光纖通信系統(tǒng)2本章內容簡介為了滿足全程全網各種通信的要求，需要對通信網在技術和經濟相權衡的基礎上進行規(guī)劃和設計。對通信系統(tǒng)進行規(guī)劃和設計時，首要考慮的因素是系統(tǒng)的傳輸性能。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的各種傳輸性能指標（如誤碼、抖動、漂移和延時等）必須滿足系統(tǒng)傳輸性能的要求。本章主要講解系統(tǒng)的傳輸性能指標要求以及相應的系統(tǒng)設計和規(guī)劃方法。

39.1數(shù)字傳輸模型目的方法分類49.1.1數(shù)字傳輸模型原理及意義一個通信連接是通信網中從用戶至用戶，包括參與交換和傳輸?shù)母鱾€部分(如用戶線，終端設備，交換機，傳輸系統(tǒng)等)的傳輸全程。通信連接是根據用戶需要建立的各種機線設備的臨時組合。這些實際的連接有長有短，結構上有簡單有復雜，傳輸?shù)臉I(yè)務可能也不相同。5思考確定傳輸系統(tǒng)性能的模型應該按照什么原則設定？是按照系統(tǒng)性能最佳的組合，還是按照可能出現(xiàn)的最壞情況進行設計？

ITU-T提出了各種數(shù)字傳輸模型的建議。模型分為假設參考連接（HRX），假設參考數(shù)字鏈路（HRDL）和假設參考數(shù)字段（HRDS）等。在此基礎上，針對全光的光傳送網（OTN），ITU-T還提出了假設參考光通道（HROP）。9.1.2數(shù)字傳輸模型分類

假設參考連接（HRX）

假設參考數(shù)字鏈路（HRDL）

假設參考數(shù)字段（HRDS）67圖9-1標準數(shù)字假設參考連接HRX是按照最長距離和最壞情況下考慮的全程64kb/s連接國際部分4段國內部分5段HRX實際上是極端情況下的系統(tǒng)模型，按HRX設計的系統(tǒng)能滿足實際中的性能要求8圖9-2標準數(shù)字假設參考連接（中等長度）國際部分只有1段國內部分3段實際連接一般都比最長HRX短，因此引入了標準中等長度HRX9圖9-3標準數(shù)字假設參考連接（用戶接近ISC）注意與前2種模型的區(qū)別109.1.3光傳送網傳輸模型

光傳送網（OTN）是ITU-T最新的傳送網標準，ITU-T專門制定了建議G.8021對其誤碼性能進行了規(guī)范。為了與傳統(tǒng)的假設參考連接保持一致，G.8021建議針對OTN端到端誤碼性能也定義了一個27500km的假設參考光通道（HROP）。HROP引入了運營域的概念以取代了傳統(tǒng)的國內和國際部分的劃分，其中包括本地運營域（LOD）、區(qū)域運營域（ROD）和骨干運營域（BOD），LOD和ROD可以看作是國內部分，BOD是國外部分。

11圖9-4假設參考光通道9.2光接口性能9.2.1SDH光接口性能9.2.2WDM光接口性能121.SDH光接口分類ITU-T根據傳輸距離和所用技術將SDH光接口歸納為局內通信、短距離局間通信和長距離局間通信三類。實際應用中分別使用不同代碼表示三類光接口。13表9-1SDH光接口分類應用場合局內通信局間通信短距離長距離工作波長（nm）13101310155013101550光纖類型G.652G.652G.652G.652G.652G.654G.655目標傳輸距離（km）≤2~15~40~80STM等級STM-1STM-4STM-16STM-64I-1I-4I-16I-64S-1.1S-4.1S-16.1S-64.1S-1.2S-4.2S-16.2S-64.2L-1.1L.4.1L-16.1L-64.1L-1.2L-4.2L-16.2L-64.2L-1.3L-4.3L-16.3L-64.3142.SDH光接口參數(shù)

光線路碼型

系統(tǒng)工作波長范圍

光發(fā)送機接口

光通道

光接收機接口159.2.2WDM光接口參數(shù)

