1、第6章 光纖通信系統6.1 系統的性能指標6.2 系統的設計第1頁，共54頁。第6章 光纖通信系統目標了解光纖通信系統的系統參考模型了解并掌握系統的性能指標了解系統設計中的損耗受限系統和色散受限系統掌握系統中繼距離和傳輸速率的計算第2頁，共54頁。6.1系統的性能指標 光纖通信系統是數字通信網的一個重要組成部分。為保證通信網正常有效的工作，必須建立一個數字傳輸模型，確定光纖通信系統在參考模型中的位置和作用，提出對系統性能指標的要求，從而正確地設計光纖通信系統。第3頁，共54頁。6.1.1 系統參考模型 為了滿足整個通信網正常運作的要求，必須對數字光纖通信系統性能指標進行規范；為了保證這些質量指

2、標，必須對數字光纖通信系統的各個光接口和電接口的指標提出一定的要求；實際上，通常以通信距離最長、結構最為復雜、傳輸質量最差的連接作為傳輸質量的核算對象。只要這種連接方式的傳輸性能能滿足要求，其它的情況就自然滿足。為此，原CCITT（現ITU-T）提出了數字傳輸模型（又稱為系統參考模型）。 第4頁，共54頁。數字傳輸模型包括假設參考連接（Hypothesis Reference Connection，HRX），假設參考數字鏈路（Hypothesis Reference Digital Link，HRDL），假設參考數字段（Hypothesis Reference Digital Section，

3、HRDS）和中繼段等模型。HRX是指電信網中一個具有規定結構、長度和性能的假設連接，是研究網絡性能的一種模型，可根據與網絡性能指標相比較導出各個較小實體部分的指標。標準數字假設參考連接HRX如圖6-1所示，給出根據綜合業務數字網（ISDN）的性能要求和64kbit/s信號的全數字連接考慮的標準的最長HRX示意圖。 第5頁，共54頁。圖6-1 標準數字假設參考連接HRX第6頁，共54頁。為了便于研究數字傳輸損傷及性能指標的分配，需要規定一個具有一定組成和長度的網絡模型，為此，引入假設參考數字鏈路（HRDL），又稱為假設參考數字通道（HRDP）。所謂HRDL是指與交換機或終端設備相連的兩個數字配線

4、架（或其等效設備）間用以傳送規定速率的數字信號的全部裝置，但不包括交換機，其構成是一個數字鏈路。HRDL是HRX的一個重要的組成部分，介于交換中心之間或本地交換與T參考點之間。一個標準HRX可由若干個HRDL組成。因而允許把總的性能指標分配到較小的實體（HRDL）中，從而方便了傳輸性能的研究分析。一個HRDL的合適長度，IIU-T建議為2500km，它包括足夠量的復接/分接設備以及傳輸系統，但允許國土面積較大的國家自行規定。美國和加拿大用6400km，而我國采用5000km。第7頁，共54頁。為了適應傳輸系統的性能規范，還要引入一個比HRDL更短的傳輸模型，稱之為假設參考數字段HBDS如圖6-

5、2所示。HRDS是具有一定長度和指標規范的數字段。兩個相鄰數字配線架之間用來傳送一種規定速率的數字信號的全部裝置構成一個數字段。數字段可分為數字有線段（如光纜系統）和數字無線段（如微波系統）。圖中，Y表示HRDS的長度（km），它取決于實際應用情況；Xkbit/s表示 G702建議中所規定的各種數字系列比特率之一。HRDS是HRDL的組成部分，它包括兩端的傳輸終端設備，但不包括如復接/分接設備。HRDS是數字光纖通信設計中最常用的模型之一，HRDL的性能指標可再分沉到HRDS上。第8頁，共54頁。圖6-2 假設參考數字段HRDS一個HRDS可由若干個中繼段組成，每個中繼段一級為3050km，取

6、決于光纜性能及各項設備指標。中繼段的性能指標由HRDS再分配而得到。第9頁，共54頁。6.1.2 誤碼性能所謂誤碼，是指經光接收機的接收與判決再生之后，碼流中的某些比特發生了差錯。傳統上常用長期平均誤碼率（BER）來衡量系統的誤碼性能，BER是在某一規定的觀測時間內的傳輸碼流中出現誤碼的概率，即發生差錯的比特數和傳輸比特總數之比，如110-10。第10頁，共54頁。由于誤碼率隨時間變化，用長時間內的平均誤碼率來衡量系統性能的優劣，顯然不夠準確。在實際監測和評定中，應采用誤碼時間百分數和誤碼秒百分數的方法。規定一個較長的監測時間（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

