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四章节信道复用与数字复接 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望n从理论上讲，只要各路信号分量相互正交，就能实现信道的复用。常用的复用方式有频分复用、时分复用和码分复用等。数字复接技术就是在多路复用的基础上把若干个小容量低速数据流合并成一个大容量的高速数据流，再通过高速信道传输，传到接收端再分开，完成这个数字大容量传输的过程，就是数字复接。4.1频分多路复用（频分多路复用（FDM）4.1.1基本频分复用基本频分复用n频分多路复用是指将多路信号按频率的不同进行复接并传输的方法。多用于模拟通信中。n在频分多路复用中，信道的带宽被分成若干个互不重叠的频段，每路信号占用其中一个频段，因而在接收端可采用适当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复出所需要的原始信号，这个过程就是多路信号复接和分接的过程。n频分复用实质就是每个信号在全部时间内占用部分频率谱。图图4-1（a）FDM系统原理框图系统原理框图图图4-1（b）以以=3为例的频谱图为例的频谱图 n图4-1（a）是频分多路复用的系统原理框图。假设有路相似的消息信号 ，,各消息的频谱范围为 。由系统框图可见，在系统的输入端，首先要将各路信号复接，各路输入信号先通过低通滤波器，以消除信号中的高频成分，使之变为带限信号。n然后将这一带限信号分别对不同频率的载波进行调制，路载波 ，称为副载波。n调制后的带通滤波器将各个以调波频带限制在规定的范围内，系统通过复接把各个带通滤波器的输出合并而形成总信号。n图4-1（b）是N=3以为例，使用SSB调制方式，并且设其工作 在 上 边 带 时 的 频 谱 图，图 中，副 载 波 频 率 之 间 的 间 隔 ，为消息信号的频谱范围，为邻路间隔保护频带。例如，话音通信中语音信号最高频 率 为 ，通常采用 ，这样就可以使邻路干扰电平低于 以下，最终副载波间隔 取值为 。n在某些信道中，总信号可以直接在信道中传输，这时所需的最小带宽为n在无线信道中，如采用微波频分复用线路，总信号还必须经过二次调制，这是所用的主载波要比副载波高的多。最后，系统把载波为 的已调波信号送入信道发送出去。n在接收端，基本处理过程恰好相反。如果总信号是通过特定信道无主载波调制的，则直接经各路带通滤波器滤出相应的支路信号，然后通过副载波解调，送低通滤波器得到各路原始消息信号；如果总信号是通过主载波调制而送到信道的，则先要用主解调器把包括各路信号在内的总信号从主载波上解调下来，然后就像上述无主载波调制信号一样将总信号送入各路带通滤波器，完成原始信号的恢复。n频分多路复用就是利用各路信号在频率域上互不重叠来区分的，复用路数的多少主要取决于允许的带宽和费用，传输的路数越多，则信号传输的有效性越高。n频分复用的优点是复用路数多，分路方便；多路信号可同时在信道中传输，节省功率。n频分多路复用的缺点是设备庞大、复杂，路间不可避免的会出现干扰，这是系统中非线性因素引起的。4.1.2正交频分复用（正交频分复用（OFDM）nOFDM是多载波数字调制技术，它将数据经编码后调制为射频信号。不像常规的单载波技术，如AM/FM（调幅/调频）在某一时刻只用单一频率发送单一信号，OFDM在经过特别计算的正交频率上同时发送多路高速信号。这一结果就如同在噪声和其它干扰中突发通信一样有效利用带宽。n传统的FDM（频分复用）理论将带宽分成几个子信道，中间用保护频带来降低干扰，它们同时发送数据。例如：有线电视系统和模拟无线广播等，接收机必须调谐到相应的台站。nOFDM系统比传统的FDM系统要求的带宽要少得多。由于使用无干扰正交载波技术，单个载波间无需保护频带，且频谱可相互重叠。这样使得可用频谱的使用效率更高。另外，OFDM技术可动态分配在子信道上的数据。为获得最大的数据吞吐量，多载波调制器可以智能地分配更多的数据到噪声小的子信道上。n正交频分复用作为一种多载波传输技术，主要应用于数字视频广播系统、MMDS（multichannelmultipointdistributionservice）多信道多点分布服务和WLAN服务以及下一代陆地移动通信系统。n图4-2单载波调制、FDM及OFDM三种方式的频谱图。图图4-2单载波调制、单载波调制、FDM、OFDM三种调制方式频谱比较三种调制方式频谱比较4.2时分多路复用（时分多路复用（TDM）n在数字通信系统中，模拟信号的数字传输或数字信号的多路传输一般都采用时分多路复用方式来提高系统的传输效率。