第6章光纤通信系统.ppt
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1、第6章 光纤通信系统,6.1 数字光纤通信系统6.2 线路码型 6.3 光电中继器与全光中继器 6.4 模拟光纤通信系统 6.5 光纤局域网 6.6 同步数字网(SDH),6.1 数字光纤通信系统,目前,光纤通信系统主要是数字系统,因此光纤传输系统的各种性能指标应满足数字传输系统的要求。而数字信号在传输中也要遇到各种各样的干扰,因此考察光纤通信系统总的传输性能时,要分析各部分设备的性能及各传输段的性能,以便在各指标累加之后,能保证系统的全程性能指标。,为此,对全程通信网的性能指标要作一个合理的分配,首先要确定一个合适的传输模型。ITUT提出了“系统参考模型”的概念,并规定了系统参考模型的性能参
2、数和指标,光纤通信系统的性能指标就应遵循该规定。系统参考模型有三种假设形式:假设参考数字连接(HRX),假设参考数字链路(HRDL)及假设参考数字段(HRDS)。,1假设参考数字连接(HRX)假设参考数字连接是针对通信系统的总的性能和指标分配而找出的通信距离最长、结构最复杂、传输质量预计最差的连接。如果这种连接能满足通信系统的性能指标要求,那么通信距离较短,结构较简单的通信连接肯定能保证传输质量。因而引入了假设参考连接模型,它是通信网中从用户至用户,包括参与变换与传输的各个部分(如用户线、终端设备、交换机、传输系统等)。ITUT建议的一个标准最长HRX全长为27500km,包含14个假设参考数
3、字链路和13个数字交换点。实际上经常实现的连接都比标准最长HRX短。假设参考数字连接的具体组成如图6.1所示。,图6.1 假设参考数字连接组成图,2假设参考数字链路(HRDL)为了简化数字传输系统的研究,保证全程通信质量,把假设参考数字连接(HRX)中的两个相邻交换点的数字配线架间所有的传输系统,复、分设备等各种传输单元,用假设参考数字链路(HRDL)表示。由于HRDL是HRX的一个组成部分,因此允许把总的性能指标分配到一个比较短的模型上。ITUT建议HRDL的合适长度是2500km,根据我国地域广阔的特点,我国长途一级干线的数字链路长度为5000km。,3假设参考数字段(HRDS)为了适应传
4、输系统的性能规范,保证全线质量和管理维护方便,具体提供数字传输系统的性能指标,把假设参考数字链路(HRDL)中相邻的数字配线架间的传输系统,即两个光端机之间的光缆传输线路及若干光中继器用假设参考数字段(HRDS)表示。根据我国的实际情况,长途一级干线的HRDS为420km,长途二级干线的HRDS为280km。因此通信网总的性能指标从HRX上可以按比例分配到HRDL上,再从HRDL上分配到HRDS上。,6.1.2 系统的质量指标 1.误码性能 1)误码的定义 光纤数字传输系统的误码性能用误码率来衡量。即在特定的一段时间内所接收的错误码元与同一时间内所接收的总码元数之比。,BER=,错误接收的码元
5、数,传输的总码元数,(6.1),2)误码发生的形态和原因 误码发生的形态主要有两类:一类是随机形态的误码,即误码主要是单个随机发生的,具有偶然性;另一类是突发的、成群发生的误码,这种误码可能在某个瞬间集中发生,而其它大部分时间无误码发生。误码发生的原因是多方面的。如电缆数字网中的热噪声,交换设备的脉冲噪声干扰,雷电的电磁感应,电力线产生的干扰等。,3)误码性能的评定方法 评定误码性能的参数包括平均误码率、劣化分、严重误码秒和误码秒。(1)平均误码率。在一段较长的时间内出现的误码个数和传输的总码元数的比值。平均误码率反映了测试时间内的平均误码结果,因此适合于计量随机误码,但无法反映误码的随机性和
