第5章 数字光纤通信系统
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光纤通信课件 第 5 章 数字光纤通信系统135页文档
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、
倚
南窗Βιβλιοθήκη 以寄傲，
审
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之
易
安
。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
光纤通信课件 第 5 章 数字光纤通信 系统
6
、
露
凝
无
游
氛
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
数字光纤通信系统
1.1 SDH产生的技术背景
SDH是什么——同步数字传输体制。类似于PDH， 均为数字信号传输体制。
产生的社会背景：
1）信息社会要求： 通信网传输、交换、处理大量信息，向数字化、综
合化、智能化、个人化发展。
2）作为通信网的承载体传输网要求： 宽带化——信息高速公路 规范化——世界性统一的标准接口
1.2 PDH的固有缺陷：
在这一章中我们将介绍
1.光纤通信系统的构成； 2 .数字光纤通信系统；
本章重点要求 （Accent)
理解光纤通信系统的概念
掌握光纤通信系统的构成和各
部分的作用
掌握数字光纤通信系统的体制、
性能以及设计
第五章 目 录
5.0 光纤通信系统概述 5.1 两种传输体制 5.2系统的性能指标 5.3系统的设计
5.0 光纤通信系统概述
5.0.1 分类
光纤通信系统根据传送的信号可以分为模拟光纤通
信系统和数字光纤通信系统。
5.0.2 任务与区别
系统设计的任务是：遵循建议规范，采用先进、成
熟技术，综合考虑系统经济成本，合理地选用器件和 设备，明确系统的全部技术参数，完成实用系统的合 成。
它与工程设计主要区别在于：
4、无统一的网管接口，无法形成统一的TMN
因此，PDH体制不适应大容量传输网的组建，SDH体制 应运而升。
5.1.1 准同步数字系列PDH
准同步数字系列有两种基础速率：
一种是以1.544 Mb/s为第一级(一次群，或称基群)
基础速率，采用的国家有北美各国和日本；
另一种是以2.048 Mb/s为第一级(一次群)基础速率，
5.1 两种传输体制
光纤大容量数字传输目前都采用同步时分复
第05章数字光纤通信系统资料
2020/5/21
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5.1.2 同步数字传输系列SDH---SDH传输网（1/9）
SDH不仅适合于点对点传输，而且适合于多点 之间的网络传输。图5.1示出SDH传输网的拓扑 结构。
SDH传输网由SDH终接设备(或称SDH终端复 用器TM)、分插复用设备ADM、数字交叉连接 设备DXC等网络单元以及连接它们的(光纤)物理 链路构成。
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5.1.2 同步数字传输系列SDH---SDH传输网（4/9）
中继线 STM-N
DMX 分接 Drop
MUX
Add
复接
中继线 STM-N
STM- n STM-n 本地
图5.2(b) SDH传输网络单元分插复用设备ADM(Add/DropMultiplexer)
分插复用器（ADM）
➢ 信号复用/解复用需要逐级进行，复接/分接设备结构复杂，上下话路价 格昂贵。
➢ 各种复用系列都有其相应的帧结构，没有足够的OAM开销比特，使网 络设计缺乏灵活性，无法适应不断演变的电信网要求。
➢ 由于建立在点对点传输基础上的复用结构缺乏灵活性，使得数字通道 设备的利用率很低，非最短的通道路由占了业务量的大部分。
SDH解决了PDH存在的问题，是一种比较完善的传输体制，现已 得到大量应用。这种传输体制不仅适用于光纤信道，也适用于微波和 卫星干线传输。
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5.1.1 准同步数字系列PDH---基础速率
准同步数字系列有两种基础速率
➢以1.544 Mb/s为第一级(一次群，或称基群)基础速率，采 用的国家有北美各国和日本； ➢以2.048 Mb/s为第一级(一次群)基础速率， 采用的国家 有西欧各国和中国。
数字光纤通信系统课件
光接收机
将光信号转换为电信号，实现 信息的接收。