4.2.1时分复用基本原理时分复用基本原理n在PCM脉冲编码调制中，抽样定理告诉我们，一个频带限制在0到以内的低通模拟信号，可以用时间上离散的抽样值来传输，抽样值中包含的全部信息，当抽样频率时，可以从已抽样的输出信号中不失真地恢复出原始信号。n由于单路抽样信号在时间上离散的相邻脉冲间有很大的空隙，在空隙中插入若干路其他抽样信号，只要各路信号在时间上不重叠并能区分开，那么一个信道就有可能同时传输多路信号，达到多路复用的目的。这种多路复用称为时分多路复用（TDM）。n下面以PAM为例说明TDM原理。假设有路PAM信号进行时分多路复用，时分多路复用示意图如图4-3所示。图图4-3TDM时分多路复用示意图时分多路复用示意图n各路信号首先通过相应的低通滤波器（LPF）使之变成频带受限信号，然后送到电子开关，电子开关以每秒将各路信号依次抽样一次，这样N个样值按先后顺序错开插入抽样间隔之内，最后得到复用信号是N个抽样信号之和，如图4-4所示。各路信号脉冲间隔为，各路复用信号脉冲间隔为 。由N个信号抽样构成的一组脉冲叫做一帧，一帧中相邻两个脉冲之间的时间间隔叫做时隙，未被抽样脉冲占用的时隙叫做保护时间。图图4-4路路PAM信号的信号的TDM波形波形 n在接收端，合成的多路复用信号由与发送端同步的分路转换开关区分不同路的信号，把各路信号的抽样脉冲序列分离出来，再用低通滤波器恢复各路所需要的信号。n多路复用信号可以直接送到某些信道传输，或者经过调制变换成适合于某些信道传输的形式再进行传输。传输接收端的任务是将接收到的信号经过解调或经过适当的反变换恢复出原始多路复用信号。4.2.2TDM信号的带宽及相关问题信号的带宽及相关问题1抽样速率 、抽样脉冲宽度 和复用路数 的关系按 照 抽 样 定 理，抽样速率 ，以话音信 号 为 例，通 常取 为 ，即 抽 样 周 期 ，抽样脉冲的宽度 要比 还小。n对于路时分复用信号，在抽样周期内要顺序地插入 路抽样脉冲，而且各个脉冲间要留出一些空隙作保护时间，若取保护时间和抽样脉冲宽度相等，这样抽样脉冲的宽 度 ，越大，就越小，但不能太小。因此，时分复用的路数也不能太大。2信号带宽信号带宽B与路数的关系与路数的关系n时分复用信号的带宽有不同的含义。一种是信号本身具有的带宽，从理论上讲，TDM信号是一窄脉冲序列，它应具有无穷大的带宽，但其频谱的主要能量集中在 以内。因此，从传输主要能量的观点考虑n从另一方面考虑，如果我们不是传输复用信号的主要能量，也不要求脉冲序列的波形不失真，只要求传输抽样脉冲序列的包络，因为抽样脉冲的信息携带在幅度上，所以，只要幅度信息没有损失，那么脉冲形状的失真就无关紧要。n根据抽样定律，一个频带限制在 的信号，只要有 个独立的信息抽样值，就可用带宽 的低通滤波器恢复原始信号。个频带都是 的复用信号，它们的独立对应值为 。如果将信道表示为一个理想的低通滤波器，为了防止组合波形丢失信息，传 输带宽必须满足n上式表明，路信号时分复用时每秒 中的信息可以在 的带宽内传输。总之，带宽B与 成正比。对于话音信号，抽样速率 一般取 ，因此，路数 越大，带宽B就越大。3时分复用信号仍是基带信号时分复用信号仍是基带信号n时分复用后得到的总和仍然是基带信号，只不过这个总合信号的脉冲速率是单路抽样信号的 倍，即n这个信号可以通过基带传输系统直接传输，也可以经过频带调制后在频带传输信道中进行传输。4时分复用系统必须严格同步时分复用系统必须严格同步n在TDM系统中，发送端的转换开关与接收端的分路开关要严格同步，否则系统就会出现紊乱。具体同步方法有位同步、帧同步及网同步等。4.2.3TDM与与FDM的比较的比较1复用原理nFDM是用频率来区分同一信道上同时传输的信号，各信号在频域上是分开的，而在时域上是混叠在一起的。nTDM是在时间上区分同一信道上传输的信号，各信号在时域上是分开的，而在频域上是混叠在一起的。nFDM与TDM各路信号在频谱和时间上的特性比较如图4-5所示。（a）FDM(b)TDM图图4-5FDM与与TDM特性比较特性比较2设备复杂性设备复杂性n就复用部分而言，FDM设备相对简单，TDM设备较为复杂；就分路部分而言，TDM信号的复用和分路都是采用数字电路来实现的，通用性和一致性较好，比FDM的模拟滤波器分路简单、可靠，而且TDM中的所有滤波器都是相同的滤波器。FDM中要用到不同的载波和不同的带通滤波器，因而滤波设备相对复杂。3.