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1、第5章 数字复接与SDH,5.1 PCM复用与数字复接5.2 同步数字序列SDH简介,5.1 PCM复用与数字复接,5.1.1 基本概念 在第3章我们了解了时分复用的概念，为了提高信道的利用率和信息传输速率（也就是提高通信容量）我们可以采用TDM把多路信号在同一个信道中分时传输。可是，通过深入研究我们就会发现一个问题，假设要对120路电话信号进行TDM，根据PCM过程，首先要在125s内完成对120路话音信号的抽样，然后对120个样点值分别进行量化和编码。,这样，对每路信号的处理时间（抽样、量化和编码）不到1 s，实际系统只有0.95 s（这种对120路话音信号直接编码复用的方法，称为PCM复
2、用）。如果复用的信号路数再增加，比如480路，则每路信号的处理时间更短。要在如此短暂的时间内完成大路数信号的PCM复用，尤其是要完成对数压扩PCM编码，对电路及元器件的精度要求就很高，在技术上实现起来也比较困难。,因此，对于一定路数的信号（比如电话），直接采用时分复用FDM是可行的，但对于大路数的信号而言，PCM复用在理论上是可行的，而实际上难以实现。那么我们自然就会提出一个问题，如何实现大路数信号的多路复用呢？或者说，如何利用分时传输提高通信系统的通信容量或线路利用率？数字复接是解决这一问题的“良方”。我们首先给出数字复接的定义：数字复接就是指将两个或多个低速数字流合并成一个高速率数字流的过
3、程、方法或技术。它是提高线路利用率的一种有效方法，也是实现现代数字通信网的基础。,比如对30路电话进行PCM复用（采用8位编码）后，通信系统的信息传输速率为80008322048 kb/s，即形成速率2048 kb/s的数字流（比特流）。现在要对 120 路电话进行时分复用，即把4个这样的2048 kb/s的数字流合成为一个高速数字流，就必须采用数字复接技术才能完成。,5.1.2 数字比特系列与复接等级 根据不同传输介质的传输能力和电路情况，在数字通信中将数字流比特率划分为不同等级，其计量基本单元为一路PCM信号的比特率8000（Hz）8（bit）64 kb/s（零次群）。复用设备按照给定比特
4、率系列划分为不同的等级，在各个数字复用等级上的复用设备就是将数个低等级比特率的信号源复接成一个高等级比特率的数字信号。,在国际上，CCITT为了便于国际通信的发展，推荐了两类群路比特率系列和数字复接等级。两类数字速率系列和数字复接等级如表5-1和图5-1所示。,表51 两种数字系列速率,图51 数字复接等级示意图,北美和日本采用的系列和相应数字复接等级是1.544Mb/s（基群）、6.312Mb/s（二次群）等，简称为1.5M系列。欧洲各国和我国都采用的系列和相应数字复接等级是2.048Mb/s（基群）、8.488Mb/s（二次群）等，即所谓的2M系列。CCITT建议中大多数都是逐级复接，即采
5、用N（N+1）方式复接等级。比如二次群复接为三次群（N=2），三次群复接为四次群（N=3）。也有采用N（N+2）方式复接，比如由二次群直接复接为四次群（N=2）。,采用2Mb/s基群数字速率系列和复接等级具有如下一些好处：(1)复接性能好，对传输数字信号结构没有任何限制，即比特独立性较好；(2)信令通道容量大；(3)同步电路搜捕性能较好（同步码集中插入）；(4)复接方式灵活，可采用N（N+1）和N（N+2）两种方式复接；(5)2Mb/s系列的帧结构与数字交换用的帧结构是统一的，便于向数字交换统一化方向发展。,5.1.3 PCM基群帧结构 从第3章中我们知道，国际上通用的PCM有两种标准，即A律
