第6章 同步与数字复接.ppt

1、第6章 同步与数字复接,6.1 同步技术概述 6.2 位同步 6.3 网同步 6.4 数字复接原理 习题与思考题,6.1 同步技术概述,1. 载波同步在相干解调时， 接收端需要有一个与所接收到的信号中的调制载波同频同相的本地载波信号， 这个本地载波的获取称为载波提取或称载波同步。 在高频电子线路以及本书第5章数字调制中， 我们已学习过无论是模拟调制信号还是数字调制信号， 都必须有相干载波， 才能实现相干解调。,2. 位同步位同步又称码元同步， 它是数字通信系统特有的一种同步。 在数字通信系统中， 被传送的信号是由一系列的码元组成的， 发端每发送一个码元， 收端就应该相应地接收一个码元， 两者步

2、调一致。,3. 群同步群同步包括字同步、 句同步及分路同步等。 在数字通信中， 信息流是由若干个码元组成一个“字”， 又由若干个“字”组成一个“句”。 在接收信息流时， 必须知道这些“字”、 “句”的开始与结束， 否则接收端无法正确恢复信息。 对于时分多路信号， 在接收端要正确区分出各路信号， 并根据发送端合路的规律进行正确分路。,4. 网同步在一个通信网里通信和相互传递消息的设备很多， 各种设备产生的及需要传送的信息码流各不相同。 当实现这些信息的交换、 复接时， 必须要有网同步系统来统一协调， 使整个网能按一定的节奏有条不紊地工作。,同步系统如果按实现方法区分， 又可分为外同步和自同步两种

3、。 1) 外同步为了实现同步， 发送端专门发送同步信息， 该同步信息常常被称为导频或领示频率， 接收端根据接收到的导频提取出同步信息， 这种方法称为外同步。 2) 自同步发送端不发送专门的同步导频， 同步信息是接收端从接收信息中设法提取的， 这种方法称为自同步。 这种方法效率高， 干扰小， 但有时收端设备较复杂。,6.2 位 同 步,位同步又称为码元同步， 它是数字通信中最基本最重要的一种同步。 由于数字信号是一位码接一位码地发送和接收的， 因此就要求传输系统的收、 发端应具有相同的码速和码元长度。 由于任何传输信道都存在干扰和损耗， 因此， 数字信号在通过信道传输后都应当经过整形与判决。 在

4、判决时， 仅仅满足收、 发定时脉冲的频率相等是不够的。 为克服各种干扰的影响， 还要求判决时应选在信噪比最大的时刻， 并尽量靠近码元中央。,在图6.1（a）中， 由于判决时刻没有选在码元中央（即信噪比最大的时刻）， 因此在收端出现了判决错误； 而在图6.1（b）中， 因为判决时刻的正确选取， 所以获得了良好的传输效果。 可见， 位同步使收端在最佳判决时刻对接收码元进行抽样判决， 从而尽可能地减少误判。,图6.1 判决时刻的选取 (a) 判决时刻选取不合适； (b) 判决时刻选取合适,1. 插入位定时导频法在无线通信中， 数字基带信号一般都采用非归零（NRZ码）的矩形脉冲， 并以此对高频载波作各

5、种调制， 解调后得到的也是非归零的矩形脉冲， 码元速率为fB 。 其功率谱密度中都没有fB成分， 也没有2 fB成分， 此时可以在基带信号频谱的零点处, 即fB或2 fB处插入所需要的导频信号， 如图6.2 所示。,图6.2 导频插入频谱,导频提取的原理如图6.3所示。 可以看出， 解调以后的基带信号用中心频率为f=1/T（或1/(2T)）的窄带滤波器提取出导频信号， 然后经移相整形形成位定时脉冲， 即位同步。 这一应用从原理上说非常简单， 但在实际中还需解决两个问题。 （1） 收端需注意消除或减弱定时导频对原基带信号的影响。 因为位定时导频分量不是原数字信号的成分， 故在加入导频后， 收端解

6、调得到的基带信号与原来的不同。 所以必须设法消除导频分量， 恢复原始数字信息， 否则将引起判决错误。,图6.3 定时导频的提取,（2） 导频信号有可能反过来受到原数字信号的影响。 图6.3中锁相环所起的作用就是进一步利用其跟踪和窄带的特性来提取信号， 而移相电路的作用是抵消提取出的导频信号经窄带滤波器、 限幅器和锁相环引起的相移。,2. 双重调制导频插入法在频移键控、 相移键控的数字通信系统中， PSK信号、 FSK信号都是包络不变的等幅波（也称恒包络信号）， 所以导频的传送也可以采取浅调幅的方法。 在发送端用位同步信号对已调信号再进行附加调幅， 实现双重调制； 在接收端进行包络检波， 也可以

