現(xiàn)代通信系統(tǒng)新技術(shù) (第三版) 課件 第2章 數(shù)字通信

第2章

數(shù)字通信2.1數(shù)字通信系統(tǒng)模型2.2時分多路復(fù)用(TDM)2.3準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)2.4同步數(shù)字體系(SDH)小結(jié)

2.1數(shù)字通信系統(tǒng)模型

1.數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)把原始數(shù)字信號進行簡單變換，不改變信號的頻譜特性，將其送到信道中進行傳輸，而不需調(diào)制器/解調(diào)器的數(shù)字通信系統(tǒng)稱為數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)。數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)模型如圖2-1所示。圖2-1數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)模型

2.數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)

在數(shù)字通信中，要處理好以下幾個問題：第一，數(shù)字信號傳輸時，信道噪聲或干擾所造成的差錯原則上是可以控制的，可通過差錯控制編碼來實現(xiàn)。因此，就需要在發(fā)送端增加一個編碼器，相應(yīng)地，在接收端就需要一個解碼器。第二，當(dāng)需要實現(xiàn)保密通信時，可對數(shù)字基帶信號進行“擾亂”(加密)，此時在接收端必須進行解密。第三，由于數(shù)字通信是一個接一個按一定節(jié)拍傳送數(shù)字信號的，因而接收端必須與發(fā)送端有相同的節(jié)拍；否則，就會因收、發(fā)步調(diào)不一致而造成混亂。

點對點的數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)模型一般如圖2-2所示。圖中，同步環(huán)節(jié)沒有示出，這是因為同步貫穿于通信系統(tǒng)的整個過程，在此主要強調(diào)信號流程的部分。圖2-2點對點的數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)模型

3.模擬信號數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)

上面講述的數(shù)字通信系統(tǒng)中，信源輸出的信號均為數(shù)字基帶信號。實際上，在日常生活中，大部分信號(如語音信號)為連續(xù)變化的模擬信號。那么，要實現(xiàn)模擬信號在數(shù)字系統(tǒng)中的傳輸，必須在發(fā)送端將模擬信號數(shù)字化，即A/D轉(zhuǎn)換；在接收端則需進行相反的轉(zhuǎn)換，即D/A轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)模擬信號數(shù)字化傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)模型如圖2-3所示。圖2-3模擬信號數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)模型

4.數(shù)字通信的主要優(yōu)、缺點

1)數(shù)字通信的主要優(yōu)點

(1)抗干擾、抗噪聲性能好。

(2)差錯可控。

(3)易加密。

(4)易與現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合

2)數(shù)字通信的缺點

(1)頻帶利用率不高。

(2)需要嚴(yán)格的同步系統(tǒng)。

隨著數(shù)字集成技術(shù)的發(fā)展，各種中、大規(guī)模集成器件的體積不斷減小，加上數(shù)字壓縮技術(shù)的不斷完善，數(shù)字通信設(shè)備的體積將會越來越小。所以隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字通信的兩個缺點也顯得越來越不重要了。實踐表明，數(shù)字通信是現(xiàn)代通信的發(fā)展方向。

2.2時分多路復(fù)用(TDM)

2.2.1TDM的基本原理在模擬信號的數(shù)字傳輸中，抽樣定律告訴我們，一個頻帶限制在0～fx以內(nèi)的低通模擬信號x(t)可以用時間上離散的抽樣值來傳輸，抽樣值中包含x(t)的全部信息。當(dāng)抽樣速率fs≥2fx時，可以從已抽樣的輸出信號中用一個帶寬為fx≤B≤fs-fx的理想低通濾波器不失真地恢復(fù)出原始信號。

假設(shè)有N路PAM信號進行時分多路復(fù)用，系統(tǒng)框圖如圖2-4所示。各路信號首先通過相應(yīng)的低通濾波器(LPF)變?yōu)閹扌盘?，然后被送到抽樣電子開關(guān)。電子開關(guān)每Ts秒將各路信號依次抽樣一次，這樣N個樣值按先后順序錯開插入抽樣間隔Ts之內(nèi)，最后得到的復(fù)用信號是N個抽樣信號之和，如圖2-4(e)所示。各路信號脈沖間隔為Ts，各路復(fù)用信號脈沖間隔為Ts/N。由各消息構(gòu)成單一抽樣的一組脈沖叫作一幀，一幀中相鄰兩個脈沖之間的時間間隔叫作時隙，未被抽樣脈沖占用的時隙叫作保護時間。圖2-4TDM系統(tǒng)框圖及波形圖2-4TDM系統(tǒng)框圖及波形

2.2.2TDM信號的帶寬及相關(guān)問題

1.抽樣速率fs、抽樣脈沖寬度τ與復(fù)用路數(shù)N的關(guān)系

由抽樣定理可知，抽樣速率fs≥2fx。以語音信號x(t)為例，通常取fs為8?kHz，即抽樣周期Ts?=?125μs，抽樣脈沖的寬度τ要比125μs還小。

對于N路時分復(fù)用信號，在抽樣周期Ts內(nèi)要順序地插入N路抽樣脈沖，而且各脈沖間要留出一些空隙作為保護時間。若取保護時間tg和抽樣脈沖寬度τ相等，則抽樣脈沖的寬度τ?=?Ts/2N。N越大，τ就越小，但τ不能太小，因此，時分復(fù)用的路數(shù)也不能太多。

