第8章-多路复用与数字复接

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,8.1 频分多路复用（FDM）原理,8.2 时分多路复用（TDM）原理,8.3 准同步数字体系（PDH）,8.4 同步数字体系（SDH）,第 8章 多路复用与数字复接,返回主目录,8.1 频分多路复用(FDM)原理,频分多路复用有直接法和复级法之分，主要用于,模拟通信,。,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。,8.1.1 直接法FDM,复用路数不是很大时，采用,直接法,图8-1 直接法FDM系统原理框图,图8-1 直接法FDM系统频谱图,：副载波频率之间的间隔。,：消息信号的频谱。,：邻路间隔保护频带。,总信号,f,s,(t),直接在信道中传输所需的,最小带宽,为,频分多路复用就是利用各路信号在频率域上的互不重叠来区分的，复用路数的多少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。,优点：,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；多用于模拟通信系统中。,缺点：,设备庞大、复杂，路间不可避免地会出现干扰。,8.1.2 复级法FDM,复用路数很大时，采用,复级法,图8-2 复级法FDM系统原理框图,图8-2 复级法FDM系统频谱图,直接法 复级法,最大容量N：,(m+n) (m+n),载波数：,mn (m+n),调制器：,mn (mn+m),图8-3 多路载波电路系统的组成及频谱结构图,8.2 时分多路复用(TDM)原理,主要用于模拟信号的数字传输或数字基带信号的多路传输。,8.2.1,TDM基本原理,时分复用是利用各信号的抽样值在时间上不相互重叠来达到在同一信道中传输多路信号的一种方法。,两个基带信号时分复用原理,图中，对m,1,(t)和m,2,(t)按相同的时间周期进行采样，只要采样脉冲宽度足够窄，在两个采样值之间就会留有一定的时间空隙。,图8-6 TDM系统框图,图8-6 TDM系统波形图,8.2.2 TDM信号的,带宽及相关问题,1、,抽样频率,f,s,、抽样脉冲宽度,和复用路数N的关系,(保护时间抽样脉冲宽度相等时),2、,信号带宽B与路数N的关系,从传输主要能量的观点考虑：,从传输抽样脉冲序列包络的观点考虑：,根据抽样定理，一个频带限制在,f,m,的信号，只要有2,f,m,个独立的信息抽样值，就可以用带宽,B=f,m,的低通滤波器恢复出原始信号。N个频带都为,f,m,的复用信号，它们独立对应的值为,2Nf,m,=Nf,s,。因此传输带宽必须满足,对于TDM信号，应注意,1、时分复用后得到的总和信号仍为基带信号，只不过总和信号的脉冲速率是单路抽样信号的N倍，,即,f = Nf,s,2、在TDM系统中，发送端的转换开关与接收端的分路开关必须严格同步，否则系统会出现紊乱。,8.2.3 TDM与FDM的比较,1、,关于复用原理,在FDM系统中，各信号在频域上是分开的而在时域上是混叠在一起的；在TDM系统中，各信号在时域上是分开的，而在频域上是混叠在一起的。,2、,关于设备复杂性,复用部分FDM设备相对TDM设备简单。分路部分，TDM多路信号的复接和分路都是采用数字处理方式实现的，通用性和一致性好，比FDM的模拟滤波器分路简单、可靠。 ,图,8-7,FDM,与,TDM,各路信号在频谱和时间上的特性比较,3、,关于信号间干扰,信道的非线性会在FDM系统中产生交调失真和高次谐波，引起路间串话，因此，要求信道的线性特性要好, 而TDM系统对信道的非线性失真要求可降低。,2、,关于传输带宽,两种系统的带宽一样，N路复用时对信道带宽的要求都是单路的N倍。 ,8.2.4 时分复用的PCM通信系统,图,8-8,T,DM-PCM方框图,TDM-PCM的信号代码在每一个抽样周期内有,Nk,个，,N,为路数，,k,为每个抽样值编码时的编码位数。因此码元速率为,Nkf,s,=2Nkf,m,(Baud),。实际应用带宽为,B=Nkf,s,8.2.5 PCM 30/32路典型终端设备,目前国际上推荐的PCM基群有两种标准，即PCM30/32路(A律压扩特性)制式和PCM24路(律压扩特性)制式。并规定，国际通信时，以A律压扩特性为标准。 我国也规定采用PCM30/32路制式。,PCM30/32路制式基群帧结构共由,32,路组成，其中,30,路用来传输用户话语，,2,路用作勤务。