1.1 PDH的局限性

1.1.1 PCM基本概念

1．PCM的概念

数字通信是以数字信号的形式来传递消息的，其传输的主要对象是话音信号等。而话音信号是幅度、时间取值均连续的模拟信号，所以数字通信所要解决的首要问题是模拟信号的数字化，即模/数变换（A/D变换）。

模/数变换的方法主要有脉冲编码调制（PCM）、差值脉冲编码调制（DPCM）、自适应差值脉冲编码调制（ADPCM）、增量调制（DM）等。

脉冲编码调制（PCM）是对模拟信号的瞬时抽样值量化、编码，以将模拟信号转化为数字信号。

2．PCM通信系统的构成

若模/数变换的方法采用PCM，由此构成的数字通信系统称为PCM通信系统。采用基带传输的PCM通信系统构成方框图如图1-1所示。

PCM通信系统由以下三个部分构成。

（1）模/数变换

模/数变换（A/D变换）具体包括抽样、量化、编码三步。

① 抽样

所谓抽样就是每隔一定的时间间隔T（称为抽样周期），抽取模拟信号的一个瞬时幅度值（样值）。即抽样是把模拟信号在时间上离散化，变为脉冲幅度调制（PAM）信号。

抽样是由抽样门来完成的，在抽样脉冲ST（t）的控制下，抽样门闭合或断开，如图1-2所示。

每当有抽样脉冲时，抽样门开关闭合，其输出取出一个模拟信号的样值；当抽样脉冲幅度为零时，抽样门开关断开，其输出为零（假设抽样门等效为一个理想开关）。抽样后所得出的一串在时间上离散的样值称为样值序列或样值信号，也称为 PAM 信号，由于其幅度取值仍然是连续的，所以它仍属于模拟信号。

抽样要满足抽样定理。根据推导得出低通型信号（模拟信号的频率范围为f0～fM，B=fM−f0，若f0<B称为低通型信号）的抽样定理为：“一个频带限制在fMHz 以下的连续信号m()t，可以唯一地用时间每隔秒的抽样值序列来确定。”即对于频率范围为f0～fM的模拟信号，其抽样频率。否则，抽样后的PAM信号会产生折叠噪声，收端将无法用低通滤波器准确地恢复或重建原模拟信号（推导及说明从略，详见《数字通信原理》相关教材）。

话音信号的最高频率限制在 3400Hz，这时满足抽样定理的最低的抽样频率应为fSmin=6800Hz，为了留有一定的防卫带，CCITT规定话音信号的抽样频率为fS=8000Hz，这样就留出了8000−6800=1200Hz作为滤波器的防卫带。

② 量化

量化是将时间域上幅度连续的样值序列变换为幅度离散的信号（量化值）。即量化是把PAM信号在幅度上离散化，变为量化值（共有N个量化值）。

量化分为均匀量化和非均匀量化两种。均匀量化是在量化区内（即量化范围为−U～+U，U为过载电压。话音信号为小信号时出现的机会多，而大信号时出现的机会少，其主要分布在−U～+U之间）均匀等分N个小间隔。非均匀量化大、小信号的量化间隔不同，信号幅度小时，量化间隔小，其量化误差也小；信号幅度大时，量化间隔大，其量化误差也大。数字通信系统中通常采用非均匀量化。

实现非均匀量化的方法有模拟压扩法和直接非均匀编解码法，目前一般采用直接非均匀编解码法。所谓直接非均匀编解码法是在发端根据非均匀量化间隔的划分直接将样值编码（非均匀编码），在编码的过程中相当于实现了非均匀量化，收端进行非均匀解码。

③ 编码

编码是用二进码来表示N个量化值，每个量化值编l位码，则有N=2l。

值得说明的是：由于直接非均匀编解码法是发端根据非均匀量化间隔的划分直接将样值编码，在编码的过程中相当于实现了非均匀量化，所以实际数字通信系统中采用的编码器是对样值编码。

