通信原理與通信技術（第五版）第1-6章 第5章 數(shù)字復接與SDH

1講授：張衛(wèi)鋼通信原理與通信技術2024.8TEXTBOOK選用教材23微信公眾號05數(shù)字復接與SDH4問題：時分復用是提高通信系統(tǒng)有效性的一個有效途徑，而基于時分復用概念的復接技術，是目前廣泛采用的通信網(wǎng)傳輸技術。那么，什么是復接？復接與PCM復用有何異同點？CONTENT目錄同步數(shù)字序列SDH簡介5.25.1PCM復用與數(shù)字復接5結(jié)語5.4SDH的現(xiàn)狀及發(fā)展5.36

若要讓一個鐵路交通網(wǎng)高效運行，需要在兩個方面下功夫，一是要路上（信道）跑的列車盡量裝得多跑得快；二是要車站（節(jié)點）的調(diào)度時間和上下貨物時間盡量短。這個概念也適合通信網(wǎng)，即通信網(wǎng)的有效性問題主要涉及信道傳輸技術和節(jié)點交換技術，而數(shù)字復接就是常見的一種信道傳輸技術。PCM復用與數(shù)字復接5.17PCM復用與數(shù)字復接5.15.1.1

數(shù)字復接

在第3章我們知道，為了提高通信的有效性（信道利用率），可以采用TDM技術讓多路信號在同一個信道中分時傳輸?？墒牵ㄟ^深入研究就會發(fā)現(xiàn)一個問題：假設要對120路電話信號進行TDM，根據(jù)PCM過程，首先要在125μs內(nèi)完成對120路話音信號的抽樣，然后對120個抽樣點值分別進行量化和編碼。這樣，對每路信號的PCM處理（抽樣、量化和編碼）時間實際只有0.95μs。這種對多路話音信號直接時分復用的方法，稱為PCM復用。

如果復用的信號路數(shù)再增加，則每路信號的處理時間更短。要在如此短暫的時間內(nèi)完成大路數(shù)信號的PCM復用，尤其是要完成對數(shù)壓擴PCM編碼任務，對電路及元器件的精度要求就很高，在技術上實現(xiàn)起來比較困難。8PCM復用與數(shù)字復接5.1

對于小路數(shù)的電話信號，直接采用PCM是可行的，但對于大路數(shù)而言，PCM復用在理論上可行，而實際上難以實現(xiàn)。“數(shù)字復接”就是解決這一問題的“良方”。它是提高線路利用率的一種有效方法，也是實現(xiàn)現(xiàn)代數(shù)字通信網(wǎng)的基礎。比如對30路電話進行PCM復用（采用8位編碼）后，通信系統(tǒng)的信息傳輸速率為2048Kbps，即形成速率為2048Kbps的數(shù)字流（比特流）。現(xiàn)在要對120路電話進行時分復用，就需要對4個這樣的2048Kbps低速數(shù)字流采用復接技術以形成一個更高速的數(shù)字流。

5.1.1

數(shù)字復接數(shù)字復接：將多個低速率數(shù)字流合并成一個高速數(shù)字流的過程或方法。9PCM復用與數(shù)字復接5.15.1.2數(shù)字比特系列和復接等級在數(shù)字電話通信中，常將數(shù)字流根據(jù)比特率劃成不同等級，其原始計量單元為“零次群”數(shù)字流，即一路比特率為8000（Hz）8（bit）＝64Kbps的PCM電話信號。

