1、第6章 光纤通信技术第6章 光纤通信技术6.1光纤通信系统简介光纤通信系统简介6.2光纤通信传输技术简介光纤通信传输技术简介6.3全光网络全光网络本章小结本章小结习题习题第6章 光纤通信技术光通信，顾名思义就是利用光进行信息传输的一种通信方式。光通信技术是当代通信技术发展的最新成就，已经成为现代通信的基石。目前广泛使用的光通信方式是利用光导纤维传输光波信号，这种通信方式称为光纤通信。目前，光纤通信技术已成为现代通信非常重要的支柱。作为全球新一代信息技术革命的重要标志之一，光纤通信技术已经变为当今信息社会中各种多样且复杂的信息的主要传输媒介，并深刻、广泛地改变了信息网架构的整体面貌，以现代信息社
2、会最坚实的通信基础的身份，向世人展现了其无限美好的发展前景。第6章 光纤通信技术6.1 光光纤通信系统简介纤通信系统简介目前，采用比较多的系统形式是强度调制/直接检波（IM/DD）的光纤数字通信系统。该系统主要由光发射机、光纤、光接收机以及长途干线上必须设置的光中继器组成，如图6-1所示。第6章 光纤通信技术图6-1 光纤数字通信系统示意图第6章 光纤通信技术在点对点的光纤通信系统中，信号的传输过程如下：电端机的作用是对来自信源的信号进行处理，例如A/D转换、多路复用等处理。光发射机的功能是把电发射机输入的电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。光发射机的核心设备是光源
3、，目前广泛使用的光源有半导体发光二极管（LED）和半导体激光二极管（或称激光器，LD），以及谱线宽度很小的动态单纵模分布反馈（DFB）激光器。有些场合也使用固体激光器。第6章 光纤通信技术光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变（失真）和衰减传输到光接收机。光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。实际工程中，户外使用的是容纳许多根光纤的光缆。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，并送入电接收机。光接收机的核心设备是光电检测器，目前广泛使用的光检测器有两
4、种类型：在半导体PN结中加入本征层的PIN光电二极管（PIN-PD）和雪崩光电二极管（APD）。第6章 光纤通信技术对于长距离的光纤通信系统，还必须设有光中继器。它的作用是放大衰减的信号，恢复失真的波形，使光脉冲得到再生。光纤通信中光中继器的形式主要有两种，一种是光-电-光转换形式的中继器；另一种是在光信号上直接放大的光放大器。第6章 光纤通信技术相相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多优点：对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多优点：（1）传输频带宽，通信容量大。一个话路的频带为4KHz，光纤通信的工作频率为10121016Hz，从理论上讲，一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时传输10 亿
5、个话路。它比传统的同轴电缆、微波等要高出几千乃至几十万倍以上。一根光纤的传输容量如此巨大，而一根光缆中可以包括几十根直至上千根光纤。第6章 光纤通信技术2）光纤衰减小，传输距离远。由于光纤具有极低的衰减系数（目前已达0.2dB/km 以下），若配以适当的光发射、光接收设备以及光放大器，可使其中继距离达数百公里以上甚至数千公里。（3）光纤抗电磁干扰的能力强，保密性好。光纤是绝缘体材料，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受电气化铁路馈电线和高压设备等工业电器的干扰。光波在光缆中传输，很难从光纤中泄漏出来，即使在转弯处，弯曲半径很小时，漏出的光波也十分微弱，即使光缆内光纤
6、总数很多，也可实现无串音干扰，在光缆外面，也无法窃听到光纤中传输的信息。第6章 光纤通信技术（4）光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设。光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底或架空敷设。（5）光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节约了大量有色金属。制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅即砂子，地球上有取之不尽用之不竭的原材料，而电缆的主要材料是铜，用光纤取代电缆，则可节约大量的金属材料。光纤通信除具有以上突出的优点外，还具有耐腐蚀力强、抗核辐射、能源消耗小等优点。第6章 光纤通信技术6.1.1 光端机光端机光发送机与光接收机统称为光端机。图6-2所示为数字光发送机的基本组成
