同步數(shù)字傳輸技術(shù)

內(nèi)容概要

　　本書全面介紹數(shù)字通信中模擬信號數(shù)字化傳輸?shù)幕驹?，?nèi)容包括語音信號的PCM編碼、ADPCM和目前移動通信、IP網(wǎng)絡常用的語音壓縮編碼技術(shù)，以及二維圖像信號和視頻信號壓縮編碼的基本原理；重點介紹同步數(shù)字傳輸體系SDH的幀結(jié)構(gòu)、SDH的復用原理、SDH設備、SDH網(wǎng)的保護與恢復原理、SDH網(wǎng)同步方法和傳輸性能；并介紹了基于SDH的多業(yè)務傳送平臺的特點、技術(shù)基礎(chǔ)和發(fā)展概況。
　　本書可作為高等學校通信工程專業(yè)的教材，也可供從事數(shù)字通信傳輸?shù)墓こ碳夹g(shù)人員使用。

書籍目錄

前言
第1章 概述
1.1 模擬通信和數(shù)字通信
1.1.1 通信系統(tǒng)模型
1.1.2 通信系統(tǒng)分類
1.1.3 模擬通信系統(tǒng)
1.1.4 數(shù)字通信系統(tǒng)
1.2 數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標
1.2.1 有效性指標
1.2.2 可靠性指標
1.3 數(shù)字信號傳輸發(fā)展概況
習題
第2章 語音信號的數(shù)字化
2.1 語音信號的基本特征
2.1.1 語音信號的統(tǒng)計特征
2.1.2 衡量語音質(zhì)量的指標
2.2 語音信號的脈沖編碼調(diào)制
2.2.1 抽樣原理
2.2.2 量化理論
2.2.3 編碼與譯碼
2.2.4 常用PCM芯片介紹
2.3 語音信號壓縮編碼簡介
2.3.1 語音信號典型壓縮編碼方法
2.3.2 移動通信系統(tǒng)中語音壓縮編碼簡介
2.3.3 IP電話系統(tǒng)中語音壓縮編碼簡介
習題
第3章 圖像信號的數(shù)字化
3.1 圖像信號的基本特征
3.1.1 圖像信號的基本概念
3.1.2 圖像信號的分類
3.1.3 圖像信號的數(shù)字編碼
3.1.4 數(shù)字圖像信號的特點
3.1.5 圖像信號的傳輸
3.2 圖像信號的數(shù)字化方法簡介
3.2.1 圖像信號編碼的主要方法
3.2.2 圖像編碼的相關(guān)標準
3.3 視頻編碼原理簡介
3.3.1 視頻信號的基本特征及視頻編碼的基本原理
3.3.2 視頻編碼框架及相關(guān)標準
習題
第4章 數(shù)字傳輸體系及其幀結(jié)構(gòu)
4.1 時分復用的基本原理
4.1.1 多路復用的概念及構(gòu)成
4.1.2 時分復用系統(tǒng)及其幀同步
4.2 PCM基群系統(tǒng)構(gòu)成
4.2.1 PCM30／32路系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)
4.2.2 PCM30／32路時鐘系統(tǒng)
4.2.3 PCM30／32路幀同步系統(tǒng)
4.2.4 信令信號系統(tǒng)
4.2.5 PCM30／32路系統(tǒng)構(gòu)成
4.3 數(shù)字復接體系
4.3.1 數(shù)字復接的概念及實現(xiàn)方法
4.3.2 PDH體系
4.3.3 SDH體系
4.4 異步信號的同步化方法
4.4.1 滑動存儲法
4.4.2 碼速調(diào)整法
4.4.3 指針處理法
4.5 PDH幀結(jié)構(gòu)
4.5.1 二次群同步復接
4.5.2 二次群異步復接
4.5.3 復接抖動
4.5.4 PCM高次群幀結(jié)構(gòu)
4.6 SDH幀結(jié)構(gòu)
4.6.1 STM-1幀結(jié)構(gòu)
4.6.2 STM-N幀結(jié)構(gòu)
4.7 SDH與PDH的比較
習題
第5章 SDH的復用原理
5.1 SDH的復用結(jié)構(gòu)
5.2 SDH的映射原理
5.2.1 映射方式的分類
5.2.2 支路信號2.048Mb／s的異步映射
5.2.3 支路信號2.048Mb／s的比特同步映射
5.2.4 支路信號2.048Mb／s的字節(jié)同步映射
5.2.5 支路信號34.368Mb／s的異步映射
5.2.6 支路信號34.368Mb／s的同步映射
……
第6章 SDH設備
第7章 同步傳輸網(wǎng)絡的保護與恢復
第8章 SDH的網(wǎng)同步
第9章 SDH網(wǎng)絡的傳輸性能
