数字通信系列文章：

数字通信相关基本概念（一）

数字通信之抽样（二）

数字通信之量化（三）

数字通信之编码（四）

数字通信之语音信号编码主要内容简介（五）

数字通信之语音压缩编码基本概念（六）

数字通信之PCM 30/32 时分多路复用通信系统（七）

数字通信之信号复接（八）

  • 1、数字复接基本概念
    • 1.1、 准同步数字体系(PDH)
    • 1.2、形成高次群的方法
    • 1.3、数字复接的实现方法
    • 1.4、数字复接的同步
    • 1.5、数字复接的(同步的）方法
      • 1.5.1、同步复接
      • 1.5.2、异步复接
    • 1.6、数字复接（异步复接）系统的构成
  • 2、异步复接二次群帧结构
    • 2.1、异步复接二次群帧结构
    • 2.2、PCM三次群帧结构
  • 3、SDH的基本概念
    • 3.1、SDH的概念
    • 3.2、SDH的速率体系
  • 4、SDH的基本网络单元
    • 4.1、终端复用器（TM）
    • 4.2、分叉复用器（ADM）
    • 4.3、再生中继器（REG）
    • 4.4、数字交叉连接设备（DXC）
  • 5、SDH的帧结构

1、数字复接基本概念

1.1、 准同步数字体系(PDH)

   欧洲和中国的准同步数字体系：

一次群
(Mbit/s) 		二次群 三次群 四次群
欧洲
中国 		30路
2.048 		120路
8.448 		480路
34.368 		1920路
139.264

注意：以一次群和二次群为例，这里的二次群的速率并不是一次群的4倍，因为PDH采用的是异步复接。PDH的弱点：

  • 只有地区性数字信号速率和帧结构标准而不存在世界性标准；
  • 没有世界性的标准光接口规范；
  • 没有异步复用，复用结构缺乏灵活性；
  • 采用按位复接，不利于以字节为单位的现代信息处理和交换；
  • 网路管理能力不强；

1.2、形成高次群的方法

（1）PCM复用
   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125μs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。（一次群的形成就属于PCM复用）

（2）数字复接
   数字复接是将几个低此群在时间的空隙上迭加合成高次群。即高次群的形成采用数字复接的方法。比如四个一次群形成二次群，将四个一次群在时间的空隙上迭加就可以复接成一个二次群。

1.3、数字复接的实现方法

（1）按位复接
   按位复接，即每次复接各低次群（也称为支路）的一位码形成高次群。以4个一次群形成二次群为例，首先取第一个一次群的一位码，再取第二次一次群的一位码，取完4个一次群的一位码后，再依次取每个一次群的第二位码。

（2）按字复接
   按字复接，即每次复接各低次群（支路）的一个码字形成高此群。按字复接可以保证一个码字的完成性，而现代信号处理和交换都是以字节为单位的，所以SDH才用的就是按字（8个位）复接，而传统的PDH大多还是采用按位复接。

1.4、数字复接的同步

   数字复接首要解决的问题为，同步和复接。同步，即被复接的几个低次群的数码率相同。如果不同步，则复接后的数码就会产生码元间的重叠和错位。

1.5、数字复接的(同步的）方法

   数字复接的方法分为，同步复接和异步复接。

1.5.1、同步复接

   同步复接，是同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。同步复接在时钟控制下产生数字信号序列，数字信号苏烈的速率数值与时钟频率相同。同步复接虽然不需要码速调整，但需要码速变换。
（1）码速变换
   以四个一次群复接成二次群为例，码速变换是在各一次群中为插入附加码留下空位（复接时再插入附加码）且将码速由2048kbit/s 提高到 2112kbit/s 。码速变换的原因是，虽被复接的各支路的时钟都是由同一时钟源供给的，可以保证其数码率相等，但为满足在接收端分接的需要，需插入一定数量的帧同步码；而且为了使复接器、分接器正常工作，还需要加入对端告警码，邻站检测及勤务练习等公务码（以上各种插入的码元统称附加码）。故同步复接需要进行码速变换。
（2）码速变换的过程
   码速变换前，4个一次群的速率为 2048 kbit/s ，即125 μs内有 256=2048×1251000256=\frac{2048×125}{1000}256=10002048×125​个bit，码速变换后希望提升到 2112 kbit/s，此时 125 μs 内有 264=2112×1251000264=\frac{2112×125}{1000}264=10002112×125​个bit，则每个一次群在 125 μs 内需要插入8bit，即需要平均每 2568=32\frac{256}{8}=328256​=32 个码位插入1位码，最终码速调整后的一次群的速率为 2112 kbit/s。


