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1、袁国良编著袁国良编著第第6 6章章 光纤通信系统与工程光纤通信系统与工程本章内容本章内容6.1 6.1 6.1 6.1 强强强强度度度度调调调调制制制制-直直直直接接接接检检检检测测测测数数数数字字字字光光光光纤纤纤纤通通通通信系统信系统信系统信系统 6.2 6.2 6.2 6.2 光纤通信的线路码型光纤通信的线路码型光纤通信的线路码型光纤通信的线路码型6.3 6.3 6.3 6.3 光纤通信的性能指标光纤通信的性能指标光纤通信的性能指标光纤通信的性能指标6.4 6.4 6.4 6.4 损耗和色散对系统的限制损耗和色散对系统的限制损耗和色散对系统的限制损耗和色散对系统的限制6.5 6.5 6.
2、5 6.5 光纤通信系统的设计光纤通信系统的设计光纤通信系统的设计光纤通信系统的设计6.6 6.6 6.6 6.6 光纤通信工程光纤通信工程光纤通信工程光纤通信工程小结、习题小结、习题小结、习题小结、习题 6.1 强度调制强度调制-直接检测数字光纤直接检测数字光纤通信系统通信系统1.1.强度调制强度调制-直接检测数字光纤通信系统的组成直接检测数字光纤通信系统的组成如图如图6-1-1所示为点对点所示为点对点IM-DD数字光纤通信系统结构。数字光纤通信系统结构。通信中传送的许多信号如话音、图像信号等都是模拟信号通信中传送的许多信号如话音、图像信号等都是模拟信号,PCM（Pulse-Code Mod
3、ulation）是光纤传输模拟信号的基础。是光纤传输模拟信号的基础。PCM端机的任务，就是实现模拟信号到数字信号转换端机的任务，就是实现模拟信号到数字信号转换(A/D转换转换)，完成，完成PCM编码，并且按照时分复用的方式把多路信号复接、合编码，并且按照时分复用的方式把多路信号复接、合群，从而输出高比特率的数字信号。群，从而输出高比特率的数字信号。PCM编码包括取样、量化、编码三个步骤。这个过程可以通过图编码包括取样、量化、编码三个步骤。这个过程可以通过图6-1-2来说明。来说明。2.PCM端机端机3.两种数字体系两种数字体系为了实现更多路信号的复用，可采用数字复接的方法将几个低次群复接成一个
4、高次群，早期的数字通信设备基本上采用准同步数字系列（PDH）。PDH是是采用逐群复接,CCITT规定的PDH的两种群路体制的标准。4.光中继器光中继器在光纤通信线路上，光纤的吸收和散射导在光纤通信线路上，光纤的吸收和散射导致光信号衰减，光纤的色散将使光脉冲信致光信号衰减，光纤的色散将使光脉冲信号畸变，导致信息传输质量降低，误码率号畸变，导致信息传输质量降低，误码率增高，限制了通信距离。增高，限制了通信距离。为了满足长距离通信的需要，必须在光纤为了满足长距离通信的需要，必须在光纤传输线路上每隔一定距离加入一个中继器，传输线路上每隔一定距离加入一个中继器，以补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整以补偿
5、光信号的衰减和对畸变信号进行整形，然后继续向终端传送。形，然后继续向终端传送。光中继器通常有两种中继方法：光中继器通常有两种中继方法：一种是光一种是光-电电-光中继器，它是产生衰减与光中继器，它是产生衰减与畸变的光信号被光接收机接收转变为电信畸变的光信号被光接收机接收转变为电信号，然后通过光发射机发射出去；号，然后通过光发射机发射出去；另一种是采用光放大器，它是直接对光信另一种是采用光放大器，它是直接对光信号进行放大。号进行放大。5.监视控制系统监视控制系统监控信号仍采用光纤传输。有如下两种方监控信号仍采用光纤传输。有如下两种方式：式：频分复用传输方式。频分复用传输方式。时分复用方式时分复用方
