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时分复用光纤通信系统—SDH光纤通信系统

       拼命争取成功,但不要期望一定会成功。—法拉第(M.Farady)
        同步数字制式(SDH)光纤传输系统可以说是电时分复用的一种最典型应用。
一、时分复用工作原理
同步数字制式(SDH)光纤传输
       时分复用是采用交错排列多路低速模拟或数字信道到一个高速信道上传输的技术。
       时分复用系统的输入可以是模拟信号,也可以是数字信号。目前时分复用通信方式的输入信号多为数字比特流,所以,本书只讨论数字信号时分复用。
       如果输入的是模拟信号,则需将模拟信号转变为数字信号,其转变的原理是,利用脉冲编码调制方法,将语音模拟信号取样、量化和编码,使之转变为数字信号。为了实现TDM传输,要把传输时间按帧划分,每帧125μs,帧又分为若干个时隙,在每个时隙内传输一路信号的1个字节(8bit),当每路信号都传输完1个字节后就构成1帧,然后再从头开始传输每一路的另1个字节,以便构成另1帧。也就是说,它将若干个原始的脉冲调制信号在时间上进行交错排列,从而形成一个复合脉冲串,如图9.3.1b所示,该脉冲串经光纤信道传输后到达接收端。在接收端,采用一个与发送端同步的类似于旋转式开关的器件,完成TDM多路脉冲流的分离。
       图9.3.1a为32路数字信道(E1)时分复用系统的原理图。首先,同步或异步数字比特流送入输入缓存器,在这里被接收并存储。然后一个类似于旋转式开关的器件以8000转/秒(即fs=8kHz/s)的速率轮流地读取N个输入数字信道缓存器中的1字节数据,其目的是实现每路数据流与复用器取样速率的同步和定时。同时,帧缓存器按顺序记录并存储每路输入缓存器数据字节通过的时间,从而构成数据帧。N个信道复用后的帧结构如图9.3.1b所示。
数字输入时分复用原理图
图9.3.1数字输入时分复用原理图
a)32路数字信道(E1)时分复用系统原理图b)N个信道复用后的帧结构
       语音信号的频带为300~3400Hz,取上限频率为4000Hz,按取样定理,取样频率为fs=2×4kHz=8kHz(即每秒取样8000次)。取样时间间隔T=1/fs=1s/8000=125μs,即帧长为125μs。在125μs时间间隔内要传输8个二进制代码(比特),每个代码所占时间为Tb=125/8(μs),所以每路数字电话的传输速率为B=1/Tb=8×106/125=64(kbit/s)(或者8bit/每次取样×8000次/每秒取样)。按照国际电联的建议,把1帧分为32个时隙,其中30个时隙用于传输30路PCM电话,另外2个时隙分别用于帧同步和信令/复帧同步,则传输速率为64kbit/s ×32=2048kbit/s(也就是8bit/每个取样值×32个取样值/每次×8000次/每秒)。这一速率就是我国PCM通信制式的基础速率。
       当每个信道的数据(通常是一个8bit字节)依次插入帧时隙时,由于信道速率较低,而复用器取样速率较高,有可能出现没有数据字节来填充帧时隙的情况,此时可用一些空隙字节来填充,在接收端把它们提取出来丢弃。在帧一级,也要插入一些定时和开销比特,其目的是使解复用器与复用器同步。为了检测误码并满足监控系统的需要,也插入另外一些比特。这些填充比特、同步比特、误码检测和开销比特在图9.3.1中用帧开销(FOH)时隙表示。
        为了在光纤中传输,要对已形成的串联比特流编码(见9.1.2节)。在接收端,接收转换开关要与发送转换开关帧同步,恢复定时信号,解码并转换成双极非归零脉冲波形。该信号被送入接收缓冲器,同时也检出控制和误码信号。然后把存储的帧信号依次地从接收缓冲器取出,每路字节信号分配到各自的输出缓冲器和解同步器。输出缓冲器存储信道字节并以适当的信道速率依次提供与输入比特流速率相同的输出信号,从而完成时分解复用的功能。
二、SDH帧结构和传输速率
 
        在SDH传输网中,信息采用标准化的模块结构,即同步传送模块STM-N(N=1、4、16、64和256),其中N=1是基本的标准模块。