7、取出位同步信号。,设调相信号为SPSK （t）= S（t） cos(0t+（t） （6.1）现在利用含有位同步信号的某种波形， 如升余弦波m（t）=（1+cost）/2, 对调相载波进行调幅， 则有,(6.2),其中, =2/T =2f ， T为码元宽度， f为导频信号的 频率。,6.2.2 自同步法 自同步法也称作直接提取位同步法， 是指发端不传送专门的位同步信息， 而直接从接收信号或解调后的数字基带信号中提取位同步信号。 这种方法在数字通信系统中得到了广泛的应用。 具体实现直接提取位同步的方法有三种： 滤波法、 脉冲锁相法和数字锁相法。,1. 滤波法在数据通信和无线信道传输的数字通信系统中

8、， 基带信号通常是不归零脉冲信号。这种不归零脉冲序列的频谱中并不包含有位定时频率分量， 因此不能直接用滤波器从中提取位同步信号。 但由于这种脉冲序列遵循码元的变化规律， 并按位定时的节拍而变化， 因此， 只要将其转化为归零二进制脉冲系列， 则变化后的信号就会出现码元信号的频率分量了， 从而能够从中提取出位定时信号。 图6.4就是用这种方法提取位定时信号的原理框图及波形图。,图6.4 用滤波法提取位定时信号(a) 方框图； (b) 波形图,2. 包络检波法在数字微波的中继通信中， 常用包络检波的方法从PSK信号中提取位同步信号。虽然PSK信号是包络不变的等幅波， 具有极宽的频带， 但因为信道频带

9、宽度有限， 所以在信道中传输后会在相邻码元相位突变点附近产生幅度凹陷的失真， 也称平滑陷落。 因此在解调PSK信号时， 用包络检波器检出这种幅度“平滑陷落”的包络a， 去掉其中的直流分量b后，即可得到归零的脉冲序列c， 最后用窄带滤波器提取包含于其中的位同步频谱分量， 经脉冲整形后即可得到位同步信号， 如图6.5所示。,图6.5 包络检波法提取位定时信号,6.2.3 重要的位同步锁相环 为克服滤波法在提取位同步时存在的缺点， 可用锁相环来代替滤波器， 这种方法称为锁相法。 它有脉冲锁相法和数字锁相法两种。,1. 脉冲锁相法图6.6为脉冲锁相法的原理框图。 各部分的工作原理是： 解调恢复出来的非

10、归零基带信号u（t）通过过零检测和脉冲形成级得到包含位定时频率分量的脉冲信号ud。 这一信号反映了所接收的二进制脉冲序列的相位基准。 这是因为这些脉冲的间隔虽然是随机的， 但过零点的间隔总是码元脉冲周期的整数倍， 这样利用码元过零点时刻形成一个脉冲， 就可作为控制锁相环的基准信号。 至于过零检测的方法， 可以采用放大、 限幅、 微分和整流等方式来实现， 也可以采用幅度鉴别电路（如施密特电路）来实现。,图6.6 脉冲锁相法原理框图,鉴相器、 环路滤波器、 压控振荡器和脉冲形成级构成了一个简单的锁相环， 输出本地位定时脉冲uc。 具体工作过程是： 在鉴相器中， ud与uc进行比较， 产生一个相位误

11、差信号， 即同相时输出一个幅度为+1的脉冲， 反相时输出幅度为1的脉冲； 而基准脉冲ud不存在时， 鉴相器无输出。,2. 数字锁相法 1） 锁相原理数字锁相法在现代数字通信的位同步系统中得到了越来越广泛的应用。 它的基本原理是： 接收端通过一个高稳定度振荡器分频得到本地位定时脉冲序列， 然后输入数字信号与本地位定时脉冲在鉴相器中进行相位比较。 若两者相位不一致， 则用鉴相器输出误差信息去调整可变分频器的输出脉冲相位， 直到输出的位定时脉冲和输入信号在频率和相位上都保持一致时， 才停止调整， 从而达到获得同步信号的目的。,锁相原理框图见图6.7。 这是一个典型的数字锁相环电路， 扣除门是一个常开

12、门。 频率为nfB的晶振产生的正弦波经整形电路变成方波， 从Q端加到扣除门。 因扣除门为常开门， 则方波正脉冲经或门加到n次分频器。 n次分频器有两路输出， 一路送到鉴相器(相位比较器)， 另一路则作为位同步信号输出。 相位比较器把位同步信号相位与接收到的码元相位进行比较， 若将这种既不超前也不落后的状态维持下去， 则该nfB的晶振经n分频后， 频率为fB的信号即为位同步信息。,图6.7 锁相原理框图,图6.8 整形输出波形,2） 锁相法抗干扰性能的改善在锁相法电路中， 如果由于干扰的影响使比较器送出超前或滞后脉冲， 则根据上面讲述的工作原理， 锁相环会立即进行调整。 实际上这种调整是没有必要

