城市轨道交通有线传输系统课件.pptx

,城市轨道交通有线传输系统,为实现城市轨道交通各系统间的协同合作，保障安全运营，需要建立公务电话网、有线/无线调度网、广播（public announcement，PA）系统网、视频监控网、时钟网、乘客信息系统（passenger information system，PIS）网、计算机网和各种监控系统的数据网等业务网络。而有线传输系统为城市轨道交通各系统提供了一个大容量、高性能的光纤传输网络，实现了各系统的联动。本模块将对通信光电缆进行介绍，对光纤通信系统的相关知识进行介绍，对传输系统的各类组网技术进行阐述，对SDH传输网和城市轨道交通传输网进行介绍，对传输系统的相关知识、日常维护及故障处理方法进行介绍。,目 录,CONTENTS,3.1,3.2,3.3,3.4,通信光电缆,光纤通信系统,传输系统的组网技术,SDH传输网,目 录,CONTENTS,3.5,城市轨道交通传输网,3.6,城市轨道交通传输系统应用,3.7,城市轨道交通传输系统的维护及故障处理,（1）通信光电缆。（2）光纤通信系统。（3）传输系统的组网技术。（4）SDH传输网。（5）城市轨道交通传输网。,重点难点,CONTENTS,3.1,通信光电缆,通信光缆,通信电缆,城市轨道交通通信系统中的光缆和电缆是各系统信息交换的传输线，是传输系统不可缺少的传输媒介。随着通信技术、控制技术及计算机技术的不断发展，由光纤构成的通信光缆已成为各种信息网最主要的传输方式。此外，在城市轨道交通通信系统中还应用通信电缆来实现交换设备与终端设备的连接。,光纤概述,光纤的分类,光纤的传输特性,光缆,光纤配线架及连接器,1.光纤概述,（1）全反射。定义。全反射又称全内反射，指光由光密介质（光在此介质中的折射率大）射到光疏介质（光在此介质中的折射率小）的界面时，全部被反射回原介质内的现象。全反射原理（见图3-1）。光从光密介质进入光疏介质，当入射角增大到某临界角C时，会产生全反射；光射到两种介质的界面上时，只产生反射而不产生折射的现象。,1.光纤概述,（2）光纤的结构。光纤是光导纤维（optical fiber）的简称，其典型结构是多层同轴圆柱体，自内向外为纤芯（core）、包层（coating）及涂覆层（jacket）等，如图3-2所示。纤芯。通信光纤的纤芯通常是折射率为n1的高纯SiO2，并有少量的掺杂剂（用来提高折射率）。光能量主要在纤芯内传输，纤芯是光波传输的主要通道。包层。包层的折射率为n2(n2n1)，其通常也由高纯SiO2制成，并掺杂一些其他杂质（用来降低折射率）。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起到一定的机械保护作用。纤芯和包层合起来构成裸光纤，形成全反射条件。光纤的光学及传输特性主要由裸光纤决定。,1.光纤概述,涂覆层。包层的外面是540 m的涂覆层。涂覆层的材料是环氧树脂或硅橡胶，其作用是增强光纤的机械强度。在涂覆层的外面还常有缓冲层和套塑层（保护层）。此外，纤芯和包层的材料也可由玻璃或塑料制造，虽然它们的损耗比石英光纤大，但是在短距离的光纤传输系统中有一定应用。（3）光纤的导光原理。光纤的导光原理如图3-3所示，当进入光纤的光线射入纤芯和包层界面的入射角为时，入射点处的光线可能分为两束：一束为折射光，另一束为反射光，它们应服从光线的折射和反射定律，即=2，n1sin=n2sin 1。,1.光纤概述,折射光在靠近纤芯包层界面的包层中传播；反射光先回到纤芯中，再射到纤芯的另一侧的纤芯包层界面上，重复上述情况。因为包层的损耗比纤芯大，所以进入包层的光（折射光）很快衰减掉。在这种情况下，在光纤中传播的光波也就会很快地衰减而不能远距离传输。为了使光在光纤中远距离传输，一定要形成光在光纤中反复发生全反射的条件。根据全反射原理，存在一个临界角C使折射光线不再进入包层，而是沿纤芯包层界面向前传播。根据反射定律，反射回纤芯中的光线向另一侧的纤芯包层界面射入时，入射角保持不变，此时光线可以在纤芯中不断发生反射而不产生折射，从而实现全反射。,2.光纤的分类,（1）按材料的不同，光纤可分为石英系光纤，石英芯、塑料包层光纤，多成分玻璃光纤，塑料光纤。（2）按波长的不同，光纤可分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。短波长光纤通信系统的工作波长为0.80.9 m，典型值为0.85 m。这类系统的传输距离较短，目前较少使用。长波长光纤通信系统的工作波长为1.01.6 m，通常采用1.31 m和1.55 m两种波长。