        SDH帧结构是块状帧,如图9.3.2所示,它由横向270×N列和纵向9行字节(1字节为8比特)组成,因而全帧由2430个字节,相当于19440个比特组成,帧重复周期仍为125μs。字节传输由左到右按行进行,首先由图中左上角第1个字节开始,从左到右,由上而下按顺序传送,直至整个9×270×N字节都传送完为止,然后再转入下一帧,如此一帧一帧地传送,每秒共8000帧。因此对于STM-1而言(N=1),每秒传送速率为(8比特/字节×9×270字节)/帧×8000帧/秒=155.52Mbit/s;对于STM-4而言(N=4),每秒传送速率为8×9×270×4×8000=622.08(Mbit/s);对于STM-16而言(N=16),每秒传送速率为8×9×270×16×8000=2480.32Mbit/s。
时分复用光纤通信系统——SDH光纤通信系统(图3)
图9.3.2STM-N帧结构
        由图9.3.2可知,整个帧结构大体可以分为三个区域,即段开销域、管理指针域和净荷域,现分别叙述如下。
        段开销域,它是指在STM帧结构中,为了保证信息正常灵活传送所必需的附加字节,主要是些维护管理字节。对于STM-1,帧结构中左边9列×8行(除去第4行)共72B(576bit)均可用于段开销。由于每秒传8000帧,因此共有4.608Mbit/s可用于维护管理。
        管理指针域,它是一种指示符,主要用来指示净荷的第1个字节在STM-N帧内的准确位置,以便接收端正确地分解。图9.3.2中第4行的第9个字节是保留给指针用的。指针的采用可以保证在PDH环境中完成复用、同步和帧定位,消除了常规PDH系统中滑动缓冲器所引起的延时和性能损伤。
        信号净荷域,它是用于存放各种信息业务容量的地方。对于STM-1,图9.3.2中右边261列9行共2349B都属于净荷域。在净负荷中,还包含通道开销字节,它是用于通道性能监视、控制、维护和管理的开销比特。
三、 复用映射结构
       为了得到标准的STM-N传送模块,必须采取有效的方法将各种支路信号装入SDH帧结构的净荷域内,为此,需要经过映射、定位校准和复用这三个步骤。图9.3.3为ITU-T规范的复用映射结构。
适用于我国的SDH基本复用映射结构
图9.3.3适用于我国的SDH基本复用映射结构
       首先,各种速率等级的数字信号先进入相应的不同接口容器C,针对现有系统常用的准同步数字体系(PDH)信号速率,G.709规定了五种标准容器,但适用于我国的只有C-4、C-3和C-12,这些容器是一种信息结构,主要完成适配功能。
        由标准容器出来的数字流加上通道开销比特后,构成SDH中的虚容器(VC),在VC包封内,允许装载不同速率的准同步支路信号,而整个包封是与网络同步的,因此,常将VC包封作为一个独立的实体对
待,可以在通道中任一点取出或插入,给SDH网中传输、同步复用和交叉连接等过程带来了便利。
        由VC出来的数字流进入管理单元(AU)或支路单元(TU),其中AU是一种为高阶通道层和复用段层提供适配功能的信息结构,它由高阶VC和管理单元指针(AUPTR)组成。一个或多个在STM帧内占有固定位置的AU,组成支路单元组(AUG);同理,TU是一种为低阶通道层和高阶通道层提供适配功能的信息结构,它由低阶VC和支路单元指针(TUPTR)组成。一个或多个在高阶VC净荷中占有固定位置的TU组成支路单元组(TUG)。最后,在N个AUG的基础上再加上段开销(SOH)比特,就构成了最终的STM-N帧结构。
        图9.3.4表示SDH的等级复用原理,首先几个低比特率信号复用成STM-0信号,接着3个STM-0信号复用成STM-1信号,几个低比特率信号也可以直接复用成STM-1信号。然后4个STM-1信号复用成STM-4信号,以此复用下去,最后4个STM-64信号复用成STM-256(39813.12Mbit/s)信号。
SDH的等级复用b
图9.3.4 SDH的等级复用