第5章数字光纤通信系统.ppt

1、第 5 章 数字光纤通信系统 5.1 两种传输体制 5.2 系统的性能指标 5.3 系统的设计,返回主目录,预备知识数字通信基本原理,数字通信的基本概念,脉冲编码调制（）,时分多路复用及PCM30/32路系统,数字复接技术准同步数字体系（PDH）,一、数字通信的基本概念,（1）模拟信号和数字信号 模拟信号：信息随波形的变化而变化，其幅度是连续的。,电话、传真、电视信号,数字信号：幅值被限制在有限个数值之内，不是连续的， 是离散的。,电报信号、数据信号,从以上分析可知：数字信号与模拟信号的区别是根据幅度取值上是否离散而定的。虽然模拟信号与数字信号有明显区别，但二者之间，在一定条件下是可以互相转换

2、的。,(2)数字通信的概念 通信的目的是传递或交换信息。根据在信道上传输的信号形式的不同，可分为两类通信方式：模拟通信和数字通信。 模拟通信：以模拟信号的形式传递消息，采用频分复用实现多路通信。 数字通信：以数字信号的形式传递消息，采用时分复用实现多路通信。,（3）数字通信系统的构成 数字通信系统的构成模型如图0一4所示。,信源:被变换成原始电信号的原始信息。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、各种数字终端设备等。 信源编码：把模拟信号变换成数字信号，即完成模数变换的任务。如果信源产生的已经是数字信号，可省去信源编码部分。 信道编码：完成自动检错或纠错功能

3、传输过程中由于信道中存在噪声干扰，使得传输的数字信号产生差错误码。为了在接收端能自动进行检错或纠正差错，在信源编码后的信息码元中，按一定的规律，附加一些监督码元，形成新的数字信号。接收端可按数字信号的规律性来检查接收信号是否有差错或纠正错码。 调制：将基带数字信号搬移到适合于信道传输的频带上。将基带数字信号直接送到信道传输的方式称为基带传输；将基带数字信号经过调制后再送到信道传输的方式称为频带传输。 信道：是指传输信号的通道。根据传输媒介可分为有线信道(明线、电缆、光缆信道)与无线信道(短波电离层传播、微波视距传播、卫星中继信道)。 信宿：接收信息的人或各种终端设备。,对于具体的数字通信系统，

4、其方框图并非都与图0一4方框图完全一样，例如： 若信源是数字信息时，则信源编码或信源解码可去掉，这样就构成数据通信系统。 若通信距离不太远，且通信容量不太大时，信道一般采用市话电缆，即采用基带传输方式，这样就不需要调制和解调部分。 传送话音信息时，即使有少量误码，也不影响通信质量，一般不加信道编、解码。 在对保密性能要求比较高的通信系统中，可在信源编码与信道编码之间加人加密器；同时在接收端加入解密器。,2数字通信的特点,(1)抗干扰能力强，无噪声积累 在模拟通信中，为了提高信噪比，需要及时对传输信号进行放大(增音)，但与此同时，串扰进来的噪声也被放大。由于模拟信号的幅值是连续的，难以把传输信号

5、与干扰噪声分开。随着传输距离的增加，噪声累积越来越大，将使传输质量严重恶化。 对于数字通信，由于数字信号的幅值为有限的离散值(通常取两个幅值)，在传输过程中受到噪声干扰，当信噪比还没有恶化到一定程度时，即在适当的距离，采用再生的方法，再生成已消除噪声干扰的原发送信号。由于无噪声积累，可实现长距离、高质量的传输。,(2)便于加密处理 信息传输的安全性和保密性越来越显得重要。数字通信的加密处理比模拟通信容易得多。以话音信号为例，经过数字变换后的信号可用简单的数字逻辑运算进行加密和解密处理。 (3)采用时分复用实现多路通信 时分复用是利用各路信号在信道上占有不同的时间间隙，同在一条信道上传输，并且互

6、不干扰。,(4)设备便于集成化、微型化 数字通信采用时分多路复用，不需要昂贵的、体积较大的滤波器。由于设备中大部分电路都是数字电路，可以用大规模和超大规模集成电路实现，这样功耗也较低。 (5)占用信道频带宽 一路数字电话的频带为64kHz，而一路模拟电话所占频带仅为4kHz，前者是后者的16倍。然而随着微波、卫星、光缆信道的大量利用(其信道频带非常宽)，以及频带压缩编码器的实现和大量使用，数字通信占用频带宽的矛盾正逐步减小,3数字通信系统的主要性能指标,衡量数字通信系统性能好坏的指标是有效性和可靠性两项 （1）有效性指标 有效性指标具体包括以下三项内容。 信息传输速率(R) 信息传输速率简称传

7、信率，也叫数码率(常用fb表示)。它的定义是：每秒所传输的信息量。 信息传输速率的定义也可以说成是：一秒所传输的二进制码元数，其单位为bits。 其中fs为抽样频率，n是复用的路数，l是编码的码位数。,符号速率(N) 符号速率也叫码元速率，它的定义是：1秒所传输的码元数目(这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的)，其单位为“波特”(Bd)。 一个符号要用log2M个代码来表示(M为进制数或电平数)。可见，二进制码元传输时，信息传输速率与符号速率相等。 频带利用率 真正用来衡量数字通信系统传输效率的指标(有效性)应当是单位频带内的传输速率,(2)可靠性指标 反映数字通信系统可靠性的主要指标是