信号间干扰信号间干扰n在FDM系统中，信道的非线性会在系统中产生交调失真和高次谐波，引起话间串扰，因此，FDM对线性的要求比单路通信时要严格得多；在TDM系统中，多路信号在时间上是分开的，因此，对线性的要求与单路通信时一样，对信道的非线性失真要求可降低，系统中各路间串话比FDM的要小。n4传输带宽n从前面关于FDM及TDM对信道传输带宽的分析可知，两种系统的带宽是一样的，N路复用时对信道带宽的要求都是单路的N倍。43时分复用的时分复用的PCM系统系统4.3.1PCM时分多路通信系统的构成时分多路通信系统的构成n由对信号的抽样过程可知，抽样的一个重要特点是信号占用时间的有限性，这就可以使得多路信号的抽样值在时间上互不重叠。n当多路信号在信道上传输时，各路信号的抽样只是周期地占用抽样间隔的一部分，因此在分时使用信道的基础上，可以用一个信源信息的相邻样值之间的空闲时间区段来传输其他多个彼此无关的信源信息，这样便构成了时分多路复用通信。nPCM时分多路复用通信系统的构成如图4-6所示，图中只画出3路信号复用情况。下面来分析时分复用系统的工作原理。图图4-6PCM时分多路复用通信系统框图时分多路复用通信系统框图n为了避免抽样后的PAM信号产生折叠噪声，各路话音信号需首先经过一个低通滤波器。低通滤波器的截止频率为 ，这样各路话音信号的频率就被限制在 之内，高于 的信号频率不会通过。3个话路信号分别用 、和 来表示，经各抽样门进行抽样。n在实际应用中，抽样周期间隔取为 ，抽样频率 ，对应各路话音信号的抽样脉冲用 、和 来表示。抽样时，各路抽样脉冲出现的时刻依次错后，抽样后各路话音信号的抽样值在时间上是分开的，从而达到了多个话路复用的目的。n抽样之后要进行编码。由于编码需要一定时间，为了保证编码的精度，要求将各路抽样值进行展宽并占满整个时隙。为此要将合路后的PAM信号送到保持电路，保持电路将每一个样值记忆一个路时隙的时间进行展宽，然后经过量化编码变成PCM信码，每一路的码字依次占用一个路时隙。n在接收端，经过解码将多路信号还原成合路的PAM信号。这时会有一些量化误差。由于解码是在一路码字都到齐后才解码成原抽样值，所以信号恢复后在时间上会推迟一些。最后通过分路门电路将合路的PAM信号分开，并分配至相应的各路中去。各路信号再经过低通滤波器重建，最终近似的恢复为原始的话音信号。下面介绍几个基本概念：下面介绍几个基本概念：n帧：抽样时各路信号每轮一次抽样的总时间（即开关旋转一周的时间），也就是一个抽样周期，这一时间内的全部信号构成的“图案”称为一帧。n路时隙：合路的PAM信号每个样值编码所允许占用的时间间隔。n位时隙：1位码占用的时间。4.3.2时分多路复用系统中的位同步时分多路复用系统中的位同步n数字传输的同步是指接收端设备数字速率跟踪发送端设备数字速率协调地工作，称为接收同步。为了保证在接收端能正确的接收每1比特，并能正确地区分每一路话音信号，时分多路复用系统中的收端和发端的同步应包括位同步（即比特同步）和帧同步。n位同步就是码元同步。在PCM多路复用系统中，各类信号的传输与处理都是在规定的时间内进行的。例如，发送端各话路的模拟信号要按照固定顺序在指定的信道时隙内轮流进行抽样、逐位进行编码，然后再按照严格的时序规定，在帧同步时隙位置插入帧同步信号，在信令时隙位置插入信令信号进行传输；在接收端也必须按严格的时序规定进行反变换，才能恢复出与发送端一致的模拟信号。n否则会产生滑动，并导致误码，使通信无法进行。所以收端和发端都要有时钟信号进行统一的控制，这项任务由定时系统来完成。由定时系统产生各种定时脉冲，对上述过程进行统一指挥和统一控制，以保证收端和发端按照相同的时间规律正常地工作。n接收同步的实质是使收端的时钟频率与发端的时钟频率相同。时钟频率相同才能保证收端正确识别每一个码元，这相当于收、发端的高速旋转开关旋转速度相同。在位同步的前提下，若能把每帧的首尾辨别出来，就可以正确区分每一话路。4.3.3时分复用系统中的帧同步时分复用系统中的帧同步n帧同步的目的是要求收端与发端相应的话路在时间上对准，就是要从收到的信码流中分辨出哪8位码是一个样值的码字，以便正确解码；还要能分辨出这8位码是哪一个话路的，以便正确分路。这相当于收、发两端的高速电子开关的旋转起始位置相同。n为了做到帧同步，要求在每一帧的第一个时隙位置安排标志码，即帧同步码，以使接收端能识别判断帧的开始位置是否与发端的位置相对应。因为每一帧内各信号的位置是固定的，如果能把每帧的首尾辨别出来，就可以正确区分每一路信号，即实现帧同步。