这类系统的传输距离较长，中继距离可达100 km。超长波长光纤通信系统采用非石英系光纤，可实现1 000 km无中继传输。（3）按模式的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤，如图3-4所示。,2.光纤的分类,单模光纤。芯线的直径小到光波波长大小时，光纤就成为波导，光在其中无反射地沿直线传播，这种光纤称为单模光纤。单模光纤的纤芯直径大多为410 m。单模光纤用于大容量、长距离系统。单模光纤具有传输衰减低、带宽大、易升级扩容的优点。目前，光通信敷设的光缆大部分都是G.652常规单模光纤的光缆。,2.光纤的分类,多模光纤。光波在光纤中以多种模式传播，不同的传播模式有不同的电磁场分布和传播路径，这种光纤称为多模光纤。多模光纤的纤芯直径大多为50 m或62.5 m。多模光纤可分为突变型多模光纤（step index fiber，SIF）和渐变型多模光纤（graded index fiber，GIF），如图3-5和图3-6所示。突变型多模光纤。突变型多模光纤的纤芯直径为5060 m，光线以折射形状沿纤芯轴线方向传播，存在多条路径，并有较大的时延差，因而信号畸变较大，只能用于小容量、短距离系统。渐变型多模光纤。渐变型多模光纤的纤芯直径为50 m，光线以曲线形状沿纤芯轴线方向传播，各条路径的时延差较小，因而信号畸变较小，适用于中等容量、中等距离系统。,2.光纤的分类,3.光纤的传输特性,光纤的传输特性包括损耗、色散、衰减、偏振和非线性效应等，其中，损耗和色散是光纤最重要的传输特性。损耗限制系统的传输距离，色散限制系统的传输容量。（1）光纤的损耗特性。在光发射机和接收机之间由光缆吸收、反射、散射和辐射的信号功率被认为是损耗。光纤损耗是光纤传输系统中限制中继距离的主要因素之一。表3-1列出了3种石英光纤的典型损耗值。,3.光纤的传输特性,（2）光纤的色散特性。色散是光纤的一个重要参数，它会引起传输信号的畸变，使通信质量变差，限制通信容量与距离，特别是对高速和长距离光纤通信系统的影响更为突出。光纤色散的产生涉及多方面的原因，这里只介绍模式色散、材料色散和波导色散。模式色散。模式色散是指光在多模光纤中传输时会存在许多种传播模式，因为每种传播模式在传输过程中都具有不同的轴向传输速度，所以虽然在输入端同时发送光脉冲信号，但光脉冲信号到达接收端的时间却不同，于是产生了时延，使光脉冲发生展宽与畸变。,3.光纤的传输特性,材料色散。材料色散是由构成纤芯的材料对不同波长的光波所呈现的不同折射率造成的，波长短则折射率大，波长长则折射率小。就目前的技术水平而言，光源尚不能达到严格单频发射的程度，因此无论谱线宽度多么狭窄的光源器件，它所发出的光也会包含多根谱线（多种频率成分），只不过光波长的数量以及各光波长的功率所占的比例不同而已。每根谱线都会受到光纤色散的作用，而接收端不可能对每根谱线受光纤色散作用所造成的畸变进行理想均衡，故会产生脉冲展宽现象。波导色散。波导色散是指由光纤的波导结构对不同波长的光产生的色散作用。波导结构是指光纤的纤芯与包层直径的大小、光纤的横截面折射率分布规律等。这种色散通常很小，可以忽略不计。,4.光缆,在实际工程应用中，需要把若干根光纤绞合成光缆，在光缆外面再加上各种保护套，以防止外界各种机械压力和施工过程中可能发生的损耗。光缆的结构取决于用途，在一些简单的情况下，只需在光纤外面加一层塑料外套；在另外一些应用中，必须使用钢质加强芯之类的增强材料以保证光缆具有足够的机械强度。（1）光缆的基本结构。光缆一般由缆芯、加强构件、填充物和护层等几部分构成，除了这些基本结构之外，根据实际需要，还要有防水层、缓冲层、绝缘金属导线等构件。缆芯。为了进一步保护光纤，增加光纤的强度，一般将带有涂覆层的光纤再套上一层塑料层（通常称为套塑），套塑后的光纤称为光纤芯线。根据使用条件和用户要求，套塑可分为紧结构和松结构。将套塑后且满足机械强度要求的单根或多根光纤芯线以不同的形式组合起来，就成了缆芯，如图3-7所示。多芯光缆一般以紧结构或松结构为单位组成单元式结构，或者在松结构的套管中放入多根光纤绞合而成。,4.光缆,紧结构光缆的主要形式是绞合型光缆，它是将光纤以一定的节距绞合成光缆，并紧紧地包在塑料之中。这种结构的光缆一般都是以中心强度元件来承受张力的，从而减小外力对光纤的作用。紧结构光缆的缓冲层一般采用硅树脂，二次涂覆采用尼龙材料，这种光缆的优点是结构简单、使用方便，如图3-8（a）所示。松结构光缆中的光纤具有较大的活动空间。