7、，包括均衡放大、码型变换、复用、扰码、时钟提取、光源、光源的调制电路、光源的控制电路（ATC和APC）及光源的监测和保护电路等。第6章 光纤通信技术图6-2 数字光发送机原理方框图第6章 光纤通信技术（1）均衡放大。由PCM端机送来的电信号，首先要进行均衡放大，用以补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变，保证电、光端机间信号的幅度、阻抗适配，以便正确译码。（2）码型变换。由PCM端机送来的电信号的线路码型是HDB3码或CMI码，前者是双极性归零码（即+1、0、-1），后者归零码。这两种码型都不适合在光纤通信系统中传输，因为在光纤通信系统中，是用有光和无光分别对应“1”和“0”码，无法与+1、0、-1
8、相对应，需要通过码型变换电路将HDB3码或CMI码变换成NRZ码，以适应光发送机的要求。第6章 光纤通信技术（3）复用。复用是指将多路低速信号互不干扰地合成为一路高速信号的过程。（4）扰码。为了保证所提取时钟的频率以及相位与光发射机中的时钟信号一致，必须避免所传信号码流中出现长“0”或长“1”的现象。光纤通信中解决这一问题通常采用扰码的方法。（5）时钟提取。由于码型变换和扰码过程都需要以时钟信号为依据。故均衡放大之后，由时钟提取电路提取PCM中的时钟信号供给码型变换电路和扰码电路使用。第6章 光纤通信技术（6）调制（驱动）电路。光源驱动电路又称调制电路，经过扰码后的数字信号通过调制电路对光源进
9、行调制，让光源发出的光信号强度跟随信号码流的变化，形成相应的光脉冲送入光纤，完成电/光变换任务。（7）光源。光源的作用是产生作为光载波的光信号，是实现电/光转换的关键器件。光源在很大程度上决定了数字光发送机的性能。（8）自动温度控制电路（ATC）。一般光源随着温度的变化，其输出功率会发生变化。因此，都设有自动温度控制电路（ATC），控制发光器件的环境温度在一定范围内。第6章 光纤通信技术（9）自动功率控制电路（APC）。采用自动（光）功率控制电路是直接控制光源的输出光功率大小的一种有效措施。（10）其他保护、监测电路。光发送机除有上述各部分电路之外，还有一些辅助电路。如光源过流保护电路、无光告
10、警电路、LD偏流（寿命）告警等。第6章 光纤通信技术强度调制直接检波（IM-DD）的光接收机方框图如图6-3所示，主要包括光电检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟恢复电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路等。第6章 光纤通信技术图6-3 数字光接收机方框图第6章 光纤通信技术（1）光电检测器。光电检测器是把光信号变换为电信号的关键器件，由于从光纤传输过来的光信号一般是非常微弱且产生了畸变的信号，（2）前置放大器。光接收机的放大器包括前置放大器和主放大器两部分。放大器在放大的过程中，其本身电阻会引入热噪声，其晶体管会引入散弹噪声。不仅如此，在一个多级放大器中，后一级放大器将会把前一
11、级放大器送出的信号和噪声同时放大。基于此，前置放大器的噪声对整个电信号的放大影响甚大，因此对前置放大器要求是低噪声、高增益。第6章 光纤通信技术（3）主放大器。主放大器一般是多级放大器，它的功能主要是提供足够高的增益，把来自前置放大器的输出信号放大到判决电路所需的信号电平。它还是一个增益可以调节的放大器，当光电检测器输出的电信号出现起伏时，通过自动增益控制（AGC）对主放大器的增益进行调节，以使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号应保持恒定输出。一般主放大器的峰-峰值输出是几伏数量级。（4）自动增益控制（AGC）。AGC是用反馈环路来控制主放大器的增益，增加了光接收机的动态范围。当光信号功
12、率输入较大时，则通过反馈环路降低放大器的增益；当光信号功率输入较小时，则通过反馈环路提高放大器的增益，使输出信号的幅度达到恒定，以便于判决。第6章 光纤通信技术（5）均衡器。均衡器的作用是对经过光纤线路传输、光/电转换和放大后已产生已畸变(失真)和有码间干扰的电信号进行均衡补偿，使其变为码间干扰尽可能小的信号，使输出信号波形有利于判决再生电路的工作，减小误码率。（6）再生电路。再生电路的任务是把放大器输出的升余弦波形恢复成数字信号，它由判决器和时钟恢复电路组成。为了判定信号首先要确定判决的时刻，这需要从均衡后的升余弦中提取准确的时钟信号。时钟信号经过适当相移后，在最佳时刻对升余弦波形进行取样，