（2）信道部分

信道部分包括传输线路及再生中继器。再生中继器可消除噪声干扰，所以数字通信系统中每隔一定的距离加一个再生中继器以延长通信距离。

（3）数/模变换

接收端首先利用再生中继器消除数字信号中的噪声干扰，然后进行数/模变换。数/模变换包括解码和低通两部分。

① 解码

解码是编码的反过程，假设忽略量化误差（量化值与 PAM 信号样值之差）的话，解码后还原为PAM信号。

② 低通

收端低通的作用是恢复或重建原模拟信号。

1.1.2 PCM30/32路系统

1．时分多路复用通信

（1）时分多路复用的概念

所谓时分多路复用（即时分制）是利用各路信号在信道上占有不同时间间隔的特征来分开各路信号。具体来说，把时间分成均匀的时间间隔，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隔内，以达到互相分开的目的。

（2）PCM时分多路复用通信系统的构成

PCM时分多路复用通信系统的构成如图1-3所示。为简化起见只绘出3路复用情况，现结合图1-4所示波形图说明时分复用通信系统的工作原理。

各路信号先经低通滤波器（截止频率为3.4kHz）LP将频带限制在0.3～3.4kHz以内，防止高于 3.4kHz 的信号通过，避免抽样后的 PAM 信号产生折叠噪声。然后各路话音信号(m1(t)～m3(t))经各自的抽样门进行抽样，抽样间隔均为T=125μs(fS=8kHz)，抽样脉冲ST1(t)～ST3(t)的脉冲出现时刻依次错后，因此各路样值序列在时间上是分开的，从而达到合路的目的。

由于编码需要一定的时间，为了保证编码的精度，要将样值展宽占满整个时隙，因此合路的PAM信号送到保持电路，它将每一个样值记忆一个路时隙，然后经过量化编码变成PCM信码，每一路的码字依次占用一个路时隙。

在接收端，解码后还原成合路的PAM信号（假设忽略量化误差）。由于解码是在一路码字（每个样值编8位码，8位码称为一个码字）都到齐后，才解码成原抽样值，所以在时间上推迟了一些。最后通过分路门电路，将合路的 PAM 信号分配至相应的各路中去，即分成各路的PAM信号，经低通重建、近似地恢复为原始话音信号。

以上是以 3 路为例介绍的，一般复用的路数是n路，道理一样。另外，发端的n个抽样门通常用一个旋转开关K1来实现；收端的n个分路门用旋转开关K2来实现，如图1-5所示。

这里顺便介绍以下几个概念。

● 1 帧——抽样时各路每轮一次的总时间（即图 1-5 开关旋转一周的时间），也就是一个抽样周期。

● 路时隙（时隙）——路时隙（tc）是合路的 PAM 信号每个样值所允许占的时间间隔。

● 位时隙——1位码的时间。

2．PCM30/32路系统帧结构

图1-6是PCM30/32路系统（称为基群，也叫一次群）的帧结构图。

由上述已知，话音信号采用8kHz抽样，抽样周期为125μs，所以一帧的时间（即帧周期）T＝125μs。每一帧由32个路时隙组成（每个时隙对应一个样值，一个样值编8位码），各时隙的分配如下。

（1）30个话路时隙：TS1～TS15，TS17～TS31

TS1～TS15分别传送第1～15路（CH1～CH15）话音信号，TS17～TS31分别传送第16～30路（CH16～CH30）话音信号。

（2）帧同步时隙：TS0

帧同步是保证收端与发端相应的话路在时间上要对准。为了实现帧同步：

偶帧TS0——发送帧同步码0011011；偶帧TS0的8位码中第1位保留给国际用，暂定为1，后7位为帧同步码。

奇帧TS0——发送帧失步告警码。奇帧TS0的8位码中第1位也保留给国际用，暂定为1。其第2位码固定为1码，以便在接收端用以区别是偶帧还是奇帧（因为偶帧的第2位码是0码）。第3位码A1为帧失步时向对端发送的告警码（简称对告码）。当帧同步时，A1为0码；帧失步时A1码为1码。以便告诉对端，收端已经出现帧失步，无法工作。其第4～8位码可供传送其他信息（如业务联络等）。这几位码未使用时，固定为 1 码。这样，奇帧 TS0时隙的码型为（11A111111｝。