由于读出的速率 2112kbit/s 高于写入速率 2048kbit/s，随着读出码位增多读出脉冲相位越来越接近于写入脉冲，可能到读完第32位以后，下一个读出脉冲与写入脉冲可能会同时出现或者是还未写入即要读出的情况，这时禁止读出一次，即读出脉冲紧读一个码元，也即插入了一个空位。如此循环下去即构成了每32位加插一个空位的 2112kbit/s 的数码流以供复接合成。注意此时只是留空，还未真正插入附加码，复接合成电路把变换后的各支路码流合并在一起，并在所留空位插入包括帧同步在内的附加码。
（3）码速恢复
   在接收端进行码速恢复，即去掉发送端插入的码元，将各支路速率（即数码率）由 2112kbit/s 还原成 2048kbit/s 。


由于读出速率 2048kbit/s 低于写入速率 2112kbit/s，随着码位增多读写相位差将越来越大，可能在该写第33位码时，读出脉冲才读到第32位，加入照写，不加处理，则存储器积存 1 位，随着时间的推移，存储器码位越积越多，会产生溢出。但分接器已知第33位是插入码位，写入时扣除了该处的一个写入脉冲。

1.5.2、异步复接

   异步复接，是各次低次群各自使用自己的时钟，由于各低次群的是时钟频率不一定相等，使得各低次群的数码率不完全相同（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。故异步复接虽不需要码速变换，但需要码速调整。PDH大多采用异步复接，因为同步复接的方法一旦主时钟发生故障，相关的通信系统将全部中断，所以同步复接的方法只限于局部地区使用。
（1）码速调整方法
   假设4个一次群的码速在 fB=2048kbit/sf_B=2048kbit/sfB​=2048kbit/s 左右，则通过插入一定的码元将这4个一次群的码速都同步调整到 2112kbit/s ，然后进行按位复接成二次群 fB=8448kbit/sf_B=8448kbit/sfB​=8448kbit/s。码速调整分为：

  • 正码速调整（一般采用这个过程），正码速调整电路如下图所示。
  • 正/负码速调整。
  • 正/零/负码速调整。


在发送端（复接端），主要组成为 缓冲存储器和相应的控制电路。支路信码flf_lfl​（码速调整前的一次群，码速在 fB=2048kbit/sf_B=2048kbit/sfB​=2048kbit/s 左右），在写入脉冲的控制下写入缓冲控制器，在读出脉冲的控制下读出。由于读出的速率fmf_mfm​ 2112kbit/s 高于写入速率 $f_l$2048kbit/s，读出脉冲与写入脉冲几乎同时出现或超前出现，这将出现还没有写入却要求读出的情况，从而造成取空现象，为了防止取空，当相位比较电路发现，这时就通知插入请求电路，插入请求电路通知复接脉冲扣除电路扣除一个脉冲，即禁读一次，同时插入请求电路通知标志信号电路，通知接收端相应位置有插入脉冲。这样就实现插入一个脉冲指定，它一方面停止读出一次，同时再次瞬间插入一个脉冲（一个码元）。
（2）码速恢复方法
   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 2112kbit/s 还原成 2048kbit/s 。


码速恢复扣除插入脉冲以后，支路信码的次序与原来信码的次序一样，但是在时间间隔上是不均匀的，中间有空隙，但是长时间的平均时间间隔即平均码速与原支路信码的相同。所以收端要通过锁相环进行脉冲间隔均匀化以恢复为原支路信码。

（3）异步复接的码速调整和同步复接种的码速变换的区别

  • 码速变换是在平均间隔的固定位置先留出空格，待复接合成时再插入脉冲（附加码）；
  • 码速调整插入脉冲要视具体情况，不同支路，不同瞬时数码率，不同的帧，可能插入，也可能不插入脉冲（不插入脉冲时，此位置为原信息码），且插入的脉冲不携带信息。

