2.5 数字传输系统

2.5.1 脉码调制体制

在数字传输系统中的脉码调制PCM（Pulse Code Modulation）体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。由于历史的原因，PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM（简称为T1）和欧洲的30路PCM（简称为E1）。我国采用的是欧洲的E1标准。E1的速率是2.048Mb/s，而T1的速率是1.544Mb/s。

模拟电话信号转变为数字信号的过程大致如下。首先必须先对电话信号进行采样。根据采样定理，只要采样频率不低于电话信号最高频率的2倍，就可以从采样脉冲信号中无失真地恢复出原来的电话信号。标准的电话信号的最高频率为3.4kHz，为方便起见，采样频率就定为8kHz，相当于采样周期T=125μs。连续的电话信号经采样后成为每秒8000个离散脉冲信号，其振幅对应于采样时刻电话信号的数值。经模数变换后，每个脉冲信号编码为8位二进制码元。可见一个标准话路的模拟电话信号转换出的PCM信号的速率是每秒8000个8位二进制码元，即64kb/s。请注意，这个速率是最早制定出的话音编码的标准速率。但随着话音编码技术的不断发展，人们发现可以用更低的数据率（如32kb/s,16kb/s甚至低到8kb/s以下）来传送基本上是同样质量的话音信号。但是使用64kb/s标准的电话交换机已经遍及全世界，现在很难再改用较低速率的编码了。

为了有效地利用传输线路，通常总是将许多个话路的PCM信号用时分复用的方法装成帧（即时分复用帧），然后再送往线路上一帧接一帧地传输。请注意，时分复用是所有的用户在不同的时间，即在分配给自己的专用时隙占用大家共享的公共信道的（因而不会发生干扰）。但从频率域来看，大家所占用的频率范围却都是一样的。

PCM一次群E1的一个时分复用帧（其长度T=125μs）共划分为32个相等的时隙，每个时隙传送8 bit。因此整个的32个时隙共有256 bit。由于每秒传送8000个帧，因此E1的数据率就是2.048Mb/s。在32个时隙中，有两个时隙分别用于帧同步和传送信令（如用户的拨号信令），直接用于通话的共有30个时隙，因此一个E1时分复用帧共有30个话路。

北美使用的T1系统共有24个话路，每个话路的采样脉冲用7 bit编码，然后再加上1位信令码元，因此一个话路也是占用8 bit。帧同步码是在24路的编码之后加上1 bit，这样每帧共有193bit。因此T1一次群的数据率为1.544Mb/s。

当需要有更高的数据率时，可以采用复用的方法。例如，4个一次群就可以构成1个二次群。当然，1个二次群的数据率要比4个一次群的数据率的总和还要多一些，因为复用后还需要有一些同步的码元。表2-2给出了欧洲和北美系统的高次群的话路数和数据率。日本的一次群采用T1，但其另有一套高次群的标准。

表2-2 PCM数字传输系统的高次群的话路数和数据率

2.5.2 同步光纤网SONET和同步数字系列SDH

前面介绍的PCM数字传输系统存在着许多缺点，其中最主要的是以下两个。

（1）速率标准不统一。PCM一次群的数字传输速率有两个国际标准，一个是北美和日本的T1速率，而另一个是欧洲的E1速率。但是到了高次群日本又搞了第三种不兼容的标准。如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数据传输就很难实现，因为高次群的数字传输速率的转换十分困难。然而高次群的数字传输速率各国都已使用了不短的时间，谁都不愿意抛弃正在使用的大量设备并改用别人的数字传输速率标准。

（2）不是同步传输。前面已经讲过，在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式。这时，必须采用复杂的脉冲填充方法才能补偿由于频率不准确而造成的定时误差，这就给数字信号的复用和分用带来许多麻烦。当数据传输的速率较低时，收发双方时钟频率的微小差异并不会带来严重的不良影响。但是当数据传输的速率不断提高时，收发双方的时钟同步就成为迫切需要加以解决的问题。

为了解决上述问题，美国在1988年首先推出了一个数字传输标准，叫做同步光纤网SONET（Synchronous Optical Network）。整个同步网络的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟（通常采用昂贵的铯原子钟，其精度优于±1×10-11）。SONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构，其传输速率以51.84 Mb/s为基础，大约对应于T3/E3的传输速率，此速率对电信号称为第1级同步传送信号（Synchronous Transport Signal），即STS-1；对光信号则称为第1级光载波（Optical Carrier），即OC-1。现已定义了从51.84Mb/s（即OC-1）一直到约40Gb/s（即OC-768/STS-768）的标准。

ITU-T以美国标准SONET为基础，制定出国际标准同步数字系列SDH（Synchronous Digital Hierarchy），即1988年通过的G.707~G.709等三个建议书。到1992年又增加了十几个建议书。一般可认为SDH与SONET是同义词，但其主要不同点是：SDH的基本速率为155.52Mb/s，称为第1级同步传递模块（Synchronous Transfer Module），即STM-1，相当于SONET体系中的OC-3速率。表2-3为SONET和SDH的比较。为方便起见，在谈到SONET/SDH的常用速率时，往往不使用速率的精确数值而是使用表中第二列给出的近似值作为简称。

表2-3 SONET的OC级/STS级与SDH的STM级的对应关系

SDH/SONET定义了标准光信号，规定了波长为1310nm和1550nm的激光源。在物理层定义了帧结构。SDH的帧结构是以STM-1为基础的，更高的等级是用N个STM-1复用组成STM-N，如4个STM-1构成STM-4，16个STM-1构成STM-16。

SDH/SONET标准的制定，使北美、日本和欧洲这三个地区三种不同的数字传输体制在STM-1等级上获得了统一。各国都同意将这一速率，以及在此基础上的更高的数字传输速率作为国际标准。这是第一次真正实现了数字传输体制上的世界性标准。现在SDH/SONET标准已成为公认的新一代理想的传输网体制，因而对世界电信网络的发展具有重大的意义。SDH标准也适合于微波和卫星传输的技术体制。