数字信号处理单元
对电信号进行调制和解调处理 ，以及实现信号的编解码等功
能。
02
数字光纤通信系统关键 技术
调制技术
调相技术
调频技术
通过改变光载波的相位信息承载信号，常 见有二进制相位移位键控（BPSK）和四进 制相位移位键控（QPSK）。
利用光载波的频率变化携带信息，常见有 最小频移键控（MSK）和偏移四相相位移 位键控（OQPSK）。
05
数字光纤通信系统发展 趋势与挑战
超高速率与超长距离传
总结词
随着数据需求的爆炸式增长，超高速率和超长距离传输成为数字光纤通信系统的 重要发展方向。
详细描述
目前，商用数字光纤通信系统的传输速率已经达到Tbps级别，同时，超长距离传 输技术也在不断发展，以满足大规模数据中心和跨国网络之间的连接需求。
传输距离
总结词
传输距离是数字光纤通信系统覆盖范围的直接体现，它决定了系统的服务范围和应用场景。
详细描述
传输距离是指数字光纤通信系统在保证一定通信质量的前提下，光信号能够传输的最大距离。传输距离受到光纤 损耗、光信号衰减、中继器性能等多种因素的影响。长传输距离的系统可以提供更广泛的网络覆盖，满足不同地 区和领域的通信需求。
误码率与Q因子
要点一
总结词
误码率与Q因子是衡量数字光纤通信系统传输质量的指标 ，它们反映了系统传输二进制位错误的概率。
要点二
详细描述
误码率是指数字光纤通信系统在传输过程中，接收端接收 到的二进制位中出现错误的概率，是评估系统传输质量的 重要参数。Q因子是另一种衡量系统传输质量的参数，它 综合考虑了系统的误码率和信号质量，能够更全面地反映 系统的性能。低误码率和高的Q因子意味着系统传输质量 更高，信息传递更准确。
数字光纤通信系统的工作原理
数字光纤通信系统的工作原理数字光纤通信系统是一种高速、高带宽的数据传输技术，其工作原理基于光学和电学的相互作用。
数字光纤通信系统主要由三部分组成：发射机、光纤传输线路和接收机。
发射机是数字光纤通信系统中的第一部分，它将电信号转换为光信号并将其发送到光纤传输线路上。
发射机主要由三个部分组成：激光器、调制器和驱动电路。
激光器是发射机的核心部件，它能够产生高强度、单色、相干的激光束。
调制器则是将电信号转换为激光脉冲的设备，它能够对激光束进行调制以便在传输过程中能够正确地识别出每一个二进制位。
驱动电路则是用来控制调制器的工作状态，以便让其按照正确的时间序列进行工作。
光纤传输线路是数字光纤通信系统中的第二部分，它是负责将激光脉冲从发射机传输到接收机的媒介。
在传输过程中，激光脉冲会在光纤中不断地反射和折射，以保证光信号能够稳定地传输到目的地。
光纤传输线路主要由两个部分组成：光纤和连接器。
光纤是数字光纤通信系统中最重要的部件之一，它具有非常高的抗干扰性和传输带宽。
在数字光纤通信系统中，常用的是单模光纤，它能够将激光脉冲通过一个非常小的核心直接传送到接收机中。
连接器则是用来连接不同段光纤的设备，它能够确保激光脉冲在传输过程中不会受到损失或干扰。
接收机是数字光纤通信系统中的第三部分，它负责将从传输线路上接收到的激光脉冲转换为电信号并将其输出。
接收机主要由两个部分组成：探测器和前置放大器。
探测器是接收机中最重要的部件之一，它能够将从传输线路上接收到的激光脉冲转换为电信号。
前置放大器则是用来增强探测器输出信号强度，并将其输出到后续的数字处理器中进行解码和处理。
总之，数字光纤通信系统是一种高速、高带宽的数据传输技术，其工作原理基于光学和电学的相互作用。
通过发射机将电信号转换为光信号并将其发送到光纤传输线路上，再通过接收机将从传输线路上接收到的激光脉冲转换为电信号并将其输出，从而实现了数字信息在长距离范围内的高速、稳定地传输。
光纤通信chpter5-数字光纤通信系统ppt课件
第五章 数字光纤通讯系统
❖ 两种传输体制 ❖ 系统的性能目的 ❖ 系统的设计
两种传输体制
❖ 光纤传输复用技术：同步时分复用TDM ❖ TDM扩展为不同的群路等级： ❖ ITU：将多路编码数字按两种规范组成群路。 ❖ 北美、日：24路信道复用为一个基群，信息速率1.544Mb/s; ❖ 中、欧：30路信道复用为一个基群，信息速率2.048Mb/s; ❖ 更高级复用： ❖ 4个基群经过TDM复用为二次群；信息速率稍大于4倍； ❖ 多个二次群复用为三次群 ❖ ……
❖ 有利于建立世界一致的通讯网络；
❖ 简化硬件，降低了网络本钱；
❖ 帧构造中有丰富的开销比特：
SDH传输网(6)——与PDH相比的特 点
❖ 采用数字同步复用技术：
❖ 以字节(8bit)为最小复用单位，不用进展码速率调整， 简化复接/分接设备；
