第5章光纤传输系统 5.1光纤通信系统基础 5.2 SDH光纤传输系统 。 5.3异步传输模式(ATM)技术 5.4P互联网 5.5光纤/电缆混合(HFC)网 5.6波分复用(WDM)系统 5.7 正交频分复用(O-OFDM)光纤传输系 统 5.8 光纤技术在移动通信中的应用 《光纤通信简明教程》原荣
《光纤通信简明教程》原荣 1 第5章 光纤传输系统 • 5.1 光纤通信系统基础 • 5.2 SDH光纤传输系统 • 5.3 异步传输模式（ATM）技术 • 5.4 IP互联网 • 5.5 光纤/电缆混合（HFC）网 • 5.6 波分复用（WDM）系统 • 5.7 光正交频分复用（O-OFDM）光纤传输系 统 • 5.8 光纤技术在移动通信中的应用
前言 至此，我们已介绍了构成光纤传输系统所必须的传输 介质一光军和光缆，用宇疫射光信号的激光器和光发 射机，用于接收光信号的光探测器和光接收机，在传 输线路中对光信号进行放大的光放大器，以及光纤传 输系统经常角到的光无源器件。 本章将首先简要介绍数字通信的基础— 脉冲编码 （PCM),光纤传输系统用到的调制、编码和复用技 术；接着讲解光纤通信系统或网络，如同步数字制式 (SDH)系统、异步传输模式(ATM)技术和国际互 联网协议(P);然后介绍光纤/电缆混合（FC)网、 波分复用(WDM)系统；最后给出光正交频分复用 (O-OFDM)光纤传输系统和射频信号光纤传输 (RoF)系统。 《光纤通信简明教程》原荣 2
《光纤通信简明教程》原荣 2 前言 • 至此，我们已介绍了构成光纤传输系统所必须的传输 介质—光纤和光缆，用于发射光信号的激光器和光发 射机，用于接收光信号的光探测器和光接收机，在传 输线路中对光信号进行放大的光放大器，以及光纤传 输系统经常用到的光无源器件。 • 本章将首先简要介绍数字通信的基础——脉冲编码 （PCM），光纤传输系统用到的调制、编码和复用技 术；接着讲解光纤通信系统或网络，如同步数字制式 （SDH）系统、异步传输模式（ATM）技术和国际互 联网协议（IP）；然后介绍光纤/电缆混合（HFC）网、 波分复用（WDM）系统；最后给出光正交频分复用 （O-OFDM）光纤传输系统和射频信号光纤传输 （RoF）系统
5.1概述 ·5.1.1脉冲编码一将模拟信号变为数字 信号 ·5.1.2信道编码一减少误码方便时钟提 取 。 5.1.3信道复用—提高信道容量，充分 利用光纤带宽 ·5.1.4光调制一让光携带声音和数字信 号 《光纤通信简明教程》原荣 3
《光纤通信简明教程》原荣 3 5.1 概述 • 5.1.1 脉冲编码——将模拟信号变为数字 信号 • 5.1.2 信道编码——减少误码方便时钟提 取 • 5.1.3 信道复用——提高信道容量，充分 利用光纤带宽 • 5.1.4 光调制——让光携带声音和数字信 号
5.1.1 脉冲编码 将模拟信号变为数字信号 光纤通信系统光源的发射功率和线性都有限，因此通 常选择二进制脉冲传输，，因为传输二进制脉冲信号对 接收机SNR的要求非常低(15.6dB),对光源的非线 性要求也不苛刻。 脉冲编码调制(Pulse-.Code Modulation,PCM)是光 纤传输模拟信号的基楚。解码后的基带信号质量几乎 只写编码参数有芙，而与接收到的SR关系不天。假 如接收到的信号质量不低于一定的误码率，此时解码 SNR只与编码比特数有关。 图5.1.1表示PCM编码过程。在说明该图之前，让我们 简要地介绍一下实现PCM通信的3个最基本的过程， 即取样、量化和编码。 《光纤通信简明教程》原荣 4
