第2章数字通信系统

第2章数字通信系统2.1数字通信概述2.2模拟信号数字化2.3数字信号的基带传输2.4数字信号的频带传输2.5数字同步与复接技术2.6数字传输的差错控制12.1数字通信概述

本章将介绍关于数字通信的基本知识，包括数字通信系统的组成及特点、模拟信号数字化方法、数字信号的基带传输和频带传输、数字复接与同步技术、差错控制技术等。23

传输数字信号的通信称为数字通信。数字通信以其抗干扰能力强、便于存储、处理和交换等特点，已经成为现代通信网中的最主要的通信技术基础，广泛应用于现代通信网的各种通信系统。数字通信系统的框图如图所示。信源编码信道编码调制器信源信道译码信源译码信宿解调器信道噪声接收端发送端发送设备接收设备4数字通信系统模型中各部分的作用1、信源：把原始的消息变换成原始的电信号。常见的信源有产生模拟信号的电话机、话筒、摄像机和输出数字信号的电子计算机、各种数字终端设备。2、信源编码：把模拟信号变换成数字信号，即完成模数变换。如果信源输出的已经是数字信号，则可省去信源编码部分。3、信道编码：把信源输出的数字信号变换成适于信道传输的数字信号，还包括自动检错和纠错的功能。54、调制器：将数字基带信号的频谱搬移道适合于信道传输的频带上，再传输到对端。5、信道：指信号的传输通道。根据传输媒介可划分为有线信道（明线、电缆、光缆信道）和无线信道（短波电离层传播、微波视距传播、卫星中继信道）。其中除明线或电缆可以直接传输数字基带信号外，其他各种信道都工作在较高的频段上，因此需要将数字基带信号经过调制。6、接收端的解调、信道解码、信源解码等几个方框的功能与发送端几个对应的方框正好相反，是一一对应的反变换关系。6

7、信宿：信源解码后的电信号，由受信者接收，通常称为信宿。信宿可以是人，也可以是各种终端设备。

对于具体的数字通信系统，可能与上图不一样：

①在数据通信系统中，没有信源编码和信源解码；

②基带传输时，不需要调制和解调部分；

③传输话音信号时，不需要检错和纠错功能。

④在保密通信中，需要加入加密器和解密器。2.1.2数字通信系统的特点与模拟通信系统相比数字通信系统有下列一些特点：抗干扰能力强，无噪声累积数据形式统一，便于计算处理易于集成化，小型化易于加密处理占用较大的传输带宽技术上较复杂78发端放大收端噪声发端再生中继收端噪声(a)模拟通信(b)数字通信2.2模拟信号数字化数字通信系统的典型特征就是信源和信宿都是模拟信号，因此需要进行模拟/数字（A/D）变换，把模拟信号转换成数字信号再行传输。

模拟信号的数字化需经过抽样、量化、编码三个阶段。常用的技术包括脉冲编码调制（PCM）、差值脉冲编码（DPCM）和增量调制（DM）等。9102.2.1脉冲编码调制（PCM）技术

PCM调制是先对信号进行抽样，并对每个样值独力地加以量化，然后通过编码转换成数字信号，如图所示。再生中继抽样量化编码再生译码低通基带信道信道设备发送端接收端模拟话音信号数字信号数字信号模拟话音信号11由上图可见：⑴发送端：通过抽样、量化和编码→完成A/D

抽样：指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化。

量化：是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散值，也就是在幅度上将模拟信号离散化。

编码：是按一定的规律，把量化后的值用二进制数字表示，然后转换成二值或多值的数字信号12流。这样得到的数字信号可以通过电缆、微波干线、卫星通道等数字线路传输。⑵传送信道：在上图中采用的是再生中继传输。⑶接收端：再生、译码、滤波→D/A

在接收端则与上述模拟信号数字化过程相反，再经过后置滤波又恢复成原来的模拟信号。1、抽样：把连续信号（对话音信号）在时间上离散化→样值序列

①抽样是实现时分多路复用的基础②抽样就是每隔一定时间间隔下，抽取话音信号的一个瞬时幅度值（抽样值）13④话音信号抽样频率

fS=8000HzT=125us2、量化抽样把模拟信号变成了时间上离散的脉冲信号，但是脉冲的幅度仍然是连续的，还必须进行离散化处理，才能最终用数字来表示。这就要对幅值进行舍零取整的处理，这个过程称为量化。

量化的实质就是把抽样后的样值序列在幅度上离散化变成多进制数字信号。③抽样定律：

14量化的方法：把样值的最大变化范围划分成若干个相邻的间隔。当某样值落在某一个间隔内，其输出值就用此间隔内的某一个固定值来表示。常用的量化方法有两种：

均匀量化和非均匀量化⑴均匀量化

均匀量化就是采用相等的量化间隔对抽样得到的信号作量化。任何一个量化器都有一定的量化范围，通常取（－U，+U），量化级数N，则量化间隔△15则：△＝2U／N

而量化值则取量化范围的中值。下面假设N＝8，举例说明抽样量化的过程。由于N＝8，所以△＝2U／N＝2U／8＝U／4

则U＝4△，所以量化范围为：(－4△，4△)

下面我们就可得到八个量化范围和八个量化值：量化范围量化值量化范围量化值－4△～－3△－3.5△0～1△0.5△－3△～－2△－2.5△1△～2△1.5△－2△～－1△－1.5△2△～3△2.5△－1△～0－0.5△3△～4△3.5△16