6、突发性。,(2)劣化分。每分钟的误码率劣于10-6这个阈值称为劣化分,用DM表示。我们取总观测时间为TL,它的大小可以是几天或一个月,一个取样观测时间T0为1分钟。从总观测时间TL中扣除不可用时间(连续10秒平均误码率劣于10-3)和严重误码秒后所得可用分钟。ITUT建议该性能指标应达到在TL内累计的劣化分个数占可用分钟数时间百分数少于10%。,(3)严重误码秒。每秒内的误码率劣于10-3这个阈值称为严重误码秒,用SES表示。取总观测时间为TL,一个取样观测时间T0为1秒钟。ITUT建议该性能指标应达到在TL中可用时间内累计的严重误码秒个数占可用时间秒数的时间百分数少于0.2%。,(4)误码秒
7、。每个观测秒内,出现的误码数为0,用ES表示。取总观测时间为TL,一个取样观测时间T0为1秒钟。ITUT建议该性能指标应达到在TL中可用时间内累计的误码秒占可用时间秒数的时间百分数少于8%。,4)误码指标的分配 在一个连接中通常包含几种不同质量等级的数字传输电路。在27500km的国际连接(HRX)中二级交换中心SC之间的电路部分为高级电路,本地交换点LE与SC之间的电路部分为中级电路,LE与参考点T之间的电路部分为本地级。误码性能指标是该线路等级分配的,具体分配如表6.1所示。本地级和中级指标可以合并到一起考虑,即它们一起分配到总指标的60%。高级电路的指标可以分配到每千米长度上去,从而可以
8、得到不同长度的HRDL和HRDS的误码性能指标,如表6.2所示。,表6.1 误码指标的分配,表6.2 HRDL和HRDS的误码性能指标的分配,2.抖动性能 1)抖动的定义 抖动是数字信号传输中的一种瞬时不稳定现象。即数字信号的各有效瞬间对其理想时间位置的短时间偏离,称为抖动。图6.2为定时抖动的图解定义。抖动可分为相位抖动和定时抖动。相位抖动是指传输过程中所形成的周期性的相位变化。定时抖动是指脉码传输系统中的同步误差。,图6.2 定时抖动的图解定义,抖动的大小或幅度通常可用时间、相位或数字周期来表示。目前多用数字周期来表示,即“单位间隔”,用符号UI(UnitInterval),也就是1比特信
9、息所占有的时间间隔。例如码速率为34.363Mb/s的脉冲信号,1UI=1/34.363s。显然它在数值上等于传输比特率的倒数。,2)抖动产生的原因(1)数字再生中继器引起的抖动。由于再生中继器中的定时恢复电路的不完善及再生中继器的累计导致了抖动的产生和累加。(2)数字复接及分接器引起的抖动。在复接器的支路输入口,各支路数字信号附加上码速调整控制比特和帧定位信号形成群输出信号。而在分接器的输入口,要将附加比特扣除,恢复原分支数字信号,这些将不可避免地引起抖动。,(3)噪声引起的抖动。由于数字信号处理电路引起的各种噪声。(4)其它原因。由于环境温度的变化、传输线路的长短及环境条件等也会引起抖动。
10、3)抖动的类型(1)随机性抖动。在再生中继器内与传输信号关系不大的抖动来源称为随机性抖动。这些抖动主要由于环境变化、器件老化及定时调谐回路失调引起。(2)系统性抖动。由于码间干扰,定时电路幅度相位转换等因素引起的抖动。,4)抖动的容限(1)输入抖动容限。输入抖动容限是指数字段能够允许的输入信号的最低抖动限值,即加大输入信号的抖动值,直到设备由不误码到开始误码的这个分界点。此时的输入信号上的误码即为最大允许输入抖动下限,具体要求见图6.3和表6.3。,图6.3 最大允许输入抖动下限,表6.3 输入口对输入数字信号抖动的最低容限,(2)输出抖动容限。在数字段输入信号无抖动时,由于数字段内的中继器产