❖ 低速率信号与高速率信号间的复接/分接，不用逐级进 展;
2 Mb/s(电信号)
SDH帧构造(1)
❖ 帧构造是实现数字同步时分复用，保证网络可靠有效运转的关 键；——三部分：段开销，信息载荷，管理单元指针；
❖ 块状构造，以字节为根底；
❖ STM-N帧：9行×270×N列，每列为1个字节，(1byte=8bit)；
❖ 帧周期：T=125μs, 8000帧/s
SDH传输网(1)
❖ 适用网络类型：点对点传输、多点网络传输； ❖ SDH网络的构成： ❖ 终端设备，即终端复用器TM； ❖ 分插复用设备ADM； ❖ 数字交叉衔接设备DXC； ❖ 物理链路——光纤； ❖ 以下图为典型的SDH拓扑构造图。
SDH传输网(2) TM
低速 信号
STM- N
STM- N
协会(ANSI)经过了两个最早的SONET规范。 ❖ 1988年，CCITT命名数字同步系列(SDH)，并建立了一致规范。 ❖ 国际电报咨询委员会(CCITT)(如今的ITU〕接受了SONET的概念
❖ 两种传输体制 ❖ 系统的性能目的 ❖ 系统的设计
两种传输体制
❖ 光纤传输复用技术：同步时分复用TDM ❖ TDM扩展为不同的群路等级： ❖ ITU：将多路编码数字按两种规范组成群路。 ❖ 北美、日：24路信道复用为一个基群，信息速率1.544Mb/s; ❖ 中、欧：30路信道复用为一个基群，信息速率2.048Mb/s; ❖ 更高级复用： ❖ 4个基群经过TDM复用为二次群；信息速率稍大于4倍； ❖ 多个二次群复用为三次群 ❖ ……
❖ 有利于建立世界一致的通讯网络；
❖ 简化硬件，降低了网络本钱；
❖ 帧构造中有丰富的开销比特：
SDH传输网(6)——与PDH相比的特 点
❖ 采用数字同步复用技术：
❖ 以字节(8bit)为最小复用单位，不用进展码速率调整， 简化复接/分接设备；
❖ 低速率信号与高速率信号间的复接/分接，不用逐级进 展;
2 Mb/s(电信号)
SDH帧构造(1)
❖ 帧构造是实现数字同步时分复用，保证网络可靠有效运转的关 键；——三部分：段开销，信息载荷，管理单元指针；
❖ 块状构造，以字节为根底；
❖ STM-N帧：9行×270×N列，每列为1个字节，(1byte=8bit)；
❖ 帧周期：T=125μs, 8000帧/s
SDH传输网(1)
❖ 适用网络类型：点对点传输、多点网络传输； ❖ SDH网络的构成： ❖ 终端设备，即终端复用器TM； ❖ 分插复用设备ADM； ❖ 数字交叉衔接设备DXC； ❖ 物理链路——光纤； ❖ 以下图为典型的SDH拓扑构造图。
SDH传输网(2) TM
低速 信号
STM- N
STM- N
协会(ANSI)经过了两个最早的SONET规范。 ❖ 1988年，CCITT命名数字同步系列(SDH)，并建立了一致规范。 ❖ 国际电报咨询委员会(CCITT)(如今的ITU〕接受了SONET的概念
数字光纤通信系统的组成
数字光纤通信系统的组成数字光纤通信系统是一种高速数字数据传输系统，使用光纤传输数据，具有高速传输、信噪比高、阻抗稳定、抗干扰等优点，已经广泛应用于网络通信、数据中心、智能家居、医疗等领域。
数字光纤通信系统主要由三部分组成：传输设备、光纤线路和接收设备。
传输设备是数字光纤通信系统的核心部分，通常包括发射器和接收器两个组成部分。
发射器主要是将电信号转换成光信号，通过光纤线路传输；接收器则是将接收到的光信号转换成电信号，从而实现数字数据的传输。
发射器中的激光器是数字光纤通信系统中最重要的组件之一，它的性能直接影响到系统的传输速度和传输距离。
光纤线路是数字光纤通信系统的传输介质，它主要是由纤芯、包层、护套等组成。
纤芯是光纤线路中最关键的组件之一，它是光信号的传输通道，通常由高纯度玻璃、石英等材料制成。
包层则是包裹在纤芯外的一层材料，主要作用是保护纤芯，减少信号传输中的损耗。
护套则是包裹在包层外的一层材料，主要是为了保护线路，防止外界物理损伤。
接收设备是数字光纤通信系统中数据接收的最后一环，主要是将接收到的光信号转换成数字电信号，从而实现数据的解析和传输。
接收器通常包括光电探测器、放大器、解码器等组成部分，其中光电探测器是数字光纤通信系统中另一个重要的组件，它主要是将接收到的光信号转换成电信号，为后续的数据处理提供信号源。
综上所述，数字光纤通信系统的组成主要包括传输设备、光纤线路和接收设备三部分。
传输设备中的发射器和接收器是系统中最关键的组件之一，光纤线路是系统传输介质，而接收设备则是数据接收的最后一个环节，对于数据的完整性和准确性具有重要作用。
