SONET原理讲座《物理层》

kin

4 物理层
本章先容了SONET传输中物理层中的各种光、电参数，以使厂商设备在物理层单能够兼容。4.1节概述了物理层的分类，4.2节详细先容4.1节中提到的各种应用的光参数需求，4.3是单模光传输系统工程的方法论，4.4节则详细先容SONET的电接口。各位读者可以有选择的阅读。

4.1 物理层分类
SONET信号即可以用电方式传输，也可以用光方式传输。但由于技术上的限制，电方式传输主要用于短距离和低速率场合，而光传输则可用于从短距到长距，从低速到高速非常广阔的领域。为了简化SONET光系统的兼容性开发，有必要对光接口进行分类。
基本分类如下：
短距离SR（Short Reach）光接口：系统衰减从0dB~4dB或7dB，按照SONET分级，SR发送器可以是发光二极管(LEDs)、低功率(50uW或-13dBm)的多纵模(MLM)激光器，在OC-192速率等级，高功率(500uW或-3dBm)的单纵模(SLM)激光器。
【比较】SDH中对应的是局内（intraoffice）。
中距离IR（Intermediate Reach）光接口：系统衰减从0dB~11dB或12dB。低速率等级使用低功率的SLM或MLM激光器，高速率等级使用高功率的SLM激光器。
【比较】SDH中对应的是局间短距（Short haul）。
长距离LR（Long Reach）光接口：系统衰减在10dB~22dB或24dB或28dB（依赖于比特速率）。典型的长距通讯系统中，LR接口是基于高功率MLM或SLM激光器。另外，在OC-192速率，发送器和接收器通常都要使用光放大器，有时还必须色散补偿。
【比较】SDH中对应的是局间长距（Long haul）。
超长距离VR（Very-Long Reach）光接口：系统衰减大于33dB，而且通常只用在OC-192速率。典型的长距离通讯系统中，VR接口是基于SLM激光器，在发送和接收侧的光放大器和色散补偿。
电接口：同异步体制的DSX型接口兼容，用于STS-1和STS-3等级。
另外，每一种应用都应该考虑发送器的使用是1310nm还是1550nm波长，光纤是传统的单模光纤（C-SMF）还是色散位移单模光纤（DSF）。同时还要考虑在发送器后是否使用增益放大器（BA），在接收器前是否使用前置放大器（PA），在传输线路上是否使用线路放大器（LA）等等。请参考表4-1。
表4-1：应用种类
应用种类        比特速率        波长（nm）        光纤类型        色散补偿方式        放大器位置
SR-1        ALL        1310        C-SMF        -                -
SR-2        192        1550        C-SMF        -                -
IR-1        ALL        1310        C-SMF        -                -
IR-2        ALL        1550        C-SMF        -                -
LR-1        ALL        1310        C-SMF        -                BA
LR-2        1,3,12,48        1550        C-SMF        -                -
LR-2a        192        1550        C-SMF        PDC                PA
LR-2b        192        1550        C-SMF        SPM                BA
LR-2c        192        1550        C-SMF        PCH                PA
LR-3        ALL        1550        DSF        -                BA
VR-1        192        1310        C-SMF        -                BA，PA
VR-2a        192        1550        C-SMF        PDC                BA，PA
VR-3        192        1550        DSF        -                BA，PA
表注：        ALL        全部的速率 1，3，12，48，192
        -        无应用
        PDC        无源色散补偿
        SPM        自相位调制
        PCH        预啁啾
【比较】SDH中对应用种类的编号更细致一些，比如对于SR-1，SDH中对不同的速率又分为I-1、I-4、I-16。具体可以参见表4-2：
表4-2：SONET和SDH分类对应表
SONET应用种类                比特速率                对应的SDH分类
SR-1                             OC-1               
                        OC-3                I-1
                        OC-12                I-4
IR-1                              OC-1               
                        OC-3                S-1.1
                        OC-12                S-4.1
                        OC-48                S-16.1
IR-2                        OC-1               
                        OC-3                S-1.2
                        OC-12                S-4.2
                        OC-48                S-16.2
LR-1                        OC-1               
                        OC-3                L-1.1
                        OC-12                L-4.1
                        OC-48                L-16.1
LR-2                       OC-1               
                        OC-3                L-1.2
                        OC-12                L-4.2
                        OC-48                L-16.2
LR-3                       OC-1               
                        OC-3                L-1.3
                        OC-12                L-4.3
                        OC-48                L-16.3

