第 6 章 光纤通信系统

1. 第6章 光纤通信系统 6.1 系统的性能指标 6.2 系统的设计

2. 第6章 光纤通信系统 目标 ●了解光纤通信系统的系统参考模型 ●了解并掌握系统的性能指标 ●了解系统设计中的损耗受限系统和色散受限系统 ●掌握系统中继距离和传输速率的计算

3. 6.1系统的性能指标 • 光纤通信系统是数字通信网的一个重要组成部分。为保证通信网正常有效的工作，必须建立一个数字传输模型，确定光纤通信系统在参考模型中的位置和作用，提出对系统性能指标的要求，从而正确地设计光纤通信系统。

4. 6.1.1 系统参考模型 为了满足整个通信网正常运作的要求，必须对数字光纤通信系统性能指标进行规范；为了保证这些质量指标，必须对数字光纤通信系统的各个光接口和电接口的指标提出一定的要求；实际上，通常以通信距离最长、结构最为复杂、传输质量最差的连接作为传输质量的核算对象。只要这种连接方式的传输性能能满足要求，其它的情况就自然满足。为此，原CCITT（现ITU-T）提出了数字传输模型（又称为系统参考模型）。

5. 数字传输模型包括假设参考连接（Hypothesis Reference Connection，HRX），假设参考数字链路（Hypothesis Reference Digital Link，HRDL），假设参考数字段（Hypothesis Reference Digital Section，HRDS）和中继段等模型。 • HRX是指电信网中一个具有规定结构、长度和性能的假设连接，是研究网络性能的一种模型，可根据与网络性能指标相比较导出各个较小实体部分的指标。标准数字假设参考连接HRX如图6-1所示，给出根据综合业务数字网（ISDN）的性能要求和64kbit/s信号的全数字连接考虑的标准的最长HRX示意图。

6. 图6-1 标准数字假设参考连接HRX

7. 为了便于研究数字传输损伤及性能指标的分配，需要规定一个具有一定组成和长度的网络模型，为此，引入假设参考数字链路（HRDL），又称为假设参考数字通道（HRDP）。所谓HRDL是指与交换机或终端设备相连的两个数字配线架（或其等效设备）间用以传送规定速率的数字信号的全部装置，但不包括交换机，其构成是一个数字链路。HRDL是HRX的一个重要的组成部分，介于交换中心之间或本地交换与T参考点之间。一个标准HRX可由若干个HRDL组成。因而允许把总的性能指标分配到较小的实体（HRDL）中，从而方便了传输性能的研究分析。一个HRDL的合适长度，IIU-T建议为2500km，它包括足够量的复接/分接设备以及传输系统，但允许国土面积较大的国家自行规定。美国和加拿大用6400km，而我国采用5000km。为了便于研究数字传输损伤及性能指标的分配，需要规定一个具有一定组成和长度的网络模型，为此，引入假设参考数字链路（HRDL），又称为假设参考数字通道（HRDP）。所谓HRDL是指与交换机或终端设备相连的两个数字配线架（或其等效设备）间用以传送规定速率的数字信号的全部装置，但不包括交换机，其构成是一个数字链路。HRDL是HRX的一个重要的组成部分，介于交换中心之间或本地交换与T参考点之间。一个标准HRX可由若干个HRDL组成。因而允许把总的性能指标分配到较小的实体（HRDL）中，从而方便了传输性能的研究分析。一个HRDL的合适长度，IIU-T建议为2500km，它包括足够量的复接/分接设备以及传输系统，但允许国土面积较大的国家自行规定。美国和加拿大用6400km，而我国采用5000km。

8. 为了适应传输系统的性能规范，还要引入一个比HRDL更短的传输模型，称之为假设参考数字段HBDS如图6-2所示。HRDS是具有一定长度和指标规范的数字段。两个相邻数字配线架之间用来传送一种规定速率的数字信号的全部装置构成一个数字段。数字段可分为数字有线段（如光缆系统）和数字无线段（如微波系统）。图中，Y表示HRDS的长度（km），它取决于实际应用情况；Xkbit/s表示 G．702建议中所规定的各种数字系列比特率之一。HRDS是HRDL的组成部分，它包括两端的传输终端设备，但不包括如复接/分接设备。HRDS是数字光纤通信设计中最常用的模型之一，HRDL的性能指标可再分沉到HRDS上。