2.信號帶寬B與路數(shù)N的關(guān)系

時分復(fù)用信號的帶寬有不同的含義。一般情況下，從信號本身具有的帶寬來考慮，TDM信號是一個窄脈沖序列，它應(yīng)具有無窮大的帶寬，但其頻譜的主要能量集中在0～1/τ以內(nèi)。因此，從傳輸主要能量的觀點來考慮，可得

根據(jù)抽樣定律，一個頻帶限制在fx的信號，只要有2fx個獨立的信息抽樣值，就可用帶寬B?=?fx的低通濾波器恢復(fù)其原始信號。N個頻帶都是fx的復(fù)用信號，它們的獨立對應(yīng)值為2Nfx?=?Nfs。如果將信道表示為一個理想的低通濾波器，那么為了防止組合波形丟失信息，傳輸帶寬必須滿足

3.時分復(fù)用信號仍然是基帶信號

時分復(fù)用后得到的總和信號仍然是基帶信號，只不過這個總和信號的脈沖速率是單路抽樣信號的N倍，即

這個信號可以通過基帶傳輸系統(tǒng)直接傳輸，也可以經(jīng)過頻帶調(diào)制后在頻帶傳輸信道中傳輸。

4.時分復(fù)用系統(tǒng)必須嚴(yán)格同步

在TDM系統(tǒng)中，發(fā)送端的轉(zhuǎn)換開關(guān)與接收端的分路開關(guān)要嚴(yán)格同步，否則系統(tǒng)就會紊亂。實現(xiàn)同步的方法與脈沖調(diào)制的方式有關(guān)。

2.2.3時分復(fù)用的PCM通信系統(tǒng)

PCM和PAM的區(qū)別在于，PCM要在PAM的基礎(chǔ)上量化和編碼，把PAM中的抽樣值量化后編為k位二進制代碼。圖2-5為一個只有三路PCM復(fù)用的方框圖。圖2-5TDM-PCM方框圖

2.2.4PCM30/32路典型終端設(shè)備

交換局內(nèi)，在PCM30/32路端機外加適當(dāng)?shù)氖性挸鋈胫欣^器接口，可與步進制、縱橫制等各式交換機連接，用于市內(nèi)或長途通信。

PCM30/32路端機除提供電話外，還可以通過適當(dāng)接口傳輸數(shù)據(jù)、載波電報、書寫電話等。

上述PCM30/32路端機性能是按CCITT的有關(guān)建議設(shè)計的，其主要指標(biāo)均符合CCITT標(biāo)準(zhǔn)。

1.基本特性

PCM30/32路端機的基本特性如下：

(1)話路數(shù)目：30；

(2)抽樣速率：8kHz；

(3)壓擴特性：13折線A律壓擴，A?=?87.6，編碼位數(shù)k?=?8，采用逐次比較型編碼器，其輸出為折疊二進制碼；

(4)每幀時隙數(shù)：32；

(5)總的碼元速率：8?×?32?×?8000?=?2048kb/s。

2.幀與復(fù)幀結(jié)構(gòu)

幀與復(fù)幀結(jié)構(gòu)見圖2-6。1復(fù)幀等于16幀。圖2-6幀與復(fù)幀結(jié)構(gòu)

(1)時隙分配。在PCM30/32路制式中，抽樣周期為1/8000?=?125μs，稱為一個幀周期，即125?μs為一幀。一幀內(nèi)要時分復(fù)用32路，每路占用的時隙為125/32?=?3.9μs，稱為1個時隙。因此一幀有32個時隙，按順序編號為TS0、TS1、…、TS31。

時隙的使用分配為：

①?TS1～TS15、TS17～TS31為30個話路時隙；

②?TS0為幀同步碼、監(jiān)視碼時隙；

③?TS16為信令(振鈴、占線、摘機等各種標(biāo)志信號)時隙。

(2)話路比特的安排。每個話路時隙內(nèi)要將樣值編為8位二元碼，每個碼元占3.9μs/8?=?488ns，稱為1比特，編號為x1～x8。第1比特為極性碼，第2～4比特為段落碼，第5～8比特為段內(nèi)碼。

(3)?TS0時隙的比特分配。為了使收、發(fā)兩端嚴(yán)格同步，每幀都要傳送一組特定標(biāo)志的幀同步碼組或監(jiān)視碼組，分偶幀和奇幀傳送。幀同步碼組為“0011011”，占用偶幀TS0的第2～8比特。第1比特供國際通信用，不使用時發(fā)送“1”碼。奇幀比特分配的第3位為幀失步告警用，以A1表示，同步時送“0”碼，失步時送“1”碼。為避免奇幀TS0的第2～8比特出現(xiàn)假同步碼組，第2比特規(guī)定為監(jiān)視碼，固定為“1”。第4～8比特為國內(nèi)通信用，目前暫定為“1”。

(4)?TS16時隙的比特分配。若將TS16時隙的碼位按時間順序分配給各話路傳送信令，需要用16幀組成一個復(fù)幀，分別用F0、F1、…、F15表示，復(fù)幀周期為2ms，復(fù)幀頻率為500Hz。復(fù)幀中各子幀的TS16分配為如下：

①?F0幀：第1～4比特傳送復(fù)幀同步碼“0000”；第6比特傳送復(fù)幀失步對局告警信號A2，同步為“0”，失步為“1”；第5、7、8比特傳送“1”碼。