4.2 光学参数定义和接口需求
1、通用标准
图4-1 光传输系统接口（点R和点S）
点S是发送器Tx.、光连接器CTx后的参考点，点R是接收器Rx、接收连接器CRx前的参考点。点S和R将光传输链路方便分割成发送段、接收段和连接段，光参数也按这3个区段来划分。所有的参数值均为最坏值。设计目标是在最极端的光通道衰减和色散条件下仍然满足误码率不劣于10-10（OC-1到OC-48）或10-12（OC-192）的要求。
2、光线路码型
SONET光传输系统中，要求使用NRZ（非归0码）线路码型。
3、反射
反射是由于光通路折射率的不连续引起的。如果不加以控制，反射通过对激光器的干扰或者由于多重发射导致对接收器的干涉噪声会降低系统性能。
4、发送机
按照衰减、色散特性和分级应用，发送机分为LEDs、MLM激光器、SLM激光器。它们的性能指标主要有以下几点：
1）光谱特性
：中心波长。
：工作波长的范围。它定义了在温度、老化、反射等情况变化时，工作波长围绕中心波长的波动范围。
：均方根光谱宽度。
：最大－20dB光谱宽度。单纵模激光器在全调制时，中心波长最大峰值功率跌落到20dB时的光谱宽度。它不使用于MLM和LED。
：电信噪比最小值
：光信噪比最小值
：源频率啁啾系数，它定义为  ， 是光信号的相位，P是信号功率。
：光谱功率密度最大值。
：边模抑制比最小值。
边模抑制比定义为   单纵模激光器在全调制下，主模的平均光功率 M1和最显著的边模的光功率M2的比值。
比较】SDH发送机的光谱特性主要关注最大均方根宽度、最大-20dB宽度、最小边模抑制比三个指标。
2）耦合发送功率
：当发送机发送伪随机序列信号时在参考点S所测得的平均光功率的变化范围。
3）消光比
：光源的消光比被定义为最坏反射条件时，全调制条件下逻辑1的能量  和逻辑0的能量  的比值的最小值。
4）眼图模板
在高速率光纤系统中，发送光脉冲的形状不容易控制，常常可能有上升沿、下降沿、过冲、下冲和振铃现象。这些都可能导致接收机灵敏度的劣化，因此要对整个眼图的形状加以限制。
采用眼图模板法比较简便，而且可以捕捉一些观察单个孤立所不易发现的现象。但是由于眼图测量是建立在平均值观察的基础上，因而可能观察不到那些严重影响发送机性能的个别劣化比特。此时尽管眼图合格，但性能却并不好。
5、接收机
接收机主要有接收机灵敏度、过载光功率、反射系数、通道代价等性能指标。
：平均接收光功率的最大、最小值是参考点R在误码率达到10-10（OC-48速率以下）或10-12（OC-192）的接收光功率。
：光通道代价。由参考点S和R之间的光通道上的总的劣化计算。
接收机反射系数：定义为参考点R处的反射光功率与入射光功率之比。
6、光通道
光通道的基本参数有反射、衰减、色散和由偏振模色散（PMD）引起的DGD。前三个对整个系统是非常重要的，DGD对OC-192系统也有重要意义。
7、光参数表
所有的SOENT光参数均可参考BELLCORE建议GR253CORE.003的4.2.7。
4.3 单模光纤传输系统
1、终端设备传输设计
这里先容了传输系统中，终端设备、再生设备必须提供的信息。主要有以下几个方面：
1）发送机信息
发送机主要应该关注光源的类型、发送机连接器、发送机尾纤、最大反射、发射损耗等信息。
2）接收机信息
接收机主要应该关注探测器的类型、连接器和尾纤，接收机灵敏度、过载点，最大色散、色散损耗等信息。
3）衰减器
4）波分复用器
5）无源色散补偿器
6）光纤放大器
7）连接器
8）电缆
9）安全裕度
2、电缆传输设计
参见BELLCORE的GR253CORE.003的4.3.2
3、光纤传输系统设计和分析
参见BELLCORE的GR253CORE.003的4.3.3
4.4 电接口规范
电接口的基本要求：
1）每个方向的传送都用一根同轴线。参考电缆是75欧姆的镀锡的同轴电缆。
2）由于SONET信号是经过扰码的，电接口信号0、1的几率接近0.5，它允许接口的功率按照宽带功率来测量。宽带测量不需要有滚动特性的带通滤波器控制，因此要比窄带测量简便。
3）接口的脉冲形状要符合眼图模板，同时也要符合脉冲模板。在很少的情况下，信号有合适的眼图但是却不负荷脉冲模板。因此，电接口推荐使用脉冲模板来设计和测试。