9. 图6-2 假设参考数字段HRDS 一个HRDS可由若干个中继段组成，每个中继段一级为30～50km，取决于光缆性能及各项设备指标。中继段的性能指标由HRDS再分配而得到。

10. 6.1.2 误码性能 • 所谓误码，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。传统上常用长期平均误码率（BER）来衡量系统的误码性能，BER是在某一规定的观测时间内的传输码流中出现误码的概率，即发生差错的比特数和传输比特总数之比，如1×10-10。

11. 由于误码率随时间变化，用长时间内的平均误码率来衡量系统性能的优劣，显然不够准确。在实际监测和评定中，应采用误码时间百分数和误码秒百分数的方法。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”。在连续10s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10s时间内，BER优于1×10-3，为“可用时间”。对于64kbit/s的数字信号，BER=1×10-3，相应于每秒有64个误码。同时，规定一个较短的取样时间T 0和误码率门限值BERth，统计BER劣于BERth的时间，并用劣化时间占可用时间的百分数来衡量系统误码率性能的指标。

12. 但平均误码率是一个长期效应，它只给出一个平均累积结果。而实际上误码的出现往往呈突发性质，且具有极大的随机性，因此除了平均误码率之外还应该有一些短期度量误码的参数，即劣化分、误码秒与严重误码秒。但平均误码率是一个长期效应，它只给出一个平均累积结果。而实际上误码的出现往往呈突发性质，且具有极大的随机性，因此除了平均误码率之外还应该有一些短期度量误码的参数，即劣化分、误码秒与严重误码秒。 • 对于目前的电话业务，传输一路PCM电话的速率为64kbit/s。研究分析表明，合适的误码率参数和HRX的误码率指标见表6-1。

13. 表6-1 误码率参数和HRX的误码率指标

14. 对三种误码率参数和指标说明如下： • 劣化分（DM）：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%。 • 严重误码秒（SES）：误码率劣于1×10-3的秒钟数为严重误码秒（SES）。HRX指标要求严重误码秒占可用秒的百分数小于0.2%。 • 误码秒（ES）：凡是出现误码（即使只有1bit）的秒数称为误码秒（ES）。HRX指标要求误码秒占可用秒的百分数小于8%。相应地，不出现任何误码的秒数称为无误码秒（EFS），指标要求无误码秒占可用秒的百分数大于92%。

15. 此外，无论是BER还是ES与SES，都是针对假设参考数字段（HRDS）而言。即两个相邻数字配线架之间的全部装置构成一个数字段，而具有一定长度和指标规范的数字段叫做假设参考数字段。我国规定有三种HRDS，即长度分别为50km、280km和420km。此外，无论是BER还是ES与SES，都是针对假设参考数字段（HRDS）而言。即两个相邻数字配线架之间的全部装置构成一个数字段，而具有一定长度和指标规范的数字段叫做假设参考数字段。我国规定有三种HRDS，即长度分别为50km、280km和420km。 • 在总测量时间不少于一个月的情况下，HRDS的误码指标见表6-2（PDH）。

16. 表6-2 HRDS的误码指标

17. SDH则规定了类似的误码指标，即误块秒比（ESR）、严重误块秒比（SESR）和背景误块比（BBER）。SDH则规定了类似的误码指标，即误块秒比（ESR）、严重误块秒比（SESR）和背景误块比（BBER）。 • 误块：当块中的比特发生传输差错时称此块为误块。 • 误块秒（ES）：当某一秒中发现1个或多个误码块时称该秒为误块秒。 • 误块秒比（ESR）：在规定测量时间段内出现的误块秒总数与总的可用时间的比值为误块秒比。 • 严重误块秒（SES）：某一秒内包含有不少于30%的误块或者至少出现一个严重扰动期（SDP）时认为该秒为严重误块秒。其中严重扰动期指在测量时，在最小等效于4个连续块时间或者1ms（取二者中较长时间段）时间段内所有连续块的误码率≥10-2或者出现信号丢失。 • 严重误块秒比（SESR）：在测量时间段内出现的SES总数与总的可用时间之比称为严重误块秒比（SESR）。严重误块秒一般是由于脉冲干扰产生的突发误块，所以SESR往往反映出设备抗干扰的能力。 • 背景误块（BBE）：扣除不可用时间和SES期间出现的误块称之为背景误块（BBE）。 • 背景误块比（BBER）：BBE数与在一段测量时间内扣除不可用时间和SES期间内所有块数后的总块数之比称背景误块比（BBER）。