②?F1～F15各幀的TS16前4比特傳送1～15話路的信令信號，后4比特傳送16～30話路的信令信號。

準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)有兩大系列：

(1)?PCM24路系列：北美、日本使用，基群速率為1.544Mb/s；

(2)?PCM30/32路系列：歐洲、中國使用，基群速率為2.048Mb/s。

PDH系統(tǒng)的優(yōu)點主要有三個：易于構(gòu)成通信網(wǎng)，便于分支與插入，具有較高的傳輸效率；可視電話、電視信號以及頻分制信號可與高次群相適應(yīng)；可與多種傳輸媒介的傳輸容量相匹配，如電纜、同軸電纜、微波、波導(dǎo)、光纖等。

2.3準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)

2.3.1數(shù)字復(fù)接的概念和方法

PDH復(fù)用方法與數(shù)字復(fù)接方法是不同的。

PCM復(fù)用方法是直接將多路信號編碼復(fù)用，如基群30/32路，但不適用于高次群。高次編碼速率快，對編碼器元件精度要求高，不易實現(xiàn)，所以，一般不采用高次群。

數(shù)字復(fù)接方法是將幾個低次群在時間的空隙上疊加合成高次群。

圖2-7是數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)的方框圖。圖2-7數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)方框圖

復(fù)接器由定時、碼速調(diào)整和同步復(fù)接單元組成；分接器由同步、定時、分接和支路碼速恢復(fù)單元組成。

在圖2-7中，碼速調(diào)整單元的作用是把各準(zhǔn)同步的輸入支路的數(shù)字信號的頻率和相位進行調(diào)整，形成與本機定時信號完全同步的數(shù)字信號。若輸入信號是同步的，則只需調(diào)整相位。

分接器定時單元產(chǎn)生的各種控制信號與復(fù)接器定時單元產(chǎn)生的各種控制信號是類似的：同步單元從合路信號中提出幀定時信號，再用它控制分接器定時單元；同步分接單元受分接定時單元控制，把合路信號分解為支路數(shù)字信號；受分接器定時單元控制的恢復(fù)單元則把分解出的數(shù)字信號恢復(fù)出來。

數(shù)字復(fù)接的特點是復(fù)接后速率提高了，但各低次群的編碼速率沒有變。

2.3.2同步復(fù)接與異步復(fù)接

1.數(shù)字復(fù)接的實現(xiàn)

1)按位復(fù)接

按位復(fù)接的方法是每次復(fù)接時各低次群的一位編碼形成高次群。如圖2-8(b)是四路集群信號按位復(fù)接的示意圖。圖2-8數(shù)字復(fù)接示意圖

按位復(fù)接的結(jié)果是復(fù)接后每位碼的間隔是復(fù)接前各支路的1/4，即高次群的速率提高到復(fù)接前的4倍。

其特點是復(fù)接電路存儲量小，簡單易行，在PDH中大量使用；不足是破壞了一個字節(jié)的完整性，不利于以字節(jié)(即碼字)為單位的處理和交換。

2)按字復(fù)接

按字復(fù)接的方法是每次復(fù)接按低次群的一個碼字形成高次群。圖2-8(c)是四路信號按字復(fù)接的示意圖。其特點是每個支路都要設(shè)置緩沖存儲器，要求有較大的存儲容量，保證一個字的完整性，有利于按字處理和交換。同步SDH中大多采用這種方法。

2.數(shù)字復(fù)接的同步

數(shù)字復(fù)接同步主要解決下面兩個問題：

(1)同步：被復(fù)接的幾個低次群數(shù)碼率相同。

(2)復(fù)接：不同系統(tǒng)的低次群往往數(shù)碼率不同，是因為各晶體振蕩頻率不相同。

不同步帶來的問題是如果直接將幾個低次群進行復(fù)接，就會產(chǎn)生重疊和錯位，在接收端不可能完全恢復(fù)。圖2-9是兩路信號不同步產(chǎn)生重疊和錯位的示意圖。圖2-9兩路信號不同步產(chǎn)生重疊和錯位示意圖

3.同步復(fù)接

同步復(fù)接是由一個高穩(wěn)定的主時鐘來控制被復(fù)接的幾個低次群，使這幾個低次群的數(shù)碼率統(tǒng)一在主時鐘的頻率上，可直接復(fù)接。同步復(fù)接方法的缺點是一旦主時鐘發(fā)生故障，相關(guān)的通信系統(tǒng)將全部中斷，所以它只限于局部地區(qū)使用。

1)碼速變換與恢復(fù)

碼速變換即為使復(fù)接器、分接器正常工作，在碼流中插入附加碼，這不僅使系統(tǒng)碼速相等，而且能夠在接收端分接。

·附加碼：如對端告警碼、鄰站監(jiān)測、勤務(wù)聯(lián)系等公務(wù)碼。

·移相：復(fù)接之前進行延時處理。

·緩沖存儲器：完成碼速變換和移相。

下面以一次群復(fù)接成二次群為例進行介紹，如圖2-10所示。圖2-10碼速變換與恢復(fù)

同步復(fù)接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(發(fā)送部分)如圖2-11所示。圖2-11同步復(fù)接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(發(fā)送部分)

同步復(fù)接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(接收部分)如圖2-12所示。圖2-12同步復(fù)接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(接收部分)

(1)復(fù)接端的作用：時鐘一致，支路時鐘、復(fù)接時鐘來自同一時鐘源；各支路碼率嚴(yán)格相等(2048kb/s)；緩沖存儲器完成各支路的碼速變換；復(fù)接合成完成各支路合路并在所留空位插入附加碼(包括幀同步碼)。

(2)分接端的作用：時鐘從碼流中提取，產(chǎn)生復(fù)接定時；幀同步保證收、發(fā)間步調(diào)一致；分群分接分開4個支路信號，并檢出公務(wù)碼；緩沖存儲器扣除各自支路附加碼，恢復(fù)原信號。