8、误码率。 误码率的定义为：在传输过程中发生误码的码元个数与传输的总码元之比。,二、脉冲编码调制(PCM ),由于数字通信是以数字信号的形式来传递消息的，而话音信号是幅度、时间取值均连续的模拟信号，所以数字通信所要解决的首要问题是模拟信号的数字化，即模数变换(AD变换)。 1脉冲编码调制通信系统的构成 脉冲编码调制是对模拟信号的瞬时抽样值量化、编码，以将模拟信号转化为数字信号。 若模数变换的方法采用PCM，由此构成的数字通信系统称为PCM通信系统。采用基带传输的PCM通信系统构成方框图如图07所示。,由图中可以看出，PCM通信系统由三个部分构成： (1)模数变换 相当于信源编码部分的AD变换，具

9、体包括抽样、量化、编码三步。 抽样是把模拟信号在时间上离散化，变为脉冲幅度调制(PAM)信号。 量化是把PAM信号在幅度上离散化，变为量化值(共有N个量化值)。 编码是用二进码来表示N个量化值，每个量化值编l位码，则有N=2l。,(2)信道部分 信道部分包括传输线路及再生中继器。由前面介绍的内容可知再生中继器可消除噪声干扰，所以数字通信系统中每隔一定的距离加一个再生中继器以延长通信距离。 (3)数模变换 接收端首先利用再生中继器消除数字信号中的噪声干扰，然后进行数模变换。数模变换包括解码和低通两部分。 解码是编码的反过程，解码后还原为PAM信号(假设忽略量化误差量化值与PAM信号样值之差)。

10、低通收端低通的作用是恢复或重建原模拟信号。,2. 抽样 (1)抽样的概念 话音信号不仅在幅度取值上是连续的，而且在时间上也是连续的。要使话音信号数字化，首先要在时间上对话音信号进行离散化处理，这一处理过程是由抽样来完成的。所谓抽样就是每隔一定的时间间隔T抽取模拟信号的一个瞬时幅度值(样值)。抽样是由抽样门来完成的，在抽样脉冲ST(t)的控制下，抽样门闭合或断开，如图O一8所示。,(2)理想抽样的频谱,采用理想的单位冲激脉冲序列作为抽样脉冲(即用冲激脉冲近似表示有一定宽度的抽样脉冲)时，称为理想抽样。,理想抽样样值序列S(t)的频谱S()与原始模拟话音信号m(t)的频谱M()对比图,为了避免产生

11、折叠噪声，对频带为fmHz的话音信号，其抽样频率fs必须满足下列条件： fs-fmfm 所以 fs 2fm或T1/( 2fm) 即：“一个频带限制在fmHz以下的连续信号m(t)，可以惟一地用时间每隔丁 1/( 2fm)秒的抽样值序列来确定。这就是著名的抽样定理。 话音信号的最高频率限制在3400Hz，这时满足抽样定理的最低的抽样频率应为fmin=6800Hz，为了留有一定的防卫带，原CCITT规定话音信号的抽样频率为fs=8000 Hz，这样就留出了80006800=1200Hz作为滤波器的防卫带。,注意：抽样频率fs不是越高越好， fs太高时，将会降低信道的利用率。,3量化 将时间域上幅度

12、连续的样值序列变换为时间域上幅度离散的样值序列信号。 量化分为均匀量化和非均匀量化两种。 (1)均匀量化 话音信号的概率密度分布曲线如图一11所示。,均匀量化是在量化区内(即从一U+U)均匀等分N个小间隔。N称为量化级数，每一小间隔称为量化间隔。由此可得： =2U/N 当N=8时,可以看出，在量化区，其最大量化误差(指绝对值)不超过半个量化间隔等，但在过载区，量化误差将会超过。即 emax(t)= /2(量化区) e max(t) /2(过载区),量化误差相当于一个噪声叠加在原来的信号上起干扰作用，这种噪声称为量化噪声。,均匀量化的特点是： ）在量化区内，大、小信号的最大量化误差相同，所以小信

13、号的量化信噪比小，大信号的量化信噪比大。 ）当量化级数N一定时，均匀量化小信号的量化信噪比太小，不满足要求(数字通信系统中要求量化信噪比26dB)，而大信号的量化信噪比较大，远远满足要求。,(2)非均匀量化 宗旨：在不增大量化级数的前提下，利用降低大信号的量化信噪比来提高小信号的量化信噪比。 措施：为了达到这一目的，非均匀量化大、小信号的量化间隔不同。信号幅度小时，量化间隔小，其量化误差也小；信号幅度大时，量化间隔大，其量化误差也大。 实现非均匀量化的方法有两种，即模拟压扩法和直接非均匀编解码法。,模拟压扩法,在发端，抽样后的样值信号(u)首先经过压缩器处理后(压缩器对小信号放大，大信号压缩)

14、变为v，再对v进行均匀量化成vq,然后编码。收端解码后恢复为编码之前的vq, ，为了进行还原，将vq,送人扩张器，扩张特性与压缩特性正好相反(扩张器对小信号压缩，大信号放大)，扩张器的输出为uq。,要求： 当输入u=0时，输出v=0；当输入u=U(过载电压)时，输出v=U。而且要求扩张特性要严格地与压缩特性相反，以使压缩扩张的总传输系数为1，否则会产生失真。,直接非均匀编解码法 实现非均匀量化的方法，目前一般采用直接非均匀编解码法。所谓直接非均匀编解码法就是：发端根据非均匀量化间隔的划分直接将样值编码(非均匀编码)，收端进行非均匀解码。,(3)A律l 3折线压缩特性 为了便于编码，便于数字化实