每路话音信号抽样速率,f,s,=8000Hz,，故对应的每帧时间间隔为,125,s,。一帧共有,32,个时间间隔，称为时隙，每个时隙为,125/32=3.9,s,。各个时隙从0到31顺序编号，分别记作TS0，TSl，TS2， ，TS31。每个抽样值的编码位数,k,=8,。一帧包含,32,8=,256,个码元，总数码率为,8,328000=2048kb/s。,图 8- 9PCM30/32路制式基群帧结构,其中，TS1至TS15和TS17至TS31这30个路时隙用来传送30路电话信号的8位编码码组，TS0分配给帧同步，TS16专用于传送话路信令。每个路时隙包含,8,位码，一帧共包含,256,个比特。信息传输速率为,f,b,=8000(30+2)8=2.048Mb/s,每比特时间宽度为,每路时隙时间宽度为 ,l,=8,b,3.91s,帧同步码组为X0011011，它插入在,偶数帧,的TS0时隙，其中第一位码“X”保留作国际电话间通信用。接收端识别出帧同步码组后，即可建立正确的路序。,TS16为信令时隙，插入各话路的信令。在传送话路信令时，若将TS16所包含的总比特率集中起来使用，则称为,共路信令传送,；若将TS16按规定的时间顺序分配给各个话路，直接传送各话路所需的信令，则称为,随路信令传送,。 ,当采用共路信令传送方式时，必须将16个帧构成一个更大的帧，称为,复帧,。复帧的重复频率为500Hz，周期为2ms，复帧中各帧顺次编号为F,0,，F,1,， ， F,15,。 ,PCM24路制式基群帧结构,PCM24路制式基群帧结构如下图所示，由24路组成。 每路话音信号抽样速率,fs=8000Hz,，每帧时间间隔为,125s,。 一帧共有,24,个时隙。,各个时隙从0到23顺序编号，分别记作TS0，TS1，TS2， ， TS23，这24个路时隙用来传送24路电话信号的8位编码码组。为了提供帧同步，在TS23路时隙后插入1比特帧同步位(第193比特)。这样，每帧时间间隔,125s,，共包含,193,个比特。,信息传输速率为,f,b,=8000(248+1)=1.544Mb/s,每比特时间宽度为,每路时隙时间宽度为,PCM24路制式与PCM30/32路制式的帧结构不同，12帧构成一个复帧，复帧周期为,1.5 ms,。12帧中奇数帧的第193比特构成,101010,帧同步码组。而偶数帧的第193比特构成,复帧同步码000111,。这种帧结构同步建立时间要比PCM30/32帧结构长。,8,.3准同步数字体系（PDH）,在数字通信系统中，为了扩大传输容量，通常将若干个低等级的支路比特流汇集成一个高等级的比特流在信道中传输。这种将若干个低等级的支路比特流合成为高等级比特流的过程称为,数字复接,。完成复接功能的设备称为数字复接器。在接收端，需要将复合数字信号分离成各支路信号，该过程称为,数字分接,，完成分接功能的设备称为数字分接器。,数字复接的概念和方法,图8-12 数字复接系统方框图,根据复接器输入端的各支路信号与本机定时信号是否同步，可分为：,1、同步复接器,2、异步复接器,3、,准同步,复接器：两个信号的标称速率相同，但实际有一个很小的容差。,8,.3.2同步复接与异步复接,1、同步复接：用一个高稳定的主时钟控制被复接的几个低次群，使这几个低次群的数码率统一在主时钟的频率上，可直接复接。,2、异步复接：使用码速调整。分为,1）,正码速调整,2）正/负码速调整,3）正/零/负码速调整,正码速调整复接器,以二次群复接为例，分析其工作原理。根据ITU-T G.742建议，二次群由4个一次群合成，一次群码率为,2.048 Mb/s,，二次群码率为,8.448 Mb/s,。 二次群每一帧共有848个比特，分成四组，每组,212,比特，称为子帧，子帧码率为,2.112,Mb/s。也就是说，通过正码速调整，使输入码率为2.048 Mb/s的一次群码率调整为2.112 Mb/s。然后将四个支路合并为二次群，码率为8.448 Mb/s。采用正码速调整的二次群复接子帧结构如下图所示。 ,8-13 二次群异步复接子帧结构,由子帧结构可知，212比特中有,3,比特用于,帧同步和管理控制,，,3,比特用于,码速调整控制标志,。而真正用于码速调整的只有第,161,比特,码速调整插入比特,。由此可见，码速调整插入比特只有一部分时间传输插入比特，还有一部分时间需要传输支路信息。,由子帧结构可以看出，一个子帧有212个比特，分为四组，每组53个比特。第一组中的前3个比特F,11,、F,12,、F,13,用于,帧同步和管理控制,，然后是50比特,信息,。第二、三、四组中的第一个比特C,11,、C,12,、C,13,为,码速调整标志比特,。