6、与律PCM，其编码规则与帧结构均不相同。由于抽样频率为8000Hz，故每帧的长度应为125s。在A律PCM基群中，一帧共有32个时间间隔，称为时隙。各个时隙从031顺序编号，分别记作TS0、TS1、TS2、TS31，其中TS1TS15和TS17TS31这30个路时隙用来传送30路电话信号的8位编码码组，TS0分配给帧同步，TS16专用于传送话路信令。每个路时隙包含8位码，占时3.91s，每位码占0.488s，一帧共含256个码元，帧结构如图52所示。,图52 PCM基群帧结构,帧同步码组为10011011，它是每隔一帧插入TS0的固定码组，接收端识别出帧同步码组后，即可建立正确的路序。其中第一
7、位码“1”保留作国际电话间通信用。在不传帧同步的奇数帧TS0的第2位固定为1，以避免接收端错误识别为帧同步码组。在传送话路信令时，可以将TS16所包含的总比特率64kbs集中起来使用，称为共路信令传送，也可以按规定的时间顺序分配给各个话路，直接传送各话路所需的信令，称为随路信令传送。,采用共路信令传送方式时，必须将16个帧构成一个更大的帧，称为复帧。复帧的重复频率为500Hz，周期2.0ms。复帧中各帧顺次编号为F0，F1，F15。其中F0的TS16前4位码用来传送复帧同步码组0000，F1F15的TS16用来传送各话路的信令。每个信令用4位码组来表示，因此，每个TS16时隙可以传送两路信令这
8、种帧结构中每帧共有32个路时隙，但真正能用于传送电话或数据的时隙只有30路，因此有时称为3032路基群。,采用律的24路基群则用另一种帧结构。每帧长193个码元，其中第193位码用作同步码，每个路隙也由8位码元构成。其中每6帧第8位码用来传送随路信令。12帧构成一个复帧，复帧周期为1.5ms。12帧中奇数帧的第193位码元构成101010帧同步码组。而偶数帧的第193位码元构成复帧同步码000111。这种帧结构同步建立时间（又称为同步捕捉时间）要比PCM3032帧结构长，因为同步码组分散地配置在相同间隔的各帧内。此外，每帧长度为193码元，不是2的整数倍。实现上也不如3032制式合理方便。,5
9、.1.4数字复接的原理与分类 数字复接系统主要由数字复接器和分接器组成。复接器是把两个或两个以上的支路（低次群）按时分复用方式合并成一个单一的高次群，其设备由定时、码速调整和复接单元等组成；分接器的功能是把已合路的高次群数字信号分解成原来的低次群数字信号，它是由同步、定时和码速恢复等单元组成,系统框图见图53。,图53 数字复接系统框图,复接器在各支路数字信号复接之前需要进行码速调整，即对各输入支路数字信号进行频率和相位调整，使其各支路输入码流速率彼此同步并与复接器的定时信号同步后，复接器方可将低次群码流复接成高次群码流。由此可得出如下复接条件：被复接的各支路数字信号彼此之间必须同步并与复接器
10、的定时信号同步方可复接。根据此条件划分的复接方式可分为：同步复接、异源（准同步）复接、异步复接三种。,(1)同步复接。被复接的各输入支路之间，以及同复接器之间均是同步的，此时复接器便可直接将低支路数字信号复接成高速的数字信号。这种复接就称为同步复接。由此可见，这种复接方式无需进行码速调整、有时只需进行相位调整或根本不需要任何调整便可复接。,(2)异源（准同步）复接。被复接的各输入支路之间不同步，并与复接器的定时信号也不同步：但是各输入支路的标称速率相同，也与复接器要求的标称速率相同（速率的变化范围在规定的容差范围内，基群为2048kb/s50ppm，二次群为8448kb/s30ppm，1ppm