《光纤通信简明教程》原荣 4 5.1.1 脉冲编码—— 将模拟信号变为数字信号 • 光纤通信系统光源的发射功率和线性都有限，因此通 常选择二进制脉冲传输，因为传输二进制脉冲信号对 接收机SNR的要求非常低（15.6 dB），对光源的非线 性要求也不苛刻。 • 脉冲编码调制（Pulse-Code Modulation，PCM）是光 纤传输模拟信号的基楚。解码后的基带信号质量几乎 只与编码参数有关，而与接收到的SNR关系不大。假 如接收到的信号质量不低于一定的误码率，此时解码 SNR只与编码比特数有关。 • 图5.1.1表示PCM编码过程。在说明该图之前，让我们 简要地介绍一下实现PCM通信的3个最基本的过程， 即取样、量化和编码
1.取样 取样是分别以固定的时间间隔T取出模拟信号的瞬时幅 度值（简称样值）的过程，如图5.1.1b)所示。要想实现 模拟数字(AD)变换，首先要进行取样。 取样定理：若取样频率不小于模拟信号带宽的两倍，则 取样后的样值波形只需通过低通滤波器即可恢复出原 始的模拟信芎波形。 图5.1.1(b)表示具体的取样过程，由图可见，时间上连 续的信号变成了时间上离散的信号，因而给时分多路 复用技术奠定了基础。，但这种样值信号，本身在幅度 取催上仍是莲续的（称为脉冲幅度调制(PAM)信 晁！问置采隋馨腹福数家个羲春积装察的干 《光纤通信简明教程》原荣 5
《光纤通信简明教程》原荣 5 1. 取样 • 取样是分别以固定的时间间隔T取出模拟信号的瞬时幅 度值(简称样值)的过程，如图5.1.1 (b)所示。要想实现 模拟/数字(A/D)变换,首先要进行取样。 • 取样定理: 若取样频率不小于模拟信号带宽的两倍，则 取样后的样值波形只需通过低通滤波器即可恢复出原 始的模拟信号波形。 • 图5.1.1(b)表示具体的取样过程，由图可见，时间上连 续的信号变成了时间上离散的信号，因而给时分多路 复用技术奠定了基础。但这种样值信号，本身在幅度 取值上仍是连续的（称为脉冲幅度调制（PAM）信 号），因此仍属模拟信号，它不仅无法抵御噪声的干 扰，而且也不能用有限位数的二进码组加以表示
个 (a) 任意单位 86420 图 (b)取样 86 5.1.1 42。 PCM T米T米T 米T 6) (7) (c)量化 编码 数字信号 (4) (5) (3) (5) (1) (0) 过程 1 (d)编码 0 TΠL 100110111101011101001000 《光纤通信简明教程》原荣 6
《光纤通信简明教程》原 荣 6 图 5.1.1 PCM 编码 过程 1 0 1 1 2468 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 T T T (4) (5) (5) (6) (7) (3) (1) tttt 数字信号任意单位 模拟 信号 (a) (b) 取样 (c) 量化 (d)编码 10 1 1 0 0 1 T (0) 0 0 0 024680 0
2.量化 所谓量化指的是将幅度为无限多个连续样值变成有限 个离散样值的处理过程。 具体来说，就是将样值的幅度变化范围划分成若干个 小间隔，每一个小间隔称之为一个量化级，当某一样 值落入在某一个小间隔内时，可采用“四舍五入”的 方法分级取整，近似看成某一规定的标准数值。这样 一来，就可以用有限个标准数值来表示样值的大小。 当然量化后的信号和原来的信号是有差别的，称之为 量化误差，对于图5.1.1(c)所示的均匀量化，各段的量 化误差均为士0.5。经过量化后的各样值可用有限个值 来表示，进而即可进行编码。 《光纤通信简明教程》原荣 7
《光纤通信简明教程》原荣 7 2. 量化 • 所谓量化指的是将幅度为无限多个连续样值变成有限 个离散样值的处理过程。 • 具体来说，就是将样值的幅度变化范围划分成若干个 小间隔，每一个小间隔称之为一个量化级，当某一样 值落入在某一个小间隔内时，可采用“四舍五入”的 方法分级取整，近似看成某一规定的标准数值。这样 一来，就可以用有限个标准数值来表示样值的大小。 • 当然量化后的信号和原来的信号是有差别的，称之为 量化误差，对于图5.1.1(c)所示的均匀量化，各段的量 化误差均为0.5。经过量化后的各样值可用有限个值 来表示，进而即可进行编码
