2011-7-17 1
第 4章 数字光纤通信系统
4.1 数字光纤通信系统概述
4.2 光纤和光器件
4.3 光端机
4.4 数字光纤系统的两种传输体制
2011-7-17 2
4.1 数字光纤通信系统概述
一、光纤通信发展史和现状
1、探索时期的光通信,
中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传
送信息,这些都可以看作是原始形式的光通信。
1880年，美国人贝尔 (Bell)发明了用光波作载
波传送话音的“光电话”。光电话证明了用光波作
为载波传送信息的可行性。贝尔光电话是现代光通
信的雏型。
2011-7-17 3
1960年，美国人梅曼 (Maiman)发明了第一台红
宝石激光器,给光通信带来了新的希望。
激光具有 波谱宽度窄，方向性极好,亮度极高，
以及频率和相位较一致的良好特性 。
继红宝石激光器之后，氦 — 氖 (He - Ne)激光器、
二氧化碳 (CO2)激光器先后出现，并投入实际应用。
激光器的发明和应用,使光通信进入一个崭新的阶
段。
2011-7-17 4
2、现代光纤通信
1966年，英籍华裔学者高锟指出了利用光纤
(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途
径，奠定了现代光通信 —— 光纤通信的基础。
1970 年，光纤研制取得了重大突破。美国康
宁 (Corning)公司就研制成功损耗 20 dB/km的石英
光纤。
1973 年，美国贝尔 (Bell)实验室取得了更大
成绩，光纤损耗降低到 2.5dB/km。
1976 年，日本电报电话 (NTT)公司将光纤损耗
降低到 0.47 dB/km(波长 1.2μ m)。
2011-7-17 5
3、光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：
第一阶段 (1966-1976年 )，这是从基础研究到商
业应用的开发时期。实现了短波长 (0.85μ m)低速率
(45或 34Mb/s)多模光纤通信系统。
(1976-1986年 )，这是以提高传输速率
和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展
时期。 光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长
(0.85μ m)发展到长波长 (1.31μ m和 1.55μ m)。
第三阶段 (1986-1996年 )，这是以超大容量超长
距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。在这
个时期，实现了 1.55μ m色散移位单模光纤通信系统。
实验室可以达到更高水平。
2011-7-17 6
二、光纤通信的优点和应用
在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电
波频率高得多，作为传输介质的光纤又比同轴电缆
或波导管的损耗低得多，因此相对于电缆通信或微
波通信，光纤通信具有许多独特的优点。
1,容许频带很宽，传输容量很大
单波长光纤通信系统的传输速率一般为 2.5
Gb/s和 10 Gb/s。波分复用 (WDM)和光时分复用
(TDM)更是极大地增加了传输容量,见下表 。
2011-7-17 7
通信手段 传输容量 (话
路 )/条
中继距离 /km 1000 km内中继器
个数
微波无线电 960 50 20
小同轴 960 4 250
中同轴 1800 6 1600
光缆 1920 30 33
光缆 14000(1Gb/s) 84 11
光缆 6000(445MB/S) 134 7
表 光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较
2011-7-17 8
2,损耗很小,中继距离很长且误码率很小
石英光纤在 1.31 μm和 1.55 μm波长,传输损耗分
别为 0.50 dB/km和 0.20 dB/km，甚至更低。因此，用
光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多，见表。
传输容量大、传输误码率低、中继距离长的优点，
使光纤通信系统不仅适合于长途干线网而且适合于接
入网的使用,这也是降低每公里话路的系统造价的
主要原因。
2011-7-17 9
3,重量轻、
光纤重量很轻，直径很小。即使做成光缆，在
芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体
积也小得多。表给光缆和标准同轴电缆的重量和截
面积的比较。
项目 8 芯 18 芯
光缆 电缆 光缆 电缆
重量 /(kg·m-1)
重量比
0.42
1
6.3
15
0.42
1
11
26
直径 /mm
截面积比
21
1
47
5
21
1
65
9.6
表 光缆和电缆的重量和截面积比较
2011-7-17 10
4,
光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路
不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。
5,泄漏小，
在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲
地段也无法窃听。因此信息在光纤中传输非常安全。
6,节约金属材料,有利于资源合理使用。
2011-7-17 11
总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越
性，由图可见，随着传输容量的增加，由于采用了
新的传输媒质,使得相对造价直线下降。
平行双绞线电缆 同轴电缆 微波
10
2
10 10
3
10
4
10
5
10
6
10
－ 1
10
－ 2
10
－ 3
10
－ 4
10
－ 5
系统/
话路公里相对造价
话路数/ 条
光缆
图 各种通信系统相对造价与传输容量的比较
2011-7-17 12
光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。
光纤通信的各种应用可概括如下：
① 通信网，包括全球通信网、各国的公共电信网、
② 构成因特网的计算机局域网和广域网，如光纤
以太网,路由器之间的光纤高速传输链路。
③ 有线电视网的干线和分配网；工业电视系统，
如工厂,银行、商场、交通和公安部的监控。
④ 综合业务光纤接入网，分为有源接入网和无源
接入网,可实现电话、数据、视频 (会议电视、可视
电话等 )及多媒体业务综合接入核心网，提供各种各样
的社区服务。
2011-7-17 13
三、光纤通信系统的基本组成
1,发射和接收
下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、
接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。
信
息
源
电
发
射
机
光
发
射
机
光
接
收
机
电
接
收
机
信
息
宿
基本光纤传输系统
光纤线路
接 收发 射
电信号
输入
光信号
输出
光信号
输入
电信号
输出
图 光纤通信系统的基本组成
光纤通信系统组成演示
2011-7-17 14
信息源,把用户信息转换为原始电信号，这种信号称
为基带信号。
电发射机,把基带信号转换为适合信道传输的信号，
这个转换如果需要调制,则其输出信号称为已调信号。
光发射机,输入到光发射机带有信息的电信号，通过
调制转换为光信号。
光接收机,光载波经过光纤线路传输到接收端，再由
光接收机把光信号转换为电信号。
电接收机,功能和电发射机的功能相反。
2011-7-17 15
2、基本光纤传输系统
基本光纤传输系统作为独立的“光信道”单元。
有线通信系统或无线通信系统的发射与接收之间
加入光发射机、光纤线路和光接收机，再配置适当的
光器件,可以组成传输能力更强、功能更完善的光
纤通信系统。
下面简要介绍基本光纤传输系统的三个组成部分。
2011-7-17 16
光发射机的功能,把输入电信号转换为光信号，
并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。
光发射机组成,由光源,驱动器和调制器组成。
光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本上
取决于光源的特性。
光源种类,半导体发光二极管 (LED)、半导体激
光二极管 (或称激光器 )(LD),单纵模分布反馈 (DFB)
激光器。
2011-7-17 17
光纤线路：
光纤线路功能,是把来自光发射机的光信号，以
尽可能小的失真和衰减传输到光接收机。
光纤线路组成,由光纤、光纤接头和光纤连接器
组成。
光纤基本要求,损耗和色散这两个传输特性参数
都尽可能地小,有足够好的机械特性和环境特性。
石英光纤分类,多模光纤和单模光纤。
单模光纤的传输特性比多模光纤好，价格比多模
光纤便宜，因而得到更广泛的应用。
单模光纤适合大容量长距离光纤传输系统，小容
量短距离系统用多模光纤配合半导体发光二极管更加
合适。
2011-7-17 18
光接收机的功能,是把从光纤线路输出、产生
畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大
和处理后恢复成发射前的电信号。
光接收机组成,由光检测器,放大器和相关电
路组成
光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求
是响应度高,噪声低和响应速度快。
光检测器种类, 光电二极管 (PIN - PD)、雪崩光
电二极管 (APD)。
光发射机与光接收机组成演示
2011-7-17 19
光接收机最重要的特性参数是 灵敏度 。
灵敏度是衡量光接收机质量的综合指标，它
反映接收机调整到最佳状态时,接收微弱光信
号的能力。
灵敏度主要取决于组成光接收机的光电二极
管和放大器的噪声，并受传输速率、光发射机的
参数和光纤线路的色散的影响，还与系统要求的
误码率或信噪比有密切关系。
所以灵敏度也是反映光纤通信系统质量的
重要指标。
2011-7-17 20
4.2 光纤和光器件
一、光纤
1、光纤
光纤就是导光的玻璃纤维的简称,是石英玻璃丝,
它的直径只有 0.1 mm，它和原来传送电话的明线、
电缆一样，是一种新型的信息传输介质，但它比以
上两种方式传送的信息量要高出成千上万倍,可达
到上百千兆比特 /秒,而且衰耗极低。
2011-7-17 21
2,
光纤为什么能够导光,能传送大量信息呢?这里
我们用简单的比喻,从物理概念上来说明，以加深
对光纤传输信息的理解。
光纤是利用光的全反射特性来导光的。在物理中
学习过光从一种介质向另一种介质传播，由于它们在
不同介质中传输速率不一样，因此，当通过两个不同
的介质交界面就会发生折射。
2011-7-17 22
若有两种不同介质,其折
射率分别为 n0,n1,而且 n1＞ n0,
设界面为 XX′；
折射率小的称光疏媒质,折
射率大的称光密媒质；
假定光线从光疏媒质射向光
密媒质,其折射情况如图所示。
图中，入射角为 θ0为入射光
线与法线 YY′夹角,折射角为 θ1
为折射光线与 YY′夹角；
由图可见,θ1＜ θ0。
Y
X
A ′
Y ′
光疏媒质
光密媒质
A
B ′
B?
0
?