11、生抖动,并按一定规律进行累计,于是在数字段输出端产生抖动。ITUT提出了数字段无输入抖动时的输出抖动上限,即为输出抖动容限,具体要求见表6.4。,表6.4 输出抖动容限,(3)抖动转移特性。由于输入口数字信号的抖动经设备或系统转移后到达输出口,从而构成了输出抖动的另一个来源。为了保证数字网抖动的总质量目标,ITUT建议抖动转移增益不大于1dB。,6.1.3 光接口指标与测试 一个完整的光纤通信系统的具体组成如图6.4所示。我们把光端机与光纤的连接点称为光接口。光接口有两个,一个由S点向光纤发送光信号;另一个由R点从光纤接收信号。光中继器两侧均与光纤相连,所以它两侧的接口均为光接口。光接口是光纤
12、通信系统特有的接口。在S点的主要指标有平均发送光功率和消光比,在R点的主要指标有接收机灵敏度和动态范围。,图6.4 光纤数字通信系统方框图,1平均发送光功率 1)平均发送光功率的定义 光端机的平均发送光功率是指光端机在正常工作的情况下,由电端机输出223-1或215-1的伪随机码时,光端机输出端S点测量到的平均光功率。平均发送光功率的功率值用PT(W)表示,电平值用LT(dBm)表示,光功率值与电平值之间的关系是:,(6.2),对于一个实际的光纤通信系统,平均发送光功率并不是越大越好,虽然从理论上讲,发送光功率越大,通信距离越长,但光功率越大会使光纤工作在非线性状态,这种非线性状态会对光纤产生
13、不良影响。,2)测试方法 平均发送光功率的测试原理图如图6.5所示。测试步骤如下:(1)将误码仪和光功率计与光端机相连。(2)误码仪发送符合要求的伪随机测试信号(不同码速的光端机要求送入不同的PCM测试信号)。(3)读取光功率计上的数值即为平均发送光功率。,图6.5 平均发送光功率测试原理,2消光比 1)消光比的定义 消光比是指光端机的电接口输入为全“1”码和全“0”码时的平均发送光功率之比,用EXT表示:,(6.3),但由于光端机的输入信号是伪随机码,它的“0”码和“1”码是等概率的,因此光端机输入全“1”码的平均发送光功率P1为光端机平均发送光功率PT的2倍。,无输入信号时,光端机输出平均
14、发送光功率P0,对接收机来说是一种噪声,会降低接收机的灵敏度,因此希望消光比越小越好。但是,对激光器LD来讲,要使消光比小就要减小偏置电流,从而使光源输出功率降低,谱线宽度增加。所以要全面考虑消光比与其它指标之间的矛盾。,(6.4),2)测试方法 消光比的测试原理图与平均发送光功率的测试原理图一样,如图6.4所示。前三项的测试步骤也与平均发送光功率一样,之后再取出光端机中的编码盘,向光端机输入全“0”码,从光功率计上读取P0,根据公式算出消光比。,3接收机灵敏度 1)接收机灵敏度的定义 接收机灵敏度是指在满足给定误码率条件下,光端机光接口R点能够接收到的最小平均光功率电平值LR。通常用dBm作
15、为灵敏度的衡量单位。接收机的灵敏度是光端机的重要性能指标,它表示了光端机接收微弱信号的能力。它与系统要求的误码率,系统的码速、接收端光电检测器的性能有关。,2)测试方法 接收机灵敏度的测试原理框图如图6.6所示。测试步骤如下:(1)误码仪发送符合要求的伪随机测试信号。(2)逐渐加大光可变衰减器的衰减量,使光端机接收到的光功率逐渐减小,这时误码仪检测到的误码率逐渐增加到规定的误码率,并维持一段时间。(3)从R点断开光端机的连接器,将光功率计连接到光可变衰减器的输出端,读取光功率计上的数值,即是光端机能够接收的最小光功率。,图6.6 接收机灵敏度测试原理图,4动态范围 1)动态范围的定义 光接收机