13、然后将取样幅度与判决门限进行比较，以判定码元是“1”或“0”，从而把升余弦波形恢复成传输的数字波形。第6章 光纤通信技术6.1.2 光纤光缆光纤光缆1.光纤的基本结构和分类光纤的基本结构和分类目前，通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的横截面很小的双层同心圆柱体，外层的折射率比内层低。折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为n1，直径为2a（450 mm）；包层位于纤芯的周围。直径d2=125m。n1n2，这样做可使得光信号封闭在纤芯中传输。第6章 光纤通信技术光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料；缓冲层一般为性能良好的填充油膏
14、；二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。光纤的结构如图6-4所示。第6章 光纤通信技术图6-4 光纤的结构第6章 光纤通信技术目前光纤的种类繁多，主要注意两种类型的分类，即按光纤剖面折射率分布分类、按传播模式分类。1）按光纤剖面折射率分布分类阶跃型光纤与渐变型光纤 （1）阶跃型光纤：是指在纤芯与包层区域内，其折射率分布分别是均匀的，其值分别为n1与n2，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤，又称为均匀光纤。阶跃光纤的折射率分布如图6-5所示。第6章 光纤通信技术
15、图6-5 阶跃光纤的折射率分布第6章 光纤通信技术（2）渐变型光纤：是指光纤轴心处的折射率最大（n1），而沿剖面径向的增加而逐渐变小，其变化规律一般符合抛物线规律，到了纤芯与包层的分界处，正好降到与包层区域的折射率n2相等的数值；在包层区域中其折射率的分布是均匀的，即为n2，这种光纤又称为非均匀光纤。渐变光纤的折射率分布如图6-6所示。第6章 光纤通信技术图6-6 渐变光纤的折射率分布第6章 光纤通信技术至于渐变光纤的剖面折射率为何做如此分布，其主要原因是为了降低多模光纤的模式色散，增加光纤的传输容量。2）按传播模式分类多模光纤与单模光纤。光是一种频率极高的电磁波，当它在光纤中传播时，根据波动
16、光学理论和电磁场理论，当光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播。第6章 光纤通信技术在工作波长一定的情况下，光纤中存在有多个传输模式，这种光纤就称为多模光纤。多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率分布。在工作波长一定的情况下，光纤中只有一种传输模式的光纤，这种光纤就称为单模光纤。单模光纤只能传输基模（最低阶模），不存在模间的传输时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高速传输是非常重要的。第6章 光纤通信技术2.光纤的传输特性光纤的传输特性光信号经过一定距离的光纤传输后要产生衰减和畸变，因而使输入的光信号脉冲和输出的光信号脉冲不同，其
17、表现为光脉冲的幅度衰减和波形的展宽。产生该现象的原因是光纤中存在损耗和色散。损耗和色散是描述光纤传输特性的最主要参数，它们限制了系统的传输距离和传输容量。光纤的损耗会引发光信号能量的衰减，从而限制了光信号的传播距离，光纤的损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗三种损耗。第6章 光纤通信技术（1）吸收损耗。光纤的吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的，包括紫外吸收 红外吸收和杂质吸收。（2）散射损耗。散射损耗通常是由于光纤材料密度的微观变化，以及所含材料成分的浓度不均匀，使得光纤中出现一些折射率分布不均匀的局部区域，从而引起光的散射，将一部分光功率散射到光纤外部引起损耗；或者在制造光纤的过程中，