第10章 基于SDH的多業(yè)務傳送平臺
參考文獻

章節(jié)摘錄

第1 章　概述本章主要內(nèi)容：1.數(shù)字通信系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)；2.與模擬通信相比，數(shù)字通信的特點；3.多路通信的概念及主要方法；4.衡量數(shù)字通信系統(tǒng)的性能指標；5.數(shù)字通信的發(fā)展概況。以電話交換網(wǎng)絡為代表的傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡是由傳輸、交換和終端三大部分組成的。傳輸是傳送信息的媒體，交換（主要是指交換機）是各種終端信息交換的中介體，如程控交換機，終端是指用戶使用的話機、手機、傳真機和計算機等。近年來，遍及全球的互聯(lián)網(wǎng)由多個計算機網(wǎng)絡相互連接而成，在人們的生活中占據(jù)了重要地位?；ヂ?lián)網(wǎng)由傳輸、交換（這里主要是指路由器、交換機和集線器）和終端等幾部分組成。不論是傳統(tǒng)的通信網(wǎng)、現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)，還是未來采用何種協(xié)議與技術(shù)的信息網(wǎng)絡，信息傳輸均為網(wǎng)絡的重要組成部分。本書主要介紹語音、圖像、數(shù)據(jù)等各種業(yè)務信息的傳輸技術(shù)。數(shù)字傳輸就是將信源發(fā)出的消息以數(shù)字信號的形式進行傳輸最終到達終端的過程。消息可以通過語言（語聲） 、文字（數(shù)據(jù)） 、圖像（圖片）等來表述，這樣通信所傳遞的消息有各種不同的形式，如符號、文字、語言、音樂、數(shù)據(jù)、圖片、活動畫面等。語音、視頻的數(shù)字信號具有實時性，數(shù)據(jù)業(yè)務如IP 數(shù)據(jù)具有突發(fā)性，將具有各種不同特性的業(yè)務信號統(tǒng)一在同步數(shù)字體系（synchronous digital hierarchy ，SDH）網(wǎng)絡中傳輸?shù)南嚓P(guān)技術(shù)是本書介紹的主要內(nèi)容。1.1　 模擬通信和數(shù)字通信1.1.1　 通信系統(tǒng)模型人類社會發(fā)展到今天已創(chuàng)造了許多種通信方法，如古代的烽火狼煙、金鼓、旌旗，近代的燈光信號、旗語，現(xiàn)代的移動電話、有線電視、IP 網(wǎng)絡等。由于電信具有迅速、準確、可靠且不受時間、地點、距離等方面限制的優(yōu)點，致使這種借助電來傳遞消息的通信方式在近百年來獲得了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。在光纖通信尚未廣泛應用之前，自然科學中的“通信”幾乎就是“電信”的同義詞。需要注意的是，本書里的通信是指遠距離的通信，英文對應的詞是Tele-communication 。為了適應遠距離傳輸，通常在通信系統(tǒng)的發(fā)送端，需要對信源信號進行調(diào)制等特別的處理過程。圖1.1.1 給出了通信系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)示意圖。在這里信源發(fā)出的信號可以是模擬信號，如語音、視頻，也可以是數(shù)據(jù)信號，如電報、高速數(shù)據(jù)。盡管通信系統(tǒng)種類繁多、形式多樣，但總的來說，無論是何種通信系統(tǒng)，目的都是要完成一點到另一點的信息傳遞，這樣可把通信系統(tǒng)概括為一個統(tǒng)一的系統(tǒng)模型。通信系統(tǒng)模型中各部分的功能如下。信源：信源是指發(fā)出信息的信息源，即信息的發(fā)出者，它可是人也可以是機器。變換器：變換器的功能是把信源發(fā)出的信息變換成適合在信道上傳輸?shù)男盘?。一般來講，它先把非電信號變成電信號，然后再對這種電信號進一步處理，使其變換成適合某種具體信道傳輸要求的信號。信道：信道是信號的傳輸媒介，可分為有線信道（明線、電纜、光纖光纜）和無線信道（空氣等） 。噪聲源：在實際通信情況中，客觀存在著一種不可避免的干擾，為分析方便，常把發(fā)端、收端和傳輸信道三個方面的干擾折合到信道中，合成為一個總的噪聲源。反變換器：它是把經(jīng)信道來的信號按變換器的相反過程變成原信息或變換成信息接收者可以接收的信息。