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1、第第04章光纤通信章光纤通信本讲稿第一页，共三十九页4.1 模拟光纤通信模拟光纤通信 同轴电缆同轴电缆CATVCATV网络结构网络结构本讲稿第二页，共三十九页用光纤替代原来同轴电缆用光纤替代原来同轴电缆CATV网络干线网络干线传输中的同轴电缆，配线和引入线部分仍传输中的同轴电缆，配线和引入线部分仍然保留原来的同轴电缆网结构，组成光纤然保留原来的同轴电缆网结构，组成光纤同轴电缆混合系统（同轴电缆混合系统（HybridFiberCable，HFC）HFC系统系统本讲稿第三页，共三十九页通通通通常常常常前前前前端端端端设设设设备备备备与与与与光光光光节节节节点点点点设设设设备备备备之之之之间间间间采
2、采采采用用用用副副副副载载载载波波波波复复复复用用用用（Sub-Sub-CarrierMultiplexingCarrierMultiplexing，SCMSCM）进行多路模拟电视信号的光纤传输）进行多路模拟电视信号的光纤传输）进行多路模拟电视信号的光纤传输）进行多路模拟电视信号的光纤传输本讲稿第四页，共三十九页4.2 数字光纤通信系统数字光纤通信系统 数字光纤通信系统组成框图数字光纤通信系统组成框图本讲稿第五页，共三十九页光纤传输系统及其网管在系统光纤传输系统及其网管在系统/网络运行、管理、维护和网络运行、管理、维护和指配（指配（Operations，Administration，Maint
3、enance&Provisioning，OAM&P）方面的主要任务）方面的主要任务:（1）根据用户业务需求和系统）根据用户业务需求和系统/网络资源状况来配置网络资源状况来配置系统系统/网络、开通业务网络、开通业务（2）对系统运行状况（传输性能、关键部件状态等）进）对系统运行状况（传输性能、关键部件状态等）进行不中断业务的在线实时监测，数字光纤传输系统最重行不中断业务的在线实时监测，数字光纤传输系统最重要的一项监测项就是误码性能的监测要的一项监测项就是误码性能的监测（3）故障告警。一旦设备或设备中的部件或光缆线路）故障告警。一旦设备或设备中的部件或光缆线路出现故障，系统应能检测到并在网管界面上显
4、示出来出现故障，系统应能检测到并在网管界面上显示出来或在设备上指示出来，并要能够及时通知维护人员或在设备上指示出来，并要能够及时通知维护人员本讲稿第六页，共三十九页（4）为故障定位和其他维护需求而提供环回控制、主要项目的测试等（5）为系统）为系统/网络网络OAM信息提供传输通道信息提供传输通道（6）为系统的运营者提供业务性能、流量）为系统的运营者提供业务性能、流量等方面的统计信息等方面的统计信息（7）为维护管理人员提供话音通信的手段）为维护管理人员提供话音通信的手段（公务电话）（公务电话）本讲稿第七页，共三十九页具有再生器具有再生器/中继器的数字光纤传输系统中继器的数字光纤传输系统本讲稿第八页
5、，共三十九页4.3 SDH系统系统 4.3.1 SDH/Sonet技术的产生l全世界统一标准全世界统一标准l运行维护管理能力强大运行维护管理能力强大l具有自愈能力具有自愈能力l便于从高速信号中分插低速信号便于从高速信号中分插低速信号本讲稿第九页，共三十九页4.3.2 SDH技术的特点lSDH网网不不仅仅能能与与现现有有的的PDH网网实实现现兼兼容容，即即使使PDH的的1.544Mbit/s和和2.048Mbit/s两两大大体体系系在在SDH信信息息结构上能获得统一，形成数字传输体制上的世界标准结构上能获得统一，形成数字传输体制上的世界标准lSDH网网络络通通过过网网络络保保护护和和网网络络恢恢
6、复复具具有有强强大大的的自自愈愈能能力力，这这不不仅仅使使SDH网网络络的的生生存存性性和和可可靠靠性性大大大大增强，而且便于组网和降低网络维护的费用增强，而且便于组网和降低网络维护的费用本讲稿第十页，共三十九页lSDH采用了同步复用方式和灵活的复用采用了同步复用方式和灵活的复用映射结构，使低阶信号和高阶信号的复用映射结构，使低阶信号和高阶信号的复用和解复用一次到位，大大简化了设备的处和解复用一次到位，大大简化了设备的处理过程，省去了大量的有关电路单元、跳理过程，省去了大量的有关电路单元、跳线电缆和电路接口数量，从而简化运营和线电缆和电路接口数量，从而简化运营和维护，改善网络的业务透明性维护，