将一次涂覆后的光纤放在一根管子中，管中填充油膏，形成松套管结构，如图3-8（b）所示。这种光纤的优点是机械性能好、防水性好、便于成缆。,4.光缆,4.光缆,加强构件。加强构件的作用是增加光缆的抗拉强度，提高光缆的机械性能。光纤材料比较脆、易断裂，为使光缆能够承受敷设安装时所加的外力，应在光缆中加一个或多个加强构件。位于中心或分散在四周的加强构件的材料可用钢丝或纤维增强复合材料（fiber reinforced polymer/plastic，FRP）等。一般光缆的加强构件采用镀锌钢丝、钢丝绳、不锈钢丝或高强度塑料加强构件等。护层。护层的主要作用是保护缆芯，提高机械性能和防护性能。不同的护层结构适合不同的敷设条件。光缆的护层可分为内护层和外护层。内护层一般采用聚乙烯或聚氯乙烯等，用来防止钢带、加强构件等金属构件损伤光纤；外护层可根据敷设条件的不同而采用由铝带和聚乙烯组成的双面涂塑铝带黏接层外护套加钢线铠装等，达到进一步加强光缆保护的目的。,4.光缆,填充物。填充物用来提高光缆的防潮性能。在光缆缆间空隙中注入填充物，可以防止水汽进入光缆。（2）光缆的种类。公用通信网所用光缆如表3-2所示。,4.光缆,下面介绍几种具有代表性的光缆结构形式：层绞式光缆。层绞式光缆是将若干根光纤芯线以强度构件为中心绞合在一起的一种结构，如图3-9所示。这种光缆的制造方法和电缆较相似，可以采用电缆的成缆设备，因此成本较低。层绞式光缆的芯线数一般不超过10根。单位式光缆。单位式光缆是将几根至十几根光纤芯线集合成一个单位，再由数个单位以强度构件为中心绞合成缆。这种光缆的芯线数一般只有几十根。,4.光缆,骨架式光缆。骨架式光缆是将单根或多根光纤放入骨架的螺旋槽内，骨架的中心是加强构件，螺旋槽的形状可以是V形、U形或凹形。这种光缆具有耐侧压、抗弯曲、抗拉的特点。骨架式光缆如图3-10所示。带状式光缆。带状式光缆是将412根光纤芯线排列成行，构成带状光纤单元，再将这个带状光纤单元按一定方式排列成缆，如图3-11所示。这种光缆的结构紧凑，采用带状式结构可做成上千芯的高密度用户光缆。,4.光缆,5.光纤配线架及连接器,（1）光纤配线架（optical distribution frame，ODF）。光纤配线架（见图3-12）用于光纤通信系统中局端主干光缆的成端和分配，可方便地实现光纤线路的连接、分配和调度。,5.光纤配线架及连接器,光纤总配线架为一侧连接交换机外线，另一侧连接交换机入口和出口的内部电缆布线的配线架，如图3-13所示。配线架通常安装在机柜或墙上。通过安装附件，配线架可以全线满足UTP、STP、同轴电缆、光纤、音视频的需要。在网络工程中常用的配线架有双绞线配线架和光纤配线架。总配线架适用于与大容量电话交换设备配套使用，用以接续内、外线路；一般还具有配线、测试和保护局内设备及人身安全的作用。总配线架由机架、保安接线排、测试接线排、保安单元及其他附件组成，具有良好的保护功能，防止雷电或其他原因产生的过电流、过电压对通信设备和机房的人员造成伤害。机架具有可靠的接地系统。,5.光纤配线架及连接器,（2）光纤连接器的类型。光纤连接器是光纤与光纤之间进行可拆卸（活动）连接的器件，它把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能够最大限度地耦合到接收光纤中。下面介绍几种常用的光纤连接器，如图3-14所示。FC型光纤连接器。FC是ferrule connector的缩写，表明其外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺纹连接。此类连接器结构简单，操作方便，但光纤端面对微尘较为敏感。SC型光纤连接器。SC型光纤连接器的外壳呈矩形，紧固方式是采用插拔销闩式，无须旋转。此类连接器插拔操作方便，插入损耗波动小，抗压强度高，安装密度大。,5.光纤配线架及连接器,ST型光纤连接器。ST型光纤连接器的芯外露，外壳呈圆形，紧固方式为螺纹连接（对于10BaseF连接来说，连接器通常是ST型的；对于100BaseFX来说，连接器在大多数情况下是SC型的）。LC型光纤连接器。LC型光纤连接器采用操作方便的模块化插孔（RJ）门锁机理制成。其采用的插针和套筒的尺寸是SC、FC型光纤连接器等所用尺寸的一半，为1.25 mm，提高了整个通信网络配线系统连接器的容量。LC型光纤连接器广泛应用于光纤接入网、光仪表测试、光纤局域网等光通信网络。MT-RJ型光纤连接器。