6、式采用频分方式可有不同的方法，其中一种方法是脉冲调顶采用频分方式可有不同的方法，其中一种方法是脉冲调顶方案：它是将主信号方案：它是将主信号(即数字信号电脉冲即数字信号电脉冲)作作“载波载波”，用，用监控电数字信号对这个主信号进行脉冲浅调幅，即使监控监控电数字信号对这个主信号进行脉冲浅调幅，即使监控信号信号“载载”在主信号脉冲的顶部，或者说对主信号脉冲在主信号脉冲的顶部，或者说对主信号脉冲“调顶调顶”。最后，再将这个被。最后，再将这个被“调顶调顶”的主信号对光源进行的主信号对光源进行强度调制，变为光信号耦合进光纤。主信号被监控信号调强度调制，变为光信号耦合进光纤。主信号被监控信号调顶后的波形示意
7、图如图顶后的波形示意图如图6-1-76-1-7所示。这种方法在使用所示。这种方法在使用5 5B6BB6B码型的机器上，用来传输监控信号，此外还可传输公务区码型的机器上，用来传输监控信号，此外还可传输公务区间通信等信号。间通信等信号。6.辅助与备用系统辅助与备用系统光纤通信系统的辅助系统包括电源系统、光纤通信系统的辅助系统包括电源系统、告警系统等。告警系统等。6.2 光纤通信的线路码型光纤通信的线路码型1.码型转换的必要性在数字光纤通信系统中，所传的信号是数字信号。由PCM端机送来的电信号符合ITU-T所规定的接口码速率与接口码型，如表6-2-1所示.PCM系统与光纤通信系统接口的两种码型并不都
8、适合在光纤数字通信系统中传输 在光纤数字通信系统中选择线路码型应解决在光纤数字通信系统中选择线路码型应解决以下问题：以下问题：(1)(1)码流中码流中“1”“1”及及“0”“0”码的出现是随机的，码的出现是随机的，可能会出现长串的连可能会出现长串的连“1”“1”或连或连“0”“0”，这时定时，这时定时信息将会消失，使接收机定时信息提取产生困难；信息将会消失，使接收机定时信息提取产生困难；(2)(2)简单的单极性码流中有直流成分，且当简单的单极性码流中有直流成分，且当码流中码流中“0”“0”与与“1”“1”作随机变化时直流成分也作作随机变化时直流成分也作随机变化，从而引起数字信号的基线漂移，给判
9、随机变化，从而引起数字信号的基线漂移，给判决和再生带来困难。决和再生带来困难。(3)(3)尽可能在不中断业务的条件下检测线路尽可能在不中断业务的条件下检测线路的误码率（的误码率（BERBER）。）。2.分组码分组码分分组组码码常常用用mBnBmBnB表表示示，它它是是把把输输入入信信码码流流中中每每m m比比特特码码分分为为一一组组，然然后后变变换换为为n n比比特特(n nm)m)输输出出。分分组组码码有有1 1B2BB2B，2B3B2B3B，3B4B3B4B，5B6B5B6B，5B7B5B7B，6B8B6B8B等。等。3.插比特入码插比特入码插插入入比比特特码码是是将将信信码码流流中中每每
10、m m比比特特划划为为一一组组，然然后后在在这这一一组组的的末末尾尾一一位位之之后后插插入入一一个个比比特码输出特码输出.根根据据插插入入码码的的类类型型分分为为：mB1PmB1P码码，mB1CmB1C码码，mB1HmB1H码。码。4.加扰加扰NRZ码码在在SDHSDH光纤通信系统中还广泛使用加扰光纤通信系统中还广泛使用加扰NRZNRZ码，它码，它是利用一定规律对信号码流进行扰码，经过后使是利用一定规律对信号码流进行扰码，经过后使线路码流中的线路码流中的“1”“1”和和“0”“0”出现的概率相同，因出现的概率相同，因此码流中不会出现长连此码流中不会出现长连“1”“1”和长连和长连“0”“0”的
