光纖通信系統(tǒng)（第3版） 課件 第6、7章 光放大技術(shù)、光纖數(shù)字通信系統(tǒng)

光纖通信系統(tǒng)2本章要點(diǎn)本章主要介紹光放大器原理、類型和主要實(shí)現(xiàn)技術(shù)。光放大器是實(shí)現(xiàn)高速率大容量光纖通信系統(tǒng)重要的系統(tǒng)元件，可以部分地代替光中繼器，節(jié)約系統(tǒng)成本。

本章教學(xué)課時(shí)為4學(xué)時(shí)。36.1光放大器原理

光放大器是一種能在保持光信號(hào)特征不變的條件下，增加光信號(hào)功率的有源設(shè)備。

光放大器的基本工作原理是受激輻射或受激散射效應(yīng)，其工作機(jī)制和激光器的發(fā)光原理非常相似。實(shí)際上，也可以將光放大器理解為是一個(gè)沒有反饋或反饋較小的激光器。對(duì)于某種特定的光學(xué)介質(zhì)，當(dāng)采用泵浦（電能源或光能源）方法，達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時(shí)就產(chǎn)生了光增益，即可實(shí)現(xiàn)光放大。46.1.1光放大器的基本原理半導(dǎo)體光放大器法布里－珀羅諧振腔式光放大器（FPSOA）注入鎖定式光放大器（ILSOA）行波式光放大器（TWSOA）。摻雜稀土元素光放大器EDFA和PDFA光纖布里淵放大器光纖拉曼放大器56.1.2光放大器的主要參數(shù)泵浦和增益系數(shù)增益譜寬與放大器帶寬增益飽和和飽和輸出功率放大器噪聲61.泵浦和增益系數(shù)

光學(xué)泵浦提供了所必須的能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，因而也就提供了光學(xué)增益，考慮一個(gè)均勻加寬的增益介質(zhì)，其增益系數(shù)可以表示為

（6-2）由上式可以確定光放大器的增益譜寬、放大因子和飽和輸出功率等參數(shù)。7圖6-1兩種泵浦原理示意圖泵浦泵浦E3E1E2激光發(fā)射（a）三能級(jí)泵浦結(jié)構(gòu)（b）四能級(jí)泵浦結(jié)構(gòu)E3E1E2E082.增益譜寬與放大器帶寬

小信號(hào)或非飽和狀態(tài)時(shí)，增益系數(shù)可以表示為

可以看出，當(dāng)ω＝ω0時(shí)增益最大。定義增益譜寬為增益譜g(ω)降至最大值一半處的全寬（FWHM）。而放大器的帶寬定義為G(ω)降至最大放大倍數(shù)一半（3dB）處的全寬度FWHM。放大器的帶寬比介質(zhì)增益譜寬窄的多。93.增益飽和和飽和輸出功率增益可以表示為

增益飽和是放大器能力的一種限制因素，通常將放大器增益降至最大小信號(hào)增益一半（3dB）時(shí)的輸出功率定義為飽和輸出功率。10圖6-2放大器增益隨輸出功率的變化114.放大器噪聲所有光放大器在放大過程中都會(huì)把自發(fā)輻射（或散射）疊加到信號(hào)光上，導(dǎo)致被放大信號(hào)的信噪比（SNR）降低，其降低程度通常用噪聲指數(shù)Fn來表示，其定義為

（6-12）式中的SNR是由光接收機(jī)測(cè)得的，因此所得Fn值也和接收機(jī)參數(shù)有關(guān)。理論分析表明，對(duì)于理想放大器而言被放大信號(hào)的SNR也降低了2倍（3dB），對(duì)大多數(shù)實(shí)際的放大器Fn均超過3dB，并可能達(dá)到6～8dB。126.1.3光放大器分類136.2摻鉺光纖放大器EDFA摻鉺光纖能放大光信號(hào)的基本原理在于鉺離子能吸收泵浦光的能量，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

當(dāng)波長(zhǎng)為1.55μm附近的信號(hào)光通過已被激活的摻鉺光纖時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子以受激輻射的方式躍遷到基態(tài)。對(duì)應(yīng)于每一次躍遷，都將產(chǎn)生一個(gè)與激發(fā)該躍遷的光子完全一樣的光子，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光在摻鉺光纖的傳播過程中不斷放大。6.2.1EDFA的特點(diǎn)工作波長(zhǎng)處于1.53~1.56μm范圍，與光纖最小損耗波長(zhǎng)窗口一致；對(duì)摻鉺光纖進(jìn)行激勵(lì)所需要的泵浦光功率較低，僅需數(shù)十mW；增益高、噪聲低、輸出功率高。EDFA的典型小信號(hào)增益可達(dá)40dB，噪聲系數(shù)可低至3~4dB，輸出功率可達(dá)14~20dBm；連接損耗低。EDFA是光纖型放大器，其與光纖線路間的連接較為容易，連接損耗可低至0.1dB。14156.2.2EDFA結(jié)構(gòu)及工作原理?yè)姐s光纖放大器（EDFA，ErbiumDopedFiberAmplifier是目前最成熟的光放大器。EDFA主要由摻鉺光纖（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔離器等組成。16圖6-4EDFA的基本組成長(zhǎng)度為10m~100m左右的摻鉺光纖，鉺離子的摻雜濃度一般為25mg/kg左右。半導(dǎo)體激光器，輸出功率為10~100mW，工作波長(zhǎng)為0.98μm或1.48μm。將信號(hào)光和泵浦光耦合在一起。保證信號(hào)單向傳輸濾除噪聲，提高信噪比。17鉺離子能級(jí)分布泵浦能帶快速非輻射衰變亞穩(wěn)態(tài)能帶圖6-6鉺離子吸收譜1819EDFA泵浦方式EDFA的內(nèi)部按泵浦方式分，有三種基本的結(jié)構(gòu)：即同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。同向泵浦信號(hào)光與泵浦光以同一方向從摻鉺光纖的輸入端注入的結(jié)構(gòu)，也稱為前向泵浦。