信宿：信宿就是信息接收者。它可以是人也可以是機器。它可以和信源一致，同是人或機器，也可和信源不一致。1.1.2　 通信系統(tǒng)分類語音、視頻、文字和圖像等都是表示信息的形式。由于信源的不同從而產(chǎn)生各種類型的通信系統(tǒng)，如電話通信系統(tǒng)、視頻信息傳輸系統(tǒng)、圖像信息傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)信息傳輸系統(tǒng)。但不同的信源所產(chǎn)生的信息都要經(jīng)變換器處理成適合在信道上傳輸?shù)男盘柡蟛趴梢詡鬏?，信號是攜帶信息的載體，通常的信號有電壓、電流、光波、電磁波等可以感知的物理參量。根據(jù)信號物理參量基本特征的不同，信號可以分為模擬信號和數(shù)字信號兩大類。模擬信號是指代表消息的信號及其參數(shù)（幅度、頻率或相位）隨著消息連續(xù)變化的信號，它在幅度上連續(xù)，但在時間上則可以連續(xù)也可以不連續(xù)。例如連續(xù)變化的語音信號、電視圖像信號以及許多物理的遙測遙控信號都是模擬信號，例如圖1.1.2 的時間連續(xù)的模擬信號。抽樣后的脈沖幅度調(diào)制信號（PAM）由于其幅度仍然是連續(xù)的，所以PAM 信號也是模擬信號。數(shù)字信號通常是指不僅在時間上是離散的且在幅度上也是離散的信號，如圖1.1.3 所示。例如電報信號、數(shù)據(jù)信號、PCM 信號等。通常數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)亩酁槎M制信號，這主要是由于二進制信號可以用邏輯數(shù)字電路來實現(xiàn)，而邏輯數(shù)字電路易于集成。模擬信號與數(shù)字信號形式不同，物理特性也不同，因此在傳輸過程中對信號的處理方式也不同。通信系統(tǒng)從不同的角度進行分析，可以得到不同的分類方法。不僅可以從信源的角度根據(jù)業(yè)務的不同進行分類，還可以從傳輸?shù)慕嵌雀鶕?jù)信號傳輸媒質(zhì)的不同進行分類。如果根據(jù)信道中所傳輸信號的不同形式進行分類，通信系統(tǒng)可分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。利用模擬信號傳遞消息的通信系統(tǒng)就是模擬通信系統(tǒng)，利用數(shù)字信號傳遞消息的通信系統(tǒng)就是數(shù)字通信系統(tǒng)。本書將在簡要介紹模擬通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，重點介紹數(shù)字通信系統(tǒng)中的終端信源編碼和信道傳輸?shù)南嚓P(guān)理論和技術(shù)。1.1.3　 模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)框圖如圖1.1.4 所示。在模擬通信系統(tǒng)中，由于調(diào)制方法簡單、易于實現(xiàn)，在通信歷史上曾一度得到了迅猛發(fā)展，但同時也存在著許多缺點，主要缺點如下。（1） 抗干擾能力差。由于模擬通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖悄M信號，信息信號和噪聲信號均具有隨機性，因此疊加在信號中的噪聲無法清除，經(jīng)過長距離傳輸后，被噪聲干擾的信號只能放大而無法再生?？垢蓴_能力差是模擬通信系統(tǒng)最致命的缺點。（2） 不易保密通信。模擬信號也可以進行加密處理，但是由于信號進行非線性變換易產(chǎn)生較大失真，且模擬調(diào)制的方法極其有限，因此保密性差。（3） 不易于大規(guī)模集成。模擬通信系統(tǒng)中大都采用模擬電路，一些電阻、電容、電感、變壓器等常用于模擬通信系統(tǒng)中的器件不易大規(guī)模集成。由于模擬通信的諸多缺點，特別是一些致命的缺點限制了它的發(fā)展。自20 世紀60 年代以來，在電信網(wǎng)的傳輸系統(tǒng)中，模擬通信傳輸系統(tǒng)逐步被數(shù)字通信傳輸系統(tǒng)所替代。在通信網(wǎng)的終端、傳輸、交換三大元素中，我國骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)的傳輸已經(jīng)全部數(shù)字化，接入網(wǎng)的傳輸也在逐步數(shù)字化。