1.6、数字复接（异步复接）系统的构成

（1）二次群的数码率
   二次群 125 μs 内码元数为：

      256×4+32=1056bit256×4+32=1056bit256×4+32=1056bit

一次群125 μs内由256bit，其中32为异步复接过程中的插入码个数。
数码率为：

      1056125×10−6=8448kbit/s≠4×2048\frac{1056}{125×10^{-6}}=8448kbit/s≠4×2048125×10−61056​=8448kbit/s​=4×2048

      84484=2112kbit/s\frac{8448}{4}=2112kbit/s48448​=2112kbit/s

（2）码速调整
   四个一次群的 fB=2048kbit/s左右f_B=2048kbit/s 左右fB​=2048kbit/s左右，进行码速调整过程中插入码元后，码速率为 2112kbit/s2112kbit/s2112kbit/s ,码速调整后复接为二次群，码速率为fB=8448kbit/s=2112kbit/s×4f_B=8448kbit/s=2112kbit/s×4fB​=8448kbit/s=2112kbit/s×4。

（3）数字复接系统的构成
   数字异步复接系统主要包括两个部分：

  • 复接器，主要包括码速调整核复接
  • 分接器，主要包括分接和码速恢复
  • 定时和同步系统

以4个一次群形成二次群为例，在发送端，有4个一次群，码速率在2048kbit/s左右不等，分别进行速率调整，插入码元后调整为2112kbit/s后进行复接形成二次群。在接收端，进行分接，得到4个码数率为2112kbit/s的一次群，然后进行码速恢复（和码速调整相对应，去掉插入的码元，即“消插”），最终得到码速率在2048kbit/s左右不等的4个一次群。因数字通信系统是时分制多路通信，各路信号的处理和传输都是在严格的时间内进行的，故数字复接系统的工作也需要在定时脉冲的控制下进行，所以数字复接框图中发端和收端都有定时系统。图中的同步指的收发两端定时的同步。

2、异步复接二次群帧结构

2.1、异步复接二次群帧结构

   二次群的帧周期为100.38μs，帧长为 848 bit。其中，最少有 4×205=820bit 个信息码（四个一次群进行码速调整之前的码元），最多有 28bit 的插入码。

插入码个数 作用
10 bit 二次群帧同步码 (1111010000)
1bit 告警
1bit 备用
4bit(最多) 码速调整用的插入码
4×3=12bit 插入标志码

一次群码速调整后 100.38μs 内有212个码元：
   * 信息码 205~206 个。
   * 插入码有 6~7 个，其中码速调整用的插入码有 0~1 个（最多1个），插入标志码有3个。
二次群1帧内，有：
   * 插入码 24~28个（最多28个）
   * 码速调整用的插入码有 0~4 个（最多4个）
   * 插入标志码有 12 个
   * 信息码最少为 820 个

其中，插入标志码，是为了用来通知接收端第161位有无插入，以便接收端“消插”。且插入标志码采用三位插入标志码，为了防止由于信道误码而导致的收端错误判决。ITU-T 规定数字传输系统的误码率要低于 10的负6次方，即100万个比特只允许一个比特出错，选择三位插入标志码，“三中取二”：
   当收到两个以上的“1”码时，认为有 ViV_iVi​ 插入;
   当收到两个以上的“0”码时，认为无 ViV_iVi​ 插入。
这样就可以大概率的防止由于信道误码而导致的收端错误判决。

2.2、PCM三次群帧结构

   四个标称速率是 8.448 Mbit/s （瞬时速率可能不同）的二次群分别进行码速调整，将其速率统一调整成8.592 Mbit/s，然后按位复接成三次群。

PCM三次群帧结构如图所示：

扩展：

3、SDH的基本概念

3.1、SDH的概念

   SDH网是由一些SDH的网络单元（NE）组成的，在光纤上进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的网络。SDH网中是不含交换设备的，它只是交换局之间的传输收端。SDH网最早是用于变换机之间的传输，后来又用于ATM网（ATM是Asynchronous Transfer Mode（ATM）异步传输模式的缩写，以信元为基础的一种分组交换和复用技术。其采用面向连接的传输方式，将数据分割成固定长度的信元，通过虚连接进行交换。ATM集交换、复用、传输为一体，在复用上采用的是异步时分复用方式，通过信息的首部或标头来区分不同信道。）和ATM交换机之间的传输，现在的路由器之间可以采用SDH网作为数据网去传输ip数据报。SDH网的概念中包含以下几个要点：