11、=10-6）,但仍不满足复接条件，复接之前还需要进行码速调整，使之满足复接条件再进行复接。这种复接方式就称为异源复接或准同步复接。,(3)异步复接。被复接的各输入支路之间及与复接器的定时信号之间均是异步的，其频率变化范围不在允许的变化范围之内，也不满足复接条件，必须进行码速调整方可进行复接。这种复接方式称为异步复接。由以上可见，异源和异步复接方式都必须进行码速调整，满足复接条件后方可复接。,绝大多数国家将低次群复接成高次群时都采用异源复接方式。这种复接方式的最大特点是各支路具有自己的时钟信号，其灵活性较强。码速调整单元电路不太复杂，而异步复接的码速调整单元电路却要复杂得多，要适应码速大范围的变
12、化，需要大量的存储器方能满足要求。同步复接目前用于高速大容量的同步数字系列中。,对满足复接条件的低速支路码流进行复接时，根据码流的具体汇接方式可分为：逐位（逐比特）复接，按码字复接，按帧复接三种方式。(1)逐位复接。复接器每次复接一个支路的一比特信号，依次轮流复接各支路信号，这种复接就称为逐位（逐比特）复接。如图54（a）所示是4个PCM30/32路基群的TS1时隙（CH1话路）的码字情况，图54（b）是按位复接后的二次群中各支路数字码排列情况。按位复接简单易行，且对存储器容量要求不高。其缺点是对信号交换不利。,(2)按码字复接。复接器每次复接一个支路的一个码字（8bit），依次复接各支路的信
13、号，这种复接就称为按码字复接。图54（c）是按码字复接情况，对基群来说，一个码字有8位码，它是将8位码先存起来，在规定的时间一次复接，四个支路轮流复接。这种方法有利于数字电话交换，但要求有较大的存储容量。,(3)接帧复接。就是复接器每次复接一个支路的一帧信号，依次复接各支路的信号，这种复接称为按帧复接。这种方法的优点是复接时不破坏原来的帧结构，有利于交换，但需要更大的存储容量，目前极少应用。早期采用的复接方式多为异源逐位复接方式。目前正逐渐向按字复接的方向发展。,图54 两种复接方式示意图,通过上述介绍，我们可以看到“复用”与“复接”的区别：PCM复用是对多路（电话）信号在一个定长的时间内（帧
14、）完成的PCM和TDM全过程。而复接是对多路数字信号（数字流或码流）在一个定长的时间内进行的码元压缩与安排，它只负责把多路数字信号安排（复用）在给定的时间内，而不需要再进行抽样、量化和编码的PCM过程，从而减少了对每路信号的处理时间，降低了对器件和电路的要求，实现了大路数（高次群）信号的“时分复用”。,复接的原理就是改变各低速数字流的码元宽度，并把它们重新编排在一起，从而形成一个高速数字流。从表面上看，复接是一种合成，但其本质仍然是一种时分复用的概念。为了与PCM复用相区别，所以称之为“复接”。另外要注意，PCM复用是针对模拟信号的，而数字复接是以数字信号为对象的，尽管数字复接的任务是把低速P
15、CM码流（低次群）变换成高速PCM码流（高次群）。从功能上看，数字复接强调的是把多路低速数字号变为一路高速数字信号，其目的类似于模拟通信中的频分复用，都是要提高通信系统的通信容量和传输信道的利用率。,5.2 同步数字序列SDH简介,5.2.1 SDH的提出 数字通信技术的应用是从市话中继传输开始的，为了适应点对点的应用而选择了准同步复用方式。鉴于当时可利用的传输媒介主要是电缆，其频带宽度有限，因此，尽量减小帧中的开销以节约频带资源便成为选择各级速率的一个基本出发点，并由此形成了28-34140Mb/s的准同步数字系列（PDH）。美、日等国则采用基于1.5Mb/s的PDH。,程控数字交换的引入使
16、数字通信的应用从点对点传输发展为综合数字网。以光纤为代表的大容量传输技术的进步，要求PDH向更高速率发展。而随着电信网的发展和用户要求的提高，传统准同步（PDH）系统暴露出了一些固有的缺点，其表现为：(1)PDH是逐级复用的，当要在传输节点从高速数字流中分出支路信号时，需配备背对背的各级复分接器，分支插入电路不灵活。(2)PDH各级信号的帧中预留的开销比特很少，不利于传送操作管理和维护（OAM）信息，不适应电信管理网（TMN）的需要。,(3)PDH中1.5Mb/s与2Mb/s两大系列难以兼容互通。(4)更高次群如继续采用PDH将难以实现。(5)PDH在各支路信号同源时仍需塞入脉冲来调整速率，不