復用設備按照給定比特率系列劃分為不同的等級。CCITT推薦了2M和1.5M系列兩種群路比特率系列和數(shù)字復接等級，如表5-1和圖5-1所示。

由于北美和日本采用的基本復接單元為1.544Mbps（基群）數(shù)字流，所以，其復接等級系列稱為1.5M系列，而歐洲和我國都采用2.048Mbps數(shù)字流，故復接等級稱為2M系列。10PCM復用與數(shù)字復接5.1表5-1兩種數(shù)字系列速率表群號2M系列1.5M系列信號速率電話路數(shù)信號速率電話路數(shù)一次群(基群)2.048Mbps301.544Mbps24二次群8.448Mbps30×4=1206.312Mbps24×4=96三次群34.368Mbps120×4=48032.064Mbps96×5=480四次群139.264Mbps480×4=192097.728Mbps480×3=1440五次群564.992Mbps192×4=7680397.200Mbps1440×4=5760采用2Mbps基群數(shù)字速率系列和復接等級具有如下好處：（1）復接性能好，對傳輸數(shù)字信號結(jié)構沒有任何限制，即比特獨立性較好；（2）信令通道容量大；（3）同步電路搜捕性能較好（同步碼集中插入）；（4）復接方式靈活，可采用和兩種方式復接；（5）為了便于數(shù)字交換統(tǒng)一化，2Mbps系列的幀結(jié)構與數(shù)字交換用的幀結(jié)構是一致的。5.1.2數(shù)字比特系列和復接等級11PCM復用與數(shù)字復接5.15.1.2數(shù)字比特系列和復接等級12PCM復用與數(shù)字復接5.15.1.3PCM基群幀結(jié)構國際上通用的PCM有A律和μ律兩種標準，它們的編碼規(guī)則與幀結(jié)構均不相同，我國采用A律標準。

對于帶寬為4kHz的話音信號，抽樣頻率為8000Hz，故每幀的長度為125μs。在A律PCM基群中，一幀共有32個時間間隔（時隙）。各個時隙從0到31順序編號，分別記作TS0，TSl，TS2,......，TS31，其中TS1至TSl5和TSl7至TS31這30個路時隙用來傳送30路電話信號的8位編碼碼字，TS0分配給幀同步，TSl6專用于傳送話路信令。每個路時隙包含8位碼，占時3.91μs，每位碼占0.488μs，一幀共含256個碼元，幀結(jié)構如圖5-2所示。13PCM復用與數(shù)字復接5.15.1.3PCM基群幀結(jié)構14PCM復用與數(shù)字復接5.1

幀同步碼組為10011011，它是每隔一幀插入TS0的固定碼組，接收端識別出幀同步碼組后，即可建立正確的路序。其中第一位碼“1”保留作國際電話間通信用。在不傳幀同步的奇數(shù)幀TS0的第2位固定為1，以避免接收端錯誤識別為幀同步碼組。

在傳送話路信令時，可以將TSl6所包含的總比特集中起來使用，稱為共路信令傳送，也可以按規(guī)定的時間順序分配給各個話路，直接傳送各活路所需的信令，稱為隨路信令傳送。5.1.3PCM基群幀結(jié)構

采用共路信令傳送方式時，必須將16個幀構成一個更大的幀，稱為復幀。復幀的重復頻率為500Hz，周期2.0ms．復幀中各幀順次編號為F0，F(xiàn)1，…，F(xiàn)15。其中F0的TSl6前4位碼用來傳送復幀同步碼組0000，F(xiàn)1至F15的TS16用來傳送各話路的信令。每個信令用4位碼組來表示，因此，每個TS16時隙可以傳送兩路信令。雖然這種幀結(jié)構每幀共有32個路時隙，但用于傳送電話或數(shù)據(jù)的時隙只有30路，因此有時稱為30／32路基群。15PCM復用與數(shù)字復接5.15.1.4數(shù)字復接原理及分類

數(shù)字復接系統(tǒng)主要由數(shù)字復接器和分接器組成。復接器是把兩個或兩個以上的支路（低次群）按時分復用概念合并成一個單一的高次群，其設備由定時、碼速調(diào)整和復接單元等組成；分接器的功能是把已合路的高次群數(shù)字信號分解成原來的低次群數(shù)字信號，它是由同步、定時和碼速恢復等單元組成。系統(tǒng)框圖見圖5-3。16PCM復用與數(shù)字復接5.1

復接器在將輸入各支路數(shù)字信號復接之前需要進行碼速調(diào)整，即對各輸入支路數(shù)字信號進行頻率和相位調(diào)整，使其各支路輸入碼流速率彼此同步并與復接器的定時信號同步后，復接器方可將低次群碼流復接成高次群碼流。由此可得出如下復接條件：被復接的各支路數(shù)字信號必須與復接器的定時信號保持同步。根據(jù)此條件劃分的復接方式可分為：同步復接、異源（準同步）復接、異步復接三種。5.1.4數(shù)字復接原理及分類

