第1章SDH基本原理
1.1 通信网简介
1.1.1 通信网的概念与分类
通信网的划分方法很多按照所能实现的业务种类不同通信网可以划分为电话通信网计算机通信网数据通信网广播电视网以及综合业务数字网按照网络所服务的范围不同
通信网可以划分为本地网长途网及国际网按照传输介质不同通信网可以划分为微波通信网光纤通信网及无线通信网等按照拓扑结构形式不同通信网可以划分为线形环形星形网形和复合形五种基本结构形式 1.1.2 通信网的基本要素
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通信网的基本构成要素是终端设备传输链路转接交换设备及接入部分
1.1.3 通信网的发展方向
现代通信网正在加速采用以计算机为基础的各种智能终端技术和数据库技术向着数字化综合化宽带化智
能化和个人化方向发展
1.2 PCM30/32系统介绍
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多路复用技术作为提高线路利用率的主要手段目前主要包括频分复用FDM时
分复用TDM和码分复用CDM
频分复用系统中每路终端信号占用不同的频率段时分复用系统中每路终端信号占用不同的时间段码分复用系统中每路终端信号使用不同的随机码序列 1.2.2 语音信号的数字化
对于时间上连续的模拟语音信号要实现时分复用就要先将模拟信号转换为时间上离散的信号即模拟信号数字化PCM Pulse Code Modulation脉冲编码调制是一种常用的模拟信号数字化技术如图1-1所示
接收端数模转换
发送端(模数转换信 道
模拟信号
图1-1 PCM 系统的方框图 如图
1-1所示PCM
通信系统由三部分组成1发送端包括低通滤波
抽样量化和编码即模数变换2信道部分包括传输线路和再生中继3接收端包括信号再生和数模变换而数模变换又包括解码和低通滤波 PCM 基本单元完成的信号处理过程如下 1抽样所谓抽样就是每隔一定的时间间隔T
抽取模拟信号的一个瞬时浮动值抽样值抽样后所得的一系列在时间上离散的抽样值称为抽样值序列根据奈奎斯特抽样定理只要抽样脉冲的时间间隔
T 1/2f m 即抽样频率f s 2f m f m 是模拟信号的最高频率则抽样后的样值序列可以不失真地还原成原来的模拟信号
2量化量化是将幅度连续的抽样值通过相应的办法变换为幅度离散的样值序列这样就能用有限位的二进制数字来表示信号的幅度 3编码和解码编码是将抽样并量化后的信号幅度值变换成一组二进制码元解码是将一组二进制码元还原成相应信号幅度的量化值社会科学辑刊
1.2.3 P CM30/32系统 根据ITU-T 建议话音信号300Hz 3400Hz 的抽样频率为8kHz 抽样值量化级数为256抽样值编码位数为8所以单路话音PCM 信号的传输速率为88k=64kbit/s
对于PCM 基一次目前国际上有两种复用制式30/32路帧结构和24路帧结构我国采用的是30/32路帧结构即每一帧占125µs 分为32个时隙但只传送30路话音信息一次复用后的基复用速率为3264kbit/s=2048kbit/s=2.048Mbit/s 也就是我们常说的E1用它可组成高次也可独立使用 1.3 光纤通信概述
光纤即光导纤维的简称光纤通信是以光信号为载体光导纤维为传输介质的一种通信方式由于光纤通信具有传输频带宽通信容量大损耗低不受电磁干扰等一系列优点光纤通信技术近年来得到飞速发展
1.3.1 光纤通信的三个低损耗窗口
光波是人类最熟悉的电磁波其波长在微米级频率为1014Hz 1015Hz 数量级目前光纤通信使用的波长范围在近红外区即波长为0.8µm 1.8µm
目前光纤通信所采用的三个实用的波长为0.8µm 1.31µm 和1.55µm 而0.8µm 1.31µm
和1.55µm左右则是光纤通信中常用的三个低损耗窗口0.8µm短波长窗口是最早发现的因为首先研制成功的半导体激光器GaAlAs的发射波长刚好在这一区域随着对光