18. ITU-T将数字链路等效为全长27500km的假设数字参考链路，并为链路的每一段分配最高误码性能指标，以便使主链路各段的误码情况在不高于该标准的条件下连成串之后能满足数字信号端到端（27500km）正常传输的要求。ITU-T将数字链路等效为全长27500km的假设数字参考链路，并为链路的每一段分配最高误码性能指标，以便使主链路各段的误码情况在不高于该标准的条件下连成串之后能满足数字信号端到端（27500km）正常传输的要求。 • 420km、280km、50km数字段应满足的SDH误码性能指标分别见表6-3、表6-4和表6-5。

19. 表6-3 420kmHRDS误码性能指标

20. 表6-4 280kmHRDS误码性能指标

21. 表6-5 50kmHRDS误码性能指标

22. 6.1.3 抖动性能 • 抖动是指数字脉冲信号的特定时刻（如最佳判决时刻）相对于其理想时间位置的偏离。 • 实际上也就是数字脉冲信号的实际有效时间相对于其理想标准时间位置的偏差。偏差时间范围称为抖动幅度（JPP），偏差时间间隔对时间的变化率称为抖动频率（F）。这种偏差包括输入脉冲信号在某一平均位置左右变化，和提取时钟信号在中心位置左右变化，抖动示意图如图6-3所示。

23. 图6-3 抖动示意图 抖动会对传输质量甚至整个系统的性能产生恶劣影响，如会使信号发生失真，使系统的误码率上升以及会产生或丢失比特导致帧失步等。 产生抖动的机理是比较复杂的，如系统中的各种噪声（热噪声、散粒噪声及倍增噪声等），码间干扰现象、时钟的不稳定以及SDH中的映射、指针调整等等。

24. 抖动的种类较多，归纳起来可大致分为如下几种：抖动的种类较多，归纳起来可大致分为如下几种： • 1）最大允许输入抖动，又称输入抖动，是指允许输入信号的最大抖动范围。 • 2）抖动容限，是指加在输入信号上能使设备产生1dB光功率代价的抖动值。 • 3）输出抖动，是指在无输入抖动的条件下设备的输出抖动值。 • 4）抖动传递特性（仅用于中继器），是指在不同的测试频率下，输入信号的抖动值与输出信号抖动值之比的分布特性。

25. 表6-6 设备输入抖动与漂移容限 *：表示未定

26. 图6-4 设备输入抖动与漂移容限

27. 在SDH网中除了具有其它传输网的共同抖动源──各种噪声源，定时滤波器失谐，再生器固有缺陷（码间干扰、限幅器门限漂移）等，还有两个SDH网特有的抖动源：在SDH网中除了具有其它传输网的共同抖动源──各种噪声源，定时滤波器失谐，再生器固有缺陷（码间干扰、限幅器门限漂移）等，还有两个SDH网特有的抖动源： • 1）在将支路信号装入VC时，加入了固定塞入比特和控制塞入比特，分接时需要移去这些比特，这将导致时钟缺口，经滤波后产生残余抖动──脉冲塞入抖动。 • 2）指针调整抖动。

28. SDH网中常见的度量抖动性能的参数如下： 1.输入抖动容限 2.输出抖动 3.映射和结合抖动 4.抖动转移函数──抖动转移特性

29. 6.1.4 漂移性能 • 漂移的定义为：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。这里所说的长时间是指变化频率低于10Hz的变化。 • 与抖动相比，无论从产生机理、本身的特性以及对系统的影响，漂移与抖动皆不相同。 • 引起漂移最普遍的原因是环境温度的变化。因为环境温度的变化，可能导致光纤传输性能的变化、时钟变化以及激光二极管发射波长的偏移等等，它们皆会产生漂移。另外，在SDH网络单元中指针调整和网同步的结合也会产生很低频率的抖动和漂移，不过，总体说来SDH网的漂移主要来自各级时钟和传输系统，特别是传输系统。

30. 6.1.5 可靠性指标 • 对光纤通信系统而言，可靠性包括光端机、中继器、光缆线路、辅助设备和备用系统的可靠性。 • 确定可靠性一般采用故障统计分析法，即根据现场实际调查结果，统计足够长时间内的故障次数，确定每两次故障的时间间隔和每次故障的修复时间。