随着数字通信技术的不断更新和发展，数字光纤通信系统在未来的应用中将会发挥越来越重要的作用。
第五章光纤通信系统PPT课件
第23页/共54页
光接收机的噪声
光接收机的噪声包括光电检测器的噪声和光接收机的电路噪 声。 光电检测器的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和
APD的倍增噪声。 电路噪声主要是前置放大器的噪声。前置放大器的噪声包括电
阻 热 噪 声 及 晶 体 管 组 件 内第部24噪页声/共5。4页
光接收机的噪声
调制 (驱动)
光 源
至光纤
时钟
自动功率控制 APC
光 监测
告警输出
主要包括两部分：输入电路（输入盘）和电光转换电路 （发送盘）。输入电路包括均衡放大、码型变换、扰码、 编码、时钟提取；电光转换电路包括光源、光源的调制 （驱动）电路、光源的控制电路及光源的监测和保护电 路等。
第3页/共54页
光发送机的基本组成
对光电检测器的基本要求是高的转换效率、低的附加噪声和快速的响应。由于光 电检测器产生的光电流非常微弱（nA ~ μA），必须先经前置放大器进行低噪声放 大，光电检测器和前置放大器合称为光接收机前端。前端的性能是决定光接收机灵 敏度的主要因素。
第14页/共54页
前置 放大器
信号光 光探 测器
前放
电压 供给
tD
tD
判决 时刻 10
(d)
由 于 噪 声 叠 加, 使 “ 1 ” 码
在 判 决 时 刻 变 成“ 0 ” 码 ，
经判决电路后产生了一个误码。
第28页/共54页
比特误码率
误码率包括这两种可能引起的误码，因此误码率 为
BER P1P0 1 P0P1 0
(5.5.1)
式中 P(1)和 P(0)分 别 是接 收“ 1” 和 “ 0” 码 的概 率 ，
动态范围也比高阻抗前 置放大器的大。因此光
光接收机的噪声
光接收机的噪声包括光电检测器的噪声和光接收机的电路噪 声。 光电检测器的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和
APD的倍增噪声。 电路噪声主要是前置放大器的噪声。前置放大器的噪声包括电
阻 热 噪 声 及 晶 体 管 组 件 内第部24噪页声/共5。4页
光接收机的噪声
调制 (驱动)
光 源
至光纤
时钟
自动功率控制 APC
光 监测
告警输出
主要包括两部分：输入电路（输入盘）和电光转换电路 （发送盘）。输入电路包括均衡放大、码型变换、扰码、 编码、时钟提取；电光转换电路包括光源、光源的调制 （驱动）电路、光源的控制电路及光源的监测和保护电 路等。
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光发送机的基本组成
对光电检测器的基本要求是高的转换效率、低的附加噪声和快速的响应。由于光 电检测器产生的光电流非常微弱（nA ~ μA），必须先经前置放大器进行低噪声放 大，光电检测器和前置放大器合称为光接收机前端。前端的性能是决定光接收机灵 敏度的主要因素。
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前置 放大器
信号光 光探 测器
前放
电压 供给
tD
tD
判决 时刻 10
(d)
由 于 噪 声 叠 加, 使 “ 1 ” 码
在 判 决 时 刻 变 成“ 0 ” 码 ，
经判决电路后产生了一个误码。
第28页/共54页
比特误码率
误码率包括这两种可能引起的误码，因此误码率 为
BER P1P0 1 P0P1 0
(5.5.1)
式中 P(1)和 P(0)分 别 是接 收“ 1” 和 “ 0” 码 的概 率 ，
动态范围也比高阻抗前 置放大器的大。因此光
第五章SDHWDM
1.网同步方式
国际上所使用的同步方式有主从同步方式、相互同步 方式和准同步方式，但大多数国家普遍采用主从同步方式
主从同步方式就是要在同步网中设立一个最高级别的 基准主时钟，而其他时钟均逐级与上一级时钟保持同步， 以此实现与主时钟同步的目的，及具体结构如图5-11所示
图5-11 我国同步时钟等级
由图5-11可知，主从同步网多采用树型拓扑结构，基 准时钟通过同步链路逐级向下传输，在各交换节点上，通 过锁相环将本地时钟与接收到的上一级时钟进行相位锁定， 从而达到与基准时钟同步的目的
（1）复用各部相同常用的有容 器（C）、虚容器（VC）、管理单元（AU）、之路单元 （TU）等。
① 容器
容器（C）实际上是一种装载各种速率业务信号的 信息结构，主要完成PDH信号与VC之间的适配功能。