纤损耗机理的深入研究人们发现在长波长1.31µm和1.55µm处光纤的传输损耗更小因此长波长光纤通信受到重视并得到非常迅速的发展
1.3.2 光纤的结构
目前通信用的光纤是用石英玻璃SiO 2制成的横截面很小的双层同心圆柱体未经涂覆和套塑时称为裸光
纤如图1-3所示裸光纤由纤芯和包层组成折射率高的中心部分叫做纤芯其折射率为n1直径为2a折射率低的中心部分叫做包层其折射率为n2直径为2b根据在光纤中传输的光信号的波长和模式的不同a与b具有不同的值
图1-3 裸光纤剖面结构示意图
1.3.3 光纤的分类
光纤可以根据构成光纤的材料成分制造方法传输模数横截面上的折射率分布以及工作波长进行分类对目前通信上所采用的石英系光纤常从以下两方面来分类1按照折射率分布不同来分
1均匀光纤光纤纤芯的折射率n 1和包层的折射率n2都为常数且n1>n2在纤芯和包层的交界处折射率呈阶梯型变化这种光纤称为均匀光纤
不可知论
2非均匀光纤光纤纤芯的折射率n 1随着半径的增加而按一定规律减小到纤芯与包层交界处为包层的折射率n2这种光纤称为非均匀光纤
2按照传输模式数量来分
所谓模式实质上是电磁场的一种分布形式模式不同其电磁场的分布形式也不同根据光纤中传输模式数量来分可分为单模光纤和多模光纤
1单模光纤SM单模光纤的纤芯直径很小约为4µm10µm理论上只传输一
种模式由于单模光纤只传输主模从而完全避免了模式散使得这种光纤的传输频带很宽传输容量很大适用于大容量长距离的光纤通信
2多模光纤MM在一定的工作波长下当有多个模式在光纤中传输时则这种
光纤称为多模光纤多模光纤的纤芯直径一般为50µm75µm包层直径为100µm200µm 这种光纤的传输性能较差带宽比较窄传输容量也比较小
由于单模光纤具有带宽大易于升级扩容和成本低的优点国际上已一致认为同步光缆
数字传输系统只使用单模光纤作为传输媒质在3个光传输窗口中850nm窗口只用于多模传输1310nm和1550nm两个窗口用于单模传输
光信号在光纤中的传输距离要受到散和损耗双重影响散会使在光纤中传输的数字脉冲展宽引起码间干扰从而降低信号质量当码间干扰使传输性能劣化到一定程度时传输系统将不能工作损耗使在光纤中传输的光信号强度随着传输距离的增加而逐渐下降当光功率下降到一定程度时传输系统也无法正常工作
为了延长系统的传输距离人们主要在减小散和损耗两方面入手1310nm光传输窗口称为零散窗口光信号在此窗口的传输散最小1550nm窗口称为最小损耗窗口光信号在此窗口的传输衰减最小
ITU-T规定了三种常用光纤规范G.652G.653和G.654
G.652光纤又称标准光纤其零散波长在1310nm在波长为1550nm处衰减最小
所以G.652光纤可以工作于1310nm和1550nm两个窗口
G.653光纤又称散位移单模光纤它通过改变光纤内部的折射率分布将零散点从1310nm处位移至1550nm处成功实现了在1550nm处的低衰减和零散这种光纤主要工作于1550nm窗口
G.654光纤又称1550nm波长最低衰减光纤这种光纤的优点是在1550nm处的最低衰减为0.15Db/km其主要工作于1550nm窗口这种光纤因其制造困难价格昂贵主要应用于需要很长再生段传输距离的海底光纤通信
1.4 同步数字体系SDH
1.4.1 S DH简介
SDH全称同步数字体系Synchronous Digital Hierarchy SDH规范了数字信号的帧结构复用方式传输速率等级等特性这种传输网易于扩展适于新电信业务的开展并且使不同厂家生产的设备互通成为可能这正是网络建设者长期以来追求的目标
1.4.2 P DH的缺点和SDH的产生
在SDH应用之前传输系统采用准同步数字体系PDH PDH采用比特填充和码位交织的方法将低速率等
级的信号复合成高速信号它能够独立传送国内长途和市话网业务当网络需要扩容时只需增加新的PDH设备就行但是随着电信网的发展和用户要求的提高
