光传输系统

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1 L 4 1 1 0 2 1 光纤通信系统的构成

光通信系统通常指光纤传输通信系统， 是目前通信系统中最常用的传输系统。掌握光

纤传输系统的基本原理是了解光通信的窗口。

一、光纤通信系统

1 . 光纤通信是以光波作为载频、以光 导 纤维 （ 简称光纤) 作为传输媒介、遵循相应

的技术体制的一种通信方式。最基本的光纤通信系统由光发射机、光 纤线 路 （ 包括光缆和

光中继器）和光接收机组成。图1L411021-1是光纤通信系统组成框图。

光纤通信系统

光中继器

m

复用设备

光端机

图 1L411021-1光纤通信系统组成框图

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2 . 光纤通信系统通常采用数字编码、强度调制、直接检波等技术。所谓编码，就是

用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。强度调制就是在光端机发送端，通

过调制器用电信号控制光源的发光强度， 使光强度随信号电流线性变化（ 这里的光强度是

指单位面积上的光功率) 。直接检波是指在光端机接收端，用光电检测器直接检测光的有

无 ，再转化为电信号。光纤作为传输媒介，以最小的衰减和波形畸变将光信号从发送端传

输到接收端。为了保证通信质量，光信号经过光纤一定距离的衰减后，进人光中继器，由

光中继器对已衰落的光信号脉冲进行补偿和再生。

二、光传输媒质

1 . 光纤是光通信系统最普遍和最重要的传输媒质，它由单根玻璃纤芯、紧靠纤芯的

包层、一次涂覆层以及套塑保护层组成。 纤芯和包层由两种光学性能不同的介质构成，内

部的介质对光的折射率比环绕它的介质的折射率高，因此当光从折射率高的一侧射入折射

率低的一侧时，只要入射角度大于一个临界值，就会发生光全反射现象，能量将不受损

失。这时包在外围的覆盖层就像不透明的物质一样，防止了光线在穿插过程中从表面

逸出。

2 . 光在光纤中传播，会产生信号的衰减和畸变，其主要原因是光纤中存在损耗和色

散。损耗和色散是光纤最重要的两个传输特性， 它们直接影响光传输的性能。

( 1 ) 光纤传输损耗：损耗是影响系统传输距离的重要因素之一，光纤自身的损耗主要

有吸收损耗和散射损耗。吸收损耗是因为光波在传输中有部分光能转化为热能；散射损耗

是因为材料的折射率不均勻或有缺陷、光纤表面畸变或粗糙造成的，主要包含瑞利散射损

耗 、非线性散射损耗和波导效应散射损耗。当然，在光纤通信系统中还存在非光纤自身原

因的一些损耗， 包括连接损耗、弯曲损耗和微弯损耗等。这些损耗的大小将直接影响光纤

传输距离的长短和中继距离的选择。

( 2 ) 光纤传输色散：色散是光脉冲信号在光纤中传输，到达输出端时发生的时间上的

展宽。产生的原因是光脉冲信号的不同频率成分、不同模式，在传输时因速度不同，到达

终点所用的时间不同而引起的波形畸变。这种畸变使得通信质量下降，从而限制了通信容

量和传输距离。降低光纤的色散，对增加光纤通信容量， 延长通信距离，发展高速40Gb/s

光纤通信和其他新型光纤通信技术都是至关重要的。

三、光传输设备

光传输设备主要包括：光发送机、光接收机、光中继器。

1 . 光发送机：光发送机的作用是将数字设备的电信号进行电/ 光转换， 调节并处理成

为满足一定条件的光信号后送人光纤中传输。光源是光发送机的关键器件，它产生光纤通

信系统所需要的载波； 输入接口在电/ 光之间解决阻抗、功率及电位的匹配问题； 线路编

