数字光纤传输系统性能.ppt

光纤通信与数字传输,南京邮电大学通信与信息工程学院,2,本章内容简介,为了满足全程全网各种通信的要求，需要对通信网在技术和经济相权衡的基础上进行规划和设计。对通信系统进行规划和设计时，首要考虑的因素是系统的传输性能。数字光纤通信系统的各种传输性能指标（如误码、抖动、漂移和延时等）必须满足系统传输性能的要求。本章主要讲解系统的传输性能指标要求以及相应的系统设计和规划方法。,3,第八章 数字光纤通信系统性能,8.1 数字传输模型8.2 误码特性8.3 抖动特性8.4 漂移特性8.5 延时特性8.6 光纤通信系统的可用性8.7 光缆线路系统设计,4,8.1 数字传输模型,目的 方法 分类,5,8.1.1 假设参考连接（HRX）,一个通信连接是通信网中从用户至用户，包括参与交换和传输的各个部分(如用户线，终端设备，交换机，传输系统等)的传输全程。通信连接是根据用户需要建立的各种机线设备的临时组合。这些实际的连接有长有短，结构上有简单有复杂，传输的业务可能也不相同。,6,思考,确定传输系统性能的模型应该按照什么原则设定？是按照系统性能最佳的组合，还是按照可能出现的最坏情况进行设计？,7,图8-1 标准数字假设参考连接,HRX是按照最长距离和最坏情况下考虑的全程64kb/s连接,国际部分4段,国内部分5段,HRX 实际上是极端情况下的系统模型，按HRX 设计的系统能满足实际中的性能要求,8,图8-2 标准数字假设参考连接（中等长度）,国际部分只有1段,国内部分3段,实际连接一般都比最长HRX短，因此引入了标准中等长度HRX,9,图8-3 标准数字假设参考连接（用户接近ISC）,注意与前2种模型的区别,10,8.1.2 假设参考数字链路（HRDL）,为了便于进行数字信号传输劣化的研究（如误码率、抖动、漂移、时延等），保证全程通信质量，必须规定由各种不同形式的传输组成部分（如传输系统，复接和分接设备等）所构成的网络模型，即HRDL。HRDL是HRX的一个组成部分，2500 km的长度被认为是一个合适的距离。通常HRDL的长度并非是唯一考虑的。ITU-T并没有提出具体的构成，由各国自行研究解决。,11,8.1.3 假设参考数字段（HRDS）,为适应传输系统性能规范，保证全线质量和管理维护方便引入了HRDS。HRDS是HRDL的一个组成部分。图中X bit/s表示G.702建议中所规定的各种数字系统系列比特率之一。长度Y的选择是以在实际运行的网络中可能遇到的数字段为代表的。,12,图8-4 假设参考数字段,13,HRDS 的长度,ITU-T建议假设参考数字段的长度为280km(对于长途传输)和50km(对于市话中继)。我国根据具体情况提出假设参考数字段的长度为280km或420km(对于长途传输)和50km(对于市话中继)。数字网的性能指标往往被分配到数字段。我国有关数字光纤通信系统的一系列标准都是在这个模型的基础上制定的。,14,8.1.4 光缆数字通信系统框图,图8-5以一个PDH四次群光纤数字通信系统为例，给出了其在一个传输方向上的构成及接口位置。,15,第八章 数字光纤通信系统性能,8.1 数字传输模型8.2 误码特性8.3 抖动特性8.4 漂移特性8.5 延时特性8.6 光纤通信系统的可用性8.7 光缆线路系统设计,16,误码（Error）也称为差错，对于一个数字传输系统而言，出现误码也就意味着发送和接收的数字序列出现了不一致。误码对于用户来说出现了接收信号的信噪比降低或者数据的准确率下降。对于误码指标的表征可以有误码计数、误码概率和误码率等。,8.2 误码特性,17,8.2.1 误码和误码率,数字传输系统的误码性能通常用误码率衡量。误码率是指在特定的一段时间内所接收到的数字码元误差数目与在同一时间内所收到的数字码元总数之比，可用下式表示：(8-1),18,比特误码率,误码率的数值通常可用n10-P的形式表示，其中P为一整数。对于数字系统来说，实际上指的是比特误码率(BER)，它是指每个码元为1比特时的误码率，其表达式为：(8-2),19,考察误码率的重要意义,误码率是衡量数字系统传输质量好坏的一个主要指标。对于不同的通信业务，误码的影响后果也不同。对误码发生的形态和原因、误码的评定方法以及误码全程指标的确定和在网络各组成部分的合理分配等问题的研究都是十分重要的，是提供光纤数字传输系统设计的重要依据。