MT-RJ型光纤连接器带有与RJ-45型LAN电连接器相同的闩锁机构，通过安装于小型套管两侧的导向销对准光纤，为便于与光收发信机相连，连接器端面光纤为双芯（间隔距离为0.75 mm）排列设计。MT-RJ型光纤连接器是主要用于数据传输的下一代高密度光纤连接器。,01,02,03,06,05,04,电缆概述,通信电缆的结构,电缆的缆芯色谱,漏泄电缆,同轴电缆,双绞电缆,1.电缆概述,电缆是指经工厂生产拧成束的特殊导线，它由多股彼此绝缘的导线按照一定的结构方式组成。电缆的横断面自内向外被多种金属或非金属材料包裹，构成特定的防护层；电缆除了要保证其结构和导电特性不变外，还要具备一定的机械强度、密闭性、可弯曲、卷绕等特性，以满足制造和敷设的实际需要。电缆主要用于强电设备和弱电设备，其中用于弱电设备传输通信信号的电缆称通信电缆。虽然目前轨道交通有线通信的主流传输媒介是光纤光缆，但通信电缆也还在使用，尤其是在靠近用户终端的最后5001 000 m。,1.电缆概述,19世纪50年代,海底电缆,1876年,电话,1899年,电缆加感线圈,1941年,第一条480路同轴电缆线路,1.电缆概述,20世纪30年代,我国东北地区敷设了可以开通低频载波电话的长途对称电缆,1962年,我国设计制造的60路载波长途对称电缆在北京和石家庄之间投入使用,1976年,我国设计制造的1 800路4管中同轴电缆在北京、上海、杭州间敷设成功并投入使用,我国最早的通信电缆线路是沿海的海底电缆和大城市的市内电话电缆。,2.通信电缆的结构,（1）电缆的芯线及线径。电缆的芯线由纯电解铜制成，一般为软铜线。目前，小同轴综合电缆对称组线径的标称线径采用0.9 mm，信号线对采用0.6 mm铜线芯径。,（2）电缆的绝缘方式。电缆的绝缘方式过去采用的是纸绳绝缘，现在大部分采用泡沫聚乙烯绝缘。,2.通信电缆的结构,（3）电缆内护套。电缆内护套可采用铝、铅材料。但由于铝的比重比铅小，可大大减轻电缆的质量，而且铝的导电率比铅大78倍，对外界电磁场干扰的防护性能好，特别是铝具有较好的密封性能，因此一般用铝代替铅来制造电缆内护套。为降低铝护套的腐蚀程度，一般在其外面增加半密封塑料护层作为防腐层，这种做法同时也增强了电缆的防震性能。,（4）电缆外护层。电缆外护层可分为一级外护层和二级外护层。一级外护层仅能保护金属护套，通常以编号11、12、13等表示。编号22、23等代表二级外护层，它可以保护里面的金属护套和外面的铠装层免受酸、碱、盐等的腐蚀。,2.通信电缆的结构,电缆铠装一级外护层的结构如表3-3所示。电缆铠装二级外护层的结构如表3-4所示。,2.通信电缆的结构,3.电缆的缆芯色谱,电缆的缆芯色谱可分为普通色谱和全色谱两大类。（1）普通色谱。普通色谱对绞同心式缆芯线对的颜色有蓝/白对、红/白对（分子为a线色谱，分母为b线色谱）两种，每层中有一对特殊颜色的芯线被作为该层计算线号的起始标记，这一对线称为标记（或标志）线对（作为本层最小线号），其他线对称为普通线对。例如，普通线对为红/白对，则标记线对为蓝/白对；反之，如果普通线对为蓝/白对，则标记线对为红/白对。100对及以上的市内通信电缆设置备用线对，备用线对数为电缆对数的1%，色谱与普通线对相同。目前，普通色谱对绞同心式通信电缆已经很少采用。（2）全色谱。全色谱是指电缆中的任何一对芯线都可以通过各级单位的扎带颜色及线对的颜色来识别，即线对与线号是一一对应的。,3.电缆的缆芯色谱,全色谱对绞同心式缆芯。全色谱对绞同心式缆芯是由若干个规定色谱的线对按同心方式分层绞合而成的。缆芯每层的第一个线对为橘（黄）/白，最后一个线对为绿/黑，其余偶数线对为红/灰，奇数线对为蓝/棕。全色谱对绞同心式缆芯每层均疏扎特定的扎带，扎带的色谱如表3-5所示。,3.电缆的缆芯色谱,全色谱对绞单位式缆芯。全色谱对绞单位式缆芯色谱在全塑市话电缆中使用最多。它由白(W)、红(R)、黑(B)、黄(Y)、紫(V)作为领示色（代表a线），蓝(Bl)、橘(O)、绿(G)、棕(Br)、灰（S）作为循环色（代表b线）10种颜色组成25对全色谱线对，如表3-6所示。,3.电缆的缆芯色谱,（3）基本单位。全色谱对绞单位式缆芯的基本单位有25对和10对两种，其中25对基本单位线对色谱如图3-15所示；10对基本单位线对色谱取表3-6中前10对色谱，如图3-16所示。,3.电缆的缆芯色谱,50对的单位称为超单位，它是由2个25对基本单位（代号：S）或含有两个12对和2个13对的子单位组成，即2(12+13)对组成或5个10对基本单位（代号：SI），扎带为W、R、B、Y、V；（代号：SJ），扎带为Bl、O、G、Br、S组成的。