中心頻率偏差

光通道衰減

光通道色散16中心頻率偏差中心波長（頻率）偏差定義為標稱中心波長（頻率）與實際中心波長（頻率）之差。影響其大小的主要因素有激光器頻率啁啾、信號帶寬、非線性效應引起的頻譜展寬以及期間老化和溫度的影響。通道間隔n（GHz）50/100≥200最大中心頻率偏差（±GHz）待定n/517光通道衰減與SDH系統(tǒng)光通道衰減性能類似，WDM系統(tǒng)光通道衰減也是一個范圍，其最大值主要受限于光放大器增益以及反射等因素。18應用代碼Lx-y.zVx-y.zUx-y.z最大光通道衰減（dB）223344應用代碼nLx-y.znVx-y.z最大光通道衰減（dB）2233光通道色散應用代碼LVUnV3-y.2nL5-y.2nV5-y.2nL8-y.2目標傳輸距離（km）80120160360400600640最大色散（ps/nm）160024003200720080001200012800表中所給出的無線路放大器和有線路放大器WDM系統(tǒng)在G.652光纖上的光通道色散限值，目標距離的計算中假設光纖的色散系數(shù)是20ps/nm.km，比G.652光纖的實際色散系數(shù)值略大，也是基于最壞值的考慮。199.3光纖數(shù)字通信系統(tǒng)性能9.3.1誤碼9.3.2抖動9.3.3漂移9.3.4延遲2021

對于一個數(shù)字通信系統(tǒng)而言，誤碼是最易觀察到的傳輸損傷。顧名思義，誤碼表示由于傳輸過程中各種干擾、噪聲、畸變等導致的接收的信號與發(fā)送信號不一致的情況，即差錯。

數(shù)字傳輸系統(tǒng)的誤碼性能通常用誤碼率衡量，誤碼率是指在特定的一段時間內所接收到的差錯誤碼元數(shù)目與在同一時間內所收到的碼元總數(shù)之比9.3.1誤碼（Error）22比特誤碼率誤碼率的數(shù)值通?？捎胣×10-P的形式表示，其中P為一整數(shù)。對于數(shù)字系統(tǒng)來說，實際上指的是比特誤碼率(BER)，它是指每個碼元為1比特時的誤碼率，其表達式為：

(9-2)23考察誤碼率的重要意義誤碼率是衡量數(shù)字系統(tǒng)傳輸質量好壞的一個主要指標。對于不同的通信業(yè)務，誤碼的影響后果也不同。對誤碼發(fā)生的形態(tài)和原因、誤碼的評定方法以及誤碼全程指標的確定和在網絡各組成部分的合理分配等問題的研究都是十分重要的，是提供光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)設計的重要依據。241.誤碼產生原因絕大多數(shù)的誤碼發(fā)生形態(tài)可歸為兩類：一類是誤碼顯示出隨機發(fā)生形態(tài)，即誤碼往往是單個隨機發(fā)生的，具有偶然性。另一類誤碼常常是突發(fā)的，成群發(fā)生的，這種誤碼在某個瞬間可能集中發(fā)生，而在其它大部分時間可能處于幾乎沒有誤碼的狀態(tài)。誤碼發(fā)生的原因是多方面的。理想的光纖傳輸系統(tǒng)是十分穩(wěn)定的傳輸通道，基本上不受外界電磁干擾的影響，造成誤碼的主要內部機理有下列幾類：各種噪聲源、色散引起的碼間干擾、定位抖動產生的誤碼及復用器、交叉連接設備和交換機的誤碼等。259.2.3誤碼特性的評定方法1.長期平均比特誤碼率

平均誤碼率是指測量期間內收到的錯誤比特數(shù)與同一時期傳送的全部比特數(shù)之比。用長期平均比特誤碼率的方法來評定誤碼，即是在較長的統(tǒng)計時間內，考查其平均比特誤碼率不超過某一定值來衡量誤碼率的水平。長期平均誤碼率適用于誤碼是單個隨機發(fā)生的情況。26長期平均誤碼率的缺點對于突發(fā)的群誤碼的情況，長期平均誤碼率不能正確地進行評定。因為可能在某一限定時間內，由于突發(fā)群誤碼而導致誤碼率遠遠超過可以接收的水平，而在其它時間內誤碼率非常小，結果二者的長期平均誤碼率仍保持合格，這樣高誤碼率發(fā)生時期對通信業(yè)務質量影響并未反映出來，或者說沒有表示出誤碼隨時間的分布特性，因此采用這種評定方法有很大的局限性。27為了能正確地反映誤碼的分布信息，ITU-TG.821建議采用時間率的概念來代替平均誤碼率的評定方法。所謂誤碼時間率是以比特誤碼率超過規(guī)定閾值(BERT)的百分數(shù)來表示的。這是在一個較長的時間TL內觀察誤碼，記錄每次平均取樣觀測時間T0內的誤碼個數(shù)或誤碼率超過某一定值m的時間百分數(shù)。2.誤碼的時間百分數(shù)28圖9-5誤碼率隨時間的變化只要T0和TL選擇恰當，就可以用來評價各種數(shù)字信息在單位時間內誤碼的程度以及誤碼超過某一規(guī)定值的時間占總測量時間的百分數(shù)。因此，是比較適用和便于測量的評定方法。T0為取定的適合于評定各種業(yè)務的單位時間，TL為測量誤碼率總時間。誤碼時間率閾值（BERT）