,20,8.2.2 误码发生形态和原因,绝大多数的误码发生形态可归为两类：一类是误码显示出随机发生形态，即误码往往是单个随机发生的，具有偶然性。另一类误码常常是突发的，成群发生的，这种误码在某个瞬间可能集中发生，而在其它大部分时间可能处于几乎没有误码的状态。误码发生的原因是多方面的。理想的光纤传输系统是十分稳定的传输通道，基本上不受外界电磁干扰的影响，造成误码的主要内部机理有下列几类：各种噪声源、色散引起的码间干扰、定位抖动产生的误码及复用器、交叉连接设备和交换机的误码等。,21,8.2.3 误码特性的评定方法,1.长期平均比特误码率 平均误码率是指测量期间内收到的错误比特数与同一时期传送的全部比特数之比。用长期平均比特误码率的方法来评定误码，即是在较长的统计时间内，考查其平均比特误码率不超过某一定值来衡量误码率的水平。长期平均误码率适用于误码是单个随机发生的情况。,Why？,22,长期平均误码率的缺点,对于突发的群误码的情况，长期平均误码率不能正确地进行评定。因为可能在某一限定时间内，由于突发群误码而导致误码率远远超过可以接收的水平，而在其它时间内误码率非常小，结果二者的长期平均误码率仍保持合格，这样高误码率发生时期对通信业务质量影响并未反映出来，或者说没有表示出误码随时间的分布特性，因此采用这种评定方法有很大的局限性。,23,为了能正确地反映误码的分布信息，ITU-T G.821建议采用时间率的概念来代替平均误码率的评定方法。所谓误码时间率是以比特误码率超过规定阈值(BERT)的百分数来表示的。这是在一个较长的时间TL内观察误码，记录每次平均取样观测时间T0内的误码个数或误码率超过某一定值m的时间百分数。,2.误码的时间百分数,24,图8-6 误码率随时间的变化,只要T0和TL选择恰当，就可以用来评价各种数字信息在单位时间内误码的程度以及误码超过某一规定值的时间占总测量时间的百分数。因此，是比较适用和便于测量的评定方法。,T0为取定的适合于评定各种业务的单位时间，TL为测量误码率总时间。,25,1.N64Kbit/s数字连接的误码性能 ITU-T建议G.821定义了2个参数来度量N64Kbit/s(N31)通路27500km全程端到端连接的误码性能。误码秒(ES)表示至少有一个误码的秒。严重误码秒(SES)表示BER1103的秒。,8.2.4 误码性能的规范,26,误码性能要求,ITU-T建议G.821对于N64Kbit/s(N31)全程27500km端到端连接误码性能要求如表8-1所示。表8-1 N64Kbit/s数字连接误码性能要求,27,图8-7 N64Kbit/s连接全程误码指标的分配,28,2.高比特率数字通道的性能,误码性能参数 G.826性能参数是以“块”为基础的一组参数。所谓“块”指一系列与通道有关的连续比特，当同一块内的任意比特发生差错时，就称该块是差错块。ITU-T所规定的3个高比特通道误码性能参数如下：误块秒比(ESR)严重误块秒比(SESR)背景误块比(BBER),29,误码性能要求,ITU-T建议G.826对高比特率通道全程27500km端到端通道误码性能要求见表8-2所示。表8-2 高比特率通道端到端误码性能要求,30,误码指标的分配,为了将27500km的指标分配给各组成部分，G.826建议采用了按区段分配的基础上再结合按距离分配的方法。这种分配方法技术上更加合理，且能照顾到大国及小国的利益。,31,图8-8 高比特率通道全程误码指标分配,32,第八章 数字光纤通信系统性能,8.1 数字传输模型8.2 误码特性8.3 抖动特性8.4 漂移特性8.5 延时特性8.6 光纤通信系统的可用性8.7 光缆线路系统设计,33,8.3 抖动特性,抖动是数字信号传输过程中的一种瞬时不稳定现象。抖动的定义是：数字信号的各有效瞬间对其理想时间位置的短时偏移。在系统中有效瞬间可以是一个明显的可辨的数字信号上任何一个固定点。在数字传输中，随着传输速率的提高，脉冲的宽度和间隔越窄，抖动的影响就越显著。因为抖动使接收端脉冲移位，从而可能把有脉冲判为无脉冲，或反之，把无脉冲判为有脉冲，从而导致误码。,34,t1,t2,t3,t4,发送信号,接收信号,抖动示意图,35,8.3.1 抖动的概念,抖动的大小或幅度通常可用时间、相位度数或数字周期来表示。