,3.电缆的缆芯色谱,100对超单位（代号：SD）是由4个25对的基本单位（425）对或10个10对的基本单位（1010）对组成的。（4）备用线对的线序及色谱。超单位的序号是从中心层顺次向外层排列的，扎带色谱的顺序为白、红、黑、黄、紫，但要在同色扎带的超单位中识别出先后顺序，则要根据基本单位的扎带色谱来判断。（5）全色谱星绞同心式或单位式缆芯。星绞四线组线组号和色谱排列如表3-7所示。,3.电缆的缆芯色谱,4.双绞电缆,双绞线（twisted pair，TP）是综合布线工程中最常用的一种传输介质，一般由两根2226号绝缘铜导线相互缠绕而成。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，可有效降低信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根导线上发出的电波抵消。在实际使用中，通常将多对双绞线包在一个绝缘电缆套管内。如果把一对或多对双绞线放在一个绝缘套管内，便成了双绞线电缆，但日常生活中一般把双绞线电缆直接称为双绞线。双绞线的作用是使外部干扰在两根导线上产生的噪声相同，以便后续的差分电路提取出有用信号。与其他传输介质相比，双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定限制，但价格较便宜。,4.双绞电缆,数据通信中的双绞电缆是由4对双绞线按一定密度逆时针扭绞在一起的，其外部包裹金属层或塑橡外皮，如图3-17所示。铜导线的直径为0.41 mm，绞距为3.8114 cm，相邻双绞线的扭绞长度约为1.27 cm。双绞线的缠绕密度、扭绞方向及绝缘材料，直接影响其特性阻抗、衰减和近端串扰。,5.同轴电缆,同轴电缆（coaxial cable）是一种中间为导线、外裹管状的导体屏蔽层，两者中间用绝缘材料隔离，由外套封装起来的电缆，如图3-18所示。屏蔽层可以是薄金属片、金属线编织物或固体金属，主要用作接地。同轴电缆从用途上可分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆（网络同轴电缆和视频同轴电缆）。基带同轴电缆仅仅用于数字传输，数据率可达10 Mbps。同轴电缆的优点是可以在相对长的无中继器的线路上支持高带宽通信，而其缺点也是显而易见的：一是体积大，细缆的直径就有0.26 cm，要占用电缆管道的大量空间；二是不能承受缠结、压力和严重的弯曲，这些都会损坏电缆的结构，阻止信号的传输；三是成本高。而所有这些缺点都被双绞线克服，因此在目前的局域网环境中，同轴电缆已不再使用。,5.同轴电缆,6.漏泄电缆,（1）漏泄电缆的结构。基站与移动站之间的通信通常是依靠无线电来传送的。在城市轨道交通地下线路中，移动通信采用电磁波传播效果不佳。在隧道中利用天线传输通常也很困难，所以关于漏泄电缆的研究应运而生。漏泄电缆是在同轴管外导体上开设一系列的槽孔或隙缝，使电缆中传输的电磁波的部分能量从槽孔中漏泄到沿线空间。同轴管由一个金属圆管（外导体）和一根与之共有同一中心轴线的导线（内导体）构成。同轴管的内导体是一根半硬铜线，外导体用软铜带或铝带纵包而成。内、外导体之间用聚乙烯垫片或鱼泡状、竹节状、绳管状等塑料支持物隔开，使两导体相互绝缘。同轴管的外表面绕包有镀锡钢带，以提高同轴管的电磁屏蔽作用。同轴管在低频段工作时，串音和外界电磁干扰都较对称电缆严重。但随着传输频率的升高，外导体的屏蔽作用随之加强，抗外界干扰特性也随之增强，同轴管之间的串音也随之减小，因而同轴管适用于高频率和宽频带传输。,6.漏泄电缆,（2）漏泄电缆的工作原理。横向电磁波通过同轴电缆从发射端传至电缆的另一端。当电缆外导体完全封闭时，电缆传输的信号与外界是完全屏蔽的，电磁波无法辐射到外部，也不会受到外部干扰的影响。然而，通过同轴电缆外导体上所开的槽孔，电缆内传输的一部分电磁能量能发送至外界环境。同样，外界能量也能传入电缆内部。外导体上的槽孔使电缆内部的电磁场和外界电波之间产生耦合。具体的耦合机制取决于槽孔的排列形式。漏泄电缆的一个典型例子是编织外导体同轴电缆。绝大部分能量以内部波的形式在电缆中传输，但在外导体覆盖不好的位置点上会产生表面波，它们沿着电缆正向或逆向向外传播且相互影响。,CONTENTS,3.2,光纤通信系统,光纤通信系统概述,光纤通信系统的基本构成,光纤通信系统设备,01,02,03,光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。