7、間”。在連續10s時間內，BER劣于110-3，為“不可用時間”，或稱系統處于故障狀態；故障排除后，在連續10s時間內，BER優于110-3，為“可用時間”。對于64kbit/s的數字信號，BER=110-3，相應于每秒有64個誤碼。同時，規定一個較短的取樣時間T 0 和誤碼率門限值BERth ，統計BER劣于BERth的時間，并用劣化時間占可用時間的百分數來衡量系統誤碼率性能的指標。第11頁，共54頁。但平均誤碼率是一個長期效應，它只給出一個平均累積結果。而實際上誤碼的出現往往呈突發性質，且具有極大的隨機性，因此除了平均誤碼率之外還應該有一些短期度量誤碼的參數，即劣化分、誤碼秒與嚴重誤碼秒。

8、對于目前的電話業務，傳輸一路PCM電話的速率為64kbit/s。研究分析表明，合適的誤碼率參數和HRX的誤碼率指標見表6-1。第12頁，共54頁。表6-1 誤碼率參數和HRX的誤碼率指標誤碼率參數 定 義 指標 長期平均誤碼率劣化分（DM）BER劣于10-6的分數10%6.210-7嚴重誤碼秒（SES） BER劣于10-3的秒數 0.2% 310-5 誤碼秒（ES） BER0的秒數 8% 1.310-6 第13頁，共54頁。對三種誤碼率參數和指標說明如下： 劣化分（DM）：定義誤碼率劣于110-6的分鐘數為劣化分（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）的百分

9、數小于10%。嚴重誤碼秒（SES）：誤碼率劣于110-3的秒鐘數為嚴重誤碼秒（SES）。HRX指標要求嚴重誤碼秒占可用秒的百分數小于0.2%。誤碼秒（ES）：凡是出現誤碼（即使只有1bit）的秒數稱為誤碼秒（ES）。HRX指標要求誤碼秒占可用秒的百分數小于8%。相應地，不出現任何誤碼的秒數稱為無誤碼秒（EFS），指標要求無誤碼秒占可用秒的百分數大于92%。第14頁，共54頁。此外，無論是BER還是ES與SES，都是針對假設參考數字段（HRDS）而言。即兩個相鄰數字配線架之間的全部裝置構成一個數字段，而具有一定長度和指標規范的數字段叫做假設參考數字段。我國規定有三種HRDS，即長度分別為50km

10、、280km和420km。在總測量時間不少于一個月的情況下，HRDS的誤碼指標見表6-2（PDH）。第15頁，共54頁。表6-2 HRDS的誤碼指標數字段長度/km ES SES 500.16% 0.002% 2800.036% 0.00045% 4200.054% 0.00067% 第16頁，共54頁。SDH則規定了類似的誤碼指標，即誤塊秒比（ESR）、嚴重誤塊秒比（SESR）和背景誤塊比（BBER）。 誤塊：當塊中的比特發生傳輸差錯時稱此塊為誤塊。誤塊秒（ES）：當某一秒中發現1個或多個誤碼塊時稱該秒為誤塊秒。誤塊秒比（ESR）：在規定測量時間段內出現的誤塊秒總數與總的可用時間的比值為誤塊

11、秒比。嚴重誤塊秒（SES）：某一秒內包含有不少于30%的誤塊或者至少出現一個嚴重擾動期（SDP）時認為該秒為嚴重誤塊秒。其中嚴重擾動期指在測量時，在最小等效于4個連續塊時間或者1ms（取二者中較長時間段）時間段內所有連續塊的誤碼率10-2或者出現信號丟失。嚴重誤塊秒比（SESR）：在測量時間段內出現的SES總數與總的可用時間之比稱為嚴重誤塊秒比（SESR）。嚴重誤塊秒一般是由于脈沖干擾產生的突發誤塊，所以SESR往往反映出設備抗干擾的能力。背景誤塊（BBE）：扣除不可用時間和SES期間出現的誤塊稱之為背景誤塊（BBE）。背景誤塊比（BBER）：BBE數與在一段測量時間內扣除不可用時間和SES期