0.3△2.7△3.8△2.3△-0.5△-2.5△-1.7△-0.6△t－4△－3△－2△－1△1△2△3△4△T样值量化值0.5△2.5△3.5△2.5△-

0.5△-2.5△-1.5△-0.5△编码10011011111000001000100017

经过量化从－4～+4V范围连续取值的样值变成±0.5△、±1.5△、±2.5△、±3.5△信号8个离散值。

量化的目的是量化后的信号可以用有限的二进制信号表示。

量化结果：引起误差：最大误差不超过半个量化级△/2。量化级数越多量化误差愈小但量化级数不能太多，否则码位增长，增加了编码的复杂性，使速率提高，对传输信道有更高的要求18量化的理论基础：由于信号在传送的过程中必然会引入噪声，这将会掩盖信号的细微变化；而接收信息的器官—耳朵(对声音信号)和眼睛(对图像信号)区分细微差别的能力是有限的。所以我们既不可能也没有必要精确反映原信号的一切可能的值，只要量化级数合适使量化误差足够小。⑵非均匀量化—实际使用

①均匀量化缺点：

大信号失真小，小信号失真大

19②非均匀量化：小信号时量化间隔小，大信号时量化间隔大③实际中使用：

A律13折线量化，编8位码A=87.62、编码和解码

⑴编码：将量化后的信号变成2进制脉冲信号⑵解码：在接收端，按所收到的信息重新组成原来的样值。⑶折叠二进制码8级三位码：a1a2a3

a1

极性码a2a3

幅度码20电平序号量化值(△)一般二进制码c1c2c3折叠二进制码a1a2a3

7654正值3.52.51.50.51111101011001111101011003210负值-0.5-1.5-2.5-3.501101000100000000101001121t实际的话音信号采用8位码（a1a2a3a4a5a6a7a8）其中：a1极性码，

a2a3a4段落码（非均匀8段实现非均匀量化）

a5a6a7a8段内电平码（段内16段均匀量化）

量化级数（非均匀）28=256级所以，上例中的编码为：10011011111000001000100022⑶A律13折线编码①书34页表2-2的说明②编码编码就像天平称重一样。段落码的判定值a2＝1a2＝0×4÷4IS≥128△IS≥512△IS≥32△IS≥1024△IS≥256△IS≥64△IS≥16△a3＝1a4＝1a3＝1a4＝1a4＝1a4＝1a3＝0a3＝0a4＝0a4＝0a4＝0a4＝0×2×2÷2÷223量化段序号电平范围

(△)

段落码a2

a3

a4

段落起始电平IBi(△)量化间隔△i=(?△)段内码对应权值(△)a5a6a7a881024～2048111102464512256128647512～10241105123225612864326256～512101256161286432165128～25610012886432168464～128011644321684332～6401032216842216～32001161842110～16000018421表2-213折线A律电平范围及其段落码列表24段内码的判定值的确定：

IR5=Ibi+8△i

IR6=Ibi+(8△i)a5+4△i

IR7=Ibi+(8△i)a5+(4△i)a6+2△i

IR8=Ibi+(8△i)a5+(4△i)a6+(2△i)a7+△i

由上面可见：判定法与先行码有关

如eg：is=445△码字为（11011011）按A律13折线编8位码。编码过程25eg解：⑴∵is=445△＞0，∴极性码a1=1；

IS=|is|=|445△|=445△，信号全波整流成正信号。⑵IR2=128△，∵IS=445△＞IR2

∴a2=1⑶IR3=128△×4=512△，∵IS=445△＜IR3

∴a3=0⑷IR4=512△÷2＝256△，∵IS=445△＞IR4∴a4=1

所以段落码为101，第六段，且

IB6=256△，△6=256△÷16＝16△；26⑸IR5=IB6+8△6=256△+8×16△=384△∵IS=445△＞IR5，∴a5=1⑹IR6=IB6+(8△6)a5+4△6=256△+8×16△+4×16△=448△∵IS=445△＜IR6，∴a6=0

⑺IR7=IB6+(8△6)a5+(4△6)a6+2△6=256△+128△+0+2×16△=416△∵IS=445△＞IR7，∴a7=1

⑻IR8=IB6+(8△6)a5+(4△6)a6+(2△6)a7+△6

=256△+128△+0+32△+16△=432△∵IS=445△＞IR8，∴a8=127所以445△的抽样值编出的码字是：11011011⑷解码：编码的逆过程编码电平：

IC=Ibi+(8a5+4a6+2a7+a8)△i

＝256△+(8+0+2+1)×16△

=432△

编码误差:编码电平－样值的绝对值

432△－445△=－13△

超过－△i/2=8△，应补偿IC+△i/2=440△

440△－445△=－5△

不超过－△i/2=8△

28

解码电平：ID＝

(2a1－1)(IC＋△i

/2)

解码误差＝解码电平－样值

ID＝(2a1－1)(IC＋△i

/2)

＝(2×1－1)×(432△

＋16△÷2)

＝440△

解码误差＝解码电平－样值

＝440△－445△

＝－5△

完2.2.2数模（D/A）变换数模变换是模数变换的反过程。接收端通过数模变换把收到的二进制数字信号序列还原成相应幅度的模拟信号。292.2.3时分多路复用及PCM30/32路系统国际上有两种标准化制式的多路数字电话通信系统，即PCM30/32路制式（E体系）和PCM24路制式（T体系），我国和欧洲采用E体系。

下面以PCM30/32多路数字电话通信系统为例，具体说明模拟话音数字化传输过程。30312.2.3.1

时分多路复用的基本概念

1、概念：

为了提高信道利用率，使多个信号沿同一信道传输而互相不干扰，要用到多路复用。目前采用较多的是频分多路复用和时分多路复用。频分多路复用用于模拟通信，例如载波通信，时分多路复用用于数字通信，例如PCM通信。时分多路复用通信，是各路信号在同一信道上占有不同时间时隙进行通信。