PDH逐渐暴露出其本身固有的缺点
1只有地区性的数字信号速率和帧结构而不存在世界性的标准现在国际上通行的有三种信号速率等级即欧洲系列北美系列和日本系列欧洲使用2M体制北美和日本使用1.5M体制我国采用的是欧洲体制欧洲体制的速率标准是2Mbit/s E18Mbit/s E2
34Mbit/s E3140Mbit/s ET4北美体制的速率标准是1.5Mbit/s T1 6.3Mbit/s T2
45Mbit/s T3日本体制的速率标准是1.5Mbit/s 6.3Mbit/s32Mbit/s这三种通行的信号速率等级互不兼容造成了国际互通的困难
2没有世界性的标准光接口规范各个厂家自行开发的专用光接口互不兼容限制了联网的灵活性也增加了网络的复杂性和运营成本
上海市教育评估院3PDH是建立在点对点传输基础上的复用结构它只支持点对点传输组成一段一段
PDH网络拓扑缺乏灵活性数字设备的利用率较低不能提供最佳的路由选择4传统PDH的运行管理和维护主要靠人工的数字信号交叉连接和停业务测试因PDH信号帧结构中未安排用于网络运行管理和维护的开销比特这种开销比特的缺乏使得难以建立集中式的传输网管难以满足用户对网络动态组网和新业务接入的要求5PDH的复用结构中除了像欧洲的2Mbit/s北美的1.5Mbit/s以及日本的1.5Mbit/s和6.3Mbit/s这几个低速率等级的信号采用同步复用外其他多数等级的信号采用的是异步复用也就是说靠塞入一些额外的比特使各支路信号和复用设备同步并复用成高速信号这种方式难以从高速信号中识别和提取低速支路信号为上下话路唯一的办法就是将整个高速线路信号一步步地解复用到所要取出的低
速线路信号上下话路后再一步步地复用到高速线路信号进行传输例如从140Mbit/s码流中分出一个2Mbit/s的低速支路信号采用PDH 时光信号经光/电转换成电信号后需要经过140Mbit/s34Mbit/s140M解复用到34M
34Mbit/s8Mbit/s和8Mbit/s2Mbit/s这三次解复用到2Mbit/s下话路再经过2Mbit/s 8Mbit/s2M复用到8M8Mbit/s34Mbit/s和34Mbit/s140Mbit/s三次复用到140Mbit/s 来进行传输参见图1-5可见PDH系统不仅复用结构复杂也缺乏灵活性硬件数量大上下业务费用高数字交叉连接功能的实现也十分复杂
azo
要想满足现代电信网络的发展需要和用户的业务需求在原有体制和技术框架内解决上述问题是事倍功半的最佳的解决途径就是从技术体制上进行根本的改革SDH作为一种结合高速大容量光传输技术和智能网络技术的新体制就在这种情况下诞生了
1.4.3 S DH的优越性
由于SDH是为克服PDH的缺点而产生的因此它是先有目标再定规范然后研制设备这个过程与PDH正好相反显然这就可能最大限度地以最理想的方式来定义符合未来电信网要求的系统和设备下列的SDH主要特点反映了这些要求
1使北美日本和欧洲三个地区性的标准在STM-1及其以上等级获得了统一
2统一的标准光接口能够在基本光缆段上实现横向兼容即允许不同厂家的设备在光路上互通满足多厂家环境的要求
3SDH采用同步复用方式和灵活的复用映射结构各种不同等级的码流在帧结构净负荷内的排列是有规律的而净负荷与网络是同步的因而只需利用软件即可使高速信号一次直接分插出低速支路信号也就是所谓的一步解复用特性参照图1-5比较SDH和PDH 系统中分插信号的过程要从155Mbit/s码流中分出一个2Mbit/s的低速支路信号采用了SDH的分插复用器ADM后可以利用软件直接一次分出2Mbit/s的支路信号避免了对全部高速信号进行逐级分解后再重新复用的过程省去了全套背靠背的复用设备所以SDH 的上下业务十分容易网络结构和设备都大大简化而且数字交叉连接的实现也比较容易
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