在ITU-TG.821建議中，把誤碼劣化狀態(tài)劃分為三個領域來考慮：

可以正常通信的領域，即可接受的領域，其閾值為1×10-6。

可以通信但質量有所劣化的領域，即劣化領域，其閾值為1×10-6～1×10-3。

不能通信的領域，即不可接受的領域，其閾值為1×10-3。2930（1）N×64Kbit/s數(shù)字連接的誤碼性能

ITU-T建議G.821定義了2個參數(shù)來度量N×64Kbit/s(N≤31)通路27500km全程端到端連接的誤碼性能。

誤碼秒(ES)表示至少有一個誤碼的秒。

嚴重誤碼秒(SES)表示BER≥1×10－3的秒。3.誤碼性能的規(guī)范31誤碼性能要求ITU-T建議G.821對于N×64Kbit/s(N≤31)全程27500km端到端連接誤碼性能要求如下表所示。參數(shù)表示性能要求誤碼秒ESES占可用時間的比例ES％<8％嚴重誤碼秒SESSES占可用時間的比例SES％<0.2％32圖9-6N×64Kbit/s連接全程誤碼指標的分配33（2）高比特率數(shù)字通道的性能誤碼性能參數(shù)G.826性能參數(shù)是以“塊”為基礎的一組參數(shù)。所謂“塊”指一系列與通道有關的連續(xù)比特，當同一塊內的任意比特發(fā)生差錯時，就稱該塊是差錯塊。ITU-T所規(guī)定的3個高比特通道誤碼性能參數(shù)如下：

誤塊秒比(ESR)

嚴重誤塊秒比(SESR)背景誤塊比(BBER)高比特通道誤碼性能參數(shù)誤塊秒比（ESR）：當某1秒具有1個或多個差錯塊或至少出現(xiàn)1個網絡缺陷時就稱為誤塊秒（ES）。在規(guī)定測量間隔內出現(xiàn)的誤塊秒數(shù)與總的可用時間之比稱為誤塊秒比（ESR）。

嚴重誤塊秒比（SESR）：當某1秒內包含有不少于30％的差錯塊或者至少出現(xiàn)1種缺陷時認為該秒為嚴重誤塊秒（SES）。在規(guī)定的測量時間內出現(xiàn)的SES數(shù)與總的可用時間之比稱為嚴重誤塊秒比（SESR）。

背景誤塊比（BBER）：指扣除不可用時間和SES期間出現(xiàn)的差錯塊以后所剩下的差錯塊。

BBE數(shù)與扣除不可用時間和SES期間所有塊數(shù)后的總塊數(shù)之比稱背景誤塊比（BBER）。3435誤碼性能要求ITU-T建議G.826對高比特率通道全程27500km端到端通道誤碼性能要求見下表所示。速率Mbit/s1.5～5>5～15>15～55>55～160>160～3500比特/塊800～50002000～80004000～200006000～2000015000～30000ESR0.040.050.0750.16未定SESR0.0020.0020.0020.002未定BBER2×10－42×10－42×10－42×10－410－436誤碼指標的分配為了將27500km的指標分配給各組成部分，G.826建議采用了按區(qū)段分配的基礎上再結合按距離分配的方法。這種分配方法技術上更加合理，且能照顧到大國及小國的利益。37圖9-7高比特率通道全程誤碼指標分配光傳送網誤碼規(guī)范通道類型比特率塊數(shù)/秒SESRBBERODU12.5Gbit/s2042010-32×10-5ODU210Gbit/s8202510-35×10-6ODU340Gbit/s32949210-31.25×10-638399.3.2抖動（Jitter）抖動是數(shù)字信號傳輸過程中的一種瞬時不穩(wěn)定現(xiàn)象。抖動的定義是：數(shù)字信號的各有效瞬間對其理想時間位置的短時偏移。所謂短時偏移是指變化頻率高于10Hz的相位變化，對應的低于10Hz的變化稱為漂移。