ITU-T规定了5种标准容器，我国的SDH复用结构中， 仅用了装载2.048Mbit/s、34.368Mbit/s和 139.264Mbit/s信号的3种容器，即C-12，C-3和C-4， 其中C-4为高阶容器，C-3和C-12为低阶容器。
2.映射方法
5.1.3 SDH光传输系统
1.点到点链状线路系统
该系统是由具有复用和光接口功能的线路终端、中继 器和光缆传输线路构成，其中中继器可以采用目前常见的 光-电-光再生器，也可以使用掺饵光纤放大器（EDFA）， 在光路上完成放大的功能
2.环路系统
环路系统中，可选用分插复用器，也可以选用交叉连 接设备作为节点设备，它们的区别在于后者具有交叉连接 功能，它是一种集复用、自动配线、保护/恢复、监控和网 管设备的控制下，对由多个电路组成的电路群进行交叉连 接，因此其成本很高，故通常使用在线路交汇处，而接入 设备则可以使用数字环路载波系统（DLC）、宽带综合业务 接入单元（B-ISDN）
数字光纤通信系统
➢ 假设参考数字段的性能指标从假设参考数字链路 的指标分配中得到，并再度分配给线路和设备。
数字光纤通信系统
X b/s 终端设备
X b/s 终端设备
Y km
*“Y” 的 合 适 值 取 决 于 网 的 应 用。 目 前 50 km 和 280 km 被 认 定 是 必 需 的 。
பைடு நூலகம்
图 5.12 假设参考数字段HRDS
➢ 劣化分(DM) 误码率为1×10-6时，感觉不到干扰 的影响，选为BERth。每次通话时间平均3～5 min, 选择取样时间T0为 1 min是合适的。
➢ 监测时间以较长为好，选择TL为1个月。定义误 码率劣于 1×10-6的分钟数为劣化分(DM)。HRX 指标要求劣化分占可用分(可用时间减去严重误码 秒累积的分钟数)的百分数小于10%。
数字光纤通信系统
5.2.2 系统的主要性能指标
➢ 1. 误码率(BER)
➢ 误码率是衡量数字光纤通信系统传输质量优劣的非 常重要的指标，它反映了在数字传输过程中信息受 到损害的程度。
➢ BER是在一个较长时间内的传输码流中出现误码 的概率，它对话音影响的程度取决于编码方法。对 于PCM而言，误码率对话音的影响程度如表 5.2 所示。
几乎听不懂
数字光纤通信系统
如图 5.13 所示， 规定一个较长的监测时间TL，例如几天 或一个月，并把这个时间分为“可用时间”和“不可用时间”。
图 5.13 误码率随时间的变化
数字光纤通信系统
在连续10 s时间内，BER劣于1×10-3，为“不可用时间”， 或称系统处于故障状态；故障排除后,在连续10 s时间内，BER 优于1×10-3，为“可用时间”。
➢ 表5.3列出的是标准数字假设参考连接HRX(27500 km)的误码率总指标。为了设计需要，必须把总指 标按不同等级的电路质量分配到各部分。
数字光纤通信系统
X b/s 终端设备
X b/s 终端设备
Y km
*“Y” 的 合 适 值 取 决 于 网 的 应 用。 目 前 50 km 和 280 km 被 认 定 是 必 需 的 。
பைடு நூலகம்
图 5.12 假设参考数字段HRDS
➢ 劣化分(DM) 误码率为1×10-6时，感觉不到干扰 的影响，选为BERth。每次通话时间平均3～5 min, 选择取样时间T0为 1 min是合适的。
➢ 监测时间以较长为好，选择TL为1个月。定义误 码率劣于 1×10-6的分钟数为劣化分(DM)。HRX 指标要求劣化分占可用分(可用时间减去严重误码 秒累积的分钟数)的百分数小于10%。
数字光纤通信系统
5.2.2 系统的主要性能指标
➢ 1. 误码率(BER)
➢ 误码率是衡量数字光纤通信系统传输质量优劣的非 常重要的指标，它反映了在数字传输过程中信息受 到损害的程度。
➢ BER是在一个较长时间内的传输码流中出现误码 的概率，它对话音影响的程度取决于编码方法。对 于PCM而言，误码率对话音的影响程度如表 5.2 所示。
几乎听不懂
数字光纤通信系统
如图 5.13 所示， 规定一个较长的监测时间TL，例如几天 或一个月，并把这个时间分为“可用时间”和“不可用时间”。
图 5.13 误码率随时间的变化
数字光纤通信系统
在连续10 s时间内，BER劣于1×10-3，为“不可用时间”， 或称系统处于故障状态；故障排除后,在连续10 s时间内，BER 优于1×10-3，为“可用时间”。
➢ 表5.3列出的是标准数字假设参考连接HRX(27500 km)的误码率总指标。为了设计需要，必须把总指 标按不同等级的电路质量分配到各部分。
数字光纤通信系统 第五章