反向泵浦信號(hào)光與泵浦光從兩個(gè)不同方向注入進(jìn)摻鉺光纖的結(jié)構(gòu)，也稱后向泵浦。雙向泵浦同向泵浦和反向泵浦同時(shí)泵浦的結(jié)構(gòu)。20三種不同泵浦方式EDFA結(jié)構(gòu)不同泵浦方式性能差異21226.2.3EDFA性能參數(shù)功率增益輸出功率特性噪聲特性231.功率增益定義為輸出功率與輸入功率之比。EDFA的增益大小與多種因素有關(guān)，通常為15～40dB。24圖6-14增益（G）與摻鉺光纖長(zhǎng)度的關(guān)系252.輸出功率對(duì)于EDFA而言，當(dāng)輸入功率增加時(shí)，受激輻射加快，以至于減少了粒子反轉(zhuǎn)數(shù)，使受激輻射光減弱，輸出功率趨于平穩(wěn)。衡量EDFA的輸出功率特性通常使用3dB飽和輸出功率，其定義為飽和增益下降3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出功率值。263.噪聲EDFA的輸出光中，除了有信號(hào)光外，還有自發(fā)輻射光，它們一起被放大，形成了影響信號(hào)光的噪聲源，EDFA的噪聲主要有以下四種：①信號(hào)光的散粒噪聲；②被放大的自發(fā)輻射光的散粒噪聲；③自發(fā)輻射光譜與信號(hào)光之間的差拍噪聲；④自發(fā)輻射光譜間的差拍噪聲。以上四種噪聲中，后兩種影響最大，尤其是第三種噪聲是決定EDFA性能的主要因素。

理論分析表明，EDFA的噪聲指數(shù)Fn的極限值是3dB。這表明在即使是在理想情況下，每經(jīng)過一個(gè)EDFA，信噪比也會(huì)下降一半。276.2.4EDFA的應(yīng)用在長(zhǎng)距離、大容量、高速率光纖通信系統(tǒng)中，EDFA有多種應(yīng)用形式，其基本作用是：（1）延長(zhǎng)中繼距離，使無中繼傳輸達(dá)數(shù)百公里。（2）與波分復(fù)用技術(shù)結(jié)合，可迅速簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。（3）與光孤子技術(shù)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)超大容量、超長(zhǎng)距離光纖通信。（4）與CATV等技術(shù)結(jié)合，對(duì)視頻傳播和ISDN具有積極作用。28EDFA應(yīng)用形式296.3光纖拉曼放大器FRA拉曼放大具有廣闊的光譜范圍。拉曼放大器FRA是唯一能在1260nm到1675nm的光譜上進(jìn)行放大的器件。拉曼放大器適合于任何類型的光纖，且成本較低。FRA可采用同向、反向或雙向泵浦，增益帶寬可達(dá)6THz。分布式受激拉曼散射放大器能增加放大器之間的距離，因而可以在速率高達(dá)40Gbit/s的高速光網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。306.3.1受激拉曼散射原理在許多非線性介質(zhì)中，受激拉曼散射將一小部分入射功率由一光束轉(zhuǎn)移到另一頻率下移的光束，頻率下移量由介質(zhì)的振動(dòng)模式?jīng)Q定，此過程稱為受激拉曼效應(yīng)。