同步復接：被復接的各輸入支路之間，以及同復接器之間均是同步的，此時復接器便可直接將低支路數(shù)字信號復接成高速的數(shù)字信號。這種復接就稱為同步復接。由此可見，這種復接方式無需進行碼速調(diào)整、有時只需進行相位調(diào)整或根本不需要任何調(diào)整便可復接。17

異源（準同步）復接：被復接的各輸入支路之間不同步，并與復接器的定時信號也不同步：但是各輸入支路的標稱速率相同，也與復接器要求的標稱速率相同（速率的變化范圍在規(guī)定的容差范圍內(nèi)，基群為2048Kbps±50PPm，二次群為8448Kbps±30PPm，1PPm=10-6）。但仍不滿足復接條件，復接之前還需要進行碼速調(diào)整，使之滿足復接條件再進行復接，這種復接方式就稱為異源復接或準同步復接。PCM復用與數(shù)字復接5.15.1.4數(shù)字復接原理及分類

異步復接：被復接的各輸入支路之間及與復接器的定時信號之間均是異步的，其頻率變化范圍不在允許的變化范圍之內(nèi)，顯然也不滿足復接條件，必須進行碼速調(diào)整方可進行復接，這種復接方式稱為異步復接?？梢?，異源和異步復接方式都必須進行碼速調(diào)整，滿足復接條件后方可復接。18PCM復用與數(shù)字復接5.1

絕大多數(shù)國家在將低次群復接成高次群時都采用異源復接方式。這種復接方式的最大特點是各支路具有自己的時鐘信號，靈活性較強。碼速調(diào)整單元電路不太復雜；而異步復接的碼速調(diào)整電路卻要復雜得多，要能適應碼速大范圍的變化，因此需要大量的存儲器。同步復接目前主要用于高速大容量的同步數(shù)字系列中。5.1.4數(shù)字復接原理及分類

對滿足復接條件的低速支路碼流進行復接時，根據(jù)碼流的具體匯接方式可分為：逐位（逐比特）復接，按碼字復接，按幀復接三種方式。

逐位復接：復接器每次只復接一個支路的一比特信號，依次輪流復接各支路信號，這種復接就稱為逐位（逐比特）復接。如圖5-4（a）所示是4個PCM30/32路基群的TS1時隙（CH1話路）的碼字情況，圖5-4（b）是按位復接后的二次群中各支路數(shù)字碼排列情況。按位復接簡單易行，且對存儲器容量要求不高。其缺點是對信號交換不利。19PCM復用與數(shù)字復接5.1

按碼字復接：復接器每次只復接一個支路的一個碼字（8bit），依次復接各支路的信號，這種復接就稱為按碼字（字節(jié)）復接。圖5-4（c）是按碼字復接情況，對基群來說，一個碼字有8位碼，它是將8位碼先存起來，在規(guī)定的時間一次復接，四個支路輪流復接。這種方法有利于數(shù)字電話交換，但要求復接設備有較大的存貯容量。

接幀復接：就是復接器每次只復接一個支路的一幀信號，依次復接各支路的信號，這種復接稱為按幀復接。這種方法的優(yōu)點是復接時不破壞原來的幀結(jié)構，有利于交換，但需要更大的存貯容量，目前極少應用。早期采用的復接方式多為異源逐位復接方式，目前多為按碼字復接。5.1.4數(shù)字復接原理及分類20PCM復用與數(shù)字復接5.15.1.4數(shù)字復接原理及分類21PCM復用與數(shù)字復接5.1（1）PCM復用是對多路（電話）模擬信號在一個定長的時間內(nèi)（幀），完成的PCM和TDM全過程；而復接是對多路數(shù)字信號（數(shù)字流或碼流）在一個定長的時間內(nèi)進行的碼元壓縮與編排過程，它只負責把多路數(shù)字信號編排（復用）在給定的時間內(nèi)，而不需要再進行抽樣、量化和編碼的PCM過程，從而減少了對每路信號的處理時間，降低了對器件和電路的要求，實現(xiàn)了大路數(shù)（高次群）信號的“時分復用”。5.1.4數(shù)字復接原理及分類“復用”與“復接”的區(qū)別：（2）復接原理就是改變各低速數(shù)字流的碼元寬度，并把它們重新編排在一起，從而形成一個高速數(shù)字流。從表面上看，復接是一種合成，但其本質(zhì)仍然是一種時分復用技術，為與PCM復用相區(qū)別，而稱之為“復接”。（3）PCM復用針對模擬信號，而數(shù)字復接以數(shù)字信號為對象。（4）從功能上看，復接強調(diào)的是把多路低速數(shù)字信號變?yōu)橐宦犯咚贁?shù)字信號，其目的類似于模擬通信中的頻分復用，都是要提高通信系統(tǒng)的通信容量和信道的利用率。22為了便于理解，圖5-5給出復用和復接的生活類比圖。PCM復用與數(shù)字復接5.15.1.4數(shù)字復接原理及分類23同步數(shù)字序列SDH簡介5.25.2.1SDH的概念