1
X ′
图 光的折射示意图
2011-7-17 23
若使光束从光密媒质
射向光疏媒质时,则折射角
大于入射角，如图所示。
如果不断增大 θ0可使折
射角 θ1达到 90°,这时的 θ1
称为临界角。
当光线从光密媒质射向
光疏媒质,且入射角大于临
界角时,就会产生全反射现
象。
光纤就是利用这种全反
射来传输光信号的。
光疏媒质
光密媒质
①
②
③
①
②
③
?
c
n
0
图 临界角和光线的全反射
2011-7-17 24
以上了解了光的全反射原理之后，下面画出光
在阶跃光纤中的传播轨迹，即按“之”之形传播及
沿纤芯与包层的分界面掠过，如图 所示。
2011-7-17 25
在制造光纤时,使光纤芯的折射率高，在外面
涂上一包屏层，可使折射率低；
当选择一定的角度 θ0时，射入纤芯的光束将会
全部返回纤芯中。
光纤芯线结构如图所示。
光纤的芯线由 纤芯、包层、涂覆层、套塑 四部
分组成。
2011-7-17 26
2 b
2 a
包层
一次涂覆
( 涂覆层)
二次涂覆
( 套塑)
纤芯
图 光纤芯线的剖面构造
2011-7-17 27
纤芯,纤芯位于光纤的中心部位（直径 d1 约 9～ 50 微米），其
成份是高纯度的二氧化硅。
包层,包层位于纤芯的周围（其直径 d2 约 125 微米），其成
份也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。
涂敷层,光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的
涂敷层，其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。
2011-7-17 28
3,光纤的分类
根据波导传输波动理论分析，光纤的传播模式可
分为多模光纤和单模光纤。
1) 多模光纤
多模光纤即能承受多个模式的光纤。这种光纤结
构简单、易于实现,接头连接要求不高,用起来方便,
也较便宜。因而在早期的数字光纤通信系统 (PDH系
列 )中采用，但这种光纤传输带宽窄、衰耗大、时延
差大,因而已逐步被单模光纤代替。
2011-7-17 29
2)
单模光纤即只能传送单一基模的光纤,如图。
这种光纤从时域看不存在时延差，从频域看,传
输信号的带宽比多模光纤宽得多,有利于高码率信息
2011-7-17 30
包层
包层( n
2
)
芯( n
1
)
D
C
B
A
2 b 2 a
折射率
折射率
包层
包层
C
B
A
芯
A
包层
芯
折射率
( a )
( b )
( c )
图
(a) 阶跃型多模光纤 ; (b) 梯度型多模光纤 ; (c) 单模光纤
2011-7-17 31
二、光缆
为了使光纤能在工程中实用化，能承受工程
中拉伸,侧压和各种外力作用,还要具有一定的
机械强度才能使性能稳定。 因此,将光纤制成不
同结构、不同形状和不同种类的光缆以适应光纤
通信的需要。
光缆主要由缆芯、护套和加强元件组成。
2011-7-17 32
缆芯
缆芯是由光纤芯组成的,它可分为单芯和多芯两种。单
芯型缆芯和多芯型缆芯结构的比例如表 。
单芯型由单根二次涂覆处理后的光纤组成。
多芯型由多根经二次涂覆处理后的光纤组成,它又分为
带状结构和单位式结构。
强度元件
由于光纤的材料比较脆,容易断裂,在光缆内中心或四周
要加一根或多根加强元件。
光缆的护层主要是对已形成的光纤芯线起保护作用,避
免受外部机械力和环境损坏。
2011-7-17 33
2011-7-17 34
光缆的种类
在公用通信网中用的光缆结构如表所示。
2011-7-17 35
(1) 层绞式光缆。
它是将若干根光纤芯线以强度元件为中心绞
合在一起的一种结构,如图 (a)所示。特点是成本
低,芯线数不超过 10根。
(2) 单位式光缆。
它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元件为中心绞合成缆,
如图 (b)所示,其芯线数一般适用于几十芯。
2011-7-17 36
(3) 骨架式光缆。
这种结构是将单根或多根光纤放入骨架的螺
旋槽内,骨架中心是强度元件,骨架上的沟槽可以是 V
型,U型或凹型,如图 (c)所示。光纤具有耐侧压、抗
弯曲、抗拉的特点。
(4) 带状式光缆。
它是将 4～ 12根光纤芯线排列成行,构成带状光纤
单元,再将多个带状单元按一定方式排列成缆,如图
(d)所示。这种光缆的结构紧凑,采用此种结构可做成
上千芯的高密度用户光缆。
2011-7-17 37
光纤
加强构件
光纤
单位
加强构件
加强构件
塑料骨架
光纤
防热层
综合护套
光纤带
加强构件
( a ) ( b )
( c ) ( d )
图
(a) 层绞式； (b) 单位式； (c) 骨架式； (d) 带状
2011-7-17 38
4.3 光端机
一、光发射机
1、数字光发射机 的 功能,
电端机输出的数字基带 电 信号转换为 光 信号；
用耦合技术 注入 光纤线路；
用数字电信号对光源进行 调制。
2、调制方式：直接调制和外调制。
受调制的光源特性参数有：功率,幅度、频率
和相位,广泛应用的是直接光强 (功率 )调制。
2011-7-17 39
I I
P P
输入电信号
输出光信号 输出光信号
输入电信号
(a) LED数字调制原理； (b) LD的数字调制原理
? 当激光器的驱动电流大于阈值电流 Ith时，输出光功率 P和驱动
电流 I基本上是 线性关系。
? 输出 光功率 和 输入电流 成正比，输出光信号反映输入电信号。
2011-7-17 40
3、光发射机基本组成
数字光发射机的方框图如图所示，主要有 光源 和
电路 两部分。
光源 是实现电 /光转换的关键器件，在很大程度上
决定着光发射机的性能。
电路 的设计应以 光源 为依据，使 输出光信号 准确
反映 输入电信号。
输入
接口
线路
编码
调制
电路
光源
控制电路
电信号输入 光信号输出
图 数字光发射机方框图
2011-7-17 41
1
对通信用光源的要求如下,
发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即
中心波长应在 0.85 μm,1.31 μm和 1.55 μm附近。光
谱单色性要好,即谱线宽度要窄,以减小光纤色散
对带宽的限制。
电 /光转换效率 要高，即要求在足够低的驱动电流
下,有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。发
射光束的 方向性要好,以利于提高光源与光纤之间的
耦合效率 。
2011-7-17 42
允许的 调制速率要高或响应速度要快,以满
足系统的大传输容量的要求。
器件应能在常温下以连续波方式工作,要求
温度 稳定性好,可靠性高，寿命长。
此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方
便，价格便宜。
2011-7-17 43
2）
直接光强调制的数字光发射机主要电路有,调制
电路、控制电路和线路编码电路 。
3
电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极
性码，而光源不能发射负脉冲,要变换为适合于光
纤传输的 单极性码。
2011-7-17 44
二,光接收机
1、光接收机基本组成
直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机
方框图示于图。 主要包括：
光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、
时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制
(AGC)电路。
光检测器
偏压控制
前置放大器
A G C
电路
均衡器 判决器
时钟
提取
再生码流
主放大器
光信号
2011-7-17 45
1）
光检测器是光接收机实现光 /电转换的关键器件，其性能
特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。 对光检测
器的要求如下：
? 波长响应要和光纤低损耗窗口 (0.85 μm,1.31μm和 1.55
μm)兼容；
? 响应度要高,在一定的接收光功率下,能产生最大的光
电流；
? 噪声要尽可能低,能接收极微弱的光信号；
? 性能稳定,可靠性高,寿命长,功耗体积小。
目前,适合于光纤通信系统应用的光检测器有 PIN光电二
极管和雪崩光电二极管 (APD)。
2011-7-17 46
2
前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光
接收机的灵敏度影响很大。
前放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种
类型的前放可供选择。
主放大器 一般是多级放大器，它的作用是：
? 提供足够的增益 ；
? 并通过它实现自动增益控制 (AGC)，使输入光
信号在一定范围内变化时,输出电信号保持恒定。
主放大器和 AGC决定着光接收机的动态范围。
2011-7-17 47
3
均衡的目的：
? 对经光纤传输、光 /电转换和放大后已产生畸变
(失真 )的电信号进行补偿；
? 使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干
扰，减小误码率。
再生电路包括,判决电路和时钟提取电路
2011-7-17 48
2、
图中除光检测器以外的所有元件都是标准的电
子器件,很容易用标准的集成电路 (IC)技术将它们
集成在同一芯片上。
不论是硅 (Si)还是砷化镓 (GaAs)IC技术都能够
使集成电路的工作带宽超过 2 GHz，甚至达到 10
GHz。
为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力
开发单片光接收机，即用“光电集成电路 (OEIC)技
术”在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元
件。
2011-7-17 49
在 1991年试验成功的单路 InGaAs OEIC接收机，
其运行速率达 5 Gb/s。
InGaAs OEIC接收机也可以用 混合法实现 。
如图所示,电元件集成在 GaAs基片上，而光检测
器集成在 InP基片上，两个部分通过接触片连接在一
起。
图 光电集成接收机
光检测器
电路部分
G a A s 基片
N
＋