17、利于向BISDN发展。(6)欧洲、北美和日本等地区和国家规定的话音信号编码速率不同，给国际间的互通造成不便。20世纪80年代以来，光纤通信获得广泛应用，并以其优良的宽带特性、传输性能和低廉的价格而逐渐成为电信网的主要传输手段。,目前，光纤通信技术的进展极为迅速，其传输容量越来越大，但就其潜力而言也仅仅是开发了很小的一部分，因此，带宽的节省不再是选择速率的主要依据，重要的是网络运用的灵活性、可靠性、维护管理的方便性以及对未来发展的适应性。基于这一想法并针对PDH的缺点，美国Bellcore公司在1985年提出了同步光纤网（SONET）的设想，在此基础上，CCITT于1988年提出SDH的建议，并
18、于1990年和1992年两次修订完善，形成了一套SDH的标准。,SDH的基础设备是同步传送模块（STM），它的第一级称为STM1，它实际上是一个带有线路终端功能的准同步数字复用器，它将63个2Mb/s信号，或3个34Mb/s信号，或1个140Mb/s信号复用或适配为155520kb/s（简称155Mb/s），在155Mb/s信号中预留了相当多的开销比特。从155Mb/s往上则完全采用同步字节复用，从而形成速率为622080Mb/s的STM4和速率为2488320kb/s的STM16，更高速率的STMN尚待标准化。,STM设备除了可作为复用器和线路终端设备外，还可组成分插复用设备（ADM）和数字
19、交叉连接设备（DXC），以它们为基础即可构成SDH传送网。CCITT除了对SDH速率和复用结构进行了标准化，还对SDH传送网分层模型、保持与恢复方法、定时同步原则、网络管理与性能以及引入策略等进行了规范。世界上主要的电信制造公司正在加速开发SDH产品，一些电信主管部门已规划并已开始建设SDH传送网，可以预期它的发展将会很快，并完全取代PDH传输网。,5.2.2 SDH的帧结构 1SDH的帧结构 SDH最基本、最重要的数据块为同步传输模块STM1。更高级别的STMN信号则是将STM1按同步复用，经字节间插后形成的。STM1矩形块状帧结构如图55所示，它由两部分组成：比特开销和信息净负荷。,STM
20、1帧结构由9行、270列组成。每列宽一个字节即8比特，开始9列为开销所用，其余261列则为有效负荷即数据存放地。整个帧容量为（261+9）9=2430字节，相当于2430819440比特。帧传输速率为8000帧秒，即125s为一帧，因而STM1传输速率为194408000=155.520Mb/s，其它较高级别的码速都是STM1码速的正整数倍；如表5-2所示，目前只定义了1、4、16级，STM64尚待研究中。,图55 STM1帧结构,表52 STM系列表,STM1帧结构字节的传送是从左到右，从上到下按行进行，首先传送帧结构左上角第一个8比特字节，依次传递，直到9270个字节都送完，再转入下一帧。
21、2比特开销 比特开销由段开销（SOH）和指针组成。段开销（SOH）中98矩阵提供网络运行、维护和管理所需的附加字节。对STM1而言，每帧有8972个字节（576bit）用于段开销，所占比例几乎为3%，可见段开销是相当丰富的，这是SDH的重要特点之一。,SDH的比特开销又分为再生段开销（RSOH）和复用段开销（MSOH）,如图56所示。下面分别叙述SOH和PTR的各项功能。在SDH中，13行分给RSOH，59行分给MSOH。RSOH可以在再生中继器接入，也可以在终端设备中接入。MSOH则只能在终端设备中接入。（1）帧定位字（A1、A2）。帧定位字 用来识别帧的起始位置。A1、A2具有确定的H进制