量子力學(xué)描述為入射光波的一個(gè)光子被一個(gè)分子散射成為另一個(gè)低頻光子，同時(shí)分子完成振動(dòng)態(tài)之間的躍遷，入射光作為泵浦光產(chǎn)生稱為斯托克斯波的頻移光。31圖6-17受激拉曼散射的工作原理32圖6-18泵浦波長(zhǎng)為1μm時(shí)測(cè)得的拉曼增益譜336.3.2FRA結(jié)構(gòu)光纖拉曼放大器的基本結(jié)構(gòu)如圖6-19所示。在輸入端和輸出端各有一個(gè)隔離器，目的是使信號(hào)光單向傳輸。泵浦激光器用于提供能量。近年來，F(xiàn)RA的泵浦源共有三個(gè)方案：一是大功率半導(dǎo)體激光器（LD）及其組合，二是Raman光纖激光器（RFL）；三是半導(dǎo)體泵浦固體激光器（DPSSL）。34圖6-19FRA基本結(jié)構(gòu)示意圖35FRA不同配置FRA特點(diǎn)帶寬較寬。拉曼放大器的增益譜寬可達(dá)40THz，其可用平坦增益范圍有30nm，因此拉曼放大器可作為寬帶放大器，同時(shí)對(duì)多個(gè)不同波長(zhǎng)進(jìn)行放大；SRS效應(yīng)可在任意光纖中發(fā)生，即使在普通單模光纖中，也可獲得一定增益，因此利用拉曼放大器可在原有光纖基礎(chǔ)上直接擴(kuò)容，可以減少投資；低噪聲。光纖拉曼放大器具有優(yōu)良的噪聲特性，其自發(fā)輻射噪聲優(yōu)于EDFA，附加噪聲也很??；可以通過靈活排列泵浦光的頻率來對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。3637表6-1FRA與EDFA比較EDFA拉曼放大器放大帶寬20nm48nm增益20dB可達(dá)30dB飽和功率取決于發(fā)射功率和介質(zhì)材料取決于泵浦光的功率放大頻帶決定于媒介決定于泵浦波長(zhǎng)設(shè)計(jì)復(fù)雜簡(jiǎn)單泵浦源980nm或1480nm比信號(hào)峰值低100nm的任何波長(zhǎng)386.3.4拉曼放大器的噪聲特性光纖拉曼放大器中主要有三種噪聲，一是放大器自發(fā)輻射（ASE）噪聲，二是串話噪聲，三是瑞利散射噪聲。另外，拉曼放大器還會(huì)受非線性和受激布里淵散射造成的噪聲影響。396.3.5混合拉曼/摻鉺光纖放大器拉曼放大器和摻鉺光纖放大器各有其獨(dú)特的特點(diǎn)，將FRA和EDFA結(jié)合起來構(gòu)成混合拉曼/摻鉺光纖放大器（HFA），也是提高拉曼放大器性能的一種重要方法。使用混合拉曼/EDFA放大器，可以獲得更加平坦的增益譜，從而提高系統(tǒng)的帶寬，改善光信噪比（OSNR）。設(shè)計(jì)HFA的基本思想就是將摻鉺光纖放大器和拉曼放大器級(jí)聯(lián)，組成混合放大器，獲得的總增益為兩個(gè)放大器增益的疊加。40信號(hào)輸入信號(hào)輸出泵浦LDWDM傳輸光纖鉺摻雜光纖光隔離器混合EDFA/FRA結(jié)構(gòu)6.4新型光纖放大器

光放大器的出現(xiàn)極大地提升了光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，也有力地推動(dòng)了大容量、長(zhǎng)距離、多信道的光纖通信系統(tǒng)的迅速普及。例如，為了確保多信道光纖通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，要求使用的光放大器具有足夠的帶寬、平坦的增益、低噪聲系數(shù)和高輸出功率。對(duì)于包括光開關(guān)、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、可重配置光分插復(fù)用器（ROADM）等應(yīng)用場(chǎng)合的光放大器提出了更高的要求。416.4.1光纖放大器的需求（1）增益帶寬（2）增益平坦（3）增益均衡（4）噪聲系數(shù)和飽和輸出功率42其他新型光放大器摻鐠氟基光纖放大器（PDDFA）摻鉺波導(dǎo)放大器遙泵放大技術(shù)4344本章小結(jié)和知識(shí)點(diǎn)光放大器基本原理EDFA工作原理和主要參數(shù)EDFA的應(yīng)用FRA工作原理光纖通信系統(tǒng)46本章要點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)中大量的用戶初始信息是模擬量，如語音、文本、圖像等。因此需要首先對(duì)其進(jìn)行模/數(shù)變換，形成數(shù)字信號(hào)以后才能在光纖通信系統(tǒng)中進(jìn)行傳輸以及在通信網(wǎng)中完成交換和復(fù)用等處理。模擬信號(hào)數(shù)字化最常用的方法就是脈沖編碼調(diào)制（PCM），在此基礎(chǔ)上形成了準(zhǔn)同步數(shù)字體系（PDH）和同步數(shù)字體系（SDH）兩個(gè)傳輸體制。數(shù)字基帶光纖通信系統(tǒng)組成47PCM端機(jī)光發(fā)送機(jī)光中繼光接收機(jī)PCM端機(jī)光纖線路光纖線路電信號(hào)光信號(hào)光信號(hào)電信號(hào)輸入接口輸出接口輸入輸出PCMPCM包括抽樣、量化、編碼三個(gè)步驟。由于語音信號(hào)的最高速率為4kHz，按照奈奎斯特抽樣定律，抽樣頻率為8kHz，即抽樣周期為125μs。若采用8位編碼，則一路語音信號(hào)經(jīng)過PCM處理后的數(shù)字信號(hào)速率為64kbit/s。

顯然，對(duì)于具有極大帶寬的光纖通信系統(tǒng)而言，僅由語音信號(hào)這樣的低速率業(yè)務(wù)占據(jù)整個(gè)信道帶寬是非常不經(jīng)濟(jì)的。因此需要引入數(shù)字通信中的復(fù)用技術(shù)，將若干路信號(hào)按照一定規(guī)則組合成高速率信號(hào)后，再占據(jù)光纖信道進(jìn)行傳輸。48準(zhǔn)同步數(shù)字體系PDHPDH體制的基礎(chǔ)就是PCM，即將若干個(gè)語音話路按照TDM的方法組合為一個(gè)基群，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步地按照TDM方式組合成更高等級(jí)的數(shù)字信號(hào)等級(jí)。