15、现，希望非均匀量化间隔的划分严格地成2的倍数关系。,4编码与解码 这里的编码指的是根据A律1 3折线非均匀量化间隔的划分直接对样值编码，称为非均匀编码，接收端再进行非均匀解码，即直接非均匀编解码法。 说明： 编码时所采用的是折叠二进码。折叠二进码的特点是：样值为正时，极性码(第1位码)为“1，样值为负时，极性码为“O；正负样值的绝对值相等时，其幅度码(后几位码)相等。 A律13折线正的有8个量化段，为了尽量减少编码误差，每个量化段又均分为1 6等份，每一份称为一个量化级。,量化级数N2(正负极性)8(段)16(等分)=256，根据码字位数l与量化级数N的关系(即N=2l)，当N=256时，l=

16、8，即每个样值编8位码(称为一个码字)。信号正、负极性用a1表示；幅度为正(或负)的8个非均匀量化段用三位码a2，a3，a4表示，称段落码(非线性码)；每一量化段内均匀分成16个量化级，用a5，a6，a7，a8四位码表示，称段内码(线性码)。,三、时分多路复用及PCM3032路系统,1时分多路复用通信 (1)时分多路复用 多路复用 为了提高信道利用率，使多路信号沿同一信道传输而互不干扰，称多路复用。目前多路复用的方法用得最多的有两大类：频分多路复用(FDM)和时分多路复用(TDM)。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。 时分多路复用的概念 所谓时分多路复用(即时

17、分制)是利用各路信号在信道上占有不同时间间隔的特征来分开各路信号的。,(2)PCM时分多路复用通信系统的构成,各路信号先经低通滤波器(截止频率为34kHz)LP将频带限制在0.3-3.4kHz以内，即防止高于3.4kHz的信号通过，避免抽样后的PAM信号产生折叠噪声。抽样间隔均为T=125us(fs=8kHz)。,抽样合路,分路,几个基本概念： 1帧抽样时各路每轮一次的总时间(即开关旋转一周的时间)，也就是一个抽样周期。 路时隙(时隙)路时隙(tc)是合路的PAM信号每个样值所允许占的时间间隔(tc=T/n)。 位时隙l位码的时间(tB=tc/l)。 由此可推导出数码率的公式为:,(3)时分多

18、路复用系统中的位同步 为了保证在接收端能正确接收或者说能正确区分每一路信号，时分多路复用系统中收、发两端应做到同步，主要包括位同步(即时钟同步)和帧同步。 数字通信是时分制多路通信，各类信号的传输与处理都是在规定的时间内进行的，所以收、发两端都有时钟信号进行统一的控制。 所谓时钟同步是使收端的时钟频率与发端的时钟频率相同(时钟频率与二进制数字信号的数码率数值一样)。时钟同步保证收端正确识别每一位码元(所以时钟同步也叫位同步)，这相当于图019中两端旋转开关的旋转速度相同。,(4)时分多路复用系统中的帧同步 帧同步是保证收发两端相应各话路要对准，即在接收端正确接收(区分)每一路信号。这相当于图O

19、一19中旋转开关的起始位置相同。 为了做到帧同步，要在每个帧的第一个时隙安排标志码(即帧同步码)，以便接收端识别判断帧的开始位置是否与发端的相对应。因为每帧内各路信号的位置是固定的，如果能把每帧的首尾辨别出来，就可正确区分每一路信号，即实现帧同步。,2PCM3032路系统 (1)PCM3032路系统 (称为基群或一次群)的帧结构图。,2PCM3032路系统 (1)PCM3032路系统帧结构 图0-20是PCM3032路系统(称为基群，也叫一次群)的帧结构图。 前面已知，话音信号根据原CCITI、建议采用8kHz抽样，抽样周期为125us，所以一帧的时间(即帧周期)T=125us。每一帧由32个

20、路时隙组成(每个时隙对应一个样值，一个样值编8位码)，其中： 30个话路时隙(TS1TSl5，TSl7TS31) TS1TSl5分别传送第115路(CHlCHl5)话音信号，TS17TS31分别传送第1630路(CHl6CH30)话音信号。 帧同步时隙(隅) 为了实现帧同步： 偶帧TS0发送帧同步码0011011；偶帧TS0的8位码中第1位保留给国际用，暂定为1，后7位为帧同步码。,奇帧TS0发送帧失步告警码。奇帧TS0的8位码中第1位也保留给国际用，暂定为1。其第2位码固定为1码，以便在接收端用以区别是偶帧还是奇帧(因为偶帧的第2位码是0码)。 第3位码A1为帧失步时向对端发送的告警码(简称

21、对告码)。当帧同步时，A1为0码；帧失步时A1码为1码。以便告诉对端，收端已经出现帧失步，无法工作。其第48位码可供 传送其他信息(如业务联络等)。这几位码未使用时，固定为1码。这样，奇帧TS0时隙的码型为1 1 A1 1 1 1 1 1。,信令与复帧同步时隙(TSl6) 为了起各种控制作用，每一路话音信号都有相应的信令信号，即要传信令信号。由于信令信号频率很低，其抽样频率取500Hz，即其抽样周期为而1=125us16=16 T(丁=125s)，而且只编4位码(称为信令码或标志信号码，实际一般只需要3位码)，所以对于每个话路的信令码，只要每隔16帧轮流传送一次就够了。将每一帧的TSl6传送两