11、现象，的现象，从而有利于接收端提取时钟信号。从而有利于接收端提取时钟信号。加扰加扰NRZNRZ码没有引入冗余度，不适合作为码没有引入冗余度，不适合作为PDHPDH光纤光纤通信系统的线路码型；但在通信系统的线路码型；但在 SDHSDH中监测信息和辅中监测信息和辅助信号的传送通过帧结构中的开销字节来实现，助信号的传送通过帧结构中的开销字节来实现，因此可以作为因此可以作为SDHSDH光纤通信系统的线路码型。例如光纤通信系统的线路码型。例如在在STM-4STM-4和和STM-16STM-16中，都采用七级扰码作为光纤的中，都采用七级扰码作为光纤的线路码型。线路码型。6.3 光纤通信的性能指标光纤通信的
12、性能指标1.1.误码性能误码性能系统的误码性能是衡量系统优劣的一个非系统的误码性能是衡量系统优劣的一个非常重要的指标，它反映数字信息在传输过常重要的指标，它反映数字信息在传输过程中受到损伤的程度。误码率程中受到损伤的程度。误码率(BER)BER)定义为定义为 （6-3-16-3-1）式中式中B B为传送的总码元数，为传送的总码元数，BEBE为其中传送错为其中传送错误的码元数。误的码元数。所谓数字信号的抖动一般指定时抖动，它是所谓数字信号的抖动一般指定时抖动，它是数字传输中的一种不稳定现象，即数字信号在传数字传输中的一种不稳定现象，即数字信号在传输过程中，脉冲在时间间隔上不再是等间隔的，输过程中
13、，脉冲在时间间隔上不再是等间隔的，而是随时间变化的一种现象。即接收脉冲与发送而是随时间变化的一种现象。即接收脉冲与发送脉冲之间出现了时间偏离，如图脉冲之间出现了时间偏离，如图6-3-16-3-1所示所示抖动产生的原因主要有：抖动产生的原因主要有：由于噪声引起的抖动。由于噪声引起的抖动。时钟恢复电路产生的抖动。时钟恢复电路产生的抖动。其他原因引起的抖动。其他原因引起的抖动。6.4 损耗和色散对系统的限制损耗和色散对系统的限制1.损耗对系统的限制光纤通信系统显然受到光纤损耗的限制，中继距离越长则光纤通信系统的成本越低，技术经济效益越高，因此，我们要在满足系统的性能指标前提下，最大限度地延长中继距离
14、。中继距离的估算一般采用ITU-T G.956所建议的极限值设计法。2.2.色散对系统的限制色散对系统的限制色散会使系统性能参数恶化色散会使系统性能参数恶化1)1)光纤色度色散光纤色度色散2)2)模分配噪声模分配噪声3)3)频率啁啾声频率啁啾声色散对系统中继距离的影响我们假定到达接收机的输入光功率始终满足接收我们假定到达接收机的输入光功率始终满足接收机灵敏度的要求，单独讨论色散效应随着传输距机灵敏度的要求，单独讨论色散效应随着传输距离的积累最终允许严重到什么程度。如图离的积累最终允许严重到什么程度。如图6-4-16-4-1所所示，设发送机输出的是一个规整的示，设发送机输出的是一个规整的“101
15、”“101”码组，码组，其在光通路内传输过程中由于色散效应将会逐渐其在光通路内传输过程中由于色散效应将会逐渐展宽，直至两个展宽，直至两个“1”“1”码出现码间重叠。码出现码间重叠。色散受限距离的简明估计公式为6.5 光纤通信系统的设计光纤通信系统的设计系统设计的任务是遵循系统设计的任务是遵循ITU-TITU-T建议规范，明建议规范，明确系统的全部技术参数，以技术先进性与确系统的全部技术参数，以技术先进性与通信成本经济性的统一为准则，合理选用通信成本经济性的统一为准则，合理选用器件和子系统，完成实用系统的合成。器件和子系统，完成实用系统的合成。2.系统设计概述系统设计概述一个光纤通信系统的设计，