（3）信令与复帧同步时隙：TS16

为了起各种控制作用，每一路话音信号都有相应的信令信号，即要传信令信号。由于信令信号频率很低，其抽样频率取500Hz，即其抽样周期为，而且只编4位码（称为信令码或标志信号码，实际一般只需要3位码），所以对于每个话路的信令码，只要每隔16帧轮流传送一次就够了。将每一帧的TS16传送两个话路信令码（前四位码为一路，后四位码为另一路），这样15个帧（F1～F15）的TS16可以轮流传送30个话路的信令码（具体情况参见图1-6）。而F0帧的TS16传送复帧同步码和复帧失步告警码。

16个帧称为一个复帧（F0～F15）。为了保证收、发两端各路信令码在时间上对准，每个复帧需要送出一个复帧同步码，以使复帧得到同步。复帧同步码安排在F0帧的TS16时隙中的前四位，码型为{0000}，另外F0帧TS16时隙的第6位A2为复帧失步对告码。复帧同步时，A2码为0码，复帧失步时则改为1码。第5、7、8位码也可供传送其他信息用，如暂不使用，则固定为1码。需要注意的是信令码{a，b，c，d}不能同时编成0码，否则就无法与复帧同步码区别。

对于PCM30/32路系统，可以算出以下几个标准数据。

● 帧周期125μs ，帧长度32×8＝256bit（l=8）。

● 路时隙。

● 位时隙。

● 传信速率fB=fs⋅n⋅l=8000×32×8=2048kbit/s

1.1.3 准同步数字体系

1．数字复接的基本概念

（1）准同步数字体系概述

根据不同的需要和不同的传输介质的传输能力，要有不同话路数和不同速率的复接，形成一个系列（或等级），由低向高逐级复接，这就是数字复接系列。多年来一直使用较广的是准同步数字体系（PDH）。

国际上主要有两大系列的准同步数字体系，都经CCITT（现更名为ITU-T）推荐，即PCM24路系列和 PCM30/32 路系列。北美和日本采用 1.544Mbit/s 作为第一级速率（即一次群）的PCM24 路数字系列，并且两家又略有不同；欧洲和中国则采用2.048Mbit/s作为第一级速率（即一次群）的PCM30/32路数字系列。两类速率系列如表1-1所示。

（2）PCM复用和数字复接

扩大数字通信容量，形成二次及以上的高次群的方法通常有两种：PCM复用和数字复接。

① PCM复用

所谓 PCM 复用就是直接将多路信号编码复用，即将多路模拟话音信号按 125μs 的周期分别进行抽样，然后合在一起统一编码形成多路数字信号。

显然一次群（PCM30/32路）的形成就属于PCM复用。那么这种方法是否适用于二次及以上的高次群的形成呢？以二次群为例，假如采用 PCM 复用，要对 120 路话音信号分别按8kHz 抽样，一帧 125μs 时间内有 120 多个路时隙，一个路时隙约等于一次群一个路时隙的1/4，即每个样值编8位码的时间仅为1μs（一次群的路时隙为3.91μs，约4μs），编码速度是一次群的四倍。而编码速度越快，对编码器的元件精度要求越高，不易实现。所以，高次群的形成一般不采用PCM复用，而采用数字复接的方法。

② 数字复接

数字复接是将几个低次群在时间的空隙上迭加合成高次群。例如，将四个一次群合成二次群，四个二次群合成三次群等。

（3）数字复接的实现

数字复接的实现主要有两种方法：按位复接和按字复接。

① 按位复接

按位复接是每次复接各低次群（也称为支路）的一位码形成高次群。图 1-7（a）是四个PCM30/32路基群的TS1时隙（CH1话路）的码字情况。图1-7（b）是按位复接的情况，复接后的二次群信码中第一位码表示第一支路第一位码的状态，第二位码表示第二支路第一位码的状态，第三位码表示第三支路第一位码的状态，第四位码表示第四支路第一位码的状态。四个支路第一位码取过之后，再循环取以后各位，如此循环下去就实现了数字复接。复接后高次群每位码的间隔约是复接前各支路的1/4，即高次群的速率大约提高到复接前各支路的4倍。