ITU-T標(biāo)準(zhǔn)G.702中建議PDH的基群速率有兩種，即PCM30/32路系統(tǒng)和PCM24路系統(tǒng)。我國(guó)和歐洲各國(guó)采用的是PCM30/32路系統(tǒng)。49同步數(shù)字體系SDHSDH具有全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其以標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)用單元為基礎(chǔ)的靈活映射方式，可以適應(yīng)于不同的應(yīng)用環(huán)境。一經(jīng)提出就得到了廣泛的認(rèn)可，目前仍然是國(guó)際上最主要的數(shù)字傳輸體制。

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著波分復(fù)用（WDM）、光交叉連接（OXC）和光分插復(fù)用器（OADM）等技術(shù)的成熟，又提出了光傳送網(wǎng)（OTN），其可以理解為是SDH傳輸體制在光域中的拓展。507.2準(zhǔn)同步數(shù)字體系51PDH復(fù)用等級(jí)我國(guó)及歐洲北美日本一次群30路2.048Mbit/s24路1.544Mbit/s24路1.544Mbit/s二次群30×4=120路2.048×4+0.256=8.448Mbit/s24×4=96路1.544×4+0.136=6.312Mbit/s24×4=96路1.544×4+0.136=6.312Mbit/s三次群120×4=480路8.448×4+0.576=34.368Mbit/s96×7=672路6.312×7+0.552=44.736Mbit/s96×5=480路6.312×5+0.504=32.064Mbit/s四次群480×4=1920路34.368×4+1.792=139.264Mbit/s672×2=1344路44.736×2+0.528=90Mbit/s480×3=1440路32.064×3+1.536=97.728Mbit/s52PDH復(fù)用原理PDH體系中，一般將4個(gè)低等級(jí)的信息流（稱為支路）通過字節(jié)間插復(fù)用的方式復(fù)用成1個(gè)高等級(jí)的信息流（稱為群路或線路）。PDH進(jìn)行復(fù)用時(shí)各等級(jí)的速率信號(hào)相對(duì)其標(biāo)稱速率可能有一定的偏差范圍（稱為容差），這種具有相同的標(biāo)稱速率，但是又允許有一定偏差的信號(hào)也稱為準(zhǔn)同步信號(hào)。在對(duì)準(zhǔn)同步信號(hào)進(jìn)行復(fù)用時(shí)，需要采用插入調(diào)整比特的方法來解決各個(gè)支路同步的問題，即采用異步復(fù)用（復(fù)接）。53PDH復(fù)用技術(shù)PDH復(fù)用中的基本單位是幀，每一幀中包含了用于承載凈荷的信息位和用于運(yùn)行管理和維護(hù)等的非信息位。其中，信息位（I）包含了支路中的所有比特（如支路中各時(shí)隙的信息及同步、信令和告警等），附加的非信息位也稱控制位，主要包括了同步位F、調(diào)整指示位J和調(diào)整位Y、Z等。54PDH碼速調(diào)整55PDH技術(shù)特點(diǎn)由于采用了碼速調(diào)整機(jī)制，PDH中存在著固有的相位抖動(dòng)現(xiàn)象。PDH技術(shù)另一個(gè)主要缺點(diǎn)是復(fù)雜的復(fù)用和解復(fù)用過程。由于各支路信號(hào)在進(jìn)行復(fù)用時(shí)需要進(jìn)行碼速調(diào)整以及解復(fù)用時(shí)需要進(jìn)行碼速恢復(fù)，因此無法在高等級(jí)PDH群路信號(hào)中直接對(duì)支路信號(hào)進(jìn)入分插處理，這也使得PDH在網(wǎng)絡(luò)中上下業(yè)務(wù)非常困難。56577.3同步數(shù)字體系80年代中期以來，光纖通信在電信網(wǎng)中獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。光纖通信的廉價(jià)、優(yōu)良的帶寬特性正使之成為電信網(wǎng)的主要傳輸手段。然而，傳統(tǒng)的基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)臏?zhǔn)同步（PDH）系統(tǒng)存在著一些固有的、難以克服的弱點(diǎn)，為了克服這些缺點(diǎn)，同步數(shù)字體系SDH應(yīng)運(yùn)而生。58SDH的產(chǎn)生背景

SDH的產(chǎn)生最直接的背景是由于PDH技術(shù)存在的固有缺點(diǎn)，包括：標(biāo)準(zhǔn)化差接口不一致復(fù)用和解復(fù)用復(fù)雜

OAM能力弱通道利用率低59SDH的基本概念和特點(diǎn)

SDH中將不同的速率等級(jí)定義為同步傳送模塊（STM-N，N=1、4、16、64、256），即按照4倍的規(guī)律進(jìn)行時(shí)分復(fù)用（TDM）。高等級(jí)的STM-N信號(hào)是將基本模塊STM-1以字節(jié)交錯(cuò)間插的方式進(jìn)行同步復(fù)用的結(jié)果，其速率是STM-1的N倍，中間沒有碼速調(diào)整和插入。SDH體系中光發(fā)送機(jī)采用擾碼機(jī)制，系統(tǒng)的光接口速率是對(duì)應(yīng)速率的電信號(hào)經(jīng)擾碼后的結(jié)果，速率不變，這對(duì)不同廠家的設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中互聯(lián)互通提供了方便，實(shí)現(xiàn)了很好的橫向兼容性。