通信網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)圖見圖1.1.5 。1.1.4　 數(shù)字通信系統(tǒng)1.數(shù)字通信系統(tǒng)組成數(shù)字通信系統(tǒng)的形式各式各樣。從數(shù)字通信系統(tǒng)的共同特點以及所完成的功能來看，可把它概括成圖1.1.6 所示的系統(tǒng)模型。1） 信源與信宿信源所發(fā)出的消息可以是離散的，也可以是連續(xù)的，信源與信宿可是人也可是機器，可以相同也可以不相同。2） 電/非電信號轉(zhuǎn)換如果信源發(fā)出的是非電信號，在信源的發(fā)送端則應進行“非電/電”變換，在信源的接收端需要進行“電/非電”變換。3） 信源編碼與信源譯碼信源編碼也稱為A/D 變換，是模擬信號數(shù)字化過程，如文字信息的莫爾斯電碼， SDH 系統(tǒng)中語音信號采用的脈沖編碼調(diào)制（pulse code modulation ，PCM）編碼、自適應脈沖編碼調(diào)制（adaptive delt PCM ，ADPCM）編碼，GSM 移動通信系統(tǒng)中語音信號采用的規(guī)則脈沖激勵長期預測（ regular pulse excitation-long term prediction ，RPE-LTP） 編碼，視頻信號的MPEG 、H.264 編碼等。如果信源本身就已符合下一環(huán)節(jié)所要求的數(shù)字信號，這一環(huán)節(jié)則可略去，例如計算機作為信源輸出的二進制數(shù)據(jù)信號。信源譯碼也稱為D/A 轉(zhuǎn)換，其作用正好與A/D轉(zhuǎn)換相反，是把數(shù)字信號序列還原為模擬信號。在通信網(wǎng)傳輸系統(tǒng)中，數(shù)字（digital）與數(shù)據(jù)（data）并不是完全相同的概念，通常來講，數(shù)字通信包含數(shù)據(jù)通信和模擬信號的數(shù)字化傳輸兩部分。4） 加密與解密為了實現(xiàn)保密通信，通過加密器可以產(chǎn)生密碼，人為地把待傳輸?shù)臄?shù)字信號序列攪亂。這種編碼可采用周期非常長的偽隨機碼序列、混沌序列等，在接收端根據(jù)已知的加密方法，對接收序列進行解密。目前在公共通信網(wǎng)絡的有線傳輸系統(tǒng)中，通常不采用加密技術(shù)。5） 信道編碼與信道譯碼信道編碼是為了使信源編碼輸出的隨機數(shù)字信號適合信道傳輸而進行的有規(guī)則的編碼過程，主要是為解決可靠性問題而設計的。由于數(shù)字信號在信道傳輸過程中不可避免地要受到各種噪聲的干擾，在接收端接收數(shù)字信號序列的判決過程中將會以一定的概率產(chǎn)生碼元的判決錯誤，從而產(chǎn)生誤碼。信道編碼就是采用一種對傳輸?shù)脑紨?shù)字信息按一定規(guī)則加入保護成分的辦法，以達到自身發(fā)現(xiàn)和糾正誤碼的目的，如奇偶校驗、循環(huán)編碼等。信道譯碼過程與信道編碼過程正相反。信道編譯碼技術(shù)稱為“差錯控制技術(shù)” 。6） 調(diào)制器與解調(diào)器通常稱經(jīng)信源編碼器輸出的二元數(shù)字信號為基帶信號，如果進行有線信號傳輸（如電纜、光纖） ，通常僅是對基帶信號進行一定規(guī)則的碼型變換，如AM1 碼、HDB3 碼、4B3 T 碼的碼型變換。由于二元數(shù)字基帶信號進行AMI 、HDB3 、4B3 T 碼型變換后的信號主要能量頻帶范圍并沒有發(fā)生變換，因此將這種碼型變換也稱為基帶調(diào)制。又由于信源編碼后的數(shù)字信號進行碼型變換后可在信道中直接傳輸，有時也稱AMI 、HDB3 、4B3 T 編碼為信道編碼，但更多時候稱其為基帶調(diào)制或線路編碼。在SDH 傳輸網(wǎng)絡中，通常不采用基帶調(diào)制，僅進行統(tǒng)一的擾碼處理后就直接在光纖信道中進行基帶傳輸，通過時分復用、波分復用或多條光纖并行傳輸來提高傳輸容量。但是在無線信道中，必須通過調(diào)制方式才能將基帶信號的頻譜搬移到適合的頻段上才可以實現(xiàn)遠距離傳輸。調(diào)制的作用是把原始數(shù)字基帶信號變?yōu)檫m合于信道傳輸?shù)念l帶信號。解調(diào)的是調(diào)制的反過程。