根据ITU-T建议，普遍采用数字周期来度量，即用“单位间隔”或称时隙(UI)来表示。1 UI相当于1比特信息所占有的时间间隔，它在数值上等于传输比特率的倒数。抖动可以分为相位抖动和定时抖动。所谓相位抖动是指传输过程中所形成的周期性的相位变化。所谓定时抖动是指脉码传输系统中的同步误差。,36,表8-3 2.048Mbit/s系列对应的UI值,37,8.3.2 抖动的来源,在数字传输系统中，抖动的来源有以下几个方面：线路系统的抖动 复用器的抖动,38,1线路系统的抖动,随机性抖动源各种噪声源定时滤波器失谐时钟相位噪声 系统抖动源码间干扰限幅器的门限偏移激光器的图案效应,39,2复用器的抖动,（1）PDH复用器的抖动 PDH体制采用插入比特的正码速调整方法，在接收解复用侧，需要把这些附加的插入比特全部扣除，从而形成了带空隙的脉冲序列，由这样的非均匀脉冲序列所恢复的时钟就会带有相位抖动。（2）SDH复用器的抖动 在SDH复用器中采用指针调整机制。指针调整将产生相位跃变。由于指针调整是按字节为单位进行的，一个字节含8 bit，因而一次字节调整将产生8 UI的相位跃变。,40,8.3.3 抖动性能的规范,PDH网的抖动性能规范网络接口的最大允许抖动设备输入口的抖动和漂移容限设备抖动传递特性 SDH网的抖动性能规范网络接口的最大允许抖动设备输入口的抖动和漂移容限,41,表8-4 PDH网络接口的最大允许抖动,42,表8-6 SDH网络接口的最大允许抖动,43,第八章 数字光纤通信系统性能,8.1 数字传输模型8.2 误码特性8.3 抖动特性8.4 漂移特性8.5 延时特性8.6 光纤通信系统的可用性8.7 光缆线路系统设计,44,8.4 漂移特性,8.4.1 漂移的概念 漂移的定义为数字信号的特定时刻(例如最佳抽样时刻)相对其理想时间位置的长时间漂移。引起漂移的一个最普通的原因是环境温度变化，它会导致光缆传输特性发生变化，从而引起传输信号延时的缓慢变化。因此漂移可以简单地理解为信号传输延时的慢变化。,45,漂移的影响,漂移引起传输信号比特偏离时间上的理想位置，结果使输入信号比特在判决电路中不能正确地识别，产生误码。减小这类误码的一种方法是靠传输线与终端设备之间接口中的缓存器来重新对数据进行同步。方法是利用从接收信号中提取的时钟将数据写入缓存器，然后用一个同样的基准时钟对缓存器进行读操作，使不同相位的各路数据流强制同步。,46,8.4.2 漂移的产生,数字网内有多种漂移源。首先基准主时钟系统中的数字锁相环受温度变化影响，将引入不小的漂移。同理，从时钟也会引入漂移。其次，传输系统中的传输媒质和再生器中的激光器产生的延时受温度变化影响将引进可观的漂移。最后SDH网元中由于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。因此，整个网络的漂移主要是由各级时钟和传输系统引起的，特别是传输系统。随着传输距离的增加，漂移将无限制的积累。,47,8.4.3 漂移性能的规范,数字网中产生漂移的主要原因是时钟电路的老化和传输媒质的传输特性。ITU-T建议 G.811暂时规定基准主时钟的最大长期绝对漂移为3 s，建议G.812规定用于转接局和端局的从时钟的最大相对长期漂移为1 s，建议G.813对适用于SDH网元的从时钟尚未有明确一致的规定。对于传输媒质没有单独规定，但已纳入到对网络节点接口最大时间间隔误差（MTIE）的要求之中。,48,基准主时钟,(绝对时延3s),A,B,C,(相对时延6s),(相对时延6s),(相对时延1s),(相对时延1s),(绝对时延10 s),D,(相对时延4s),(A0),图8-14 简单漂移参考模型,49,第八章 数字光纤通信系统性能,8.1 数字传输模型8.2 误码特性8.3 抖动特性8.4 漂移特性8.5 延时特性8.6 光纤通信系统的可用性8.7 光缆线路系统设计,50,8.5 延时特性,8.5.1 延迟的概念 信号从一个地方传输到另一个地方总是需要一定时间的，所需的时间就是信号传输延时。严格说，延时是指数字信号传输的群延时，即数字信号以群速通过一个数字连接所经历的时间，又称包络延时。当延时过大时会使通路发生困难，因此必须加以控制。