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，傳送的信號都是脈沖序列。這些數(shù)字比特流在數(shù)字交換設備之間傳輸時，其速率必須完全保持一致，即“同步”，才能保證信息傳送的準確無誤。

常見的數(shù)字同步傳輸系列有“準同步數(shù)字系列PDH”和“同步數(shù)字系列SDH”兩種。

數(shù)字通信技術的應用是從市話中繼傳輸開始的，為了適應點對點通信的應用而選擇了準同步復用方式。鑒于當時可利用的傳輸媒介主要是電纜，其頻帶寬度有限，所以，盡量減小幀中的開銷以節(jié)約頻帶資源便成為選擇各級速率的一個基本出發(fā)點，并由此形成了2－8－34－140Mbps等級的準同步數(shù)字系列PDH標準。24同步數(shù)字序列SDH簡介5.2

在PDH通信網(wǎng)中，每個節(jié)點都設有高精度時鐘，這些時鐘信號具有統(tǒng)一的標準速率。盡管每個時鐘的精度都很高，但總還是有一些微小誤差。為了保證通信的質(zhì)量，要求這些時鐘誤差不能超過規(guī)定的范圍。由于這種同步方式不是絕對的同步，所以叫“準同步”。

程控數(shù)字交換技術的引入使數(shù)字通信的應用從點對點傳輸發(fā)展為綜合數(shù)字網(wǎng)。以光纖為代表的大容量傳輸技術的出現(xiàn)，要求PDH向更高速率發(fā)展。隨著電信網(wǎng)的發(fā)展和用戶要求的提高，PDH系統(tǒng)也暴露出了一些缺點，主要表現(xiàn)在：5.2.1SDH的概念25同步數(shù)字序列SDH簡介5.2

（1）PDH是逐級復用的，當要在傳輸節(jié)點從高速數(shù)字流中分出支路信號時，需配備背對背的各級復分接器，分支／插入電路不靈活。

（2）PDH各級信號的幀中預留的開銷比特很少，不利于傳送操作管理和維護（OAM）信息，不適應電信管理網(wǎng)（TMN）的需要。

（3）PDH中1.5Mbps與2Mbps兩大系列難以兼容互通。

（4）更高次群如繼續(xù)采用PDH將難以實現(xiàn)。（5）PDH在各支路信號同源時仍需塞入脈沖來調(diào)整速率，不利于向B－ISDN發(fā)展。（6）歐洲、北美和日本等國規(guī)定的話音信號編碼速率不同，給國際間的互通造成不便。5.2.1SDH的概念26同步數(shù)字序列SDH簡介5.2