13、的， 当干扰消失后， 锁相环的状态又要调回来。 若干扰时常存在， 则锁相环常常进行不必要的来回调整， 这使提取的位同步信号相位产生抖动。 为了克服这个缺点， 仿照模拟锁相环中鉴相器后加有环路滤波器的方法， 在数字锁相环的鉴相器后加一个数字式滤波器。 图6.9所示为这种方案的两个方框图， 它们插在图6.7相位比较器输出之后， 起抗干扰作用。,图6.9 两种数字式滤波方案(a) N进制M滤波器； (b) 随机徘徊滤波器,由于图6.9的电路插在相位比较器后面， 因此相位比较器输出的超前或滞后脉冲不能直接加到扣除门和附加门上， 从而不能马上进行相位调整。 例如图6.9（a）中， NM2N， 设N=3，

14、 M=4， 若图6.7中n次分频器输出的位同步信号的确超前（或滞后）了， 则相位比较器会连续输出超前（或滞后）脉冲。,6.2.4 位同步的主要性能指标 通常用以下几项指标来衡量数字通信设备的位同步性能。1. 相位误差 正如本节开始所提到的， 位同步的性能好坏与整个传输系统的性能密切相关， 而衡量位同步性能最重要的指标就是相位误差。 从本节序言我们知道， 通信系统接收端的抽样判决时刻总是选取在接收信码的中央位置， 因为在这一位置的信号能量是最大的， 它可以保证当信号受到信道噪声干扰时也不至于造成判决错误；,但如果相位误差过大致使判决时刻偏离信码中央过多， 信道干扰的存在就很容易引起误判， 图6.

15、1很清楚地说明了这个问题。 可见， 当同步信号的相位误差增大时， 必然引起传输系统误码率Pe的增高。 数字锁相环的相位调整不是连续的， 前面已说明它每次调整的相位改变为2/n， n是分频器的分频次数， 故最大相位误差为,（6.3）,若要提高调整精度， 则可增大n， 这样每调整一步， 相位改变就越精细， 误差就可以减小。,2. 同步建立时间ts 同步建立时间是指开机或失去同步后重新建立同步所需的时间， 记为ts。 最差情况是位同步脉冲与对应码元相位相差（T/2）， 此时要达到同步需调整的次数最多， 对应的最大调整次数N为,（6.4）,由于接收码元是随机的， 因此对二进制来说， 相邻两个码元信息变

16、化与不变化的概率是相等的， 也就是说， 平均每两个码元信息改变一次。 我们知道， 相位比较器只有在信息变化时才比相一次（信息不变时不比相）， 每比一次调整一步， 因此最大的建立时间为,（6.5）,如考虑抗干扰电路作用， 则,（6.6）,式中， N为抗干扰滤波器中计数器的计数次数。,3. 同步保持时间t0 除了相位误差外， 同步保持时间也是同步系统的一个重要指标。 从接收信号消失或接收信号中的位同步信息消失开始， 到位同步电路输出的位同步信号中断为止， 这段时间称为位同步的保持时间。 同步保持时间越长， 就越有利于位同步， 这首先需要收、 发两端振荡器的振荡频率有较高的稳定度。,4. 同步带宽

17、同步带宽是指容许的收、 发振荡器的最大频差。 由于数字锁相环平均每两周调整一次， 每次调整的相位为2/n， 而收、 发由于不同频， 每两周产生的相差为,数字锁相环要能锁定， 则每次调整的相位要大于每两周由频差引起的相差， 否则永远不能锁定。 因此可得,（6.7）,当收发频差大于f0/2n时， 锁相环失锁， 因此最大允许 的收发频差为f0/2n， 即同步带宽为,（6.8）,5. 同步门限信噪比 在保证一定的位同步质量的前提下， 接收机输入端所允许的最小信噪比称为同步门限信噪比。 这个指标规定了位同步对深衰落信道的适应能力。 与这项指标对应的是接收机的同步门限电平， 它是保证位同步门限信噪比所需的

18、最小收信电平。,6.3 网 同 步,随着通信技术的不断发展， 通信的目的越来越倾向于各种信息资源的共享。 能够实现这种共享的通信网必须具备以下条件： (1) 网中传送的信息形式以及信号格式必须是多种多样的。(2) 通信网的频带宽度必须满足各种信息传递的要求。(3) 通信网的终端设备类型必须多样化。,6.3.1 准同步方式准同步方式又称为独立时钟同步方式， 或称异步复接。 这种同步方式适用于准同步数字通信系统。 所谓准同步系统， 是指各转接点的时钟是相互独立的， 它们都采用高稳定度的时钟源，基准频率相同， 但其频率由于误差的存在并不完全一致， 这就导致从各站送来的信息数码率不完全一致。 要使送来