4.4系统举例：系统举例：PCM30/32路系统路系统nPCM30/32路端机在脉冲调制通信中是一个基群设备。它可组成高次群，也可独立使用，作为有线或无线电话的时分多路终端设备。4.4.1PCM30/32路系统帧结构路系统帧结构n根据ITU-T建议，话音信号采用 抽样频率，抽样周期为 ，在 时间内各路抽样值所编成的PCM信码顺序传送一次，这些PCM信码所对应的各个数字时隙有次序的组合称为一帧，显然，PCM帧周期就是n在每一帧中除了要传送各路PCM信码以外，还要传送帧同步码及信令码等控制信号。信令是通信网中与连接的建立、拆除和控制及网路管理有关的信息，例如电话的占用、拨号、应答及拆线等状态的信息。n为了合理地利用帧结构中某些比特，通常将若干个帧组成一个复帧，各个话路的信令分别在同一复帧中不同帧的信道中传输。既然有复帧也相应有复帧同步码。n终上所述，一帧码流中含有帧同步码、复帧同步码、各路信码及信令码等。PCM30/32路系统帧与复帧结构如图4-7所示。图图4-7PCM30/32路系统帧与复帧结构路系统帧与复帧结构n下面分别进行说明。1.话路时隙：话路时隙：，n 分别传送第 路话音信号，分别传送第路话音信号。2.帧同步时隙：帧同步时隙：n在不同帧的 位置所传送的码组是不一样的，分为偶帧 和奇帧 两种情况。n偶帧 ：传送帧同步码。偶帧 中的8位码中第一位码留给国际用，暂定为1，第 位为帧同步码0011011。n奇帧 ：传送帧失步告警码。在奇帧 的8位码中第一位留给国际用，暂定为1，其第二位固定为1码，以便在接收端用来区别偶帧 还是奇帧 。第3位码 为帧失步时向对端发送的告警码，简称对告码。n当帧同步时，为0；当帧失步时，为1，以便告诉对方，收端已经出现失步，无法工作。其第 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 时隙的码组为1111111。3信令与复帧同步时隙：信令与复帧同步时隙：n为了完成各种控制作用，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，其抽样频率为 ，即抽样周期为 ，而且只有4位码（称为信令码），所以对于每个话路的信令码，只要每隔16帧传送一次就够了。n将每一帧的传送 两个话路的信令码（前4位码为一路，后4位码为一路），这样15个帧（）的 时隙就可以轮流传送30个话路的信令码。而 帧的 传送复帧同步码和复帧告警码。n16帧合起来称为一个复帧（）。为了保证收端、发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，将其安排在 帧的 时隙中的前四位，码组为0000，另外 帧的 时隙的第六位 为复帧对告码。复帧同步时，的值为0，复帧失步时 为1。第5、7、8位码也可供传送其他信息用。暂不用时，则固定为1。n需要注意的是信令码组 的值不能为0000，否则就可能被识别成复帧同步码。n对于PCM30/32路系统，可以算出以下几个常用参数n帧周期 ，帧长度n路时隙n位时隙n数字速率4.4.2PCM30/32路帧同步系统路帧同步系统n如前所述，位同步解决了接收时钟与接收信码之间的同频、同相问题，这样就可使收到的信码获得正确的判决。但是正确判决后的信码流是一连串无头无尾的信码流，这样收端无法判断出收到信码中的某一位码是第几路信号的第几位码，即不能正确恢复发送端送来的话音信号。为此接收端要能完成以下功能：n1）要能从收到的信码流中，分辨出哪8位码是一个抽样值所编的码字，以便能正确解码；2)还要能分辨出每8位码（即某样值）是属于哪一路的，以便正确分路。n采用帧同步方法可以解决以上问题。1PCM30/32路系统帧同步的实现方法路系统帧同步的实现方法n由PCM30/32路系统的帧结构可知，PCM30/32路系统的帧同步码是采用集中插入方式。ITU-T规定PCM30/32路系统的帧同步码型为0011011，它集中插入在偶帧 的 第 位。它是一个优选码组，在信息码流中出现的概率非常小。n对于PCM30/32路系统，由于发端偶帧 传送帧同步码，收端一旦识别出帧同步码，便可知随后的8位码是一个样值的码字，且是第一话路的信息，依次类推，便可正确接受每一路信息，即实现帧同步。2.前、后方保护前、后方保护（1）前方保护n前方保护是为了防止假失步。帧同步系统一旦出现帧同步码有误（即收不到帧同步码），并不立即进行调整。因为偶尔误码也可能造成帧同步码有误，这时的帧失步可能是假失步。真的帧失步是由于收、发两端帧同步码没有对准造成的；而假失步则是由信道误码造成的。