322、抽样定理是多路复用的理论基础通过抽样，将时间上连续的信号变换成时间上离散的信号，其在信道上占用时间的有限性，这就为多路信号沿同一信道传输提供了条件。TT33

具体来说，就是把时间分成一些均匀的时隙，将各路信号的传输时间分配在不同的时间时隙，以达到互相分开、互不干扰的目的。3、时分多路复用原理图量化编码解码K1K21路1路2路n路信道2路n路1221nn图2时分多路复用模型抽样(合路门)分配器分路门分配器34tf0CH1CH2CH3CH1CH2CH3CH1图3时分复用示意图一帧35

图中发端的分配器不仅起到抽样的作用，而且还起到复用合路的作用。收端的分配器起到时分复用的分路作用。⑵K1和K2(分配器)必须同频同相——同步数字通信中：比特同步、字符同步、帧同步。362.2.3.2时分复用中的同步技术

时分复用通信中的同步技术包括位同步(时钟同步)和帧同步，这是数字通信的又一个重要特点。1、位同步：位同步是最基本的同步，是实现帧同步的前提。⑴位同步的含义：位同步的基本含义是收、发两端机的时钟频率必须同频、同相，这样接收端才能正确接收和判决发送端送来的每一个码元。⑵如何实现位同步：37

传输的码型中应含有发送端的时钟频率成分。这样接收端从接收到的PCM码中提取发端时钟频率来控制收端时钟，就可做到位同步。2、帧同步：帧同步的前提是位同步。即必须正确接收每一个二进制比特。⑴什么是帧？帧是指若干码元的集合或数字信号中特定长度的二进制比特流，也可指对每路信号都采样一次后，各路样值编码后的码元集合。⑵帧同步的概念：接收端产生一个与发送端帧信号的起止时刻相同的脉冲序列。⑶帧同步的作用：实现话路(或字符)同步，以便接收端正确接38收每一个话路(或字符)信号。⑷实现帧同步的方法：对帧进行定界(确定帧的起点和终点)；手段是在每一帧(或几帧)中的固定位置插入特定码型的帧同步码。392.2.3PCM30/32路系统帧结构

完成数字通信全过程，除对各个话路进行编、解码外，还必须有定时、同步等措施。在数字通信系统中，各种信号（包括加入的定时、同步等信号）都是严格按时间关系进行的。在数字通信中把这种严格的时间关系称为帧结构。

下面以PCM30/32路系统为例说明时分复用的帧结构。这样形成的PCM信号称为PCM一次群信号。

E体系各项关键指标数据PCM30/32路系统的基群或一次群，简称E140指标名称指标值话音频带（Hz）300-3400抽样频率（Hz）8000量化级数256量化压缩律A律（A=87.6）样值编码位数8单路数码率（kbit/s）64帧长（μs）125时隙数/帧32话路数/帧30一次群复用速率（kbit/s）2048每话路64kbit/s的计算41为了正确地传送一路话音信号，每秒必须传送抽样值8000次。按照每个抽样值8bit编码，则每话路要求传输8000次×8bit=64kbit/s。

现在每帧中包含32个话路，每话路占其中8bit，必须传送8000帧/秒（500个复帧）。于是，32路PCM基群传输速率是8000(帧/秒)×32(时隙/帧)×8(bit/时隙)=2.048Mbit/s。高次群以4倍速率增长，即8.448（比8.192略多）Mbit/s…42

1、帧结构图：P36图2-5参见下页2、各部分作用(32个时隙的安排)⑴30个话路时隙：TS1-TS15，TS17-TS31

传送CH1-CH30路话音信号。⑵帧同步时隙：TS0

偶帧TS0后7位发送帧同步码：0011011；偶帧中的8位码中第一位码保留给国际通信用，国内通信不用，因此，暂定为1。43t1帧F0F1F2F15F0F151复帧=16帧(2ms)125us帧同步路

话路信令路话路话路话路话路TS0TS1TS15TS16TS17TS31

32个路时隙256比特路时隙3.9us码字=8比特12345678偶帧10011011保留给国际用(目前固定为1)奇帧1111111A1A1帧失步对告保留给国内用(目前固定为1)1110000A2F0帧复帧同步帧失步对告帧同步码F1帧abcdabcdCH1信令码CH16信令码F15帧abcdabcdCH15信令码CH30信令码同步：A1＝0；A2＝0失步：A1＝1；A2＝144t1帧

125usF0F1F2F15F0F151复帧=16帧(2ms)TS0TS1TS15TS16TS17TS31

帧同步路

话路话路话路话路话路话路32个路时隙256比特1001101112345678路时隙3.9us码字=8比特帧同步码偶帧F2帧abcdabcdCH2信令码CH17信令码PCM30/32路系统帧结构45t1帧

125usF0F1F2F15F0F151复帧=16帧(2ms)TS0TS1TS15TS16TS17TS31

帧同步路

话路话路话路话路话路话路32个路时隙256比特12345678路时隙3.9us码字=8比特11A111111

奇帧A1帧失步对告F1帧abcdabcdCH1信令码CH16信令码PCM30/32路系统帧结构46

奇帧TS0第三位传送帧失步告警码A1，整个码型11A111111。

A1=0，帧同步；A1=1，帧失步。奇、偶帧通过TS0时隙第二个比特是1还是0来区别。

⑶信令与复帧同步时隙：TS16F0帧的TS16时隙的前4位传送复帧同步码0000；第六位传送复帧失步告警码A2（同步时为0，失步时为1），其它位为1。

F1~F15帧的TS16时隙分别传送30个话路的信令码（具体来说高、低四位各传一路信令a、b、47c、d），所以每一路的信令码16帧才能传送一次，其抽样频率为500Hz。｛a、b、c、d｝不能同时编为0码，否则就无法与复帧同步码区别。通过前面的学习，可得帧结构就是数字信号的一种有序结构，即多路数字信号的传输按一定的规律进行，这种规律即数字信号的结构──称为帧结构。有了帧结构，接收端就能按帧结构进行正确的分路。