18、在纤芯和包层交界面上出现某些缺陷、残留一些气泡和气痕等。这些结构上有缺陷的几何尺寸远大于光波，引起与波长无关的散射损耗。第6章 光纤通信技术（3）弯曲损耗。光纤的弯曲会引起辐射损耗。实际中，光纤可能出现两种情况的弯曲：一种是曲率半径比光纤直径大得多的弯曲，例如：在敷设光缆时可能出现这种弯曲；一种是微弯曲，产生微弯曲的原因很多：光纤和光缆的生产过程中限于工艺条件，都可能产生微弯曲，不同曲率半径的微弯曲沿光纤随机分布。光纤的弯曲损耗不可避免。第6章 光纤通信技术描述光纤损耗的主要参数是衰减系数。光纤的衰减系数是指光在单位长度光纤中传输时的衰耗量，单位一般用dB/km。（6-1）衰减系数是光纤重要的
19、特性参数之一。在很大程度上它决定了光纤通信的传输距离。第6章 光纤通信技术光纤的色散指光纤中携带信号能量的各种模式成分或信号自身的不同频率成分因群速度不同，在传播过程中互相散开，从而引起信号失真的物理现象。一般光纤存在三种色散。模式色散：光纤中携带同一个频率信号能量的各种模式成分，在传输过程中由于不同模式的时间延迟不同而引起的色散。材料色散：由于光纤纤芯材料的折射率随频率变化，使得光纤中不同频率的信号分量具有不同的传播速度而引起的色散。波导色散：光纤中具有同一个模式但携带不同频率的信号，因为不同的传播群速度而引起的色散。第6章 光纤通信技术由于单模光纤中只有基模传输，因此不存在模式色散，只有材
20、料色散和波导色散。当波长约在1.31m附近时，材料色散和波导色散相互抵消，使光纤中总色散为零，因此称其为零色散波长。在多模光纤中，一般模式色散占主要地位。模式色散的大小，一般是以光纤中传输的最高模式与最低模式之间的时延差来表示的。第6章 光纤通信技术3.光缆的结构与种类光缆的结构与种类1）结构通信光缆的结构是依据其传输用途、运行环境、敷设方式等诸多因素决定的。从大的方面讲，常用通信光缆分为室内光缆和室外光缆两大类，这里主要为大家介绍室外光缆。室外光缆的基本结构有如下几种：层绞式、中心管式、骨架式。每种基本结构中既可放置分离光纤，亦可放置带状光纤。其特点分述如下：第6章 光纤通信技术（1）层绞式
21、光缆端面如图6-7和图6-8所示。层绞式光缆结构是由多根二次被覆光纤松套管（或部分填充绳）绕中心金属加强件绞合成圆形的缆芯，缆芯外先纵包复合铝带并挤上聚乙烯内护套，再纵包阻水带和双面覆膜皱纹钢（铝）带再加上一层聚乙烯外护层组成。层绞式光缆的结构特点是：光缆中容纳的光纤数量多，光缆中光纤余长易控制，光缆的机械、环境性能好，它适宜于直埋、管道敷设，也可用于架空敷设。第6章 光纤通信技术（a）层绞式带状光缆（b）层绞式分离状光缆图6-7 层绞式光缆端面第6章 光纤通信技术（a）层绞式分离状光缆（b）层绞式带状光缆图6-8 层绞式光缆实物图第6章 光纤通信技术（2）中心管式光缆如图6-9和图6-10所
22、示，是由一根二次光纤松套管或螺旋形光纤松套管，无绞合直接放在缆的中心位置，纵包阻水带和双面涂塑钢（铝）带，两根平行加强圆磷化碳钢丝或玻璃钢圆棒位于聚乙烯护层中组成的。按松套管中放入的是分离光纤、光纤束还是光纤带，中心管式光缆分为分离光纤的中心管式光缆或光纤带中心管式光缆等。第6章 光纤通信技术图6-9 中心管式光缆端面结构（GYXTW53）第6章 光纤通信技术图6-10 中心管式光缆实物图第6章 光纤通信技术中心管式光缆的优点是：光缆结构简单、制造工艺简捷，光缆截面小、重量轻，很适宜架空敷设，也可用于管道或直埋敷设；中心管式光缆的缺点是：缆中光纤芯数不宜过多（如分离光纤为12芯、光纤束为36芯
23、、光纤带为216芯），松套管挤塑工艺中松套管冷却不够，成品光缆中松套管会出现后缩，光缆中光纤余长不易控制等。第6章 光纤通信技术（3）骨架式光缆在国内仅限于干式光纤带光缆，即将光纤带以矩阵形式置于U型螺旋骨架槽或SZ螺旋骨架槽中，阻水带以绕包方式缠绕在骨架上，使骨架与阻水带形成一个封闭的腔体（见图6-11和图6-12）。当阻水带遇水后，吸水膨胀产生一种阻水凝胶屏障。阻水带外再纵包双面覆塑钢带，钢带外挤上聚乙烯外护层。骨架式光纤带光缆的优点是：结构紧凑、缆径小、纤芯密度大（上千芯至数千芯），接续时无需清除阻水油膏、接续效率高。缺点是：制造设备复杂（需要专用的骨架生产线）、工艺环节多、生产技术难度
24、大等。第6章 光纤通信技术图6-11 骨架式光缆端面结构第6章 光纤通信技术 图 6-12 骨架式光缆（GYDGTS）实物图第6章 光纤通信技术2）型号一根光缆的型号一般由型式和规格两大部分组成，如图6-13所示。图6-13 型号组成的格式第6章 光纤通信技术型式由5部分构成，各部分均用代号表示，如图6-14所示。其中结构特征指缆芯结构和光缆派生结构。图6-14 光缆型式的构成第6章 光纤通信技术（1）分类的代号如下：GY通信用室（野）外光缆GM通信用移动式光缆GJ通信用室（局）内光缆GS通信用设备内光缆GH通信用海底光缆GT通信用特殊光缆第6章 光纤通信技术（2）加强件的代号：加强构件指护套
