2.5 數(shù)字傳輸系統(tǒng)

2.5.1 脈碼調(diào)制體制

在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中的脈碼調(diào)制PCM（Pulse Code Modulation）體制最初是為了在電話局之間的中繼線上傳送多路的電話。由于歷史的原因，PCM有兩個(gè)互不兼容的國際標(biāo)準(zhǔn)，即北美的24路PCM（簡稱為T1）和歐洲的30路PCM（簡稱為E1）。我國采用的是歐洲的E1標(biāo)準(zhǔn)。E1的速率是2.048Mb/s，而T1的速率是1.544Mb/s。

模擬電話信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的過程大致如下。首先必須先對電話信號進(jìn)行采樣。根據(jù)采樣定理，只要采樣頻率不低于電話信號最高頻率的2倍，就可以從采樣脈沖信號中無失真地恢復(fù)出原來的電話信號。標(biāo)準(zhǔn)的電話信號的最高頻率為3.4kHz，為方便起見，采樣頻率就定為8kHz，相當(dāng)于采樣周期T=125μs。連續(xù)的電話信號經(jīng)采樣后成為每秒8000個(gè)離散脈沖信號，其振幅對應(yīng)于采樣時(shí)刻電話信號的數(shù)值。經(jīng)模數(shù)變換后，每個(gè)脈沖信號編碼為8位二進(jìn)制碼元。可見一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)話路的模擬電話信號轉(zhuǎn)換出的PCM信號的速率是每秒8000個(gè)8位二進(jìn)制碼元，即64kb/s。請注意，這個(gè)速率是最早制定出的話音編碼的標(biāo)準(zhǔn)速率。但隨著話音編碼技術(shù)的不斷發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)可以用更低的數(shù)據(jù)率（如32kb/s,16kb/s甚至低到8kb/s以下）來傳送基本上是同樣質(zhì)量的話音信號。但是使用64kb/s標(biāo)準(zhǔn)的電話交換機(jī)已經(jīng)遍及全世界，現(xiàn)在很難再改用較低速率的編碼了。

為了有效地利用傳輸線路，通常總是將許多個(gè)話路的PCM信號用時(shí)分復(fù)用的方法裝成幀（即時(shí)分復(fù)用幀），然后再送往線路上一幀接一幀地傳輸。請注意，時(shí)分復(fù)用是所有的用戶在不同的時(shí)間，即在分配給自己的專用時(shí)隙占用大家共享的公共信道的（因而不會(huì)發(fā)生干擾）。但從頻率域來看，大家所占用的頻率范圍卻都是一樣的。

PCM一次群E1的一個(gè)時(shí)分復(fù)用幀（其長度T=125μs）共劃分為32個(gè)相等的時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙傳送8 bit。因此整個(gè)的32個(gè)時(shí)隙共有256 bit。由于每秒傳送8000個(gè)幀，因此E1的數(shù)據(jù)率就是2.048Mb/s。在32個(gè)時(shí)隙中，有兩個(gè)時(shí)隙分別用于幀同步和傳送信令（如用戶的撥號信令），直接用于通話的共有30個(gè)時(shí)隙，因此一個(gè)E1時(shí)分復(fù)用幀共有30個(gè)話路。

北美使用的T1系統(tǒng)共有24個(gè)話路，每個(gè)話路的采樣脈沖用7 bit編碼，然后再加上1位信令碼元，因此一個(gè)話路也是占用8 bit。幀同步碼是在24路的編碼之后加上1 bit，這樣每幀共有193bit。因此T1一次群的數(shù)據(jù)率為1.544Mb/s。

當(dāng)需要有更高的數(shù)據(jù)率時(shí)，可以采用復(fù)用的方法。例如，4個(gè)一次群就可以構(gòu)成1個(gè)二次群。當(dāng)然，1個(gè)二次群的數(shù)據(jù)率要比4個(gè)一次群的數(shù)據(jù)率的總和還要多一些，因?yàn)閺?fù)用后還需要有一些同步的碼元。表2-2給出了歐洲和北美系統(tǒng)的高次群的話路數(shù)和數(shù)據(jù)率。日本的一次群采用T1，但其另有一套高次群的標(biāo)準(zhǔn)。