nPCM30/32路系统的同步码检出方式是采用码型检出方式。它是这样防止假失步的：当连续次（称为前方保护计数）检测不到同步码后，才判断系统为真正的帧失步，而立即进入捕捉状态，开始捕捉同步码。n具体地说，从第一个帧同步码丢失到帧同步系统进入捕捉状态为止的这段时间称为前方保护时间，可表示为n其中 为一个同步帧时间。ITU-T的G.732建议规定 ，即如果帧同步系统连续个同步帧未收到帧同步码，则判断系统已经失步，此时帧同步系统立即进入捕捉状态。（2）后方保护n后方保护是为防止伪同步。PCM30/32路系统的同步码捕捉方式是采用逐步移位捕捉方式。在捕捉帧同步码的过程中，可能会遇到伪同步码，所以第一次捕捉到帧同步码还不能认为已经进入帧同步状态，因为收到的帧同步码可能是真正的帧同步码，也可能是假的帧同步码（信息码中与帧同步码相同的码组，它是随机出现的）。n如果这时收到的是伪同步码而使系统进入帧同步状态，由于它不是真的帧同步码，即系统不是真的帧同步，还将经过前方保护才能重新开始捕捉，从而使同步时间拉长。为了防止出现伪同步码造成的不利影响，系统采用了后方保护措施，即在捕捉帧同步码的过程中，只有在连续捕捉到次n（n为后方保护计数）帧同步码后，才能认为系统已真正恢复到了同步状态。n从捕捉到第一个帧同步码到系统进入同步状态这段时间称为后方保护时间，可表示为nITU-T的G.732建议规定 。即帧同步系统进入捕捉状态后在捕捉过程中，如果捕捉到的帧同步码具有以下规律：1.第N帧（偶帧）有帧同步码10011011；2.第N+1帧（奇帧）无帧同步码，而有对端告警码111111;3.第N+2帧（偶帧）有帧同步码10011011。n则判断系统进入帧同步状态，这时帧同步系统已经完成同步恢复。4.5数字复接技术数字复接技术4.5.1PCM复用和数字复接复用和数字复接n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（PCM30/32路或PCM24路）扩大到二次群、三次群、四次群及五次群，甚至更高速率的多路系统。n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。1.PCM复用复用n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。n显然一次群（PCM30/32路）的形成就属于PCM复用。那么这种方法是否适用于二次群以上的高次群的形成呢？n以二次群为例，如果采用PCM复用，要对120路话音信号分别按 抽样，一帧 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1/4，即每个样值8位码的编码时间仅为 ，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。2.数字复接数字复接n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4-8是数字复接的原理示意图图图4-8数字复接原理示意图数字复接原理示意图n图中低次群（1）与低次群（2）的速率完全相同（假设全为“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（波形和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，最后将低次群（1）和低次群（2）合成高次群C。4.5.2数字复接的实现数字复接的实现1按位复接按位复接n按位复接是每次复接各低次群的一位码形成高次群。图4-9（a）是四个PCM30/32路基群的时隙的码字情况。图4-9(b)是按位复接的情况，复接后的二次群信号码中第一位码表示第一支路第一位码的状态，第二位码表示第二支路第一位码的状态，第三位码表示第三支路第一位码的状态，第四位码表示第四支路第一位码的状态。n四个支路第一位码取过之后，再循环取以后各位，如此循环下去就实现了数字复接。复接后高次群每位码的间隔是复接前各支路的1/4，即高次群的速率提高到复接前各支路的4倍。n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，不利于以字节为单位的信息的处理和交换。2.按字复接按字复接n按字复接是每次复接各低次群的一个码字形成高次群。