25、以内或嵌入护套中用于增强光缆抗拉力的构件。（无符号）金属加强构件：F非金属加强构件（3）缆芯和光缆的派生结构特征的代号：光缆结构特征应表示出缆芯的主要类型和光缆的派生结构。当光缆型式有几个结构特征需要注明时，可用组合代号表示，其组合代号按下列相应的各代号自上而下的顺序排列。第6章 光纤通信技术D光纤带结构（无符号）光纤松套被覆结构J光纤紧套被覆结构（无符号）层绞结构G骨架槽结构X缆中心管（被覆）结构T油膏填充式结构（无符号）干式阻水结构R充气式结构C自承式结构B扁平形状E椭圆形状Z阻燃第6章 光纤通信技术4）护套的代号：Y聚乙烯护套V聚氯乙烯护套U聚氨酯护套A铝-聚乙烯粘结护套（简称A护套）S
26、钢-聚乙烯粘结护套（简称S护套）W夹带平行钢丝的钢-聚乙烯粘结护套（简称W护套）L铝护套G钢护套Q铅护套第6章 光纤通信技术（5）外护层的代号：当有外护层时，它可包括垫层、铠装层和外被层的某些部分和全部，其代号用两组数字表示（垫层不需表示），第一组表示铠装层，它可以是一位或两位数字见表6-1；第二组表示外被层或外套，它应是一位数字见表6-2。第6章 光纤通信技术第6章 光纤通信技术第6章 光纤通信技术3）规格光缆的规格是由光纤和导电芯线的有关规格组成。光缆规格的构成格式如图6-15所示。光纤的规格与导电芯线的规格之间用“+”号隔开。图 6-15 光缆规格的构成格式第6章 光纤通信技术光纤规格的
27、构成：光纤的规格由光纤数和光纤类别组成。如果同一根光缆中含有两种或两种以上规格（光纤数和类别）的光纤时，中间应用“+”号连接。光纤数的代号用光缆中同类别光纤的实际有效数目的数字表示。光纤类别的代号应采用光纤产品的分类代号表示，按IEC60791-2（1998）光纤第2部分：产品规范等标准规定用大写A表示多模光纤，大写B表示单模光纤，再以数字和小写字母表示不同种类型光纤。多模光纤见表6-3，单模光纤见表6-4。第6章 光纤通信技术第6章 光纤通信技术第6章 光纤通信技术注：“B1.1”可简化为“B1”。导电芯线的规格：导电芯线规格构成应符合通信行业标准中铜芯线规格构成的规定。例如：210.9，表
28、示2根线径为0.9mm的铜导线单线。320.5，表示3根线径为0.5mm的铜导线线对。42.6/9.5，表示4根内导体直径为2.6mm、外导体内径为9.5mm的同轴对。第6章 光纤通信技术6.2 光光纤通信传输技术简介纤通信传输技术简介按信号的复用方式，光纤通信系统提高传输容量的方法有：空分复用（SDM）、光时分复用（OTDM）、光波分复用（WDM）和光码分复用（OCDMA）。（1）空分复用。空分复用靠增加光纤对数的方式线性增加传输的容量，传输设备也线性增加。但线路投资大，光纤的带宽资源没有得到充分利用。第6章 光纤通信技术（2）时分复用。时分复用主要是利用PDH和SDH技术，不断提高速率等级
29、来提高传输容量。（3）光波分复用。波分复用利用一根光纤同时传输多个光波长信号，以提高传输容量。（4）光码分复用。光码分复用是在光传输之前通过在每个比特时间内编码目的地址，建立起专门通信链路的传输技术。目前提高传输容量主要采用TDM与WDM的合用方式，在电信号传输中，利用TDM方式，实现PDH到SDH的高速率等级；在光信号传输中利用WDM的方式实现单根光纤中的多通道传输。第6章 光纤通信技术6.2.1 SDH技术简介技术简介1 SDH传送网产生传送网产生传输系统是通信网的重要组成部分，传输系统的好坏直接制约着通信网的发展。为了扩大传输容量，提高传输效率，在数字通信中，常常将若干个低次群低速数字信
30、号以数字复用的方式合成为一路高速数字信号。第6章 光纤通信技术2 PDH的帧结构和主要缺陷的帧结构和主要缺陷在PDH中，各速率等级虽规定了标称速率，但支路信号可来自不同的设备，这些设备有各自独立的时钟源，因而来自不同设备的同一速率等级的支路信号，其速率并不一定严格相等。为了能将各支路信号复接成更高速率的信号，对于各速率等级除规定标称速率外，还规定其允许的偏差范围(称为容差)。这种有相同的标称速率，但又允许有一定的偏差的信号称为准同步信号。它们复接时只能靠插入调整比特，采用异步复接。我国的PDH技术采用欧洲制式，欧洲制式中各次群的速率、偏差、帧周期、电路数如表6-5所示。第6章 光纤通信技术第6