  • SDH网有全世界统一的网络节点接口（NNI），从而简化了信号的互通以及信号的传输、复用、交叉连接等过程。
  • SDH网有一套标准化的信息结构等级，称为同步传递模块，并且有一种块状帧结构。允许安排丰富的开销比特用于网络的OAM。
  • SDH网有一套特殊的复用结构。允许现存PDH、SDH和BISDN的信号都鞥纳入其帧结构中传输，即具有兼容性和广泛的适用性。
  • SDH网大量采用软件进行网络配置和控制，增加新功能和新特性非常方便，适合将来不断发展的需要。
  • SDH网有标准的光接口，即允许不同厂家的设备在光路上互通。
  • SDH网的基本网络单元有终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）、再生中继器（REG）和数字交叉连接（DXC）设备等。
    SDH的优点有以下几点：
  • 有全世界统一的数字信号速率和帧结构标准。
  • 采用同步复用方式和灵活的复用映射结构。
  • SDH帧结构中安排了丰富的开销特别，因而使得网络运行管理OAM能力大大加强。
  • 有标准的光接口。
  • SDH与现有的PDH网络完全兼容。
  • SDH采用按字复接，其信号结构的设计考虑了网络传输和交换的最佳性。

3.2、SDH的速率体系

等级 STM-1 STM-4 STM-16 STM-64
速率
(Mbit/s) 		155.520 622.080 2488.320 9953.280

注意，这里的高次群是低此群的4倍，因为SDH采用的是同步复接。

4、SDH的基本网络单元

4.1、终端复用器（TM）

   终端复用器的主要任务是，将低速支路信号纳入 STM-1 帧结构，并经 电/光转换成为 STM-1 光纤路信号，其逆过程正好相反。

4.2、分叉复用器（ADM）

   分叉复用器的作用是，将同步复用和数字交叉连接工程综合于一体，具有灵活地分插任意支路信号的能力，在网络设计上有很大的灵活性。ADM也具有光/电、电/光转换功能，因为ADM是在电信号的基础上分和插的，而线路上传的是光信号。

4.3、再生中继器（REG）

   再生中继器的作用是，将光纤长距离传输后受到较大衰减及色散畸变的光脉冲信号转换成电信号后进行放大整形、再定时、再生为规划的电脉冲信号，再调制光源变换为光脉冲信号送入光纤继续传输，以延长传输距离。

4.4、数字交叉连接设备（DXC）

   数字交叉连接设备是用于实现支路之间的交叉连接。数字交叉连接设备在PDH网、SDH网中都有应用。在PDH网中，支路指的是PCM各次群等。而在SDH网中，指的是STM同步传递模块等。

5、SDH的帧结构

   SDH的帧结构是块状态的如下图所示。

SDH的帧结构总共有9行270×N列，SDH的帧结构的每行每列对应一个字节，N=1、4、16、64 SDH在传输的时候是按照从上到下，从左到右的顺序，一个比特一个比特的去传输。SDH的帧周期都是 125 μs，帧长度为 9×270×N×8 bit，速率为 9×270×N×8125×10−6\frac{9×270×N×8}{125×10^{-6}}125×10−69×270×N×8​。其主要组成部分有：

  • SOH，前9×N列 、9行除去第4行为段开销区域，用于存放网络运行、维护和管理（OAM）使用的字节。
  • STM-N 净负荷（含POH），后261×N列、前9行，存放各种信息负载的地方，信息负载第一个字节在 STM-N 帧中的位置不固定，缺点是接收端不知道该如果取出第一个字节，需要结合AU-PTR。
  • AU-PTR，管理单元指针，前9×N列、第4行，用来指示信息净负荷的第一个字节在STM-N帧中的准确位置，以便在接收端能正确的分解。

比如STM-16的AU-PTR的容量（速率）为：
所占比特数帧周期=9×16×8125=9.216Mbit/s\frac{所占比特数}{帧周期}=\frac{9×16×8}{125}=9.216 Mbit/s帧周期所占比特数​=1259×16×8​=9.216Mbit/s
其中，125 μs为帧周期，AU-PTR在STM-16中的字节数为 1行9×N列字节，即1×9×16个字节。

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