2.5 数字同步与复接技术
数字同步是数字通信系统正常工作的最基本要求。数字通信系统中各关键节点位置的动作频率保持步调一致称为数字同步或网同步。数字复接是提高信道利用率，实现高速率数字传输的基本手段。把若干个低速率分支数字码流汇接成一路高速数字码流的过程，称为数字复接。
本节将首先简要介绍数字同步技术，然后重点介绍数字复接技术和同步数字系列。
2.5.1 数字同步技术
数字通信系统同步不良将会导致通信质量下降，严重时甚至完全不能工作。其中，位同步和帧同步是两种常用的同步方式。为了实现严格同步，无论系统的硬件还是软件都需要采取相应的措施。
位同步要求收、发两端的时钟频率完全同频同相。影响位同步的重要因素是信号时钟的稳定度和精确度，因此要求数字通信系统内主时钟频率和相位控制在一定误差之内。实现位同步主要方式有：
1）独立同步：各个节点各自设置高精稳度的独立时钟。
2）主从同步：某一节点设置高精稳度时钟作为基准时钟，系统中其他节点通过基准时钟传输线路接收同步时钟信号。
采用较多的是主从同步方式，这种方式是采用定时提取技术从接收到的信号中提取同步时钟频率。只要适当地选择线路传输码型（如HDB3码或AMI码等），使得传输的信号码型中隐含着同步时钟频率即可实现。
帧同步是指收、发两端以帧为单位对齐。为了实现帧同步，需要在每一帧（或几帧）中固定位置插入具有特定码型的帧同步码。只要接收端能正确识别出这些帧同步码，就能正确辨别出每一帧的首尾，从而能正确区分各路信号。
2.5.2 数字复接技术
1．系统组成
数字复接系统主要由数字复接器和分接器组成。复接器是把两个或两个以上的支路（低次群）按时分复用方式合并成一个单一的高次群，其设备由定时、码速调控和复接单元组成；分接器的功能是把高次群数字信号分解成原来的低次群数字信号，它由同步、定时、分接和码速恢复等单元组成，如图2-21所示。
图2-21 数字复接系统框图
复接器在对各支路数字信号复接之前需要对它们进行频率和相位调整，称为码速调整。调整的目的是使各支路输入码流速率彼此同步并与复接器的定时信号同步，以形成高次群码流。
数字通信系统可以接入许多低速数据通信设备，如三类以下的传真机、串口拨号连接的调制解调器等。把低速率数据信号复接成64kbit/s的数字信号，称为零次群复接。例如，在PCM 30/32路系统中，32个64kbit/s话路复接组成一个基群；由4个基群（2.048Mbit/s）复接成一个二次群（8.448kbit/s）；4个二次群复接成一个三次群（24.368kbit/s）；4个三次群复接成一个四次群（139.264kbit/s）。
2．复接方法
数字复接方法有按位复接、按字复接和按帧复接三种。图2-22示出了前两种复接方法。
按位复接是依照各支路先后顺序，每次轮流取1位码进行复接。图2-22b是把4个支路按位复接后的结果。按位复接方法简单，缓存器容量小，其缺点是不利于信号交换。
按字复接是每次从一个支路取一字（8bit码）进行复接，有利于数字电话交换，但要求有较大的缓存器容量。图2-22c是把4个支路按字复接后的结果。
图2-22 按位复接与按字复接示意图
a）分别来自4个基群的各8bit时隙信号 b）按位复接产生的二次群 c）按字复接产生的二次群
按帧复接是每次从一个支路取一帧（256位码）进行复接。优点是不破坏原来的帧结构，有利于交换，但要求更大的缓存器容量。
3．码速调整
在做数字复接前，要求被复接的各支路数字信号彼此之间必须同步，并与复接器的定时信号同步。否则，需要进行适当的码速调整。
若被复接的各支路在一个统一的高稳定度的主时钟源控制下工作，相互保持固定的相位关系，则它们的码速完全相同。此时不需要进行码速调整，复接器便可直接将低速支路数字信号复接成高速的数字信号，这种复接称为同步复接。同步复接目前用于高速大容量的同步数字系列（SDH）中。
若被复接的各支路有各自的时钟控制源，而且标称速率相同，也与复接器要求的标称速率相同，虽然相互间速率的变化在规定的容差范围内，但存在着相位飘移和抖动问题，这种复接称为准同步复接。大多数情况下，低次群复接成高次群时都属于准同步复接。这种复接方式的最大特点是，各支路时钟源差别不大、码速调整单元电路简单。