31、章 光纤通信技术在过去的20多年时间里，PDH技术在骨干网和本地网中发挥了巨大的作用。但是在通信网向大容量标准化发展的今天，PDH的传输体制已经愈来愈成为现代通信网的瓶颈，制约了传输网向更高的速率发展。传统的PDH传输体制的缺陷体现在以下几点：第6章 光纤通信技术（1）国际上现有的PDH技术存在三大地区标准，如图6-16所示。这种局面造成了国际互通的困难。图 6-16 ITU-T建议的三大PDH系列第6章 光纤通信技术（2）没有世界性标准的光接口规范。致使不同厂家的设备，甚至同一厂家不同型号的设备光接口各不相同，不能互连，即横向不兼容。（3）上/下支路困难。PDH各速率等级帧长不同，低次群帧的
32、起始点在高次群帧中没有固定位置，也无规律可循。这种情况导致上/下支路必须采用背靠背设备，逐级分接出要下的支路，将不下的支路再逐级复接上去，如图6-17所示。第6章 光纤通信技术图 6-17 从140Mbit/s信号分/插出2Mbit/s信号示意图第6章 光纤通信技术（4）只能采用异步复接方式，即复接时需调整各支路速率同步后才能复接。（5）网络管理能力不强。由于安排的开销比特很少，不能提供足够的运行、管理和维护(OAM)能力。网络的OAM主要靠人工的数字交叉连接和停业务检测，不能适应不断演变的电信网的要求。第6章 光纤通信技术3SDH传送网特点传送网特点1985年美国国家标准协会(ANSI)为使
33、设备在光接口互连起草了光同步标准，并命名为同步光网络(SONET)。1986年，ITU-T的前身CCITT以SONET为基础制订了SDH同步数字体系标准，使同步网不仅适用于光纤传输，也适合于微波和卫星等其它传输形式。SDH帧结构克服了PDH的不足，与传统的PDH相比较，SDH有如下明显的特点：第6章 光纤通信技术（1）灵活的分插功能。SDH规定了严格的映射复接方法，并采用指针技术，支路信号在线路信号中的位置是透明的，可以直接从线路信号中灵活地上下支路信号，无需通过逐级复用实现分插功能，减少了设备的数量，简化了网络结构。（2）SDH有强大的网络管理能力。SDH的帧结构中有足够的开销比特(开销比特
34、占总容量 的约1/30)，不仅满足目前的告警、性能监控、网络配置、倒换和公务等的需要，而且还有进一步扩展的余地，用以满足将来的监控和网管需要。第6章 光纤通信技术（3）强大的自愈能力。具有智能检测的SDH网管系统和网路动态配置功能，使SDH网络容易实现自愈，在设备或系统发生故障时，能迅速恢复业务，提高网络的可靠性，降低维护费用。（4）SDH有标准的光接口规范，不同厂家的设备可以在光路上互连，真正实现横向兼容。（5）SDH具有兼容性。SDH的STM-1既可复用2Mbit/s系列的PDH信号，又可复用1.5Mb/s系列的PDH信号，使两大系列在STM-1中得到统一，便于实现国际互通，也便于顺利地从
35、PDH向SDH过渡。SDH的STM-1和STM-4的速率己被选定为B-ISDN的用户网络接口的标准速率，适应新业务ATM和IP等的接入。第6章 光纤通信技术总结起来，SDH核心特点是：同步复用、标准光接口、强大的网络管理能力。当然，SDH技术并不是十全十美的，它也有一些不足之处：（1）由于开销比特很多，因此频带利用率不如PDH。（2）大规模采用软件技术，一旦计算机系统出现问题，将造成全网瘫痪。（3）为了能兼容各种速率信号，实现横向连接，采用指针调控技术，产生较大的抖动，对信号造成一定的传输损伤。第6章 光纤通信技术4SDH的速率等级及帧结构的速率等级及帧结构1）SDH速率等级 SDH按一定的规
36、律组成块状帧结构，称之为同步传送模块(STM)，它以与网络同步的速率串行传输。同步数字体系中最基本的，也是最重要的模块信号是STM-1，其速率为155.520Mb/s，更高等级的模块STM-N是N个基本模块信号STM-1按同步复用，经字节间插后形成的，其速率是STM-1的N倍，N取正整数1、4、16、64。详细速率等级如表6-6所示。STM-N光接口线路信号只是STM-N信号经扰码后电光转换的结果，因而速率不变。第6章 光纤通信技术第6章 光纤通信技术2）SDH帧结构STM-N帧结构由9行270N列(字节)组成，每字节8个b，每个字节速率为64kb/s。SDH帧由净负荷、管理单元指针(AU-P
37、TR)、段开销(SOH)三部分组成，如图6-18所示。第6章 光纤通信技术图6-18 STM-N帧结构第6章 光纤通信技术段开销(SOH)区域用于存放帧定位、运行、维护和管理方面的字节，以保证主信息挣负荷正确灵活地传送。段开销进一步分为再生段开销(RSOH)和复用段开销(MSOH)。管理单元指针存放在帧的第4行的19N列，用来指示信息净负荷的第一个字节在STM-N帧内的准确位置，以便正确区分出所需的信息。为了兼容各种业务或与其它网联接，需通过指针进行速率调整。信息净负荷区存放各种电信业务信息和少量用于通道性能监控的通道开销字节，它位于STM-N帧结构中除段开销和管理单元指针区域以外的所有区域。