- I n P 基片
P - 接触片 N - 接触片
2011-7-17 50
三、线路编码
在光纤通信系统中，从电端机输出的是适合
于电缆传输的双极性码。光源不可能发射负光脉
冲，因此必须进行码型变换，以适合于数字光纤
通信系统传输的要求。
数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码，
即“有光脉冲”表示“１”码,“无光脉冲”表
示,0”码。
2011-7-17 51
1、简单的二电平码会带来如下问题：
在码流中，出现“１”码和,0”码的个数是随机
变化的,因而直流分量也会发生随机波动 (基线漂移 )，
给光接收机的判决带来困难。
在随机码流中，容易出现长串连“１”码或长串
连,0”码，这样可能造成位同步信息丢失，给定时提
取造成困难或产生较大的定时误差。
不能实现在线 (不中断业务 )的误码检测,不利于长
途通信系统的维护。
2011-7-17 52
2、数字光纤通信系统对线路码型的主要要求是保
证传输的透明性，具体要求有,
能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分
量。提高输出功率的稳定性和减小码间干扰，
有利于提高光接收机的灵敏度。
能给光接收机提供足够的定时信息。因而应
尽可能减少连“１”码和连,0”码的数目，使
,1”码和,0”码的分布均匀,保证定时信息丰
富。
能提供一定的冗余码，用于平衡码流、误码
监测和公务通信。
2011-7-17 53
3、扰码
为了保证传输的透明性，在系统光发射机的调
制器前,需要附加一个扰码器，将原始的二进制码
序列加以变换，使其接近于随机序列。
相应地，在光接收机的判决器之后，附加一个
解扰器，以恢复原始序列。
扰码改变了“１”码与,0”码的分布,从而改
善了码流的一些特性。
例如：
扰码前,1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 …
扰码后,1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 …
2011-7-17 54
扰码有下列缺点：
不能完全控制长串连“１”和长串连,0”序列的出
现；
没有引入冗余,不能进行在线误码监测；
信号频谱中接近于直流的分量较大,不能解决基线
漂移。
因为扰码不能完全满足光纤通信对线路码型的要
求,所以许多光纤通信设备除采用扰码外还采用其它
类型的线路编码。
2011-7-17 55
4,mBnB
mBnB码是把输入的二进制原始码流进行分组，
每组有 m个二进制码，记为 mB，称为一个码字，然
后把一个码字变换为 n个二进制码，记为 nB，并在同
一个时隙内输出。
这种码型是把 mB变换为 nB，所以称为 mBnB码，
其中 m和 n都是正整数,n>m，一般选取 n=m+1。
mBnB码有 1B2B,3B4B,5B6B,8B9B,17B18B等
等。
2011-7-17 56
mBnB
最简单的 mBnB码是 1B2B码，即曼彻斯特码，
这就是把原码的“０”变换为,01”,把,1”变
换为,10”。
因此最大的连“０”和连“１”的数目不会
超过两个，例如 1001和 0110。但是在相同时隙内，
传输 1比特变为传输 2比特,码速提高了 1倍。
2011-7-17 57
以 3B4B码为例，输入的原始码流 3B码，共有（ 23） 8个
码字,变换为 4B码时,共有 (24)16个码字，见表。
为保证信息的完整传输，必须从 4B码的 16个码字中挑选 8
个码字来代替 3B码。 设计者根据最佳线路码特性的原则来选
择码表。
例如：在 3B码中有 2个,0”，变为 4B码时补 1个“１”；
在 3B码中有 2个,1”,变为 4B码时补 1个,0”。而 000用 0001和
1110交替使用； 111用 0111和 1000交替使用。同时，规定一些
禁止使用的码字,称为禁字，例如 0000和 1111。
2011-7-17 58
0111 1111111
0110 1110110
0101 1101101
0100 1100100
0011 1011011
0010 1010010
0001 1001001
0000 1000000
4B3B
表 3B和 4B的码字
2011-7-17 59
作为普遍规则，引入“码字数字和” (WDS)来描述码字
的均匀性，并以 WDS的最佳选择来保证线路码的传输特性。
所谓“码字数字和”，是在 nB码的码字中，用,-1”代表
,0”码,用,+1”代表“１”码，整个码字的代数和即为 WDS。
如果整个码字“１”码的数目多于,0”码，则 WDS为正；
如果,0”码的数目多于,1”码,则 WDS为负；如果,0”码和
,1”码的数目相等，则 WDS为 0。
例如：对于 0111,WDS=+2；对于 0001，
WDS=-2；对于 0011,WDS=0。
2011-7-17 60
nB码的选择原则是：尽可能选择 |WDS|最小的码字, 禁止
使用 |WDS|最大的码字 。
以 3B4B为例, 应选择 WDS=0和 WDS=± 2的码字, 禁止使
用 WDS=± 4的码字 。
线路码（ 4B）信号码（ 3B）
模式 2（负组）模式 1（正组）
WDS码子WDS码子
-20010+211011117
-21000+201111106
01010010101015
01001010011004
00110001100113
00101001010102
-20001+211100011
-20100+210110000
表 一种 3B4B码表
2011-7-17 61
我国 3次群和 4次群光纤通信系统最常用的线路码型是
5B6B码，其编码规则如下：
5B码共有 (25)32个码字，变换 6B码时共有 (26)64个码字，
其中 WDS=0有 20个,WDS=± 2有 15个,WDS=-2有 15个，共有 50
个 |WDS|最小的码字可供选择。
由于变换为 6B码时只需 32个码字，为减少连“１”和连
,0” 的数目,删去,000011,110000,001111和
111100。
禁用 WDS=± 4和 ± 6的码字。 表 4示出根据这个规则编制
的一种 5B6B码表，正组和负组交替使用。 表中正组选用 20
个 WDS=0和 12个 WDS=+2，负组选用 20个 WDS=0和 12个 WDS=-2。
2011-7-17 62
2011-7-17 63
线路码（ 6B）信号码（ 5B）
模式 2（负组）模式 1（正组）
WDS码子WDS码子
-2000101+21110101111131
-2001001+21101101111030
-2010001+2101101110129
011100001110001110028
-2000110+21110011101127
011010001101001101026
011001001100101100125
续表
2011-7-17 64
mBnB码是一种分组码, 设计者根据传输特性的要求确定
某种码表 。 mBnB码的特点是：
(1) 码流中, 0”和, 1”码的概率相等, 连, 0”和连, 1”
的数目较少, 定时信息丰富 。
(2) 高低频分量较小, 信号频谱特性较好, 基线漂移小
(3) 在码流中引入一定的冗余码, 便于在线误码检测 。
mBnB码的缺点是传输辅助信号比较困难 。 因此, 在要求
传输辅助信号或有一定数量的区间通信的设备中, 不宜用这
种码型 。
2011-7-17 65
4.4 数字光纤系统的两种传输体制
光纤大容量数字传输目前都采用同步时分复用
(TDM)技术。 复用又分为若干等级，先后有两种传
输体制：准同步数字系列 (PDH)、同步数字系列
(SDH)
随着光纤通信技术和网络的发展, PDH遇到了许
多困难 。 SDH解决了 PDH存在的问题, 是一种比较
完善的传输体制, 现已得到大量应用 。 这种传输体制
不仅适用于光纤信道, 也适用于微波和卫星干线传输 。
2011-7-17 66
一,
数字复接实质上是对数字信号的时分多路复用 。
数字复接系统组成原理如图所示 。
数字复接设备由数字复接器和数字分接器组成 。
数字复接器将若干个低等级的支路信号按时分
复用的方式合并为一个高等级的合路信号 。
数字分接器将一个高等级的合路信号分解为原来
的低等级支路信号 。
2011-7-17 67
定 时
码
速
调
整
复
接
定 时
恢
复
分
接
同
步
1
2
3
4
1
2
3
4
支路
外钟
复接器
合路
分接器
支路
图 数字复接系统组成原理
2011-7-17 68
码速调整单元：对输入各支路信号的速率和相位
进行调整, 形成与本机定时信号完全同步的数字信
号, 使输入的各支路信号是同步的 。
定时单元：受时钟控制, 产生复接需要的各种
定时控制信号 。
分接器：合路数字信号和相应的时钟同时送给
分接器 。 分接器的定时单元受合路时钟控制, 因此
它的工作节拍与复接器定时单元同步 。
同步单元：从合路信号中提出帧同步信号, 用
它再去控制分接器定时单元 。
恢复单元：把分解出的数字信号恢复出来 。
2011-7-17 69
在数字复接中，如果复接器输入端的各支路
信号与本机定时信号是同步的，则称为同步复接器。
如 SDH
如果不是同步的,则称为异步复接器。
输入各支路数字信号与本机定时信号标称速率
相同，但实际上有一个很小的容差,这种复接器
称为准同步复接器。如 PDH
2011-7-17 70
二, 准同步数字系列 PDH
准同步数字系列有两种基础速率：
以 1.544 Mb/s为第一级 (一次群, 或称基群 )基础
速率, 采用的国家有北美各国和日本；
以 2.048 Mb/s为第一级 (一次群 )基础速率, 采用
的国家有西欧各国和中国 。
2011-7-17 71
2011-7-17 72
对于以 2.048 Mb/s为基础速率的制式, 各次群的话
路数按 4倍递增, 速率的关系略大于 4倍 。
对于以 1.544 Mb/s为基础速率的制式, 在 3次群以
上, 日本和北美各国又不相同, 看起来很杂乱 。
PDH各次群比特率相对于其标准值有一个规定的
容差, 而且是异源的, 通常采用正码速调整方法实现
准同步复用 。
1次群至 4次群接口比特率早在 1976年就实现了标准
化, 并得到各国广泛采用 。
PDH主要适用于中, 低速率点对点的传输 。
2011-7-17 73
在这种形势下, 现有 PDH的许多缺点也逐渐暴露
出来, 主要有：
(1) 北美, 西欧和亚洲所采用的三种数字系列互
不兼容 。