3、码速：482.2.3.3PCM30/32路系统简介

1、PCM30/32路系统方框图：

P362、各部分的作用和工作过程：说明P36—P37

fb＝32(路/帧)×8(比特/路)×8000(帧/秒)

＝2048kb/s＝2.048Mb/s

帧同步的目的是为了分别每一帧的开始和结果，以便正确的分路。

复帧同步的目的是确定复帧的开始和结果，分别每一帧以便区分30路随路信令。49PCM30/32路系统方框图话音信号振铃信号发信令信号发放大低通编码汇总码型变换放大低通解码分离码型反变换再生帧同步码发生器发端定时振铃信号收信令信号收收端定时帧同步码检出合路12330抽样门13032分路分路门124差动系统CP发至信道来至信道发收PCM30/32路数字电话系统终端框图（教材P36）502.2.4模拟信号数字化的其它方法

利用相邻抽样幅值的相对变化特性，对抽样信号进行编码也是一类较常用的模数转换方法。常见的有差值脉冲编码（DPCM）、自适应差值脉冲编码（ADPCM）、增量调制（DM）和自适应增量调制（ADM）等。511.差值脉冲编码调制(DPCM)

仅对两个相邻抽样幅值的差值进行编码，则由于差值信号变化较小，可大大地减少量化级数，从而减少编码的位数。这样，在相同传输速率下，可以成倍地提高信道的传输容量。52DPCM举例

对模拟话音信号按照8000Hz/s抽样，话音信号的变化范围是±3v，若采用8位二进制数PCM编码，量化为256级，每级约6V/256=23.4mv。

假定相邻抽样差值变化范围是±0.1v，把其化分为16个均匀量化级，每级为12.5mv，然后使用4位二进制数进行编码。编码后的数据发送速率仅需要4bit×8000=32Kb/s，比采用PCM编码的64Kb/s速率降低一半，效率提高一倍。53DPCM抽样差值图示542.脉冲增量调制(△M或DM)（教材38）仅对当前抽样值与其前一个抽样值差值的符号进行编码，而不对差值的大小编码。

如果两个前后抽样值之差为正就编为“1”码；差值为负就编为“0”码。因此，“1”和“0”代表的是信号相对于前一时刻的增减，不代表信号的绝对值。55DM波形及编码结果示意图562.3数字信号的基带传输

模数变换后的数字信号频谱，往往是含有直流、基波、高次谐波等不同频率分量的信号，称为基带数字序列信号，简称基带信号。

把基带数字序列信号经适当码型变换后直接送入信道传输，称为基带数字序列信号传输，简称基带传输。572.3.1基带传输系统模型码型变换：基带信号适应信道特性。波形形成网络：形成无码间干扰的波形。582.3.2数字基带传输的码型59根据信道频域特性和基带数字信号频域特性匹配的原则，对基带信号进行适当码型变换，使之适合于给定信道的频域特性，有利于延长传输距离、提高可靠性。1.数字基带传输码型选择原则60直流或低频信号衰减快，信号传输一定距离后严重畸变，所以不应含直流或低频频率分量。高频分量越大，对邻近信道产生的干扰就越严重，所以高频分量应尽量少。为方便从接收到的基带信号中提取位同步信息，应包含定时频率分量。便于增加冗余码，使码型带有规律性。码型变换过程与信源的统计特性无关，即对信源消息类型无任何限制并具有透明性。2.常用基带数字传输码型612.3.3无码间干扰的基带数字传输62基带传输信道（即波形形成网络）可以等效为一个理想低通滤波器，其传输特性及单位冲击响应如下图：Nyquist准则63如果波形形成网络具有图示理想低通滤波器传输特性，则该系统传输的码元速率为2fN（码元周期T=1/2fN）时，系统输出波形在峰值点（即判决抽样点）上不会产生前后码元间的干扰，这一条件称为奈奎斯特准则。无码间干扰的接收波形64只要按照Nyquist准则传输，当处于某个码元的幅度峰值时，恰好其它码元幅值是过零点。具有滚降特性的波形形成网络65具有滚降特性的波形形成网络，从技术上实现起来比理想低通容易，而且也满足Nyquist条件。2.4数字信号的频带传输66当基带数字信号频率范围与信道不相匹配时，把基带数字信号进行调制后再行传输，即数字信号的频带传输。本节将在第1章二进制数字调制基础上介绍多进制数字调制和复合调制概念。2.4.1多进制数字调制

多进制数字调制是利用多进制数字信号调制载波信号的幅度、频率或相位。

与二进制数字调制相比，多进制数字调制可提高比特率或可靠性，但因为需要多电平来表示信号，因而抗噪声性能较低，实现起来也较复杂。671.多进制数字调幅(MASK)四进制MASK