12、間內所有塊數后的總塊數之比稱背景誤塊比（BBER）。第17頁，共54頁。ITU-T將數字鏈路等效為全長27500km的假設數字參考鏈路，并為鏈路的每一段分配最高誤碼性能指標，以便使主鏈路各段的誤碼情況在不高于該標準的條件下連成串之后能滿足數字信號端到端（27500km）正常傳輸的要求。420km、280km、50km數字段應滿足的SDH誤碼性能指標分別見表6-3、表6-4和表6-5。第18頁，共54頁。表6-3 420kmHRDS誤碼性能指標速率/kbits-1 155520 622080 2488320 ESR 3.69610-3 待定 待定 SESR 4.6210-5 4.6210-5 4

13、.6210-5 BBER2.3110-6 2.3110-6 2.3110-6 第19頁，共54頁。表6-4 280kmHRDS誤碼性能指標速率/kbits-1 155520 622080 2488320 ESR 2.46410-3 待定 待定 SESR 3.0810-5 3.0810-5 3.0810-5 BBER3.0810-6 1.5410-6 1.5410-6 第20頁，共54頁。表6-5 50kmHRDS誤碼性能指標速率/kbits-1 155520 622080 2488320 ESR 4.410-4 待定 待定 SESR 5.510-6 5.510-6 5.510-6 BBER5.

14、510-7 2.710-7 2.710-7 第21頁，共54頁。6.1.3 抖動性能抖動是指數字脈沖信號的特定時刻（如最佳判決時刻）相對于其理想時間位置的偏離。實際上也就是數字脈沖信號的實際有效時間相對于其理想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，抖動示意圖如圖6-3所示。第22頁，共54頁。圖6-3 抖動示意圖 抖動會對傳輸質量甚至整個系統的性能產生惡劣影響，如會使信號發生失真，使系統的誤碼率上升以及會產生或丟失比特導致幀失步等。 產生抖動的機理是

15、比較復雜的，如系統中的各種噪聲（熱噪聲、散粒噪聲及倍增噪聲等），碼間干擾現象、時鐘的不穩定以及SDH中的映射、指針調整等等。第23頁，共54頁。抖動的種類較多，歸納起來可大致分為如下幾種：1）最大允許輸入抖動，又稱輸入抖動，是指允許輸入信號的最大抖動范圍。2）抖動容限，是指加在輸入信號上能使設備產生1dB光功率代價的抖動值。3）輸出抖動，是指在無輸入抖動的條件下設備的輸出抖動值。4）抖動傳遞特性（僅用于中繼器），是指在不同的測試頻率下，輸入信號的抖動值與輸出信號抖動值之比的分布特性。 第24頁，共54頁。表6-6 設備輸入抖動與漂移容限速率/Mbits-1 UI（P-P） 頻率/Hz A0A1

16、A2A3f0f10f9f8f1f2f3f48.448 152150.2*1.210-5*204003k400k34.368 618150.15*139.264 2506150.075*：表示未定第25頁，共54頁。圖6-4 設備輸入抖動與漂移容限第26頁，共54頁。1）在將支路信號裝入VC時，加入了固定塞入比特和控制塞入比特，分接時需要移去這些比特，這將導致時鐘缺口，經濾波后產生殘余抖動脈沖塞入抖動。2）指針調整抖動。在SDH網中除了具有其它傳輸網的共同抖動源各種噪聲源，定時濾波器失諧，再生器固有缺陷（碼間干擾、限幅器門限漂移）等，還有兩個SDH網特有的抖動源：第27頁，共54頁。SDH網中常

17、見的度量抖動性能的參數如下：1.輸入抖動容限2.輸出抖動3.映射和結合抖動4.抖動轉移函數抖動轉移特性第28頁，共54頁。6.1.4 漂移性能 漂移的定義為：數字脈沖的特定時刻相對于其理想時間位置的長時間偏移。這里所說的長時間是指變化頻率低于10Hz的變化。與抖動相比，無論從產生機理、本身的特性以及對系統的影響，漂移與抖動皆不相同。引起漂移最普遍的原因是環境溫度的變化。因為環境溫度的變化，可能導致光纖傳輸性能的變化、時鐘變化以及激光二極管發射波長的偏移等等，它們皆會產生漂移。另外，在SDH網絡單元中指針調整和網同步的結合也會產生很低頻率的抖動和漂移，不過，總體說來SDH網的漂移主要來自各級時鐘