图4-9(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，一次高速将8位码取出，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信息的处理和交换。同步数字体系（SDH）大多采用这种方法。图图4-9按位复接与按字复接示意图按位复接与按字复接示意图4.5.3数字复接的同步数字复接的同步n数字复接要解决两个问题：同步和复接。n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PCM30/32路基群的数码率都是 ，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。nITU-T规定PCM30/32路的数码率为 ，即允许它们有 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。所以，数码率不同的低次群信号是不能直接复接的。n为此，在各低次群复接之前，必须使各低次群数码率互相同步，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。4.5.4数字复接的方法数字复接的方法1.同步复接同步复接n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，可直接进行复接。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，只限于局部地区使用。n同步复接虽然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，但为了满足在接收端分接的需要，还需插入一定数量的帧同步码；为了复接器、分接器的正常工作，还需加入对端告警码以及邻站监测和勤务联系等公务码，即需要码速变换。另外，复接前还要移相。码速变换和移相都通过缓冲存储器来完成n下面以一次群复接成二次群为例说明码速变换与恢复过程。n我 们 已 知 二 次 群 的 数 码 率 为 ，。码速变换是为了插入附加码留下空位，将码速 由 提高到 。可以算出，插入码元的支路子帧的长度为 。n可见，各支路每256位码中（即 内）应插入8位码，以按位复接为例，插入的码位均匀地分布在原码流中，即平均每 位码插入1位。接收端进行码速恢复，即去掉发送端插入的码元，将各支路速率由 还原成 。码速变换及恢复过程如图4-10所示。图图4-10码速变换及恢复过程码速变换及恢复过程n在复接端，一次群在写脉冲的控制下以 的速率写入缓冲存储器，而在读脉冲的控制下以 的速率从缓冲存储器中读出，显然处于慢写快读的状态。在图4-10(a)中，起点时刻 读出脉冲滞后 于 写入脉冲近一个码元周期读出，即留下一个空位。n由于读出速率高于写入速率，随着读出码位增多读出脉冲相位越来越接近写入脉冲，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还未写入即要读出的情况，这时，禁止读出脉冲禁读一个码元，也就是插入一个空位。此后下一个读出脉冲才从缓冲存储器读下一位码，这是读出脉冲与写入脉冲又差一个码元周期，如此循环下去，即构成了每32位码插入一个空位的 的数码流以供复接合成。n在 分 接 端（接收端），分 接 出 来 的 各 支路速率为 。在写脉冲的控制下，以 的速率将数码流写入缓冲存储器，在读脉冲的控制下 ，以 的速率读出，处于快写慢读状态。在起点，一写入1位码，便被读出。由于读出速率低于写入速率，随着码位增多读写相位差将越来越大，到该写第33位码时，读出脉冲才读到第32位.n假如照写，不加处理，存储器积存一位，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，写入时扣除了该处的一个写入脉冲，即写入脉冲每隔32位停写一次，到第33位时读写相位关系回到与起点处一致，如此循环下去，将 码流恢复成 的原支路码流。2异步复接异步复接n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全相同，因而先要进行码速调整，使各低次群获得同步，再复接。又称准同步复接。各低次群的标称数码率相等，允许有一定范围的偏差。n在 异 步 复 接 时，4个 一 次 群 的 标 称 数 码 率 都 是 ，各自使用自己的时钟源，并且允许有 的偏差，因此4个一次群的瞬时数码率各不相等。在复接前，需要将各一次群的速率由 左右统一调整成 ，这一过程称为码速调整。