,51,8.5.2 延迟的产生,在整个端到端通信连接中，可能产生延时的环节很多，主要由下面几方面：传输系统 网络节点和其它数字设备产生的延时 SDH引入的延时,52,8.5.3 延迟性能的规范,1.网络性能的规范 当网络中存在回波源并采用了适当的回波控制设备(和回波抑制器和回波消除器)时，ITU-T规定两户之间的单向平均传输时间的限值如下：0150ms时可接收 对于不超过50ms的延时，可使用短延时回波抑制器。150400ms时可接收 当连接的单向平均传输时间超过300ms时，可使用为长延时电路设计的回波控制设备。高于400ms时不能接收 除非在极端例外的情况下，一般不应使用这么大延时的连接。,53,2.电路性能的规范,国际电路和国内主干线通常都采用高速传输线路。从国际中心至国内网离它最远的用户之间的传输时间t在全数字网条件时可以用下式计算：t（3+tmL）ms（8-4）式中3ms常数项是为一对PCM编解码和5个数字交换机所留的延时值；tm表示不同的传输系统引入的平均延时值，如表8-8所示。通常光缆系统为tm为0.005；L表示国际中心至国内网离它最远的用户之间的距离。,54,表8-8 各类传输系统的延时,55,第八章 数字光纤通信系统性能,8.1 数字传输模型8.2 误码特性8.3 抖动特性8.4 漂移特性8.5 延时特性8.6 光纤通信系统的可用性8.7 光缆线路系统设计,56,8.6 光纤通信系统的可用性,对光纤通信的要求是迅速、准确和连接不间断地工作。因此对系统的可靠性提出了较高的要求。,57,8.6.1 可靠性和可用性表示方法,通常用来表示系统可靠性的参数有两个：一个是平均故障间隔时间(MTBF)，单位为小时；另一个是故障率()，单位为1/小时。1/MTBF。当采用10-9/小时作为计量单位时，称为 Fit，即1Fit10-9/小时。,58,可用性,系统的可用性是指在给定的时间间隔内处于良好工作状态的能力。系统的可用性(A)用系统的可用时间与规定的总工作时间的比值来表示，即：式中：A为可用性 可用时间即为系统的平均故障间隔时间MTBF 总的工作时间包括：平均故障间隔时间(MTBF)和平均故障修理时间(MTTR)所以(8-5),59,不可用性,当用失效率(不可用性)进行计算时，表达式为：式中F为失效率 不可用时间即平均故障修理时间(MTTR)，所以(8-6)由于MTTR值较小，故式(8.6)可近似为(8-7)因此(8-8),60,8.6.2 光纤通信系统可用性计算,光纤通信系统主要包括PCM复用设备、光端机、中继机、光缆、供电设备、备用转换设备等。光纤通信多采用热备用系统和自动保护倒换设备来提高系统的可用性。设主用系统为n个，备用系统为m个，主、备用系统比为n：m。若单个系统失效率为F0，在（n+m）个系统中，只要有任意（m+1）个以上系统出现故障，就不能确保n个主用系统均正常工作。,61,可用性计算分析（1）,（m+1）个系统同时出现故障的概率为(F0)m+1，所以在（n+m）个系统中，任意（m+1）个系统同时出现的故障概率为Cn+mm+1(F0)m+1，同理，在（n+m）个系统中，任意（m+2）个系统同时出现故障概率为Cn+mm+2(F0)m+2。因此，n个主用系统发生故障的失效率为：(8-9),62,可用性计算分析（2）,一般情况下，在（n+m）个系统中，任意（m+2）个以上系统同时出现故障的概率相对很小，因此式(8-9)中，仅取第一项就能满足精度要求，所以，式(8-9)可近似为(8-10)假设各个主用系统失效率相同，则每个主用系统发生故障的失效率为(8-11)若系统中无备用系统即m0，则：F1F0。,63,注意,F0单个系统的失效率F1每个主系统的失效率F n个主系统的失效率三者关系：A=1-F 1/MTBF。