19、的信息数码率和本站的时钟频率保持一致， 可以采用正码速调整法或水库法来实现。,1. 正码速调整法正码速调整法将在6.4节中详细介绍， 在此从略。 2. 水库法前面讲过， 准同步系统中的各站点都采用高稳定度的时钟源， 这使得站与站之间的频率误差是相当小的。,设存储器的位数为2n， 起始状态取平均值， 即半满状态。 设存储器写入和读出的频率差为f， 此频率差也就是收到信号的频率和本站时钟频率之差。 若设存储器发生一次“取空”或“溢出”现象的时间间隔为T， 则显然有,（6.9）,设频率偏差率S为f与信号频率f之比， 代入上式可得,（6.10）,6.3.2 主从同步方式 主从同步方式适用的条件与准同步

20、方式不同， 后者适用于各转接站使用独立时钟源的场合， 而前者在整个通信网中只有一个时钟源。 该时钟源一般是一个极高稳定度的频率振荡器或原子钟， 备有该时钟源的站点成为本通信网的主站。 主站将本时钟信号作为网内惟一的标准频率发往其他各站（称为从站）， 各从站通过锁相环来使本站频率与主站频率保持一致， 从而获得同步。 主从同步方式按从站时钟受控形式的不同又可分为简单主从式和等级主从式两种， 如图6.10所示。,图6.10 两种主从同步方式示意图(a) 简单主从方式； (b) 等级主从方式,1. 简单主从方式这种同步方式如图6.10（a）所示， 每一从站的时钟直接由主站供给， 并通过本站的锁相环与主

21、站保持一致。 由于各从站到主站的距离不同， 因而各站来的信号时延也不同， 即存在一定的相位差。 这一问题可以通过在各从站设弹性存储器来解决。 图6.11示出了一个从站的同步原理框图。,图6.11 从站的同步原理框图,2. 等级主从方式这种方式如图6.10（b）所示， 它与简单主从方式相仿， 但各从站并不单纯依赖主站时钟。 具体的做法是在全网内对所有的转接站进行等级分类， 如图中六个站点可分为三个等级。 在正常情况下， 全网均以主站A提供的时钟为基准时钟； 若A时钟源发生故障， 则分别由副时钟B、 C(为二级时钟)向D、 E站和F、 G站提供时钟； 若副时钟B再发生故障， 则B、 D、 E、 F

22、、 G各站时钟均由C站提供(为三级时钟)， 依此类推。,等级主从方式与简单主从方式相比改善了整个通信网的可靠性， 但同时也使设备复杂化， 且各从站的时钟误差随传输途径的不同逐级累加， 影响了传输质量。 主从同步方式由于其自身特点广泛应用于规模小、 距离近、 交换点较少的星形或树形数字通信网中； 而当通信网为分布式网状结构的大系统时， 主从同步方式就不再适用了。,6.3.3 相互同步方式相互同步方式就是为了克服主从方式的缺点而提出的， 各站没有主站和从站之分， 各节点都设有时钟源， 且互相控制、 互相影响， 最终实现各时钟都达到某一个稳定的平均频率， 这个频率即为该通信网的网频。,图6.12是相

23、互同步方式下一个从站的同步原理框图， 其结构与图6.11相比大体一致， 所不同的是锁相环的输入不是单一的主时钟信号， 而是来自于与本节点相连的多个节点的时钟输入。 图中的加法平均电路不是简单的相加平均， 而是加权平均。 加权平均的目的是使全网的统一频率更为稳定， 下面举例说明。,图6.12 相互同步方式原理框图,假定本站收到其他三个站发送来的时钟信息， 分别为A1、 A2、 A3。 其中A1是大站， 其时钟源稳定性极高， 设其频率f1=512 005 Hz； A2的时钟频率f2=512 095 Hz； 而A3为小站， 其频率稳定性一般， 设其频率f3=512 350 Hz。 若采用加法平均电路

24、仅进行简单平均， 则本站频率为,若我们根据其稳定度的不同而设权重k1=0.8， k2=0.15， k3=0.05， 则本站频率为fk= k1f1+ k2f2+k3f3=512 036 Hz 显然， 加权平均频率fk与简单平均频率fs相比更接近于稳定性高的时钟源， 也即fk比fs稳定性要高。,6.3.4 同步网的等级与时钟要求我国现行的数字通信网主要采用上面所述的等级同步方式， 同步网的等级根据其时钟性能及所起的作用分为四级， 如图6.13所示。,图6.13 同步网的等级结构示意图,一级时钟为基准时钟， 是全网中等级最高的标准时钟， 使用稳定度极高的铯原子钟， 一般设置在一级长途交换中心。 为可

25、靠起见， 还需另设备用钟， 以便主钟发生故障时切换。二级时钟是有记忆功能的高稳定度晶体时钟， 一般设置在各级长途交换中心， 在正常情况下， 用于接收一级时钟信号并与之保持同步。,三级时钟是有记忆功能的一般高稳定度晶体时钟， 通常设置在本地网的端局和汇接局， 它受二级时钟的控制。四级时钟是一般晶体时钟， 设置在本地网中的远端模块、 数字传输设备和程控交换机中。 为保证数字通信网的可靠性， 我国对网内各级时钟的性能和技术参数都有具体的要求， 其技术参数见表6.1， 其性能要求大致如下：,表6.1 对各级时钟技术参数的要求,(1） 基准时钟用的铯原子钟应有三组， 三组铯原子钟都具备一套完善的管理功能