光纤为什么能够导光，能传送大量信息呢？这要研究其传输理论，但其传输理 论涉及的数学、物理知识面相当广，它要用到微分方程、场论等等高等数学知识及物 理的微电子学、光学等高深理论。这里我们用简单的比喻，从物理概念上来说明，以 加深对光纤传输信息的理解。
光纤是利用光的全反射特性来导光的。在物理中学习过光从一种介质向另一种介 质传播，由于它们在不同介质中传输速率不一样，因此，当通过两个不同的介质交界 面就会发生折射。若现在有两种不同介质，其折射率分别n0、n1，而且n1＞n0，设 界面为xx‘，折射率小的称光疏媒质，折射率大的称光密媒质。假定光线从光疏媒质 射向光密媒质，其折射情况如图5. 3所示。图中，入射角为θ ₀， 入射光线与法线yy＇ 夹角，折射角为θ 1一一一 折射光线与yy＇夹角，由图可见， θ 1 < θ 0 若使光束从光密媒质射向光疏媒质时，则折射角大于入射角，如图5. 4所示。
第五章 数字光纤通信系统
5. 1 数字光纤通信系统概述
• 5.1.1 数字光纤通信的基本概念
1.线径细,重量轻 数字光纤通信，是以光波运载数字信号，以光导纤维为传输媒介的一种通信方式 。有如下的显著特点:
由于光纤的直径小，制成光缆后与电缆比要细得多，有利于长途和市话干线布放，便于制造多芯光缆。
2.损耗极低 由于技术的发展，现在制造出的光纤介质纯度很高，因而损耗极低。
图5. 2
数字光纤通信传输系统结构方框图
图中，数字端机主要是把用户各种数字信号，包括数字程控交换机和数字接 口，通过复用设备组成一定的数字传输结构（帧结构），不同速率等级的数字信 号流送至光端机，光端机把数字端机送来的数字信号进行处理，变成光脉冲送人 光纤进行传输，接收端进行相反的变换。 光端机主要由光发送、光接收、信号处理及辅助电路组成。在光发送部分完 成电／光变换，在光接收部分主要完成光／电变换。信号处理，主要指把数字端 机送来的数字脉冲信号 再处理，以及各种码型变换，使之适应光传输及其他目的。 辅助电路主要包括告警、公务、 监控及区间通信等等。 光中继机的作用，主要是将光纤长距离传输后，受到的衰耗及色散畸变的光 脉冲信 号，转换为电信号后经放大整形、定时、再生还原为规则的数字脉冲信号。 经过再调制光源，变为光脉冲信号送入光纤继续传输，达到延长传输距离的目的。
数字光纤通信系统解析
(4) 采用数字同步复用技术，其最小的复用 单位为字节， 不必进行码速调整，简化 了复接分接的实现设备，由低速信号复 接成高速信号，或从高速信号分出低速 信号，不必逐级进行。
PDH和SDH分插信号流程的比较。在PDH中， 为了从140 Mb/s码 流中分出一个2 Mb/s的支路信号，必须经过140/34 Mb/s, 34/8 Mb/s 和8/2 Mb/s三次分接。 而若采用SDH分插复用器(ADM)，可以利用 软件一次直接分出和插入 2 Mb/s支路信号，十分简便。
ADM是一种特殊的复用器，它利用分接功能将输入信号所承载 的信息分成两部分：一部分直接转发，另一部分卸下给本地 用户。然后信息又通过复接功能将转发部分和本地上送的部 分合成输出。DXC类似于交换机，它一般有多个输入和多个 输出，通过适当配置可提供不同的端到端连接。
MUX 同 步复 接
DMX 同 步分 接
…
E1 E1
STM-N
STM-N
E1 E1 1
分接 1:m
…
交 叉连 接矩 阵
复接 m:1 1
…
(a) 中 继线 STM-N DMX 分接 Drop STM-n Add STM-n MUX 复接 中 继线 STM-N
பைடு நூலகம்
n
1:m
m:1
n
配 置管 理 (c)
本地 (b)
图5.2 SDH (a) 终端复用器TM； (b) 分插复用设备ADM(Add/Drop Multiplexer); (c) 数字交叉连接设备DXC
SDH 解决了 PDH 存在的问题，是一种比较完 善的传输体制，现已得到大量应用。这种传输 体制不仅适用于光纤信道，也适用于微波和卫 星干线传输。
5.1.1 准同步数字系列PDH
第5章 数字光纤通信系统PPT课件
135
(24)
(96) (672) (2016)
日本 1.544 6.312 32.064 92.728
(24)
(96) (480) (1440)
光纤通信
5
第5章 数字光纤通信系统
30/32路PCM的帧结构
16帧、2ms F0 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 F11 F12 F13 F14 F15
高次群
定时
分
恢
离
复
分接器
1低
2 3 4
次 群
滑帧