682.多进制数字调频（MFSK）k=log2M位码元为一组对应地转换成有M种状态的多进制码。693.多进制数字调相（MPSK）70利用载波的多种不同相位状态来表征数字信息。与二进制数字相位调制相同，多进制数字相位调制也有绝对相位调制（MPSK）和相对相位调制（MDPSK）。矢量图表示的MPSK（A和B方式）71QPSK调制与解调框图72两个相互正交的相干载波cosωct和sinωct分别检测出两个分量a和b。2.4.2复合调制与多级调制对同一载波信号的两个参数同时进行调制称为复合调制，目的是进一步提升信道利用率。例如，数字微波通信中采用的图示复合调制，数字调相用于传送数字信号，模拟调频用于话音通信。73调相加调幅实现16进制复合调制74多级调制75多级调制是指把同一基带信号实施两次或更多次的调制过程。2.5数字同步与复接技术

数字同步是指数字通信系统中各关键节点位置的动作频率保持一致。

数字复接是把若干个低速率分支数字码流汇接成一路高速数字码流的过程。为促进数字通信标准化，ITU-T早期推荐准同步数字体系（PDH）；后期推荐同步数字体系（SDH）762.5.1数字同步技术两种同步方式：位同步和帧同步位同步：收发两端以比特为单位严格对齐必要条件：双方时钟频率完全同频同相（多采用主从同步方式）帧同步：收发两端以帧为单位严格对齐。必要条件：利用帧同步码77782.5.2数字复接技术一、数字复接的概念

在数字通信系统中，为了扩大传输容量和提高效率，常常需要将若干个低速数字信号合并成一个高速数字流，以便在高速宽带信道中传输。

数字复接技术就是把两个或两个以上分支数字信号按时分复用方式汇接成为单一的复合数字信号。具体来说，数字复接技术是解决PCM信号由低次群到高次群的合成的技术，它把PCM数字信号由低次群逐级合成位高次群以适应在高速线路中传输。79二、扩大数字通信容量的两种方法：

扩大数字通信容量，形成二次群以上的高次群的方法通常有两种：PCM复用和数字复接。⑴PCM复用所谓PCM复用就是采用PCM30/32系统复用的方法，直接将更多路信号编码复用。

即将多路模拟话音信号按125us的周期分别进行抽样，然后合在一起统一编码形成多路数字信号。

PCM复用对编码器的元件精度要求高，不易实现。所以实际中不采用，而是采用数字复接。802、数字复接

数字复接是将几个低次群在时间的空隙上迭加合成高次群。例如将四个一次群合成二次群，四个二次群合成三次群等。数字复接的原理示意图参见下图。低次群(1)低次群(2)时延合成ABCB/fLfLfH81

在上图中，低次群⑴与低次群⑵的速率完全相同(假设均为“1”码)，为了达到数字复接的目的，首先将各低次群的脉宽缩窄，图中波形A和B/是脉宽缩窄后的低次群，以便留出空隙进行复接。然后对低次群⑵进行时间位移，就是将低次群⑵的脉冲信号移到低次群⑴的脉冲信号的空隙中，最后将两个低次群合成高次群C。AB/C82三、数字信号的复接方法

（书中P50页2.5.2）

经过数字复接以后，数码率提高了，但是对每个低次群的编码速度则没有提高，所以，数字复接的方法克服了PCM复用的缺点，目前这种方法被广泛采用。

主要有按位复接、按字复接和按帧复接三种。

⑴按位复接：又叫比特复接，即复接时每支路依照被复接的顺序，每次只取一个支路的一位码进行复接，其示意图参见下页图。83(a)一次群(基群)1011

0101PCM30/32基群⑴CH1(第一路)PCM30/32基群⑵PCM30/32基群⑶PCM30/32基群⑷(b)二次群(按位数字复接)(c)二次群(按字数字复接)CH1(第一路)11110101100111100111101000011111

1011010111011001100111011110101184

按字复接要求有较大存储容量的缓冲存储器，但保证了一个码字的完整性，有利于以字节为单位的信号的处理和交换。同步数字体系(SDH)大多采用这种方法。

按位复接要求复接电路存储容量小，简单易行，准同步数字体系(PDH)大多采用它。但这种方法破坏了一个字节的完整性，不利于以字节(即码字)为单位的信号的处理和交换。

2、按字复接

按字复接是每次复接各低次群(也称为支路)的一个码字形成高次群。如上图所示。85⑶按帧复接：每次复接一个支路的一个帧（一帧含有256个比特）。这种方法的优点是复接时不破坏原来的帧结构，有利于交换和转接，但是要求更大的存储容量。四、两类数字速率系列一次群(基群)二次群三次群四次群北美24路1.544Mb/s96路6.312Mb/s672路44.736Mb/s4032路274.176Mb/s日本24路1.544Mb/s96路6.312Mb/s480路32.064Mb/s1440路97.728Mb/s欧洲中国30路2.048Mb/s120路8.448Mb/s480路34.368Mb/s1920路139.2264Mb/s86五、数字复接中的码速变换（书中P51）⑴各个低次群的瞬时数码率是不同的。

如果被复接的各低次群的时钟是各自产生的，则各个支路的时钟(晶体振荡器的振荡频率)不可能完全相同。例如，原CCITT规定PCM30/32系统的瞬时数码率在2048kbit/s±100bit/s。如果直接复接，复接后的数码就会产生重叠和错位，从而使接收端无法分接恢复成原来的低次群信号的。参见下图：

87

这样复接合成后的信号，在接收端是无法分接恢复成原来的低次群信号的。低次群(1)低次群(2)时延合成ABCB/fL1慢fL2快fHACB/重叠错位88⑵系统同步

通过前面的讨论，我们可知数码率不同的的低次群数字信号是不能直接复接的。为此，在复接前要使各低次群的数码率同步，同时使复接后的数码率符合高次群帧结构的要求。由此可见，复接之前，必须采取适当的措施，以调整各低次群系统的数码率使其同步，这种同步是系统与系统之间的同步，称为系统同步。