2)同步二次群的幀結(jié)構(gòu)

同步二次群的幀結(jié)構(gòu)如圖2-13所示。圖2-13同步二次群的幀結(jié)構(gòu)

4.異步復(fù)接

由于各低次群使用自己的時鐘，且各時鐘不一致，因此各低次群的數(shù)碼率不完全相同(不同步)，需要調(diào)整碼速使它們同步后再進行復(fù)接。PDH大多采用這種復(fù)接方法。圖2-14是異步復(fù)接與分解示意圖。圖2-14異步復(fù)接與分解示意圖

其中：

(1)數(shù)字復(fù)接器：把4個低次群(支路)合成一個高次群。

(2)數(shù)字復(fù)接器組成：定時單元—提供統(tǒng)一的時鐘給設(shè)備；碼速調(diào)整單元—使各支路碼速一致，即同步(分別調(diào)整)；復(fù)接單元—將低次群合成高次群。

(3)數(shù)字分接器：把高次群分解成原來的低次群。

(4)數(shù)字分接器組成：定時單元—從接收信號中提?。煌絾卧狗纸悠鲿r鐘與復(fù)接器基準(zhǔn)時鐘同頻、同相，達(dá)到同步；分接單元—將合路的高次群分離成同步支路信號；恢復(fù)單元—恢復(fù)各支路信號為原來的低次群。

采用正碼速調(diào)整與恢復(fù)將2048kb/s調(diào)整為2112kb/s的原理圖如圖2-15所示，其過程說明如下：

碼速調(diào)整裝置用于各支路單獨調(diào)整，將準(zhǔn)同步碼流變成同步碼流。

準(zhǔn)同步碼流是標(biāo)稱數(shù)碼率相同、瞬時數(shù)碼率不同的碼流。

緩沖存儲器是碼速調(diào)整的主體。

fl是寫入脈沖的頻率，與輸入支路的數(shù)碼率相等。

fm是讀出脈沖的頻率，與緩存器支路信碼輸出速率相等。因為是正碼速，所以fm?>?fl。

復(fù)接過程：fl送相位比較器(與fm

比較，fm

起始滯后一個周期)；fm

復(fù)接脈沖送扣除電路(扣與不扣由插入請求決定，請求時扣，不請求時則不扣)，已扣的fm

復(fù)接脈沖送相位比較器(與fl比較)，且作為讀出脈沖；緩存器輸出的fm

碼流有空閑(扣除造成)，防止空讀；插入請求使標(biāo)志信號合成插入；合成電路將fm

和標(biāo)志信號合在一起。圖2-15正碼速調(diào)整與恢復(fù)

相位比較器在fl

和fm

相位幾乎相同時，有輸出。

碼速恢復(fù)裝置用于將分接后的每一個同步碼流恢復(fù)成原來的支路碼流。

恢復(fù)過程：標(biāo)志信號檢出單元有信號輸出時，寫入脈沖扣除扣除1?bit；扣除的寫入脈沖通過緩存器將與輸入的支路信號fm合并輸出，恢復(fù)支路信碼fl。

5.碼速調(diào)整

異步復(fù)接中的碼速調(diào)整技術(shù)可分為正碼速調(diào)整、正/負(fù)碼速調(diào)整和正/零/負(fù)碼速調(diào)整三種，其中正碼速調(diào)整應(yīng)用最為普遍。正碼速調(diào)整的含義是使調(diào)整以后的速率比任一支路可能出現(xiàn)的最高速率還要高。例如，二次群碼速調(diào)整后每一支路速率均為2112kb/s，而一次群調(diào)整前的速率在2048kb/s上下波動，但不會超過2112kb/s。

正碼速調(diào)整的具體實施總是按規(guī)定的幀結(jié)構(gòu)進行的。例如PCM二次群異步復(fù)接時就是按圖2-16所示的幀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的。圖2-16(a)是復(fù)接前各支路進行碼速調(diào)整的幀結(jié)構(gòu)，其長為212bit，共分成4組，每組都是53bit，第Ⅰ組的前3個比特F11、F12、F13用于幀同步和管理控制，后3組的第一個比特C11、C12、C13作為碼速調(diào)整控制比特，第Ⅳ組第2比特V1作為碼速調(diào)整比特。圖2-16異步復(fù)接二次群幀結(jié)構(gòu)

通過圖2-17中的比較器可以做到緩存器快要讀空時發(fā)出一條指令，命令2112kHz時鐘停讀一次，使緩存器中的存儲量增加，而這一次停讀就相當(dāng)于使圖2-16(a)的V1比特位置沒有置入信碼，而只是一位作為碼速調(diào)整的比特。圖2-16(a)幀結(jié)構(gòu)的意義就是每212bit就比相一次，即作一次是否需要調(diào)整的判決。若判決結(jié)果需要停讀，則V1是調(diào)整比特；若不需要停讀，則V1仍然是信碼。這樣就把在2048kb/s上下波動的支路碼流都變成了同步的2112kb/s碼流。圖2-17正碼速調(diào)整原理

在復(fù)接器中，每個支路都要經(jīng)過正碼速的調(diào)整。由于各支路的讀出時鐘都是由復(fù)接器提供的同一時鐘2112?kHz，所以經(jīng)過調(diào)整，4個支路的瞬時數(shù)碼率都會相同，即均為