26、， 能够对其自身信号进行测量、 计算和对比， 一般采用多数判决的算法。(2） 二、 三级时钟应有主、 备两个输入频率基准， 主钟若发生故障， 则应自动倒换到备钟， 其倒换过程不能产生时钟滑动。,(3） 每一级时钟均应具备四种工作状态， 即： 快捕： 开机后即进入快捕状态， 以便在较短时间内获得同步。 跟踪： 正常工作状态， 保持工作频率稳定。 保持： 由于二、 三级时钟有记忆功能， 因此在失去同步基准后转入保持状态， 在一段时间内保持频率稳定。 自由运行： 用于检修和调测。,(4） 时钟的工作状态应能人工控制， 可人工倒换时钟、 频率基准等。(5） 可以显示工作方式、 使用的频率基准及时钟等工

27、作状态。(6） 有告警功能： 时钟停止工作时应发出严重告警， 在时钟进入快捕、 保持、 自由运行状态以及输入信号出错和失去频率基准时应发出告警。,6.4 数字复接原理,随着通信技术的飞速发展， 人们对通信的需求越来越大， 而信道资源却始终是有限的， 这就使多路复用成为现代通信的必要手段。,所谓复用， 就是指利用一条信道同时传送多路信号的一种技术。 一般来说， 被传送的每一个信号所占用的带宽都远远小于信道带宽， 所以如果每条信道只传送一个信号将是很浪费的； 但如果简单地将多路信号混合在一条信道中传送也是不可能的， 因为那样会引起信号间的相互干扰， 使得在接收端无法恢复被传送的各路信号。 复用技术

28、就是专门用来解决在同一信道中传送互不干扰的多路信号这一问题的。,复用分为频分复用（FDM）和时分复用（TDM）。 频分复用是指在同一信道中用不同的频率来传送不同的信号， 比如广播电台和电视台传送的信号就是频分复用信号。 这种复用方法主要用于传送模拟信号。 而时分复用主要用于传送数字信号， 它是指在同一信道中按一定的规律在不同的时隙中传送不同的信号。 图6.14示出了频分复用和时分复用的基本原理。,图6.14 频分复用与时分复用(a) 频分复用； (b) 时分复用,6.4.1 数字复接的基本概念 数字复接也就是数字信号的时分复用， 参与复接的信号称为支路信号， 而复接以后的信号称为合路信号或群路

29、信号。 把群路信号分离成各个支路信号的过程称为数字分接。 通常所说的数字复接系统既包括数字复接设备， 也包括数字分接设备， 其框图如图6.15所示。,图 6.15 数字复接系统框图,数字复接方式有如下三种： (1) 若输入复接器的各支路信号本身就与复接器定时信号是同步的， 那么调整单元就只需调整相位， 有时甚至连相位也无需调整， 这种复接器称为同步复接器。 相应的， 这种复接方式就称为同步复接方式。,(2) 若输入复接器的各支路信号与本机时钟信号不同步， 调整单元要对各个支路数字信号进行频率和相位调整， 使之成为同步数字信号， 这种复接器称为异步复接器， 对应的复接方式称为异步复接方式。 (3

30、) 若输入复接器的各支路信号与复接器的时钟信号虽然由不同的时钟源提供， 但码速率在一定容差范围内是相等的， 我们则称这两个信号是准同步的。 这种复接器称作准同步复接器，对应的复接方式称为准同步复接方式。,1） 按位复接这是目前最常用的一种方式， 这种方式依次复接每一支路的一位码， 即在发送端将四个支路的数字信号以比特为单位， 依次轮流发往信道； 在接收端按发送端的发送结构依次从码流中检出各支路的码元， 并分送到相应的支路， 使各支路恢复相应的帧结构。,图6.16 按位复接原理图,2） 按字复接在PCM基群帧结构中， 一个路时隙有8位码元。 按码字复接就是指每次按顺序复接每一支路的一个路时隙，

31、即8位码。 这种方式有利于多路合成的处理与交换， 但循环周期长， 要求有较大的存储容量， 电路也比较复杂。,3） 按帧复接按帧复接就是指每次复接一个支路的一帧码元（每一帧含有256个码元）。 这种方法不破坏原来各个支路的帧结构， 有利于信息的交换处理， 但与按字复接相比其循环周期更长， 要求更大的存储容量和更复杂的设备， 目前也很少应用。 为了便于国际通信的发展， CCITT推荐了两类群路数码率系列和数字复接等级， 如表6.2所示。,表6.2 CCITT推荐的两类数字复接系列,表6.2中各数码率等级的基本计量单位是64 kb/s的PCM信号， 每个64 kb/s信号称为一路， 则表中“路数”一