89

⑶系统同步的方法（两种复接情况）

①同步复接：不需要调整，只限于局部区域内使用。②异步复接：需要进行码速调整。⑷不论同步复接或异步复接，都需要码速变换。复接接后的码序列中还要加入帧同步码、对端告警码等码元，这样数码率就要增加，因此需要码速变换。例如二次群的数码率位8448kb/s，所以复接之前应将基群的速率从2048kb/s变换位2112kb/s。这正是码速变换和码速调整的需要。

六、数字复接系统的组成及其各部分的作用数字复接系统主要由发端的数字复接器和收端的数字分接器两部分组成，如图所示。90

数字复接器的功能是把4个支路(低次群)合成一个高次群。它是由定时、码速调整(或变换)和复接单元组成的。分接单元的作用是把合路的高次群分离成同步支路信号，然后通过恢复单元把它们恢复成原来的低次群信号。定时调整复接低次群⑴⑵⑶⑷定时分接恢复⑴⑵⑶⑷低次群外时钟同步复接器分接器高次群2.5.3准同步数字体系

ITU-T早期推荐了两类从基群到五次群复接等级的数字速率系列。一类以1.544Mb/s为基群速率，另一类以2.048Mb/s为基群速率。因这两类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，各节点时钟允许存在少量的频率漂移误差，因此这是一种准同步复接方式，统称为准同步数字体系（PDH）。9192传统的异步数字系列PDH的情况：（1）、当时的通信业务没有怎么发展，通信业务量小且单一是话音通信业务；（2）、使用的传输介质是同轴电缆、微波，而不是光纤；（3）、PDH只考虑了交换节点之间的固定传输手段，着眼于解决局部的传输问题，电路群的调度、维护、管理都是人工的。根本没有考虑构成网路资源可灵活的调度的和自动管理的传输网。1.两类PDH系列标准93表2-4PDH两类标准数字速率系列和复接等级群号2M系列1.5M系列速率（Mb/s）话路数速率（Mb/s）话路数基群2.048301.54424二次群8.44830×4=1206.31224×4=96三次群34.368120×4=48032.06496×5=480四次群139.264480×4=192097.728480×3=1440五次群564.9921920×4=7680397.2001440×4=5760942、PDH技术的主要缺点P52⑴PDH只有地区性的数字信号速率和帧结构标准，没有世界性标准，造成了国际互通的困难；⑵PDH没有世界性的标准光接口规范，导致各个厂家发行的专用光接口大量滋生，因而无法在光路上互通；⑶PDH采用异步复用方式，存在很多问题；⑷PDH的帧结构中没有安排很多用于网络运行、管理和维护(OAM)的比特，已成了进一步改进网络OAM能力的障碍；⑸由于建立在点对点传输基础上的复用结构缺乏灵活性，使数字信道设备的利用率很低。95图2分插信号流图的比较分接分接分接140Mb/s电接口140/34Mb/s34/8Mb/s8/2Mb/s2Mb/s(电信号)140Mb/s电接口复接复接34/140Mb/s复接2/8Mb/s8/34Mb/sADM155Mbit/s光接口155Mbit/s光接口2Mb/s2Mb/s2.5.4同步数字体系（SDH）96鉴于PDH的不足，国际上迫切需要建立统一的全新体制的数字通信网。为此ITU-T经充分讨论和协商，于上世纪80年代末，接受了美国贝尔通信研究所提出的同步光网络（SONET:SynchronousOpticalNetwork）数字体系标准并进行了适当修改，命名为同步数字体系（SDH）。97SDH的产生①SDH的产生原因现代信息社会的通信业务要求：人们希望现代电信网络能够快速、经济、有效地提供各种电路和业务；②SDH的产生条件

a、光纤的使用；

b、以微处理器支持的智能网元的出现有力支持了网络技术体制上的重大变革。③SDH的产生首先美国贝尔通信研究所提出的称之为光同步网(SONET)的一种新体制；98

这种新体制有机地结合了高速大容量光纤传输技术和智能网络技术。其基本思想是采用一整套分级的标准数字传送结构组成同步网络，可在光纤上传送经适配处理后的业务。其次，1988年，国际电报电话委员会接收了SONET的要领并进行了适当的修改，重新命名为同步数字体系(SDH)。

SDH不仅适于在光纤上传输，也是适于微波通信和卫星通信传输的新体制。

SDH的诞生，从而揭开了现代信息传输崭新的一页，并在短短的二十年得到了空前的发展。99

1、SDH的概念⑴概念

SDH是一套可进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的标准化的数字信号的结构等级。而SDH网络则是由一些基本的网络单元(NE)组成的，在传输介质上(如光纤、微波等)进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的传送网络，它具有全世界统一的网络节点接口(NNI)。TMTMREGREGSDXC或ADM再生段再生段再生段再生段复用段复用段通道通道通道100⑵NNI(网络节点接口)的标准化①NII的概念：传输网由传输设备和网络节点(又称网元设备)组成的，NII是传输设备和网络节点(或网络节点和网络节点)互连的接口。②传输设备：包括光纤、微波和卫星通信等系统。③网元设备：终端复用器TM、分插复用器ADM、交叉连接设备SDXC、再生中继器REG和交换设备。④NII的标准化及意义101

在现代通信传输网中，为提高NII的灵活性和适应性，使其不受特定的传输媒介及特定的网络节点限制，而能将不同的传输设备和网络节点结合在一起，构成统一的传输复用、交叉连接和交换接口，应使标准化NII；⑤NII标准化的要求：