(2) 各种复用系列都有其相应的帧结构, 没有足
够的开销比特, 使网络设计缺乏灵活性 。
(3) 复接 /分接设备结构复杂, 上下话路价格昂贵 。
2011-7-17 74
三, 同步数字系列 SDH
1,SDH传输网
SDH不仅适合于点对点传输, 而且适合于多点之
间的网络传输 。
图示出 SDH传输网的拓扑结构 。
SDH传输网由 SDH终接设备 (或称 SDH终端复用
器 TM),分插复用设备 ADM,数字交叉连接设备
DXC等网络单元以及连接它们的 (光纤 )物理链路构
成 。
图 SDH传输网的典型拓扑结构
TM ADM DXC ADM TM
TM
TM ADM
STM- n
STM- n
DXC ADM TM
STM- N
STM- N
STM-N
STM- N
STM- N STM- N STM- N
STM- n
STM- n
低速
信号
低速
信号
……
低速
信号
低速
信号
(n<N)
SDH终端的主要功能是：复接 /分接和提供业务适配
SDH终端的复接 /分接功能主要由 TM设备 完成。
MUX
E
1
E
1
…
STM-N
同步复接
DMX
E
1
E
1
…
STM-N
同步分接
图 SDH传输网络单元 (a) 终端复用器 TM；
ADM是一种特殊的复用器
它利用分接功能将输入信号所承载信息分两部分：
一部分直接转发；一部分卸下给本地用户然后信息
又通过复接功能将转发部分和本地上送的部分合成输出
DMX MUX
中继线
STM-N
中继线
STM-N
Add
STM-n
分接 复接Drop
STM- n
本地
图 SDH传输网络单元分插复用设备 ADM(Add/DropMultiplexer)
DXC类似于交换机，它一般有多个输入和多个输出，
通过适当配置可提供不同的端到端连接。
1,m
1,m
…
m:1
m,1
复接交叉连接矩阵分接
1
n
1
n
配置管理
图 SDH传输网络单元数字交叉连接设备 DXC
2011-7-17 79
2,SDH具有下列特点：
(1) SDH采用世界上统一的标准传输速率等级 。 最低的等
级也就是最基本的模块称为 STM-1,传输速率为 155.520 Mb/s；
4个 STM-1 同步复接组成 STM-4,传输速率为 622.080 Mb/s；
16个 STM-1 组成 STM-16,传输速率为 2488.320 Mb/s,以此类
推 。
(2) SDH各网络单元的光接口有严格的标准规范 。 因此,
光接口成为开放型接口, 这有利于建立世界统一的通信网络 。
标准的光接口综合进各种不同的网络单元, 简化了硬件, 降
低了网络成本 。
(3) 在 SDH帧结构中, 丰富的开销比特用于网络的运行,
维护和管理, 便于实现性能监测, 故障检测和定位, 故障报告
等管理功能 。
2011-7-17 80
(4) 采用数字同步复用技术, 其最小的复用单位为字节,
不必进行码速调整, 简化了复接分接的实现设备, 由低速信号
复接成高速信号, 或从高速信号分出低速信号, 不必逐级进行 。
(5) 采用数字交叉连接设备 DXC可以对各种端口速率进行
可控的连接配置, 对网络资源进行自动化的调度和管理, 既提
高了资源利用率, 又增强了网络的抗毁性和可靠性 。
SDH采用了 DXC后, 大大提高了网络的灵活性及对各种业
务量变化的适应能力, 使现代通信网络提高到一个崭新的水平 。
图 分插信号流程的比较
光
/
电
光信号
分接
分接
分接
140/34 Mb/s
34/8 Mb/s
8/2 Mb/s
复接
复接
复接
电
/
光
光信号
2/8 Mb/s
8/34 Mb/s
34/140 Mb/s
2 Mb/s (电信号 )
SDH
ADM 155 Mb/s光接口155 Mb/s光接口
2 Mb/s (电信号 )
PDH
PDH和 SDH分插信号流程的比较
采用 SDH分插复用器 (ADM),可以利用软件一次直接分出和
插入 2 Mb/s支路信号, 十分简便 。
2011-7-17 82
3.SDH
SDH帧结构是实现数字同步时分复用, 保证网络可
靠有效运行的关键 。
图给出 SDH帧一个 STM-N帧有 9行, 每行由 270× N个
字节组成 。
这样每帧共有 9× 270× N个字节每字节为 8 bit。
帧周期为 125μ s,每秒传输 8000帧 。 对于 STM-1而
言, 传输速率为 9× 270× 8× 8000=155.520 Mb/s。
字节发送顺序为：由上往下逐行发送, 每行先左后
右 。
图 SDH帧的一般结构
S O H
1
2
A U - P TR
3
4
5
S O H
…
9
S T M - N 载荷
(含 P O H )
9× N 2 6 1 × N
2 7 0 × N
发送顺序
2011-7-17 84
SDH帧的三个部分：
(1) 段开销 (SOH)。 段开销是在 SDH帧中为保证信
息正常传输所必需的附加字节, 主要用于运行, 维
护和管理, 如帧定位, 误码检测, 公务通信, 自动
保护倒换以及网管信息传输 。
(2) 信息载荷 (Payload)。 信息载荷域是 SDH帧内用于
承载各种业务信息的部分 。 在 Payload中包含少量字
节用于通道的运行, 维护和管理, 这些字节称为通
道开销 (POH)。
2011-7-17 85
根据图的传输通道连接模型, 段开销又细分为
再生段开销 (SOH)和复接段开销 (LOH)。 前者占前 3
行, 后者占 5～ 9行 。
(3) 管理单元指针 (AU PTR)。
管理单元指针是一种指示符, 主要用于指示
Payload第一个字节在帧内的准确位置 (相对于指针
位置的偏移量 )。
采用指针技术是 SDH的创新, 结合虚容器 (VC)
的概念, 解决了低速信号复接成高速信号时, 由于
小的频率误差所造成的载荷相对位置漂移的问题 。
2011-7-17 86
4,SDH复用原理
ITUT规定了 SDH的一般复用映射结构。
所谓映射结构,是指把支路信号适配装入虚容
器的过程，其实质是使支路信号与传送的载荷同
步。
这种结构可以把目前 PDH的绝大多数标准速率
信号装入 SDH帧。
图示出 SDH一般复用映射结构，图中 C-n是标
准容器,用来装载现有 PDH的各支路信号,并完
成速率适配处理的功能。
2011-7-17 87
在标准容器的基础上，加入少量通道开销 (POH)
字节，即组成相应的虚容器 VC。
VC的包络与网络同步，但其内部则可装载各
种不同容量和不同格式的支路信号。
引入虚容器的概念，使得不必了解支路信号的
内容，便可以对装载不同支路信号的 VC进行同步复
用、交叉连接和交换处理，实现大容量传输。
图 SDH的一般复用映射结构
S T M - N A U G AU - 4 VC - 4
TU - 2 VC - 2 C - 2
TU - 12 VC - 12 C - 12
TU - 11 VC - 11 C - 11
TU G - 2
×1
×3
×4
C - 3
VC - 3TU - 3
VC - 3
TU G - 3
×1
×7
×7
×3
C - 4
1 3 9 2 6 4 k b / s
4 4 7 3 6 k b / s
3 4 3 6 8 k b / s
6 3 1 2 k b / s
2 0 4 8 k b / s
1 5 4 4 k b / s
AU - 3
× N ×1
×3
指针 处理
复用
定位 校准
映射
2011-7-17 89
由于在传输过程中, 不能绝对保证所有虚容器的起始相位
始终都能同步, 所以要在 VC 的前面加上管理单元指针 (AU
PTR),以进行定位校准 。
加入指针后组成的信息单元结构分为管理单元 (AU)和支路
单元 (TU)。
AU由高阶 VC(如 VC-4)加 AU指针组成, TU由低阶 VC加 TU
指针组成 。
TU经均匀字节间插后, 组成支路单元组 (TUG),然后组成
AU-3或 AU-4。
3个 AU-3或 1个 AU-4组成管理单元组 (AUG),加上段开销
SOH,便组成 STM-1同步传输信号； N个 STM-1 信号按字节同
步复接, 便组成 STM-N。
2011-7-17 90
举例：由 PDH的 4次群信号到 SDH的 STM-1的复接过程
把 139.264 Mb/s的信号装入容器 C-4,经速率适配处理后,
输出信号速率为 149.760 Mb/s; 在虚容器 VC-4内加上通道开销
POH后, 输出信号速率为 150.336 Mb/s；
在管理单元 AU-4内, 加上管理单元指针 AU PTR(每帧 9
Byte,相应于 0.576 Mb/s),输出信号速率为 150.912 Mb/s; 由 1
个 AUG加上段开销 SOH,输出信号速率为 155.520 Mb/s,即为
STM-1。
2011-7-17 91
5,SDH的应用
SDH可用于点对点传输, 链形网和环形网 。
SDH环形网的一个突出优点是具有, 自愈, 能力 。
当某节点发生故障或光缆中断时, 仍能维持一定
的通信能力 。
网形 SDH网络的主要特点是：
端到端之间存在一条以上的路径, 可同时构成一
条以上的传输通道, 通过 DXC的灵活配置, 使网络具有
更好的抗毁性和更高的可靠性 。
图 SDH用于点对点传输
SDH
TM
SDH
TM
… 支路
信号
…支路
信号
STM- N
再生中继器
图 SDH链形网
SDH
TM
SDH
TM
… 支路
信号
…支路
信号
SDH
ADM
STM-n
(n＜ N)
STM- N STM-N
STM-n
图 SDH环形网 (双环 )
SDH
ADM
SDH
ADM
SDH
ADM
SDH
ADM
… 支路
信号
…
支路信号
…支路
信号
第 4章 数字光纤通信系统
4.1 数字光纤通信系统概述
4.2 光纤和光器件
4.3 光端机
4.4 数字光纤系统的两种传输体制
2011-7-17 2
4.1 数字光纤通信系统概述
一、光纤通信发展史和现状
1、探索时期的光通信,
中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传
送信息,这些都可以看作是原始形式的光通信。
1880年，美国人贝尔 (Bell)发明了用光波作载
波传送话音的“光电话”。光电话证明了用光波作
为载波传送信息的可行性。贝尔光电话是现代光通
信的雏型。
2011-7-17 3
1960年，美国人梅曼 (Maiman)发明了第一台红
宝石激光器,给光通信带来了新的希望。
激光具有 波谱宽度窄，方向性极好,亮度极高，
以及频率和相位较一致的良好特性 。
继红宝石激光器之后，氦 — 氖 (He - Ne)激光器、