38、第6章 光纤通信技术5SDH映射与复用映射与复用前面已经提到，SDH具有兼容性，即将PDH三大系列的各速率等级的信号均可以纳入SDH的传送模块中(具体地说可纳入STM-1中)，这样使现存的PDH设备还能继续使用，不致造成浪费。同时，SDH还能兼容各种新业务纳入传送模块。这种将PDH信号和各种新业务装入SDH信号空间，并构成SDH帧的过程称为映射和复用过程。ITU-T对SDH的复用映射结构或复用路线作出了严格的规定。如图6-19所示。PDH各速率等级按复用路线均可以映射到SDH的传送模块中去。第6章 光纤通信技术图6-19 ITU-T G.709建议的SDH复用映射结构第6章 光纤通信技术我国的
39、光同步传输网技术体制规定以2Mb/s为基础的PDH系列作为SDH的有效负荷并选用AU-4复用路线，其基本复用映射结构如图6-19所示。由图6-20可知，我国的SDH复用映射结构有139264kb/s、34368kb/s、2048kb/s等3个PDH支路信号输入口。一般不用34Mb/s支路接口，因为一个STM-1只能映射进3个34Mb/s支路信号，信道利用率太低。第6章 光纤通信技术图6-20我国规定的SDH复用映射结构第6章 光纤通信技术6 映射与复用的单元映射与复用的单元如图6-20所示，SDH的基本复用单元包括标准容器（C）、虚容器（VC）、支路单元（TU）、支路单元组（TUG）、管理单元
40、（AU）、管理单元组（AUG）。（1）标准容器。容器是一种用来装载各种速率的业务信号的信息结构。主要完成适配功能，即完成输入信号在输出信号间的码型、码速变换。ITU-T规定了5种标准容器：C-11、C-12、C-2、C-3和C-4，其标准输入速率分别为1.544 Mb/s、2.048 Mb/s、6.312 Mb/s、34.368 Mb/s、139.264Mb/s。我国常用的有C-12、C-3、C-4等容器。已装载的容器又可作为虚容器的信息净负荷。第6章 光纤通信技术(2)虚容器。其用于支持SDH通道层连接的信息结构。它由容器输出的信息净负荷加上通道开销（POH）组成，即:VC-n=C-n+PO
41、H虚容器可分为低阶虚容器和高阶虚容器。VC-12、VC-2和通过TU-3复用进VC-4的VC-3为低阶虚容器，AU-3中的VC-3和VC-4为高阶虚容器。VC是SDH中可以用来传输、交换、处理的最小信息单元，VC在SDH传输网中传输的路径称为通道。由于我国取消了AU-3通道，所以VC-12、VC-3都是低阶通道。第6章 光纤通信技术（3）支路单元和支路单元组。支路单元是一种提供低阶通道层和高阶通道层之间适配功能的信息结构（即负责将低阶虚容器经支路单元组装进高阶虚容器）。它由低阶VC-n和相应的支路单元指针（TU-n-PTR）组成，即：TU-n=低阶VC-n+TU-n-PTR支路单元指针TU-n
42、-PTR用来指示VC-n净负荷起点在TU帧内的位置。支路单元组TUG由一个或多个在高阶VC净负荷中占据固定的、确定位置的支路单元组成。第6章 光纤通信技术(4)管理单元和管理单元组。管理单元是提供高阶通道层和复用段层之间适配功能的信息结构（即负责将高阶虚容器经管理单元组装进STM-N帧）。它由高阶VC和相应的管理单元指针（AU-PTR）组成，即：AU-n=高阶VC-n+AU-n-PTR管理单元指针AU-n-PTR指示高阶VC-n净负荷起点在AU帧内的位置。管理单元组(AUG)是由一个或多个在STM-N净负荷中占据固定的、确定位置的管理单元组成。第6章 光纤通信技术7SDH传输网设备传输网设备S
43、DH传输网是由不同类型的网元通过光缆线路的连接组成的，通过不同的网元完成SDH网的传送功能：上/下业务、交叉连接业务、网络管理和网络故障自愈等。SDH网中常见网元有终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）、数字交叉连接设备（DXC）和再生中继器（REG）。第6章 光纤通信技术第6章 光纤通信技术（1）终端复用器。终端复用器用在网络的终端站点上，因此只有一个高速线路口。它用于把速率较低的PDH信号或STM-M信号组合成一个速率较高的STM-N（NM）信号，或作相反的处理，因此TM的支路端口可以输出/输入多路低速支路信号，TM的一般模型如图6-21所示。第6章 光纤通信技术图6-21 终端复用器T