16、对它能接收到的光功率有一个最小值(接收机灵敏度),当接收机收到的信号小于这个最小值时,系统的误码率就达不到要求。若接收机接收的光功率过大,也会使系统的误码率达不到要求。所以,为了保证系统的误码特性,光接收机收到的光功率只能在一定的范围内。这个范围就是动态范围D。具体的定义是:在满足给定误码率的条件下,光端机输入连接器R点能收到的最大光功率电平值,(6.5),2)测试方法 动态范围的测试原理图与接收机灵敏度的测试原理图6.6一样。测试步骤如下:前三步的测试与接收机的灵敏度的测试步骤一样。(1)将可变衰减器的输出端接回到光端机的R点,逐渐减小光衰减量,使光端机收到的光功率逐渐增大,误码率也逐渐增大
17、到规定的值,并维持一段时间。(2)再将光功率计接回到光衰减器的输出端,读取光功率计上的数值,即是光端机能够收到的最大光功率。(3)根据公式算出动态范围。,6.1.4 电接口指标和测试 图6.4中的A、B点为电接口。通常把A点称为输入口,B点称为输出口。在输入口和输出口都需要测试的指标是:比特率及容差、反射损耗。在输入口测试的指标有输入口允许衰减和抗干扰能力、输入抖动容限;在输出口测试的指标有输出口脉冲波形、无输入抖动时的输出抖动容限。,1比特率及容差 1)比特率及容差的定义 比特率指在单位时间(1秒)内传送的比特数。即数字信号的传输速率。实际传送的数字信号的比特率与规定的标称比特率之间有些差别
18、,这个差别就是容差。容差用“ppm”(10-6)表示。表6.5给出了数字信号的标称比特率及容差。,表6.5 各级电接口的标称比特率及容差,2)测试方法 比特率及容差的测试原理图如图6.7所示。具体测试步骤如下:(1)按图连接电路;(2)码型发生器发送规定标称比特率的测试信号;(3)提高码型发生器发送的比特率,直到误码检测器上出现误码,此时的比特率为b1;(4)降低码型发生器发送的比特率,直到误码检测器上出现误码,此时的比特率为b2;(5)b1,b2与标称比特率的差值就是正、负方向的容差。,图6.7 比特率及容差测试原理框图,2反射损耗 1)反射损耗的定义 当光端机接口处的实际阻抗Zx与传输电缆
19、的特性阻抗Zc有差异时,就会在光端机接口处产生反射。反射信号与入射信号相叠加,就会造成误码。这种反射作用的大小通常用反射损耗来衡量。反射损耗bp的定义为,(6.6),由公式看出,光端机电接口阻抗越匹配,反射损耗越大,反射信号的影响就越小。为了保证设备的正常工作,反射损耗应达到规定值。表6.6给出了一、二、三次群电接口对输入口提出的反射损耗的要求,及四次群电接口对输入口及输出口提出的反射损耗的要求。,表6.6 电接口发射损耗指标,2)测试方法 光端机电接口的输入口和输出口反射损耗的测试方法相同,这里仅以输入口的反射损耗的测试为例。测试原理图如图6.8所示。,图6.8 电接口反射损耗测试原理图,具
20、体测试步骤如下:(1)按图连接电路;(2)振荡器发出测试所需的电信号,75反射电桥提供标准75阻抗,选频表测试某一频率的电信号功率电平;(3)先断开Zx,调整振荡器输出,此时选频表的指示电平即为入射功率L0(dBm);(4)将Zx接在反射电桥上,此时选频表指示电平即为反射功率Lr(dBm);(5)计算反射损耗bp=L0-Lr(dB)。,3输入口允许衰减 1)入口允许衰减的定义 各次群光端机,连接上游设备和输入口的电缆及数字配线架对信号都有一定的衰减,这就要求光端机在接收该信号时仍不发生误码,这种光端机输入口能承受一定传输衰减的特性,即为允许衰减。输入口允许衰减和抗干扰能力的指标见表6.7。,表