n码速调整技术分为正码速调整、正/负码速调整和正/零/负码速调整三种。其中正码速调整应用最普遍，下面讨论正码速调整。n这种方法就是人为地在各待复接的支路信号中插入一些脉冲，速率低的多插一些，速率高的少插一些，从而使这些支路信号在插入适当的脉冲之后，变为瞬时数码率完全一致的信号。调整结果 。在收端，分接器先把高次群总信码进行分接，再通过标志信号检出电路，检出标志信号，依据此信号，扣除插入脉冲，恢复出原支路信码。正码速调整及恢复过程如图4-11所示。图图4-11脉冲插入方式码速调整示意图脉冲插入方式码速调整示意图4.6 4.6 SDHSDH的基本概念的基本概念4.6.14.6.1准同步数字体系（准同步数字体系（PDHPDH）n国际上主要有两大系列的准同步数字体系，即PCM24路系统和PCM30/32路系统。北美和日本采用 作为第一级速率（即一次群）的PCM24路系统，且略有不同；欧洲各国和中国则采用 作为第一级速率的PCM30/32路系统。PDHPDH存在的问题：存在的问题：1.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。2.没有世界性的标准光接口规范。3.准同步系统的复用结构复杂，缺乏灵活性，上下业务费用高。4.复接方式大多采用按位复接，虽然节省了复接所需的缓冲存储器容量，但不利于以字节为单位的现代信息交换。5.复用信号的结构中用于网络运行、管理、维护（OAM）的比特很少。6.由于建立在点对点传输基础上的复用结构缺乏灵活性，使数字通道设备利用率很低。4.6.2 4.6.2 同步数字体系（同步数字体系（SDHSDH）1、SDH的概念nSDH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网的概念中包含以下几个要点：（1）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。（2）SDH网有一套标准化的信息结构等级，称为同步传递模块，并具有一种块状帧结构，允许安排丰富的开销比特（即比特流中除去信息净负荷后的剩余部分）用于网络的OAM。（3）SDH网有一套特殊的复用结构，允许现存准同步数字体系（PDH）、同步数字体系和B-ISDN的信号都能纳入其帧结构中传输，即具有兼容性和广泛的适应性。（4)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。（5）SDH网有标准的光接口。（6）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）和同步数字交叉连接设备（SDXC）等。2 2、SDHSDH的特点的特点nSDH的特点主要体现在如下几个方面：（1）全世界统一的数字信号速率和帧结构标准;（2）采用同步复用方式，具有灵活的复用结构。（3）SDH帧结构中安排了丰富的开销比特，因而使得0AM能力大大加强。（4）具有标准的光接口。（5）SDH与现有的PDH网络完全兼容。（6）以字节为单位复用。n上述特点中最核心的有三条：同步复用、标准光接口和强大的网络管理能力。4.6.3 4.6.3 SDHSDH的速率与帧结构的速率与帧结构1.1.网络节点接口网络节点接口n网络节点接口（NNI）是实现SDH网的关键。从概念上讲，网络节点接口是网络节点之间的接口，从实现上看它是传输设备与其它网络单元之间的接口。n如果能规范一个唯一的标准，它不受限于特定的传输媒质，也不局限于特定的网络节点，而能结合所有不同的传输设备和网络节点，构成一个统一的传输、复用、交叉连接和交换接口，则这个NNI对于网络的演变和发展具有很强的适应性和灵活性，并最终成为一个电信网的基础设施。NNI在网络中的位置如图4-12所示。图图4-12 4-12 NNINNI在网络中的位置在网络中的位置2.2.同步数字体系的速率同步数字体系的速率n同步数字体系最基本的模块信号（即同步传递模块）是STM-1，其速率为。更高等级的STM-N信号是将基本模块信号STM-1同步复用、字节间插的结果。其中N是正整数。目前SDH只能支持一定的N值，即N为1、4、16、64。表表4-2 4-2 SDHSDH标准速率标准速率2.2.SDHSDH帧结构帧结构nSDH帧结构必须适应同步数字复用、交叉连接和交换的功能，同时也希望支路信号在一帧中均匀分布、有规律，以便接入和取出。ITU-T最终采纳了一种以字节为单位的矩形块状（或称页状）帧结构，如图4-13所示。