31. 1.可靠性表示方法 • （1）可靠性R可靠性是指在规定的条件和时间内系统无故障工作的概率，它反映系统完成规定功能的能力。可靠性R通常用故障率φ表示，两者的关系为 R=exp（-φt） （6-1） • （2）故障率 故障率是系统工作到时间t，在单位时间内发生故障（功能失效）的概率。其单位为10-9h ，称为菲特（fit），1fit等于在10-9h内发生一次故障的概率。 如果通信系统由n个部件组成，且故障率是统计无关的，则系统的可靠性Rs可表示为 Rs=R1×R2 ×…×Rn=exp（-φst） （6-2）

32. 2.可靠性指标 • （1）不可用时间 传输系统的任一个传输方向的数字信号连续10s期间内每秒的误码率均劣于10-3，从这10s的第一秒钟起就认为进入了不可用时间。 • （2）可用时间 当数字信号连续10s期间内每秒的误码率均优于10-3，那么从这10s的第一秒起就认为进入了可用时间。 • （3）可用性 可用时间占全部总时间的百分比称为可用性。 • 为保证系统的正常使用，系统要满足一定的可用性指标，假设参考数字段可用性目标见表6-7。

33. 表6-7 HRDS可用性目标

34. 6.2 系统的设计 • 光纤通信系统的设计，要求最大限度地利用光纤的频带资源，达到最高的通信能力或容量，提供最大的通信效益。在光纤通信的设计中，人们最关心的莫过于中继距离与传输速率两大系统技术指标了。 • 光纤通信的最大中继距离可能会受光纤损耗的限制，此所谓损耗受限系统；也可能会受到传输色散的限制，此所谓色散受限系统。

35. 6.2.1 损耗受限系统 • 所谓损耗受限系统，是指光纤通信的中继距离受诸传输损耗参数的限制，如光发送机的平均发光功率、光缆的损耗系数、光接收机灵敏度等。 • 数字光纤线路系统如图6-5所示为无中继器和中间有一个中继器的数字光纤线路系统的示意图，图中符号： T′，T：光端机和数字复接分接设备的接口； Tx：光发射机或中继器发射端； Rx：光接收机或中继器接收端； C1，C2：光纤连接器； S：靠近Tx的连接器C1的接收端； R：靠近Rx的连接器C2的发射端；

36. 图6-5 数字光纤线路系统

37. 损耗受限系统中的中继距离可用下式计算： （6-3） 1）Pｔ：光发送机平均发光功率 这是设备本身给出的技术指标，以dBm为单位。 2）Pｒ：光接收机灵敏度 它也是设备本身给出的技术指标，也以dBm为单位。 3）Aｃ：活动连接器的损耗 活动连接器又称活接头，它把光纤线路和光终端设备连接在一起，可以方便地进行拆装。因在光发送机与光接收机上各有一个活接头，故式中为2Ac。一般取Ac=0.5dB。

38. 4）MＥ：设备富余度 关于MＥ的概念，前面已经讨论过，主要考虑光终端设备在长期使用过程中会出现性能老化。一般取 • MＥ=3dB。 • 5）Pｐ：光通道功率代价 光通道功率代价包括由于反射和由码间干扰、模分配噪声、激光器的啁啾声引起的总色散代价。CCITT规定一般取Pp=1dB以下。 • 6）a：光纤的损耗系数 该参数我们已经熟知，它的取值由所供应的光缆参数给定，单位为dB/km。其典型值为：在1310nm波长，0.3～0.4dB/km；在1550nm波长，0.15～0.25dB/km。 • 7）aＳ：平均每千米接续损耗 在具体施工中需要把一盘盘的光缆用熔接机连接起来才能形成较长的传输线路。随着技术的不断发展，每个熔接点的衰耗可以保证在0.05dB以下。 • 一般来讲，光缆每盘长度为2km，所以可取aＳ=0.05/2dB。 • 8）mＣ：光缆富余度 光缆在长期使用中性能会发生老化。尤其是随环境温度的变化（主要是低温），其损耗系数会增加，故必须留出一定的余量。一般取值为mＣ=0.1～0.2dB/km。