對于高速大容量光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)而言，隨著傳輸速率的提高，脈沖的寬度和間隔越窄，抖動的影響就越顯著。因為抖動使接收端脈沖移位，從而可能把有脈沖判為無脈沖，或反之，把無脈沖判為有脈沖，從而導致誤碼。40?t1?t2?t3?t4發(fā)送信號接收信號抖動示意圖41抖動的單位抖動的大小或幅度通?？捎脮r間、相位度數(shù)或數(shù)字周期來表示。根據ITU-T建議，普遍采用數(shù)字周期來度量，即用“單位間隔”或稱時隙(UI)來表示。1UI相當于1比特信息所占有的時間間隔，它在數(shù)值上等于傳輸比特率的倒數(shù)。抖動可以分為相位抖動和定時抖動。所謂相位抖動是指傳輸過程中所形成的周期性的相位變化。所謂定時抖動是指脈碼傳輸系統(tǒng)中的同步誤差。42表9-9PDH系列信號對應的UI值碼速率Mbit/s2.0489.44834.368139.264單位抖動(ns)48811829.17.18431.抖動的來源在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，抖動的來源有以下幾個方面：線路系統(tǒng)的抖動隨機性抖動系統(tǒng)性抖動復用器的抖動PDH復用器抖動SDH復用器抖動44線路系統(tǒng)的抖動隨機性抖動源各種噪聲源 定時濾波器失諧時鐘相位噪聲系統(tǒng)抖動源碼間干擾限幅器的門限偏移激光器的圖案效應45復用器的抖動（1）PDH復用器的抖動PDH體制采用插入比特的正碼速調整方法，在接收解復用側，需要把這些附加的插入比特全部扣除，從而形成了帶空隙的脈沖序列，由這樣的非均勻脈沖序列所恢復的時鐘就會帶有相位抖動。（2）SDH復用器的抖動在SDH復用器中采用指針調整機制。指針調整將產生相位躍變。由于指針調整是按字節(jié)為單位進行的，一個字節(jié)含8bit，因而一次字節(jié)調整將產生8UI的相位躍變。462.抖動性能的規(guī)范

PDH網的抖動性能規(guī)范網絡接口的最大允許抖動設備輸入口的抖動和漂移容限設備抖動傳遞特性

SDH網的抖動性能規(guī)范網絡接口的最大允許抖動設備輸入口的抖動和漂移容限479.3.3漂移（Wander）9.4.1漂移的概念

漂移的定義為數(shù)字信號的特定時刻(例如最佳抽樣時刻)相對其理想時間位置的長時間偏移。引起漂移的一個最普通的原因是環(huán)境溫度變化，它會導致光纜傳輸特性發(fā)生變化，從而引起傳輸信號延時的緩慢變化。因此漂移可以簡單地理解為信號傳輸延時的慢變化。489.3.4延時（Delay）信號從一個地方傳輸?shù)搅硪粋€地方總是需要一定時間的，所需的時間就是信號傳輸延時。嚴格說，延時是指數(shù)字信號傳輸?shù)娜貉訒r，即數(shù)字信號以群速通過一個數(shù)字連接所經歷的時間，又稱包絡延時。當延時過大時會使通路發(fā)生困難，因此必須加以控制。49延遲的產生在整個端到端通信連接中，可能產生延時的環(huán)節(jié)很多，主要由下面幾方面：傳輸系統(tǒng)網絡節(jié)點和其它數(shù)字設備產生的延時

SDH引入的延時509.4光纖通信系統(tǒng)的可用性對光纖通信的要求是迅速、準確和連接不間斷地工作。因此對系統(tǒng)的可靠性提出了較高的要求。

注意可靠性（Reliability）和可用性（Availability）的概念是不一樣的。可靠性指的是某個產品和系統(tǒng)在一定條件下無故障地執(zhí)行指定功能的能力或可能性；而可用性指的是在要求的外部資源和條件得到保證的前提下，某個產品或系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時刻或時間區(qū)間內處于可執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)的能力。換而言之，可用性是產品或系統(tǒng)的可靠性、維修性和維修保障性的綜合反映。