60SDH體制的核心特點(diǎn)同步復(fù)用（解復(fù)用）標(biāo)準(zhǔn)光接口強(qiáng)大的網(wǎng)管能力61表7-3SDH的標(biāo)準(zhǔn)速率 SDH等級(jí)速率（Mbit/s）工程簡(jiǎn)記STM-1155.520155MSTM-4622.080622MSTM-162488.3202.5GSTM-649953.28010GSTM-25639813.12040G627.3.1SDH幀結(jié)構(gòu)SDH要求能對(duì)各種支路信號(hào)進(jìn)行同步的復(fù)用、交叉連接和交換，因而幀結(jié)構(gòu)必須能適應(yīng)所有這些功能。同時(shí)也希望支路信號(hào)在一幀內(nèi)的分布是均勻的、有規(guī)律的，以便進(jìn)行接入和取出，還要求幀結(jié)構(gòu)能對(duì)北美1.5Mbit/s和歐洲2Mbit/s系列信號(hào)同樣方便和實(shí)用。為此ITU-T采納了一種以字節(jié)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的矩形塊狀幀結(jié)構(gòu)。63圖7-4STM-N幀結(jié)構(gòu)64SDH幀結(jié)構(gòu)內(nèi)容

SDH幀結(jié)構(gòu)由270×N列和9行字節(jié)組成，每字節(jié)8比特。對(duì)于STM-1而言，幀長(zhǎng)度為270×9＝2430字節(jié)，相當(dāng)于19440比特。若用時(shí)間表示，對(duì)于任何STM等級(jí)，其幀長(zhǎng)或幀周期均為125μs。幀結(jié)構(gòu)中字節(jié)的傳輸是從左到右按行進(jìn)行的，首先由圖中左上角第1個(gè)字節(jié)開始，從左到右、由上而下按順序進(jìn)行，直至整個(gè)字節(jié)都傳完，再轉(zhuǎn)入下一幀。如此一幀一幀地傳送，每秒共傳8000幀。651.段開銷SOH區(qū)域段開銷是指STM幀結(jié)構(gòu)中為了保證信息凈負(fù)荷正常靈活傳送所必須的附加字節(jié)，主要是供網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、管理和維護(hù)使用的字節(jié)。圖6-2中橫向?yàn)榈?至第9×N列、縱向第1至第3行和第5至第9行的72×N個(gè)字節(jié)已分配給段開銷。對(duì)于STM-1而言，相當(dāng)于每幀有72個(gè)字節(jié)（576比特）可用于段開銷。由于每秒傳8000幀，因而，STM-1有4.608Mbit/s可用于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、管理和維護(hù)目的?？梢姸伍_銷是相當(dāng)豐富的，這是光同步傳送網(wǎng)的重要特點(diǎn)之一。66STM-1SOH結(jié)構(gòu)示例672.管理單元指針AUPTR區(qū)域

AUPTR是一種指示符，主要用來指示信息凈負(fù)荷的第1個(gè)字節(jié)在STM-N幀內(nèi)的準(zhǔn)確位置，以便在接收端正確地分解。圖6-2中橫向?yàn)榈?至第9×N列、縱向第4行的9×N個(gè)字節(jié)是保留給AUPTR用的。采用指針方式是SDH的重要?jiǎng)?chuàng)新，可以使之在準(zhǔn)同步環(huán)境中完成復(fù)用同步和STM-N信號(hào)的幀定位。683.信息凈負(fù)荷區(qū)域 信息凈負(fù)荷區(qū)就是幀結(jié)構(gòu)中存放各種信息容量的地方。圖中橫向?yàn)榈?0至第270×N列、縱向第1至第9行的2349×N個(gè)字節(jié)都屬于凈負(fù)荷區(qū)域。當(dāng)然，其中還有少量的用于通道性能監(jiān)視、管理和控制的通道開銷字節(jié)（POH）。通常，POH作為凈負(fù)荷的一部分與其一起在網(wǎng)絡(luò)中傳送。697.3.2SDH復(fù)用和映射過程

SDH的其中一個(gè)優(yōu)點(diǎn)便是可以兼容傳統(tǒng)PDH的各次群信號(hào)和通信網(wǎng)絡(luò)中各種類型的業(yè)務(wù)信號(hào)，其中的復(fù)用過程便是遵照ITU-T的G.707建議所給出的結(jié)構(gòu)。

SDH復(fù)用映射過程中最主要的是按照一定的規(guī)則對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的信息結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，包括映射、定位和復(fù)用等。SDH中的信息結(jié)構(gòu)由一系列的基本單元組成，包括容器（C），虛容器（VC）、管理單元（AU）和支路單元（TU）等。44736kb/s34368kb/s6312kb/s2048kb/s1544kb/sVC-3TUG-2VC-12VC-11TU-11TU-12