32、栏表示的是该等级包含有多少个64 kb/s信号。 我国统一采用以2048 kb/s为基群的数码率系列， 它既可以从n次群到n+1次群逐级复接， 也可以从n次群到n+2次群隔级复接（也叫跳群）， 如图6.17所示。 采用这种数码率和复接等级有如下一些优点：,图6.17 中国采用的数字速率系列和数字复接等级,(1) CCITT关于2048 kb/s系列的建议比较完善和单一。(2) 数字复接技术性能比较好， 比特序列独立性也比较好。(3) 2048 kb/s系列的帧结构与目前数字交换用的帧结构是统一的， 便于向数字传输和数字交换统一化方向发展。,6.4.2 数字复接中的码速变换当几个低次群数字信号复

33、接成一个高次群数字信号时， 如果各个低次群（如PCM30/32系统）的时钟是各自生产的， 即使它们的标称数码率相同， 比如都是2048 kb/s， 但它们的瞬时数码率也是不相同的， 因为各个支路的晶体振荡器频率不可能完全相同（CCITT规定PCM30/32系统的数码率为2048 kb/s100 b/s）， 这样几个低次群复接后的数码就会产生重叠和错位， 如图6.18所示。,图6.18 数码率不同的低次群复接示意图,正码速调整框图如图6.19所示。 每一个参与复接的数码流都必须经过一个码速调整装置把标称数码率相同而瞬时数码率不同的数码流调整为同一个较高的数码率， 然后再进行复接。,图6.19 正

34、码速调整方框图(a) 复接端； (b) 分接端,码速调整装置的主体是一个缓冲存储器， 还有一些必要的控制电路。 其输入时钟频率为输入支路的数码率fl， 其输出时钟频率为同步复接支路时钟的频率fm。 正码速调整技术中， 输出频率fm大于输入频率fl， 所谓正码速调整， 就是因为fmfl而得名的。,正码速调整的原理也是如此， 一旦缓存器中的信息比特数降到最低数量， 就发出控制信号将读出的时钟停止一个脉冲， 由于没有读出时钟， 信息就不能读出， 而这时信息仍往里存。 因此信息就增加一个比特。 如此重复下去， 就可将数码流通过缓冲存储器传送出去， 而输出的速率则增加为fm了。 图6.20中某支路输入信

35、号码频率为fl， 在写入时钟作用下， 将信码写入缓存器， 读出的时钟频率是码速调整后的fm， 因为fmfl， 所以缓存器处于慢写快读的状态， 最后将会出现取空状态。,图6.20 脉冲插入方式码速调整示意图,6.4.3 同步复接与异步复接1. 同步复接前面已讲过， 将几个支路的数字流合成为一个数字流称为复接， 而将一个总数字流分解成几个数字信号流叫分接。 如果被复接的支路的时钟都是由一个总时钟供给的， 这时的复接就叫同步复接。 PCM二次群同步复接方式的复接、 分接框图如图6.21与图6.22所示。,图6.21 PCM二次群同步复接框图,图6.22 PCM二次群同步分接框图,由框图可以看出， 同

36、步复接器主要由以下四个部分组成： (1) 定时时钟部分： 产生收、 发端所需要的时钟及其他各种定时脉冲， 使设备按一定时序工作。 (2) 码速调整和恢复部分： 收、 发两端各由四个缓冲存储器完成码速调整功能。 在发端， 把2.048 Mb/s的基群信码调整为2.112 Mb/s的信码； 在收端， 把2.112 Mb/s的信码恢复成2.048 Mb/s的信码。,(3) 帧同步部分： 用来保证收、 发两端帧同步， 使分接端能正确分接。 (4) 业务码产生、 插入和检出部分： 用于业务联络和监测， 以及保证发送端插入调整码、 接收端消插的正常进行。 CCITT对同步复接方式的帧结构提出了标准建议，

37、即G.744关于PCM二次群同步复接的建议，如图6.23所示。,图6.23 PCM二次群同步复接帧结构,每个复接支路的数码率都是2.048 Mb/s， 四个支路复接后插入适当数量的帧同步码及业务码等使之复接为8.448 Mb/s的二次群， 这时相当于每支路的码速率都是2.112 Mb/s ， 这样就需要将2.048 Mb/s的码速率变换为2.112 Mb/s之后才能进行复接， 这个码速变换的任务就是由前述的缓冲存储器来完成的。,图6.24 同步复接时码速变换的时间关系(a) 复接端； (b) 分接端,2. 异步复接四个支路（PCM一次群）进行数字复接时， 由于四个支路各有自己的时钟， 虽然它们