因為PDH已不適合現(xiàn)代電信業(yè)務開發(fā)以及現(xiàn)代化電信網(wǎng)管理的需要，所以，美國Bellcore公司在1985年提出了同步光纖網(wǎng)（SONET）的設想。在此基礎上，CCITT于1988年提出SDH建議，并于1990年和1992年兩次修訂完善，形成一套SDH標準。SDH是一種新的數(shù)字傳輸體制，可用術語——“高速公路”來描述其特點。形象地說，公路是SDH中的傳輸系統(tǒng)(光纖、微波及衛(wèi)星)，立交橋是大型ATM交換機，而在“SDH高速公路”上跑的“車”，就是各種電信業(yè)務(語音、圖像、數(shù)據(jù)等)信號。5.2.1SDH的概念27同步數(shù)字序列SDH簡介5.2SDH技術同傳統(tǒng)的PDH技術相比，有下面幾個優(yōu)點：（1）統(tǒng)一的比特率。世界上存在兩種PDH體系的速率等級，而SDH實現(xiàn)了統(tǒng)一的比特率。此外還規(guī)定了統(tǒng)一的光接口標準，因此，為不同廠家設備間互聯(lián)提供了可能。（2）極強的網(wǎng)管能力。SDH幀結(jié)構中包含豐富的網(wǎng)管字節(jié)，可提供滿足各種要求。（3）自愈保護環(huán)。SDH設備還可組成帶有自愈保護能力的環(huán)網(wǎng)，可有效地防止傳輸介質(zhì)被切斷，通信業(yè)務全部終止的情況發(fā)生。

（4）SDH采用字節(jié)復接技術。5.2.1SDH的概念28同步數(shù)字序列SDH簡介5.2

若用鐵路運輸類比的話，PDH技術如同散裝列車，各種貨物(業(yè)務)堆在車廂內(nèi)，若想把某一包特定貨物(某一項傳輸業(yè)務)在某一站取下，需把車上所有貨物先全部卸下，找到你所需要的貨物，然后再把剩下的貨物及該站新裝貨物一一堆到車上運走。因此，PDH技術在凡是需要信號上、下電路的地方都需要配備大量各次群的復接設備；而SDH技術就好比集裝箱列車，各種貨物(業(yè)務)貼上標簽(各種開銷：Overhead)后裝入包裝箱。然后小箱子裝入大箱子，一級套一級。這樣通過各級標簽，就可以在高速行駛的列車上準確地將某一包貨物取下，而不需將整個列車“翻箱倒柜”(通過標簽可準確地知道某一包貨物在第幾車廂及第幾級箱子內(nèi))，即在SDH中可實現(xiàn)簡單的上下電路操作。5.2.1SDH的概念29同步數(shù)字序列SDH簡介5.2SDH的基礎單元是同步傳送模塊STM（SynchronousTransportModule）。它的第一級稱為STM-l，是一個帶有線路終端功能的準同步數(shù)字復用器，能將63個2Mbps信號或3個34Mbps信號或1個140Mbps信號復用或適配為1個155520Kbps（簡稱155Mbps）序列，并在其中預留了很多開銷比特。從155Mbps往上則完全采用同步字節(jié)復用，從而形成速率為622080Mbps、2488320Kbps的STM-4和STM-16序列，更高速率的STM-N尚待標準化。5.2.1SDH的概念30同步數(shù)字序列SDH簡介5.2SDH設備可分為終端復用器TM、再生中繼器REG、分插復用器ADM和數(shù)字交叉連接設備DXC，以它們?yōu)榛A即可構成SDH傳送網(wǎng)。其中ADM是體現(xiàn)SDH特色的重要設備，利用ADM可組成鏈路，適于在沿線節(jié)點有上、下電路要求的環(huán)境下使用，也可用在接入網(wǎng)中；鏈路兩端的TM如改成ADM且首尾相接連成環(huán)狀，則可組成具有自動保護倒換的SDH自愈環(huán)，這種方式適于在本地網(wǎng)中運用或用于二級干線網(wǎng)。

隨著SDH技術的飛速發(fā)展，現(xiàn)在的ADM設備大都具有支路—群路、群路—群路、支路—支路交連能力，上下電路相當靈活，從功能上看，相當于一個小型DXC。5.2.1SDH的概念31同步數(shù)字序列SDH簡介5.25.2.2SDH的幀結(jié)構1．SDH的幀結(jié)構