码包括码型转换和编码； 调制电路将电信号转变为调制电流，以便实现对光源输出功率的

调节。图1L411021-2是光发送机组成框图。

2 . 光接收机：光接收机的作用是把经过光纤传输后，脉冲幅度被衰减、宽度被展宽

的弱光信号转变为电信号， 并放大、再生恢复出原来的信号。图 1L411021-3是光接收机

组成框图。

3 . 光中继器：光中继器的作用是将通信线路中传输一定距离后衰弱、变形的光信号

恢复再生，以便继续传输。 再生光中继器有两种类型：一种是光- 电-光中继器；另一种是

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图 1L411021-2光发送机组成框图

图 1L411021-3光接收机组成框图

光- 光中继器。

传统的光中继器采用的是光电光（ O E O ) 的模式，光电检测器先将光纤传送来的非

常微弱的且可能失真了的光信号转换成电信号， 再通过放大、整形、 再定时， 还原成与原

来的信号一样的电脉冲信号。 然后用这一电脉冲信号驱动激光器发光，又将电信号变换成

光信号，向下一段光纤发送出光脉冲信号。这种方式过程繁琐， 很不利于光纤的高速传

输。自从掺铒光纤放大器问世以后，光中继实现了全光中继。

四、光通信系统传输网技术体制

在数字通信发展的初期， 世界上采用的数字传输系统都是准同步数字体系（ PDH)，

这种体制适应了当时点对点通信的应用。随着数字交换的引入，光通信技术的发展，基于

点对点传输的准同步（ P DH ) 体系存在的一些弱点都暴露出来，阻碍了电信网向高度灵

活和智能化方向发展。同步数字体系（ S D H ) 使 PD H 应用中存在的问题得以解决，SDH

传输网络应用进入一个新的阶段，同步数字体系成为举世公认的新一代光通信传输网

体制。

( 一）准同步数字体系（ PDH) 的 弱点

1 . 只有地区性的数字信号速率和帧结构标准，没有世界性标准。北美、日本、欧洲

三个标准互不兼容，造成国际互通的困难。

2 . 没有世界性的标准光接口规范，各厂家自行开发的光接口无法在光路上互通，限

制了联网应用的灵活性。

3 . 复用结构复杂，缺乏灵活性，上下业务费用高，数字交叉连接功能的实现十分

复杂。

4 . 网络运行、管理和维护 （ O A M ) 主要靠人工的数字信号交叉连接和停业务测试，

复用信号帧结构中辅助比特严重缺乏，阻碍网络O A M 能力的进一步改进。

5 . 由于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

占了业务流量的大部分， 无法提供最佳的路由选择。

( 二）同步数字体系（ SDH) 的 特点

1 . 使三个地区性标准在STM-1等级以上获得统一，实现了数字传输体制上的世界性

标准。

2 . 采用了同步复用方式和灵活的复用映射结构，使网络结构得以简化，上下业务十

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分容易， 也使数字交叉连接的实现大大简化。

3. SD H 帧结构中安排了丰富的开销比特，使网络的O A M 能力大大加强。

4 . 有标准光接口信号和通信协议，光接口成为开放型接口满足多厂家产品环境要求，

降低了联网成本。

5 . 与现有网络能完全兼容，还能容纳各种新的业务信号，即具有完全的后向兼容性

和前向兼容性。

6 . 频带利用率较PD H 有所降低。

7 . 宜选用可靠性较高的网络拓扑结构，降低网络层上的人为错误、软件故障乃至计

算机病毒给网络带来的风险。

五、光 波分 复 用 （ WDM)