3.编码 所谓编码指的是用一组组合方式不同的二进制码来替代量化后的样值信号 的处理过程。 我们知道，二进制码与状态“电平值”的关系为 N=2” (5.1.1) 其中为二进制代码所包含的比特个数，N为所能表示的不同状态（电平值）。 换句话说，当样值信号被划分为N个不同的电平幅度时，每一个样值信号需 要用 n l0g2 N (5.1.2) 个二进制码元表示。 在图5.1.1(c)(d中，每一样值划分为8种电平幅度(0~)，即N=8,所以每 样值需用=3个码元表示，对于3位二进制码而言，与各样值的对应关系如 表5.1.1所示。 《光纤通信简明教程》原荣 8
《光纤通信简明教程》原荣 8 3. 编码 所谓编码指的是用一组组合方式不同的二进制码来替代量化后的样值信号 的处理过程。 我们知道，二进制码与状态“电平值”的关系为 N n = 2 (5.1.1) 其中n为二进制代码所包含的比特个数，N 为所能表示的不同状态(电平值)。 换句话说，当样值信号被划分为 N 个不同的电平幅度时，每一个样值信号需 要用 n log2 N (5.1.2) 个二进制码元表示。 在图 5.1.1(c)(d)中,每一样值划分为 8 种电平幅度(0~7)，即 N = 8，所以每一 样值需用 n = 3 个码元表示，对于 3 位二进制码而言，与各样值的对应关系如 表 5.1.1 所示
表5.1.1 8个样值电平值与二进制 代码的对应关系 样值电平值 0 1 2 3 4 5 6 7 二进制代码 000 001 010 011 100 101 110 111 至此，将一路模拟信号变成用二进制代码表示 的脉冲信号的处理过程就结束了。所产生的信 号称之为PCM信号。而描述所含信息量的大小， 可用传输速率来表示，即每秒钟所传输的码元 (比特)数目（比特/秒，bit/s) 《光纤通信简明教程》原荣
《光纤通信简明教程》原荣 9 表5.1.1 8个样值电平值与二进制 代码的对应关系 • 至此，将一路模拟信号变成用二进制代码表示 的脉冲信号的处理过程就结束了。所产生的信 号称之为PCM信号。而描述所含信息量的大小， 可用传输速率来表示，即每秒钟所传输的码元 （比特）数目（比特/秒，bit/s）。 样值电平值 0 1 2 3 4 5 6 7 二进制代码 000 001 010 011 100 101 110 111
我国PCM通信制式的基础速率 话音信号的频带为300~3400Hz,取上限频率为4000Hz,按取 样定理，取样频率为天=8kHz(即每秒取样8000次)，取样时间 间隔T=1/f=1/8k=125us,在125us时间间隔内要传输8个二进 制代码（比特），每个代码所占时间为Tb=125/8μs,所以每路数 字电话的传输速率为B=1/T,=64kb/s(或者8bit/每次取样×8000 次/每秒取样).如果传输32路PCM电话，则传输速率为64kb/s×32 =2048kb/s（也就是8bit/每个取样值×32个取样值/每次×8000 次/每秒)。这一速率就是我国PCM通信制式的基础速率。 《光纤通信简明教程》原荣 10
《光纤通信简明教程》原荣 10 我国PCM通信制式的基础速率 话音信号的频带为 300~3 400 Hz，取上限频率为 4 000 Hz，按取 样定理，取样频率为 fs = 8 kHz（即每秒取样 8 000 次），取样时间 间隔 T = 1/fs = 1/8 k = 125 s，在 125 s 时间间隔内要传输 8 个二进 制代码（比特），每个代码所占时间为 Tb = 125/8 s，所以每路数 字电话的传输速率为 B =1 Tb = 64 kb/s（或者 8 bit/每次取样 8 000 次/每秒取样）。如果传输 32 路 PCM 电话，则传输速率为 64 kb/s 32 = 2048 kb/s（也就是 8 bit/每个取样值 32 个取样值/每次 8 000 次/每秒）。这一速率就是我国 PCM 通信制式的基础速率