二氧化碳 (CO2)激光器先后出现，并投入实际应用。
激光器的发明和应用,使光通信进入一个崭新的阶
段。
2011-7-17 4
2、现代光纤通信
1966年，英籍华裔学者高锟指出了利用光纤
(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途
径，奠定了现代光通信 —— 光纤通信的基础。
1970 年，光纤研制取得了重大突破。美国康
宁 (Corning)公司就研制成功损耗 20 dB/km的石英
光纤。
1973 年，美国贝尔 (Bell)实验室取得了更大
成绩，光纤损耗降低到 2.5dB/km。
1976 年，日本电报电话 (NTT)公司将光纤损耗
降低到 0.47 dB/km(波长 1.2μ m)。
2011-7-17 5
3、光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：
第一阶段 (1966-1976年 )，这是从基础研究到商
业应用的开发时期。实现了短波长 (0.85μ m)低速率
(45或 34Mb/s)多模光纤通信系统。
(1976-1986年 )，这是以提高传输速率
和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展
时期。 光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长
(0.85μ m)发展到长波长 (1.31μ m和 1.55μ m)。
第三阶段 (1986-1996年 )，这是以超大容量超长
距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。在这
个时期，实现了 1.55μ m色散移位单模光纤通信系统。
实验室可以达到更高水平。
2011-7-17 6
二、光纤通信的优点和应用
在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电
波频率高得多，作为传输介质的光纤又比同轴电缆
或波导管的损耗低得多，因此相对于电缆通信或微
波通信，光纤通信具有许多独特的优点。
1,容许频带很宽，传输容量很大
单波长光纤通信系统的传输速率一般为 2.5
Gb/s和 10 Gb/s。波分复用 (WDM)和光时分复用
(TDM)更是极大地增加了传输容量,见下表 。
2011-7-17 7
通信手段 传输容量 (话
路 )/条
中继距离 /km 1000 km内中继器
个数
微波无线电 960 50 20
小同轴 960 4 250
中同轴 1800 6 1600
光缆 1920 30 33
光缆 14000(1Gb/s) 84 11
光缆 6000(445MB/S) 134 7
表 光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较
2011-7-17 8
2,损耗很小,中继距离很长且误码率很小
石英光纤在 1.31 μm和 1.55 μm波长,传输损耗分
别为 0.50 dB/km和 0.20 dB/km，甚至更低。因此，用
光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多，见表。
传输容量大、传输误码率低、中继距离长的优点，
使光纤通信系统不仅适合于长途干线网而且适合于接
入网的使用,这也是降低每公里话路的系统造价的
主要原因。
2011-7-17 9
3,重量轻、
光纤重量很轻，直径很小。即使做成光缆，在
芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体
积也小得多。表给光缆和标准同轴电缆的重量和截
面积的比较。
项目 8 芯 18 芯
光缆 电缆 光缆 电缆
重量 /(kg·m-1)
重量比
0.42
1
6.3
15
0.42
1
11
26
直径 /mm
截面积比
21
1
47
5
21
1
65
9.6
表 光缆和电缆的重量和截面积比较
2011-7-17 10
4,
光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路
不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。
5,泄漏小，
在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲
地段也无法窃听。因此信息在光纤中传输非常安全。
6,节约金属材料,有利于资源合理使用。
2011-7-17 11
总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越
性，由图可见，随着传输容量的增加，由于采用了
新的传输媒质,使得相对造价直线下降。
平行双绞线电缆 同轴电缆 微波
10
2
10 10
3
10
4
10
5
10
6
10
－ 1
10
－ 2
10
－ 3
10
－ 4
10
－ 5
系统/
话路公里相对造价
话路数/ 条
光缆
图 各种通信系统相对造价与传输容量的比较
2011-7-17 12
光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。
光纤通信的各种应用可概括如下：
① 通信网，包括全球通信网、各国的公共电信网、
② 构成因特网的计算机局域网和广域网，如光纤
以太网,路由器之间的光纤高速传输链路。
③ 有线电视网的干线和分配网；工业电视系统，
如工厂,银行、商场、交通和公安部的监控。
④ 综合业务光纤接入网，分为有源接入网和无源
接入网,可实现电话、数据、视频 (会议电视、可视
电话等 )及多媒体业务综合接入核心网，提供各种各样
的社区服务。
2011-7-17 13
三、光纤通信系统的基本组成
1,发射和接收
下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、
接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。
信
息
源
电
发
射
机
光
发
射
机
光
接
收
机
电
接
收
机
信
息
宿
基本光纤传输系统
光纤线路
接 收发 射
电信号
输入
光信号
输出
光信号
输入
电信号
输出
图 光纤通信系统的基本组成
光纤通信系统组成演示
2011-7-17 14
信息源,把用户信息转换为原始电信号，这种信号称
为基带信号。
电发射机,把基带信号转换为适合信道传输的信号，
这个转换如果需要调制,则其输出信号称为已调信号。
光发射机,输入到光发射机带有信息的电信号，通过
调制转换为光信号。
光接收机,光载波经过光纤线路传输到接收端，再由
光接收机把光信号转换为电信号。
电接收机,功能和电发射机的功能相反。
2011-7-17 15
2、基本光纤传输系统
基本光纤传输系统作为独立的“光信道”单元。
有线通信系统或无线通信系统的发射与接收之间
加入光发射机、光纤线路和光接收机，再配置适当的
光器件,可以组成传输能力更强、功能更完善的光
纤通信系统。
下面简要介绍基本光纤传输系统的三个组成部分。
2011-7-17 16
光发射机的功能,把输入电信号转换为光信号，
并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。
光发射机组成,由光源,驱动器和调制器组成。
光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本上
取决于光源的特性。
光源种类,半导体发光二极管 (LED)、半导体激
光二极管 (或称激光器 )(LD),单纵模分布反馈 (DFB)
激光器。
2011-7-17 17
光纤线路：
光纤线路功能,是把来自光发射机的光信号，以
尽可能小的失真和衰减传输到光接收机。
光纤线路组成,由光纤、光纤接头和光纤连接器
组成。
光纤基本要求,损耗和色散这两个传输特性参数
都尽可能地小,有足够好的机械特性和环境特性。
石英光纤分类,多模光纤和单模光纤。
单模光纤的传输特性比多模光纤好，价格比多模
光纤便宜，因而得到更广泛的应用。
单模光纤适合大容量长距离光纤传输系统，小容
量短距离系统用多模光纤配合半导体发光二极管更加
合适。
2011-7-17 18
光接收机的功能,是把从光纤线路输出、产生
畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大
和处理后恢复成发射前的电信号。
光接收机组成,由光检测器,放大器和相关电
路组成
光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求
是响应度高,噪声低和响应速度快。
光检测器种类, 光电二极管 (PIN - PD)、雪崩光
电二极管 (APD)。
光发射机与光接收机组成演示
2011-7-17 19
光接收机最重要的特性参数是 灵敏度 。
灵敏度是衡量光接收机质量的综合指标，它
反映接收机调整到最佳状态时,接收微弱光信
号的能力。
灵敏度主要取决于组成光接收机的光电二极
管和放大器的噪声，并受传输速率、光发射机的
参数和光纤线路的色散的影响，还与系统要求的
误码率或信噪比有密切关系。
所以灵敏度也是反映光纤通信系统质量的
重要指标。
2011-7-17 20
4.2 光纤和光器件
一、光纤
1、光纤
光纤就是导光的玻璃纤维的简称,是石英玻璃丝,
它的直径只有 0.1 mm，它和原来传送电话的明线、
电缆一样，是一种新型的信息传输介质，但它比以
上两种方式传送的信息量要高出成千上万倍,可达
到上百千兆比特 /秒,而且衰耗极低。
2011-7-17 21
2,
光纤为什么能够导光,能传送大量信息呢?这里
我们用简单的比喻,从物理概念上来说明，以加深
对光纤传输信息的理解。
光纤是利用光的全反射特性来导光的。在物理中
学习过光从一种介质向另一种介质传播，由于它们在
不同介质中传输速率不一样，因此，当通过两个不同
的介质交界面就会发生折射。
2011-7-17 22
若有两种不同介质,其折
射率分别为 n0,n1,而且 n1＞ n0,
设界面为 XX′；
折射率小的称光疏媒质,折
射率大的称光密媒质；
假定光线从光疏媒质射向光
密媒质,其折射情况如图所示。
图中，入射角为 θ0为入射光
线与法线 YY′夹角,折射角为 θ1
为折射光线与 YY′夹角；
由图可见,θ1＜ θ0。
Y
X
A ′
Y ′
光疏媒质
光密媒质
A
B ′
B?
0
?