7、改善网络的业务透明性lSDH标准规范了全世界统一的网络节点标准规范了全世界统一的网络节点接口，对各网络单元的光接口有严格的规接口，对各网络单元的光接口有严格的规范要求，从而使得任何网络单元在光路上范要求，从而使得任何网络单元在光路上得以互通，实现了横向的兼容性得以互通，实现了横向的兼容性本讲稿第十一页，共三十九页lSDH帧结构中安排了丰富的开销比特，帧结构中安排了丰富的开销比特，使网络运营管理、维护与指配使网络运营管理、维护与指配（OAM&P）的能力大大地加强，通过远）的能力大大地加强，通过远程控制，可实现对各网络单元程控制，可实现对各网络单元/节点设备的节点设备的分布式管理，同时也便于新功能
8、和新特性分布式管理，同时也便于新功能和新特性的及时开发和升级，而且促进了更完善的的及时开发和升级，而且促进了更完善的网络管理和智能化设备的发展网络管理和智能化设备的发展lSDH采用先进的指针调整技术，支持伪采用先进的指针调整技术，支持伪同步工作环境，使来自不同提供者的信息同步工作环境，使来自不同提供者的信息净负荷可以在不同的同步岛之间进行传送，净负荷可以在不同的同步岛之间进行传送，并有能力承受一定的定时基准丢失并有能力承受一定的定时基准丢失本讲稿第十二页，共三十九页4.4 数字光纤传输系统的总体设数字光纤传输系统的总体设计计 4.4.1 4.4.1 总体考虑总体考虑 1 1网络拓扑、线路路由选
9、择网络拓扑、线路路由选择网络拓扑、线路路由选择网络拓扑、线路路由选择 2 2网络网络网络网络/系统容量的确定系统容量的确定系统容量的确定系统容量的确定 3 3光纤光纤光纤光纤/光缆选型光缆选型光缆选型光缆选型 lG.652光纤光纤lG.653光纤光纤lG.654光纤光纤lG.655光纤光纤4 4透择合适的设备，核实设备的性能指标透择合适的设备，核实设备的性能指标透择合适的设备，核实设备的性能指标透择合适的设备，核实设备的性能指标 5 5光传输设计光传输设计光传输设计光传输设计本讲稿第十三页，共三十九页4.4.2 再生段的设计光再生段组成光再生段组成本讲稿第十四页，共三十九页在实际组网应用中通常
10、有三种光传输设计在实际组网应用中通常有三种光传输设计方法方法:l最坏值设计法最坏值设计法l联合设计法联合设计法l统计设计法（包括半统计设计法）统计设计法（包括半统计设计法）应用范围最广的是最坏值设计法应用范围最广的是最坏值设计法本讲稿第十五页，共三十九页再生段距离的设计可以分为两种情况：再生段距离的设计可以分为两种情况：l损耗受限系统，即再生段距离由损耗受限系统，即再生段距离由S和和R点点之间的光通道损耗决定之间的光通道损耗决定l色散受限系统，即再生段距离由色散受限系统，即再生段距离由S和和R点点之间的光通道总色散所决定之间的光通道总色散所决定本讲稿第十六页，共三十九页1损耗受限系统损耗受限系
11、统 S-R之间的光通道的损耗组成之间的光通道的损耗组成损耗受限系统的最大再生段距离或者称作损耗受限系统的最大再生段距离或者称作最大中继距离可以用下式来估算最大中继距离可以用下式来估算其中其中本讲稿第十七页，共三十九页对于最坏值设计，最大传输距离则对于最坏值设计，最大传输距离则公式中带下标公式中带下标“m”的参数皆为相应参数的的参数皆为相应参数的最坏值最坏值如光缆富余度按整个段总量留取，则上式如光缆富余度按整个段总量留取，则上式变为变为本讲稿第十八页，共三十九页2色散受限系统色散受限系统 对于色散受限系统，系统设计者首先应确对于色散受限系统，系统设计者首先应确定所设计的再生段的总色散（定所设计的
12、再生段的总色散（ps/nm），再），再据此选择合适的光接口及相应的一整套光据此选择合适的光接口及相应的一整套光参数参数色散受限系统最大无再生传输距离的最坏色散受限系统最大无再生传输距离的最坏值可以用下式估算值可以用下式估算本讲稿第十九页，共三十九页（1）使用多纵模激光器时系统色散受限的）使用多纵模激光器时系统色散受限的最大传输距离最大传输距离使用多纵模激光器的光缆线路系统的光通使用多纵模激光器的光缆线路系统的光通路功率代价仅需计算模式分配噪声的功率路功率代价仅需计算模式分配噪声的功率代价和码间干扰的功率代价两项代价和码间干扰的功率代价两项模式分配噪声的功率代价和码间干扰的功模式分配噪声的功率代
