5 此時功率代價為7 8dB 難以通過均衡進行補償 一般系統(tǒng)設計選取a 0 25 0 35 功率代價不超過2dB 為確定中繼距離和光纖線路色散 帶寬 的關(guān)系 把輸出脈沖用半高全寬度 FWHM 表示 即 式中 0 4247 aT a為相對rms脈沖寬度 T 1 fb fb為系統(tǒng)的比特傳輸速率 f為光纖線路 FWHM 脈沖展寬 取決于所用光纖類型和色散特性 對于多模光纖系統(tǒng) 色散特性通常用3dB帶寬表示 如式 2 47b 所示 因此 f 0 44 B B為長度等于L的光纖線路總帶寬 它與單位長度光纖帶寬的關(guān)系為B B1 L B1為1km光纖的帶寬 通常由測試確定 0 5 1 稱為串接因子 取決于系統(tǒng)工作波長 光纖類型和線路長度 把這些關(guān)系代入式 5 11 并取a 0 25 0 35 得到光纖線路總帶寬B和速率fb的關(guān)系為 B 0 83 0 56 fb 5 12 中繼距離L與1km光纖帶寬B1的關(guān)系為B1 BL 所以 L 1 21 1 78 1 fb 1 5 13 或?qū)懗?L fb 1 21 1 78 B1 5 14 以fb為參數(shù) B1與L的關(guān)系示于圖5 19 圖中取 T 0 3 0 75 由此可見 中繼距離L與傳輸速率fb的乘積取決于1km光纖的帶寬 色散 這個乘積反映了光纖通信系統(tǒng)的技術(shù)水平 圖5 191km光纖帶寬B1與中繼距離L的關(guān)系 對于單模光纖系統(tǒng) f 2 355 f f為光纖線路rms脈沖展寬 由式 2 55b 取一級近似 得到 f C0 L C0 C 0 為在光源中心波長 0光纖的色散 ps nm km 為光源譜線寬度 nm L為光纖線路長度 km 把這些關(guān)系式代入式 5 11 同樣得到一個簡明的公式 設取a T 0 25 得到中繼距離 L 在這個基礎(chǔ)上 根據(jù)原CCITT建議 對于實際的單模光纖通信系統(tǒng) 受色散限制的中繼距離L可以表示為 式中 Fb是線路碼速率 Mb s 與系統(tǒng)比特速率不同 它要隨線路碼型的不同而有所變化 C0是光纖的色散系數(shù) ps nm km 它取決于工作波長附近的光纖色散特性 為光源譜線寬度 nm 對多縱模激光器 MLM LD 為rms寬度 對單縱模激光器 SLMLD 為峰值下降20dB的寬度 是與功率代價和光源特性有關(guān)的參數(shù) 對于MLMLD 0 115 對于SLMLD 0 306 由于光纖制造工藝的偏差 光纖的零色散波長不會全部等于標稱波長值 而是分布在一定的波長范圍內(nèi) 同樣 光源的峰值波長也是分配在一定波長范圍內(nèi) 并不總是和光纖的零色散波長度相重合 對于G 652規(guī)范的單模光纖 波長為1285 1330nm 色散系數(shù)C不得超過 3 5ps nm km 波長為1270 1340nm C不得超過6ps nm km S和R兩點之間最大色散CL ps nm 的容限如表5 11所示 由表可知 在140Mb s以上的單模光纖通信系統(tǒng)中 色散的限制是不可忽視的 5 3 3中繼距離和傳輸速率光纖通信系統(tǒng)的中繼距離受損耗限制時由式 5 8 確定 中繼距離受色散限制時由式 5 13 多模光纖 和式 5 15 或式 5 16 單模光纖 確定 從損耗限制和色散限制兩個計算結(jié)果中 選取較短的距離 作為中繼距離計算的最終結(jié)果 以140Mb s單模光纖通信系統(tǒng)為例計算中繼距離 設系統(tǒng)平均發(fā)射功率Pt 3dBm 接收靈敏度Pr 42dBm 設備余量Me 3dB 連接器損耗 c 0 3dB 對 光纖損耗系數(shù) f 0 35dB km 光纖余量 m 0 1dB km 每km光纖平均接頭損耗 s 0 03dB km 把這些數(shù)據(jù)代入式 5 8 得到中繼距離 又設線路碼型為5B6B 線路碼速率 b 140 6 5 168Mb s C0 3 0ps nm km 2 5nm 把這些數(shù)據(jù)代入式 5 16 得到中繼距離 在工程設計中 中繼距離應取74km 在本例中中繼距離主要受損耗限制 但是 如果假設 C0 3 5ps nm km 3nm 而上述其他參數(shù)不變 根據(jù)式 5 16 計算得到的中繼距離L 65km 則此時中繼距離主要受色散限制 中繼距離應確定為65km 圖5 20示出各種光纖的中繼距離和傳輸速率的關(guān)系 包括損耗限制和色散限制的結(jié)果 由圖5 20可見 對于波長為0 85 m的多模光纖 由于損耗大 中繼距離一般在20km以內(nèi) 傳輸速率很低 SIF光纖的速率不如同軸線 GIF光纖的速率在0 1Gb s以上就受到色散限制 單模光纖在長波長工作 損耗大幅度降低 中繼距離可達100 200km 在1 31 m零色散波長附近 當速率超過1Gb s時 中繼距離才受色散限制 在1 55 m波長上 由于色散大 通常要用單縱模激光器 理想系統(tǒng)速率可達5Gb s 但實際系統(tǒng)由于光源調(diào)制產(chǎn)生頻率啁啾 導致譜線展寬 速率一般限制為2Gb s 采用色散移位光纖和外調(diào)制技術(shù) 可以使速率達到20Gb s以上 圖5 20各種光纖的中繼距離和傳輸速率的關(guān)系 現(xiàn)在可以把反映光纖傳輸系統(tǒng)技術(shù)水平的指標 速率 距離 fb L 乘積大體歸納如下 0 85 m SIF光纖 fb L 0 01 1 0 01 Gb s km 0 85 m GIF光纖 fb L 0 1 20 2 0 Gb s km 1 31 m SMF光纖 fb L 1 125 125 Gb s km 1 55 m SMF光纖 fb L 2 75 150 Gb s km 1 55 m DSF光纖 fb L 20 80 1600 Gb s km