22、个话路信令码(前四位码为一路，后四位码为另一路)，这样15个帧(FlF15)的TSl6可以轮流传送30个话路的信令码(具体情况参见图020)。而F0帧的 TSl6传送复帧同步码和复帧失步告警码。 16个帧称为一个复帧(FoF15)。为了保证收、发两端各路信令码在时间上对准，每个复帧需要送出一个复帧同步码，以保证复帧得到同步。复帧同步码安排在Fo帧的TSl6时隙中的前四位，码型为0000，另外Fo帧TSl6时隙的第6位A2为复帧失步对告码。复帧同步时，A2码为0码，复帧失步时则改为1码。第5，7，8位码也可供传送其他信息用。如暂不用时，则固定为1码。需要注意的是信令码a，b，c，d不能同时编成0

23、码，否则就无法与复帧同步码区别。,对于PCM3032路系统，可以算出以下几个标准数据： (a)帧周期125us，帧长度328=256比特(l=8) (b)路时隙tc=T/n=125us/32=3.9us (c)位时隙tB= tc /l= 3.9us/8=0.488us (d)数码率fB= =8000328=2048kbits,(2)PCM3032路系统的构成框图 基本构成包括抽样、量化、编解码及时分多路复用等，如图所示。,四、数字复接技术准同步数字体系（PDH）,随着通信技术的发展，数字通信的容量不断增大。目前PCM通信方式的传输容量已由一次群(PCM3032路或PCM24路)扩大到二次群、三

24、次群、四次群以及五次群，甚至更高的多路系统。,1.数字复接的基本概念(1)准同步数字体系（PDH）,根据不同的需要和不同的传输媒质的传输能力，要有不同话路数和不同速率的复接，形成一个系列(或等级)，由低向高逐级复接，这就是数字复接系列。,(2)数字通信复接扩容的方法 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。,PCM复用 所谓PCM复用就是直接将多路信号编码复用。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。 显然一次群(PCM3032路)的形成就属于PCM复用(由前述可知PCM3032路的路时隙为391us)。

25、那么这种方法是否适用于二以上的高次群的形成呢?以二次群为例，假如采用：PCM复用，要对120路话音信号分别按8kHz抽样，一帧125us时间内有120多个路时隙，一个路时隙约等于一次群一个路时隙的14，即每个样值编8位码的时间仅为1us，编码速度是一次群的四倍。而编码速度越快，对编码器的元件精度要求越高，不易实现。所以，高次群的形成一般不采用PCM复用，而采用数字复接的方法。,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。图O一22是数字复接的原理示意图。,图中低次群(1)与低次群(2)的速率完全相同(假设均为全“1”码)，为

26、了达到数字复接的目的，首先将各低次群的脉宽缩窄(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(2)进行时间位移，就是将低次群(2)的脉冲信号移到低次群(1)的脉冲信号的空隙中(如波形B所示)，最后将低次群(1)和低次群(2)合成为高次群C。 经过数字复接以后，数码率提高了，但是对每一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。,(3)数字复接的实现 数字复接的实现主要有两种方法：按位复接和按字复接。,按位复接 按位复接是每次复接各低次群(也称为支路)的一位码形成高次群。,再循环取以后各位，如此循环下去就实现了按位复接。

27、复接后高次群每位码的间隔是复接前各支路的约14，即高次群的速率提高到复接前各支路速率的约4倍。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。,按字复接,按字复接是每次复接各低次群(支路)的一个码字形成高次群。图023(c)是按字复接，每个支路都要设置缓冲存储器，事先将接收到的每一支路的信码储存起来，等到传送时刻到来时，一次高速(速率大约是原来各支路的4倍)将8位码取出(即复接出去)，四个支路轮流被复接。 这种按字复接要求有较大的存储容量，但保证了一个码字的完整性，有利于以字节为单位的

28、信号的处理和交换。同步数字体系(SDH)大多采用这种方法。,(4)数字复接的同步,数字复接要解决两个问题，即同步和复接。 数字复接的同步指的是被复接的几个低次群的数码率相同。几个低次群数字信号，如果是由各自的时钟控制产生的，即使它们的标称数码率相同，例如PCM3032路基群(一次群)的数码率都是2048kbits，但它们的瞬时数码率总是不相同的，因为几个晶体振荡器的振荡频率不可能完全相同。原CCITT规定：PCM3032路的数码率为2048kbits100bits，即允许它们有100bits的误差。这样几个低次群复接后的数码就会产生重叠和错位。 为此，在各低次群复接之前，必须使各低次群数码率互

29、相同步，同时使其数码率符合高次群帧结构的要求。数字复接的同步是系统与系统间的同步，因而也称之为系统同步。,(5)数字复接的方法,数字复接的方法实际也就是数字复接同步的方法，有同步复接和异步复接两种。 同步复接是用一个高稳定的主时钟来控制被复接的几个低次群，使这几个低次群的数码率(简称码速)统一在主时钟的频率上(这样就使几个低次群系统达到同步的目的)，可直接复接(复接前不必进行码速调整，但要进行码速变换)。同步复接方法的缺点是一旦主时钟发生故障时，相关的通信系统将全部中断，所以它只限于局部地区使用。 异步复接是各低次群各自使用自己的时钟，由于各低次群的时钟频率不一定相等，使得各低次群的数码率不完

30、全相同(这是不同步的)，因而先要进行码速调整，使各低次群获得同步，再复接。PDH大多采用异步复接。,(6)数字复接的系统构成,数字复接系统主要由数字复接器和数字分接器两部分组成，如图0一25所示。,2异步复接PDH(1)码速调整,码速调整的概念 异步复接时，四个一次群虽然标称数码率都是2048kbits，但因四个一次群各有自己的时钟源，并且这些时钟都允许有100bits的偏差，因此四个一次群的瞬时数码率各不相等。所以对异源一次群信号的复接首先要解决的问题就是使被复接的各一次群信号在复接前有相同的数码率，这一过程叫码速调整。 码速调整与恢复的方法 码速调整是利用插入一些码元将各一次群的速率由20