,光纤通信概述,光纤通信的主要性能指标,光纤通信的特点,1.光纤通信概述,光通信是用光波作为载体来传递信息的一种通信方式。光通信用光纤作为传输媒介，用光源和检测器件作为光/点变换器件。长期以来，人们对如何利用光来进行通信做了各种实验，终因受到当时技术水平的限制，无法解决高效的光源和适当的传输媒介问题而只停留在实验阶段。直到21世纪六七十年代，在激光器件和光纤制造获得重大突破后，光通信才走向实用。光通信大量用于数字通信中，用数字形式的电信号驱动激光器，产生光脉冲，即对光的强度进行调制，称为直接强度调制。反过来，在线路上传输的数字形式的光信号被光检测器件接收后，转变成电信号。光通信与电通信相比，多了电光、光电的转换。,1.光纤通信概述,1970年，世界上出现了第一根传输衰减为1 db/km的光纤，制成了可在温室下连续工作的激光器。此后，光纤通信系统在改善元器件质量、延长距离、增加开通的电路数等方面获得了长足的发展。光纤通信凭借其优良的带宽特性和不易受到电闪雷击的影响及不易受到电磁干扰的优点而得到广泛的应用。20世纪80年代，准同步数字系列（plesiochronous digital hierarchy，PDH）光纤通信系统得到了大规模的应用。PDH没有世界性标准式，只有地区性的数字信号速率和帧结构。我国采用的是欧洲制式，即以30路制式作为多路复用系统的基础群。多路通信中信道复用方法有FDM、TDM。频分多路通信的标记是频率，时分多路通信的标记是时间。,2.光纤通信的特点,传输频带宽，通信容量大,传输损耗低，中继距离长,抗干扰能力强，保密性好,直径小，质量轻,材料资源丰富，节约有色金属,3.光纤通信的主要性能指标,（1）误码特性。误码特性反映了数字信息在传输过程中受到损伤的程度。误码率(bit error ratio，BER)的基本定义是：在一个较长的时间间隔内，传输码流中出现错误的码元数同传输总码元之比。工程上常采用长期平均误码率。造成误码的原因有系统内部噪声及定位抖动，此外还有色散引起的码间干扰等。（2）抖动特性与漂移特性。抖动是数字信号传输过程中的一种瞬时不稳定现象，它的定义是：数字信号的各有效瞬间对于标准时间位置的偏差。偏差的时间范围称为抖动幅度，偏差的时间间隔对时间的变化率称为抖动频率。抖动包括两个方面：一是输入信号脉冲在某一平均位置上左右变化，二是提取的时钟信号在中心位置上左右变化。,3.光纤通信的主要性能指标,漂移是数字信号在特定时刻相对其理想参考时间位置的长时间偏移。引起漂移的一个最普遍的原因是环境温度的变化，它会导致光缆的传输特性发生变化，从而引起传输信号延时的缓慢变化。（3）可靠性与可用性。可靠性与可用性是反映光纤数字通信系统发生故障的时间间隔以及每次故障的维修时间的指标。可靠性与可用性常用的表示方法有如下两种：平均故障间隔时间（mean time between failures，MTBF）。MTBF是指相邻两次故障的间隔时间的平均值。平均故障修复时间（mean time to repair，MTTR）。MTTR是指每次排除故障所需的平均时间。,光纤通信系统属有线通信传输系统，其传输的介质是光纤。目前实用的光纤通信系统采用强度调制/直接检测（intensity modulation，IM/direct detection，DD）方式。IM是指在发送端用电信号改变光波的强度；DD是指在接收端用光电检测器直接把被调制的光波变为原始的电信号。通常情况下，IM/DD光纤通信系统如图3-19所示。,发送系统,光纤连接器、耦合器等无源器件,传输系统,接收系统,1.发送系统,发送系统的主要任务是把电信号转变成光信号，即实现电光转换。发送系统由光源、驱动器和调制器组成。发送系统将由常规电子元件构成的电端机发出的电信号输入光端机，该电信号通过驱动电路对光源进行调制，产生带有信息的光信号，并耦合到光纤（缆）中进行传输。电端机的作用是对来自信息源的信号进行处理，如A/D变换、多路复用等。,2.传输系统,传输系统主要由光纤（光缆）和光中继器组成，是光的传输通路。光纤的主要功能是传输光信号，完成信号的传送任务。实用的传输线路往往采用由多条光纤构成的光缆。光信号在光纤中传输一段距离后，其幅度会衰减，波形也会失真。为了使光信号能够长距离传送，需要每隔一段距离设置一个光中继器。光中继器的主要作用有两个：一是对光信号进行放大，补偿光信号的衰减；二是对失真的信号波形进行整形。,3.接收系统,接收系统由光检测器和光放大器组成，其主要任务是将接收到的光信号还原为电信号，送到接收端（电端机），即实现光电转换。