2.5.2 同步光纖網(wǎng)SONET和同步數(shù)字系列SDH

前面介紹的PCM數(shù)字傳輸系統(tǒng)存在著許多缺點(diǎn)，其中最主要的是以下兩個(gè)。

（1）速率標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。PCM一次群的數(shù)字傳輸速率有兩個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)是北美和日本的T1速率，而另一個(gè)是歐洲的E1速率。但是到了高次群日本又搞了第三種不兼容的標(biāo)準(zhǔn)。如果不對高次群的數(shù)字傳輸速率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，國際范圍的高速數(shù)據(jù)傳輸就很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楦叽稳旱臄?shù)字傳輸速率的轉(zhuǎn)換十分困難。然而高次群的數(shù)字傳輸速率各國都已使用了不短的時(shí)間，誰都不愿意拋棄正在使用的大量設(shè)備并改用別人的數(shù)字傳輸速率標(biāo)準(zhǔn)。

（2）不是同步傳輸。前面已經(jīng)講過，在過去相當(dāng)長的時(shí)間，為了節(jié)約經(jīng)費(fèi)，各國的數(shù)字網(wǎng)主要是采用準(zhǔn)同步方式。這時(shí)，必須采用復(fù)雜的脈沖填充方法才能補(bǔ)償由于頻率不準(zhǔn)確而造成的定時(shí)誤差，這就給數(shù)字信號的復(fù)用和分用帶來許多麻煩。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾瘦^低時(shí)，收發(fā)雙方時(shí)鐘頻率的微小差異并不會(huì)帶來嚴(yán)重的不良影響。但是當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾什粩嗵岣邥r(shí)，收發(fā)雙方的時(shí)鐘同步就成為迫切需要加以解決的問題。

為了解決上述問題，美國在1988年首先推出了一個(gè)數(shù)字傳輸標(biāo)準(zhǔn)，叫做同步光纖網(wǎng)SONET（Synchronous Optical Network）。整個(gè)同步網(wǎng)絡(luò)的各級時(shí)鐘都來自一個(gè)非常精確的主時(shí)鐘（通常采用昂貴的銫原子鐘，其精度優(yōu)于±1×10-11）。SONET為光纖傳輸系統(tǒng)定義了同步傳輸?shù)木€路速率等級結(jié)構(gòu)，其傳輸速率以51.84 Mb/s為基礎(chǔ)，大約對應(yīng)于T3/E3的傳輸速率，此速率對電信號稱為第1級同步傳送信號（Synchronous Transport Signal），即STS-1；對光信號則稱為第1級光載波（Optical Carrier），即OC-1。現(xiàn)已定義了從51.84Mb/s（即OC-1）一直到約40Gb/s（即OC-768/STS-768）的標(biāo)準(zhǔn)。

ITU-T以美國標(biāo)準(zhǔn)SONET為基礎(chǔ)，制定出國際標(biāo)準(zhǔn)同步數(shù)字系列SDH（Synchronous Digital Hierarchy），即1988年通過的G.707~G.709等三個(gè)建議書。到1992年又增加了十幾個(gè)建議書。一般可認(rèn)為SDH與SONET是同義詞，但其主要不同點(diǎn)是：SDH的基本速率為155.52Mb/s，稱為第1級同步傳遞模塊（Synchronous Transfer Module），即STM-1，相當(dāng)于SONET體系中的OC-3速率。表2-3為SONET和SDH的比較。為方便起見，在談到SONET/SDH的常用速率時(shí)，往往不使用速率的精確數(shù)值而是使用表中第二列給出的近似值作為簡稱。

SDH/SONET定義了標(biāo)準(zhǔn)光信號，規(guī)定了波長為1310nm和1550nm的激光源。在物理層定義了幀結(jié)構(gòu)。SDH的幀結(jié)構(gòu)是以STM-1為基礎(chǔ)的，更高的等級是用N個(gè)STM-1復(fù)用組成STM-N，如4個(gè)STM-1構(gòu)成STM-4，16個(gè)STM-1構(gòu)成STM-16。

SDH/SONET標(biāo)準(zhǔn)的制定，使北美、日本和歐洲這三個(gè)地區(qū)三種不同的數(shù)字傳輸體制在STM-1等級上獲得了統(tǒng)一。各國都同意將這一速率，以及在此基礎(chǔ)上的更高的數(shù)字傳輸速率作為國際標(biāo)準(zhǔn)。這是第一次真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)字傳輸體制上的世界性標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在SDH/SONET標(biāo)準(zhǔn)已成為公認(rèn)的新一代理想的傳輸網(wǎng)體制，因而對世界電信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展具有重大的意義。SDH標(biāo)準(zhǔn)也適合于微波和衛(wèi)星傳輸?shù)募夹g(shù)體制。