16、需要考虑许多问题，一个光纤通信系统的设计，需要考虑许多问题，如：当前和未来的需求，设备的技术性和经济性，如：当前和未来的需求，设备的技术性和经济性，ITU-T的各项建议和系统的各项指标。弄清上面情的各项建议和系统的各项指标。弄清上面情况后，需要对下面问题具体考虑。况后，需要对下面问题具体考虑。1)1)选择路由，设置局站选择路由，设置局站2)2)确定系统的制式、速率确定系统的制式、速率3)3)光纤选型光纤选型4)4)选择合适的设备，核实设备的性能指标选择合适的设备，核实设备的性能指标5)5)对中继段进行功率和色散预算对中继段进行功率和色散预算3.通路光功率代价核算和光缆线路富余度通路光功率代价核
17、算和光缆线路富余度通路光功率代价通路光功率代价Pd指的是光通道的色散代指的是光通道的色散代价，一般认为，对于多数低色散系统，可价，一般认为，对于多数低色散系统，可以容忍的最大色散代价为以容忍的最大色散代价为1dB；对于少数高对于少数高色散系统，允许色散系统，允许2dB的色散功率代价。系统的色散功率代价。系统设计者根据允许的光通道代价，对不同速设计者根据允许的光通道代价，对不同速率的系统提出光通道值及光源谱线宽的指率的系统提出光通道值及光源谱线宽的指标。标。通路光功率代价通路光功率代价Pd的影响因素很多，主要的影响因素很多，主要有有1)码间干扰功率代价码间干扰功率代价2)模分配噪声代价模分配噪声
18、代价3)频率啁啾代价等。频率啁啾代价等。6.6 光纤通信工程光纤通信工程1.1.光纤通信工程概述光纤通信工程概述光纤通信工程主要包括光缆线路工程和设光纤通信工程主要包括光缆线路工程和设备安装两个部分。一般大中型光纤通信工备安装两个部分。一般大中型光纤通信工程从建设程序上分为工程规划、工程设计、程从建设程序上分为工程规划、工程设计、工程准备、工程施工、工程验收投产五个工程准备、工程施工、工程验收投产五个阶段。阶段。2.2.光缆线路路由的选择光缆线路路由的选择3.3.光缆线路的查勘光缆线路的查勘4.4.光缆线路的施工光缆线路的施工5.光缆线路的接续光缆线路的接续光缆线路的接续是固定接续光缆线路的接
19、续是固定接续 缆内连接部分：缆内连接部分：包括光纤的连接、加强件连接、金属护层的连接。包括光纤的连接、加强件连接、金属护层的连接。护套支撑部分：护套支撑部分：主要包括：主要包括：套管套管支架支架光缆固定夹光缆固定夹护肩护肩余纤收容板余纤收容板(盘盘)。外护套和密封部分：外护套和密封部分：主要包括主要包括辅助热缩管辅助热缩管主热缩管主热缩管自粘胶带自粘胶带防水带、粘附聚乙烯防水带、粘附聚乙烯等等6.端机设备的安装端机设备的安装1)1)端机设备安装端机设备安装 2)2)端机与机架设备的安装端机与机架设备的安装3)3)机房内的缆线布线机房内的缆线布线6 6 设备维护设备维护设备维护内容是指在保证设备的正常工作设备维护内容是指在保证设备的正常工作的同时，利用监控系统和设备自身的告警的同时，利用监控系统和设备自身的告警指示等维护手段，判断故障性质、故障的指示等维护手段，判断故障性质、故障的位置，并进行正确的处理，在尽可能短的位置，并进行正确的处理，在尽可能短的时间内使系统恢复到正常工作状态。时间内使系统恢复到正常工作状态。