51可靠性和可用性表示方法通常用來表示系統(tǒng)可靠性的參數(shù)有兩個：一個是平均故障間隔時間(MTBF)，單位為小時；另一個是故障率(λ)，單位為1/小時。λ＝1/MTBF。當λ采用10-9/小時作為計量單位時，稱為Fit，即1Fit＝10-9/小時。52可用性系統(tǒng)的可用性是指在給定的時間間隔內處于良好工作狀態(tài)的能力。系統(tǒng)的可用性(A)用系統(tǒng)的可用時間與規(guī)定的總工作時間的比值來表示，即：式中：A為可用性可用時間即為系統(tǒng)的平均故障間隔時間MTBF

總的工作時間包括：平均故障間隔時間(MTBF)和平均故障修理時間(MTTR)所以

(9-4)53不可用性當用失效率(不可用性)進行計算時，表達式為：式中F為失效率不可用時間即平均故障修理時間(MTTR)，所以

(9-6)由于MTTR值較小，故式(9.6)可近似為

(9-7)因此

(9-8)549.4.2光纖通信系統(tǒng)可用性計算光纖通信系統(tǒng)主要包括PCM復用設備、光端機、中繼機、光纜、供電設備、備用轉換設備等。光纖通信多采用熱備用系統(tǒng)和自動保護倒換設備來提高系統(tǒng)的可用性。設主用系統(tǒng)為n個，備用系統(tǒng)為m個，主、備用系統(tǒng)比為n：m。若單個系統(tǒng)失效率為F0，在（n+m）個系統(tǒng)中，只要有任意（m+1）個以上系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就不能確保n個主用系統(tǒng)均正常工作。55可用性計算分析（1）（m+1）個系統(tǒng)同時出現(xiàn)故障的概率為(F0)m+1，所以在（n+m）個系統(tǒng)中，任意（m+1）個系統(tǒng)同時出現(xiàn)的故障概率為Cn+mm+1(F0)m+1，同理，在（n+m）個系統(tǒng)中，任意（m+2）個系統(tǒng)同時出現(xiàn)故障概率為Cn+mm+2(F0)m+2。因此，n個主用系統(tǒng)中有任何系統(tǒng)發(fā)生故障的失效率為：

(9-9)56可用性計算分析（2）一般情況下，在（n+m）個系統(tǒng)中，任意（m+2）個以上系統(tǒng)同時出現(xiàn)故障的概率相對很小，因此式(9-9)中，僅取第一項就能滿足精度要求，所以，式(9-9)可近似為(9-10)假設各個主用系統(tǒng)失效率相同，則每個主用系統(tǒng)發(fā)生故障的失效率為

(9-11)若系統(tǒng)中無備用系統(tǒng)即m＝0，則：F主＝F0。579.4.3光纖通信系統(tǒng)可用性指標要求對光纖通信系統(tǒng)可用性的要求是：希望系統(tǒng)和設備正常運行時間應盡可能長，維護工作盡可能少。我國在“光纜通信進網要求”中提出5000km光纜通信系統(tǒng)雙向全程容許每年4次全阻故障。當取平均故障修復時間為6小時時，系統(tǒng)雙向全程的可用性可達到99.73％，折算到280km數(shù)字段的可用性為99.985％，420km數(shù)字段的可用性為99.9％。對于市內光纜通信系統(tǒng)，若取平均故障修復時間為0.5小時，則50km市內光纜通信系統(tǒng)可用性可達99.99％?？捎眯蚤L度換算見式9-12。589.5光纖通信系統(tǒng)設計

統(tǒng)計法統(tǒng)計法的基本思想就是假設允許一個預先確定的足夠小的系統(tǒng)先期失效概率，從而獲取所需的系統(tǒng)設計參數(shù)（如再生段距離等）。最壞值法最壞值設計法，就是在設計系統(tǒng)的主要參數(shù)（如再生段距離）時，將所有的參數(shù)均按照最壞值選取，而不管其具體分布。影響系統(tǒng)設計的主要因素

功率預算

光源頻率啁啾

色度色散

偏振模色散

非線性59最壞值法設計過程

對于光纖通信系統(tǒng)而言，最主要的影響系統(tǒng)的因素是光纖損耗和色散，而其他的影響因素也可以換算成相應的功率代價。因此，工程中使用最壞值法時，可以分別計算僅考慮損耗和色散的不同情況，在計算完成后進行比較和分析，取其中較為保守的值作為設計結果。

如僅考慮光纖損耗則稱為衰減受限系統(tǒng)，僅考慮色散的影響則稱為色散受限系統(tǒng)。60611.衰減受限系統(tǒng)中繼距離計算62衰減限制系統(tǒng)中繼距離的計算