1 . 光波分复用是将不同规定波长的信号光载波在发送端通过光复用器（合波器）合

并起来送入一根光纤进行传播，在接收端再由一个光解复用器（ 分波器）将这些不同波长

承载不同信号的光载波分开。这些不同波长的光信号所承载的数字信号可以是相同速率、

相同数据格式， 也可以是不同速率、不同数据格式。

2 . 采用 W D M 技术可以充分利用单模光纤的巨大带宽资源（ 低损耗波段），在大容量

长途传输时可以节约大量光纤。另外， 波分复用通道对数据格式是透明的，即与信号速率

及电调制方式无关，在网络发展中，是理想的扩容手段，也是引入宽带新业务的方便

手段。

3 . 根据需要， W D M 技术可以有多种网络应用形式，如长途干线网、广播式分配网

络、多路多址局域网络等。可 利用 W D M 技术选路，实现网络交换和恢复， 从而实现透

明、灵活、经济且具有高度生存性的光网络。

4 . 依据通道间隔和应用的不同，光波分复用有稀疏波分复用（ CWDM) 和密集波分

复 用（ D W D M ) 之分。一 般 C W D M 的 信 道 间 隔 为 20nm，而 D W D M 的信道间隔从

0. 2nm 到  1. 2nm 。

1L411022 SD H 设备的构成及功能

SD H 传输网是由一些基本的S D H 网 络单 元 （ N E ) 和网络 节点 接 口 （ N N I) 组成，

通过光纤线路或微波设备等连接， 进行同步信息接收/ 传送、复用、分插和交叉连接的网

络。它具有全世界统一的网络节点接口， 从而简化了信号的互通以及信号的传输、复用、

交叉连接和交换的过程；有一套标准化的信息结构等级， 称为同步传送模块STM — N

( N = l ， 4 ，16，6 4 - ..) , 并具有一种块状帧结构， 允许安排丰富的开销比特（ 即网络节点

接口比特流中扣除净负荷后的剩余字节）用于网络的O AM 。

一 、 S D H 的基本网络单元

构 成 SD H 系统的基本网元主要有同步光缆线路系统、 终端 复 用 器 （ T M )、 分插复用

器 （ A D M )、 再 生中继器（ R E G ) 和同步数字交叉连接设备（ SDXC)。其 中 T M 、AD M 、

REG、SDXC主要功能如图1L411022-1所示。

1 . 终端复用 器 （ T M ):  T M 是 SDH 基本网络单元中最重要的网络单元之一，它的主

要功能是将若干个PD H 低速率支路信号复用成STM-1 帧 结 构 电 （ 或光）信号输出，或

将若干个STM -n 信号复用成STM-N  ( n < N ) 光信号输出，并完成解复用的过程。例如，

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TM: 终端复用器 ADM:分/插复用器 REG: 再生中继器