38、的标称数码率都是2.048 Mb/s， 但它们的瞬时数码率为2.048 Mb/s100 b/s。 对这样的异源基群信号进行复接之前， 首先要解决的问题是码速调整， 通过码速调整使被复接的四个支路的数码率达到一致， 然后再进行复接。,异步复接二次群的数码率也是8.448 Mb/s， 因此异步复接和同步复接一样， 也需要每帧插入32个比特。 异步复接帧结构中需要插入帧同步码（CCITT规定PCM异步复接二次群帧同步码的码型为1111010000）、 对端告警码、 业务码等码， 这些都是固定的插入码， 其插入位置和码型都不变。,复接器中插入的码元在分接器中要去掉， 这叫做“消插”。 为使分接器中消插

39、方便， 通常采用的方法是在复接器中固定位置上插入用于调整码速的码元， 即如果需要调整码速时， 就在规定的位置插入； 如果不需要调整码速时， 则这个位置仍用于传输信息码。,由于码速调整是分别对每一个基群支路进行的， 因此每个支路都应设有规定的“插入码”V和“插入标志码”C的位置。 为确保插入标志码的正确接收， 防止因插入标志码的误码而造成的消插错误， 对插入标志码的传输采用“大数判决”方法， 即用三个插入标志码“111”来表示有插入脉冲， 用“000”来表示无插入脉冲。 在接收端分接器中以“三中取二”的方式来判决是否有插入脉冲， 即检出的三个码中有两个或三个为“0”时， 则判定复接器无插入脉冲，

40、 那么在分接器中就不进行消插。,这样做的结果是， 插入标志码正确接收率应为3Pe（1-Pe)2+（1-Pe）3=1-3P2e+2P3e当Pe=10-3 （最坏情况）时， 正确接收率为 1-310 -6 +210 -9 =0.999 997即正确接收率在0.999 997以上。每个被复接的基群支路的复接帧同步码、 业务码、 插入码（作调整码速用）、 插入标志码以及信息码的安排如图6.25所示。,图6.25 基群支路插入码及信息码分配示意图,图6.26 异步复接二次群帧结构,3. 复接相位抖动 相位抖动指的是数字信号的各有效瞬间相对于其理想位置的瞬时偏离， 也就是说， 抖动使实际的数字信号的有效触

41、发边沿相对于无抖动的理想数字信号的边沿产生了一个超前或滞后的相位差值。 由于这个差值是随时变化的， 因此它可以表示为一个时间的函数p（t） ， 如图6.27中为具有正弦波形的抖动， 称为正弦抖动。 在实际系统中， 相位抖动的分布具有一定的随机性。,图6.27 抖动的相位函数示意图,1） 结构格式引入的抖动在数字复接时， 复接后的信息流中不仅仅是各支路的信息(如图6.28(a)所示)， 还插入了帧同步码和业务码等附加信息(如图6.28（b）所示)。 在分接端， 这些附加信息要被扣除， 这样就会在插入附加信息的位置上留下一些空隙， 如图6.28（c）所示。 这样一来， 在接收端的A、 B、 C、

42、D等信码相位就和理想位置产生了若干码位的偏移， 也就是说产生了若干比特的抖动。,图6.28 由附加信息位置引起的抖动,2） 由插入脉冲引起的基本抖动前面我们已经讲到， 在码速调整中， 当相位比较器检测到调整前后的相位差达到一个比特时， 将插入或扣除一位信码。 这样， 每插入或扣除一位信码， 码流相位就超前或滞后一个码位。 只要有脉冲插入或扣除， 这个抖动就肯定存在。 所以我们称这种抖动为基本抖动。 在图6.29中， 门限值b即代表一个比特的相位差， 当相位比较器检测到的相位差j(t)累积到该门限时， 就产生一次基本抖动。,3） 脉冲插入等候时间抖动在码速调整过程中， 每一个码速调整段的塞入码位

43、和标志码位都是固定的， 如图6.29中的V1V5。 所以， 在系统判断出某一码速调整段需要插入脉冲时， 插入脉冲并不能马上加入到码流之中， 它必须等到固定的插入码位到来之时才能插入。,图6.29 基本抖动和等候时间抖动累加示意图,4. 相位抖动的处理方法 在目前的光纤或无线传输系统中， 二四次群数字复接均采用正码速调整。 根据CCITT建议G.742、 G.751、 G.922， 其输出抖动在1520UI。 如此大的抖动在现代通信中有时是不能满足通信要求的。 因此， 近几年世界各国都在设法减小复接抖动。 一般来讲， 处理复接抖动可以从两个方面入手， 一是在接收端消除或减小抖动， 二是在发送端就

44、设法减小复接抖动。,在信号接收端， 通常用锁相环来去除抖动。 由于锁相环对相位噪声具有低通特性， 因此高频的抖动分量将被锁相环滤除， 通过锁相环后的剩余抖动仅为低频抖动分量。,综上所述， 在分接端只能对高频的抖动分量进行处理， 而低频抖动只能从其产生的机理上加以抑制。 目前比较常用的处理低频抖动的方法有如下三种： (1) 相位跟踪法， 其原理是抖动分量相互抵消。(2) 模型法， 其方式是将低频抖动移到较高频段。 (3) 插入门限调制法， 其做法是在固定调整门限上加上调制， 目的也是提高抖动频率。,6.4.4 同步数字体系(SDH) 光纤通信自20世纪80年代以来已经得到大规模的应用。 而随着电