22、数据。A1为11110110，A2为00101000。在STM1帧内集中安排六个帧定位字，占帧长的0.25%，误码率为(1/2)683.5510-15，因此帧失步概率大大减小。,（2）STM体系识别符（C1）。SDH中的C1字节用来识别每个STM1信号在STMN复用信号中的位置，解复用时，只需依据C1即可较快实现正确分路。（3）数据通信通路（DCC）D1D12。SDH中的DCC用来构成SDH管理网（SMN）的传送链路。PDH中也有控制通路，但都是专用的，外界无法接入。SDH中的DCC则是通用的，具备所有网络单元，其中D1D3字称为再生段DCC，用于再生段终端间交流OAM信息，速率为643192
23、（kb/s）；D4D12字符为复用段DCC，用于复用段终端间交流OAM信息，传输速率为576kb/s。,图56 SDH比特开销,（3）数据通信通路（DCC）D1D12。SDH中的DCC用来构成SDH管理网（SMN）的传送链路。PDH中也有控制通路，但都是专用的，外界无法接入。SDH中的DCC则是通用的，具备所有网络单元，其中D1D3字称为再生段DCC，用于再生段终端间交流OAM信息，速率为643192（kb/s）；D4D12字符为复用段DCC，用于复用段终端间交流OAM信息，传输速率为576kb/s。,（4）比特交叉奇偶校验8bit码BIP8（B1，B2）。B1字节用作再生段误码监视，8个比特
24、为偶校验比特间插奇偶校验码。B2字节用作复用段(可以看作是数字段)误码监视。段开销中安排有3个B2字节（共24bit）作此用途。B2字节是使用偶校验的比特间插奇偶校验N24码。（5）公务通路字节（E1，E2）。E1，E2两个字节提供公务联络语声通路。E1用于本地公务通路，在再生段接入。E2用于直达公务通路，在复用段终端接入。两者速率皆为64kb/s。,（6）用户通路（F1）。F1字节保留为网络提供者专用，主要为特定维护日提供临时的数据语声通路连接，传输速率为64kb/s。（7）自动保护倒换（APS）通路（K1，K2）。K1，K2是专用于保护目的而设置的嵌入信令通路。,（8）管理单元指针（AUP
25、RT）。AUPRT是一种指示符，它指示出信息净负荷中分支数据的准确位置（即指信息净负荷的第1个字节在STMN帧内的准确位置），以便正确地分解提取信息。采用指针是SDH的重要创新，可以把提取数据形象地理解为文件传递，利用指针寻址，将数据压入堆栈，将数据弹出堆栈。,3信息净负荷 信息净负荷是STM1帧结构中存放各种信息的地方，占有2344个字节，其中有少量用于通道性能监视、管理和控制的通道开销字节（POH）作为净负荷的一部分，并与其一起在网络中传送。图57给出了低级虚容器VC的POH组成。,图57 VC的POH示意图,（1）远端块差错指示器（FEBE）。当BIP监视所接收的数据有差错时，发送此信息。（2）远端接收失败指示器（FERF）。当监视到一个段失败或告警指示信号AIS时，则发送此信息。（3）传输数据的比特间插奇偶校验BIP。BIP检查所收到的数据差错。（4）信号标签。指示VC的组成。（5）通道跟踪信号。为用户所用，证实一个双工连接。,5.2.3 SDH的发展前景 同步数字序列有利于简化网络结构，增强管理能力和维护能力。由于将各路信号重新编排，并直接复接到所需的高速通路上或从高速通路上直接分接下来，故使用非常灵活和方便。此外，还可以提高运行效率、降低系统成本，因此同步数字序列被称为20世纪80年代末具有革命性的新的数字序列，而且因为其优越性将使之成为全球统一的新的数字序列。,