在现代传输网络中，要想统一上述技术和设备的规范，必须具有统一的接口速率及相应的帧结构，而SDH网络就具备了这一特点。⑶SDH标准化的信息结构等级和特点①同步传送模块STM-NSDH采用一套标准化的信息等级结构，称之为102

同步传送模块STM－N(N＝1，4，16,64，……)，其中最基本、最重要的模块为STM－1，其传输速率为155.520Mbit/s。将四个STM－1（或四个STM－4）同步复用构成STM－16，传输速率为2448.320Mbit/s。②块状帧结构：是立体的结构，便于从它的不同三维方向上处理，因而从帧中提取不同速率的信息很方便；③丰富的开销（SOH、POH）用于网络的运营、维护和管理。④具备一套灵活的复用和映射结构103

允许将不同级别的PDH信号、ATM信号和其他信号经处理后放入不同的虚容器VC-N中，因而，具有广泛的适应性。在传输时，按照规定的位置结构将以上这些信号组装起来，利用传输介质（如光纤、微波等）送到目的地。

⑤SDH在组网时采用了大量软件功能进行网络管理、控制及配置。因而具有很强的可扩充性和可维护性，尤其在环形网、网状网等网络中应用时，可进行灵活的组网与业务调度，可实现高可靠的网络自愈。

1042、SDH的特点

SDH是完全不同于PDH的新一代传输网络体制，它主要有以下特点：

①采用同步复用方式和灵活的复用映射结构；②实现了数字传输体制上的世界标准，而且还可容纳其他各种数字业务信号；③具有全世界统一的网络节点接口，使任何网络单元在光路上得以互通；④帧结构中安排了丰富的开销比特，使网络运行、管理、维护和配置能力大大加强；105

⑤采用指针调整技术；

⑥SDH引入了“虚容器”的概念；

⑦采用先进的分插复用器、数字交叉连接等设备；

⑧提出了一套完整的标准，使各生产单位和应用单位均有章可循。

归纳起来，SDH最核心的三大特点是同步复用、强大的网络管理能力和统一的光接口及复用标准，并由此带来了许多优良的性能，成为信息传输的主要物理传送平台。1063、SDH的帧结构

SDH技术的基础是它的帧结构，而实现各种网络管理的基础是它的开销，所以本节将介绍SDH帧结构的组成。1、帧结构P53SDH帧结构是实现SDH网络诸多功能的基础。

⑴对帧结构的基本要求是：既能满足对支路信号进行同步数字复用、交叉连接和交换，也能使支路信号在一帧内的分布是均匀、规则和可控的，以便接入和取出。

107⑵帧结构:

属于块状帧结构，并以字节为基础

传输时由左到右、由上到下顺序排成串形码流依次传输，传输一帧的时间为125微秒，每秒传8000帧，对STM－1而言传输速率为：

8×9×270×8000＝155520kbit/s。更高阶的同步传送模块由基本模块信号STM－1的N倍组成，分别是：622080kbit/s，2488320kbit/s，……，彼此关系正好是四倍。

块状帧结构，是立体的结构，便于从它的不同三维方向上处理，因而从帧中提取不同速率的信息很方便。108

帧结构（1）、信息净负荷(9行×261列)1）STM-N帧中放置各种业务信息的地方。2）2M/34M/140M等PDH信号、ATM信号、IP信息包等打包成信息包后，放于其中。然后由STM-N信号承载，在SDH网上传输。若将STM-N信号帧比做一辆货车，其净负荷区即为该货车的车厢。3）在将低速信号打包装箱时，在每一个信息包中加入通道开销POH，以完成对每一个“货物包”在“运输”中的监视。109帧结构的基本描述110帧结构（2）、段开销SOH段开销——完成对STM-N整体信号流进行监控。即对STM-N“车厢”中所有“货物包”进行整体上的性能监控。再生段开销(RSOH)—完成对STM-N整体信息结构进行监控复用段开销(MSOH)—完成对STM-N中的复用段层信息结构进行监控RSOH、MSOH、POH组成SDH层层细化的监控体制二者区别：宏观（RSOH）和微观（MSOH）111（3）、管理单元指针——AU-PTR定位低速信号在STM-N帧中(净负荷)的位置，使低速信号在高速信号中的位置可预知。发端在将信号包装入STM-N净负荷时，加入AU-PTR，指示信号包在净负荷中的位置，即将装入“车厢”的“货物包”，赋予一个位置坐标值。收端根据AU指针值，从STM-N帧净负荷中直接拆分出所需的低速支路信号；即依据“货物包”位置坐标，从“车厢”中直接所需要的那一个“货包”。由于“车厢”中的“货物包”是以一定的规律摆放的——字节间插复用方式；所以对货物包的定位仅需定位“车厢”中第一个“货物包”即可。112113帧结构帧结构若复用的低速信号速率较低，即打包后信息包太小，例：2M、34M。需进行二级指针定位。先将小信息包打包成中信息包，通过支路单元指针TU-PTR定位其在中信息包中的位置。然后将若干中信息包打包成大信息包，通过AU-PTR指示相应中信息包的位置。114帧结构115低阶SDH→高阶SDH：同步字节间插复用方式PDH信号→STM-N：同步复用和灵活的映射140M→STM-N34M→STM-N2M→STM-N复用是依复用路线图进行的，ITU-T规定的路线图有多种，但通常一个国家或地区仅使用一种。1164、SDH的复用步骤(复用方式、复用结构)