31、48kbits左右统一调整成2112kbits。接收端进行码速恢复，通过去掉插入的码元，将各一次群的速率由2112kbits还原成2048kbits左右。,(2)异步复接二次群帧结构,经计算得出，各一次群(支路)码速调整之前(速率2048kbits左右)100.38us内有约205206个码元，码速调整之后(速率为2112kbits)100.38us内应有212个码元(bit)，即应插入67个码元。以第1个一次群为例，100.38us内插人码及信息码分配情况如图0一26(a)所示，其他支路与之类似。,插入标志码的作用就是用来通知收端第161位有无Vi插入，以便收端“消插。每个支路采用三位插入标

32、志码是为了防止由于信道误码而导致的收端错误判决。“三中取二”，即当收到两个以上的“1码时，认为有Vi插入，当收到两个以上的“0”码时，认为无Vi插人。,第5章 数字光纤通信系统,5.1两种传输体制 光纤大容量数字传输系统的两种传输体制： （1）准同步数字系列(PDH) （2）同步数字系列(SDH)。 1976年PDH实现了标准化。 1984年美国提出了同步光纤网(SONET)。 1988年，ITUT(原CCITT)参照SONET的概念，提出了被称为同步数字系列(SDH)的规范建议。 SDH是一种比较完善的传输体制，这种传输体制不仅适用于光纤信道，也适用于微波和卫星干线传输。,5.1.1准同步数

33、字系列PDH 准同步数字系列有两种基础速率： （1）一种是以1.544 Mb/s为第一级(一次群，或称基群)基础速率，采用的国家有北美各国和日本； （2）另一种是以2.048 Mb/s为第一级(一次群)基础速率， 采用的国家有西欧各国和中国。,表5.1是世界各国商用数字光纤通信系统的PDH传输体制，表中示出两种基础速率各次群的速率、话路数及其关系。 对于以2.048 Mb/s为基础速率的制式，各次群的话路数按4倍递增。 对于以1.544 Mb/s为基础速率的制式，在3次群以上，日本和北美各国又不相同，看起来很杂乱。,PDH主要适用于中、低速率点对点的传输。随着技术的进步和社会对信息的需求，数字

34、系统传输容量不断提高， 网络管理和控制的要求日益重要，宽带综合业务数字网和计算机网络迅速发展，现有PDH的许多缺点也逐渐暴露出来，主要有：,(2) 没有足够的开销比特，使网络设计缺乏灵活性。,(3) 上下话路不方便。,(1) 没有世界统一的标准光接口。,5.1.2同步数字系列SDH 1. SDH传输网 SDH不仅适合于点对点传输，而且适合于多点之间的网络传输。,SDH终端复用器TM、分插复用设备ADM、数字交叉连接设备DXC等网络单元以及连接它们的(光纤)物理链路构成。SDH终端的主要功能是复接/分接和提供业务适配。ADM是一种特殊的复用器，可以它转发、分接、复接信号所承载的信息。DXC类似于

35、交换机，它一般有多个输入和多个输出，通过适当配置可提供不同的端到端连接。,图5.2SDH传输网络单元 (a) 终端复用器TM； (b) 分插复用设备ADM(Add/Drop Multiplexer); (c) 数字交叉连接设备DXC,图 5.3传输通道的结构 (a) 传输通道连接模型； (b) 分层结构,再生中继器的目的是对波形进行整形和放大,与PDH相比， SDH具有下列特点： (1) SDH采用世界上统一的标准传输速率等级。最低的等级也就是最基本的模块称为STM-1，传输速率为155.520Mb/s； 4个STM1 同步复接组成STM-4，传输速率为4155.52 Mb/s=622.080

36、 Mb/s。 (2) SDH各网络单元的光接口有严格的标准规范。因此， 光接口成为开放型接口，任何网络单元在光纤线路上可以互连， 不同厂家的产品可以互通， (3) 在SDH帧结构中，丰富的开销比特用于网络的运行、 维护和管理，便于实现性能监测、故障检测和定位、故障报告等管理功能。 (4) 采用数字同步复用技术，其最小的复用单位为字节，不必进行码速调整，简化了复接分接的实现设备，由低速信号复接成高速信号，或从高速信号分出低速信号，不必逐级进行。,(5) SDH采用了DXC后，大大提高了网络的灵活性及对各种业务量变化的适应能力。,2. SDH帧结构 SDH帧结构是实现数字同步时分复用、保证网络可靠

37、有效运行的关键。图 5.5 给出SDH帧一个STMN帧有9行，每行由270N个字节组成。这样每帧共有9270N个字节，每字节为8 bit。帧周期为125s，即每秒传输8000帧。对于STM1 而言，传输速率为927088000=155.520 Mb/s。字节发送顺序为：由上往下逐行发送，每行先左后右。,图 5.5 SDH帧的一般结构,SDH帧大体可分为三个部分： (1) 段开销(SOH)。 段开销是在SDH帧中为保证信息正常传输所必需的附加字节(每字节含64 kb/s的容量)，主要用于运行、 维护和管理，如帧定位、 误码检测、 公务通信、自动保护倒换以及网管信息传输。 对于STM-1 而言，S

38、OH共使用98(第4行除外)=72 Byte相应于576bit。由于每秒传输8000帧，所以SOH的容量为5768000=4.608 Mb/s。 根据图5.3(a)的传输通道连接模型，段开销又细分为再生段开销(SOH)和复接段开销(LOH)。前者占前3行，后者占59行。,(2) 信息载荷(Payload)。信息载荷域是SDH帧内用于承载各种业务信息的部分。对于STM1而言，Payload有9261=2349 Byte, 相应于234988000=150.336 Mb/s的容量。 在Payload中包含少量字节用于通道的运行、维护和管理， 这些字节称为通道开销(POH)。 (3) 管理单元指针(