18、和傳輸系統，特別是傳輸系統。第29頁，共54頁。6.1.5 可靠性指標對光纖通信系統而言，可靠性包括光端機、中繼器、光纜線路、輔助設備和備用系統的可靠性。確定可靠性一般采用故障統計分析法，即根據現場實際調查結果，統計足夠長時間內的故障次數，確定每兩次故障的時間間隔和每次故障的修復時間。第30頁，共54頁。1.可靠性表示方法（1）可靠性R 可靠性是指在規定的條件和時間內系統無故障工作的概率，它反映系統完成規定功能的能力。可靠性R通常用故障率表示，兩者的關系為 R=exp（- t） （6-1）（2）故障率 故障率是系統工作到時間t，在單位時間內發生故障（功能失效）的概率。其單位為10-9h，稱為菲

19、特（fit），1fit等于在10-9h內發生一次故障的概率。 如果通信系統由n個部件組成，且故障率是統計無關的，則系統的可靠性Rs可表示為 Rs=R1R2 Rn=exp（-st） （6-2）第31頁，共54頁。2.可靠性指標（1）不可用時間 傳輸系統的任一個傳輸方向的數字信號連續10s期間內每秒的誤碼率均劣于10-3，從這10s的第一秒鐘起就認為進入了不可用時間。（2）可用時間 當數字信號連續10s期間內每秒的誤碼率均優于10-3，那么從這10s的第一秒起就認為進入了可用時間。（3）可用性 可用時間占全部總時間的百分比稱為可用性。為保證系統的正常使用，系統要滿足一定的可用性指標，假設參考數字段

20、可用性目標見表6-7。第32頁，共54頁。表6-7 HRDS可用性目標長度/km 可用性(%) 不可用性 不可用時間(min/年) 42099.977 2.310-4 12028099.985 1.510-4 785099.99 110-4 52第33頁，共54頁。6.2 系統的設計光纖通信系統的設計，要求最大限度地利用光纖的頻帶資源，達到最高的通信能力或容量，提供最大的通信效益。在光纖通信的設計中，人們最關心的莫過于中繼距離與傳輸速率兩大系統技術指標了。光纖通信的最大中繼距離可能會受光纖損耗的限制，此所謂損耗受限系統；也可能會受到傳輸色散的限制，此所謂色散受限系統。 第34頁，共54頁。6.

21、2.1 損耗受限系統所謂損耗受限系統，是指光纖通信的中繼距離受諸傳輸損耗參數的限制，如光發送機的平均發光功率、光纜的損耗系數、光接收機靈敏度等。數字光纖線路系統如圖6-5所示為無中繼器和中間有一個中繼器的數字光纖線路系統的示意圖，圖中符號： T，T：光端機和數字復接分接設備的接口； Tx：光發射機或中繼器發射端； 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的發射端； 第35頁，共54頁。圖6-5 數字光纖線路系統第36頁，共54頁。損耗受限系統中的中繼距離可用下式計算： （6-3）1）P：光發送機平均發光功率 這是設備

22、本身給出的技術指標，以dBm為單位。2）P：光接收機靈敏度 它也是設備本身給出的技術指標，也以dBm為單位。3）A：活動連接器的損耗 活動連接器又稱活接頭，它把光纖線路和光終端設備連接在一起，可以方便地進行拆裝。因在光發送機與光接收機上各有一個活接頭，故式中為2Ac。一般取Ac=0.5dB。第37頁，共54頁。4）M：設備富余度 關于M的概念，前面已經討論過，主要考慮光終端設備在長期使用過程中會出現性能老化。一般取M=3dB。5）P：光通道功率代價 光通道功率代價包括由于反射和由碼間干擾、模分配噪聲、激光器的啁啾聲引起的總色散代價。CCITT規定一般取Pp=1dB以下。6）a：光纖的損耗系數