第四组的第2比特(本子帧第161比特) V,1,为,码速调整插入比特,，其作用是调整基群码速，使其瞬时码率保持一致并和复接器主时钟相适应。,具体调整方法是：在第一组结束时刻进行是否需要调整的判决，若需要进行调整，则在V,1,位置插入,调整比特,；若不需要调整，则V,1,位置,传输信息比特,。为了区分V,1,位置是插入调整比特还是传输信息比特，用码速调整标志比特C,11,、C,12,、C,13,来标志。若V,1,位置插入调整比特，则在C,11,、C,12,、C,13,位置插入3个“1”； 若V,1,位置传输信息比特，则在C,11,、C,12,、C,13,位置插入3个“0”。 ,在分接器中，除了需要对各支路信号分路外，还要根据C,11,、C,12,、C,13,的状态将插入的调整比特扣除。若C,11,、C,12,、C,13,为,“111”,，则V,1,位置插入的是调整比特，需要扣除；若C,11,、C,12,、C,13,为,“000”,，则V,1,位置是传输信息比特，不需要扣除。采用3位码,“111”,和,“000”,来表示两种状态，具有一位纠错能力，从而提高了对V,1,性质识别的可靠性。二次群复接帧结构有以下主要参数。,1. 支路子帧插入比特数m,s,二次群输入四路基群码率为,2.048 Mb/s,，经码速调整后支路码率达到,2.112 b/s,。因此，需要插入,64 kb/s,才能达到标称支路码率。支路子帧长为,212,比特，传输一帧所需时间为,212/211200 (s),，则在212个比特内应插入的比特数为,2.,帧频Fs,帧频是指每秒传输的帧数。二次群标称码率为,8.448Mb/s,，帧长为,848,比特，则有,F,s,=,3.,帧周期Ts,帧周期为帧频的倒数，即,T,s,=,4.,标称插入速率f,s,标称插入速率也称为码速调整频率，它是指支路每秒插入的调整比特数。,调整后的支路码率为,2.112Mb/s,，其中包括输入基群码率,2.048Mb/s,以及复接支路中每秒所传输的开销比特和调整比特。由子帧结构可知，每支路每帧有,6,比特开销，因此每支路每秒插入的开销比特数为,6,F,s,。所以标称插入速率为,f,s,=支路标称码率-标称基群码率,-,6帧频,=2112 2048,-,69.962 = 4.228 kb/s,5.,码速调整率 S,码速调整率为标称插入速率与帧频的比值， 即,其物理意义为: 42.4%的帧有插入调整比特，即第161比特为插入码速调整比特；57.6%的帧没有插入调整比特，即第161比特为支路信息比特。,8-14 正码速调整原理,8.3.3 PCM高次群,我国和一些欧洲国家采用30/32路系列，由30路PCM用户话复用成一次群，传输速率为,2.048 Mb/s。,图8-15 PCM30/32路系列数字复接的结构图,PDH系统的,缺点,： 1）不存在世界性标准的数字信号速率和帧结构标准 2）不存在世界性的标准光接口规范，无法在光路上实现互通和调配电路。 3）复接方式大多彩按位复接，不得于以字节为单位的现代信息交换。 4）准同步系统的复用结构复杂，缺乏灵活性，硬件数量大，业务费用高。 5）复用结构中用于网络运行、管理和维护的比特很少。,SDH是由一些网络单元(例如终端复用器TM、分插复用器ADM、同步数字交叉连接设备SDXC等)组成的，在光纤上进行同步信息传输、复用和交叉连接的网络，其关键是：,(1)具有全世界统一的网络节点接口(NNI)；,(2)有一套标准化的信息结构等级，称为同步传输模块(STM-1、STM-4、STM16和STM-64)；,(3)帧结构为页面式，具有丰富的用于维护管理的比特；,8.4 同步数字体系（SDH）,(4)所有网络单元都有标准光接口；,(5)有一套灵活的复用结构和指针调整技术，允许现有的准同步数字体系、同步数字体系和B-ISDN信号都能进入其帧结构，因而具有广泛的适应性；,(6)大量采用软件进行网络配置和控制，使得功能开发、性能改变较为方便，以适应将来发展需要。,为了比较PDH和SDH，这里以从140Mb/s码源中分插一个2Mb/s支路信号的任务为例来加以说明，其工作过程如图,8-16,所示。,图,8-16,分插信号流图的比较,SDH传送网所传输的信号由不同等级的同步传送模块(STM-N)信号所组成，,N,为正整数。ITU-T目前已规定的SDH同步传输模块以STM-1为基础，接口速率为,155.520 Mb/s,。更高的速率以整数倍增加，为,155.52N Mb/s,，它的分级阶数为,STM-N,，是将N个STM-1同步复用而成。