按位复接要求复接电路存储容量小，简单易行，准同步数字体系（PDH）大多采用它。但这种方法破坏了一个字节的完整性，不利于以字节（即码字）为单位的信号的处理和交换。

② 按字复接

按字复接是每次复接各低次群（支路）的一个码字形成高次群。图1-7（c）是按字复接，每个支路都要设置缓冲存储器，事先将接收到的每一支路的信码储存起来，等到传送时刻到来时，一次高速（速率约是原来各支路的4倍）将8位码取出（即复接出去），四个支路轮流被复接。这种按字复接要求有较大的存储容量，但保证了一个码字的完整性，有利于以字节为单位的信号的处理和交换。同步数字体系（SDH）大多采用这种方法。

（4）数字复接的同步

数字复接要解决两个问题：同步和复接。

数字复接的同步指的是被复接的几个低次群的数码率（传信速率）相同。如果几个低次群数字信号是由各自的时钟控制产生的，即使它们的标称数码率相同，如PCM30/32路基群（一次群）的数码率都是2048kbit/s，它们的瞬时数码率也总是不同的，因为几个晶体振荡器的振荡频率不可能完全相同。

CCITT规定PCM30/32路的数码率为2048kbit/s ± 100bit/s，即允许它们有± 100bit/s的误差，这样几个低次群复接后的数码就会产生重叠和错位，在接收端是无法分接恢复成原来的低次群信号的，所以数码率不同的低次群信号是不能直接复接的。为此，在各低次群复接之前，必须使各低次群数码率互相同步，同时使其数码率符合高次群帧结构的要求。

（5）数字复接的方法及系统构成

① 数字复接的方法

数字复接的方法实际也就是数字复接同步的方法，有同步复接和异步复接两种。

同步复接是用一个高稳定的主时钟来控制被复接的几个低次群，使这几个低次群的数码率（简称码速）统一在主时钟的频率上（这样就使几个低次群系统达到同步的目的），可直接复接（复接前不必进行码速调整）。同步复接方法的缺点是一旦主时钟发生故障时，相关的通信系统将全部中断，所以它只限于局部地区使用。

异步复接是各低次群各自使用自己的时钟，由于各低次群的时钟频率不一定相等，使得各低次群的数码率不完全相同（这是不同步的），因而先要进行码速调整，使各低次群获得同步，再复接。PDH大多采用异步复接。

② 数字复接系统的构成

数字复接（异步复接）系统主要由数字复接器和数字分接器两部分组成，如图1-8所示。

数字复接器的功能是把四个支路（低次群）合成一个高次群。它是由定时、码速调整和复接等单元组成的。定时单元给设备提供统一的基准时钟（它备有内部时钟，也可以由外部时钟推动）。码速调整单元的作用是把各输入支路的数字信号的速率进行必要的调整，使它们获得同步。这里需要指出的是四个支路分别有各自的码速调整单元，即四个支路分别进行码速调整。复接单元将几个低次群合成高次群。

数字分接器的功能是把高次群分解成原来的低次群，它是由定时、同步、分接和恢复等单元组成。分接器的定时单元是由接收信号序列中提取的时钟来推动的。借助于同步单元的控制使得分接器的基准时钟与复接器的基准时钟保持正确的相位关系，即保持同步。分接单元的作用是把合路的高次群分离成同步支路信号，然后通过恢复单元把它们恢复成原来的低次群信号。

2．异步复接

（1）码速调整

① 码速调整的概念

以四个一次群复接成二次群为例，异步复接时，四个一次群虽然标称数码率都是2048kbit/s，但因四个一次群各有自己的时钟源，并且这些时钟都允许有± 100Hz的偏差，因此四个一次群的瞬时数码率各不相等。所以对异源一次群信号的复接首先要解决的问题就是使被复接的各一次群信号在复接前有相同的数码率，这一过程叫码速调整。

② 码速调整与恢复的方法

码速调整是利用插入一些码元将各一次群的速率由2048kbit/s左右统一调整成2112kbit/s。接收端进行码速恢复，通过去掉插入的码元，将各一次群的速率由2112kbit/s还原成2048kbit/s左右。