1
X ′
图 光的折射示意图
2011-7-17 23
若使光束从光密媒质
射向光疏媒质时,则折射角
大于入射角，如图所示。
如果不断增大 θ0可使折
射角 θ1达到 90°,这时的 θ1
称为临界角。
当光线从光密媒质射向
光疏媒质,且入射角大于临
界角时,就会产生全反射现
象。
光纤就是利用这种全反
射来传输光信号的。
光疏媒质
光密媒质
①
②
③
①
②
③
?
c
n
0
图 临界角和光线的全反射
2011-7-17 24
以上了解了光的全反射原理之后，下面画出光
在阶跃光纤中的传播轨迹，即按“之”之形传播及
沿纤芯与包层的分界面掠过，如图 所示。
2011-7-17 25
在制造光纤时,使光纤芯的折射率高，在外面
涂上一包屏层，可使折射率低；
当选择一定的角度 θ0时，射入纤芯的光束将会
全部返回纤芯中。
光纤芯线结构如图所示。
光纤的芯线由 纤芯、包层、涂覆层、套塑 四部
分组成。
2011-7-17 26
2 b
2 a
包层
一次涂覆
( 涂覆层)
二次涂覆
( 套塑)
纤芯
图 光纤芯线的剖面构造
2011-7-17 27
纤芯,纤芯位于光纤的中心部位（直径 d1 约 9～ 50 微米），其
成份是高纯度的二氧化硅。
包层,包层位于纤芯的周围（其直径 d2 约 125 微米），其成
份也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。
涂敷层,光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的
涂敷层，其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。
2011-7-17 28
3,光纤的分类
根据波导传输波动理论分析，光纤的传播模式可
分为多模光纤和单模光纤。
1) 多模光纤
多模光纤即能承受多个模式的光纤。这种光纤结
构简单、易于实现,接头连接要求不高,用起来方便,
也较便宜。因而在早期的数字光纤通信系统 (PDH系
列 )中采用，但这种光纤传输带宽窄、衰耗大、时延
差大,因而已逐步被单模光纤代替。
2011-7-17 29
2)
单模光纤即只能传送单一基模的光纤,如图。
这种光纤从时域看不存在时延差，从频域看,传
输信号的带宽比多模光纤宽得多,有利于高码率信息
2011-7-17 30
包层
包层( n
2
)
芯( n
1
)
D
C
B
A
2 b 2 a
折射率
折射率
包层
包层
C
B
A
芯
A
包层
芯
折射率
( a )
( b )
( c )
图
(a) 阶跃型多模光纤 ; (b) 梯度型多模光纤 ; (c) 单模光纤
2011-7-17 31
二、光缆
为了使光纤能在工程中实用化，能承受工程
中拉伸,侧压和各种外力作用,还要具有一定的
机械强度才能使性能稳定。 因此,将光纤制成不
同结构、不同形状和不同种类的光缆以适应光纤
通信的需要。
光缆主要由缆芯、护套和加强元件组成。
2011-7-17 32
缆芯
缆芯是由光纤芯组成的,它可分为单芯和多芯两种。单
芯型缆芯和多芯型缆芯结构的比例如表 。
单芯型由单根二次涂覆处理后的光纤组成。
多芯型由多根经二次涂覆处理后的光纤组成,它又分为
带状结构和单位式结构。
强度元件
由于光纤的材料比较脆,容易断裂,在光缆内中心或四周
要加一根或多根加强元件。
光缆的护层主要是对已形成的光纤芯线起保护作用,避
免受外部机械力和环境损坏。
2011-7-17 33
2011-7-17 34
光缆的种类
在公用通信网中用的光缆结构如表所示。
2011-7-17 35
(1) 层绞式光缆。
它是将若干根光纤芯线以强度元件为中心绞
合在一起的一种结构,如图 (a)所示。特点是成本
低,芯线数不超过 10根。
(2) 单位式光缆。
它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元件为中心绞合成缆,
如图 (b)所示,其芯线数一般适用于几十芯。
2011-7-17 36
(3) 骨架式光缆。
这种结构是将单根或多根光纤放入骨架的螺
旋槽内,骨架中心是强度元件,骨架上的沟槽可以是 V
型,U型或凹型,如图 (c)所示。光纤具有耐侧压、抗
弯曲、抗拉的特点。
(4) 带状式光缆。
它是将 4～ 12根光纤芯线排列成行,构成带状光纤
单元,再将多个带状单元按一定方式排列成缆,如图
(d)所示。这种光缆的结构紧凑,采用此种结构可做成
上千芯的高密度用户光缆。
2011-7-17 37
光纤
加强构件
光纤
单位
加强构件
加强构件
塑料骨架
光纤
防热层
综合护套
光纤带
加强构件
( a ) ( b )
( c ) ( d )
图
(a) 层绞式； (b) 单位式； (c) 骨架式； (d) 带状
2011-7-17 38
4.3 光端机
一、光发射机
1、数字光发射机 的 功能,
电端机输出的数字基带 电 信号转换为 光 信号；
用耦合技术 注入 光纤线路；
用数字电信号对光源进行 调制。
2、调制方式：直接调制和外调制。
受调制的光源特性参数有：功率,幅度、频率
和相位,广泛应用的是直接光强 (功率 )调制。
2011-7-17 39
I I
P P
输入电信号
输出光信号 输出光信号
输入电信号
(a) LED数字调制原理； (b) LD的数字调制原理
? 当激光器的驱动电流大于阈值电流 Ith时，输出光功率 P和驱动
电流 I基本上是 线性关系。
? 输出 光功率 和 输入电流 成正比，输出光信号反映输入电信号。
2011-7-17 40
3、光发射机基本组成
数字光发射机的方框图如图所示，主要有 光源 和
电路 两部分。
光源 是实现电 /光转换的关键器件，在很大程度上
决定着光发射机的性能。
电路 的设计应以 光源 为依据，使 输出光信号 准确
反映 输入电信号。
输入
接口
线路
编码
调制
电路
光源
控制电路
电信号输入 光信号输出
图 数字光发射机方框图
2011-7-17 41
1
对通信用光源的要求如下,
发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即
中心波长应在 0.85 μm,1.31 μm和 1.55 μm附近。光
谱单色性要好,即谱线宽度要窄,以减小光纤色散
对带宽的限制。
电 /光转换效率 要高，即要求在足够低的驱动电流
下,有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。发
射光束的 方向性要好,以利于提高光源与光纤之间的
耦合效率 。
2011-7-17 42
允许的 调制速率要高或响应速度要快,以满
足系统的大传输容量的要求。
器件应能在常温下以连续波方式工作,要求
温度 稳定性好,可靠性高，寿命长。
此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方
便，价格便宜。
2011-7-17 43
2）
直接光强调制的数字光发射机主要电路有,调制
电路、控制电路和线路编码电路 。
3
电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极
性码，而光源不能发射负脉冲,要变换为适合于光
纤传输的 单极性码。
2011-7-17 44
二,光接收机
1、光接收机基本组成
直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机
方框图示于图。 主要包括：
光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、
时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制
(AGC)电路。
光检测器
偏压控制
前置放大器
A G C
电路
均衡器 判决器
时钟
提取
再生码流
主放大器
光信号
2011-7-17 45
1）
光检测器是光接收机实现光 /电转换的关键器件，其性能
特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。 对光检测
器的要求如下：
? 波长响应要和光纤低损耗窗口 (0.85 μm,1.31μm和 1.55
μm)兼容；
? 响应度要高,在一定的接收光功率下,能产生最大的光
电流；
? 噪声要尽可能低,能接收极微弱的光信号；
? 性能稳定,可靠性高,寿命长,功耗体积小。
目前,适合于光纤通信系统应用的光检测器有 PIN光电二
极管和雪崩光电二极管 (APD)。
2011-7-17 46
2
前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光
接收机的灵敏度影响很大。
前放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种
类型的前放可供选择。
主放大器 一般是多级放大器，它的作用是：
? 提供足够的增益 ；
? 并通过它实现自动增益控制 (AGC)，使输入光
信号在一定范围内变化时,输出电信号保持恒定。
主放大器和 AGC决定着光接收机的动态范围。
2011-7-17 47
3
均衡的目的：
? 对经光纤传输、光 /电转换和放大后已产生畸变
(失真 )的电信号进行补偿；
? 使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干
扰，减小误码率。
再生电路包括,判决电路和时钟提取电路
2011-7-17 48
2、
图中除光检测器以外的所有元件都是标准的电
子器件,很容易用标准的集成电路 (IC)技术将它们
集成在同一芯片上。
不论是硅 (Si)还是砷化镓 (GaAs)IC技术都能够
使集成电路的工作带宽超过 2 GHz，甚至达到 10
GHz。
为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力
开发单片光接收机，即用“光电集成电路 (OEIC)技
术”在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元
件。
2011-7-17 49
在 1991年试验成功的单路 InGaAs OEIC接收机，