然后再将微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平。光电转换是由光检测器完成的。,4.光纤连接器、耦合器等无源器件,由于光纤或光缆的长度受到光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也受到限制（如1 km），因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合都离不开对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用。,光端机,01,光源,02,光检测器件,03,1.光端机,光发送机与光接收机统称光端机。光端机位于电端机和光纤传输线路之间。光端机各部分的作用如下：,2.光源,光发送电路所用的光源是半导体发光器件。根据半导体理论，在构成半导体晶体的原子内部，各个电子都占有一定的能级。从能级分布来看，高能级组成的能带为导带，低能级组成的能带为价带。如果让占据高能级的电子跃迁到较低的能级上与空穴复合，则电子就会以光子的形式释放出等于能级差的能量。这就是半导体发光器件的基本工作原理。目前使用的半导体发光器件有2种：一种称为发光二极管（lightemitting diode，LED），另一种称为激光器（laser diode，LD）。发光二极管由P型材料和N型材料构成，两种材料的交界区形成PN结，如果在PN结上加上正向电压，则N型区的电子和P型区的空穴将源源不断地流向PN结区，在那里空穴与电子复合，复合时电子从高能级的导带跃迁至低能级的价带而释放出与能级差等能量的光子。发光二极管的实物如图3-20所示。激光器也由P型材料和N型材料构成，但利用另外一种方式发光（受激辐射），即导带内的电子受能量等于能级差的光的激发，发出与之同频率、同相位的光。,2.光源,2.光源,这种半导体器件在PN结的两端加工形成两个平行而光洁的反射镜面，形成一个谐振腔。当在PN结上加上正向电压时，PN结内首先发出自发光，同时反射镜面将一部分反射光反馈到结上，激发电子从导带跃迁到价带而产生新的光子，部分新产生的光子也同样在谐振腔内来回反射，如此这样不断重复受激辐射过程。只要外加的电流足够大，光子的来回反射就能激发更多的光子，形成正反馈面，从而产生激光。激光器的实物如图3-21所示。发光二极管使用简单、价格低廉、寿命较长，适用于短距离和中、低速率的光纤通信系统。激光器有发光谱线宽度窄、光输出功率大等优点，适用于中、长距离和高速的光纤通信系统。,3.光检测器件,光检测器件也是一种半导体器件，当能量大于能级差的光照射到占据低能级的电子上时，电子吸收该能量后被激励而跃迁到较高能级上，在PN结上外加电场后，就可在外电路上取出处于高能带上的电子，产生光电流。入射到PN结上的光越强，光电流就越大。如果将被调制的光信号照射到这个链接了外电路的PN 结上，它就会将被调制的光信号还原成带有原信息的电信号。半导体光检测器件有PIN光电二极管（见图3-22）和APD雪崩光电二极管（见图3-23）两大类。在半导体PN结的P层和N层中间加上高阻抗层，即成为PIN光电二极管。PIN光电二极管可提高检测器的光电转换效率和响应速度。但PIN光电二极管本身不增益，并限制接收灵敏度，所以只能在短距离通信系统中使用，不能用于长距离通信系统。,3.光检测器件,为克服PIN光电二极管的缺点，在P层和N层进行重掺杂，当外加很强的反向电场时，被光激励的电子以极快的速度通过PN结，在这个过程中碰撞半导体结晶而产生新的电子空穴，并形成连锁反应，使结区内的电流急剧倍增放大，产生“雪崩”现象。APD雪崩光电二极管对电信号有放大作用，接收灵敏度高，广泛应用于中、长距离光纤通信系统。,CONTENTS,3.3,传输系统的组网技术,基于SDH的MSTP技术,ATM技术,传输网的选择,RPR技术,OTN技术,城市轨道交通传输系统提供传输的通道，它根据轨道交通的业务要求、功能定位等来选择传输制或配置相关的接口，以满足所承载业务的需求。,MSTP概述,MSTP的工作原理,MSTP的特点,1.MSTP概述,SDH传输技术能够优质、实时、点对点地传输语音和电路数据业务，具有标准化的信息结构、全球统一的网络节点接口和完善的传输系统安全保护机制。其缺点是信道严格分割，不能动态分配信道带宽，难以支持总线型宽带数据业务和不能适应综合业务的传输。针对SDH传输技术存在的不足之处，近年来提出了基于SDH的MSTP技术。