39. 6.2.2 色散受限系统 • 所谓色散受限系统，是指由于系统中光纤的色散、光源的谱宽等因素的影响，限制了光纤通信的中继距离。 • 在光纤通信系统中存在着两大类色散即模式色散与模内色散。

40. 模式色散又称模间色散，是由多模光纤引起的。模式色散的数值较大，会严重地影响光纤通信的中继距离。但是，在单模光纤通信技术日趋成熟的今天，单模光纤已经被广泛采用。因此多模光纤已经很少使用了，即使采用也只是用于小容量的光纤通信（34Mbit/s以下）。模式色散的影响主要表现在光纤的模畸变带宽上，因此在进行系统设计时，所选光纤的带宽满足S-R间的带宽要求（一般很容易达到），则完全可以不考虑色散受限的问题。

41. 单模光纤的色散对系统性能的影响主要表现如下三方面：单模光纤的色散对系统性能的影响主要表现如下三方面： • （1）码间干扰 • （2）模分配噪声 • （3）啁啾声

42. 对于色散受限系统的中继距离计算可分两种情况予以考虑：对于色散受限系统的中继距离计算可分两种情况予以考虑： 1）光源器件为多纵模激光器（MLM）或发光二极管时，其中继距离为 （6-4） 2）当光源器件为单纵模激光器（SLM）时，啁啾声引起的脉冲展宽占主要地位，其中继距离为 （6-5）

43. 6.2.3 中继距离和传输速率 • 光纤通信系统的中继距离受损耗限制时由式（6-3）确定，中继距离受色散限制时由式（6-4）和式（6-5）确定。从损耗限制和色散限制两个计算结果中，选取较短的距离，作为中继距离计算的最终结果。

44. 各种光纤的中继距离和传输速率的关系，如图6-6所示，包括损耗限制和色散限制的结果。各种光纤的中继距离和传输速率的关系，如图6-6所示，包括损耗限制和色散限制的结果。 • 由图6-6可见，对于波长为0.85μm的多模光纤，由于损耗大，中继距离一般在20km以内。 • 传输速率很低，SIF光纤的速率不如同轴线，GIF光纤的速率在0.1Gbit/s以上就受到色散限制。单模光纤在长波长工作，损耗大幅度降低，中继距离可达100～200km。在1.31μm零色散波长附近，当速率超过1Gbit/s时，中继距离才受色散限制。在1.55μm波长上，由于色散大，通常要用单纵模激光器，理想系统速率可达5Gbit/s，但实际系统由于光源调制产生频率啁啾，导致谱线展宽，速率一般限制为2Gbit/s。采用色散移位光纤和外调制技术，可以使速率达到20Gbit/s以上。

45. 图6-6 各种光纤的中继距离和传输速率的关系

46. 小结 • 1. 光纤通信系统是数字通信网的一个重要组成部分。 • 2.为了满足整个通信网正常运作的要求，必须对数字光纤通信系统性能指标进行规范。 • 3.误码性能。 • 4.抖动性能。 • 5.漂移性能。 • 6.可靠性指标。 • 7.光纤通信系统的设计，要求最大限度地利用光纤的频带资源，达到最高的通信能力或容量，提供最大的通信效益。

47. 思考题 • 1.光纤通信系统的性能指标有哪些？ • 2.什么是误码秒与严重误码秒? • 3.什么是损耗受限系统?什么是色散受限系统? • 4.设140Mbit/s数字光纤通信系统发射光功率为-3dBm，接收机灵敏度为-38dBm，系统余量为4dB，连接器损耗为0.5dB/对，平均接头损耗为0.05dB/km，光纤衰减系数为0.4dB/km，光纤损耗余量为0.05dB/km，计算中继距离L。

48. 实训8 光纤通信系统误码性能的测试 • 一、学习目的 1.熟悉和掌握SDH系统误码停业务测试。 2.熟悉和掌握SDH系统误码在线测试。 • 二、测试准备 学校实验室准备好模拟运行的光纤通信系统实验箱及测试仪器设备

49. 三、测试过程 • 1.SDH系统误码停业务测试 • 系统误码停业务测试配置如图6-7所示，其中图6-7a是单向测试，图6-7b是环回测试。 • 如果测试以环回方式进行，指标仍用单向指标；如果测试失败，则需按两个单向指标。

50. 图6-7 系统误码停业务测试配置