通常對數(shù)字信號的基本調(diào)制有ASK（幅移鍵控） 、FSK（頻移鍵控）和PSK（相移鍵控） 。GSM 移動通信系統(tǒng)中采用的GMFSK（高斯最小頻移鍵控）調(diào)制方式，3G WCDMA 技術(shù)采用的QPSK（正交相移鍵控）等，不同的調(diào)制方法有著不同的性能。數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)是數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)空中接口的重要組成部分。調(diào)制與解調(diào)方式對通信的質(zhì)量影響比較大，因此應合理選擇。7） 信道信道有電纜、光纜、空氣等。由于信號在信道中傳輸一定距離后，疊加在信號上的各種噪聲干擾使信號產(chǎn)生失真，當這種干擾達到一定程度時，需要對失真的信號波形進行再生才能進行長距離傳輸，因此再生中繼器屬于廣義信道的一部分，如光通信系統(tǒng)中的光再生中繼器、微波通信中的中繼站、衛(wèi)星通信中衛(wèi)星上的信號轉(zhuǎn)發(fā)器等。8） 復用與分路復用就是多路信號互不干擾地在同一信道傳輸?shù)姆绞剑缭谕桓饫w、同一對電纜或同在空氣中傳輸。常用的多路復用方式有頻分復用（ FDM） 、時分復用（ TDM） 和碼分復用（CDM） 。本書的核心內(nèi)容是介紹各種不同業(yè)務數(shù)字信號如何在SDH 中傳輸?shù)膹陀眉夹g(shù)。分路的作用與復用相反。另外，在數(shù)字信號復用過程中，為了使接收端能夠正確分接多路分支信號，必須保證收、發(fā)系統(tǒng)同步。因此同步系統(tǒng)是復用單元中十分重要的內(nèi)容。2.數(shù)字通信的特點從數(shù)字通信系統(tǒng)中很容易發(fā)現(xiàn)數(shù)字通信有著許多模擬通信無法比擬的優(yōu)點。1） 抗干擾能力強信號在傳輸過程中不可避免地要受到各種噪聲的干擾。對于模擬信號來說，疊加在模擬信號上的噪聲難以與信號分開。同樣疊加在數(shù)字信號波形上的噪聲也是難以去除的，但由于數(shù)字通信系統(tǒng)傳送的數(shù)字信號，其信息并不存在于用于表示數(shù)字信號的脈沖波形的形狀，而是包含在脈沖波形的有無之中，所以只有噪聲在判決時超過某個范圍了，才有可能產(chǎn)生錯誤判決，造成誤碼，如圖1.1.7 所示。因此，數(shù)字信號比模擬信號的抗干擾能力強，而且數(shù)字信號還可進行抗干擾編碼（糾錯編碼） ，進一步提高其抗干擾能力。2） 采用再生中繼可實現(xiàn)高質(zhì)量遠距離傳輸在數(shù)字通信系統(tǒng)中，傳送的數(shù)字信號大多是二元的。例如，二元數(shù)字信號只有兩個狀態(tài)“0”和“1” ，在傳輸信道中受到噪聲干擾，當干擾達到一定程度，進入再生中繼器，再生中繼器中的判決電路對收到的二元信號波形信號進行判決，例如抽樣判決時，當信號幅度超過規(guī)定門限值時，就判為“1” ，否則判為“0” 。這些判決值通過波形形成電路，以沒有噪聲干擾的“純凈”的脈沖波形向下一站繼續(xù)發(fā)送直到達到終端，這樣將抑制噪聲的影響。在理想情況下，噪聲可全部清除，不會產(chǎn)生積累。正因為數(shù)字信號可以再生，所以在遠距離傳輸時，可通過多個再生中繼實現(xiàn)高質(zhì)量的遠距離傳輸。3） 靈活性強適應各種業(yè)務要求在數(shù)字通信系統(tǒng)中，各種消息（電話、視頻、圖像和數(shù)據(jù)等）均可變?yōu)榻y(tǒng)一的數(shù)字信號進行傳輸。在系統(tǒng)中對數(shù)字信號傳輸情況的監(jiān)視信號、控制信號及業(yè)務信號均可采用數(shù)字信號。數(shù)字傳輸與數(shù)字交換技術(shù)結(jié)合起來組成的綜合業(yè)務數(shù)字通信網(wǎng)（ISDN）對于來自不同信息源的信號自動地進行變換、綜合、傳輸、處理、存儲和分離，實現(xiàn)各種綜合業(yè)務，這給實際應用帶來極大的方便。4） 易于加密數(shù)字通信的加密只采用簡單的邏輯電路即可實現(xiàn)，例如，圖1.1.8 為一個簡單的數(shù)字信號加密過程。設X1 為編碼數(shù)字信號序列，Y 為密碼序列，密碼序列為10 ，Z 為加密后的碼序列，

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