2112kb/s，故一個復(fù)接幀長為848bit，其幀結(jié)構(gòu)如圖2-16(b)所示。

圖2-16(b)是由圖2-16(a)所示的4個支路比特流按比特復(fù)接的方法復(fù)接起來而得到的。所謂按比特復(fù)接，就是將復(fù)接開關(guān)每旋轉(zhuǎn)一周，就在各支路取出一個比特。也有按字復(fù)接的，即開關(guān)旋轉(zhuǎn)一周，在各支路上取出一字節(jié)。

從原理上講，要識別V1是信碼還是調(diào)整比特，只要1位碼就夠了。這里用3位碼，主要是為了提高可靠性。如果用1位碼，這位碼傳錯了，就會導(dǎo)致對V1的錯誤處置。例如用“1”表示有調(diào)整，“0”表示無調(diào)整，經(jīng)過傳輸，若“1”錯成“0”，就會把調(diào)整比特錯當(dāng)成信碼；反之，若“0”錯成“1”，就會把信碼錯當(dāng)成調(diào)整比特而舍棄?，F(xiàn)在用3位碼，采用大數(shù)判決，即“1”的個數(shù)比“0”多時認(rèn)定是3個“1”碼；反之，則認(rèn)定是3個“0”碼。這樣，即使傳輸中錯一位碼，也能正確判別V1。

在大容量通信系統(tǒng)中，高次群失步必然引起低次群的失步。所以為了使系統(tǒng)能可靠工作，四次群異步復(fù)接調(diào)整控制比特Cj為5個，五次群的Cj為6個(二、三次群都是3個比特)。這樣安排，可使因誤碼而導(dǎo)致對V1比特的錯誤處理的概率更小，從而保證大容量通信系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠工作。

2.3.3PCM高次群

1.?PCM三次群

PCM三次群的總話路數(shù)為120?×?4?=?480個，速率為34.368Mb/s。

三次群復(fù)接過程：

(1)將4個標(biāo)稱速率8448kb/s轉(zhuǎn)換為8592kb/s；

(2)再復(fù)接成三次群。

PCM三次群幀結(jié)構(gòu)如圖2-18所示。圖2-18PCM三次群幀結(jié)構(gòu)

2.?PCM四次群

PCM四次群幀結(jié)構(gòu)如圖2-19所示。

3.?PCM五次群

PCM五次群幀結(jié)構(gòu)如圖2-20所示。圖2-19PCM四次群幀結(jié)構(gòu)圖2-20PCM五次群幀結(jié)構(gòu)

4.高次群數(shù)字復(fù)接

國際上兩大系列的準(zhǔn)同步數(shù)字體系構(gòu)成更高速率的二、三、四、五次群，如表2-1所示。

在表2-1中，二次群(以30/32路作為一次群)的標(biāo)準(zhǔn)速率8448kb/s＞2048?×?4?=?8192kb/s。其他高次群復(fù)接速率也存在類似情況。這些多出來的碼元是用來解決幀同步、業(yè)務(wù)聯(lián)絡(luò)以及控制等問題的。

復(fù)接后的大容量高速數(shù)字流可以通過電纜、光纖、微波、衛(wèi)星等信道傳輸，而且光纖將取代電纜，衛(wèi)星將利用微波段傳輸信號。因此，大容量的高速數(shù)字流主要是通過光纖和微波來傳輸?shù)?。?jīng)濟效益分析表明，二次群以上的數(shù)字通信用光纖、微波傳輸都是合算的。

基于30/32路系列的數(shù)字復(fù)接體系(E體系)的結(jié)構(gòu)如圖2-21所示。圖2-21PCM30/32路系列數(shù)字復(fù)接體系(E體系)結(jié)構(gòu)

5.高次群接口碼型

高次群接口碼型的要求與基帶傳輸時對碼型的要求類似。線路與機器、機器與機器的接口必須使用協(xié)議的同一種碼型。一至四次群接口速率與碼型如表2-2所示。

2.4同步數(shù)字體系(SDH)

2.4.1SDH的基本概念

20世紀(jì)80年代中期以來，光纖通信在電信網(wǎng)中獲得了廣泛應(yīng)用，其應(yīng)用范圍已逐步從長途通信、市話局間中繼通信轉(zhuǎn)向用戶入網(wǎng)。光纖通信優(yōu)良的寬帶特性、傳輸性能和低廉價格使之成為電信網(wǎng)的主要傳輸手段。然而，隨著電信網(wǎng)的發(fā)展和用戶要求的提高，光纖通信中的傳統(tǒng)準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)暴露出一些固有的弱點：

(1)歐洲、北美、日本等國家規(guī)定的語音信號編碼率各不相同，給國際間互通造成困難。

(2)沒有世界性的標(biāo)準(zhǔn)光接口規(guī)范，導(dǎo)致各廠家自行開發(fā)的專用接口(包括碼型)只有通過光/電轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電接口(G.703建議)才能互通，從而限制了聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的靈活性，也增加了網(wǎng)絡(luò)運營成本。

(3)低速支路信號不能直接接入高速信號通路上，例如目前低速支路多數(shù)采用準(zhǔn)同步復(fù)接，而且大多數(shù)采用正碼速調(diào)整來形成高速信號，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

(4)系統(tǒng)運營、管理與維護能力受到限制。

SDH是由一些網(wǎng)絡(luò)單元(例如終端復(fù)用器TM、分插復(fù)用器ADM、同步數(shù)字交叉連接設(shè)備SDXC等)組成的在光纖上進行同步信息傳輸、復(fù)用和交叉連接的網(wǎng)絡(luò)，其優(yōu)點是：