13、价和码间干扰的功率代价均和相对展宽因子有关率代价均和相对展宽因子有关，表示码表示码元脉冲经过信道传输后脉冲的相对展宽值元脉冲经过信道传输后脉冲的相对展宽值可以求出系统色散受限的最大传输距离可以求出系统色散受限的最大传输距离本讲稿第二十页，共三十九页（2）使用单纵模激光器系统色散受限系统）使用单纵模激光器系统色散受限系统的最大传输距离的最大传输距离对于使用单纵模激光器的光缆线路系统对于使用单纵模激光器的光缆线路系统，其光通路功率代价仅需计算频率啁啾的功其光通路功率代价仅需计算频率啁啾的功率代价和码间干扰的功率代价两项率代价和码间干扰的功率代价两项频率啁啾的功率代价均和相对展宽因子有频率啁啾的功率
14、代价均和相对展宽因子有一定的关系一定的关系采用单纵模激光器的系统采用单纵模激光器的系统，可以得到一个，可以得到一个十分简明的色散限制最大传输距离十分简明的色散限制最大传输距离本讲稿第二十一页，共三十九页4.5 数字光纤传输系统的性能指数字光纤传输系统的性能指标标 1误码概念及其性能参数的定义误码概念及其性能参数的定义 误码是指经光接收机的接收与判决再生之后，码流误码是指经光接收机的接收与判决再生之后，码流中的某些比特发生了差错，使传输的质量发生了损中的某些比特发生了差错，使传输的质量发生了损伤伤误码的产生主要有以下因素误码的产生主要有以下因素各种噪声产生的误码各种噪声产生的误码由于光纤色散导致
15、的码间干扰引起的误码由于光纤色散导致的码间干扰引起的误码定时抖动产生的误码定时抖动产生的误码各种外界因素产生的误码各种外界因素产生的误码本讲稿第二十二页，共三十九页以以“块块”为基础的误码事件和误码性能参数有以下为基础的误码事件和误码性能参数有以下几种几种l差错块差错块l误块秒误块秒l严重误块秒严重误块秒l背景块差错背景块差错l严重误码期严重误码期l误块秒比误块秒比l严重误块秒比严重误块秒比l背景块差错比背景块差错比l严重误码期强度严重误码期强度本讲稿第二十三页，共三十九页1误码概念及其性能参数的定义误码概念及其性能参数的定义 ITU-T所制定的与网络长期误码性能指标所制定的与网络长期误码性能
16、指标相关的标准有相关的标准有G.826和和G.828，与网络短期，与网络短期误码性能指标相关的标准有误码性能指标相关的标准有M.2101。对于。对于一次群或高于一次群的固定比特速率传送一次群或高于一次群的固定比特速率传送网，只要求满足网，只要求满足G.826/G.828即可即可本讲稿第二十四页，共三十九页4.5.2 抖动、漂移性能1抖动、漂移概念及其影响抖动、漂移概念及其影响（1）抖动）抖动定时抖动（简称抖动）定义为数字脉冲信定时抖动（简称抖动）定义为数字脉冲信号的特定时刻（如最佳判决时刻）相对于号的特定时刻（如最佳判决时刻）相对于其理想时间位置的短时间偏离其理想时间位置的短时间偏离（2）漂移
17、漂移定义为数字脉冲的特定时刻相对于其漂移定义为数字脉冲的特定时刻相对于其理想时间位置的长时间偏移理想时间位置的长时间偏移本讲稿第二十五页，共三十九页2抖动、漂移性能要求抖动、漂移性能要求 抖动、漂移相关性能指标抖动、漂移相关性能指标：l输入抖动输入抖动/漂移容限漂移容限PDH、SDH设备必须容许输入信号含有一定的抖动设备必须容许输入信号含有一定的抖动/漂移，保证系统正常工作所容许的输入信号的最大漂移，保证系统正常工作所容许的输入信号的最大抖动抖动/漂移范围称为输入抖动漂移范围称为输入抖动/漂移容限漂移容限l最大允许输出抖动最大允许输出抖动/漂移漂移能够使网元任意互连而不影响网络传输质量而允许的
18、网能够使网元任意互连而不影响网络传输质量而允许的网络接口的最大输出抖动络接口的最大输出抖动/漂移漂移l抖动抖动/漂移转移特性漂移转移特性输出信号的抖动输出信号的抖动/漂移与输入信号的抖动漂移与输入信号的抖动/漂移的比值漂移的比值随频率变化的特性随频率变化的特性本讲稿第二十六页，共三十九页3可用性可用性 可用性指在一个观察期内的可用时间所占可用性指在一个观察期内的可用时间所占的百分比，也称为可用性比率的百分比，也称为可用性比率（AvailabilityRatio，AR），不可用性指），不可用性指在一个观察期内的不可用时间所占的百分在一个观察期内的不可用时间所占的百分比，也称为不可用性比率（比，也