,64,例题,有一个140Mbit/s的光纤传输系统，光缆线路全长250km，共设3个中继站，采用不间断供电系统，已知参数如下：主用系统1个(n1)光缆参数：=150Fit/km，MTTR12小时，总长250km光端机参数：7610Fit/端，MTTR0.5小时，数量：2端中继机参数：1900Fit/端，MTTR2小时，数量：3部自动倒换设备参数：200Fit/部，MTTR0.5小时，数量：2部(收发端各1部)求：(1)无备用(m0)时系统的可用性(2)采用n：m1：1时系统的可用性,65,解(1)无备用(m0),系统的总失效率(F1)光缆线路失效率(F01)+光端机失效率(F02)+中继机失效率(F03)光缆线路失效率F011215025010-94.510-4光端机失效率F020.57610210-90.076110-4中继机失效率F0321900310-90.11410-4系统可用性A1F199.9531,66,解(2)采用n：m1：1,采用1个备用系统m1 采用备用系统后，此时系统的总失效率(F)主用系统失效率(F1)+自动倒换设备失效率(F04)主用系统失效率(F0)2(4.69104)2F040.5200210-9210-7F(4.6910-4)2210-74.210-7系统可用性A1F99.999958可见，采用备用系统后，将提高系统可用性。,67,8.6.3 光纤通信系统可用性指标要求,对光纤通信系统可用性的要求是：希望系统和设备正常运行时间应尽可能长，维护工作尽可能少。我国在“光缆通信进网要求”中提出5000km光缆通信系统双向全程容许每年4次全阻故障。当取平均故障修复时间为6小时时，系统双向全程的可用性可达到99.73，折算到 280km数字段的可用性为99.985，420km数字段的可用性为99.9。对于市内光缆通信系统，若取平均故障修复时间为0.5小时，则50km市内光缆通信系统可用性可达99.99。可用性长度换算见式8-12。,68,第八章 数字光纤通信系统性能,8.1 数字传输模型8.2 误码特性8.3 抖动特性8.4 漂移特性8.5 延时特性8.6 光纤通信系统的可用性8.7 光缆线路系统设计,69,8.7 光缆线路系统设计,光缆线路系统的设计，要求最大限度地利用光纤的频带资源，达到最大的容量。本节主要讨论光纤传输媒质对光纤通信系统通信能力的影响。光纤损耗和色散特性是影响光波系统通信容量的重要因素。而损耗和色散又都随工作波长的变化，因此工作波长的选择和光纤特性参数对通信容量的影响程度是光纤通信系统设计的一个主要问题。光纤通信系统的设计主要是中继距离的选择确定。,70,8.7.1 衰减限制系统最大中继距离的计算,最大中继距离是指在光发送机和光接收机之间不设中继器的最大距离。最大中继距离受下面几个因素影响。发送光功率PS 光接收机灵敏度PR 光纤的每公里损耗 光纤的色散D,71,衰减限制系统中继距离的计算,(8-13)式中：L最大中继距离(km)AcS、R点间增加的光连接器衰减(dB)As光纤固定接头平均衰减(dBKm)Af光纤的平均衰减(dBKm)Mc光缆的富余度(dBKm)ASR：系统S点和R点之间光缆线路容许的衰减(dB)ASR=PSPRMe PS发送平均光功率(在S点测出的值)(dBm)PR光接收机灵敏度(在R点测出的值)(dBm)Me设备富余度(dB)Me包括系统积累抖动、均衡失调、外界干扰等。,72,8.7.2 色散限制系统最大中继距离的计算,在高速率光纤通信系统中，只考虑色散的影响，则系统的最大中继距离主要由光纤的色散来确定，称为色散限制系统。对于色散限制系统，首先应确定所设计的再生段的总色散（ps/nm），再据此选择合适的系统分类代码及相应的一整套光参数。通常，最经济的设计应该选择这样一类分类代码，它的最大色散值大于实际设计色散值，同时在满足要求的系统分类代码中具有最小的最大色散值。,73,色散限制系统中继距离的计算,色散限制系统可达的再生段距离的最坏值可以用下式估计（8-14）其中DSR为S点和R点之间允许的最大色散值，可以由光接口参数规范中查到。Dm为允许工作波长范围内的最大光纤色散，单位为ps/（nmkm），可以根据公式求得，也可取光纤色散分布最大值。在工程中的一个较为简明的工程计算公式表示为（8-15）式中为啁啾系数，单位为nm，B的单位为Tb/s。,74,最坏值法,在实际工程应用中，通常用衰减限制或色散限制计算中继距离的其中一种方法先算出中继距离，然后再用另一种方法进行核算，取两种计算方法中得到的较短的L值作为设计取值。这样得出的L既可满足系统的衰减要求，又可满足色散的要求，将它称为最坏值法设计得到的系统最大中继距离。,75,本章小结和知识点,数字传输模型 误码特性 抖动特性 漂移特性 延时特性 光纤通信系统的可用性 光缆线路系统设计,