39、AU-PTR)。管理单元指针是一种指示符， 主要用于指示Payload第一个字节在帧内的准确位置(相对于指针位置的偏移量)。对于STM-1而言，AU-PTR有9个字节(第4行)， 相应于988000=0.576 Mb/s。 采用指针技术是SDH的创新，结合虚容器(VC)的概念， 解决了低速信号复接成高速信号时，由于小的频率误差所造成的载荷相对位置漂移的问题。,3. 为了把PDH信号装入SDH帧结构净负荷中，需要经过映射、定位和复用三个步骤： （1）映射：是将各种不同速率的信号装入相应的标准容器C后，组装成虚容器VC的过程。 （2）定位：是一种以附加与VC上的支路单元指针指示和确定底阶VC帧起点

40、在TU净负荷中的位置或管理单元指针指示和确定高阶VC帧起点在AU负荷中的位置的过程。 （3）复用：是一种把TU或TUG组织进低阶VC或把AU组织进STM-N中的过程,3. 复用原理 将低速支路信号复接为高速信号的方法有两种： （1）正码速调整法 优点是容许被复接的支路信号有较大的频率误差；缺点是复接与分接相当困难。 （2）固定位置映射法 是让低速支路信号在高速信号帧中占用固定的位置。这种方法的优点是复接和分接容易实现，但由于低速信号可能是属于PDH的或由于SDH网络的故障，低速信号与高速信号的相对相位不可能对准，并会随时间而变化。 SDH采用载荷指针技术，结合了上述两种方法的优点，付出的代价是

41、要对指针进行处理。超大规模集成电路的发展，为实现指针技术创造了条件。,图 5.6 载荷包络与SDH帧的一般关系,ITUT规定了SDH的一般复用映射结构。 所谓映射结构，是指把支路信号适配装入虚容器的过程，其实质是使支路信号与传送的载荷同步。 这种结构可以把目前PDH的绝大多数标准速率信号装入SDH帧。图5.7示出SDH一般复用映射结构，图中C-n是标准容器，用来装载现有PDH的各支路信号，即C-11, C-12,C-2,C-3和C-4分别装载1.5 Mb/s,2Mb/s,6Mb/s,34Mb/s,45Mb/s和140Mb/s的支路信号，并完成速率适配处理的功能。 在标准容器的基础上，加入少量通

42、道开销(POH)字节，即组成相应的虚容器VC。VC的包络与网络同步，但其内部则可装载各种不同容量和不同格式的支路信号。所以引入虚容器的概念，使得不必了解支路信号的内容，便可以对装载不同支路信号的VC进行同步复用、交叉连接和交换处理，实现大容量传输。,图 5.7 SDH的一般复用映射结构,VC,-,3,TUG,-,3,1,7,7,3,C,-,4,139264 kb/s,44736 kb/s,34368 kb/s,6312 kb/s,2048 kb/s,1544 kb/s,AU,-,3,N,1,3,指针处理,复用,定位校准,映射,由于在传输过程中，不能绝对保证所有虚容器的起始相位始终都能同步，所以

43、要在VC 的前面加上管理单元指针(AU PTR)， 以进行定位校准。加入指针后组成的信息单元结构分为管理单元(AU)和支路单元(TU)。AU由高阶VC(如VC-4)加AU指针组成， TU由低阶VC加TU指针组成。TU经均匀字节间插后， 组成支路单元组(TUG)，然后组成AU-3或AU-4。3个AU-3或1个AU-4组成管理单元组(AUG)，加上段开销SOH，便组成STM-1 同步传输信号；N个STM-1 信号按字节同步复接， 便组成STM-N。,最简单的例子是，由PDH的4次群信号到SDH的STM-1 的复接过程。把139.264 Mb/s的信号装入容器C-4，经速率适配处理后，输出信号速率为

44、149.760 Mb/s; 在虚容器VC-4 内加上通道开销POH(每帧9 Byte, 相应于0.576 Mb/s)后，输出信号速率为150.336 Mb/s；在管理单元AU-4 内，加上管理单元指针AU -PTR(每帧9 Byte, 相应于0.576 Mb/s)，输出信号速率为150.912 Mb/s; 由 1个AUG加上段开销SOH(每帧72 Byte, 相应于4.608 Mb/s), 输出信号速率为155.520 Mb/s, 即为STM-1。,4. 数字交叉连接设备 数字交叉连接设备(DXC)相当于一种自动的数字电路配线架。图5.2 表示的是SDH的DXC(也适合于PDH)，其核心部分是

45、可控的交叉连接开关(空分或时分)矩阵。参与交叉连接的基本电路速率可以等于或低于端口速率，它取决于信道容量分配的基本单位。一般每个输入信号被分接为m个并行支路信号，然后通过时分(或空分)交换网络，按照预先存放的交叉连接图或动态计算的交叉连接图对这些电路进行重新编排，最后将重新编排后的信号复接成高速信号输出。,DXC的标示： 通常用DXCX/Y来表示一个DXC的配置类型，其中第一个数字X表示输入端口速率的最高等级，第二个数字Y表示参与交叉连接的最低速率等级。数字0表示64 kb/s电路速率；数字1、2、3、4 分别表示PDH的1至 4 次群的速率， 其中 4 也代表SDH 的STM1 等级； 数字