图图 4-13 4-13 SDHSDH帧结构帧结构 nSTM-N由 列行组成，即帧长度为 个字节或 。帧周期为 (即一帧的时间)。n对于STM-1而言，帧长度为 ，相当于 ，帧周期为 ，由此可算出其速率为。）段开销（段开销（SOHSOH）区域区域n段开销（ection verhead）是指STM帧结构中为了保证信息净负荷正常、灵活传送所必需的附加字节，是供网络运行、管理和维护（OAM）使用的字节。2）净负荷（Pay1oad）区域n信息净负荷区域是帧结构中存放各种信息负载的地方，图4-13之中横向第 ，纵向第1行到第9行的 个字节都属此区域。3）管理单元指针（AU-PTR）区域n管理单元指针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地分解。第五章数字信号的传输第五章数字信号的传输5.1 5.1 数字基带信号的传输码型数字基带信号的传输码型n在PCM通信中，经抽样、量化、编码已获得数字信号，但从信源或编码器输出的码型都是单极性的二元码序列，为使该数字信号更适合在信道上传输，还需进行码型变换(线路编码)，使其具有时钟分量等特性，接收端易于同步接收发送端送来的数码流，并且还能根据码型变换形成的规律性自动进行检错和纠错。5.1.1 5.1.1 对基带传输码型的要求对基带传输码型的要求n适合于基带传输的传输码型应满足以下几个要求：1传输码型频谱中直流分量应为零，同时低频分量应尽量小2传输码型频谱中高频分量应尽量少3 便于从传输码型中提取定时时钟分量4 传输码型应具有一定的误码自检能力5 码型变换过程对信源统计依赖性最小(即对信源具有透明性)6 传输码型经信道传输后的码间干扰应尽量小7码型变换设备简单、易于实现。5.1.2 5.1.2 常见的传输码型常见的传输码型1.1.单极性不归零码（即单极性不归零码（即NRZNRZ码）码）nA/D变换器输出的就是NRZ码，为二元码。编码规则为：“1”用高电平表示，“0”用低电平表示，或反之，占空比TB为100%（俗称不归零）。其码型及其功率谱如图5-1所示。图图 5-1单极性不归零码及其功率谱单极性不归零码及其功率谱n由图可见，单极性不归零码有如下缺点：有直流成分，低频成分大 无主时钟频率 成分，提取时钟 困难 无自动误码检测能力，因传输码型无规律 码间干扰比较大，因占空比为100%，经传输后码元的拖尾比较长 不能限制长连“1”和“0”个数，因码序列中“1”和“0”出现的概率是随机的，出现的多少完全取决于信源幅度的变化规律，长串“1”和“0”的出现是不可避免的综上所述，单极性NRZ码不符合要求，它不适合在电缆信道中传输。2.2.单极性归零码（即单极性归零码（即RZRZ码）码）RZ码的占空比TB为50%（俗称归零），也为二元码。其码型及功率谱如图5-2所示。图图 5-2单极性归零码及其功率谱单极性归零码及其功率谱nRZ码与NRZ码相比，成分不为零，经传输后的码间干扰小，其它缺点仍然存在。所以单极性归零码也不适合在电缆信道中传输。但由于NRZ和RZ码型简单，电路容易实现，一般可在设备内使用。3.3.双极性不归零码和双极性归零码双极性不归零码和双极性归零码n在这种二元码中用正电平和负电平（即双极性）分别表示“l”和“0”，与单极性不归零码相同的是整个码元期间电平保持不变，因而在这种码型中不存在零电平。不难看出还应当存在一种双极性归零码，它兼有双极性和归零的特点。但由于它的幅度取值存在三种电平，因此我们将它归入三元码。4.4.差分码差分码(NRZ(M)NRZ(M)和和NRZ(S)NRZ(S)码码)n在差分码中，“l”和“0”分别用电平跳变或不变来表示。若用电平跳变来表示“1”，则称为传号差分码（在电报通信中常把“l”称为传号，把“0”称为空号）。若用电平跳变来表示“0”，则称为空号差分码。设二进制信号为110101，图5-3分别画出对应的传号差分码和空号差分码，通常分别记作NRZ（M）和NRZ（S）。图图5-3 5-3 传号差分码和空号差分码传号差分码和空号差分码n差分码并未解决前述三种二元码所存在的问题。但由于它的电平与信码“l”、“0”不存在绝对的对应关系，而是用电平的相对变化来传输信息，因此，它可以用来解决相位键控同步解调时因接收端本地载波相位倒置而引起的信息“1”、“0”倒换问题，所以得到广泛应用。由于差分码中电平只具有相对意义，因而又称为相对码。5.5.传号交替反转码（传号交替反转码（AMIAMI码）码）nAMI码的编码规则是：二进码序列中的“0”码仍编为“0”码，而二进码序列中的“1”码则交替地变为