若被复接的各支路有各自的时钟控制源，而且标称速率不同，也与复接器要求的标称速率有差别，或者它们之间速率的变化不在规定的容差范围内，这种复接称为异步复接。异步复接的码速调整电路要复杂得多，要适应码速大范围的变化，需要大量的存储器才能满足要求。
无论是哪一种复接，都需要在复接的同时加入额外的帧同步码、告警码等码位，以实现对新产生的高速数据码流的传输同步定时控制，并且满足接收端分接处理时的需要。例如，把PCM一次群2.048Mbit/s速率的4个支路信号复接到二次群，理论速率应该是2.048Mbit/s×4=8.192Mbit/s，但实际码速调整后速率是8.448Mbit/s。其中额外多出的码元就是由帧同步码、告警码、插入标志码等的增加而产生的。这种码速调整后速率高于调整前的结果，称为正码速调整。
2.5.3 准同步数字系列
为促进国际间数字通信的标准化，ITU-T早期推荐了两类从基群到五次群复接等级的数字速率系列。一类以1.544Mbit/s为基群速率，低次群速率与相邻高次群相差3～5倍不等，采用的国家有北美各国和日本等；另一类以2.048Mbit/s为基群速率，低次群与相邻高次群速率相差4倍，采用的国家有欧洲各国和中国等。表2-5示出了这两个系列各次群的速率和话路数。这两类数字速率系列各次群比特率相对于其标准值有一个规定的容差，而且是异源的，各节点时钟允许存在少量的频率漂移误差，因此这是一种准同步复接方式，统称为准同步数字系列（Plesiochronous Digital Hierarchy，PDH）。例如，以2.048Mbit/s为基群的系列，各次群的话路数按4倍递增，速率倍增的关系略大于4倍，原因是复接时插入了一些码速调整比特。
表2-5 PDH两类标准数字速率系列和复接等级
PDH主要适用于中、低速率点对点传输。随着高速光纤通信技术的进步，数字通信系统的传输容量不断提高，宽带综合业务数字网和计算机网络技术的迅速发展让网络管控显得日益重要，现有PDH的许多缺点逐渐暴露出来。主要问题有三点：
1）上述两种数字系列互不兼容，导致国际电信网的建立及营运管理比较复杂和困难。
2）高、低速率信号的复接和分接都需要逐级进行，复接—分接设备复杂，上下话路价格昂贵。
3）帧结构中管理维护用的比特位较少，难以适应网络管理灵活、动态、智能化的日益增长需求。
国际上迫切需要建立统一的全新体制的数字通信网。为此ITU-T经充分讨论和协商，于20世纪80年代末，接受了美国贝尔通信研究所提出的同步光网络（Synchronous Optical Network，SONET）数字系列标准，并进行了适当修改，命名为同步数字系列（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）。该体系不仅适用于光纤通信系统，而且也适用于微波和卫星传输系统。
2.5.4 同步数字系列
目前，四次群以上的数字通信传输基本上采用SDH标准。
1．SDH的特点
1）由一系列的SDH网元组成，可在光纤网中实现同步信息传输、复用、分插或交叉连接。
2）块状帧结构中安排了丰富的管理比特，大大增强了网络管理能力。
3）网络能在极短的时间内从失效的故障状态自动恢复业务而无需人为干涉。
4）有标准化的信息结构等级规范，称为同步传输模块STM-N。不同厂家的设备只要符合规范就可以在光路上互联，真正实现横向兼容。
5）具有兼容PDH甚至B-ISDN的能力，所以有广泛的适用性。
2．网络节点接口、速率与帧结构
SDH网有若干个网络节点（包括复用、交叉连接和交换功能），节点之间通过传输设备（包括光纤、微波或卫星传输系统）连接起来。图2-23示出了网络节点接口（Network Node Interface，NNI）应用的位置。网络节点接口指的是传输设备和网络节点之间的连接标准，即二者相互间连接的接口速率和帧结构。
图2-23 网络节点接口应用位置