③ 码速调整技术的分类

码速调整技术可分为正码速调整、正/负码速调整和正/零/负码速调整三种。其中正码速调整应用最普遍。

（2）异步复接二次群帧结构

CCITT G.742推荐的正码速调整异步复接二次群帧结构如图1-9（b）所示。

异步复接二次群的帧周期为 100.38μs，帧长为 848bit。其中有 4×205＝820bit（最少）为信息码（这里的信息码指的是四个一次群码速调整之前的码元，即不包括插入的码元），有28bit的插入码（最多）。28bit的插入码的具体安排如表1-2所示。

图1-9（b）的二次群是四个一次群分别码速调整后，即插入一些附加码以后按位复接得到的。经计算得出，各一次群（支路）码速调整之前（速率 2048kbit/s 左右）100.38μs 内有约205～206个码元，码速调整之后（速率为2112kbit/s）100.38μs内应有212个码元（bit），即应插入6～7个码元。以第1个一次群为例，100.38μs内插入码及信息码分配情况如图1-9（a）所示，其他支路与之类似。

其中前3位是插入码Fi1,Fi2,Fi3（i=1～4），用作二次群的帧同步码、告警和备用；第54位，107位，160位为插入码Ci1,Ci2,Ci3，它们是插入标志码；第161位可能是原信息码（如果原支路数码率偏高，100.38μs内有206个bit），也可能是码速调整用的插入码Vi（如果原支路数码率偏低，100.38μs内有205个bit）。

四个支路码速调整后按位复接，即得到图1-9（b）的二次群帧结构。前10位F11,F21,F31…F23是帧同步码，第11位F33是告警码，第12位F43备用；第213～216位C11,C21,C31,C41，第425～428位C12,C22,C32,C42，第637～640位C13,C23,C33,C43是插入标志码；第 641～644位可能是信息码，也可能是码速调整用的插入码V1～V4。

接收端分接后将图1-9（b）所示的二次群分成类似图1-9（a）的各一次群，然后各一次群要进行码速恢复，也就是要去除发端插入的码元，这个过程叫“消插”或“去塞”。那么接收端如何判断各支路第161位码是信息码还是码速调整用的插入码呢？

插入标志码的作用就是用来通知收端第161位有无Vi插入，以便收端“消插”。每个支路采用三位插入标志码是为了防止由于信道误码而导致的收端错误判决。“三中取二”，即当收到两个以上的“1”码时，认为有Vi插入，当收到两个以上的“0”码时，认为无Vi插入。

3．PCM高次群

前面介绍数字复接的基本概念、基本原理时，主要是以二次群为例分析的，下面简要介绍比一次群、二次群等级高的PCM三次群、四次群。

（1）PCM三次群

CCITT G.751推荐的PCM三次群有480个话路，速率为34.368Mbit/s。三次群的异步复接过程与二次群相似。四个标称速率是8.448Mbit/s（瞬时速率可能不同）的二次群分别进行码速调整，将其速率统一调整成8.592Mbit/s，然后按位复接成三次群。异步复接三次群的帧结构如图1-10（b）所示。

异步复接三次群的帧长度为 1536bit，帧周期为3。每帧中原二次群（码速调整前）提供的比特为377×4＝1508个（最少），插入码有28个bit（最多）。其中前10bit作为二次群的帧同步码，码型为1111010000，第11位为告警码，第12位为备用码，另外有最多4bit的码速调整用插入码（V1～V4），还有3×4＝12bit的插入标志码。

图1-10（a）为各二次群（支路）码速调整（即插入码元）后的情况（时间长度为44.69μs）。插入码的安排及作用与一次群的相似，区别是各二次群在 44.69μs 内码速调整后有 384bit，以384bit为重复周期，每384bit分为4组，每组有96bit。

（2）PCM四次群

CCITT G.751推荐的PCM四次群有1920个话路，速率为139.264Mbit/s。

四次群的异步复接过程也与二次群相似。异步复接四次群的帧结构如图1-11（b）所示。

异步复接四次群的帧长度为2928bit，帧周期为。每帧中原三次群（码速调整前）提供的比特为722×4＝2888个（最少），插入码有40bit（最多）。其中前12bit作为四次群的帧同步码（111110100000），第13bit为告警码，第14～16bit为备用码，另外有最多4bit码速调整用的插入码（V1～V4），还有5×4＝20bit插入标志码。