MSTP是指基于SDH平台同时实现TDM，异步转移模式（asynchronous transfer mode，ATM），以太网等业务的接入、处理和传送，提供统一网管的多业务节点。它是一种基于SDH的新型传送平台，可以在SDH传输平台上将以太网数据流进行通用成帧规程（generic framing procedure，GFP）、SDH上的链路接入规程（link access procedureSDH，LAPS）或点对点协议（point to point protocol，PPP）封装，再映射到SDH的虚拟通道（virtual channel，VC）中；或将ATM数据流承载到SDH的VC中。,1.MSTP概述,基于SDH的MSTP所承载的业务类型包括TDM业务，分组数据业务以及IP化的语音、视频、各种虚拟专线（网）业务等。经过近几年的发展，MSTP已经集PDH、SDH、线速路由交换机（packet over SDH，POS）、以太网、异步传输模式（asynchronous transfer mode，ATM）、弹性分组环（resilient packet ring，RPR）等技术于一体，可通过多业务汇聚方式实现业务的综合传送；通过自身对类型业务的适配性，实现业务的接入和处理，适用于多业务和多种技术相融合的应用场合。MSTP可以将传统的SDH复用器、数字交叉连接设备、波分复用（wavelength division multiplexing，WDM）终端、网络二层交换机和IP边缘路由器等多个独立的设备集成为一个网络设备，对其进行统一的控制和管理。,1.MSTP概述,基于SDH的MSTP最适合作为网络边缘的融合节点支持混合型业务，特别是以分时复用（time division multiplexing，TDM）业务为主的混合业务。它不仅适合于缺乏网络基础设施的新运营商应用于局间或POP间，还适合于大型企事业用户驻地。而且即便对于已敷设了大量SDH网的运营公司，以SDH为基础的多业务平台也可以更有效地支持分组数据业务，有助于实现从电路交换网向分组网的过渡。所以，基于SDH的MSTP技术将成为城域网近期的主流技术之一。,2.MSTP的特点,支持动态带宽分配,提供综合网络管理功能,支持多种以太网业务类型,支持多种协议,支持扩展功能,提供集成的DXC功能,3.MSTP的工作原理,MSTP的实现基础是充分利用SDH技术对传输业务数据流提供保护恢复能力和较小的延时性能，并对网络业务支撑层加以改造，以适应多业务应用，实现对二层、三层的数据智能支持，即将传送节点与各种业务节点融合在一起，构成业务层和传送层一体化的SDH业务节点，该节点称为融合的网络节点或多业务节点，它们主要定位于网络边缘。现阶段大量用户的需求还是固定带宽专线，主要是2 Mbit/s、10/100 Mbit/s、34 Mbit/s、155 Mbit/s。这些专线业务大致可以被划分为固定带宽业务和可变带宽业务。对于固定带宽业务，MSTP设备从SDH那里集成了优秀的承载、调度能力。对于可变带宽业务，可以直接在MSTP设备上提供端到端透明传输通道，充分保证服务质量；可以充分利用MSTP的二层交换和统计复用功能共享带宽，节约成本，同时使用其中的VLAN划分功能隔离数据，用不同的服务质量（quality of service，QoS）等级来保障重点用户的服务质量。,3.MSTP的工作原理,城域汇聚层可以实现企业网络边缘节点到中心节点的业务汇聚，具有节点多、端口种类多、用户连接分散和端口数量较多等特点。采用MSTP组网可以实现IP路由设备10 M/100 M/1 000 M POS和2 Mb/s帧中继（frame relay,FR）业务的汇聚或直接接入，支持业务汇聚调度，综合承载，具有良好的生存性。根据不同的网络容量需求，可以选择不同速率等级的MSTP设备。基于SDH的MSTP技术的本质仍是TDM的技术，虽然MSTP能通过提供各种802.3接口及L2交换功能来承载、交换数据业务，但是其数据传送能力不如纯IP网络。,3.MSTP的工作原理,因此 MSTP技术的市场定位应该是以TDM业务为主、以分组数据业务为辅的业务传送。MSTP技术发展到现在，其主要技术特征是引入中间的智能适配层，采用GFP高速封装协议，支持虚级联和链路容量自动调整机制。因此，基于SDH的MSTP技术可支持多点到多点的连接，具有可扩展性；支持用户隔离和带宽共享；支持以太网业务；支持公平接入及业务层环网保护。基于SDH的MSTP技术包含的主要技术有虚级联技术、LCAS技术、适配技术、内嵌RPR及内嵌多协议标记交换（multiprotocol labe