23、該參數我們已經熟知，它的取值由所供應的光纜參數給定，單位為dB/km。其典型值為：在1310nm波長，0.30.4dB/km；在1550nm波長，0.150.25dB/km。7）a：平均每千米接續損耗 在具體施工中需要把一盤盤的光纜用熔接機連接起來才能形成較長的傳輸線路。隨著技術的不斷發展，每個熔接點的衰耗可以保證在0.05dB以下。一般來講，光纜每盤長度為2km，所以可取a=0.05/2dB。8）m：光纜富余度 光纜在長期使用中性能會發生老化。尤其是隨環境溫度的變化（主要是低溫），其損耗系數會增加，故必須留出一定的余量。一般取值為m=0.10.2dB/km。第38頁，共54頁。6.2.2 色

24、散受限系統所謂色散受限系統，是指由于系統中光纖的色散、光源的譜寬等因素的影響，限制了光纖通信的中繼距離。在光纖通信系統中存在著兩大類色散即模式色散與模內色散。第39頁，共54頁。 模式色散又稱模間色散，是由多模光纖引起的。模式色散的數值較大，會嚴重地影響光纖通信的中繼距離。但是，在單模光纖通信技術日趨成熟的今天，單模光纖已經被廣泛采用。因此多模光纖已經很少使用了，即使采用也只是用于小容量的光纖通信（34Mbit/s以下）。模式色散的影響主要表現在光纖的模畸變帶寬上，因此在進行系統設計時，所選光纖的帶寬滿足S-R間的帶寬要求（一般很容易達到），則完全可以不考慮色散受限的問題。第40頁，共54頁。

25、單模光纖的色散對系統性能的影響主要表現如下三方面：（1）碼間干擾 （2）模分配噪聲 （3）啁啾聲 第41頁，共54頁。對于色散受限系統的中繼距離計算可分兩種情況予以考慮：1）光源器件為多縱模激光器（MLM）或發光二極管時，其中繼距離為 （6-4）2）當光源器件為單縱模激光器（SLM）時，啁啾聲引起的脈沖展寬占主要地位，其中繼距離為 （6-5）第42頁，共54頁。6.2.3 中繼距離和傳輸速率光纖通信系統的中繼距離受損耗限制時由式（6-3）確定，中繼距離受色散限制時由式（6-4）和式（6-5）確定。從損耗限制和色散限制兩個計算結果中，選取較短的距離，作為中繼距離計算的最終結果。第43頁，共54頁

26、。各種光纖的中繼距離和傳輸速率的關系，如圖6-6所示，包括損耗限制和色散限制的結果。由圖6-6可見，對于波長為0.85m的多模光纖，由于損耗大，中繼距離一般在20km以內。傳輸速率很低，SIF光纖的速率不如同軸線，GIF光纖的速率在0.1Gbit/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100200km。在1.31m零色散波長附近，當速率超過1Gbit/s時，中繼距離才受色散限制。在1.55m波長上，由于色散大，通常要用單縱模激光器，理想系統速率可達5Gbit/s，但實際系統由于光源調制產生頻率啁啾，導致譜線展寬，速率一般限制為2Gbit/s。采用色散移位光纖和

27、外調制技術，可以使速率達到20Gbit/s以上。第44頁，共54頁。 圖6-6 各種光纖的中繼距離和傳輸速率的關系第45頁，共54頁。小結1. 光纖通信系統是數字通信網的一個重要組成部分。2.為了滿足整個通信網正常運作的要求，必須對數字光纖通信系統性能指標進行規范。3.誤碼性能。4.抖動性能。5.漂移性能。6.可靠性指標。7.光纖通信系統的設計，要求最大限度地利用光纖的頻帶資源，達到最高的通信能力或容量，提供最大的通信效益。第46頁，共54頁。思考題1.光纖通信系統的性能指標有哪些？2.什么是誤碼秒與嚴重誤碼秒?3.什么是損耗受限系統?什么是色散受限系統?4.設140Mbit/s數字光纖通信系統發射光功率為-3dBm，接收機靈敏度為-38dBm，系統余量為4dB，連接器損耗為0.5dB/對，平均接頭損耗為0.05dB/km，光纖衰減系數為0.4dB/km，光纖損耗余量為0.05dB/km，計算中繼距離L。第47頁，共54頁。實訓8 光纖通信系統誤碼性能的測試一、學習目的 1.熟悉和掌握SDH系統誤碼停業務測試。 2.熟悉和掌握S