8448-4 ×2048=256Kbit：帧同步码、对告码、调整比特、标志码
光纤通信
7
第5章 数字光纤通信系统
光同步数字传输网
• PDH的主要缺点：
➢ 北美、西欧和亚洲所采用的三种数字系列互不兼容， 没有世界统 一的标准光接口，使得国际电信网的建立及网络的营运、 管理和 维护变得十分复杂和困难。
6312k
VC-2 C-2
复用 定位校准
映射
均匀字节 ×3
间插 ×4
TU-12
TU-11
2048k
VC-12 C-12
1544k
VC光-11纤通C信-11
+TU-PTR +POH 码速调整 27
第5章 数字光纤通信系统
单位：kbit/s
2.048
C-12
2.176
VC-12 2.240
E1
TU-12 PTR
2 Mb/s(电信号)
分插信号流程的比较
光纤通信
9
第5章 数字光纤通信系统
光同步数字传输网
• 同步数字体系（SDH）
(24)
(96) (672) (2016)
日本 1.544 6.312 32.064 92.728
(24)
(96) (480) (1440)
光纤通信
5
第5章 数字光纤通信系统
30/32路PCM的帧结构
16帧、2ms F0 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 F11 F12 F13 F14 F15
高次群
定时
分
恢
离
复
分接器
1低
2 3 4
次 群
滑帧
8448-4 ×2048=256Kbit：帧同步码、对告码、调整比特、标志码
光纤通信
7
第5章 数字光纤通信系统
光同步数字传输网
• PDH的主要缺点：
➢ 北美、西欧和亚洲所采用的三种数字系列互不兼容， 没有世界统 一的标准光接口，使得国际电信网的建立及网络的营运、 管理和 维护变得十分复杂和困难。
6312k
VC-2 C-2
复用 定位校准
映射
均匀字节 ×3
间插 ×4
TU-12
TU-11
2048k
VC-12 C-12
1544k
VC光-11纤通C信-11
+TU-PTR +POH 码速调整 27
第5章 数字光纤通信系统
单位：kbit/s
2.048
C-12
2.176
VC-12 2.240
E1
TU-12 PTR
2 Mb/s(电信号)
分插信号流程的比较
光纤通信
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第5章 数字光纤通信系统
光同步数字传输网
• 同步数字体系（SDH）
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数字 光端机 信号 模拟 信号 PCM 电 端 机 发送 接收
光信号
光中继机 接收 发送 发送 接收
光信号
光端机 接收 发送
数字 信号 PCM 电 端 机
模拟 信号
监控台
图 5.2 数字光纤通信传输系统结构方框图
光端机主要由光发送、光接收、信号处理及辅助电路组
成。在光发送部分完成电/光变换, 在光接收部分主要完成光 /
E/O变换器
E/O变换
O/E变换 光接 收机 光纤连结器 电信号
图 5.1 光纤通信系统组成原理方框图
在发送设备中, 有源器件把数字脉冲电信号转换为光信号 (E/O变换), 送到光纤中进行传输。在接收设备中, 设有光检测 器件, 将接收到的光信号转换为数字脉冲信号(O/E变换)。 在其传输的路途中, 当距离较远时, 采用光中继设备, 把信 号经过中继再生处理后传输。 实用系统是双方向的, 其结构图如图 5.2 所示。 图中, 数字端机主要是把用户各种数字信号, 包括数字程控 交换机和数字接口, 通过复用设备组成一定的数字传输结构(帧 结构), 不同速率等级的数字信号流送至光端机, 光端机把数字 端机送来的数字信号进行处理, 变成光脉冲送入光纤进行传输, 接收端进行相反的变换。
①
光疏媒质
n0
②
③
c
③ ②
光密媒质 ①
图5.4 临界角和光线的全反射
要做成这样的光导管, 除了对光纤芯部的折射率有要求以 外, 还要使靠近纤芯与包层的边沿具有极小的光损耗, 使能量都 集中在光芯中传播。 当然, 这就对光纤材料提出了很高的要求。由于石英玻璃质 地脆、易断裂, 为了保护光纤表面, 提高抗拉强度，以便于实用, 一般都在裸光纤外面进行两次涂覆而构成光纤芯线。光纤芯线 结构如图5.5所示。 光纤的芯线由纤芯、包层、涂覆层、套塑四部分组成。 包 层的外面涂覆一层很薄的涂覆层, 涂覆的材料为硅铜树脂或聚 氨基甲醚乙脂, 涂覆层的外面套塑, 套塑的原料大都采用尼龙、 聚乙烯或聚本烯等塑料。
3. 传输的频带宽、