图1-11（a）为各三次群支路码速调整（即插入码元）后的情况（时间长度为21.02μs）。其中每个三次群支路的前4bit为插入码，第123，245，367，489，611为插入标志码（可见此时每个支路插入标志码为5位），第612为码速调整用插入码VI或为原信息码。

四个三次群码速调整后21.02μs内有732bit，按位复接成四次群，帧结构如图1-11（b）所示。

1.1.4 PDH的局限性

1．PDH的网络结构

以上介绍了PDH的各次群，即PCM一次群、二次群、三次群、四次群等。作为一个总结，图1-12给出了一种PDH的网络结构。

图1-12中是以传输四次群为例的，需要说明的是：四次群的传输通常利用光纤、微波等信道进行频带传输，四次群信号需要通过光端机或微波设备（图中未画出）进行处理变换、调制等。

另外，需要强调的是数字通信系统（无论是采用PDH还是将要介绍的SDH）只是交换局之间的传输系统，并不包含交换局。通常所说的PDH网（或SDH网）指的是交换局之间的部分。但如果泛泛地谈数字网，则既包括传输系统，也包括交换系统，请读者不要搞混。

2．PDH的弱点（局限性）

虽然过去几十年来，在数字电话网中一直在使用准同步数字体系（PDH），但准同步数字体系（PDH）传输体制存在一些弱点，主要表现在如下几个方面。

（1）只有地区性数字信号速率和帧结构标准而不存在世界性标准

从20世纪70年代初期至今，全世界数字通信领域有两个基本系列：以2048kbit/s为基础的 CCITT G.732，G.735，G.736，G.742，G.744，G.745，G.751 等建议构成一个系列和以1544kbit/s为基础的CCITT G.733，G.734，G.743，G.746等建议构成的一个系列，而1544kbit/s系列又有北美、日本之分，三者互不兼容，造成国际互通困难。

（2）没有世界性的标准光接口规范

在PDH中只制定了标准的电光接口规范，没有世界性的标准光接口规范，由此导致各个厂家自行开发的专用光接口大量出现。不同厂家生产的设备只有通过光/电变换成标准电接口（G.703建议）才能互通，而光路上无法实现互通和调配电路，限制了联网运用的灵活性，增加了网络运营成本。

（3）异步复用缺乏灵活性

准同步系统的复用结构，除了几个低等级信号（如 2048kbit/s，1544kbit/s）采用同步复用外，其他多数等级信号采用异步复用，即靠塞入一些额外的比特使各支路信号与复用设备同步并复用成高速信号。这种方式难以从高速信号中识别和提取低速支路信号。为了上下电路，必须将整个高速线路信号一步一步分解成所需要的低速支路信号等级及上下支路信号后，再一步一步地复用成高速线路信号进行传输。复用结构复杂，缺乏灵活性，硬件数量大，上下业务费用高。

（4）按位复接不利于以字节为单位的现代信息交换

PDH复接方式大多采用按位复接，虽然节省了复接所需的缓冲存储器容量，但不利于以字节为单位的现代信息交换。目前缓冲存储器容量的增大不再困难，大规模存储器容量已能满足PCM三次群一帧的需要。

（5）网络管理能力较差

PDH复用信号的结构中用于网络运行、管理、维护（OAM）的比特很少，网络的OAM主要靠人工的数字交叉连接和停业务检测，这种方式已经不能适应不断演变的电信网的要求。

（6）数字通道设备利用率低

由于建立在点对点传输基础上的复用结构缺乏灵活性，使数字通道设备利用率很低。非最短的通道路由占了业务流量的大部分。例如，北美大约有 77%的 DS3（45Mbit/s）速率的信号传输需要一次以上的转接，仅有23%的DS3速率信号是点到点一次传输。可见目前的体制无法提供最佳的路由选择，也难以迅速、经济地为用户提供电路和业务，包括对电路带宽和业务提供在线的实时控制。

传统的准同步数字体系的上述弱点使它已不能适应现代电信网和用户对传输的新要求，所以必须从技术体制上对传输系统进行根本的改革，找到一种有机地结合高速大容量光纤传输技术和智能网络技术的新体制，这就产生了同步数字体系（SDH）。