44、M第6章 光纤通信技术（2）分插复用器。分/插复用器是SDH网上最重要的一种网元，在链形网、环形网和枢纽形网中应用十分广泛。ADM用于SDH传输网络的转接站点处，例如链的中间结点或环上结点。ADM主要完成在无需分接或终结整个STM-N信号的条件下，分出和插入任何支路信号，ADM一般模型如图6-22所示。第6章 光纤通信技术图6-22 分/插复用器ADM第6章 光纤通信技术ADM是一个三端口的器件，包括两个高速线路口和一个支路端口，为了描述方便，我们将其分为西（W）向、东向（E）两个线路端口。除了将低速支路信号交叉复用进东或西向线路上去，或从东或西侧线路端口收的线路信号中拆分出低速支路信号，另外
45、，ADM还可将东/西向线路侧的STM-N信号进行交叉连接，例如将东向STM-16中的第3个STM-1与西向STM-16中的第4个STM-1相连接。第6章 光纤通信技术（3）SDH交叉连接设备数字交叉连接设备（DXC）是SDH网络的重要网络单元。数字交叉连接设备完成的主要是STM-N信号的交叉连接功能，具有多端口。DXC实际上相当于一个交叉矩阵，完成各个信号间的交叉连接，如图6-23所示。第6章 光纤通信技术图6-23 数字交叉连接设备DXC第6章 光纤通信技术DXC可以完成任何端口之间接口速率信号（包括其子速率信号）的可控连接和再连接。根据端口速率和交叉连接速率的不同，数字交叉连接设备可以有不
46、同的配置类型，通常用DXC X/Y来表示，含义如表6-7所示。其中X表示可接入DXC的最高速率等级，Y表示在交叉矩阵中能够进行交叉连接的最低速率级别。X越大表示DXC的承载容量越大；Y越小表示DXC的交叉灵活性越大。第6章 光纤通信技术DXC 4/1端口最高速率140Mb/s或155Mb/s，参与交叉连接的最低速率是2Mb/s，主要用于局间中继、长途、本地网或PDH与SDH网关。DXC 4/4端口最高速率140Mb/s或155Mb/s,参与交叉连接的最低速率是140Mb/s或155Mb/s，主要用于宽带城域网、长途干线网或PDH与SDH网关。第6章 光纤通信技术4）再生中继器。由于光纤存在着传
47、输衰耗和传输色散，数字信号经过光纤长距离传输后，光脉冲幅度会减小，形状会畸变，要进一步延长传输距离，必须采用再生中继器。再生中继器的功能就是接收经长途传输后衰减了的、有畸变的STM-N信号，然后对它进行均衡放大、识别、再生成规则的信号后发送出去。如图6-24所示，REG是双端口器件，只有两个线路端口W向、E向。第6章 光纤通信技术REG的作用是将W/E侧的光信号经O/E、抽样、判决、再生整形、E/O在E或W侧发出。REG没有支路端口，REG只需处理STM-N帧中的RSOH，且不需要交叉连接功能（W-E直通即可）。图6-24再生器REG第6章 光纤通信技术8 SDH网络拓扑结构网络拓扑结构网络拓
48、扑结构是指网络的物理形状，即指网络节点与传输线路组成的几何排列，反映了实际的网元连接状况。SDH网络由SDH网元设备通过光缆互连而成，而网络的有效性（信道的利用率）、可靠性和经济性在很大程度上与其拓扑结构有关，组网时应根据通信容量和地里条件选用合适的物理拓扑结构。SDH网络拓扑基本结构有链形、星形、树形、环形和网孔形。第6章 光纤通信技术（1）链形网。如图6-25所示为一个最典型的链形SDH网，其中链状网络两端点配备TM，在中间节点配置ADM或REG。网中的所有节点一一串联，且首尾两端开放。此网络拓扑结构特点是简单经济，一次性投入少，容量大；通常采用线路保护方式，多应用于SDH初期建设的网络结
49、构中，如专网（铁路网）或SDH长途干线网。图 6-25 SDH链形网第6章 光纤通信技术（2）星形网。星形网选择网络中某一网元做为枢纽节点与其它各节点相连，其它各网元节点互不相连，网元各节点间的业务需要经过枢纽节点转接。如图6-26所示，在枢纽节点配置DXC,在其它节点配置TM。这种网络拓扑结构简单，可将多个光纤终端统一合成一个终端，从而利用分配带宽来节约成本；但存在枢纽节点的安全保障和处理能力的潜在瓶颈问题。枢纽节点的作用类似交换网的汇接局，此种拓扑多用于业务集中的本地网（接入网和用户网）。第6章 光纤通信技术图6-26 SDH星形网第6章 光纤通信技术（3）树形网。树形拓扑网络可看成是链形
50、拓扑和星形拓扑的组合，如图6-27所示，三个方向以上的节点应设置DXC，其它节点配置ADM或TM。这种网络拓扑适合于广播业务，而不利于提供双向通信业务，同时也存在枢纽节点可靠性不高和光功率预算等问题。第6章 光纤通信技术图6-27 SDH树形网第6章 光纤通信技术（4）环形网。环形网络拓扑实际上是指将链形拓扑首尾相连，从而使网上任何一个网元节点都不对外开放的网络拓扑形式。如图6-28所示，通常在各网络节点上配置ADM，也可采用DXC。这种网络是当前使用最多的网络拓扑形式，其结构简单且具有较强的自愈功能，网络生存和可靠性高，是组成现代大容量光纤通信网络的主要基本结构形式，常用于本地网（接入网和用
