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同步數字制式(SDH)光纖傳輸系統可以說是電時分復用的一種最典型應用。
一、時分復用工作原理
時分復用是采用交錯排列多路低速模擬或數字信道到一個高速信道上傳輸的技術。
時分復用系統的輸入可以是模擬信號,也可以是數字信號。目前時分復用通信方式的輸入信號多為數字比特流,所以,本書只討論數字信號時分復用。
如果輸入的是模擬信號,則需將模擬信號轉變為數字信號,其轉變的原理是,利用脈沖編碼調制方法,將語音模擬信號取樣、量化和編碼,使之轉變為數字信號。為了實現TDM傳輸,要把傳輸時間按幀劃分,每幀125μs,幀又分為若干個時隙,在每個時隙內傳輸一路信號的1個字節(8bit),當每路信號都傳輸完1個字節后就構成1幀,然后再從頭開始傳輸每一路的另1個字節,以便構成另1幀。也就是說,它將若干個原始的脈沖調制信號在時間上進行交錯排列,從而形成一個復合脈沖串,如圖9.3.1b所示,該脈沖串經光纖信道傳輸后到達接收端。在接收端,采用一個與發送端同步的類似于旋轉式開關的器件,完成TDM多路脈沖流的分離。
圖9.3.1a為32路數字信道(E1)時分復用系統的原理圖。首先,同步或異步數字比特流送入輸入緩存器,在這里被接收并存儲。然后一個類似于旋轉式開關的器件以8000轉/秒(即fs=8kHz/s)的速率輪流地讀取N個輸入數字信道緩存器中的1字節數據,其目的是實現每路數據流與復用器取樣速率的同步和定時。同時,幀緩存器按順序記錄并存儲每路輸入緩存器數據字節通過的時間,從而構成數據幀。N個信道復用后的幀結構如圖9.3.1b所示。
圖9.3.1數字輸入時分復用原理圖
a)32路數字信道(E1)時分復用系統原理圖b)N個信道復用后的幀結構
語音信號的頻帶為300~3400Hz,取上限頻率為4000Hz,按取樣定理,取樣頻率為fs=2×4kHz=8kHz(即每秒取樣8000次)。取樣時間間隔T=1/fs=1s/8000=125μs,即幀長為125μs。在125μs時間間隔內要傳輸8個二進制代碼(比特),每個代碼所占時間為Tb=125/8(μs),所以每路數字電話的傳輸速率為B=1/Tb=8×106/125=64(kbit/s)(或者8bit/每次取樣×8000次/每秒取樣)。按照國際電聯的建議,把1幀分為32個時隙,其中30個時隙用于傳輸30路PCM電話,另外2個時隙分別用于幀同步和信令/復幀同步,則傳輸速率為64kbit/s×32=2048kbit/s(也就是8bit/每個取樣值×32個取樣值/每次×8000次/每秒)。這一速率就是我國PCM通信制式的基礎速率。
當每個信道的數據(通常是一個8bit字節)依次插入幀時隙時,由于信道速率較低,而復用器取樣速率較高,有可能出現沒有數據字節來填充幀時隙的情況,此時可用一些空隙字節來填充,在接收端把它們提取出來丟棄。在幀一級,也要插入一些定時和開銷比特,其目的是使解復用器與復用器同步。為了檢測誤碼并滿足監控系統的需要,也插入另外一些比特。這些填充比特、同步比特、誤碼檢測和開銷比特在圖9.3.1中用幀開銷(FOH)時隙表示。
為了在光纖中傳輸,要對已形成的串聯比特流編碼(見9.1.2節)。在接收端,接收轉換開關要與發送轉換開關幀同步,恢復定時信號,解碼并轉換成雙極非歸零脈沖波形。該信號被送入接收緩沖器,同時也檢出控制和誤碼信號。然后把存儲的幀信號依次地從接收緩沖器取出,每路字節信號分配到各自的輸出緩沖器和解同步器。輸出緩沖器存儲信道字節并以適當的信道速率依次提供與輸入比特流速率相同的輸出信號,從而完成時分解復用的功能。
二、SDH幀結構和傳輸速率
在SDH傳輸網中,信息采用標準化的模塊結構,即同步傳送模塊STM-N(N=1、4、16、64和256),其中N=1是基本的標準模塊。
SDH幀結構是塊狀幀,如圖9.3.2所示,它由橫向270×N列和縱向9行字節(1字節為8比特)組成,因而全幀由2430個字節,相當于19440個比特組成,幀重復周期仍為125μs。字節傳輸由左到右按行進行,首先由圖中左上角第1個字節開始,從左到右,由上而下按順序傳送,直至整個9×270×N字節都傳送完為止,然后再轉入下一幀,如此一幀一幀地傳送,每秒共8000幀。因此對于STM-1而言(N=1),每秒傳送速率為(8比特/字節×9×270字節)/幀×8000幀/秒=155.52Mbit/s;對于STM-4而言(N=4),每秒傳送速率為8×9×270×4×8000=622.08(Mbit/s);對于STM-16而言(N=16),每秒傳送速率為8×9×270×16×8000=2480.32Mbit/s。