1174、SDH的复用原理

1、SDH复用的基本原理⑴不同系统之间的同步问题？如何解决各支路信号彼此之间的频差和相移等问题。传统的解决方法主要有码速调整法(或称比特塞入法)和固定位置映射法。而在SDH技术中，引入了指针调整法。其基本原理是利用净负荷指针来表示在STM－N帧内浮动的净负荷的准确位置。当出现净负荷在一定范围内的频率变化时，只118需增加或减少指针的数值即可达到目的。⑵SDH的一般复用结构：

它是由一些基本复用映射单元组成的、有若干个中间复用步骤的复用结构；具有一定频差的各种支路信号要想复用进STM—N帧，都要经过映射、定位校准和复用三个步骤。⑶基本工作过程：首先，各种速率等级的数据流进入相应的容器(C)，完成适配功能(主要是速率调整)，然后再进入虚容器(VC)，加入通道开销(POH)。119图2.22G.709建议的SDH复用映射结构139.264Mb/sC-2VC-2TU-2TUG-2TUG-3VC-4AU-4AUGSTM-NC-12VC-12TU-12C-11VC-11TU-11C-4C-3VC-3TU-3VC-3AU-3×N×1×3×7×3×1×7×1×3×444.736Mb/s34.368Mb/s6.312Mb/s2.048Mb/s1.544Mb/s指针处理复用定位校准映射120

VC在SDH网中传输时可以作为一个独力的实体，在通道的任意位置取出和插入，以便进行同步复用和交叉连接处理。由VC出来的数字流再按图中规定的路线进入支路单元（TU）和管理单元(AU)。在AU和TU中要进行速率调整，因为低一级数字流在高一级数字流中的起始点是浮动的。为了准确地确定起始点的位置，在AU和TU中设置了指针（AU-PTR和TU-PTR），从而可以在相应的帧内进行灵活和动态的定位。121最后在N个AUG的基础上，再附加上段开销SOH，便形成了STM－N的帧结构。2、基本复用映射单元⑴容器（C）容器是一种用来装载各种速率业务信号的信息结构。其基本功能是完成适配，即码速调整，让那些最常使用的准同步数字体系信号能够进入有限数目的标准容器：C-11,C-12,C-2,C-3,C-4。我国目前仅涉及C-12,C-3及C-4等容器，每一种标准容器分别对应于一种标称的PDH输入速率。122

参与SDH复用的各种速率的业务信号都应首先通过码速调整等适配技术装进一个恰当的标准容器。已装载的标准容器又作为虚容器的信息净负荷。例如PCM一次群的标称速率是2048kbit/s，而C-12的速率是2176kbit/s。⑵虚容器（VC）虚容器是用来支持SDH通道层连接的信息结构。它是SDH通道的信息终端，由安排在重复周期为125us的块状帧结构中的信息净负荷(容器的输出)即容器加上通道开销组成：123C-n＋VC-nPOH＝VC-nVC的输出将作为其后接(TU或AU)的信息净负荷。

VC是SDH中最重要的一种信息结构，它的包封速率与SDH网络同步，因此不同等级的VC是互相同步的，但在VC的内部却允许装载来自不同容器的异步净负荷(即PDH系列信号等)。除在VC的组合点和分解点(即PDH/SDH网的边界处)外，VC在SDH网中传输时总是保持完整不变，因而可以作为一个独力的实体十分方便和124灵活地在通道中任一点插入和取出，以便进行同步复用和交叉连接处理。虚容器可分为低阶虚容器和高阶虚容器两类。

VC-1和VC-2为低阶虚容器；VC-4和AU-3中的VC-3为高阶虚容器。若通过TU-3把VC-3复用进VC-4，则该VC-3应归于低阶虚容器。125⑶支路单元（TU）

是一种提供低阶通道层和高阶通道层之间适配功能的信息结构，由相应的低阶虚容器和相应的支路单元指针组成。

TU-n＝VC-n+TU-nPTRTU-nPTR指示VC-n净负荷起点在TU帧内的位置。有四种支路单元，即TU-n(n＝11,12,2,3)。⑷支路单元组（TUG）由一个和多个在高阶VC净负荷中固定的占有规定位置的支路单元组成。126

把一些不同规模的TU组合成一个TUG的信息净负荷可增加传送网络的灵活性。

VC-4和VC-3中有TUG-3和TUG-2两种支路单元组。一个TUG-2由一个TU-2或3个TU-12或4个TU-11按字节交错间插(按字复接)组合而成；一个TUG-3由一个TU-3或7个TUG-2按字节交错间插组合而成。一个VC-4可容纳3个TUG-3；一个VC－3可容纳7个TUG-2。127⑸管理单元(AU)

管理单元(AU)是提供高阶通道层和复用段层之间适配功能的信息结构。有AU-3和AU-4两种管理单元。由一个相应的高阶VC-n和一个相应的管理单元指针(AU-PTR)组成。

AU-n＝VC-n＋AU-nPTRn＝3、4AU-nPTR指示VC-n净负荷起点在AU帧内的位置。⑹管理单元组（AUG）128

在STM－N帧的净负荷中固定地占有规定位置的一个和多个的管理单元AU的集合称为管理单元组(AUG)。一个AUG由一个AU-4或3个AU-3按字节交错间插组合而成。最后强调指出的是：在AU和TU中要进行速率调整，因而低一级数字流在高一级数字流中的起始点是浮动的。为了准确地确定起始点的位置，设置两种指针(AU-PTR和TU-PTR)分别对高阶VC在相应AU帧内的位置以及VC-1、VC-2、VC-3在相应TU帧内的位置进行灵活动态的定位。129⑺同步传送模块

即STM－N，基本模块STM－1。除以上介绍的各个单元以外，SDH还安排有灵活的级联方式，以传输非标准PDH等级的信号。例如：用户要求