TU-2

TU-3TUG-2139264kb/sC-11C-12C-2C-3C-4AUGVC-4

AU-4

AU-4STM-NVC-4VC-3×N×1×3×7×7×1×3×1×3×4指針處理復(fù)用定位校準(zhǔn)映射圖7-6SDH復(fù)用映射過程71SDH基本復(fù)用單元包括若干容器（C-n）、虛容器（VC-n）、支路單元（TU-n）、支路單元組（TUG-n）、管理單元（AU-n）和管理單元組（AUG-n），n為PDH系列等級(jí)序號(hào)。1.SDH基本復(fù)用單元72表7-4各類容器的主要參數(shù)容器C-4C-3C-2C-12C-11周期或復(fù)幀周期（μs）125125500500500幀頻或復(fù)幀頻率（Hz）80008000200020002000結(jié)構(gòu)260×984×94（12×9-1）-14（9×9-1）-14（3×9-1）-1容量（字節(jié)數(shù)）2340756427139103速率（Mbit/s）149.76048.3846.8322.2241.64873表7-5各類虛容器的主要參數(shù)虛容器VC-4VC-3VC-2VC-12VC-11周期或復(fù)幀周期（μs）125125500500500幀頻或復(fù)幀頻率（Hz）80008000200020002000結(jié)構(gòu)261×985×94（12×9-1）4（9×9-1）4（3×9-1）容量（字節(jié)數(shù)）2349765428140104速率（Mbit/s）150.33648.9606.8482.2401.66474PDH信號(hào)復(fù)用映射方法我國(guó)光同步傳輸體制規(guī)定以2048kbit/s為基礎(chǔ)的PDH系列作為SDH的有效負(fù)荷，并選用AU-4復(fù)用路線。這主要是考慮到我國(guó)PDH網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用較多的是2048kbit/s和139264kbit/s支路接口，如需要也可提供34368kbit/s的支路接口。75STM-NVC-3TUG-2VC-12TU-12

TU-3TUG-3139264kb/s34368kb/s2048kb/sC-12C-3C-4AUGVC-4

AU-4×N×1×7×1×3×3指針處理復(fù)用定位校準(zhǔn)映射圖7-7我國(guó)的SDH基本復(fù)用映射結(jié)構(gòu)76PDH信號(hào)復(fù)用映射進(jìn)SDH過程示例PDH信號(hào)復(fù)用成SDH信號(hào)必須經(jīng)過映射、定位和復(fù)用三個(gè)步驟，如右圖所示。低速支路信號(hào)容器C虛容器VCSDH管理單元AU支路單元TU支路單元組TUG771.映射映射是一種在SDH網(wǎng)絡(luò)邊界處，使支路信號(hào)適配進(jìn)虛容器的過程。即各種速率的PDH信號(hào)分別經(jīng)過碼速調(diào)整裝入相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)容器，再加進(jìn)低階或高階通道開銷（POH）形成虛容器負(fù)荷的過程。78復(fù)用定位校準(zhǔn)映射155.520Mb/sSTM-1AUGSOH×3碼速調(diào)整2.048Mb/s2.224Mb/sVC-122.240Mb/sTU-122.304Mb/sTUG-26.912

Mb/sTUG-349.536

Mb/sVC-4150.336

Mb/sAU-4150.912Mb/sC-12VC-12POHC-12C-12TU-12PTRTU-12TU-12TUG-2TUG-2TUG-2TUG-2TUG-2TUG-2TUG-2TU-12VC-12TUG-3TUG-3TUG-3VC-4AU-4PTRVC-4POH×7×3×1VC-4AU-4PTRAUG150.912Mb/s圖7-8利用AU-4直接

從C-1復(fù)接的方法792.定位定位是一種將幀偏移信息收進(jìn)支路單元或管理單元的過程。即以附加于VC上的支路單元指針（或管理單元指針）指示和確定低階VC幀的起點(diǎn)在高階凈負(fù)荷中（或高階幀的起點(diǎn)在AU凈負(fù)荷中）的位置。在發(fā)送相對(duì)幀相位偏差使VC幀起點(diǎn)浮動(dòng)時(shí)，指針值隨之調(diào)整，從而始終保證指針值準(zhǔn)確指示VC幀的起點(diǎn)的過程。指針分為AU-4指針、TU-3指針和TU-12指針。80圖7-10AU-4指針偏移范圍81AU-4／TU-3指針（H1、H2、H3）值823.復(fù)用復(fù)用是一種使多個(gè)低階通道層的信號(hào)適配進(jìn)高階通道或者把多個(gè)高階通道信號(hào)適配進(jìn)復(fù)用層的過程，即以字節(jié)交錯(cuò)間插方式把TU組織進(jìn)高階VC或者把AU組織進(jìn)STM-N的過程。由于經(jīng)由TU和AU指針處理后的各VC支路已經(jīng)相位同步，此復(fù)用過程為同步復(fù)用。復(fù)用原理與數(shù)據(jù)的并串變換類似。由我國(guó)的復(fù)用路線可知：TUG-2＝3×TU-12；TUG-3＝7×TUG-2或＝1×TU-3；STM-1＝VC-4＝3×TUG-3；STM-N＝N×STM-1；由上述可知，一個(gè)STM-1可以直接提供63個(gè)2Mbit/s或3個(gè)34Mbit/s（經(jīng)PDH復(fù)用解復(fù)用可以得到48個(gè)2Mbit/s）或一個(gè)140Mbit/s（經(jīng)PDH復(fù)用解復(fù)用可以得到64個(gè)2Mbit/s口）。因此，在SDH干線上開通34Mbit/s是不經(jīng)濟(jì)的。83SDH常見的網(wǎng)元設(shè)備類型有終端復(fù)用器（TM）、分插復(fù)用器（ADM）、再生中繼器（REG）和數(shù)字交叉連接（DXC）等。7.3.3SDH網(wǎng)元設(shè)備1.終端復(fù)用器TMTM的主要功能是將PDH支路信號(hào)復(fù)用進(jìn)SDH信號(hào)中，或?qū)⑤^低等級(jí)的SDH信號(hào)復(fù)用進(jìn)高等級(jí)STM-N信號(hào)中，以及完成上述過程的逆過程。84852.分插復(fù)用器ADM 分插復(fù)用器將同步復(fù)用和數(shù)字交叉連接功能綜合于一體，利用內(nèi)部的交叉連接矩陣，不僅實(shí)現(xiàn)了低速率的支路信號(hào)可靈活地插入/分出到高速的STM-N中的任何位置，而且可以在群路接口之間靈活地對(duì)通道進(jìn)行交叉連接。86DF:數(shù)字配線架OLTE：光端機(jī)MUX：復(fù)用器ADM：分插復(fù)用器SDHADM2Mbit/sSTM-NSTM-N2/34Mbit/sMUX2Mbit/s140Mbit/sOLTE2Mbit/s34/140Mbit/sMUX140Mbit/sOLTE34/140Mbit/sMUX2/34Mbit/sMUXSDHADM替代PDH中繼器87多達(dá)126個(gè)2Mbit/s支路主主備備155Mbit/s155Mbit/s155Mbit/s155Mbit/s