45、信技术的不断发展和用户要求的逐渐提高， 前面所谈到的那种基于点对点传输的传统准同步数字系列（PDH）也暴露出了越来越多的缺陷， 已经很难满足现代数字通信的需要了。 PDH所暴露出的一些固有的弱点主要表现在如下几个方面：,(1) 从20世纪70年代初期至今， 全世界数字通信领域里存在着两个基本系列， 以2.048 Mb/s 为基础的称为一个系列， 以1.544 Mb/s为基础的称为另一个系列。(2) 由于没有世界性标准的光接口规范， 因此导致各个厂家自行开发的专用光接口（包括码型）大量出现； 导致不同厂家生产的设备只有通过光/电变换成为标准电接口（G.703建议）后才能互通， 而在光路上无法实现

46、互通和调配电路， 限制了联网应用的灵活性， 增加了网络的运营成本。 (3) PDH准同步系统多数采用异步复接， 大多数为正码速调整。,(4) 复接方式大多数采用按比特复接方式。 这种复接方式不利于现代信息的交换， 如语音编码采用的是8比特为1字节， 这就要求以字节为单位进行复接。 目前大规模存储器的容量已能满足PCM三次群以上复接的需要。 (5) 传统的PCM系统的帧中可供网络管理、 业务通信、 监控等的比特数太少， 在开通多路业务包括传输宽带数字流或需要传输网络管理信息时， 这样的帧就没法用了。,(6) 随着用户和网络技术的不断发展， 现代通信网络正向着高度灵活、 动态和智能化的方向发展，

47、即实现以图像业务为主的宽带业务， 要求网络能经济地提供大容量信息的传输能力， 能顺利地向B-ISDN过渡。,图6.30 STM-N的帧结构,1. SDH的基本概念 从SDH的产生背景可以看出， SDH概念的核心是从统一的国家信息网和国际互通的高度来组建数字通信网， 并构成BIP-ISDN的传送网络。SDH网络由一些SDH网元（NE）组成， 可以在光纤、 微波以及卫星上进行同步信息传输、复用、 分插和交叉连接。它具有世界统一的网络节点接口（NNI）， 从而简化了信号互通及传输、 复用和交叉连接的过程。 同时， 它有标准的信息结构等级， 被称为同步传输模块（STM-N）， 如图6.30所示。,1）

48、 同步传输模块STM-1的帧结构由于要求SDH网能够支持支路信号（2/34/140 Mb/s）在网中进行同步数字复用、 交叉连接和交换， 因而其帧结构必须具备下述功能： (1) 支路信号在帧内的分布是均匀的， 有规律的， 便于接入和取出。 (2) 对PDH各大系列信号， 都具有同样的方便性和实用性。,图6.31 STM-1段开销字段的安排,整个帧的结构大体分为三个功能区： (1) 段开销（SOH）区： 是指在STM帧结构中， 为了保证信息正常传送而供网络运行、 管理和维护所使用的附加字节， 如图6.31所示。 (2) 净负荷区： 存放的是有效传输信息， 也称为信息净负荷。(3) 管理单元指针（

49、AU-PTR）： 实际上是一组数码。,2） 同步传输模块STM-NSTM-1是同步数字体系中最基本的模块信号， 其传输速率为155.520 Mb/s， 而更高等级的STM-N可以认为是由N个基本模块信号STM-1经字节间同步复用而成的， N可取1, 4, 16,64, ， 这样4个STM-1同步信号按字复接成一个STM-4， 而4个同步STM-4信号又可以复接为一个STM-16。 各同步模块速率等级如下： STM-1： 155.520 Mb/s； STM-4： 622.080 Mb/s； STM-16： 2488.320 Mb/s； STM-64： 9953.280 Mb/s。,2. SDH的

50、特点 作为一种全新的传输体制， 它必然会对PDH体制规范加以借鉴， 这样使SDH同步数字体系具有如下特点。1) 具有全世界统一的网络节点接口不同的网络节点接口（NNI）具有不同的功能， 其中简单节点仅具有复用功能， 而复杂节点还具有终结、 交叉连接、 复用和交换等功能。 所谓网络节点接口， 是指传输设备与网络节点的接口， 其具体位置如图6.32所示。,图6.32 NNI在SDH网络中的位置示意图,2) 全面的兼容能力虽然， 北美、 日本和欧洲现已存在相互独立的三大数字系列， 但以1.554 Mb/s和2.048Mb/s为基群的各大系列数字信号均可以装入相应的“容器”， 然后被复接到155.520 Mb/s SDH的STM-1信息帧结构中的净负荷区内， 从而顺利完成由PDH向SDH的过渡， 使其具有后向兼容性。,