46、 5 和 6 分别代表SDH的STM4 和STM等级。 例如，DXC 1/0 表示输入端口的最高速率为一次群信号的速率(E1: 2.048 Mb/s), 而交叉连接的基本速率为64 kb/s; DXC 4/1 表示输入端口的最高速率为155.52 Mb/s(对于SDH)或140 Mb/s(对于PDH)，而交叉连接的基本速率为2.048 Mb/s。目前应用最广泛的是DXC 1/0、DXC 4/1和DXC 4/4。,交叉连接设备与交换机的区别有： (1) DXC 的输入输出不是单个用户话路， 而是由许多话路组成的群路； (2) 两者都能提供动态的通道连接，但连接变动的时间尺度是不同的。前者按大量用

47、户的集合业务量的变化及网络的故障状况来改变连接，由网管系统配置；后者按照用户的呼叫请求来建立或改变连接，由信令系统实现呼叫连接控制。 DXC在干线传输网中的主要用途是实现自动化的网络配置管理。,5. SDH的应用 SDH可用于点对点传输(图5.8)、 链形网(图5.9)和环形网(图5.10)。 SDH环形网的一个突出优点是具有“自愈”能力。,图 5.8 SDH用于点对点传输,图 5.9 SDH链形网,图 5.10 SDH环形网(双环),A,B,C,D,6、SDH网同步规划原则： （1）在同步网内不应出现环路。 （2）尽量减少定时传递链路的长度。 （3）应从分散路由获得主、备时钟基准。 （4）受

48、控时应从其他同级或高一级设备获得基准。 （5）选择可用性高的传输系统传送基准。,7、SDH传输系统产生时延的环节 （1）传输系统的传输时延； （2）网络节点和其他数字设备产生的时延； （3）SDH设备引入的时延；,8.2.2SDH网的物理拓扑 网络的物理拓扑泛指网络的形状，即网络结点和传输线路的几何排列，它反映了物理上的连接性。除了最简单的点到点的物理拓扑外， 网络物理拓扑一般有5种类型，即线形、星形、树形、环形和网孔形，如图8.5所示。 1. 线形 将通信网的所有站点串联起来，并使首末两个点开放， 就形成了线形拓扑。在这种拓扑结构中，要使两个非相邻点之间完成连接， 其间的所有点都必须完成连接

49、功能。这是SDH早期应用的比较经济的网络拓扑形式，首末两端使用终端复用器(TM)，中间各点使用分插复用器(ADM)。,图 8.5SDH网络的物理拓扑 (a) 线形； (b) 星形； (c) 树形; (d) 环形； (e) 网孔形,2. 星形 当通信网的所有点中有一个特殊的点与其余点以辐射的形式直接相连，而其余点之间相互不能直接相连时，就形成了星形拓扑，又称枢纽形拓扑。在这种拓扑结构中，除了特殊点外的任意两点间的连接都是通过特殊点进行的，特殊点为经过的信息流进行路由选择并完成连接功能。这种网络拓扑可以将特殊点(枢纽站)的多个光纤终端综合成一个，具有灵活的带宽管理， 能节省投资和运营成本，但是在特

50、殊点存在失效问题和瓶颈问题。,3. 树形 将点到点拓扑单元的末端点连接到几个特殊点就形成树形拓扑。树形拓扑可以看成是线形拓扑和星形拓扑的结合。这种拓扑结构在特殊点也存在瓶颈问题和光功率预算限制问题，特别适用于广播式业务， 但不适用于提供双向通信业务。 4. 环形 将通信网的所有站点串联起来首尾相连，而且没有任何点开放，就形成了环形网。将线形结构的两个首尾开放点相连就变成了环形网。在环形网中，要完成两个非相邻点之间的连接， 这两点之间的所有点都必须完成连接功能。环形网的最大优点是具有很高的网络生存性，因而在SDH网中受到特别的重视。,5. 网孔形 当通信网的许多点直接互连时就形成了网孔形拓扑。

51、如果所有的点都直接互连时就称为理想的网孔形。在非理想的网孔形中，没有直接相连的两个点之间需要经由其它点的转接功能才能实现连接。网孔形的优点是不存在如星形拓扑那样的瓶颈问题和失效问题，两点间有多种路由可选；缺点是结构复杂、成本较高。 上述的拓扑结构都有各自的特点，在网中都有不同程度的应用。网络拓扑的选择要考虑的因素很多，如网络的生存性是否高，网络配置是否容易，网络结构是否适于引进新业务等。一个实际网络的不同部分适宜采用的拓扑结构也有可能不同，例如本地网适宜采用环形和星形拓扑结构，有时也可用线形拓扑，市内局间中继网适宜采用环形和线形拓扑，而长途网可能采用网孔形拓扑。,8.2.3自愈网 随着人类社会

52、进入信息社会，人们对通信的依赖性越来越大，对通信网络生存性的要求也越来越高，一种称为自愈网(Selfhealing Network)的概念应运而生。所谓自愈网就是无需人为干预，网络就能在极短的时间内从失效故障中自动恢复， 使用户感觉不到网络已出了故障。其基本原理就是使网络具备发现替代传输路由并重新确立通信的能力。自愈网的概念只涉及重新确立通信，不管具体失效元部件的修复或更换，后者仍需人员干预才能完成。 PDH系统采用的线路保护倒换方式是最简单的自愈网形式。但是当光缆被切断时，往往是同一缆内的所有光纤(包括主用和备用)都被切断，在这种情况下上述保护方式就无能为力了。,改善网络生存性的最好办法是将