,8.4.2 SDH的速率和帧结构,表8-2 SDH标准速率,下表给出了ITU-T建议G.707所规范的SDH接口速率标准。,图8-17 STM-N帧结构,STM-N帧结构由,再生段开销,(RSOH)、,管理单元指针,(AU-PTR)、,复用段开销,(MSOH)和,信息净荷,(Pay load)几部分组成。每一帧都是,9行270N,列，每列宽度为一个字节(,8,比特)。帧周期为,125s,。,图8-17 STM-1的帧结构,信息的发送是先,从左到右，再从上到下,。每字节内的权值最高位在最左边，称比特1，它总是第一个发送。,在STM-1中，放净荷的区域叫做虚容器VC-4，它是一种块状信息结构，重复周期为 125 s。 VC-4在SDH设备中是常用的信息处理模块。从网络功能来看，它用来支持SDH的通路层连接。类似于STM-N模块，包括VC-4在内的所有VC-n均由它自身的净荷及通路开销(POH)组成。,8.4.3 同步复用与映射方法,SDH复用的基本原则是将多个低等级信号适配进高等级通道，并将1个或多个高等级通道层信号适配进线路复用层。SDH是一种同步复用方式，它采用净负荷指针技术，指针指示净负荷在STM-N帧内第一个字节的位置，因而净负荷在STM-N帧内是浮动的。对于净负荷码率变化不大的数据，只需增加或减小指针值即可。这种方法结合了正码速调整法和固定位置映射法的优点，付出的代价是需要对指针进行处理。,图8-18 SDH的一般复接结构,SDH的复接结构如下图所示。所用的复用单元有：n阶容器C-n、n阶虚容器VC-n、n阶支路单元TU-和支路单元组TU-n、n阶管理单元AU-n和管理单元组AUG-n，n数值的大小表明阶位的高低。,首先，各种速率等级的数据流先进入相应的不同接口容器C-n。容器C-n是一种信息结构，主要完成适配功能，让那些最常使用的准同步数字体系信号能够进入有限数目的标准容器。它为对应等级的虚容器VC-n形成相应的网络同步信息净负荷。, 由标准容器出来的数据流加上通道开销后就构成了所谓的虚容器VC-n，这是SDH中最重要的一种信息结构，主要支持通道层连接。通道层又有低阶通道和高阶通道之分，高阶通道由低阶通道复用而成或直接由VC-4(VC-3)形成。,VC的包封速率是与网络同步的，因而不同VC的包封是互相同步的，而包封内部却允许装载各种不同容量的准同步支路信号。除了在VC的组合点和分解点外，VC在SDH网中传输时总是保持完整不变，因而可以作为一个独立的实体在通道中任一点取出或插入，进行同步复用和交叉连接处理，十分方便和灵活。由VC出来的数据流再按图10-17规定路线进入管理单元或支路单元。,管理单元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AU-PTR组成。其中AU PTR用来指明高阶VC(VC-3/4)的帧起点与复用段帧起点之间的时间差，但AU-PTR本身在STM-N帧内位置是固定的。一个或多个在STM帧中占有固定位置的AU组成管理单元组AUG，它由若干个AU-3或单个AU-4按字节间插方式均匀组成。单个AUG与段开销SOH一起形成一个STM-1，N个AUG与SOH结合即构成STM-N。,TU-n是一种为低阶通道层与高阶通道层提供适配功能的信息结构，它由低阶虚容器 (VC-1/2)和支路单元指针(TU PTR)组成。,一个或多个在高阶VC-n净负荷中占有固定位置的TU组成支路单元组TUG，共有TUG-2和TUG-3两种。它们使得由不同容量的TU-n构成的混合净荷容量可以为传送网络提供尽可能多的灵活性。由上图可知，一个TU-2或几个同样的TU-12复用在一起组成一个TUG-2，一个TU-3或几个TUG-2复用在一起组成一个TUG-3。,在AU和TU中要进行速率调整，因而低一级数据流在高一级数据流中的起始位置是浮动的。为了准确地确定起始点的位置，设置AU PTR和TU PTR分别对高阶VC在相应AU帧内的位置以及VC-1，2，3在相应TU帧内的位置进行灵活动态的定位。最后，在N个AUG的基础上再附加段开销SOH便形成了最终的STM-N帧结构。 ,同步复用和映射方法,是SDH最有特色的特点之一，它使数字复用由PDH的僵硬的大量硬件配置转变为灵活的软件配置，由于SDH的诸多优点，它将逐步取代PDH设备。,小 结,要点：,1、频分多路复用与时分多路复用的带宽计算及其,特点；,2、PCM30/32路系统与PCM24路系统的帧结构,（抽样频率、帧周期、码元速率、时隙宽度等）,3、数字复接器的组成、复接器的三种类型、三种,不同的码速调整；,作业： 8-14 8-16,