(1)具有全世界統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接口(NNI)。

(2)有一套標(biāo)準(zhǔn)化的信息結(jié)構(gòu)等級，稱為同步傳輸模塊(STM-1、STM-4、STM-16和STM-64)。

(3)幀結(jié)構(gòu)為頁面式，具有豐富的用于維護管理的比特。

(4)所有網(wǎng)絡(luò)單元都具有標(biāo)準(zhǔn)光接口。

(5)有一套靈活的復(fù)用結(jié)構(gòu)和指針調(diào)整技術(shù)，允許現(xiàn)有的準(zhǔn)同步數(shù)字體系、同步數(shù)字體系和B-ISDN信號進入其幀結(jié)構(gòu)，因而具有廣泛的適應(yīng)性。

(6)采用大量軟件進行網(wǎng)絡(luò)配置和控制，使得其功能開發(fā)、性能改變較為方便，適應(yīng)將來的不斷發(fā)展。

為了比較PDH和SDH，這里以從140Mb/s碼源中分插一個2Mb/s支路信號的任務(wù)為例來加以說明，其工作過程如圖2-22所示。圖2-22分插信號流圖的比較

由圖2-22可知，為了從140Mb/s碼源中分插一個2Mb/s支路信號，PDH需要經(jīng)過140/34Mb/s、34/8Mb/s和8/2Mb/s三次分接。

SDH的特點是由基本復(fù)用單元組成，有若干中間復(fù)用步驟；業(yè)務(wù)信號的種類包括兩大基本系列的各次群速率；STM-N的復(fù)用過程包括映射、定位、復(fù)用三個步驟；復(fù)用技術(shù)為指針調(diào)整定位。

SDH網(wǎng)絡(luò)最核心的特點是擁有同步復(fù)用、標(biāo)準(zhǔn)光接口和強大的網(wǎng)絡(luò)管理能力。

2.4.2SDH的速率和幀結(jié)構(gòu)

在SDH網(wǎng)絡(luò)中，信息是以同步傳輸模塊(SynchronousTransportModule，STM)的結(jié)構(gòu)形式傳輸?shù)摹Ｒ粋€同步傳輸模塊(STM)主要由信息有效負(fù)荷和段開銷(SectionOverHead，SOH)組成塊狀幀結(jié)構(gòu)。

SDH最基本的模塊信號是STM-1，其速率是155.520Mb/s；更高等級的STM-N是將基本模塊信號STM-1同步復(fù)用、字節(jié)間插的結(jié)果。其中N是正整數(shù)，可以取1、4、16、64。ITU-TG.707建議規(guī)范的SDH標(biāo)準(zhǔn)速率如表2-3所示。

STM-N的幀結(jié)構(gòu)如圖2-23所示，它有270?×?N列、9行，即幀長度為270?×?N?×?9B(字節(jié)Byte簡記為B)，或270?×?N?×?9?×?8bit；幀重復(fù)周期為125μs。圖2-23STM-N的幀結(jié)構(gòu)

1.段開銷

段開銷分兩個部分，第1～3行為再生段開銷(RSOH)，與再生器功能相關(guān)；第5～9行為復(fù)用段開銷(MSOH)，與管理單元群(AUG)的組合和拆解相關(guān)。SOH中所含字節(jié)主要用于網(wǎng)絡(luò)的運行、管理、維護和指配(OAM&P)，以保證信息正確靈活地傳輸。

2.管理單元指針

AU-PTR位于幀結(jié)構(gòu)左邊的第4行，其作用是指示凈負(fù)荷區(qū)的第一個字節(jié)在STM-N幀內(nèi)的準(zhǔn)確位置，以便接收時能正確分離凈負(fù)荷區(qū)。

3.凈負(fù)荷

STM-1的凈負(fù)荷是指可真正用于通信業(yè)務(wù)的比特，凈負(fù)荷量為8bit/B?×?261B?×9行?=?18?792bit。另外，該區(qū)域還存放著少量可用于通道維護管理的通道開銷(POH)字節(jié)。

對于STM-1而言，幀長度為270?×?9B，或270?×?9?×?8?=?19?440bit，幀周期為125μs，其比特速率為270?×?9?×?8/125?×?10-6?=?155.520Mb/s。STM-N的比特速率為270?×?9?×?N?×?8/125?×?10-6?=?155.520NMb/s。

2.4.3同步復(fù)用結(jié)構(gòu)

同步復(fù)用與映射方法是SDH最具特色的內(nèi)容之一。它能使數(shù)字復(fù)用由PDH固定的大量硬件配置轉(zhuǎn)換為靈活的軟件配置。

在SDH網(wǎng)絡(luò)中，采用同步復(fù)用法、凈負(fù)荷指針技術(shù)來表示STM-N幀內(nèi)凈負(fù)荷的準(zhǔn)確位置。SDH的一般復(fù)用結(jié)構(gòu)如圖2-24所示，它是由一些基本復(fù)用和映射單元組成的、有若干中間復(fù)用步驟的復(fù)用結(jié)構(gòu)。各種業(yè)務(wù)信號復(fù)用進STM-N幀的過程都要經(jīng)歷映射、定位和復(fù)用三個步驟。其中，采用指針調(diào)整定位技術(shù)取代125μs緩存器來校正支路頻差和實現(xiàn)相位對準(zhǔn)，是復(fù)用技術(shù)的一項重大改革。圖2-24SDH的一般復(fù)用結(jié)構(gòu)