SDXC:同步数字交叉连接设备 D1〜 D4: 准同步支路信号 STM-N/M:同步传送模块

图1L411022-1  SD H 网络单元功能示意图

在 STM-1终端复用器发送端：可 将 6 3 个 2 M b it/s 信号复用成为一个STM-1信号输出，

而 在STM-1终端复用器接收端：可将一个STM-1信号解复用为63 个 2M b it/s 信号输出。

2 . 分插 复 用 器 （ AD M ):  A D M 是 SD H 传输系统中最具特色、应用最广泛的基本网

络单元。A D M 将同步复用和数字交叉连接功能集于一体，能够灵活地分插任意群路、支

路和系统各时隙的信号， 使得网络设计有很大的灵活性。A D M 除了能完成与T M —样的

信号复用和解复用功能外， 它还能利用其内部时隙交换实现带宽管理， 允许两个S T M -

N 信号之间的不同V C 实现互联， 且能在无需解复用和完全终接的情况下接入多种STM-

n 和 PD H 支路信号。更重要的是在SDH保护环网结构中， A D M是系统中必不可少的网

元节点， 利用它的时隙保护功能，可以使得电路的安全可靠性大为提高，在 1200kM 的

SD H 保护环中，任意一个数字段由于光缆或中继系统原因，电路损伤业务时间不会大

于   50mso

3 . 再生中 继器 （ R E G ) : 再生中继器的功能是将经过光纤长距离传输后， 受到较大衰

减和色散畸变的光脉冲信号， 转换成电信号后， 进行放大、整形、 再定时、 再生成为规范

的电脉冲信号，经过调制光源变换成光脉冲信号， 送入光纤继续传输，以延长通信距离。

4 . 同步数字交叉连接设备（ SDXC):  SDXC是 SD H 网的重要网元， 是进行传送网有

效管理、实现可靠的网络保护/恢复，以及自动化配线和监控的重要手段。其主要功能是

实 现 SDH 设备内支路间、 群路间、支路与群路间、群路与群路间的交叉连接， 还兼有复

用、解复用、配线、光电互转、保护恢复、监控和电路资料管理等多种功能。实际的

SDH 保护环网系统中，常常把数字交叉连接的功能内置在A D M 中，或者 说 A D M 设备

具有数字交叉连接功能， 其核心部分是具有强大交叉能力的交叉矩阵。除此之外，SDXC

设备与其附属的接口设备也可以单独组网， 将各条没有构成SD H 保护环的链状电路接入

SDXC网，建成一个SDXC独立保护网， 利用接入的一部分冗余电路，经过 SDXC网络的

自动运算， 找出最合适最经济的路由，使得接入的重要业务， 能够得到如SD H 保护环网

中电路一样的保护。

二、S D H 网络节点接口

所谓网络节点接口（ N NI) 表示网络节点之间的接口。规范一个统一的N N I 标准，

基本出发点在于， 使其不受限于特定的传输媒质， 不受限于网络节点所完成的功能，同时

对局间通信或局内通信的应用场合也不加以限定。S D H 网络节点接口正是基于这一出发

点而建立起来的， 它不仅可以使北美、日本和欧洲3 种地区性P D H 序 列 在 S D H 网中实

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现统一， 而且在建设SD H 网和开发应用新设备产品时可使网络节点设备功能模块化、系

列化、 并能根据电信网络中心规模大小和功能要求灵活地进行网络配置，丛而使SDH 网络

结构更加简单、高效和灵活， 并在将来需要扩展时具有很强的适应能力。图 1L411022-2给

出了网络节点接口在SD H 网络中的位置的一个示意图。

图 1L411022-2网络单元和网络节点接口在SD H 网络中位置示意图

三、基本网络单元的连接

( 一）网络拓扑结构

根据网络节点在网络中的几何安排，网络主要有以下几种基本的拓扑结构:

1 . 线形：把涉及通信的每个节点串联起来，而首尾节点开放，通常也称链形网络

结构。

2 . 星形：涉及通信的所有节点中有一个特殊的点与其余的所有节点直接相连，而其

余节点之间互不相连， 该特殊点具有连接和路由调度功能。

3 . 环形：把涉及通信的所有节点串联起来，而且首尾相连， 没有任何节点开放。

4 . 树形：把点到点拓扑单元的末端点连接到几个特殊点， 这样即构成树形拓扑，它

可以看成是线性拓扑和星形拓扑的结合。这种结构存在瓶颈问题，因此不适合提供双向通

伯业务。

5 . 网孔形：把涉及通信的许多点直接互连，即构成网孔形拓扑。如果将所有节点都

直接互连，则构成理想的网孔形。在网孔形拓扑结构中，由于各节点之间具有高度的互连

性 ，有多条路由的选择，可靠性极高，但结构复杂，成本高。在 S D H 网中，网孔结构中

各节点主要采用DXC，一般用于业务量很大的一级长途干线。

( 二）网络组网实例及网络分层

图 1L411022-2给出了网络单元组网的一个实例。按照 S D H 网络分层的概念，图中示

意标出了实际系统中的再生段、复用段和数字段。

1 . 再生段：再 生中继器（ R EG ).与终端复用器（ T M ) 之间、 再生中继器与分插复用

器 （ A D M ) 或再生中继器与再生中继器之间，这部分段落称再生段。再生段两端的

REG、T M 和 A D M 称为再生段终端（ RST)。

2 . 复用段：终端复用器与分插复用器之间以及分插复用器与分插复用器之间称为复

用段。复用段两端的T M 及 A D M 称为复用段终端（ MST)。