19、称为不可用性比率（UnavailabilityRatio，UR）根据根据AR和和UR的定义，它们满足的定义，它们满足AR+UR=1本讲稿第二十七页，共三十九页4.6 光纤放大器及其在光纤通信光纤放大器及其在光纤通信系统中的应用系统中的应用 4.6.1 掺铒光纤放大器1EDFA的工作原理的工作原理 EDFA未作平坦处理的增益谱未作平坦处理的增益谱本讲稿第二十八页，共三十九页2EDFA的结构的结构 本讲稿第二十九页，共三十九页3EDFA的基本性能的基本性能（1）增益特性）增益特性增益特性表示了光放大器的放大能力，定增益特性表示了光放大器的放大能力，定义为输出功率与输入功率之比义为输出功率与输入功率
20、之比EDFA的增益大小与多种因素有关，增益一的增益大小与多种因素有关，增益一般为般为15dB40dB本讲稿第三十页，共三十九页（2）输出功率特性）输出功率特性本讲稿第三十一页，共三十九页（3）噪声特性）噪声特性EDPA的噪声主要有的噪声主要有4种种：信号光的散粒噪声信号光的散粒噪声被放大的自发辐射光被放大的自发辐射光ASE的散粒噪声的散粒噪声自发辐射自发辐射ASE光谱与信号光之间的差拍光谱与信号光之间的差拍噪声噪声自发辐射自发辐射ASE光谱间的差拍噪声光谱间的差拍噪声本讲稿第三十二页，共三十九页衡量衡量EDFA的噪声特性可用噪声系数（的噪声特性可用噪声系数（NF）来度量，其定义为）来度量，其定
21、义为EDFA的输入信噪比与输出信噪比的比值（用的输入信噪比与输出信噪比的比值（用dB表示）。表示）。它与同相传输的自发辐射频谱密度和放大器增益密切相关，与输它与同相传输的自发辐射频谱密度和放大器增益密切相关，与输入信号功率、泵浦功率和泵浦方式等有关。入信号功率、泵浦功率和泵浦方式等有关。表现为以下表现为以下3点点在输入小信号情况下，光放大器的噪声系数（在输入小信号情况下，光放大器的噪声系数（NF）随着输入信）随着输入信号光功率的增大而略有减小，而号光功率的增大而略有减小，而EDFA处于饱和状态时噪声系数随处于饱和状态时噪声系数随信号功率的增大而增大。信号功率的增大而增大。噪声系数随着泵浦功率的
22、增加而减小。噪声系数随着泵浦功率的增加而减小。信噪比恶化基本相同，但是当掺铒光纤长度增大时，同向信噪比恶化基本相同，但是当掺铒光纤长度增大时，同向泵浦形式输出的泵浦形式输出的ASE功率最小，因而噪声系数最低；双向泵功率最小，因而噪声系数最低；双向泵浦形式的噪声系数居中；反向泵浦形式的噪声系数最高浦形式的噪声系数居中；反向泵浦形式的噪声系数最高本讲稿第三十三页，共三十九页4EDFA的应用的应用（1）EDFA的基本应用形式的基本应用形式本讲稿第三十四页，共三十九页（2）EDFA在在DWDM系统中的应用系统中的应用本讲稿第三十五页，共三十九页（3）EDFA在光缆有线电视传输系统在光缆有线电视传输系统
23、（HFC系统）中的应用系统）中的应用（4）RFA+EDFA混合放大本讲稿第三十六页，共三十九页4.6.2 喇曼光纤放大器1RFA的工作原理的工作原理 RFA的放大原理示意图的放大原理示意图本讲稿第三十七页，共三十九页2RFA的基本性能的基本性能 喇曼光纤放大器具有许多优点喇曼光纤放大器具有许多优点：增益介质为普通传输光纤，与光纤具有良好的兼容增益介质为普通传输光纤，与光纤具有良好的兼容性性增益波长由泵浦光波长决定，不受其它因素的限制，增益波长由泵浦光波长决定，不受其它因素的限制，理论上只要泵浦源的波长适当，就可以放大任意波长的理论上只要泵浦源的波长适当，就可以放大任意波长的信号光信号光增益高，串扰小，噪声系数低，频谱范围宽，温度稳增益高，串扰小，噪声系数低，频谱范围宽，温度稳定性好定性好基本性能基本性能：（1）增益特性）增益特性（2）噪声特性）噪声特性本讲稿第三十八页，共三十九页3RFA的应用的应用（1）独立喇曼宽带放大器）独立喇曼宽带放大器（2）RFA+EDFA混合放大器本讲稿第三十九页，共三十九页