STM-1接口No.1

STM-1接口No.1ADM用作終端復(fù)用器88

REG的功能就是接收經(jīng)過長(zhǎng)途傳輸后衰減了的、有畸變的STM-N信號(hào)，對(duì)它進(jìn)行放大、均衡、再生后發(fā)送出去。

REG只對(duì)再生段開銷RSOH進(jìn)行處理，對(duì)復(fù)用段開銷MSOH和通道開銷POH而言都是透明處理的。與TM和ADM相比，再生器沒有分插業(yè)務(wù)的功能。3.再生中繼器REG89DXC是一種具有一個(gè)或多個(gè)PDH或SDH信號(hào)接口，可以在任何接口之間對(duì)信號(hào)及其子速率信號(hào)進(jìn)行可控連接和再連接的設(shè)備。DXC的核心部件是高性能的交叉連接矩陣，其基本結(jié)構(gòu)與ADM相似，只是SDXC的交叉連接矩陣容量比較大，接口比較多，具有一定的智能恢復(fù)功能，常用于網(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。4.數(shù)字交叉連接設(shè)備907.3.4SDH網(wǎng)同步只有保證SDH全網(wǎng)同步，才可以借助于指針實(shí)現(xiàn)各個(gè)支路信號(hào)靈活的上/下。SDH網(wǎng)同步是指SDH網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘頻率和相位都限制在預(yù)先確定的容差范圍內(nèi)，以免出現(xiàn)數(shù)字傳輸系統(tǒng)中信息比特的溢出和取空，從而導(dǎo)致傳輸損傷。SDH網(wǎng)同步的基本思想是通過不同的技術(shù)手段，使得網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都遵循同一個(gè)參考頻率源（即同步時(shí)鐘信號(hào)。91網(wǎng)同步方式偽同步和主從同步是解決頻率同步的兩種辦法。偽同步是指數(shù)字網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)都具有獨(dú)立的基準(zhǔn)時(shí)鐘，時(shí)鐘的精度較高，雖然各節(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘不完全相同，存在一定誤差，但誤差值極小，接近同步。而主從同步是指網(wǎng)內(nèi)設(shè)一主局，配有較高精度的時(shí)鐘，網(wǎng)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)均受控于主局，并且逐級(jí)下控，直至最末端的節(jié)點(diǎn)。92偽同步和主從同步原理圖93等級(jí)主從控制示意圖94其他同步方式數(shù)字網(wǎng)頻率同步的方式除了上述兩種以外，還有相互同步、外基準(zhǔn)輸入等。隨著原子鐘小型化和衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，包括美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）和我國(guó)的北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航與授時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)可以提供大范圍的高精度授時(shí)信號(hào)廣播。此時(shí)可以在網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點(diǎn)配置基于衛(wèi)星接收機(jī)的綜合定時(shí)系統(tǒng)（BITS），形成地區(qū)基準(zhǔn)時(shí)鐘（LPR），該地區(qū)內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)則采用主從同步方式同步于LPR。95主從同步方式中，節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘通常有三種工作模式。正常工作模式保持工作模式自由運(yùn)行模式從時(shí)鐘的工作模式從時(shí)鐘工作模式轉(zhuǎn)移圖9697SDH時(shí)鐘類型及定時(shí)要求

目前我國(guó)同步網(wǎng)內(nèi)的基準(zhǔn)時(shí)鐘有兩種：

一種是含銫或銣原子鐘的全國(guó)基準(zhǔn)時(shí)鐘（PRC），它產(chǎn)生的定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)通過定時(shí)基準(zhǔn)傳輸鏈路送到各省中心。