其运行速率达 5 Gb/s。
InGaAs OEIC接收机也可以用 混合法实现 。
如图所示,电元件集成在 GaAs基片上，而光检测
器集成在 InP基片上，两个部分通过接触片连接在一
起。
图 光电集成接收机
光检测器
电路部分
G a A s 基片
N
＋
- I n P 基片
P - 接触片 N - 接触片
2011-7-17 50
三、线路编码
在光纤通信系统中，从电端机输出的是适合
于电缆传输的双极性码。光源不可能发射负光脉
冲，因此必须进行码型变换，以适合于数字光纤
通信系统传输的要求。
数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码，
即“有光脉冲”表示“１”码,“无光脉冲”表
示,0”码。
2011-7-17 51
1、简单的二电平码会带来如下问题：
在码流中，出现“１”码和,0”码的个数是随机
变化的,因而直流分量也会发生随机波动 (基线漂移 )，
给光接收机的判决带来困难。
在随机码流中，容易出现长串连“１”码或长串
连,0”码，这样可能造成位同步信息丢失，给定时提
取造成困难或产生较大的定时误差。
不能实现在线 (不中断业务 )的误码检测,不利于长
途通信系统的维护。
2011-7-17 52
2、数字光纤通信系统对线路码型的主要要求是保
证传输的透明性，具体要求有,
能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分
量。提高输出功率的稳定性和减小码间干扰，
有利于提高光接收机的灵敏度。
能给光接收机提供足够的定时信息。因而应
尽可能减少连“１”码和连,0”码的数目，使
,1”码和,0”码的分布均匀,保证定时信息丰
富。
能提供一定的冗余码，用于平衡码流、误码
监测和公务通信。
2011-7-17 53
3、扰码
为了保证传输的透明性，在系统光发射机的调
制器前,需要附加一个扰码器，将原始的二进制码
序列加以变换，使其接近于随机序列。
相应地，在光接收机的判决器之后，附加一个
解扰器，以恢复原始序列。
扰码改变了“１”码与,0”码的分布,从而改
善了码流的一些特性。
例如：
扰码前,1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 …
扰码后,1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 …
2011-7-17 54
扰码有下列缺点：
不能完全控制长串连“１”和长串连,0”序列的出
现；
没有引入冗余,不能进行在线误码监测；
信号频谱中接近于直流的分量较大,不能解决基线
漂移。
因为扰码不能完全满足光纤通信对线路码型的要
求,所以许多光纤通信设备除采用扰码外还采用其它
类型的线路编码。
2011-7-17 55
4,mBnB
mBnB码是把输入的二进制原始码流进行分组，
每组有 m个二进制码，记为 mB，称为一个码字，然
后把一个码字变换为 n个二进制码，记为 nB，并在同
一个时隙内输出。
这种码型是把 mB变换为 nB，所以称为 mBnB码，
其中 m和 n都是正整数,n>m，一般选取 n=m+1。
mBnB码有 1B2B,3B4B,5B6B,8B9B,17B18B等
等。
2011-7-17 56
mBnB
最简单的 mBnB码是 1B2B码，即曼彻斯特码，
这就是把原码的“０”变换为,01”,把,1”变
换为,10”。
因此最大的连“０”和连“１”的数目不会
超过两个，例如 1001和 0110。但是在相同时隙内，
传输 1比特变为传输 2比特,码速提高了 1倍。
2011-7-17 57
以 3B4B码为例，输入的原始码流 3B码，共有（ 23） 8个
码字,变换为 4B码时,共有 (24)16个码字，见表。
为保证信息的完整传输，必须从 4B码的 16个码字中挑选 8
个码字来代替 3B码。 设计者根据最佳线路码特性的原则来选
择码表。
例如：在 3B码中有 2个,0”，变为 4B码时补 1个“１”；
在 3B码中有 2个,1”,变为 4B码时补 1个,0”。而 000用 0001和
1110交替使用； 111用 0111和 1000交替使用。同时，规定一些
禁止使用的码字,称为禁字，例如 0000和 1111。
2011-7-17 58
0111 1111111
0110 1110110
0101 1101101
0100 1100100
0011 1011011
0010 1010010
0001 1001001
0000 1000000
4B3B
表 3B和 4B的码字
2011-7-17 59
作为普遍规则，引入“码字数字和” (WDS)来描述码字
的均匀性，并以 WDS的最佳选择来保证线路码的传输特性。
所谓“码字数字和”，是在 nB码的码字中，用,-1”代表
,0”码,用,+1”代表“１”码，整个码字的代数和即为 WDS。
如果整个码字“１”码的数目多于,0”码，则 WDS为正；
如果,0”码的数目多于,1”码,则 WDS为负；如果,0”码和
,1”码的数目相等，则 WDS为 0。
例如：对于 0111,WDS=+2；对于 0001，
WDS=-2；对于 0011,WDS=0。
2011-7-17 60
nB码的选择原则是：尽可能选择 |WDS|最小的码字, 禁止
使用 |WDS|最大的码字 。
以 3B4B为例, 应选择 WDS=0和 WDS=± 2的码字, 禁止使
用 WDS=± 4的码字 。
线路码（ 4B）信号码（ 3B）
模式 2（负组）模式 1（正组）
WDS码子WDS码子
-20010+211011117
-21000+201111106
01010010101015
01001010011004
00110001100113
00101001010102
-20001+211100011
-20100+210110000
表 一种 3B4B码表
2011-7-17 61
我国 3次群和 4次群光纤通信系统最常用的线路码型是
5B6B码，其编码规则如下：
5B码共有 (25)32个码字，变换 6B码时共有 (26)64个码字，
其中 WDS=0有 20个,WDS=± 2有 15个,WDS=-2有 15个，共有 50
个 |WDS|最小的码字可供选择。
由于变换为 6B码时只需 32个码字，为减少连“１”和连
,0” 的数目,删去,000011,110000,001111和
111100。
禁用 WDS=± 4和 ± 6的码字。 表 4示出根据这个规则编制
的一种 5B6B码表，正组和负组交替使用。 表中正组选用 20
个 WDS=0和 12个 WDS=+2，负组选用 20个 WDS=0和 12个 WDS=-2。
2011-7-17 62
2011-7-17 63
线路码（ 6B）信号码（ 5B）
模式 2（负组）模式 1（正组）
WDS码子WDS码子
-2000101+21110101111131
-2001001+21101101111030
-2010001+2101101110129
011100001110001110028
-2000110+21110011101127
011010001101001101026
011001001100101100125
续表
2011-7-17 64
mBnB码是一种分组码, 设计者根据传输特性的要求确定
某种码表 。 mBnB码的特点是：
(1) 码流中, 0”和, 1”码的概率相等, 连, 0”和连, 1”
的数目较少, 定时信息丰富 。
(2) 高低频分量较小, 信号频谱特性较好, 基线漂移小
(3) 在码流中引入一定的冗余码, 便于在线误码检测 。
mBnB码的缺点是传输辅助信号比较困难 。 因此, 在要求
传输辅助信号或有一定数量的区间通信的设备中, 不宜用这
种码型 。
2011-7-17 65
4.4 数字光纤系统的两种传输体制
光纤大容量数字传输目前都采用同步时分复用
(TDM)技术。 复用又分为若干等级，先后有两种传
输体制：准同步数字系列 (PDH)、同步数字系列
(SDH)
随着光纤通信技术和网络的发展, PDH遇到了许
多困难 。 SDH解决了 PDH存在的问题, 是一种比较
完善的传输体制, 现已得到大量应用 。 这种传输体制
不仅适用于光纤信道, 也适用于微波和卫星干线传输 。
2011-7-17 66
一,
数字复接实质上是对数字信号的时分多路复用 。
数字复接系统组成原理如图所示 。
数字复接设备由数字复接器和数字分接器组成 。
数字复接器将若干个低等级的支路信号按时分
复用的方式合并为一个高等级的合路信号 。
数字分接器将一个高等级的合路信号分解为原来
的低等级支路信号 。
2011-7-17 67
定 时
码
速
调
整
复
接
定 时
恢
复
分
接
同
步
1
2
3
4
1
2
3
4
支路
外钟
复接器
合路
分接器
支路
图 数字复接系统组成原理
2011-7-17 68
码速调整单元：对输入各支路信号的速率和相位
进行调整, 形成与本机定时信号完全同步的数字信
号, 使输入的各支路信号是同步的 。
定时单元：受时钟控制, 产生复接需要的各种
定时控制信号 。
分接器：合路数字信号和相应的时钟同时送给
分接器 。 分接器的定时单元受合路时钟控制, 因此
它的工作节拍与复接器定时单元同步 。
同步单元：从合路信号中提出帧同步信号, 用
它再去控制分接器定时单元 。
恢复单元：把分解出的数字信号恢复出来 。
2011-7-17 69
在数字复接中，如果复接器输入端的各支路
信号与本机定时信号是同步的，则称为同步复接器。
如 SDH
如果不是同步的,则称为异步复接器。
输入各支路数字信号与本机定时信号标称速率
相同，但实际上有一个很小的容差,这种复接器
称为准同步复接器。如 PDH
2011-7-17 70
二, 准同步数字系列 PDH
准同步数字系列有两种基础速率：
以 1.544 Mb/s为第一级 (一次群, 或称基群 )基础
速率, 采用的国家有北美各国和日本；
以 2.048 Mb/s为第一级 (一次群 )基础速率, 采用
的国家有西欧各国和中国 。
2011-7-17 71
2011-7-17 72
对于以 2.048 Mb/s为基础速率的制式, 各次群的话
路数按 4倍递增, 速率的关系略大于 4倍 。