SDH最基本、最重要的數(shù)據(jù)塊為同步傳輸模塊STM-1。更高級別的STM-N信號則是將STM-1按同步復用，經(jīng)字節(jié)間插后形成的。STM-1矩形塊狀幀結(jié)構由兩部分組成：比特開銷和信息凈負荷，見圖5-5。STM-1幀結(jié)構由9行、270列組成。每列寬一個字節(jié)即8比特，開始9列為開銷所用，其余261列則為有效負荷即數(shù)據(jù)存放地。整個幀容量為（261+9）×9=2430字節(jié)，相當于2430×8＝19440比特。幀傳輸速率為8000幀／秒，即125μs為一幀，因而STM-l傳輸速率為19440×8000=155.520Mbps，其它較高級別的碼速都是STM-1碼速的正整數(shù)倍；如表5-2。32同步數(shù)字序列SDH簡介5.2STM-1幀結(jié)構字節(jié)的傳送是從左到右，從上到下按行進行，首先傳送幀結(jié)構在上角第一個8比特字節(jié)，依次傳遞，直到9×270個字節(jié)都送完，再轉(zhuǎn)入下一幀。5.2.2SDH的幀結(jié)構表5-2STM-N系列表速率等級速率（Mbps）STM-1155.52STM-4622.08STM-81244.16STM-162488.32STM-324976.64STM-649953.28STM-25639813.1233同步數(shù)字序列SDH簡介5.22．比特開銷比特開銷約占信號的5%，由段開銷SOH和指針組成。段開銷是指為保證信息正常傳送所必須附加的字節(jié)，分為再生段開銷和復用段開銷兩種。對STM-1而言，每幀有8×9＝72個字節(jié)（576bit）用于段開銷，可見段開銷是相當豐富的，這是SDH的重要特點之一。5.2.2SDH的幀結(jié)構34同步數(shù)字序列SDH簡介5.2AUPRT叫管理單元指針，是一種指示符，用于指示出信息凈負荷中分支數(shù)據(jù)的準確位置（即指信息凈負荷的第1個字節(jié)在STM-N幀內(nèi)的準確位置），以便正確地分解提取信息。采用指針是SDH的重要創(chuàng)新，可以把指計提取數(shù)據(jù)形象地理解為文件傳遞：利用指針尋址，將數(shù)據(jù)壓入堆棧，將數(shù)據(jù)彈出堆棧。

信息凈負荷是STM-1幀結(jié)構中存放各種信息的地方，占有2344個字節(jié)，其中有少量用于通道性能監(jiān)視、管理和控制的通道開銷字節(jié)（POH），并作為凈負荷的一部分與其一起在網(wǎng)絡中傳送。5.2.2SDH的幀結(jié)構35同步數(shù)字序列SDH簡介5.25.2.3SDH的復用結(jié)構各種業(yè)務信號復用進STM-N幀的過程都要經(jīng)過映射、定位、復用三個步驟。（1）映射：使支路信號適配進虛容器的過程。（2）定位：將幀偏移信息收進支路單元或管理單元的過程。（3）復用：使多個低階通道層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用層的過程。1.復用單元標準容器C：用來裝載各種速率的業(yè)務信號的信息結(jié)構，主要完成適配的功能。目前有C-11、C-12、C-2、C-3、C-4五種，分別裝載1.544Mb/s、2.048Mb/s、6.312Mb/s、34.368Mb/s（44.736Mb/s）、139.264Mb/s數(shù)字序列。這些是虛容器的凈負荷。36同步數(shù)字序列SDH簡介5.2虛容器VC：用來支持SDH通道層連接的信息結(jié)構，由容器輸出的信息凈負荷加通路開銷組成。VC在SDH網(wǎng)中傳輸時總是保持完整不變，因而可作為一個實體十分方便和靈活地在通道上任一點插入和取出，進行同步復用和交叉連接處理。支路單元TU：提供低階的通道層和高階通道層之間的適配信息結(jié)構，由支路單元指針和相應的容器輸出凈負荷組成。支路單元TUG組：把一些不同規(guī)模的支路單元合成一個支路單元組的凈負荷，可增加傳輸網(wǎng)絡的靈活性。管理單元AU：提供高階通道層和復用段層之間的適配信息結(jié)構，由管理單元指針和相應的容器輸出凈負荷組成。管理單元組AUG：在STM-N的凈負荷中固定地占有規(guī)定的位置的一個或多個管理單元的集合。在N個管理單元組的基礎上附加段開銷便可形成STM-N幀