由于光波频率高 , 因此用光来携带信号则信息量大。现在 已经发展到几十千兆比特/秒的光纤通信系统, 它可传输几十万 路电话和几千路彩色电视节目。
4. 不受电磁干扰、
因光纤是非金属材料, 它不会受到电磁干扰, 也不会发生 锈蚀, 具有防腐的能力。
5. 不怕高温, 防爆、 防火性能强 因光纤是石英玻璃材料, 熔点高达2000℃以上, 所以不怕高 温, 有防火的性能。因而可用于矿井下、军火仓库、石油、 化 工等易燃易爆的环境中。 6. 由于光纤在传输光信号时向外泄漏小, 不会产生串话等干 扰, 因而光纤通信保密性好。
现在普遍采用的数字光纤通信系统, 是采用数字编码信号
经强度调制 - 直接检波的数字通信系统。这里的强度是指光强 度, 即单位面积上的光功率。强度调制是利用数字信号直接调
制光源的光强度, 使之与信号电流成线性变化。直接检波, 是指
信号在光接收机的光频上检测出数字脉冲信号。光纤通信系统 组成原理方框图如图 5.1 所示。
电变换。信号处理, 主要指把数字端机送来的数字脉冲信号再 处理, 以及各种码型变换, 使之适应光传输及其他目的。辅助
电路主要包括告警、公务、监控及区间通信等等。
光中继机的作用, 主要是将光纤长距离传输后, 受到的衰 耗及色散畸变的光脉冲信号, 转换为电信号后经放大整形、定 时、再生还原为规则的数字脉冲信号。经过再调制光源, 变为 光脉冲信号送入光纤继续传输, 达到延长传输距离的目的。
5.1.3 光纤和光缆
1. 光纤就是导光的玻璃纤维的简称, 是石英玻璃丝, 它的直 径只有0.1 mm, 如同人的头发丝粗细。在通信中, 它和原来传 送电话的明线、电缆一样, 是一种新型的信息传输介质, 但它 比以上两种方式传送的信息量要高出成千上万倍, 可达到上百 千兆比特/秒, 而且衰耗极低。 2. 光纤为什么能够导光, 能传送大量信息呢? 这要研究其传 输理论, 但其传输理论涉及的数学、 物理知识面相当广, 它要 用到微分方程、场论等等高等数学知识及物理的微电子学、 光学等高深理论。这里我们用简单的比喻, 从物理概念上来说 明, 以加深对光纤传输信息的理解。
光疏媒质 Y
0 B
X′ A A′
B′ X
1
光密媒质 Y′
图 5.3 光的折射示意图
若使光束从光密媒质射向光疏媒质时 , 则折射角大于入射 角，如图5.4所示。如果不断增大θ0可使折射角θ1达到90°, 这 时的θ1称为临界角。如果继续增大θ1, 则折射角会大于临界角, 使光线全部返回光密媒质中, 这种现象称为光的全反射当光线 从光密媒质射向光疏媒质, 且入射角大于临界角时, 就会产生 全反射现象, 光纤就是利用这种全反射来传输光信号的。 根据这一原理, 在制造光纤时, 使光纤芯的折射率高, 在外面涂 上一包屏层, 可使折射率低, 当选择一定的角度θ0时，射入纤芯 的光束将会全部返回纤芯中。这就要制造一种像水管一样的 光导管, 在光导管壁及光纤芯包的边界使之形成光束的全反射, 从而达到将光束都集中在光纤芯部传输而不向外泄漏 , 就似水 管中的水流那样, 使之永远在水管中流动。
由于光纤通信具有一系列的突出优点, 随着科学技术的进
步, 光纤通信技术近年来发展速度之快、应用范围之广, 出乎人
们的预料, 它是世界信息革命的一个重要标志, 是现代通信技术 的重要组成部分。可以说有了光纤通信, 就为构筑信息高速公
路打下了基础, 光纤通信成为通向信息社会的桥梁。
5.1.2
数字光纤通信系统与一般通信系统一样 , 它由发送设备、 传输信道和接收设备三大部分构成。
1. 线径细, 由于光纤的直径小, 只有0.1 mm左右, 所以制成光缆后与 电缆比要细得多, 因而重量轻, 有利于长途和市话干线布放, 而 且便于制造多芯光缆。
2. 由于技术的发展, 现在制造出的光纤介质纯度很高, 因而损 耗极低。现已制出的在光波导 1.55 mm窗口的衰耗低于 0.18 dB/km。 由于损耗极低, 所以传输的距离可以很长, 这就大大减 少了数字传输系统中中继站的数目, 既可降低成本, 也可提高通 信质量。
第5章
5.1 数字光纤通信系统概述 5.2 PDH
5.3 SDH
5.4 SDH传送网
5.5 SDH
5.6
5.7 全光通信系统
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第 5章
5.1
5.1.1
数字光纤通信, 是以光波运载数字信号, 以光导纤维为传 输媒介的一种通信方式。1996年，英籍华人“光通信之父” 高锟(C.K.Kilo)博士根据介质波导理论提出了光纤通信的概念。 光纤通信有如下的显著特点。