21、6.7 输入口允许衰减和抗干扰能力指标,2)测试方法 输入口允许衰减的测试原理图如图6.9所示。具体测试步骤如下:(1)按图连接电路;(2)误码仪发送符合规定的测试信号;(3)使连接电缆的衰减按表6.7所要求的允许衰减范围变化,以误码检测器检测不到误码时的衰减值为测试结果。,图6.9 输入口允许衰减测试原理图,4输入口抗干扰能力 1)抗干扰能力的定义 前面所讲的反射信号是一种干扰信号,通常把光端机在接收被干扰的有用信号后仍不产生误码的能力称为输入口的抗干扰能力。因此,用有用信号的功率与干扰信号的功率之比来表示抗干扰能力的大小。抗干扰能力指标见表6.7。,2)测试方法 输入口抗干扰能力的测试原理
22、图如图6.10所示。具体测试步骤如下:(1)按图所示连接电路,其中,混合网络将有用信号和干扰信号合并起来;(2)码型发生器发出符合规定的测试信号为有用信号,干扰源发出干扰信号;(3)调节干扰支路的衰减器,使信号/干扰比的取值如表6.8所示,则以误码检测器检测不到误码为测试结果。,图6.10 输入口抗干扰能力测试原理图,5输出口脉冲波形 为使不同厂家的设备具有兼容性,要求这些设备的接口波形必须符合ITUT提出的要求,即如图6.11所示脉冲波形样板。输出口脉冲波形的测试原理图如图6.12所示。,图6.11 2048kbit/s接口脉冲样板,图6.12 输出口脉冲波形测试原理图,具体测试步骤如下:(
23、1)如图所示连接电路;(2)断开输入信号,此时示波器的水平扫描线为标称零电位;(3)接入误码仪,使之产生规定的伪随机码测试信号,此时示波器的波形应满足规定的脉冲样板波形。,6.1.5 光纤传输系统中继距离的确定 根据前面所讨论的光纤传输系统的各种指标要求,光发射机与光接收机之间有最大传输距离的问题。因此如要实现长距离通信,在设计一个光纤系统时,最大中继距离的设计就是一个重要问题。从前面的性能讨论知道,最大中继距离要受以下4个因素的影响。,(1)发射机耦合入光纤的功率PT。从物理概念上理解,在其它条件不变的情况下,光功率PT越大,传输距离越长。(2)光接收机灵敏度Pmin。由于光接收机灵敏度的定
24、义是在满足系统误码率指标下的最低接收光功率,因此,在其它条件不变的情况下,接收机灵敏度越高(即Pmin越小),传输距离越长。(3)光纤的每千米衰减系数。若光纤的每千米衰减系数越小,则光纤传输中损耗的功率越小,光能在光纤中传输的距离越长。,(4)光纤的色散。若光纤的色散大,则经过相同距离的传输出现的波形失真越严重,若传输距离越长,失真越严重。波形失真将引起码间干扰,导致接收机灵敏度降低。,下面我们分两种情况讨论:(1)中继距离受光纤衰减限制的情况。如果在光纤通信系统中,信号的码速不是很高,带宽足够宽,则光纤的色散对传输距离的影响不大,可认为光纤传输系统的最大中继距离仅受光纤衰减的影响。则中继距离
25、的长度可按下式计算,(6.7),其中,L为中继段长度(km);PT为入纤光功率(dBm);Pmin为接收机灵敏度(dBm);c为一个光纤接头的损耗(dB);n为光纤系统中的接头数;为光纤每千米衰减系数(dB/km)。一般光缆线路上,每千米一个接头。,(2)色散对中继距离的影响。当光纤系统的码速大于140Mb/s时,如果中继距离过长,由于色散的影响,会造成数字信号脉冲过大的展宽,引起码间干扰,从而降低光接收机的灵敏度。就目前的速率系统而言,仅考虑色散影响的中继距离的计算公式为,(6.8),其中,LD为传输距离(km);B为线路码速率(Mb/s);D为色散系数ps/(kmnm);为与色散代价有关的
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