53、网络结点连成一个环形， 形成所谓的自愈环(Selfhealing Ring)。环形网的结点可以是ADM， 也可以是DXC， 但通常由ADM构成。SDH的特色之一便是能够利用ADM的分插复用能力构成自愈环。 自愈环结构可分为两大类：通道倒换环和复用段倒换环。 通道倒换环属于子网连接保护，其业务量的保护是以通道为基础，是否倒换以离开环的每一个通道信号质量的优劣而定， 通常利用通道AIS信号来决定是否应进行倒换。复用段倒换环属于路径保护，其业务量的保护以复用段为基础，以每对结点的复用段信号质量的优劣来决定是否倒换。通道倒换环与复用段倒换环的一个重要区别是前者往往使用专用保护，即正常情况下保护段也在传

54、业务信号，保护时隙为整个环专用；而后者往往使用公用保护，即正常情况下保护段是空闲的，保护时隙由每对结点共享。,如果按照进入环的支路信号与由该支路信号分路结点返回的支路信号方向是否相同，又可以将自愈环分为单向环和双向环。正常情况下，单向环中所有业务信号按同一方向在环中传输。双向环中进入环的支路信号按一个方向传输，而由该支路信号分路结点返回的支路信号按相反的方向传输。 如果按照一对结点间所用光纤的最小数量还可以分为二纤环和四纤环。下面以四个结点的环为例， 介绍4种典型的自愈环结构。 1. 二纤单向通道倒换环 二纤单向通道倒换环如图8.6所示。通常单向环由两根光纤来实现，S1光纤用来携带业务信号，P

55、1光纤用来携带保护信号。,8.6 二纤单向通道倒换环,当BC结点间光缆被切断，两根光纤同时被切断，与光缆切断点相邻的两个结点B和C的保护倒换开关将利用APS(Automatic Protection Switching)协议执行环回功能。例如在B结点S1光纤上的信号(AC)经倒换开关从P1光纤返回，沿逆时针方向经A结点和D结点仍然可以到达C结点，并经C结点的倒换开关环回到S1光纤后落地分路。故障排除后，倒换开关返回原来的位置。 3. 四纤双向复用段倒换环 通常双向环工作在复用段倒换方式，既可以是四纤又可以是二纤。四纤双向复用段倒换环的结构如图8.8所示，它由两根业务光纤S1与S2(一发一收)和

56、两根保护光纤P1与P2(一发一收)构成，其中S1光纤传送顺时针业务信号，S2光纤传送逆时针业务信号，P1与P2分别是和S1与S2反方向传输的两根保护光纤。,每根光纤上都有一个保护倒换开关。正常情况下，从A结点进入环传送至C结点的支路信号顺时针沿光纤S1传输，而由C结点进入环传送至A结点的支路信号则逆时针沿光纤S2传输， 保护光纤P1和P2是空闲的。 当BC结点间光缆被切断，四根光纤同时被切断。根据APS协议，B和C结点中各有两个倒换开关执行环回功能，从而环工作的连续性得以维持。故障排除后，倒换开关返回原来的位置。在四纤环中，仅仅光缆切断或结点失效才需要利用环回方式来保护，而如果是单纤或设备故障

57、可以使用传统的复用段保护倒换方式。,图 8.8 四纤双向复用段倒换环,当BC结点间光缆被切断，四根光纤同时被切断。根据APS协议，B和C结点中各有两个倒换开关执行环回功能，从而环工作的连续性得以维持。 故障排除后， 倒换开关返回原来的位置。在四纤环中，仅仅光缆切断或结点失效才需要利用环回方式来保护，而如果是单纤或设备故障可以使用传统的复用段保护倒换方式。 4. 二纤双向复用段倒换环 在四纤双向复用段倒换环中，光纤S1上的业务信号与光纤P2上的保护信号的传输方向完全相同。如果利用时隙交换技术，可以使光纤S1和光纤P2上的信号都置于一根光纤(称S1/P2光纤)中，例如S1/P2光纤的一半时隙用于传

58、送业务信号， 另一半时隙留给保护信号。,同样，光纤S2和光纤P1上的信号也可以置于一根光纤(称S2/P1光纤)上。这样S1/P2光纤上的保护信号时隙可以保护S2/P1光纤上的业务信号，S2/P1光纤上的保护信号时隙可保护S1/P2光纤上的业务信号，于是四纤环可以简化为二纤环，如图8.9所示。 当BC结点间光缆被切断，二根光纤也同时被切断，与切断点相邻的B和C结点中的倒换开关将S1/P2光纤与S2/P1光纤沟通，利用时隙交换技术，可以将S1/P光纤和S2/P1光纤上的业务信号时隙转移到另一根光纤上的保护信号时隙，于是就完成了保护倒换作用。,图 8.9 二纤双向复用段倒换环,前面介绍了4种自愈环结

59、构，通常通道倒换环只工作在二纤单向方式，而复用段倒换环既可以工作在二纤方式，又可以工作在四纤方式，既可以单向又可以双向。自愈环种类的选择应考虑初建成本、要求恢复业务的比例、用于恢复业务所需要的额外容量、业务恢复的速度和易于操作维护等因素。,5.2 系统的性能指标,5.2.1参考模型 为进行系统性能研究，ITUT(原CCITT)建议中提出了一个数字传输参考模型，称为假设参考连接(HRX)。假设在两个用户之间的通信可能要经过全部线路和各种串联设备组成的数字网，而且任何参数的总性能逐级分配后应符合用户的要求。,图 5.11 标准数字假设参考连接HRX,假设参考数字连接（HRX）由各级交换中心和许多假设参考数字链路(HRDL)组成。 假设参考数字链路（HRDL）由许多假