定位是一種將幀偏移信息收進支路單元或管理單元的過程，即以附加于虛容器上的支路單元指針(或管理單元指針)指示和確定低階虛容器幀的起點在支路單元(或高階虛容器幀的起點在管理單元)凈負(fù)荷中的位置。當(dāng)發(fā)生相對幀相位偏差使虛容器幀起點浮動時，指針值隨之調(diào)整，從而始終保證指針值準(zhǔn)確指示信息結(jié)構(gòu)起點在虛容器幀中的位置。

復(fù)用是一種使多個低階通道的信號適配進高階通道或者把多個高階通道層信號適配進復(fù)層的過程，即把TU組織進高階VC或把AU組織進STM-N。由于經(jīng)TU和AU指針處理后的各VC支路已相位同步，所以此復(fù)用過程為同步復(fù)用。

圖中各單元的名稱及作用分別為：

(1)容器(C)。容器是一種用來裝載各種速率的業(yè)務(wù)信號的信息結(jié)構(gòu)。容器的種類有五種：C-11、C-12、C-2、C-3、C-4，其輸入比特率分別為1.544Mb/s、2.048Mb/s、6.312Mb/s、34.368或44.736Mb/s、139.264Mb/s。參與SDH復(fù)用的各種速率的業(yè)務(wù)信號都要經(jīng)過碼速調(diào)整等適配技術(shù)裝進一個恰當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)容器之中。已裝載的標(biāo)準(zhǔn)容器又作為虛容器(VC)的凈負(fù)荷。

(2)虛容器(VC)。虛容器是用來支持SDH的通道層連接的信息結(jié)構(gòu)。它是SDH通道的信息終端。虛容器有低階VC和高階VC之分，前端的VC-11、VC-12、VC-2、VC-3為低階虛容器；后端的VC-3、VC-4為高階虛容器。虛容器的信息結(jié)構(gòu)由通道開銷和標(biāo)準(zhǔn)容器的輸出組成，即

(3)支路單元(TU)。支路單元是提供低階通道層和高階通道層之間適配的信息結(jié)構(gòu)。其信息TU-n(n?=?11，12，2，3)由一個相應(yīng)的低階VC-n信息凈負(fù)荷和一個相應(yīng)的支路單元指針TU-nPTR組成。TU-nPTR指示VC-n凈負(fù)荷起點在支路幀中的偏移，即

(4)支路單元組(TUG)。支路單元組是由一個或多個在高階VC凈負(fù)荷中占據(jù)固定且確定位置的支路單元組成的。

(5)管理單元(AU)。管理單元是提供高階通道層和復(fù)用通道層之間適配的信息結(jié)構(gòu)，有AU-3和AU-4兩種管理單元。其信息AU-n(n?=?3，4)由一個相應(yīng)的高階VC-n信息凈負(fù)荷和一個相應(yīng)的管理單元指針AU-nPTR組成。AU-nPTR指示VC-n凈負(fù)荷起點在TU幀內(nèi)的位置。AU指針相對于STM-N幀的位置總是固定的，即

(6)管理單元組(AUG)。管理單元組是由一個或多個在STM-N凈負(fù)荷中占據(jù)固定且確定位置的支路單元組成的。

(7)同步傳輸模塊?；編KSTM-1的信號速率為155.520Mb/s，更高階的STM-N(N?=?4，16，64，…)由STM-1信號以同步復(fù)用方式構(gòu)成。

當(dāng)各種PDH速率信號輸入到SDH網(wǎng)時，首先要進入標(biāo)準(zhǔn)容器C-n(n?=?11，12，2，3，4)；進入容器的信息結(jié)構(gòu)為后接的虛容器VC-n組成與網(wǎng)絡(luò)同步的信息有效負(fù)荷；這就是映射過程。

由圖2-25所示的復(fù)用結(jié)構(gòu)可見，從一個有效信息負(fù)荷到STM-N的復(fù)用路線不是唯一的，但對于一個國家或地區(qū)而言，其復(fù)用路線應(yīng)是唯一的。我國的光同步傳輸網(wǎng)技術(shù)體制規(guī)定以2Mb/s為基礎(chǔ)的PDH系列作為SDH的有效負(fù)荷，并選用AU-4復(fù)用路線；其基本復(fù)用映射結(jié)構(gòu)如圖2-25所示。圖2-25我國的SDH基本復(fù)用映射結(jié)構(gòu)

我國在PDH中應(yīng)用最廣的是2Mb/s和140Mb/s支路接口，一般不用34Mb/s支路接口。這是因為一個STM-1只能映射進3個34Mb/s支路信號，而將4個34Mb/s支路信號復(fù)用成140Mb/s后再映射進STM-1更為經(jīng)濟。

下面以2.048Mb/s轉(zhuǎn)換為STM-N速率來說明信號的復(fù)用、定位、映射過程，如圖2-26所示。圖2-26從2.048?Mb/s支路信號到STM-N的過程

2.4.4映射的方法

映射是一種在SDH邊界處使支路信號適配進VC的過程。各種速率先經(jīng)過碼速調(diào)整裝入C-n中，再加入相應(yīng)的VC-nPOH，形成VC-n。

1.高階通道開銷(HPOH)

高階通道開銷位于VC-3、VC-4幀結(jié)構(gòu)的第一列，有9個字節(jié)，即J1、B3、C2、G1、F2、H4、F3、K3、N1，分別如圖2-27、圖2-28所示。圖2-27VC-3通道開銷(POH)圖2-28VC-4通道開銷(POH)