对于以 1.544 Mb/s为基础速率的制式, 在 3次群以
上, 日本和北美各国又不相同, 看起来很杂乱 。
PDH各次群比特率相对于其标准值有一个规定的
容差, 而且是异源的, 通常采用正码速调整方法实现
准同步复用 。
1次群至 4次群接口比特率早在 1976年就实现了标准
化, 并得到各国广泛采用 。
PDH主要适用于中, 低速率点对点的传输 。
2011-7-17 73
在这种形势下, 现有 PDH的许多缺点也逐渐暴露
出来, 主要有：
(1) 北美, 西欧和亚洲所采用的三种数字系列互
不兼容 。
(2) 各种复用系列都有其相应的帧结构, 没有足
够的开销比特, 使网络设计缺乏灵活性 。
(3) 复接 /分接设备结构复杂, 上下话路价格昂贵 。
2011-7-17 74
三, 同步数字系列 SDH
1,SDH传输网
SDH不仅适合于点对点传输, 而且适合于多点之
间的网络传输 。
图示出 SDH传输网的拓扑结构 。
SDH传输网由 SDH终接设备 (或称 SDH终端复用
器 TM),分插复用设备 ADM,数字交叉连接设备
DXC等网络单元以及连接它们的 (光纤 )物理链路构
成 。
图 SDH传输网的典型拓扑结构
TM ADM DXC ADM TM
TM
TM ADM
STM- n
STM- n
DXC ADM TM
STM- N
STM- N
STM-N
STM- N
STM- N STM- N STM- N
STM- n
STM- n
低速
信号
低速
信号
……
低速
信号
低速
信号
(n<N)
SDH终端的主要功能是：复接 /分接和提供业务适配
SDH终端的复接 /分接功能主要由 TM设备 完成。
MUX
E
1
E
1
…
STM-N
同步复接
DMX
E
1
E
1
…
STM-N
同步分接
图 SDH传输网络单元 (a) 终端复用器 TM；
ADM是一种特殊的复用器
它利用分接功能将输入信号所承载信息分两部分：
一部分直接转发；一部分卸下给本地用户然后信息
又通过复接功能将转发部分和本地上送的部分合成输出
DMX MUX
中继线
STM-N
中继线
STM-N
Add
STM-n
分接 复接Drop
STM- n
本地
图 SDH传输网络单元分插复用设备 ADM(Add/DropMultiplexer)
DXC类似于交换机，它一般有多个输入和多个输出，
通过适当配置可提供不同的端到端连接。
1,m
1,m
…
m:1
m,1
复接交叉连接矩阵分接
1
n
1
n
配置管理
图 SDH传输网络单元数字交叉连接设备 DXC
2011-7-17 79
2,SDH具有下列特点：
(1) SDH采用世界上统一的标准传输速率等级 。 最低的等
级也就是最基本的模块称为 STM-1,传输速率为 155.520 Mb/s；
4个 STM-1 同步复接组成 STM-4,传输速率为 622.080 Mb/s；
16个 STM-1 组成 STM-16,传输速率为 2488.320 Mb/s,以此类
推 。
(2) SDH各网络单元的光接口有严格的标准规范 。 因此,
光接口成为开放型接口, 这有利于建立世界统一的通信网络 。
标准的光接口综合进各种不同的网络单元, 简化了硬件, 降
低了网络成本 。
(3) 在 SDH帧结构中, 丰富的开销比特用于网络的运行,
维护和管理, 便于实现性能监测, 故障检测和定位, 故障报告
等管理功能 。
2011-7-17 80
(4) 采用数字同步复用技术, 其最小的复用单位为字节,
不必进行码速调整, 简化了复接分接的实现设备, 由低速信号
复接成高速信号, 或从高速信号分出低速信号, 不必逐级进行 。
(5) 采用数字交叉连接设备 DXC可以对各种端口速率进行
可控的连接配置, 对网络资源进行自动化的调度和管理, 既提
高了资源利用率, 又增强了网络的抗毁性和可靠性 。
SDH采用了 DXC后, 大大提高了网络的灵活性及对各种业
务量变化的适应能力, 使现代通信网络提高到一个崭新的水平 。
图 分插信号流程的比较
光
/
电
光信号
分接
分接
分接
140/34 Mb/s
34/8 Mb/s
8/2 Mb/s
复接
复接
复接
电
/
光
光信号
2/8 Mb/s
8/34 Mb/s
34/140 Mb/s
2 Mb/s (电信号 )
SDH
ADM 155 Mb/s光接口155 Mb/s光接口
2 Mb/s (电信号 )
PDH
PDH和 SDH分插信号流程的比较
采用 SDH分插复用器 (ADM),可以利用软件一次直接分出和
插入 2 Mb/s支路信号, 十分简便 。
2011-7-17 82
3.SDH
SDH帧结构是实现数字同步时分复用, 保证网络可
靠有效运行的关键 。
图给出 SDH帧一个 STM-N帧有 9行, 每行由 270× N个
字节组成 。
这样每帧共有 9× 270× N个字节每字节为 8 bit。
帧周期为 125μ s,每秒传输 8000帧 。 对于 STM-1而
言, 传输速率为 9× 270× 8× 8000=155.520 Mb/s。
字节发送顺序为：由上往下逐行发送, 每行先左后
右 。
图 SDH帧的一般结构
S O H
1
2
A U - P TR
3
4
5
S O H
…
9
S T M - N 载荷
(含 P O H )
9× N 2 6 1 × N
2 7 0 × N
发送顺序
2011-7-17 84
SDH帧的三个部分：
(1) 段开销 (SOH)。 段开销是在 SDH帧中为保证信
息正常传输所必需的附加字节, 主要用于运行, 维
护和管理, 如帧定位, 误码检测, 公务通信, 自动
保护倒换以及网管信息传输 。
(2) 信息载荷 (Payload)。 信息载荷域是 SDH帧内用于
承载各种业务信息的部分 。 在 Payload中包含少量字
节用于通道的运行, 维护和管理, 这些字节称为通
道开销 (POH)。
2011-7-17 85
根据图的传输通道连接模型, 段开销又细分为
再生段开销 (SOH)和复接段开销 (LOH)。 前者占前 3
行, 后者占 5～ 9行 。
(3) 管理单元指针 (AU PTR)。
管理单元指针是一种指示符, 主要用于指示
Payload第一个字节在帧内的准确位置 (相对于指针
位置的偏移量 )。
采用指针技术是 SDH的创新, 结合虚容器 (VC)
的概念, 解决了低速信号复接成高速信号时, 由于
小的频率误差所造成的载荷相对位置漂移的问题 。
2011-7-17 86
4,SDH复用原理
ITUT规定了 SDH的一般复用映射结构。
所谓映射结构,是指把支路信号适配装入虚容
器的过程，其实质是使支路信号与传送的载荷同
步。
这种结构可以把目前 PDH的绝大多数标准速率
信号装入 SDH帧。
图示出 SDH一般复用映射结构，图中 C-n是标
准容器,用来装载现有 PDH的各支路信号,并完
成速率适配处理的功能。
2011-7-17 87
在标准容器的基础上，加入少量通道开销 (POH)
字节，即组成相应的虚容器 VC。
VC的包络与网络同步，但其内部则可装载各
种不同容量和不同格式的支路信号。
引入虚容器的概念，使得不必了解支路信号的
内容，便可以对装载不同支路信号的 VC进行同步复
用、交叉连接和交换处理，实现大容量传输。
图 SDH的一般复用映射结构
S T M - N A U G AU - 4 VC - 4
TU - 2 VC - 2 C - 2
TU - 12 VC - 12 C - 12
TU - 11 VC - 11 C - 11
TU G - 2
×1
×3
×4
C - 3
VC - 3TU - 3
VC - 3
TU G - 3
×1
×7
×7
×3
C - 4
1 3 9 2 6 4 k b / s
4 4 7 3 6 k b / s
3 4 3 6 8 k b / s
6 3 1 2 k b / s
2 0 4 8 k b / s
1 5 4 4 k b / s
AU - 3
× N ×1
×3
指针 处理
复用
定位 校准
映射
2011-7-17 89
由于在传输过程中, 不能绝对保证所有虚容器的起始相位
始终都能同步, 所以要在 VC 的前面加上管理单元指针 (AU
PTR),以进行定位校准 。
加入指针后组成的信息单元结构分为管理单元 (AU)和支路
单元 (TU)。
AU由高阶 VC(如 VC-4)加 AU指针组成, TU由低阶 VC加 TU
指针组成 。
TU经均匀字节间插后, 组成支路单元组 (TUG),然后组成
AU-3或 AU-4。
3个 AU-3或 1个 AU-4组成管理单元组 (AUG),加上段开销
SOH,便组成 STM-1同步传输信号； N个 STM-1 信号按字节同
步复接, 便组成 STM-N。
2011-7-17 90
举例：由 PDH的 4次群信号到 SDH的 STM-1的复接过程
把 139.264 Mb/s的信号装入容器 C-4,经速率适配处理后,
输出信号速率为 149.760 Mb/s; 在虚容器 VC-4内加上通道开销
POH后, 输出信号速率为 150.336 Mb/s；
在管理单元 AU-4内, 加上管理单元指针 AU PTR(每帧 9
Byte,相应于 0.576 Mb/s),输出信号速率为 150.912 Mb/s; 由 1
个 AUG加上段开销 SOH,输出信号速率为 155.520 Mb/s,即为
STM-1。
2011-7-17 91
5,SDH的应用
SDH可用于点对点传输, 链形网和环形网 。
SDH环形网的一个突出优点是具有, 自愈, 能力 。
当某节点发生故障或光缆中断时, 仍能维持一定
的通信能力 。
网形 SDH网络的主要特点是：
端到端之间存在一条以上的路径, 可同时构成一
条以上的传输通道, 通过 DXC的灵活配置, 使网络具有
更好的抗毁性和更高的可靠性 。
图 SDH用于点对点传输
SDH
TM
SDH
TM
… 支路
信号
…支路
信号
STM- N
再生中继器
图 SDH链形网
SDH
TM
SDH
TM
… 支路
信号
…支路
信号
SDH
ADM
STM-n
(n＜ N)
STM- N STM-N
STM-n
图 SDH环形网 (双环 )
SDH
ADM
SDH
ADM
SDH
ADM
SDH
ADM
… 支路
信号
…
支路信号
…支路
信号