ITU-T蓝皮书G.707建议SDH的第一级比特率为155.52Mbit/s，记作STM-1；4个STM-1按字节同步复接得到STM-4，比特率为622.08Mbit/s；4个STM-4同步复接得到STM-16，比特率为2488.32Mbit/s；4个STM-16同步复接得到STM-64，比特率为9953.28Mbit/s。
SDH网的STM-N帧结构如图2-24所示。其中每一帧共有9行，270×N列，N=1，4，16，64，每字节8bit，帧周期为125μs，帧频为8kHz（8000帧/s）。字节的传输顺序是从第1行开始由左向右，由上至下。
图2-24 SDH的帧结构
SDH的帧由段开销（SOH）、管理单元指针（AU PTR）和信息净负荷三部分组成。段开销是供网络运行、管理维护的一些附加字节。占用9×N列的1～3行和5～9行字节部分。管理单元指针用来指示信息在净负荷区的具体位置。信息净负荷区域是信息存放的位置。
以STM-1为例，它有9×270B=9×270×8bit=19440bit，传输速率为19440bit/125μs=155.520Mbit/s。其中段开销为72B，576bit，信息净负荷为2349B，管理单元指针占用9B。
3．基本复用映射结构
数字信号复接到STM-N帧的过程都需要经过映射、定位和复用三阶段。下面将以目前国内采用的基本复用映射结构来说明。
图2-25是适用于我国的SDH复用结构，该结构是以2Mbit/s系列PDH信号为基础，以2Mbit/s和140Mbit/s为支路接口得到的。
图2-25 SDH复用映射结构示意图
图中，SPT为同步数字物理接口，RST为再生段终端，MST为复用段终端，MSP为复用段保护，MSA为复用段适配器，HPC为高阶通道连接器，HPT为高阶通道终端，HPA为高阶通道适配器，LPC为低阶通道连接器，LPT为低阶通道终端，LPA为低阶通道终端，PPI为PDH物理接口。
SDH的复用结构是由一系列的复用单元组成的，各复用单元的信息结构和功能各不相同。
1）容器（C）：图中C-x是用来装载各种速率的业务信号的信息结构，称为容器（Container）。例如，C-4可装载140Mbit/s的数字信号，称为高阶容器，其他两个称为低阶容器。这些容器统称为标准容器。
2）虚容器（VC）：从标准容器出来的数据流加上通道开销（POH），就构成了虚容器（Virtual Container），这个过程称为映射。映射是SDH中最重要的过程之一。VC-4是高阶虚容器，VC-12和VC-3是低阶虚容器。网中的不同虚容器帧速率是相互同步的，便于实现VC级的交叉连接。
3）支路单元（TU）：为低阶通道层与高阶通道层提供适配功能的一种信息结构，一个或多个TU组成支路单元组（TUG）。这种TU经TUG到高阶VC-4的过程，称为复用，复用的方法是字节间插。
4）管理单元（AU）：这是一种在高阶通道层和复用段层提供适配功能的信息结构。由高阶虚容器和一个相应的管理单元指针组成。一个或多个在STM帧中占有固定位置的AU组成一个管理单元组（AUG）。管理单元指针的作用用于指示这个相应的高阶VC在STM-N中的位置。
5）同步传输模块（STM-N）：在N个AUG的基础上与段开销一起组成。N个STM-1可同步复用为STM-N。
为了对复用过程加深理解，下面以PDH四次群（139.264Mbit/s）支路信号复用过程为例做出说明。如图2-26所示。
图2-26 PDH四次群复用映射到STM-1的过程
1）把139.264Mbit/s的数字信号送入高阶容器C-4做适配处理，速率调整后输出149.760Mbit/s的数字信号。
2）在VC-4内加上每帧9B的通道开销后输出信号速率是150.336Mbit/s。
3）在AU-4内加上管理单元指针AUPTR后，信号速率变为150.912Mbit/s。
4）N=1时，一个AUG加上段开销4.608Mbit，得到STM-1信号速率为155.520Mbit/s。
最终得到一级比特率为155.520Mbit/s的STM-1数字信号。