9個字節(jié)的功能如下：

J1—通道蹤跡字節(jié)；

B3—通道BIP-8碼字節(jié)；

C2—信號標(biāo)識字節(jié)；

G1—通道狀態(tài)字節(jié)；

F2、F3—通道使用者字節(jié)；

H4—通道使用者字節(jié)；

K3—自動保護倒換APS指令(前4bit)；備用字節(jié)(后4bit)；

N1—網(wǎng)絡(luò)操作者字節(jié)。

2.低階通道開銷(LPOH)

低階通道開銷位于VC-1x、VC-2的一個復(fù)幀各基幀的頭一個字節(jié)。

VC-1x、VC-2復(fù)幀結(jié)構(gòu)的POH由V5、J2、N2、K4組成。加入POH的VC-12復(fù)幀結(jié)構(gòu)如圖2-29所示。有多種不同形式的復(fù)幀，適用不同容量的凈負(fù)荷在網(wǎng)中傳輸。圖2-29加入POH的VC-12復(fù)幀結(jié)構(gòu)

低階通道開銷的功能：

V5—通道狀態(tài)功能；

J2—通道蹤跡字節(jié)；

N2—網(wǎng)絡(luò)操作者字節(jié)；

K4(b1～b4)—APS通道；

K4(b5～b7)—遠(yuǎn)端缺陷指示；

K4(b8)—備用。

3.映射舉例

1)?139.264Mb/s支路信號(H-4)的映射

該映射是異步映射，浮動模式。

(1)?139.264Mb/s支路信號裝入C-4。

該映射是正碼速調(diào)整異步裝入。

(2)?C-4裝入VC-4。

該映射是在C-4的9個子幀前分別插入VC-4POH字節(jié)J1、B3、C2、G1、F2、H4、F3、K3、N1，即可構(gòu)成VC-4幀。

139.264Mb/s支路信號(H-4)的映射過程如圖2-30所示。圖2-30139.264Mb/s支路信號(H-4)的映射過程

2)?2.048Mb/s支路信號(H-12)的映射

該映射是異步映射，比特同步、字節(jié)同步均可；均需要復(fù)幀形式；異步映射需碼速調(diào)整；同步映射不需要碼速調(diào)整。

2.048Mb/s支路信號異步映射成VC-12(復(fù)幀)的原理如圖2-31所示。

低階通道開銷位置示意圖如圖2-32所示。圖2-312.048Mb/s支路信號異步映射成VC-12(復(fù)幀)的原理圖2-32低階通道開銷(LPOH)位置示意圖

2.4.5定位

定位的作用是將幀偏移信息收進TU和AU。其步驟如下：

(1)在VC上附加TU-PTR或AU-PTR指針指示。

(2)確定低階VC在TU凈負(fù)荷中的起點位置或確定高階VC在AU凈負(fù)荷中的起點位置。

(3)發(fā)現(xiàn)相位偏差、幀起點浮動時，指針隨之調(diào)整，以保證指針準(zhǔn)確指示VC幀的起點位置。

指針作用如下：

(1)網(wǎng)絡(luò)同步時，指針用來同步信號間的校準(zhǔn)。

(2)網(wǎng)絡(luò)失同步時(準(zhǔn)同步)，指針用來進行頻率和相位的校準(zhǔn)；異步工作時，指針用作頻率跟蹤校準(zhǔn)。

(3)容納網(wǎng)絡(luò)中的頻率抖動和漂移。

1.?VC-4在AU-4中的定位

1)?AU-4PTR

VC-4進入AU-4時，應(yīng)加上AU-4PTR，即AU-4?=VC-4?+AU-4PTR。AU-4PTR的位置位于VC-4前9列第4行的對應(yīng)位置。

其中，Y=1001SS11，SS為未規(guī)定比特。

3個H3用于VC幀速率調(diào)整。

10個bit用于調(diào)整VC-4凈負(fù)荷9?×?261?=?2349B：

(1)每3個字節(jié)為一個調(diào)整單位，共有2349/3?=?783個調(diào)整單位。

(2)?ID比特共有210?=?1024個值，足以表示783個調(diào)整單位。

(3)?783個調(diào)整單位分別用000、111、222、…、781781781、782782782指針調(diào)整單位序列表示。

圖2-33中000的位置是從AU-4PTR后的第一個調(diào)整單位算起的。圖2-33指針位置和偏移編號

2)速率調(diào)整

(1)正調(diào)整。

(2)負(fù)調(diào)整。

3)舉例

2.?VC-12在TU-12中的定位

1)?TU-12指針

V1、V2、V3、V4分別為TU-12基幀的指針。在VC-12基幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加入指針即可構(gòu)成TU-12，VC-12基幀結(jié)構(gòu)和TU-12指針位置如圖2-34所示。圖2-34VC-12基幀結(jié)構(gòu)及TU-12指針位置

2.4.6復(fù)用

復(fù)用使多個低階通道層的信號適配進高階通道，或把多個高階通道層信號適配進復(fù)用層，即以字節(jié)交錯間插方式把TU組織進高階VC或把AU組織進STM-N。

SDH復(fù)用為同步復(fù)用。TU和AU指針處理后的各VC支路已實現(xiàn)相位同步。

1.?TU-12復(fù)用進TUG-2，再復(fù)用進TUG-3

(1)?3個TU-12按字節(jié)間插復(fù)用進1個TUG-2；1個TU-12基本幀為9行

×?4列?=?36字節(jié)；1個TUG-2為9行

×?12列?=?108字節(jié)。

(2)?7個TUG-2按字節(jié)間插復(fù)用進1個TUG-3；TUG-3的前兩列為插入字節(jié)，所以，TUG-3共有

9行