另一種是在綜合定時(shí)系統(tǒng)（BITS）中配置的全球定位系統(tǒng)或北斗衛(wèi)星接收機(jī)組成的區(qū)域基準(zhǔn)時(shí)鐘（LPR），它也可接受PRC的同步。98同步網(wǎng)的分級(jí)和時(shí)鐘設(shè)置同步網(wǎng)分級(jí)時(shí)鐘等級(jí)設(shè)置位置第一級(jí)1級(jí)基準(zhǔn)時(shí)鐘（PRC和LPR）設(shè)置在省際與省內(nèi)傳送網(wǎng)交匯節(jié)點(diǎn)處，以及各省、自治區(qū)中心和直轄市的一級(jí)交換中心所在局。第二級(jí)2級(jí)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘(SSU-T)設(shè)置在省內(nèi)與本地傳送網(wǎng)交匯節(jié)點(diǎn)處，以及二級(jí)交換中心所在局和一些重要的關(guān)口局。第三級(jí)3級(jí)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘(SSU-L)設(shè)置在本地傳送網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)處或端局。99SDH網(wǎng)同步規(guī)劃原則在規(guī)劃和設(shè)計(jì)同步網(wǎng)時(shí)必須考慮到地域和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)情況，一般應(yīng)遵循以下原則：在同步網(wǎng)內(nèi)不應(yīng)出現(xiàn)環(huán)路；盡量減少定時(shí)傳遞鏈路的長(zhǎng)度；應(yīng)從分散路由獲得主、備用基準(zhǔn)；受控時(shí)鐘應(yīng)從其他同級(jí)或高一級(jí)設(shè)備獲得基準(zhǔn)；選擇可用性高的傳輸系統(tǒng)傳送基準(zhǔn)。100同步定時(shí)基準(zhǔn)傳輸鏈101同步狀態(tài)字節(jié)S1的使用在SDH網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)定時(shí)的路由隨時(shí)可能會(huì)發(fā)生變化，因而其定時(shí)性能也隨時(shí)可能變化，這就要求網(wǎng)絡(luò)單元必須有較高的智能從而能決定定時(shí)源是否還使用，是否需要搜尋其他更合適的定時(shí)源等，以保證低級(jí)的時(shí)鐘只能接收更高等級(jí)或同一等級(jí)的定時(shí)，以避免形成定時(shí)信號(hào)的環(huán)路，造成同步不穩(wěn)定,在STM-N中安排的S1字節(jié)是一種有效的措施。102表7-8同步狀態(tài)信息編碼S1（b5-b8）SDH同步質(zhì)量等級(jí)描述S1（b5-b8）SDH同步質(zhì)量等級(jí)描述0000同步質(zhì)量不知道（現(xiàn)存同步網(wǎng)）1000G.812本地時(shí)鐘信號(hào)0001保留1001保留0010G.811時(shí)鐘信號(hào)1010保留0011保留1011同步設(shè)備定時(shí)源（SETS）信號(hào)0100G.812轉(zhuǎn)接局時(shí)鐘信號(hào)1100保留0101保留1101保留0110保留1110保留0111保留1111不應(yīng)用作同步103SDH設(shè)備的同步方式SDH網(wǎng)中包括DXC、ADM等不同種類的設(shè)備，這些不同的設(shè)備在SDH網(wǎng)中的地位和應(yīng)用有很大差別，因而其同步配置和時(shí)鐘要求也不一樣。一般來說，SDH同步網(wǎng)提供了三種不同的網(wǎng)絡(luò)單元定時(shí)方法：外同步定時(shí)源接收信號(hào)中提取定時(shí)內(nèi)部定時(shí)源104SDH網(wǎng)元定時(shí)方式示例1057.3.5SDH傳送網(wǎng)傳送網(wǎng)可從垂直方向分解為三個(gè)獨(dú)立的層網(wǎng)絡(luò)，即電路層，通道層和傳輸媒質(zhì)層。每一層網(wǎng)絡(luò)在水平方向又可以按照該層內(nèi)部結(jié)構(gòu)分割為若干分離的部分，組成適于網(wǎng)絡(luò)管理的基本骨架。采用分層和分割的方法有許多優(yōu)點(diǎn)，例如可以單獨(dú)進(jìn)行每一個(gè)層網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，在對(duì)每一層進(jìn)行修改時(shí)也無需涉及到其他層次。106分層和分割視圖107SDH傳送網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)108通道和段關(guān)系示例109傳送網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌淳W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和傳輸線路的幾何排列，反映了物理連接或物理拓?fù)洹DH傳送網(wǎng)物理拓?fù)涞倪x擇應(yīng)綜合考慮網(wǎng)絡(luò)的生存性、配置的難易度、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是否適應(yīng)新業(yè)務(wù)的引進(jìn)等多種因素，需要根據(jù)情況來決定。作為一般性原則，用戶網(wǎng)適于星形拓?fù)浜铜h(huán)形拓?fù)洌欣^網(wǎng)適于環(huán)形和線形拓?fù)?，長(zhǎng)途網(wǎng)適于樹形和網(wǎng)孔形的結(jié)合，物理節(jié)點(diǎn)配置比較簡(jiǎn)單的情況也適用于環(huán)形1101.基本的物理拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌淳W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和傳輸線路的幾何排列，反映了物理連接或物理拓?fù)洹｜c(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)涫亲詈?jiǎn)單的通信形式，早期的SDH系統(tǒng)都基于這種拓?fù)洹?11基本物理拓?fù)?122.環(huán)形網(wǎng)利用分插復(fù)用設(shè)備（ADM）或數(shù)字交叉連接設(shè)備（DXC）首尾相接時(shí)可以構(gòu)成SDH環(huán)形網(wǎng)。環(huán)形網(wǎng)可以分為兩類，即通道保護(hù)轉(zhuǎn)換環(huán)和復(fù)用段保護(hù)轉(zhuǎn)換環(huán)（具體可參見后續(xù)章節(jié)關(guān)于SDH自愈環(huán)的介紹）。1133.以DXC為節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)孔形網(wǎng)在業(yè)務(wù)量高度集中的長(zhǎng)途網(wǎng)中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)有多條大容量光纖鏈路進(jìn)出，其中有